JPH0792396B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は渦流量計に係り、特に渦発生体によって流体中
に発生するカルマン渦が流体中を伝播する超音波に与え
る位相変調を検出し、カルマン渦の生成を検知すること
により、流体の流量又は流速を測定する渦流量計に関す
る。

従来の技術 例えば実公昭57-25141号或いは特公昭58-32333号等にお
いて提案されたように、流体中に渦発生体を設け、その
下流に発生したカルマン渦の生成数を超音波を利用して
検知することにより流体の流量を測定する装置が知られ
ている。

第６図は従来より知られている渦流量計の一例の構成図
である。同図において超音波発振器１により発生され超
音波送信器2aより流体中に送信される超音波は、流体の
進行方向に垂直、かつ同図の紙面と平行な経路に沿って
伝播し、超音波受信器2bにより検出される。この超音波
受信器2bの出力信号は位相制御器３を介して位相比較器
４に供給される（この信号をαとする）。一方、流体中
を通過する超音波とは別に超音波発振器１の出力より分
岐した発振信号は位相制御器５を介して位相比較器４の
他方の入力端子に供給される（この信号をβとする）。

位相比較器４において上記二つの信号α，βの位相が比
較される。この場合において、カルマン渦が発生してい
ない状態の流体中を通過した超音波信号αは、元の発振
信号βに対して一定の位相差を有することとなる。

第６図において流量又は流速を測定すべき流体が管路６
の内部を同図上方から下方へ向って流れると、上記流体
中には管路６の内部に挿入配設された周知の渦発生体７
の下流側においてその左右に交互に規則的な、所謂カル
マン渦が発生する。この場合に流体内を通過する超音波
が流体内を伝播する途上において、上記渦発生体７によ
り生成されたカルマン渦と遭遇すると、カルマン渦の横
方向（第６図の紙面と平行、かつ超音波が伝播する方
向）の流速成分に位相変調を受けることとなる。したが
って位相比較器４に供給される二つの信号α，βの位相
差は、流体中を通過する超音波がカルマン渦と遭遇しな
い場合の上記一定の位相差とは異なった位相差を示す。
この位相差の変化を検出し、フィルタ８を介して出力端
子8aより取り出すことにより、流速又は流量に比例する
カルマン渦の生成数を検知し、ひいては被測定流体の流
量又は流速を測定することが可能となる。

しかしながら、流体内を伝播する超音波の位相は、カル
マン渦以外にも流体の温度変化等の外的要因によっても
変化を被るものである。この温度変化等の外的要因によ
る位相変化によって位相比較器４に供給される二つの信
号の位相差が、位相比較器４の直線動作範囲内から逸脱
してしまうことがある。

これを防ぐために、外的要因によって生じる位相変化分
をフィルタ８により抽出し、この出力を位相制御器３及
び５に供給して位相比較器４に供給される二つの超音波
の位相差を上記位相比較器４の直線動作範囲内に収まる
よう制御させることにより、温度変化等の外的要因によ
り超音波の位相差が大きく変化した場合にも対応し得る
こととしている。

発明が解決しようとする問題点 上記の渦流量計において温度変化等の外的要因によって
流体中を通過した超音波信号の位相が位相比較器４の直
線動作範囲から逸脱することを防ごうとすると位相制御
器３及び５等の回路が非常に複雑なものになると同時
に、低レイノルズ数の流れにおいてはカルマン渦の発生
を検知するための超音波信号のSN比が低くなることか
ら、超音波の周波数、及び信号を増幅するための増幅器
のゲインを上げる必要があり、このため電力の消費量も
多くなるという問題点があった。

また、位相制御器３及び５に安価なものを使用すると位
相量が有限であることによって、外的要因による位相の
変化量がある一定の限度を超えた場合には上記渦流量計
では対応できないという問題点があった。

又、従来の渦流量計としては、例えば特開昭50-136066
号公報にみられるような構成のものがある。この公報の
渦流量計では、円柱状の渦発生体の下流側の流路内壁
に、超音波を送信する第１の超音波送信器と第１の超音
波送信器から送信された超音波を受信する第１の超音波
受信器とを設けるとともに、さらにその下流側へ距離l/
2はなれた位置に超音波を送信する第２の超音波送信器
と第２の超音波送信器から送信された超音波を受信する
第２の超音波受信器とを設け、上流側の第１の超音波受
信器の出力と下流側の第２の超音波受信器の出力とを合
成するよう構成されている。

しかるに、上記公報の渦流量計では、第１の超音波伝播
経路と第２の超音波伝播経路とが距離l/2（但し、ｌは
同じ回転方向の渦発生間隔）はなれているので、同一の
渦を同時に検出することができず、渦発生体により発生
したカルマン渦が下流に行くほど徐々に小さくなるた
め、第１の超音波受信器の出力レベルより第２の超音波
受信器の出力レベルが小さくなる。

さらには、温度変化等の外的要因が引き起こす超音波の
位相の変化が二つの超音波の位相に対して同じように影
響を及ぼすことになるが、第１の超音波伝播経路の進行
方向と第２の超音波伝播経路の進行方向とが同方向で第
１の超音波受信器の出力と下流側の第２の超音波受信器
の出力とを合成するため、外的要因が引き起こす超音波
の位相の変化による影響を受けてしまい、計測精度が低
下する。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、構成
が簡単であり、かつ高い感度をもってカルマン渦を検出
し得る渦流量計を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、流体が通過する管路内に設けられ、該流体の
流れ方向と直交する方向に延在し、下流側に流量に比例
した周期で渦を発生させる渦発生体と、 該渦発生体の下流側に設けられ、前記流体の流れ方向と
直交する方向に超音波信号を送信する第１の超音波送信
器と、 該第１の超音波送信器に対向するように設けられ、前記
第１の超音波送信器から送信された超音波信号を受信
し、前記第１の超音波送信器との間に第１の超音波伝播
経路を形成する第１の超音波受信器と、 前記渦発生体からの距離が前記渦発生体から前記第１の
超音波送信器までの距離と同一となる位置に設けられ、
前記第１の超音波伝播経路を通過する渦に、当該渦の巻
き方向に対して前記第１の超音波伝播経路と逆向きとな
る方向から超音波信号を送信する第２の超音波送信器
と、 前記第２の超音波送信器に対向するように設けられ、前
記渦発生体からの距離が前記第１の超音波伝播経路と同
じ距離となるように第２の超音波伝播経路を形成する第
２の超音波受信器と、 前記第１及び第２の超音波受信器から出力された各出力
信号を比較し、両信号の位相差により前記渦発生体によ
り生成された渦を検出する位相比較器とよりなることを
特徴とする。

作用 一対の超音波伝播経路が同一のカルマン渦を同時に検出
できるよう渦発生体から同じ距離離れた位置となるよう
に一対の超音波伝播経路を形成してなるため、第１及び
第２の超音波受信器から出力される出力レベルが同レベ
ルとなり、渦検出精度が高い。

一方カルマン渦の横方向の成分は、二つの伝播経路が互
いに平行、逆向きであり、かつカルマン渦が上記二つの
伝播経路を同時に横切る超音波の位相に対しては反対の
影響を及ぼす。即ち、一方の超音波の位相が上記カルマ
ン渦によって進んだとすると、他方は必ずその位相が遅
れることとなる。

したがって、上記二つの超音波信号の位相を位相比較器
で比較することにより、温度変化等の外的要因による影
響が相殺されると共にカルマン渦によって起こる二つの
超音波の位相変化が強調されることとなる。

実施例 第１図は本発明の一実施例の渦流量計の管路６の内部を
示す側断面図である。同図において管路６内部の流体が
左方から右方へ流れると、渦発生体７により下流側にカ
ルマン渦が発生する。

第２図は第１図をＡ−Ｂ間で切り取った横断面図及び超
音波源である発振器１、超音波送信器9a,10a、及び夫々
の超音波を受信するための超音波受信器9b,10b、位相比
較器11を合わせて示したものである。同図においては、
流体は紙面に垂直に紙面の表側から裏側に向かって流れ
ることとなる。上記、超音波送信器9a,10a及び超音波受
信器9b,10bは、夫々渦発生体７から下流側へ同一距離と
なる位置に設けられており、一対の超音波受信器9b,10b
が同一のカルマン渦を同時に検出することができる。

第３図は渦発生体７によって流体中に生成されるカルマ
ン渦と超音波送信器9a,10a及び超音波受信器9b,10bとの
位置関係を示す模式図である。同図において破線で示し
た矢印は超音波の伝播方向を示しており、同図よりわか
るように二つの超音波の進行方向が逆向きとなってい
る。また同図はカルマン渦13aが超音波送信器9a,10aか
ら送信される二つの超音波の伝播経路を既に通過し、次
のカルマン渦13bが上記二つの超音波の伝播経路にさし
かかった時点での様子を示している。

第４図（Ａ）（Ｂ）は、カルマン渦が第３図に示すよう
に二つの超音波の伝播経路を通過する際の二つの超音波
信号ａ及びｂをパルス化した波形並びに互いに位相の関
係を示している。第３図において超音波送信器9aから送
信される超音波ａはカルマン渦13bがちょうど超音波ａ
の進行方向と同じ方向の成分を持つことからその位相は
進むこととなり、一方、超音波送信器10aより送信され
る超音波ｂはその進行方向がカルマン渦13bの横方向成
分と逆向きであることにより、その位相が遅れることと
なる。

第３図に示す状態からカルマン渦13bが下流に移動する
にしたがって、超音波ａの位相の進み及び超音波ｂの位
相の遅れは共に減少し、カルマン渦の中心付近が二つの
超音波の伝播経路を通過する時点で超音波ａの位相の進
み及び超音波ｂの位相の遅れは共に無くなる。以後カル
マン渦の後半部分が上記二つの超音波の伝播経路を通過
する際には逆に超音波ａの位相は遅れ、超音波ｂの位相
は進む。このように１つのカルマン渦が上記超音波の伝
播経路を通過すると、超音波a,bの位相差は半周期分の
サイン波的に変化する。この超音波a,bの位相差の変化
を検出することによってカルマン渦の発生を検知するこ
とができ、更に単位時間当りのカルマン渦をカウントす
ることにより、流体の流速及び流量を計測することが可
能となる。

又、超音波送信器9a,10a及び超音波受信器9b,10bが同一
のカルマン渦を検出できるように渦発生体７から下流側
へ同一距離となる位置に設けられているため、カルマン
渦は超音波送信器9a,10aと超音波受信器9b,10bとの間に
形成された一対の超音波伝播経路を同時に通過すること
になり、超音波受信器9b,10bの出力レベルが同程度とな
るので位相比較器11による渦検出精度が高められる。

このとき２つの超音波信号a,bの位相差がθとなったと
すると位相比較器11はその位相差θに対応する電圧Ｖθ
を出力端子12より出力する。

第５図は二つの超音波信号a,bの位相差と位相比較器11
の出力電圧との関係を示したグラフであり、同図に示す
ように二つの超音波a,bの位相差が０度から180度までの
範囲では位相比較器11の出力電圧は直線的に変化する。

被測定流体の温度が変化すると、それに従って超音波が
被測定流体中を伝播する際の位相も変化する。しかも温
度変化等の外的要因は上記二つの超音波の伝播の仕方に
対して同様の影響を及ぼすこととなる。すなわち一方の
超音波に対して位相を遅らせるような変化が起こったと
すれば、同様に逆方向に伝播する超音波も位相が遅れる
こととなる。

第４図（Ａ）（Ｂ）に夫々破線で示す波形はそれぞれ実
線で示す超音波の位相が温度変化等の外的要因によって
遅れた様子を示している。この場合において同図（Ａ）
に示す波形ａの位相がφだけ遅れたとすれば、同様に同
図（Ｂ）に示す波形ｂもφだけ遅れることとなり、両波
形a,bの相対的な位相差θは温度変化等の外的要因が加
わっても実質的に変化を受けないこととなる。したがっ
て位相比較器11において二つの信号a,bの位相を比較す
ることによって純粋にカルマン渦による位相の変化のみ
を検出することが可能となると共に、この場合には二つ
の超音波が受ける位相変化が相加的に（互いに強調し合
うように）検出されることにより超音波送受信器を１組
しか用いない従来装置に比べてより高い感度でカルマン
渦を検出し得る。

なお、上記の実施例では、被測定流体中における二つの
超音波の伝播経路が互いに平行であり、かつカルマン渦
が二つの超音波伝播経路を同時に横切る例を説明した
が、本発明はこれに限るものではなく、例えば上記二つ
の超音波の伝播経路が互いに交差するような構成として
も良いし、あるいは上記一対の超音波伝播経路が平行と
ならず、例えば第１の超音波伝播経路に対して第２の超
音波伝播経路がある角度傾斜するように超音波送信器9
a,10aの間隔と超音波受信器9b,10bの間隔とを異なる寸
法に設定しても良い。

発明の効果 上述の如く、本発明によれば、渦発生体から第１の超音
波伝播経路までの距離と渦発生体から第２の超音波伝播
経路までの距離とが同一となるように第1,2の超音波伝
播経路が形成されているので、一対の超音波伝播経路が
同一のカルマン渦を同時に検出することができ、よって
第１の超音波伝播経路と第２の超音波伝播経路との渦検
出時の出力レベルが同レベルとなり、渦検出精度を高め
ることができる。

さらに、第１の超音波伝播経路に対し第２の超音波伝播
経路の超音波進行方向が逆向きとなるように第1,2の超
音波送信器，第1,2の超音波送信器が配設されるため、
例えば第１の超音波伝播経路の超音波の位相が進むと、
第２の超音波伝播経路の超音波の位相が遅れることにな
り、さらに一対の超音波送信器からの出力の位相差によ
りカルマン渦を検出するため、温度変化等の外的要因の
関係なくカルマン渦を検出することができる。よって、
外的要因による影響をキャンセルすることができ、渦検
出精度がより一層高められる。

従って、位相制御器等の複雑な回路を用いることを必要
とせず、簡単な構成によって温度変化、管路やポンプの
振動等の外的要因による超音波の位相変化をキャンセル
することができ、しかも従来の渦流量計に比べて非常に
高い感度でカルマン渦を検出することが可能となる。こ
のことにより超音波の周波数及び出力増幅器のゲインを
下げることが可能となり、回路構成をより一層簡単にし
得ると共に、消費電力が低減され運用コストの削減を図
ることができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は第１図
の横断面図に主要な回路を付加したブロック構成図、第
３図は渦発生体とカルマン渦及び超音波送受信器との関
係を示した斜視図、第４図は二つの超音波の位相の関係
を説明するための波形図、第５図は二つの超音波の位相
差を電圧に変換する際の位相差−電圧特性図、第６図は
従来の渦流量計の一例のブロック構成図である。 １……発振器、9a,10a……超音波送信器、9b,10b……超
音波受信器、3,5……位相制御器、11……位相比較器、
６……管路、７……渦発生体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 新三 東京都練馬区大泉学園町４―28―６ (56)参考文献 特開 昭54−121780（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−136066（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体が通過する管路内に設けられ、該流体
   の流れ方向と直交する方向に延在し、下流側に流量に比
   例した周期で渦を発生させる渦発生体と、 該渦発生体の下流側に設けられ、前記流体の流れ方向と
   直交する方向に超音波信号を送信する第１の超音波送信
   器と、 該第１の超音波送信器に対向するように設けられ、前記
   第１の超音波送信器から送信された超音波信号を受信
   し、前記第１の超音波送信器との間に第１の超音波伝播
   経路を形成する第１の超音波受信器と、 前記渦発生体からの距離が前記渦発生体から前記第１の
   超音波送信器までの距離と同一となる位置に設けられ、
   前記第１の超音波伝播経路を通過する渦に、当該渦の巻
   き方向に対して前記第１の超音波伝播経路と逆向きとな
   る方向から超音波信号を送信する第２の超音波送信器
   と、 前記第２の超音波送信器に対向するように設けられ、前
   記渦発生体からの距離が前記第１の超音波伝播経路と同
   じ距離となるように第２の超音波伝播経路を形成する第
   ２の超音波受信器と、 前記第１及び第２の超音波受信器から出力された各出力
   信号を比較し、両信号の位相差により前記渦発生体によ
   り生成された渦を検出する位相比較器と、 よりなることを特徴とする渦流量計。