JPS6217172B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPS6217172B2
JPS6217172B2 JP53019608A JP1960878A JPS6217172B2 JP S6217172 B2 JPS6217172 B2 JP S6217172B2 JP 53019608 A JP53019608 A JP 53019608A JP 1960878 A JP1960878 A JP 1960878A JP S6217172 B2 JPS6217172 B2 JP S6217172B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
transducer
circuit
fluid
compression wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP53019608A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS53104270A (en
Inventor
Jii Hooru Roorensu
Esu Raurando Robaato
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Applied Biosystems Inc
Original Assignee
Perkin Elmer Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Perkin Elmer Corp filed Critical Perkin Elmer Corp
Publication of JPS53104270A publication Critical patent/JPS53104270A/en
Publication of JPS6217172B2 publication Critical patent/JPS6217172B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • G01F1/76Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/86Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に流量計の技術分野に係わりそし
て特に形成された流路に沿つてを流れる流体の流
量もしくは流速を測定するための音波流量計に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of flow meters and more particularly to sonic flow meters for measuring the flow rate or velocity of fluid flowing along a defined flow path.

米国特許第3109112号明細書には典型的な音波
流量計が開示されている。この流量計は可聴周波
数または超音波周波数範囲の圧縮波を発生しかつ
受信するための1対の変換器を有しており、これ
等変換器は流体が流れる包囲体内に配置されてい
る。変換器は交互に送信モードおよび受信モード
に切換えられるように構成されておつて、それに
より圧縮波が送信変換器によつてガス内に発生さ
れ、他の変換器によつて受信される。送信および
受信波間の位相差を両方向において測定すること
により、変換器を通つて流れるガスの速度が求め
られる。
A typical sonic flow meter is disclosed in US Pat. No. 3,109,112. The flow meter has a pair of transducers for generating and receiving compression waves in the audio or ultrasonic frequency range, the transducers being disposed within an enclosure through which fluid flows. The transducers are arranged to be switched alternately into a transmitting mode and a receiving mode, so that compression waves are generated in the gas by the transmitting transducer and received by the other transducers. By measuring the phase difference between the transmitted and received waves in both directions, the velocity of the gas flowing through the transducer is determined.

上述の米国特許明細書に開示されている技術に
対する変形方法として、変換器はガスに組成また
はガスの温度変動に起因する問題を実質的に生ぜ
しめないように構成された送信および受信部分を
有するように設計することができる。
As a variation on the technique disclosed in the above-mentioned U.S. patents, the transducer has transmitting and receiving portions configured to substantially avoid problems due to compositional or temperature fluctuations in the gas. It can be designed as follows.

上記のような周知の構造においては、変換器を
速度が測定されるガスの流路内に設けるか、ある
いはまた導管壁に形成されたくぼみ内に配設する
ことが要求される。いずれの配置においても、流
体の正常の流れは変換器を通る時に相当に変更さ
れて、それにより流量計の精度は劣化せしめられ
る。さらに流体内の沈澱粒子が変換器の周囲に集
まつて変換器の送信および受信特性を損う可能性
がある。
In known constructions such as those described above, it is required that the transducer be placed in the flow path of the gas whose velocity is to be measured, or alternatively in a recess formed in the conduit wall. In either arrangement, the normal flow of fluid is altered considerably as it passes through the transducer, thereby degrading the accuracy of the flow meter. Additionally, precipitated particles within the fluid can collect around the transducer and impair the transmit and receive characteristics of the transducer.

公知の音波流量計の上に述べたような問題なら
びに他の問題を解決する目的で次のような流量計
が開発されている。即ち、Edward James
DeWathの米国特許第4003252号明細書には流路
に沿つて妨害を有しないように設計された改善さ
れている流量計が開示されている。この流量計に
おいては変換器はほぼ円筒型状に構成されてそし
て流体導管の壁内に配置されており、流路内の全
ての妨害物は除去されそして沈澱物が集まるよう
な空洞も導管壁には形成されていない。
The following flowmeters have been developed to solve the above-mentioned problems of known sonic flowmeters, as well as other problems. i.e. Edward James
DeWath, US Pat. No. 4,003,252, discloses an improved flow meter that is designed to have no obstructions along the flow path. In this flowmeter, the transducer is of approximately cylindrical construction and is located within the wall of the fluid conduit, so that all obstructions in the flow path are removed and cavities in which sediment can collect are removed from the conduit wall. is not formed.

上記米国特許明細書に記載の流量計においては
確かに流路内の妨害物は除去されかつ導管壁のく
ぼみも除去されてはいるが、しかしながらこの流
量計はそれを流れるガスの組成が流量計の較正さ
れている組成と異なつた場合に全く不正確になつ
たり、あるいは機能をしなくなつたりするという
欠点がある。実際これはほとんどの音波流量計に
共通な問題である。というのはガス内の音響圧縮
波の速度はガスに化学組成の関数であつて、典型
的な音波流量計の精度は流量もしくは流速を測定
しようとする特定のガスに対する流量計の較正に
左右されるからである。そして流量計を異なつた
ガスに用いる度毎に較正を修正することは不便で
ある。例えば肺機能分析器等のように流量計が用
いられているガスの組成が変動するような事例に
おいてはガス分析器から修正帰還を行なつてガス
の組成変化を補償しなければ音波流量計は全く不
正確になつてしまう。
Although it is true that the flowmeter described in the above-mentioned U.S. patent does remove obstructions in the flow path and eliminates depressions in the conduit wall, this flowmeter does not allow the composition of the gas flowing through it to be The disadvantage is that if the composition differs from the one for which it is calibrated, it may become completely inaccurate or even cease to function. In fact, this is a common problem with most sonic flow meters. This is because the velocity of acoustic compression waves in a gas is a function of the chemical composition of the gas, and the accuracy of a typical sonic flowmeter depends on the meter's calibration for the particular gas whose flow rate or velocity is being measured. This is because that. And it is inconvenient to correct the calibration each time the flow meter is used for a different gas. For example, in cases where the composition of the gas in which the flowmeter is used fluctuates, such as in a pulmonary function analyzer, a sonic flowmeter cannot be used unless corrective feedback is performed from the gas analyzer to compensate for changes in gas composition. It becomes completely inaccurate.

よつて本発明の目的は、使用中ガスの組成また
は温度の変動によつて左右されない正確な流量計
を提供することである。
It is therefore an object of the present invention to provide an accurate flow meter that is not affected by variations in the composition or temperature of the gas in use.

本発明のさらに他の目的は、ガスの組成および
温度の動的変化の関数として流量計の動作を自動
的に調整し、ガスの平均分子量に相関する音速の
測定値を発生する手段を備えた流量計を提供する
ことにある。
Yet another object of the invention is to provide means for automatically adjusting the operation of the flow meter as a function of dynamic changes in gas composition and temperature and generating sound velocity measurements that are correlated to the average molecular weight of the gas. Our purpose is to provide flowmeters.

本発明による音波流量計の好ましい実施例は導
管の壁内に取付けられた2つの変換器を有してお
つて、ガスの流れに対する妨害物はなくまた粒子
状物質が集まる場合となるようなくぼみが導管壁
に形成されていない。変換器は1方を送信モー
ド、他方を受信モードに交互に切換える電子回路
に接続されている。送信変換器によつて発生され
る音響圧縮波のエネルギが受信変換器において最
大となり、それによつてガスの組成または温度変
化によつて生ぜしめられるガス内の音響圧縮波の
速度変動を補償する目的で送信周波数を調整する
ための自動回路調整手段が設けられる。
A preferred embodiment of a sonic flowmeter according to the invention has two transducers mounted within the walls of the conduit, with no obstructions to the flow of gas and no recesses where particulate matter can collect. are not formed on the conduit wall. The transducer is connected to an electronic circuit that alternately switches one side into transmit mode and the other side into receive mode. The purpose is that the energy of the acoustic compression wave generated by the transmitting transducer is maximized at the receiving transducer, thereby compensating for velocity variations of the acoustic compression wave in the gas caused by changes in gas composition or temperature. Automatic circuit adjustment means are provided for adjusting the transmission frequency at.

電子回路は2つの相続く送受信サイクルの各サ
イクル中に送信変換器によつて発生される音響圧
縮波信号と該音響圧縮波に応答し受信変換器によ
り発生される信号との間の位相差を測定し、かつ
記憶するための回路を備えている。また2つの相
続く位相差(そのうち少くとも1方は予め記憶さ
れているもの)間の差を決定するための回路手段
が設けられ、その場合上記差信号の記号はガスの
流れの方向に対応しそして差信号の大きさは流量
計を流れるガス流速に対応する。さらにまた流量
計を流れるガス中の音速に比例する2つの相続く
位相差の和信号を発生するための回路が設けられ
る。
The electronic circuit determines the phase difference between the acoustic compression wave signal generated by the transmitting transducer and the signal generated by the receiving transducer in response to the acoustic compression wave during each of two successive transmit and receive cycles. It is equipped with circuitry for measuring and storing. Circuit means are also provided for determining the difference between two successive phase differences, at least one of which is previously stored, in which case the symbol of said difference signal corresponds to the direction of gas flow. and the magnitude of the difference signal corresponds to the gas flow rate through the flow meter. Furthermore, a circuit is provided for generating a sum signal of two successive phase differences that is proportional to the speed of sound in the gas flowing through the flow meter.

次に添付図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

まず第1図を参照するに、本発明による流量計
は縦断面図で示した変換器組立体10を有してお
り、この変換器組立体10は矢印12で示す方向
に気体が流れる中心開口を有する実質的に円筒型
の本体を備えている。なお矢印12は第1図で見
て左側から右側の方向に変換器組立体10を流れ
るガス流を表わす。しかしながらガスは所望なら
ば反対の方向で組立体10を流れることができ
る。
Referring first to FIG. 1, a flow meter according to the present invention includes a transducer assembly 10 shown in longitudinal section with a central opening through which gas flows in the direction indicated by arrow 12. It includes a substantially cylindrical body having a cylindrical shape. Note that arrows 12 represent gas flow through transducer assembly 10 from left to right as viewed in FIG. However, gas can flow through assembly 10 in the opposite direction if desired.

変換器組立体10は大体においてエドワードジ
エイムス ドワースの米国特許第4003252号明細
書(発明の名称 アコステイカル・ウエイブ フ
ローメータ)に見られる記述に基づいて構成され
たものである。本発明の変換器組立体10は付加
的に支持部材14を囲繞する金属またはその他の
適当な材料から作られた円筒型のケーシング(第
1図には図示されていない)を有することができ
る。支持部材14自体はポリウレタン・フオー
ム・ラバーまたはその他の良好な音響減衰特性を
有する材料から作るのが好ましい。2つの環状の
切欠き16および18が支持部材14の内壁に形
成されておつて、矢印12で示す流体流路に沿い
互いに離間して配置されている。支持部材14の
対向端には2つの追加の環状切欠き20および2
2が設けられている。
Transducer assembly 10 is constructed generally according to the description found in Edward James Dowers, U.S. Pat. No. 4,003,252, entitled Acoustical Wave Flow Meter. The transducer assembly 10 of the present invention may additionally include a cylindrical casing (not shown in FIG. 1) made of metal or other suitable material surrounding the support member 14. The support member 14 itself is preferably made of polyurethane foam rubber or other material with good acoustic damping properties. Two annular notches 16 and 18 are formed in the inner wall of support member 14 and spaced apart from each other along a fluid flow path indicated by arrow 12. Two additional annular cutouts 20 and 2 are provided at opposite ends of the support member 14.
2 is provided.

各環状の切欠き16および18内にはそれ等の
表面と接触して、それぞれ円筒型の変換器24お
よび26が配置されており、これ等変換器24お
よび26はそれぞれ貫通する円筒型の内孔を有し
ており、この円筒型の内孔は支持部材14の環状
切欠き間に延在する円筒型の内孔28と実質的に
同延関係にある。
A cylindrical transducer 24 and 26, respectively, is disposed within each annular cutout 16 and 18 and in contact with the surface thereof, and each of the transducers 24 and 26 has a cylindrical shape extending therethrough. The cylindrical bore is substantially coextensive with a cylindrical bore 28 extending between the annular notches in the support member 14.

なお中心に位置する貫通孔に妨害が生じないよ
うにそしてまた孔壁に粒状物質が集まるへこみが
ないようにして変換器組立体10の残余の部分に
対し適当な変更を加えて、例えば円弧状の変換器
のような他の形態の変換器を用いることも可能で
ある。
It should be noted that suitable modifications may be made to the remainder of the transducer assembly 10 to ensure that the centrally located through-hole is not obstructed and that the hole walls are free of indentations in which particulate matter may collect, e.g. It is also possible to use other forms of transducers, such as transducers.

各環状の切欠き20および22内にはそれぞれ
端子リング30および32が配置されている。こ
れ等端子リングは例えば3M社(3M Corp.)によ
つて製作されている「Y−370 バイブレーシヨ
ン ダンピング テープ」の如きポリウレタン音
響減衰フオームのような吸音材料から造るのが好
ましい。もつとも端子リング30および32には
類似の吸音性を有する材料を使用することもでき
る。端子リング30および32はそれぞれ支持部
材14の隣接の円筒孔28と実質的に同延関係に
ある円筒型の内孔を有している。従つて矢印12
で示すように、変換器組立体10を通る流体流路
は実質的に連続した壁を有しておつて、そこを流
れる流体は隆起やくぼみに出遇うことはない。
A terminal ring 30 and 32 is disposed within each annular cutout 20 and 22, respectively. These terminal rings are preferably constructed from a sound absorbing material such as a polyurethane sound damping foam such as "Y-370 Vibration Damping Tape" manufactured by 3M Corp. However, similar sound-absorbing materials could be used for the terminal rings 30 and 32. Terminal rings 30 and 32 each have a cylindrical bore in substantially coextensive relationship with an adjacent cylindrical bore 28 of support member 14 . Therefore arrow 12
As shown, the fluid flow path through the transducer assembly 10 has substantially continuous walls so that fluid flowing therethrough does not encounter bumps or depressions.

変換器24および26はラジアルまたはフー
プ・モードで組立体10を通流するガス内に音響
圧縮波を発生するように動作することができる多
数の慣用のデバイスのうち任意のものから構成す
ることができよう。変換器24および26の適当
な材料の例を挙げればポリ弗化ビニルデンまたは
その他の高重合体有機ピエゾ電気材料から作られ
た円筒型のボデイ、チタン酸バリウム、ジルコ
ン・チタン酸鉛または他の成極多結晶強誘電体磁
気材料から作られたセラミツク形変換器その他当
該技術分野の専門家に知られている水晶電気石そ
の他等価の電気機械的デバイスを挙げることがで
きる。
Transducers 24 and 26 may be comprised of any of a number of conventional devices capable of operating to generate acoustic compression waves in the gas flowing through assembly 10 in a radial or hoop mode. I can do it. Examples of suitable materials for transducers 24 and 26 include cylindrical bodies made of polyvinyldene fluoride or other highly polymeric organic piezoelectric materials, barium titanate, zircon lead titanate, or other materials. Mention may be made of ceramic type transducers made from extremely polycrystalline ferroelectric magnetic materials, as well as quartz tourmaline and other equivalent electromechanical devices known to those skilled in the art.

変換器24および26の内面および外面は電気
駆動電極を構成する導電性被覆を有している。変
換器24および26の内面の導電性被覆はそれぞ
れワイヤ34および36を介して外部に位置する
水晶駆動/受信回路38および40に接続されて
いる。変換器24および26の外面の導電性の被
覆はそれぞれワイヤ42および44を介して水晶
駆動/受信回路38および40に接続されてい
る。変換器24および26のための電気接続ワイ
ヤ対34,42および36,44はそれぞれ組立
体10の外部から変換器の環状の切欠き16およ
び18内に連通している開口46および48を通
つている。
The inner and outer surfaces of transducers 24 and 26 have conductive coatings that constitute electrical drive electrodes. The conductive coatings on the inner surfaces of transducers 24 and 26 are connected via wires 34 and 36, respectively, to externally located crystal drive/receive circuits 38 and 40. The conductive coatings on the outer surfaces of transducers 24 and 26 are connected to crystal drive/receive circuits 38 and 40 via wires 42 and 44, respectively. Electrical connection wire pairs 34, 42 and 36, 44 for transducers 24 and 26, respectively, are routed through openings 46 and 48 that communicate from outside of assembly 10 into annular cutouts 16 and 18 of the transducers. There is.

上に述べた変換器組立体10とそれに関連する
電子回路の動作は基本的に先に述べた米国特許に
開示されているものと同じであり、従つてこの米
国特許の内容を参考までにここに援用する。基本
的には変換器組立体はたわみ性のホース管等を用
いて流量を測定しようとする外部流体源に接続さ
れる。流体自体は気体即ちガスであつても、ある
いは液体であつてもよいが、本発明のここに述べ
ている実施例は矢印12で示す軸方向またはその
反対の方向に変換器組立体10を流れるガス流の
測定のために設計されているものである。制御回
路50がそれぞれ線路52および54を介して変
換器駆動/受信回路38および40に結合されて
いる。この制御回路50は変換器駆動/受信回路
38または40のいずれか1つをしてそれぞれ結
合された円筒型の変換器24および26に電気信
号を伝送せしめそして他方の駆動/受信回路40
または38は結合された変換器26または24か
らの信号を受信する状態に条件設定するように動
作する。前に述べたように1つの駆動/受信回路
から電気信号を受ける変換器24または26はそ
れに応答して流体内に音響圧縮波を発生する。同
時に他の駆動/受信回路38または40に結合さ
れている他方の変換器または流体内に発生された
音響圧縮波に応答して電気信号を発生し、この電
気信号はそれに結合された駆動/受信回路によつ
て検出される。
The operation of the above-described transducer assembly 10 and its associated electronic circuitry is essentially the same as that disclosed in the above-mentioned U.S. patent, the contents of which are hereby incorporated by reference. be used for. Basically, the transducer assembly is connected to an external source of fluid whose flow rate is to be measured using a flexible hose or the like. Although the fluid itself may be a gas or a liquid, the presently described embodiments of the invention flow through transducer assembly 10 in the axial direction indicated by arrow 12 or in the opposite direction. It is designed for gas flow measurements. A control circuit 50 is coupled to transducer drive/receive circuits 38 and 40 via lines 52 and 54, respectively. The control circuit 50 causes one of the transducer drive/receiver circuits 38 or 40 to transmit electrical signals to the coupled cylindrical transducers 24 and 26, respectively, and the other drive/receiver circuit 40.
or 38 is operative to condition the signal from the coupled transducer 26 or 24 to be received. Transducer 24 or 26, which receives an electrical signal from one of the drive/receive circuits as previously described, generates an acoustic compression wave in the fluid in response. generating an electrical signal in response to an acoustic compression wave generated in the other transducer or fluid simultaneously coupled to the other drive/receiver circuit 38 or 40; detected by the circuit.

変換器24または26の1つの発生される音響
圧縮波は送信変換器から受信変換器に伝搬するの
に有限の時間をとる。この伝搬時間は変換器を流
れる流体の方向および流速ならびに変換器10内
を流れる流体内の音速によつて左右される。これ
等の関係については上述の米国特許明細書に詳細
に論述されている。
The acoustic compression wave generated by one of the transducers 24 or 26 takes a finite amount of time to propagate from the transmitting transducer to the receiving transducer. This propagation time depends on the direction and velocity of the fluid flowing through the transducer as well as the speed of sound within the fluid flowing within the transducer 10. These relationships are discussed in detail in the above-mentioned US patent specifications.

上に述べた各変換器24および26の代りに類
似の仕方で組立体10に取付けられた1対の変換
器を用いることができる。この1対の変換器のう
ち1つの変換器は特に送信用即ち音響圧縮波を発
生するのに用いられ、他方は受信変換器即ちガス
流内の音響圧縮波に応答して受信信号を発生する
変換器として用いられる。
Each transducer 24 and 26 described above may be replaced by a pair of transducers attached to assembly 10 in a similar manner. One transducer of this pair of transducers is specifically used for transmitting or generating an acoustic compression wave, and the other is a receiving transducer, generating a receive signal in response to an acoustic compression wave in the gas stream. Used as a converter.

変換器組立体10およびそれに結合された回路
は次のような仕方で動作する。制御回路50は最
初に1つの変換器、即ち変換器24かまたは26
をして流体内に音響圧縮波を発生せしめそして同
時に他方の変換器即ち26かまたは24を第1の
変換器からの音響圧縮波を受信するように調整す
る。この動作モードが第1の送受信サイクルであ
る。送信信号は同時に制御回路50から線路52
かまたは54を介して1つの駆動/受信回路38
または40に送られそして線路56を介し位相検
出器58に送られる。受信変換器24または26
からの受信信号は変換器駆動/受信回路38かま
たは40のいずれかによつて線路60か62を介
してそれぞれ位相検出器58に供給される。位相
検出器58は送信信号および受信信号に応答して
線路64に送信信号および受信信号間の位相差を
表示する信号を発生する。この信号もしくは情報
は線路64を介して位相加算・減算器66に結合
される。この位相加算・減算器66は位相検出器
58から受信した位相差を一時的に記憶するため
の記憶手段を備えている。
Transducer assembly 10 and circuitry coupled thereto operate in the following manner. Control circuit 50 initially controls one transducer, either transducer 24 or 26.
to generate an acoustic compression wave in the fluid and simultaneously adjust the other transducer, either 26 or 24, to receive the acoustic compression wave from the first transducer. This operating mode is the first transmission/reception cycle. The transmission signal is simultaneously transmitted from the control circuit 50 to the line 52.
or one drive/receiver circuit 38 via 54
or 40 and via line 56 to phase detector 58 . Receiving converter 24 or 26
The received signal from is provided by either transducer drive/receive circuit 38 or 40 via lines 60 or 62, respectively, to phase detector 58. Phase detector 58 responds to the transmitted and received signals to generate a signal on line 64 indicating the phase difference between the transmitted and received signals. This signal or information is coupled via line 64 to a phase adder/subtractor 66. The phase adder/subtractor 66 includes storage means for temporarily storing the phase difference received from the phase detector 58.

そこで制御回路50は変換器24および26の
役割りを切換える。即ち上記他方の変換器24ま
たは26が送信モードに切換えられて流体内に音
響圧縮波を発生しそして最初の変換器24または
26は受信モードに切換えられる。この動作モー
ドは第2の送受信サイクルである。位相検出器5
8は第2の送受信サイクル中送信信号と受信信号
との間の位相差を検出してこの第2の位相差は線
路64を介して位相加算・減算器66に伝達さ
れ、後者はこの第2の位相差を一時的に記憶す
る。
Control circuit 50 then switches the roles of transducers 24 and 26. That is, the other transducer 24 or 26 is switched to transmit mode to generate an acoustic compression wave in the fluid and the first transducer 24 or 26 is switched to receive mode. This mode of operation is the second transmit/receive cycle. Phase detector 5
8 detects the phase difference between the transmitted signal and the received signal during a second transmission/reception cycle, and this second phase difference is transmitted via line 64 to a phase adder/subtractor 66, the latter of which Temporarily stores the phase difference.

上記のようにして2つの位相差が記憶されると
位相加算・減算器66はこれ等2つの記憶されて
いる位相差間の和および差を計算する。2つの記
憶された位相差間の差ならびに第6図と関連して
述べる1つの修正量が出力線路68に与えられ
る。この出力線路68は本発明の流量計を相応に
較正することにより変換器組立体10を通る流速
もしくは流量を表わす信号を出すものである。加
えるに、位相検出器58によつて計算された2つ
の位相差間の差の代数記号は変換器組立体10を
流れるガス流の方向を表示し、その場合正の記号
は組立体10を流れる流体流の任意の1つの方向
を表わし、負の記号はその反対の方向を表わす。
Once the two phase differences are stored as described above, the phase adder/subtractor 66 calculates the sum and difference between these two stored phase differences. The difference between the two stored phase differences as well as one correction amount as described in connection with FIG. 6 is applied to output line 68. This output line 68 provides a signal representative of the flow rate or flow rate through the transducer assembly 10 by calibrating the flow meter of the present invention accordingly. Additionally, the algebraic sign of the difference between the two phase differences calculated by phase detector 58 indicates the direction of gas flow through transducer assembly 10, where a positive sign indicates the direction of gas flow through assembly 10. Represents any one direction of fluid flow; a negative symbol represents the opposite direction.

位相加算・減算器66によつて計算された2つ
の位相差の和は出力線路70に与えられる。この
出力線路70の信号の大きさは較正のために用い
られる基準ガス内の音速と比較しての組立体10
を通るガス内の音速に比例する。和信号はまた線
路72を介して制御回路50に送られ、追つて詳
細に説明するように利用される。さらにこの和信
号は線路68上の流量値信号を修正するのに用い
られる。出力線路70に与えられる値は相対値で
あり、従つて本発明による流量計は線路70上の
信号の値の大きさを解釈もしくは評価することが
できるように較正しなければならない。
The sum of the two phase differences calculated by phase adder/subtractor 66 is provided to output line 70. The magnitude of this output line 70 signal is the magnitude of the assembly 10 compared to the sound velocity in the reference gas used for calibration.
is proportional to the speed of sound in the gas. The sum signal is also sent via line 72 to control circuit 50 for use as will be explained in more detail below. This sum signal is further used to modify the flow value signal on line 68. The value provided on output line 70 is a relative value and therefore the flowmeter according to the invention must be calibrated so that the magnitude of the signal on line 70 can be interpreted or evaluated.

前に略述したように先に援用した米国特許に開
示されている流量計の欠点は変換器を通るガス内
の音速がその使用中に動力学的に変化するような
環境内では動作しないという点にある。本発明者
等は円筒型の変換装置は1つもしくは2つ以上の
固有周波数において管の直径方向に強い共振エコ
ーを発生することによつて動作することを発見し
た。例えばこの関係は近似的に2.3λ=Dと表現
することができる。ここでλは流体内の音波長
(cm)であり、Dは管の内経(cm)である。直径
Dにおいて共振エコーが生ずる周波数は、02モー
ドの個有空洞共振周波数と呼ばれる。共振エコー
が生ずる他の有用な周波数は実質的に0.73λ、
1.4λ、3.2λまたは3.9λに等しい。従つて上記の
ような欠点は流量検出変換器を通過しているガス
内の音響圧縮波の速度がガス組成の関数として変
動することに起因するものである。これによつて
受信モードにある組立体の変換器によつて検出さ
れる音響圧縮波の振幅は変動せしめられる。とい
うのは変換器の内径がもはや固有波長に等しくな
く、そのために受信変換器によつて発生される信
号の振幅もしくは大きさが著しく減少せしめられ
るからである。従つて受信信号の検出は一層難し
くなり音響圧縮波の検出に検出誤差が生じたり、
あるいはまた全く検出が不可能となるような可能
性が生ずる。このような欠点は組立体内の変換器
の内径寸法を変えるか、あるいはまた送信変換器
によつて発生される音響圧縮波の周波数を変える
ことにより克服することができる。変換器組立体
自体は変換器の内径調節に適していないので上の
問題を解決する試みとしては送信変換器によつて
発生される音響圧縮波の周波数を調節する方がよ
いことは明らかである。従つて位相加算・減算器
66により計算される位相差の和信号は線路72
を介して制御回路50に伝送される。上に述べた
ように線路72の信号は組立体10を通るガス内
の音速に関するものである。この信号は制御回路
50において各送受信サイクル中に送信変換器に
よつて発生される音響圧縮波の周波数を変えて波
長を一定に維持し、それにより受信変換器により
受信される信号を最大にする目的で利用される。
As outlined above, a disadvantage of the flowmeter disclosed in the above-referenced U.S. patent is that it does not operate in an environment where the speed of sound in the gas passing through the transducer changes dynamically during its use. At the point. The inventors have discovered that cylindrical transducers operate by generating strong resonant echoes diametrically across the tube at one or more natural frequencies. For example, this relationship can be approximately expressed as 2.3λ=D. Here, λ is the sound wavelength in the fluid (cm), and D is the internal diameter of the tube (cm). The frequency at which a resonant echo occurs at diameter D is called the unique cavity resonant frequency of the 02 mode. Other useful frequencies at which resonant echoes occur are substantially 0.73λ,
Equal to 1.4λ, 3.2λ or 3.9λ. The drawbacks described above are therefore due to the fact that the velocity of the acoustic compression wave in the gas passing through the flow sensing transducer varies as a function of gas composition. This causes the amplitude of the acoustic compression wave detected by the transducer of the assembly in receive mode to vary. This is because the inner diameter of the transducer is no longer equal to the characteristic wavelength, so that the amplitude or magnitude of the signal generated by the receiving transducer is significantly reduced. Therefore, it becomes more difficult to detect the received signal, and detection errors may occur in the detection of acoustic compression waves.
Alternatively, there is a possibility that detection may not be possible at all. Such drawbacks can be overcome by changing the internal diameter dimensions of the transducers within the assembly or alternatively by changing the frequency of the acoustic compression wave generated by the transmitting transducer. Since the transducer assembly itself is not suitable for adjusting the internal diameter of the transducer, it is clear that in an attempt to solve the above problem it is better to adjust the frequency of the acoustic compression wave generated by the transmitting transducer. . Therefore, the sum signal of the phase differences calculated by the phase adder/subtractor 66 is transmitted to the line 72.
is transmitted to the control circuit 50 via. As mentioned above, the signal on line 72 is related to the speed of sound in the gas through assembly 10. This signal is used in control circuit 50 to vary the frequency of the acoustic compression wave generated by the transmitting transducer during each transmitting and receiving cycle to maintain a constant wavelength, thereby maximizing the signal received by the receiving transducer. used for a purpose.

本発明者等はまた波長を一定に保持するために
周波数を修正した後ガス組成の変動によつて左右
されない正確な流速測定値を得るためには見掛け
の流速に音速を乗じなければならないことを発見
した。
The inventors also discovered that after correcting the frequency to hold the wavelength constant, the apparent flow velocity must be multiplied by the speed of sound to obtain accurate velocity measurements that are not affected by variations in gas composition. discovered.

経験の示すところによれば、上掲の米国特許明
細書に記述されている型の流量計は時として変換
器が接続されている系の他の部分からの音響圧縮
波の反射に起因する誤差を受ける。このような反
射はしばしば変換器組立体に結合されている他の
流体伝達装置から反射する音響圧縮波に起因する
ものである。また変換器自体を呼吸を分析中の人
間の口に極く接近して配置された呼吸分析器に用
いる場合にも問題が生ずる。
Experience has shown that flowmeters of the type described in the above-cited U.S. patent sometimes suffer from errors due to reflections of acoustic compression waves from other parts of the system to which the transducer is connected. receive. Such reflections are often due to acoustic compression waves reflecting from other fluid transfer devices coupled to the transducer assembly. Problems also arise when the transducer itself is used in a breath analyzer placed in close proximity to the mouth of the person whose breath is being analyzed.

本発明は組立体10の両端に配置された端子リ
ング30および32を設けることによつて上記の
ような反射の問題を解決している。これ等のリン
グ30および32はそこを通る音響圧縮波の振幅
を相当に減少するように作用する先に述べたよう
な音響減衰材料から作られている。実際リング3
0および32に対して適切な材料を選択した場合
にはそれによつて与えられる減衰の大きさは充分
なもので組立体10の1端を呼吸を分析中の個人
の口に極く近接して挿入しても音響反射が原因で
生ずる上述のような問題は本質的に解決される。
またリング30および32によつてなされる減衰
で組立体10を流体搬送系に結合した場合に生ず
る上述のような反射に関連する問題も充分に満足
に解決される。
The present invention solves the above-described reflection problem by providing terminal rings 30 and 32 located at opposite ends of assembly 10. These rings 30 and 32 are made of an acoustically attenuating material as previously described which acts to substantially reduce the amplitude of acoustic compression waves passing therethrough. actual ring 3
0 and 32, the amount of attenuation provided thereby is sufficient to allow one end of the assembly 10 to be placed in close proximity to the mouth of the individual whose breathing is being analyzed. Even if inserted, the above-mentioned problems caused by acoustic reflection are essentially solved.
The damping provided by rings 30 and 32 also satisfactorily solves the problems associated with reflections, such as those described above, that occur when assembly 10 is coupled to a fluid transport system.

第1図と関連して述べた上の説明は本発明の回
路およびその動作について一般的に述べたもので
ある。第2図および第4図ないし第6図の回路は
肺機能検査装置に用いるように本発明を適用した
実際の実施例を示す。しかしながら当業者には明
らかなように、この具体例に対して種々な変形変
更が可能であることは勿論、本発明を他の用途に
適用する目的で回路を最適化するために回路要素
を変更し得るであろうことは言うまでもない。
The above discussion in connection with FIG. 1 generally describes the circuit of the present invention and its operation. The circuits of FIGS. 2 and 4 to 6 show actual embodiments of the present invention for use in a pulmonary function testing device. However, as will be apparent to those skilled in the art, various modifications and changes may be made to this specific example, and circuit elements may be modified to optimize the circuit for the purpose of applying the invention to other applications. It goes without saying that it could be done.

第2図の回路は第4図ないし第6図に示す回路
を作動するための制御パルスを発生するためのパ
ルス発生器を有している。これに対して第3図は
第2図の回路の種々な出力端から発生されるパル
ス列を示すパルス・ダイヤフラムである。梗概す
るに第2図の回路は「CD4047」型集積回路とす
ることができる発振器回路を備えており、この発
振器回路には例えば400Hzとすることができる出
力周波数を制御するための121kHzの抵抗器およ
び4700pFのコンデンサが接続されている。それ
ぞれ「CD4027」集積回路の半部を構成している
2つの直列接続されたJKフリツプ・フロツプが
発振器集積回路「CD4047」によつて発生される
ものよりも遅い速度でタイミング・パルスを発生
するために用いられている。発振器およびフリツ
プ・フロツプによつて発生される信号は第2図の
アンド・ゲートおよびナンド・ゲートによつて結
合され、それにより第3図に示すようなパルス列
が発生される。出力Q0のパルス・ダイヤグラム
は第3図に示されていない。この出力パルスQ0
はQ1の周波数の2倍の周波数を有する矩形波で
あつてパルスQ0の正方向の前縁は「CD4047」の
出力パルスQ1の正方向の前縁と同じ時点に生ず
る。
The circuit of FIG. 2 includes a pulse generator for generating control pulses for operating the circuits shown in FIGS. 4-6. In contrast, FIG. 3 is a pulse diaphragm showing the pulse trains generated from the various outputs of the circuit of FIG. In summary, the circuit of Figure 2 comprises an oscillator circuit, which may be a "CD4047" type integrated circuit, and which includes a 121kHz resistor to control the output frequency, which may be, for example, 400Hz. and a 4700pF capacitor connected. Because two series-connected JK flip-flops, each forming one half of the CD4027 integrated circuit, generate timing pulses at a slower rate than those generated by the CD4047 oscillator integrated circuit. It is used in The signals produced by the oscillator and flip-flop are combined by the AND gate and NAND gate of FIG. 2, thereby producing a pulse train as shown in FIG. The pulse diagram of output Q 0 is not shown in FIG. This output pulse Q 0
is a rectangular wave having a frequency twice that of Q 1 and the positive leading edge of the pulse Q 0 occurs at the same time as the positive leading edge of the output pulse Q 1 of "CD4047".

次に第5図を参照するに、集積回路
「CD4046」は出力ピン4に矩形波信号を発生する
電圧制御発振器(VCO)を有しており、その周
波数はピン11とアースとの間に直列に接続され
た抵抗器ならびにピン9に印加される電圧によつ
て制御される。ピン9における電圧が約+7.5V
である第5図に示した特定の抵抗器の場合には電
圧制御発振器のピン4における矩形波出力の周波
数は公称51kHzである。入力ピン9に現われる電
圧が変ると、それによつて電圧制御発振器の周波
数が遷移せしめられる。第5図の回路はVCO即
ち電圧制御発振器の周波数をして追つて詳細に説
明するように、ガス内の音響速度における変動に
動的に応答せしめる。
Referring next to Figure 5, the integrated circuit "CD4046" has a voltage controlled oscillator (VCO) that generates a square wave signal at output pin 4, the frequency of which is connected in series between pin 11 and ground. and a voltage applied to pin 9. The voltage at pin 9 is approximately +7.5V
For the particular resistor shown in FIG. 5, the frequency of the square wave output at pin 4 of the voltage controlled oscillator is nominally 51 kHz. When the voltage present at input pin 9 changes, it causes the frequency of the voltage controlled oscillator to transition. The circuit of FIG. 5 causes the frequency of the VCO, or voltage controlled oscillator, to respond dynamically to variations in the acoustic velocity within the gas, as will be explained in more detail below.

ピン4に得られる電圧制御発振器からの矩形波
信号は線路100を介して回路CD4046のピン3
に接続される。この回路は内部で位相検出器(φ
DET)に接続されている。矩形波信号はまた線
路102を介してナンド・ゲートに接続されてお
り、該ナンド・ゲートの出力側は演算増幅器
LM318および演算乗算器XR2208に接続されてい
る。これ等回路の機能は線路102に現われる矩
形波信号と同じ周波数を有する正弦波信号を回路
点104に発生することにある。しかしながら当
業者には明らかなように、線路102および回路
点104間の回路は矩形波信号を正弦波信号に変
換するための周知の多数の回路のうちの任意の回
路から構成することができ、上述のもの以外の等
価な回路を使用し得ることはいうまでもない。
The square wave signal from the voltage controlled oscillator available on pin 4 is passed through line 100 to pin 3 of circuit CD4046.
connected to. This circuit internally uses a phase detector (φ
DET). The square wave signal is also connected via line 102 to a NAND gate whose output is connected to an operational amplifier.
Connected to LM318 and arithmetic multiplier XR2208. The function of these circuits is to generate at circuit point 104 a sinusoidal signal having the same frequency as the square wave signal appearing on line 102. However, as will be appreciated by those skilled in the art, the circuit between line 102 and circuit point 104 may be comprised of any of a number of circuits known for converting square wave signals to sinusoidal signals. It goes without saying that equivalent circuits other than those described above may be used.

回路点104と出力端子ACとの間には回路
LM318および8043Cから成る3つの演算増幅器が
配置されている。演算増幅器LM318は回路点1
04における正弦波を増幅するためのものであ
る。2つの演算増幅器8043Cは出力端子ACに現
われる信号の位相を調整するためのものであつ
て、出力端子ACの信号の位相は調整抵抗器10
6および108により約360゜調整することがで
きる。これ等の抵抗器は流量計の較正中に調整さ
れそして好ましくは回路CD4046のピン9の信号
が変換器組立体10(第1図)に空気流がない場
合に+7.5Vとなるように調整するのが好まし
い。次に出力端子ACにおける信号の位相調節に
よつてピン9の電圧を変動せしめるメカニズムに
ついて説明する。
There is a circuit between circuit point 104 and output terminal AC.
Three operational amplifiers consisting of LM318 and 8043C are arranged. Operational amplifier LM318 is at circuit point 1
This is for amplifying the sine wave at 04. The two operational amplifiers 8043C are for adjusting the phase of the signal appearing at the output terminal AC, and the phase of the signal at the output terminal AC is adjusted by the adjustment resistor 10.
6 and 108, it can be adjusted approximately 360 degrees. These resistors are adjusted during flow meter calibration and are preferably adjusted so that the signal at pin 9 of circuit CD4046 is +7.5V when there is no air flow through transducer assembly 10 (FIG. 1). It is preferable to do so. Next, a mechanism for varying the voltage at pin 9 by adjusting the phase of the signal at the output terminal AC will be explained.

第4図の回路は変換器駆動/受信回路から構成
されており、この図にはこれ等回路が変換器24
および26に接続される仕方が説明されている。
第4図の回路は破線110の左側に見られる駆動
部分と点線110の右側に見られる変換器24お
よび26を除いた受信器部分とに分けられる。
The circuit of FIG. 4 consists of converter drive/receiver circuits, and these circuits are shown in
and 26 are explained.
The circuit of FIG. 4 is divided into a drive portion, seen to the left of dashed line 110, and a receiver portion, excluding transducers 24 and 26, seen to the right of dashed line 110.

第5図の回路からの正弦波信号は第4図の入力
端子ACに接続されておりそしてそこから2つの
変換器駆動回路に結合されている。第1の駆動回
路はQ5からなり、第2の駆動回路はQ6を有し
ている。これ等トランジスタQ5およびQ6は入
力端子ACからの正弦波信号をそれに結合された
変換器24または26に通し、それにより変換器
を送信モードにする。ゲート信号はトランジスタ
対Q1,Q3およびQ2,Q4ならびに第2図の
回路を含む回路によつて発生され、端子Xおよび
Yにはゲート信号が現われる。端子XおよびYの
ゲート信号は異なつた時刻に現われて第3図に示
すように交番するので、変換器24および26は
交互に送信モードに切換えられる。
The sinusoidal signal from the circuit of FIG. 5 is connected to input terminal AC of FIG. 4 and from there to two converter drive circuits. The first drive circuit consists of Q5 and the second drive circuit has Q6. These transistors Q5 and Q6 pass the sinusoidal signal from the input terminal AC to the converter 24 or 26 coupled thereto, thereby placing the converter in a transmit mode. The gate signal is generated by a circuit including transistor pairs Q1, Q3 and Q2, Q4 and the circuit of FIG. 2, with the gate signal appearing at terminals X and Y. The gating signals at terminals X and Y appear at different times and alternate as shown in FIG. 3, so that transducers 24 and 26 are alternately switched to the transmit mode.

変換器24および26にはそれぞれ直接受信回
路116および118が接続されているが、これ
等受信回路116および118はそれぞれの入力
短絡トランジスタQ7またはQ8がオフ状態にあ
るかまたはオン状態にあるかに依存して変換器2
4または26により発生される信号に応答するか
あるいはまた応答しない。例えばトランジスタQ
7はゲート・パルス信号Q3によつて制御されて
信号Q3が正である時には線路112を接地す
る。同様にしてトランジスタQ8はゲート信号
3が正である時には常に線路114を接地す
る。第3図のパルス波形図から明らかなように、
Xが正である時にはQ3は正であり、従つて受信
器116は変換器24が送信モードにあつて入力
端子ACから信号を受けている時には動作しな
い。同様にして受信器118は変換器26が送信
モードにある時には3が正であるので動作しな
い。このようにして所与の変換器24または26
が送信モードにある時には常にそれに結合された
受信回路116または118が動作しない。しか
しながら1つの変換器が送信モードにある時には
他の変換器24または26に結合された受信回路
116または118が動作可能になる。というの
は対応のゲート信号Q3または3が接地電位にあ
るからである。例えば第1の送信−受信サイクル
中変換器24は送信モードにあつて、入力端子
ACからの信号を受け、トランジスタQ7は信号
Q3によつてオンに切換えられて受信器116を
接地点112により遮断し、受信回路118は変
換器26に動作結合される。というのはゲート信
3が接地電位にあつたトランジスタQ8がオ
フに切換つているからである。同時にゲート信号
Yは接地電位、即ちアース電位にありそれにより
入力端子ACに現われる信号がトランジスタQ6
を介して変換器26に結合されることを阻止す
る。第2の送−受信サイクルは変換器26が入力
端子ACから信号を受ける時に生じ、トランジス
タQ7は信号Q3によつてオフに切換えられ、ト
ランジスタQ8は3によつてオンに切換えら
れ、ゲート信号Yは正となりそしてゲート信号X
は接地電位となる。このようにして変換器26は
送信モードになり、受信回路116は動作し、受
信回路118は動作しない。
Directly connected to the converters 24 and 26 are receiver circuits 116 and 118, respectively, which are connected directly to the converters 24 and 26 depending on whether their respective input shorting transistors Q7 or Q8 are in the OFF or ON state. Depends on converter 2
4 or 26 or not. For example, transistor Q
7 is controlled by gate pulse signal Q 3 to ground line 112 when signal Q 3 is positive. Similarly, transistor Q8 receives the gate signal
Whenever 3 is positive, line 114 is grounded. As is clear from the pulse waveform diagram in Figure 3,
When X is positive, Q 3 is positive, so receiver 116 is inactive when converter 24 is in transmit mode and receiving a signal from input terminal AC. Similarly, receiver 118 does not operate when converter 26 is in transmit mode since 3 is positive. In this way a given transducer 24 or 26
Whenever the is in transmit mode, the receiver circuitry 116 or 118 coupled thereto is inoperative. However, when one transducer is in transmit mode, the receive circuit 116 or 118 coupled to the other transducer 24 or 26 is enabled. This is because the corresponding gate signal Q 3 or 3 is at ground potential. For example, during a first transmit-receive cycle, converter 24 is in transmit mode and the input terminal
Receiving the signal from AC, transistor Q7
Switched on by Q 3 to isolate receiver 116 through ground 112 , receiver circuit 118 is operatively coupled to transducer 26 . This is because transistor Q8, whose gate signal 3 was at ground potential, has been turned off. At the same time, the gate signal Y is at ground potential, i.e., earth potential, so that the signal appearing at the input terminal AC is transmitted to the transistor Q6.
is prevented from being coupled to transducer 26 via. A second transmit-receive cycle occurs when the converter 26 receives a signal from the input terminal AC , transistor Q7 is switched off by the signal Q3 , transistor Q8 is switched on by the gate signal Y becomes positive and gate signal X
becomes the ground potential. Transducer 26 is thus in transmit mode, receive circuit 116 is active, and receive circuit 118 is inactive.

変換器24に結合された受信回路116は直列
に接続された2つの演算増幅器120および12
2を備えておつて、トランジスタQ7がオンに切
換えられない場合に動作し、入力線112に現わ
れる信号を増幅する。増幅された信号は演算増幅
器122のピン6に現われる。このピン6は比較
回路124の反転入力端に接続されている。比較
回路124はゲート信号Aが論理「0」である時
には常に動作が可能であつて、それにより出力信
号がピン7に現われる。
A receiver circuit 116 coupled to converter 24 includes two operational amplifiers 120 and 12 connected in series.
2, which operates when transistor Q7 is not turned on, amplifies the signal appearing on input line 112. The amplified signal appears at pin 6 of operational amplifier 122. This pin 6 is connected to the inverting input of the comparison circuit 124. Comparator circuit 124 is enabled whenever gate signal A is a logic "0", thereby causing an output signal to appear at pin 7.

ピン7の出力信号は比較器124のピン3への
正弦波入力が負の電位である時には正電位(約+
15V)でありそしてピン3の入力信号が正電位で
ある時には0ボルトである。このようにして比較
器124は正弦波入力を矩形波出力に変換する。
なお比較回路126は比較回路124が動作して
おる時には動作せずそして比較回路124が動作
しない時には動作する。
The output signal at pin 7 is at a positive potential (approximately +
15V) and 0 volts when the input signal at pin 3 is at a positive potential. In this manner, comparator 124 converts a sine wave input to a square wave output.
Note that the comparison circuit 126 does not operate when the comparison circuit 124 operates, and operates when the comparison circuit 124 does not operate.

受信器118は2つの直列に接続された演算増
幅器130および132を有しており、これ等増
幅器は入力線路114に現われる信号を増幅し、
増幅された信号を演算増幅器132の出力ピン6
に供給する。この増幅器132のピンの出力信号
は比較回路126の反転入力端に印加され、回路
126はゲート信号Bが論理「0」である時には
常に動作可能になる。比較回路126のピン7の
出力はピン3の入力信号が負の電位である時には
常に約+15V電圧の矩形波でありそしてピン3の
入力が正の電位である時にはほぼ零電位になる。
ゲート信号AおよびBは異なつた時点に生ずるの
で比較回路124または126の動作は他の比較
回路126または124の動作に影響を与えるこ
とはない。
Receiver 118 has two series connected operational amplifiers 130 and 132 which amplify the signal appearing on input line 114;
The amplified signal is sent to output pin 6 of operational amplifier 132.
supply to. The output signal at this pin of amplifier 132 is applied to the inverting input of comparator circuit 126, and circuit 126 is enabled whenever gate signal B is logic "0". The output at pin 7 of comparator circuit 126 is a square wave of approximately +15V voltage whenever the input signal at pin 3 is at a negative potential, and is at approximately zero potential when the input at pin 3 is at a positive potential.
Since gate signals A and B occur at different times, the operation of one comparison circuit 124 or 126 does not affect the operation of another comparison circuit 126 or 124.

従つて比較回路124および126は独立して
動作し変換器が受信モードにあつて所要のゲート
信号が受信回路116または118を作動するよ
うに与えられている時には常に結合された変換器
24または26に発生する正弦波信号からそれぞ
れの出力端に矩形波信号を発生する。比較回路の
出力ピンは端子SIGに結合されているので端子
SIGに現われる信号は比較器124および126
の出力端に発生する信号の論理積を表わす。
Thus, comparator circuits 124 and 126 operate independently and the combined converter 24 or 26 operates independently whenever the converter is in receive mode and the required gating signal is applied to activate the receive circuit 116 or 118. A rectangular wave signal is generated at each output terminal from a sine wave signal generated at the output terminal. The output pin of the comparator circuit is coupled to terminal SIG, so
The signal appearing on SIG is output to comparators 124 and 126.
represents the logical product of the signals generated at the output terminal of .

受信回路116および118からの出力は第4
図の端子SIGを介して第5図の応答の入力端子
SIGに伝達されそして位相検出回路に内部接続さ
れている集積回路CD4046のピン14に伝送され
る。位相検出器自身は機能的にはエクスクルシ
ブ・オア回路と同じように動作し、その出力は集
積回路CD4046のピン2に内部接続されておつ
て、位相検出器の1つの入力だけが論理「1」レ
ベルである時には常に論理「1」出力レベルを発
生する。従つて集積回路CD4046のピン2に現わ
れる信号はパルス幅変調された矩形波信号であ
り、各パルスの幅は送信される信号、即ち線路1
00の信号と受信信号、即ち集積回路CD4046の
ピン14に現われる信号との間の位相差に相関す
るものである。
The outputs from receiving circuits 116 and 118 are the fourth
The input terminal of the response in Figure 5 via the terminal SIG in Figure
SIG and is transmitted to pin 14 of the integrated circuit CD4046 which is internally connected to the phase detection circuit. The phase detector itself operates functionally like an exclusive-OR circuit, with its output internally connected to pin 2 of the integrated circuit CD4046, with only one input of the phase detector being a logic "1". always generates a logic "1" output level. The signal appearing at pin 2 of the integrated circuit CD4046 is therefore a pulse width modulated square wave signal, the width of each pulse being equal to the transmitted signal, i.e. line 1.
00 signal and the received signal, ie the signal appearing at pin 14 of the integrated circuit CD4046.

本発明による流量計の通常の動作において、変
換器組立体10(第1図)を通過するガスの組成
がメータの較正時から変つた場合には第5図の入
力端子SIGに現われる信号の位相は回路を較正し
た時に入力端子に現われる位相と異なつてくる。
従つて位相検出器の出力も異なり、それにより演
算増幅器156の出力端に接続された1MΩの抵
抗器および1μFのコンデンサからなる低域フイ
ルタのコンデンサに生ずる電圧は流量計を較正し
た時の電圧に対して後述するような仕方で変動す
る。この1μFコンデンサに現われる電圧の変動
で集積回路CD4046のピン9の電圧が変動せしめ
られ、それにより電圧制御発振器によつて発生さ
れる信号の周波数も変動せしめられる。装置は送
信および受信信号間の位相差が低域フイルタの1
μFコンデンサにおける電圧変動を生ぜしめなく
なる迄電圧制御発振器の周波数を調整し続ける。
During normal operation of a flow meter according to the invention, if the composition of the gas passing through the transducer assembly 10 (FIG. 1) has changed since the time of meter calibration, the phase of the signal appearing at input terminal SIG, FIG. will be different from the phase that appears at the input terminals when the circuit is calibrated.
Therefore, the output of the phase detector is also different, so that the voltage across the low-pass filter capacitor consisting of a 1 MΩ resistor and a 1 μF capacitor connected to the output of operational amplifier 156 is the same as the voltage at which the flowmeter was calibrated. On the other hand, it varies in the manner described below. The variation in the voltage present on this 1 μF capacitor causes the voltage at pin 9 of the integrated circuit CD4046 to vary, which in turn causes the frequency of the signal generated by the voltage controlled oscillator to vary. The device is designed so that the phase difference between the transmitted and received signals is 1
Continue adjusting the frequency of the voltage controlled oscillator until it no longer causes voltage fluctuations on the μF capacitor.

ガスの組成変化に応答して動作周波数を変える
ことができるという点が従来の技術と異なる本発
明の非常に重要な特長である。本発明の変換器は
変換器の内径によつて左右される固有周波数で動
作した場合に送信変換器から受信変換器に最大の
エネルギ転送を行なうことができることが判明し
た。従つて流量計を較正する時の変換器組立体内
のガスが空気である場合には電圧制御発振器の周
波数は固有周波数に対応する半波長の分数値を有
する音響圧縮波を変換器直径の方向で空気中に発
生する周波数に対応する。その後にガスの密度が
変化した場合には音響圧縮波の速度も変動し、従
つて位相検出器により異なつた位相差が検出され
る。これにより電圧制御発振器によつて発生され
る音響圧縮波の周波数は追つて詳述する仕方で変
動せしめられ、新しい周波数は各変換器の直径が
その時の変換器組立体内のガス内の新しい周波数
における半波長の固有値数である周波数に対応す
ることになる。このようにして送信および受信変
換器間には最大エネルギ転送が維持される。
A very important feature of the present invention over the prior art is that the operating frequency can be varied in response to changes in gas composition. It has been found that the transducer of the present invention provides maximum energy transfer from the transmitting transducer to the receiving transducer when operated at a natural frequency that depends on the internal diameter of the transducer. Therefore, if the gas in the transducer assembly when calibrating the flow meter is air, the frequency of the voltage controlled oscillator will generate an acoustic compression wave in the direction of the transducer diameter with a fractional value of a half wavelength corresponding to the natural frequency. Corresponds to frequencies occurring in the air. If the density of the gas subsequently changes, the velocity of the acoustic compression wave will also change, and therefore a different phase difference will be detected by the phase detector. This causes the frequency of the acoustic compression wave generated by the voltage controlled oscillator to be varied in a manner to be detailed below, such that the new frequency is such that the diameter of each transducer is now at the new frequency within the gas within the transducer assembly. This corresponds to the frequency which is the number of eigenvalues of a half wavelength. In this way maximum energy transfer is maintained between the transmitting and receiving converters.

位相検出器の出力に現われるパルス幅変調信号
はアンド・ゲート140の2つの入力のうちの1
つに印加される。該アンド・ゲート140の出力
信号は参照数字142で全体的に示した積分回路
に結合されている。アンド・ゲート140に対す
る第2の入力はゲート信号Aまたはゲート信号B
のいずれかが論理「0」である時には常に論理
「1」である積分可能化信号IEである。この論理
条件は位相検出器の出力が送信される信号および
受信される信号間の位相差に対応することを表わ
す。従つてアンド・ゲート140が積分可能化信
号IEにより動作可能にされる時にはパルス幅変
調された信号がアンド・ゲート140を介して供
給される。積分回路142の出力信号は演算増幅
器LM318のピン6に現われるものであつて、積
分可能期間中の積分されたレベルを表わすもの
で、その最終レベル値は1つの変換器で伝送され
た信号と他の変換器で受信された信号との間の位
相差に関係するものであり、線路144を介して
2つの異なつたサンプル・アンド・ホールド回路
146および148の入力ピン5に結合される。
サンプル・アンド・ホールド回路146または1
48はゲート・ピン6にそれぞれの制御入力とし
てゲート信号が印加された時にピン5に現われる
電圧をサンプリングする。サンプリングされた電
圧はピン11に現われそしてゲート信号が存在し
ていた時にピン5に現われた電圧と同じレベルを
有する。サンプル・アンド・ホールド回路146
および148のピン11の電圧はピン6のゲー
ト・パルス間で不変に留まる。サンプル・アン
ド・ホールド回路146は入力端子uに現われる
信号が論理「1」になる時には常にサンプリング
モードに切換えられる。同様にしてサンプル・ア
ンド・ホールド回路148は入力端子Dが論理
「1」である時に常にサンプリングモードに切換
えられる。
The pulse width modulated signal appearing at the output of the phase detector is connected to one of the two inputs of AND gate 140.
applied to. The output signal of the AND gate 140 is coupled to an integrator circuit indicated generally by the reference numeral 142. The second input to AND gate 140 is gate signal A or gate signal B.
The integrability enable signal IE is always a logic "1" when either one of the IE is a logic "0". This logical condition states that the output of the phase detector corresponds to the phase difference between the transmitted and received signals. Accordingly, a pulse width modulated signal is provided through AND gate 140 when AND gate 140 is enabled by integration enable signal IE. The output signal of the integrator circuit 142 appears at pin 6 of the operational amplifier LM318 and represents the integrated level during the integrable period, the final level value of which is the signal transmitted by one converter and the other. is related to the phase difference between the signal received at the transducer of 1 and is coupled via line 144 to input pin 5 of two different sample-and-hold circuits 146 and 148.
Sample and hold circuit 146 or 1
48 samples the voltage appearing at pin 5 when a gate signal is applied to gate pin 6 as a respective control input. The sampled voltage appears at pin 11 and has the same level as the voltage that appeared at pin 5 when the gate signal was present. Sample and hold circuit 146
The voltage at pin 11 of and 148 remains unchanged between pin 6 gate pulses. The sample-and-hold circuit 146 is switched to the sampling mode whenever the signal appearing at the input terminal u becomes a logic "1". Similarly, sample-and-hold circuit 148 is switched to sampling mode whenever input terminal D is a logic "1".

サンプル・アンド・ホールド回路146および
148のいずれにおいてもサンプリング動作間に
積分器リセツト信号が入力端子IRに現われ、ト
ランジスタQ12をオンに切換えて積分回路内の
演算増幅器のピン6とピン2との間のコンデンサ
を短絡する。この結果積分器はリセツトされてそ
の出力電圧は零になる。
During a sampling operation in both sample-and-hold circuits 146 and 148, an integrator reset signal appears at input terminal IR, switching on transistor Q12 and connecting it between pins 6 and 2 of the operational amplifier in the integrator circuit. short-circuit the capacitor. As a result, the integrator is reset and its output voltage becomes zero.

動作において、サンプル・アンド・ホールド回
路146および148は1つの変換器における送
信信号と他方の変換器における受信信号との間の
位相差を表わすDC電圧を記憶もしくは蓄積する
ように動作する。入力端子uのゲート信号によつ
て切換えられるサンプル・アンド・ホールド回路
146の場合には下流側の変換器26によつて送
信される信号とそれに応答して上流側の変換器2
4に発生される信号との間の位相差、即ちいわゆ
る上流側位相差に対応する電圧(任意に定義する
ことができる)が蓄積される。他方サンプル・ア
ンド・ホールド回路148はゲート信号Dに応答
して上流側の変換器24により送信される信号と
それに応答して下流側の変換器26により発生さ
れる信号との間の位相差、即ちいわゆる下流側位
相差を表わす信号を記憶する。
In operation, sample and hold circuits 146 and 148 operate to store or accumulate a DC voltage representing the phase difference between the transmitted signal at one converter and the received signal at the other converter. In the case of a sample-and-hold circuit 146 switched by a gate signal at input terminal u, the signal sent by the downstream converter 26 and in response the signal sent by the upstream converter 2
A voltage (which can be arbitrarily defined) is accumulated that corresponds to the phase difference between the signal generated at 4 and the so-called upstream phase difference. Sample-and-hold circuit 148, on the other hand, determines the phase difference between the signal transmitted by upstream transducer 24 in response to gate signal D and the signal generated by downstream transducer 26 in response; That is, a signal representing a so-called downstream phase difference is stored.

サンプル・アンド・ホールド回路146および
148の出力信号はそれぞれ演算増幅器150の
反転および非反転入力端にそれぞれ接続されてい
る。該演算増幅器150はその出力ピン14に非
反転入力端子に印加される電圧と反転入力端子に
印加される電圧との差(φD−φU)に等しい電圧
を発生するように構成されている。先に述べたよ
うに、この差は変換器組立体10(第1図)を流
れる修正されていないガスの流速もしくは流量を
表わす。流量計を適切に較正するために、演算増
幅器の非反転入力端子はオフ・セツト量調整回路
を有する。この回路は参照数字152で全体的に
示されておつて、変換器組立体10を流れる流量
が零である時には出力ピン14に現われる電圧が
零となるように非反転入力端子の電圧を調整する
働きをなす。このオフ・セツト量調整回路152
は種々な回路のオフ・セツト量特にサンプル・ア
ンド・ホールド回路146および148のオフ・
セツト量を補償する働きをなす。
The output signals of sample and hold circuits 146 and 148 are respectively connected to the inverting and non-inverting inputs of operational amplifier 150, respectively. The operational amplifier 150 is configured to generate a voltage at its output pin 14 equal to the difference (φ D −φ U ) between the voltage applied to the non-inverting input terminal and the voltage applied to the inverting input terminal. . As previously stated, this difference represents the unmodified gas flow rate or flow rate through the transducer assembly 10 (FIG. 1). To properly calibrate the flowmeter, the non-inverting input terminal of the operational amplifier has an offset adjustment circuit. This circuit, indicated generally by the reference numeral 152, adjusts the voltage at the non-inverting input terminal such that when the flow rate through the transducer assembly 10 is zero, the voltage appearing at the output pin 14 is zero. do the work. This off-set amount adjustment circuit 152
is the amount of off-set of the various circuits, especially the off-set of sample-and-hold circuits 146 and 148.
It works to compensate for the set amount.

サンプル・アンド・ホールド回路146および
148の出力端はそれぞれ20kHzの抵抗器を介し
て別のサンプル・アンド・ホールド回路154の
入力ピン5に接続されている。サンプル・アン
ド・ホールド回路146および148の出力側は
図示のような仕方で接続されているので、サンプ
ル・アンド・ホールド回路154のピン5の電圧
は2つのサンプル・アンド・ホールド回路146
および148に記憶されている2つの位相差の和
の1/2である。この和は入力端子5で受信され
る加算信号に応答してサンプル・アンド・ホール
ド回路154内に記憶もしくは蓄積されるもので
ある。サンプル・アンド・ホールド回路154の
出力端は別の演算増幅器156に接続されておつ
て、該増幅器156は出力ピン8にDC電圧を発
生する。このDC電圧はゲート信号が出現した時
にサンプル・アンド・ホールド回路146および
148に蓄積されている位相差の和に関する電圧
である。前に述べたような増幅器156の出力ピ
ン8におけるこの電圧(φD+φU)は変換器組立
体10内のガス内の音速の相対表示を行なうもの
である。
The outputs of sample and hold circuits 146 and 148 are each connected to input pin 5 of another sample and hold circuit 154 via a 20 kHz resistor. The outputs of sample-and-hold circuits 146 and 148 are connected in the manner shown, so that the voltage at pin 5 of sample-and-hold circuit 154 is between two sample-and-hold circuits 146.
and 1/2 of the sum of the two phase differences stored in 148. This sum is stored or accumulated within sample and hold circuit 154 in response to the summation signal received at input terminal 5. The output of the sample and hold circuit 154 is connected to another operational amplifier 156 which generates a DC voltage at the output pin 8. This DC voltage is the voltage related to the sum of the phase differences stored in sample and hold circuits 146 and 148 when the gate signal appears. This voltage (φ DU ) at output pin 8 of amplifier 156 as previously described provides a relative indication of the speed of sound within the gas within transducer assembly 10.

増幅器156のピン8に現われる電圧(φD
φU)は1MΩの抵抗器および1μFのコンデンサ
を有する低域フイルタに帰還される。この1μF
のコンデンサにかかる電圧は回路CD4046のピン
9に供給される。なお回路CD4046は内部でVCO
即ち電圧制御発振器に接続されておつて、その動
作周波数を調整するものである。従つて電圧制御
発振器の周波数は変換器10内のガス内の音速が
変ればそれに伴なつて変動する。
The voltage appearing at pin 8 of amplifier 156 (φ D +
φ U ) is fed back to a low pass filter with a 1 MΩ resistor and a 1 μF capacitor. This 1μF
The voltage across the capacitor is supplied to pin 9 of circuit CD4046. Note that the circuit CD4046 has an internal VCO.
That is, it is connected to a voltage controlled oscillator and adjusts its operating frequency. Therefore, the frequency of the voltage controlled oscillator varies as the speed of sound within the gas within transducer 10 changes.

第4図および第5図の回路は第2図に示した回
路と共働して増幅器150の出力ピン14に変換
器組立体10の未補正流量に関する信号を発生す
ると共に、増幅器156のピン8に変換器組立体
10内のガス内の音速に関する出力信号を発生す
る。先に述べたように変換器24は上流側変換器
で、変換器26は下流側変換器と仮定しているの
で増幅器150のピン14に現れる電圧が負であ
る時にはこの負電圧は上流側変換器24から下流
側変換器26に向かう方向で流体が実際に変換器
組立体中を流れていることを表わす。さらに増幅
器150のピン14に現われる電圧の大きさは組
立体10を流れる流体の流速もしくは流量に関す
るものであつて、第6図の回路により修正もしく
は補正することができる。他方増幅器150のピ
ン14の電圧が正であればこのことは下流側変換
器26から上流側変換器24に向う方向において
流体が組立体10中を流れていることを表示す
る。また増幅器150のピン14に現われる電圧
の大きさは変換器組立体10における修正されて
ない流量に対応するものである。
The circuitry of FIGS. 4 and 5 cooperates with the circuitry shown in FIG. generates an output signal relating to the speed of sound within the gas within transducer assembly 10. As mentioned above, it is assumed that converter 24 is an upstream converter and converter 26 is a downstream converter, so when the voltage appearing at pin 14 of amplifier 150 is negative, this negative voltage is an upstream converter. It is shown that fluid is actually flowing through the transducer assembly in the direction from the vessel 24 to the downstream transducer 26. Additionally, the magnitude of the voltage appearing at pin 14 of amplifier 150, which is related to the flow rate or flow rate of fluid through assembly 10, can be modified or corrected by the circuit of FIG. On the other hand, if the voltage at pin 14 of amplifier 150 is positive, this indicates that fluid is flowing through assembly 10 in a direction from downstream transducer 26 to upstream transducer 24. Also, the magnitude of the voltage appearing at pin 14 of amplifier 150 corresponds to the unmodified flow rate in converter assembly 10.

しかしながら第5図に示す回路の場合には増幅
器156の出力信号はガス中の音速に関する表示
に過ぎない。速度が計器に較正速度よりも大きい
かあるいは小さいかを決定するためには、較正が
なされる時に振幅を記録しておいて前に記録され
た値と電流の読出量とを比較しなければならな
い。しかしながらこの回路は較正用流体が変換器
組立体内に存在する時には常に出力電圧が零に等
しくなるように容易に変更することができる。従
つて流体内の音速が変化すると出力電圧は正かま
たは負になつて電圧の記号はその場合に計器が較
正された時の流体の速度に対し実際の速度が増加
したかまたは減少したかに対応する。また出力電
圧の大きさは変換器を現在流れているガス内の音
速および較正時に変換器組立体のガス内の音速と
の間に相対差に対応するものである。相対音速を
表示するためにこの出力電圧を利用するために
は、さらに他の回路が必要とされる。というのは
増幅器156の出力信号は電圧制御発振器VCO
の周波数の調整のための誤差電圧ならびに第6図
の回路に対する入力信号として使われるものであ
るからである。
However, in the case of the circuit shown in FIG. 5, the output signal of amplifier 156 is merely an indication of the speed of sound in the gas. To determine whether the speed is greater or less than the speed calibrated to the instrument, the amplitude must be recorded at the time the calibration is made and the current reading compared to the previously recorded value. . However, this circuit can be easily modified so that the output voltage is equal to zero whenever calibration fluid is present in the transducer assembly. Therefore, as the speed of sound in the fluid changes, the output voltage becomes positive or negative, and the sign of the voltage indicates whether the actual velocity has increased or decreased relative to the velocity of the fluid at which the instrument was calibrated. handle. The magnitude of the output voltage also corresponds to the relative difference between the speed of sound in the gas currently flowing through the transducer and the speed of sound in the gas of the transducer assembly at the time of calibration. Further circuitry is required to utilize this output voltage to indicate relative sound speed. This is because the output signal of amplifier 156 is the voltage controlled oscillator VCO.
This is because it is used as an error voltage for frequency adjustment and as an input signal to the circuit of FIG.

別の構成を用いて例えば空気が変換器組立体内
に存在している時に出力電圧を「1」に等しくな
るよう調整することができる。従つて変換器組立
体中を流れているガスの音速が変る時には常に出
力電圧の大きさも変動して空気中の音速に対する
ガス中の音速に対応することになる。
Alternative configurations may be used to adjust the output voltage to be equal to "1", for example, when air is present within the transducer assembly. Therefore, whenever the speed of sound in the gas flowing through the transducer assembly changes, the magnitude of the output voltage will also change to correspond to the speed of sound in the gas relative to the speed of sound in air.

第6図の回路は第5図の増幅器150の出力信
号から修正されてない流速信号を受けて修正され
た流速出力表示信号を発生するための回路を備え
ている。増幅器150の出力信号はf1/f2に比例
する誤差を有することが判つた。ここでf1は第5
図に示したVCOの初期較正周波数でありそしてf2
は異なつた音速を有するガスが変換器にある場合
のVCOの周波数である。第6図の回路において
は第6図の増幅器LM324Bのピン7に修正された
流速信号を発生するために増幅器150の修正さ
れていない流速出力信号にf2/f1が乗ぜられる。
The circuit of FIG. 6 includes circuitry for receiving an unmodified flow rate signal from the output signal of amplifier 150 of FIG. 5 and generating a modified flow rate output indication signal. It has been found that the output signal of amplifier 150 has an error proportional to f 1 /f 2 . Here f 1 is the fifth
is the initial calibration frequency of the VCO shown in the figure and f 2
is the frequency of the VCO when gases with different sound velocities are in the transducer. In the circuit of FIG. 6, the uncorrected flow rate output signal of amplifier 150 is multiplied by f 2 /f 1 to generate a modified flow rate signal at pin 7 of amplifier LM324B of FIG.

第5図の増幅器156の出力側に現われる
VCO誤差電圧は周波数に比例しそして流速もし
くは流量を修正するための補正係数を設定するた
めに用いられる。第6図の演算増幅器LM308
は信号調整回路として働らき、VCO誤差電圧
(φD+φU)を受ける。増幅器LM308に接続
された零点調整抵抗器を調整することにより、誤
差電圧が公称レベル(+7.5V)にある時にピン
6は0ボルト出力が設定される。信号調整回路は
±5kHz偏差毎に〓1.0Vの出力電圧を発生する。
Appears at the output side of amplifier 156 in FIG.
The VCO error voltage is proportional to frequency and is used to set a correction factor to modify the flow rate or flow rate. Operational amplifier LM308 in Figure 6
acts as a signal conditioning circuit and receives the VCO error voltage (φ DU ). By adjusting the zero adjustment resistor connected to amplifier LM308, pin 6 is set to a 0 volt output when the error voltage is at the nominal level (+7.5V). The signal conditioning circuit generates an output voltage of 1.0V for every ±5kHz deviation.

LM304のピン6の出力信号は増幅器LM3
24AおよびLM311ならびにそれに接続され
た回路からなるデユーテイ・サイクル変調器を駆
動する。VCOが較正周波数で動作している時に
はLM308の出力信号は零であり、LM324
Aに接続されたデユーテイ・サイクル調整抵抗器
は50%の値に調整され、そこでFETスイツチQ
14およびQ15は1/2の期間オフになり、
1/2の期間オンになる。その結果増幅器LM3
24Bの利得は1であり、第5図の増幅器150
からの未修正流量は何等補正もしくは修正がなさ
れず、LM324Bのピン7の出力は変換器を通
るガスの流量もしくは流速を表わす。
The output signal at pin 6 of LM304 is sent to amplifier LM3.
24A and a duty cycle modulator consisting of LM311 and the circuitry connected thereto. When the VCO is operating at the calibrated frequency, the LM308 output signal is zero and the LM324
The duty cycle adjustment resistor connected to A is adjusted to a value of 50%, where FET switch Q
14 and Q15 will be off for 1/2 period,
It is on for 1/2 period. As a result amplifier LM3
24B has a gain of 1, and amplifier 150 of FIG.
The uncorrected flow rate from the LM324B pin 7 represents the flow rate or rate of gas through the transducer without any correction or modification.

VCOの動作周波数が変化すると、第6図のLM
308のピン6に現われる電圧は周波数減少に対
して正になり、周波数増加に対して負になる。こ
の電圧でデユーテイ・サイクル発生器が制御され
てデユーテイ・サイクルは変動せしめられる。デ
ユーテイ・サイクルの変動で増幅器LM324B
の利得はVCO周波数の変動に従つて変化し、そ
の結果第5図の回路からの未修正流速信号はLM
324Bによつて変化され、その出力信号は変換
器を流れる流速もしくは流量に比例することにな
る。
When the operating frequency of the VCO changes, the LM in Figure 6
The voltage appearing at pin 6 of 308 becomes positive for decreasing frequency and negative for increasing frequency. This voltage controls the duty cycle generator to vary the duty cycle. Amplifier LM324B with duty cycle variation
The gain of LM varies as the VCO frequency varies, so that the unmodified flow rate signal from the circuit of Figure 5 is LM
324B, the output signal of which will be proportional to the flow rate or flow rate through the transducer.

音響波流量計に関する上の説明においては、流
量およびその方向ばかりではなく流れているガス
内の相対音速の測定値をも求めるために変換器組
立体と共働する好ましい電子回路に関して特に重
点をおいて説明をした。この説明から特に本発明
は流れの方向、流量およびガス内の音速の測定に
適していることは理解されるであろうが、しかし
ながら本発明の装置はまた液体の流量、流れの方
向および液体内の音速の測定にも同様に用いるこ
とができ、そしてまた流量計の性能を最適にする
ために或る種の回路素子の値の変動が要求される
場合があるが、そのようにすればガス以外のもの
の流れの方向、流量および音速測定に用いること
が可能であることはいうまでもない。さらにまた
当業者には本発明の精神および範囲から逸脱する
ことなく、他の変更を流量計に行なうことができ
るであろう。例えば位相検出器および位相和およ
び位相差計算機の代りに他の等価手段を用いて送
信変換器から受信変換器に進行する音響圧縮波の
速度に比例する量もしくは速度に等しい量を計算
することが可能である。各計算された速度は2つ
の成分を有する。1つは流体の流れの速度であ
り、他の成分は流体内の流れがない場合における
音響圧縮波の速度である。このような等価の速度
計算機は送信変換器における音響圧縮波の発生開
始時と受信変換器が音響圧縮波に応答して受信信
号を発生する時間との間の時間差を決定するため
の手段を有することができよう。このようにして
計算された各時間差はまた送信変換器から受信変
換器に進行している音響圧縮波の速度に比例す
る。
In the above discussion of acoustic wave flowmeters, particular emphasis is placed on the preferred electronic circuitry that cooperates with the transducer assembly to determine not only the flow rate and its direction, but also the relative speed of sound within the flowing gas. I explained. It will be understood from this description that the invention is particularly suitable for measuring flow direction, flow rate and sound velocity in gases, however the device of the invention is also suitable for measuring flow direction, flow direction and sound velocity in liquids. It can be used to measure the speed of sound as well, and variations in the values of certain circuit elements may also be required to optimize the performance of the flowmeter; Needless to say, it can also be used to measure the flow direction, flow rate, and sound velocity of other objects. Additionally, other modifications may be made to the flowmeter by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. For example, instead of a phase detector and a phase sum and phase difference calculator, other equivalent means may be used to calculate a quantity proportional to or equal to the velocity of the acoustic compression wave traveling from the transmitting transducer to the receiving transducer. It is possible. Each calculated velocity has two components. One is the velocity of the fluid flow and the other component is the velocity of the acoustic compression wave in the absence of flow in the fluid. Such an equivalent speed calculator has means for determining the time difference between the onset of generation of the acoustic compression wave in the transmitting transducer and the time at which the receiving transducer generates the received signal in response to the acoustic compression wave. I could do that. Each time difference thus calculated is also proportional to the speed of the acoustic compression wave traveling from the transmitting transducer to the receiving transducer.

上に述べた流量計のさらに別の利点は種々なパ
ラ・メータを表わす信号を組合せたり、あるいは
また配列を変えたりすることによつて得ることが
できる。例えばガス混合物の分子量に変化を生ぜ
しめるガス組成の変化はまた音速に変化を生ぜし
める。従つて平均分子量MAを有するガス混合物
から平均分子量MBを有するガス混合物への遷移
ならびにガス混合物Bと混合したガス混合物Aの
1部を測定することができる。このような方法は
例えば吸気混合物の炭酸ガスに比較して吐気混合
物内の炭酸ガスの量を比例測定するためにガス流
量計を用いて実施することができる。
Further advantages of the flow meters described above can be obtained by combining or even rearranging the signals representing different parameters. For example, changes in gas composition that cause changes in the molecular weight of the gas mixture also cause changes in the speed of sound. It is thus possible to measure the transition from a gas mixture with an average molecular weight M A to a gas mixture with an average molecular weight M B as well as the part of the gas mixture A mixed with the gas mixture B. Such a method can be carried out, for example, using a gas flow meter to proportionally measure the amount of carbon dioxide in the exhaled mixture compared to the carbon dioxide in the inspired mixture.

音速は次式で与えられる。 The speed of sound is given by the following equation.

上式中γ=一定の圧力における比熱と一定の容
積における比熱の比 K=ボルツマン定数、1.38×10-23/℃ T=絶対温度 M=ガス内の分子質量(Kg) 従つて当業者に明らかなように分子量はc-2
比例し、そして他の変数が一定であるとすると分
子量の変化に比例する電気出力を発生することが
できる。明らかなようにこの単純な事例を拡張し
て比熱および温度における変化と分子量における
変動とを組合せてガス混合物Aを1つの条件集合
によつて識別し、ガス混合物Bを他の条件集合に
よつて識別することができる。
In the above formula, γ = ratio of specific heat at constant pressure to specific heat at constant volume K = Boltzmann constant, 1.38 x 10 -23 /℃ T = absolute temperature M = molecular mass in gas (Kg) Therefore, it is clear to those skilled in the art As such, molecular weight is proportional to c -2 and, assuming other variables are constant, an electrical output can be generated that is proportional to the change in molecular weight. Obviously, this simple case can be extended to combine changes in specific heat and temperature with variations in molecular weight to identify gas mixture A by one set of conditions and gas mixture B by another set of conditions. can be identified.

さらに圧力または密度が非常に顕著に変動する
場合には圧力測定値と上述の流量計から得られる
パラメータとを組合せることによつて流量をほぼ
標準の状態もしくは真の質量に対して修正するこ
とができる。この場合流量は次式で与えられる。
Furthermore, if the pressure or density fluctuates very significantly, the flow rate may be corrected to approximately standard conditions or true mass by combining the pressure measurements with the parameters obtained from the flow meter described above. I can do it. In this case, the flow rate is given by the following equation.

M〓=V〓mp/RT (Kg/sec) 上式中p=圧力(ニユートン/m2) 従つて音速cに関する上述の式から M〓=V〓pr/c2 当業者には明らかなように流量計内の絶対圧力
を測定するために圧力変換器を接続することがで
き、さらにまた圧力変換器からの出力信号に流量
計からの流量を乗じそしてやはり流量計から得ら
れる信号である音速cの2乗値ならびに適当な定
数で割ることにより真の流量に対し近似値が得ら
れる。
M〓=V〓mp/RT (Kg/sec) In the above formula, p=pressure (Newtons/m 2 ) Therefore, from the above equation regarding the speed of sound c, M〓=V〓pr/c 2As is clear to those skilled in the art A pressure transducer can be connected to measure the absolute pressure within the flowmeter, and also the output signal from the pressure transducer is multiplied by the flow rate from the flowmeter and the signal obtained from the flowmeter is also the sonic velocity. An approximation to the true flow rate can be obtained by dividing by the square of c and a suitable constant.

γの一定の値においてはガス混合物内の或る種
の変化に対し測定値に誤差が生ずるが、しかしな
がら多くの事例においてこのようなγの変動は有
意味ではない。標準の温度および圧力に還元され
た流量信号を発生するために上述のパラメータを
用いることは当業者には自明であろう。
For a fixed value of γ, certain changes in the gas mixture will lead to errors in the measurement; however, in many cases such variations in γ are not significant. It will be obvious to those skilled in the art to use the parameters described above to generate a flow signal reduced to standard temperature and pressure.

以上組成に関係なく流量もしくは流速を正確に
測定することができる流量計装置について説明し
たが本発明による方法はまた有利に他の音響流量
計、例えば変換器が円筒型や円弧状をしておら
ず、従つて流路に或る種の妨害物やへこみがある
ような流量計にも適用することができるのはいう
迄もない。即ち流体内の音速の変動によつて誤差
が生ずるような音響流量計には本発明の思想を有
利に適用することができるのである。
Although a flowmeter device has been described which is capable of accurately measuring flow rate or flow rate independent of composition, the method according to the invention can also be advantageously applied to other acoustic flowmeters, for example when the transducer is cylindrical or arc-shaped. Needless to say, the present invention can also be applied to flowmeters in which there are some kind of obstructions or depressions in the flow path. That is, the idea of the present invention can be advantageously applied to acoustic flowmeters in which errors occur due to variations in the speed of sound in a fluid.

さらにまた当業者には明らかなように、上に述
べた音波流量計は本発明の主たる目的、即ち流量
計の精度をガス組成の変動に対し比較的鈍感にす
るという目的を達成するものである。さらにまた
当業者には明らかなように本発明の精神および範
囲から逸脱することなく、上に述べた回路に対し
種々な変更を施して同じような動作を達成するこ
とが可能である。
Furthermore, as will be apparent to those skilled in the art, the sonic flowmeter described above achieves the primary objective of the present invention, namely to make the accuracy of the flowmeter relatively insensitive to variations in gas composition. . Furthermore, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to the circuits described above to achieve similar operation without departing from the spirit and scope of the invention.

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

第1図は変換器組立体を有する流量計ならびに
それと関連して用いられる電子回路を略示する
図、第2図は本発明に供する第4図および第5図
の回路の動作を制御するためのタイミング・パル
ス発生器の詳細な回路図、第3図は第2図の回路
のタイミング・パルスの線図そして第4図ないし
第6図は第2図の回路によつて発生されたタイミ
ング・パルスを利用した本発明による流量計回路
の一実施例を示す詳細な回路図である。 2,3,5,6,7,9,11,14…ピン、
10…変換器組立体、14…支持部材、16,1
8,20,22…切欠き、24,26…変換器、
30,32…端子リング、34,36,42,4
4…ワイヤ、46,48…開口、38,40…変
換器駆動/受信回路、50…制御回路、58…位
相検出器、66…位相加算・減算器、116,1
18…受信器、124,126…比較回路、14
0…アンド・ゲート、142…積分回路、12
0,122,130,132…演算増幅器、14
6,148…サンプル・アンド・ホールド回路。
1 is a diagram schematically illustrating a flowmeter having a transducer assembly and the electronic circuitry used in connection therewith; FIG. 2 is a diagram for controlling the operation of the circuitry of FIGS. 4 and 5 provided in accordance with the present invention; FIG. 3 is a diagram of the timing pulses of the circuit of FIG. 2, and FIGS. 4 to 6 are detailed circuit diagrams of the timing pulse generator of the circuit of FIG. 1 is a detailed circuit diagram illustrating an embodiment of a flow meter circuit according to the present invention using pulses; FIG. 2, 3, 5, 6, 7, 9, 11, 14...pin,
10...Transducer assembly, 14...Support member, 16,1
8, 20, 22... Notch, 24, 26... Converter,
30, 32...Terminal ring, 34, 36, 42, 4
4... Wire, 46, 48... Aperture, 38, 40... Converter drive/reception circuit, 50... Control circuit, 58... Phase detector, 66... Phase adder/subtractor, 116, 1
18...Receiver, 124, 126...Comparison circuit, 14
0...AND gate, 142...Integrator circuit, 12
0, 122, 130, 132... operational amplifier, 14
6,148...Sample and hold circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 流路に沿つた流体の流れを測定するための流
量計において、流体の流れを画定する実質的に円
筒型の流路を形成する手段と、前記流路に沿つて
配置されてそれぞれ前記流路の直径に実質的に等
しい内径を有する第1および第2の実質的に円筒
型の変換器と、第1の送受信サイクルを表わす信
号および第2の送受信サイクルを表わす信号を交
互に発生するための手段と、前記各変換器に動作
結合されて前記第1の送受信サイクル中に前記流
体中に第1の音響圧縮波を発生しかつ該第1の音
響圧縮波に応答して前記第2の変換器から発生さ
れた第1の受信信号を受信するように前記第1の
変換器を駆動しそして前記第2の送受信サイクル
中に前記流体中に第2の音響圧縮波を発生して該
第2の音響圧縮波に応答し前記第1の変換器から
発生される第2の受信信号を受信するように前記
第2の変換器に対して信号を与える手段と、前記
第1の変換器駆動信号の各々および前記第1の受
信信号の各々に応答して前記第1の変換器から第
2の変換器に進行する音響圧縮波の速度を表わす
第1の比例表示信号を発生し(第1の測定手段)
かつ前記第2の変換器駆動信号の各々および前記
第2の受信信号の各々に応答して前記第2の変換
器から前記第1の変換器に進行する音響圧縮波の
速度を表わす第2の比例表示信号を発生する(第
2測定手段)手段とを夫々第1、第2測定手段と
して有し、前記の第1測定手段により発生される
第1の比例表示信号は前記第1の各送受信サイク
ル中に前記第1の変換器によつて発生された第1
の音響圧縮波と前記第2の変換器によつて発生さ
れた前記第1の受信信号との間の位相差である第
1の位相差の信号であり前記の第2測定手段によ
り発生される第2の比例表示信号は前記第2の各
送受信サイクル中に前記第2の変換器によつて発
生された第2の音響圧縮波と前記第1の変換器に
よつて発生された前記第2の受信信号との間の位
相差である第2の位相差の信号であり、ここで前
記速度を表わす比例表示信号の各々は前記流体中
の音響圧縮波の速度ならびに前記流路に沿う流体
の流れの方向および速度の関数であり、前記第1
の位相差と前記第2の位相差との間の差に等しい
大きさを有する差を発生するために前記第1およ
び第2の測定手段に応答する差発生手段を有し、
前記差信号の大きさは直接瞬時流体流速に関係し
そして前記差信号の符号は前記流路に沿う流体の
流れの方向を表わすものであり、さらに前記第1
および第2の比例表示信号の和に相応する、流路
に沿つて流れる流体内の瞬時音速を示す信号を発
生するための手段を有し、前記流路に沿つて流れ
る流体内の瞬時音速を示す信号に応答して両変換
器によつて発生される音響圧縮波の周波数を制御
して、流体における前以つて選択された固定の波
長距離が前記両変換器の直径方向に生じるように
する手段を有し、該手段により、音響共振時の作
動状態を維持して受信信号の大きさを最大にする
ように構成したことを特徴とする流量計。 2 流体内の音速を表示するための手段を備えて
いる、特許請求の範囲第1項記載の流量計。 3 各変換器がポリ弗化ビニリデン、チタン酸バ
リウム、ジルコン・チタン酸鉛、水晶、電気石、
高重合体有機ピエゾ電気材料および成極多結晶強
誘電体セラミツク材料からなる群のうちから選ば
れた材料から作られている特許請求の範囲第1項
記載の流量計。 4 各変換器に結合された手段が第1および第2
の送受信サイクル中にそれぞれ第1および第2の
変換器に結合されて音響圧縮波を発生するための
電圧制御発振器を有している特許請求の範囲第1
項記載の流量計。
[Scope of Claims] 1. A flow meter for measuring the flow of a fluid along a flow path, comprising means for forming a substantially cylindrical flow path defining a fluid flow; first and second substantially cylindrical transducers disposed and each having an inner diameter substantially equal to the diameter of said flow path; and a signal representative of a first transmit/receive cycle and a signal representative of a second transmit/receive cycle. means for alternately generating a first acoustic compression wave in the fluid during the first transmit/receive cycle, and means for generating a first acoustic compression wave in the fluid during the first transmit/receive cycle; and driving the first transducer to receive a first receive signal generated from the second transducer and generating a second acoustic compression wave in the fluid during the second transmit/receive cycle. means for providing a signal to the second transducer to generate a second acoustic compression wave and receive a second receive signal generated from the first transducer in response to the second acoustic compression wave; a first proportional indicator signal representative of the speed of an acoustic compression wave traveling from the first transducer to a second transducer in response to each of the first transducer drive signals and each of the first received signals; (first measurement means)
and a second signal representing the velocity of an acoustic compression wave traveling from the second transducer to the first transducer in response to each of the second transducer drive signals and each of the second receive signals. means for generating a proportional display signal (second measuring means) as the first and second measuring means, respectively, and the first proportional display signal generated by the first measuring means is transmitted and received by each of the first transmitting and receiving means. a first generated by said first converter during a cycle;
a first phase difference signal which is a phase difference between an acoustic compression wave of and said first received signal generated by said second transducer and generated by said second measuring means; A second proportionality indicating signal includes a second acoustic compression wave generated by the second transducer and a second acoustic compression wave generated by the first transducer during each of the second transmit/receive cycles. a second phase difference signal that is a phase difference between a received signal of the flow path and a second phase difference signal that is a phase difference between a received signal of is a function of flow direction and velocity, and the first
difference generating means responsive to the first and second measuring means to generate a difference having a magnitude equal to the difference between the phase difference of and the second phase difference;
The magnitude of the difference signal is directly related to the instantaneous fluid flow rate and the sign of the difference signal is representative of the direction of fluid flow along the flow path;
and means for generating a signal indicative of the instantaneous speed of sound in the fluid flowing along the flow path corresponding to the sum of the second proportional display signal; controlling the frequency of acoustic compression waves generated by both transducers in response to a signal indicating a preselected fixed wave length in the fluid diametrically of said transducers; 1. A flowmeter comprising means for maintaining an operating state at the time of acoustic resonance and maximizing the magnitude of a received signal. 2. The flow meter according to claim 1, comprising means for indicating the speed of sound in the fluid. 3 Each converter is made of polyvinylidene fluoride, barium titanate, zircon/lead titanate, crystal, tourmaline,
2. A flowmeter as claimed in claim 1 made from a material selected from the group consisting of high polymeric organic piezoelectric materials and polarized polycrystalline ferroelectric ceramic materials. 4 means coupled to each transducer are connected to the first and second
Claim 1 comprising a voltage controlled oscillator coupled to the first and second transducers respectively for generating an acoustic compression wave during a transmitting and receiving cycle of the
Flowmeter described in section.
JP1960878A 1977-02-22 1978-02-22 Sound wave flow meter Granted JPS53104270A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US77067777A 1977-02-22 1977-02-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS53104270A JPS53104270A (en) 1978-09-11
JPS6217172B2 true JPS6217172B2 (en) 1987-04-16

Family

ID=25089343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1960878A Granted JPS53104270A (en) 1977-02-22 1978-02-22 Sound wave flow meter

Country Status (6)

Country Link
JP (1) JPS53104270A (en)
CA (1) CA1105605A (en)
CH (1) CH628140A5 (en)
DE (1) DE2807397A1 (en)
FR (1) FR2381290A1 (en)
GB (1) GB1580524A (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4754650A (en) * 1983-07-29 1988-07-05 Panametrics, Inc. Apparatus and methods for measuring fluid flow parameters
US4596133A (en) * 1983-07-29 1986-06-24 Panametrics, Inc. Apparatus and methods for measuring fluid flow parameters
US4527433A (en) * 1983-10-25 1985-07-09 General Motors Corporation Method and apparatus for measuring fluid flow
GB2282223A (en) * 1993-09-22 1995-03-29 Cyril Ward Nugent Flow measuring apparatus

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49130261A (en) * 1973-04-13 1974-12-13
JPS521478A (en) * 1975-06-24 1977-01-07 Fuji Electric Co Ltd Thermoresponsive type relay
US4003252A (en) * 1974-08-16 1977-01-18 The Institutes Of Medical Sciences Acoustical wave flowmeter

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2921467A (en) * 1957-08-21 1960-01-19 Albert L Hedrich Flowmeter compensation for propagation velocity changes
US3697936A (en) * 1970-02-27 1972-10-10 Nusonics Sound velocimeter
US3751979A (en) * 1971-11-17 1973-08-14 Raytheon Co Speed measurement system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49130261A (en) * 1973-04-13 1974-12-13
US4003252A (en) * 1974-08-16 1977-01-18 The Institutes Of Medical Sciences Acoustical wave flowmeter
JPS521478A (en) * 1975-06-24 1977-01-07 Fuji Electric Co Ltd Thermoresponsive type relay

Also Published As

Publication number Publication date
DE2807397A1 (en) 1978-09-21
DE2807397C2 (en) 1989-03-23
JPS53104270A (en) 1978-09-11
CH628140A5 (en) 1982-02-15
GB1580524A (en) 1980-12-03
CA1105605A (en) 1981-07-21
FR2381290B1 (en) 1983-11-18
FR2381290A1 (en) 1978-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4164865A (en) Acoustical wave flowmeter
JP4724714B2 (en) Acoustic flow meter calibration method
JP2987156B2 (en) Speed measuring device
CN1325881C (en) Ultrasound aerometer and apparatus for measuring internal combustion engine waste gas flow and method for obtaining gas flow
US4527433A (en) Method and apparatus for measuring fluid flow
JPH0886675A (en) Ultrasonic flowmeter
US4509372A (en) Acoustical wave flowmeter with increased density capability
JP3585476B2 (en) Flow measurement device
JPS6217172B2 (en)
DK1883791T3 (en) PROCEDURE FOR DETERMINING AND MONITORING A PROCESS VARIABLE
JP2002318145A (en) Flow meter
JP2018138891A (en) Ultrasonic flowmeter
US4372167A (en) Flowmeter system with improved loop gain
JP2001116599A (en) Ultrasonic flowmeter
JP2841402B2 (en) Ultrasonic sensor
JP3958124B2 (en) Ultrasonic receiver and ultrasonic flow meter
EP0056135A2 (en) Flowmeter system with improved dynamic range
JPS58211667A (en) Ultrasonic flowmeter
JP2005172518A (en) Circuit for arrival time detection of ultrasonic waves in ultrasonic sensor, and ultrasonic flowmeter using the same
RU1795292C (en) Vibrational consumption transformer
JP2007155574A (en) Ultrasonic flowmeter
JPS6346821Y2 (en)
JPS6334994B2 (en)
JPS6029616A (en) Ultrasonic current meter
JPH02311716A (en) Flow-rate measuring method