JPH1068644A - 渦流量計 - Google Patents
渦流量計Info
- Publication number
- JPH1068644A JPH1068644A JP8226540A JP22654096A JPH1068644A JP H1068644 A JPH1068644 A JP H1068644A JP 8226540 A JP8226540 A JP 8226540A JP 22654096 A JP22654096 A JP 22654096A JP H1068644 A JPH1068644 A JP H1068644A
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- Japan
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- ultrasonic
- sound pressure
- receiver
- vortex
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 超音波信号の送受信の際に超音波レベルの変
化を小さく抑えることができるように改良した渦流量計
を提供するにある。 【解決手段】 測定管路に設けられた超音波送信器から
送出された送信超音波がカルマン渦により伝播時間の変
更を受けて先の超音波送信器に対向して先の測定管路に
配置された超音波受信器により受信超音波として受信さ
れこれを用いて先の測定管路に流れる測定流体の流量を
算定する渦流量計において、Ｋを送信音圧に対する受信
音圧の比率を示す音圧係数、τを先の超音波送信器と先
の超音波受信器との間の距離、λを先の送信超音波の波
長として、少なくとも先の超音波送信器に内蔵される圧
電素子の半径ｒを、 Ｋ＝２SIN［π｛（τ2＋ｒ2）1/2−τ｝／λ］ の式で決定するように選定したものである。
化を小さく抑えることができるように改良した渦流量計
を提供するにある。 【解決手段】 測定管路に設けられた超音波送信器から
送出された送信超音波がカルマン渦により伝播時間の変
更を受けて先の超音波送信器に対向して先の測定管路に
配置された超音波受信器により受信超音波として受信さ
れこれを用いて先の測定管路に流れる測定流体の流量を
算定する渦流量計において、Ｋを送信音圧に対する受信
音圧の比率を示す音圧係数、τを先の超音波送信器と先
の超音波受信器との間の距離、λを先の送信超音波の波
長として、少なくとも先の超音波送信器に内蔵される圧
電素子の半径ｒを、 Ｋ＝２SIN［π｛（τ2＋ｒ2）1/2−τ｝／λ］ の式で決定するように選定したものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、カルマン渦により
伝播時間の変更を受けた超音波信号を用いて流路に流れ
る測定流体の流量を算定する渦流量計に係り、特に、超
音波信号の送受信の際に超音波レベルの変化を小さく抑
えることができるように改良した渦流量計に関する。
伝播時間の変更を受けた超音波信号を用いて流路に流れ
る測定流体の流量を算定する渦流量計に係り、特に、超
音波信号の送受信の際に超音波レベルの変化を小さく抑
えることができるように改良した渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の渦流量計の構成を示す構成
図である。この場合は、連続波としての超音波を渦に放
射して得られる伝播時間の変更を検出することにより測
定流体の流量を算定する渦流量計の構成を示している。
図である。この場合は、連続波としての超音波を渦に放
射して得られる伝播時間の変更を検出することにより測
定流体の流量を算定する渦流量計の構成を示している。
【０００３】基準クロック回路１０から基準クロックＣ
Ｌ1を駆動回路１１に送出することにより、駆動回路１
１は基準クロックＣＬ1に同期してカルマン渦の周波数
に対して高い周波数である駆動信号ＤＳ1を円柱状の圧
電素子で構成された超音波送信器１２に送出する。
Ｌ1を駆動回路１１に送出することにより、駆動回路１
１は基準クロックＣＬ1に同期してカルマン渦の周波数
に対して高い周波数である駆動信号ＤＳ1を円柱状の圧
電素子で構成された超音波送信器１２に送出する。
【０００４】この超音波送信器１２は、測定管路１３の
中に固定された渦発生体１４の下流側であって、この渦
発生体１４と測定管路１３の管軸との双方に直角な方向
の管壁に固定され、管軸に対して超音波送信器１２と対
向する管壁には、円柱状の圧電素子で構成された超音波
受信器１５が固定されている。
中に固定された渦発生体１４の下流側であって、この渦
発生体１４と測定管路１３の管軸との双方に直角な方向
の管壁に固定され、管軸に対して超音波送信器１２と対
向する管壁には、円柱状の圧電素子で構成された超音波
受信器１５が固定されている。
【０００５】駆動信号ＤＳ1により超音波送信器１２か
ら超音波が測定流体に送出され、超音波送信器１２と超
音波受信器１５とを結ぶ方向のカルマン渦の速度成分に
より変調された超音波は超音波受信器１５で受信され、
超音波信号ＳU1として増幅器１６に出力される。さら
に、この超音波信号ＳU1はパルス化回路１７でパルス化
された超音波信号ＳU2として位相検出回路１８に出力さ
れる。
ら超音波が測定流体に送出され、超音波送信器１２と超
音波受信器１５とを結ぶ方向のカルマン渦の速度成分に
より変調された超音波は超音波受信器１５で受信され、
超音波信号ＳU1として増幅器１６に出力される。さら
に、この超音波信号ＳU1はパルス化回路１７でパルス化
された超音波信号ＳU2として位相検出回路１８に出力さ
れる。
【０００６】一方、参照波回路１９には、基準クロック
回路１０から基準クロックＣＬ1が印加され、これに同
期して参照波回路１９からは参照波信号ＳR1が位相検出
回路１８に出力されている。そこで、位相検出回路１８
はこの参照波信号ＳR1を基準として超音波信号ＳU2を位
相検波してフイルタ２０に出力する。
回路１０から基準クロックＣＬ1が印加され、これに同
期して参照波回路１９からは参照波信号ＳR1が位相検出
回路１８に出力されている。そこで、位相検出回路１８
はこの参照波信号ＳR1を基準として超音波信号ＳU2を位
相検波してフイルタ２０に出力する。
【０００７】フイルタ２０はシュミットトリガ回路２１
にフイルタ信号を送出すると共に位相シフタ２２にも信
号を送出するが、位相シフタ２２は参照波回路１９に初
期位相の値によってπだけ位相の違った参照波信号ＳR1
を位相検出回路１８に出力するように制御する。
にフイルタ信号を送出すると共に位相シフタ２２にも信
号を送出するが、位相シフタ２２は参照波回路１９に初
期位相の値によってπだけ位相の違った参照波信号ＳR1
を位相検出回路１８に出力するように制御する。
【０００８】シュミットトリガ回路２１は、フイルタ２
０の出力端に得られるカルマン渦を再現した渦波形を所
定の閾値を基準としてパルス状の波形として出力端２３
に出力する。
０の出力端に得られるカルマン渦を再現した渦波形を所
定の閾値を基準としてパルス状の波形として出力端２３
に出力する。
【０００９】次に、以上の点を更に詳しく数式を用いて
説明する。超音波信号ＳU1の伝播時間Ｔは、測定流体の
音速をＣ、渦の循環流の速度をＶV、渦周波数をｆV、測
定管路１３の口径をＤとすると、時間ｔの関数として、 Ｔ＝Ｄ／［Ｃ−ＶVｓｉｎ（２πｆV・ｔ）］ （１） で表わせる。
説明する。超音波信号ＳU1の伝播時間Ｔは、測定流体の
音速をＣ、渦の循環流の速度をＶV、渦周波数をｆV、測
定管路１３の口径をＤとすると、時間ｔの関数として、 Ｔ＝Ｄ／［Ｃ−ＶVｓｉｎ（２πｆV・ｔ）］ （１） で表わせる。
【００１０】また、超音波信号ＳU1の周波数をｆSとす
ると参照波信号ＳR1との位相Φは、 Φ＝２πｆSＤ／［Ｃ−ＶVｓｉｎ（２πｆV・ｔ）］ ≒２πｆSＤ／Ｃ＋２πｆSＤＶVｓｉｎ（２πｆV・ｔ）／Ｃ2 （２） となる。
ると参照波信号ＳR1との位相Φは、 Φ＝２πｆSＤ／［Ｃ−ＶVｓｉｎ（２πｆV・ｔ）］ ≒２πｆSＤ／Ｃ＋２πｆSＤＶVｓｉｎ（２πｆV・ｔ）／Ｃ2 （２） となる。
【００１１】この（２）式の第１項は初期位相を、第２
項は渦による位相変化をそれぞれ示している。ここで、
測定流体の温度変化などにより音速Ｃが変化するので、
初期位相も変化するが、渦による位相変化に比べて非常
にゆっくり変化するので、ほぼ一定と考えて良い。この
ため、位相Φの変化は位相検出回路１８で測定すること
ができ、フイルタ２０により渦を再現することができ
る。
項は渦による位相変化をそれぞれ示している。ここで、
測定流体の温度変化などにより音速Ｃが変化するので、
初期位相も変化するが、渦による位相変化に比べて非常
にゆっくり変化するので、ほぼ一定と考えて良い。この
ため、位相Φの変化は位相検出回路１８で測定すること
ができ、フイルタ２０により渦を再現することができ
る。
【００１２】なお、この場合、初期位相が０或いは２π
の近傍にあると渦による位相変化が小さくても簡単に位
相検出回路１８の処理範囲を越えてしまうので、位相シ
フタ２２で直流的な初期位相の値によってπだけ位相の
違った参照波信号に切り換えて処理範囲の中に収める。
の近傍にあると渦による位相変化が小さくても簡単に位
相検出回路１８の処理範囲を越えてしまうので、位相シ
フタ２２で直流的な初期位相の値によってπだけ位相の
違った参照波信号に切り換えて処理範囲の中に収める。
【００１３】フイルタ２０の出力により渦がアナログ的
に再現されるので、シュミットトリガ回路２１でこれを
パルス化することにより、渦による位相の変化が小さい
場合は、出力端２３にパルス状の渦信号として再現する
ことができる。
に再現されるので、シュミットトリガ回路２１でこれを
パルス化することにより、渦による位相の変化が小さい
場合は、出力端２３にパルス状の渦信号として再現する
ことができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような超音波式の渦流量計は、超音波送信器１２から超
音波が測定流体に送出され超音波受信器１５で受信され
た超音波信号ＳU1の信号レベルが大きく変動し、安定に
信号を受信することができない場合がある。
ような超音波式の渦流量計は、超音波送信器１２から超
音波が測定流体に送出され超音波受信器１５で受信され
た超音波信号ＳU1の信号レベルが大きく変動し、安定に
信号を受信することができない場合がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、測定管路に設けられた超音
波送信器から送出された送信超音波がカルマン渦により
伝播時間の変更を受けて先の超音波送信器に対向して先
の測定管路に配置された超音波受信器により受信超音波
として受信されこれを用いて先の測定管路に流れる測定
流体の流量を算定する渦流量計において、Ｋを送信音圧
に対する受信音圧の比率を示す音圧係数、τを先の超音
波送信器と先の超音波受信器との間の距離、λを先の送
信超音波の波長として、少なくとも先の超音波送信器に
内蔵される圧電素子の半径ｒを、 Ｋ＝２SIN［π｛（τ2＋ｒ2）1/2−τ｝／λ］ の式で決定するように選定したとしたものである。
解決するための構成として、測定管路に設けられた超音
波送信器から送出された送信超音波がカルマン渦により
伝播時間の変更を受けて先の超音波送信器に対向して先
の測定管路に配置された超音波受信器により受信超音波
として受信されこれを用いて先の測定管路に流れる測定
流体の流量を算定する渦流量計において、Ｋを送信音圧
に対する受信音圧の比率を示す音圧係数、τを先の超音
波送信器と先の超音波受信器との間の距離、λを先の送
信超音波の波長として、少なくとも先の超音波送信器に
内蔵される圧電素子の半径ｒを、 Ｋ＝２SIN［π｛（τ2＋ｒ2）1/2−τ｝／λ］ の式で決定するように選定したとしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】受信超音波のレベルが大きく変動
し、安定に信号を受信することができない点について、
本発明者が検討した結果、次に説明するような事実を見
い出した。これを、図１に示す構成図と図２に示す特性
図を用いて説明する。なお、図１に示す従来の渦流量計
と同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜
にその説明を省略する。
し、安定に信号を受信することができない点について、
本発明者が検討した結果、次に説明するような事実を見
い出した。これを、図１に示す構成図と図２に示す特性
図を用いて説明する。なお、図１に示す従来の渦流量計
と同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜
にその説明を省略する。
【００１７】図１は本発明の実施の１形態を示す構成図
であるが、この場合は、超音波送信器と超音波受信器以
外の構成は図３に示す構成と実質的に同一である。測定
管路１３には超音波送信器２４と超音波受信器２５が設
けられている。
であるが、この場合は、超音波送信器と超音波受信器以
外の構成は図３に示す構成と実質的に同一である。測定
管路１３には超音波送信器２４と超音波受信器２５が設
けられている。
【００１８】超音波送信器２４から送出された送信超音
波は、渦発生体１４で生じたカルマン渦により位相変調
を受けて超音波受信器２５で受信され、これは受信超音
波Ｓ U3として増幅器１６に出力される。この後、パルス
化回路１７を経て位相検出回路１８に受信超音波ＳU4と
して出力される。以後は図３と同様に動作する。
波は、渦発生体１４で生じたカルマン渦により位相変調
を受けて超音波受信器２５で受信され、これは受信超音
波Ｓ U3として増幅器１６に出力される。この後、パルス
化回路１７を経て位相検出回路１８に受信超音波ＳU4と
して出力される。以後は図３と同様に動作する。
【００１９】図２において横軸は超音波送信器１２と超
音波受信器１５との間の距離τ、つまり、これはほぼ測
定管路１３の口径Ｄに対応する。縦軸は音圧係数Ｋを示
している。
音波受信器１５との間の距離τ、つまり、これはほぼ測
定管路１３の口径Ｄに対応する。縦軸は音圧係数Ｋを示
している。
【００２０】そして、この音圧係数Ｋは、 Ｋ＝|<Ｐ>|／ρｃ|<Ｖ>|＝２SIN［π｛（τ2＋ｒ2）1/2−τ｝／λ］ （３） で示される。
【００２１】ここで、|<Ｐ>|は受信側の音圧（<Ｐ>はベ
クトル値を示す）、ρは流体密度、ｃは音速、|<Ｖ>|は
圧電素子の振動面の速度（<Ｖ>はベクトル値を示す）、
λは超音波の波長、ｒは圧電素子の振動面の半径であ
る。ρｃ|<Ｖ>|は送信側の音圧を示しているので、音圧
係数Ｋは送信音圧に対する受信音圧の比率を示すことに
なる。
クトル値を示す）、ρは流体密度、ｃは音速、|<Ｖ>|は
圧電素子の振動面の速度（<Ｖ>はベクトル値を示す）、
λは超音波の波長、ｒは圧電素子の振動面の半径であ
る。ρｃ|<Ｖ>|は送信側の音圧を示しているので、音圧
係数Ｋは送信音圧に対する受信音圧の比率を示すことに
なる。
【００２２】この場合の超音波送信器２４と超音波受信
器２５は、円柱状の圧電振動子で構成されているが、そ
の半径ｒは５ｍｍで、音速ｃが１０００ｍ／ｓ、１５０
０ｍ／ｓ、２０００ｍ／ｓの各音速ｃをパラメータとし
て圧電素子の半径ｒに対する音圧係数Ｋとの関係をプロ
ットしたものである。
器２５は、円柱状の圧電振動子で構成されているが、そ
の半径ｒは５ｍｍで、音速ｃが１０００ｍ／ｓ、１５０
０ｍ／ｓ、２０００ｍ／ｓの各音速ｃをパラメータとし
て圧電素子の半径ｒに対する音圧係数Ｋとの関係をプロ
ットしたものである。
【００２３】この結果、図２に見るように、特性曲線は
大きく近距離音場Ａと遠距離音場Ｂの２つのグループに
分離することができる。このうち、近距離音場Ａは音圧
が距離τの増加により単調に減少せず増加もする複雑な
変化を示す領域であり、遠距離音場Ｂは音圧が距離τに
反比例し距離τの増加により単調に減少する領域となっ
ている。
大きく近距離音場Ａと遠距離音場Ｂの２つのグループに
分離することができる。このうち、近距離音場Ａは音圧
が距離τの増加により単調に減少せず増加もする複雑な
変化を示す領域であり、遠距離音場Ｂは音圧が距離τに
反比例し距離τの増加により単調に減少する領域となっ
ている。
【００２４】以上の知見から、渦流量計のように測定管
路１３のサイズが決定されている場合に、超音波送信器
２４と超音波受信器２５を構成する円柱状の圧電振動子
の半径ｒを遠距離音場Ｂに対応するように式（３）にし
たがって決定することにより、安定に信号を受信するこ
とができる。
路１３のサイズが決定されている場合に、超音波送信器
２４と超音波受信器２５を構成する円柱状の圧電振動子
の半径ｒを遠距離音場Ｂに対応するように式（３）にし
たがって決定することにより、安定に信号を受信するこ
とができる。
【００２５】つまり、本実施態様の特徴は、超音波送信
器２４と超音波受信器２５に内蔵され送信超音波を送出
する円柱状の圧電素子の半径の寸法を適切に選定するこ
とにより安定な受信超音波ＳU3を得ることができる点に
ある。
器２４と超音波受信器２５に内蔵され送信超音波を送出
する円柱状の圧電素子の半径の寸法を適切に選定するこ
とにより安定な受信超音波ＳU3を得ることができる点に
ある。
【００２６】なお、今までの説明では、送信超音波を連
続波として送出した場合について説明したが、これに限
られることはなく、例えばバースト波として送出した場
合についても同様に本発明を適用することができる。
続波として送出した場合について説明したが、これに限
られることはなく、例えばバースト波として送出した場
合についても同様に本発明を適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように本発明によれば、遠距離音場の領域で動
作するように超音波送信器と超音波受信器の寸法を所定
の演算式を用いて測定管路に対応して設定するようにし
たので、送受信のレベルが安定し正確な流量を計測する
ことができる。
説明したように本発明によれば、遠距離音場の領域で動
作するように超音波送信器と超音波受信器の寸法を所定
の演算式を用いて測定管路に対応して設定するようにし
たので、送受信のレベルが安定し正確な流量を計測する
ことができる。
【図１】本発明の１実施の形態を示すブロック図であ
る。
る。
【図２】図１に示す実施の形態の動作を説明する特性図
である。
である。
【図３】従来の渦流量計の構成を示すブロック図であ
る。
る。
１０ 基準クロック回路 １１ 駆動回路 １２、２４ 超音波送信器 １３ 測定管路 １４ 渦発生体 １５、２５ 超音波受信器 １７ パルス化回路 １８ 位相検出回路 １９ 参照波回路 ２０ フイルタ ２１ シュミットトリガ回路
Claims (1)
- 【請求項１】測定管路に設けられた超音波送信器から送
出された送信超音波がカルマン渦により伝播時間の変更
を受けて前記超音波送信器に対向して前記測定管路に配
置された超音波受信器により受信超音波として受信され
これを用いて前記測定管路に流れる測定流体の流量を算
定する渦流量計において、Ｋを送信音圧に対する受信音
圧の比率を示す音圧係数、τを前記超音波送信器と前記
超音波受信器との間の距離、λを前記送信超音波の波長
として、少なくとも前記超音波送信器に内蔵される圧電
素子の半径ｒを、 Ｋ＝２SIN［π｛（τ2＋ｒ2）1/2−τ｝／λ］ の式で決定するように選定したことを特徴とする渦流量
計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8226540A JPH1068644A (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 渦流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8226540A JPH1068644A (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 渦流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1068644A true JPH1068644A (ja) | 1998-03-10 |
Family
ID=16846755
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8226540A Pending JPH1068644A (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 渦流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1068644A (ja) |
-
1996
- 1996-08-28 JP JP8226540A patent/JPH1068644A/ja active Pending
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