JPS635219A - 超音波による流速測定方法 - 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」 管路、開渠、風洞等の内部を流れる流体の流速を超音波
を用いて測定する方法に関する。

「従来の技術」 超音波を利用した流速の測定は次の長所をもっている。

ａ、流れを妨げることなく／Ａ連測測定出来る。

ｂ、超音波が伝わる流体であれば測定可能であり、非電
導流体、気体などの流速測定が出来る。

Ｃ１検出端は、小型・堅牢で付着物の影響を受けに＜＜
、保守点検が容易である。

ｄ、超音波が透過する管路があれば、管外壁から管内を
流れる流体の流速測定が出来る。

しかし次の問題点があった。

イ、被測定流体内に発生する、あるいは、流体そのもの
が伝送する他の原因による雑音が多い。

口、検出端取付に精度を要する。

ハ、−般の流速センサに比して電子回路が複雑になり価
格が高くなる。

電子技術の進歩によって、高価格の問題は克服されつつ
ある。この発明では近年、軍事用途から次第に民生利用
、に注目されつつあるスペクトラム拡散通信方式を用い
て、雑音対策、検出端取付精度の問題の解消手段を提供
するものである。

「問題点を解決するための手段」 この発明によれば、流体の流線に沿う方向と逆う方向と
に超音波信号を伝播させ、これら両超音波信号の伝播時
間差により、流体の流速を測定する方法において、超音
波信号に乱数列のパルスを用いることを特徴とする。

例えば第１図において管路１１に流体１２が矢印１３に
示す方向に流れ、その流れに対し斜めに対向して超音波
トランスデユーサ１４．１５が設けられる。いま静止し
ている流体１２中の音速をＣ１流体１２の流速をＶ、向
い合ったトランスデユーサ１４．１５間の距離をし、音
波の伝播路１６と流体１２の流線とのなす角をθとする
と、流れに沿う方向の音速（トランスデユーサ１４から
１５への）は　　（＋ＶＣＯ３θ 流れに逆う方向の音速（トランスデユーサ１５から１４
への）は　　ｃ−ｖｃｏｓθ 超音波パルスがトランスデユーサ１４から１５−超音波
パルスがトランスデユーサ１５から１４これら２式より
流速Ｖは ２ＣＯ８θ　　１．　　　１゜ となる。このＣ１１式は、流体毎に異なるその音速Ｃの
値に無関係となるので、シングアラウンド法でｔＩ　　
＋　　　　”２ を計数して流速Ｖを求めている。

しかし、管路１１内の流速Ｖを測定する場合、−般にト
ランスデユーサ１４．１５間の距離りは、トランスデユ
ーサ１４．１５を管路１１に正確に固定し、あらかじめ
音波の伝播路長を測っておかなければならない問題があ
る。これは管路１１の口径にかかわらず実測は極めて難
しい。しかし、次の（２）弐 Ｌ＋　　　ｔｚ　　　　Ｌ の関係があることから、音速Ｃの値が既知であればｔｌ
＋Ｌｆｆｉを測定して、Ｌを求めることが考えられる。

例えば常温付近の水の音速Ｃは理科年表によれば１５０
０　（ｍ／ｓ　）であり、これを用いて充分である。

また鉄の中を伝播する縦波の速度は、水の４倍であるか
ら、例えば第２図に示すようにトランスデユーサ１４．
Ｉｓを鉄製の管路１１に外付けする場合は、トランスデ
ユーサの送受波面を流れ方向に対し斜めにするため音波
の案内用の喫状取付治具１７．１８の寸法と管路１１の
管厚ｄ１を流体１２（例えば水）と等価にする補正を行
う、これによって、Ｌの寸法問題を消去し、θの精度だ
けを考えればよいことになる。トランスデユーサ取付治
具は、寸法も小さく、正確な加工は容易であり、管路１
１などへの取付けは、レーザ光を使用する位置決め方法
などが現在用いられ、その取付は精度が高い。かりに、
第２図に示すように、トランスデユーサ■５の位置ずれ
が点線で示すように起っても、管壁と取付具１８との間
で生じる音波の屈折角は一定であるから、トランスデユ
ーサ上の受信点が若干移動して感度が低下するが、音波
の流体内伝播長は変らない。

水板外の流体流速の計測を行う場合は、水を使用して、
−度りの寸法を求めておけば、そのＬを使用出来る。

この発明ではトランスデユーサ１４．１５間の超音波信
号を乱数列、つまり真の乱数列又は凝領乱散列のパルス
を用いる０例えば高速のＭ系列擬似乱数列で直接拡散変
調した超音波を用いる。この乱数列の超音波パルスは耐
雑音性、耐妨害性が良いことのほかに測距能力が高い、
即ちこのＭ系列乱数列の超音波パルス列を拡散復調して
受波する場合、同一符号系列に同期したときのみ相関の
ピーク値が現われ、それから１ビツト（ｌパルス）以上
外れたときは殆んど相関がなくなる。したがって、トラ
ンスデユーサ１４から発信された擬似乱数列音波が流体
中を、或時間で伝播した後、トランスデユーサ１５で受
信し、トランスデユーサ１５の出力を相関捕捉する、つ
まり拡散復調することにより、トランスデユーサ１４か
ら超音波パルスを送波し、トランスデユーサ１５で相関
捕捉するまでの時間を流体内に存在する擬似乱数列音波
パルスに相当するクロック数を計数してトランスデユー
サ１４．１５間の伝播時間を求めることが出来る。

同様にトランスデユーサＩ５から１４へ発信する場合の
伝播時間が求められる。

前記（１１，（２１式から １、＋１゜ で測距を行った後に Ｌ　　　　　　ｔ、−ｔ。

２　ｃｏｓθ　　　１．−１゜ のｆ４ｍで流速Ｖが求められる。

「実施例」 第１図を参照して、この発明の詳細な説明する。

被測定流体１２をはさんでその流線に対し、θの角度で
、対向している超音波を送受するトランスデユーサ１４
．１５があり、各々は送受信用電気信号入出力切換ゲー
ト２１に接続されている。

入出力切換ゲー）２１には、送信用増幅器２２の出力側
および受信用増幅器２３の入力側が接続されている。

超音波のパルス周波数を定めるクロックがクロ７り発生
器２４から、ｌｆ４ｇ１乱数系列を書きこんだメモリ（
ＲＯＭ、ＲＡＭなど、あるいはＭ系列擬似乱数を発生す
るシフトレジスタでもよい、）２５を読み出して、送信
用増幅器２２へ出力バッファ２６を介して出力される。

マイクロプロセッサ２７は送信の指令を化カバソファ２
６に与えると共に送受信入出力切換ゲート２１に切換信
号を出力してその切換状態を設定する。またマイクロプ
ロセッサ２７はメモリ２５の読出し順序を定め、つまり
どの番地から読出すかを定め、これをアドレスデコーダ
２８に設定する。アドレスデコーダ２日は、マイクロプ
ロセッサ２７の指定アドレスを解読してメモリ２５の読
出し番地を指示する。

クロック発生器２４の出力クロックは、プリアンプルゲ
ート２９を経由してプリアンプルカウンタ３１で計数さ
れ、予め設定された数の計数が完了すると、プリアンプ
ルカウンタ３１は流速カウンタゲート３２を開き、これ
を通過したクロックが流速カウンタ３３で計数される。

プリアンプルカウンタゲート２９の開閉は、マイクロプ
ロセッサ２７の指令で動作し°、各カウンタ３１．３３
のリセットもマイクロプロセッサ２７により行われる。

受信用増幅器２３の出力は遅延線整合フィルタ３４へ供
給され、設定された乱数列を検出し、その検出出力で流
速カウンタゲート３２が閉じられる。つまりプリアンプ
ルカウンタ３１の出力によりゲート３２が開らかれ、そ
れまでに送出され、その前後のパルスに対応するものが
遅延線整合フィルタ３４に得られた時、ゲート３２が閉
じ、流速カウンタ３３の計数値はトランスデユーサ１４
゜１５内の超音波の伝播時間と対応したものとなる。

マイクロプロセッサ２７は、流速カウンタ３３の内容を
読み出して、水の流速測定の場合は次の計算を行う。

ｃｏｓθ　　　　　１．＋１゜ １、は超音波を流れに沿って伝播させた時、流速カウン
タ３３の計数値、（２は超音波を流れに逆って伝播させ
た時の流速カウンタ３３の計数値である０表示器３５に
上記計算結果を表示する。

なお、上記構成中、プリアンプルカウンタゲート２９、
流速カウンタゲート３２、プリアンプルカウンタ３１、
流速カウンタ３３、メモリ２５、アドレスデコーダ２８
は、シングルチップのマイクロプロセッサ２７の内部に
包含させることが出来る。

上述の測定において、擬似乱数の繰返し周期内のビット
速度は、音波伝播速度をＣ１距離分解能をＲとすると、 必要ピント速度＝−で与えられる。流体を水として、Ｃ
−１５００（ｍ／　ｓ　）　、Ｒ＝　１．５　　（ｍｍ
）とすると、必要なビット速度は１５００Ｘ　１０　”
ハ、５−１０”（ビット／ｓ、）となる。

管路１１の内径を大型の送水管（例えば圧力トンネル）
なみに６　〔ｍ〕程度とすると、超音波の伝播時間は、
θを３０°　（音波伝播長１０（ｍ））程度とみて、上
り下り平均７（ｍｓ）であり、１（ＭＢ２）のクロック
を使用するときは、管路１１内にＴ　（ｋビット〕の擬
似乱数パルス列が存在することになる。

したがって、ビット長８　（ｋビット〕の擬似乱数で充
分である。充分な余裕をみて１６〔ｋビット〕長として
も、この擬似乱数は１４段のシフトレジスタで発生させ
ることが出来、又、メモリに記憶し、これを続出して発
生させる場合はその記憶容量は１６〔ｋビット〕で充分
である。

上記例の場合、音波の伝播時間は、上り下り合計で１４
（ｆｆｌｓ）であるが、クロック周波数を変えれば、必
要とする擬イ以乱数長は周波数に逆比例する。遅延線整
合フィルタ３４での同期捕捉時間を短縮するために、擬
イ以乱数列の先頭の３１Ｃビツト〕乃至６３〔ビット〕
をプリアンプル信号に使用するものとすると、送出時間
及び同期捕捉時間に６２乃至１２６〔μＳ〕を要するが
、マイクロプロセンサ２７の演算時間を含めて、１回の
測定は、１５（ｍｓ）で完了する。

管路１１が鉄材で、その部分の片側での超音波の伝播距
離を１００（ＩＩ）程度とすると、既述の数式において
、１．−１．の流速測定項には影響しないが、１．＋１
２の距離測定項に対しては、鉄材中の音速は水の場合の
４倍であるから往復分価補正が必要である。即ち１００
　（ｍ）／１０　（＋ａ）で約１％の補正となる。

流量測定の場合は、実際には管路１１の真円度も充分で
ないことが多く、断面積の誤差も考えられ、前記管路１
１中の伝播補正は無視することも出来る。遅延１ｉ１整
合フィルタ３４は、プリアンプル信号ビット数と同一段
数のシフトレジスタで構成し、受信信号が符号と一敗し
たときに同期パルスを発生する。遅延線整合フィルタ３
４は、表面弾性波素子や、電荷結合素子で作ることも出
来る。

測定に当って、この装置の動作は下記のように行われる
。

ａ、マイクロプロセッサ２７はトランスデユーサ１４を
発信、１５を受信側にするように入出力切換ゲート２１
へ指令する。

ｂ、マイクロプロセッサ２７は出カバソファ２６からメ
モリ２５の内容を送信用増幅器２２へ出力するよう指示
し、アドレスデコーダ２８に出力番地をｔｍ定する。

Ｃ，マイクロプロセッサ２７は、出力バッファ２６から
出力する擬似乱数列の中から、プリアンプルビ・７ト相
当数をプリアンプルカウンタ３１にセットし、プリアン
プルカウンタゲート２９を開ける。

ｄ、プリアンプルカウンタ３１は、出カッ＼ソファ２６
から出力されるプリアンプルビ・ノド数相当のクロック
数を、クロック発生器２４からの出力で計数し、所定数
の計数を終了すると、流速カウンタゲート３２を開ける
。

ｅ、プリアンプル信号後の出力擬似乱数ビ・７ト数相当
のクロック数は、流速カウンタ３３で計数される。

ｆ、）ランデューサ１４から発信された超音波は、トラ
ンスデユーサ１５に至り、入出力切換ゲート２１を経由
して受信用増幅器２３で増幅され、遅延線整合フィルタ
３４に至る。

ｇ、擬似乱数列の先頭のプリアンプル信号が遅延線整合
フィルタ３４に導入されると、ここで同期が検知されて
、流速カウンタゲート３２ヘパルスを送り、そのゲート
を閉じる。

ｈ、流速カウンタゲート３２の開いている間に計数され
た数が、トランスデユーサ１４から１５に超音波が至る
時間に相当し、マイクロプロセッサ２７は、流速カウン
タ３３の内容を読み出し、これをｔｌとして内部メモリ
に記憶すると共に、出カバソファ２６、プリアンプルカ
ウンタゲート２９、プリアンプルカウンタ３１、流速カ
ウンタ３３、遅延線整合フィルタ３４をリセットする。

ｉ、マイクロプロセッサ２７は、トランスデュ−サ１４
を受信、１５を送信側にするよう入出力切換ゲー）２１
に指令する。

ｊ、以下、上述のｂ−ｈを行い、マイクロプロセッサ２
７は、流速カウンタ３３の内容を読み出し、これをｔオ
として内部に記憶し、系をリセットした後に既述の流速
計算を行って、表示器３５へ計算結果を表示する。

ｋ、上述のａ−ｊを繰返す。

上述では擬似乱数を用いたが、真の乱数を用いてもよい
、この場合は乱数をメモリに記憶しておき、これを続出
、せばよい、またこの発明はシングアランド方式にも適
用することができる。

「発明の効果」 この発明によれば次の効果が得られる。

イ、流速測定用超音波信号にスペクトラム拡散通信方式
を用いるため、雑音に影響されることなく信号を伝送す
ることが出来る。

口、超音波信号そのものが、−種の低レベル雑音であり
、他の雑音よりも低いレベルで信号を送出しても受信出
来る。スペクトラム拡散を行わすにＳＮ比を上げるため
に行う高レベルの衝撃波などを発生しない。

ハ、水流の測定の場合は、超音波の伝播経路長の測定が
不要である。

二、水を使用して超音波の伝播経路長の測定が可能であ
り、この測定値を使用すれば、他の流体の流速測定も、
その流体固有の音速値に無関係に測定出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による超音波による流速測定方法の一
例を示すブロック図、第２図は管壁の影響の説明に供す
るための断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体の流線に対し、一定角度をもって流体内に超
   音波の送受を行えるようにトランスデューサを対向して
   設け、流体の流線に沿う方向および逆らう方向に超音波
   信号を伝播させ、これら両超音波信号の伝播時間差によ
   り、上記流体の流速測定を行う方法において、 上記超音波信号に乱数列のパルスを用いることを特徴と
   する超音波による流速測定方法。