JPS5816686B2

JPS5816686B2 - 流速流量測定装置

Info

Publication number: JPS5816686B2
Application number: JP53065712A
Authority: JP
Inventors: 良夫栗田; 至剛柴田; 高治松本
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1978-06-02
Filing date: 1978-06-02
Publication date: 1983-04-01
Also published as: JPS54157662A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は空間フィルタを応用した流速流量測定装置に関
するものである。

乱流状態で流れる流体はランダムな速度ゆらぎを伴って
おり、このゆらぎ成分を流れ方向に等間隔に配列した検
出手段で検出すれば、流速又は流量に比例しだ周波数出
力を得ることができる。

本発明は、このような原理に基づくものであって、ゆら
ぎ成分の検出に超音波ビームを用い、全体構成の簡単な
この種の装置を実現することを目的とする。

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図である。

図において、１は被測定流体が流れている管路、２は超
音波送信子、３は超音波受信子で、□これらは超音波ビ
ームが流れを横断するように管路１に対向配設されてい
る。

第２図はこの超音波送信子２と超音波受信子３の拡大図
である。

態音波送信子２は一枚の平板状の圧電素子２０に一枚の
電極２１を取付けたものであって、ここから帯状の超音
波ビームが放射される。

超音波受信子３は、平板状の圧電素子２０に幅ｄの電極
３１，３２，３３・・・・・・を等間隔して取付けると
ともに、１つ置きに配列する電極３１゜３３、３５・・
・・・・および電極３２、３４・・・・・・を図示・す
るようにそれぞれ互に接続したものである。

４１゜４２はそのリード線である。

各電極は、圧電素子に例えば焼き付け、蒸着、スパッタ
リング等によって形成されるか、あるいは電極板を接着
して構成される。

第１図に戻り、５は発振回路で、その出力端は超音波送
信子２に接続されている。

６は位相差復調回路で、超音波受信子３１，３３，３５
・・・・・・からの信号源超音波受信子３２，３４・・
・・・・からの信号がそれぞれリード線４１．４２を介
して与えられ、両信号の位相差を復調する。

７は位相差復調回路６からの出力信号を入力とするトラ
ッキング・フィルタ、８はこのフィルタ回路Ｔの出力周
波数を電圧信号に変換するＦ／Ｖ変換回路である。

トラッキング・フィルタ７は、例えば電圧によってその
抵抗値が変化する電圧制御形の抵抗素子等で構成され、
Ｆ／Ｖ変換器８からの電圧信号によって抵抗素子の抵抗
値を制御することによって、その中／Ｌ％周波数ｆ。

が制御される。このように構成した装置の動作を次に説
明する。

管路１を流れる被測定流体中には、不規則な小過やゆら
ぎが存在し、これが流体の平均流速Ｕで流されていく。

この小過やゆらぎは、第２図に示すようにｕ、ｖ、ωの
三成分で表示できる。

超音波送信子２と超音波受信子３１、３２・・・・・・
間で構成される各超音波信号の伝播経路において、超音
波信号は、流れ方向と直角方向の乱流速度成分Ｖ（超音
波ビームの方向と同方向成分によって変調を受ける（こ
こで変調とは周波数変調、振幅変調。

位相変調等を含む）。

第３図は、超音波信号の変調に寄与する乱流速度成分Ｖ
のパターンを図示したものである。

この乱流速度成分Ｖは、図示するように空間的に不規則
な大きさを持って分布し、このパターンが平均流速Ｕで
移動する。

したがって、この乱流速度成分Ｖの分布を被測定流体に
固有なランダムなムラに対比させることができる。

一方、超音波受信子３１，３２，３３・・・・・・の受
信信号を位相差復調して得られる信号の周波数スペクト
ルを観察したところ、第４図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、ある空間的周期１
．（第３図参照）で配夕１ルた直角速度成分が、速度
Ｕで超音波ビームを横切ると、第４図のスペクトル図に
おいて、コーナ周波数ｆ。

より低い周波数成分は、その振幅が一定であるの度成分
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６は、流れ方向に間隔して設けられた超
音波受信子３１．３２によって得られた、信号を差動的
に受け、これを復調するもので、この復調信号ｅ６の出
力周数数ｆは（１）式で表わすことができる。

ただし、ｎ：１，２．３ｐ：互に接続される電極３１．３３間の間隔図ではＰ＝２Ｌトラッキング・フィルタ７は、（１）式で表わされる位
相差復調回路６からの周波数信号ｆを入力とし、ｆに混
入している奇数倍の高調波成分を除去し、（２）式に示
すような基本周波数ｆ。

を出力端子９１から出力する。

また、出力基本周波数ｆ。

は、Ｆ／Ｖ変換器８でこれに比例するアナログ電圧信号
に変換され、との重圧信号が出力端子９２から出力され
るととも；に、トラッキング・フィルタ７の中心周波数
ｆ。

を制御する。

したがって、トラッキング・フィルタ７の中／Ｌ、％周
波数ｆ。

は１．ｆｏの変化とともに変わり、常に高調波成分を除
去することができ、出力端子９１から流速又は流量に比
例しだ周波数信号ｆｏを得ることができる。

また出力端子９２からアナログ信号を得ることができる
。

なお、上記の実施例においては、超音波受信子３におい
て、電極３１，３２，３３・・・・・・を１つおきに接
続し、両者の位相差を復調するようにしたもので、この
ような接続は、一種の差動構成で、低周波の流体ノイズ
をキャンセルして出力周波数信号の質を高めると同時に
、更に外部振動など電極３１．３３・・・・・・と電極
３２、３４・・・・・・の両者に同相成分で検出される
信号をキャンセルできるという利点がある。

以上説明したように、本発明は被測定流体に含まれるゆ
らぎ成分の検出に超音波ビームを用い、この超音波ビー
ムの送信子を一枚の圧電素子に電極を設けて構成すると
ともに超音波ビームの受信子を一枚の圧電素子に前記被
測定流体の流れ方向と同方向であって等間隔で並ぶ複数
個の電極を設けて構成した点に特徴がある。

したがって、本発明によれば、超音波送信子２と受信子
３を簡単な工程で製作できるうえに、各電極の間隔りや
幅ｄを正確に設けることができ、全体として構成の簡単
々流速流量測定装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図は
本発明に用いられる超音波送信子と受信子の構成拡大図
、第３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４図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である。１・・・・−・管路、２・−・・・・超音波送信子、３
・・・・・・超音波受信子、３０・・・・・・圧電素子
、３１，３２，３３・・・・・・電極、４１，４２・・
・・・・リード線、５・・・・・・発振回路、６・・・
・・・位相差復調回路、７・・・・・・トラッキング・
フィルタ、８・・・・・・Ｆ／Ｖ変換回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１被測定流体の中に含まれるゆらぎ成分を検出し流速
流量を測定する装置において、前記ゆらぎ成分の検出に
被測定流体の流れ方向とほぼ直交する方向に伝播する超
音波ビームを用い、この超音波ビームの送信子を一枚の
圧電素子に電極を設けて構成し、超音波ビームの受信子
を一枚の圧電素子に被測定流体の流れ方向と同方向に等
間隔で並ぶ複数個の電極を設けて構成するとともに、前
記受信子の各電極を一つ置きにそれぞれ互に接続し、互
に隣り合う電極からの信号の位相差を復調し、この復調
信号の基本周波数から被測定流体の流速又は流量を知る
ようにした流速流量測定装置。