JPH0739964B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波流量計に係り、とくに配管に超音波送
受波器を装着して配管内部の流速を測定する方式の超音
波流量計に関する。

〔従来の技術〕

従来例を第５図ないし第６図に示す。この第５図の従来
例において、一方の超音波送受波器１の超音波振動子1A
から下流側に向けて出力される超音波は、伝播経路l₁,l
₂,l₃,l₄,l₅，及びl₆を経て他方の超音波送受波器２の超
音波振動子2Aに至る。そして、この場合の伝播時間をt_d
とする。

また、第６図において他方の超音波送受波器２の超音波
振動子2Aから上流側に向けて出力される超音波は、伝播
経路l₆,l₅,l₄,l₃,l₂，およびl₁を経て一方の超音波送受
波器１の超音波振動子1Aに至る。そして、この場合の伝
播時間をt_uとする。

この場合、配管13内の流速は、次式にて求まる。

Ｖ＝Ｄ・（t_u−t_d）/2sinθ・cosθ（t_o−τ）² …… ここで、Ｄは配管13の内径、θは管壁に垂直な線と被測
定流体中の超音波の伝搬方向とのなす角、t_oはt_dとt_uの
平均値、τは第５図ないし第６図の経路l₁,l₂,l₅，及び
l₆部分を超音波が伝播するのに要する時間である。

配管13の内径Ｄの寸法は、予めわかっているので、これ
により流量を簡単に算出することができる。

これらの超音波送受波器（以下「プローブ」という）1,
2には送受信切換部により発信回路部30と受信回路部４
とがケーブル５及び６を介して必要に応じて切換接続さ
れるようになっている。矢印Ｖは被測定流体の流速を示
す。

第５図において上流側プローブ１（ケーブル５を含む）
のＦパラメータを、 下流側プローブ２（ケーブル６を含む）のＦパラメータ
を とすると、上流側から下流側に向かって測定するときの
等価回路を第７図のように示すことができる。

この第７図の回路の伝達関数T_d′は、 T_d′＝a/bc …… ここで、a,b,cは各々次式で表される。

ａ＝2Z_LZ_M ｂ＝AZ_M＋Ｂ＋Z_S′（CZ_M＋Ｄ） ｃ＝Ａ′Z_M＋Ｂ′＋Z_L（Ｃ′Z_M＋Ｄ′） また、Z_S′は発信回路部30の出力インピーダンス、Z_Mは
被測定流体中の音響インピーダンス、Z_Lは受信回路部４
の入力インピーダンスである。

反対に下流側から上流側に向かって、測定する場合の等
価回路を第７図に示す。

この場合の伝達関数T_u′は、 T_u′＝a/de …… ここで、d,eは各々次式で表される。

ｄ＝Ａ′Z_M＋Ｂ′＋Z_S′（Ｃ′Z_M＋Ｄ′） ｅ＝AZ_M＋Ｂ＋Z_L（CZ_M＋Ｄ） である。

ところで、上記従来例においては、発信回路部30には、
コンデンサに電荷を充電し、スイッチング素子によりこ
の電荷を放電させて，スパイク状の出力パルスを発生さ
せる方式のスパイクパルサーが使用されている。このた
め、発信回路部30の出力インピーダンスZ_S′がスイッチ
ング素子の動作インピーダンスに大きく依存し、一定の
出力インピーダンスに維持することが困難なものとなっ
ている。

これがため、発信回路部30の出力インピーダンスZ_S′の
値が、受信回路部４の入力インピーダンスZ_Lの値と異な
っており、従って、プローブ１を送信用にプローブ２を
受信用に用いた場合における流量計の送受信間の伝達関
数T_d′と、プローブ２を送信用に、プローブ１を受信用
に用いた場合の伝達関数T_u′とは異なったものとなって
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来例においては、プローブ１を送信用に、プロー
ブ２を受信用に使用した場合と，プローブ２を送信用
に、プローブ１を受信用に使用した場合とで伝達関数が
異なる（T_d′≠T_u′）ので、受信波形も相互に異なった
もの，とくに位相がわずかに異なったものとなってい
る。

これがため、被測定流体が静水（流速Ｖ＝０）であって
も、プローブ１からプローブ２への超音波パルスの伝搬
時間t_dと，プローブ２からプローブ１への超音波パルス
の伝搬時間t_uとがわずかに異なっている。故に、 Δｔ＝t_u−t_d≠０ …… しかるに、流速Ｖの計算式は、 Ｖ＝Ｄ・Δt/2sinθ・cosθ・（t_o−τ）² であるから、上記従来例の場合、被測定流体が静水であ
るにもかかわらず、Ｖ≠０となってある値を示すという
不都合があった。これが所謂零点誤差と呼ばれるもので
ある。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、零点
誤差をほぼ完全になくして、より高精度に被測定流体の
流速を測定することができる超音波流量計を提供するこ
とを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、超音波の伝播方向に対応して配管の上流側
と下流側にそれぞれ配設される超音波送受波器と、この
二つの超音波送受波器に発信回路部と受信回路部とを交
互に切換接続する送受信切換部とを備えている。

そして、発信回路部をバースト・パルサにより構成する
と共に、このバースト・パルサの出力インピーダンスを
一定の値に維持し、且つ当該バースト・パルサの出力イ
ンピーダンスを前記受信回路部の入力インピーダンスと
同一の値に設定する、という構成を採っている。これに
よって前述した目的を達成しようとするものである。

〔作用〕

発信回路部の出力インピーダンスを一定の値に維持し、
当該出力インピーダンスを受信回路部の入力インピーダ
ンスと同一の値に設定したことから、上流側のプローブ
を送信用に，下流側のプローブを受信用に使用した場合
と、この反対の場合とで流量計の送受信間の伝達関数が
等しくなり、信号伝搬上の条件が同一となる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図に基づい
て説明する。

ここで、前述した従来例と同一の構成部分については、
同一の符号を用いることとする。

この第１図の実施例は、配管13の上流側に装備された一
方のプローブ１と、配管13の下流側に装備された他方の
プローブ２とを有している。このうち、一方のプローブ
１は、超音波を配管13へ斜入射せしめるためのクサビ部
材1Bと振動子1Aとを備えている。クサビ部材1Bは、アク
リル樹脂等により形成され、断面が台形状をなし、その
斜面1aに超音波振動子1Aが固着されている。

他方のプローブ２もほぼ同様の構成となっている。

これらの各プローブ1,2の各々は、実際には、第２図に
示すように送受信切換部７を介して発信回路部３及び受
信回路部４に各別に切換接続されるようになっている。
第１図は上流側のプローブ１が発信回路部３に、下流側
のプローブ２が受信回路部４に接続された状態を示して
いる。ここで、送受信切換部７は、具体的には例えば第
３図に示すように、スイッチS₁,S₂,S₃,S₄から成る４連
スイッチ等によって構成されている。

そして、後述するプローブ１から出力されプローブ２で
受信される到来超音波の受信信号及びその反対にプロー
ブ２から出力されプローブ１で受信される到来超音波の
受信信号は、信号処理表示部20に送られ、種々の演算，
及び処理が施されて最終的には信号処理表示部20の図示
しない表示手段に表示される。この信号処理表示部20
は、第１の機能としての信号選択機能と，第２の機能と
しての計時機能と、第３の機能としてのメモリ機能と、
第４の機能としての演算機能と、第５の機能としての表
示機能等の数種の機能を備えている。主制御部10は、各
構成部の一連の動作を制御する機能を有する。

本実施例においては、発信回路部３には、バーストパル
サーが使用されている。このバーストパルサーは、回路
構成上、その出力インピーダンスが終段増幅回路のイン
ピーダンスとなるので、パルサーの出力インピーダンス
を容易に一定の値に維持できるという利点がある。

本実施例においては、発信回路部３の出力インピーダン
スZ_Sと受信回路部４の入力インピーダンスZ_Lとが一致す
るように、出力インピーダンスZ_Sが設定されている。

その他の構成は、前述した従来例と同一となっている。

この第１図において、前述した従来例と同様に、一方の
プローブ１の超音波振動子1Aから下流側に向けて出力さ
れる超音波は、伝播経路l₁,l₂,l₃,l₄,l₅及びl₆を経て他
方のプローブ２の超音波振動子2Aに至る。そして、この
場合の伝播時間をt_dとする。

これと反対に、他方のプローブ２の超音波振動子2Aから
上流側に向けて出力される超音波は、伝播経路l₆,l₅,
l₄,l₃,l₂及びl₁を経て一方のプローブ１の超音波振動子
1Aに至る。そして、この場合の伝播時間をt_uとする。

この場合、配管13内の流速は、前述した式によって求
まる。

第１図の等価回路を第４図のように示すことができ
る。

この第４図の回路の伝達関数T_dは、 T_d＝a/b′ｃ …… ここで、 ｂ′＝AZ_M＋Ｂ＋Z_S（CZ_M＋Ｄ）、 a,cは前述した従来例の場合と同一である。

また、Z_Sは発信回路部３の出力インピーダンスである。
第１図と反対に下流側から上流側に向かって測定した場
合の等価回路を第３図のように示すことができる。

この第３図の回路の伝達関数T_Uは、 T_u＝a/d′ｅ …… ここで、ｄ′は次式で表される。

ｄ′＝Ａ′Z_M＋Ｂ′＋Z_S（Ｃ′Z_M＋Ｄ） a,eは従来例の場合と同一である。

しかるに、本実施例の場合には、Z_S＝Z_Lが成立している
ので、式，式からT_d＝T_uが成り立つ（∵ｂ′ｃ＝
ｄ′ｅだから）。これがため、本実施例では、一方のプ
ローブ１を送信用に，他方のプローブ２を受信用に用い
た場合と、その反対の場合とで受信波形が同じ形にな
る。

従って、被測定流体が静止している場合は、プローブ１
からプローブ２への超音波パルスの伝搬時間t_dと、プロ
ーブ２からプローブ１への超音波パルスの伝搬時間t_uが
一致する。換言すれば、Δｔ＝t_u−t_d＝０となるため、
式よりＶ＝０となる。

このため、本実施例によれば、従来例と異なり、波形形
状の違いに伴う流速測定誤差（零点誤差）を生じないと
いう利点がある。

〔発明の効果〕

本発明は、以上のように構成され機能するので、これに
よると、発信回路部をバースト・パルサにより構成する
と共に、このバースト・パルサの出力インピーダンスを
一定の値に維持し、且つ当該バースト・パルサの出力イ
ンピーダンスを受信回路部の入力インピーダンスと同一
の値に設定したので、一方のプローブを送信用に、他方
のプローブを受信用に使用した場合と、その反対の場合
の送受信間伝達関数を一致させることができるため、受
信波形の形状の相違に基づく零点誤差を殆どなくすこと
が可能となり、これがため、零点誤差を少なくするため
の特性の良く似たプローブを選定する作業が不要とな
り、製造コストを低減出来るとともに、被測定流体の流
速を従来より高精度に測定することができるという従来
にない優れた超音波流量計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波流量計にて上流側から下流
側へ向かって測定している状態の構成を示す図、第２図
は第１図の流量計の全体の構成を示すブロック図、第３
図は第２図の送受信切換部の具体的構成例を示す図、第
４図，はそれぞれ上流側から下流側に向かって測定
している場合，これと反対の場合の等価回路を示す図、
第５図は従来例の超音波流量計にて上流側から下流側へ
向かって測定している状態の構成を示す図、第６図は第
５図と反対に下流側から上流側に向かって測定している
状態の構成を示す図、第７図，はそれぞれ第５図，
第６図の等価回路を示す図である。 1,2……超音波送受波器、３……発信回路部、４……受
信回路部、７……送受信切替部、Z_S……発信回路部の出
力インピーダンス、Z_L……受信回路部の入力インピーダ
ンス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波の伝播方向に対応して配管の上流側
   と下流側にそれぞれ配設される超音波送受波器と、この
   二つの超音波送受波器に発信回路部と受信回路部とを交
   互に切換接続する送受信切換部とを有する超音波流量計
   において、 前記発信回路部をバースト・パルサにより構成すると共
   に、このバースト・パルサの出力インピーダンスを一定
   の値に維持し、且つ当該バースト・パルサの出力インピ
   ーダンスを前記受信回路部の入力インピーダンスと同一
   の値に設定したことを特徴とする超音波流量計。