JPS5917370B2 - ultrasonic flow meter - Google Patents

ultrasonic flow meter

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JPS5917370B2
JPS5917370B2 JP54068631A JP6863179A JPS5917370B2 JP S5917370 B2 JPS5917370 B2 JP S5917370B2 JP 54068631 A JP54068631 A JP 54068631A JP 6863179 A JP6863179 A JP 6863179A JP S5917370 B2 JPS5917370 B2 JP S5917370B2
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JP
Japan
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signal
ultrasonic
output
time
ultrasonic signal
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JP54068631A
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Inventor
稔 小田
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、新規な方式の超音波流量計に関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a new type of ultrasonic flowmeter.

この発明の目的は、超音波流量計の精度、応答速度、温
度安定度を改善することにある。
An object of this invention is to improve the accuracy, response speed, and temperature stability of an ultrasonic flowmeter.

この発明の他の目的は、流体中の泡や異物による超音波
信号の欠損に対する安定度の改善、設置寸法精度の要求
の緩和、構成の簡単化によるコストの低減および信頼性
の改善にある。超音波流量計は、流体中の超音波の伝達
時間が流体の流速によつて変わることを利用したもので
ある。
Other objects of the present invention are to improve stability against loss of ultrasonic signals due to bubbles or foreign matter in the fluid, to ease requirements for installation dimensional accuracy, to reduce costs by simplifying the configuration, and to improve reliability. Ultrasonic flowmeters utilize the fact that the transmission time of ultrasonic waves in a fluid changes depending on the flow rate of the fluid.

通常、流体の通過する配管に、流れの方向に対して順方
向および逆方向になる2つの超音波信号の伝達経路を設
け、夫々の伝達時間の差を測定することによつて、流体
の流速を測定する。流体の流速は、この伝達時間差に比
例する。この伝達時間差は微小であり、伝達時間が通常
0.1〜1msであるのに対して1nsのオーダーであ
る。従つて流速を精密に測定するためには、1nsのオ
ーダーの時間測定精度を必要とする。この微小な時間差
を測定することはアナログ的な方式でもデイジタル的な
方式でも困難であるため、伝達時間を周波数に変換して
、周波数の差を測定している例が多い。しかし、これら
の方式は応答時間が遅くなるという欠点を有する。伝達
時間差の直接測定に成功した例としては、2つの超音波
信号伝達経路に超音波信号を同時に発信し、流れに順行
する信号の受信時刻を基準にして、逆行する信号の受信
時刻の遅れをアナログ的に測定する方式がある。従来の
超音波流量計の他の問題点は、前述の順方向および逆方
向の2つの超音波伝達経路を構成する構造物の温度変化
による伝達時間の変化が、流速の測定誤差となることで
ある。
Normally, two transmission paths for ultrasonic signals, one in the forward direction and the other in the opposite direction with respect to the flow direction, are provided in the piping through which the fluid passes, and the flow velocity of the fluid is determined by measuring the difference in transmission time. Measure. The fluid flow rate is proportional to this transmission time difference. This transmission time difference is minute, and is on the order of 1 ns, whereas the transmission time is normally 0.1 to 1 ms. Therefore, in order to accurately measure the flow rate, a time measurement accuracy on the order of 1 ns is required. Measuring this minute time difference is difficult with either analog or digital methods, so in many cases the transmission time is converted into a frequency and the frequency difference is measured. However, these schemes have the disadvantage of slow response times. An example of successful direct measurement of the propagation time difference is to transmit ultrasonic signals to two ultrasonic signal transmission paths at the same time, and measure the delay in the reception time of the signal going backwards based on the reception time of the signal going in the direction of the flow. There is a method to measure it analogously. Another problem with conventional ultrasonic flowmeters is that changes in transmission time due to temperature changes in the structures that make up the two forward and reverse ultrasonic transmission paths described above lead to flow velocity measurement errors. be.

また、2つの超音波伝達経路が幾何学的均一性を満すた
めに要求される工作精度も、実際的な難点の一つである
。これらの問題の解決策としては、超音波伝達経路を一
つにし、超音波伝達方向を1サイクル毎に反転して、順
方向および逆方向の夫々の伝達時間を測定し、それらの
差をとる方式が考えられる。この様にすると、構造物中
の伝達時間は、順方向および逆方向の伝達時間の差をと
る時に相殺され、温度ドリフトも消去される。しかし、
この方式では両方向の伝達時間を別々に測定してから差
をとるので、非常に高い時間測定精度を要求され、アナ
ログ的な方式では困難である。前述の様に伝達時間は0
.1〜1msであるのに対して、伝達時間の差の測定精
度は1nsのオーダーであることが要求されるので、相
対精度としては1『5〜10−6の精度が要求される。
この問題は高安定度のクロツク発振器を用いたデイジタ
ル的な方式を用いれば解決されるが、1GHz程度の高
いクロツク周波数が要求されるという困難が生じる。周
波数に変換して測定する方式はいくつか開発されている
が、いずれも応答速度が遅く、安定度に問題がある。従
つて超音波伝達経路を単一にして温度変化による誤差を
消去する方式は十分な実用化がなされておらず、順方向
および逆方向の2つの伝達経路を備え、夫々について1
サイクル毎に伝達方向を反転する方式のみが実用化され
ている。この発明は、単一の超音波信号伝達経路の交互
反転方式における上述の困難を解消し、精度、応答速度
および温度安定度の良い超音波流量計を提供しようとす
るものである。
Furthermore, the machining precision required to satisfy geometric uniformity of the two ultrasonic transmission paths is also one of the practical difficulties. As a solution to these problems, the ultrasound transmission path is unified, the ultrasound transmission direction is reversed every cycle, the transmission time in the forward direction and the reverse direction is measured, and the difference between them is calculated. There are several possible methods. In this way, the propagation times in the structure are canceled out when taking the difference between the forward and reverse propagation times, and temperature drifts are also eliminated. but,
In this method, the transmission times in both directions are measured separately and then the difference is calculated, which requires extremely high time measurement accuracy, which is difficult to achieve with analog methods. As mentioned above, the transmission time is 0
.. 1 to 1 ms, whereas the measurement accuracy of the difference in transmission time is required to be on the order of 1 ns, so the relative accuracy is required to be 1'5 to 10<-6 >.
This problem can be solved by using a digital system using a highly stable clock oscillator, but this poses the difficulty of requiring a high clock frequency on the order of 1 GHz. Several methods have been developed to convert the frequency into a frequency and measure it, but all of them have slow response speeds and problems with stability. Therefore, the method of eliminating errors caused by temperature changes by using a single ultrasonic transmission path has not been fully put into practical use.
Only a method in which the transmission direction is reversed every cycle has been put into practical use. The present invention aims to solve the above-mentioned difficulties in the alternating reversal method of a single ultrasonic signal transmission path, and to provide an ultrasonic flowmeter with good accuracy, response speed, and temperature stability.

この発明の方式による超音波流量計は上記の他に、流体
中の泡や異物による超音波信号の欠損に対して安定であ
り、設置寸法精度の要求もゆるやかであり、構成が簡単
であるため、コストおよび信頼性の点でも改善されてい
る。以下に図に参照して、本発明の詳細な内容を説明す
る。第1図は本発明の方式による超音波流量計の一実施
例の構成を示す。
In addition to the above, the ultrasonic flowmeter according to the method of this invention is stable against loss of ultrasonic signals due to bubbles or foreign objects in the fluid, has loose requirements for installation dimensional accuracy, and has a simple configuration. , improvements have also been made in terms of cost and reliability. The detailed contents of the present invention will be explained below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the method of the present invention.

図において、1は被測定流体の流れる配管、2,3は夫
々配管1に対して互いに斜めに対向するように配管1に
装着され超音波を受信発信する超音波受発信素子(以下
、適宜単に受発信素子とも略記する。)、4は回路系統
のマスタコントローラ、5,6は超音波受発信素子2,
3を励振するパルス発生器、7,8は超音波受信信号の
増巾器、9,10は増巾された超音波受信信号に対する
波高選別器、11,12は波高選別器9,10の制御回
路、13,14はランプ信号発生器、15,16はサン
プルホールド回路、17はランプ信号発生器、18はラ
ンプ信号発生器17の制御回路、19はサンプルホール
ド回路、20は減算器、21,22はローパスフイルタ
、23は2乗回路、24は除算器である。次に第1図に
示した実施例の動作について第2図を用いて説明する。
第2図は、第1図に示した実施例の各部の動作を説明す
るタイムチヤートである。超音波受発信素子2,3は、
配管1に対して斜めで、互に対向する位置に取付けられ
ているので受発信素子2から受発信素子3へ向かう超音
波信号Sgは、受発信素子3から受発信素子2へ向かう
超音波信号Sgよりも伝達時間が短かく、この時間差は
流体の流速に比例する。一方、マスタコントローラ4の
出力信号MSTRは%に分周されて信号φA,φB(=
φA)となり、超音波発信用パルス発生器5,6をトリ
ガする。従つてパルス発生器5,6は、信号MSTRの
1サイクル毎に交互にトリガされる。尚、信号MSTR
を発生する発生器は、非安定マルチバイブレータで構成
できる。また、クロツク発振器とプリセツトカウンタと
を組合わせても構成できる。ただし、いずれの場合でも
、゛1゛および゛0゛の各半周期を細かく調整できるこ
とが必要である。信号φAがトリガされるサイクルに於
ては、パルス発生器5がトリガされ、その出力パルスが
超音波受発信素子3を励振して、超音波信号Sgを流体
中に発信する。
In the figure, 1 is a pipe through which the fluid to be measured flows, and 2 and 3 are ultrasonic receiving and transmitting elements (hereinafter simply referred to as appropriate) that are attached to the pipe 1 so as to face diagonally to the pipe 1 and receive and transmit ultrasonic waves. ), 4 is the master controller of the circuit system, 5 and 6 are ultrasonic receiving and transmitting elements 2,
3 is a pulse generator that excites the ultrasonic reception signal, 7 and 8 are amplifiers for the ultrasonic reception signal, 9 and 10 are pulse height selectors for the amplified ultrasonic reception signal, and 11 and 12 are controls for the pulse height selection devices 9 and 10. circuits, 13 and 14 are ramp signal generators, 15 and 16 are sample and hold circuits, 17 is a ramp signal generator, 18 is a control circuit for the ramp signal generator 17, 19 is a sample and hold circuit, 20 is a subtracter, 21, 22 is a low-pass filter, 23 is a squaring circuit, and 24 is a divider. Next, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be explained using FIG. 2.
FIG. 2 is a time chart illustrating the operation of each part of the embodiment shown in FIG. The ultrasonic receiving and transmitting elements 2 and 3 are
Since they are installed diagonally with respect to the piping 1 and at positions facing each other, the ultrasonic signal Sg directed from the receiving/transmitting element 2 to the receiving/transmitting element 3 is the ultrasonic signal directed from the receiving/transmitting element 3 to the receiving/transmitting element 2. The transmission time is shorter than Sg, and this time difference is proportional to the fluid flow rate. On the other hand, the output signal MSTR of the master controller 4 is divided into % and the signals φA, φB (=
φA), which triggers the ultrasonic transmission pulse generators 5 and 6. The pulse generators 5, 6 are therefore triggered alternately every cycle of the signal MSTR. Furthermore, the signal MSTR
The generator that generates can be composed of an astable multivibrator. It can also be configured by combining a clock oscillator and a preset counter. However, in either case, it is necessary to be able to finely adjust each half period of ``1'' and ``0''. In the cycle in which the signal φA is triggered, the pulse generator 5 is triggered, and its output pulse excites the ultrasonic transceiver element 3 to transmit an ultrasonic signal Sg into the fluid.

この超音波信号Sgは超音波受発信素子2に到達し、こ
の受発信素子2は受信信号を発生する。受信信号は増巾
器7で増巾され、波高選別器9で雑音と分離される。波
高選別器9は、入力信号が予かじめ設定されたしきい電
圧をこえた時に、出力パルスSIG−Aを発生する。こ
の信号φAの立ち上がりの時点に発せられた超音波信号
Sgと、この超音波信号Sgが受信されて波高選別器9
から発せられる出力パルスSIG−Aとの対応関係を第
2図中に破線矢印で示してある。超音波信号は、減衰振
動波形であることが多いので、ここに用いる波高選別器
9,10は後続するパルスに応答しない様に、出力信号
を発生した後、一定の期間だけ出力を停止する機能を有
することが望ましい。
This ultrasonic signal Sg reaches the ultrasonic receiving/transmitting element 2, and this receiving/transmitting element 2 generates a receiving signal. The received signal is amplified by an amplifier 7 and separated from noise by a pulse height selector 9. The pulse height selector 9 generates an output pulse SIG-A when the input signal exceeds a preset threshold voltage. The ultrasonic signal Sg emitted at the rising edge of the signal φA and the wave height selector 9 receive the ultrasonic signal Sg.
The correspondence relationship with the output pulse SIG-A emitted from the output pulse SIG-A is shown in FIG. 2 by a broken line arrow. Since ultrasonic signals often have a damped vibration waveform, the wave height selectors 9 and 10 used here have a function of stopping output for a certain period of time after generating an output signal so as not to respond to subsequent pulses. It is desirable to have

更に波高選別器9が、不要な雑音パルスに応答すること
を防ぐために、入力信号に応答し得る期間を制限する。
この制限は次の様にして行われる。すなわち、信号MS
TRは出力が゛1゛の半サイクルの終りに信号φGTを
トリガする。この信号φGTは、超音波信号Sgの到着
が予想される時刻を含む最小の期間に発生する様にする
。更に制御回路11で信号φAと信号φGTの積(アン
ド)を作り、これを波高選別器9に対するエネーブル信
号SIG−ENAとする。従つて波高選別器9は、信号
φGTが存在し、且つ超音波受発振素子3が励振される
サイクルである時にだけ、入力信号に応答する。又、ラ
ンプ信号発生器13は信号φGTの立ち上がりでトリガ
されてランプ信号を発生し、信号φRESでりセツトさ
れる。この信号φRESは、信号φGTの終りでトリガ
される。ランプ信号は、上昇期間の途中で、波高選別器
9からの出力信号SIG−Aをストツプ信号として受け
ることにより、上昇が所定期間だけ中断される。一方、
この信号SIG−Aは、サンプルホールド回路15に対
するサンプルストローブ信号ともなり、上昇の中断して
いるランプ回路13の出力信号をサンプリングし、次回
の信号SIG−Aが発生すれまでの期間ランプ回路13
のその出力信号をホールドする。ランプ信号発生器13
の出力信号の上昇を、信号SIG−Aの期間中断する理
由は、サンプリングを容易にし、サンプリング精度を向
上させるためであるが、省略してもよい。ランプ信号か
らサンプリングされた信号の電圧は、つまりサンプルホ
ールド回路15からの出力電圧△TAは信号φGTの立
上り時刻と超音波信号SIG−Aの発生時刻との間の時
間に比例する。この時間は、超音波信号Sgの受発信素
子2から受発信素子3への伝達時間TAから、信号MS
TRの“1゛の期間TMSTRを差引いたものである。
+ 信号MSTRの次のサイクルには、信号φBがパルス発
生器6をトリガし、超音波受発信素子2が励振される。
Furthermore, in order to prevent the pulse height selector 9 from responding to unnecessary noise pulses, the period during which it can respond to the input signal is limited.
This restriction is performed as follows. That is, the signal MS
TR triggers the signal φGT at the end of the half cycle when the output is "1". This signal φGT is generated during the minimum period including the expected arrival time of the ultrasound signal Sg. Further, the control circuit 11 generates a product (AND) of the signal φA and the signal φGT, and uses this as an enable signal SIG-ENA for the pulse height selector 9. Therefore, the pulse height selector 9 responds to the input signal only when the signal φGT is present and the ultrasonic wave receiving/oscillating element 3 is excited. Further, the ramp signal generator 13 is triggered by the rising edge of the signal φGT to generate a ramp signal, and is reset by the signal φRES. This signal φRES is triggered at the end of signal φGT. The rise of the ramp signal is interrupted for a predetermined period by receiving the output signal SIG-A from the pulse height selector 9 as a stop signal in the middle of the rise period. on the other hand,
This signal SIG-A also serves as a sample strobe signal to the sample and hold circuit 15, and samples the output signal of the ramp circuit 13 whose rise is interrupted, and waits until the next signal SIG-A is generated.
hold that output signal. Ramp signal generator 13
The reason for interrupting the rise of the output signal during the period of signal SIG-A is to facilitate sampling and improve sampling accuracy, but this may be omitted. The voltage of the signal sampled from the ramp signal, that is, the output voltage ΔTA from the sample-and-hold circuit 15, is proportional to the time between the rise time of the signal φGT and the generation time of the ultrasonic signal SIG-A. This time is calculated from the transmission time TA of the ultrasonic signal Sg from the transmitting/receiving element 2 to the transmitting/receiving element 3,
It is obtained by subtracting the "1" period TMSTR of TR.
+ In the next cycle of the signal MSTR, the signal φB triggers the pulse generator 6, and the ultrasonic transceiver element 2 is excited.

以後はφAがトリガを行うサイクルについての前述のプ
ロセスと同様に増巾器8、波高選別器10、制御回路1
2、ランプ信号発生器14、サンプルホールド回路16
が作動し、サンプルホールド回路16の出力電圧ΔTB
は、信号φGTの発生時刻と信号SIG−Bの発生時刻
との差(TB−TMSR)に比例する。ここで+ランプ
信号発生器14を省略して、ランプ信号発生器13を共
用してもよい。
Thereafter, the amplifier 8, pulse height selector 10, and control circuit 1 are connected in the same way as the above-mentioned process for the cycle in which φA triggers.
2, ramp signal generator 14, sample hold circuit 16
is activated, and the output voltage ΔTB of the sample hold circuit 16
is proportional to the difference (TB-TMSR) between the generation time of the signal φGT and the generation time of the signal SIG-B. Here, the ramp signal generator 14 may be omitted and the ramp signal generator 13 may be used in common.

減算器20は、サンプルホールド回路15および16の
出力電圧の差(ΔTA−ΔTB)を出力として与える。
Subtractor 20 provides the difference (ΔTA−ΔTB) between the output voltages of sample and hold circuits 15 and 16 as an output.

従つて、この出力電圧は、超音波信号Sgが流体の流れ
に順行する場合と逆行する場合の伝達時間の差に比例し
ており、流体の流速に比例するものである。信号MST
R(7)1F′の期間サンプルホールド回路15および
16の出力に共通に含まれているので、減算によつて相
殺され、測定精度に影響を与えない。従つて信号MST
Rの発生器は、簡単な非安定マルチバイブレータで構成
できる。信号SIG−A,SIG一Bは流体中の泡や異
物等の障害によつて欠損することがあるが、その場合は
サンプルホールド回路が前回のホールド電圧をそのまま
ホールドするので、出力信号が乱れることはない。信号
φGTは、前述の様に雑音対策として用いられているが
、時間測定の面では、測定レンジを短縮し、時間測定の
精度を改善するはたらきをしている。信号φGTの立上
り時刻を信号SIG−A,SIHの直前に設定すること
により、時間測定のレンジを2桁程度短縮することがで
き、測定精度もその程度だけ低くてもよいことになる。
従つてランプ信号発生器とサンプルホールド回路による
簡単な時間測定手段で十分な測定精度が得られる。口ー
パスフイルタ22は減算器20の出力電圧を乎滑化し、
動揺を減少させるためのものであるが、省略できる場合
もある。ランプ信号発生器17は、制御回路18によつ
て制御され、信号MSTRの゛1゛の期間及び信号φG
Tの存在する期間にわたつてランプ信号を発生し、信号
φRESでりセツトされる。
Therefore, this output voltage is proportional to the difference in propagation time when the ultrasonic signal Sg travels forward and backward to the flow of the fluid, and is proportional to the flow rate of the fluid. Signal MST
Since the period R(7)1F' is included in common in the outputs of the sample and hold circuits 15 and 16, it is canceled out by subtraction and does not affect measurement accuracy. Therefore the signal MST
The generator of R can be constructed from a simple astable multivibrator. Signals SIG-A and SIG-B may be lost due to disturbances such as bubbles or foreign objects in the fluid, but in that case, the sample and hold circuit will hold the previous hold voltage as it is, so the output signal will not be disturbed. There isn't. The signal φGT is used as a noise countermeasure as described above, but in terms of time measurement, it serves to shorten the measurement range and improve the accuracy of time measurement. By setting the rise time of the signal φGT immediately before the signals SIG-A and SIH, the time measurement range can be shortened by about two orders of magnitude, and the measurement accuracy can also be lowered by that much.
Therefore, sufficient measurement accuracy can be obtained with a simple time measurement means using a ramp signal generator and a sample-and-hold circuit. The pass filter 22 smooths the output voltage of the subtracter 20,
This is intended to reduce agitation, but may be omitted in some cases. The ramp signal generator 17 is controlled by a control circuit 18, and is controlled by a period of 1 of the signal MSTR and a signal φG.
A ramp signal is generated over the period when T exists, and is reset by the signal φRES.

サンプルホールド回路19はランプ信号発生器17の出
力信号を、信号SIG−AまたはSIG−Bの時刻にサ
ンプリングし、次のサイクルの信号SIG一AまたはS
IG−Bの時刻までそのサンプリングした値をホールド
する。サンプルホールド回路19の出力電圧は、超音波
信号Sgの流体中の伝達時間に比例し、信号MSTRの
1サイクル毎に順方向および逆方向の伝達時間を交互に
サンプルホールドする。ローパスフイルタ21は、サン
プルホールド回路19の出力電圧の時間平均値を与える
が、省略できる場合もある。ローパスフイルタ21の出
力電圧は、順方向および逆方向の伝達時間の平均値であ
るため、流速には殆んど関係しないが、流体の温度変化
による音速の変化に追従して変わり、ローパスフイルタ
22の時間差信号の温度補正に使われる。温度補正は除
算器24によつてローパスフイルタ22の出力電圧を2
乗回路23の出力電圧で除して行われる。この関係を以
下に説明する。いま、配管1の直径をD、起音波信号経
路の配管軸に対する角度をθ、流体の流速をV、ローパ
スフイルタ22、2乗回路23の出力を夫々,2,V2
3、逆行および順行伝達時間を夫々TA,TBまた流体
中の音速をCとすると次式の関係がある。
The sample hold circuit 19 samples the output signal of the ramp signal generator 17 at the time of the signal SIG-A or SIG-B, and samples the output signal of the ramp signal generator 17 at the time of the signal SIG-A or SIG-B for the next cycle.
The sampled value is held until the time of IG-B. The output voltage of the sample and hold circuit 19 is proportional to the transmission time of the ultrasonic signal Sg in the fluid, and the forward and reverse transmission times are alternately sampled and held every cycle of the signal MSTR. The low-pass filter 21 provides a time average value of the output voltage of the sample-and-hold circuit 19, but may be omitted in some cases. The output voltage of the low-pass filter 21 is the average value of the transmission time in the forward direction and the reverse direction, so it has little relation to the flow velocity, but it changes to follow the change in the sound speed due to the temperature change of the fluid, and the output voltage of the low-pass filter 22 It is used for temperature correction of the time difference signal. For temperature correction, divider 24 divides the output voltage of low-pass filter 22 by 2.
This is done by dividing by the output voltage of the multiplication circuit 23. This relationship will be explained below. Now, the diameter of the pipe 1 is D, the angle of the sound wave signal path with respect to the pipe axis is θ, the flow velocity of the fluid is V, and the outputs of the low-pass filter 22 and the square circuit 23 are 2 and V2, respectively.
3. Let TA and TB be the retrograde and antegrade propagation times, respectively, and C be the sound velocity in the fluid.

22,V23はともに音速Cに依存していて温度変化を
するが、両者の比をとることによつて温度変化が消去で
きる。
22 and V23 both depend on the speed of sound C and change with temperature, but by taking the ratio of the two, the temperature change can be eliminated.

2乗回路23は、入力信号の変化の範囲がせまいので直
線増巾器を用いた接線近似を行つてもよく、またランプ
信号発生器の出力をサンプリングする代りに、期間TA
,TBにわたる積分におきかえても良い。
Since the range of change in the input signal is narrow, the squaring circuit 23 may perform tangential approximation using a linear amplifier, and instead of sampling the output of the ramp signal generator, the period TA
, TB may be replaced.

ランプ信号を積分すればTA2,TB2が得られるので
、式(2)の近似として一(TA2s4+TB2)を用
いてもよい。
Since TA2 and TB2 can be obtained by integrating the ramp signal, one (TA2s4+TB2) may be used as an approximation of equation (2).

ここでは超音波伝達経路の構造物内を超音波信号Sgが
伝達に要するその伝達時間を無視して説明したが、それ
を考慮した場合の温度補正量の修正は、23の修正によ
つて可能である。サンプルホールド回路19に於て超音
波信号SIG−A,SIG−Bが流体中の泡等によつて
欠損した場合は、サンプリングによるTA,TBの切替
が一時的に停止することになるが、TAとTBは殆んど
等しいのでサンプルホールド回路19への影響はわずか
である。従つて超音波信号の欠損に対しては、3つのサ
ンプルホールド回路15,16および19のすべてが安
定であり、泡や異物等の障害に対して安定な出力が得ら
れる。このようにして得られた流速値(或いは流速相当
値)に既知量を乗じて換算すれば流量を求めることがで
きる。
Here, the explanation has been made by ignoring the transmission time required for the ultrasonic signal Sg to propagate through the structure of the ultrasonic transmission path, but the temperature correction amount can be corrected by the correction in 23 when taking this into consideration. It is. If the ultrasonic signals SIG-A and SIG-B are lost in the sample hold circuit 19 due to bubbles in the fluid, switching between TA and TB by sampling will be temporarily stopped. Since and TB are almost equal, the influence on the sample and hold circuit 19 is slight. Therefore, all three sample hold circuits 15, 16 and 19 are stable against defects in the ultrasonic signal, and stable outputs can be obtained against obstacles such as bubbles and foreign objects. The flow rate can be determined by multiplying the flow velocity value (or flow velocity equivalent value) thus obtained by a known quantity.

第3図に示すものは、この発明の他の実施例で、同図に
おいて、第1図と同一符号は第1図のものと同一又は相
当部分を示しているにつき符号の説明は適宜省略する。
What is shown in FIG. 3 is another embodiment of the present invention, and in the same figure, the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts as in FIG. .

第3図に示す例では、第1図におけるランプ回路17、
制御回路18、サンプルホールド回路19の代りに加算
器25を用いている。
In the example shown in FIG. 3, the lamp circuit 17 in FIG.
An adder 25 is used in place of the control circuit 18 and sample hold circuit 19.

ここで加算器25について説明すると、この加算器25
にはサンプルホールド回路15,16からの各出力が入
力され、更に、後にも述べるように信号MTSRを入力
として受け、この加算器+25の出力はローパスフイル
タ21に導かれローパスフイルタ21により平均化され
るように構成されている。
Now, to explain the adder 25, this adder 25
The outputs from the sample and hold circuits 15 and 16 are inputted to the adder +25, and as described later, the signal MTSR is also inputted. It is configured to

次にこのように構成されたものの動作を第4図に従つて
説明する。
Next, the operation of the device constructed as described above will be explained with reference to FIG.

受発信素子2,3からサンプルホールド回路15,16
に到るまでは前記第1図に示したものと同様に動作につ
き、その部分の説明は省略する。サンプルホールド回路
15,16からの各出力ΔTA,ΔTBに基いて加算器
25は、超音波信号の順方向および逆方向の伝達時間の
平均値を算出する。
Sample and hold circuits 15 and 16 from the receiving and transmitting elements 2 and 3
Up to this point, the operation is the same as that shown in FIG. 1, and the explanation of that part will be omitted. Based on the respective outputs ΔTA and ΔTB from the sample and hold circuits 15 and 16, the adder 25 calculates the average value of the forward and reverse transmission times of the ultrasonic signal.

今、順、逆両方向の伝達時間を夫々TB,TA、信号φ
MSTRの゛1゛の期間をTMSTRとするとサンプル
ホールド回路15,+16の出力ΔTA,ΔTBは夫々
次式で表わされる。
Now, the forward and reverse transmission times are TB and TA, respectively, and the signal φ
When the period "1" of MSTR is TMSTR, the outputs .DELTA.TA and .DELTA.TB of the sample and hold circuits 15 and +16 are expressed by the following equations, respectively.

加算器25の入出力関係は次式で表わされる。The input/output relationship of the adder 25 is expressed by the following equation.

加算器25の入力としてのTMSTRは、信+号φMS
TRの6F゛の期間に時間一電圧換算係数を乗じたもの
を、可変定電圧源(図示していない)から与える。
TMSTR as an input of the adder 25 receives the signal φMS
A value obtained by multiplying the 6F period of TR by a time-voltage conversion factor is provided from a variable constant voltage source (not shown).

第3図において、第1図と同様にローパスフイルタ21
は、加算器25の出力電圧の時間平均値を与えるが、省
略できる場合もある。
In FIG. 3, similar to FIG. 1, the low pass filter 21
gives the time average value of the output voltage of the adder 25, but may be omitted in some cases.

ローパスフイルタ21の出力電圧は、順方向および逆方
向の伝達時間の平均値であるため、流速には殆んど関係
しないが、流体の温度変化による音速の変化に追従して
変わり、ローパスフイルタ22の時間差信号の温度補正
に使われる。温度補正は除算器24によつてローパスフ
イルタ22の出力電圧を2乗回路23の出力電圧で除し
て行われる。そしてこの関係は第1図に示した例と全く
同様であり、前述の関係式(1)〜(3)が成立する。
即ち、ローパスフイルタ22の出力V22と2乗回路2
3の出力V23との比を除算回路24で求めることによ
り流速Vを求めることができる。
The output voltage of the low-pass filter 21 is the average value of the transmission time in the forward direction and the reverse direction, so it has little relation to the flow velocity, but it changes to follow the change in the sound speed due to the temperature change of the fluid, and the output voltage of the low-pass filter 22 It is used for temperature correction of the time difference signal. Temperature correction is performed by dividing the output voltage of the low-pass filter 22 by the output voltage of the square circuit 23 by the divider 24. This relationship is exactly the same as the example shown in FIG. 1, and the above-mentioned relational expressions (1) to (3) hold true.
That is, the output V22 of the low-pass filter 22 and the square circuit 2
The flow velocity V can be determined by calculating the ratio between the output voltage V23 of

尚、この第3図に示す実施例において、第1図に示す実
施例と同様2乗回路23は、入力信号の変化の範囲がせ
まいので直線増巾器を用いた接線近似を行つてもよく、
またランプ信号発生器の出力をサンプリングする方法の
代りに、期間TA,TBにわたる積分におきかえても良
い。ランプ信号を積分すればTA2,TB2が得られる
ので、式(2)の近似として一(TA2+TB2)を用
いてもよい。ここでは超音波伝達経路の構造物伝達時間
を無視して説明したが、それを考慮した場合の温度補正
量の修正は、23の修正によつて可能である。上述の各
実施例ではローパスフイルタ22の出力V22とローパ
スフイルタ21の出力V2lとの除算値で流速を評価し
ているが、温度変化は少ない状況下であれば、減算器2
0の出力値又はローパスフイルタ22の出力値V22で
流速を評価してもそれなりの充分な測定精度が得られる
。尚、上述の各実施例に示した超音波受発信素子の代り
に、受信、発信用に夫々独立した2つの素子を近接して
組合わせた素子を用いてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 3, the squaring circuit 23 may perform tangential approximation using a linear amplifier because the range of change in the input signal is narrow, as in the embodiment shown in FIG. ,
Furthermore, instead of sampling the output of the ramp signal generator, integration over the periods TA and TB may be used. Since TA2 and TB2 can be obtained by integrating the ramp signal, one (TA2+TB2) may be used as an approximation of equation (2). Although the explanation has been made here by ignoring the structure transmission time of the ultrasonic transmission path, the temperature correction amount can be modified by the modification 23 when taking this into consideration. In each of the above-mentioned embodiments, the flow velocity is evaluated by dividing the output V22 of the low-pass filter 22 and the output V2l of the low-pass filter 21. However, if the temperature change is small, the subtracter 2
Even if the flow velocity is evaluated using the output value of 0 or the output value V22 of the low-pass filter 22, sufficient measurement accuracy can be obtained. In place of the ultrasonic receiving and transmitting elements shown in the above-mentioned embodiments, an element may be used in which two independent elements are closely combined for reception and transmission.

また、精度と回路技術的な負担の点で不利であるが、ラ
ンプ回路とサンプルホールド回路による時間測定手段を
、クロツク発振器とカウンタから成る時間測定手段にお
きかえることも可能である。また、ここに述べた超音波
流量計を複数台用いて、夫々の超音波信号伝達経路を流
体の流路の同一切断面上に配置し、各流量計の出力の加
重平均値を用いて、流路内の流速分布の不均一性による
誤差を減少させる使用法も適用できる。以上の説明で明
らかな様に、この発明による超音波流量計は、精度、応
答速度および温度安定度がすぐれており、設置、施工も
容易であり、泡や異物等の障害に対しても安定である。
Furthermore, although it is disadvantageous in terms of accuracy and circuit technology, it is also possible to replace the time measuring means consisting of a lamp circuit and a sample and hold circuit with a time measuring means consisting of a clock oscillator and a counter. Furthermore, using a plurality of ultrasonic flowmeters described herein, each ultrasonic signal transmission path is arranged on the same cutting plane of the fluid flow path, and the weighted average value of the output of each flowmeter is used. A method of reducing errors due to non-uniformity of flow velocity distribution within a flow path can also be applied. As is clear from the above explanation, the ultrasonic flowmeter according to the present invention has excellent accuracy, response speed, and temperature stability, is easy to install and construct, and is stable against obstacles such as bubbles and foreign objects. It is.

また従来の諸方式にくらべて構成が簡単であり、コスト
や信頼性の点でも改善されている。
Furthermore, compared to conventional systems, the structure is simpler and the cost and reliability are improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明による超音波流量計の一実施例の構
成を示すプロツクダイアグラム、第2図は、上記実施例
の各部の動作を説明するタイムチヤート、第3図は、こ
の発明による超音波流量計の他の実施例の構成を示すプ
ロツクダイアグラム、第4図は第3図に示したもの各部
の動作を説明するタイムチヤートである。 図において、2,3は超音波受発信素子、4はマスタコ
ントローラ、5,6はパルス発生器、7,8は波高選別
器、13,14,17はランプ信号発生器、15,16
,19はサンプルホールド回路、20は減算器、21,
22はローパスフイルタ、23は2乗回路、24は除算
器である。
FIG. 1 is a program diagram showing the configuration of an embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention, FIG. 2 is a time chart explaining the operation of each part of the above embodiment, and FIG. FIG. 4 is a program diagram showing the configuration of another embodiment of the ultrasonic flowmeter, and FIG. 4 is a time chart illustrating the operation of each part of the ultrasonic flowmeter shown in FIG. In the figure, 2 and 3 are ultrasonic receiving and transmitting elements, 4 is a master controller, 5 and 6 are pulse generators, 7 and 8 are wave height selectors, 13, 14, and 17 are lamp signal generators, and 15 and 16 are
, 19 is a sample hold circuit, 20 is a subtracter, 21,
22 is a low-pass filter, 23 is a squaring circuit, and 24 is a divider.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 測定対象である流体が流れる流路を介して互いに対
向するように配置され励振手段により励振された超音波
信号を発生する第1及び第2の超音波信号発信手段;こ
の第1及び第2の超音波信号発信手段に対応して設けら
れ、それらからの超音波信号を受信しその受信信号を出
力する第1及び第2の超音波信号受信手段;この第1及
び第2の超音波信号受信手段に対応して設けられそれら
からの出力信号を増巾する第1及び第2の増巾器;前記
第1の増巾器からの出力信号が入力されその値に応じて
出力を発生する第1の波高選別器と、前記励振手段の励
振に応答してランプ信号を発生する第1のランプ信号発
生手段と、前記第1の波高選別器からの出力を受けて前
記第1のランプ信号発生手段からランプ信号をサンプル
ホールドする第1のサンプルホールド手段と、からなり
前記第1の超音波信号発信手段が超音波信号を発信した
時刻から該超音波信号とを前記第2の超音波信号受信手
段が受信する時刻までの信号到達時間に対応する出力信
号を発する第1の時間測定手段;前記第2の増巾器から
の出力信号が入力されその値に応じて出力を発生する第
2の波高選別器と、前記励振手段の励振に応答してラン
プ信号を発生する第2のランプ信号発生手段と、前記第
2の波高選別器からの出力を受けて前記第2のランプ信
号発生手段からのランプ信号をサンプルホールドする第
2のサンプルホールド手段と、からなり前記第2の超音
波信号発信手段が超音波信号を発信した時刻から該超音
波信号を前記第1の超音波信号受信手段が受信する時刻
までの信号到達時間に対応する出力信号を発する第2の
時間測定手段;及び前記第1及び第2の時間測定手段か
ら出力される各出力信号に基づいて所定の演算を行ない
前記流体の流速に対応する出力を発生する演算手段;を
備え、前記第1及び第2の時間測定手段は、更にそれぞ
れ、前記超音波信号を発信した時刻から同一の所定時間
を経過後、前記超音波信号の到着が予想される時刻を含
む最小の期間中、前記ランプ信号を対応する前記第1及
び第2のランプ信号発生手段から発生させる手段を含ん
でいる超音波流量計。 2 流体の流速に対応する出力を発生する演算手段は、
第1及び第2の時間測定手段から発せられる各出力信号
の差を求める減算器、及びこの減算器の出力側に設けら
れたローパスフィルタとから構成されてなることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の超音波流量計。 3 流体の流速に対応する出力を発生する演算手段は第
1及び第2の時間測定手段から発せられる各出力信号に
基いて減算を行なう減算部、第1及び第2の時間測定手
段を構成する第1及び第2の波高選別器からの出力に基
いて第1及び第2の超音波信号発生手段から対応する第
1及び第2の超音波信号手段への超音波信号到達時間の
平均値を算出する平均部、この平均部からの出力を2乗
する2乗部、及び前記減算部からの出力を前記2乗部か
らの出力で除する除算部とから構成されてなることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波流量計。 4 第1及び第2の超音波信号発生手段から対応する第
1及び第2の超音波信号手段への超音波信号到達時間の
平均値を算出する平均部は第1及び第2の超音波信号発
信手段が励振手段によりそれぞれ励振される時点に起動
されこの起動時から所定時間経過後にリセットされるラ
ンプ信号発生手段と、第1及び第2の時間測定手段を構
成する第1及び第2の波高選別器からの出力を受けて前
記ランプ信号発生手段からのランプ信号をサンプルホー
ルドするサンプルホールド手段とから構成されてなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の超音波流量
計。 5 流体の流速に対応する出力を発生する演算手段は、
第1及び第2の時間測定手段から発せられる各出力信号
に基いて減算を行なう減算部、前記第1及び第2の時間
測定手段から発せられる各出力信号及び所定値の付加信
号に基いて第1及び第2の超音波信号発信手段から対応
する第1及び第2の超音波信号受信手段への超音波信号
到達時間の平均値を算出する平均部、この平均部からの
出力を2乗する2乗部、及び前記減算部からの出力を前
記2乗部からの出力で除する除算部とから構成されてな
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
流量計。 6 平均部は第1及び第2の時間測定手段からの各出力
信号及び所定値の付加信号とを加算する加算器、及びこ
の加算器の出力側に設けられたローパスフィルタから構
成されてなることを特徴とする特許請求の範囲第5項記
載の超音波流量計。 7 第1の超音波信号発信手段と第1の超音波信号受信
手段とは一体的に構成されてなり、且つ第2の超音波信
号発信手段第2の超音波信号受信手段とは一体的に構成
されてなることを特徴とする特許請求の範囲第1項ない
し第6項のいずれかに記載の超音波流量計。 8 第1及び第2の超音波信号発信手段と対応する第1
及び第2の超音波信号受信手段とは前記第1及び第2の
超音波信号発信手段から対応する前記第1及び第2の超
音波信号受信手段に到る超音波信号の伝達経路が流体の
流路の同一切断面上に位置するように配設されてなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第7項のい
ずれかに記載の超音波流量計。
[Scope of Claims] 1. First and second ultrasonic signal transmitting means that are arranged to face each other via a flow path through which a fluid to be measured flows and generate ultrasonic signals excited by an excitation means; first and second ultrasonic signal receiving means provided corresponding to the first and second ultrasonic signal transmitting means, receiving ultrasonic signals from them and outputting the received signals; First and second amplifiers provided corresponding to the second ultrasonic signal receiving means and amplifying the output signals from them; the output signal from the first amplifier is input and the value thereof is a first pulse height separator that generates an output in response to the excitation of the excitation means; a first ramp signal generating means that generates a ramp signal in response to the excitation of the excitation means; a first sample and hold means for sampling and holding a ramp signal from the first ramp signal generating means; a first time measuring means for emitting an output signal corresponding to the signal arrival time up to the time of reception by the second ultrasonic signal receiving means; an output signal from the second amplifier is inputted and the signal is measured according to the value; a second pulse height selector that generates an output; a second ramp signal generating means that generates a ramp signal in response to excitation of the excitation means; and a second pulse height selector that receives the output from the second pulse height selector; a second sample and hold means for sample-holding the ramp signal from the second ramp signal generation means; a second time measuring means for emitting an output signal corresponding to the signal arrival time up to the time when the ultrasonic signal receiving means receives the ultrasonic signal; and based on each output signal output from the first and second time measuring means. calculation means for performing a predetermined calculation and generating an output corresponding to the flow velocity of the fluid; and the first and second time measurement means each further measure the same predetermined time from the time when the ultrasonic signal is transmitted. an ultrasonic flow rate comprising means for generating said ramp signals from corresponding said first and second ramp signal generating means during a minimum period including a time at which said ultrasound signal is expected to arrive after said ultrasonic flow rate; Total. 2. The calculation means that generates an output corresponding to the flow velocity of the fluid is
Claims characterized by comprising: a subtracter for determining the difference between each output signal emitted from the first and second time measuring means; and a low-pass filter provided on the output side of the subtracter. The ultrasonic flowmeter according to item 1. 3. The calculation means that generates an output corresponding to the flow velocity of the fluid constitutes a subtraction section that performs subtraction based on each output signal emitted from the first and second time measurement means, and the first and second time measurement means. Based on the outputs from the first and second wave height selectors, calculate the average value of the ultrasonic signal arrival times from the first and second ultrasonic signal generating means to the corresponding first and second ultrasonic signal means. It is characterized by being comprised of an averaging section that calculates, a squaring section that squares the output from the averaging section, and a division section that divides the output from the subtraction section by the output from the squaring section. An ultrasonic flowmeter according to claim 1. 4 The averaging unit that calculates the average value of the arrival times of ultrasound signals from the first and second ultrasound signal generation means to the corresponding first and second ultrasound signal means a lamp signal generating means that is activated at the time when the transmitting means is excited by the excitation means and reset after a predetermined time has elapsed from the time of activation, and first and second wave heights that constitute the first and second time measuring means. 4. The ultrasonic flowmeter according to claim 3, further comprising sample and hold means for receiving the output from the sorter and sample and holding the ramp signal from the ramp signal generation means. 5. The calculation means that generates an output corresponding to the flow velocity of the fluid is
a subtraction section that performs subtraction based on each output signal emitted from the first and second time measurement means; an averaging unit that calculates the average value of the arrival times of ultrasonic signals from the first and second ultrasonic signal transmitting means to the corresponding first and second ultrasonic signal receiving units, and squares the output from this averaging unit; 2. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, comprising: a squaring section; and a division section that divides the output from the subtraction section by the output from the squaring section. 6. The averaging section shall consist of an adder that adds each output signal from the first and second time measuring means and an additional signal of a predetermined value, and a low-pass filter provided on the output side of this adder. The ultrasonic flowmeter according to claim 5, characterized in that: 7. The first ultrasonic signal transmitting means and the first ultrasonic signal receiving means are integrally formed, and the second ultrasonic signal transmitting means and the second ultrasonic signal receiving means are integrally constituted. An ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ultrasonic flowmeter is configured as follows. 8 The first corresponding to the first and second ultrasonic signal transmitting means
and second ultrasonic signal receiving means means that the ultrasonic signal transmission path from the first and second ultrasonic signal transmitting means to the corresponding first and second ultrasonic signal receiving means is fluid. The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the ultrasonic flowmeter is arranged so as to be located on the same cutting plane of a flow path.
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