JPH0421807B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は、超音波流速測定装置に係り、特にシ
ングアラウンド法による超音波流速測定装置に関
する。

〔従来技術とその問題点〕

超音波流速測定装置は、超音波が流体中を伝播
するときの見かけの速度が、流体の速度によつて
異なることを利用したものである。第１図にその
従来技術を示す。この第１図に於て、符号１は管
を示す。この管１には、その内部を被測定流体
（例えば水）が速度Ｖで管路に沿つて矢印Ａ方向
に流れているものとする。

管１における所定距離離れた上流側及び下流側
の二断面内に、一対の各々送受兼用の超音波振動
子（トランスジユーサ）２，３が装着されてい
る。この超音波振動子２，３は、切換えスイツチ
４を介して送受信回路部５と接続されている。そ
して、一方の超音波振動子から発射した超音波パ
ルスが他方の超音波振動子で受波され、続いて一
方の超音波振動子から２回目の送信波を発射せし
めるようになつている。

これを更に詳述すると、送受信回路部５は、送
信パルス発生回路６、受信回路７、同期回路８か
ら成る。そして、まず軌動操作で同期回路８がス
タートパルスを送信パルス発生回路６へ出力す
る。送信パルスは切換えスイツチ４を介して一方
の超音波振動子２へ出力される。超音波振動子２
は電気信号を音響信号に変換して超音波パルスを
発射し水中を伝播せしめる。

この超音波パルスが他方の超音波振動子３に受
波されると電気信号に変換され、受信回路７へ送
られる。この受信回路７で受信波の信号増幅が行
なわれたのち、同期回路８に出力される。この同
期回路８は所定のトリガレベルで自己同期を行な
い単一パルスを発生する機能を有しており、同期
後のパルス信号がパルス発生回路６に送出され
る。この送信パルスにより以下前述と同様にして
超音波パルスの発射、水中伝播、受波、増幅等の
各動作が何回も繰返されるようになつている。

一方、同期回路８が出力するパルス信号は、周
波数てい倍回路９へ送出され、送受信回路部５に
おけるパルス繰返し周波数に応じた周波数でパル
ス発振がなされる。これとは別に、所定時間同一
方向に超音波パルスの送受が繰返されると、送受
切替回路１０の指令で切換えスイツチ４が切り換
わり、今度は超音波振動子３から超音波振動子２
の方向へ超音波パルスの送信及び受信がなされ
る。以下、同様に一定周期で送受方向の切替動作
が行なわれる。

ここで、流速をＶ〔ｍ／ｓ〕、水中音速をＣ
〔ｍ／ｓ〕、超音波振動子２，３間を超音波が伝わ
る距離をＬ〔ｍ〕、超音波の伝達方向と水流方向と
のなす角をθとすると、超音波振動子２から３へ
送受を行なう場合、送受信回路部５のパルス繰返
し周波数fdは、 fd＝１／Td＝（Ｃ＋Ｖ・cosθ）／Ｌ となり、逆に超音波振動子３から２へ送受を行な
う場合、送受信回路部５のパルス繰返し周波数fu
は、 fu＝１／Tu＝（Ｃ−Ｖ・cosθ）／Ｌ となる。周波数てい倍回路９のてい倍率をＭと
し、この周波数てい倍回路９の送受方向切替に伴
なう二つの発振周波数「Ｍ・fd」と「Ｍ・fu」の
差Δfを求めると、 Δf＝Ｍ・fd−Ｍ・fu ＝｛（2V・cosθ）／Ｌ｝・Ｍ となり、流速Ｖに比例した値となる。周波数てい
倍回路９の出力側には、流速算定用のアツプダウ
ンカウン１１が接続されている。そして、このア
ツプダウンカウンタ１１が、送受切替回路部１０
から送られる切替信号を受けて超音波振動子２か
ら超音波振動子３へ超音波パルスを送受する場合
にはアツプモードに、また逆に超音波振動子３か
ら超音波振動子２へ送受する場合にはダウンモー
ドに切替えながら該周波数てい倍回路９の出力パ
ルスを計数して前述したΔfの演算を行ない、流
速又は流量データを出力するようになつている。

しかしながら、かかる従来技術にあつては、超
音波パルスを受信すると直ちに送信を行なう構成
なため、とくに小口径の配管では多重反射や管壁
を伝わつてくる音波等の残響の影響を受けやす
く、測定誤差を生じ易い。例えば、口径10〔mm〕、
流速１〔ｍ／ｓ〕の場合に得られる伝播時間ΔT
は、ΔT＝Tu−Tdで、Δt＝40〔nS〕程度しかな
い。このため、受信波に妨害波としての残響が合
成するとき、送受方向に拘わらず受信波と残響と
の間の位相が同一であれば殆ど測定誤差を生じな
いが送受方向によつて位相が異なつている場合、
第２図に示す如く受信波が同期回路の同期用トリ
ガレベルに達するタイミングが送受方向によつて
Δtだけ変動する。これが為、流速流量測定に大
きな誤差を生じ実用に供しないという不都合があ
つた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みなされた
ものであり、超音波パルスを受信後再び送信する
までの間に遅延時間を設け、かつ、この遅延時間
にジツターを掛けることにより、パルス繰返し周
期をそれ程遅くすることなく前記残響の影響を除
去し、小径の管路でも精度よく流速又は流量の測
定を行なうことが可能な超音波流速測定装置を提
供することを、その目的とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図ないし第５図
に基づいて説明する。第３図は本発明の一実施例
に係る超音波流速・測定装置を示す全体ブロツク
図であり、第４図は、その動作を示すタイミング
チヤートである。

第３図に於て、送受信回路部５Ａは、切換えス
イツチ４を介して管１に装着された超音波振動子
２，３に切換え接続される送信パルス発生回路６
及び受信回路７と、この受信回路７に直列接続さ
れた遅延回路２０及び同期回路２１とを備えてい
る。遅延回路２０は、受信回路７で増幅した受信
波を入力すると、或る時間幅、即ち遅延時間τを
設けて次の信号を出力するのを遅らせるように機
能する。この遅延回路２０の遅延時間τは、ジツ
ター回路２２から出力される不規則な波形信号に
制御されてその設定時間の値（遅延時間幅）が変
化するようになつている。このため、一つの受信
波が入力されて次に送信信号が出力されるまでの
間の時間（遅延時間τ）が、受信波が入力される
毎に不規則に異なるようになつている。

第５図に、遅延回路２０とジツター回路２２の
具体例を示す。ここで、ジツターについて詳述す
る。

ジツターそのものは、本来、「信号波形の振幅、
周期、移相又はパルス幅などの好ましくない迅速
でしかも断続的な変化（JIS・C1002電子測定器
用語）と定義されている。このため、ジツターそ
のものは、好ましくない現象として、例えばオシ
ロスコープのトリガのジツターによる観測波形の
歪として、知られている。本実施例におけるジツ
ター回路２２は、ジツターを独自に意図的に発生
させる回路として使用されている。第５図はその
一例を示すものである。

この第５図において、符号２２Ａはツエナーダ
イオードを示す。このツエナーダイオード２２Ａ
は、抵抗素子R₀を介して数〔μA〕程度の微弱電
流で逆バイアスされ、これによつて10〔ｍＶ〕程
度の電圧がツエナーダイオードの両端に発生する
ようになつている。このノイズ信号Ａは、時間に
関して不規則に変化する。このノイズ信号Ａは、
コンデンサC₁を介して増幅器２２Ｂに交流結合
され所定電圧に増幅され、ジツター回路２２の出
力信号として遅延回路２０へ送り込まれるように
なつている。

ジツター回路２２の出力は、実際には第５図に
示すようにコンデンサC₂を介して遅延回路２０
へ入力される。このコンデンサC₂は、ノイズ信
号Ａのオフセツト電圧等の直流分を除去するよう
に機能する。

遅延回路２０は、例えば第５図に示すように、
PNPトランジスタＴとモノステーブルマルチバ
イブレータ２０Ａとを備え、さらに、前述したジ
ツター回路２２からの信号に対して分圧をもつて
所定のバイアスを与えてトランジスタＴのベース
電圧として入力する抵抗素子R₁，R₂を有してい
る。また、この遅延回路２０は、トランジスタＴ
のエミツタ端子に抵抗素子R₃を備え、前述した
モノステーブルマルチバイブレータ２０Ａにはコ
ンデンサC₃が並列接続されている。すなわち、
この遅延回路２０においては、トランジスタＴの
エミツタとコレクタとの間のインピーダンスがジ
ツター回路の作用により時間的に不規則に変化す
る。このため、モノステーブルマルチバイブレー
タのトリガ端子に記号が与えられる度に、当該
モノマルチバイブレータの時定数を決める固有値
R₃，C₃及び不規則に変化するエミツタ・コレク
タ間のインピーダンスにより、前記モノマルチバ
イブレータ２０Ａからは不規則にパルス幅が変化
するパルス列が出力される。

遅延回路２０の出力パルスは、同期回路２１へ
送出される。この同期回路２１は、遅延回路２０
から送られるパルス信号の後縁でプリセツト状態
となり後述する電圧制御発振回路２６が出力する
発振パルスの立上がりタイミングで単一パルスを
形成し送信パルス発生回路６へ出力する。この送
信パルス発生回路６は、同期回路２１から送られ
る信号により送信パルスを出力する。そして、第
３図に示す切換えスイツチ４の動作状態下にあつ
ては、一方の超音波振動子２から超音波パルスが
出力される。そして、この超音波パルスが水中を
伝播したのち、他方の超音波振動子３で受波さ
れ、受信信号が前記受信回路７へ送られるように
なつている。以下、同様の動作が繰返し行なわれ
るようになつている。

このように構成された送受信回路部５Ａは、基
本的には受信後送信を行なうまでの間に遅延時間
を設けて受信波に対する残響の影響を除去せんと
するものであるが、遅延時間にジツターを掛ける
ことにより送信パルスの出力のタイミングをその
都度（１回毎に）不規則に変化させて、比較的短
い遅延時間で前述した残響の影響を有効に回避す
るものである。

具体的には、遅延回路２０に設定される遅延時
間が前述した如きジツター回路２２によつて不規
則に変化させられることから、特定の残響の人力
に対して受信波形の位置が前後に不規則にずらさ
れることになり、これがため、残響の影響を有効
に回避し得るようになつている。仮りに受信信号
と残響とが重なつても、残響レベルが加算される
状態もしくは減算させる状態の両方向が生じるこ
とから、平均化するとその残響の影響はほぼ「±
０」となる。

送受信回路部５Ａの受信回路７及び同期回路２
１の出力側に、可変周波数発振部２３が接続され
ている。この可変周波数発振部２３は、管１に装
着した超音波振動子２，３間の超音波パルス伝播
時間Ｔ（第４図参照）に反比例した周波数で発振
を行なう機能を有する。具体的には、この可変周
波数発振部２３は、同期回路２１の出力するパル
ス信号でリセツトし、電圧制御発振回路２６の出
力パルスをN_t個係数すると分周パルスを発生す
るカウンタ２７と、このカウンタ２７の出力パル
ス及び受信回路７の受信パルスを入力し、これら
２入力信号のパルス発生順の違いで正負が変わ
り、時間差に応じて幅が変わるパルス信号を出力
する誤差検出回路２４と、この誤差検出回路２４
の出力を平均した制御信号を発生する積分回路２
５と、この制御信号が常に零になる方向に出力周
波数が制御される電圧制御発振回路２６とが閉ル
ープを形成して成り、この結果、繰り返えし送受
信の位相のづれがないように自動制御されてる。

ここで、カウンタ２７のカウント数をＭとする
と、このＭは予め設定されているものとする。カ
ウンタ２７は、周期回路から出力される送信パル
ス信号によりカウントを開始し、Ｍカウントする
と前述した如く所定のパルスを出力する。

誤差検出回路２４の出力は、積分回路２５に送
られる。この電圧制御発信回路２６の発信周波数
は、積分回路２５の出力電圧で可変できるように
成つている。

また、遅延回路２０の出力（遅延された送信信
号）をそのまま送信パルス発生回路６への送信信
号として使用すると、カウンタ２７のカウント開
始の信号と送信信号とが必ずしも同期しない。こ
のため、同期回路２１により送信信号とカウンタ
２７のカウント開始の信号との同期をとつて送信
を行うようにしている。

一方、切換えスイツチ４は前述した従来技術と
同様に送受切替回路１０によつて一定周期毎に送
受方向の切替がなされる。そして、流速算定用カ
ウンタとしてのアツプダウンカウンタ１１によ
り、送受方向に従つてアツプモードとダウンモー
ドに切替えながら可変周波数発振部２３の発振パ
ルスを加・減計数することにより、超音波振動子
２側から超音波振動子３側へ送信を行なう場合の
伝播時間をTd、逆に超音波振動子３側から超音
波振動子２側へ送信を行なう場合の伝播時間を
Tuとし、 Δf′＝（Ｎ／Td）−（Ｎ／Tu） ＝（2V・cosθ／Ｌ）・Ｎ のように流速又は流量に比例した数端数差Δf′を
得ることができる。

〔発明の効果〕

以上にように本発明によれば、遅延回路とジツ
ター回路との作用により、受信から送信までの遅
延時間を余り長くすることなく受信波に対する残
響の影響を有効に除去することができ、これがた
め測定誤差の少ない連続的な流速・流量測定を行
なうことができる。また、受信・送信の間隔を大
きくとれるので、受信波に自動利得調整を掛けや
すくなり測定精度をより一層向上させることがで
きるという従来にない優れた超音波流速測定装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す全体ブロツク図、第２図
は受信波を示す線図、第３図は本発明に係る超音
波流速測定装置を示す全体的ブロツク図、第４図
は第３図の動作を示すタイミングチヤート、第５
図は第３図中の遅延回路及びジツター回路の具体
例を示す回路図である。 １……管、２，３……超音波振動子、４……切
換えスイツチ、５，５Ａ……送受信回路部、１０
……送受切替回路、１１……流速算定用カウンタ
としてのアツプダウンカウンタ、２０……遅延回
路、２２……ジツター回路、２３……可変周波数
発振部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定流体が流れる管路の中心軸に沿つた二
   箇所に所定距離隔てて装備された超音波送受信用
   の二つの超音波振動子と、この各超音波振動子の
   何れか一方を信号送信用とすると共に他方を信号
   受信用として稼働せしめる送受信回路部と、前記
   二つの超音波振動子の送信機能と受信機能とを一
   定の周期毎に切替え設定する送受切替回路とを備
   え、前記送受信回路部から出力される送信と受信
   のタイミングに基づいてその時間差を前記送受切
   替回路による切替え周期毎に演算することによつ
   て被測定流体の流速を算定するための流速算定用
   カウンタとを装備し、 前記送受信回路部に、送信信号の出力タイミン
   グを適当に遅らせる遅延回路を設けると共に、こ
   の遅延回路に、当該遅延回路による遅延時間の時
   間幅を不規則に変化させるジツター回路を併設し
   たことを特徴とする超音波流速測定装置。