JPS597217A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents

Ultrasonic flowmeter

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JPS597217A
JPS597217A JP11640282A JP11640282A JPS597217A JP S597217 A JPS597217 A JP S597217A JP 11640282 A JP11640282 A JP 11640282A JP 11640282 A JP11640282 A JP 11640282A JP S597217 A JPS597217 A JP S597217A
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ultrasonic
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autocorrelation function
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Chuji Akiyama
忠次 秋山
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Yokogawa Hokushin Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve the accuracy in measurement by determining the autocorrelation function of a prescribed modulation signal which modulates a carrier signal from said modulation signal and the reception signal received in the other of ultrasonic wave transmitter and receivers and obtaining the velocity and rate of flow of fluid. CONSTITUTION:The output S1 of an oscillator 4 which generates a carrier signal of a specified frequency is supplied to a modulator 5. A carrier signal S1 is subjected to modulation S3 in accordance with a modulation signal S2 and is supplied to a transmission circuit 6. The signal S3 is amplified there and is supplied with a switch 7 to one ultrasonic wave transmitter and receiver 1a, from which an ultrasonic wave is transmitted. On the other hand, the received ultrasonic wave is converted to the corresponding reception signal by an ultrasonic wave transmitter and receiver 1b, and is then supplied with the switch 7 to a reception circuit 8. The reception signal is amplified and supplied to a demodulator 9. The signal S2 and demodulation signal S5 are multiplied with a calculator 10, and the average value of the multiplied results is determined, whereby the autocorrelation function of the signal S2 is determined.

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は管路に対して斜めに対向配置された超音波送
受波器間で送受信嘔れる超音波の伝播時開から前記管路
内を流れる流体の流速、流量を求める超音波流量針に係
り、特に前記超音波送受波器を駆動する送信信号を所定
の変調信号でfiAIシ、これに応じて得られる受信信
号および前記Km信号に基づいてこの変調信号の自己相
関関数を求べこの自己相関関数を利用して前記流体の流
速、流がを求めるようにした超音波流量計に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention detects the flow velocity and flow rate of fluid flowing through the pipe from the time of propagation of ultrasonic waves transmitted and received between ultrasonic transducers disposed diagonally opposite to the pipe. Regarding the desired ultrasonic flow rate needle, in particular, the transmission signal that drives the ultrasonic transducer is fiAI-transmitted with a predetermined modulation signal, and the autocorrelation of this modulation signal is calculated based on the reception signal obtained accordingly and the Km signal. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter in which the flow rate and flow rate of the fluid are determined using the autocorrelation function.

第1図は超音波流量計の基本構成例を示す図であシ、こ
の図に示すように一方の超音波送受波器1&の発した超
音波パルスは管路2内の流体3中を伝播して前記超音波
送受波器1aと斜めに対向して配置された他方の超音波
送受波器1bで受信される。ここで、管路2の管径をり
、超音波パルスの入射角をθ、流体3中の音速を01流
体3の流速を■とすれば、超音波送受波器1&が超音波
パルスを発信してから、超音波送受波器1bがこの超音
波パルスを受信するまでに要する時110T1は、で与
えられ、また逆に超音波送受波器1bの発した超音波パ
ルスが超音波送受波器1aで受信されるまでに幾する時
間T2は、 で与えられる。そしてこれら(1)式および(2)式か
ら音速Cを消去し、流体3の流速・Vを求めれば、とな
る。ここでこのような超音波流量計において通常用いら
れている値として、D= 100tnms  θ=22
°を(8)式に代入し、かつこの超音波流量計によって
測定される流体3の音速0をlA30m/8、流速Vを
1cm/sとすれは超音波パルスの伝播時間差T*−T
2G=を約8 p s (B X I O″″I”秒)
となる。このように超音波流量計においては、超音波パ
ルスの伝播時間差TI  ”/)’非常に小さな値とな
るから超音波パルスの正確な伝播時間測定が必要不可欠
なものとなっている。
Fig. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of an ultrasonic flowmeter.As shown in this figure, ultrasonic pulses emitted by one ultrasonic transducer 1 & are propagated in the fluid 3 in the pipe line 2. Then, it is received by the other ultrasonic transducer 1b disposed diagonally opposite the ultrasonic transducer 1a. Here, if the diameter of the conduit 2 is the diameter of the conduit 2, the angle of incidence of the ultrasonic pulse is θ, the sound velocity in the fluid 3 is 01, and the flow velocity of the fluid 3 is ■, then the ultrasonic transducer 1& emits an ultrasonic pulse. The time 110T1 required for the ultrasonic transducer 1b to receive this ultrasonic pulse is given by: The time T2 required for reception at 1a is given by: Then, by eliminating the sound speed C from these equations (1) and (2) and finding the flow velocity V of the fluid 3, we get the following equation. Here, the values normally used in such an ultrasonic flowmeter are D=100tnms θ=22
By substituting ° into equation (8), and assuming that the sound velocity 0 of the fluid 3 measured by this ultrasonic flowmeter is 1A30 m/8 and the flow velocity V is 1 cm/s, the difference in propagation time of the ultrasonic pulse is T * - T
2G = about 8 ps (B X I O""I" seconds)
becomes. In this way, in an ultrasonic flowmeter, the propagation time difference TI''/)' of ultrasonic pulses is a very small value, so accurate measurement of the propagation time of ultrasonic pulses is essential.

ところでこのような超音波パルスの伝播時間を測定する
方法として、従来シングアラウンド法(あるいはPLL
法)およびパルス伝播時間差法等が知られている。これ
らシングアラウンド法、パルス伝播時間差法はいずれも
超音波パルスの伝播時間からT1、T2を個別に求める
ものであるが以下に述べ本ような欠点を持っている。
By the way, the conventional sing-around method (or PLL method) is used to measure the propagation time of such ultrasonic pulses.
The pulse propagation time difference method and the pulse propagation time difference method are known. Both the sing-around method and the pulse propagation time difference method calculate T1 and T2 individually from the propagation time of the ultrasonic pulse, but they have the following drawbacks.

(υ 測定に使用する超音波がパルス状であることから
、超音波パルスの伝播経路中に気泡やゴミ等があると超
音波パルスが減衰し伝播時間の測定に眼差が生じる。
(υ Since the ultrasonic waves used for measurement are in the form of pulses, if there are air bubbles or dust in the propagation path of the ultrasonic pulses, the ultrasonic pulses will be attenuated and a difference will occur in the measurement of propagation time.

(II)  超音波を発生する超音波振動子は電圧を印
加された場合においてもすぐには振動しないから、この
ような超音波振動子により得られる超音波パルスは第2
図に示すようにそのエンベロープaがゆるやかなものと
なる。このため、伝播時間測定時に比較レベルlを設定
し、超音波パルスがこの比較レベルlを越えた時間を測
定して伝播時間を計測しているが、このような測定では
エンベロープ変化等によシ比較レベルlを最初に越える
パルス(特定波)の像幅が変化すると、測定誤差を生じ
る。
(II) Since an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic waves does not vibrate immediately even when a voltage is applied, the ultrasonic pulse obtained by such an ultrasonic vibrator is
As shown in the figure, the envelope a becomes gentle. For this reason, the propagation time is measured by setting a comparison level l when measuring the propagation time and measuring the time when the ultrasonic pulse exceeds this comparison level l. If the image width of the pulse (specific wave) that first exceeds the comparison level l changes, a measurement error will occur.

(1)  またこのようなエンベロープ変化等による測
定誤差を除くために比較レベルlを低く設定すると、ノ
イズ等の影響を受けやすくなるのみならず、レベルhを
有する超音波パルスの音響エネルギーも無駄になる。
(1) Furthermore, if the comparison level l is set low in order to eliminate measurement errors due to envelope changes, etc., not only will it be more susceptible to the effects of noise, etc., but the acoustic energy of the ultrasonic pulse with level h will also be wasted. Become.

(■)  ’iた立上りの鋭い超音波パルスを用いてエ
ンベロープ変化等による測定誤差除くためには超音波振
動子に瞬間的に高電圧を印加する必要があるが、このた
めには回路の設計を工夫する必要がある。さらにこの場
合、回路が複雑になると共に回路素子に高電圧が印加さ
れるから回路素子の信頼性が低下し、かつ高い電圧を用
いることがら防爆の点でも好ましいものではない。
(■) In order to eliminate measurement errors due to envelope changes using ultrasonic pulses with a sharp rise, it is necessary to instantaneously apply a high voltage to the ultrasonic transducer. It is necessary to devise ways to Furthermore, in this case, the circuit becomes complicated and the reliability of the circuit elements decreases because a high voltage is applied to the circuit elements, and since high voltage is used, it is not preferable from the point of view of explosion protection.

一方、上述した測定方法と異なる測定法の1つとして連
続波を用いる位相差法も知られているが、このような位
相差法は以下に述べるような欠点がある。
On the other hand, a phase difference method using continuous waves is also known as a measurement method different from the above measurement method, but such a phase difference method has the following drawbacks.

(V)  連続波を用いて伝播時間を測定しているから
、前記(11>式に示す伝播時間差T1− T2を求め
るための搬送波が必要であり、かつこの搬送波の周波数
震動により測定誤差が生じる。
(V) Since the propagation time is measured using a continuous wave, a carrier wave is required to obtain the propagation time difference T1-T2 shown in equation (11) above, and measurement errors occur due to frequency vibration of this carrier wave. .

((資)さらに、前記(3)式にあるような超音波パル
スの伝播時間T1、T2を個々に求めることができない
((Source) Furthermore, the propagation times T1 and T2 of the ultrasonic pulses as shown in equation (3) above cannot be determined individually.

この発明は上記の点に能み、前記(II〜(鴇に示す欠
点を除くことができると共に、超音波パルスの伝播時間
T1、T2を高い精度で求めることができる超音波流量
計を提供するもので、搬送信号を所定の変調信号でP&
幽シた被変調信号で前筒超音波送受波器の一方を駆動し
、これにより得られる超音波を鼾紅超音波送受波器の他
方で受信して受信信号を得、この受信信号および前記変
調信号からこの変調信号の自己相関関数を求め、この自
己相関関数に基づいて流体の流速、流量を求めることを
特徴としている。
The present invention solves the above points and provides an ultrasonic flowmeter that can eliminate the drawbacks shown in (II) to (1) above and can determine the propagation times T1 and T2 of ultrasonic pulses with high accuracy. The carrier signal is P &
One side of the front tube ultrasonic transducer is driven with a faintly modulated signal, and the resulting ultrasonic wave is received by the other side of the Ninghong ultrasonic transducer to obtain a received signal, and this received signal and the above-mentioned It is characterized in that the autocorrelation function of the modulation signal is determined from the modulation signal, and the flow rate and flow rate of the fluid are determined based on this autocorrelation function.

以下この発明の一実施例を図面にしたがって説明する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第3図はこの発明による超音波流量計の第1実施例を示
すブロック図である。この図において、4は一定周波数
の搬送信号を発生する発振器であシ、この発振器4の出
力(!R送信号81)はKllliIlづいて…J鍔己
搬送イ邑号S1を変調(汐りえば、FM変尚)するもの
であり、この変調器5の出力(駆動信号83)は送信回
路6に供給される。送信回路6は前記駆動信−963を
増幅するものであシ、この増幅動作により得られた躯動
酢圧をスイッチ7を介して一方の超音波送受波器1aに
供給し、同超音波送受波器1aから超音波を送信させる
。一方、超音波送受波器1bによシ受信された超音波は
同超音波送受波器1bによシ対応する受信信号に変換さ
れた後に、スイッチ7を介して受信回路8に供給される
。受信回路8は前記受信信号を増幅するものであシ、こ
の受信回路8の出力(イハ号s4)は腹調器9に供給さ
れる。復調器9は前記信g84を復調するものであり、
この復調器9の出力(復調信号s5)は演算器10に供
給される。
FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. In this figure, 4 is an oscillator that generates a carrier signal of a constant frequency, and the output of this oscillator 4 (!R transmission signal 81) modulates the carrier signal S1 according to KlliIl (!R transmission signal 81). , FM conversion), and the output of this modulator 5 (drive signal 83) is supplied to the transmitting circuit 6. The transmitting circuit 6 is for amplifying the drive signal -963, and supplies the rotational pressure obtained by this amplification operation to one of the ultrasonic transducers 1a via the switch 7, and transmits and receives the same ultrasonic waves. Ultrasonic waves are transmitted from the transducer 1a. On the other hand, the ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer 1b is converted into a corresponding reception signal by the ultrasonic transducer 1b, and then supplied to the receiving circuit 8 via the switch 7. The receiving circuit 8 is for amplifying the received signal, and the output of this receiving circuit 8 (Iha signal s4) is supplied to the abdominal tone adjuster 9. The demodulator 9 demodulates the signal g84,
The output of this demodulator 9 (demodulated signal s5) is supplied to an arithmetic unit 10.

演算益工0は前記変調信号S2と復調信号S5とを乗算
し、この乗算結果の平均値を求めて変調4Aqszの自
己相関関数を求めるものであシ、この演算器10の演算
結果(流速V)は出力端子11から出力される。すなわ
ちここで、^IJ記変詞信号S2を優(1)とずれば後
胴イd号S5はm(t−τ)で衣わされるから、演泗、
器10で得られる自己相関関数ψ(りは、 となる。ここで、変調信号S2が、例えばクロック周期
(疑似乱数を示すパラメータ)がt。、くり返しを示す
信号周期がNであるM系列の信号であれば、演算器10
において得られる自己相関間aVr(r>は、時面差で
か(k −N  l ) ’ t7 で= (k−N−
1−1)・t、/7J範囲にある時に、但し、kは整数
The calculation gain 0 is to multiply the modulation signal S2 and the demodulation signal S5 and calculate the average value of the multiplication results to obtain the autocorrelation function of the modulation 4Aqsz. ) is output from the output terminal 11. That is, here, if the ^IJ notation signal S2 is shifted from Yu (1), the rear trunk ID number S5 is changed to m (t - τ), so the performance,
The autocorrelation function ψ (ri) obtained by the device 10 is as follows.Here, the modulation signal S2 is an M-sequence whose clock period (parameter indicating a pseudo-random number) is t, and the signal period indicating repetition is N. If it is a signal, the arithmetic unit 10
The autocorrelation interval aVr(r> obtained at
1-1)・t, when in the /7J range, where k is an integer.

となり、時間差τが上記範囲外の時に、ψ(τ)=−一
            ・・・・・・(6)となる。
When the time difference τ is outside the above range, ψ(τ)=−1 (6).

したがって、このように&IAI信号S2を選べば、こ
の変調信号S2の自己相関関数V(τ)l=を第4図に
示すような特性を示す。すなわちここで、クロック周期
tいfエサ周期Nを、 (N−1)t、(T、(ato      ・・・・・
・(7)なる式を満すように選べば、測定によって得ら
れた自己相関関数F(τ)の値および前記(5)式から
一方の超音波伝播時間T1を求めることができる。
Therefore, if the &IAI signal S2 is selected in this manner, the autocorrelation function V(τ)l= of the modulated signal S2 exhibits the characteristics shown in FIG. That is, here, the clock period tf bait period N is (N-1)t, (T, (ato...)
- If the value is selected to satisfy the equation (7), one ultrasonic propagation time T1 can be determined from the value of the autocorrelation function F(τ) obtained by measurement and the equation (5).

芒らにこの例では、超音波伝播時間T1が前記(7)式
で示す範囲にあれば、(5)式から明らかなようにこの
時の自己相関関数F (T、)は変数Nto−1゜に対
し直線的に変化するから、自己相関関数W(T1)が求
まれば、この自己相関関数F (T、)から超音波伝播
時間T、を容易に求めることができる。
In this example, if the ultrasonic propagation time T1 is within the range shown by equation (7) above, as is clear from equation (5), the autocorrelation function F (T,) at this time is the variable Nto-1. Since it changes linearly with respect to .degree., once the autocorrelation function W(T1) is found, the ultrasonic propagation time T can be easily found from this autocorrelation function F(T,).

また、自己相関関数ψ(r)は時間差τがO〜(N−1
) toの範囲にある時にその値が−+と一定であり、
(N−1)t0〜N toの範囲にある時に大きな利得
を持つ。このように、自己相関関数す’(T、)Gj(
N−1)td7)オフセットを持っているから、時間測
定の精度を^めることかでき、超音波伝播時間T、を高
い精間で求めることができる。またスイッチ7を切換え
れは、上述した超音波伝播時間T1と同様にして逆方向
の超音波伝播時間T2を求めることができる。
Furthermore, the autocorrelation function ψ(r) has a time difference τ of O~(N-1
) When in the range of to, its value is constant at -+,
It has a large gain when it is in the range of (N-1)t0 to Nto. In this way, the autocorrelation function S'(T,)Gj(
N-1) td7) Since it has an offset, the accuracy of time measurement can be improved, and the ultrasonic propagation time T can be determined with high accuracy. Furthermore, by switching the switch 7, the ultrasonic propagation time T2 in the opposite direction can be obtained in the same manner as the ultrasonic propagation time T1 described above.

次に、具体的な数値を用いてこの発明による超音波流鎮
計における積分期間Tについて考察する。
Next, the integration period T in the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be discussed using specific numerical values.

まずこの発明においては、前記(4)式に示すように積
分期間Tを無限大とすることによシ変調信号S2の自己
相関関数を求めるようになっているが、実際の積分は有
限区間(有限期間)TI:行なわれるからこの場合の自
己相関関数すfl(τ)は真値F(τ)に対して誤差を
持つものとなる。
First, in this invention, the autocorrelation function of the modulated signal S2 is determined by setting the integration period T to infinity as shown in equation (4) above, but the actual integration is performed over a finite interval ( (finite period) TI: Therefore, the autocorrelation function Sfl(τ) in this case has an error with respect to the true value F(τ).

以下この誤差と積分期間T0との関係について述べる。The relationship between this error and the integration period T0 will be described below.

まず、自己相関関数r′(τ)の期待値E(F’(τ)
〕は、なる式で力先られ、かつこの時の分散Var(V
r’(τ)〕は、 (@「  ・・・・・・(9) 3N2     。
First, the expected value E(F'(τ) of the autocorrelation function r'(τ)
] is given by the formula, and the variance Var(V
r'(τ)] is (@"...(9) 3N2.

なる式で与えられる。したがってここで1. 7XlO
’ +tp<τ)−E(ψ′(τ)) l 、S7 V’a
r (バカ(−1−とすれば、前記(8)式からto/
 To< 3.5 X I Cr0E得られ、前記(9
)式から%/To<JIXIO’″8が得られる。した
がって積分期間T。は、 t。
It is given by the formula. Therefore, here 1. 7XlO
'+tp<τ)-E(ψ'(τ)) l , S7 V'a
If r (baka(-1-), then to/
To < 3.5 X I Cr0E was obtained, and the above (9
) formula gives us %/To<JIXIO'″8. Therefore, the integration period T. is t.

”0〉8 X I O””         ”’ ”
”°1とカシ、特に信号周期NがN=127の場合は、
TO>105 、To       −・・・・(11
)但し、Toは超音波伝播時間 となる。したがってここで、管路2(第1図参照)の管
径をD=25朋とすれば積分期間1は、T、>1.s 
(s v: a )       ・・・・・・(12
)、となる。この(認)式から明らかなように積分期間
Toは十分小さく実用的な値である。
"0>8 X I O"""'"
``°1 and oak, especially when the signal period N is N=127,
TO>105, To −・・・(11
) However, To is the ultrasonic propagation time. Therefore, if the pipe diameter of the pipe line 2 (see FIG. 1) is D=25 mm, the integral period 1 is T,>1. s
(s v: a) ・・・・・・(12
), becomes. As is clear from this equation (confirmation), the integration period To is a sufficiently small and practical value.

次に、具体的な数値を用いてこの発明による超音波流量
計で必要な分解能と従来の超音波流量計で必要な分解能
との差異について考案する。まず従来の超音波流1計で
必要と姑れる分解能について述べる。従来の超音波流量
計における超音波伝播時間T。は、前記(1)式および
(2)式からとなる。また前記(8)式において、T2
−TI=δTとおけば、 sin 2θ J T = −・V −T、・T。
Next, using specific numerical values, we will consider the difference between the resolution required for the ultrasonic flowmeter according to the present invention and the resolution required for a conventional ultrasonic flowmeter. First, we will discuss the resolution that is insufficient for a conventional ultrasonic flow meter. Ultrasonic propagation time T in a conventional ultrasonic flow meter. is obtained from equations (1) and (2) above. In addition, in the above formula (8), T2
If −TI=δT, sin 2θ J T = −・V −T,・T.

一゛“2θ・V−T2      ・・・・・・(14
)丁−Tm  〇 が得られる。したがって、超音波伝播時間Tx、 T2
を面接求める場合に必要な分解能δT/T 0は、とな
る。ここで超音波の入射角θを22°、流体3中の音速
011450m/8、流体3の流i[Vを1crnとす
れば(15)式に示す分解能δT/T 0は、扛、5 
X I 0−cI−0,−(16)c となる。
1゛“2θ・V-T2 ・・・・・・(14
) Ding-Tm 〇 is obtained. Therefore, the ultrasound propagation time Tx, T2
The resolution δT/T 0 required for interviewing is as follows. Here, if the incident angle θ of the ultrasonic wave is 22°, the sound velocity in the fluid 3 is 011450 m/8, and the flow i [V of the fluid 3 is 1 crn, then the resolution δT/T 0 shown in equation (15) is
XI0-cI-0,-(16)c.

一方、この発明による超音波流量計においては、超音波
伝播時間T0は、 ’rcytit、            −譬・−(
17)で与えられる。したがって、この幹多式および前
記(至)式、に)式から超音波伝播時間T1、T2を求
める場合に必要表分解能δT / t、は、 となる。すなわち、この超音波流1.計においては、(
89周周期の分だけ必要な分解能を低くすることができ
る。例えば、信号周期N’IN=127とすると、この
時の分解能δT/loGま、δT −堀7 X I O−’          ”−’−
(19)0 となる。
On the other hand, in the ultrasonic flowmeter according to the present invention, the ultrasonic propagation time T0 is
17). Therefore, when calculating the ultrasonic propagation times T1 and T2 from this trunk polymorphism and the above formulas (to) and (2), the required table resolution δT/t is as follows. That is, this ultrasonic flow 1. In total, (
The required resolution can be lowered by 89 cycles. For example, if the signal period N'IN=127, the resolution at this time is δT/log, δT - Hori 7 X I O-'”-'-
(19) becomes 0.

このように、この超音波流量計においては、タイムベー
ス(クロック周JuJ)t、tニー必要な精度まで分解
すれば、比較的容易に必g!精度で超音波伝播期間T1
、T2を求めることができる。
In this way, in this ultrasonic flowmeter, if the time base (clock frequency JuJ) t, t knee is broken down to the required accuracy, it is relatively easy to obtain the required g! Ultrasonic propagation period T1 with precision
, T2 can be obtained.

なおこの実施例においては伝播期間T1が(N−1) 
t、0(T、<、N−toとなるように、すなわちこの
伝播時間T、が変調信号S2の周期と一致するようにク
ロック周期t。、信号周期Nの俗情を設定しているが、
この伝播時間T1がN t、の任意の整数倍付近にくる
ようにクロック周期ち、信号周期Nの俗情を設定しても
良い。
Note that in this embodiment, the propagation period T1 is (N-1)
The clock period t and the signal period N are set so that t, 0(T, <, N-to, that is, this propagation time T matches the period of the modulation signal S2. ,
The clock period and the signal period N may be set so that the propagation time T1 is approximately an arbitrary integral multiple of Nt.

第5図はこの発明による超音波流1.計の第2実凡例を
示すブロック図である。この図において、12は発振器
4により得られた搬送信号S1を変調する変調器であシ
、この変!IMI器12は端子13を介して供給される
変調信号82mに基づいて搬送信号81をIFM変調し
、これにより得られた駆動信号83a(この駆動信号5
31Lは周波数fhighの信号と周波数’LOWの信
号とが交互に組合わされたものである)を混変調回路1
4に供させる。一方、超音波流送受波器1bによシ受信
された超音波はここで対応する受信信号に変換された後
に、スイッチ7、受信回路8を順次介して混変調101
路14に供給される。混変調回路14は)j11記駆動
(M号S3aと、前記受信回路8を介して供給される信
号84aとを混合するものであり、混合によって得られ
たビート信号s6をカウンタ15に供給する。ここで前
記駆動信すS3aが例えば第6図(イ)に示すものであ
り、かつ信+384aが同図(ロ)に示すものであれば
、このビート信号S6の周波数は、駆動信号83aの周
波数と信号S4aの周波数とが同じ時に零、また異なる
時にはfhigh −fLowとなるから、カウンタ1
5に供給されるヒート信号s6は第6図(ハ)に示すも
のとなる。すなわち、カウンタ15にはこれら駆動信号
S3aと信号S4aとの位相差(超音波伝播時間)Tセ
よび駆動信号S3 の周波数差f highfLOWに
比例したパルス列のビート信号s6が供給される。した
がって、カウンタ15の計数結果はL−ψ“(T1)に
比例するものとなり、このカウンタ15の計数結果は演
算器10aに供給される。
FIG. 5 shows the ultrasonic flow 1 according to the present invention. FIG. 3 is a block diagram showing a second example of the total. In this figure, 12 is a modulator that modulates the carrier signal S1 obtained by the oscillator 4. The IMI device 12 performs IFM modulation on the carrier signal 81 based on the modulation signal 82m supplied via the terminal 13, and the drive signal 83a obtained thereby (this drive signal 5
31L is a signal in which a signal with a frequency fhigh and a signal with a frequency 'LOW are alternately combined) into the intermodulation circuit 1.
4. On the other hand, the ultrasonic wave received by the ultrasonic wave transmitter/receiver 1b is converted into a corresponding reception signal here, and then sequentially passed through the switch 7 and the reception circuit 8 to the cross-modulation 101.
14. The cross-modulation circuit 14 mixes the driving signal (M number S3a) and the signal 84a supplied via the receiving circuit 8, and supplies the beat signal s6 obtained by the mixing to the counter 15. Here, if the drive signal S3a is as shown in FIG. 6(A), and the signal +384a is as shown in FIG. 6(B), the frequency of this beat signal S6 is the frequency of the drive signal 83a. Since it is zero when the frequency of the signal S4a and the frequency of the signal S4a are the same, and fhigh - fLow when they are different, the counter 1
The heat signal s6 supplied to 5 is as shown in FIG. 6(c). That is, the counter 15 is supplied with a pulse train beat signal s6 proportional to the phase difference (ultrasonic propagation time) T between the drive signal S3a and the signal S4a and the frequency difference fhighfLOW of the drive signal S3. Therefore, the count result of the counter 15 is proportional to L-ψ"(T1), and the count result of the counter 15 is supplied to the arithmetic unit 10a.

演算器10aは前記計数結果から超音波伝播時間T、を
求めると共に、この超音波伝播時間T1とスイッチ7を
切換えて得られる超音波伝播時間T2とがら流速■を求
めるものである。
The arithmetic unit 10a determines the ultrasonic propagation time T from the counting results, and also calculates the flow velocity (2) from this ultrasonic propagation time T1 and the ultrasonic propagation time T2 obtained by switching the switch 7.

コ(7)j5km、2つの周波数fltigh 、 f
lowをINいた場合においても、カウンタ15の引数
結果から等価的に自己相関関数F(τ)を求めることが
できる。
(7) j5km, two frequencies fltigh, f
Even when low is set to IN, the autocorrelation function F(τ) can be equivalently determined from the argument result of the counter 15.

またこの場合、混変調回路14に代えて周波数比較器を
用い、この周波数比較器の出力を積分しても同様の測定
結果が得られる。
Furthermore, in this case, similar measurement results can be obtained by using a frequency comparator instead of the intermodulation circuit 14 and integrating the output of this frequency comparator.

第7図はこの発明による超音波流量計の第3実施例を示
すブロック図である。なおこの図において、第3図の各
部と対応する部分には同一の符号が付しである。この図
において、16は回路校正…のスイッチであシ、このス
イッチ16は所定の時聞間隔毎にあるいは任意のタイミ
ングで、その共通接点16aと接点16bとが接続され
る。これにより、このスイッチ16を介してfpA信号
S2が演算器10に供給され、この演算器10において
この時の自己相関関数数W (o)が求められる。
FIG. 7 is a block diagram showing a third embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. In this figure, parts corresponding to those in FIG. 3 are given the same reference numerals. In this figure, 16 is a switch for circuit calibration, and the common contact 16a and the contact 16b of this switch 16 are connected at predetermined time intervals or at arbitrary timing. As a result, the fpA signal S2 is supplied to the arithmetic unit 10 via the switch 16, and the autocorrelation function number W(o) at this time is determined in the arithmetic unit 10.

ここで、この変調信号S2が、例えば前述したM系列信
号である場合には自己相関関数F (0)はf(0)=
1となるから、このllf (o)= 1を用いて演n
器10を構成している自己相関関数数39.回路や積分
回路等を較正することができる。
Here, if this modulation signal S2 is, for example, the aforementioned M-sequence signal, the autocorrelation function F (0) is f (0) =
1, so using this llf (o) = 1, we can calculate n
The number of autocorrelation functions constituting the device 10 is 39. It is possible to calibrate circuits, integration circuits, etc.

第8図はこの発明による超音波流量計の第4実施例を示
すブロック図であり、この図において第う・図の各部と
対応する部分には同一の符号が付しである。この図に示
すように、この超音波流量計においては、スイッチ18
・/を切換えれば、混変調回路13〜演算器10aを較
正することができる。
FIG. 8 is a block diagram showing a fourth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention, and in this figure, parts corresponding to those in FIGS. As shown in this figure, in this ultrasonic flowmeter, switch 18
By switching /, the intermodulation circuit 13 to the arithmetic unit 10a can be calibrated.

また上述した第1〜第4の実施例においては、fly信
号としてM系列の信号を用いているが、これを例えば平
均剰余系列(L系列)、双子素数列、バーガー系列、■
系列等の周期的な擬似ランダム信号あるいは正弦波信号
にしても良い。なおこの場合においても、これらの変調
信号は全てその自己相関関数が周期的に鋭いピークを持
つから前述した場合と同様、時間測定にオフセットをか
けることができる。
Further, in the first to fourth embodiments described above, an M sequence signal is used as the fly signal, but this may be used, for example, as an average remainder sequence (L sequence), a twin prime number sequence, a Berger sequence,
A periodic pseudo-random signal such as a series or a sine wave signal may be used. In this case as well, since the autocorrelation functions of all these modulated signals have periodic sharp peaks, it is possible to apply an offset to the time measurement as in the case described above.

以上説明したようにこの発明による超音波流量6tは、
搬送信号を所定の変調信号で変調して得られる被変調信
号で前記超音波送受波器の一方を駆動し、これに゛よシ
得られる超音波を前記超音波送受波器の他方で受信させ
、これにより得られる受信信号および前記に調信号から
この変調信号の自己相関関数を求め、この自己相関関数
に基づいて流体の流量を求めるようにしたので、以下に
述べるような効果を得ることができる。
As explained above, the ultrasonic flow rate of 6t according to the present invention is
One of the ultrasonic transducers is driven by a modulated signal obtained by modulating a carrier signal with a predetermined modulation signal, and the ultrasonic wave thus obtained is received by the other of the ultrasonic transducers. The autocorrelation function of this modulated signal is determined from the received signal obtained thereby and the modulation signal described above, and the flow rate of the fluid is determined based on this autocorrelation function, so that the following effects can be obtained. can.

(1)超音波送受波器をも含めた回路内の信号が連続波
であることがらAGO(オートゲインコントロール)が
かけ易く、流体内の減衰の影響を受けにくい。
(1) Since the signal in the circuit including the ultrasonic transducer is a continuous wave, it is easy to apply AGO (auto gain control) and is not affected by attenuation in the fluid.

(n)(i+)、変調としてFM変調等を用いれば超音
波振動子の立上り遅れ等に起因する検出ミスをなくすこ
とができる。
(n) (i+) If FM modulation or the like is used as the modulation, detection errors caused by a delay in the rise of the ultrasonic transducer, etc. can be eliminated.

(P/)回路内の信号が連続波であるから超音波振動子
の駆動量比を低くしても大きな音譬パワーが得られると
共に、送信回路も簡単になシ、回路の信頼性を向上逼せ
ることができる。さらにこの場合、低電圧であることか
ら、防爆の点でも有利である。
(P/) Since the signal in the circuit is a continuous wave, large acoustic power can be obtained even if the drive amount ratio of the ultrasonic transducer is low, and the transmitter circuit can also be simplified, improving the reliability of the circuit. It can be closed. Furthermore, in this case, since the voltage is low, it is advantageous in terms of explosion protection.

(V)超音波送受波器を駆動する搬送111号の周波数
が変動した場合においても側宇値が変化しないから、麿
送信号を発生する発掘器をf1ij素化することができ
る。なおこの場合、f!I!信号のクロック周3<sl
 tuは測定精度にif接彰響するから、このクロック
周期t、を安定させる必豐があるが、この場合水晶振動
子等を用いれば良い。
(V) Even when the frequency of the carrier No. 111 that drives the ultrasonic transducer changes, the side value does not change, so the excavator that generates the transmission signal can be converted to f1ij. In this case, f! I! Signal clock frequency 3<sl
Since tu affects measurement accuracy, it is necessary to stabilize the clock period t, but in this case, a crystal oscillator or the like may be used.

(VO超音波伝播時間T1、T2を各々個別に求めるこ
とができる。
(The VO ultrasound propagation times T1 and T2 can be determined individually.

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

第1図は、一般的な超音波流量計の基本構成例を示す図
、第2図は第1図を説明するための波形図、第3IAは
この発明による超音波流量計の第1実施例を示すブロッ
ク図、第4図は第5図を説明するための特性図、第5図
はこの発明による超音波流量計の第2実施例を示すブロ
ック図、第6図は第5図を説明するための波形図、第7
図はこの発明による超音波流量針の第3実施例を示すブ
ロック図、第8図はこのつ6明による超音波流量11゛
の第4実施!jを示すブロック図である。 la、lb・・・・・超音波送受波器、2・・・・・管
Nir、3流体、5.5a・・・・・ 変調器、9 ・
・−・・復調eH110,10a・・・・・演算器、1
4・・・・・混変訓回路、15・・・・・カウンタ。
Fig. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of a general ultrasonic flowmeter, Fig. 2 is a waveform diagram for explaining Fig. 1, and Fig. 3IA is a first embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. 4 is a characteristic diagram for explaining FIG. 5, FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention, and FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining FIG. 5. Waveform diagram for
The figure is a block diagram showing a third embodiment of the ultrasonic flow rate needle according to the present invention, and FIG. FIG. la, lb...Ultrasonic transducer, 2...Tube Nir, 3 fluid, 5.5a...Modulator, 9
... Demodulation eH110, 10a ... Arithmetic unit, 1
4...Conversion training circuit, 15...Counter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 管路に対して斜めに対向配置された超音波送受波器間で
送受信される超音波の伝播時間から前記管路内を流れる
流体の流速、流量を求める超音波流量計において、搬送
信号を所定の変調信号で賀詞した被変調信号で前記超音
波送受波器の一方を駆動し、これによシ得られる超音波
を前記超音波送受波器の他方で受信して受信信号を得、
この受信信号および前記変調信号からこの変調イ6号の
自己相関関数を求め、この自己相関関数に基づいて前記
流体の流速、流量を求めることを特徴とする超音波流量
針。
In an ultrasonic flowmeter that determines the flow rate and flow rate of fluid flowing in a conduit from the propagation time of ultrasonic waves transmitted and received between ultrasonic transducers disposed diagonally opposite to the conduit, a carrier signal is set to a predetermined value. Driving one of the ultrasonic transducers with a modulated signal modulated by the modulated signal, and receiving the resulting ultrasonic waves at the other of the ultrasonic transducers to obtain a reception signal,
An ultrasonic flow needle characterized in that an autocorrelation function of this modulation I6 is determined from the received signal and the modulation signal, and the flow velocity and flow rate of the fluid are determined based on this autocorrelation function.
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