JPH1038650A - 超音波流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送受波器
２、３を配置し、前記各送波器の超音波発信素子に駆動
パルスＰを印加して相互に超音波を発生送信するととも
に、送信された超音波を相互に受波器で受信し、各受信
波Ｗ、Ｗ´の比較から求めた該超音波の伝搬時間の差に
基いて流速を測定する超音波流速測定方法において、受
信波Ｗ、Ｗ´における第１半波Ｗ1 、Ｗ1 ´を確実に認
識でき、ひいては十分な測定精度を確保できる超音波流
速測定方法を提供する。 【解決手段】前記駆動パルスＰの第１波Ｐ1 を、立上が
りが緩やかで立ち下がりが急峻な三角波とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波を利用してガ
スその他の流体の流速を測定する超音波流速測定方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスその他の流体の流量を求めるに際
し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、こ
れに基いて流量を演算することが行われている。このよ
うな流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用し
た方法が知られている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図３
にて説明すると次のとおりである。図３において、
（１）は内部を矢印方向にガス等の流体が流れる管路で
ある。この管路（１）内には、流れ方向の上流側及び下
流側に、所定距離を隔てて送受波器（２）（３）が配置
されている。

【０００４】前記の各送受波器（２）（３）は送波器と
受波器を兼ねるもので、振動子からなる超音波発信兼受
信素子（図示略）を備えており、この超音波発信兼受信
素子がパルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆
動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信され
てきた超音波を受信して超音波発信兼受信素子が振動し
たときの受信波が増幅回路（５）から電気信号として出
力されるものとなされている。

【０００５】そして、上流側送受波器（２）から流れに
対して順方向に送信された超音波が下流側送受波器
（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側送受波器
（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上
流側送受波器（２）で受波されるまでの伝搬時間との差
は、流速に関係することから、この伝搬時間差を求める
ことにより流体の流速を測定するものとなされている。
なお、図３において、（６）は各送受波器（２）（３）
とパルス発生回路（４）及び増幅回路（５）の接続を切
替える切替回路であり、まずパルス発生回路（４）と上
流側の送受波器（２）、下流側の送受波器（３）と増幅
回路（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間
を測定したのち、該切替回路（６）の作動によりパルス
発生回路（４）と下流側の送受波器（３）、上流側の送
受波器（２）と増幅回路（５）とが接続されるように切
替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するもの
となされている。

【０００６】ところで、上記のような超音波の伝搬時間
差は、従来、相互の送受波器（２）（３）を介して増幅
回路（５）から出力される受信波の第１波を基準にして
測定していた。より具体的には、受信波の最初の第１半
波が基準位相（基準電圧）に達した時点での時間差を測
定していた。

【０００７】而して、前記受信波の波形は送受波器
（２）（３）の超音波発信素子に印加される駆動パルス
の波形に依存するが、従来では、駆動パルスがほぼ矩形
波であったため次のような欠点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】即ち、図４の鎖線で示
されるように、パルス発生回路（４）から発信された矩
形状の駆動パルスＰの第１波Ｐ1 が超音波発信素子に入
力されると、該超音波発信素子が振動して該振動に応じ
た超音波が出力される。この超音波の波形は、第１半波
のピーク値よりも第２半波のピーク値の方が大きい。こ
れは超音波発信兼受信素子が２次の振動系であり、静電
容量とインダクタンスよりなる２次の振動回路と考える
ことができるからである。従って、出力回路（５）から
出力される受信波Ｗの波形も、図４に実線にて示すよう
に、第１半波Ｗ1 のピーク値よりも、第２半波Ｗ2 のピ
ーク値の方が大きい波形となる。

【０００９】このように、受信波Ｗの第１半波Ｗ1 のピ
ーク値が小さく、第２半波Ｗ2 以降のピーク値の方が大
きくなるため、第１半波Ｗ1 を基準に超音波の伝搬時間
差を測定しようとしても、果たしてそれが真に第１半波
Ｗ1 なのかあるいは第１半波を通り越した第２半波Ｗ2
の波なのか判断が困難な場合があり、測定精度を確保す
るのが難しいという欠点があった。

【００１０】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、受信波における第１半波を確
実に認識でき、ひいては十分な測定精度を確保できる超
音波流速測定方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、第１半波のピーク値が最も高くなるよ
うに、超音波発信素子に印加する駆動パルスの波形を設
定したものである。

【００１２】即ち、この発明は、計測流体の上流側と下
流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、前記各送波
器の超音波発信素子に駆動パルスを印加して相互に超音
波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に
受波器で受信し、各受信波の比較から求めた該超音波の
伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波流速測定方
法において、前記駆動パルスの第１波を、立上がりが緩
やかで立ち下がりが急峻な三角波とすることを特徴とす
るものである。

【００１３】これにより、三角波の立ち下がりによって
生じる、伝達時間差の測定基準となる受信波の第１半波
のピーク値を、その後に続く第２半波およびそれ以降の
波のピーク値に比べて最も大きくできる。その結果、受
信波の第１半波を確実に認識・捕捉しうるとともに、該
第１半波を飛び越えてそれ以降の波を基準波として判定
する不都合がなくなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、この発明の一実施形態を説
明する。この発明を実施するための超音波流速測定装置
の構成例は、図３に示すものと同じであり、その説明は
省略する。

【００１５】この発明では、前記送受波器（２）（３）
における超音波発信素子を駆動するために、パルス発生
回路（４）から出力される駆動パルスＰの第１波Ｐ1
は、図１に示すように、立上がりが緩やかで立ち下がり
が急峻な三角波とする。このような三角波が超音波発信
素子に印加されると、該超音波発信素子が振動して実線
で示されるような波形の超音波が出力される。この超音
波の波形は、三角波の緩やかな立上がり（Ｐ11）の部分
においては、極めて微小な振幅で振動したのち、三角波
の急激な立下がり（Ｐ12）により、ピーク値の大きな第
１半波を生じ、その後ピーク値が徐々に減衰する振動波
形を示す。ここで述べた、超音波発信素子に送信パルス
を印加したときの受信波の応答を具体的に説明すると次
のとうりである。

【００１６】超音波素子の機械振動について、一般に次
に示すような方程式が成り立つ。

【００１７】

【数１】 ただし、 ｆ：力 ｖ：速度 ｕ：変位 ｒ：機械抵抗 ｍ：質量 Ｓn ：コンプライアンスである。

【００１８】ここで送波器の超音波発信素子系を添字
１、受波器の超音波受信素子系を添字２で表わす。

【００１９】ところで、超音波素子は一般に圧電セラミ
ックで構成され、静電容量を形成している。これに電圧
を印加したとき、超音波発信素子にかかる力ｆ1 は、蓄
積される電荷の２乗に比例しその電荷は電圧Ｖinに比例
することから、結局、入力電圧Ｖinの２乗に比例し、

【数２】 と表わされる。したがって、［１］［２］より次式が成
り立つ。

【００２０】

【数３】 一方、超音発信波素子の振動により流体が受ける力は、

【数４】 であるから、超音波受信素子が流体から受ける力は

【数５】 と表わされる。したがって、［１］［５］より次式が成
り立つ。

【００２１】

【数６】 また、超音波受信素子における電力出力Ｖout は超音波
素子の変位に比例するので

【数７】 と表わされる。

【００２２】ここで、［３］式において

【数８】 とおいて整理すると次式が得られる。

【００２３】

【数９】 また、超音波発信素子１、超音波受信素子２はそれぞれ

【数１０】

【数１１】 なる共振周波数を有し、これらは互いに等しくなるよう
作製されているので、［７］式についても上記の変換と
同様にして

【数１２】 とおいて整理すると次式が得られる。

【００２４】

【数１３】 以上［７］［９］［１３］の３式において、既知の定数
を代入し、Ｖinを与えてやるとＶout を導出することが
できる。

【００２５】［７］［９］［１３］の３式からＶout を
導出する解法は、例えば、差分法を利用した解法が挙げ
られる。以下、その具体的解法について説明する。

【００２６】まず、［９］式を次のように単純化する。

【００２７】

【数１４】 これを差分式に変換すると

【数１５】 となり、これをｖｎについて整理すると

【数１６】 なる式が得られる。これにより、Ｖn を与えてやるとｖ
ｎが順次求まり、［９］式での解であるｖ1 が得られ
る。

【００２８】次に［１０］式についても上記と同様の単
純化を行い、［１６］式で求めた解を基に［１０］式で
の解であるｖ2 を導出し、さらにそれを［７］式に代入
することでＶout を導出することができる。

【００２９】ここでは、差分法による解法を挙げたが、
その解法に限定されるものでなく、その他の解法を利用
してもよい。

【００３０】しかして、送信波を前記三角波とすると、
受波器（３）により受信され出力回路（５）から出力さ
れた受信波形は図１に実線で示すような波形となる。つ
まり、前記三角波の立ち下がり（Ｐ12）に対応する受信
波形（Ｗ）の第１半波（Ｗ1）は、ピーク値が最も大き
く、その後減衰する振動波形となる。従って、例えば伝
搬時間差の測定のための基準レベルが変動し、受信波
（Ｗ）の第１半波（Ｗ1）のピーク値を越えたため該第
１半波を捕捉できなかったような場合には、出力が生じ
ないからその測定は無効と判断すればよく、第２半波
（Ｗ2 ）やそれ以降の波を捕捉する恐れはなく、測定精
度が低下する不都合がなくなる。

【００３１】こうして、流体の上流側及び下流側双方に
設けた送受波器（２）（３）から、所期する波形の送信
波を送り、これを双方の送受波器（２）（３）で受信し
て、図１に示すような２つの受信波（Ｗ）（Ｗ´）を得
る。

【００３２】而して、得られた２つの受信波は、図１に
示すように流体流速に応じて変化する伝搬時間差（位相
差）ｔを生じているから、それぞれの受信波（Ｗ）（Ｗ
´）の第１半波（Ｗ1 ）（Ｗ1 ´）が基準位相（基準電
圧）に達した時点を比較することによりこの伝搬時間差
ｔを測定し、これに基いて流体流速を求め、さらに必要
に応じて流量を求める。また、流体流速を連続的ないし
定期的に測定する必要がある場合には、上記の操作を所
定の時間ごとに連続的ないし定期的に繰り返せば良い。

【００３３】なお、以上の説明では、駆動パルスＰとし
て立上がりが緩やかで立ち下がりが急峻な三角波（Ｐ1
）のみを単発的に超音波発信素子に印加するものとし
たが、図２に示すように、三角波（Ｐ1 ）に続けて複数
個の矩形状パルス（Ｐ2 ）（Ｐ3 ）……を印加すること
により、受信波（Ｗ）の第２半波（Ｗ2 ）及びそれ以降
の波のピーク値を第１半波（Ｗ1 ）のピーク値を超えな
い範囲で高くしても良い。要は、１回の測定において超
音波発信素子に印加する駆動パルスＰの第１波Ｐ1 が、
前記三角波であれば良い。

【００３４】また、以上の実施形態では、流体流れの上
流側と下流側に各１個の送受波器を設け、切替回路で接
続を切替えて、上流側から下流側への送信と下流側から
上流側への送信を順次的に行う場合を示したが、上流側
に送波器と受波器を別々に設けるとともに下流側にもこ
れに対応して受波器と送波器を別々に設けることによ
り、伝搬時間の測定を同時的に行うものとしても良い。

【００３５】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、計測流体の
上流側と下流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、
駆動パルスを前記各送波器の超音波発信素子に印加して
相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音
波を相互に受波器で受信し、各受信波の比較から求めた
該超音波の伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波
流速測定方法において、前記駆動パルスの第１波を、立
上がりが緩やかで立ち下がりが急峻な三角波とすること
を特徴とするものであるから、該三角波の立ち下がりに
よって生じる、伝達時間差の測定基準となる受信波の第
１半波のピーク値を、その後に続く第２半波およびそれ
以降の波のピーク値に比べて最も大きくできる。その結
果、受信波の第１半波を確実に認識・捕捉しうるととも
に、該第１半波を飛び越えてそれ以降の波を基準波とし
て判定する不都合がなくなり、測定精度の高い流速測定
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明において、送波器の超音波発信素子に
印加する駆動パルスと、受信波との関係を示す波形図で
ある。

【図２】同じく送波器の超音波発信素子に印加する駆動
パルスの変形例と、受信波との関係を示す波形図であ
る。

【図３】超音波流速測定の原理構成を説明するための概
略構成図である。

【図４】従来方法において、送波器の超音波発信素子に
印加する駆動パルスと、受信波との関係を示す波形図で
ある。

【符号の説明】

１…配管 ２、３…送受波器 ４…パルス発生回路 ５…出力回路 Ｐ…駆動パルス Ｗ、Ｗ´…受信波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 明男 大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 河野 明夫 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 中村 英司 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 保田 哲也 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送
   波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発信素
   子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信する
   とともに、送信された超音波を相互に受波器で受信し、
   各受信波の比較から求めた該超音波の伝搬時間の差に基
   いて流速を測定する超音波流速測定方法において、 前記駆動パルスの第１波を、立上がりが緩やかで立ち下
   がりが急峻な三角波とすることを特徴とする超音波流速
   測定方法。