JPH032247B2 - - Google Patents
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- JPH032247B2 JPH032247B2 JP11640282A JP11640282A JPH032247B2 JP H032247 B2 JPH032247 B2 JP H032247B2 JP 11640282 A JP11640282 A JP 11640282A JP 11640282 A JP11640282 A JP 11640282A JP H032247 B2 JPH032247 B2 JP H032247B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- signal
- propagation time
- autocorrelation function
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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-
- 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
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は管路に対して斜めに対向配置された
超音波送受波器間で送受信される超音波の伝播時
間から前記管路内を流れる流体の流速、流量を求
める超音波流量計に係り、特に前記超音波送受波
器を駆動する送信信号を所定の変調信号で変調
し、これに応じて得られる受信信号および前記変
調信号に基づいてこの変調信号の自己相関関数を
求め、この自己相関関数を利用して前記流体の流
速、流量を求めるようにした超音波流量計に関す
る。
超音波送受波器間で送受信される超音波の伝播時
間から前記管路内を流れる流体の流速、流量を求
める超音波流量計に係り、特に前記超音波送受波
器を駆動する送信信号を所定の変調信号で変調
し、これに応じて得られる受信信号および前記変
調信号に基づいてこの変調信号の自己相関関数を
求め、この自己相関関数を利用して前記流体の流
速、流量を求めるようにした超音波流量計に関す
る。
第１図は超音波流量計の基本構成例を示す図で
あり、この図に示すように一方の超音波送受波器
１ａの発した超音波パルスは管路２内の流体３中
を伝播して前記超音波送受波器１ａと斜めに対向
して配置された他方の超音波送受波器１ｂで受信
される。ここで、管路２の管径をＤ、超音波パル
スの入射角をθ、流体３中の音速をＣ、流体３の
流速をＶとすれば、超音波送受波器１ａが超音波
パルスを発信してから、超音波送受波器１ｂがこ
の超音波パルスを受信するまでに要する時間T1
は、 T1＝Ｄ／cosθ／Ｃ＋Ｖ・sinθ ……(1) で与えられ、また逆に超音波送受波器１ｂの発し
た超音波パルスが超音波送受波器１ａで受信され
るまでに要する時間T2は、 T2＝Ｄ／cosθ／Ｃ−Ｖ・sinθ ……(2) で与えられる。そしてこれら(1)式および(2)式から
音速Ｃを消去し、流体３の流速Ｖを求めれば、 Ｖ＝Ｄ／sin2θ・T2−T1／T1・T2 ……(3) となる。ここでこのような超音波流量計において
通常用いられている値として、Ｄ＝100mm、θ＝
22゜を(3)式に代入し、かつこの超音波流量計によ
つて測定される流体３の音速Ｃを1450ｍ／ｓ、流
速Ｖを１cm／ｓとすれば超音波パルスの伝播時間
差T1−T2は約8ps（８×10-12秒）となる。このよ
うに超音波流量計においては、超音波パルスの伝
播時間差T1−T2が非常に小さな値となるから超
音波パルスの正確な伝播時間測定が必要不可欠な
なものとなつている。
あり、この図に示すように一方の超音波送受波器
１ａの発した超音波パルスは管路２内の流体３中
を伝播して前記超音波送受波器１ａと斜めに対向
して配置された他方の超音波送受波器１ｂで受信
される。ここで、管路２の管径をＤ、超音波パル
スの入射角をθ、流体３中の音速をＣ、流体３の
流速をＶとすれば、超音波送受波器１ａが超音波
パルスを発信してから、超音波送受波器１ｂがこ
の超音波パルスを受信するまでに要する時間T1
は、 T1＝Ｄ／cosθ／Ｃ＋Ｖ・sinθ ……(1) で与えられ、また逆に超音波送受波器１ｂの発し
た超音波パルスが超音波送受波器１ａで受信され
るまでに要する時間T2は、 T2＝Ｄ／cosθ／Ｃ−Ｖ・sinθ ……(2) で与えられる。そしてこれら(1)式および(2)式から
音速Ｃを消去し、流体３の流速Ｖを求めれば、 Ｖ＝Ｄ／sin2θ・T2−T1／T1・T2 ……(3) となる。ここでこのような超音波流量計において
通常用いられている値として、Ｄ＝100mm、θ＝
22゜を(3)式に代入し、かつこの超音波流量計によ
つて測定される流体３の音速Ｃを1450ｍ／ｓ、流
速Ｖを１cm／ｓとすれば超音波パルスの伝播時間
差T1−T2は約8ps（８×10-12秒）となる。このよ
うに超音波流量計においては、超音波パルスの伝
播時間差T1−T2が非常に小さな値となるから超
音波パルスの正確な伝播時間測定が必要不可欠な
なものとなつている。
ところでこのような超音波パルスの伝播時間を
測定する方法として、従来シングアラウンド法
（あるいはPLL法）およびパルス伝播時間差法等
が知られている。これらシングアラウンド法、パ
ルス伝播時間差法はいずれも超音波パルスの伝播
時間からT1，T2を個別に求めるものであるが以
下に述べるような欠点を持つている。
測定する方法として、従来シングアラウンド法
（あるいはPLL法）およびパルス伝播時間差法等
が知られている。これらシングアラウンド法、パ
ルス伝播時間差法はいずれも超音波パルスの伝播
時間からT1，T2を個別に求めるものであるが以
下に述べるような欠点を持つている。
（） 測定に使用する超音波がパルス状である
ことから、超音波パルスの伝播経路中に気泡や
ゴミ等があると超音波パルスが減衰し伝播時間
の測定に誤差が生じる。
ことから、超音波パルスの伝播経路中に気泡や
ゴミ等があると超音波パルスが減衰し伝播時間
の測定に誤差が生じる。
（） 超音波を発生する超音波振動子は電圧を
印加された場合においてもすぐには振動しない
から、このような超音波振動子により得られる
超音波パルスは第２図に示すようにそのエンベ
ロープａがゆるやかなものとなる。このため、
伝播時間測定時に比較レベルｌを設定し、超音
波パルスがこの比較レベルｌを越えた時間を測
定して伝播時間を計測しているが、このような
測定ではエンベロープ変化等により比較レベル
ｌを最初に越えるパルス（特定波）の振幅が変
化すると、測定誤差を生じる。
印加された場合においてもすぐには振動しない
から、このような超音波振動子により得られる
超音波パルスは第２図に示すようにそのエンベ
ロープａがゆるやかなものとなる。このため、
伝播時間測定時に比較レベルｌを設定し、超音
波パルスがこの比較レベルｌを越えた時間を測
定して伝播時間を計測しているが、このような
測定ではエンベロープ変化等により比較レベル
ｌを最初に越えるパルス（特定波）の振幅が変
化すると、測定誤差を生じる。
（） またこのようなエンベロープ変化等によ
る測定誤差を除くために比較レベルｌを低く設
定すると、ノイズ等の影響を受けやすくなるの
みならず、レベルｈを有する超音波パルスの音
響エネルギーも無駄になる。
る測定誤差を除くために比較レベルｌを低く設
定すると、ノイズ等の影響を受けやすくなるの
みならず、レベルｈを有する超音波パルスの音
響エネルギーも無駄になる。
（） また立上りの鋭い超音波パルスを用いて
エンベロープ変化等による測定誤差除くために
は超音波振動子に瞬間的に高電圧を印加する必
要があるが、このためには回路の設計を工夫す
る必要がある。さらにこの場合、回路が複雑に
なると共に回路素子に高電圧が印加されるから
回路素子の信頼性が低下し、かつ高い電圧を用
いることから防爆の点でも好ましいものではな
い。
エンベロープ変化等による測定誤差除くために
は超音波振動子に瞬間的に高電圧を印加する必
要があるが、このためには回路の設計を工夫す
る必要がある。さらにこの場合、回路が複雑に
なると共に回路素子に高電圧が印加されるから
回路素子の信頼性が低下し、かつ高い電圧を用
いることから防爆の点でも好ましいものではな
い。
一方、上述した測定方法と異なる測定法の１
つとして連続波を用いる位相差法も知られてい
るが、このような位相差法は以下に述べるよう
な欠点がある。
つとして連続波を用いる位相差法も知られてい
るが、このような位相差法は以下に述べるよう
な欠点がある。
（） 連続波を用いて伝播時間を測定している
から、前記(3)式に示す伝播時間差T1−T2を求
めるための搬送波が必要であり、かつこの搬送
波の周波数変動により測定誤差が生じる。
から、前記(3)式に示す伝播時間差T1−T2を求
めるための搬送波が必要であり、かつこの搬送
波の周波数変動により測定誤差が生じる。
（） さらに、前記(3)式にあるような超音波パ
ルスの伝播時間T1，T2を個々に求めることが
できない。
ルスの伝播時間T1，T2を個々に求めることが
できない。
この発明は上記の点に鑑み、前記（）〜
（）に示す欠点を除くことができると共に、超
音波パルスの伝播時間T1，T2を高い精度で求め
ることができる超音波流量計を提供するもので、
搬送信号を所定の変調信号で変調した被変調信号
で超音波送受波器の一方を駆動し、これにより得
られる超音波を超音波送受波器の他方で受信して
受信信号を得、この受信信号および前記変調信号
からこの変調信号の自己相関関数を求め、この自
己相関関数に基づいて流体の流速、流量を求める
ことを特徴としている。
（）に示す欠点を除くことができると共に、超
音波パルスの伝播時間T1，T2を高い精度で求め
ることができる超音波流量計を提供するもので、
搬送信号を所定の変調信号で変調した被変調信号
で超音波送受波器の一方を駆動し、これにより得
られる超音波を超音波送受波器の他方で受信して
受信信号を得、この受信信号および前記変調信号
からこの変調信号の自己相関関数を求め、この自
己相関関数に基づいて流体の流速、流量を求める
ことを特徴としている。
以下この発明の一実施例を図面にしたがつて説
明する。
明する。
第３図はこの発明による超音波流量計の第１実
施例を示すブロツク図である。この図において、
４は一定周波数の搬送信号を発生する発振器であ
り、この発振器４の出力（搬送信号Ｓ１）は変調
器５に供給される。変調器５は変調信号発生器１
７からの変調信号Ｓ２に基づいて前記搬送信号Ｓ
１を変調（例えば、FM変調）するものであり、
この変調器５の出力（駆動信号Ｓ３）は送信回路
６に供給される。送信回路６は前記駆動信号Ｓ３
を増幅するものであり、この増幅動作により得ら
れた駆動電圧をスイツチ７を介して一方の超音波
送受波器１ａに供給し、同超音波送受波器１ａか
ら超音波を送信させる。一方、超音波送受波器１
ｂにより受信された超音波は同超音波送受波器１
ｂにより対応する受信信号に変換された後に、ス
イツチ７を介して受信回路８に供給される。受信
回路８は前記受信信号を増幅するものであり、こ
の受信回路８の出力（信号Ｓ４）は復調器９に供
給される。復調器９は前記信号Ｓ４を復調するも
のであり、この復調器９の出力（復調信号Ｓ５）
は演算器１０に供給される。演算器１０は前記変
調信号Ｓ２と復調信号Ｓ５とを乗算し、この乗算
結果の平均値を求めて変調信号Ｓ２の自己相関関
数を求めるものであり、この演算器１０の演算結
果（流速）は出力端子１１から出力される。す
なわちここで、前記変調信号Ｓ２をφ（ｔ）とす
れば復調信号Ｓ５はφ（ｔ−τ）で表わされるか
ら、演算器１０で得られる自己相関関数Ψ（τ）
は、 Ψ（τ）＝ lim Ｔ→∞１／Ｔ∫T 0φ（ｔ）・φ（ｔ−τ）dt
……(4) となる。ここで、変調信号Ｓ２が、例えばクロツ
ク周期（疑似乱数を示すパラメータ）がt0、くり
返しを示す信号周期がＮであるＭ系列の信号であ
れば、演算器１０において得られる自己相関関数
Ψ（τ）は、時間差τが（ｋ・Ｎ−１）・t0τ
（ｋ・Ｎ＋１）・t0の範囲にある時に、 Ψ（τ）＝１−（１−１／Ｎ）・｜τ−ｋ・Ｎ・t0｜／
t0 ……(5) 但し、ｋは整数。
施例を示すブロツク図である。この図において、
４は一定周波数の搬送信号を発生する発振器であ
り、この発振器４の出力（搬送信号Ｓ１）は変調
器５に供給される。変調器５は変調信号発生器１
７からの変調信号Ｓ２に基づいて前記搬送信号Ｓ
１を変調（例えば、FM変調）するものであり、
この変調器５の出力（駆動信号Ｓ３）は送信回路
６に供給される。送信回路６は前記駆動信号Ｓ３
を増幅するものであり、この増幅動作により得ら
れた駆動電圧をスイツチ７を介して一方の超音波
送受波器１ａに供給し、同超音波送受波器１ａか
ら超音波を送信させる。一方、超音波送受波器１
ｂにより受信された超音波は同超音波送受波器１
ｂにより対応する受信信号に変換された後に、ス
イツチ７を介して受信回路８に供給される。受信
回路８は前記受信信号を増幅するものであり、こ
の受信回路８の出力（信号Ｓ４）は復調器９に供
給される。復調器９は前記信号Ｓ４を復調するも
のであり、この復調器９の出力（復調信号Ｓ５）
は演算器１０に供給される。演算器１０は前記変
調信号Ｓ２と復調信号Ｓ５とを乗算し、この乗算
結果の平均値を求めて変調信号Ｓ２の自己相関関
数を求めるものであり、この演算器１０の演算結
果（流速）は出力端子１１から出力される。す
なわちここで、前記変調信号Ｓ２をφ（ｔ）とす
れば復調信号Ｓ５はφ（ｔ−τ）で表わされるか
ら、演算器１０で得られる自己相関関数Ψ（τ）
は、 Ψ（τ）＝ lim Ｔ→∞１／Ｔ∫T 0φ（ｔ）・φ（ｔ−τ）dt
……(4) となる。ここで、変調信号Ｓ２が、例えばクロツ
ク周期（疑似乱数を示すパラメータ）がt0、くり
返しを示す信号周期がＮであるＭ系列の信号であ
れば、演算器１０において得られる自己相関関数
Ψ（τ）は、時間差τが（ｋ・Ｎ−１）・t0τ
（ｋ・Ｎ＋１）・t0の範囲にある時に、 Ψ（τ）＝１−（１−１／Ｎ）・｜τ−ｋ・Ｎ・t0｜／
t0 ……(5) 但し、ｋは整数。
となり、時時間差τが上記範囲外の時に、
Ψ（τ）＝−１／Ｎ ……(6)
となる。したがつて、このように変調信号Ｓ２を
選べば、この変調信号Ｓ２の自己相関関数Ψ（τ）
は第４図に示すような特性を示す。すなわちここ
で、クロツク周期t0、信号周期Ｎを、 （Ｎ−１）t0＜T1＜Nt0 ……(7) なる式を満すように選べば、測定によつて得られ
た自己相関関数Ψ（τ）の値および前記(5)式から
一方の超音波伝播時間T1を求めることができる。
選べば、この変調信号Ｓ２の自己相関関数Ψ（τ）
は第４図に示すような特性を示す。すなわちここ
で、クロツク周期t0、信号周期Ｎを、 （Ｎ−１）t0＜T1＜Nt0 ……(7) なる式を満すように選べば、測定によつて得られ
た自己相関関数Ψ（τ）の値および前記(5)式から
一方の超音波伝播時間T1を求めることができる。
さらにこの例では、超音波伝播時間T1が前記
(7)式で示す範囲にあれば、(5)式から明らかなよう
にこの時の自己相関関数Ψ（T1）は変数Nt0−T1
に対し直線的に変化するから、自己相関関数Ψ
（T1）が求まれば、この自己相関関数Ψ（T1）か
ら超音波伝播時間T1を容易に求めることができ
る。また、自己相関関数Ψ（τ）は時間差τが０
〜（Ｎ−１）t0の範囲にある時にその値が−１／Ｎ と一定であり、（Ｎ−１）t0〜Nt0の範囲にある時
に大きな利得を持つ。このように、自己相関関数
Ψ（T1）は（Ｎ−１）t0のオフセツトを持つてい
るから、時間測定の精度を高めることができ、超
音波伝播時間T1を高い精度で求めることができ
る。またスイツチ７を切換えれば、上述した超音
波伝播時間T1と同様にして逆方向の超音波伝播
時間T2を求めることができる。
(7)式で示す範囲にあれば、(5)式から明らかなよう
にこの時の自己相関関数Ψ（T1）は変数Nt0−T1
に対し直線的に変化するから、自己相関関数Ψ
（T1）が求まれば、この自己相関関数Ψ（T1）か
ら超音波伝播時間T1を容易に求めることができ
る。また、自己相関関数Ψ（τ）は時間差τが０
〜（Ｎ−１）t0の範囲にある時にその値が−１／Ｎ と一定であり、（Ｎ−１）t0〜Nt0の範囲にある時
に大きな利得を持つ。このように、自己相関関数
Ψ（T1）は（Ｎ−１）t0のオフセツトを持つてい
るから、時間測定の精度を高めることができ、超
音波伝播時間T1を高い精度で求めることができ
る。またスイツチ７を切換えれば、上述した超音
波伝播時間T1と同様にして逆方向の超音波伝播
時間T2を求めることができる。
次に、具体的な数値を用いてこの発明による超
音波流量計における積分期間Ｔについて考察す
る。まずこの発明においては、前記(4)式に示すよ
うに積分期間Ｔを無限大とすることにより変調信
号Ｓ２の自己相関関数を求めるようになつている
が、実際の積分は有限区間（有限期間）T0で行
なわれるからこの場合の自己相関関数Ψ′（τ）は
真値Ψ（τ）に対して誤差を持つものとなる。
音波流量計における積分期間Ｔについて考察す
る。まずこの発明においては、前記(4)式に示すよ
うに積分期間Ｔを無限大とすることにより変調信
号Ｓ２の自己相関関数を求めるようになつている
が、実際の積分は有限区間（有限期間）T0で行
なわれるからこの場合の自己相関関数Ψ′（τ）は
真値Ψ（τ）に対して誤差を持つものとなる。
以下この誤差と積分期間T0との関係について
述べる。
述べる。
まず、自己相関関数Ψ′（τ）の期待値Ｅ
〔Ψ′（τ）〕は、 Ｅ〔Ψ′（τ）〕T0−t0／T0・Ψ（τ） ……(8) なる式で与えられ、かつこの時の分散Var
〔Ψ′（τ）〕は、 Var〔Ψ′（τ）〕１／T0∫Nt0 0Ψ2（τ）dτ 2N2＋5N−４／3N2・t0／T0 ……(9) なる式で与えられる。したがつてここで、 ｜Ψ（τ）−Ｅ〔Ψ′（τ）〕｜，√〔′（
）〕＜
７×10-4／２とすれば、前記(8)式からt0／T0＜3.5× 10-4が得られ、前記(9)式からt0／T0＜８×10-8が
得られる。したがつて積分期間T0は、 T0＞t0／８×10-8 ……(10) となり、特に信号周期ＮがＮ＝127の場合は、 T0＞105・Tc ……(11) 但し、Tcは超音波伝播時間 となる。したがつてここで、管路２（第１図参
照）の管径をＤ＝25mmとすれば積分期間T0は、 T0＞1.8（SEC） ……(12) となる。この(12)Ｃ式から明らかなように積分期間
T0は十分小さく実用的な値である。
〔Ψ′（τ）〕は、 Ｅ〔Ψ′（τ）〕T0−t0／T0・Ψ（τ） ……(8) なる式で与えられ、かつこの時の分散Var
〔Ψ′（τ）〕は、 Var〔Ψ′（τ）〕１／T0∫Nt0 0Ψ2（τ）dτ 2N2＋5N−４／3N2・t0／T0 ……(9) なる式で与えられる。したがつてここで、 ｜Ψ（τ）−Ｅ〔Ψ′（τ）〕｜，√〔′（
）〕＜
７×10-4／２とすれば、前記(8)式からt0／T0＜3.5× 10-4が得られ、前記(9)式からt0／T0＜８×10-8が
得られる。したがつて積分期間T0は、 T0＞t0／８×10-8 ……(10) となり、特に信号周期ＮがＮ＝127の場合は、 T0＞105・Tc ……(11) 但し、Tcは超音波伝播時間 となる。したがつてここで、管路２（第１図参
照）の管径をＤ＝25mmとすれば積分期間T0は、 T0＞1.8（SEC） ……(12) となる。この(12)Ｃ式から明らかなように積分期間
T0は十分小さく実用的な値である。
次に、具体的な数値を用いてこの発明による超
音波流量計で必要な分解能と従来の超音波流量計
で必要な分解能との差異について考案する。まず
従来の超音波流量計で必要とされる分解能につい
て述べる。従来の超音波流量計における超音波伝
播時間Tcは、前記(1)式および(2)式から Tc≒Ｄ／Ｃ・cosθ ……（13） 但し、Ｖ／Ｃ≪１ となる。また前記(3)式において、T2−T1＝δTと
おけば、 δT＝sin2θ／Ｄ・Ｖ・T1・T2 ≒sin2θ／Ｄ・Ｖ・T2 c ……（14） が得られる。したがつて、超音波伝播時間T1，
T2を直接求める場合に必要な分解能δT／Tcは、 δT／Tc2V／Ｃ・sinθ ……（15） となる。ここで超音波の入射角θを22゜、流体３
中の音速Ｃを1450ｍ／ｓ、流体３の流速Ｖを１cm
とすれば（15）式に示す分解能δT／Tcは、 δT／Tc５×10-6 ……（16） となる。
音波流量計で必要な分解能と従来の超音波流量計
で必要な分解能との差異について考案する。まず
従来の超音波流量計で必要とされる分解能につい
て述べる。従来の超音波流量計における超音波伝
播時間Tcは、前記(1)式および(2)式から Tc≒Ｄ／Ｃ・cosθ ……（13） 但し、Ｖ／Ｃ≪１ となる。また前記(3)式において、T2−T1＝δTと
おけば、 δT＝sin2θ／Ｄ・Ｖ・T1・T2 ≒sin2θ／Ｄ・Ｖ・T2 c ……（14） が得られる。したがつて、超音波伝播時間T1，
T2を直接求める場合に必要な分解能δT／Tcは、 δT／Tc2V／Ｃ・sinθ ……（15） となる。ここで超音波の入射角θを22゜、流体３
中の音速Ｃを1450ｍ／ｓ、流体３の流速Ｖを１cm
とすれば（15）式に示す分解能δT／Tcは、 δT／Tc５×10-6 ……（16） となる。
一方、この発明による超音波流量計において
は、超音波伝播時間Tcは、 TcNt0 ……（17） で与えられる。したがつて、この（17）式および
前記（13）式、（14）式から超音波伝播時間T1，
T2を求める場合に必要な分解能δT／t0は、 δT／t02N・Ｖ／Ｃ・sinθ ……（18） となる。すなわち、この超音波流量計において
は、信号周期Ｎの分だけ必要な分解能を低くする
ことができる。例えば、信号周期ＮをＮ＝127と
すると、この時の分解能δT／t0は、 δT／t0７×10-4 ……（19） となる。
は、超音波伝播時間Tcは、 TcNt0 ……（17） で与えられる。したがつて、この（17）式および
前記（13）式、（14）式から超音波伝播時間T1，
T2を求める場合に必要な分解能δT／t0は、 δT／t02N・Ｖ／Ｃ・sinθ ……（18） となる。すなわち、この超音波流量計において
は、信号周期Ｎの分だけ必要な分解能を低くする
ことができる。例えば、信号周期ＮをＮ＝127と
すると、この時の分解能δT／t0は、 δT／t0７×10-4 ……（19） となる。
このように、この超音波流量計においては、タ
イムベース（クロツク周期）t0を必要な精度まで
分解すれば、比較的容易に必要精度で超音波伝播
時間T1，T2を求めることができる。
イムベース（クロツク周期）t0を必要な精度まで
分解すれば、比較的容易に必要精度で超音波伝播
時間T1，T2を求めることができる。
なおこの実施例においては伝播時間T1が（Ｎ
−１）t0＜T1＜Ｎ・t0となるように、すなわちこ
の伝播時間T1が変調信号Ｓ２の周期と一致する
ようにクロツク周期t0、信号周期Ｎの各値を設定
しているが、この伝播時間T1がNt0の任意の整数
倍付近にくるようにクロツク周期t0、信号周期Ｎ
の各値を設定しても良い。
−１）t0＜T1＜Ｎ・t0となるように、すなわちこ
の伝播時間T1が変調信号Ｓ２の周期と一致する
ようにクロツク周期t0、信号周期Ｎの各値を設定
しているが、この伝播時間T1がNt0の任意の整数
倍付近にくるようにクロツク周期t0、信号周期Ｎ
の各値を設定しても良い。
第５図はこの発明による超音波流量計の第２実
施例を示すブロツク図である。この図において、
１２は発振器４により得られた搬送信号Ｓ１を変
調する変調器であり、この変調器１２は端子１３
を介して供給される変調信号Ｓ２ａに基づいて搬
送信号Ｓ１をFM変調し、これにより得られた駆
動信号Ｓ３ａ（この駆動信号Ｓ３ａは周波数high
の信号と周波数LOWの信号とが交互に組合わされ
たものである）を混変調回路１４に供給すると共
に、送信回路６、スイツチ７を順次介して一方の
超音波送受波器１ａに供給し、同超音波送受波器
１ａから超音波を送信させる。一方、超音波流送
受波器１ｂにより受信された超音波はここで対応
する受信信号に変換された後に、スイツチ７、受
信回路８を順次介して混変調回路１４に供給され
る。混変調回路１４は前記駆動信号Ｓ３ａと、前
記受信回路８を介して供給される信号Ｓ４ａとを
混合するものであり、混合によつて得られたビー
ト信号Ｓ６をカウンタ１５に供給する。ここで前
記駆動信号Ｓ３ａが例えば第６図イに示すもので
あり、かつ信号Ｓ４ａが同図ロに示すものであれ
ば、このビート信号Ｓ６の周波数は、駆動信号Ｓ
３ａの周波数と信号Ｓ４ａの周波数とが同じ時に
零、また異なる時にはhigh−LOWとなるから、カ
ウンタ１５に供給されるビート信号Ｓ６は第６図
ハに示すものとなる。すなわち、カウンタ１５に
はこれら駆動信号Ｓ３ａと信号Ｓ４ａとの位相差
（超音波伝播時間）T1および駆動信号Ｓ３の周波
数差high−LOWに比例したパルス列のビート信号
Ｓ６が供給される。したがつて、カウンタ１５の
計数結果は１−Ψ（T1）に比例するものとなり、
このカウンタ１５の計数結果は演算器１０ａに供
給される。演算器１０ａは前記計数結果から超音
波伝播時間T1を求めると共に、この超音波伝播
時間T1とスイツチ７を切換えて得られる超音波
伝播時間T2とから流速Ｖを求めるものである。
施例を示すブロツク図である。この図において、
１２は発振器４により得られた搬送信号Ｓ１を変
調する変調器であり、この変調器１２は端子１３
を介して供給される変調信号Ｓ２ａに基づいて搬
送信号Ｓ１をFM変調し、これにより得られた駆
動信号Ｓ３ａ（この駆動信号Ｓ３ａは周波数high
の信号と周波数LOWの信号とが交互に組合わされ
たものである）を混変調回路１４に供給すると共
に、送信回路６、スイツチ７を順次介して一方の
超音波送受波器１ａに供給し、同超音波送受波器
１ａから超音波を送信させる。一方、超音波流送
受波器１ｂにより受信された超音波はここで対応
する受信信号に変換された後に、スイツチ７、受
信回路８を順次介して混変調回路１４に供給され
る。混変調回路１４は前記駆動信号Ｓ３ａと、前
記受信回路８を介して供給される信号Ｓ４ａとを
混合するものであり、混合によつて得られたビー
ト信号Ｓ６をカウンタ１５に供給する。ここで前
記駆動信号Ｓ３ａが例えば第６図イに示すもので
あり、かつ信号Ｓ４ａが同図ロに示すものであれ
ば、このビート信号Ｓ６の周波数は、駆動信号Ｓ
３ａの周波数と信号Ｓ４ａの周波数とが同じ時に
零、また異なる時にはhigh−LOWとなるから、カ
ウンタ１５に供給されるビート信号Ｓ６は第６図
ハに示すものとなる。すなわち、カウンタ１５に
はこれら駆動信号Ｓ３ａと信号Ｓ４ａとの位相差
（超音波伝播時間）T1および駆動信号Ｓ３の周波
数差high−LOWに比例したパルス列のビート信号
Ｓ６が供給される。したがつて、カウンタ１５の
計数結果は１−Ψ（T1）に比例するものとなり、
このカウンタ１５の計数結果は演算器１０ａに供
給される。演算器１０ａは前記計数結果から超音
波伝播時間T1を求めると共に、この超音波伝播
時間T1とスイツチ７を切換えて得られる超音波
伝播時間T2とから流速Ｖを求めるものである。
このように、２つの周波数high，LOWを用いた
場合においても、カウンタ１５の計数結果から等
価的に自己相関関数Ψ（τ）を求めることができ
る。またこの場合、混変調回路１４に代えて周波
数比較器を用い、この周波数比較器の出力を積分
しても同様の測定結果が得られる。
場合においても、カウンタ１５の計数結果から等
価的に自己相関関数Ψ（τ）を求めることができ
る。またこの場合、混変調回路１４に代えて周波
数比較器を用い、この周波数比較器の出力を積分
しても同様の測定結果が得られる。
第７図はこの発明による超音波流量計の第３実
施例を示すブロツク図である。なおこの図におい
て、第３図の各部と対応する部分には同一の符号
が付してある。この図において、１６は回路校正
用のスイツチであり、このスイツチ１６は所定の
時間間隔毎にあるいは任意のタイミングで、その
共通接点１６ａと接点１６ｂとが接続される。こ
れにより、このスイツチ１６を介して変調信号Ｓ
２が演算器１０に供給され、この演算器１０にお
いてこの時の自己相関関数Ψ（Ｏ）が求められる。
ここで、この変調信号Ｓ２が、例えば前述したＭ
系列信号である場合には自己相関関数Ψ（Ｏ）は
Ψ（Ｏ）＝１となるから、このΨ（Ｏ）＝１を用いて
演算器１０を構成している自己相関関数演算回路
や積分回路等を較正することができる。
施例を示すブロツク図である。なおこの図におい
て、第３図の各部と対応する部分には同一の符号
が付してある。この図において、１６は回路校正
用のスイツチであり、このスイツチ１６は所定の
時間間隔毎にあるいは任意のタイミングで、その
共通接点１６ａと接点１６ｂとが接続される。こ
れにより、このスイツチ１６を介して変調信号Ｓ
２が演算器１０に供給され、この演算器１０にお
いてこの時の自己相関関数Ψ（Ｏ）が求められる。
ここで、この変調信号Ｓ２が、例えば前述したＭ
系列信号である場合には自己相関関数Ψ（Ｏ）は
Ψ（Ｏ）＝１となるから、このΨ（Ｏ）＝１を用いて
演算器１０を構成している自己相関関数演算回路
や積分回路等を較正することができる。
第８図はこの発明による超音波流量計の第４実
施例を示すブロツク図であり、この図において第
５図の各部と対応する部分には同一の符号が付し
てある。この図に示すように、この超音波流量計
においては、スイツチ１８を切換えれば、混変調
回路１３〜演算器１０ａを較正することができ
る。
施例を示すブロツク図であり、この図において第
５図の各部と対応する部分には同一の符号が付し
てある。この図に示すように、この超音波流量計
においては、スイツチ１８を切換えれば、混変調
回路１３〜演算器１０ａを較正することができ
る。
また上述した第１〜第４の実施例においては、
変調信号としてＭ系列の信号を用いているが、こ
れを例えば平均剰余系列（Ｌ系列）、双子素数列、
バーガー系列、Ｉ系列等の周期的な擬似ランダム
信号あるいは正弦波信号にしても良い。なおこの
場合においても、これらの変調信号は全てその自
己相関関数が周期的に鋭いピークを持つから前述
した場合と同様、時間測定にオフセツトをかける
ことができる。
変調信号としてＭ系列の信号を用いているが、こ
れを例えば平均剰余系列（Ｌ系列）、双子素数列、
バーガー系列、Ｉ系列等の周期的な擬似ランダム
信号あるいは正弦波信号にしても良い。なおこの
場合においても、これらの変調信号は全てその自
己相関関数が周期的に鋭いピークを持つから前述
した場合と同様、時間測定にオフセツトをかける
ことができる。
以上説明したようにこの発明による超音波流量
計は、搬送信号を所定の変調信号で変調して得ら
れる被変調信号で前記超音波送受波器の一方を駆
動し、これにより得られる超音波を前記超音波送
受波器の他方で受信させ、これにより得られる受
信信号および前記変調信号からこの変調信号の自
己相関関数を求め、この自己相関関数に基づいて
流体の流量を求めるようにしたので、以下に述べ
るような効果を得ることができる。
計は、搬送信号を所定の変調信号で変調して得ら
れる被変調信号で前記超音波送受波器の一方を駆
動し、これにより得られる超音波を前記超音波送
受波器の他方で受信させ、これにより得られる受
信信号および前記変調信号からこの変調信号の自
己相関関数を求め、この自己相関関数に基づいて
流体の流量を求めるようにしたので、以下に述べ
るような効果を得ることができる。
（） 超音波送受波器をも含めた回路内の信号
が連続波であることからAGC（オートゲインコ
ントロール）がかけ易く、流体内の減衰の影響
を受けにくい。
が連続波であることからAGC（オートゲインコ
ントロール）がかけ易く、流体内の減衰の影響
を受けにくい。
（），（） 変調としてFM変調等を用いれば
超音波振動子の立上り遅れ等に起因する検出ミ
スをなくすことができる。
超音波振動子の立上り遅れ等に起因する検出ミ
スをなくすことができる。
（） 回路内の信号が連続波であるから超音波
振動子の駆動電圧を低くしても大きな音響パワ
ーが得られると共に、送信回路も簡単になり、
回路の信頼性を向上させることができる。さら
にこの場合、低電圧であることから、防爆の点
でも有利である。
振動子の駆動電圧を低くしても大きな音響パワ
ーが得られると共に、送信回路も簡単になり、
回路の信頼性を向上させることができる。さら
にこの場合、低電圧であることから、防爆の点
でも有利である。
（） 超音波送受波器を駆動する搬送信号の周
波数が変動した場合においても測定値が変化し
ないから、搬送信号を発生する発振器を簡素化
することができる。なおこの場合、変調信号の
クロツク周期t0は測定精度に直接影響するか
ら、このクロツク周期t0を安定させる必要があ
るが、この場合水晶振動子等を用いれば良い。
波数が変動した場合においても測定値が変化し
ないから、搬送信号を発生する発振器を簡素化
することができる。なおこの場合、変調信号の
クロツク周期t0は測定精度に直接影響するか
ら、このクロツク周期t0を安定させる必要があ
るが、この場合水晶振動子等を用いれば良い。
（） 超音波伝播時間T1，T2を各々個別に求
めることができる。
めることができる。
第１図は、一般的な超音波流量計の基本構成例
を示す図、第２図は第１図を説明するための波形
図、第３図はこの発明による超音波流量計の第１
実施例を示すブロツク図、第４図は第５図を説明
するための特性図、第５図はこの発明による超音
波流量計の第２実施例を示すブロツク図、第６図
は第５図を説明するための波形図、第７図はこの
発明による超音波流量計の第３実施例を示すブロ
ツク図、第８図はこの発明による超音波流量計の
第４実施例を示すブロツク図である。 １ａ，１ｂ……超音波送受波器、２……管路、
３……流体、５，５ａ……変調器、９……復調
器、１０，１０ａ……演算器、１４……混変調回
路、１５……カウンタ。
を示す図、第２図は第１図を説明するための波形
図、第３図はこの発明による超音波流量計の第１
実施例を示すブロツク図、第４図は第５図を説明
するための特性図、第５図はこの発明による超音
波流量計の第２実施例を示すブロツク図、第６図
は第５図を説明するための波形図、第７図はこの
発明による超音波流量計の第３実施例を示すブロ
ツク図、第８図はこの発明による超音波流量計の
第４実施例を示すブロツク図である。 １ａ，１ｂ……超音波送受波器、２……管路、
３……流体、５，５ａ……変調器、９……復調
器、１０，１０ａ……演算器、１４……混変調回
路、１５……カウンタ。
Claims (1)
- １ 管路に対して斜めに対向配置された超音波送
受波器間で送受信される超音波の伝播時間から前
記管路内を流れる流体の流速、流量を求める超音
波流量計において、搬送信号を所定の変調信号で
変調した被変調信号で前記超音波送受波器の一方
を駆動し、これにより得られる超音波を前記超音
波送受波器の他方で受信して受信信号を得、この
受信信号および前記変調信号からこの変調信号の
自己相関関数を求め、この自己相関関数に基づい
て前記流体の流速、流量を求めることを特徴とす
る超音波流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11640282A JPS597217A (ja) | 1982-07-05 | 1982-07-05 | 超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11640282A JPS597217A (ja) | 1982-07-05 | 1982-07-05 | 超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS597217A JPS597217A (ja) | 1984-01-14 |
| JPH032247B2 true JPH032247B2 (ja) | 1991-01-14 |
Family
ID=14686153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11640282A Granted JPS597217A (ja) | 1982-07-05 | 1982-07-05 | 超音波流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS597217A (ja) |
-
1982
- 1982-07-05 JP JP11640282A patent/JPS597217A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS597217A (ja) | 1984-01-14 |
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