JPH1078338A

JPH1078338A - 超音波渦流量計

Info

Publication number: JPH1078338A
Application number: JP9168051A
Authority: JP
Inventors: David Winsor Marsh; ディビッド．ダブリュ．マーシュ; Lars Oscar Rosaen; ラース．オー．ローザエン; Eric J Rosaen; エリック．ジェイ．ローザエン
Original assignee: Asahi America Inc
Current assignee: Asahi America Inc
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 1998-03-24
Also published as: ATE377745T1; ES2296300T3; CN1180162A; CN1138130C; EP0813042A1; EP0813042B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】単純、安価にしてかつ確実な位相センサを利
用できる一方、センサがモニタする流体配管に連結する
位置から遠隔の位置で行える信号の処理をさせる。【解決手段】改良超音波渦流量計は、監視されること
になる流体配管中に不変的に設置されたブラフ本体の配
管コネクター１４と取除き自由にスリップ−オン・ヨー
ク部分を備えるセンサ・ハウジング１２を備える。超音
波送信器と受信器をそれぞれ前記ヨークの脚内に超音波
を流体によりそれがブラフ本体の回りを流れるに従っ
て、伝搬される渦流を通して通過するように位置させ
る。ヨークは計器使用中の流体流れの運転中止と流体に
侵入する外部汚染物質の可能性の双方を排除する。制御
および処理回路を遠隔に配置された回路ハウジング３８
内に配置してセンサがモニタした流体配管からの全体的
な隔離を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体流量計の改良、
詳述すれば超音波センサ回路を流れ配管に配置されたブ
ラフ（bluff ）本体と併用する形式の渦流量計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波渦流量計は一般に周知であって、
流体のリニア流れに置かれた障害物、例えばブラフ本体
が前記障害物から下流に流された複数の渦流を作るとい
う理論で作動する。渦は局在する振動の変化を観察でき
る流れパラメーター、例えば圧力もしくは速度で発生さ
せる。前記超音波が前記渦流により搬送される時、前記
渦流は搬送波と着波との間に前記渦流の強さと速度に左
右されるが位相角を作る。これらの位相角はその後、検
出されて前記流体の流量の算出に用いられる。

【０００３】しかしながら、位相角はさらに、他の外部
現象、例えば流体の温度変化で、前記搬送波と着波の間
の位相に前記位相センサの最適範囲を超える偏差をつく
ることができる。その結果周知の超音波渦流量計は前記
位相角を強いて最適検出範囲に止めさせようとする複雑
かつ高価なセンサ回路を典型的例として用いた。

【０００４】例えば、１つの周知の装置はフェーズロッ
クループ（ＰＬＬ）を用いて、前記搬送信号の周波数を
緩やかに調整して最適位相差を維持するか、あるいは発
振器の周波数を緩やかに調整して着信号に正確に合わせ
るかのいずれかである。費用と複雑さに加えて、前記Ｐ
ＬＬ装置の欠点は、前記流体の大きい温度変化が原因と
なる搬送周波数の大きい変動の扱いの誤りに陥りがちな
ことと、前記搬送波が、例えば前記流体中の気泡に遭遇
することで中断された場合に、前記位相ロックが正確に
できないことがあったり、またそれに対応する再ロック
に要する時間である。前記再ロックに要する時間は大型
流量計にとっては、位相ロック時間定数が最低渦流発生
周波数、例えばざっと１Ｈｚといったところより長い必
要があるので、特に問題を含み得る。

【０００５】他の周知の超音波渦流量計は上述の位相コ
ラプション（corruption）問題も多セットの送信器と受
信器を利用しての克服を試みた。しかしながら、これら
の装置はセンサ回路を一層複雑かつ高価にするだけであ
る。

【０００６】前記位相センサ回路で起こる問題のほか
に、周知の流量計装置もハウジングの設計のため、前記
流量計をどのように使用しても前記ユニットを流体配管
からの分離を必要とした。このような分離は、それが典
型的例として、流体の流れに依存する製造工程を一時的
に運転停止を必要として、そのため流体の流れを止める
ことになるので、極めて好ましくない。しかしながら、
前記流量計の配管からの分離は外部汚染物質を配管に侵
入させ、さらに製造工程を中断させるか、あるいは製造
商品の品質を汚すこともあり得る。

【０００７】さらに、周知の装置の上述のような欠点を
克服する必要性がある一方、センサ出力信号を実際のセ
ンサ・ハウジングから遠隔の位置で処理させる渦流セン
サを開発させた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は単純、安価にしてかつ確実な位相センサを利用で
きる一方、前記センサがマニタする流体配管に連結する
位置から遠隔の位置で行える信号の処理をさせる超音波
渦流量計を提供することである。

【０００９】本発明の他の目的は、専門家により流体分
配系を分解することなく、また前記流体を外部汚染物質
に曝すことなく使用させることができる超音波渦流量計
を提供することである。

【００１０】本発明のさらに他の目的は、流れモニタ部
材を前記流体分配系にある流体の流れを中断させること
なく取外しのできる主モニタ・ハウジングを備え、また
さらに、前記主モニタ・ハウジングから遠隔の別のハウ
ジングに信号処理回路を有する超音波渦流量計を提供す
ることである。

【００１１】本発明のさらなる目的は完全に非腐食性材
料製の、流体の流れ配管もしくは管の回りに嵌めたハウ
ジングを備える超音波渦流量計を提供することである。

【００１２】上述ならびに他の目的によれば、本発明は
モニタされる流体配管に不変的に取付けられたブラフ本
体の配管と取外し自在に噛合うスリップ−オン・ヨーク
からなるモニタ・ハウジングを備える改良超音波渦流量
計の提供にある。超音波送信器と受信器をそれぞれ前記
ヨークの脚内に配置して、超音波を流体が前記ブラフ本
体の配管コネクター内に配置された前記ブラフ本体のそ
ばを流れる時に、流体により起こされる渦流により通
す。前記スリップ−オン・ヨークは流体の流れを計器が
使用されている間は中断させる必要なく、また外部汚染
物質が流体中に侵入する可能性を排除する。前記流量計
は“排他的オア・ゲート”で最適位相範囲センサ装置と
併せ形成された単純位相センサをさらに利用する。前記
最適位相範囲センサ装置は、搬送波と着波の間の位相角
が０もしくは１８０度に達する時はいつでも、９０度の
シフト平均値を誘発させる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】従って、本発明の第１の
実施態様によれば、渦流量計は流体の流れ配管の回りに
接続されたモニタ・ハウジングと、前記配管内に配置さ
れ流体の流れに渦流を発生させる手段と、前記モニタ・
ハウジング内に配置され、前記渦流を通して超音波を伝
搬させる送信器と、前記モニタ・ハウジング内に配置さ
れ、前記伝搬波を受信する超音波受信器からなる。モニ
タ制御装置ならびに信号処理回路は前記モニタ・ハウジ
ングから遠隔配置された別の回路ハウジング内に配置さ
れ、かつ前記送信器と受信器に接続され、前記搬送波な
らびに着波の間に発生する僅かな位相角も表す出力を発
生させる位相センサからなり、またプロセッサ手段は前
記位相センサ手段出力に応答可能で流体流量を前記渦流
により起される位相角の関数として測定する。最適位相
範囲センサ手段を前記位相センサに接続して、前記位相
角が、ほぼ０度もしくは１８０であるかどうか、またシ
フト手段が前記最適位相範囲センサ手段に応答でき、前
記位相角がほぼ０度もしくは１８０である時はいつで
も、前記位相センサ手段に供給された発信器信号の位相
をほぼ９０度だけ移せるかどうかを検出する。

【００１４】本発明の第２の実施態様によれば、渦流量
計は流体の流れ配管に連結された別のブラフ本体の配管
コネクターの回りにスリップするよう正しい寸法をとっ
たヨークを備えるモニタ・ハウジングからなる。前記ブ
ラフ本体を配置して渦流を流体の流れ配管に発生させ
る。超音波送信器と受信器を前記ヨーク内に前記ブラフ
本体の配管コネクターの対向する両側にそれぞれ位置す
るように配置する。前記送信器を超音波が前記渦流を通
って伝搬し、前記受信器により受信されるように配置す
る。前記モニタ・ハウジングから遠隔位置の別の回路は
モニタ制御装置と信号処理回路を含む。前記制御装置な
らびに処理回路は前記送信器と受信器に接続され、前記
搬送波と着波の間の僅かな位相角も表す出力を発生させ
る位相センサ手段からなり、そしてプ処理手段は前記位
相センサ手段出力に応答して、前記流体流量を前記渦流
により起こされる位相角の関数として測定する。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施例を添付図
面に基づいて詳細に説明する。

【００１６】図１乃至４を参照すると、スリップ−オン
・ヨークの形状をとって形成されたハウジング１２を備
える本発明による超音波渦流量計を示す。前記ハウジン
グ１２のヨーク部分を別のブラフ本体の配管コネクター
１４にスリップさせて、また摩擦ばめに噛合うよう配置
し、ロックカムピン１６により適当な位置に保持する。
さらに一対のキャビィティ１８と２０をそれぞれ前記ハ
ウジング１２のヨーク部分の外側の両側面に形成する。
各キャビティ１８と２０のそれぞれの中に超音波送信器
２２と受信器２４を配置する。前記スリップ−オン・ハ
ウジングの上部にねじ込み継手２６と、技術上当業者に
十分理解されているフレア端部（図示せず）を備えるチ
ューブとの接続を受入れる設計にできる円筒状部分２８
を備える配管継手として形成する。

【００１７】前記ブラフ本体の配管コネクター１４を最
初の取付け中に、所望の流体配管もしくは管に嵌まるよ
うに配置し、その後流量をモニタされる流量が第１の開
口端部３０を通ってブラフ本体の流れ通路３２に通り、
最後に前記第１端部３０に対向して位置する第２の開口
端部３４を経由して流出する。少くとも片方のブラフ本
体３６を前記配管コネクター１４にくっつけて、前記通
路３２内に内側に伸びるよう位置させる。

【００１８】計器ヘッド３８を前記ヨークハウジング１
２から遠隔に位置させ、送信器２２と受信器２４に適当
な連絡線を介するか、あるいは別の方法で無線式結線
（図示せず）を介して接続する。計器ヘッド３８は前記
モニタ回路（以下図５に関連して述べる）と、典型的な
例として流量計の設置後に接近でき、流量計出力の外部
モニタおよび制御回路への接続を可能にする様々な現場
接合部を収容する。前記計器ヘッド３８を前記ヨークハ
ウジング１２から間隔に配置すると、前記モニタ制御装
置と信号処理回路を接続点から有利に隔離させるが、そ
れは順にセンサ・モニタと回路使用を、汚染物質の流体
パイプへの導入をモニタされる何ら可能性もなく促進す
る。前記流量計ハウジングのすべての部品は非腐食性材
料、例えばナイロン、テフロン^(R)、ＰＶＣ、ＰＶｄＦ
もしくは他の適切なプラスチック製である。プラスチッ
クの使用は本発明の流量計を腐食、酸ならびに大抵の溶
剤に対して耐性にさせて、それにより過酷な工業製造環
境での使用には全く差支えない。

【００１９】図３で最もよくわかるように、前記ヨーク
部分を前記ブラフ本体の配管コネクター１４に適切に取
付けると、前記送信器２２と受信器２４は技術上当業者
には十分理解できるように、前記ブラフ本体の通路３２
内の流体流れが前記ブラフ本体３６と衝突する時に発生
させる渦流を通して、超音波信号を通るような方法で位
置することになる。前記渦流４２は、例えば排他的オア
・ゲート４４のように、図５に示される流量計処理回路
１００に関連してさらに詳細に下記に述べる位相センサ
回路により検出される前記搬送波ならびに着波の間に位
相角をつくる。

【００２０】詳述すれば図５に示されるように、前記処
理回路１００は発振器１０２を備えて、例えば周波数が
２Ｍｋｚの基準波を発生させる。前記基準波はそこで、
例えば２で割る割算を分割器１０３により分割して、前
記送信器２２に送り搬送波を発生させる。前記発振器１
０２の出力も前記排他的オア・ゲート４４の入力の片方
に第２の分割器（２分割デバイダ１０５による割算とし
て示される）を介して供給する一方、前記受信器２４の
出力を前記排他的オア・ゲート４４の他方の入力に供給
する。図６（ｂ）に示されるように、前記排他的オア・
ゲート４４はその後、図６（ａ）の“ａ”として示され
る前記搬送波と着波の間の位相角の関数である幅をもつ
一連のパルスからなる出力４６を発生させる。

【００２１】前記排他的オア・ゲート４４の出力を搬送
波の周波数より低いが、渦流発散の周波数より高い遮断
周波数をもつローパス・フィルター１０４によりフィル
タする。前記ローパス・フィルター１０４は前記搬送波
を前記位相センサ出力から有効に取除く。従って、図６
（ｃ）に示された代表的な実施例により、標準ＣＭＯＳ
式の排他的オア・ゲートを用いる場合、前記ローパス・
フィルター１０４の出力は、０乃至５ＶＤＣの範囲で前
記変動位相角に相当するＤＣ電圧成分と、周波数が流体
の流れ速度の関数である小ＡＣ電圧成分からなることに
なる。ハイパス・フィルター１０６は前記ＡＣ電圧成分
を分離して制御プロセッサ１０８に入力する。前記制御
プロセッサ１０８は前記ＡＣ電圧を処理してデジタルア
ナログ変換器（ＤＡＣ）１１０に出力する。前記ＤＡＣ
１１０の出力を適当な流体流量のディスプレイ１１２も
しくは他の外部モニタに供給する。

【００２２】本発明によれば、前記排他的オア・ゲート
４４が、前記搬送波と着波の間の位相角が本質的に０も
しくは１８０度である時に出力を発生させる無効を補償
するため、前記制御プロセッサ１０８が前記排他的オア
・ゲート出力のＤＣ成分の振幅をアナログデジタル（Ａ
／Ｄ）変換器１１４を介してモニタして、前記位相角が
ほぼ０もしくは１８０度である時を測定する。例えば、
上記で注目される代表的な実施例にあって、位相差が最
適範囲にある時、前記ＤＣ成分の振幅が２．５ＤＶＣと
なり、また位相角が本質的に０もしくは１８０度である
時、前記ＤＣ成分の振幅がそれぞれ０もしくは５ＶＤＣ
になる。前記プロセッサ１０８が位相角が０もしくは１
８０度であるか、それに近いかのいずれかである時、前
記プロセッサ１０８がスイッチ１１６を作動させて前記
発振器／送信器に、インバータ１１８により逆転させら
れる前記排他的オア・ゲート４４に入力させる。前記分
割器１０５のため、このスイッチング装置は前記排他的
オア・ゲート４４に対する送信器入力に９０度のシフト
を有効に発生させ、それは順番に、搬送ならびに着波の
間の位相差を最適位相検出範囲に維持する。

【００２３】

【発明の効果】従って、本発明の超音波渦流量計１０
は、従来の流体流量計を上回る著しい効果を奏する。詳
述すれば、前記スリップ−オン・ヨークはラッチを外し
て、流体配管をずっと開放させておくことなく速やかな
取外し、交換ならびに流量計の使用を可能にでき、それ
によって外部汚染物質が、必要とされる流量計が保守・
点検中の時、流体に侵入する可能を排除する。そのう
え、最適位相差検出範囲からの僅かな偏位のモニタと、
本発明の後続９０度シフト補正装置が、本質的に単純、
正確しかも安価な排他的オア・ゲートを位相センサとし
て使用させるのである。そして最後に、前記流量計ヘッ
ドを前記スリップ−オン・センサ・ハウジングから離し
て配置し、前記流量計回路構成と現場接合部を流体管と
の接続点から隔離させるので、現場従業者にとってセン
サに直接接近して、モニタずみ流体をセンサ設置後、も
しかすると汚染物質に暴露して外部モニタもしくは他の
制御装置に単純に接続させる必要性を排除できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波渦流量計の斜視図である。

【図２】図１の流量計の正面縦断面図である。

【図３】図２の３−３線上の横断面図である。

【図４】図２の線４−４に沿って示した横断面図であ
る。

【図５】本発明による流量計処理回路のブロック略図で
ある。

【図６】図５の回路で処理された信号を示す図で、
（ａ）〜（ｃ）は各点における信号を示す図である。

【符号の説明】

１０超音波渦流量計１２ハウジング（ヨーク）１４別のブラフ本体配管コネクター１６ロッキングカムピン１８１組のキャビティ２０１組のキャビティ２２超音波送信器２４受信器２６ねじ込み継手２８円筒状部分３０第１の開口端部３２ブラフ本体の流れ通路３４第２の開口端部３６ブラフ本体３８計器ヘッド４０線４２渦流４４排他的オア・ゲート４６出力１００流量計処理回路１０２発振器１０３ディバイダ１０４ローパス・フィルター１０５ディバイダ１０６ハイパス・フィルター１０８制御プロセッサ１１０デジタルアナログ変換器１１２ディスプレイ１１４アナログデジタル変換器１１６スイッチ１１８インバータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者エリック．ジェイ．ローザエンアメリカ合衆国．48105．ミシガン州．アン．アーバー．フォックスハント．ドライブ．3725

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】・流体の流れ配管の回りに接続されたセ
ンサ・ハウジングと；・前記導管内に配置されて、渦流を流体の流れに発生さ
せる手段と；・前記センサ内に配置され、超音波を前記渦流を通して
伝搬させる送信器と；・前記センサ・ハウジング内に配置され、前記伝搬波を
受信させる超音波受信器と；・前記センサ・ハウジングから遠隔の位置に配置された
回路ハウジング内に配置され、さらに前記送信器と受信
器に接続され、前記搬送波と着波の間の僅かな位相角を
示す出力を発生させる位相検知手段と；・前記回路ハウジング内に配置され、前記位相検出手段
出力に応答自在にして、前記流体流量を前記渦流により
起こされる位相角の関数として測定するプロセッサ手段
と；・前記回路ハウジング内に配置され、また前記位相セン
サ手段に接続されて、前記位相角がほぼ０あるいは１８
０度であるかどうかを検知する最適位相範囲検出手段
と；・前記回路ハウジング内に配置され、かつ前記最適位相
範囲検出手段に接続されて、前記位相検出手段に供給さ
れた前記送信器信号の位相をほぼ９０度だけシフトさせ
るシフト手段と；からなる渦流量計。
【請求項２】前記位相センサ手段が出力を備える排他
的オア・ゲートからなり、前記出力が該出力をフィルタ
して前記搬送波と着波の間の位相角を表すＤＣ成分と、
前記渦流の周波数を表すＡＣ成分とに分離する手段に接
続されていることを特徴とする請求項１記載の渦流量
計。
【請求項３】前記最適位相範囲検出手段が、前記ＤＣ
成分の振幅に応答できて、前記位相角がほぼ０もしくは
１８０度であるかどうかを測定することを特徴とする請
求項２記載の渦流量計。
【請求項４】前記シフト手段が前記位相センサ手段に
供給される前記送信器信号を反転させる手段と、前記反
転信号を２分割する周波数分割器からなることを特徴と
する請求項２記載の渦流量計。
【請求項５】前記センサ・ハウジングが前記流体の流
れ配管に連結されたブラフ本体の配管の回りでスリップ
するよう正しい寸法にしたヨークからなることを特徴と
する請求項１記載の渦流量計。
【請求項６】前記ヨークを前記ブラフ本体の配管コネ
クターの回りで適当なロック機構により取外し自在に締
付けることを特徴とする請求項５記載の渦流量計。
【請求項７】前記送信器と受信器を前記ヨーク内に取
付けて、前記ブラフ本体の配管コネクターの対向する両
側にそれぞれ配置させることを特徴とする請求項５の渦
流量計。
【請求項８】・流体の配管に連結され、渦流を前記流
体の流れに発生させるよう配置された別のブラフ本体の
配管コネクターの回りでスリップするよう正しい寸法を
とったヨークからなるセンサ・ハウジングと；・前記ヨーク内に前記ブラフ本体の配管コネクターの対
向する両側にそれぞれ位置するよう配置され、超音波を
前記渦流を通して伝搬させ、またそれを受信させる超音
波送信器と受信器と；・前記センサ・ハウジングから遠隔の位置に配置された
回路ハウジング内に配置され、前記送信器と受信器に接
続して前記搬送波と着波の間の僅かな位相角をも示す出
力を発生させる位相検知手段と；・前記遠隔回路ハウジング内に配置され、かつ前記位相
検知手段出力に応答できて、流体流量を前記渦流により
起こされる位相角の関数として測定するプロセッサ手段
と；からなることを特徴とする渦流量計。
【請求項９】前記流量計が、・前記遠隔回路ハウジング内に配置され、かつ前記位相
センサに接続されて、前記位相角がほぼ０もしくは１８
０度であるかどうかを検出する最適位相範囲検出手段
と；・前記遠隔回路ハウジング内に配置され、かつ前記最適
位相範囲検出手段に接続されて、前記位相センサ手段に
供給される前記送信器信号の位相をほぼ９０度だけシフ
トさせるシフト手段と；からさらになることを特徴とす
る請求項８記載の渦流量計。
【請求項１０】前記位相センサ手段が出力を備える排
他的オア・ゲートからなり、前記出力が該出力をフィル
タして、前記搬送波と着波の間の位相角を表すＤＣ成分
と、前記渦流の周波数を表すＡＣ成分に分離する手段に
接続されることを特徴とする請求項１０記載の渦流量
計。
【請求項１１】前記最適位相範囲検出手段が、前記Ｄ
Ｃ成分の振幅に応答できて、前記位相角がほぼ０もしく
は１８０度であるかどうかを測定することを特徴とする
請求項１０記載の渦流量計。
【請求項１２】前記シフト手段が前記位相センサ手段
に供給される前記送信器信号を反転させる手段と、前記
反転信号を２分割する周波数分割器からなることを特徴
とする請求項１１記載の渦流量計。
【請求項１３】前記ヨークを前記ブラフ本体の配管コ
ネクターの回りに適当なロック機構により締付けること
を特徴とする請求項８記載の渦流量計。
【請求項１４】前記センサ・ハウジングを完全に非腐
食性材料で構成させることを特徴とする請求項８記載の
渦流量計。