JPS5827018A - 超音波流量測定装置 - 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、超音波が被測定媒体中を伝搬する時間を流れ
に対して順方向及び逆方向について測定して、その媒体
流量を測定する超音波流量測定装置に関し、更に詳しく
は、超音波を伝搬させる被測定媒体の温度変化による測
定誤差を補償するようにした超音波流量測定装置に関す
るものである。

従来履知な超音波流量測定装置の一例として、電圧制御
形見振器で発振される周波数ｆのパルス信号をに個計数
する時間と、流体中の超音波の伝搬時間とを一致させる
ようにその電圧制御形発振器の発振周波数ｆを制御する
閉ループを構成し、一方の振動子の発振と同期して、こ
の周波数ｆのパルスをＨ個計数するカウンタの出力を時
間差検出回路に入力し、他方、超音波受信信号をもこの
時間差検出回路に入力して、時間差を出力し、その時間
差が例えば零となるように閉ループを構成したものがあ
る。このような従来の超音波流量測定装置の一例を第１
図に示す。図において、電圧制御形発振回路／ａＦｉ、
制両電圧の大きさＫよってその発振周波数が変化する２
つの電圧５ｌＩＩＩｌ形発振！（以下ｖＣＯという）−
１３および／ｊを有している。

ＶＯＯ／ＪＯ発振出力信号１（周波数ｆ、）とＶＯＯ／
ｊｃ）発振出力信号ｎ（周波数ｆ、）とを、スイッチＢ
で切換えて、それＫよって得られる電圧制御形発振回路
１０の出力信号１をパルス発生回路ＩＫ供給する。パル
ス発生回路１拡、信号ＥＩＣ同期してパルス信号３１を
発生すると共に、計数開始信号ｎを発生する。このパル
ス信号Ｊ／に基づいて送信回路３ｊはトランスジューサ
駆動信号Ｉを発生する。

２つのトランスジューサたる振動子Ｖおよびｑは、スイ
ッチヂＳの切換えＫよって交互に供給されるトランスジ
ューサ駆動信号ｎに応じて、一方は電気信号を音響信号
（超音波ヂＳあるいは４Ｌ７）に変換する送信側として
、そして他方はその音響信号を電気信号に変換する受信
側として働く。この音響信号を受信して得た電気信号は
、切換スイッチｊｌを介して受信信号５３として受信回
路ｊｊＫ導入される。受信回路ｓｒは受信信号ｊ３に応
じて受波検出信号ｊ７を時間差検出回路ｊ９に供給する
。

また、計数開始信号３３によって付勢されたカウンタ６
１は電圧制御形発振回路ｌθの出力信号コ９を計数する
。このカウンタ≦ｌは、その計数状態が予め設定された
数値ＮＫなると、パルス出力信号≦３を時間差検出回路
ｊ？　Ｋ供給し、しかる後リセットされる。時間差検出
回路ｊ９は、両信号ｊ７および≦３の時間差を検出し、
その時間差に応じた電圧の制御信号６ｊを発生する。こ
の制園信号≦ｊは、スイッチ≦７で切換えられ、電圧制
御形発振回路１０内の両Ｔｏｏ　／Ｊおよび／ｊのいず
れか一方に導入されて、その発振周波数ｆ、あるいはｆ
、を制御する。

第２図は、被測定流体の管路に両振動子を取付けた状態
を示し、まな超音波の伝搬を示す。図において、対向配
置された一方の振動子＃ｌから発射された超音波は、そ
れを管７１内に斜めに伝搬させるプラスチック〈さび７
３および管７１を介して被測定流体７ｊへ伝搬し、蒋び
管７１の壁および別なプラスチック〈さび７７を介して
他方の援動子ダ３に伝搬する。この場合に、振動子ダｌ
から振動子ｑへの超音波順方向伝搬時間！、は、 として与えられる。また、逆に振動子ｑから振動子ｑへ
の超音波逆方向伝搬時間τ、は、として与えられる。こ
こで、Ｄは管７１の内径、Ｃ１は流体７ｊが静止してい
るときにおけるその流体７ｊ中の音速、Ｖは流体り！の
流速、θは超音波が流体７Ｓ中に入射する際の入射角で
ある。なお、ここでは、両くさび７７　、７７　＠よび
管７１の管厚部を超音波が伝搬する時間は無視する。

次に１第１図および第２図を参照して、流体７ｊの流量
測定について述べる。なお、この測定原理は位相ロック
ループを利用した周知なものであるので簡単に説明する
。先ず、全ての切換スイッチ２５．　ｕｓ　、　ｓｔお
よび６７をそれぞれ接点ａ側に倒して順方向モードとす
る。この場合、ＶＯＯａｌｏから得られる周波数ｆ、の
出力信号コタに基づいて、超音波釘の伝搬時間Ｔ、は前
述した（り式で表わされる。ｔＣカウンタｔ／の計数状
態がＨに達するまでの時間〒はＭ／ｆ、である。この時
間Ｔと先の伝搬時間！、とが所定の関係（この場合等し
くする）となるように％ｖｃｏ　／Ｊの発振周波数ｆ、
を帰還制御する位相ロークループを形成している。従っ
て、この系が安定したら、Ｎ／ｆ、＝テ、となるから。

の関係が成立する。

また、全ての切換スイッチＢ　、　＃Ｉ　、　Ｊ／およ
び≦７をそれぞれ接点ｂ［Ｋ倒して逆方向モードとする
。この場合も同様にして、前述した（２）式で衷わされ
る超音波舒の伝搬時間Ｔ２とカウンタ≦ｌが計数状１！
ＩＮに達するまでの時間Ｔとが所望の関係（この場合等
しくする）となるように５ＶＯＯｔｓを含む位相ロック
ループの系が安定する。従って、　ＶＯＯ／Ｓの発振周
波数ｆ２は、 として表わされる。

これら画周波数の差Δｆ　（＝　ｆ、　−ｆ２）をとる
と、として与えられる。従って、入射角θが一定であれ
ば周波数差Δｆは′流体７３の流速Ｖのみの関数として
与えられるから、両信号１およびｎを計数してそれら画
周波数の差Δｆを求めれば、その値から流体７ｊの流速
Ｖが計算できる。従って、被測定流体７３の流量を測定
することができる。

しかしながら、このような流量測定装置では入射角０の
変化が無視できる範囲に限って有効である。例えば　体
７ｊの温度が大幅に変化するとこの入射角θの変化は無
視できなくなり、特に管７１の口径りが小さくなればな
る程この影響は大きくなり、測定結果に大きく誤差を含
むこととなる欠点があった。

本発明の目的は、上述した欠点を解消するためになされ
たもので、被測定媒体の温度が変化しても、また被測定
媒体の流路が小口径であっても、被測定媒体の流量測定
を誤差なく行う装置を提供することにある。

このような目的は、本発明によれば、第１および第２の
発振器と、第１および第２のトランスジューサと、前記
第１あるいは前記第２の発振器の発振出力に応じて前記
第１あるいは前記第２のトランスジューサから前記第一
あるいは前記第１のトランスジューサへの第１あるいは
第２の方向で被測定媒体中を超音波を伝搬させるように
切換える切換手段と、前記第１あるいは第２の発振器の
発振出力に応じた計数を行うカウンタと、前記第−ｌあ
るいは第２の方向での超音波伝搬時間と前記カウンタが
設定値となる計数時間とが所定の関係になるように前記
第１あるいは前記第一の発振器の発振周波数を制御する
手段とを含み、前記第１および第２の発振器の再発１１
ｍ１波数から前記被測定媒体の流量測定を行う超音波流
量測定装置において、前記第１および第２の発振器の再
発振周波数の周波数和に応じて前記カウンタの設定値を
変化せしめて、前記周波数和を所定範囲内に収束せしめ
る手段を設け、この収束の状態において、前記第１およ
び第一の発振器の再発振周波数から前記被測定媒体の流
量測定を行うように構成することＫよって達成できる。

以下図面に基づ−て本発明の詳細な説明する。

先ず、本発明の原理を計算式によって示しておく。両く
さび７３　、７７および管７１の管厚部における超音波
伝搬速度をＣ１１として、スネルの法則に従い、前述し
た（５）式の入射角θをくさび中の角度ψに置換すると
、 ｓｉｎ　ｑ　　　　ｓｉｎ　＃ Ｃ８Ｃ。

よって、 Ｗ ｓｉｎＪ＝　−ｓｉｎ　ｑ　　　　　　　　　　（６）
８ の関係が成立する。

（５）式および（４）式より、 の関係が成立する。また、（６）式および（７）式より
、の関係が成立する。

すなわち、（８）式および（９）式をみるに、カウンタ
６１の設定値Ｎを変化させて周波数和（ｆ、　＋　ｆ２
）を−゛定に保てば、周波数差Δｆは流速Ｖのみの関数
として表わされる。従って、入射角０の変化を補償した
形で、周波数差ｉｔを測ることによって流速Ｖを求める
ことができる。本発明はかような見地からなされたもの
であって、以下その実施例を説明する。

第３図は本発＠〇一実施例を示し、ここで第１図と異な
る点は、再発掘屑波数信号ＩおよびＢを受信する中央演
算処理装置（以下ＣＰＵという）ＩＩとこのｃｐｖ　ｉ
ｔからの制御信号ｔ３に応じてカウンタ乙ｌの設定値Ｎ
を可変制御する制御器ｌ！とを新たに設けたことである
。同−将号は同様な機能を有する回路等である。

第参図は、第ＪＩＩＩＫ示した装置の動作を説明するた
めの流れ図である。以下第３図および第参図を参照する
。

先ず補償モードをみる。　ａｐｕｔｉＫよって、制御信
号ｔ３の指令に従ってカウンタ４／の設定値Ｈを初期設
定する。また、使用する流量計によって定まる諸定数お
よび通常の流量計使用状１１における諸定数に基づいて
前述ｒ８）式で与えられる両肩波数ｆ、およびｆ、　０
和を褒わす値ｆ０も設定する（ブロック１０／　）。か
ように設定された設定値ｙの状態で、第１図に関連して
説明したと同様な動作を行う。すなわち、すべてのスイ
ッチｘ　、　ａｓ　、　ｓｉおよび≦７をそれぞれ接点
ａ　ｍＩ　Ｋ　ＩＩ　Ｌ、て、位相ロックループを安定
させてＶＯＯ／１の発振周波数ｆ、を求める。

次に１スイツチＥ　、　＃ｊ、　１／および≦７をそれ
ぞれ接点す側に倒して、位相ロックループを安定させて
ｖｃｏ　／Ｊの発振周波数ｆ、を求め、記憶しておく（
ブロック１０Ｊ　）。このようＫして求めた両肩波数ｆ
。

およびｆ２の和（ｆ、＋　ｆ、　）を求めた後、これを
ブロック１０／にて設定したｆｏとの差！　（＝　ｆｏ
−（ｆ。

＋ｆ、））を求める（ブロック１０！ｒ　）。次に、こ
の差Ｘの絶対値ＩＸＩが所望値Ｗ以下か否か判定する（
ブロック１０７　）。なお、この値Ｗは、Ｎがｌだけ変
化しても、Ｘの変化は無視し得るものとして定める数値
である。ブロック１０７　Ｋて、否定判定ならば、この
差Ｘの値の逆性を判定する（ブロックｌＯデ）、もし、
この差Ｘが正ならば、カウンタの設定値Ｋをｌだけ減じ
る（ブロック／／／　）。また、負ならば、この設定値
ＩＶｔ／だけ増す（ブロック／／、？）、すなわち、　
ＣＪＰＵＩＩにおいて、周波数和の収束度合をみながら
、制御信号１１の指令によって制＠＠１！からＮ変更信
号ｔ７を発生し、カウンタ４／の設定値■を増減する。

次いで、位相ロックループにおける系安定のために一定
な待ち時間（１秒以下）を経て（ブロック／／ｊ）、ブ
ロック１０３　Ｋ戻る。このようなループによる動作を
繰り返して、周波数和が所望値たるｆ。Ｋ収束すればブ
ロックｔｏ’ｒ　において肯定判定とな抄、ループを抜
は出す。これＫよって補償モードの動作を終了し。

温度変化等に基因する流体中の入射角０および音速Ｃ１
の変化に応じて、それらの影響を打ち消すようにカウン
タの設定値肩を変化させたことによって（前記（８）代
参ｌ［）、温度変化を着信したこととなる。

このようＫして温度補償をすれば、（ｆ、＋ｆ、）が一
定である故、前記（９）式におけるコ０１ が一定とみなせるから、ＶＯＯｚＪとｖｏｏ　ｎとの再
発振屑波撒の差ノｔｃ２ｆ、−ｆ、）は被測定流体の流
速Ｖの一次関数として表わされる。従って、測定モード
として４０ＰＵｚｌによって、ブロック１０Ｊ　Ｋて記
憶した両肩波Ｗｋｆ、およびｆ２の差Δｆを求めて、流
量を計算する（ブロックλ０／　）。

なお、上述したブロック１０／〜／／ｊによる補償モー
ドの動作は、流量測定に先立って行うものである。また
、たとえ測定中であっても、必要に応じて割り込みをか
け、モード切換をなして、補償動作をなしてもよい。

以上詳述した如く、本発明によれば、被測定媒体その他
の温度変化に基づく誤差を補償して正確な流量測定を行
うことのできる超音波流量測嵐装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超資波流量測定装置のブロック図、第２
図は被測定媒体の管路に超音波振動子を取付けた状態お
よび超音波の伝搬路の説明図、第ＪＥ社本発明の一実施
例による超音波流量測置装置のプルツク図、第参図は第
３図の動作を説明するためＯ流れ図である。 ／Ｊ　、　／３−電圧制御形見振器、 １・・−パルス発生回路、　　Ｈ−送信回路、〃、Ｑ・
−振動子、　　　　ＳＳ・・・受信回路、ｊ９−・・時
間差検出回路、　　４／−”カウンタ、７／・・・管、
　　　　　　　　７ｊ・−流木、１／−・演算制御器、
ｉｓ・・・制御器。 特許出願人　　富士電機製造株式会社 同　出願人　　超音波工業株式会社 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）第１および第２の発振器と、第１および第コのトラ
   ンスジューサと、前記第７あるいは前記第コの発振器の
   発振出力に応じて前記第１あるいは前記第２のトランス
   ジューサカラ前記第２あるいは前記第１のトランスジュ
   ーサへの第１あるーは第２の方向で被測定媒体中を超音
   波を伝搬させるように切換える切換手段と、前記第１あ
   るいは第２の発振器の発振出力に応じた計数を行うカウ
   ンタと、前記第１あるいは第２の方向での超音波伝搬時
   間と前記カウンタが設定値となる計数時間とが所定の関
   係になるように前記第１あるーは前記第２の発振器の発
   振周波数を制膏する手段とを含み、前記第１および第２
   の発振器の両発振周波数から前記被測定媒体の流量測定
   を行う超音波流量測定装置において、前記第１および第
   ２の発振器の両発振周波数の周波数和に応じて前記カウ
   ンタの設定値を変化せしめて、前記周波数和を所定範囲
   内に収束せしめる手段を設け、この収束の状態において
   、前記第１および第２の発振器の両発振周波数から前記
   被測定媒体の流量測定を行うように構成°したことを特
   徴とする超音波流量測定装置。