JPS63153470A - 超音波流速測定装置、超音波音速測定装置及び超音波流速・流向・音速測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流体中に超音波を伝搬させて流体の流速、流
向、音速を測定する測定装置、特に測定精度の向上化に
関するものである。

〔従来の技ｊネｉ〕 従来、流体中に超音波を伝搬させて流体の流速を測定す
る方法は時間差法、フェーズロック法及び位相差法の三
方法に大別される。

時間差法は、各々送受信を行なうトランスデュ−サを流
体の流れ方向に所定距離おいて設け、一方のトランスデ
ユーサから超音波パルスを′３魁体の流に沿った方向す
なわち順方向に発射し、この超音波パルスを他方のトラ
ンスデユーサで受信し、次に超音波パルスの送受信を高
速で切替えて流れと逆らった方前すなわち逆方釦に超音
波パルスを発射して、順方向、逆方向の超音波パルスの
伝搬時間差Δｔを測定することにより流速を求める方法
である。

フェーズロック法は時間差法における順方向。

逆方向の超音波の伝搬時間を所定のパルス数に対応させ
、その周波数の差Δｆを測定することにより流速を求め
る方法である。

位相差法は超音波パルスの代りに連続波又はバースト波
を発射し、受信波と送信波との位相差Δφを測定するこ
とにより流速を求める方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の時間差法による流速の測定方法においては、
超音波パルスの伝搬時間差Δｔは音速Ｃの影響を受ける
ため、流体中の正確な音速Ｃを知る必要がある。この音
速Ｃは流体の温度、圧力。

組成により変化するので、流体の流速を正確に測定する
ためには音速Ｃが一定とみなせる場合に限定されるか、
音速Ｃの補正が必要であるという問題点がある。

また、伝搬時間差Δｔは一般にカウンタにより測定され
るが、伝搬時間差Δｔが小さいときは測定分解能を上げ
ることが困難であるという問題点もある。

フェーズロック法によると周波数の差Δｆは音速Ｃと無
関係に測定することができ、かつ所定のパルス数Ｎを大
きく選べば周波数の差Δｆも大となり、測定分解能も上
げることができる。しかし、一般的に時間差法に比べて
回路構成が複雑になるという問題点がある。

また、超音波パルスを送受信する上記時間差法及びフェ
ーズロック法においては、受信パルスの到達時間を正確
にとらえる必要があるが、トランスデユーサの立上り特
性が急峻でないと正確な到達時間を測定することが困難
でなるという問題点もある。

位相差法はトランスデユーサの立上り特性、気泡、異物
の影響は比較的小さいが、受信波と送信波の位相差Δφ
が時間差法と同様に音速Ｃの影響を受けるという問題点
がある。

さらに、位相差Δφの検出範囲は一般に±９０度以内で
あるので流速の測定範囲が制限される。

この位相差Δφの範囲を拡大するために送信波を低周波
で変調をかけて、この低周波の位相を検出することもで
きるが、回路構成が複雑となる問題点がある。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたちので
あり、簡単な構成で高精度に流体の流速。

流向及び音速を測定することができる測定装置を得るこ
とを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る超音波流速計は一対のトランスデユーサ、
送受切替回路、可変周波数発振回路、送信回路、受信回
路、混合回路、計数回路及び演算器とを備えている。

トランスデユーサは超音波の送信を行なう送波用トラン
スデユーサと受信を行なう受波用トランスデユー号の一
組からなり、各トランスデユーサは流体流路の管壁に所
定の距離を隔てて配置されている。

送受切替回路は上記一対のトランスデユーサの送受信を
各トランスデユーサ毎に交互に切替える。

可変周波数発振回路は上記トランスデユーサで送信する
超音波の周波数を時間に対して直線的に変化する。

送信回路は可変周波数発振回路の出力をサンプリングし
てバースト波とし送波用トランスデユーサを駆動する。

受信回路は超音波を受信した受波用トランスデューザの
出力を増巾する。

混合回路は受信回路の出力と可変周波数発生回路の出力
とを混合し、再出力の周波数の差を出力する。

計数回路は混合回路の出力の周期もしくは周波数を計測
する。

演算器は上記送受切替回路の切替動作によって得られる
各トランスデユーサの順方向および逆方向における計数
回路の計測値の差を演算し、演算した計測値の差にあら
かじめ定めた係数を乗じて流速を算出する。

また、本発明に係る超音波音速装置は上記超音波流速装
置の流速を算出する演算器に代えて音速演算器を備えて
いる。

音速演算器は送受切替回路の切替動作によって得られる
各トランスデユーサの順方向および逆方向における計数
回路の計測値の和を演算し、演算した計測値の和にあら
かじめ定めた係数を乗じて音速を算出する。

また、本発明に係る超音波流速、流向・音速測定装置は
上記超音波流速測定装置の一対のトランスデユーサに代
えて流体中に立体的に配置された複数個のトランスデユ
ーサを備えている。

また上記超音波流速測定装置の演算器に代えて流速波゛
算器、流向演算器及び音速演算器を備えている。

流速演算器は送受切替回路の切替動作により得られる各
トランスデユーサの順方向および逆方向における計数回
路の計測値の差を各々演算し、演算した計測値の差とあ
らかじめ定められた係数および各トランスデユーサの中
心線の方向余弦とより流速のＸ、Ｙ、Ｚ座礁軸成分およ
び流速を算出する。

流向演算器は上記流速演算器で算出した流速のＸ、Ｙ、
Ｚ座標軸成分および流速とより流速の方向余分弦を算出
する。

音速演算器は上記超音波音速測定装置の音速演算器と同
様に各トランスデユーサの順方向および逆方向における
計数回路の計測値の和を各々演算し、演算した計測値の
和にあらかじめ定めた係数を乗して音速を算出する。

〔作　用〕

本発明においては、流体中に配置したトランスデユーサ
から送信する送信波として周波数変調波を用い、送信波
と受信波との周波数の差を検出することにより音速と無
関係に流速を測定し、かつ送信する超音波の音速も測定
する。

また、流体中に立体的に配置した複数個のトランスデユ
ーサによる超音波の送受信により流速と同時に流向をも
測定する。

〔実施例１〕 第１図は本発明の超音波流速測定装置の原理を説明する
トランスデユーサの配置を示す超音波の送信を行なう送
波用トランスデユーサと受信を行なう受波用トランスデ
ユーサの一組からなる一対のトランスデユーサＰＧ　、
ｐ、　は流速■の流体中に配置されている。

まず、上記のように配置下トランスデユーサＰ、、Ｐ、
による本発明の詳細な説明する。

超音波はまずトランスデユーサＰ。から送信され、他の
トランスデユーサＰ、で受信する。次にトランスデユー
サＰ１から超音波を送信しトランスデユーサＰ０で受信
する。超音波は後述するように周波数が直線的に偏移す
るバースト波を送信し、その受信波と送信波の周波数差
を求めることにより測定流体の流速■を測定する。

すなわち、基準周波数をｆｏ（Ｈｚ）、時間ｔに介する
周波数変調波をｋとして、送信波の周波数ｆ、（Ｈｚ）
を ｆＴ　＝　ｆｏ（１＋ｋ　ｔ）　　　　　　・・・・・
・・・・・・・（１）とすると、流体の流れ方向に超音
波を送信する場合すなわちトランスデユーサＰ。から送
信し、トランスデユーサＰ１で受信する場合の超音波の
伝播時間ｔ６は超音波の音速をＣとすると次式で表わせ
る。

このとき、トランスデユーサＰ１が受信する受信波の周
波数ｆＲは ｆ＊　＝　ｆｏ　（］　＋ｋ　（ｔ　　ｔａ）ｌ　　”
”””””（３）となり、送信波の周波数ｆＴと受信波
の周波数ｆＲとの周波数の差ｆ、　は（１）と（３）式
からＣ十　■ となる。

一方、トランスデユーサＰ１から超音波を送信し、トラ
ンスデユーサＰ。で受信する場合の岬音波の伝播時間ｔ
ｕは次式で表わされる。

■、 したがって、トランスデユーサＰ０が受信する受信波の
周波数ｆＲは ｆｏ　＝　ｆｏ　（１＋ｋ　（ｔ　　ｔｕ））・・・・
・・・・・・・・（６）となり、送信波と受信波の周波
数差ｆｕは（１）式と（６）式から となる。

上記（４）式と（７）式から流速Ｖと音速Ｃは次式で求
められる。

上記（８）式から送信波と受信波の周波数差ｒｄ。

ｆｕを測定すると音速Ｃの影響なしに流速Ｖを求めるこ
とができる。また（９）式から音速Ｃを求めることもで
きる。

第２図は本実施例により超音波を送受信し、送信波と受
信波との周波数差を求める回路ブロック図である。第２
図において、１はクロックパルス発生回路、２はクロッ
クパルス発生回路１からは出力するクロック信号を受け
てタイミング信号を出力するタイミングパルス発生回路
である。３はクロクパルス発生回路１とタイミングパル
ス発生回路２の信号を受けて各トランスデユーサＰｏ。

Ｐ、で送信する超音波の周波数を時間に対して直線的に
変化する可変周波数発信回路であり、可変周波数発振回
路３はアンドゲート４．カウンタ５゜フリップ・フロッ
プ６、ディジタル・アナログ変換器７及び電圧制御発振
器８からなる。９はタイミングパルス発生回路２から出
力するタイミング信号により電圧制御発振器８からの出
力をサンプリフしてバースト波とするアナログゲート、
１０はアナログゲート９を介して送られる電圧制御発振
器８の出力を各トランスデユーサＰｏ、Ｐ、の送波用ト
ランスデユーサを介して送る送信回路である。

１１はタイミングパルス発生回路２のタイミング信号を
受けて、トランスデユーサＰ。＋ＰＩ　の送受信を切替
える送受切替回路、１３は各トランスデユーサＰ。、Ｐ
＋　の受波用トランスデユーサで受信し、送受切替回路
１１を介して送られた信号を増巾する受信回路である。

１４は受信回路１３の出力と電圧制御発振器８の出力を
混合し、両出力の周波数の差を送出する混合回路、２３
はタイミングパルス発生回路２から出力するタイミング
信号により混合回路１４からの出力をサンブリンクして
ビート波を出力するアナログゲート、１５はアナログゲ
ート２３の出力の周期を計測する計数回路である。計数
回路１５は基準信号発生器１６、コンパレータ１７、周
期検出回路１８、アンドゲート１９およびカウンタ２０
からなる。

２１はカウンタ２０から送られる計測値により流速を演
算する演算回路、２２は演算回路２１の入力を設定し、
出力を表示する入出力回路である。

上記のように構成した超音波流速測定装置及び超音波音
速測定装置の動作を第３図に示した波形図に基いて説明
する。

第３図において記号Ａ１からＰｌで示した波形は第２図
に示した回路図の主要部における出力波形を示し、記号
Ａ１等のサフィックス１はディジタル信号波形、サフイ
クス２はアナログ波形、サフイクス３は周波数偏移量を
示す。

タイミングパルス発生回路２はクロックパルス発生回路
１からのクロック信号を受けて周期Ｔ１のタイミング信
号Ａ１を送受切替回路１１に出力する。送受切替回路１
１はタイミング信号Ａ１の半周期毎にトランスデユーサ
Ｐｏ、Ｐｔ管の超音波の送受信の切替を行なう。

また、タイミングパルス発生回路２からタイミング信号
Ａ１の半周期毎にスタート信号Ｂ、をカウンタ２０と可
変周波数発振回路３のフリップ・フロップ６のセット端
子に送る。スタート信号Ｂ１が入力されるフリップ・フ
ロップ６にはクロツクパルス発生回路１からクロック信
号が送られると共にカウンタ５から送信スタートよりＴ
２時間の量大力信号Ｃ１が送られ、このＴ２時間の間フ
リップ・フロップ６の出力信号Ｄ１がアンドゲート４に
送られる。このＴ２時間は電圧制御発振器８の発振期間
を制御する。

アンドゲート４には、上記フリップ・フロップ６の出力
信号Ｄ１　とクロックパルス発生回路１からのクロック
信号が入力されランプ信号発生用カウンタ５にクロック
信号を送る。カウンタ５からはＴ２時間、計数信号をデ
ィジタル・アナログ変換器７に送り、ディジタル・アナ
ログ変換器７からは計数信号に応じた電圧が電圧制御発
振器８に送られる。

電圧制御発振器８はディジタルアナログ変換器７の出力
電圧によりＴ２時間の間ランプ波を発生させ発振周波数
を直線的に変化させ、発振周波数偏移量Ｅ３の信号を出
力する。一方、タイミングパルス発生回路２から時間Ｔ
：ｌのタイミング信号Ｆ１がアナログゲート９に送られ
、アナログゲート９はＴ１時間の間だけ電圧制御発振器
８の出力Ｇ２．Ｇ３を送信回路１０に送る。なお、第３
図の０２は送信中を制御する時間Ｔ、のアナログゲート
９の出力波形図、Ｇ３は周波数偏移量を示す。

送信回路１０はアナログゲート９からの出力を増申し、
送受切替回路１１を介して各トランスデユーサＰｏ、Ｐ
＋　の送波用トランスデユーサを駆動し超音波を発生さ
せる。

各トランスデユーサＰ。、Ｐ、の受液用トランスデユー
サは超音波を受信し、その出力信号は送受切替回路１１
を介して受信回路１３に送られ、受信回路１３で増巾さ
れて、受信出力Ｈ２，Ｈ３として混合回路１４に送られ
る。なお、Ｈ２は受信出力波形、Ｈ３は受信出力の周波
数偏移量を示す。混合回路１４には同時に電圧制御発振
器８の出力である発振周波数偏移量Ｅ３が送られ、受信
出力の周波数偏移量Ｈ３との差が出力される。

第３図はＪ２はこの混合回路１４から出力するビート波
形を示す。

このビート波Ｊ２はアナログゲート２３に送られる。ア
ナログゲート２３にはタイミングパルス発生回路２から
、受信液の到達が予想される時間より僅かに短い時間Ｔ
４より、送信パルス巾Ｔ。

よりやや長いパルス巾Ｔ、のパルス信号に、が送られ、
雑音による誤動作をさけるためアナログゲート２３から
１５時間の間だけビート波Ｊ２が計数回路１５のコンパ
レータ１７に送られる。コンパレータ１７では、このビ
ート波Ｊ２と基準信号発生器１６から出力する基準信号
、第３図においてはゼロクロス信号とを比較し、ビート
波Ｊ２の１周期若しくはあらかじめ設定されて複数周期
を検出する。第３図のり、　はコンパレータ１７から出
力されるビート波Ｊ２の１周期Ｔを示し、この信号り、
が周期検出回路１８に送られ、ビート波の周期Ｔをホル
トし、アンドゲート１９に周期信号Ｍ１を送る。アンド
ゲート１９にはこの周期信号Ｍ、とクロックパルス発生
回路１からのクロック信号が入力し、周期Ｔの間クロッ
ク信号Ｐ１をカウンタ２０に送る。カウンタ２０はクロ
ック信号Ｐ、を計数し、計数したパルス数Ｎが演算回路
２１に送られる。なおりウンタ２０はタイミングパルス
発生回路２のスタート信号Ｂ１によりリセットされる 演算回路２１に送られたパルス数Ｎは上記（８）式、（
９）式に示した１／ｆ、、１／ｆｄに比例しているから
、このパルス数から（８）式により流速■を求めること
ができる。また、このパルス数Ｎから（９）式により音
速Ｃを求めることもできる。

この流速■の測定に際しては、上記で説明したように、
発振周波数偏移量Ｅ３と受信出力の周波数偏移量Ｈ、と
の差のみ検出しているから、トランスデユーサの立上り
特性に影響されずに流速を求めることができる。

次に、上記（８）式、（９）式に基いて流速■及び音４
ｃを算出する演算回路２１の動作を第４図に示したブロ
ック図に基いて説明する。第４図において、４０は第２
図に示したカウンタ２０から演算回路２１に送られたパ
ルス数Ｎを示し、送受切替回路１１の切替動作によって
得られるトランスデユーサＰｏ、Ｐ＋　の順方向および
逆方向におけるパルス数Ｎを各々メモリ４１に記憶する
。メモリ４１からは１／ｆｄ、１／ｆ、を減算器４２に
送り、減算器４２で両信号の差を演算し、乗算器４３に
送る。乗算器４３は、この差信号にあらかじめ入力設定
器４４に設定されている既知るの係回路２２に出力する
。

音速Ｃを算出する場合にはメモリ４１に記憶されたｌ／
ｆ、、１／ｆａを加算器４５に送り、加算器４５で両信
号の和を演算した後、乗算器４６で入力設定器４４から
送られる係数Ｋを乗算して音速Ｃを演算する。

〔具体例〕

基準周波数ｆ０を４０ＫＨｚ、時間５　ｍ　ｓ間の周波
数の偏移を８ＫＨ２、すなわち周波数変化率ｋを 音速Ｃを３４０　ｍ　／　ｓとして、ｌ　ｍ　／　ｓの
流速■を測定する場合、順方向における周波数差ｆ、は
９３８、４２　Ｈ２、逆方向における周波数差ｆｕは９
３４、９５　Ｈｚとなり、各々の逆数は＝　１．０６５
６３　ｍ　ｓ 「ｄ −−１，０５９３８ｍ　ｓ ｆｌ。

いま、カウンタ２０の計数時間をビート波の１周期とし
、測定分解能を０．５％とすると、カウンタ２０のクロ
ック周波数は となり、８ビツトのカウンタで３２ＭＨのクロックパル
スを計数すれば良い。

また、トランスデユーサＰｏ、Ｐ＋　間の距離Ｌあるい
はビート波の計数周期を大とすると□−ｆ。

で測定することができる。

なお、上記実施例はトランスデユーサＰｏ、Ｐ＋を流管
２４の軸に対して同一方向の管壁に取付けた場合につい
て説明したが、第５図に示すようにトランスデユーサＰ
ｏ、Ｐ＋　を流向２４の軸に沿って所定の間隔をへだて
、かつ流向２４の軸に対して対象の位置に取付けても上
記実施例と同様な作用・効果を奏することができる。

〔実施例２〕 次にトランスデユーサを流体中に立体的に配置し、流速
、流向を測定する本発明の一実施例を説明する。

第６図は本実施例のトランスデユーサの配置を示す。超
音波の送信を行なう送波用トランスデユーサと受信を行
なう受波用トランスデユーサの１組からなる各トランス
デユーサｐｏ　、Ｐ、、Ｐ２゜Ｐ、は流速Ｖの流体中に
設けた三角錐の各頂点に配置されている。なお、説明を
簡単にするために第６図においてはトランスデユーサＰ
。を流体中に設けた直交座標、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標の原点の
位置に配置し、他のトランスデユーサＰ、、Ｐ２゜Ｐ３
はＺ軸に垂直な平面上でＺ軸に対して対称な位置になる
ものとする。

また、トランスデユーサＰ０と他のトランスデユーサＰ
＋、Ｐ２．Ｐ３　との中心線Ｐ。Ｐ、。

Ｐ　ＯＰ　２　、　　Ｐ　ＯＰ　３の方向余弦を各々（
４２１，ｍ、。

ｎ−）、（７！ｚ−２１ｎｚ）及び（ｊ！３　、　ｍ３
、ｎ３）とし、流速Ｖの方向余弦を（ｐ、ｍ。

ｎ）とする。

まず、上記のように配置したトランスデユーサＰａ　、
Ｐ＋　、Ｐ２．Ｐ３による本発明の詳細な説明する。

超音波はまず原点に位置するトランスデユーサＰｏから
送信され、他のトランスデユーサＰ１゜Ｐ２．Ｐ３によ
り受信する。次に他のトランスデユーサＰ。、Ｐ＋　、
Ｐｚ　、Ｐ’ｓにより超音波を送信し、トランスデユー
サＰ０で受信し、各トランスデユーサの中心線Ｐ、Ｐ、
、ＰｏＰ２　、ＰｏＰ、間の超音波の受信波と送信波の
周波数差を求めることにより測定流体の流速Ｖを測定す
る。

いまトランスデユーサＰ。及び他のトランスデユーサＰ
＋　、Ｐｚ　、Ｐ３を順次切替えて送受信を行ない、そ
のとき得られた周波数差を第１表に示すように表わす。

第１表 また、流速■とトランスデユーサの中心線ＰｏＰ＋　、
ＰＧＦ２　、ＰＧＦ３とのなす角を各々θ１゜θ２．θ
３、音速をＣ、トランスデユーサＰ０と他のトランスデ
ユーサＰ＋　、Ｐｇ　、Ｐ：＋間の距離をＬとすると、
周波数差は次式で表わされる。

ここでｉは１，２．３を示す。

（１０）、　（１１）式より ｆ、ＫＬ Ｖ　ｃｏｓθｔ　＝　　　　　　（１／ｆｉｄ　−１／
　ｆｉｕ）＝ＫＦ、　　　　　　・・・・・・・・・・
・・・・・（１２）ｆ、ＫＬ 但しＦ　＝　　−（１／　ｆｉｄ　−１／ｆｉｕ）、Ｋ
−であり、係数ｆｏＫＬは既知であり周波数差ｆｉｄ。

ｆｉｕ　は測定できる値である。一方ｃｏｓθ、はトラ
ンの方向余弦と流速■との方向余弦から ■ｃｏｓθＨ＝Ｖ＃ｌ！　ｉ　＋Ｖｍ−ｍ　ｉ　＋Ｖｎ
−ｎ　１＝Ｖ）（・ｎｉ＋Ｖｙ・ｍｉ＋Ｖｚ・ｎｉ・・
・・・・・・・・・・・・・（１３）となる。ここでＶ
ｘ　、Ｖｖ　、Ｖｚ　は流速■のＸ、Ｙ。

Ｚ軸に対する成分である。

（１２）、　（１３）より Ｖ　Ｘ−７！＋　＋　　Ｖ　ｙ　　・ｆｎ　１　＋　　
Ｖ　Ｚ　　・ｎ　１　＝　　Ｋ　　Ｆ　＋ＶＸ−１２ｚ
＋Ｖ、・　ｍ２＋Ｖｚ　・　ｎ、、＝ＫＦ２　　　　＋
＋・・・Ｑ４）Ｖ）（−＃ｓ＋Ｖｙ−ｍ３＋Ｖｚ　・　
ｎ３＝ＫＦｓこの（１４）式を解くことによりＶＸ、Ｖ
、、Ｖ２を求めることができる。但し、 したがって流速Ｖは次式で求めることができる。

Ｖ　＝　　、２　＋　Ｖ　７＋　Ｖ　７　　　・・・・
・・・・・・・・（１５）また、流速■の方向余弦（Ａ
、ｍ、ｎ）も次式％式％ さらにトランスデユーサの各中心線における音速をＣ＋
　、Ｃｚ　、Ｃ３とすると（１０）、　（１１）式より
次式となる。

ここで ｆ　ｉｄ　　　ｆ　ｉｄ とすると Ｃ＋　　−Ｋ　Ｇ　＋ Ｃ２＝ＫＧ２　　　　　　　　　・・・・・・・・・・
・・・・・（１９）Ｃ＊　＝　Ｋ　Ｇ　３ となり、音速の平均値Ｃｍは次式で求められる。

Ｃｍ　＝　−（Ｃ，＋　Ｃｚ＋　Ｃ：＋）　”・・””
・・”（２０）上記（１４）式から（１６）式に基づき
、流速■及び流速■の方向余弦のｆ、ｍ、ｎ、を求める
に際し、（１４）式から（１６）式に示すように流速■
とその方向余弦は上記実施例１と同様に音速Ｃとは無関
係に求めることができるから、温度補正を必要とせずに
流速Ｖとその方向に精度良く求めることができる。

第７図は本実施例により超音波を送受信し、送信波と受
信波との周波数差を求める回路ブロック図である。図に
おいてトランスデユーサＰＯ＋Ｐ＋　、Ｐｔ　、Ｐｘ　
の配置、リングカウンタ１２及び送受切替回路１１以外
の部分は上記第２図に示した実施例と全く同じである。

リングカウンタ１２は３進リングカウンタからなりタイ
ミングパルス発生回路２のタイミング信号を受けて超音
波を送受信するトランスデユーサｐｏ　、　　ＰＩ　、
）ランスデューサＰ。、Ｐｔ及びトランスデユーサＰ。

、Ｐｓの各組の切替信号を送受切替回路１１に送る。送
受切替回路１２はこの切替信号によりトランスデユーサ
の組を選択し、かつ各トランスデユーサの組の送受信を
切替える。

上記のようにトランスデユーサＰｏ　、Ｐ＋　。

Ｐｔ、Ｐ３を流体中に立体的に配置した超音波流速・流
向・音速測定装置の動作を説明する。

第８図は本実施例の動作を説明する波形図であり、波形
Ａ１および波形Ｂ、から波形Ｐ、は上記第３図に示した
波形と全く同じである。リングカウンタ１２はタイミン
グパルス発生回路２からのタイミング信号Ａ＋　を受け
て流体中に立体的に配置されたトランスデユーサの組を
選択する選択信号５ｌｌｌ　　Ｓ２１＋　　Ｓ３１を送
受切替回路１１に出力する。送受切替回路１１は選択信
号Ｓ’　Ｉ　１を受けるとトランスデユーサＰｏ、Ｐ＋
　を選択し、トランスデユーサＰｏ、Ｐｔ　間で超音波
の送受信を行なうかまた、送受切替回路１１が選択信号
ＳＫＩをうけるとトランスデユーサＰａ、Ｐｔを選択し
、このトランスデユーサＰＧ、Ｐ２間で超音波の送受信
を行ない、選択信号ＳＫＩを受けるととトランスデユー
サＰ。、Ｐ、を選択し、超音波の送受信を行なう。

」−記のトランスデユーサの各組で超音波の送受信を行
ない、実施例と同様に信号処理を行ない、各々周期Ｔの
間カウンタ２０で計数したパルス数Ｎを演算回路２１に
送り、演算回路２１で流体の流速、流向及び流体中の音
速の演算を行なう。

第９図は演算回路２１の構成を示すブロック図であり、
図において４０はカウンタ２０から演算回路２１に送ら
れたパルス数Ｎを示し、送受切替回路１１の切替動作に
よって得られる各トランスデユーサの組ＰＯＰ、、ｐｏ
ｐｚ　、Ｐ、Ｐ、の順方向及び逆方向におけるパルス数
Ｎを各々メモＩＪ４１に記憶する。メモリ４１からは各
トランスデユーサの組に応じた１／　ｆ　ｉ　ｄ、　　
１／ｆ　ｉ　ｕを減算器４２に送り、減算器４２で各ト
ランスデユーサの組の差Ｆｉを演算する。減算器４２で
演算された信号ＦｉはＶｘ　、Ｖｖ　、ＶＺ演算回路４
７に送られ、あらかじめ入力設定器４４に設定された各
トランスデユーサの中心線Ｐ。ＰＩ、ＰＧＦ２゜ＰｏＰ
３の方向余弦βｉ、ｍｉ、ｎｉと既知の係数にとを用い
て流速ＶのＸ、Ｙ、Ｚ軸成分ＶＸ。

Ｖｖ、ｖ２を演算する。このＶＸ、Ｖ、、Ｖ、は（１４
）式に基づき行列演算を行なうことにより得られる。Ｖ
Ｗ　、Ｖｖ　、Ｖｚ演算回路４７で演算した■つ、Ｖ、
、Ｖ２は■演算回路４８に送られ（１５）式に基づき流
速Ｖが演算される。またＶ、、Ｖｖ。

■２演算回路４７で演算された流速ＶのＸ、Ｙ。

Ｚ軸成分Ｖｘ　、Ｖｖ　、Ｖｚは■演算回路４８で演算
された流速■が方向余弦演算回路４９に送られ、（１６
）式に基づき流速Ｖの方向余弦１２．ｍ、ｎが演算され
る。

一方、メモリ４１に記憶された各トランスデユーサの組
に応じた１／ｆ　ｉｄ、ｌ／ｆ　ｉｕは加算器４７に送
られ、加算器４７で各トランスデユーサの組の和Ｇｉを
演算する。演算された各々の和Ｇｉは音速演算回路５０
に送られ、（１９）式に基づき既知の係数Ｋが乗算され
、各トランスデユーサの中心線ＰｏＰ＋　、ＰｏＰｚ、
ＰｏＰｚ間の音速Ｃ＋　、Ｃ２、Ｃ３が求められる。音
速演算回路５０から各々の音速ＣＩ　、Ｃｚ　、Ｃｓが
Ｃｍ演算回路５１に送られ音速の平均値Ｃｍが演算され
る。

上記のように演算回路２１で演算された音速Ｖ。

音速Ｖの方向余弦Ｊ、ｍ、ｎ及び音速の平均値Ｃｍは第
７図に示した出力回路２２に出力され表示される。

なお、上記実施例では超音波を送受するトランスデユー
サＰａ　、Ｐ＋　、Ｐｇ　、Ｐ３を流速■の流体中に設
けた三角錐の各頂点に配置した場合について説明したが
、第１０図に示すようにトランスデユーサＰＸ　、Ｐｘ
’、Ｐｖ　、Ｐｖ’、Ｐｚ　、Ｐｚ’を流体中に直交す
るＸ、Ｙ、Ｚ座標上に配置しても同様に流速、流向及び
音速を測定することができる。

第１０図は本発明の他の実施例に係るトランスデユーサ
の配置を示し、超音波の送受信を行なうトランスデユー
サＰｘ、Ｐ＊’は流体中に直交するＸ、Ｙ、Ｚ座標の原
点Ｏを中心に距離りだけ隔ててＸ軸上に配置されている
。また、トランスデユーサＰｖ　、Ｐｖ’は原点０を中
心に距離りだけ隔ててＹ軸上に配置され、トランスデユ
ーサＰ２゜Ｐ　ｚ　’は、原点０を中心に距離したけ隔
ててＺ軸上に配置されている。各トランスデユーサは、
超音波の送信を行なう送波用トランスデユーサと、受信
を行なう受波用トランスデユーサの１組からなる。

第１１図は第１０図に示したＸ、Ｙ、Ｚ座標に対する流
体の流速■を示し、流速ＶのＸ、Ｙ、Ｚ座標に対する方
向余弦（β、ｍ、ｎ）とし、流速■とＸ軸、Ｙ軸、Ｚ駆
とのなす角をθ８．θ７゜θ２　とする。

第１０図に示すトランスデユーサの配置において、超音
波は各座標軸の一方に配置されたトランスデユーサＰｘ
、Ｐｖ、Ｐｚから送信され、他方に配置されたトランス
デユーサＰ　ｘ　’　＋　　Ｐ　ｖ　’　＋Ｐ２′によ
り各受信する。次にトランスデユーサＰ　ｘ　’　＋　
　Ｐ　ｖ　’　＋　　Ｐ　ｚ　’から各々超音波を送信
しトランスデユーサＰＸ　、Ｐｙ　、Ｐｚで受信する。

この流速に対する順方向と逆方向の周波数差を測定する
ことにより上記実施例と同様に流速Ｖ等を求めることが
できる。

すなわち第１０図において、Ｘ軸上のトランスデユーサ
Ｐ、、ＰＸ’、Ｙ軸上のトランスデユーすＰｖ、Ｐｙ’
及びＺ軸上のトランスデユーサＰｚ　、Ｐｚ’を各々順
次切替えて送受信を行ない、そのとき得られる周波数差
を第２表に示すように表わすと、 第２表 各座標軸のトランスデユーサ間の距離はＬであるから、
送信波と受信波の周波数差は各々（１０）。

（１１）式と同様に次式で表わせる。

ここでｉはＸ、Ｙ、Ｚを示す。

（２１）、　（２２）式より （２３）式において係数ｆ。ＫＬは既知であり、周波数
差ｆｉｄ、ｆｉｕは測定でき、かつ各トランスデユーサ
は方向余弦が（１，０，Ｏ）、（０゜１．０）、（０，
０，１）のＸ、Ｙ、Ｚ軸上にあり、Ｖ　ｃｏｓθｉは流
速■のＸ、Ｙ、Ｚ軸成分ｖ×、Ｖ、、Ｖ２であるから、
上記実施例と同様にｆｉｄ　　　　ｆｉｕ ｆ　ｏ　Ｋ　Ｌ　／　２　＝　Ｋ とすると Ｖｘ　−Ｋ　Ｆ　Ｘ ＶＹ＝ＫＦ、　　　　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・・・・（２４）Ｖ２＝ＫＦ。

となる。

したがって上記実施例に示した（１５）、　（１６）式
により、流速■と流速■の方向余弦ｊ！、ｍ、ｎを求め
ることができる。

また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における音速ＣＸ　。

Ｃｖ、Ｃｚ　　も（２１）、　　（２２）式からとして
もとめられ、この音速Ｃｘ　、Ｃｖ　、Ｃ２から音速の
平均値Ｃｍを求めることができる。

第１２図は第１０図に示すようにＸ、Ｙ、Ｚ軸上に６個
のトランスデユーサを配置した場合の流速■、液流速の
方向余弦！、ｍ、ｎ及び音速を測定する回路ブロック図
を示し、図において１〜３゜９〜１５．２１は第７図に
示した実施例の場合と全く同じものであり、第７図に示
した実施例と相違する点は送受切替回路１１によるトラ
ンスデユーサの組の選択が異なるのみである。すなわち
リングカウンタ１２はタイミングパルス発生回路２から
のタイミング信号Ａ、を受けて送受切替回路１１にＹ、
Ｙ、Ｚ軸上に配置されたトランスデユーサの組を選択す
る選択信号５ｌｌｌ　　３２１１　３３１を出力する。

送受切替回路１１は選択信号Ｓｌ＋を受けるとＸ軸上に
配置されたトランスデユーサＰＸ、Ｐｘ’を選択し、ト
ランスデユーサＰｘ、Ｐｘ’間で超音波の送受信を行な
う。また、送受切替回路１１が選択信号３２１を受ける
とＹ軸上に配置されたトランスデユーサＰｖ、Ｐｖ’を
選択し、このトランスデユーサＰｖ、Ｐｖ’間で超音波
の送受信を行ない、選択信号Ｓ３１を受けるとＺ軸上に
配置されたトランスデユーサＰｚ’、Ｐｚ’を選択し、
トランスデユーサＰＺ、Ｐ２’間で超音波の送受信を行
なう。

この各トランスデユーサの組による超音波の順方向、逆
方向の周波数差を求め第７図に示した実施例と同様に流
体の流速■、流速■の方向余弦！。

ｍ、ｎ及び音速の平均値Ｃｍを測定することができる。

上記実施例に示した流体は特にその種類を限定する必要
がないから、室内、構造物内の空気の流れの速、グラウ
ンドの風の測定、海流の測定、気象観測等に適用し得る なお上記実施例１．実施例２においては可変周波数発振
回路３で発振周波数を波形Ｅ３で示すように時間に対し
て直線的に増加する場合について説明したが、発振周波
数を時間に対して直線的に減少した場合、あるいは３角
波状に偏移動させても上記各実施例と同様に流速度等を
測定することができる。

第１３図は三角波を発生する可変周波数発生回路３のブ
ロック図を示し、第１４図（ａ）、〜）はこの可変周波
数発振回路３の波形を示し、（ａ）は三角波を発生する
場合、（ｂ）は逆三角波を発生する場合である。

この可変周波数発振回路３の動作を第１３図。

第１４図（ａｌに基いて説明する。

可変周波数発振回路３のカウンタ５は例えば８進アツプ
／ダウンカウンタからなり、カウンタ５にはアンドゲー
ト４からクロックパルスＣＰが入力されており、このク
ロックパルスＣ１を計数した計数信号をディジタル・ア
ナログ変換器７に送る。第１４図においてＣｏはカウン
タＳでクロックパルスＣＰを計数しているときの波形を
示す。

ディジタル・アナログ変換器７からは上記計数信号に応
じて増加する電圧信号Ａｖが電圧制御発振器８に送られ
ている。この状態でカウンタ５からキャリー信号Ｃｙが
フリップフロップ６に送られると、フリップフロップ６
の出力信号Ｑが低レベル、出力信号Ｑが高レベルとなり
カウンタ５をダウンカウンタに切替え、カウンタ５に入
力するクロックパルスＣ２のパルス数に応じて計数（ｔ
　号を減少させる。ディジタル・アナログ変換器７はこ
の計数信号の減少に応じた電圧信号Ａｖを電圧制御発振
器８に送り三角波を発生させる。なお第１４図ｆｂｌに
示した逆三角波を発生する場合も同様な動作を行なう。

上記のように三角波を発生すると、流体の温度が変化し
ている場合、順方向および逆方向の計測時刻の相違によ
る温度の影響を減少することかでき、かつ周波数変化範
囲の狭いトランスデユーサを使用することができる利点
を有する。

また、上記各実施例の可変周波数発振回路３において用
いたカウンタ５とディジタル・アナログ変換器７の代り
にアナログ積分回路を使うこともできる。

さらに、上記各実施例においては計数回路１５でビート
波の１周期を検出した場合について説明したが、ビート
波の複数周期を検出することにより測定精度の向上を図
ることができる。

また、上記各実施例における送受切替回路１１の動作に
ついては順方向、逆方向と切替える場合について説明し
たが、順方向を複数回繰返した後に逆方向を複数回繰返
すように切替えることにより流体の温度が変化している
場合の測定精度の向上を図ることもできる。

また、上記実施例においては流体の流速と共に超音波の
音速Ｃも測定することができるから、流体中の音速と温
度が一義的な対応関係にあれば、音速と温度の関係から
流体温度も求めることかできる。さらに流体中の音速と
流体成分との対応関係より流体の成分も検知することが
できる。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように、流体中に配置したトラン
スデユーサから送信する超音波の送信波として周波数変
調波を用い、送信波と受信波との周波数の差を検出して
流体の流速、流向を測定するから、流体の温度と関係す
る音速とは無関係に、かつトランスデユーサの立上り特
性に影響されずに、精度良く流体の流速、流向を測定す
ることができる。

また送信波と受信波と周波数の差により流体中の音速を
測定することができるから、流体の温度も検出すること
ができる。

さらに装置に流体の温度補償回路等が不要であり回路構
成が簡単であるため安定した流速・流向・音速測定装置
を低価格で作成できる効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るトランスデユーすの配置
図、第２図は上記実施例の回路ブロック御ブロック図、
第５図は上記実施例におけるトランスデユーサの他の配
置図、第６図は本発明の他の実施例に係るトランスデユ
ーサの配置図、第７図は第６図に示した実施例の回路ブ
ロック図、第８図は第７図に示した回路ブロック図の各
部の波形を示す波形図、第９図は第７図に示した演算回
路の制御ブロック図、第１０図は本発明の他の実施例の
係るトランスデユーサの配置図、第１１図は第１０図に
示した実施例の説明図、第１２図は第１０図に示した実
施例の回路ブロック図、第１３図は本発明の可変周波数
発振回路の他の実施例を示す回路ブロック図、第１４図
（ａｌ、　（ｂｌは各々第１３に示した回路ブロック図
の各部の波形を示す波形図である。 Ｐｏ＋　　ｐｌ　、ＰＺ、Ｐ３＋　　ＰＸ＋　　Ｐｘ’
＋　　Ｐｙ＋Ｐｖ’、ＰＺ　、Ｐｚ’・・・・・・・・
・トランスデユーサ、■・・・・・・・・・流速、１・
・・・・・・・・クロックパルス発生回路、２・・・・
・・・・・タイミングパルス発生回路、３・・・・・・
・・・可変周波数発振回路、９・・・・・・・・・アナ
ログゲート、１０・・・・・・・・・送信回路、１１・
・・・・・・・・送受切替回路、１２・・・・・・・・
・リングカウンタ、１３・・・・・・・・・受信回路、
１４・・・・・・・・・混合回路、１５・・・・・・・
・・計数回路、２１・・・・・・・・・演算回路、２３
・・・・・・・・・アナログゲート、４１・・・・・・
・・・メモリ、４２・・・・・・・・・減算器、４３．
４６・・・・・・・・・乗算器、４５・・・・・・・・
・加算器、４７・・・・・・・・・ＶＸ　・■７　・■
２演算回路、４８・・・・・・・・・■演算回路、４９
・・・・・・・・・方向余弦演算回路、５０・・・・・
・・・・音速演算回路、５１・・・・・・・・・Ｃｍ演
算回路。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）、流体流路の管壁に設置され超音波の送受信を行
   う一対のトランスデューサと、 該一対のトランスデューサの送受信を各トランスデュー
   サ毎に切り換える送受信切替回路と、上記トランスデュ
   ーサで送信する超音波の周波数を時間に対して直線的に
   変化する可変周波数発振回路と、 該可変周波数発振回路の出力をサンプリングしてバース
   ト波とし送波用トランスデューサを駆動する送信回路と
   、 上記超音波を受信した受波用トランスデューサの出力を
   増巾する受信回路と、該受信回路の出力と上記可変周波
   数発振回路の出力を混合し周波数の差を出力する混合回
   路と、 該混合回路の出力の周期もしくは周波数を計測する計数
   回路と、 上記送受切換回路の切換動作によつて得られる各トラン
   スデューサの順方向および逆方向における上記計数回路
   の計測値の差を演算し、演算した計測値の差にあらかじ
   め定めた係数を乗じて流速を算出する演算器と をそなえた超音波流速測定装置。
2. （２）、可変周波数発振回路が所定のクロックパルスを
   計数するカウンタと該カウンタの計数値をアナログ電圧
   に変換するディジタル−アナログ変換器とを有するラン
   プ電圧発生器と該ランプ電圧発生器の出力電圧により周
   波数を可変する電圧制御発振器とを備えた特許請求の範
   囲第１項記載の超音波流速測定装置。
3. （３）、流体流路の管壁もしくは流体中に設置され超音
   波の送受信を行う一対のトランスデューサと、該一対の
   トランスデューサの送受信を各トランスデューサ毎に切
   り換える送受信切替回路と、上記トランスデューサで送
   信する超音波の周波数を時間に対して直線的に変化する
   可変周波数発振回路と、該可変周波数発振回路の出力を
   サンプリングしてバースト波とし送波用トランスデュー
   サを駆動する送信回路と、上記超音波を受信した受波用
   トランスデューサの出力を増巾する受信回路と、 該受信回路の出力と上記可変周波数発振回路の出力を混
   合し周波数の差を出力する混合回路と、該混合回路の出
   力の周期もしくは周波数を計測する計数回路と、 上記送受切替回路の切替動作によつて得られる各トラン
   スデューサの順方向および逆方向における上記計数回路
   の計測値の和を演算し、演算した計測値の和にあらかじ
   め定めた係数を乗じて音速を算出する音速演算器と を備えた超音波音速測定装置。
4. （４）、可変周波数発振回路が所定のクロックパルスを
   計数するカウンタと該カウンタの計数値をアナログ電圧
   に変換するディジタル−アナログ変換器とを有するラン
   プ電圧発生器と、 該ランプ電圧発生器の出力電圧により周波数を可変する
   電圧制御発振器と を備えた特許請求の範囲第３項記載の超音波音速測定装
   置。
5. （５）、流体中に立体的に配置され超音波の送受信を行
   なう複数個のトランスデューサと、 該複数個のトランスデューサの送受信を各トランスデュ
   ーサ毎に切替える送受切替回路と、上記トランスデュー
   サで送信する超音波の周波数を時間に対して直線的に変
   化する可変周波数発振回路と、 該可変周波数発振回路の出力をサンプリングしてバース
   ト波とし、送波用トランスデューサを駆動する送信回路
   と、 上記超音波を受信した受波用トランスデューサの出力を
   増巾する受信回路と、 該受信回路の出力と上記可変周波数発振回路の出力を混
   合し周波数の差を出力する混合回路と、該混合回路の出
   力の周期もしくは周波数を計測する計数回路と、 上記送受切替回路の切替動作により得られる各トランス
   デューサの順方向および逆方向における上記計数回路の
   計測値の差を各々演算し、演算した計測値の差と、あら
   かじめ定められた係数および各トランスデューサの中心
   線の方向余弦とより流速のＸ、Ｙ、Ｚ座標軸成分及び流
   速を算出する流速演算器と、 該流速演算器で算出した流速のＸ、Ｙ、Ｚ座標軸成分及
   び流速とより流速の方向余弦を算出する流向演算器と、 上記各トランスデューサの順方向および逆方向における
   上記計数回路の計測値の和を各々演算し、演算した計測
   値の和にあらかじめ定めた係数を乗じて音速を算出する
   音速演算器と、 を備えた超音波流速・流向・音速測定装置。
6. （６）、複数個のトランスデューサを流体中の角錐体の
   頂点に相当する位置に各々配置した特許請求の範囲第５
   項記載の超音波流速・流向・音速測定装置。
7. （７）、複数個のトランスデューサを流体中に直交する
   Ｘ、Ｙ、Ｚ軸上に原点を中心に対向して配置した特許請
   求の範囲第５項記載の超音波流速・流向・音速測定装置
   。
8. （８）、可変周波数発振回路が所定のクロックパルスを
   計数するカウンタと該カウンタの計数値をアナログ電圧
   に変換するディジタル−アナログ変換器とを有するラン
   プ電圧発生器と、 該ランプ電圧発生器の出力電圧により周波数を可変する
   電圧制御発振器と を備えた特許請求の範囲第５項乃至第７項のいずれかに
   記載の超音波流速・流向・音速測定装置。