JPH09229734A

JPH09229734A - 超音波ドップラー流量計

Info

Publication number: JPH09229734A
Application number: JP8039243A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Shikita; 幸久敷田; Yutaka Yoshida; 豊吉田; Akihiro Okumura; 彰啓奥村
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 1997-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】水位センサが無くても流量計測ができるよう
にする。【解決手段】管路の底部中央に設けた送信素子４から
流れ方向に仰角をもって一定周波数の超音波ビームを送
信する。受信素子５で発射波を受信し、ヘテロダイン検
出部１４でドップラーシフトの周波数を得る。バンドパ
スフィルタ１５でノイズを除く信号を通過させる。ＡＤ
コンバーターでＡＤ変換した後高速フーリエ変換部１７
でドップラーシフト周波数の周波数スペクトルを求め
る。ピーク山検出部１８でピーク山の周波数を求め、こ
の周波数に基づいて平均流速や流量を流量演算部で演算
する。こうして、管路を自然流下する流体の流量を計測
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波ドップラー効
果を利用した流量計に係わり、特に開水路に好適な超音
波ドップラー流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波ドップラー方式の流体速度測定方
法およびその装置として、特開平５−８７６０８号公報
に開示されたものがある。

【０００３】このものは、信号発生器において発生され
た特定周波数の電気信号を発信用トランスデューサを介
して流路内を流れる流体に発信し、流体中の物体から発
射される反射波を受信用トランスデューサで受信し、発
信用トランスデューサから発信された発信信号の周波数
と受信用トランスデューサで受信された受信信号の周波
数との差信号に基づいて前記流体の速度を測定するドッ
プラーシフトを利用した流体速度測定方法において、発
信用トランスデューサおよび受信用トランスデューサを
互いに近接した状態で流路の底部に設けると共に、前記
差信号を、一定の周波数幅をもった所定の周波数帯でス
キャンすることにより各周波数帯の強度を求めた後、加
重平均法を適用することにより前記流体の平均流速を求
めると共に、前記特定周波数の電気信号を９０°位相し
て得られる９０°移相信号の周波数と前記受信信号の周
波数との差信号を前記差信号と比較することにより前記
流体の流れる方向を検出するようにしている。

【０００４】また、この公報では、上記流体速度測定装
置を水位センサと組み合わせることにより、流体の流量
を測定できることを示唆している。また、開水路の流れ
に対する平均流速を求める式として、中小河川や、水路
に対し、かなり良く一致する次のマニング（Ｍａｎｎｉ
ｎｇ）の式がよく使用されている。

【０００５】Ｖ＝（１／ｎ）Ｒ^2/3・Ｉ^1/2 ・・・（１）Ｖ：平均流速（ｍ／ｓ）。Ｒ：径深（ｍ）、水流断面積Ａ／潤辺長Ｐで定義され
る。ただし潤辺長は、水流に接している水路壁の長さを
いう。

【０００６】Ｉ：水面勾配。ｎ：マニングの粗度係数。このマニングの式を用いた平均流速公式法では、水面勾
配と水流の断面形状を実測し、上式を利用して平均流速
を求め、さらに流量を算出することができる（日刊工業
新聞社、昭和５４年発行、流量計測ハンドブック、４０
７頁）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術のう
ち、前者は掃引同調形の周波数スペクトル分析を用いて
いるため、過渡応答を求められないという問題点があっ
た。

【０００８】また、流量を求めるには、水位センサを必
要とし、構造が複雑になるという問題点もあった。前記
従来の技術のうち、後者は、水流の断面形状を実測する
に当り、やはり水位センサに相当するセンサを要し、こ
の点では前者と同様の問題点があった。

【０００９】そこで、本発明はこれらの問題点を解消で
きる超音波ドップラー流量計を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の超音波ドップラー流量計は、開水路の底
面中央部に流体の流れ方向に対して一定の仰角で超音波
信号を送信する送信素子（４）と、該送信素子（４）に
隣接してほぼ同じ方向に向けて配設され、流体中の固体
粒子又は気泡等からの超音波の反射信号を受信して電気
信号に変換する受信素子（５）と、送信素子（４）に連
続して高周波信号を供給する送信回路部（９）と、前記
送信素子（４）の送信信号の周波数と受信素子（５）の
受信信号の周波数の差の周波数をとるヘテロダイン検波
部（１４）と、該ヘテロダイン検波部（１４）で得た差
信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバーター（１
６）と、その信号を周波数スペクトルに変換する高速フ
ーリエ変換部（１７）と、該高速フーリエ変換部（１
７）で得た周波数スペクトルのピーク山の周波数を求め
るピーク山検出部（１８）と、該ピーク山検出部（１
８）で求めたピーク山の周波数に基づいて流量を演算す
る流量演算部（１９）とを有する受信演算部（１２）と
を具備したことを特徴とするものである。

【００１１】そして、請求項２の発明は、請求項１の超
音波ドップラー流量計において、受信信号をヘテロダイ
ン検波する際、混合する信号を送信信号より一定だけ高
い周波数又は低い周波数でヘテロダイン検波を行い、高
速フーリエ変換部で得た周波数スペクトルのピーク山を
検出することによって、受信信号の周波数が送信信号の
周波数より大きいか小さいかにより流体の流れの方向を
判別することを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、図面に従って、本発明の好
ましい実施の形態を説明する。図２〜図４において、１
は内径が１．８ｍで、勾配が１／１０００の管路で、下
水が非満水状態で図２の矢印で示すように、右から左方
に向かって自然流下している。

【００１３】２は流体、３は超音波センサ部で管路１の
底面中央部に装着され、その傾斜部には流体２の流れ方
向に対して一定の仰角θで超音波信号を送信するＰＺＴ
からなる送信素子４と、該送信素子４に隣接してほぼ同
じ方向に向けて配設され、流体中の固体粒子又は気泡等
からなる物体６からの超音波の反射信号を受信して電気
信号に変換する受信素子５とを有している。

【００１４】超音波センサ部３は図５に示すように、半
円状に曲げた金属板７の中心に取付けられ、金属板７を
図２〜４の管路２の内壁面に沿わせて、両端を図示され
てないボルトで管路２に固定することで装着されてい
る。

【００１５】送信素子４と受信素子５は、何れも直径１
５ｍｍのＰＺＴからなる振動子で、互いに横に２２ｍｍ
離して取付けられ、仰角θは３０°、両素子の指向性は
半値角が２°である。図２で符号８で示すのは送信素子
４の指向性の軸線である。

【００１６】図１は信号処理回路のブロック図で、９は
送信回路部で、２ＭＨｚの高周波発振器１０と、該高周
波発振器１０からの高周波信号を増幅して送信素子４を
連続的に励振する増幅器１１とからなる。

【００１７】１２は受信演算部で、受信素子５の受信信
号を１０００倍に増幅する増幅器１３と、該増幅器１３
の出力と発振器１０の信号を混合して受信信号の周波数
と送信信号の周波数（２ＭＨｚ）の差の周波数（Δｆ）
をとるヘテロダイン検波部１４と、ヘテロダイン検波部
１４の出力に含まれている送信信号の直接の回り込みや
商用電源ノイズ及び高周波のノイズを除くための流速測
定に悪影響が出ない帯域幅の２００Ｈｚ〜３ｋＨｚを通
過させるバンドパスフィルタ１５と、該バンドパスフィ
ルタ１５の出力をディジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換
器１６と、該Ａ−Ｄ変換器１６でディジタル信号に変換
された差信号の周波数スペクトルを得る高速フーリエ変
換（以降ＦＦＴともいう）部１７と、該ＦＦＴ部１７で
得た周波数スペクトルのピーク山の周波数を求めるピー
ク山検出部１８と、該ピーク山検出部１８で求めたピー
ク山の周波数に基づいて流量を演算する流量演算部１９
とからなる。

【００１８】２０は流量演算部１９で求めた流量を積算
して積算流量（体積）を表示する積算表示部である。送
信素子４は２ＭＨｚ−１５Ｗの高周波電力で励振され
て、半値角２°の超音波ビームを仰角３０°で送信す
る。水中に送信された２ＭＨｚの超音波は水中の固体粒
子や気泡６に当たって反射し、受信素子５で受信されて
電気信号に変換される。受信信号は送信信号の周波数２
ＭＨｚからΔｆだけドップラーシフトした周波数になっ
ている。

【００１９】一般的に、送信信号の周波数がｆ₀、仰角
がθ、流体（水）の流速をＶ、水中の音速をＣとする
と、ドップラーシフトΔｆは、｜Δｆ｜＝（Ｖ／Ｃ）・２ｆ₀ｃｏｓθ ・・・（２）であらわされ、流速Ｖに比例する。

【００２０】なお、超音波の発射方向が流れと逆になっ
ている図１の場合には、受信信号の周波数は送信信号の
周波数より高い方向にシフトし、超音波の発射方向が流
れの方向になっているときは、受信信号の周波数は送信
信号の周波数より低い方向にシフトする。

【００２１】送信信号と受信信号はヘテロダイン検波部
１４で混合されて、両信号のビートをとり、差信号を得
る。つまりドップラーシフトした周波数のみの信号が取
り出される。送信素子４からの超音波ビームは、流れに
対して一定の仰角θで発射されるので、水位が変化して
も常に流路の底面から水面までに浮遊する固体粒子や気
泡６に照射されている。粒子や気泡はそれぞれの水深の
流速に乗っているので、各深さの粒子や気泡からの反射
波はそれぞれの流速に対応したドップラーシフトを生じ
ている。

【００２２】つまり、水深の深いところは流速が遅く小
さなドップラーシフトの近くからの反射波となり、水深
の浅いところは流速が速く大きなドップラーシフトの遠
くからの反射波となる。

【００２３】送信信号は連続して発射されているので、
受信素子５には水深の違う各点からの反射波が合成して
受信される。送信素子４と受信素子５はわずかに離れて
設置されているので、遠くの反射波は指向性の強い軸の
部分で、近くの反射波は指向性の弱い指向性の軸から離
れた部分で受信することになる。

【００２４】また、送信のビームは遠くで指向角分開
き、反射面積が増大するが、超音波はその分減衰するの
で、反射波の距離に対する強度は一定になるか穏やかに
減少する程度になる。水中での吸収による超音波の減衰
はあまりない。

【００２５】ところで、図２〜４の管路で、自然流下す
る流体の水位を色々変えて開水路の真ん中、即ち図４に
おけるＹ軸上の水深と流速の関係を実測した各水深にお
ける流速の分布を図６に示す。図６で、横軸は水深を％
で示す。

【００２６】また、図６で折線イ、ロ、ハ、ニ、ホ、ヘ
は、それぞれ水位が２２．５〜２３．５ｃｍ、２３．８
〜２４．０ｃｍ、２５〜２６．３ｃｍ、３３．５〜３
６．５ｃｍ、４０〜４２．５ｃｍ、４５．５〜４７．５
ｃｍで順に水位が大きくなっていて、水位に応じて流速
も順に速くなっている。流速は水深（％）の違いであま
り変わらず、また水位が変わってもそのプロフィール
（輪郭）は相似形をしていた。

【００２７】図６のように、開水路における水深ごとの
流速が、深さ方向で変化が少なく、水位の変化に対して
相似形である場合について、図１のＦＦＴ部１７で得た
周波数スペクトルを図７〜９に示す。

【００２８】図７〜９は、それぞれ水位が２６．３ｃ
ｍ、３５．３ｃｍ及び４６．５ｃｍで、図６の折線ハ、
ニ及びヘにほぼ対応する条件での周波数スペクトルで、
横軸は差信号の周波数Δｆ（Ｈｚ）、縦軸は差信号の振
幅である。

【００２９】また、図７〜９はそれぞれ、２０回のデー
タを記憶させて平均化したもので、更に平滑なカーブを
得るには、より多くの回数のデータを平均化すれば良い
が、流量計の応答速度が低下する不利がある。

【００３０】図７〜９で、各周波数スペクトルには、周
波数の比較的高いところでピーク山を生じている。この
ピーク山の周波数は図７では１．５ｋＨｚ、図８では
１．９２ｋＨｚ、図９では２．３ｋＨｚである。このよ
うにドップラーシフトΔｆの周波数スペクトルで最大流
速付近でピーク山を生じるのは、図６で説明したよう
に、管路２の中心（Ｙ軸）付近の流速が深さ方向ではあ
まり変化せず、水位の変化に対して相似形であるからで
ある。

【００３１】流路の流速分布が、これらの条件を満足し
ない場合は、ドップラーシフトの周波数スペクトルにピ
ーク山が生じないため、本発明のようにピーク山の周波
数に基づいて流速・流量を計測することはできない。

【００３２】図７〜９の周波数スペクトルのピーク山の
周波数を図１のピーク山検出部で求め、このピーク山の
周波数を前記数式（２）を変形した下記数式（３）のΔ
ｆに代入して流速Ｖを求めることができる。

【００３３】Ｖ＝Ｃ・Δｆ／（２ｆ₀ｃｏｓθ）・・・（３）このようにして、図７〜９の周波数スペクトルのピーク
山の周波数から数式（３）を用いて算出した各流速Ｖを
図１０の点Ｐ₁、Ｐ₂及びＰ₃に示す。図１０で折線又
は点Ｐ₁、Ｐ₂及びＰ₃を結んだものである。

【００３４】なお、図１０で、曲線ト、チは、図２〜４
に示す断面円形の管路で、数式（１）のマニングの式か
ら求めた開水路の水位と平均流速Ｖとの関係を示す曲線
で、流路（管路）の条件として、内径１．８ｍ、水面勾
配は図２〜４の場合と同じ１／１０００としている。そ
して、曲線トは粗度係数ｎが０．０１５、曲線チは粗度
係数ｎが０．０１３である。

【００３５】図２〜４の管路２の粗度係数はこの程度と
考えられるので、図１０から、点Ｐ ₁、Ｐ₂、Ｐ₃は、
マニングの式で求めた平均流速Ｖに良く対応しているこ
とが判る。つまり、ドップラーシフトの周波数スペクト
ルのピーク山の周波数が流路の平均流速に対応している
と言える。

【００３６】従って、周波数スペクトルのピーク山の周
波数に基づいて平均流速を、また、開水路の断面形状寸
法、勾配、壁面の粗度係数などが既知であれば、平均流
速の公式（数式）（１）から水位が一つに定まり、流量
を求めることができる。こうして流量を求める演算は、
図１の流量演算部１９で行う。

【００３７】なお、本発明では、送信素子４からの超音
波ビームは流速分布の中心に底面から水面までにわたっ
て伝播する構造になっていることが重要なポイントであ
る。超音波ビームは送信素子から出た後、伝播中に広が
っていくため、厳密に管路の底面中央に設ける必要はな
いが、側壁の近くや側壁に設置すると平均流速を検出す
ることは期待できないため好ましくない。

【００３８】また本発明で、流体の流れ方向を検知する
には、ヘテロダイン検波を行う基準周波数を送信周波数
より一定だけ高くか又は低くする。液体の流速にもよる
が３〜５ｋＨｚ程度が良い。

【００３９】ヘテロダイン検波で送信波ｆ₀に対して、
受信波ｆ′₀が±Δｆの時、ビート信号は低くｆ′₍₀₎
−ｆ₍₀₎＝ Δｆとなって、周波数の大小は判明できない
が基準信号をｆ₁だけにすると、ビート信号はｆ′₍₀₎
−（ｆ₍₀₎−ｆ₁）＝±Δｆ＋ｆ₁となって、このピー
ク山を検出し流れ方向を判別する（図１２参照）。

【００４０】次に平均流速検出と、流れ方向検出を交互
に行う場合の動作を説明する。［ステップ１］コントローラ２１は始めに、ヘテロダイ
ン検波部１４にｆ₀を送る様に命ずる。又ピーク山検出
部１８の出力は流量演算部１９へ出力されている。［ステップ２］高周波発振器１０はｆ₀を発振する。［ステップ３］増幅器１１はｆ₀を電力増幅してｆ₀の
電力を送信子を振動させ、超音波を液中に送出する。［ステップ４］増幅器１３は連続的な反射波ｆ′₀を増
幅する。［ステップ５］ヘテロダイン検波部１４は、ｆ′₀の受
信信号と送信の周波数ｆ ₀の基準信号を混合、増幅してｆ′₀−ｆ₀＝Δｆのドップラーシフト信号のみを取り出す。

【００４１】（注１）このΔｆはｆ′₀がｆ₀より大き
くても、ｆ₀より小さくても、交流の特性上区別はつけ
られない。（注２）ｆ′₀からΔｆ（数ｋＨｚ）に変換する理由
は、ドップラーシフトを高速フーリエ変換する場合、数
ＭＨｚの信号から数１００〜数ｋＨｚのＦＦＴを行うに
は、その周波数分のデジタルデータ、即ち、２００Ｈｚ
〜２ＭＨｚでは、１万点以上のデータが必要になり、と
ても計算が対応できないこと、又、高速のＡＤコンバー
ターが必要となるが、とても追従できないことによる。

【００４２】即ち、ＦＦＴを行う為、データの周波数を
下げて、信号処理をやりやすくする為である。［ステップ６］バンドパスフィルタ１５は、ドップラー
シフト信号Δｆが、０Ｈｚ近くで含んでいるノイズを抑
制する。［ステップ７］Ａ−Ｄ変換器１６は、これまでアナログ
信号であったΔｆをデジタルの各ポイントの電圧信号に
変換する。［ステップ８］ＦＦＴ部１７では、デジタルデータを一
定の数、例えば０．１ｍｓｅｃ間隔で２０４８点記録
し、これを高速フーリエ変換する。高速フーリエ変換で
は、この時最高周波数は０．１ｍｓｅｃの２倍即ち５ｋ
Ｈｚまでの分析ができる（図１１参照）。高速フーリエ
変換が一回では、スペクトル分布がでこぼこするので、
数１０回くり返し、平均化するのが良い。［ステップ９］ピーク山検出部１８では、ＦＦＴ信号
（平均化された）の各ポイントを比較してピーク山の周
波数の信号を送り出す。［ステップ１０］流量演算部１９は、ピーク山の周波数
が判明するとこのデータと流路の要素から平均流速を算
出し、流量を計算する。

【００４３】平均流速は、前記（３）式、Ｖ＝Ｃ・Δｆ
／（２ｆ_O ｃｏｓθ）で求められる。次に、流れ方向の
判定の場合。［ステップ１１］コントローラー２１は、ヘテロダイン
検出部１４へ、例えばｆ ₀−３ｋＨｚの基準波を送る様
に基準信号部２２を駆動させる。［ステップ１２］高周波発振器１０は、前と同じくｆ₀
を発振している。［ステップ１３］送信回路１１も、前と同じくｆ₀を送
出する。［ステップ１４］受信増幅部１３も、前と同じくｆ′₀
を増幅する。［ステップ１５］ヘテロダイン検波部１４では、ｆ′₀
と（ｆ₀−３ｋＨｚ）のヘテロダイン検波が行われ、流
れが順方向では３ｋＨｚ＋Δｆの信号が得られ、逆方向
では３ｋＨｚ−Δｆの信号が得られる。［ステップ１６］バンドパスフィルタ１５も、前と同じ
くノイズを抑制する。［ステップ１７］Ａ−Ｄ変換器１６も、前と同じく変換
する。［ステップ１８］ＦＦＴ部１７は、３ｋＨｚ＋Δｆを高
速フーリエ変換して、周波数スペクトルの表示をさせる
と周波数スペクトルは、図１２の様に３ｋＨｚを区切り
に上流側にピーク山が出る場合と、３ｋＨｚより下流側
にピーク山が出る場合がある。［ステップ１９］ピーク山検出部１８は前と同じ。［ステップ２０］流れ方向検出部２３では、ピーク山検
出を上記ステップ９と同様に行うが、それは正確にピー
ク山を求める必要はなく、図１２のように３ｋＨｚ以上
に山があるか否かと言った程度で、流れ方向を判明させ
る。

【００４４】こうして、３ｋＨｚより大か否かを判定し
て、流れ方向の表示を流れ方向表示部２４で行う。［ステップ２１］流量表示部２０では、流量積算が必要
な場合は流れ方向により、瞬間流量の積算、減算を行う
か又は逆方向の積算停止を行う。

【００４５】次に、ステップ１に戻る。ステップ１〜１
０を数１０回くり返し、平均化された値を求め、流れ方
向の検出は、その間に１回程度で良い。

【００４６】以上、この流れ方向の検出は、ヘテロダイ
ン検波、ＦＦＴ処理において、ヘテロダインの基準周波
数を数ｋＨｚ変えるだけで行えるという、極めて簡単な
方法である。

【００４７】

【発明の効果】本発明の超音波ドップラー流量計は上述
のように構成されているので、水位センサを用いること
なく、ドップラーシフトに基づいて流量を計測でき、ま
た流れの方向も判別できるので、排水路の逆流など緊急
事態の発見に好都合である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のブロック図である。

【図２】本発明の実施形態の管路の縦断面正面図であ
る。

【図３】本発明の実施形態の管路の縦断面平面図であ
る。

【図４】本発明の実施形態の管路の横断面図である。

【図５】本発明の実施形態の速度センサまわりの斜視図
である。

【図６】図２〜４の管路の水深と流速の関係を示す線図
である。

【図７】本発明の実施形態における差信号の周波数スペ
クトルである。

【図８】本発明の実施形態における差信号の周波数スペ
クトルである。

【図９】本発明の実施形態における差信号の周波数スペ
クトルである。

【図１０】水位と平均流速の関係を示す線図である。

【図１１】周波数スペクトルを示す説明図である。

【図１２】周波数スペクトルを示す説明図である。

【符号の説明】

１管路（流路）３速度センサ４送信素子５受信素子９送信回路部１２受信演算部１４ヘテロダイン検波部１７高速フーリエ変換部１８ピーク山検出部１９流量演算部

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【手続補正書】

【提出日】平成８年９月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】このものは、信号発生器において発生され
た特定周波数の電気信号を発信用トランスデューサを介
して流路内を流れる流体に発信し、流体中の物体から発
射される反射波を受信用トランスデューサで受信し、発
信用トランスデューサから発信された発信信号の周波数
と受信用トランスデューサで受信された受信信号の周波
数との差信号に基づいて前記流体の速度を測定するドッ
プラーシフトを利用した流体速度測定方法において、発
信用トランスデューサおよび受信用トランスデューサを
互いに近接した状態で流路の底部に設けると共に、前記
差信号を、一定の周波数幅をもった所定の周波数帯でス
キャンすることにより各周波数帯の強度を求めた後、加
重平均法を適用することにより前記流体の平均流速を求
めると共に、前記特定周波数の電気信号を９０°移相し
て得られる９０°移相信号の周波数と前記受信信号の周
波数との差信号を前記差信号と比較することにより前記
流体の流れる方向を検出するようにしている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】送信素子４と受信素子５は、何れも直径１
５ｍｍのＰＺＴからなる振動子で、互いに横に２２ｍｍ
離して取付けられ、仰角θは３０°、両素子の指向性は
半値角が２°である。図２で符号８で示すのは送信素子
４の音源の中心軸である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】１２は受信演算部で、受信素子５の受信信
号を１０００倍に増幅する増幅器１３と、該増幅器１３
の出力と発振器１０の信号を混合してローパスフィルタ
ーを通し、受信信号の周波数と送信信号の周波数（２Ｍ
Ｈｚ）の差の周波数（Δｆ）をとるヘテロダイン検波部
１４と、ヘテロダイン検波部１４の出力に含まれている
送信信号の直接の回り込みや商用電源ノイズ及び高周波
のノイズを除くための流速測定に悪影響が出ない帯域幅
の２００Ｈｚ〜３ｋＨｚを通過させるバンドパスフィル
タ１５と、該バンドパスフィルタ１５の出力をディジタ
ル信号に変換するＡ−Ｄ変換器１６と、該Ａ−Ｄ変換器
１６でディジタル信号に変換された差信号の周波数スペ
クトルを得る高速フーリエ変換（以降ＦＦＴともいう）
部１７と、該ＦＦＴ部１７で得た周波数スペクトルのピ
ーク山の周波数を求めるピーク山検出部１８と、該ピー
ク山検出部１８で求めたピーク山の周波数に基づいて流
量を演算する流量演算部１９とからなる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】送信信号と受信信号はヘテロダイン検波部
１４で混合されて、両信号のビートをとり、ローパスフ
ィルターを通して差信号を得る。つまりドップラーシフ
トした周波数のみの信号が取り出される。なお、このロ
ーパスフィルターは、すぐ後段に２００Ｈｚ〜３Ｋｚの
バンドパスフィルターを設けているので、省略すること
もできる。送信素子４からの超音波ビームは、流れに対
して一定の仰角θで発射されるので、水位が変化しても
常に流路の底面から水面までに浮遊する固体粒子や気泡
６に照射されている。粒子や気泡はそれぞれの水深の流
速に乗っているので、各深さの粒子や気泡からの反射波
はそれぞれの流速に対応したドップラーシフトを生じて
いる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】送信信号は連続して発射されているので、
受信素子５には水深の違う各点からの反射波が合成して
受信される。送信素子４と受信素子５はわずかに離れて
設置されているので、遠くの反射波は指向性の強い中心
軸の方向の信号を、近くの反射波は指向性の弱い中心軸
から離れた方向からの信号を受信する。つまり、受信の
指向性により、遠くの反射波は強く受信され、近くの反
射波は弱く受信されることになる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２４】また、送信のビームは遠くで指向角分開
き、反射面積が増大するが、超音波はその分減衰するの
で、受信信号の反射物の距離に対する強度は一定になる
か穏やかに減少する程度になる。水中での吸収による超
音波の減衰はあまりない。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】次に平均流速検出と、流れ方向検出を交互
に行う場合の動作を説明する。〔ステップ１〕コントローラ２１は始めに、ヘテロダイ
ン検波部１４にｆ₀を送る様に命ずる。又ピーク山検出
部１８の出力は流量演算部１９へ出力されている。〔ステップ２〕高周波発振器１０はｆ₀を発振する。〔ステップ３〕増幅器１１はｆ₀を電力増幅してｆ₀の
電力を送信子を振動させ、超音波を液中に送出する。〔ステップ４〕増幅器１３は連続的な反射波ｆ′₀を増
幅する。〔ステップ５〕ヘテロダイン検波部１４は、ｆ′₀の受
信信号と送信の周波数ｆ ₀の基準信号を混合し、ローパ
スフィルターを通してｆ′₀−ｆ₀＝Δｆのドップラーシフト信号のみを取り出す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】開水路の底面中央部に流体の流れ方向に
対して一定の仰角で超音波信号を送信する送信素子
（４）と、該送信素子（４）に隣接してほぼ同じ方向に
向けて配設され、流体中の固体粒子又は気泡等からの超
音波の反射信号を受信して電気信号に変換する受信素子
（５）と、送信素子（４）に連続して高周波信号を供給する送信回
路部（９）と、前記送信素子（４）の送信信号の周波数と受信素子
（５）の受信信号の周波数の差の周波数をとるヘテロダ
イン検波部（１４）と、該ヘテロダイン検波部（１４）
で得た差信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ
ー（１６）と、その信号を周波数スペクトルに変換する
高速フーリエ変換部（１７）と、該高速フーリエ変換部
（１７）で得た周波数スペクトルのピーク山の周波数を
求めるピーク山検出部（１８）と、該ピーク山検出部
（１８）で求めたピーク山の周波数に基づいて流量を演
算する流量演算部（１９）とを有する受信演算部（１
２）とを具備したことを特徴とする超音波ドップラー流
量計。
【請求項２】受信信号をヘテロダイン検波する際、混
合する信号を送信信号より一定だけ高い周波数又は低い
周波数でヘテロダイン検波を行い、高速フーリエ変換部
で得た周波数スペクトルのピーク山を検出することによ
って、受信信号の周波数が送信信号の周波数より大きい
か小さいかにより流体の流れの方向を判別することを特
徴とする請求項１記載の超音波ドップラー流量計。