JPS5918643B2 - 流速測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一定の流体流路に沿つて相互に反対方向に伝
播する圧力波パルスの伝播時間を比較することにより流
速を測定する装置に関する。

本発明によれば、測定すべき流速成分の方向に流体中を
伝播する圧力波パルスを出し且つ受けるように各々なさ
れている相互に隔置した第１及び第２ユニツトと、町変
周波数発振器とその町変周波数発振器の周波数から無関
係に時間期間を画定するタイミング制御装置と、そのタ
イミング制岬装置に制即して動作して、上記圧力波パル
スを上記第１ユ上ツトから第２ユニツトへ送くりまた別
に上記第２ユニツトから第１ユニツトへと送くる手段と
、圧力波が上記第１ユニツトから第２ユニツトへと伝播
するに要する第１の時間間隔中に振動数又はパルス数Ｎ
１の振動又はパルスを発生しそして圧力波が上記第２ユ
ニツトから上記第１ユニツトへと伝播するに要する第２
の時間間隔中に振動数又はパルス数Ｎ２の振動又はパル
スを発生するよう上記町変周波数発振器の周波数を制−
する制岬手段と、上記第１及び第２の時間間隔に発生し
た振動又はパルスの周波数の差を示す比較器とを備えて
いる流体流の速度またはその速度成分を測定するための
装置が提供される。この装置においては、振動又はパル
ス数Ｎｌ，Ｎ２の関係は、Ｎ，−Ｎ２＝Ｎであることが
好ましい。本発明によれば更に、流定すべき流速成分の
方向に流体中を伝播する圧力波パルスを送り且受けるよ
うに各々なされている相互に隔置した第１及び第２ユニ
ツトと、第１及び第２町変周波数発振器と、それら第１
及び第２の可変周波数発振器の周波数から無関係に時間
間隔を画定するタイミング制御装置と、そのタイミング
制御装置に制御されて動作して、上記圧力波を上記第１
ユニツトから第２ユニツトへと伝播させる手段と、該圧
力波が第１ユニツトから第２ユニツトへと伝播するに要
する時間間隔中に振動数又はパルスＮ１の振動又はパル
スを発生するよう上記第１ＰＩ変周波数発振器を制岬す
る第１制御手段と、圧力波を上記第２ユニツトから第１
ユニツトへと伝播させる手段と、該圧力波が上記第２ユ
ニツトから第１ユニツトへと伝播するに要する時間間隔
中に振動数又はパルスＮ２の振動又はパルスを発生する
ように上記第２町変周波数発振器を制御する制岬手段と
、上記第１の及び第２の可変周波数発振器間の周波数差
を示す比較器とから成る流体流の速度またはその速度成
分を測定するための装置が提供される。

この場合も振動又は周波数Ｎ，，Ｎ２の関係はＮ１＝Ｎ
２＝Ｎであることが好ましい。通常、上記各制岬装置は
、その付属可変周波数発振器のＮ番目の振動又はノカレ
スが関連時間間隔の終りを示す信号の前に出るか後に出
るかを示す手段と、上記Ｎ番目の振動又はパルスがそσ
関連する時間間隔の終りを示す上記信号の前に出るか後
に出るかによつて町変周波数発振器の周波数を個々に増
減するために誤信号を発生するための手段とを有してい
る。

本発明による一つの装置に於いて、各制御装置は、設定
値によつてその町変周波数発振器の周波数を変えるよう
に作動する。

従つて、この制岬装置は、ある現象の発生と振動数又は
パルス数Ｎの振動またはパルスの完了とが一致するまで
数時間間隔を要することになる。即ち、この装置は、連
続する現象の間の時間間隔内の弓＼さい変動を平均化す
る傾向はあるが、その時間間隔での急速な大きな変動を
追従することは出来ない。またこの装置においては、初
期値を設定する際に発散度が大きいと、パルスＮとの一
致を得るまでに非常に長時間を要する。

そこでこの問題を解決するために、制御手段の各作動ご
とに周波数変動の大きさを一時的に調整するための手段
を設ける。この装置は、パルスＮとの一致が得られる所
で、所望の精度を与えるよう設計した通常の設定状態に
戻る．以下に添付図面に基づいて本発明を実施した特定
な構成の装置を詳細に説明する。

英国特許第１２８５１７５号明細書には、流体の速度に
比例する周波数の出力を出す流量計が記載されている。

この出力の周波数は、６上流１および１下流１シンク・
アラウンド（Ｓｉｎｇ一ＡｒＯｕｎｄ） ・パルス列の
周波数の差Ｆｄである。このシンク・アラウンド・パル
ス列とは、あるパルスが受信器に受信された時、送信器
を再びトリガすることによつて発生されるパルス列のこ
とである。上流（流れに逆らつた場 １Ｃ−Ｖ 合の）パルス列の周波数・・・・・・ｆ１＝７一〒下流
（流れに従つた場合１ｃ十ｖ の）パルス列の周波数・・・・・・Ｆ２＝７＝７したが
つてこのような流量計での読み取りに必要な時間は、Ｆ
ｄを所定の正確さで測定するまでに要する時間である。

流速が遅い場合は読み出しに長時間要するが、これはあ
る場合には欠点となるはずである〇本発明を実施する装
置により、逓倍町変周波数発振器を使つた改良型流量計
が提供され、これにより迅速な読み出しができる。

第１図を説明すると、この図は流量計の主要部を示して
いる。

この流量計の出力は、制岬回路でＮｔＶＦＯ▲とｔ１お
よびＮｔＶＦＯ，とＴ２を比較することによつ▲
１て発振周波数が正確にＮ×
一およびＮ×−に會一 會一制岬さ
れている２つの電圧制御町変周波数発振器ＶＦＯ，及び
ＦＯ２の周波数の差となつている。

ＴＶＦＯｌお びＴＶＦＯ２は、２つの制御発振器の周
期である。出力周波数は、流速に比例する。

同一の水の速度および同一のトランスジユーサの間隔の
場合を比較すれば、本発明方法では英国特許第１２８５
１７５号明細書記載の方法の水の速度に比例する出力周
波数のＮ倍の水の速度に比例する出力周波数となるため
、読み出し時間は、Ｎ分の１となる。

Ｎは、例えば１００もしくは１０００といつた適当な数
でよい。第１図の装置では、トランスジユーサはシンク
・アラウンド（Ｓｉｎｇ−ＡｒＯｕｎｄ）されなく、ト
ランスミツタは、受信パルスによつては再トリガされな
いが、発振周期がｔ１もしくはＴ２よりも長い主発振器
からのパルスによつて再トリガされる。

本流量計の流速精度は、ｔ１とＮｔＶＦＯもしくはＴ２
とＮｔＶＦＯの間に求められる最小時間差によつて限度
内に決定される。

超音波用電気機械トランスジユーサ１および２は、流速
成分が測定される方向に沿つて流体中を伝わる圧力波パ
ルスを送くるように隔置してある。

便宜上、第１図の装置の動作では伝播方向が一方向にし
か記載してないが、これとは逆の方向も動作上は同じこ
とである。Ｌ 主発振器１１は、７より１００！：Ｉもしくは２０％適
当に長い周期の゛スタート１パルス列を発生する。

但し、Ｌは、トランスジユーサ１と２の間の距離であり
、Ｃは流体中の音の伝播速度である。

各６スタート１パルスは、この６スタート１パルスの後
に発振器ＦＯｌからパルスが出されるや否や駆動回路Ｔ
Ｘｌを介してトランスジユーサ１へトリガ・パルスを出
さしめる。その結果トランスジユーサ１からの超音波パ
ルスは、流体を通つてトランスジユーサ２に至る。論理
回路１は、トランスジユーサ２から増幅器ＲＸｌを通つ
て、受信されるパルスの到着時間と発振器ＶＦＯｌから
のＮ番目のパルスが発生する時間を比較する。

受信パルスが生じるのがＮ番目のＦＯｌパルスの発生す
る前か後かによつて、制帥回路１は発振器ＶＦＯｌへの
制岬電圧を若干変えてその発振周波数をそれぞれ高くし
たり低くしたりする。かなりの数パルスが送られた後、
Ｎ番目のＦＯｌパルスは、ついに受信パルスと一致して
１ＬｆｖＦ０ ＝Ｎ×−（ｔ１＝？）となる。

１ｔ１ｃ−ｖ 但し、Ｔ，は超音波パルスがトランスジユーサの間を伝
播するのに要する時間である。

同様にして逆の方向すなわちトランスジユーサ２からト
ランスジユーサ１への送信が為されてＦＯ２の周波数が
ＦＶＦＯ。

＝Ｎ〆！（Ｔｉ−４！：となる。この動作時の諸値は添
字が１の代わりに２となつているだけで上記の対応する
諸値と同様に説明される。周波数差回路１２には、トラ
ンスジユーサの間を流れる流体の速度に比例した周波数
を持つ出力を出す。

ストロープ１３は、各スタート・パルスに続いて、遅延
回路１４でセツトされた所定遅延時間後パルスを発生す
る。

このストロープパルスの継続時間の中に予想される受信
パルスを受ける時間が包含されるよう、このストロープ
パルスの周期を調整する。流体路中の障害物のためにこ
のストロープ時間内に受信パルスが届かない場合には、
このことが論理回路にて障害状態として検知されて、Ｖ
ＦＯの制帥電圧は変化させない。ほんの数回しか送信に
影響を与えないような一時的な障害物は許容され得るが
、恒久的な障害物は検知されて、読み出しが停止される
。第３図には、第１図のある個所が詳細に示してある。

動作は再度一方向へ送信するものとして考える。ＦＯ周
波数は正確にＮ×−てあるごυ｛Ｌ必要である。

但し、時間ｔ１は送信トランスジユーサから受信トラン
スジユーサへ超音波パルスが伝わるのに要する時間であ
る。送信トランスジユーサは、ＶＦＯパルスに一致する
時にトリガされ、Ｎ番目のＦＯパルスまでの時間と受信
トランスジユーサでパルスを受信するまでに要する時間
とが比較される。

これらのどんな時間差でも誤差電圧が生じて、この電圧
でＶＦＯ周波数を制帥する。送信が十分な回数行なわれ
るとＮ番目のＦＯパルスと受信パルスが一致するように
なる。すなわちこの時はＦｖＦｄま正確にＮ×一に等し
くなる。第３図を説明すると、動作は以下の通りである
。

主発振器１１からのスタート・パルス（第３図中にてり
セツトの印の付いているもの）はフリツプ・フロツプ１
５および１６をりセツトし、Ｎ除算カウンタ１７をりセ
ツトし、スタート・フリツプ・フロツプ１８をりセツト
する。このりセツト・パルスの終了時にＮ除算カウンタ
１７がカウントを開始する。

次のＦＯパルス（ｎ＝１）がＮ除算カウンタ１７へ送ら
れると、スタート・フリツプ・フロツプ１８がセツトさ
れ、この出力で送信駆動回路ＴＸをトリガする。

すなわち、これでＦＯパルスと同時に送信トランスジユ
ーサがトリガされる０Ｎ番目のＦＯパルス（除算カウン
タからの出力）がフリツプ・フロツプ１６をセツトする
か、それとも受信パルスＲＸがフリツプ・フロツプ１５
をセツトするかは、いずれのパルスが最初に生じるのか
で決まる。

最初にセツトされたフリツプ・フロツプは他方のフリツ
プ・フロツプを停止する。フリツプ・フロツプ１６が動
作しているか、フリツプ・フロツプ１５が動作している
かによつて、ＦＯはそれぞれ発振周波数を低くしたり、
高くしたりする制岬電圧の増分を必要とする。

フリツプ・フロツプ１５が動作する場合には、これは単
安定回路１９をトリガして導通状態にし、レベル・シフ
ト回路２１を介して積分回路２２へ出力電流が印加され
、積分回路２２の出力は正に少し増加する。

このためＦＯの制御電圧の変化して、ＦＯの周波数はわ
ずか高くなる。他方フリツプ・フロツプ１６が動作する
場合には、単安定回路２３はレベル・シフト回路２４を
介して積分回路２２へ逆極性の入力電流を供給し積分回
路２２の出力を負に少し変化させるためＦＯの周波数は
低くなる。

かなりの回数送信が行なわれた後に、ＦＯの周波数はＮ
×−の極く近くへと調節され、連続すＴ４る送信により
、反対方向の誤差が生じ、このようにしてＦＯの周波数
は、ＮＸ−の周波数よりわ番ずかに低くまた高く交互に
変化して調節される。

積分回路２２は、レベル・シフト回路２１またはレベル
シフト回路２４によつてトリガされた時充分小さな増分
を与えて、必要なレスポンス時間と装置中の他の誤差源
と両立できる最高の精度が得られるようにセツトされる
。しかしながら、最初から受信ＲＸパルスの届く時間と
Ｎ番目のＦＯパルスの時間との間にかなり広い差がある
場合には、このような少量の増分では初期設定を一致さ
せるために長い時間が費やされてしまう。このため、以
上のような場合には、積分回路２２には、大体の一致が
すぐに得られるように増分量を手動操作で増加させられ
る制岬装置が設けられている。受信ＲＸパルスとＮ番目
のＦＯパルスの間に解析され得る最小時間差は、大体６
ナノ秒であり、これで普通使用して得られるよりもずつ
と良い精度の速度が得られる。

速度測定において実際に達成される精度は回路の時間分
解能の解析によつて考えられる値よりも常に高い精度に
なる。

静止流体や定常流体においても超音波の伝播時間は常に
その平均値のまわりでゆらいでいる。このような伝播時
間のゆらぎによつてＶＦＯの周波数もその真の平均値を
中心にして上述したように交互に起きる正の誤差や負の
誤差以上に大きく振れるが、ＦＯ周波数の平均値を取る
とその真の平均値により近ずくことができる。２つのト
ランスジューサーの間に障害物があるとＲＸパルスが受
信されず、この時にはＦＯ周波数に補正は施されない。

このような障害物は誤り障害回路（図には示されていな
い）によつて検知され、この回路はフリツプ・フロツプ
１６の働きを止める。積分回路の時定数は大きく取つて
あるので、少数パルスが伝播されないことにより生じる
程度の誤りは無視できる。数個以上のパルスが伝播され
ないと、これは障害検出回路によつて認知され、障害物
が除去されるまで速度の読み取りが禁止される。第２図
に示した装置は、応答速度を少し犠性にして速度測定の
精度を向上させたものである。

この方法においても電圧制御町変周波数発振器ＦＯｌ，
ＦＯ２が用いられていて、その周波数はＮ×一、及びＮ
Ｘ−となるように制御され◆ −
＋ 一ているが、制御電圧は今度の場合、Ｍ
ｔｌとＭＮｔｖＦＯ及びＭｔ２とＭＮｔｖＦＯをそれぞ
れ比較することによつて得られる。但し、Ｍは、主発振
器からの各パルスが終つた後、各々のチヤンネルをシン
ク・アラウンドさせる回数である。この主発振器の周期
はＭｔ，又はＭｔ２よりも大きくなければならない。こ
のようにして、速度の測定速度はシンク・アラウンドさ
せずに逓倍ＶＦＯを使用しているシステム（第１図）に
比べてＭ倍だけ向上する。Ｍを適当に撰ぶことにより、
与えられた測定目的に即して、速度の測定精度と応答速
度をうまく均り合わせることができる。第１図の説明の
時のように、一方向の伝播の場合の動作を説明するだけ
に留めるのが便利である。

反対方向への伝播は全く同様に行なわれる。Ｍｂ主発振
器２５は、周期が一よりも大きなパルス列を発生する。

主発振器２５からの各々のスタートパルスはトランスミ
ツタ・駆動回路ＴＸｌを動作状態にし、このパルスの直
後にＦＯｌパルスが到達するとＴＸｌが駆動パルスをト
ランスミツタに送くるようにする。

こうして生じた超音波パルスはトランスジユーサ１から
トランスジユーサ２へと流体中を伝播する。増幅器ＲＸ
ｌの出力側に現われる受信パルスは直ちにＴＸｌを・ト
リガしてもう１つの駆動パルスをトランスジユーサ１に
送らせる。即ち、このようにして、この系はシンク・ア
ラウンドする訳である。増幅器ＲＸｌに現われるＭ回目
の受信パルスは駆動回路ＴＸｌを再トリガしないので、
シンク・アラウンドはＭ回だけ継続して終わる。この例
では、各トランスジユーサで送波と受波が同時に行なわ
なければならないことにならないようにＭの数を選らぶ
。論理回路１は、Ｍ回目の受信パルスの到着時刻と、Ｍ
ＸＮ回目のＦＯｌパルスの成起時刻とをスタート・パル
ス時間を起点として測定し、これを比較する。

即ち、Ｍｔ（５ＭＮｔｖＦ０を比較している訳である。
受信パルスがＭＮ回目のパルスより前に来るか後に来る
かに従つて制御回路１の出力電圧は少量だけ変化し、Ｆ
Ｏｌの周波数はそれぞれ増加したり減少したりする。

このようなシンク・アラウンドを繰り返しているうちに
、ＭＮ回目のＦＯｌパルスの時間は増幅器ＲＸｌからの
Ｍ回目のパルス到達時間に一致するようになる。

この時のＦＯｌ周波数は前と同様にで与えられる。

同様にしてトランスジユーサ２からトランスジユーサ１
へ向つて逆向きの音波伝播が行なわれ、この場合には水
流速度に比例する流速計出力は、これらの２つのＦＯの
周波数の差で与えられる。

第１図及び第３図に示されている回路は、この制限シン
クアラウンド法に直ちに適用できる。

装置の動作も前と大体同様であるが、主発振器のトリガ
−パルスの後でのパルスのカウント数はＭＮで割らねば
ならないという点と、フリツプ・フロツプの動作が、Ｍ
Ｎ番目のＶＦＯパルス及びＭ番目の受信パルスの後に行
なわれるという点だけが異なつている。ＦＯ周波数の所
与の誤差に対し、フリツプ・フロツプに入つてくるパル
スの時間差は、Ｔ，と 二ＮｔＶＦＯとを比較する制限
シンク・アラウンドを用いない場合に比べてＭ倍になつ
ている。

こうして流速の測定精度はＭ倍に向上する。駆動回路Ｔ
Ｘに入る各々のトリガ出力は、ストローブ・パルスを発
生する。

このパルスは遅延さ 二れており、受信パルスがこのス
トロープ継続時間内に到達するようになつている。この
ストロープ・パルスの継続期間以外の時刻ではトリガが
禁止されているが、これは誤パルスによつて誤まつて再
トリガされるような誤動作を出来るだけ回避す Ｊるた
めである。もし、トランスジユーサの間に障害物が存在
していて、ストローブ期間内に受？パルスが到着しない
場合には、ごれは誤動作（Ｆａ工１ｔ）状態であると認
識される。誤動作状態ではトリ・．ガ・パルスが発生し
て駆動回路ＴＸｌに送られ、シ とング・アラウンドは
継続させるが、ＦＯ制御電圧は変化しないようにする。
ほんの数回の音波パルスにしか影響を与えないような一
時的な障害物は誤動作状態とは見なされない。

もつと長時間にわたる障害だけが認知され、４読み出し
が禁止される。トランスジユーサはパルスを同時に受信
することはないので、第１図の増幅器ＲＸｌ，ＡＭＰ及
びＲＸ２，ＡＭＰは、１個の増幅器で間に合わせること
ができる。

適当な回路列が第５図に示されているが、これにはいく
つかの改良点が付け加えられている。第５図を見ると、
主発振器３５により、周期がＬ／Ｃより長いパルス列が
発生して、トリガ回路ＴＸｌ及びＴＸ２に送られるが、
トリガ回路ＴＸ２に送られるパルスはＴＸｌに送られる
パルスに対して時間的に少しずらしてある。

これはトランスジユーサで受信パルスと送信パルスがぶ
つからないようにするためである。主発振器３５から出
たパルスはＴＸｌ・トリガ回路を動作状態にし、ＴＸｌ
は次のＶＦＯｌパルスが到達した時駆動パルスを発生す
る。

またトリが回路ＴＸｌの出力は，Ｎ徐算カウンター３６
をｎ＝１にりセツトする。こうして発生した超音波はト
ランスジユーサ１からトランスジユーサ２へと流体中を
伝播する。

受信されたパルスは増幅器３７に送られる。正確時間基
準は、この受信パルスを基にして雰位交叉検出器３８に
よつてつくられる。これが時間測定精度を向上させる特
徴点である。雰位交叉検出器３８の出力は、切り換え式
ストローブ及びゲート３９を通つて論理回路１及び制岬
回路１に送られる。これらの回路の動作は第１図の対応
する回路のそれと同様である。こうして論理回路１は、
トランスジユーサ２から来る受信パルスの到着時間と、
ＦＯｌ発振器のＮ番目のパルスの発生時間とを比較して
いる。受信パルスがＮ番目のＶＦＯｌパルスよりも前に
来るか後に来るかに従つて制御回路１は少量の電圧変化
を発生し、ＶＦＯｌ発振器の周波数をそれぞれ増加させ
たり減少させたりする。このような音波伝播が何度か繰
り返された後、Ｎ番目のＦＯｌパルスは受信パルスと時
間が一致するようになる。主発振器３５からの信号は、
また遅延回路４１及びストローブ４２を通つて切り換え
式ストローブ及びゲート（ＳｗｉｔｃｈｅｄｓｔｒＯｂ
ｅａｎｄｇａｔｅ）３９にも送られ、これを制岬する。

遅延ストローブ信号は、受信パルスの到達予想時間の付
近以外の時間の応登を阻止し、かつスイツチを動作させ
て受信信号を論理回路１に送くるように働く。トランス
ジユーサ２からの音波伝播も、トランスジユーサ１の場
合と全く平行的に行なわれるが、・スイツチ及びゲート
３９を通つて論理回路２に送られる点だけが異つている
。ＦＯｌＯ／Ｐという記号のついている出力信号はＮｆ
ｌを表わしており、ＦＯ２Ｏ／ＰはＮｆ２を表わしてお
り、これら信号は両方共、差論理回路４３に入れられる
。

流速は差出力（Ｎｆ，−Ｎｆ２）によつて表示される。

この例においてはＮｆｌ〉Ｎｆ２であるかＮｆ，〈Ｎｆ
２であるかを示す論理出力によつて流れの方向が指示さ
れるようになつている。第１図の時と同様に積分回路は
十分長い時定数を持つており、数個のパルスが阻止され
た程度では障害動作として認知されないようになつてい
る。

受信パルスは増幅器３７から監視されており、ＲＸｌＯ
／Ｐ及びＲＸ２Ｏ／Ｐで表わされた信号は障害検出論理
回路４４に送り込まれる。この回路は、予じめセツトさ
れた最小パーセンテージ以下の数のパルスしか受信され
なかつた場合に誤動作を表示し、読み出しを禁止する。
典型的な値として、各トランスジユーサから送信された
パルス数の１０％以下のパルスしか受信されなかつた場
合に誤り検出回路が動作するようにしておくと十分であ
ることがわかつた。実際的には、全てのパルスが受信さ
れているか、それとも障害物が存在してパルスが一つも
受信されないかを判定するのが普通の方法である。河川
の流れにおいてボートが通過する場合のような一時的な
パルスの中断は一般には測定を妨げない。第２図に示し
た回路を第５図のように一台の増幅器だけで間に合うよ
うに変形するのは大変有効であろう。

前述したことから明らかなように、本発明のいずれの実
施例においても、装置全体は主発振器により制御されて
おり、その主発振器は、測定を開始するに当つてトラン
スデユーサ１と２の間の流体中の通路を超音波パルスが
伝搬するのに要する適当な時間よりも約１０（ｆｌ）若
しくは２０％ほど長い一定の周期を有するように設定さ
れる。

これらのトランスデユーサのうち送信側トランスデユー
サ、すなわちトランスミツタがトリガされる正確な時刻
は、主発振器からのパルス（６スタートJ■■パルスと
一致するように調整されている。超音波パルスが上記流
体通路を伝搬して受信されると、その受信の時が町変周
波数発振器からのＮ番目のパルスと比較される。次のシ
ーケンスにおいて、町変周波数発振器からのＮ番目のパ
ルス発生の時が超音波パルス受信の時と一致する点にさ
らに近ずくように、町変周波数発振器の周波数に一定の
段階的変更が施こされる。上記次のシーケンスは、主発
振器からの次の６スタート１パルスによつて開始される
が、これは前の超音波パルスの受信かられずかな時間経
過した後でなければ起こらない。その理由は、前述した
ように、主発振器の周期は、超音波パルスの伝搬時間よ
りも約１０％ないし２０（Ｌほど長い時間となるように
設定されているからである。以上述べた構成は、システ
ムの動作を非常に安定なものとしている。

これは、１回の送受信シーケンス終了後、次のシーケン
スが開始されるまでに、上記電子装置が安定となるよう
な時間的余裕があるからである。これによつて、ある方
向へのパルス送信と別の方向からのパルス受信とが衝突
する危険性が回避される。このような主発振器の特徴は
、各送受信シーケンスの開始が全面的に町変周波数発振
器に依存しているようなシステムと比較することができ
る。このようなシステムでは、連続するシーケンス開始
時の時間間隔は町変周波数発振器の変化とともに変化す
ることになり、結果として受信パルスと送信パルスが衝
突する危険性が大きい。このような町変周波数発振器の
全面的な制御の下でシーケンス開始が行なわれるシステ
ムにおける送信パルスと受信パルスとの衝突の危険性は
、特にスプリアス信号により又は受信信号が全く存在し
ないことにより町変周波数発振器の周波数が大きく変化
する場合に重要な問題となる。本発明による実施例では
、これらの効果及び多くの他の関連ある問題に対しての
包括的な保護は、主発振器だけでなく、以下述べるシス
テムの３つの特徴によつても与えられる。

まず、本願発明のシステムでは、「窓」を開くことによ
つて、受信パルスの到達しそうな時間を含むと合理的に
予測し得る時間スパンを定める。時間窓以外に受け取ら
れたパルスは拒絶され、スプリアスパルス、すなわち、
干渉パルスに対して電圧制御発振器を調節するようなこ
とをかなり少なくする。次に、本願発明のシステムは、
受信パルスが時間窓の範囲内で到達しないときにはそれ
を検出し、この場合、電圧制隣発振器周波数に対する調
節はなんら行なわれない。最後に、本願発明のシステム
では、定のステツプ量分づつ電圧制御発振器の増分調節
を行なうのであり、受信パルスがＮ番目の電圧制御発振
器パルスの前に到達した場合にはステツプが増加し、受
信パルスがＮ番目の電圧制鐸発振器パルスの後に到達し
た場合にはステツプが減少する。ステツプ増減は一定で
あり、受信パルスがどの位の量だけＮ番目の電圧制御発
振器パルスの前にあるか、後にあるかということとは無
関係である。その結果、受信パルスのＮ番目の電圧制御
発振器パルスとの一致を示す値まで電圧制御発振器周波
数を変化させるのに数回の送受信サイクルを必要とする
だけである。これは一見不利なように見えるが、実際に
は非常に意味のある（斬新な）利点となる。これは、そ
れぞれ変化の正しさを確認するように作用する数回の送
受信サイクルに従つて電圧制岬発振器周波数が順序正し
く大きく変化することを意味する。スプリアスパルス、
千渉パルンスあるいは口ストパルスの発生の結果として
急激に広い範囲にわたつて電圧制鉾発振器周波数の変化
が生じるのを防ぐことができるのである。不利な点とい
えば、本願発明システムが流速の変化に応答するのが遅
いということである。しかしなが ≧ら、これは偶発的
；な障害や．スプリアス反射信号の影響を受けずに安定
しているということに比べればささいなことであると考
えられる。今迄に例として述べて来た装置は河川や太い
パイプの全流速を測定するのに適している。

この場 ３合、トランスジユーサは河川又はパイプの全
幅にわたつて離して設置するか、または通路に平行な流
速成分も同時に測定できるようにするため少し傾けた方
向に設置する。このような長大な音路を用いる場合には
、英国特許第１２８５１７５号明 ３細書に記載されて
いるような装置では応答時間が遅すぎて殆んど役に立た
ない。しかしながら、上に例示した装置はまた小さなパ
イプにおける流速測定にも有利である。

トランスジユーサはパイプ壁の外側に取りつけることが
４１できるので、トランスジユーサによつて流れの状態
が乱されることはない。トランスジユーサは軸方向にず
らせて取り付けられている。従つてパイプの方向と角度
を持たせて設置されているわけであるが、このようにパ
イプの半径方向と出来る限り大きな角度を持たせて設置
することにより、様々の境界面からの屈折波の影響を避
けることが出来、より適当な音路が構成されることにな
る。径１０儂程度のパイプ中の１Ｃ１ｆＬ／Ｓｅｃ程度
の流れを測定するに必要な応答時間は、シンク・アラウ
ンド方式と計数一致法を用いた場合、分単位である。上
述の例を用いれば、この応答時間を簡単に１秒の何分の
１に短縮することができる。本発明の範囲は上に例とし
て挙げた装置の詳細に制限されるものではない。

例えば、互いに反対方向の２つの音波伝播の測定が平行
的に行なえるようにするために２台の町変周波数発振器
とそれに付随する制岬装置を用いることが望ましい。こ
の場合注意すべき唯一の点は、各々のパルス間隔を十分
に離すことにより、一つのトランスジユーサ上に送信パ
ルスと受信パルスが同時に到達して受信側の装置をまひ
させないようにすることである。本測定装置の主な特徴
及び効果を整理すれば次の如くである。（１）上流方向
の測定及び下流方向の測定が共に流体中の同一の路を通
つてなされ、測定用超音波パルスが流体中の同一の経路
を殆んど同時に伝播するので、流体中における温度、密
度、そしてそのほかの不均一さによつて生じる音速測定
への悪影響が最小に抑えられる。

（２）同時に動作している２台の発振器の周波数の差は
直接的に表示され、流速の連続的な測定が可能である。

従つて、流速変化には瞬間的ではないにしても非常に素
早く追随できる。特に第１図に示した装置を用いた場合
に著しい。（３）測定は、上流方向に進行するパルスの
列と、下流方向に進行するパルスの列とによつてなされ
、それらパルスは両方共、とぎれないように保たれ、且
つ、一方向のパルスの列の１つ１つのパルスが、他方向
のパルスの列の１つ１つのパルスと時間的に重ならない
ように、細心に制御されている。

（４）測定装置の全動作は主クロツクパルス発振器によ
つて制御されているので、装置がシンクアラウンド法に
おいてしばしば起きるスプリアス信号による再トリカー
を起こして制御から外れることはない。

（５）本測定装置においては、簡単な再トリカーによつ
てではなく、時間制岬に基づいて新しいパルスの伝送が
起こなわれる。

そして、送信用トランスジユーサから受信用トランスジ
ユーサへ超音波パルスが伝搬する時間間隔の間にＮ１又
はＮ２の振動又はパルスを発生するようにＦＯを調整す
ることにより、Ｎ１倍又はＮ２倍のシンク・アラウンド
周波数が確立される。

（６） ＶＦＯは、受信パルスの検出ごとに増分的に調
節され、数回の伝送で正確なＶＦＯ周波数が確立される
。（７）受信パルスが検出されるゲート期間を、予想さ
れる受信時間を中心に挟くとることができるので、スプ
リアス信号を検出する可能性を最小限にすることができ
る。

（８）パルスが受信されなかつた場合には、ＶＦＯの調
整が全くなされない。

従つて、パルスが受信されなかつた時には一時的にシン
ク・アラウンド周波数を半分に落してしまう自発式シン
クアラウンド装置に比べて、効果的である。（９）以上
の特徴により、流れの中の乱流や、流体の温度、密度又
はほかの重大な物理的要因による恒久的又は一過性の変
動や、一時的障害物又は強い乱流による信号の消失等に
よつて誤差を生じることなく、管中や川を流れている流
体の流速の安定した測定をすることができる。

しかしながら、もし必要ならば、電圧制岬町変周波数発
振器とその制却回路を唯一組だけ用いて流速を測定する
こともできる。

即ち、先ずＮ番目のパルスの時間が、トランスジユーサ
１からトランスジユーサ２への音波の伝播時間に一致す
るように発振器の周波数を調節し、次にＮ番目のパルス
の時間がトランスジユーサ２からトランスジユーサ１へ
の音波の伝播時間に一致するように発振周波数を調整す
る。このようなシステムでは、２番目の測定を行つてい
る間、第１番目の測定で得られた周波数を記憶しておく
装置が必要である。こうして２つの周波数の差を取れば
よいことになる。更に町変周波数発振器からのパルスの
数Ｎを２つの場合（トランスジユーサ１→２及びトラン
スジユーサ２→１）共等しく取つておけば、周波数の差
は直接流速に比例することになる。

しかし、この方式とは別に順方向伝播の場合にＮ１個の
パルスを、逆方向伝播の場合にＮ２個のパルスを用いる
ことも考えられる。その場合には、差論理回路の出力に
定数フアクタ一だけの調整を施さなければ流速は求まら
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一つの装置を示したプロツク・ダイヤグラム
であり 第２図は、もう１つの装置を示したプロツク・
ダイヤグラムであり、第３図は、第１図の装置の一部を
詳細に示したプロツク・ダイヤグラムであり、第４図は
、各種動作に関連しノたタイミングを示すための様々な
波形を示す図であり、第５図は、第１図の装置を改良し
た装置のプロツク・ダイヤグラムである。 ＦＯｌ，ＶＦＯ２・・・・・・可変周波数発振器、÷Ｎ
・・・・・・Ｎ徐算回路、１１・・・・・・主発振器、
１２・・・τ・・・比較器、１３・・・・・・ストロー
ブ、１４・・・・・・遅延回路、１５，１６・・・・・
・フリツプフロツプ、１７・・・・・・ｎ徐算回路、１
８・・・・・・スタートフリツプフロツプ、１９，２３
・・・・・・単安定回路、２１，２４・・・・・・レベ
ルシフタ一、２２・・・・・・積分器、２５・・・・・
・主発振器、９３５・・・・・・主発振器、３７・・・
・・・増幅器、３８・・・・・・雰位交又検出器、３９
・・・・・・切り換え式ストローブ及びゲート、４１・
・・・・・遅延器、４２・・・・・・ストローブ、４３
・・・・・・差論理回路、４４・・・・・・誤差論理回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体流の速度又はその速度成分を測定するための装
   置において、測定せんとする速度または速度成分の方向
   に流体中を伝播する圧力波パルスを出し且つ受けるよう
   に各々なされている相互に隔置した第１及び第２ユニッ
   トと、可変周波数発振器と、その可変周波数発振器の周
   波数から無関係に時間期間を画定するタイミング制御装
   置と、そのタイミング制御装置に制御されて動作して、
   上記圧力波パルスを、上記第１ユニットから第２ユニツ
   トへ送りまた別に同一路を介して流体を通つて上記第２
   ユニットから第１ユニツトへ送るトリガ手段と、圧力波
   パルスが上記第１ユニットから第２ユニツトへと伝播す
   るに要する第１の時間間隔中に所定の複数振動又はパル
   ス数Ｎの振動又はパルスを発生しそして圧力波パルスが
   上記第２ユニットから上記第１ユニツトへと伝播するに
   要する第２の時間間隔中に所定の複数振動数又はパルス
   数Ｎ＿２の振動又はパルスを発生するように上記可変周
   波数発振器の周波数を制御する制御手段と、上記第１の
   及び第２の時間間隔に発生した振動又はパルスの周波数
   の差を示す比較器とを備えていることを特徴とする流速
   測定装置。 ２ 流体流の速度又はその速度成分を測定するための装
   置において、測定せんとする速度又は速度成分の方向に
   流体中を伝播する圧力波パルスを出し且つ受けるように
   各々なされている相互に隔置した第１及び第２ユニット
   と、第１及び第２可変周波数発振器と、それら第１及び
   第２の可変周波数発振器の周波数から無関係に時間期間
   を画定するタイミング制御装置と、そのタイミング制御
   装置に制御されて動作して、上記圧力波パルスを、上記
   第１ユニットから第２ユニツトへ送りまた別に同一路を
   介して流体を通つて上記第２ユニットから第１ユニツト
   へ送る手段と、圧力波パルスが第１ユニットから第２ユ
   ニツトへと伝播するに要する時間間隔中に複数の振動数
   又はパルスＮ＿１の振動又はパルスを発生するように上
   記第１可変周波数発振器を制御する第１制御手段と、圧
   力波パルスが上記第２ユニットから第１ユニツトへと伝
   播するに要する時間間隔中に複数の振動数又はパルス数
   Ｎ＿２の振動又はパルスを発生するように上記第２可変
   周波数発振器を制御する制御手段と、上記第１の及び第
   ２の可変周波数発振器間の周波数差を示す比較器とを備
   えていることを特徴とする流速測定装置。