JPS6023701Y2 - 超音波式測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、超音波を用いて流量もしくは流速を測定する
超音波式測定装置に関する。

一対の超音波トランスジューサを用い、各トランスジュ
ーサに交互に送信と受信とを行なわせ、超音波パルスを
流体の流れに対して順方向に発射させた際の被測定流体
中での伝搬時陣、と逆方向に発射させた際の被測定流体
中での伝搬時間ｔ２とをそれぞれ周波数ｆ１．ｆ２に変
換し、その周波数差△ｆ（＝ｆ１−ｆ２）を測定し、こ
の周波数差△ｆから被測定流体の流量を測定するように
した所謂ＰＬＬ方式の超音波流量計が特開昭４７−３７
４６３号によって既に提案されている。

第１図はこの特開昭４７−３７４６３号に開示された装
置の原理構成図である。

この装置は、２つの電圧制御続発振器３１．３２を有す
る発振器群３０と、この発振器３１．３２の発振出力を
計数する制御論理カウンタ３５と、比較器３６とを備え
ている。

制御論理カウンタ３５は、発振器３１．３２の発振出力
を設定値Ｎまて計数したら比較器３６に計数終了信号を
送ると共に、ダイオード６５．６６を介してトランスジ
ューサ４２，４４を励振する励振パルスを発生する。

また、モード信号ＡＥ、 ＢＥを発生し、スイッチ３３
，３４，３７，３８，４７，４８を制御する。

スイッチ３３．３７．４８はモード信号渾が発生されて
いる間オン制御され、一方スイッチ３４．３８．４８は
モード信号ＢＥが発生されている間オン制御される。

トランスジューサ４２゜４４はそれぞれ取付要素４１．
４３を介して被測定流体の管路５０の外側に取付けられ
ている。

取付要素４１，４３および管路５０には貫通孔４５．４
６がそれぞれ形成され、各トランスジューサ４２．４４
が直接的に被測定流体に接するようにされている。

モード信号ＡＥが発生され、スイッチ３３，３７．４８
がオンにされると、発振器３１の発振出力がカウンタ３
５に計数され始めると同時に、このカウンタ３５の電気
パルス発生端子から発生される電気パルスによりダイオ
ード６５を介してトランスジューサ４２が励振される。

カウンタ３５が発振器３１の発振出力を設定値Ｎまで計
数すると、計数終了信号が比較器３６に与えられる。

一方、トランスジューサ４４の受信信号はスイッチ４８
、増幅器４９を介して比較器３６に与えられる。

比較器３６は両信号の時間差を検出し、この時間差が零
になるように、スイッチ３７を介して発振器３１の発振
周波数を変化させる。

次に、モード信号ＢＥが発生され、スイッチ３４．３８
゜４７がオンにされ、同様にして、今度はトランスジュ
ーサ４４が送信トランスジューサに制御される。

このようにして、発振器３２も比較器３６によって発振
周波数を変えられる。

しかして、発振器３１の発振周波数と発振器３２の発振
周波数との差を周波数差回路３９により検出することに
より、被測定流体の流速を測定することができる。

この流速に基づいて、流速もしくは流量を表示器４０に
表示させる。

ところで、超音波流量計の個有の問題として、被測定流
体の管路の外側に一対のトランスジューサを取付要素を
介して装置する場合に、超音波パルスが管路および取付
要素を介して伝搬されるため、その管路および取付要素
内での遅延時間γが上述の伝搬時間”１ｔ”ｚにプラス
された形で測定が行なわれるという問題があった。

しかも、その管路および取付要素内での遅延時間τはそ
の材質、肉厚等によって異なる。

そこで、このような管路および取付要素内での遅延時間
τが伝搬時陣□？ ｔ２にプラスされるのを避けるため
に、上述した特開昭４７−３７４６３号においては、管
路および取付要素に貫通孔をそれぞれ明け、トランスジ
ューサが被測定流体に接触するようにそのトランスジュ
ーサを管路に装着するようにしている。

このような特開昭４７−３７４６３号によれば、確かに
、遅延時間Ｔが伝搬時間（，２にプラスされるのを避け
ることができるが、しかしながら次のような別の問題点
が露呈される。

まず、第１に、管路に取付孔を明けなければならないた
め、既にプラント等に配管されている既存の管路に対し
て適用できないことである。

取付孔が明けられた管路をプラントに新らしく配管する
ためには、プラントの運転を一旦停止させなければなら
ない。

次に、第２に被測定流体が攻撃性（腐蝕性）流体である
場合、トランスジューサがこの流体によって悪影響を受
け、好ましくない。

一方、このような問題点を解決するために、遅延時間γ
を除却するようにした超音波流量計もたとえば特公昭４
６−４３０５号によって提案されている。

第２図はこの特公昭４６−４３０５号に開示された装置
の原理構成図である。

この装置は、被測定流体の管路５９と、この管路の外側
に流れ方向に対して所定の角度をもって取付要素６１．
６３より装置され超音波パルスを送受信する一対のトラ
ンスジューサ６２．６４と、この送信トランスジューサ
に切換スイッチ６５を介して超音波パルスを印加する超
音波パルス発生器５１と、この超音波パルス発生器５１
から超音波パルスを受けて始動し、受信トランスジュー
サからの受信パルスを受けて停止するパルスカウンタ５
４と、このパルスカウンタ５４の出力を入力とする計算
回路５５とを備え、超音波パルス発生器５１とパルスカ
ウンタ５４との間に、超音波パルスが一対のトランスジ
ューサ６２．６４間を伝搬する管路５９内の流体以外を
伝搬するに要する時間（遅延時間Ｔ）と等しい遅延時間
Ｔｄを有する遅延回路６０を介挿するようにしている。

なお、第２図において、５２は切換スイッチ６５を制御
するスイッチング回路、５３は計数パルス発生回路、５
８は増幅器、５６はＤ−Ａコンバータ、５７は指示計で
ある。

このような第２図に示した超音波流量計、特に超音波パ
ルス発生回路５１とパルスカウンタ５４との間に、パル
スカウンタ５４の始動を遅延させる遅延回路６０を設置
した超音波流量計によれは、上述した遅延時間τを除去
することができると考えられていた。

ところが、本考案者等が第２図に示した超音波流量計に
ついて模擬的に試作し、流量測定の実験を行なったとこ
ろ、測定値に相変わらず誤差が含まれることがわかった
。

本考案者等はこの誤差の原因について種々の検討を行な
った結果、この誤差の原因が次のような理由に起因して
いることを見出した。

つまり、遅延回路６０を超音波パルス発生回路５１とパ
ルスカウンタ５４との間に配置していることが原因とな
っている。

すなわち、この理由について第３図の動作波形図を用い
て説明する。

第３図において、Ａは計数パルス発生回路５３の出力波
形図、Ｂは超音波パルス発生回路５１の出力波形図、Ｃ
は増幅器５８の出力波形図、Ｄは遅延回路６０の出力波
形図、Ｅはパルスカウンタ５４の動作時間を表わす波形
図である。

しかして、超音波パルス発生器５１から超音波パルスＢ
が発生されると、切換スイッチ６５を介してたとえばト
ランスジューサ６２が励振されると同時に、遅延回路６
０が付勢される。

遅延時間τｄ経過後、遅延回路６０の出力信号が終了し
、パスカウンタ５４が動作を開始する。

ところで、カウンタには、計数パルスの立上がりもしく
は立下がりで１歩進するもの、あるいは計数パルスが“
）（ｉ ９９状態もしくは“Ｌｏｗ“状態になると１歩
進するものがあり、ここではたとえばパルスカウンタ５
４として計数パルスＡの立上がりで１歩進するカウンタ
を用いるとする。

その場合には、パルスカウンタ５４は、遅延時間γｄが
時点ｔ３０で終了したのにも拘らず、期間ｔｌＯ経過後
の計数パルスの立上がりまで、パルスカウンタ５４は動
作を開始しない。

そのため、第３図の例では、期間ｔｌｏだけ測定誤差と
なる。

このことは、遅延時間ｙｄをどんなに正確に遅延時間Ｔ
に一致させておいても、期間ｔ１０という測定誤差が生
じることを意味している。

遅延時間ｒｄの終了時点ｔ３０が計数パルスＡの２つ目
のパルスの立上がりの後に生じる場合にはパルスカウン
タ５４はその３つ目のパルスの立上がりまで動作を開始
しないので、終了時点ｔ３０には関係なく、計数パルス
Ａの１つの周期Ｔ１ｏだけ期間ｔｌｏは最大になり得る
。

このことは同様に、増幅器５８の出力パルスＣの発生時
点ｔ４０についてもいえることである。

すなわち、時点ｔ４０でパルスカウンタ５４は動作を停
止すべきであるが、その時点ｔ４０から期間ｔ２０ｉ過
後の計数パルスＡのパルスの立上がりまで動作を続ける
。

従って、この期間ｔ２０が測定誤差となる。

この期間ｔ２０は計数パルスＡの１つの周期Ｔ２ｏに最
大なり得る。

期間ｔｌＯと期間ｔ２０とが等しくなれば、それらの測
定誤差はキャンセルされることになるが、遅延時間τｄ
（すなわち遅延時間τ）は、上述したように、管路５９
および取付要素６１．６３の材質および肉厚等により異
なり、また増幅器５８の出力パルスＣの発生時点ｔ４０
は被測定流体の流速によって常時変動し、従って期間ｕ
Ｏと期間ｔ２０とを等しくさせることは不可能である。

ところで、計数パルスＡの発振周波数をたとえば２ＭＨ
ｚに設定すると、その周期Ｔ。

は約０．５μｓとなる。ところが、たとえば管路５９の
口径が３００φで、流速が１ ｒｒｒｍ／ Ｓの場合に
は、順方向伝搬時間ｔ１と逆方向伝搬時間もとの差Δｔ
は非常に小さく、ナノセカンド（ｎｓ ： １Ｏ−９Ｓ
）以下のオーダである。

このような極く僅少な時間差に対して、上述の如く最大
約０．５ｐ、 ｓ （周期Ｔ１ｏ、Ｔ２ｏに相当）の測
定誤差が生じることは、全く実用に供せないことを意味
する。

なお、１ｒＩＩ！ＩＬ／Ｓの分解能を得るためには、計
数パルスＡの発振周波数を１０００ＭＨｚ以上に巳なけ
ればならないが、このような発振周波数は現在の電子回
路技術では得るのが困難である。

このように、超音波パルス発生回路５１とパルスカウン
タ５４との間に遅延回路６０を介挿するという技術的思
想は、一見非常に有効であるように見えるが、実際には
実用に供せないものである。

次に、特公昭４６−４３０５号の技術的思想が実用に供
せないことは黙認して、この特公昭４６−４３０５号の
超音波流量計と上述した特開昭４７−３７４６３の超音
波流量計との組合せについて検討する。

すなわち、第１図に原理構成を示した特開昭４７−３７
４６３号において、被測定流体の流れる管路およびトラ
ンスジューサの取付要素として貫通孔が明けられていな
いものを使用し、トランスジューサが被測定流体に接し
ないようにする。

ところが、このようにした場合には、前述したように、
その管路および取付要素での遅延時間γが発生するので
、この遅延時間τを除去するために、特公昭４６−４３
０５号の技術的思想を用いることにする。

しかして、この特公昭４６−４３０５号の技術的思想は
かかる遅延時間Ｔを除去するために、超音波パルス発生
器とパルスカウンタとの間に遅延回路を介挿する点にあ
るのであるから、この技術的思想を特開昭４７−３７４
６３号に組込んで得られる構成は第４図の如くなる。

すなわち、第４図においては制御論理カウンタ３５の２
つのトランスジューサ４２，４４励振用電気パルス発生
端子とこのカウンタ３５の入力側との間に遅延回路６０
が介挿される。

この第４図の構成を持つ超音波流量計は、発振器３１゜
３２の一方の発振出力の１つのパルスによってそのカウ
ンタ３５が付勢されると、電気パルス発生端子から発生
された電気パルスによってトランスジューサ４２．４４
の一方が励振されると共に、遅延回路６０が駆動されこ
の遅延回路６０によってカウンタ３５の計数動作が遅延
時間Ｔｄの開停止させられる。

ところで、第４図の構成においても、電気パルス発生端
とカウンタとの間に遅延回路を介挿している以上、第３
図で特公昭４６−４３０５号について説明した欠点を有
していることは明らかである。

ところが、本考案者等の種々の検討によれば、単純に第
１図の構成（特開昭４７−３７４６３）と第２図の構ｔ
ｊ、（特公昭４６−４３０５）とを組合わせた第４図の
構成においては、かかる欠点とは別の欠点が呈されるこ
とが判明した。

以下に、その欠点について説明する。

後で詳細に説明するように、第４図において、超音波の
被測定流体中での伝搬時間１１ （順方向）、ｔ２（逆
方向）とし、かつ超音波の管路５９、取付要素６１．６
３中での遅延時間をＴとすると、トランスジューサ４２
．４４間の伝搬所要時間Ｔ□（順方向）、Ｔ２（逆方向
）は次式で表わされる。

’ｒ１＝ｔ１＋丁 Ｔ２ ＝ ｔ２ ＋ ｒ 一方、発振器３１の発振周波数をり、 （順方向）、発
振器３２の発振周波数をｆ２ （逆方向）とすると、カ
ウンタ３５の計数時間はＮ／ｆ１（順方向）、Ｎ／ｆ２
（逆方向）で表わされ、これらの計数時間に遅延回路
６０の遅延時間ｒｄがプラスされるのであるから、それ
らの合計時間Ｔ＜ （順方向）、Ｔ５ （逆方向）は次
式で表わされる。

Ｔ４＝Ｎ／ｆｔ＋デｄ Ｔ５＝Ｎ／ｆ２＋Ｔｄ ＰＬＬ方式超音波流量計とは、Ｔ、とＴ４が等しくなり
、Ｔ２とＴ５が等しくなるように発振周波数ｆ１．ｆ２
を制御す−るのであるから、次式が得られる。

Ｎ／ｆ１＝ｔｌ＋ｒ−τｄ Ｎ／ｆ２＝ｊ２＋７−τｄ ところで、第３図の説明から明らかなように、遅延時間
としてカウンタ３５に作用する時間は、遅延時間Ｔｄで
はなく、時間（丁ｄ＋ｔｌｏ）である。

この時間は、たとえば第３図の例では、２つのパルスの
計数時間に相当するので、２／ｆ□（順方向）、２／ｆ
２（逆方向）で表わされる。

それゆえ、上述の式は実際には次式のようになる。

Ｎ／ｆ工＝ｔ□＋ｒ ２／ｆｔ Ｎ／ｆｚ＝ｊ２＋丁−２／ｆ２ ここで、遅延時間Ｔは温度依存性が小さくほぼ一定と看
なせるが、一方発振数ｆ１．ｆ２は被測定流体の流速に
よって変化し、また流速が一定の場合でも被測定流体の
温度の変動によって変えられる。

すなわち、被測定流体の流速が一定であっても、温度が
変化すると、被測定流体中での音速が変化するため、伝
搬時間’１９ ”２が変化し、それに応じて発振数ｆ□
、ｆ２が変えられるからである。

因みに、第５図は温度−発振周波数特性図であり、温度
が５℃から４０°Ｃまで３５°Ｃ変化すると、発振周波
数は約１２５ｋ Ｈｚ変化する。

このように発振周波数ｆ１．ｆ２が温度によって大幅に
変化する以上、２／ｆ１，２／ｆ２によって遅延時間Ｔ
をキャンセルすることは不可能であり、大きな測定誤差
を含むことになる。

しかも、同一温度でも、ＰＬＬ方式超音波流量計におい
ては、発振周波数ｆ１と発振周波数ｆ２とは値が異なる
ので、（Ｔ−２／ｆｔ）なる誤差値と（τ−２／ｆ２）
なる誤差値とは異なってしまう。

このように、特開昭４７−３７４６３号の技術に特公昭
４６−４３０５号の技術を組合わせただけでは、超音波
流量計として致命的な欠点を含んでしまうのである。

さらに、第４図の構成に言及する。

上述した式はまた次のように書き直せる。

Ｎ／ｆ１＋２／ｆ１＝（Ｎ＋２）／ｆ□＝Ｎ’／ｆ１＝
ち＋Ｔ＝Ｔ１ Ｎ／ｆ２＋ ２／ｆ２＝ （Ｎ＋ ２ ） ／ｆ２＝Ｎ
’／ｆ２ち＋Ｔ＝＝Ｔ２ つまり、換言すれば、第４図の構成すなわち超音波パル
ス発生端子とカウンタとの間に遅延回路を介挿した構成
は、実際には遅延回路６０の遅延時間という概念が完全
に消失し、トランスジューサ４２．４４間の超音波伝搬
時間Ｔ１．Ｔ２を測定するために、カウンタ３５で発振
周波数ｆ１．ｆ２をＮ’（＝Ｎ＋２）個計数しているの
にすぎない。

このような場合には、カウンタ３５の計数時間には当然
遅延時間Ｔが誤差として含まれてしまう。

本考案は、このような点に鑑みてなされ、遅延時間γを
確実に除去できる超音波式流速もしくは流量測定装置を
提供することを目的とする。

このような目的は、本考案によれば、被測定流体の管路
の外側に所定の角度をもって対向設置され、超音波送信
モードと超音波受信モードとに切換制御される一対の超
音波トランスジューサと、送信モードにある前記トラン
スジューサを励振する電気パルス発生回路と、発振周波
数を変化させ得る第１発振器および第２発振器と、前記
第１発振器もしくは第２発振器の発振出力を計数し、こ
の計数値が設定値に達した際に出力信号を発生するカウ
ンタと、前記第１発振器もしくは第２発振器の発振出力
によって駆動され、前記電気パルス発生回路の電気パル
ス発生と前記カウンタの計数動作開始とを同期させる同
期パルス発生回路と、前記カウンタの後に配置され、所
定の遅延時間を前記カウンタの出力信号に与える遅延要
素と、この遅延要素の出力信号と受信モードにある前記
トランスジューサの出力信号とが導かれてこの両出力信
号の時間差を検出腰この時間差が所定の値となるように
前記第１発振器もしくは第２発振器の発振周波数を変化
させる時間差検出回路と、前記一対のトランスジューサ
が送信モードと受信モードとに交互になるように切換制
御を行なうと共に、一方のトランスジューサが送信モー
ドになり他方のトランスジューサが受信モードになると
きには前記同期パルス発生回路が前記第１発振器によっ
て駆動され前記カウンタが前記第１発振器の発振出力を
計数し前記時間差検出回路がこの第１発振器の発振周波
数を変化させ、他方のトランスジューサが送信モードに
なり一方のトランスジューサが受信モードになるときに
は前記同期パルス発生回路が前記第２発振器の発振出力
によって駆動され前記カウンタが前記第２発振器の発振
出力を計数し前記時間差検出回路がこの第２発振器の発
振周波数を変化させるように切換制御を行なう切換回路
と、を備え、前記第１発振器の発振周波数と第２発振器
の発振周波数との差に基づいて前記被測定流体の流速も
しくは流量を求めるようにすることによって遠戚される
。

すなわち、本考案においては、遅延時間τを確実に除去
するために、まずＰＬＬ方式の構成を第１図の従来の構
成とは大幅に異ならせ、そしてその構成においてカウン
タと時間差検出回路との間に遅延要素を設置するように
している。

次に本考案の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第６図は本考案の一実施例のブロック図である。

この第６図において１０は被測定流体が矢印方向に流れ
るパイプで、このパイプ１０の管外壁には取付要素１５
．１６を介してトランスジューサ１３．１４が取付けら
れている。

このトランスジューサ１３．１４は電気信号を音響信号
へあるいは音響信号を電気信号に変換するもので、ある
モードにおいてはトランスジューサ１３が送信子となり
、トランスジューサ１４が受信子となり、また他のモー
ドにおいてはトランスジューサ１４が送信子となり、ト
ランスジューサ１３が受信子となる。

このモードの交換は後記するモード切換回路９により交
互に行なわれる。

例えばトランスジューサ１４からの音響信号はパイプ１
０内の流体中を伝搬してトランスジューサ１３に達し、
このトランスジューサ１３にて電気信号に変換される。

９はモード切換回路で、トランスジューサ１３．１４が
交互に送信子と受信子になるように制御する。

１は発信器要素で、２つの発信器１１゜１２よりなる。

この発振器１１．１２は後記する時間差検出回路８の出
力信号に応じて発振周波数を変化させられるもので、例
えばＬＣ発振器等から構成され得、この場合にはコンデ
ンサの容量あるいは制御電圧が時間差検出回路の出力信
号に応じて変えられる。

また、制御発振器１１．１２はモード切換回路９により
あるモードにおいてはいずれか一方がその時間差検出回
路８の出力信号を受は入れるように制御される。

２はモード切換回路９の指定により発振器要素の出力信
号のうちの１つと同期した出力信号を発信する同期パル
ス発生回路である。

３は発振器要素１の出力信号を計数するカウンタで、同
期パルス発生回路２の出力信号に基づいて計数動作を開
始し、その計数値がパイプ１０の径等の応じて予め設定
された設定値Ｎに達すると、計数動作終了信号を発信す
る。

４はカウンタ３の出力信号により動作を始め、ある一定
時間経過後に出力信号を発信する遅延回路である。

この遅延回路４の遅延時間については後で詳細に説明す
る。

５は同期パルス発生回路２からの出力信号によりトラン
スジューサ１３あるいは１４を駆動するための電気信号
を発信する電気パルス発生回路である。

６はモード切換回路９により制御されるゲート回路で、
モード切換回路９の指令に応じてパルス発生回路５の出
力パルスをトランスジューサ１３に導いたりあるいはト
ランスジューサ１４に導いたりし、またトランスジュー
サ１４あるいはトランスジューサ１３の出力信号を増幅
器７に導く。

増幅器７はトランスジューサ１３あるいは１４の出力信
号を増幅し、時間差検出回路８に導く。

この時間差検出回路８は増幅器７の出力信号と遅延回路
４の出力信号との時間差を検出し、発信器１ｈ １２の
制御電圧を変化させる。

１７は発振器１１．１２の発振周波数の差を検出する周
波数差検出回路で、この周波数差は後記するようにパイ
プ１０内の流体の流速に比例している。

１８は流速に比例した周波数を流量に変換し、表示する
表示回路である。

なお、モード切換回路９によるトランスジューサ１３．
１４のモードの切換えは、任意の時間に行なってもよい
が、通常は超音波の伝搬時間よりもわずかに長い周期で
交互に行なわれる。

なおまた、トランスジューサ１３が送信子となる場合は
超音波は流体の流れに対して順方向に放射され、トラン
スジューサ１４が送信子となる場合は超音波は逆方向に
放射される。

次に上記構成の測定原理について説明する。

パイプ１０の直径をＤとし、トランスジューサ１３．１
４のそのパイプ１０の半径方向に対する超音波放射角を
θとすると、超音波の流体中の伝搬距離りは第（１）式
で示される。

Ｌ＝Ｄ／ＣＯ３θ （１）流速
をＶとすると、超音波伝搬方向の流送成分Ｖｘは第（２
）式となる。

Ｖｘ ＝ Ｖｃｏｓθ
（２）従って、静止した流体中の音速をＣとすると、流
体の流れに順方向へ超音波を発射した場合のその超音波
の伝搬速度Ｖｖは第（３）式で示され、また流れに逆方
向に超音波を発射した場合の超音波の伝搬速度Ｖｗは第
（４）式で示される。

ＶＶ＝Ｃ十ＶＸ＝Ｃ十Ｖｓｉｎθ （３
）ＶＷ＝ Ｃ−ＶＸ＝ Ｃ−Ｖｓｉｎθ
（４）それ故、パイプ１０の流体中での超音波の伝搬に
要する時間については、超音波の順方向放射の場合の所
要時間をｔ□、逆方向放射の場合の所要時間をｔ２とす
れば、それぞれの所有時間ｔ１．ｔ２は第（５）式およ
び第（６）式で示される。

ち＝Ｉ、少及世し Ｖｖ Ｃ＋Ｖｓｍθ （５） 桜＝ Ｌ ＝ Ｄ／ｃｏｓθ ＶｗＣ−Ｖｓｉｎθ （６） 取付要素１５，１６およびパイプ１０の管壁の厚みなど
流体以外での超音波の伝搬時間をＴとすると、トランス
ジューサ１３．１４間の超音波伝搬に要する時間につい
ては、同様に順方向の所要時間をＴ１、逆方向の所要時
間をＴ２とした場合、各所要時Ｍ’ｘ、”２は第（７）
式および第（８）式で示される。

Ｔ１＝ ｔｚ ＋ ｒ
（７）Ｔ２＝ｔ２＋丁（８） ここで、発振器１１．１２の発振周波数をそれぞれｆｌ
、Ｔ２とする。

今、モード切換回路９により順方向に即ちトランスジュ
ーサ１３が送信子となるようにモードを切換え、発振器
１１の出力信号の１つに同期したスタート信号で超音波
パルスをトランスジューサ１３から発信させると共に、
その制御発振器１１の出力信号の１つを起点としてその
後発信されるその出力信号をカウンタ３に計数させ、そ
のカウンタ３がその出力信号を設定値Ｎまで計数した際
計数終了信号を発信させる。

カウンタ３が計数終了信号を発信するまでの所要時間Ｔ
３は、発振器１１の発振周期がｌ／ｆ□であるから第（
９）式で示される。

Ｔ３＝Ｎ／ｆ１（９） カウンタ３の計数終了信号は遅延回路４により遅延時間
ｙｄ遅らされて時間差検出回路８に導かれる。

従って、この時間差検出回路８には、カウンタ３が動作
を開始し始めてから第（１ａ）式で示される７２時間後
に遅延回路４から時間信号が送られることになる。

’ｒ、＝’ｒ３＋７ ｄ ＝ Ｎ／ｆ１＋７ ｄ
（１□一方、トランスジューサ１３が超音波
を発射してから第（７）式に示されたＴ１時間後に、時
間差検出回路８は増幅器７から時間信号が送られる。

従って、遅延回路４と増幅器７との出力信号の時間差△
Ｔは第（１１）式で示される。

△Ｔ＝Ｔ４ Ｔｔ＝ （Ｎ／ｆ１＋Ｔｄ）−（ｔ、＋ｙ
）（１１） ここで、遅延時間Ｔｄを流体内以外の伝搬時間Ｔに等し
く設定しておけば、第（１１）式は第（１２）式に変形
される。

ΔＴ＝Ｎ／ｆ□−１□ （１２）
第（１２）式に示された時間差６丁に基づき、発振器１
１の発振周波数ｆ１を制御し、その時間差６丁を零にす
ることができたとすると、第（１２）式に基づき、第（
１３）式が得られる。

ΔＴ＝Ｎ／ｆ１−ｔ□＝０ 、”、 Ｎ／ｆ□＝ｔ□＝“ｃｏｓ＆ （１３
）Ｃ＋Ｖｓｉｎθ 従って、遅延回路４の出力信号と増幅器７の出力信号の
時間差６丁が零の状態即ちトランスジューサ１３を送信
子とする系が安定した状態では、発振器１１の発振周波
数は、第（１３）式に基づき、第（１４）式により示さ
れる。

ｆ、＝進ハ物力 Ｄ／ｃｏｓ θ（１４） 次にトランスジューサ１４を送信子とする場合について
考える。

この場合、発振器要素１はモード切換回路９により発振
器１２に切換えられる。

しかして、上述と同様の理論に基づき、発振器１２の発
振周波数ｆ２は系が安定した状態では第（１５）式によ
り示される。

ｆ２＝進ド□暖 （１５） Ｄ／ｃｏｓθ しかして、発振器１１．１２の発振周波数ｆ１゜Ｔ２の
差Δｆは、系が安定した状態では、第（１４）式および
第（１５）式に基づき、第（１６）式で示される。

Δｆ＝ｆ□−ｆ２ Ｎ（Ｃ＋ Ｖｓｉｎ Ｏ） Ｎ（Ｃ−Ｖｓｉｎ ｏ
）Ｄ／ｃｏｓθ Ｄ／ｃｏｓθ ｆｉＶｓｉｎθ ４Ｖｓｉｎ＠ｃｏｓ Ｄ／ｃｏｓθ−Ｄ ＝進幻・Ｖ＝Ｋ・Ｖ （１６） Ｎ。

但し、Ｋ＝２ｍ２θ＝Ｃｏｎｓｔａｎｔである。

従つて、発振器１１．１２の周波数差Δｆは流体の流速
■に比例した値となることがわかる。

よってその周波数Δｆによりその流体の流速Ｖを測定す
ることができる。

次にこのような理論に基づき、第６図の構成について動
作を説明する。

先ず、モード切換回路９のモード切換信号Ａにより、ト
ランスジューサ１３が送信子にされ、トランスジューサ
１４が受信子にされ、そして発振器要素１は発振器１１
が同期パルス発生回路２およびカウンタ３に接続され、
ゲート回路６はパルス発生器５の出力信号がトランスジ
ューサ１３に導かれかつトランスジューサ１４の出力信
号が増幅器７に導かれるように制御される。

しかして、同期パルス発生回路２は、発振器１１の出力
信号の１つに同期してカウンタ３を動作させると共に１
．電気パルス発生回路５に出力パルスを発生させる。

カウンタ３は発振器１１の出力信号を計数し、魁時間後
にその計数値が設定数Ｎに達すると計数終了信号を発信
する。

このカウンタ３の計数終了信号は遅延回路４により遅延
時間Ｔｄ遅らされて時間差検出回路８に導かれる。

一方、パルス発生回路５の出力パルスはゲート回路６を
介してトランスジューサ１３に導かれ、このトランスジ
ューサ１３により電気信号が音響信号に変換される。

この音響信号は取付要素１５パイプ１０の管壁、流体、
パイプ１０の管壁および取付要素１６中を順方向に伝搬
してトランスジューサ１４に達し、このトランスジュー
サ１４によりＴ１時間後に電気信号に変換される。

このトランスジューサ１４の出力信号はゲート回路６を
介して増幅回路７に導かれ、その後時間差検出回路８に
導かれる。

なお、増幅回路７は、例えばシュミット回路等から構成
され、トランスジューサ１４の出力信号の大きさに関係
なく一定レベルの信号が時間差検出回路８に導かれるよ
うにしている。

時間差検出回路８は遅延回路４の出力信号と増幅回路７
の出力信号との時間差Δ丁を検出し、その時間差△Ｔに
応じて発振器１１の発振周波数を変化させる。

このようにして、流体の流れに対して順方向に超音波を
放射する測定周期は終了する。

次にモード切換回路９のモード切換信号Ｂにより、トラ
ンスジューサ１４が送信子にされ、トランスジューサ１
３が受信子にされ、発振器要素１は発振器１２から同期
パルス発生回路２およびカウンタ３に接続され、ゲート
回路６はパルス発生回路５の出力信号がトランスジュー
サ１４に導かれ、トランスジューサ１３の出力信号が増
幅器７に導かれるように制御される。

しかして、前述の場合と同様に、制御発振器１２の出力
信号の１つに同期して同期パルス発生器２によりカウン
タ３およびパルス発生器５が動作させられる。

順方向の場合と同様に、遅延回路４はＴ４時間後に時間
差検出回路８に信号を送り、またパルス発生回路５の出
力信号は、ゲート回路６を介して、パイプ１０内の流体
の流れに対して逆方向に伝搬されて増幅回路７に案内さ
れ、モしてＴ２時間経過後時間差検出回路８に導かれる
。

時間差検出回路８は、同様に遅延回路４の出力信号と増
幅器７の出力信号との時間差を検出し、その時間差に応
じて発振器１２の発振周波数を変化させる。

このようにして、流体の流れに対して逆方向に超音波を
放射する測定周期は終了する。

モード切換回路９の動作により、順方向測定周期と逆方
向測定周期は交互に無限に繰返えされ得る。

発振器１１．１２の発振周波数の差は可逆カウンタ１７
により流速に比例した周波数差として取出され、表示回
路１８により流量あるいは流速として表示される。

なお、以上に説明したように、本考案においては、遅延
回路４によって、測定すべき流体以外での超音波伝搬時
間Ｔと等しい遅延時間γｄを発生させ、その伝搬時間γ
をその遅延時間γｄで補償しているので、純粋に流体中
のみの伝搬時間ｔ１゜桜を周波数変換を行なうことがで
きる。

この遅延時間Ｔｄを発生する遅延要素としては種々のも
のが公知である。

例えば、ＣＲ時定数を用いる単安定マルチバイブレータ
などの遅延回路、ＬＣ遅延線あるいは超音波遅延線など
がある。

しか腰これらの遅延要素は一般に遅延時間が固定されて
いるかあるいはそれぞれ固有の温度特性を有している。

一方、トランスジューサ１３．１４をパイプ１０の外管
に取付け、流体の流れ方向に対して斜めに超音波を放射
する場合、取付要素１５．１６としては本考案の実施例
においてはプラスチック材を使用している。

この場合、上述したように、取付要素１５．１６および
パイプ１０の管壁中の起音波の伝搬時間が流体以外の超
音波伝搬時間γとなるが、取付要素１５．１６としての
プラスチックおよびパイプ材としての鉄中の音速度は一
般に温度依存性を有している。

一方遅延要素では流体以外の超音波伝搬時間と等しい遅
延時間を作らねばならないので、その温度依存性も等し
くなければならない。

それ故、前述した一般の遅延要素では温度補償回路を付
設しなければならないという問題がある。

そこで、本考案においては、第７図に示すように、遅延
要素として、実際の超音波径路中の流体以外で起音波を
遅延させる取付要素１５．１６と同一材料もしくは同特
性を有する材料よりなる部材２１，２２およびパイプ１
０の管壁と同一材料もしくは同特性を有する材料よりな
る部材２３゜２４で製作した遅延線を使用することによ
り、全ての温度範囲で流体以外の伝搬時間と一致した遅
延要素の実現に成功した。

第７図においては、部材２１．２２中の超音波伝搬距離
は取付要素１５，１６中の超音波伝搬距離と等しく、ま
た部材２３．２４中の超音波伝搬距離はパイプ１０の管
壁中の超音波伝搬距離と等しくするのが望ましい。

なお、第７図において、１９．２０はトランスジューサ
１３．１４と同一材料もしくは同特性を有する材料より
なる部材である。

以上に説明するように、本考案によれば、流体以外の超
音波伝搬時間と等しい遅延時間を発生する遅延要素を設
けることにより、第（１６）式に示すように、被測定流
体の流速Ｖに比例した出力信号を得ることができ、音速
Ｃに影響されない。

更に、モード切換回路９の１回のモード切換えにより、
１回分の測定を行なうことができ、従ってモード切換周
期を超音波の伝搬時間よりもわずかに長くした程度の周
期で流速測定を行なうことができる。

よって、本考案においては、流速の変化に対する応答が
極めて早くなるという利点がある。

更に又、本考案においては、超音波の被測定流体以外で
の超音波伝搬時間を遅延要素により補償するので、取付
要素を介してトランスジューサを管路に取付けることが
でき、従って既設の配管路にその１−ランスジューサを
設置することができる。

従って、被測定流体が腐蝕性流体の場合でも、トランス
ジューサがその流体から悪影響を受けることはなくなる
。

なお、上述の説明においては、時間差検出回路８に検出
される時間差Δ丁が零になるように制御する例について
述べたが、その時間差△Ｔがある一定値αになるように
制御する場合には、遅延時間Ｔｄをたとえば（Ｔ−α）
なる値に設定するとよい。

次に、本考案の超音波式測定装置の動作について第８図
を用いて再度簡単に説明する。

この第８図において、Ａは発振器１１もしくは１２の出
力形図、Ｂは同期パルス発生器２の出力波形図、Ｃは増
幅回路７の出力波形図、Ｄはカウンタ３の計数動作時間
を表わす波形図、Ｅは遅延要素４の出力波形図、Ｆは時
間差検出回路８の動作時間を表わす波形図である。

なお、ここでは説明の便宜上、カウンタ３として、発振
器１１．１２の発振出力パルスの立上がりで１歩進する
カウンタを用いるとする。

しかして、この第８図から明らかなように、たとえば発
振器１１の発振出力の１つのパルスに同期して同期パル
ス発生器２が付勢され、その結果同期パルスＢが発生さ
れると、この同期パルスＢに同期して、カウンタ３が計
数動作を開始すると共に、電気パルス発生回路５がトラ
ンスジューサの励振用電気パルスを発生する。

その後、カウンタ３が発振器１１の発振出力を設定値Ｎ
（たとえば３）計数すると、カウンタ３からは発振器１
１の発振出力Ａの４つ目のパルスの立上がりに同期して
計数終了信号りが発生される。

この計数終了信号りに同期して遅延要素４が駆動され、
カウンタ３の出力信号りに遅延時間ｒｄを与える。

この遅延時間ｒｄの終了により、時間差検出回路８が駆
動される。

その後、増幅器７の出力信号Ｃが発生されると、時間差
検出回路８が動作を終了する。

時間差検出回路８はこの動作時間が所定の値になるよう
に発振器１１の発振周波数ｆ１を制御する。

このように、本考案による測定装置においては、各構成
要素の動作は同期して行なわれるので、第３図において
説明したような測定誤差が生じることは全くなく、遅延
時間τを確実に除去できる。

本考案においては、上述したように、被測定流体以外の
伝搬時間γを、伝搬時ｆＳ＝’％−，ｔ２を周波数ｆ１
．ｆ２に変換する変換過程においてキャンセルしている
。

このように、伝搬時間ｔｉ、 ｔ２を周波数ｆ１．ｆ２
に変換する変換過程において、その被測定流体以外の伝
搬時間τをキャンセルすることは、測定精度上極めて優
れた効果を発揮するものである。

すなわち、本考案においては、第（１２）式が成立する
ためには、遅延時間ｙｄと被測定流体内以外の伝搬時間
Ｔとが等しいこと、つまり７ ｄ＝Ｔが成立することが
条件であった。

この遅延時間Ｔｄの具体的な数値は、流体以外の材質と
寸法が既知であれば、計算により求められる。

その計算結果を再確認する方法について次に述べる。

今、仮に、Ｔｄ〜丁であると仮定する。

その結果、第（１１）式より、次の第（１７）式を得る
。

ΔＴ＝ （Ｎ／ｆ工＋丁ｄ） −（ｔ□＋丁）＝０（１
７） すなわち、この第（１７）式は第（５）式を用いて、次
式に変形できる。

−只り匹当Ｊ−十丁＝Ｎ＋デｄ Ｃ＋ＶＳ１ｎθ ｆｌ 従って、第（１９）式を得る。

Ｎ＝ Ｉη重当′−＋（τ−デｄ） ｆｌ Ｃ十Ｖｓｍθ （１８） ＝ Ｄ／ｓｉｎθ＋ア Ｃ＋Ｖｓｍθ （１９） Ｔ ＝Ｔ−丁ｄ （２０
）ここでは、Ｔ′はキャンセルが正しくない場合のずれ
時間である。

同様に、周波数ｆ２について第（２１）式を得る。

Ｎ４ Ｄ／ｓｉｎθ＋ｒ （２１）ｆ２
Ｃ−Ｖｓｍθ この場合のΔｆは次のようになる。

Δｆ＝ｆ１−ｆ２ Ｎｓｉｎ２θ ７’Ｃｃｏｓθ−” −Ｖ （
２２）Ｄ （１＋ 。

それゆえ、周波数Δｆにはずれ時間Ｔ′が含まれてくる
。

そこで、本考案においては、伝搬時間”ｘｖ”２を周波
数ｆＨｆ２に変換する変換過程において、伝搬時間Ｔを
キャンセルするというキャンセル方法を活用して、ずれ
時間Ｔ′を除去する。

すなわち、周波数ｆ１．ｆ２は実際の測定値として求め
ることができるから、実測周波数ｆ１ｍ、 ｆ２ｍとす
る。

一方、第（１９）式および第（２１）式において、丁＝
Ｏとして、周波数ｆ１．ｆ２を計算により求める。

この計算により理論的に求めた理論周波数をｆｌｐ、ｆ
２ｐとする。

しかして、ｆ□ｐ＝ｆ１ｍ、ｆ２ｐ＝ｆ２ｍとなるよう
に、実測周波数ｆ１ｍ、ｆ２ｍを測定しながら、遅延時
間γｄを調整すれば、計算範囲内でデ＝Ｏを確認でき、
従って遅延時間に関する誤差をほぼ完全に消去できるこ
とになる。

このようなことができるのは、とりもなおさず、本考案
においては、伝搬時間（、ｔ２を周波数ｆ１．ｆ２に変
換する変換過程において伝搬時間Ｔをキャンセルするよ
うな遅延要素を持っているからである。

以上に述べたことは、前述の計算結果を再確認したこと
になる。

本考案におけるこのような再確認方法によれば、管路の
材質が未知の場合で、計算により遅延時間Ｔが求められ
ない場合でも、遅延時間Ｔｄを調整できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波流量計の構成図、第２図は他の従
来の超音波流量計の構成国、第３図は第２図の超音波流
量計の動作を説明するための波形図、第４図は第１の超
音波流量計と第２図の超音波流量計とを組合せることに
より得られる超音波流量計の構成国、第５図は温度−周
波数特性図、第６図は本考案の一実施例の構成図、第７
図は本考案の要部の他の実施例の構成国、第８図は第６
図に示した本考案の一実施例の動作を説明するための波
形図である。 １・・・・・・制御発振器要素、２・・・・・・同期パ
ルス発生回路、３・・・・・・カウンタ、４・・・・・
・遅延回路、５・・・・・・電気パルス発生回路、７・
・・・・・増幅回路、８・・・・・・時間差検出回路、
９・・・・・・モード切換回路、１０・・・・・・パイ
プ、１１，１２・・・・・・制御発振器、１３，１４・
・・・・・トランスジューサ、１５，１６・・・・・・
取付要素。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 被測定流体の管路の外側に所定の角度をもって対向設置
   され、超音波送信モードと超音波受信モードとに切換制
   御される一対の超音波トランスジューサと、 送信モードにある前記トランスジューサを励振する電気
   パルス発生回路と、 発振周波数を変化させ得る第１発振器および第２発振器
   と、 前記第１発振器もしくは第２発振器の発振出力を計数し
   、この計数値が設定値に達した際に出力信号を発信する
   カウンタと、 前記第１発振器もしくは第２発振器の発振出力によって
   駆動され、前記電気パルス発生回路の電気パルス発生と
   前記カウンタの計数動作開始とを同期させる同期パルス
   発生回路と、 前記カウンタの後に配置され、所定の遅延時間を前記カ
   ウンタの出力信号に与える遅延要素と、この遅延要素の
   出力信号と受信モードにある前記トランスジューサの出
   力信号とが導かれてこの両出力信号の時間差を検出し、
   この時間差が所定の値となるように前記第１発振器もし
   くは第２発振器の発振周波数を変化させる時間差検出回
   路と、前記一対のトランスジューサが送信モードと受信
   モードとに交互になるように切換制御を行なうと共に、
   一方のトランスジューサが送信モードになり他方のトラ
   ンスジューサが受信モードになるときには前記同期パル
   ス発生回路が前記第１発振器によって駆動され前記カウ
   ンタが前記第１発振器の発振出力を計数し前記時間差検
   出回路がこの第１発振器の発振周波数を変化させ、他方
   のトランスジューサが送信モードになり一方のトランス
   ジューサが受信モードになるときには前記同期パルス発
   生回路が前記第２発振器の発振出力によって駆動され前
   記カウンタが前記第２発振器の発振出力を計数し前記時
   間差検出回路がこの第２発振器の発振周波数を変化させ
   るように切換制御を行なう切換回路と、 を備え、前記第１発振器の発振周波数と第２発振器の発
   振周波数との差に基づいて前記被測定流体の流速もしく
   は流量を求めることを特徴とする超音波式測定装置。