JPH1073462A - 超音波流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送受波器
２、３を配置し、前記各送波器の超音波発信素子に駆動
パルスを印加して相互に超音波を発生送信するととも
に、送信された超音波を相互に受波器で受信し、各受信
波Ｗ、Ｗ´の比較から求めた該超音波の伝搬時間の差に
基いて流速を測定する超音波流速測定方法において、伝
搬時間差の測定に不要である、受信波の余分な振動を抑
制して、送信周期の短縮を図る超音波流速測定方法の提
供する。 【解決手段】前記各送波器の超音波発信素子に、前記駆
動パルスを印加した後に、前記超音波発信素子の振動を
抑制する逆位相の減衰用パルスを印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
てガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスその他の流体の流量を求めるに際
し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、こ
れに基いて流量を演算することが行われている。このよ
うな流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用し
た方法が知られている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図３
にて説明すると次のとおりである。図３において、
（１）は内部を矢印方向にガス等の流体が流れる管路で
ある。この管路（１）内には、流れ方向の上流側及び下
流側に、所定距離を隔てて送受波器（２）（３）が配置
されている。

【０００４】前記の各送受波器（２）（３）は送波器と
受波器を兼ねるもので、振動子からなる超音波発信兼受
信素子（図示略）を備えており、この超音波発信兼受信
素子がパルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆
動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信され
てきた超音波を受信して超音波発信兼受信素子が振動し
たときの受信波が増幅回路（５）から電気信号として出
力されるものとなされている。

【０００５】そして、上流側送受波器（２）から流れに
対して順方向に送信された超音波が下流側送受波器
（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側送受波器
（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上
流側送受波器（２）で受波されるまでの伝搬時間との差
は、流速に関係することから、この伝搬時間差を求める
ことにより流体の流速を測定するものとなされている。
なお、図３において、（６）は各送受波器（２）（３）
とパルス発生回路（４）及び増幅回路（５）の接続を切
替える切替回路であり、まずパルス発生回路（４）と上
流側の送受波器（２）、下流側の送受波器（３）と増幅
回路（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間
を測定したのち、該切替回路（６）の作動によりパルス
発生回路（４）と下流側の送受波器（３）、上流側の送
受波器（２）と増幅回路（５）とが接続されるように切
替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するもの
となされている。

【０００６】ところで、上記のような駆動パルスを超音
波発信素子に印加すると、駆動パルス除去後も超音波発
信素子は振動する。そのため、その振動に対応して、超
音波受信素子も振動し、出力回路（５）から出力される
受信波は、図４に示すように、駆動パルス除去後も波が
しばらく続く振動波形となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような振
動波形が持続することは、次のような欠点があった。す
なわち、上記のような超音波の伝搬時間差は、相互の送
受波器（２）（３）を介して増幅回路（５）から出力さ
れる受信波（Ｗ）（Ｗ´）の特定の波、例えば第１波
（Ｗ1 ）（Ｗ1 ´）が基準電圧ＶR に達した時点での時
間差ｔを測定することにより行われることから、この場
合、第１波（Ｗ1 ）（Ｗ1 ´）に続く第２波以降の波は
伝搬時間差の測定には寄与せず不要となるが、従来のパ
ルス発信方法では、超音波発信素子に対応して受信波も
しばらく振動するため、かかる振動が自然減衰するまで
次の測定ができなかった。このため、送信周期が長くな
り、流体流速を連続的ないし定期的に測定する必要があ
る場合などには些か非効率であるという欠点があった。

【０００８】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、超音波発信素子の振動を急激
に減衰させ、それにより増幅回路（５）から出力される
受信波における伝搬時間差の測定に不要である余分な振
動を短時間で抑制し、送信周期の短縮化を図りうる超音
波流速測定方法の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、駆動パルス除去後における超音波発信
素子の振動に対応して出力回路から出力される受信波の
不要な振動を、短時間で抑制することができるように、
超音波発信素子に印加する駆動パルスの発信方法を工夫
したものである。

【００１０】即ち、この発明は、計測流体の上流側と下
流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、前記各送波
器の超音波発信素子に駆動パルスを印加して相互に超音
波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に
受波器で受信し、各受信波の比較から求めた該超音波の
伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波流速測定方
法において、前記駆動パルスの後に、超音波発信素子の
振動を抑制する逆位相の減衰用パルスを印加することを
特徴とするものである。

【００１１】この駆動パルスの波形は、従来の駆動パル
スの波形と同じ矩形波や三角波などでよく、また、この
駆動パルスの後に超音波発信素子および超音波受信素子
の両方の共振周波数と同じないしほぼ同じ周波数の位相
合わせパルスを複数個送信して、受信波における伝搬時
間差の測定に必要な初期の波の位相を均一化するととも
に振幅を大きくしてもよい。

【００１２】このように、前記駆動パルスの後に、超音
波発信素子の振動を抑制する逆位相の減衰用パルスを印
加することで、該超音波発信素子は、その振動成分がそ
れと逆位相の減衰パルスの振動により弱められることに
なり、減衰パルスが出力されるにつれて急激に振動が抑
制される。したがって、これに対応して、増幅回路
（５）から出力される受信波は、減衰用パルスが印加さ
れるに従い短時間で減衰することになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、この発明の一実施形態を説
明する。図２はこの発明を実施するための超音波流速測
定装置を示すものである。図２において、（１）は管
路、（２）（３）は流れ方向の上流側及び下流側に所定
距離を隔てて配置された送受波器、（４）は駆動パルス
を発生するパルス発生回路、（５）は送受波器（２）
（３）で受信した受信波を出力する増幅回路、（６）は
各送受波器（２）（３）とパルス発生回路（４）及び増
幅回路（５）の接続を切替える切替回路であり、これら
は図３に示したものと同じである。

【００１４】この実施形態では、増幅回路（５）の出力
側にゼロクロス検出回路（７）が設けられている。この
ゼロクロス検出回路（７）は、増幅回路（５）から受信
波が出力された直後において、増幅回路（５）から出力
される受信波のゼロクロスを、例えば第１波では到達時
間Ｔ1 、Ｔ1 ´のタイミングで検出し、これをもって受
信波到達タイミングとするものである。これを利用する
ことにより、基準電圧が変動した場合でも、ゼロクロス
のタイミングは変動しないから、受信波到達タイミング
に変動が生じることはなく、ひいてはさらに精度の高い
流速測定を行うことができる。

【００１５】次に、図２に示した装置を用いた、この発
明に係る超音波測定方法を説明する。 まず、流体の上
流側の送受波器（２）の超音波発信素子を駆動するため
に、図１の鎖線に示されるように、パルス発生回路
（４）から矩形の駆動パルス（Ｐ）を出力し超音波発信
素子に印加すると、図１の実線に示されるように、出力
回路（５）から受信波の第１波（Ｗ1 ）が出力される。

【００１６】次に、伝搬時間差（位相差）を導出するの
に必要な時間差の測定データ数を４個に設定し、前記駆
動パルス（Ｐ）に続けて、超音波発信素子および超音波
受信素子の共振周波数と同じないしほぼ同じ周波数で矩
形状の位相合わせパルス（Ｐf ）をパルス発生回路
（４）から３個出力し超音波発信素子に印加すると、駆
動パルス（Ｐ）による振動成分に重畳して位相合わせパ
ルス（Ｐf ）による振動が加わることになり、図１の実
線に示されるように、出力回路（５）から受信波の第２
波（Ｗ2 ）、第３波（Ｗ3 ）、第４波（Ｗ4 ）が出力さ
れる。

【００１７】ここで、４個の伝搬時間差（位相差）の測
定データを得るために、ゼロクロス検出回路（７）によ
り、増幅回路（５）から出力される受信波（Ｗ）のゼロ
クロスを図１に示すように到達時間Ｔ1 、Ｔ２、・・・
Ｔ４のタイミングで検出し、これをもって受信波（Ｗ）
の到達タイミングとする。この前記位相合わせパルス
（Ｐf ）により受信波（Ｗ）の初期波は位相が均一化さ
れると共に振幅も十分に確保されているから、受信波
（Ｗ）の各波を確実に捕捉でき、したがって、Ｔ１、Ｔ
２、・・・、Ｔ４の到達タイミングを精度よく確定でき
る。

【００１８】さらに、前記位相合わせパルス（Ｐf ）に
続けて、超音波発信素子の振動を抑制する逆位相の減衰
用パルス（Ｐl ）をパルス発生回路（４）から複数個出
力し超音波発信素子に印加するが、該超音波発信素子の
振動の位相と位相合わせパルス（Ｐf ）の位相は同じで
あるから、結局、減衰用パルス（Ｐl ）はその位相合わ
せパルス（Ｐf ）の位相と逆位相のものとして出力すれ
ばよい。。このような減衰用パルス（Ｐl ）が超音波発
信素子に印加されると、前記駆動パルス（Ｐ）の振動成
分に位相合わせパルス（Ｐf ）が重畳することによる生
じる振動成分が、その位相合わせパルス（Ｐf ）と逆位
相の減衰パルス（Ｐl ）の振動により弱められることに
なり、該超音波発信素子の振動は短時間で抑制される。

【００１９】以上のように、図１の鎖線に示されるよう
な送信パルスをパルス発生回路（４）から複数個出力し
超音波発信素子を振動させると、この振動に対応して、
図１の実線で示されるような波形の受信波（Ｗ）が増幅
回路（５）から出力される。この受信波（Ｗ）は、前記
位相合わせパルス（Ｐf ）が出力されている間では、第
１波（Ｗ1 ）（Ｗ1 ´）から第４波（Ｗ4 ）（Ｗ4 ´）
に示されるように、減衰することなく測定に必要な振幅
も確保された波形となり、一方、前記減衰用パルス（Ｐ
l ）が出力されている間では、第５波（Ｗ1 ）（Ｗ1
´）以降の波に示されるように急激に減衰して測定に不
要な振動が短期間で少なくなる波形となる。

【００２０】次に、切替回路（６）により接続を切替
え、流体の下流側の送受波器（３）における超音波発信
素子を駆動するために、パルス発生回路（４）から上記
と同様にして駆動パルス（Ｐ）、位相合わせパルス（Ｐ
f ）を出力すると、図１の破線に示されるように、受信
波（Ｗ´）の第１波（Ｗ1 ´）、第２波（Ｗ2 ´）、第
３波（Ｗ3 ´）、第４波（Ｗ4 ´）が出力される。そし
て、上記と同様にして、４個の伝搬時間差（位相差）の
測定データ数を得るために、ゼロクロス検出回路（７）
により、増幅回路（５）から出力される受信波（Ｗ´）
のゼロクロスを図１に示すように到達時間Ｔ1 ´、Ｔ２
´、・・・Ｔ４´のタイミングで検出し、これをもって
受信波（Ｗ´）の到達タイミングとする。

【００２１】さらに、前記位相合わせパルス（Ｐf ）に
続けて、逆位相の減衰用パルス（Ｐl ）をパルス発生回
路（４）から複数個出力し、受信波（Ｗ）と同様にし
て、受信波（Ｗ´）の余分な振動を抑制する。

【００２２】しかして、得られた２つの受信波（Ｗ）
（Ｗ´）は、図１に示すように流体流速に応じて変化す
る伝搬時間差（位相差）ｔ1 、ｔ2 、・・・、ｔ4 を生
じているから、それぞれの受信波（Ｗ）（Ｗ´）の第１
半波（Ｗ1 ）（Ｗ1 ´）、第２半波（Ｗ2 ）（Ｗ2
´）、・・・、第４半波（Ｗ4 ）（Ｗ4 ´）の到達タイ
ミングを比較することによりこの伝搬時間差ｔ1 、ｔ2
、・・・、ｔ4 を測定し４個の測定データを得る。そ
して、それらを平均化した伝搬時間差から流体流速を求
め、必要に応じて流量を求める。また、受信波（Ｗ）
（Ｗ´）における伝搬時間差測定に不要な後半の振動は
急激に減衰するために、流体流速を連続的ないし定期的
に測定する必要がある場合には、上記の操作を短時間ご
とに連続的ないし定期的に繰り返すことができる。

【００２３】なお、以上の実施形態では、受信波（Ｗ）
（Ｗ´）における初期の波の位相を均一化すると共に振
幅を大きくするために、駆動パルス（Ｐ）に続けて、位
相合わせパルス（Ｐf ）をパルス発生回路（４）から出
力し超音波発信素子に印加したが、この位相合わせパル
ス（Ｐf ）は印加しなくてもよく、この場合は、駆動パ
ルス（Ｐ）による振動成分のみで超音波伝搬時間差を測
定した後、減衰用パルス（Ｐl ）を印加することにな
る。また、減衰用パルス（Ｐl ）を駆動パルス（Ｐ）や
位相合わせパルス（Ｐf ）につづけて超音波発信素子に
複数個印加したが、減衰用パルス（Ｐl ）の印加するタ
イミングや個数は特に限定されない。さらに、流体流れ
の上流側と下流側に各１個の送受波器を設け、切替回路
で接続を切替えて、上流側から下流側への送信と下流側
から上流側への送信を順次的に行う場合を示したが、上
流側に送波器と受波器を別々に設けるとともに下流側に
もこれに対応して受波器と送波器を別々に設けることに
より、伝搬時間の測定を同時的に行うものとしても良
い。

【００２４】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、計測流体の
上流側と下流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、
駆動パルスを前記各送波器の超音波発信素子に印加して
相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音
波を相互に受波器で受信し、各受信波の比較から求めた
該超音波の伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波
流速測定方法において、前記駆動パルスの後に、超音波
発信素子の振動を抑制する逆位相の減衰用パルスを印加
することを特徴とするものであるから、減衰用パルスが
印加された後の超音波素子の振動は急激に減衰し、増幅
回路に出力される受信波における伝搬時間差測定に不要
な振動は短時間で抑制される。その結果、送信周期の短
縮化を図ることができるため、流体流速を連続的ないし
定期的に測定する必要がある場合には効率的である。

【００２５】また、前記駆動パルスの後に、超音波発信
素子および超音波受信素子の両方の共振周波数と同じな
いしほぼ同じ周波数の位相合わせパルスを複数個印加し
た後、前記減衰用パルスを印加すると、増幅回路に出力
される受信波の初期の波は、該位相合わせパルスにより
位相が均一化すると共に振幅が大きくなるため、複数の
伝搬時間差の測定データを得るのに最適な波形となり、
一方、減衰用パルスを印加した後の超音波発信素子の振
動は急激に減衰するため、受信波の測定に不要な振動を
短時間で抑制できる。そのため、より確実な伝搬時間差
の測定データを短時間で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明において、送波器の超音波発信素子に
印加する駆動パルスと、受信波との関係を示す波形図で
ある。

【図２】この発明の実施形態に用いた超音波流速測定回
路の概略構成図である。

【図３】超音波流速測定の原理構成を説明するための概
略構成図である。

【図４】従来方法における受信波を示す波形図である。

【符号の説明】

１…配管 ２、３…送受波器 ４…パルス発生回路 ５…増幅回路 Ｐ…駆動パルス Ｗ、Ｗ´…受信波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 明男 大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 河野 明夫 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 中村 英司 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 保田 哲也 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送
   波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発信素
   子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信する
   とともに、送信された超音波を相互に受波器で受信し、
   各受信波の比較から求めた該超音波の伝搬時間の差に基
   いて流速を測定する超音波流速測定方法において、 前記駆動パルスの後に、超音波発信素子の振動を抑制す
   る逆位相の減衰用パルスを印加することを特徴とする超
   音波流速測定方法。
2. 【請求項２】 前記駆動パルスの後に、超音波発信素子
   および超音波受信素子の共振周波数と同じないしほぼ同
   じ周波数の位相合わせパルスを複数個印加し、さらに前
   記減衰用パルスを印加することを特徴とする、請求項１
   記載の超音波流速測定方法。