JPS593314A - 超音波検出式カルマン渦流速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体の流速に応じて発生するカルマン渦の発生
周期を超音波ビームの位相変調の周期として検出す２流
速計の改良に関するものである。

カルマン渦中に超音波を伝搬させた場合、送信波と受信
波との間に位相差が生じ、その位相差は■カルマン渦列
の周期、強弱に応じて迅速に変化する位相差のと、■後
述する送受信間の距離等に応じて緩やかに変化する位相
差■との重畳である。

而るに、上記位相差は、エクスクル−シブ、ＯＲ回路と
ローパスフィルターを用いた位相検出器で検出するが、
上記位相差■が１８０°の整数倍であるときは、位相差
の成分を復調できないので、上記位相差■を１８０Ｘｎ
０以外の一定値に制御することが必要である。

ところで、上記位相変調■の変化の主な原因は、■超音
波セラミックマイクロホン（以下、ＭＩＯと称す）の入
力端子に対する送信音圧及び人力音圧に対する出力電圧
の位相、又、音源と受信点間の距離、■流体中の音速、
■送信周波数がある。

而るに、■の要素により位相差■を制御することは、Ｍ
ＩＣの製作上困難、又は検出部の構成が著しく複雑化す
る、■については、音速が被測定流体の温度変化により
変化し、流速変化なしに制御することは不可能である。

■については、送信周波数によって制御する場合、ＭＩ
Ｃが鋭い共振点を持つため感度変化が激しく、受信波の
カルマン渦による位相変調■のＳ／Ｎ比が劣化し、安定
な検出が困難であるといった問題がある。

本発明は上述の点に鑑み、受信波、基準波（通常、送信
波）の片方又は両方の位相を電気的に遅延させることに
より受信波、基準波の平均位相差を１８０Ｘｎ’以外の
一定値（例えば、（９Ｑ＋１８Ｏｎ　）’　）に制御す
るものである。

すなわち１本発明に係る超音波検出式カルマン渦流速計
は、カルマン渦の発生周期を超音波ビームの位相変調と
して検出するために、受信超音波のカルマン渦以外によ
る位相変調■の成分を除去して、受信波と比較するため
の基準波との間の平均位相差を一定にするカルマン渦流
速計において、受信波と基準波の位相差が０〜１８０°
又は１８０〜３６０°の正又は負の整数倍の何れである
かを弁別する位相差弁別回路を設け、この弁別回路出力
により受信波又は基準波の何れか一方又は両方の位相制
御を行うことを特徴とする構成である。

以下、図面により本発明を説明する。

第１図は本発明流速計の回路図を示している。

第１図において、Ａは流速計本体であり、流体中におか
れるパイプ状ケース１にカルマン渦発生用柱２が取付け
られている。３はケースに取付けた送信用ＭＸ０，４は
受信用Ｍ工Ｃ１５は送信用矩形波発振器、６は受信用増
巾器、７は受信波用パルス遅延回路、８は送信波用パル
ス遅延回路である。

Ｂは位相差弁別回路を示しており、インバータ９、積分
回路用抵抗１０、積分回路用コンデンサー１１、ＡＮＤ
回路１２、ＡＮＤ回路１３、モノステープルマルチバイ
ブレータ１４、モノステープルマルチバイブレータ時間
巾設定用抵抗１５並びに時間巾設定用コンデンサー１６
とから構成されている。

Ｃは平均位相差検出回路を示しており、ＡＮＤ回路１７
、積分回路用抵抗１８並びにコンデンサー１９とから構
成されている。

２０は誤差増巾器、２１は切換用アナログスイッチであ
る。Ｄはカルマン渦検出用フィルターである。

第１図中、■〜■、■〜■は各点における電圧信号を示
している。

第１図において、矩形波発振器５が電源オンにより一定
周波数で発振し、送信用Ｍ工ｏ３から発生する超音波が
カルマン渦を伝搬して受信用Ｍ工０４で電気信号に変換
され、この受信信号が増巾器６を経てパルス遅延回路７
に送入される。遅延回路７は電圧＠によって決まる時間
だけ受信パルス■を遅延させたパルス■を平均位相差検
出回路０のＡＮＤ回路ｒ”７に人力させる。一方、発振
器５の出力は基準波■としてパルス遅延回路８に送られ
、この遅延回路８は電圧■によって決まる時間だ杆基準
波パルス■を遅延させたパルス■を上記平均位相差検出
回路０（７）ＡＮＤ回路１７に人力させる。而して、Ａ
ＮＤ回路１７でパルス■と■とがＡＮＤ処理され、ハイ
カットフィルター（抵抗１８とコンデンサー１９とから
なる）を通って、信号のとなる。

第２図は上記パルス■のパルス■に対する位相遅れと信
号■との関係を示す電圧特性である。

上記平均位相差検出回路ＣのＡＮＤ回路１７の出力は力
！レマン渦検出フィルターＤの人力ともなっているから
、上記受信パルスの基準波に対する位相遅れを１８０　
Ｘ’ｎ’以外の一定値とすれげ、従って、上記平均電圧
のを一定値とすれば、例えば１８０　×ｎ　−１−９Ｑ
°位相差の−ＶＤＤとすれば、既述した位相変調■の影
響を除去しで安定な測定か可能になる。この場合、電圧
のが−ＶＤＤの点は無限にあり、それが０−１８０’又
は１８０〜３６０°の正又は負の整数倍のどちらにある
かによって、電圧■又は■の位相遅れを調整するための
パルス遅延回路７又は８に人力する電圧＠又は［有］の
変化を誤差電圧の変化方向に対して逆にしなければなら
ない。第２図において、例えば、０〜１８０°の範囲で
電圧のが−ＶＤＤとすると、電圧■を安定点１の−ＶＤ
Ｄとするためには電圧■の位相を進ませるか又は電圧■
の位相を遅らせる必要があるのに対し、１８０〜３６０
０の範囲で電圧のが−ｇ　ＶａＤであるとすると、安定
点２にするためには、電圧■の位相を遅らせるか、電圧
■の位相を進ませなければならない。

而るに、誤差増巾器２０は電圧のに対し、プラス、マイ
ナスの増中度を持った２本の出力端を備えており、この
誤差増巾器２０と切換スイッチ２１とによって、上記電
圧■又は■の位相制御が次のようにして行われる。

第３図は第１図の電圧■〜■、■〜■に対応するタイミ
ングチャートを示している。受信波■はインバータ９に
よりインバートされ、抵抗１０とコンデンサー１１から
なる遅延回路で遅延され、ＡＮＤ回路１２に入り、この
遅延信号と受信波■とがＡＮＤ処理されて、信号■とな
る。この信号■は受信波■の立上り位置を示している。

■は基準波であり、ＡＮＤ回路１３により、基準波■と
上記信号■とが、ＡＮＤ処理されて信号■となる。而し
て、基準波■に対し、受信波■が０〜１８０°遅れてい
れば、トリガ信号■が発生し、これがモノステープルマ
ルチパイプレータ１４に入る。この時バイブレータ１４
は、抵抗１５とコンデンサー１６で決まる時間ｌ】パル
ス■を出力するが、この時間巾が信号■の周期より長時
間であるためリトリガされ、出力■は高レベルＨを保持
する。出力■の時間巾は既述した位相変調■の１８０°
以上の変動に対する切換スイッチ２１の切換頻度を定め
ており、このようにして、電圧＠が制御され、パルス遅
延回路７により受信波■の位相が進められると共にパル
ス遅延回路８により基準波■の位相が遅らされる。

他方、ＡＮＤ回路１３０人力が■の場合、即ち、受信波
■が基準波に対し１８０〜３６ｏ０遅れている場合、信
号■は上記■に対し■となり、パイプレーク出力■は低
レベルの■となって、上記とは逆方向の位相制御が行わ
れる。

なお、上記において、パルス遅延回路７又は８の一方は
省略することも可能である。

本発明は上述した通りの構成であり、流体の温度変化、
ＭＩＣ間距離等の機械的誤差があっても、これらが位相
変調として現われるのを除去しているから、長期間の安
定なカルマン渦検出が可能であり、しかもＭ工Ｃの送信
周波数を一定としているので、Ｍ工ＣのＳ／Ｎ最適値の
送信周波数を選定でき、高精度検出が可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る超音波検出式カルマン渦流速計を
示す電気回路図、第２図は第１図における平均位相差検
出回路の出力電圧特性を示す説明図、第３図は第１図の
各点における信号電圧を示す説明図である。 図において、Ａは流速計本体、３は送信用ＭＩＯ１４は
受信用Ｍ工０、Ｂは位相差弁別回路、■は受信波信号、
■は基準波信号、７並びに８はパルス遅延回路である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　カルマン渦の発生周期を超音波ビームの位相
   変調として検出するために、受信超音波のカルマン渦以
   外による位相変調の成分を除去して、受信波と比較する
   ための基準波との間の平均位相差を一定にするカルマン
   渦流速計において、受信波と基準波の位相差が０〜１８
   ０°　又は１８０〜３６０°の正又は負の整数倍の何れ
   であるかを弁別する位相差弁別回路を設け、この弁別回
   路出力により受信波又は基準波の何れか一方又は両方の
   位相制御を行うことを特徴とする超音波検出式カルマン
   渦流速計。
2. （２）位相差弁別回路が積分回路とインバータ、Ａ　Ｎ
   　Ｄ　回路、モノスデープルマルチバイフレータから構
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の超音波検出式カルマン渦流速計。　　　□