JPS5918364Y2

JPS5918364Y2 - 流速計

Info

Publication number: JPS5918364Y2
Application number: JP1976098804U
Authority: JP
Inventors: 淳一福井
Original assignee: 進和貿易株式会社
Priority date: 1976-07-24
Filing date: 1976-07-24
Publication date: 1984-05-28
Also published as: JPS5317271U

Description

【考案の詳細な説明】この考案は、送、受信素子間に定在波を生ずる低周波の
音波によって変調した超音波を巧みに利用して、粉体等
が混入した流体に対しても、流速を正確に測定しうるよ
うにした流速計に関する。

従来、ガスなどの気体、水などの液体の流体の流速を測
定するには、流路に流れ方向に一定間隔を距ててとりつ
けた、パルス送、受信素子間を、パルスが流体の内部を
通って進行する間の時間をパルスの遅れから検出して、
その流体の静止時と流動時の差から流速を計出していた
。

したがって、パルスの時間的遅れの検出後の演算操作が
著しく複雑であって、高品質のパルス波形を得るために
必要なＱの値を小さくすることが困難なため、測定精度
が悪く、瞬時値のみしか得られない等の欠点を有してい
た。

この考案は、以上の従来の欠点を全く解消した流速計で
あって、第１図の原理を示すブロックダイヤグラム、第
２図、第３図の回路図について説明する。

１は送信機であって、搬送波発振器２で発振した超音波
（たとえば２５ＫＨｚ）を、電圧制御発振器４で発振
した低周波音波（たとえば、３４０Ｈｚ）によって、
１Ｍ変調器３においてＦＭ変調して後、増幅器５によっ
て増幅して、流路１３に配設した送信素子６から流体１
４内に送信する。

流体１４内を伝ばんした超音波は、流路１３に、送信素
子６と相対して流れ方向に一定間隔を距てて配設した受
信素子８から受信機７に入力する。

そしてフィルタ９を経て、増幅器１０で増幅され、復調
器１１で復調されて、低調波（３４０Ｈ２）がとり出さ
れる。

しかるのち、位相０°の点を検出比較するＯ°比較型の
位相検波器１２に入力して、前記電圧制御発振器４から
の入力と位相を比較されて入力との位相差が検出される
。

その位相差成分を、位相ロックドループ回路を構成する
前記電圧制御発振器４にフィードバックして電圧を制御
する。

なお、電圧制御発振器４の自走周波数は、送信素子６と
受信素子８間の距離に等しい波長の音波と、はぼ同周波
数（３４０Ｈｚ）に設定しであるため、検出目標となる
低周波音波に近い周波数でのロックアツプが可能である
。

また、電圧制御発振器４がロックアツプに要する時間は
、送、受信素子６，８間の超音波伝播時間に対して十分
大に設定しであるので、電圧制御発振器４が自走周波数
と極端にかけ離れた周波数でロックアツプする不都合は
生じない。

さらに被測流体として空気の流速を計測する場合の実例
について詳述すると、送、受信素子６，８間の距離を１
ｍとすると、その間に定在する定在波の周波数は３４０
Ｈｚである。

したがって、流体１４の流速がゼロのとき送、受信素子
６，８間の伝ばん時間は１７３４０秒となる。

すなわち、周波数は３４０Ｈｚとなる。

つぎに、流速がｘｍのときは、送、受信素子６．８間の
伝ばん時間は、流れ方向が伝ばん方向と同一、すなわち
順方向の場合１／（３４０＋ｘ）秒間となる。

この場合、周波数は（３４０＋ｘ）Ｈｚとなる。つぎに
送、受信素子６，８を、スイッチ１５．１５’により切
換えて、伝ばん方向を流れ方向と逆方向にすると、送信
素子８、受信素子６間の伝ばん時間は１／（３４０−Ｘ
）秒間となり、この場合の周波数は（３４０−ｘ）Ｈｚ
となる。

そして、方向の順、逆いずれの場合も、位相ロックドル
ープ回路によって、（３４０＋Ｘ）Ｈｚ、および（
３４０−ｘ）Ｈｚにロックされているから、周波数カウ
ンタ１６によって画周波数の減算を行うことによって）
２ｘｌＨｚが得られる。

これより、流速ＸＨｚ＝ｘｍ／ｓｅｃが得られる。

なお、本実施例では、周波数カウンタ１６によって得た
流速ｘｍ／ｓｅｃに対応した１２ＸＩＨ，の信号は、基
準時間発振器１７によって生成されたクロックパルスに
より、エンコーダ１８にて２進化１０進符号のパルス列
に変換される。

エンコーダ１８からの信号はデコーダ１９にて計測結果
モニタ用デジタル出力に変換される。

ここで、本実施例では、送、受信素子６，８間に１サイ
クルの超音波を定在させるため、電圧制御発振器４が送
、受信素子６，８間の距離に等しい長さの波長をもつ低
周波音波信号をＦＭ変調器３に供給する構成としている
から、従来の超音波パルスを用いるパルス変調方式のよ
うな、１パルス中に１０ないし２０の波形が存在する信
号の時間比較と異なり、変調波と復調波の比較が、連続
波による位相の比較でよいため、Ｑの低い素子を用いて
も十分な分解能をもった高精度の計測が可能である。

また送、受信素子６，８間に定在する超音波の変調周波
数を低くしたことにより、パルス変調方式の場合と異な
り、分解能をおとすことなく搬送波発振器２の発振周波
数を下げることができる。

従って、本実施例の如＜、２５ＫＨｚ程度の超音波
における低域の周波数を用いることが可能であり、空気
温度が１５℃のときの音速が３４０ｍ／ｓｅｃであると
すれば、搬送波の波長λは、３．４ｘ１０５／２．５ｘ
１０４＝１３．６ｍｍとなる。

このため、直径１３．６ｍｍの塵埃を含む空気の流速を
計測する場合であっても、一方の素子６又は８から送信
された超音波は、塵埃に遮断されることなく、他方の素
子６又は８に到達する。

このことは、従来のパルス変調方式にみられる１Ｍ＋の
高周波の超音波を用いる場合には、波長が０．３４ｍｍ
となり、直径が０．３４ｍｍを超える塵埃を含む空気の
流速には適さないことを考慮すれば、その差の著しいこ
とが明らかである。

また、この差があるために、従来のパルス変調方式では
計測誤差の伴なう計測対象、例えばボイラの排煙等の流
速を計測するにも、きわめて精度の高い計測が可能とな
る。

また、低域周波数帯の搬送波を使用できるので、送信さ
れた超音波が受信されるまでに生ずるエネルギの減衰は
少なく、これにより大口径の流量計に適用することも可
能である。

さらにまた、定在波に対する変調周波数の位相差を検出
し、位相ロックドループ回路を用いて流速を計測するよ
うにしているため、超音波の伝播時間を監視して時間差
から流速を測定する従来のパルス方式の如く、温度測定
回路や温度補正回路を必要とせず、装置構成が簡略化さ
れる。

このように、この考案の流速計は、瞬時値のみでなく、
定常的に正確、かつ容易に流速を測定できるとともに、
流体１４に多少の固体、あるいは粉体などが混入してい
ても正確度は全く変らない卓効を有する。

以上この考案について、送、受信素子６，８間に該素子
６，８間の距離に等しい波長をもつ定在波が生ずる場合
について説明したが、位相検波器１２の一方の入力端子
に遅延回路を挿入し、位相０℃と９０℃の点を検出比較
する９０°比較型の位相検波器とすることにより、送、
受信素子６，８間に素子間距離の整数倍の長さをもつ定
在波を存在させることができる。

その場合、電圧制御発振器４の自走周波数が目的周波数
に近い周波数となるように回路定数を選定し、かつロッ
クアツプに要する時間を、送、受信素子６，８間の超音
波伝播時間に対して十分大に設定しなければならないの
は勿論であるが、変調信号を低周波にすればするほど、
送、受信素子６，８間には、１波長の数分の１の波長の
定在波しか存在しないようになるので、位相ロックドル
ープ回路の電源投入時、或いは雑音混入時等にみられる
位相のゆらぎにもとづく同期ずれを極力抑えることがで
き、これにより、安定した流量３す測が可能である。

また、流体１４の流れ方向と送、受信素子を結ぶ方向が
角度を有するときは、適宜係数をがけることによって正
確な値を得ることができ、さらにまた、得た流速の値に
流路１３の断面積をがけることによって流量を得ること
ができる。

さらにまた、被測流体としては空気等の気体に限らず、
水等の液体でもよく、水の場合、送、受信素子６，８間
の距離を１ｍとすれば変調周波数として、例えば水温１
０℃における水中音速（１４２４ｍ／５ｅｃ）に合わせ
１４２４Ｈｚの変調周波数を用いれはよい。

以上説明したように、この考案の流速計によれば、送、
受信素子どうしの距離に等しいか又はこの整数倍の長さ
の波長をもつ低周波音波信号を、この低周波音波信号と
ほぼ同周波数の自走周波数を有する電圧制御発振器から
、変調信号としてＦＭ変調器に供給するので、従来の超
音波パルスを用いるパルス変調方式のような、１パルス
中にＩＯないし２０の波形が存在する信号の時間比較と
異なり、変調波と復調波の比較が連続波による位相の比
較でよいため、Ｑの低い素子を用いても十分な分解能を
もった高精度の計測が可能であり、また変調信号として
低周波音波信号を用いたことにより、分解能をおとすこ
となく搬送波の周波数を下げることができ、これにより
、搬送波として波長の大なるものが得られるため、被測
流体中に含まれる塵埃等の許容径を大となし得、溶体等
の混入した流体の流速を正確に計測することができ、ま
た搬送波の周波数が低いから、一方の素子がら送信され
た超音波が他方の素子に到達するまでに生ずるエネルギ
の減衰は少なく、これにより、大口径の流量計に適用す
ることができさらにまた、定在波に対する変調周波数
の位相差を検出し、位相ロックドループ回路を用いて流
速を計測するようにしているため、超音波の伝播時間を
監視して時間差から流速を測定する従来のパルス方式の
如く、温度測定回路や温度補正回路を必要とせず、装置
構成が簡単化され、しかも、送、受信素子間には最大１
波長をわずかに越える波長の定在波しが存在せず、例え
ば、位相検波器の位相比較点を遅延回路にてずらし変調
信号を低周波にすればするほど、１波長の数分の１の波
長の定在波しか存在しないようになるので、位相ロック
ドループ回路の電源投入時、或いは雑音混入時等にみら
れる位相のゆらぎにもとづく同期ずれを、極力抑えるこ
とができ、これにより、安定した流量計測が可能である
等の数々の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の原理を示すブロックダイヤグラム、
第２図はこの考案の送受信機の回路図、第３図はこの考
案の位相ロックドループ回路の回路図である。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

被測流体の流路中に所定間隔離間させて対向配置され、
超音波信号を送信又は受信する一対の素子と、所定周波
数の搬送波を低周波音波信号によりＦＭ変調し、得られ
た超音波信号を前記一対の素子のうちの一方の素子に供
給するＦＭ変調器と、前記一対の素子間の距離と同−又
はその整数倍の波長をもつ音波とほぼ同周波数の自走周
波数を有し、前記ＦＭ変調器に対し入力信号に応じた低
周波音波信号を供給する電圧制御発振器と、他方の素子
が前記一方の素子から受信した超音波信号を復調し、低
周波音波信号を取り出す復調器と、該復調器の出力と前
記電圧制御発振器の出力とを入力とし、該両人力の位相
差に応した出力を該電圧制御発振器の入力とする位相検
波器と、前記電圧制御発振器の出力発振周波数を計数す
る周波数カウンタと、前記一対の素子のＦＭ変調器と復
調器に対する接続を送受信関係が入れ替わるよう切り換
えるスイッチとから構成してなる流量計。