JPS6042405B2 - パルス式超音波ドツプラ−流速計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として管中を流れる流体の流速測定に利用
されるもので従来の連続波を用いた超音波ドップラー流
速計においては困難であつた流体中の音速の自動補正と
管外壁を通しての流速測定をパルス波を用いるこにより
可能としたパルス式超音波ドップラー流速計に関する。

従来技術の課題を従来の超音波ドップラー流速計を述
べることによつて説明する。第１図は従来の連続波を用
いる超音波ドップラー流速計の原理説明図である。第１
図において１組の送波器Ｔと受波器Ｒとは管外壁４０の
内側に流体の流れ方向に対して直角方向に配置され送波
器Ｔから流れ方向に対して斜めに角度θで超音波の周波
数ｆ、なる連続波が発射される。流体中の照射域４１の
領域にある粒子が流速Ｖて矢印の方向に移動していると
受波器Ｒにはドップラー変調を受けた受信波が受渡され
高周波増巾器３３で増巾され混合器３４に導びかれる。
発振器３１からは周波数Ｆ，なる連続波が送信され、電
力増幅器３２で増巾されて送波器Ｔにに印加され、送波
器Ｔは超音波の周波数ｆ、なる連続波を発射する。発振
器３１から周波数Ｆ，なる連続波はまた混合器３４に導
びかれて流速■に比例するドップラーシフト周波数Ｆ６
の連続波が得られる。この連続波は低周波増巾器３５で
増巾され、周波数・ディジタル変換器３６によりディジ
タル出力３８を得、更にディジタル・アナログ変換器３
７によりアナログ出力３９を得る。周波数ｆ、とＦｄと
の関係は、である。

ここでＣは流体中の音速である。（１）式から流速■を
求めるには流体中の音速Ｃを知る必要がある。水中を例
にとると水中音速は水温１゜Ｃにつき０．２〜０．３％
の変化があるのて流■を０．５％位の精度で測定するに
は音速の変化よる誤差を無視することができず、水温を
実測して補正を加えるようにすることが普通である。こ
のように温度による水中の音速の補正はサーミスタ等を
使用した温度測定により可能であるが実時間で直ちにレ
スポンスを得ることはむづかしい。また水が塩水とか工
場排水など特殊成分を含むときは音速の補正は水温変化
だけを考えたのては不十分であり、補正対策が困難て実
時間で精度の高い補正は不可能であつた。もう１つの課
題は超音波を送受する送受波器の振動子の前面にプラス
チック楔をつけ、これを管外壁４０の外側に配置して流
体の流速を測定するいわゆる外管透過方式にすると、管
内流体中の懸濁物からの散乱反射がいるところから得ら
れる。これは超音波が管壁中を反射と繰返しながら伝搬
する際にその一部エネルギーは流体中に放射される。こ
の放射の状況は送・受波器の指向性に関係し、第４図に
詳細に説明するように強勢な散乱反射が得られる点はあ
る狭い領域、例えば第１図の照射域のような所に限定さ
れず、測定値が管内の何処の流速を示しているのか解ら
ないということになり、測定点とその流速を正確に決め
ることができないという欠陥がある。本発明の目的は流
体中の音速の自動補正をリアルタイムで行ない、かつ管
外壁を透過して流体の流速測定を迅速な応答で高精度に
行なうことのきるパルス式超音波ドップラー流速計を提
供しようとするものである。

本発明になる流速計によれば既設管の任意の場所に、任
意の時期に送・受波器を取り付け、流体が塩水であろう
が工場排水であろうが選択自由で、流体の停止、遮断を
行なう必要がなく、流体の腐蝕性や高圧に留意する必要
もない。従つて送受波器を装着することによる流体の圧
力損失や送受波器の劣化する恐れもなく、交換装備も容
易であるという数多くの利点がある。以下図面にり詳細
に説明する。第２図は本発明にかかるパルス式超音波ド
ップラー流速計の１実施例を示すブロック図である。第
３図は第２図において指示した要所の波形図である。第
１おび第２図において流体の流れ方向（矢印で示す）に
対し直角方向に予め定めた距離Ｌを隔てて１組の送受波
器３と受波器４とが配置される。流体の流速をＶで示す
。送受波器３から流体の流れ方向に対し斜めに角度θで
超音波パルスを発射し、液体と共に移動する粒子から散
乱反射する超音波パルスｒと送波器３から直接伝搬する
超音波パルスｐとをけ受波器４から直接波信号Ｐ″と散
乱反射波信号ビとよりなる受信信号ｂを受信し増巾する
受信増巾回路５と、同期信号ａを発生しパルサ回路２と
ゲート回路６に同期信号ａを送る同期回路１と、同期信
号ａに同期して送波器３に送信パルス信号ｔ″を送り直
接波信号Ｐ″と散乱反射波信号ビとが時間的に重ならな
いように選ばれたパルス幅Ｔｗをもつ超音波パルスを発
生させるパルサ回路２と、同期信号ａに同期して第１ゲ
ートとこれに続く第２ゲートを発生するゲート回路６と
、受信増幅回”路５からの出力信号とゲート回路６から
のゲート出力信号との論理積をとり直接波信号Ｐ″と散
乱反射波信号ビとを夫々第１ゲートと第２ゲートに分離
する信号選択回路７と、直接波信号Ｐ″と散乱反射波信
号ビとのそれぞれの波数をＮ個計数するプリセットカウ
ンタ回路８と、該回路からの出力を第１，第２ゲートに
同期して切換え第１，第２カウンタ回路１０，１１に導
びく切換器９と、クロックパルスを発生するクロックパ
ルス発生回路１２と、該回路からのクロックパルスを受
け直接波・信号Ｐ″と散乱反射波信号ｒ″のそれぞれの
波数のＮ個に対する時間Ｎｌ，ｒｌ２を計数する第１カ
ウンタ回路１０ならびに第２カウンタ回路１１と、クロ
ックパルスを受け送信パルス信号と直接波信号Ｐ″との
立上り時刻の差を計数する音速補正回路１４と、該回路
からの出力計数Ｎｄと第１，第２カウンタ回路１０，１
１からの出力計数Ｎｌ，ｎ２とを入力して流速■を演算
する流速演算回路１３と、該回路からの出力をディジタ
ル又はアナログで表示したり記録したりする表示回路１
５とより構成されるものが本考案になるパルス式超音波
ドップラー流速計である。更にそれぞれの回路について
要点を説明する。同期回路１は繰返し周期ＴＲでパルス
巾Ｔｗの第３図に示す同期信号ａを発生する。繰返し周
期ＴＲは流体中の超音波残響が十分に減衰消失する時間
に選定され、例えば１ｍｓ程度である。パルス巾Ｔｗは
所望の波数からなるパルス波形の列を作る時間幅で例え
ば４ｐｓ程度である。パルサ回路２はパルス巾Ｔｗの間
高周波を発振する回路で、定常状態では安定にＦＯなる
周波数を発振する。しかしパルス巾Ｔｗが狭く、送受波
器３を負荷とする過渡状態においては発振周波数は正確
にＦＯであるとはいいきれない。ＦＯは例えば２ＭＨｚ
である。送波器３はパルサ回路１によつて駆動され周波
数Ｆ，なる超音波パルスを次々と列をなして流体中に放
射する。振動子は例えばジルコン酸チタン酸鉛磁器でダ
ンピングをきかせて自由振動を抑えるようにする。外壁
透過方式を行なう場合はプラスチック楔に振動子を接着
する。振動子の共振周波数は例えば２ＭＨｚとする。受
波器４は送波器３と同一構造のもので送波器３から直接
伝搬する直接波が流体中の経過時間が短いので先ず到達
しその後流体中の粒子からの散乱反射波か到達する。直
接波の周波数はＦ，、散乱反射波の周波数は第２図に示
す流体の流れ方向ではＦ，＋Ｆｄである。Ｆｄはドップ
ラシフト周波数である。受信増幅回路５は入力信号がそ
のまま出力信号として増巾される。従つて、第３図ｂの
受信信号波形が出力信号波形となる。ゲート回路６は第
３図Ｃに示すゲートをつくる回路である。第３図Ｃに於
てＴＳｌは送信パルス信号ｔ″を発射してから直接波信
号Ｐ″が受信される直前までの時間で第１ゲート巾Ｔｇ
ｌは直接波信号Ｐ″をＮ波数えるに十分余裕のある時間
幅とする。またＴＳ２は送信パルス信号ｔ″を発射して
から散乱反射波信号ビが受信される直前までの時間で第
２ゲート幅Ｔｇ２は散乱反射波信号ｒ″をＮ波数えるに
十分余裕のある時間幅とする。プリセットカウンタ回路
８は第１ゲート内に入つた直接波信号Ｐ″の波列で最初
にトリガ−レベル′を超えた波からＮ波を数えるカウン
タである。すなち第３図ｂに示すように振幅がトリガ−
レベルｅを超える波が到達したことを検知してその波の
立ち下りが０レベルを切る点すなわち第３図ｄに示す点
ｕでクロックパルスのカウントスタートの信号を出し、
直接波信号Ｐ″をＮ波数えた後、Ｎ波目の波の立ち下り
が０レベルを切る点、すなわち第３図ｄに示す点ｖでク
ロックパルスのカウントストップ信号を出すものである
。第２ゲートについても同様の動作を行なう。すなわち
、第３図ｄの点ｘおよびｙでそれぞれカウントスタート
およびカウントストップの信号を出す。切換器９はクロ
ックパルスをカウントする第１カウンタ回路１０と第２
カウンタ回路１１への入力を選択するものでゲートと同
期して切換られる。すなわち、第１ゲートにより直接波
信号Ｐ″が選択されて第１カウンタ１０が動作し、第２
ゲートにより散乱反射波信号ビが選択されて第２カウン
タ１１が動作する。第１、第２カウンタ回路１０，１１
はカウントした計数値を記憶するもので同期信号ａによ
つてクリアされる。クロックパルス発生回路１２は連続
波発振器で同期信号に関係なくクロックパルスを発生し
、例えば１００ＭＨｚ程度の周波数をもつ。音速補正回
路１４は超音波パルスが送波器３から直接伝搬した受波
器４に到達する時間を計測して音速の計測を行なう回路
である。送信パルス信号の立上りと第１ゲートにおける
直接波信号Ｐ″の波列の最初の波の立上り時刻との差す
なわち第３図ｂに示すＴｄをクロックパルスによつてカ
ウントする。その計数値をＮｄとする。流速演算回路１
３は計数値Ｎｌ，ｎ２およびＮｄを利用して次に演算を
行なつて流速■を表示回路１５へ出力する。（１）式を
変形すると次のような式を得る。

一般にパルス巾Ｔｗが狭くてこれらに含まれる高周波の
波数が少ない場合には、送波器から発射される高周波波
列の最初の部分の周期は定常周期”とは異なつている。
従つて周波数ｆ１は高周波波列の平均周波数をあられす
ものと解釈し、パルサ回路の発振周波数ＦＯとは差があ
るとみて補正手段を案出する必要がある。そのためには
直接波信号と散乱反射波信号とは流体中に放射された送
信信号と波形において相似であることを利用し、それぞ
れの受信信号をＮ波づつ数え、その時間幅を比較すれば
よいわけである。今クロックパルス周波数をＦｃとし、
直接波信号Ｎ波のクロックパルスの数をｎ１、散乱反射
波信号Ｎ波のクロックパルスの数をτち計数したとする
と、であるから、それらの差をとると が得れ（３）（５）式を（２）式に代人するとを得る。

つぎに音速Ｃを消去するため音速補正回路１４からの計
数値Ｎｄについてはであるから（６）式は となる。

したがつて流速演算回路１３ては（８）式の計算をコン
ピュータを用いて計算するものである。次に本発明の効
果の１つである外壁透過方式にる流速測定について詳細
に説明する。第４図は外壁透過方式による流速測定の一
実施例を示す説明図である。第４図において内径Ｄをも
つ管の中を流体が矢印の方向に流速■で流れてる。この
管外壁４０は厚さＷでこの上に第２図に示す送受波器３
と受波器４とが流れ方向に対して直角をなす位置に配置
されている。送受波器いずれも振動子４２とプラスチッ
ク楔４３とからなり、送波器から発射される超音波ビー
ムはその大部分が管壁中を反射を繰返しながら進み流体
との境界で一部が流体中に透過する。すなわち振動子４
２から発射された超音波パルスは入射角φ１でプラスチ
ック楔４３から管外壁４０に入射し屈折角φ２で管壁内
を進み流体との境界の点Ａで入射角φ２て流体に入射し
屈折角φで流体内を進むことになる。流．体と同一速度
で流れる粒子に超音波があたると、あらゆる方向の散乱
反射波が生ずるが、受波器に有効に受波される方向は第
４図に矢印で示すように送信ビームの進行方向と管の中
心軸につき対称をなす方向である。したがつて第４図の
１．１，１．２，１．３・・・・・などの点が効率のよ
い受信波を与える点となり、連続波よりなる超音波を使
用するとこれらの全ての点から反射波が受波される。普
通管内を流れる流体の流速は管の中心は速く、管壁に近
い部分は遅くならなければならない。従つて連続波より
なる超音波を使用するときは受信波のドップラー情報か
ら得られる流速は管内の流体の何処の部分の流速か不明
となる。本発ｌ明になるパルス式超音波ドップラー流速
計を使用するときはパルス巾が狭いので１．１と１．２
または２．１の点からの散乱反射波を分離することがで
きる。この事実を具体的数値を設定して証明する。一例
として流体として水、管壁に鋼を使用Ｊした図４につき
、送信点Ａを出発した超音波ビームが受信点Ｂに到達す
るのに要する経過時間を計算するとつぎのようになる。
（１）Ｉ路による経過時間Ｔｄ＝８ ・（２）散乱反射波が反射点１．１を経過するときの経
過時間（３）散乱反射波が反射点１．２を経過するとき
の経過時間（４）散乱反射波が反射点２．２を経過する
ときの経過時間ここにＣは水中の音速、またはＣ２は鋼
中の音速を示し、下記の表１は計算に使用する定数表で
ある。

ここで表１の定数を採用し、Ｄ＝１００Ｗｔ１ｗ＝４．
５ｒ１ｒＩＩＬの場合につき計算してみるとＴｌｌ−Ｔ
ｄ＝５．６ＰＳ，Ｔ１２−Ｔｌｌ＝５ＰＳとなり超音波
パルスが受信点Ｂに到達する状況は最初に直接波が到達
し、５．６ｐＳ経過した反射点１．２を経過する散乱反
射波が到達し、次に５ｐＳ経過して反射点１．２を経過
する散乱反射波が到達するのでこれらの波は時間的にパ
ルス巾を狭くしてやれば重畳することがなく分離可能と
なる。

従つて連続波を使用した場合ように何処の反射点からの
ものか不明なことはなく、この程度の管以上の大きさを
もつ管については外壁透過方式が可能であることになる
。以上説明したように本発明は流体中の音速の自動補正
をリアルタイムで行ない、かつ管外壁を透過して流体の
流速測定を迅速な応答で高精度に行なうことのできるパ
ルス式超音波ドップラー流速計を提供することがでかき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の連続波を用いる超音波ドップラー流速計
の原理説明図、第２図は本発明にかかるパルス式超音波
ドップラー流速計の１実施例を示すブロック図、第３図
は第２図において指示した要所の波形図、第４図は外壁
透過方式による流速測定の１実施例を示す説明図である
。 １・・・・・・同期回路、２・・・・・・パルサ回路、
３・・・・・・送波器、４・・・・・・受波器、５・・
・・・・受信増巾回路、６・・・・・・ゲート回路、７
・・・・・・信号選択回路、８・・・・・・プリセット
カウンタ回路、９・・・・・・切換器、１０・・・・・
・第１カウンタ回路、１１・・・・・・第２カウンタ回
路、１２・・・・・・クロックパルス発生回路、１３・
・・・・・流速演算回路、１４・・・・・音速補正回路
、１５・・・・・・表示回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体の流れ方向に対し直角方向に予め定めた距離を
   隔てて配置される１組の送受波器と、該送波器から流体
   の流れ方向に対して斜めに超音波パルスを発射し、流体
   と共に移動する粒子から散乱反射する超音波パルスと前
   記送波器から直接伝搬する超音波パルスとを受ける前記
   受波器から直接波信号と散乱反射波信号とよりなる受信
   信号を受信し増巾する受信増巾回路と、同期信号を発生
   しパルサ回路とゲート回路に前記同期信号を送る同期回
   路と、前記同期信号に同期して前記送波器に送信パルス
   信号を送り前記直接波信号と前記散乱反射波信号とが時
   間的に重ならないように選ばれたパルス幅をもつ超音波
   パルスを発生させる前記パルサ回路と、前記同期信号に
   同期して第１ゲートとこれに続く第２ゲートとを発生す
   るゲート回路と、前記受信増幅回路からの出力信号と前
   記ゲート回路からのゲート出力信号との論理積をとり前
   記直接波信号と前記散乱反射波信号とを第１ゲートと第
   ２ゲートに分離する信号選択回路と、前記直接波信号と
   前記散乱反射波信号のそれぞれの波数をＮ個計数するプ
   リセットカウンタ回路と、該回路からの出力を第１、第
   ２ゲートに同期して切換え、第１、第２カウンタ回路に
   導びく切換器と、クロックパルスを発生するクロックパ
   ルス発生回路と該回路からのクロックパルスを受け前記
   直接波信号と前記散乱反射波信号のそれぞれの波数のＮ
   個に対応する時間を計数する前記第１ならびに第２カウ
   ンタ回路と、前記クロックパルスを受けて前記送信パル
   ス信号と前記直接波信号との立上り時刻の差を計数する
   音速補正回路と、該回路からの出力計数と前記第１なら
   びに第２カウンタ回路からの出力計数とを入力して流速
   を演算する流速演算回路と、該回路からの出力を表示す
   る表示回路とよりなるパルス式超音波ドッブラー流速計
   。