JPS592844B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は被測定流体が流れている配管に対して斜目に
一対の超音波送受波器を対向して取付け、。

その超音波送受波器間の超音波伝播時間を測定すること
によつて被測定流体の流量を測定する超音波流量計に関
する。この種ｐ従来の超音波流量計は第１図に示すよう
に被測定流体が満管状態で流されている配管１１に対し
、その配管を介して送受波器１２及び５１３が対向して
設けられる。

配管１１の直径をＤ、配管と直角な面と送受波器１２及
び１３間の超音波の伝播路１４とのなす角度をθ、超音
波の被測定流体中での音速をＣ、被測定流体の流速をり
とすると、超音波の伝播方向が被測定流体の流速と１０
順方向である場合の送受波器１２より送受波器１３迄の
超音波の伝播時間Ｔはとなる。

被測定流体の流れに逆方向に伝播される場合の超音波の
伝播時間、即ち送受波器１３より送受波器１２への伝播
時間Ｔ２はとなる。

第１図に示すように送受波器１２、１３をそれぞれ配管
１１に対して外部より取付ける形式のものにおいては超
音波媒体１６が配管１１に取付けられ、その超音波媒体
１６に振動子ＩＴが取付けられ、振動子ＩＴよりの超音
波が超音波媒９０体１６を介して配管１１に対して斜目
に送波され或いは配管よりの超音波が超音波媒体１６を
介して振動子ＩＴに受波されるように構成されている。
同様に送受波器１３は超音波媒体１８及び振動子１９に
より構成されている。９５従来の超音波流量計における
測定時間は振動子１７及び１９の間の超音波伝播時間で
あつた。

そのため被測定流体を超音波が伝播する時間に対しフ７
−送受波器の超音波媒体１６及び１８を超音波が伝播す
る時間τ１が加えられたものが測定されていた。

超音波振動子１７及び１９はＱの高い共振特性を持ち、
その共振周波数と等しい周波数の超音波が測定に用いら
れる。従つて第２図Ａに示すような方形波で振動子を励
振して超音波を送波すると受波される超音波は第２図Ｂ
に示すようにその包絡線はその立ち上り、立ち下りが励
振方形波よりもずつとなだらかなものとなる。このよう
な超音波信号を検出するには或るしきい値ｔ以上になつ
た時点Ｔ，を検出することによつて行なわれている。よ
つて励振時の方形波の立土り時点Ｔ。に対して検出時点
ｔ１はτ２だけ遅れ、第２図Ｃに示すような検出出力が
得られる。この検出の遅れ時間τ２も、被測定流体を超
音波が伝播する時間に関係ないが測定時間に含まれてい
た。つまり、一方振動子１７が励振され、他方の振動子
１９にその超音波が受波され、これが電気信号として検
出されるまでの時間はＴ，＋τ，＋τ２となり、これに
対し逆の方向の超音波の伝播の測定時間はＴ２＋τ，＋
τ２となる。

従米はこれ等τ１、τ２を含んだ測定結果より先の（１
）式及び（２）式を用いて流速Ｖを計算していた。この
ためこれ等τ１、τ２に基づく誤差を伴つていた。この
ような誤差を補償するためτ１＋τ２に対応した一定幅
のパルスを用いて測定時間より差し引くことが提案され
ている。

しかし送受波器１２，１３の各超音波媒体１６，１８は
加工寸法や組立て時の状態によつてτ１、τ２が変化す
る。しかも周囲温度の影響により超音波媒体１６，１８
内の音速が変化し、τ１＋τ２は一定とはならない。こ
のように変化するτ１＋τ２を温度補償して一定にする
ことは非常に困難であり、又一定温度にしたとしても先
の機械的寸法や取付けに基づきその値が異なつたものと
なる。この発明の目的は超音波振動子と、その送受波器
の配管との接触面又は被測定流体との接触面との間の伝
播時間に基づく誤差を容易に補償することができる超音
波流量計を提供することにある。

この発明によれば少なくとも一方の送受波器には配管内
の流体に超音波を伝播させるために利用される測定用振
動子の他に補助振動子がその超音波媒体に取付けられる
。この補助超音波振動子はその送受波器の測定用振動子
よりの超音波が配管又は流体との接触面で反射した超音
波を受波するように取付けられ、かつその接触面より補
助振動子までの超音波の伝播時間は、他方の送受波器の
振動子と配管又は流体との接触面との間の超音波の伝播
時間と等しく選定される。更に第１送受波器の測定用振
動子より第２送受波器の測定用振動子迄の超音波の伝播
時間から、第１送受波器の測定用振動子から補助振動子
迄の伝播時間を、その補助振動子の出力を利用して差し
引くように構成される。このようにして振動子から配管
又は被測定流体迄の接触面迄の伝播時間に基づく誤差を
容易に補償することができる。第３図はこの発明による
超音波流量計の一例を示し、第１図と対応する部分には
同一符号を付けてある。

この発明においては送受波器１２の超音波媒体１６に補
助振動子２１が更に取付けられ、この補助振動子２１は
、この例では振動子１７よりの超音波が超音波媒体１６
と配管１１との接触面で反射された超音波を受波するよ
うに取付けられている。即ち第４図に示すように超音波
媒体１６の配管１１との接触面２２と離れて超音波媒体
１６の両側部は斜目に互に対向するように切落され、斜
目の取付面２３，２４とされ、その取付面２３，２４に
振動子１７及び補助振動子２１がそれぞれ取付けられる
。これ等の振動子の主指向特性の中心線は接触面２２で
交叉するようにされている。従つて振動子１７より放射
された超音波２５は接触面２２で一部が反射され、その
反射超音波２６は補助振動子２１に受波される。振動子
１７より超音波媒体１６を通じて補助振動子２１に到達
する超音波の伝播時間は先のτ１に等しくなるようにさ
れている。

つまり接触面２２から補助振動子２１に達する反射超音
波２６の伝播時間は、他方の送受波器１３の配管１１と
の接触面より振動子１９までの超音波伝播時間と等しく
なるように超音波媒体１６の形状が選定されている。第
４図に示すように振動子１７より放射された超音波が接
触面２２に到達する点２７を含み接触面２２と垂直な面
に対して対称な構造となるように送受波器１２が構成さ
れる。このようにしておけば送受波器１３として送受波
器１２と同一形状のものを使用することができる。第３
図において端子２８よりの励振信号（第５図Ａ）が超音
波駆動回路２９に供給され、これより超音波振動子１７
が励振され、超音波パルスが放射される。

その超音波パルスは超音波媒体１６を通じて配管１１内
の流体内に放射される。配管１１との接触面でその超音
波は一部反射され、その反射された超音波は補助振動子
２１に第５図Ｂに示すように、励振信号（第５図Ａ）に
対してτ１だけ遅れて受波される。補助振動子２１の出
力は検出回路３１において増幅され、更に超音波パルス
が検出され、第５図Ｃに示すようにその超音波パルスの
立上りよりτ２７だけ遅れて検出パルスＰ８を発生する
。一方振動子１７より超音波媒体１６を伝播し、更に配
管１１内の被測定流体を伝播し、送受波器１３に達し、
これよりその超音彼媒体１８を通り振動子１９に第５図
Ｄに示すように超音波パルスとして受波される。

この超音波パルスはその立土りよりτ２″だけ遅れて検
出回路３２において電気パルスＰｍとして第５図Ｅに示
すように検出される。振動子１９，２１の特性はほ〜一
致しているが、振動子１９，２１に得られる受信波形、
即ち第５図Ｂ及びＤの受信波形は途中の伝播終路による
減衰を受けただけ、つまり振幅のみが異なり、全体の波
形としては等しいものとなる。検出回路３２と検出回路
３１とを同一特性のものを使用することによつて検出時
間の遅れ時間τＪとτ２とを等しくすることができる。
励振信号（第５図Ａ）の立上りから検出回路３２で検出
されるまでの時間はＴ１＋τ１＋τ２となる。従つて変
換回路３３において端子２８の励振信号の立上りから検
出パルスＰｍが得られるまでの時間Ｔ，十τ１＋τ２よ
り、励振信号の立上りから検出回路３１で検出パルスＰ
ｓが得られる迄の時間τ１＋τ２を引くことによつて正
しい時間Ｔ，を変換回路３３の出力端子３４に得ること
ができる。

この場合周囲温度が変化して超音波媒体１６，１８の温
度も同時に変化し、従つて超音波媒体１６，１８の超音
波伝播時間が変化しても振動子１７より振動子２１に達
する超音波の伝播時間と、振動子１７及び配管１１間の
伝播時間＋振動子１９及び配管２１間の伝播時間とは常
に等しくなり、超音波媒体１６，１８内の伝播時間を常
に正しく補償した超音波伝播時間を測定することができ
る。また検出回路における時間遅れτ２も差引かれ、こ
れに影響されない伝播時間が測定される。ノ第５図から
明らかなように検出回路３１よりの検出パルスＰｓの立
上りから検出回路３２の検出パルスＰｍの立上りまでの
時間を測定してもτ１及びτ２を除去した正しい測定値
Ｔ，が得られる。

同様な回路を被測定流体の流れと逆方向に超音波を伝播
させて測定する回路に用いてＴ２を測定することができ
る。よつて前記（１）式及び（２）式から流速ｖを正し
く求めることができる。尚検出回路３１，３２は１個を
切替使用することもできる。又同様にＴ１を求める回路
とＴ２を求める回路とをその一部を互に共用することも
できる。次にこの発明を他の測定方式に適用した例につ
いて説明しよう。

即ち電圧制御発振器を設け、その発振器と同期して一方
の送受波器を励振し、それと共にその励振信号を遅延し
、その遅延出力と他方の送受波器よりの受信検出信号と
の時間差を検出し、その時間差に応じて先の電圧制御発
振器を制御し、これにより前記の時間差がゼロになるよ
うにその発振器の周波数を制御することにより超音波の
伝播時間と対応した周波数の信号を前記電圧制御発振器
から得るようにすることが行なわれている。このような
測定方法にもこの発明を適用することができる。例えば
第６図に示すように端子３５より第Ｔ図Ａに示すように
時点ｔ１に起動信号が同期回路３６に与えられると電圧
制御発振回路３７の出力と同期した励振信号が同期回路
３６の出力端子２８に第７図Ｂに示すように得られる。

この励振信号は駆動回路２９を通じて送受波器１２の振
動子１７を励振して超音波パルスが送出される。その超
音波パルスは配管１１内の被測定流体を伝播して送受波
器１３にて受波され、検出回路３２により検出されて時
間差電圧変換回路３８の一方の入力端子に供給される。
時間差電圧変換回路３８の他方の入力端子には同期回路
３６よりの信号が例えばカウンタよりなる遅延回路３９
を通じて供給される。遅延回路３９の出力は従来におい
ては第６図に点線で示すように時間差電圧変換回路３８
の他方の入力端子に直接供給されていた。時間差電圧変
換回路３８はその両入力の時間差に対応した電圧信号を
発生し、その電圧信号は積分回路４１で積分されて電圧
制御発振回路３７に制御信号として与えられる。その結
果、時間差電圧変換回路３８の時間差がゼロになるよう
に発振回路３７の発振周波数が制御される。このように
して配管１１内を流れる流体の超音波伝播時間に対応し
た周波数信号が発振回路３７より得られ、これが出力端
子６１へ出力される。

この測定においても先に述べたように送受波器の超音波
媒体内の超音波伝播時間τ１と、検出回路３２の遅れ時
間τ２に基づく誤差をともなう。この発明をこの第６図
の測定装置に適用する場合、可変遅延回路４２が設けら
れ、この可変遅延回路４２は端子２８よりの励振信号か
ら補助振動子２１の検出出力が得られるまでの時間に応
じた遅延時間を与えるもので、この可変遅延回路４２を
介して遅延回路３９の出力が時間差電圧変換回路３８に
供給するようにされる。例えば可変遅延回路４２の入力
側はスイツチ４４を通じて端子２８と遅延回路３９の出
力端子４５とに切換接続され出力側はスイツチ４６を通
じて時間差電圧変換回路４７の一方の入力側と時間差電
圧変換回路３８の入力端子４８とに切換接続される。時
間差電圧変換回路４７の他方の入力側には検出回路３１
、即ち補助振動子２１の受波超音波パルスを検出する検
出回路３１の出力が供給される。時間差電圧変換回路４
７の出力は積分回路４９で積分され、その積分出力によ
つて可変遅延回路４２の遅延量が制御される。可変遅延
回路４２の遅延量は前記τ１に選定されるものでその選
定に当つてはスイツチ４４は端子２８側に、スイツチ４
６は時間差電圧変換回路４７側にそれぞれ接続される。

この状態において端子２８よりの励振信号は可変遅延回
路４２に与えられ、これと共に振動子１７が駆動される
。従つてこれよりτ１の後に補助振動子２１に超音波が
受波され、これが検出回路３１で検出されて時間差電圧
変換回路４７に与えられる。この検出出力と可変遅延回
路４２の遅延出力との時間差に応じた信号が時間差電圧
変換回路４７で得られ、その出力が積分回路４９で積分
され、その積分出力で可変遅延回路４２の遅延時間が制
御される。この結果可変遅延回路４２より、例えば第７
図Ｄに示すように立土りが端子２８の励振信号の立上り
と一致し、立下りが検出回路３１（第７図Ｅ）の立上り
と一致したパルスが得られる。即ちこの可変遅延回路４
２はその立上りに対し立下りが制御され、遅延量はパル
ス幅であり、これはτ１＋τ２となる。この可変遅延回
路４２は例えば第８図に示すように構成される。

端子５１を通じてスイツチ４４からの入力が与えられ、
その入力によりフリツプフロツプ５２がりセツトされ、
これによりフリツプフロツブ５２の０出力が高レベルと
なつて出力端子５３を通じてスイツチ４６側に供給され
る。またフリツプフロツプ５２のＱ出力は低レベルとな
り、これがトランジスタ５４のベースに与えられてトラ
ンジスタ５４は不導通となる。従つてその時点から電源
端子５５より抵抗器５６を通じてコンデンサ５７に対す
る充電が開始される。この充電電圧が端子５８に与えら
れている積分回路４９の積分出力を超えると比較器５９
の出力が立土りこの立土りによりフリツプフロツプ５２
がセツトされる。従つて端子５３は低レベルとなり、又
トランジスタ５４が導通してコンデンサ５７の両端が短
絡される。従つてフリツプフロツプ５２がりセツトされ
てからセツトされるまでの時間は端子５８の電圧、つま
り積分回路４９の出力電圧と対応し、つまり時間差電圧
変換回路４７の出力、言い変えればその時間差電圧変換
回路４７の両入力の時間差に対応したものとなる。この
ようにして第６図において端子２８の励振信号より検出
回路３１の検出迄の時間差τ１＋τ２の遅延時間が可変
遅延回路４２に設定される。

この遅延時間τ１＋τ２を設定した後にスイツチ４４は
遅延回路３９の出力端子４５側に、スイツチ４６は時間
差電圧変換回路３８の入力端子４８側にそれぞれ切換え
られる。この結果、可変遅延回路４２は遅延回路３９と
時間差電圧変換回路３８との間に挿入される。遅延回路
３９は例えば第７図Ｃに示すように励Ｎ振信号と同時に
立上り時間一（Ｎは遅延回路３９ｆとしてのカウンタの
計数値、ｆは発振回路３７の発振周波数）の後に立下り
、その立下り出力によつて可変遅延回路４２が駆動され
て第７図Ｄに示すように更にτ１＋τ２だけ遅れた出力
が時間差電圧変換回路３８に供給される。

可変遅延回路４２の出力の立下りと検出回路３２よりの
第７図Ｆに示す検出パルスの立上りとの時間差が時間差
電圧変換回路３８で検出される。このようにして電圧制
御発振器３７の発振周波数をｆ１とすると最終的には振
動子１７及び１９間の伝播時間はとなる。

Ｎは遅延回路３９のカウンタの計数値である。こＸでτ
は可変遅延回路４２の遅延時間であり、先に述べたよう
にτ１＋τ２に制御されていＮる。

従つてＴ１−となる。このｆ１を持つた発振ｆ回路３７
の出力信号が端子６１より取出される。

同様にして第２・の可変電圧制御発振回路を設け送受波
器１３より送受波器１２へ伝播する伝播時間に対応した
発振周波数の信号を得ることができる。しかもその場合
超音波の検出時間遅れ及び送受波器内の超音波媒体の伝
播時間を除去したものとする。これ等二つの発振周波数
でアツプダウンカウンタや混変調回路により周波数ｆ１
とＦ２との差を求めると、となる。

この周波数差Δｆは被測定流体の流速に比例したものと
なり、しかもこれは音速Ｃやτ１、τ２に依存しない。
第６図において時間差電圧変換回路３８，４７は同一の
ものを切替えて使用しても良い。又周波数ｆ１を求める
回路と周波数Ｆ２を求める回路とを一部共用することも
できる。遅延回路３９としてはカウンタの代わりに電荷
伝送素子を使用することもできる。第７図に示したよう
に励振信号の発生と同時にその都度可変遅延回路４２の
遅延量を制御し、その後遅延回路３９の出力をその可変
遅延回路４２に与えるように、励振信号ごとにスイツチ
４４，４６を切替えるようにしても良い。しかし伝播時
間τ，はそれほど急に変化するものでないからスィッチ
４４，４６を適当な時間をおいて切替えて可変遅延回路
４２の遅延時間を修正するようにしても良い。或いはこ
の修正が励振信号が予め決められた回数発生するごとに
行つてもよいようにしてもよい。何れにしてもそのよう
な修正動作が自動的に行なえるようにしておけば取扱い
が便利である。振動子超音波媒体を介して配管に取付け
る場合のみならず、例えば第９図に示すように配管１１
に孔を形成して送受波器を取付ける場合にもこの発明は
適用される。

その場合は振動子１９と配管１１内の流体との間は単な
る空間となる場合やその一部に超音波媒体が設けられる
場合などがあるが、振動子１７よりの超音波が被測定流
体と接触する面において反射し、その反射波を補助振動
子２１で受波するようにして同様に前記τ１＋τ２と対
応した時間を補償することができる。以上述べたように
この発明による超音波流量計によれば超音波送受波器内
におけるその振動子から、配管又は流体までの接触面迄
の超音波伝播時間を温度に影響されることなく補償して
正しい測定をすることができ、特にその補償が自動的に
行なえるようにすることも容易である。

更に超音波信号の検出遅れτ２に対する補償も行なわれ
る。又以上の補償が自動的に行なわれ、超音波送受波器
の設置作業が簡単となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は超音波流量計の配管及び送受波器の関係を示す
図、第２図はその励振信号と超音波信号との関係を示す
波形図、第３図はこの発明による超音波流量計の一例を
示す構成図、第４図は第３図中の超音波受波器の一例を
示す断面図、第５図は第３図に示した超音波流量計の動
作の説明に供するためのタイムチヤート、第６図はこの
発明による超音波流量計の他の例を示す構成図、第７図
はその動作の説明に供するためのタイムチヤート、第８
図は可変遅延回路４２の具体例を示す接続図、第９図は
超音波流量計の送受波器及び配管の関係の一部変形例を
示す断面図である。 １１：配管、１２，１３：超音波送受波器、１６，１８
：超音波媒体、１７，１９：振動子、２１：補助振動子
、３１，３２：検出回路、３３：変換回路、３６：同期
回路、３７：可変電圧制御発振器、３８，４７：時間差
電圧変換回路、４２：可変遅延回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 配管に対し、第１、第２送受波器が対向して設けら
   れ、その第１、第２送受波器はそれぞれ第１、第２振動
   子よりの超音波を第１、第２超音波媒体を介し、上記配
   管に対し斜目に送波し、また配管内の超音波を受波する
   ように構成され、上記第１送受波器よりの超音波が上記
   配管又は上記配管内の流体との接触面より反射した超音
   波を受波する補助振動子が上記第１超音波媒体に取付け
   られ、上記接触面及び補助振動子間の超音波伝播時間は
   上記第２送受波器の上記配管又は流体との接触面及び第
   ２振動子間の超音波伝播時間とほゞ等しく選定され、上
   記第１送受波器の第１振動子から上記配管内の流体を伝
   播して上記第２送受波器の上記第２振動子までに超音波
   が伝播する時間から、上記第１振動子より上記第１超音
   波媒体を通じて上記補助振動子に達する伝播時間を上記
   補助振動子の出力を用いて差し引く手段が設けられてい
   る超音波流量計。