JPS6390721A - 流速測定のための超音波位相差法 - Google Patents
流速測定のための超音波位相差法Info
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- JPS6390721A JPS6390721A JP62245741A JP24574187A JPS6390721A JP S6390721 A JPS6390721 A JP S6390721A JP 62245741 A JP62245741 A JP 62245741A JP 24574187 A JP24574187 A JP 24574187A JP S6390721 A JPS6390721 A JP S6390721A
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- Japan
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- phase difference
- signal
- measuring
- difference method
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- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 21
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 8
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
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- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
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- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
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- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring 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
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
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。
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、１つの測定管の流れ軸線内で交差する２つの
超音波測定ルートにより形成されている測定装置により
特に自動車エンジンの吸込み空気の高い流速を測定する
のに通ずる超音波位相差法に関する。
超音波測定ルートにより形成されている測定装置により
特に自動車エンジンの吸込み空気の高い流速を測定する
のに通ずる超音波位相差法に関する。
測定ルートがそれぞれ１つの送信超音波変換器と１つの
受信超音波変換器との間に定められており、超音波変換
器は測定管の壁に、測定ルートの一方がその送信超音波
変換器をその受信超音波変換器から上流側に、また測定
ルートの他方がその送信超音波変換器をその受信超音波
変換器から下流側に有するように配置されており、また
測定装置が１つの発振器、少なくとも１つの受信増幅器
および１つの評価装置を含んでいる場合に用いられる超
音波位相差法は提案されている。
受信超音波変換器との間に定められており、超音波変換
器は測定管の壁に、測定ルートの一方がその送信超音波
変換器をその受信超音波変換器から上流側に、また測定
ルートの他方がその送信超音波変換器をその受信超音波
変換器から下流側に有するように配置されており、また
測定装置が１つの発振器、少なくとも１つの受信増幅器
および１つの評価装置を含んでいる場合に用いられる超
音波位相差法は提案されている。
位相差法による超音波流速計に対しては、他の文献に既
に説明されているように、 Δφ−４π・ｆ−１・ （ｖ／ｃ’） （１）が
成り立つ、ここで、Δφは測定された位相差、ｆは作動
周波数、ｌは測定ルートの有効長さ、■は有効流速、ま
たＣは流体中の音速である。
に説明されているように、 Δφ−４π・ｆ−１・ （ｖ／ｃ’） （１）が
成り立つ、ここで、Δφは測定された位相差、ｆは作動
周波数、ｌは測定ルートの有効長さ、■は有効流速、ま
たＣは流体中の音速である。
高い測定精度を得るためには、比Δφ／Ｖを測定ルート
の長さの選定によりできるたぎり大きく選定することが
望ましい、しかしながら、このことは、高い流速におい
て位相弁別器の一義性範囲が超過されることに通ずる。
の長さの選定によりできるたぎり大きく選定することが
望ましい、しかしながら、このことは、高い流速におい
て位相弁別器の一義性範囲が超過されることに通ずる。
この場合、絶対位相差はもはや測定されず、絶対位相差
から２ｎ・π（または使用される位相弁別器の形式によ
ってはｎ・π）を差し引くことにより生ずるインクレメ
・ンタルなΔφ′が測定される。
から２ｎ・π（または使用される位相弁別器の形式によ
ってはｎ・π）を差し引くことにより生ずるインクレメ
・ンタルなΔφ′が測定される。
Δφ′−Δφ−２ｎ・π
または
Δφ′−Δφ−ｎ ・ π （２
）整数の係数ｎは一般に未知である。Δφ−２ｎ・π（
またはΔφ−ｎ・π）の位置に位相弁別器の有害な跳躍
が生ずる。
）整数の係数ｎは一般に未知である。Δφ−２ｎ・π（
またはΔφ−ｎ・π）の位置に位相弁別器の有害な跳躍
が生ずる。
従って、従来の測定装置は、測定される位相差が最大流
速においても位相弁別器の一義性範囲内にあるように設
計されていなければならなかった。
速においても位相弁別器の一義性範囲内にあるように設
計されていなければならなかった。
このことは測定ルートの選定の自由度の減少および可能
な測定感度の放棄を意味する。
な測定感度の放棄を意味する。
特に自動車エンジンの吸込み空気に対する超音波流速計
の測定ルートは、最大流速（ｖｍ＃４００ ｍ ” ／
ｈ、φ＃６０ｍｍ）が高く、また空気中音速が低いた
めに、低い超音波周波数の選定によってしか設計可能で
ない、しかし、低い周波数の使用は、特にノイズレベル
が低い周波数では高いために、問題を含んでいる。
の測定ルートは、最大流速（ｖｍ＃４００ ｍ ” ／
ｈ、φ＃６０ｍｍ）が高く、また空気中音速が低いた
めに、低い超音波周波数の選定によってしか設計可能で
ない、しかし、低い周波数の使用は、特にノイズレベル
が低い周波数では高いために、問題を含んでいる。
本発明の目的は、高い流速を測定するためめ公知の超音
波位相差法における問題点を簡単な仕方で回避すること
である。
波位相差法における問題点を簡単な仕方で回避すること
である。
この目的は、本発明によれば、特許請求の範囲第１項に
記載の超音波位相差法により達成される。
記載の超音波位相差法により達成される。
本発明の有利な実施例は特許請求の範囲第２項以下にあ
げられている。
げられている。
以下、図面に示されている好ましい実施例により本発明
の詳細な説明する。
の詳細な説明する。
超音波の周波数変調の際には、受信信号の位相の差が変
調される。変調特性曲線の傾斜ｄ（Δφ）／ｄｆ＝４π
・ｌ（ｖ／ｃ”） （３）は流速に比例する。このこ
とは、高い流速において位相弁別器の跳躍位置の外側で
インクレメンタル位相差 ｄ（Δφ’）／ｄｆ＝４ｒｃ・ｌ （ｖ／ｃ２）（３’
）φ≠２ｎπまたはφ≠ｎπに対して に対しても成り立つ、従って、超音波の周波数変調の際
には位相弁別器の出力信号内に交流電圧成分が“復調さ
れた信号”として含まれており、その振幅は流速に比例
する（第１図参照）、第１図においてＡは変調された信
号、Ｂ、Ｃは復調された信号を示す。
調される。変調特性曲線の傾斜ｄ（Δφ）／ｄｆ＝４π
・ｌ（ｖ／ｃ”） （３）は流速に比例する。このこ
とは、高い流速において位相弁別器の跳躍位置の外側で
インクレメンタル位相差 ｄ（Δφ’）／ｄｆ＝４ｒｃ・ｌ （ｖ／ｃ２）（３’
）φ≠２ｎπまたはφ≠ｎπに対して に対しても成り立つ、従って、超音波の周波数変調の際
には位相弁別器の出力信号内に交流電圧成分が“復調さ
れた信号”として含まれており、その振幅は流速に比例
する（第１図参照）、第１図においてＡは変調された信
号、Ｂ、Ｃは復調された信号を示す。
超音波信号の周波数範囲が位相弁別器の（ｖに関係する
）不連続位置に属する場合には（第２図参照）、このこ
とは復調された信号の歪みから容易に認識され、また周
波数範囲の自動的シフトによりまたは再送信路の一方ま
たは両受信路の一方への移相器の挿入により除去され得
る。第２図において、Ｄは変調範囲のシフトにより歪ん
でいない復調された信号、Ｅは歪んでいるｆＪ［された
信号を示す、必要とされる位相差は好ましくはπまたは
π／２であるので、それは両度換器の一つにおける送信
信号の論理操作によっても（たとえばドイツ連邦共和国
特許出願公開第２６１３３７５号明細書に記載されてい
るように分周すべき発振器信号の極性の切換による分周
により）達成される。変調特性曲線の傾斜はこれらの位
相シフトにより影響されない。
）不連続位置に属する場合には（第２図参照）、このこ
とは復調された信号の歪みから容易に認識され、また周
波数範囲の自動的シフトによりまたは再送信路の一方ま
たは両受信路の一方への移相器の挿入により除去され得
る。第２図において、Ｄは変調範囲のシフトにより歪ん
でいない復調された信号、Ｅは歪んでいるｆＪ［された
信号を示す、必要とされる位相差は好ましくはπまたは
π／２であるので、それは両度換器の一つにおける送信
信号の論理操作によっても（たとえばドイツ連邦共和国
特許出願公開第２６１３３７５号明細書に記載されてい
るように分周すべき発振器信号の極性の切換による分周
により）達成される。変調特性曲線の傾斜はこれらの位
相シフトにより影響されない。
精度が低くてもよい場合には、復調された信号の振幅の
みを評価すれば十分である。この場合は第３図による簡
単な測定装置を使用することができる０図において、１
は周波数変調可能な発ＷＲ器、２は変調器、３は測定ル
ート、４．４′は送信変換器、５．５′は受信変換器、
６．６′は受信増幅器、７は位相弁別器、８は阻止コン
デンサ、９は整流器、１０は指示計器である。
みを評価すれば十分である。この場合は第３図による簡
単な測定装置を使用することができる０図において、１
は周波数変調可能な発ＷＲ器、２は変調器、３は測定ル
ート、４．４′は送信変換器、５．５′は受信変換器、
６．６′は受信増幅器、７は位相弁別器、８は阻止コン
デンサ、９は整流器、１０は指示計器である。
高い精度が必要とされる場合には、復調された信号と、
インクレメンタルな位相差に相応する位相弁別器の出力
信号の平均値とを、全位相が高い精度で得られるように
組み合わせることが有利である。この場合第４図による
高分解能の測定装置を使用することができる。図におい
て第３図と同等部分には同符号が付してあり、１１は切
換可能な移相器、１２は窓弁別器、１３．１３′、１３
″、１３″は重み付は抵抗、１４は低域通過フィルタ、
１５は加算回路、１６は連続性監視装置である。
インクレメンタルな位相差に相応する位相弁別器の出力
信号の平均値とを、全位相が高い精度で得られるように
組み合わせることが有利である。この場合第４図による
高分解能の測定装置を使用することができる。図におい
て第３図と同等部分には同符号が付してあり、１１は切
換可能な移相器、１２は窓弁別器、１３．１３′、１３
″、１３″は重み付は抵抗、１４は低域通過フィルタ、
１５は加算回路、１６は連続性監視装置である。
第３図および第４図では、図示を簡単にするため、各２
つの送信および受信変換器を有する測定装置が示されて
いる。しかし、ここで説明される方法は、他の文献で既
に提案されているように、“音波バースト”を存する公
知の２変換器装置によっても実施され得る。この場合に
は、受信の間に生ずる位相弁別器の出力信号がたとえば
サンプル・アンド・ホールド回路により一時記憶されな
ければならず、また変調周波数はサンプリング理論に従
ってバースト反復レートよりも低く選定されなければな
らない。
つの送信および受信変換器を有する測定装置が示されて
いる。しかし、ここで説明される方法は、他の文献で既
に提案されているように、“音波バースト”を存する公
知の２変換器装置によっても実施され得る。この場合に
は、受信の間に生ずる位相弁別器の出力信号がたとえば
サンプル・アンド・ホールド回路により一時記憶されな
ければならず、また変調周波数はサンプリング理論に従
ってバースト反復レートよりも低く選定されなければな
らない。
位相弁別器の出力信号がアナログ−ディジタル変換器に
よる変換の後にマイクロプロセッサに記憶されることも
有利である。このために第５図による測定装置を使用す
ることができる。第５図において、１は周波数変調可能
な発振器、２は変調器、３は測定ルート、６．６′は受
信増幅器、７は位相弁別器、１１は切換可能な移相器、
１７．１７′は送受信変換器、１８はアナログ切換器、
１９はアナログ−ディジタル変換器、２０はマイクロプ
ロセッサ、２１は測定結果の出力線、２２は温度センサ
を示す、これは説明される意味での位相弁別器の出力信
号の評価を可能にする。マイクロプロセッサにより制御
される切換器を介して、アナログ形式で存在する測定値
（たとえば温度）をディジタル化して評価装置に供給す
ることも可能である。さらに、変調器、必要な送受信切
換器および意図される周波数シフトの制御がマイクロプ
ロセッサにより行われ得る。
よる変換の後にマイクロプロセッサに記憶されることも
有利である。このために第５図による測定装置を使用す
ることができる。第５図において、１は周波数変調可能
な発振器、２は変調器、３は測定ルート、６．６′は受
信増幅器、７は位相弁別器、１１は切換可能な移相器、
１７．１７′は送受信変換器、１８はアナログ切換器、
１９はアナログ−ディジタル変換器、２０はマイクロプ
ロセッサ、２１は測定結果の出力線、２２は温度センサ
を示す、これは説明される意味での位相弁別器の出力信
号の評価を可能にする。マイクロプロセッサにより制御
される切換器を介して、アナログ形式で存在する測定値
（たとえば温度）をディジタル化して評価装置に供給す
ることも可能である。さらに、変調器、必要な送受信切
換器および意図される周波数シフトの制御がマイクロプ
ロセッサにより行われ得る。
第１図は流速に比例する変調特性曲線の傾斜を有する超
音波の周波数変調による位相差の変調の説明図、第２図
は変調特性曲線の不連続位置の認識の説明図、第３図は
本発明による方法を実施するための測定装置の第１の実
施例の原理図、第４図は本発明による方法を実施するた
めの測定装置の第２の実施例の原理図、第５図は本発明
による方法を実施するための測定装置の第３の実施例の
原理図である。 １・・・ＦＭ変調可能な発振器、２・・・変調器、３・
・・測定ルート、４．４′・・・送信変換器、５．５′
・・・受信変換器、６．６′・・・受信増幅器、７・・
・位相弁別器、８・・・阻止コンデンサ、９・・・整流
器、１０・・・指示計器、１１・・・切換可能な移相器
、１２・・・窓弁別器、１３・・・重み付は抵抗、１４
・・・低域通過フィルタ、１５・・・加算回路、１６・
・・連続性監視装置、１７．１７′・・・送受信変換器
、１８・・・アナログ切換器、１９・・・アナログ−デ
ィジタル変換器、２０・・・マイクロプロセッサ、２１
・・・測定結果の出力線、２２・・・温度センサ。 ＩＧ １ ＦＩＧ ２ ＦＩＧ ４ ＦＩＧ ５
音波の周波数変調による位相差の変調の説明図、第２図
は変調特性曲線の不連続位置の認識の説明図、第３図は
本発明による方法を実施するための測定装置の第１の実
施例の原理図、第４図は本発明による方法を実施するた
めの測定装置の第２の実施例の原理図、第５図は本発明
による方法を実施するための測定装置の第３の実施例の
原理図である。 １・・・ＦＭ変調可能な発振器、２・・・変調器、３・
・・測定ルート、４．４′・・・送信変換器、５．５′
・・・受信変換器、６．６′・・・受信増幅器、７・・
・位相弁別器、８・・・阻止コンデンサ、９・・・整流
器、１０・・・指示計器、１１・・・切換可能な移相器
、１２・・・窓弁別器、１３・・・重み付は抵抗、１４
・・・低域通過フィルタ、１５・・・加算回路、１６・
・・連続性監視装置、１７．１７′・・・送受信変換器
、１８・・・アナログ切換器、１９・・・アナログ−デ
ィジタル変換器、２０・・・マイクロプロセッサ、２１
・・・測定結果の出力線、２２・・・温度センサ。 ＩＧ １ ＦＩＧ ２ ＦＩＧ ４ ＦＩＧ ５
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）１つの測定管の流れ軸線内で交差する２つの超音波
測定ルートにより形成されている測定装置により流速を
測定するための超音波位相差法であって、測定ルートが
それぞれ１つの送信超音波変換器と１つの受信超音波変
換器との間に定められており、超音波変換器は測定管の
壁に、測定ルートの一方がその送信超音波変換器をその
受信超音波変換器から上流側に、また測定ルートの他方
がその送信超音波変換器をその受信超音波変換器から下
流側に有するように配置されており、また測定装置が１
つの発振器、少なくとも１つの受信増幅器および１つの
評価装置を含んでいる場合に用いられる超音波位相差法
において、 発振器（１）の周波数が変調器（２）により変調され、
間接的に送り出される超音波の周波数が変調され、それ
によって、超音波受信変換器（５、５′）から発せられ
る受信信号の、測定装置により強制的に生ずる位相の差
が変調され、 その際に生ずる位相差の値の変化が、各１つの入力端で
２つの受信増幅器（６、６′）の一方または他方に接続
されている位相弁別器（７）の出力信号により表され、
それが評価装置（８、９、１０：８、９、１０、１２、
１３、１４；１８、１９、２０、２１）により評価され
ることを特徴とする流速測定のための超音波位相差法。 ２）超音波信号の周波数範囲が流速（ｖ）に関係する不
連続位置に属する場合に、このことが、復調後に得られ
る評価すべき信号の歪みにより認識可能であり、またこ
の歪みを消去する周波数範囲のシフトが行われることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波位相差法
。 ３）超音波信号の周波数範囲が流速（ｖ）に関係する不
連続位置に属する場合に、このことが、復調後に得られ
る評価すべき信号の歪みにより認識可能であり、またこ
の歪みを消去する周波数範囲のシフトが移相器により両
送信回路の一方または両受信回路の一方で行われること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波位相差
法。 ４）超音波信号の周波数範囲が流速（ｖ）に関係する不
連続位置に属する場合に、このことが、復調後に得られ
る評価すべき信号の歪みにより認識可能であり、またこ
の歪みを消去する論理操作が特に、分周すベき発振器出
力信号の極性の切換による分周により行われることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波位相差法。 ５）精度が低くてもよい場合に、復調された評価すべき
信号の振幅のみが評価されることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の超音波位相差法。 ６）高い精度が必要とされる場合、復調された評価すべ
き信号および位相弁別器（７）の出力電圧のインクレメ
ンタルな位相差に相応する平均値が、高い精度を有する
全位相が生ずるように組み合わされることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の超音波位相差法。 ７）位相弁別器（７）の出力信号がアナログ−ディジタ
ル変換器（９）による変換の後に、この出力信号の評価
を行うマイクロプロセッサに入力されることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の超音波位相差法。 ８）マイクロプロセッサ（２０）が、それにより制御さ
れる切換器（１８）を介して供給されるディジタル化す
べき別のアナログ信号、たとえば温度測定値信号を評価
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音
波位相差法。 ９）マイクロプロセッサ（２０）が、場合によっては設
けられている送信／受信切換器、変調器（２）および（
または）移相器の制御を行うことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の超音波位相差法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3633187 | 1986-09-30 | ||
| DE3633187.2 | 1986-09-30 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6390721A true JPS6390721A (ja) | 1988-04-21 |
Family
ID=6310667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62245741A Pending JPS6390721A (ja) | 1986-09-30 | 1987-09-28 | 流速測定のための超音波位相差法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4922750A (ja) |
| EP (1) | EP0262441B1 (ja) |
| JP (1) | JPS6390721A (ja) |
| DE (1) | DE3768897D1 (ja) |
| ES (1) | ES2021314B3 (ja) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NZ243294A (en) * | 1991-06-25 | 1995-04-27 | Commw Scient Ind Res Org | Time of flight of acoustic wave packets through fluid: reduction of higher order acoustic mode effects |
| DE4237907A1 (de) * | 1992-11-10 | 1994-05-19 | Siemens Ag | Massendurchflußmesser |
| DE4302368C1 (de) * | 1993-01-28 | 1994-07-21 | Spanner Pollux Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden |
| GB2274713B (en) * | 1993-01-29 | 1997-07-02 | Schlumberger Ltd | Flow meter |
| DE4498938C2 (de) * | 1993-11-18 | 2000-05-18 | Unisia Jecs Corp | Vorrichtung zum Erfassen der Ansaugluftmenge eines Motors |
| US5583301A (en) * | 1994-11-09 | 1996-12-10 | National Environmental Products Ltd., Inc. | Ultrasound air velocity detector for HVAC ducts and method therefor |
| US5650571A (en) * | 1995-03-13 | 1997-07-22 | Freud; Paul J. | Low power signal processing and measurement apparatus |
| US5639971A (en) * | 1996-10-04 | 1997-06-17 | Dieterich Technology Holding Corp. | Method and apparatus for detecting a signal |
| FR2781565B1 (fr) * | 1998-07-24 | 2000-08-25 | Inst Francais Du Petrole | Procede et dispositif pour mesurer la vitesse d'ecoulement d'une veine fluide |
| US6386047B2 (en) * | 1998-09-03 | 2002-05-14 | Chang Min Tech Co., Ltd. | Ultrasonic flow velocity measuring method using phase difference measurements |
| US6595071B1 (en) * | 2000-01-06 | 2003-07-22 | Transoma Medical, Inc. | Estimation of error angle in ultrasound flow measurement |
| US6539316B1 (en) | 2000-01-06 | 2003-03-25 | Data Sciences International, Inc. | Phase detector |
| US6435037B1 (en) * | 2000-01-06 | 2002-08-20 | Data Sciences International, Inc. | Multiplexed phase detector |
| US6826965B1 (en) * | 2000-10-30 | 2004-12-07 | Panametrics, Inc. | Anti-parallel tag flow measurement system |
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