JPH02280011A - 超音波センサ - 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、超音波により流体の動きを計測する流体計測
用センサに係り、特に、流体中に発生する渦の周波数か
ら流量を計測する渦流量計に用いて好適な位相１ｑ調方
式の超音波センサに関するものである。

「従来の技術」 従来の流体計測用超音波センサの測定方式としで、例え
ば特公昭５７−２５１４１号に見られるように、発振器
の信号と、流体内を伝搬した受信信号とから、流体の動
きを位相変１ｆｆｌとして検出するようにしたものがあ
る。

第２図は超音波センサを用いたカルマン渦流量計の一従
来例を示すブロック図であって、この装置は、流体の流
れる管路１に渦発生体２が配設され、その後流側に超音
波発信器３と超音波受信２に４とから成る超音波センサ
が配置された構成となっている。

前記超音波発信器３は、駆動回路５により駆動されて管
路ｌ中に超音波を放射し、放射された超音波は管路ｌ中
の流体の動き（本例では渦発生体２の後流に発生するカ
ルマン渦の流れ）によって位相変調を受けて前記超音波
受信器４で受信され、位相比較器６へ入力される。この
位相比較器６では、受信信号Ｓ２と発振器からの信号Ｓ
１との位相比較を行い、前記渦に起因する変調信号Ｓ３
を取り出す。

上記方式のセンサで使用される超音波の伝搬特性は、媒
質が液体か気体かによって異なるから、例えば気体の流
量を測定するセンサにおいては、超音波の減衰ｍが大き
いため送受信の確実さを考慮して比較的低い周波数を選
択し、また液体の流ｍを測定するセンサにおいては、流
速（流ｍ）にλ、１応して充分に大きな位相変調を生じ
させるため、前記気体用の場合より高い周波数を選択す
るのが一般的である。

すなわち前記渦による位相変、ｌｆｆ１φは、−Ｖ φ−２π”　　ｃ（ｃ−ｖ）　　’　　”””■但し、
ｒ：超音波周波数、Ｄ：管路内径Ｃ：流体音速、　　■
：渦の速度 なる式により表され、この０式より、流体音速が大きく
、渦の速度が小さい場合（液体、例えば水中ではＣ＝１
５００ｍ／ｓ、Ｖ−０，１ｍ／ｓでの計測が要求される
。）渦による位相変調ｍφは非常に小さ（なり、これを
確実に検出するためには超音波周波数ｆを高くしなけれ
ばならない。一方、周波数ｆが高いと、このセンサを気
体等の超音波が透過、伝搬しにくい流体に適用した場合
、流体中における減衰ｍが大きくなって、受信器に受信
される超音波信号のレベルが小さくなり、渦を検出する
ことが不可能となってしまう。また、低周波で充分な受
信レベルを得ようとして駆動電圧を高くすることは、火
花の発生などの可能性があって防爆上好ましくない 「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、気体用、液体用に異なる周波数を用いる
と、使用周波数の高い液体用のセンサを気体用に用いた
場合、減衰量が大きくなって受信レベルが低くなり、一
方、使用周波数の低い気体用のセンサを液体用に用いた
場合、充分な大きさの位相変調を生じさせることができ
ないという問題がある。

したがって、従来の超音波センサには気体用、液体相等
用途により別々の仕様を適用することが必要となって、
汎用性に欠けるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、流体の物理
的性質にかかわらず正確に測定し得る照合１皮センサを
提（共することを目的とするものである。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本発明は、超音波センサに設
けられた位相比較器に人力される信号の経路に倍周回路
を設けるようにしたものである。

「作用」 上記構成であると、送受信の安定した低い周波数の超音
波を使用しながら、倍周により周波数を高めて大きな位
相変調信号を得て流体の動き（流れ）の信号を取り出す
ことができる。

「実施例」 以下、第１図を参照して本発明の一実施例を説明する。

なお、第２図と同じ機能の部分には同じ符号を付け、説
明を簡略化する。

この実施例の超音波センサは、発信信号Ｓ１および受信
信号Ｓ２をそれぞれ位相比較器６へ供給する経路にそれ
ぞれ倍周器１０を設け、切替スイッチ１１によって、原
信号５ｌ−ｓ２．もしくは、前記原信号５ｌ−ｓ２を倍
周化してなる倍周信号Ｓｌ’　　・８２′を前記位相比
較器６を供給するようにした構成となっている。

上記倍周器１０を用いることにより、発信器３から放射
されあるいは受信器４で受信される周波数より高い周波
数の信号を位相比較器６に供給して位相変調ｍφを算出
することができる。したがって、駆動信号超音波の周波
数を比較的低く設定しても充分なＳ／Ｎ比を持った流れ
の状態を示す信号を得ることができ、気体等の超音波が
ＪＡ過、伝搬しにくい流体においても、防爆上問題とな
るような高電圧で駆動する必要がない。

そして、流体の物理的性質や計測条件によって前記切替
スイッチ１１を切替ることにより、倍周器１０を通って
倍周信号Ｓ１°　・Ｓ２°　に変換して位相比較器６に
供給するルート、あるいは、倍周器１０を通さずに原信
号Ｓ１・Ｓ２を直接位＋１１比較器６に供給するルート
を選択して、流れの状態を示す信号Ｓ３を出力すること
ができる。

したがって、様々な広い範囲の流体に対して、安全に、
かつ特殊な回路を要することなく、安定した超音波の透
過、伝搬を行うことができると同時に、渦（流体の動き
）によって生じる位相変調が小さくなってしまうような
流体条件や、計測条件においても、確実に検出し得る位
相変調量を得ることができる。

以上の実施例は、カルマン渦を検出すべく渦流量計に適
用した場合について説明したが、超音波の位相変調によ
り、被測定流体の動き（流れ）を検出するようにしたす
べてのセンサに同様の効果を生ずる。また、本実施例は
、位相比較器において受信器からの信号と、発振器の信
号とを位相比較する方法として説明したが、位相比較を
行うことにより、目的とする流体の動き（流れ）が検出
できれば、どのような信号の位相比較を行っても良い。

例えば、検出すべき流れに対して逆方向に伝搬する２つ
の超音波の受信信号同志の位相比較を行っても良い。

また、本実施例では倍周回路を通る経路とそうでない経
路とを切替えて使用するようにしたが、適用される流体
あるいは計測条件によって、切替スイッチを省略し、常
時倍周処理を行うようにしてもよい。

「発明の効果」 本発明によれば、広い範囲の流体に対して、安定な透過
、伝搬ができる低い周波数の超音波を使用し、かつ、こ
の信号を倍周処理した後に位相比較したから、「流れ」
による位相変調が非常に小さくなってしまうような流体
条件、計測条件においても確実に「流れ」の検出が行な
うことができ、したがって、 ■　１つのセンサで多くの流体や計測方法に対応できる
。

■　センサの感度を上げるために高い周波数の超音波を
使用せずにすむから、センサ駆動に高電圧を用いる必要
がなく、防爆等の対策上有利である。

■　低い周波数の超音波により、充分なＳ／Ｎ比の受信
信号が得られるから、高周波の場合に必要となる、Ｓ／
Ｎ比の悪い信号から信号分だけを取出し、増幅するよう
な特別な回路が不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波センサを用いた渦流量計のブロ
ック図、第２図は従来の超音波センサを用いた渦流量計
のブロック図である。 １・・・・・・管路、２・・・・・・渦発生体、３・・
・・・・趙？°′昌１シ定振器、４・・・・・超音波受
信２：（，５・・・・・・駆動回路、（Ｓ・・・・・・
位相比較器、Ｓｌ・・・・・・発信信号、Ｓ２・・・・
・・受信信号、ＳＦ・・・・・・倍周発信信号、Ｓ２’
　・・・・・・倍周受信信号、１０・・・・・・倍周器
、１１・・・・・・切替スイッチ。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 駆動回路により駆動されて被測定流体中へ超音波を放射
   する超音波発信器と、前記流体の動きによって位相変調
   を受けた前記超音波を受信して電気信号に変換する超音
   波受信器と、前記受信器の受信信号を位相復調する位相
   復調器とからなる超音波センサにおいて、前記位相復調
   器へ信号を供給する経路中に倍周回路を設けたことを特
   徴とする超音波センサ。