JPS5866056A - 超音波ドツプラ−流量計 - Google Patents
超音波ドツプラ−流量計Info
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- JPS5866056A JPS5866056A JP56164141A JP16414181A JPS5866056A JP S5866056 A JPS5866056 A JP S5866056A JP 56164141 A JP56164141 A JP 56164141A JP 16414181 A JP16414181 A JP 16414181A JP S5866056 A JPS5866056 A JP S5866056A
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- JP
- Japan
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- frequency
- pass filter
- flow
- ultrasonic
- low
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- Pending
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
- G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
- G01P5/242—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect involving continuous, e.g. modulated or unmodulated, waves
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- Measuring Volume Flow (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
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。
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ドツプラー
流量計に係り、特にドツプラーシフト周波数を検出する
際に、ドツプラーシフト周波数に無関係な尚波数を持つ
雑音の除去や、流体の流速、また超音波散乱体の製置な
どによって大きく変化する流体の流速分布の影響を除く
ための、ドツプラーシフト周波数の弁別手段に関する。
流量計に係り、特にドツプラーシフト周波数を検出する
際に、ドツプラーシフト周波数に無関係な尚波数を持つ
雑音の除去や、流体の流速、また超音波散乱体の製置な
どによって大きく変化する流体の流速分布の影響を除く
ための、ドツプラーシフト周波数の弁別手段に関する。
一般に、ドツプラー流量計の原理は、第１図に示すよう
に流体５が流れる導管４の一側面にクサビ材３′に固定
された２個の超音波振動子３，３′が配置されており、
これら各超音波振動子３，３は前記導管４の軸方向に対
して角度θを有して斜めに指向されている。一定の送信
周波数ｆ、の信号を出力する送信部１は送信用の超音波
振動子３を駆動し、そこで周波数ｆ、の音波に変換し、
導管４中の被測定流体である流体５に向けて照射する。
に流体５が流れる導管４の一側面にクサビ材３′に固定
された２個の超音波振動子３，３′が配置されており、
これら各超音波振動子３，３は前記導管４の軸方向に対
して角度θを有して斜めに指向されている。一定の送信
周波数ｆ、の信号を出力する送信部１は送信用の超音波
振動子３を駆動し、そこで周波数ｆ、の音波に変換し、
導管４中の被測定流体である流体５に向けて照射する。
被測定流体５中に含まれる散乱体６は該音波を散乱する
が、その一部は受信用の超音波振動子３に到達し、そこ
で・電気信号に変換された後受信部２で増幅される。
が、その一部は受信用の超音波振動子３に到達し、そこ
で・電気信号に変換された後受信部２で増幅される。
この時、受信部２の出力に得られる信号の周波数をｆ、
とすれば、ｆｄは散乱体の移動速度ＶＫよってトップ゛
ラーシフトと呼ばれる周波数変調を、受けてｆ、よりず
れる。その変化分をΔｆとすれば、とのΔｆは次式で表
される。
とすれば、ｆｄは散乱体の移動速度ＶＫよってトップ゛
ラーシフトと呼ばれる周波数変調を、受けてｆ、よりず
れる。その変化分をΔｆとすれば、とのΔｆは次式で表
される。
ここで、Δｆ：ドップラーシフト周波数Δｒ＝ｒ、−ｆ
、 ・・・・・・（２）ｆｄ：受信周波数 ｆｔ：送信周波数 Ｖ：散乱体移動速度 Ｃ：流体中の音速 θ：音波の伝播方向と散乱体の移動 方向とのなす角度。
、 ・・・・・・（２）ｆｄ：受信周波数 ｆｔ：送信周波数 Ｖ：散乱体移動速度 Ｃ：流体中の音速 θ：音波の伝播方向と散乱体の移動 方向とのなす角度。
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
体の速度との闇には比例関係が成立し、その比例足載は
幾何学的条件および物理的性質から決定できる。従って
ドツプラーシフト周波数を測定することによって流体の
速度を測定できる。また流体水路の形状、寸法が与えら
れてｉ面積Ｓが求まれば、次式から流量Ｑが得られ、流
量計となる。
ることができるので、ドツプラーシフト周波数Δｆと流
体の速度との闇には比例関係が成立し、その比例足載は
幾何学的条件および物理的性質から決定できる。従って
ドツプラーシフト周波数を測定することによって流体の
速度を測定できる。また流体水路の形状、寸法が与えら
れてｉ面積Ｓが求まれば、次式から流量Ｑが得られ、流
量計となる。
Ｑ＝Ｖ−８・・・・・・（３）
これがドツプラー流量計の測定原理である。
ここで受信用の超音波振動子３からの出力を処迄−する
信号処理部：′Ｉ：ついて帛２図を用いて説明する。受
信用の超音波振動子３で得られた受信信号には散乱体か
らの信号（周波数ｆ）と管壁を伝ってくる倍長（周波数
ｆ。）とがともに入り、ドツプラー・シフト周波数ｆ”
ｄでビートを起す。それらは高周波増幅部７で増幅され
た後、検波回路８で検波されその出力がローパスフィル
タ９に入シ、ドツプラーシフト周波数（ｆｄ ）成分の
みが取り出される。ローパスフィルタ９で取り出された
低周波成分は低周波増幅部１０で増幅された恢、ゼロク
ロ・スコンパレータ１１に入シ周波数に変換される。こ
こで得られる周波数信号がドツプラーシフト周波数に相
当する。ドツプラーシフト周波数はＦ／Ｖコンバータ１
２によって流速に比例した電圧信号に変換された後、断
面積係数補正部１３で断面積補正係数を掛けて流量に変
換し、流量出力信号１４が得られる。
信号処理部：′Ｉ：ついて帛２図を用いて説明する。受
信用の超音波振動子３で得られた受信信号には散乱体か
らの信号（周波数ｆ）と管壁を伝ってくる倍長（周波数
ｆ。）とがともに入り、ドツプラー・シフト周波数ｆ”
ｄでビートを起す。それらは高周波増幅部７で増幅され
た後、検波回路８で検波されその出力がローパスフィル
タ９に入シ、ドツプラーシフト周波数（ｆｄ ）成分の
みが取り出される。ローパスフィルタ９で取り出された
低周波成分は低周波増幅部１０で増幅された恢、ゼロク
ロ・スコンパレータ１１に入シ周波数に変換される。こ
こで得られる周波数信号がドツプラーシフト周波数に相
当する。ドツプラーシフト周波数はＦ／Ｖコンバータ１
２によって流速に比例した電圧信号に変換された後、断
面積係数補正部１３で断面積補正係数を掛けて流量に変
換し、流量出力信号１４が得られる。
以上の説明では受信部２の入力信号に既に送信信号と受
信信号の音響的な混信によるビートが生じるものとして
説明したが、このような音響的な混信をできるだけなく
し、受信用の超音波振動子３には散乱体からの信号のみ
が入るようにして。
信信号の音響的な混信によるビートが生じるものとして
説明したが、このような音響的な混信をできるだけなく
し、受信用の超音波振動子３には散乱体からの信号のみ
が入るようにして。
その代シ送信部からの電気信号の一部と受信信号とをミ
キサ回路によって電気的に混合し、ド、ツプラー、シフ
、ト周波数に相当するビート周波数を取り出す方法もあ
るが、基本的には同じである。
キサ回路によって電気的に混合し、ド、ツプラー、シフ
、ト周波数に相当するビート周波数を取り出す方法もあ
るが、基本的には同じである。
しかしながら、導管４内の流体５には、必ず流速分布が
存在するため、導管４の口径をた・とえばに個の点に分
割し、その各々の点についてドツプラーシフトを考えた
場合、受信振動子によって受信される信号としては（３
）式が得られる。
存在するため、導管４の口径をた・とえばに個の点に分
割し、その各々の点についてドツプラーシフトを考えた
場合、受信振動子によって受信される信号としては（３
）式が得られる。
ここで、Ａ：振幅
ｆｔ：送信周波数
Δｆ、ＨＫ個に分割された各点におけるドツプラーシフ
ト周波数 φヵ ：各点での位相ずれ （３）式の方・１項は、ドツプラーシフトを受けた送信
波を示し、第２項は送信波を示す。そしてＳは、受信波
全体として管壁などを伝搬するもれ送信波と、ドツプラ
ーシフトを受けた送信波との加算の変調がかかつている
ことを示す。したがって、（３）式において流速分布が
平坦な時は、導管の中心部の流速と、管壁近傍の流速と
の走は少なく、また中心部の流速が平坦であることと、
（３）式第１項が総和の項である為に、平坦部のドツプ
ラーシフト周波数が支配的となり、平均流速に近い流速
を取り出すことができる。しかし、流速分布が急峻にな
ると、中心部の流速と、管壁との流速の走が大きくなり
、ドツプラーシフト周波数としては、管壁近傍の遅い成
分が支配的となり、平均された結果、平均流速よシも低
下してしまうという欠点があった。
ト周波数 φヵ ：各点での位相ずれ （３）式の方・１項は、ドツプラーシフトを受けた送信
波を示し、第２項は送信波を示す。そしてＳは、受信波
全体として管壁などを伝搬するもれ送信波と、ドツプラ
ーシフトを受けた送信波との加算の変調がかかつている
ことを示す。したがって、（３）式において流速分布が
平坦な時は、導管の中心部の流速と、管壁近傍の流速と
の走は少なく、また中心部の流速が平坦であることと、
（３）式第１項が総和の項である為に、平坦部のドツプ
ラーシフト周波数が支配的となり、平均流速に近い流速
を取り出すことができる。しかし、流速分布が急峻にな
ると、中心部の流速と、管壁との流速の走が大きくなり
、ドツプラーシフト周波数としては、管壁近傍の遅い成
分が支配的となり、平均された結果、平均流速よシも低
下してしまうという欠点があった。
本発明は、流速分布の影響をほとんど受けずに安定に、
精度よく流量を測定する超音波ドツプラー流量計を提供
するにある。
精度よく流量を測定する超音波ドツプラー流量計を提供
するにある。
このような目的を達成するために、本発明は、流体内へ
超音波送信信号を伝達させるための手段と、前記流体の
散乱体により反射されかつドツプラーシフト周波数の成
分を含む超音波反射信号を受信するための手段と、この
超音波反射信号を受信するための手段から得られる出力
を周波数電圧変換器を介して取り出す超音波ドツプラ−
シフト流量計において、前記超音波反射信号を受信する
ための手段から得られる出力を、ローパスフィルターお
よびバイパスフィルターを介した後に前記周波数電圧変
換器妬入力させ、かつこの周波数電圧変換器の出力を前
記ローパスフィルターおよびバイパスフィルターに入力
させてこれら各フィルターの遮断周波数を変化できるよ
うにしたものである。
超音波送信信号を伝達させるための手段と、前記流体の
散乱体により反射されかつドツプラーシフト周波数の成
分を含む超音波反射信号を受信するための手段と、この
超音波反射信号を受信するための手段から得られる出力
を周波数電圧変換器を介して取り出す超音波ドツプラ−
シフト流量計において、前記超音波反射信号を受信する
ための手段から得られる出力を、ローパスフィルターお
よびバイパスフィルターを介した後に前記周波数電圧変
換器妬入力させ、かつこの周波数電圧変換器の出力を前
記ローパスフィルターおよびバイパスフィルターに入力
させてこれら各フィルターの遮断周波数を変化できるよ
うにしたものである。
以下実施例を用いて本発明の詳細な説明する。
誠３図は本発明による超音波ドツプラーｉ！計の一実施
例を示す構成図で゛ある。第２図と同符号のものは同材
料を示している。第２図と異なる構成は信号処理部２に
ある。受信用の超音波振動子３から得られる出力は、高
周波増幅部７に入力され、この高周波増幅部７の出力は
検波回路８に入力されるようになっている。検波回路８
の出力は低周波増幅部１０に入力され、この低周波増幅
部１０の出力はローパスフィルター１５に入力されるよ
うになっている。ローパスフィルター１５の出力はバイ
パスフィルター１６に入力され、このバイパスフィルタ
ー１６の出力はこの出力を直流レベルに変換する平均値
回路１７に入力されるようになっている。この平均値回
路１７の出力は前記−・イパスフィルター１６の出力と
ともに、レベルコンパレータ１８に入力され、このレベ
ルコンパレータ１８はドツプラーシフト周波数を検出す
るようになっている。レベルコンパレータ１８の出力は
周波数電圧変換器１２に入力され、この周波数電圧変換
器１２の出力は断面積係数補正部１３に入力されるとと
もに、前記Ｖ′−パスフィルター１５およびバイパスフ
ィルター、１６に入力されるようになっている。これに
よりローパスフィルター１５およびバイパスフィルター
１６はその遮断周波数が前記周波数電圧変換器１２の出
力に比例して変化するようになっている。そして前記断
面積係数補正部１３の出力が流量出力として取り出され
る。
例を示す構成図で゛ある。第２図と同符号のものは同材
料を示している。第２図と異なる構成は信号処理部２に
ある。受信用の超音波振動子３から得られる出力は、高
周波増幅部７に入力され、この高周波増幅部７の出力は
検波回路８に入力されるようになっている。検波回路８
の出力は低周波増幅部１０に入力され、この低周波増幅
部１０の出力はローパスフィルター１５に入力されるよ
うになっている。ローパスフィルター１５の出力はバイ
パスフィルター１６に入力され、このバイパスフィルタ
ー１６の出力はこの出力を直流レベルに変換する平均値
回路１７に入力されるようになっている。この平均値回
路１７の出力は前記−・イパスフィルター１６の出力と
ともに、レベルコンパレータ１８に入力され、このレベ
ルコンパレータ１８はドツプラーシフト周波数を検出す
るようになっている。レベルコンパレータ１８の出力は
周波数電圧変換器１２に入力され、この周波数電圧変換
器１２の出力は断面積係数補正部１３に入力されるとと
もに、前記Ｖ′−パスフィルター１５およびバイパスフ
ィルター、１６に入力されるようになっている。これに
よりローパスフィルター１５およびバイパスフィルター
１６はその遮断周波数が前記周波数電圧変換器１２の出
力に比例して変化するようになっている。そして前記断
面積係数補正部１３の出力が流量出力として取り出され
る。
このように構成した実施例の動作を以下説明する。
送信ｓ１からの信号にキって送信用の超音波振動子３が
励振され、流体５中に超音波が伝達される。流体５と同
一の流速Ｖで運動している散乱体６によって反射される
超音波は、受信用の超音波振動子３によつで受信され、
同時に、管壁を伝わって受信用の超音波１振動子に入っ
てくるＬれ送信波との間でビートを起す。このビートを
起した超音波受信信号は、高周波増幅ｓ７によつ°て増
幅され、検波回路８によシ、その包絡線が検波される。
励振され、流体５中に超音波が伝達される。流体５と同
一の流速Ｖで運動している散乱体６によって反射される
超音波は、受信用の超音波振動子３によつで受信され、
同時に、管壁を伝わって受信用の超音波１振動子に入っ
てくるＬれ送信波との間でビートを起す。このビートを
起した超音波受信信号は、高周波増幅ｓ７によつ°て増
幅され、検波回路８によシ、その包絡線が検波される。
この包ｆ＠線は、低周波増幅部１０によって増幅さレタ
あと、ローパスフィルター１５、ノ１イパスフィルター
１６を通る。これら各フィルターは、それぞれの遮断周
波数が周波数電圧変換器１２からの出力電圧１９の大き
さに追従して変化する。ここで、 漣ｌ！Ｔ杓波数は（
４）式で示される。
あと、ローパスフィルター１５、ノ１イパスフィルター
１６を通る。これら各フィルターは、それぞれの遮断周
波数が周波数電圧変換器１２からの出力電圧１９の大き
さに追従して変化する。ここで、 漣ｌ！Ｔ杓波数は（
４）式で示される。
Ｃはコンデンサの容量、＋０Ｌ（ｖ）は制御電圧１９に
よって見かけ上の゛抵抗値が線形に変化する素子。
よって見かけ上の゛抵抗値が線形に変化する素子。
これらフィルタ、−を組み合せることで、図４に示すよ
うに中心周波数ｆ。を中心とする帯域Δｆを持ったバン
ドパスフィルターを構成する。また、各フィルターに入
力される制御電圧には周波数電圧変換器１２の出力をそ
のまま使っていることから、Ｒ童あるいは流速が増大す
ることによって、中心筒波数ｆ−ｏが帯域Δｆをともな
って移動することになる。
うに中心周波数ｆ。を中心とする帯域Δｆを持ったバン
ドパスフィルターを構成する。また、各フィルターに入
力される制御電圧には周波数電圧変換器１２の出力をそ
のまま使っていることから、Ｒ童あるいは流速が増大す
ることによって、中心筒波数ｆ−ｏが帯域Δｆをともな
って移動することになる。
七だ、かって、谷フィルターにおける高域、低域の避断
周波献金第４図のごとく定めておけば、管壁近傍の低い
周波数成分や不必要な高い周波数成分などは除去するこ
とができ、流速分布が急峻な場合でも、Ｉａとんどその
影響を除くことができ。
周波献金第４図のごとく定めておけば、管壁近傍の低い
周波数成分や不必要な高い周波数成分などは除去するこ
とができ、流速分布が急峻な場合でも、Ｉａとんどその
影響を除くことができ。
またΔｆの間隔を調贅する・ことで平均流速に近い出力
を取シ出すことができる。
を取シ出すことができる。
なお、実施例においては制御電圧によってフィルター１
５．１６の抵抗値が変化する例について述べたが、フィ
ルター構成要素としてのコンデ／すの容量を可変として
同様な効果を持たせることも可能である。
５．１６の抵抗値が変化する例について述べたが、フィ
ルター構成要素としてのコンデ／すの容量を可変として
同様な効果を持たせることも可能である。
以上述べたことから明らかなように本発明による超音波
ドツプラー流量計によれば、流速分布の影響をほとんど
受けずに、安定に、精度よく流蓋を測定することができ
る。
ドツプラー流量計によれば、流速分布の影響をほとんど
受けずに、安定に、精度よく流蓋を測定することができ
る。
第１図は超音波ドツプラー流°量計の原理を示す説明図
、第２図は従来の超音波ドツプラー流量計の信号処理部
を示す構成図、第３図は本発明による超音波ドツプラー
流量計の一実施例を示す構成図、第４図は本発明の詳細
な説明するためのグラフである。 １・・・超音波送信部、２・・・信号処理部、３・・・
超音波振動子、４・・・導管、５・・・流体、７・・・
高周波増幅部。
、第２図は従来の超音波ドツプラー流量計の信号処理部
を示す構成図、第３図は本発明による超音波ドツプラー
流量計の一実施例を示す構成図、第４図は本発明の詳細
な説明するためのグラフである。 １・・・超音波送信部、２・・・信号処理部、３・・・
超音波振動子、４・・・導管、５・・・流体、７・・・
高周波増幅部。
Claims (1)
- １、流体内へ超音波送信信号を伝達させるだめの手段と
、前記流体の散乱体により反射されかつドツプラーシフ
ト周波数の成分を含む超音波反射信号を受信するための
手段と、この超音波反射信号を受信するだめの手段から
得られる出、力を周波数電圧変換器を介して取り出す超
音波ドツプラー流量計において、前記超音波反射信号を
受信するだめの手段から得られる出力を、ローパスフィ
ルグーおよびバイパスフィルターを介した後に前記周波
数電圧変換器に人出させ、かつこの周波数電圧変換器の
出力を前記ローパスフィルターおよびノ・イパスフィル
ターに入力させてこれら各フィルターの遮断周波数を変
化できるようにしたことを特徴とする超音波ドツプラー
流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56164141A JPS5866056A (ja) | 1981-10-16 | 1981-10-16 | 超音波ドツプラ−流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56164141A JPS5866056A (ja) | 1981-10-16 | 1981-10-16 | 超音波ドツプラ−流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5866056A true JPS5866056A (ja) | 1983-04-20 |
Family
ID=15787525
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56164141A Pending JPS5866056A (ja) | 1981-10-16 | 1981-10-16 | 超音波ドツプラ−流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5866056A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6050470A (ja) * | 1983-08-31 | 1985-03-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波式車両速度計測装置 |
| EP0454821A1 (en) * | 1989-11-17 | 1991-11-06 | Alan M Petroff | SPEED MEASUREMENT SYSTEM. |
-
1981
- 1981-10-16 JP JP56164141A patent/JPS5866056A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6050470A (ja) * | 1983-08-31 | 1985-03-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波式車両速度計測装置 |
| JPH0522190B2 (ja) * | 1983-08-31 | 1993-03-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | |
| EP0454821A1 (en) * | 1989-11-17 | 1991-11-06 | Alan M Petroff | SPEED MEASUREMENT SYSTEM. |
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