JPS5917370B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、新規な方式の超音波流量計に関するもので
ある。

この発明の目的は、超音波流量計の精度、応答速度、温
度安定度を改善することにある。

この発明の他の目的は、流体中の泡や異物による超音波
信号の欠損に対する安定度の改善、設置寸法精度の要求
の緩和、構成の簡単化によるコストの低減および信頼性
の改善にある。超音波流量計は、流体中の超音波の伝達
時間が流体の流速によつて変わることを利用したもので
ある。

通常、流体の通過する配管に、流れの方向に対して順方
向および逆方向になる２つの超音波信号の伝達経路を設
け、夫々の伝達時間の差を測定することによつて、流体
の流速を測定する。流体の流速は、この伝達時間差に比
例する。この伝達時間差は微小であり、伝達時間が通常
０．１〜１ｍｓであるのに対して１ｎｓのオーダーであ
る。従つて流速を精密に測定するためには、１ｎｓのオ
ーダーの時間測定精度を必要とする。この微小な時間差
を測定することはアナログ的な方式でもデイジタル的な
方式でも困難であるため、伝達時間を周波数に変換して
、周波数の差を測定している例が多い。しかし、これら
の方式は応答時間が遅くなるという欠点を有する。伝達
時間差の直接測定に成功した例としては、２つの超音波
信号伝達経路に超音波信号を同時に発信し、流れに順行
する信号の受信時刻を基準にして、逆行する信号の受信
時刻の遅れをアナログ的に測定する方式がある。従来の
超音波流量計の他の問題点は、前述の順方向および逆方
向の２つの超音波伝達経路を構成する構造物の温度変化
による伝達時間の変化が、流速の測定誤差となることで
ある。

また、２つの超音波伝達経路が幾何学的均一性を満すた
めに要求される工作精度も、実際的な難点の一つである
。これらの問題の解決策としては、超音波伝達経路を一
つにし、超音波伝達方向を１サイクル毎に反転して、順
方向および逆方向の夫々の伝達時間を測定し、それらの
差をとる方式が考えられる。この様にすると、構造物中
の伝達時間は、順方向および逆方向の伝達時間の差をと
る時に相殺され、温度ドリフトも消去される。しかし、
この方式では両方向の伝達時間を別々に測定してから差
をとるので、非常に高い時間測定精度を要求され、アナ
ログ的な方式では困難である。前述の様に伝達時間は０
．１〜１ｍｓであるのに対して、伝達時間の差の測定精
度は１ｎｓのオーダーであることが要求されるので、相
対精度としては１『５〜１０−６の精度が要求される。
この問題は高安定度のクロツク発振器を用いたデイジタ
ル的な方式を用いれば解決されるが、１ＧＨｚ程度の高
いクロツク周波数が要求されるという困難が生じる。周
波数に変換して測定する方式はいくつか開発されている
が、いずれも応答速度が遅く、安定度に問題がある。従
つて超音波伝達経路を単一にして温度変化による誤差を
消去する方式は十分な実用化がなされておらず、順方向
および逆方向の２つの伝達経路を備え、夫々について１
サイクル毎に伝達方向を反転する方式のみが実用化され
ている。この発明は、単一の超音波信号伝達経路の交互
反転方式における上述の困難を解消し、精度、応答速度
および温度安定度の良い超音波流量計を提供しようとす
るものである。

この発明の方式による超音波流量計は上記の他に、流体
中の泡や異物による超音波信号の欠損に対して安定であ
り、設置寸法精度の要求もゆるやかであり、構成が簡単
であるため、コストおよび信頼性の点でも改善されてい
る。以下に図に参照して、本発明の詳細な内容を説明す
る。第１図は本発明の方式による超音波流量計の一実施
例の構成を示す。

図において、１は被測定流体の流れる配管、２，３は夫
々配管１に対して互いに斜めに対向するように配管１に
装着され超音波を受信発信する超音波受発信素子（以下
、適宜単に受発信素子とも略記する。）、４は回路系統
のマスタコントローラ、５，６は超音波受発信素子２，
３を励振するパルス発生器、７，８は超音波受信信号の
増巾器、９，１０は増巾された超音波受信信号に対する
波高選別器、１１，１２は波高選別器９，１０の制御回
路、１３，１４はランプ信号発生器、１５，１６はサン
プルホールド回路、１７はランプ信号発生器、１８はラ
ンプ信号発生器１７の制御回路、１９はサンプルホール
ド回路、２０は減算器、２１，２２はローパスフイルタ
、２３は２乗回路、２４は除算器である。次に第１図に
示した実施例の動作について第２図を用いて説明する。
第２図は、第１図に示した実施例の各部の動作を説明す
るタイムチヤートである。超音波受発信素子２，３は、
配管１に対して斜めで、互に対向する位置に取付けられ
ているので受発信素子２から受発信素子３へ向かう超音
波信号Ｓｇは、受発信素子３から受発信素子２へ向かう
超音波信号Ｓｇよりも伝達時間が短かく、この時間差は
流体の流速に比例する。一方、マスタコントローラ４の
出力信号ＭＳＴＲは％に分周されて信号φＡ，φＢ（＝
φＡ）となり、超音波発信用パルス発生器５，６をトリ
ガする。従つてパルス発生器５，６は、信号ＭＳＴＲの
１サイクル毎に交互にトリガされる。尚、信号ＭＳＴＲ
を発生する発生器は、非安定マルチバイブレータで構成
できる。また、クロツク発振器とプリセツトカウンタと
を組合わせても構成できる。ただし、いずれの場合でも
、゛１゛および゛０゛の各半周期を細かく調整できるこ
とが必要である。信号φＡがトリガされるサイクルに於
ては、パルス発生器５がトリガされ、その出力パルスが
超音波受発信素子３を励振して、超音波信号Ｓｇを流体
中に発信する。

この超音波信号Ｓｇは超音波受発信素子２に到達し、こ
の受発信素子２は受信信号を発生する。受信信号は増巾
器７で増巾され、波高選別器９で雑音と分離される。波
高選別器９は、入力信号が予かじめ設定されたしきい電
圧をこえた時に、出力パルスＳＩＧ−Ａを発生する。こ
の信号φＡの立ち上がりの時点に発せられた超音波信号
Ｓｇと、この超音波信号Ｓｇが受信されて波高選別器９
から発せられる出力パルスＳＩＧ−Ａとの対応関係を第
２図中に破線矢印で示してある。超音波信号は、減衰振
動波形であることが多いので、ここに用いる波高選別器
９，１０は後続するパルスに応答しない様に、出力信号
を発生した後、一定の期間だけ出力を停止する機能を有
することが望ましい。

更に波高選別器９が、不要な雑音パルスに応答すること
を防ぐために、入力信号に応答し得る期間を制限する。
この制限は次の様にして行われる。すなわち、信号ＭＳ
ＴＲは出力が゛１゛の半サイクルの終りに信号φＧＴを
トリガする。この信号φＧＴは、超音波信号Ｓｇの到着
が予想される時刻を含む最小の期間に発生する様にする
。更に制御回路１１で信号φＡと信号φＧＴの積（アン
ド）を作り、これを波高選別器９に対するエネーブル信
号ＳＩＧ−ＥＮＡとする。従つて波高選別器９は、信号
φＧＴが存在し、且つ超音波受発振素子３が励振される
サイクルである時にだけ、入力信号に応答する。又、ラ
ンプ信号発生器１３は信号φＧＴの立ち上がりでトリガ
されてランプ信号を発生し、信号φＲＥＳでりセツトさ
れる。この信号φＲＥＳは、信号φＧＴの終りでトリガ
される。ランプ信号は、上昇期間の途中で、波高選別器
９からの出力信号ＳＩＧ−Ａをストツプ信号として受け
ることにより、上昇が所定期間だけ中断される。一方、
この信号ＳＩＧ−Ａは、サンプルホールド回路１５に対
するサンプルストローブ信号ともなり、上昇の中断して
いるランプ回路１３の出力信号をサンプリングし、次回
の信号ＳＩＧ−Ａが発生すれまでの期間ランプ回路１３
のその出力信号をホールドする。ランプ信号発生器１３
の出力信号の上昇を、信号ＳＩＧ−Ａの期間中断する理
由は、サンプリングを容易にし、サンプリング精度を向
上させるためであるが、省略してもよい。ランプ信号か
らサンプリングされた信号の電圧は、つまりサンプルホ
ールド回路１５からの出力電圧△ＴＡは信号φＧＴの立
上り時刻と超音波信号ＳＩＧ−Ａの発生時刻との間の時
間に比例する。この時間は、超音波信号Ｓｇの受発信素
子２から受発信素子３への伝達時間ＴＡから、信号ＭＳ
ＴＲの“１゛の期間ＴＭＳＴＲを差引いたものである。
＋ 信号ＭＳＴＲの次のサイクルには、信号φＢがパルス発
生器６をトリガし、超音波受発信素子２が励振される。

以後はφＡがトリガを行うサイクルについての前述のプ
ロセスと同様に増巾器８、波高選別器１０、制御回路１
２、ランプ信号発生器１４、サンプルホールド回路１６
が作動し、サンプルホールド回路１６の出力電圧ΔＴＢ
は、信号φＧＴの発生時刻と信号ＳＩＧ−Ｂの発生時刻
との差（ＴＢ−ＴＭＳＲ）に比例する。ここで＋ランプ
信号発生器１４を省略して、ランプ信号発生器１３を共
用してもよい。

減算器２０は、サンプルホールド回路１５および１６の
出力電圧の差（ΔＴＡ−ΔＴＢ）を出力として与える。

従つて、この出力電圧は、超音波信号Ｓｇが流体の流れ
に順行する場合と逆行する場合の伝達時間の差に比例し
ており、流体の流速に比例するものである。信号ＭＳＴ
Ｒ（７）１Ｆ′の期間サンプルホールド回路１５および
１６の出力に共通に含まれているので、減算によつて相
殺され、測定精度に影響を与えない。従つて信号ＭＳＴ
Ｒの発生器は、簡単な非安定マルチバイブレータで構成
できる。信号ＳＩＧ−Ａ，ＳＩＧ一Ｂは流体中の泡や異
物等の障害によつて欠損することがあるが、その場合は
サンプルホールド回路が前回のホールド電圧をそのまま
ホールドするので、出力信号が乱れることはない。信号
φＧＴは、前述の様に雑音対策として用いられているが
、時間測定の面では、測定レンジを短縮し、時間測定の
精度を改善するはたらきをしている。信号φＧＴの立上
り時刻を信号ＳＩＧ−Ａ，ＳＩＨの直前に設定すること
により、時間測定のレンジを２桁程度短縮することがで
き、測定精度もその程度だけ低くてもよいことになる。
従つてランプ信号発生器とサンプルホールド回路による
簡単な時間測定手段で十分な測定精度が得られる。口ー
パスフイルタ２２は減算器２０の出力電圧を乎滑化し、
動揺を減少させるためのものであるが、省略できる場合
もある。ランプ信号発生器１７は、制御回路１８によつ
て制御され、信号ＭＳＴＲの゛１゛の期間及び信号φＧ
Ｔの存在する期間にわたつてランプ信号を発生し、信号
φＲＥＳでりセツトされる。

サンプルホールド回路１９はランプ信号発生器１７の出
力信号を、信号ＳＩＧ−ＡまたはＳＩＧ−Ｂの時刻にサ
ンプリングし、次のサイクルの信号ＳＩＧ一ＡまたはＳ
ＩＧ−Ｂの時刻までそのサンプリングした値をホールド
する。サンプルホールド回路１９の出力電圧は、超音波
信号Ｓｇの流体中の伝達時間に比例し、信号ＭＳＴＲの
１サイクル毎に順方向および逆方向の伝達時間を交互に
サンプルホールドする。ローパスフイルタ２１は、サン
プルホールド回路１９の出力電圧の時間平均値を与える
が、省略できる場合もある。ローパスフイルタ２１の出
力電圧は、順方向および逆方向の伝達時間の平均値であ
るため、流速には殆んど関係しないが、流体の温度変化
による音速の変化に追従して変わり、ローパスフイルタ
２２の時間差信号の温度補正に使われる。温度補正は除
算器２４によつてローパスフイルタ２２の出力電圧を２
乗回路２３の出力電圧で除して行われる。この関係を以
下に説明する。いま、配管１の直径をＤ、起音波信号経
路の配管軸に対する角度をθ、流体の流速をＶ、ローパ
スフイルタ２２、２乗回路２３の出力を夫々，２，Ｖ２
３、逆行および順行伝達時間を夫々ＴＡ，ＴＢまた流体
中の音速をＣとすると次式の関係がある。

２２，Ｖ２３はともに音速Ｃに依存していて温度変化を
するが、両者の比をとることによつて温度変化が消去で
きる。

２乗回路２３は、入力信号の変化の範囲がせまいので直
線増巾器を用いた接線近似を行つてもよく、またランプ
信号発生器の出力をサンプリングする代りに、期間ＴＡ
，ＴＢにわたる積分におきかえても良い。

ランプ信号を積分すればＴＡ２，ＴＢ２が得られるので
、式（２）の近似として一（ＴＡ２ｓ４＋ＴＢ２）を用
いてもよい。

ここでは超音波伝達経路の構造物内を超音波信号Ｓｇが
伝達に要するその伝達時間を無視して説明したが、それ
を考慮した場合の温度補正量の修正は、２３の修正によ
つて可能である。サンプルホールド回路１９に於て超音
波信号ＳＩＧ−Ａ，ＳＩＧ−Ｂが流体中の泡等によつて
欠損した場合は、サンプリングによるＴＡ，ＴＢの切替
が一時的に停止することになるが、ＴＡとＴＢは殆んど
等しいのでサンプルホールド回路１９への影響はわずか
である。従つて超音波信号の欠損に対しては、３つのサ
ンプルホールド回路１５，１６および１９のすべてが安
定であり、泡や異物等の障害に対して安定な出力が得ら
れる。このようにして得られた流速値（或いは流速相当
値）に既知量を乗じて換算すれば流量を求めることがで
きる。

第３図に示すものは、この発明の他の実施例で、同図に
おいて、第１図と同一符号は第１図のものと同一又は相
当部分を示しているにつき符号の説明は適宜省略する。

第３図に示す例では、第１図におけるランプ回路１７、
制御回路１８、サンプルホールド回路１９の代りに加算
器２５を用いている。

ここで加算器２５について説明すると、この加算器２５
にはサンプルホールド回路１５，１６からの各出力が入
力され、更に、後にも述べるように信号ＭＴＳＲを入力
として受け、この加算器＋２５の出力はローパスフイル
タ２１に導かれローパスフイルタ２１により平均化され
るように構成されている。

次にこのように構成されたものの動作を第４図に従つて
説明する。

受発信素子２，３からサンプルホールド回路１５，１６
に到るまでは前記第１図に示したものと同様に動作につ
き、その部分の説明は省略する。サンプルホールド回路
１５，１６からの各出力ΔＴＡ，ΔＴＢに基いて加算器
２５は、超音波信号の順方向および逆方向の伝達時間の
平均値を算出する。

今、順、逆両方向の伝達時間を夫々ＴＢ，ＴＡ、信号φ
ＭＳＴＲの゛１゛の期間をＴＭＳＴＲとするとサンプル
ホールド回路１５，＋１６の出力ΔＴＡ，ΔＴＢは夫々
次式で表わされる。

加算器２５の入出力関係は次式で表わされる。

加算器２５の入力としてのＴＭＳＴＲは、信＋号φＭＳ
ＴＲの６Ｆ゛の期間に時間一電圧換算係数を乗じたもの
を、可変定電圧源（図示していない）から与える。

第３図において、第１図と同様にローパスフイルタ２１
は、加算器２５の出力電圧の時間平均値を与えるが、省
略できる場合もある。

ローパスフイルタ２１の出力電圧は、順方向および逆方
向の伝達時間の平均値であるため、流速には殆んど関係
しないが、流体の温度変化による音速の変化に追従して
変わり、ローパスフイルタ２２の時間差信号の温度補正
に使われる。温度補正は除算器２４によつてローパスフ
イルタ２２の出力電圧を２乗回路２３の出力電圧で除し
て行われる。そしてこの関係は第１図に示した例と全く
同様であり、前述の関係式（１）〜（３）が成立する。
即ち、ローパスフイルタ２２の出力Ｖ２２と２乗回路２
３の出力Ｖ２３との比を除算回路２４で求めることによ
り流速Ｖを求めることができる。

尚、この第３図に示す実施例において、第１図に示す実
施例と同様２乗回路２３は、入力信号の変化の範囲がせ
まいので直線増巾器を用いた接線近似を行つてもよく、
またランプ信号発生器の出力をサンプリングする方法の
代りに、期間ＴＡ，ＴＢにわたる積分におきかえても良
い。ランプ信号を積分すればＴＡ２，ＴＢ２が得られる
ので、式（２）の近似として一（ＴＡ２＋ＴＢ２）を用
いてもよい。ここでは超音波伝達経路の構造物伝達時間
を無視して説明したが、それを考慮した場合の温度補正
量の修正は、２３の修正によつて可能である。上述の各
実施例ではローパスフイルタ２２の出力Ｖ２２とローパ
スフイルタ２１の出力Ｖ２ｌとの除算値で流速を評価し
ているが、温度変化は少ない状況下であれば、減算器２
０の出力値又はローパスフイルタ２２の出力値Ｖ２２で
流速を評価してもそれなりの充分な測定精度が得られる
。尚、上述の各実施例に示した超音波受発信素子の代り
に、受信、発信用に夫々独立した２つの素子を近接して
組合わせた素子を用いてもよい。

また、精度と回路技術的な負担の点で不利であるが、ラ
ンプ回路とサンプルホールド回路による時間測定手段を
、クロツク発振器とカウンタから成る時間測定手段にお
きかえることも可能である。また、ここに述べた超音波
流量計を複数台用いて、夫々の超音波信号伝達経路を流
体の流路の同一切断面上に配置し、各流量計の出力の加
重平均値を用いて、流路内の流速分布の不均一性による
誤差を減少させる使用法も適用できる。以上の説明で明
らかな様に、この発明による超音波流量計は、精度、応
答速度および温度安定度がすぐれており、設置、施工も
容易であり、泡や異物等の障害に対しても安定である。

また従来の諸方式にくらべて構成が簡単であり、コスト
や信頼性の点でも改善されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による超音波流量計の一実施例の構
成を示すプロツクダイアグラム、第２図は、上記実施例
の各部の動作を説明するタイムチヤート、第３図は、こ
の発明による超音波流量計の他の実施例の構成を示すプ
ロツクダイアグラム、第４図は第３図に示したもの各部
の動作を説明するタイムチヤートである。 図において、２，３は超音波受発信素子、４はマスタコ
ントローラ、５，６はパルス発生器、７，８は波高選別
器、１３，１４，１７はランプ信号発生器、１５，１６
，１９はサンプルホールド回路、２０は減算器、２１，
２２はローパスフイルタ、２３は２乗回路、２４は除算
器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定対象である流体が流れる流路を介して互いに対
   向するように配置され励振手段により励振された超音波
   信号を発生する第１及び第２の超音波信号発信手段；こ
   の第１及び第２の超音波信号発信手段に対応して設けら
   れ、それらからの超音波信号を受信しその受信信号を出
   力する第１及び第２の超音波信号受信手段；この第１及
   び第２の超音波信号受信手段に対応して設けられそれら
   からの出力信号を増巾する第１及び第２の増巾器；前記
   第１の増巾器からの出力信号が入力されその値に応じて
   出力を発生する第１の波高選別器と、前記励振手段の励
   振に応答してランプ信号を発生する第１のランプ信号発
   生手段と、前記第１の波高選別器からの出力を受けて前
   記第１のランプ信号発生手段からランプ信号をサンプル
   ホールドする第１のサンプルホールド手段と、からなり
   前記第１の超音波信号発信手段が超音波信号を発信した
   時刻から該超音波信号とを前記第２の超音波信号受信手
   段が受信する時刻までの信号到達時間に対応する出力信
   号を発する第１の時間測定手段；前記第２の増巾器から
   の出力信号が入力されその値に応じて出力を発生する第
   ２の波高選別器と、前記励振手段の励振に応答してラン
   プ信号を発生する第２のランプ信号発生手段と、前記第
   ２の波高選別器からの出力を受けて前記第２のランプ信
   号発生手段からのランプ信号をサンプルホールドする第
   ２のサンプルホールド手段と、からなり前記第２の超音
   波信号発信手段が超音波信号を発信した時刻から該超音
   波信号を前記第１の超音波信号受信手段が受信する時刻
   までの信号到達時間に対応する出力信号を発する第２の
   時間測定手段；及び前記第１及び第２の時間測定手段か
   ら出力される各出力信号に基づいて所定の演算を行ない
   前記流体の流速に対応する出力を発生する演算手段；を
   備え、前記第１及び第２の時間測定手段は、更にそれぞ
   れ、前記超音波信号を発信した時刻から同一の所定時間
   を経過後、前記超音波信号の到着が予想される時刻を含
   む最小の期間中、前記ランプ信号を対応する前記第１及
   び第２のランプ信号発生手段から発生させる手段を含ん
   でいる超音波流量計。 ２ 流体の流速に対応する出力を発生する演算手段は、
   第１及び第２の時間測定手段から発せられる各出力信号
   の差を求める減算器、及びこの減算器の出力側に設けら
   れたローパスフィルタとから構成されてなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超音波流量計。 ３ 流体の流速に対応する出力を発生する演算手段は第
   １及び第２の時間測定手段から発せられる各出力信号に
   基いて減算を行なう減算部、第１及び第２の時間測定手
   段を構成する第１及び第２の波高選別器からの出力に基
   いて第１及び第２の超音波信号発生手段から対応する第
   １及び第２の超音波信号手段への超音波信号到達時間の
   平均値を算出する平均部、この平均部からの出力を２乗
   する２乗部、及び前記減算部からの出力を前記２乗部か
   らの出力で除する除算部とから構成されてなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波流量計。 ４ 第１及び第２の超音波信号発生手段から対応する第
   １及び第２の超音波信号手段への超音波信号到達時間の
   平均値を算出する平均部は第１及び第２の超音波信号発
   信手段が励振手段によりそれぞれ励振される時点に起動
   されこの起動時から所定時間経過後にリセットされるラ
   ンプ信号発生手段と、第１及び第２の時間測定手段を構
   成する第１及び第２の波高選別器からの出力を受けて前
   記ランプ信号発生手段からのランプ信号をサンプルホー
   ルドするサンプルホールド手段とから構成されてなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超音波流量
   計。 ５ 流体の流速に対応する出力を発生する演算手段は、
   第１及び第２の時間測定手段から発せられる各出力信号
   に基いて減算を行なう減算部、前記第１及び第２の時間
   測定手段から発せられる各出力信号及び所定値の付加信
   号に基いて第１及び第２の超音波信号発信手段から対応
   する第１及び第２の超音波信号受信手段への超音波信号
   到達時間の平均値を算出する平均部、この平均部からの
   出力を２乗する２乗部、及び前記減算部からの出力を前
   記２乗部からの出力で除する除算部とから構成されてな
   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
   流量計。 ６ 平均部は第１及び第２の時間測定手段からの各出力
   信号及び所定値の付加信号とを加算する加算器、及びこ
   の加算器の出力側に設けられたローパスフィルタから構
   成されてなることを特徴とする特許請求の範囲第５項記
   載の超音波流量計。 ７ 第１の超音波信号発信手段と第１の超音波信号受信
   手段とは一体的に構成されてなり、且つ第２の超音波信
   号発信手段第２の超音波信号受信手段とは一体的に構成
   されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第６項のいずれかに記載の超音波流量計。 ８ 第１及び第２の超音波信号発信手段と対応する第１
   及び第２の超音波信号受信手段とは前記第１及び第２の
   超音波信号発信手段から対応する前記第１及び第２の超
   音波信号受信手段に到る超音波信号の伝達経路が流体の
   流路の同一切断面上に位置するように配設されてなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のい
   ずれかに記載の超音波流量計。