JPS58178216A - 超音波式ドツプラ−流量計 - 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、ドツプラー効果を利用した超音波式ドツプラ
ー流量計に係り、特に、その信号処理方式に関する。

送、受信用超音波振動子を一体化した検出器を持つ超音
波式ドツプラー流量計の原理を第１図に示す。

送信用超音波振動子（以下送イキ子と略す）２と受信用
超音波振動子（以下受信子と略す）３は、一定の傾斜を
持ったプラスチック、あるいは金属シュー１の上に近傍
して接着されている。この送。

受信子一体形の検出器は、導管４の上に、接着、あるい
はバンド等によって固定される。一方、一定の送信周波
数ｆ、の信号を出力する送信部８は、送信子２を駆動し
、そこで周波数ｆｔの超音波に変換され、導管４中の被
測定流体５に向けて照射芒れる。被測定流体５中に宮ま
れる散乱体６＃′ｉ、照射域７を通過する時に該超音波
を散乱し、散乱波の一部は受信子３に到達する。この時
、散乱波の周波数ｆｆ、とすれば、ｆ、は散乱体の移動
速度ｖ［よってトンプラー／ストと呼ばれる周波数偏移
を受け、ｆ、よりずれる。その変化分をΔｆとすれば、
Δｆは（１）式で示される。

Δｆ−ｆｒ　　（、−ｚ　　ｃｏｓθ−ｔ　、　　　　
　　　・、・Ｑ）に こで　　Δｆ：ドツプラー／フト周波数ｆ１　：送信周
波数 ｆ、二党信周波数 Ｖ二散乱体移動速度 Ｃ：ｆｌｔ体中の音速 θ：超音波の水中入射角 一般に、散乱体の移動速度と流体の速度とは等しいと考
えることができるので、ドツプラーシフト周波数Δｆと
流体の速度との間には比例関係が成立する。従って、ド
ツプラーシフト周波数Δｆを検出し、流体の水路の形状
から決定される断面積がわかれば、流量計を構成するこ
とができる。

流体中の散乱体から得られる散乱波には、以上のような
性質がある。一方、送信用超音波の一部は、導管壁を伝
ばするものもある。送、受信子一体形の検出器は、送、
受信子関が接近している為、上記の導管壁を伝帳する送
信用超音波の一部が、直接受信子に到達する。従って、
受信子には、散乱体からの散乱波と、導管壁を伝ばする
送信用超音波との２種類の超音波信号が到達し、両者が
混合される。これを数式で示すと、以下のように彦る。

導管壁を伝ばする送信用超音波を（２）式に示す。

Ｓｔ　−１１ａｍＺｘ　ｆ＊　ｔ　　　　−（２）ここ
で、Ｓｌ　：導管１１を伝帳する送信用超音波ａ：導管
壁を伝帳する送信用超音波の 振幅 次に、散乱体からの１ｋｔｔ１１．は、ドツプラーシフ
トを受ける為、（３）式のごとく示される。

Ｓｒ　＝ｂａａＩｚ＊　（ｆｔ＋Δｆ　）　ｔ　　　　
・（３）ここで　８２：散乱波 ｂ：散乱波の振幅 受信子では、（２）、（３）式の超音波受信信号が混合
され、その結果、（４）式で示す受信信号が、高周波増
幅部９へ人力されることになる。

Ｓ”　Ｓｔ十Ｓｒ　−ａ”　＋ｂ２＋２ａｂ（ＢｚπΔ
ｆｔ１′”″“１“（ｔ））　　　　、ｒ４）ここでＳ
：高周波増幅部に人力される受信信号（４）式の波形は
、第２図に示すように、直流成分１／／７＋石１に１畳
して、〆ｚ’ａｂ房２πΔｆｔで示されるビート成分を
含んでいる。このビートの周波数がトンプラーシフト周
波数Δｆである。従って、信号処理は次のような方式を
取る。（４）式で示される受信信号を高周波増幅器９に
よって増幅し、その出力を検波ａ１０によって検波し、
ドツプラーシフト周波数Δｆだけを取シ出す。次にフィ
ルタ一部１１によって、検波ノイズ等を除去し九後低周
波増幅部１２によって、増幅し、ゼロクロスコンパレー
タ１３によって、周波数信号に変換する。

ここで得られる信号がドツプラーシフト周波数に相幽す
る。この周波数信号は周波数／電圧変換器１４によって
流速に比例し走電圧信号に変換された後、断面積補正部
１５によって断面積補正部数を掛けて流量に変換し、流
量出力１６が得られる。

以上が、従来の信号処理方式であるが、送、受信一体形
の検出器では、検出器の城りつけ方によって、指示の再
現性が悪いという問題がめった。

すなわち、検出器の取りつけ方が十分でなく、検出器と
導管壁との音響的結合が十分でないと、（２）。

（３）式の振＠ａ及びｂが同じ比率で減衰してしまい、
信号レベルが小さくなる為にドツプラーシフト周波数が
検出できなくなる。また、検出器を取りつける際に、導
管壁との音響的結合が十分であるか合力・の判定が非常
に−しく、送、受信子一体形の超音波式ドツプラー流量
針の欠点の１つになっていた。

本発明の目的は、上記あるいは、それ以外の原因で、検
出器と導管壁との音響的結合度が低下しても、安定に、
精度よく流量を測定できる超音波式ドツプラー流量計を
提供するにある。

＋発明の実施例を図面によって説明する。第３図は本発
明による超音波式ドツプラー流量計である。

従来方式と異なる点は、従来の高周波増幅器９のかわり
に、利得可変形高周波増幅器１８を、また、検波器１０
の直流成分の大きさによって利得可変形高周波増幅器１
８の利得を制御する自動利得制御回路１９がつけ加わっ
た点にある。受信信号ｅ、［（４）式に示すように、直
流成分とビート成分から成る。ここで、導管壁を伝はす
る送信波の振幅ａと、散乱波の振幅すの大きさについて
考えてみると、散乱波は、導管を透過した送信波が、散
乱体によって散乱され、再び導管を透過して受信子に到
達し九ものであシ、導管壁を伝ばする送信波に比べると
、その振幅は十分小さい。従って１〉〉ｂの関係が成り
立ち、（４）式で示される直流成分は）／　ａ”　−）
−ｂ”　：ａ　ａと考えることができ、直流成分は、そ
のほとんどが管壁を伝ばする送信波によるものと考える
ことができる。一方、利−制御を行う場合は、その応答
時間が早すぎると、低流速時のドングラーンフト周波数
を含むビートを打ち消してしまう恐れがあり、測定流速
範囲の下限で生ずるビートが打ち消されないようその応
答時間を十分に長くする必要がある。また、該応答時間
と、音響的結合度の変動については、一度、検出器と導
管壁を接着してしまえば、たとえその音響的結合が不十
分であっても、その音響的結合度は、ひんばんに変化す
るものではなく、非常に長い時定数を持って変化するの
で、蚊結合度の補正には、応答時間を長くして奄問題は
ない。以上述べてきたように、受信信号の直流成分の性
質と、応答時間に対する要請と、検出器と導管壁との音
響的結合度の性質から、検出器と導管壁との音響的結合
度の変動を補正するには検波器１０の出力での直流成分
を一定に保つよう応答時間を十分長くとって利得可変形
高周波増幅器１８の利得を制御すれば良い。次に、利得
可変形高周波増幅器１８と、自動利得制御回路１９につ
いて動作を評しく説明する。利得可変形高周波増幅器１
８は、利得制御を電流（あるいは電圧）によって行うも
ので、例えば、米モトローラ社のＩＣ，ＭＣ１５９０，
ＭＣ１３５０などが好適である。また、自動利得制御回
路１９＃′ｉ、ミラー積分回路が主体となっているもの
で、検波器１０の出力の直流成分を比較するために、基
準電圧を持ち、差動のミラー積分回路として動作する。

この基準電圧は、受信信号が数十デフペル減衰した場合
でも、利得可変形高周波増幅４１８が、十分な増幅度を
持つようなレベルでなくて祉ならない。これらの回路に
よって動作は次のようになる。検出器と導管壁との音響
的結合が不十分な場合は、前記基準電圧に対して、検波
器１０の出力の直流成分が低いため、該直流成分が基準
電圧と等しくなるように自動利得制御回路１９が働き、
利得可変形高周波増幅器１８の利得が上昇する。を九、
外的な要因で、該音響的結合結合度の変動が生じた場合
でも上記の動作が〈シ返され、検波器１０の出力の直流
成分は一定に保たれる。

以上のように、本発明によれば、検出器と導管壁の音響
的結合が、十分であるか否かを調べるまでもなく、自動
的に高周波増幅器の利得を制御することで、安定な測定
が可能であり、また、ビートが打ち消される心配もない
。また、（４）式を見れば明らかなように、ビートの振
幅にも、導管を伝播する送信波の振＠ａが含まれており
、間接的Ｋ、ビートに対しても利得制得がかかるととＫ
なるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波式ドツプラー流量計の信号処理図
、第２図は受信信号の波形を示す図、第３図は本発明に
なる超音波ドツプラー流量計の信号処理図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、導管中を流れる流体へ超音波送信信号を伝達させる
   超音波振動子、前記導管中の流体に含まれる超音波の散
   乱体によるドツプラーシフト周波数の成分を含む超音波
   反射信号と導管壁を伝ばする一部の前記超音波送信信号
   とから成る受信信号を受信する超音波振動子、前記受信
   信号を増幅する増幅器、この増幅器出力の包絡線を検波
   する検波器、この検波器出力の直流成分の変動を監視し
   、前記検波器出力の直流成分を一定に保つよう前記増幅
   器の利得を制御する利得制御回路とより構成したことを
   特徴とする超音波式ドツプラー流量計。