JPS58218618A - 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】 本発明は超音波振動子、さらに詳しくは計測範囲を拡大
した超音波流速計に関する。

連続発振超音波を用いる流速計で、送信用超音波ｌ・ラ
ンスデューサと受信用トランスデユーサと管対向しない
ように配置し、流体中の超音波の位相変化の流速依存性
と両超音波トランスデユーサ間の距離とから流速を求め
る流速計忙おいては、位相変化が直接測定される量であ
るので、位相差の変動は超音波の一周期内であることが
必要である。計測範囲を拡大すると轟然に位相差が大き
くなり、さらに超音波の一周期よシ大きくなると測定が
困難となる。このような場合、従来は超音波の振動数を
下げて測定をしていた。し必・シ小形の超音波振動子と
しては、実用上の限界があシ、それは約４０　ｋＨｚで
ある。

このとき測定可能最大位相差圧対応する測定可能最大時
間差Ｆｉ５μｓｅｃである。

本発明は上記測定可能最大時間差を大きくするとともに
１この方式の超音波流速針に生じがち々、超音波の進行
方向における定在波の発生を防止することを目的として
、周波数変調された超音波を用いる超音波流速計を提案
するものである。

以下図面を参照しながら本発明を説明する。

第１図は本発明の超音波流速計の実施例のブロックダイ
ヤグラムである。

本発明の超音波流速計は次のように動作する。

すなわち発振器１は周波数ｆ。の発振信号ａを発生する
。時刻ｔの信号ａの位相ψａは（１）式である。

ψ、＝２πｆｏｔ・・・・・・・・・・・・・・・（１
）信号ａは変調器２において、発振器８からの発振信号
すによって周波数変調を受は信号Ｃとなる。発振器３の
発振周波数をｆｔ（ｆｔ＜ｆｏ）とすると、信号す、ｃ
の位相ψｂ、ψＣは（２）　、　（３１式である。

ψｂ　＝　２πｆ、ｔ・・・・・・・・・・・・・・・
（２）ψｃ　＝２ｘｆｏ（１＋ｋｃｏｓ２ｙｒｆｌｔ）
　Ｆ・・＋＋＋　（３）ここでｋ（ｋ＜１）は変調定数
である。

超音波トランスデユーサＴから上記信号Ｃに従って超音
波が放射され、受信用超音波トランスデユーサＲＫよっ
て−に配剤音波が検出され、電気信号ｄＫ変換・された
？＆に増幅器４で増幅される。超音波１ランスデユ一サ
間の超音波伝播時間を１゜とすると、信号（！の位相ψ
ｄは（４）式である。

ψ、ｌ＝２πｒｏ　（ｌ−１−ｋｃｎｓ２πｆ、　（ｔ
−ｔｏ））　（ｔ−ｔｏ）・・・　（４）さらに復調器
５で復調され信号ｅとなりその位相ψｅ＃ま（５）であ
る。

ψ、＝２πｒｔＮ　　ｔｏ）・・・・・・・・・・・・
・・・（５１次に信号す、ｅｉｔ変換器６，７によシデ
イジタル信号に変換されたのちψ１・とψＣの位相差Δ
ψが位相差検出器８で検出され、さらに零点調整・ゲイ
ン１４ｕ等が出力ブロック９で行なわれる。この結果、
出力ブロック９の出力りは上記位相差Δ９１に比例する
。この位相差Δψは（６）式である。

Δψ＝２πｆ、　ｔｏ・・・・・・・・・・・・・・・
（６）ここで１゜は、画題音波トランスデユーサ間の超
音波の伝播時間１゜であるので、その距離をＬ％　　　
　！超音波流速計ｆを■、流速をＵとすると、ｔｏは（
７）式で表わされる。

（７）式から分るように１超音波群速度Ｖに対１〜て流
速Ｕが大きく変動するとｔ。の変動も大きい。

しかしく６）式においてｆｌを小さく設定することによ
りΔψを超音波の１周期よシ短かくすることが可能とな
る。このように本発明は超音波に低周波の周波数変調を
かけて測定可能な流速の範囲を拡大するものである。

第２図は本発明の他の好ましい実施例のブロックダイヤ
グラムである。この実施例は次のように動作する。発振
器ｌで発生した周波数ｆ。の信号ａ′は変調器２′にお
いて、発振器３′で発生した周波数ｆ１の信号ｂ′によ
り変調され信号Ｃ′となる、信号Ｃ′の位相ψＣ′は（
８）式である。

ψｃ／＝２πｆｎ　（１＋ｋｃｃｓ２πｆ、　ｔ　）　
ｔ　・−−−−−−−−−（８）送信用超音波トランス
デユーサＴから信号Ｃ′に応じて放射された超音波は、
超音波トランデューサＴの上流と下流にそれぞれ位置す
る受信用超音波トランスデユーサＲ＋　、Ｒｔで検出さ
れ、電＝５− 気信号ｄ／、ｄ“となる。超音波トランスデユーサＴか
ら超音波トランスデユーサＲ＋　、　Ｒｔ＆Ｃ超音波が
伝播するのに必要とする時間をそれぞれｔｌ＋１２とす
ると、４に＠ｄ’　、（１“の位相ψｄ／、ψｄ”はそ
れぞれ（９）　、　００１式で表わされる。

ψ、１’＝：２πｆｏ（月ｋｚ２ｒｆ、　（ｔ−１１）
）　（１？＋）・”’・・（９）（Ｐｄ２−２πｆ６　
（１−１ｋｃａｓ２πｒ、　（ｔ−ｔｏ））　（ｔ−ｔ
ｚ）　・−・−（ｔＱ信Ｍ　（１’　、ｄ”　Ｙ、を復
１１１ＡＩ器５’、５”−ｔ”復調され、（ｉｌｌ　。

Ｑ３式でその位相ψｅ／、ψＣ“が表わされる信号ｅ／
。

ｅ“になる。

ψｅ′＝２πｆ、（ｔ　　ｔ＋）・・・・・・・・・・
・・・・・Ｑｌｌψｅ“＝２πｆｌ（ｔ−’ｉｔ）・・
・・・・・・・・・・・・・（１２１信号ｅ’、ｅ“は
変換器６’、７’ＩＣよってディジタル信号に変換され
たのち、位相差検出回路８′の入力となり、さらに出力
ブロック９′で零点調節等が行なわれる。この出力ｈ′
は０式に比例する。

量１’（Ｘ：２πｆ、（ｔ、−ｔ、）・・・・・・・・
・・・・・・・（１３１送信用超音波トランスデユーサ
Ｔと受信用超音波トランスデユーサＲ，，Ｒ，との間の
距離をＬ流体中の超音波の群速度なＶ１流速＝ｉＵとす
る−６− と、１．−１２は（１４Ｊ式で表わされる。

１１ １ｔ　ｔ２＝Ｌ（ｖ酊−■而） したがって出力ｈ′は０５１式で表わされる。

（１５１式から分るように出力ｈ′はほぼＨに比例する
。また変調周波数ｆ、を小さくすることによシ、（１５
１式の右辺が一周期内で変動するようにできる。

つまり流速の測定範囲を拡大することができる。

一般的に管内の形状に応じる超音波の固有振動があり、
その固有振動に対応する固有周波数の超音波を管内に放
射すると定在波が形成される。そして定在波が生じると
、超音波の伝播時間から流速を求める流速計ではその機
能が阻害される。本発明では超音波が周波数変調を受け
ているので、定在波の形成が抑制され、流速を安定に計
測することができる。

本発明の第２図の実施例においては１つの送信用超音波
トランスデユーサと２つの受信用超音波トランスデユー
サを用いているが、２つの送受信用超音波トランスデユ
ーサと送受信切替回路と信月保持回路等とを用いて実施
することも当然に可能である。

なお本発明の技術的思想の範囲を超えることなく、本発
明の目的すなわちひろい範囲の位相差の検出は、周波数
ｆＩＩ１４ばかりでなく振幅変調を用いても達成−Ｉ−
ることかできる。　　’、”ｑ−ｊ−’＋、ｌ□

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロックダイヤグラム、第２
図０他の実施例のブロックダイヤグラムである。 １．１′・・・・・・発振器、２．２’・・・・・・変
調器、８．８′・・・・・・発振器、４．４’、４“・
・・・・・増幅器、５．５’、５”・・・・・・復調器
、６．６’　、Ｔ、’ｌ’・・・・・・変換器、８．８
′・・・・・・位相差検出回路、９．９’・・・・・・
出力ブロック、Ｔ　、　Ｒ、１４１、Ｒ２・・・・・・
超音波トランスデユーサ、Ｕ・・・・・・流速、　　　
　　■・・・・・・超音波群速度。 コ　　　　＞　− 〉　　〕　　　　　　〉−一アシ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続発振超音波を用いる流速計で、送信用超音波
   トランスデユーサと受信用超音波トランスデユーサとを
   対向しないように配置し、流体中の超音波の位相変化の
   流速依存性と両超音波トランデューサ間の距離とから流
   速を求める流速計において、低周波で周波数変調をされ
   た超音波を用いることを特徴とする超音波流速計。
2. （２）流速に対して順方向に超音波を伝播させたときの
   超音波の伝達時間と、逆方向に超音波全伝播させたとき
   の超音波の伝達時間との差から流速を求めることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超音波流速計。