JPH039405B2 - - Google Patents
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- JPH039405B2 JPH039405B2 JP56031358A JP3135881A JPH039405B2 JP H039405 B2 JPH039405 B2 JP H039405B2 JP 56031358 A JP56031358 A JP 56031358A JP 3135881 A JP3135881 A JP 3135881A JP H039405 B2 JPH039405 B2 JP H039405B2
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- ultrasonic
- fluid
- doppler shift
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
-
- 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
- G01F1/663—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 by measuring Doppler frequency shift
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明はドツプラー効果を利用した超音波ドツ
プラー流量計に係り、特にドツプラーシフト周波
数を検出して流体の速度又は流量を求める超音波
ドツプラー流量計に関する。
プラー流量計に係り、特にドツプラーシフト周波
数を検出して流体の速度又は流量を求める超音波
ドツプラー流量計に関する。
第１図にドツプラー流量計の原理を示す。一定
の送信周波数f0の信号を出力する送信部１は送信
用の超音波振動子３を駆動し、そこで周波数f0の
音波に変換し、導管４中の被測定流体５に向けて
照射する。被測定流体５中に含まれる散乱体６は
音波を散乱するが、その一部は受信用の超音波振
動子３に到達し、そこで電気信号に変換された後
受信部２で増幅される。
の送信周波数f0の信号を出力する送信部１は送信
用の超音波振動子３を駆動し、そこで周波数f0の
音波に変換し、導管４中の被測定流体５に向けて
照射する。被測定流体５中に含まれる散乱体６は
音波を散乱するが、その一部は受信用の超音波振
動子３に到達し、そこで電気信号に変換された後
受信部２で増幅される。
この時受信部２の出力に得られる信号の周波数
をｆとすれば、ｆは散乱体の移動速度ｖによつて
ドツプラーシフトと呼ばれる周波数変調を受けて
f0よりずれる。その変化分をΔfとすれば、それは
次式で表される。
をｆとすれば、ｆは散乱体の移動速度ｖによつて
ドツプラーシフトと呼ばれる周波数変調を受けて
f0よりずれる。その変化分をΔfとすれば、それは
次式で表される。
Δf＝２ｖ／ｃf0cosθ …(1)
ここに
Δf：ドツプラーシフト周波数
Δf＝ｆ−f0 …(2)
ｆ：受信周波数
f0：送信周波数
ｖ：散乱体移動速度
ｃ：流体中の音速
θ：音波の伝播方向と散乱体の移動方向とのな
す角度 一般に散乱体の移動速度と流体の速度とは等し
いと考えることができるので、ドツプラーシフト
周波数Δfと流体の速度との間には比例関係が成
立し、その比例定数は幾可学的条件および物理的
性質から決定できる。従つてドツプラーシフト周
波数を測定することによつて流体の速度を測定で
きる。また流体水路の形状、寸法が与えられて断
面積Ｓが求まれば、次式から流量Ｑが得られ、流
量計となる。
す角度 一般に散乱体の移動速度と流体の速度とは等し
いと考えることができるので、ドツプラーシフト
周波数Δfと流体の速度との間には比例関係が成
立し、その比例定数は幾可学的条件および物理的
性質から決定できる。従つてドツプラーシフト周
波数を測定することによつて流体の速度を測定で
きる。また流体水路の形状、寸法が与えられて断
面積Ｓが求まれば、次式から流量Ｑが得られ、流
量計となる。
Ｑ＝ｖ・Ｓ …(3)
これがドツプラー流量計の測定原理である。
第２図に従来のドツプラー流量計の信号処理部
の構成を示す。受信用の超音波振動子３で得られ
た受信信号には散乱体からの信号（周波数ｆ）
と、送信用の超音波振動子３から管壁を伝つてく
る信号（周波数f0）とがいつしよに入り、ドツプ
ラーシフト周波数fdでビートを起す。それらは高
周波増幅部７で増幅された後検波回路８で検波さ
れ、その出力がローパスフイルタ９に入り、ドツ
プラーシフト周波数fd成分のみが取り出される。
ローパスフイルタ９で取り出した低周波成分は低
周波増幅部１０で増幅された後ゼロクロスコンパ
レータ１１に入り周波数に変換される。ここで得
られる周波数信号がドツプラーシフト周波数に相
当する。
の構成を示す。受信用の超音波振動子３で得られ
た受信信号には散乱体からの信号（周波数ｆ）
と、送信用の超音波振動子３から管壁を伝つてく
る信号（周波数f0）とがいつしよに入り、ドツプ
ラーシフト周波数fdでビートを起す。それらは高
周波増幅部７で増幅された後検波回路８で検波さ
れ、その出力がローパスフイルタ９に入り、ドツ
プラーシフト周波数fd成分のみが取り出される。
ローパスフイルタ９で取り出した低周波成分は低
周波増幅部１０で増幅された後ゼロクロスコンパ
レータ１１に入り周波数に変換される。ここで得
られる周波数信号がドツプラーシフト周波数に相
当する。
ドツプラーシフト周波数はＦ／Ｖコンバータ１
２によつて流速に比例した電圧信号に変換された
後、断面積係数補正部１３で断面積補正係数を掛
けて流量に変換し、流量出力信号１４が得られ
る。
２によつて流速に比例した電圧信号に変換された
後、断面積係数補正部１３で断面積補正係数を掛
けて流量に変換し、流量出力信号１４が得られ
る。
以上の説明では受信部２の入力信号に既に送信
信号と受信信号の音響的な混信によるビートが生
じるものとして説明したが、このような音響的な
混信をできるだけなくし、受信用の超音波振動子
３には散乱体からの信号のみが入るようにして、
その代り送信部からの電気信号の一部と受信信号
とをミキサ回路によつて電気的に混合し、ドツプ
ラーシフト周波数に相当するビート周波数を取り
出す方法もあるが、基本的には同じである。また
送信と受信の超音波振動子３を、導管４の中心軸
に対して等しい角度θで対向して設置する方法の
他に、第３図のようなクサビ材の上に、送信用お
よび受信用の超音波振動子を並列に設置する検出
器を持つ、クランプオン形の方式も考えられる。
この種類の検出器においても、上記のような回路
構成で導管内の流体の流量を測定することが可能
である。いずれの場合でも、受信信号はいろいろ
な周波数や強度の受信信号を含んでいることに加
えて、雑音もかなり重畳しており、最終的にドツ
プラーシフト周波数を検出するゼロクロスコンパ
レータの部分には、信号と雑音を弁別する為にヒ
ステリシスを持たせてあり、多くの場合、そのヒ
ステリシス幅はあらかじめ定められた固定のもの
であるか、検出器を設置する時に調整され、以後
固定であるものが多い。しかし、そのような場
合、測定流体中の散乱体の濃度が著しく変化した
り、送、受信の超音波振動子の特性の劣化あるい
は、高周波増幅部のゲインの経時的な変化など、
またクランプオン形の場合は、検出器の設置当初
の位置から、検出器がずれる等の原因で、固定の
ヒステリシス幅に対して受信信号の大きさが変化
してしまうような時には、受信信号が、ヒステリ
シス幅よりも小さくなつてしまい、見かけ上ドツ
プラーシフト周波数が検出できなくなるような場
合もある。この場合、流量計としての指示は、大
きく誤差を含むことになり、都合の悪いことにな
る。
信号と受信信号の音響的な混信によるビートが生
じるものとして説明したが、このような音響的な
混信をできるだけなくし、受信用の超音波振動子
３には散乱体からの信号のみが入るようにして、
その代り送信部からの電気信号の一部と受信信号
とをミキサ回路によつて電気的に混合し、ドツプ
ラーシフト周波数に相当するビート周波数を取り
出す方法もあるが、基本的には同じである。また
送信と受信の超音波振動子３を、導管４の中心軸
に対して等しい角度θで対向して設置する方法の
他に、第３図のようなクサビ材の上に、送信用お
よび受信用の超音波振動子を並列に設置する検出
器を持つ、クランプオン形の方式も考えられる。
この種類の検出器においても、上記のような回路
構成で導管内の流体の流量を測定することが可能
である。いずれの場合でも、受信信号はいろいろ
な周波数や強度の受信信号を含んでいることに加
えて、雑音もかなり重畳しており、最終的にドツ
プラーシフト周波数を検出するゼロクロスコンパ
レータの部分には、信号と雑音を弁別する為にヒ
ステリシスを持たせてあり、多くの場合、そのヒ
ステリシス幅はあらかじめ定められた固定のもの
であるか、検出器を設置する時に調整され、以後
固定であるものが多い。しかし、そのような場
合、測定流体中の散乱体の濃度が著しく変化した
り、送、受信の超音波振動子の特性の劣化あるい
は、高周波増幅部のゲインの経時的な変化など、
またクランプオン形の場合は、検出器の設置当初
の位置から、検出器がずれる等の原因で、固定の
ヒステリシス幅に対して受信信号の大きさが変化
してしまうような時には、受信信号が、ヒステリ
シス幅よりも小さくなつてしまい、見かけ上ドツ
プラーシフト周波数が検出できなくなるような場
合もある。この場合、流量計としての指示は、大
きく誤差を含むことになり、都合の悪いことにな
る。
本発明の目的は、ゼロクロスコンパレータのヒ
ステリシス幅に対する受信信号の大きさが変化す
るような場合でも、安定に、精度よく流量を測定
する超音波ドツプラー流量計を提供することにあ
る。
ステリシス幅に対する受信信号の大きさが変化す
るような場合でも、安定に、精度よく流量を測定
する超音波ドツプラー流量計を提供することにあ
る。
本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
まず第３図は検出器の取付構造であり、３，３′
は超音波振動子、１５は超音波振動子を支持する
クサビ材、１６，１７はそれぞれ超音波送信用、
受信用のケーブルである。さらに第４図は本発明
の一実施例である超音波ドツプラー流量計の構成
図である。１は超音波の送信部、４は導管、５は
被測定流体であり、６はその中に含まれる散乱体
であり、矢印方向に、速度ｖで運動している。１
８は全波整流回路、１９は平均値回路、２０はレ
ベルコンパレータである。
まず第３図は検出器の取付構造であり、３，３′
は超音波振動子、１５は超音波振動子を支持する
クサビ材、１６，１７はそれぞれ超音波送信用、
受信用のケーブルである。さらに第４図は本発明
の一実施例である超音波ドツプラー流量計の構成
図である。１は超音波の送信部、４は導管、５は
被測定流体であり、６はその中に含まれる散乱体
であり、矢印方向に、速度ｖで運動している。１
８は全波整流回路、１９は平均値回路、２０はレ
ベルコンパレータである。
次にこの実施例の動作を説明する。超音波送信
部１よりの信号によつて送信用の超音波振動子３
が励振され、被測定流体５中へ超音波が伝達され
る。被測定流体５と同じ速度ｖを持つ散乱体６に
よつて反射される超音波は受信用の超音波振動子
３′によつて受信されるが、同時に管壁をつたわ
つて受信用の超音波振動子３′に入つてくる送信
信号との間で、ドツプラーシフト周波数でビート
を起こす。このビートをおこした超音波受信信号
は、高周波増幅部７によつて増幅され、検波回路
８によつて、その包絡線を検波した後ローパスフ
イルタ９によつてドツプラーシフト周波数を含む
成分だけが取り出される。
部１よりの信号によつて送信用の超音波振動子３
が励振され、被測定流体５中へ超音波が伝達され
る。被測定流体５と同じ速度ｖを持つ散乱体６に
よつて反射される超音波は受信用の超音波振動子
３′によつて受信されるが、同時に管壁をつたわ
つて受信用の超音波振動子３′に入つてくる送信
信号との間で、ドツプラーシフト周波数でビート
を起こす。このビートをおこした超音波受信信号
は、高周波増幅部７によつて増幅され、検波回路
８によつて、その包絡線を検波した後ローパスフ
イルタ９によつてドツプラーシフト周波数を含む
成分だけが取り出される。
このドツプラーシフト周波数を含む成分は、低
周波増幅部１０によつて増幅され、その出力は、
全波整流回路１８へ入力されるものと、レベルコ
ンパレータ２０へ入力されるものとの２つに別れ
る。全波整流回路１８の出力は、平均値回路１９
によつて平均値に比例した値に変換される。すな
わち、受信信号の大きさによつて変化する直流レ
ベルが得られたことになる。また、この平均値
は、レベルコンパレータ２０の基準入力となり、
低周波増幅部１０の出力と平均値回路１９の出力
との間で比較を行い、ドツプラーシフト周波数を
検出する。そのあとは、Ｆ／Ｖ変換器１２、断面
積係数補正部１３をへて流量出力１４を得ること
ができる。レベルコンパレータ２０の比較電圧と
なる平均値回路１９の出力は、そのままレベルコ
ンパレータ２０の比較電圧とするのでなく、抵抗
で分圧してもよい。
周波増幅部１０によつて増幅され、その出力は、
全波整流回路１８へ入力されるものと、レベルコ
ンパレータ２０へ入力されるものとの２つに別れ
る。全波整流回路１８の出力は、平均値回路１９
によつて平均値に比例した値に変換される。すな
わち、受信信号の大きさによつて変化する直流レ
ベルが得られたことになる。また、この平均値
は、レベルコンパレータ２０の基準入力となり、
低周波増幅部１０の出力と平均値回路１９の出力
との間で比較を行い、ドツプラーシフト周波数を
検出する。そのあとは、Ｆ／Ｖ変換器１２、断面
積係数補正部１３をへて流量出力１４を得ること
ができる。レベルコンパレータ２０の比較電圧と
なる平均値回路１９の出力は、そのままレベルコ
ンパレータ２０の比較電圧とするのでなく、抵抗
で分圧してもよい。
以上のように、本実施例によれば、レベルコン
パレータ２０の比較電圧は、常に低周波増幅部１
０の出力に追従しているので、散乱体６の濃度の
極端な変化、超音波振動子３の特性の劣化、高周
波増幅部７のゲインの低下などで、受信信号、あ
るいは増幅されたあとの受信信号の大きさが変化
することがあつても、常に正確なドツプラーシフ
ト周波数の検出が行えるという効果がある。ま
た、クランプオン形の超音波ドツプラー流量計に
おいての取りつけ時の調整がいらず、容易に取り
つけられるという効果もある。
パレータ２０の比較電圧は、常に低周波増幅部１
０の出力に追従しているので、散乱体６の濃度の
極端な変化、超音波振動子３の特性の劣化、高周
波増幅部７のゲインの低下などで、受信信号、あ
るいは増幅されたあとの受信信号の大きさが変化
することがあつても、常に正確なドツプラーシフ
ト周波数の検出が行えるという効果がある。ま
た、クランプオン形の超音波ドツプラー流量計に
おいての取りつけ時の調整がいらず、容易に取り
つけられるという効果もある。
本実施例はクランプオン形の検出器について説
明したが、第１図に示したような検出器を導管４
の軸対称な位置に置く形の超音波ドツプラー流量
計においても同様の効果が得られる。また、本実
施例においては、波高値、振幅の検出方法として
全波整流回路１８、平均値回路１９を用いる方法
を示したが、他の回路方式を用いて、低周波増幅
部１０の出力の波高値、あるいは振幅を検出し、
低周波増幅部１０の出力に追従する直流レベルを
得ることも実現可能である。
明したが、第１図に示したような検出器を導管４
の軸対称な位置に置く形の超音波ドツプラー流量
計においても同様の効果が得られる。また、本実
施例においては、波高値、振幅の検出方法として
全波整流回路１８、平均値回路１９を用いる方法
を示したが、他の回路方式を用いて、低周波増幅
部１０の出力の波高値、あるいは振幅を検出し、
低周波増幅部１０の出力に追従する直流レベルを
得ることも実現可能である。
以上説明したように本発明によれば、安定で高
精度な流量測定ができるという効果が得られる。
精度な流量測定ができるという効果が得られる。
第１図は超音波ドツプラー流量計の原理説明
図、第２図は従来の流量計の信号処理系の概略構
成を示す図、第３図はクランプオン形のクサビ材
の構成を示す図、第４図は本発明の一実施例の概
略構成を説明するための図である。 ３，３′……超音波振動子、５……被測定流体、
７……高周波増幅部、８……検波回路、９……ロ
ーパスフイルタ、１９……平均値回路、２０……
レベルコンパレータ。
図、第２図は従来の流量計の信号処理系の概略構
成を示す図、第３図はクランプオン形のクサビ材
の構成を示す図、第４図は本発明の一実施例の概
略構成を説明するための図である。 ３，３′……超音波振動子、５……被測定流体、
７……高周波増幅部、８……検波回路、９……ロ
ーパスフイルタ、１９……平均値回路、２０……
レベルコンパレータ。
Claims (1)
- １ 被測定流体に一定の周波数の超音波を送信す
る送信手段と、前記被測定流体からの反射波を受
信する受信手段、この受信手段により受信した受
信信号の大きさに応じた基準信号を発生する基準
信号発生器と、前記受信信号と前記基準信号とが
入力され、これ等を比較する比較器とを有する信
号処理手段とから構成したことを特徴とする超音
波ドツプラー流量計。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56031358A JPS57147063A (en) | 1981-03-06 | 1981-03-06 | Ultrasonic doppler flow meter |
| US06/354,620 US4438652A (en) | 1981-03-06 | 1982-03-04 | Ultrasonic Doppler flowmeter |
| DE8282301180T DE3271726D1 (en) | 1981-03-06 | 1982-03-08 | Ultrasonic doppler flowmeter |
| EP82301180A EP0060128B1 (en) | 1981-03-06 | 1982-03-08 | Ultrasonic doppler flowmeter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56031358A JPS57147063A (en) | 1981-03-06 | 1981-03-06 | Ultrasonic doppler flow meter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57147063A JPS57147063A (en) | 1982-09-10 |
| JPH039405B2 true JPH039405B2 (ja) | 1991-02-08 |
Family
ID=12329006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56031358A Granted JPS57147063A (en) | 1981-03-06 | 1981-03-06 | Ultrasonic doppler flow meter |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4438652A (ja) |
| EP (1) | EP0060128B1 (ja) |
| JP (1) | JPS57147063A (ja) |
| DE (1) | DE3271726D1 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL8402588A (nl) * | 1984-08-24 | 1986-03-17 | Stichting Speurwerk Baggertech | Inrichting voor het bepalen van de stroomsnelheid in een stromend medium, onder gebruikmaking van het akoestische doppler-effect. |
| US4579005A (en) * | 1984-11-15 | 1986-04-01 | Manning Technologies, Inc. | Single crystal Doppler flowmeter |
| US5406949A (en) * | 1994-07-18 | 1995-04-18 | Siemens Medical System | Digital processing for steerable CW doppler |
| US5562097A (en) * | 1994-10-11 | 1996-10-08 | Siemens Medical Systems, Inc. | User control for steerable CW doppler |
| US5583301A (en) * | 1994-11-09 | 1996-12-10 | National Environmental Products Ltd., Inc. | Ultrasound air velocity detector for HVAC ducts and method therefor |
| GB2361915B (en) * | 2000-05-05 | 2002-12-24 | Genesis Fluid Solutions Llc | High speed dewatering of slurries |
| US6789427B2 (en) * | 2002-09-16 | 2004-09-14 | General Electric Company | Phased array ultrasonic inspection method for industrial applications |
| US7297047B2 (en) * | 2005-12-01 | 2007-11-20 | Applied Materials, Inc. | Bubble suppressing flow controller with ultrasonic flow meter |
| CN103592462B (zh) * | 2013-11-11 | 2015-08-05 | 中国地质大学（武汉） | 水库渗漏多普勒探测仪用三向水听器阵列探头 |
| CN104049104B (zh) * | 2014-07-01 | 2016-08-24 | 山东理工大学 | 陶瓷泥浆流速检测装置及检测方法 |
| CN110658357A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-01-07 | 榆林学院 | 一种超声波多勒普管道流速测量装置 |
| US12276190B2 (en) * | 2022-02-16 | 2025-04-15 | Saudi Arabian Oil Company | Ultrasonic flow check systems for wellbores |
| CN120489271A (zh) * | 2025-07-18 | 2025-08-15 | 浙江正泰仪器仪表有限责任公司 | 一种基于超声波计量的自适应滤波方法及超声波计量设备 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3449710A (en) * | 1967-10-18 | 1969-06-10 | Us Navy | Controlled threshold detector for sonar applications |
| US3741014A (en) * | 1970-06-25 | 1973-06-26 | Tokyo Keiki Kk | Ultrasonic current meter |
| US4122713A (en) * | 1977-05-19 | 1978-10-31 | Medtronic, Inc. | Liquid velocity measuring system |
| JPS5520474U (ja) * | 1978-07-27 | 1980-02-08 | ||
| US4198866A (en) * | 1978-09-07 | 1980-04-22 | Vsesojuzny Nauchno-Issledovatelsky Institut Po Razrabotke Nerazrushajuschikh Metodov I Sredstv Knotrolya Kachestva Materialov"VNIINK" | Method and device for ultrasonic inspection of materials |
| US4208908A (en) * | 1978-10-23 | 1980-06-24 | Leeds & Northrup Company | Speed of sound compensation for Doppler flowmeter |
-
1981
- 1981-03-06 JP JP56031358A patent/JPS57147063A/ja active Granted
-
1982
- 1982-03-04 US US06/354,620 patent/US4438652A/en not_active Expired - Lifetime
- 1982-03-08 DE DE8282301180T patent/DE3271726D1/de not_active Expired
- 1982-03-08 EP EP82301180A patent/EP0060128B1/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3271726D1 (en) | 1986-07-24 |
| US4438652A (en) | 1984-03-27 |
| JPS57147063A (en) | 1982-09-10 |
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