JPS62220815A - 超音波流量計の演算方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、カウンタが発振器の発振出力を設定値まで計
数するのに要する計数時間と超音波が被測定流体中を伝
搬するのに要する伝搬時間との時間差を検出し、この時
間差信号に基づいて、その時間差が所定値になるように
前記発振器の発振周波数を変化させ、これにより超音波
を前記被測定流体の流れに対して順方向に発射した際の
発振周波数と逆方向に発射した際の発振周波数との差か
ら前記被測定流体の流量を測定する超音波流量計の演算
方式に関する。

［従来技術とその問題点］ 第３図に示すように流速Ｖの流体の流れる円管パイプ１
０の管壁に取付は角度θの超音波トランスジューサ１３
．１４が設けられる。この超音波トランスジューサ１３
．１４はそれぞれ送信と受信とを兼用する。

第４図は超音波流量計の測定回路のブロック図である。

この第４図において上述のように、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
は取付は要素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１
４からの音響信号はパイプ１０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とになるように制御する。１は発
振器要素で、２つの発振器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１
０発振器等から構成され得る。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８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振
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の径等に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振する。

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おる。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に導いたりお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、発振器１１．１２の制御電圧を変化ざ
ぜる。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。

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僅かに長い周期で交互に行
なわれる。ざらに、トランスジューサ１３が送信子とな
る場合には超音波は流体の流れに対して順方向に発射さ
れ、トランスジューサ１４が送信子となる場合には超音
波は逆方向に発射される。

次に、上述の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のパイプ１００半径方向に対する超音波発射角をθと
すると、超音波の流体中の伝搬距因［１は第（１）式で
示される。

Ｌ　＝　Ｄ　／ＣＯＳθ　　　　　　　　　（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。

ｙｘ＝ｙｃｏｓθ　　　　　　　　（２）従って、静止
した流体中の音速をＣとすれば、流体の流れに順方向に
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＋■Ｘ＝Ｃ十■Ｓｉｎθ　（３）Ｖｗ＝Ｃ−Ｖ
ｘ＝Ｃ−Ｖｓｉｎθ　（４）それ故に、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
の順方向発射の場合の所要時間をｔｌ、逆方向発射の場
合の所要時間をｔ２とすれば、それぞれの所要時間ｔ　
１．ｔ２は第（５）式および第（６）式で示される。

Ｌ　　　Ｄ／ｃｏｓθ ｔ１＝−＝　　　　　　　　　　　（５）ｖｖ　　Ｃ＋
Ｖｓｉｎθ Ｌ　　　Ｄ／ＣＯ３θ ｔ２＝　−＝　　　　　　　　　　　（６）ＶｗＣ−Ｖ
ｓｉｎθ 取付は要素１５．１６およびパイプ１０の管壁の厚み等
、流体以外での超音波の伝搬時間をτとすれば、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、各所要時間Ｔ　１．Ｔ２は第（
７）式および第（８）式で示される。

Ｔ１＝ｔ１＋τ　　　　　　　　　　　（７）Ｔ２＝ｔ
２＋τ　　　　　　　　　　　（８）ここで、発振器１
１．１２の発振周波数を夫々ｆ１．ｆ２とする。

いま、モード切換回路９により順方向に、すなわちトラ
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（辰器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から発振させ
ると共に、その制御発振器１１の出力信号の１つを起点
としてその後発振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
計数した際に、計数終了信号を発振させる。カウンタ３
が計数終了信号を発振するまでの所要時間Ｔ３は、発振
器１１の発振周期が１／ｆ１であるから第（９）式で示
される。

Ｔ　３＝Ｎ／ｆ　１　　　　　　　　　　（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τｄ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（１０）式で示されるＴ４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。

Ｔ　４＝Ｔ３＋τｄ　＝Ｎ／ｆ１＋τｄ　　　（１０）
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Δ
丁は第（１１）式で示される。

ΔＴ＝Ｔ　４−Ｔ　１＝　（Ｎ／ｆｌ＋τｄ）−（ｔ１
＋τ）（１１） ここで、遅延時間τｄを流体的以外の伝搬時間τ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−ｔ　１　　　　　　（１２）第（１
２）式に示された時間差Δ丁に基づき、発振器１１の発
振周波数ｆ１を制御し、その時間差ΔＴ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／ｆｌ−ｔ１＝０ ［）　／ＣＯ３θ 、’、Ｎ／ｆｌ＝ｔ１＝　　　　　　　　　（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Δ丁が零の状態、すなわ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。

Ｎ　（Ｃ＋Ｖｓｉｎθ） ｆ１＝　　　　　　　　　　　　　　　　（１４）［）
　／ＣＯ３θ 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。

Ｎ（Ｃ−Ｖｓｉｎθ） ｆ２＝　　　　　　　　　　　　　　　（１５）Ｄ／Ｃ
Ｏ３θ しかして、発振器１１．１２の発振周波数ｆｔ、　ｆ２
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　＝ｆ１−４２ Ｎ　（Ｃ＋Ｖｓｉｎθ）　Ｎ　（Ｃ−Ｖｓｉｎθ）Ｄ／
ｃｏｓθ　　　　　Ｑ　／ＣＯ３θ２ＮＶｓｉｎθ　２
ＮＶｓｉｎθＣＯＳθＤ／ｃｏｓθ　　　　　Ｄ Ｎ５ｉｎ２θ ＝　−ｘ　Ｖ　　　　　　　　　（１６）従って、発１
辰器１コ、１２の周波数差Δｆは流体の流速Ｖに比例し
た値となることがわかる。それ故に、その周波数Δｒに
よりその流体の流速Ｖを測定することができる。すなわ
ち、第（１６）式により、　流ｔｉＱを求める第（１７
）式が成立する。

１　　πＤ２　Ｄ Ｑ＝−・−・−・Δｆ　　（１７） ｋ　　　　４　　　Ｎ５ｉｎ２θ ただし、ｋは流量係数である。

次に、このような理論に基づき、第４図の構成について
動作を説明する。モード切換回路９のモード切換信号Ａ
により、トランスジューサー３が送信子にされ、トラン
スジューサー４が受信子にされ、かつ発振機要素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１
４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１つに同期してカウンタ３を動作させると共に、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、１３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振する
。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τｄが遅らされて時間差検出回路導かれる。

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
の音響信号は取付は要素１５、パイプ１０の管壁、流体
、パイプ１０の管壁および取付は要素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
きざ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６丁を検出し、その時間差６丁に
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発射する
測定周期は修了する。

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
１３が受信子にされ、発振器要素１は発振器１２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）ホ
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閤２によりカウンタ３およびパル
ス発生認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、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
を検出して、その時間差に応じて発振型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
逆方向に超音波を発側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
周期とは交互に無限に繰り返され得る。

発振ｍ１１．１２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。

ところが、プラントに使用されるパイプ１０は、一般に
種々の理由から数％の歪みを有する。従って、第（１７
）式のよう純正確なパイプ１０を対象とした計測方式に
よる流量演算方式によれば、流１はパイプ１０に歪みが
あると計測誤差を生じる。このような計測誤差を取除く
ことは解決すべき重要な課題であった。

［発明の目的］ 本発明は、上述の点に鑑み、従来技術の問題点が有効に
解決され、その測定精度が向上し、しかもその構成が簡
単な超音波流量計の演算方式を提供することを目的とす
る。

［発明の要点］ 本発明者の数多くの研究および実験の結果、第５図に示
すように歪みを有するパイプ１０において、超音波トラ
ンスジューサ１３．１４の設置場所の外周および直径寸
法を正確に測定して、超音波トランスジューサ１３．１
４をＤ方向に設置し、正確に求められた直径りによる流
ｆｆ１Ｑは、　第（１８）式により正確に求められると
の結論に達した。

１　　πδＤＤ　　　Ｄ Ｑ＝−・□・□・Δｆ　　（１８） Ｋ　　　　４　　　　Ｎ５ｉｎ２θ ただし、δＤは内径りとは異なる他方向に歪み率δを有
する内径である。

そこで、本発明の目的を達成するために、本発明は、超
音波トランスジューサの取付は部の内径寸法Ｃを設定す
る設定手段と、円管の面積条件として正確に測定された
交差する２方向の内径寸法Ａ、Ｂを設定する他の設定手
段と、前記設定手段および他の設定手段による設定寸法
を入力条件として流量係数をＫとし超音波流量測定回路
の発振周波数の設定数をＮとし前記超音波トランスジュ
ーサの取付は角度をθとし流体を伝搬する前記周波数の
差をΔｆとする演算式 ％式％） により流ｆｆ１Ｑが演算される演算手段とを備えること
を特徴とする。

［発明の実施例コ 次に、本発明の実施例を図面に基づき、詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図は第１
図に示す演算の基礎となる歪みを有する円管の断面図で
ある。第１図および第２図において、超音波流口計は２
種の設定手段２３．２４と、この設定手段２３．２４に
基づいて演算される演算手段２５とを具備する。設定手
段２３はトランスジューサ１３．１４のパイプ１０の取
付は部の内径寸法Ｃ７Ｆｒ設定する機能を有する。また
、他の設定手段２４はパイプ１０の面積条件、すなわち
交差する２方向のそれぞれ正確な実測による内径寸法Ａ
、Ｂを設定する機能を有する。この設定手段２３．２４
の入力条件により、演算手段２５は、前述の演算式（１
９）より、トランスジューサ取付は部のパイプ１０の内
径寸法Ｃにより演算される流ｆｆ１Ｑに、実測による正
確な内径寸法Ａ、Ｂによる面積条件が加算されて、流量
Ｑの誤差が補修されて正確な流量値が算出される。

このように、歪みを有するパイプ１０に対して、流量演
算を入力機能を分離することにより、検出型取付は部の
直径条件と管内面積条件とを別個にして入力し、流量は
実際の測定場所の条件に対応して精度よく計測すること
ができる。

なお、本発明は、２個の設定手段２３．２４および演算
手段２５からなる製作容易な構成であるから、従来の測
定方式を容易に本発明の演算方式に改造することもでき
る。

［発明の効果］ 以上に説明するように本発明によれば、トランスジュー
サ取付は部の直径Ｃを入力条件とする設定手段と、円管
の内面積を入力条件とする他の設定手段および前記設定
手段によるそれぞれの設定寸法の入力条件により演算す
る演算手段とを設けることにより、従来技術の問題点が
有効に解決され、その測定精度が向上し、しかもその構
成が簡単で、製作が容易である等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図は第１
図に示す演算方式の基本でおる歪みを有する円管の断面
図、第３図は超音波流聞計の測定原理図、第４図は超音
波流量測定回路のブロック図、第５図は第３図の歪みを
有する円管の断面図である。 ２．２Ａ：超音波トランスジューサ、３：設定手段、４
：他の設定手段、５：演算手段、１０：パイプ。 特許出願人　　富士電機株式会社 情　　３　　笥 芦　　　１　　習 ？−〆　　４　　＝ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）カウンタが発振器の発振出力を設定値まで計数する
   のに要する計数時間と超音波が被測定流体中を伝搬する
   のに要する伝搬時間との時間差を検出し、この時間差に
   基づいて、前記時間差が所定値になるように前記発振器
   の発振周波数を変化させることにより、前記超音波を前
   記被測定流体の流れに対して順方向に発射した際の発振
   周波数と逆方向に発射した際の発振周波数との差から前
   記被測定流体の流量を測定する超音波流量計において、
   前記被測定流体が流通する円管に取り付けられる超音波
   トランジューサの取付け部の内径寸法Ｃを設定する設定
   手段と、前記円管の面積条件として正確に実測された交
   差する２方向の内径寸法Ａ、Ｂを設定する他の設定手段
   と、前記設定手段および他の設定手段により設定される
   寸法を入力条件として流量係数をＫとし前記超音波トラ
   ンスジューサをもつ超音波流量測定回路の発振周波数の
   設定数をＮとし前記超音波トランスジューサの取付け角
   度をθとし前記流体を伝搬する前記周波数の差をΔｆと
   する演算式 ▲数式、化学式、表等があります▼ により流量Ｑを演算する演算手段とを備えたことを特徴
   とする超音波流量計の演算方式。