JPS5813852B2

JPS5813852B2 - 流速又は流量測定装置

Info

Publication number: JPS5813852B2
Application number: JP53038209A
Authority: JP
Inventors: 栗田良夫; 柴田至剛; 松本高治
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1978-03-29
Filing date: 1978-03-29
Publication date: 1983-03-16
Also published as: JPS54128762A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、被測定流体の中に含まれる流体ノイズ（渦や
微少ゆらぎ等）を利用した流速又は流量測定装置。

超音波送、受信子を具えて、被測定流体に含まれる流体
ノイズから流速また流量に比例した周波数信号を得る装
置は、すでに本願発明者等によって発明されている（特
願昭５２−１１８３５１号）．本発明は、上記先願発明
の改良したものであって、その目的は、被測定物体の流
れを妨げることなく、流速又は流量測定を行なえる装置
を提供するにある。

本発明の他の目的は、Ｓへ比の優れた信号が得られる装
置を提供するある。

第１図は、本発明の一実施例による流速又は流量測定装
置の構成説明図である。

第１図において、２１，〜，２８は超音波送信子、３１
，〜，３８は超音波受信子で、各超音波送・受信子は、
被測定流体の流れ（図においては左側から右側に流れる
）を横断する方向で対向配設されると共に、被測定流体
の流れ方向に等間隔ｄをなすようにして、管路１に設置
されている。

超音波送信子２１，〜，２８には超音波発振回路４の信
号が同時に与えられ、信号の送受信は、超音波送信子２
１と超音波受信子３１とでなし、同じく、２２と３２．
２３と３３．２４と３４．２５と３５．２６と３６，２
７と３７，２８と３８でなすようになっている。

５１，５２，５３，５４は位相差復調回路である。

位相差復調回路５１には、超音波受信子３１，３２の出
力信号が差動的に与えられ、信号ｅ１を得るようになっ
ている。

同じく、位相差復調回路５２には、超音波受信子３３．
３４の出力信号が、位相差復調回路５３には、超音波受
信子３５．３６の出力信号が、位相差復調回路５４には
、超音波受信子３７．３８の出力信号が与えられ、個々
に、信号ｅ２，ｅ３，ｅ４を得るようになっている。

６０は加算回路で、信号ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４を同時
に与えられ、加算信号ｅ６を出力する機能を具えている
。

７は信号処理回路である。信号処理回路７は、｛Ｋ号ｅ
６ヲｌ’ラツキング・ローバスフィルタ７１および波形
整形回路７２を介して出力信号ｆ。

を得ると共に、信号ｆ。

をＦ／Ｖ変換回路介してアナログ信号ｅ。

を得て、この信号でトラッキング・ローバスフィルタ
７１のカット・オフ周波数ｆ。

を制御する構成をなしている。

トラッキング・ローバスフィルタ７１は、電圧制御形の
抵抗素子７１１とコンデンサ７１２で構成され、抵抗素
子７１１の抵抗値を外部からの電圧信号で制御して、所
望のカット・オフ周波数ｆ。

を得ている。上記構成をなした装置の動作について以下
説明する。

いま、管路１を流れる被測定流体中には、不規則な小渦
やゆらぎが存在し、これが流体の流れ速度■で流されて
いく。

超音波送・受信子２１，３１，〜，２８．３８間の各々
の伝播経路において、超音波信号は、流れ方向と直角方
向（伝播経路と同方向）の流れ成分によって変調される
（周波数変調、振幅変調、位相変調など。

以下の説明は位相変調として扱う）。

超音波信号の変調に寄与する成分（流れ方向と直角方向
成分）のパターンを図示すれば、第４図に示すような不
規則な波形となっている。

一方、超音波受信子３１，〜３８の受信信号を復調して
得る信号の周波数スペクトルを観察したところ、第５図
イに示すように、帯域制限された白色雑音になっている
ことが確認されている。

ここで、任意の周波数ｆ１の発生は、空間的周期ｔ１（
第４図参照）で配列した直角速度成分が、速度Ｖで伝播
経路を横切ると、ｆ１＝Ｖ／ｌ１の周波数成分が発生す
ることに起因する。

第５図イのスペクトルにおいて、コーナ周波数ｆｃより
低い周波数成分は、その振幅が一定であるのでｌｃ（＝
Ｖ／ｆｃ）より大きな間隔で配列する直角速度成分が、
同じ割合で存在することを意味し、また、あらゆる間隔
の直角速度成分が不規則に存在していることを意味して
いる。

位相差復調回路５１，５２，５３．５４への入力は、流
れ方向に間隔ｄを設けた超音波送・受信子によって得ら
れる信号を差動的に与えられていｄるため、復調信号ｅ１＋ｅ２＋ｅ３＋ｅ４
は、Ｘ，（Ｎ：０，１，２，・・・）を周期とした直角
速度成分は互に相殺され、またＮ＋＋（Ｎ：０，
１，２，・・・）を周期とする直角速度成分は強
調されたものとなり、超音波送・受信子の等間隔な配設
は、空間フィルタ効果をなしている。

すなわち、信号ｅ１＋ｅ２ｙｅ３＋ｅ４の周
波数スペクトルは、第５図口のようになっている。

ここでスペクトルの谷の部分は、直角速度成分が互に相
殺されていることが、またスペクトルの山の部分は直角
速度成分が互に強調されていることが示されている。

よって、直角速度成分が互に強調していることを示す周
波数ｆ。

を検出すれば、次式の関係から被測定流体の流速Ｖが求
まる。

■＝２ｄｆｏそして、信号ｅ１ｒｅ２ｒｅ３＋ｅ４を加
算回路６に加えることによって得る信号ｅ６のスペクト
ルは、第５図ハのように周波数ｆ。

成分の選択度が向上したものとなっている。

さらに、信号ｅ６は信号処理回路７に与えられ、高調波
成分をトラッキングローバスフィルター１で除去し、波
形整形回路７２を介して整形されたｆ。

を得ることになり、この整形された信号の周波数ｆ。

をとりだし被測定流体の流速信号又は流量信号となして
いる。

さらに、整形された信号ｆ０をＦ／Ｖ変換回路７３を介
して電圧信号ｅに変換され、アナログ信号として出力さ
れると共に、トラッキング・ローパスフィルター１のカ
ット・オフ周波数ｆ。

の制御信号となっている。

したがって、周波数ｆ。の変動によって、トラッキング
・ローパスフィルタ７１のカット・オフ周波数ｆｃも変
わるので、常に、非信号成分（高調波成分）を除去し、
流速又は流量にに比例した周波数信号ｆｏが次段に送出
される。

第２図は、本発明の他の実施例における信号処理回路の
構成説明図である。

この実施例においては、周知の位相固定式閉回路（Ｐ
ｈａｓｅ − ＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ，以下ＰＬＬとい
う）７５によって、トラッキング・ローバスフィルタ７
１のカットオフ周波数ｆ。

を制御する構成をとっている。ＰＬＬ７５の位相検出器
７５１への入力信号ｅ６′は、加算回路６の出力信号ｅ
６をトラッキング・ローパスフイル７１およびリミツタ
７４を介して得たものであり、この信号ｅ６′の周波数
と電圧制御発振器７５３の発振周波数と一致するので、
電圧制御発振器７５３の発振周波数から被測定流体の流
速又は流量を知ることができる。

又電圧制御発器７５３への制御信号は、信号ｅ６′の周
波数の函数であるので、この制御信号でトラッキング・
ローパスフイル７１を制御することができる。

なお、上記実施例において、信号処理回路７に信号ｅ６
の高周波成分の除去を目的として、トラッキング・ロー
バスフィルタ７１を具えたが、本発明はこれに限定する
ものではなく、トラッキング・バンドパスフィルタ（中
心周波数ｆ。

）であってもよい。

第３図は、本発明のさらに他の実施例による装置の構成
説明図である。

第３図における構成の特徴は、超音波受信子３１，３３
，３５．３７による受信信号を加算回路６１で加算し、
超音波受信子３２，３４，３６．３８による受信信号を
加算回路６２で加算し、各々の加算回路６１．６２の出
力を位相差復調回路５０に与えて、復調信号を得るよう
になした点にある。

すなわち、第１図の位相差復調回路の十側入力となる超
音波受信子の受信信号を一括し、一方、一側入力となる
超音波受信信号を一括して、位相差復調をなすように構
成されている。

したがって、復調信号は、ｄ／Ｎ（Ｎ：０，１，２，…
）を周期とした直角速度成分は互に相殺され、またｄ／
（Ｎ＋１／２）（Ｎ：０，１，２，…）を周期とす
る直角速度成分は強調されたものとして得られる。

以下、第１図におけると同様、信号処理回路７を介して
周波数信号ｆ。

を得るこさができる。

第３図の構成をなせば、位相差復調回路５０を一個具備
すればよいので、実用上の利点が太きいといえる。

なお、流体ノイズを利用する流量計の検出手段に、光信
号、Ｘ線信号、磁気信号等いわゆる電磁波信号が有効で
あることが知られているが、本発明による装置において
も同様である。

以上説明したように、本発明によれば、被測定流体の流
れを妨げることなく、流速又は流量信号を得ることがで
き、しかも流速又は流量に対応する信号成分のみを選択
して出力し得るので、Ｓ／Ｎ比の高い測定信号を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による装置の構成説明図、
第２図は、本発明の他の実施例による信号処理回路の構
成説明図、第３図は、本発明のさらに他の実施例による
装置の構成説明図、第４図は、流体中に含まれる直角速
度成分のパターンの一例を示す波形図、第５図のイは、
流体中に含まれる直角速度成分の周波数スペクトル図、
口は第１図における位相差復調回路の出力信号波形図、
二は第１図における加算回路の出力信号波形図である。１……管路、２１，〜，２８……超音波送信子、３１，
〜，３８……超音波受信子、４……超音波発振回路、５
０，〜，５４……位相差復調回路、６０，６１，６２…
…加算回路、７……信号処理回路。

Claims

【特許請求の範囲】１被測定流体の中に含まれる流体ノイズで変調される
超音波信号又は電磁波信号を復調して、流速又は流量を
測定する装置において、被測定流体の流れを横断する方
向で送受信をなす一対の信号送・受信子を、被測定流体
の流れ方向に等間隔ｄをなして複数個配設し、前記信号
受信子と復調手段との接続を、ｄ／Ｎ（Ｎ：０，１，２
，・・・）を周期とする信号成分を相殺し、かつｄ／（
Ｎ＋１／２）（Ｎ：０，１，２，・・・）を周期とする
信号成分を強調して復調信号を得るように選択すると共
に、その復調信号を波形整形等をなす信号処理手段を介
して送出することを特徴とする流速又は流量測定装置。２前記複数個設置された信号受信子において、隣りあ
う信号受信子による受信信号の位相差復調を同時になし
て、それら位相差復調信号を一括加算して、前記信号処
理手段の入力となす特許請求の範囲第１項の流速又は流
量測定装置。３前記信号受信子は、上流側から連番符号（１，２，
３，・・・）を付してなり、奇数番の信号受信子から得
る信号を一括加算すると共に、偶数番の信号受信子から
得る信号を一括加算して、両加算して得る信号を位相差
復調をなして、前記信号処理手段の入力となす特許請求
の範囲第１項の流速又は流量測定装置。４前記信号処理手段に、カットオフ周波数が、信号処
理手段の出力信号の周波数に追随して変動するトラッキ
ング・ローバスフィルタを具えてなる特許請求の範囲第
１項の流速又は流量測定装置。５前記信号処理手段に、中心周波数が信号処理手段の
出力信号の周波数に追随して変動するトラッキング・バ
ントパスフィルタを具えてなる特許請求の範囲第１項の
流速又は流量測定装置。