JPS58176522A - 超音波流速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波Ｒ，３ｉＩ計、％に連続発振超音波を用
いる流速計に関する。

超音波を用いる流速針は、超音波パルス方式と連続発振
超音波方式に二大別される。

超音波パルスを用いる流速針は、超音波パルスビームな
流体中に送信し、パルスの流体中の伝播時間から流速を
得る。′この場合次のような欠点を伴っていた。すなわ
ち流速の変化はパルスの時間差として測定されるので、
パルス針側となり複雑なディジタル電子技術な必要とし
、したがって装置が高価Ｋｎる。またノくルス醐定の場
合、トランスデユーサ−＄においてノくルスの立上り波
形がなまり、ノ（ルスの立上９点が不明確になり測定精
度に影響を与えていた。さらにパルスの時間差で測定す
る場合、流速が小さいとき時間差が短かくなり、それを
拡大して計測するためＫ、クロック周波数を高く（現在
のＩＣの限度まで）しなくてはならなくなり、微小な変
化の拡大測定が困難であった。

まえ連続発振超音波を用いる流速計は、送信用超音波ト
ランスデユーサ−で流体中に超音波ビームを送信し、上
記超音波ビームが直接照射される他の位置に受信用超音
波トランスデユーサーを付設し、連続発振超音波の流速
に依存する位相変化等から流体の流速を検出する。

従来の超音波流速計においては、いずれの方式であって
も、超音波はビームとして送受信されていた。超音波ビ
ームを送受信するときＫは超音波送信器と受信器は互い
に対向して配置されねばならないので、流体の流れる管
の直線部分でしか流速を測定することができなかつ友。

この場合、管の軸方向とビームの方向とのなす角度を０
とし、送受信器の距離を１１音速なＣとして、流速がＶ
のときの伝播時間Ｔｖは、Ｔ　ｖ　＝　、ｊ／　（Ｃ＋
　Ｖ部ｅ　）で与えられる。したがって流速ｖ＝Ｑのと
きの伝播時間ＴｏとＴｖとの時間差ΔＴは、（１）式で
与えられる。

ΔＴ＝ＴＯ−Ｔｙ＝−！　−一二＝　−・−・・・、（
１）ＣＣ＋ｖ（２）０ Ｃ＞＞　ｖのときＫは ΔＴ＝１ｖ　θとなる。したがって超音波ビで３ 一五の管の軸のなす角度０を小さくして時間差を長くす
る。つまりビームを管軸メ平行方向に走らせることが好
ましい。しかし同時に、超音波送信器と受信器を対向さ
せねばならないので設計上の自由度が少なかった。

さらに、超音波ビームを鋭くする必要があるので周波数
が必然的に高くなる。周波数が高くなると近距゛離音場
Ｎ＝ｂシ′４λ（Ｄ＝振動子直径、λ：波長）が大きく
なる。その結果管径が小さいときには、送受間距離ｊが
近距離音場領域に近くがり、サイドローブが大きくなる
。すなわち、ビーム幅が広くなり送受信器を結ぶ直線短
線を伝播して来るものだけでなく、いろいろの方向から
の伝播液の合成したものとなり、時間差の測定が正確で
なくなる。超音波ビームを用いる従来の連続波超音波流
速計にはこのような欠点が存在していた。

上記諸欠点を解決するために１本発明は、連続発振超音
波でありながら超音波ビームの形でではなく、管中を管
の断面でｄ定在波であり管の軸方向には遂行波である超
音波として伝播する超音波を用いる流速針を提案する本
のである。

本発明の超音波流速針は、発振器で発生した連続発振信
号を超音波トランスデユーサ−Ｔで管内の流体中に分布
する超音波音場に変換し、流体中を伝播した超音波を超
音波トランスデユーサ−Ｒを用いて再び電気信号に変換
し、発振器から直接得られる参照信号と上記の電気信号
との位相差をＥＸＣＬＵＳＩＶＥ　ＯＲ回路尋を用いて
検出し、上記位相差から流速を求めるものである。

以下図面を参照しながら、本発明を説明する。

第１図は、流体中を伝播する超音波の音速と流速とを概
念的に示すものである。超音波送信器Ｔから送信された
超音波は流体中管伝播し、超音波受信器Ｒで検出される
。本発明に係る超音波流速計においては超音波は、超音
波ビームとして伝播するのでなく管中の定在波として遂
行する。

流体中の超音波の伝播は波動方程式に従うが、細管中の
超音波は有限な境界を持つので、その解は、自由空間の
解とは別のものとなり、従って超音波の群速度Ｃｇも自
由空間における音速Ｃと異なる。なおこの方程式の解は
、導波管中のマイクロ波と同じ手法で、以下のように得
られる。

管がｘ　ｒ　’１面に断面を持っており、超音波が２方
向に伝播する場合、上記波動方程式の解は、Ｘ　ｒ　１
面内では定在波になり、２方向では進行波になる。〜 超音波の群速度Ｃｇは、遮断周波数をｆｅとするとき、
超音波の周波数ｆの関数として次のように求められる。

Ｃｇ＝Ｃ１−（ｆｅ／ｆ）”　　Ｃ：定数超音波送信器
Ｔと超音波受信器Ｒの間の距離をノ、流体中の超音波の
群音速をＣｇ、流体と超音波送信器との相対速度をマと
し、さらに超音波送信器Ｔから超音波受信器Ｒまで伝播
するために必要な時間をＴＶとする。このときＴｖ＝１
／　（Ｃｇ＋マ）が成立する。従って流速がマ＝０のと
きと流速がｖ′へ０のときの時間差ΔＴは、ΔＴ＝ノ／
Ｃｇ−ノ／（Ｃｇ＋マ）となる。

上式をティ２−展開すると、 マ＜＜Ｃｇの場合には、 る。

第２図は本発明に係る流速計の実施例の回路図の概念図
である。第３図はこの回路のタイムチャートである。連
続波発振器１で発生した正弦信号ａは超音波送信器ＴＫ
送られ超音波に変換されるとともに、その一部は変換回
路２（例えばコンパレーター）Ｋ直接送られ、方形波Ｃ
に変換される（これを参照波とよぶ）。他方流体中を伝
播した超音波は、超音波受信器ＲＫよって電気信号ｂＫ
再び変換され、増幅器３で増幅され、そして他の変換回
路４（例えばコンパレーター）で、参照波と同様に、方
形波ｄＫ変換される（これを受信波と呼ぶ）。上記参照
波と上記受信波の位相差やか、位相差検出（ロ）路５（
たとえばＥｘｃｌｕｓｉｖｅ　ＯＲ回路）Ｋよって検出
される。

上記位相差ψは、位相差検出回路５の一方の入力＠に遅
延回路を設ける勢をして、前記時間差ΔＴ（＝Ｔｏ−Ｔ
ｖ　）　Ｋ対応づけることができる。

位相差検出回路５がＥｘｃｌｕｓｉｖｅ　ＯＲ回路て構
成されている場合に＃′ｉ、その出力・は第３図のタイ
ムチャートのパルス列・になる。このパルス列Ｃは他の
ゲート信号源６の信号ｆで規定される時間τだけ、積分
回路７において積分される。この出力は差動増幅回路８
において、必要に応じて、ゼロ点調整９あるいはゲイン
調整１０をされた出力ｇとなり、適当な手段で表示され
る。　　− 流速マ＝０のときに（例えば差動増幅器８のゼロ点部節
９を用いて）、出力ｇがゼロになるように調整しておく
と、流速ｖ　”ｑ　Ｏのときの伝播時間と流速ｖ＝Ｑの
場合の伝播時間の差ΔＴに比例する位相差ψが、差動増
幅回路の出力ｇとしてあられれる。すなわちこの回路の
出力ｇる、つまり流速マに比例する。流速マは、このよ
うに上記位相差ψから求めることができる。

群速度ｃｇはＣ１−（ｆｃ／ｆ）”であるので、ｆがｆ
ｃ［近いときＣｇは小さくなる。本発明の流速計は、Ｃ
ｇが小さい時に出力が大きくなるので、超音波の振動数
を遮断周波数ｆｃ以上でかつｆｅに近い値いにすると有
利である。他方従来の超音波流速計は、゛測定精度を上
昇させるためには、周波数を上げるのが有利であった。

し九がって電子技術的に困難が生じ、また流体中に存在
する泡の影養を受は易すがった。これに対して本発明の
超音波流速計は、周波数が小さい方が有利であるので、
上記問題を一度に解決することができる。すなわち、管
の遮断周波数以上の周波数で測定すれば良く、％に周波
数を上げる必喪がない。

従来の超音波流速計の使用周波数は普通ＭＨｚオーダー
であるが、本願超音波流速計では、だいたい従来のもの
より一部低い周波数で測定でき、しかも泡などの影醤を
小さくすることができる。

またαを部α＝　　５−（ｆｃ／ｆ）”−と定義すると
Ｃｇ　＝　ＣａｘｒＣｌとなり、このα竺超音波ビーム
法における管軸とビームのなす一度θに対応する。

従来の超音波ビームを用いる場合には０が大きいとＶＣ
１１７θが小さくなるが、本願の場合にはΔＴ定在波は
管の内１１において振幅ゼロという境界条件を満してお
り、音圧分布は内壁において最大となる。

第４図は、管ｌｌ中の超音波の音圧分布を概念的に示す
本のである。従来の超音波ビームを用いる場合と異なり
、本願超音波流速計においては、超音波の音場は管内部
の全体に分布している。

このような超音波を用いるので、本発明によると超音波
トランスデユーサ−を管壁の外側に付設して本、超音波
を管壁を通して管中の流体に超音波を放射したり、流体
中の超音波を検出したりすることができる。

第５図は、細管に超音波トランスデユーサ−を設ける例
示的配置の一部断面斜視図である。

（Ａ）は超音波送信器Ｔと受信ｉＲを１の間隔をおいて
、互いに対向させずに設は九場合、（Ｂ）けＴとＢとを
管壁１３の外＠に設けた場合、（Ｃ）は曲管に設けられ
ておりＴとＲとが互いに対向していない配置にある場合
である。

従来のパルス方式の超音波流速計においては、鋭い超音
波ビームを用いていたので、超音波送信器と受信器とは
互いに対向させて設ける会費があった。しかし連続波に
よる超音波の定在波を利用する超音波流速計においては
、第５図に示すように超音波トランスデユーサ−の付設
方法に自由度が増え、設計が容易になる。また超音波ト
ランスデユーサ−を管壁の外側から付設すること本でき
るので、従来の流速計と異なり、管内の流れを乱すこと
なく測定を行うことができ、さらにカルマン波流量計の
ように渦発生のためのブラフを管内に会費としないので
、ブラフによる圧力損失をゼロにすることができる。

本願流速計は、このように超音波送信器と受信器の取付
は方法での自由度が大きいので、従来より細い管の中や
豪雑な配管中の流速を測定することもでき、電子技術に
おいても１ナログ的処理であるので、パルスの立上りの
不明確さが解消されかつ回路が簡単で安価となる。

流速が非常に遅く、受信波と参照波の位相差が小さいと
きは、距離Ｊを大きくしたり、積分時間τを長くするこ
とＫよっても、簡単に測定精度を上けることができる。

本願超音波流速計においては、超音波ビームを使用せず
、管中の流体の中に超音波を放射し、流体中を伝播し九
超音波を他点で検出する方式であるので、超音波の音場
が局所的でなく管中金体に分布している。その結果超音
波は流体中ばかりでなく管壁に沿っても伝播する。すな
わち受信位置における超音波の一部は流体中を伝播して
きた超音波であり、他の一部は管壁を伝播してきた超音
波である。以下に流体中を伝播してきた超音波のみを検
出する超音波流速計を説明する。

第６図は間欠的連続波超音波を用いて、流体中を伝播し
て来た超音波のみを検出する超音波流速針である。連続
波発振器１で発生した連続波信号は、送信ゲート１４を
介して繰返し発振器１５（タイミング回路）Ｋよって制
御され間欠的連続波となる。上記間欠的連続波に従って
超音波送信器から超音波が管に放射される。超音波受信
器で検出された超音波は増幅された徐変換器４で方形波
に変換されて位相差検出回路５の一方の入力となる。な
お受信器も受信ゲート１６を介して繰返し発振器１５に
よって制御されるー。

他方上記間欠的連続波信号は、遅延回路１７と変換回路
２とを含む他の径路を経て上記位相差検出５回路の他方
の入力となっている。

一般に管壁の材料の音速と流体の音速とは同一ではない
。例えば管壁の材料が鋼、流体が水の場合、それぞれの
音速は約５８００−／ｗｔおよび約１５００シーである
。し喪がって管壁の一点で超音波を放射しても、管壁（
鋼）の中を伝播して来た超音波と、流体（水）の中を伝
播して来た超音波とでは、受信トランスデユーｒＲＫ到
達する時間が異なる。第６図ｉ゛この効果を除去するた
めのもので、ゲー）　１４　、１６を用いて流体の中を
伝播して来た超音波のみを検出し、管壁を伝播して来た
超音波の影畳を除去している。

第７図はｔａ６図に対応するタイムチャートである。連
続発振波ａは送信ゲート１４のゲート信号Ｇ＆によって
間欠的連続波ａ′になる。流体中の超音波群速度と管壁
中の超音波音速は異るので、受信器Ｒにおいては超音波
は波束Ｗ、と％　Ｋ分かれる。管壁中の超音波音速の方
が流体中の群速度より速い場合には管壁中を伝播して来
た超音波の波束晃の方が、流体中を伝播して来た波束Ｗ
、より前に超音波受信器ＲＫ到達する。流８体中を伝播
してきた超音波のみを得るようにゲート信号Ｇｂを予め
遅延させておき波束Ｗ、を選択し、波形ｂ′を得る。こ
れはさらに変換器４によって方形波ｄ′にされた後、位
相差検出回路５の一方の入力と力る。上記間欠的連続波
ａの一部は、遅延回路１７を用いて遅延された間欠的連
続波ａ′となり、さらに変換器２によって方形波Ｃ′（
参照波）Ｋされた後、位相差検出回路５の他方の入力と
なる、なお遅延時間Ｆｉ流体中の群速度、管壁中の超音
波の音速、送受信器間の距離等を考慮して、上記波束児
と上記参照波が同時に位相差検出回路に人力されるよう
に選ばれる。

これ以後の信号処理は第２図の実施例に準じて行なわれ
る。第８図は繰返し発振器１５で送受信器切替を行い、
電圧変換回路１９と電圧ホールド回路加とを用いて流体
中の音速の変動を補償して零調をいらなくシ、直線性を
改善した実施例である。さらに第９図においてはＥｘｃ
ｌｕｓｉｖｅＯＲ回路２１と積分回路ηを用い、位相変
化が小さいとき、ＲＣの積分回路で、ゲートの一定時間
積分して位相変化を拡大した例である。

ｇ１ｏ＠は管壁中を伝播して来走超音波による信号を消
去するための差動増幅回路３′を有する超音波流速計で
ある。

連続発振波ａは超音波送信器Ｔから放射され、超音波受
信器Ｒで検出される。流体中の超音波群速度と管壁中の
超音波音速が異なるので、流体中を伝播して来た超音波
と管壁中を伝播してきた超音波との間に位相差が生じる
。偶然に位相差がゼロになるときＫＦｉ、送受信器間の
距離Ｊを調整する等により、位相差を生じさせる。

そして超音波受信器の出力を差動増幅回路３′の一方の
入力とする。連続発振波の一部は、遅延回路乙を用いて
遅延された連続発振波とされ要談、上記差動増幅回路３
′の他方の入力となる。

ここで上記遅地回路ムの遅延時間は、遅延された連続発
振波と管壁中を伝播してきた超音波による電気信号とが
丁度打消し合うように選ばれる。その結果、差動増幅回
路３′の出力は、流体中を伝播してきた超音波にのみ依
存する電気信号となる。これ以後の信号処理は第２図の
実施例Ｋｌじて行なわれる。

第１１　、１２図は送受信器切替タイミング回路１８お
よび電圧ホールド回路加とを用いて流体中の音速の変動
を補償し九実施例である。第１２図は］、ｃｃｌｕｓｉ
マ・ＯＲ回路力と積分回路ρを用いて位相差を拡大し九
実施例である。

このように間欠的連続波１′あるいは遅延回路を用いる
ことＫよって、管壁中を伝播してきた超音波による信号
成分を消去することができる。

その結果、流体中を伝播してきた超音波による信号成分
だけが検出される、つまり信号中のノイズ成分が減少し
、流速測定をより正ｉＩＫ行うことができる。

なお送受信器切替回路を用いる目的は、流体の音速の変
動を補償し零調をなくシ、直線性を改善することＫめる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は流体中の伝播時間を計算するための超音波の音
速と流速を示す概念□図、第２図は超音波流速計の実施
例の概念′図、第３図はタイムチャート、第４図は管内
の超音波の音場の概念図、第５図は超音波トランスデユ
ーサ−の例示的配置の一部断面斜視図、第６図は間欠的
連続波を用いる超音波流速計の実施例の概念図、第７図
はタイムチャート、第８，９′図”は間欠的連続波を用
いる超音波流速針、の他の実施例の概念図、第’１（１
、１１、１２図は差動□−゛増゛増器幅器延回路とを用
いる超音波流速計の実施例の概念図である。 １・・・・・・連続液発振器、　　２・・・・・・変換
回路、３．４・・・・・・増幅器、　　５・・・・・・
位相差検出回路、６・・・・・・ゲート信号源、　　７
・・・・・・積分回路、８・・・・・・差動増幅回路、
　１１・・・・・・管、１２　、１３・・・・・・管壁
、　　　１４・・・・・・送信ゲート、１５・・・・・
・繰返し発振器、１６・・・・・・受信ゲート、１７・
・・・・・遅延回路、 １８・・・・・・送受信器切替タイミング回路、１９・
・・・・・電圧変換回路、　加・・・・・・電圧ホール
ド回路、２１　・・・・−１ｉ：ｘｃｌｕｉｉｖｅ　Ｏ
Ｒ回路１ｎ・・・・・・積分回路、　　　３′・・・・
・・差動増幅回路、ｎ・・・・・・遅延回路、 Ｔ・・・・・・超音波送信器、 Ｒ・・・・・・超音波受信器、 Ｃｇ・・・・・・流体中の超音波の群速度、）・・・・
・・送受信器間距離、 ７ｖ・・・・・・送受信器−超音波伝播時間、Ｑａ　、
　Ｑｂ・・・・・・ゲート信号、％、％・・・・・・波
束。 、Ω −ｐ　　　　　ｕｉ　　・　に

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｌ）　　連続波発振信号を発生する発振器と、流体の
   流れる管の壁面から流体中に超音波を上記連続波信号に
   従って放射するための超音波送信器と、上記超音波送信
   器と適当な距離を距てた位置における流体中の超音波振
   動を検出する九めに上記超音波送信器と対向しないよう
   な配置で上記管の壁面に取付けられている超音波受信器
   と、この受信器で検出し九超音波信号と上記連続波発振
   信号との位相差を検出する手段とを備え、上記送信器と
   上記受信器との距離および上記位相差から求めた超音波
   の伝播時間から流速を得るようＫした超音波流速計にお
   いて、一定線シ返し周期の間欠的連続波の超音波を上記
   超音波送信器から放射させるための手段と、上記超音波
   の中で管壁中でなく流体中を伝播してき九超音波が上記
   超音波受信器に到達する時に超音波を検出するためのゲ
   ート回路と、上記間欠的連続波に遅凰を４えるために上
   記発振器と上記位相差検出手段の中間に設けられた遅鷺
   回路と１１上記ゲ一ト回路を通つ九受信波と上記連凧回
   路を通った参照波の位相差から流速を求めることを特徴
   とする超音波流速計。 （２）連続波発振信号を発生する発振器と、流体の流れ
   る管の壁面から流体中に超音波を上記連続波信号に従っ
   て放射するための超音波送信器と、上記超音波送信器と
   適当な距離を距て九位置における流体中の超音波振動を
   検出するために上記超音波送信器と対向しないような配
   置で上記管の壁面に取付けられている超音波受信器と、
   この受信器で検出し九超音波信号と正妃連続波発振信号
   との位相差を検出する手段とを備え、上記送信器と上記
   受信器との距離および上記位相差から求め九趨音波の伝
   播時間から流速を得るようにした超音波流速Ｉにおいて
   、上記連続発振波を遅鷺させる連凧回路と、上記連凧回
   路の出力と上記超音波受信器の出力を差動入力とする差
   動増幅器とを備え、上記差動増幅器の出力と上記連続発
   振波との位相から流速を求めることを特徴とする超音波
   流速計。