JPS5853309B2 - 流体の方向識別装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体において発生されるカルマン渦を超音波
で検出し、この流体の流れ方向を識別する装置に関する
ものである。

従来の渦流量計は、検測定流体を内部にカルマン渦発生
体の配置された流路管へ導き、その流路管の両側壁で超
音波送受信機を対面させて受信機側でカルマン渦に基づ
く変化信号を検出・計数するようになっている。

この方式によれは温度・湿度・圧力等の影響を受けず安
定な測定を可能にするために種々の渦流量計か知られ、
また広く利用されているが、流体の流れ方向を識別し得
るものはこれまで皆無であった。

本発明はこの点に鑑みて超音波式渦流量計に応用し得る
方向識別装置の提供を目的とし、これは本発明によれば
流体中に２個のカルマン渦発生体を配置し、これらの間
に流れ方向に離間した２個の超音波受信トランスジュー
サを配置し、これらの受信トランスジューサにより検出
される信号の位相を弁別することにより解決される。

次に本発明を図示の実施例に基ずき説明する。

１は被測定流体を案内する管、２及び３はカルマン渦発
生体として機能する１例としての円柱状の造渦枠、４は
造渦枠２，３によりそれを中心にして上下に発生させら
れたカルマン渦列（図の場合流体の流れ方向が矢印Ａで
あり造渦枠２により発生させられている）である。

５は超音波の周波数に対応した電気パルスを発生する発
振回路、６は管１の側壁に増付けられ、流体の流れと交
差する方向に超音波ビーム１を発射する送信トランスジ
ューサであり、送信機５からの電気パルスを音響信号に
変換するものである。

８及び９は送信トランスジューサに対向して管１の側壁
に取付けられ、カルマン渦列４で変調された超音波ビー
ムγを受信する超音波受信トランスジューサであり、音
響信号を電気信号に変換するものである。

１０及び１１は受信トランスジューサ８，９よりそれぞ
れ供給される出力信号から変調成分を取出す検出器であ
る。

送信トランスジューサ６から発射された超音波ビームγ
はカルマン渦列４を通過する際伝播速度Ｑ変化により周
波数変調を受け、また同時に伝播方向成分の減衰等によ
り振幅変調を受ける。

したがって検出器１０．１１は周波数もしくは振幅復調
器及びフィルタ等より形成して、カルマン渦列４に基づ
く変調信号を検出する。

１２及び１３は検出器ｉｏ、ｉｉの出力信号をそれぞれ
方形波に波形整形する波形整形回路である。

１４は波形整形回路１２．１３からの方形波出力を基に
検出器ｉｏ、ｉｉの岡山力信号の位相差を弁別する位相
弁別器であり、→りとしてＤ型フリップフロップＦＦを
用いている。

１５は出力回路であり、波形整形回路１２からの単位時
間当りの方形波の数を計数して流速もしくは流量を表示
器に表示させ、かつ位相弁別回路１４の出力レベルに応
じて数値の先頭に流れ方向に対応する例えば”＋″又は
”−″の符号を表示させる。

送信トランスジューサ６及びこれに対向する両受信トラ
ンスジューサ８，９は両流れ方向に対する測定条件を同
じにするために両造渦棒２，３間のほぼ中央に配置され
ている。

また両造渦陣２゜３間の間隔はそれぞれで発生させたカ
ルマン渦が消滅すること無く両超音波ビームγに倒達し
得るように設定されている。

さらに受信トランスジューサ８，９は後述する条件を具
備する距離りだけ離間されている。

今、両受信トランスジューサ８゜９で受信されるカルマ
ン渦列信号について考えてみると、同一のカルマン渦に
ついて同一の信号が受信される時点は、そのカルマン渦
が距離りを通過するに要する時間だけずれることになる
。

この場合両受信トランスジューサ８，９で受信されるカ
ルマン渦列信号の位相差は下記の通りである。

先づ、ホン・カルマンの式及び実験式より円柱状造渦棒
で発生される同列内のカルマン渦の中心間距離：ｌは次
のような関係で定まる。

／＝４．６３ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・−・・・・・・・・・・・・・・（１）こ
こでｄ：造渦棒２，３の直径 したかつて両検出器ｉｏ、ｉｉで検出される信号の周期
：Ｔは次のようになる。

Ｔ ＝ ｌ ／ ｖ ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）ここでＶ
：カルマン渦が後方へ流れる速度またカルマン渦か距離
りを通過するに要する時間：△ｔは次のようになる。

△ｔ＝Ｌ／ｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（３）したかつて両検
出器ｉｏ、ｉ１の出力信号間の位相差：△θは次のよう
になる。

△θ＝ｗ・△ｔ＝２π／Ｔ−△ｔ ＝ ２ ｒｃ Ｌ／
ｌ ・・−（４）この式より明らかなように検出器１０
の出力信号を基準にすれば検出器１１の出力信号の位相
は、流れ方向がＡの場合Δθ＝２πＬ／ｌだけ進み、ま
た流れ方向がＢの場合同じ量だけ遅れる。

この位相差は、ｌが造渦棒の形状及び寸法により一義的
に定まるのでこれを交換しない限り一定となる。

一方このような両検出器の出力信号の位相を回路的に比
較するには次の式を満足する必要がある。

△θ＝２πＬ／ｌ〆π ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（５）ここでｎ：整数 したがって両受信トランスジューサ８，９間の間隔は次
の関係にならないように配置されている。

Ｌ ＝ ｎ Ａ ／ ２・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・−・・・・・（６）ただし、１
つの造渦棒から交互に発生されるカルマン渦、すなわち
同列あるいは真列にかかわらず発生されるどのカルマン
渦からも１個について１周期の検出々力が得られる方式
（たとえば振幅の変化を復調する方式）にあっては、前
＝ｉｌｌ）式の右辺は１／２となるもりである。

また（１）式は円柱状造渦棒によるカルマン渦発生間隔
をホン・カルマンの式及び実験式から導いたものである
が、他の形状の造過棒を用いる場合にはそれぞれの実験
式よりカルマン渦発生間隔を求めることができるもので
ある。

以上説明した構成の超音波式カルマン渦流量計は次のよ
うに動作する。

流体が管１の中を矢印Ａ方向に流れていると、送信トラ
ンスジューサ６から発射される超音波ビームは、上下の
カルマン渦列４により変調されて受信トランスジューサ
８，９で受信され、再び電気信号に変換される０先づ受
信トランスジューサ８の出力信号は検出器１０で復調さ
れ（第２ａ図、ａ）、波形整形回路１２で方形波に整形
される（第２ａ図、ｂ）ｏ−一方信トランスジューサ９
の出力信号は検出器１１で復調され（第２ａ図、Ｃ）、
波形整形回路１３で整形される（第２ａ図、ｄ）。

つまり受信トランスジューサ８の出力信号を基準とする
ならば、たとえば第２ａ図ａの０点はそれより以前に受
信トランスジューサ９で検出される（第２ａ図Ｃの０点
）こととなる。

従って岡山力波形を比較すると波形整形回路１３の出力
信号がＨ”レベルになる時間は、波形整形回路１２の出
力信号よりも△ｔ／Ｌ／ｖだけ早く、位相は△θ＝２π
Ｌ／１１だけ進んでいる。

このような位相関係の両信号はさらに位相弁別回路１４
へ供給される。

この位相弁別回路１４はＤ型ＦＦで構成され、そのＣＫ
大入力は前記波形整形回路１３の出力が供給され、Ｄ入
力には波形整形回路１２の出力が供給され、その他の端
子Ｒ及びＳには′Ｌ”レベルに接続されている。

表１はこの回路を構成するＤ型ＦＦの真理値表の関連部
分を示す。

従って第２ａ図の状態では表１より波形整形回路１３の
出力方形波の立上り時に即ちＣＫ＝ｆにおいて波形整形
回路１２の出力信号はＬ”レベル即ちＤ＝Ｏであり、Ｄ
型ＦＦの出力はＱ＝０即ち位相弁別回路１４の出力はＬ
”レベル（第２ａ図、ｅ）となる。

波形整形回路１２あるいは１３の出力信号は同時に出力
回路１５にも供給され、この出力回路１５は流速もしく
はこれに基づき流量を測定するために単位時間当りの方
形波の数を計数して表示する。

この際位相弁別回路１４の出力”Ｌ”レベルに対応して
数値の先頭に例えば＋”を表示する。

一方流体が矢印Ｂ方向に流れている場合同様な過程を経
て復調・整形された波形は第２ｂ図に示す如くなる。

この場合成形整形回路１３の出力信号は波形整形回路１
２の出力信号に対して第２ａ図の場合と同じ量（△θ＝
２πＬ／ｌ）だけ位相が遅れている。

たとえば第２ｂ図ａに示す０点は受信トランスジューサ
９では第２ｂ図Ｃの［相］点として示されるように△ｔ
だけ遅れて検出される。

したがって位相弁別回路１４の出力は、表１よりＤ型Ｆ
Ｆの入力がＣＫ＝ｆ において１）＝１であるからＱ＝
１即ちＨ”レベル（第２ｂ図、ｅ）になり、表示器では
例えば１−”と表示される。

これにより流体の流れ方向を識別できると共に、流体の
流速もしくは流量が測定できるものである。

なお、上述の実施例は２個の受信トランスジューサから
得られる出力信号の位相差△θがπより小さくなるよう
に、受信トランスジューサ相互の間隔りを設定した場合
であるか、△θがπより大なるように設定した場合でも
位相弁別回路１４のＨ”又は′Ｈ”のレベルが反転する
のみで、本発明は同様に実施できる。

以上の説明から明らかなように本発明によればカルマン
渦発生体を２個配置し、その間に配置された２個の受信
トランスジューサで受信されたカルマン渦列信号の位相
を弁別することにより流体の流れ方向を識別できるよう
になり超音彼式流速成は流量計に応用した場合にはその
実用的価値を一段と高め、応用範囲も拡げ得ることにな
る。

本発明の具体的な応用例としては例えば呼吸流量計が考
えられ、呼気と吸気を自動的に識別して数値表示できる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を超音波式渦流量計に応用した構成及び
第２ａ及びｂ図はその回路の各部波形を示す０ １・・・・・・管、２，３・・・・・・造渦枠、４・・
・・・・カルマン渦列、５・・・・・・送信機、６・・
・・・・送信トランスジューサ、８．９・・・・・・受
信トランスジューサ、１０．１１・・・・・・検出器、
１２，１３・・・・・・波形整形回路、１４・・・・・
・位相弁別回路、１５・・・・・・出力回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体中の流れ方向に離間して配置された２個のカル
   マン渦発生体と、これらのカルマン渦発生体間において
   前記流体の流れと交差する方向に超音波を発射する送信
   トランスジューサと、前記超音波を受信し、かつＬ〆ｎ
   Ａ！／２（ｎ：整数、ｌ：カルマン渦発生間隔）なるＬ
   で配置された２個の受信トランスジューサと、これらの
   受信トランスジューサから得られる出力信号の位相弁別
   回路とを具備したことを特徴とする流体の方向識別装置