JPS5946511A - 超音波流量計 - 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】 この発明は超音波流量計に関し、特に簡単な構造により
精度が高い流量測定を行なうことができる超音波流量計
を提供しようとするものである。

超音波流量計には各種の方式が提案されているが、大別
するとシングアラウンド方式と、フェイズロックループ
を利用した方式とが考えられている０ 〈／ングアラウンド方式の欠点〉 シングアラウンド方式は周知のように流路に対して斜め
に対向して取付けた一対の超音波トランスジューサ間を
一方から他方に及び他方から一方への超音波伝播時間周
囲で発振させ、その発振周波数の差から被測定流体の流
速を求める方式であるＯ この方式によると一対の超音波トランスジューサ間に超
音波を遮弊する例えばアワ或はゴミ等が通過するとシン
グアラウンド発振が停止してし壕い、測定が不能におち
いる欠点がある。

寸だシングアラウンド発振周波数ｆは Ｃ：流体中の音速、Ｖ：被測定流体の流速、Ｄ二流路の
口径、θ：流路に対する超音波の入射角。

ここでＣ＝　１４５０　ｍ７秒、ｖ　＝　１　ｃｍ／秒
、Ｄ＝５０ｍ＋ｎ。

θ＝２２°とすると、流れに対して順方向に超音波を伝
播させた場合のシングアラウンド発振周波数と、逆方向
に超音波を伝播させた場合のシングアラウンド発振周波
数の差ΔｆはΔｆ＝０．１４．Ｈ２となる。

流速測定の分解能を１ｃｍ／秒とするには、その周波数
差Δｆを得る壕でに約１４秒以上の計測時間を必要とす
る。従って応答が悪い欠点もある。

〈フェイズロックループを用いた方式の説明及びその欠
点〉 フエイズロツクル・−ブを利用した超音波流量計は例え
ば特願昭５３−３８９４．２号等で提案しているように
流れに対して斜めに対向して設けた一対の超音波トラン
スジユーザで構成される超音波伝播路を含むフェイズロ
ックループを二組設け、一方のフェイズロックループで
は流れに対して順方向に超音波を伝播させた状態で電圧
制御発振器を発振させ、他方のフェイズロックループで
は流れに対して逆方向に超音波を伝播させた状態で電圧
制御発振器を発振させ、この二つの電圧制御発振器の発
振周波数の差によシ流速を求める方式である。

とのフェイズロックループを利用した方式によれば電圧
制御発振器の前段にサンプルホールド回路を設けておく
ことによシ超音波の伝播が一時的に遮断されても電圧制
御発振器はサンプルホールド回路にホールドされた電圧
に対応した周波数で発振を持続するため測定不能におち
いるおそれはない。

然し乍ら二つの電圧制御発振器の発振周波数の差は被測
定流体の流速が遅くなる程にまた流路の口径りが小さく
彦る程に発振周波数の差が小さくなる傾向にある。この
ように同一装置内に発振周波数が近い発振器が複数存在
すると、電源回路或は電磁的な結合を介して相互に干渉
をおこし、いわゆる周波数引き込み現象が発生する。こ
の周波数引き込み現象により流量が遅い領域において不
感帯が発生し、低流量に対する測定精度を悪くする欠点
がある。特に口径の小さい場合はその影響が犬きく不感
帯の幅が大きくなる欠点がある。

この欠点を解消するには発振器相互の干渉を除去しなけ
ればならないが、この相互干渉を除去するには回路の設
計及び実装がむずかしくなる。

また部品の劣化等によシ相互干渉の度合も変化する可能
性があるから不感帯の幅も変動するおそれがある。よっ
て長期にわたって測定精度を一定値に維持することがむ
ずかしくなる欠点もある。

〈発明の目的〉 この発明はフェイズロックループを用いた超音波流量計
の改良に関するものであシ、上記したフェイズロックル
ープを用いた方式の欠点を一掃することができる超音波
流量計を提供しようとするものである。

〈発明の概要〉 この発明では１個の電圧制御発振器を共用して二つのフ
ェイズロックループを交互に動作させ、交互に得られる
電圧制御発振器の発振周波数を計測して保持し、その計
測して保持した周波数測定値から二つのフェイズロック
ルーズにおける電圧制御発振器の発振周波数の差を求め
その周波数の差から流速を求めるように構成したもので
ある。

従ってこの発明によれば１個の電圧制御発振器を時分割
的に利用するものであるため発振周波数の差がわずかで
あっても相互干渉によって生じる弊害を除去でき、低流
速領域でも、また口径が小さい流量計でも高精度で測定
を行なうことができる０ 〈発明の実施例〉 第１図にこの発明の一実施例を示す。図中１は電圧制御
発振器（以下ＶＣＯと称す）を示す。ＶＣＯＩの発振信
号は同期回路２によって一定の時間間隔でＶＣＯＩの発
振信号と同期して取出される。同期回路２によって取出
されたＶＣＯＩの発振信号は超音波伝播路３０入力端子
４に供給される。超音波伝播路３は本来々らば流路５を
流れる被測定流体の中を伝播する部分だけを指すべきと
考えられるが、ここでは励振用増幅器６と、切換回路７
と、流路５に対して斜めに対向して設けた一対の超音波
トランスジューサ８及び９と、受波信号を増幅する増幅
器１１を含めて超音波伝播路と称することとする。従っ
て４がこの超音波伝播路３の入力端子であり、１３が超
音波伝播路３の出力端子と々る。

切換回路７は超音波トランスジューサ８と９を交互に送
波器及び受波器として動作させるように切換動作を行な
うものである。この切換により超音波は流体の流れ方向
（矢印１２の方向）に対して順方向と、逆方向に伝播す
る状態に切換えられる。

この切換制御は後述する測定制御手段１４からの制御信
号により行なわれる。

被測定流体を伝播して一方又は他方の超音波トランスジ
ューサ８又は９によって受波された超音波は増幅器１１
により増幅されて出力端子１３に送出される。出力端子
１３には受波タイミング検出回路１５が接続され、受波
信号が所定レベルに達したことを検出して受波タイミン
グを規定する。この受波タイミング信号を時間差電圧変
換回路１６の一方の入力端子１６ａに供給する。

時間差電圧変換回路１６の他方の入力端子１６ｂには分
周器１７からＶＣＯＩの発振信号を１／Ｎに分周した分
周信号を与える。この分周器１７は例えばカウンタによ
って構成することができ、同期回路２の同期出力信号の
立上りに同期して分周動作を開始する。ＶＣＯＩの発振
周波数をｆとすると、時間Ｎｌｆ後に分周出力信号Ｓが
出力される。

超音波伝播路３の入力端子４にＶＣＯＬの発振信号が与
えられ、出力端子１３にその信号が出力される捷での時
間は、 となる。よって時間差電圧変換回路１６に供給される二
つの信号の時間差ΔＴは となる。

時間差電圧変換回路１６はこの時間差ΔＴに比例した電
圧を発生し、この電圧をサンプルホールド回路１８と積
分回路１９を通じてＶＣＯＬに帰還する。

ｖｃｏｉはこの帰還電圧信号により時間差ΔＴが所定の
値例えば零となる方向に発振周波数を変更する。

従って切換回路７の切換は流れの方向１２に対し順方向
と逆方向に超音波を数回ずつ伝播させｖｃｏｉにその発
振周波数が安定する時間を与える。

このようにしてＶＣＯＩと、分周器１７と、時間差電圧
変換回路１６と、及び超音波伝播路３とにより、いわゆ
るフェイズロックループ（ＰＬＬ　）が構成される。

ＶＣＯＩの発振信号は測定制御手段１４に取込まれ、Ｖ
ＣＯＩの発振周波数が安定した状態の周波数を測定する
。測定制御手段１４は例えばマイクロプロセッサによっ
て構成することができる。マイクロプロセッサは既によ
く知られているから特に図示して説明しないが一般に中
央制御装置ＣＰＵと、プログラムを収納したＲＯＭと、
取込んだデータ値を記憶しておく　ＲＡＭ等によって構
成され、ＲＯＭに収納されたプログラムに従って中央制
御装置ＣＰＵが動作し、同期回路２を同期制御すること
と、切換回路７の制御と、ＶＣＯＩの発振周波数を測定
する動作を順次行ない、更にその周波数測定値から流速
Ｖを求める演算も行なう。その演算結果は出力ポート２
２から出力される。

尚２３は異常検出回路を示す。この異常検出回路２３は
同期回路から出力される信号と受波タイミング検出回路
１５から出力される受波タイミング信号の時間差を監視
し、その時間差が規定の時間より長くなったことを検出
して超音波伝播路３の異常を検出し、その検出信号によ
りゲート回路２１を閉に制御し、サンプルホールド回路
１８に供給するサンプリングパルスを１時的に遮断し、
ｖＣＯｌの周波数制御を一時禁止する動作を行なう。

よって例えば流路５をアワ、ゴミ等が通過したことによ
シ超音波の伝播が一時中断された場合でも、ｖＣｏｌの
発振周波数が大幅に変更されないように動作する。

〈発明の動作説明〉 測定制御回路１４は上記したフェイズロックループが閉
じてＶＣＯＬの発振周波数が安定した状態でＶＣＯＬの
発振周波数を一定時間Ｔｏの量計数し、測定値 を得る。（Ｎは分周器１７の分周数）この周波数測定値
Ｆｔは超音波が流れに対して順方向に伝播している状態
の値である。またこの測定値は測定制御手段１４のＲＡ
Ｍ　（特に図示しない）に一時ストアされる。

次に切換回路７を切換えて、超音波が流れに対して逆向
に伝播する状態では を得る。この測定値Ｆ２もＲＡＭにストアする。０）。

（５）式よシ測定制御手段１４の中央制御装置ＣＰＵは
を演算し、この演算により流速Ｖを求める。

ここでＦ、、Ｆ２会１０　ＭＨｚとすると、分周器１７
の分周値Ｎは となる。第１式で利用したＣ、Ｉ）；θの値を代入する
と、Ｎ仝３７２となる。

流速Ｖの分解能を１＞７秒とするには であればよい。

よって１回の測定に必要な時間はＴｏ≧０．００２秒で
あればよく、充分速い応答が期待できる。

〈発明の効果〉 上述したようにこの発明によれば１個のＶＣＯＩを利用
して超音波が流れに対して順方向に伝播する場合の周波
数値Ｆ’ｌと、流れに対して逆向に伝播する場合の周波
数値Ｆ２を得て、これより流速Ｖを求めることができる
。

よって１個のＶＣＯＩを利用するものであるから２個の
ＶＣＯを利用する従来の方式のようにｖＣＯ相互の周波
数引き込み現象が発生することがない。

このため低流速流域において不感帯が発生することがな
く、低流速領域でも精度のより高い測定を行なうことが
できる。また口径の小さい流量計でも精度の向上が期待
できる。

また１個のｖＣＯｌを二つのフェイズロックループに対
して交互に用いたとしてもＶＣＯＬの発振周波数が要定
するまでの時間は短かく、また周波数の測定時間Ｔｏも
上記したようにＴｏ≧０．００２秒程度であるから全体
としても速い繰返し周期で測定結果を得ることができる
。よって流速測定の分解能を高く採ることができる。

〈発明の他の実施例〉 尚上述では時間差電圧変換回路１６の出力をサンプルホ
ールド回路１８と、積分回路１９を通じてＶＣＯＩに供
給する構造とした場合を説明したが、第２図及び第３図
に示すように構成することもできる。

第２図の例ではサンプルホールド回路１８の後段に、２
つの積分回路１９ａ　、　１９ｂを設け、この二つの積
分回路１９ａ　、　１９ｂを切換スイッチ２４　、２５
によって切換え、積分回路１９ａには例えば超音波が流
れに対して順方向に伝播する場合の制御電圧を保持させ
、積分回路１９ｂには超音波が流れに対して逆方向に伝
播する場合の制御電圧を保持させ、切換回路７の切換と
同期してスイッチ２４　、２５を切換え、フェイズロッ
クループの切換と同時にｖＣｏｌをそのフェイズロック
ループに対応した周波数で発振させるように構成した場
合を示す。

このように構成することによ、ＤＶＣＯＩの発振周波数
は切換回路７の切換に同期して瞬時に応動するため流速
測定の時間間隔を第１図の場合よシ短くでき、それだけ
応答速度を速くできる利点が得られる。

第３図の例ではサンプルホールド回路１８と積分回路１
９の縦続回路の後段に二つのサンプルホールド回路２６
ａ　、　２６ｂを設け、このサンプルホールド回路２６
ａ　、　２６ｂに二つの電圧を切換信号によシ交互にサ
ンプルホールドさせるようにした場合を示す０ このように構成した場合も第２図の場合と同様。

の作用効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明するためのブロック
図、第２図及び第３図はこの発明の超音波流量計に用い
ることができるｖＣＯの制御回路の例を示すブロック図
である。 にｖＣＯ１２：同期回路、３：超音波伝播路、５：流路
、８１９　：超音波トランスジューサ、１５：受波タイ
ミング検出器、１６：時間差電圧変換回路、１７：分周
器、１４：測定制御手段。 特許出願人　　　株式会社　北辰電機製作所代理人　草
野　卓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ、電圧によって発振周波数が制御される１個の
   電圧制御発振器と、 Ｂ、この電圧制御発振器の発振信号を一定時間毎に取出
   す同期回路と、 Ｃ０この同期回路によって取出された発振信号が流路に
   対して斜めに対向して取付けた一対の超音波トランスジ
   ューサの一方と他方に選択的に与えられ、被測定流体の
   流れに対して順方向と逆方向に超音波を伝播させる超音
   波伝播路と、Ｄ、この超音波伝播路を通過した超音波を
   検出する受波タイミング検出回路と、 Ｅ。この受波タイミング検出回路の検出信号と上記電圧
   制御発振器の発振信号を一定の分周比で分周した信号と
   の時間差を電圧信号に変換し、その時間差が常に所定の
   値となるように上記電圧制御発振器の発振周波数を制御
   する時間差電圧変換回路と、 Ｆ６上記超音波伝播路において被測定流体の流れに対し
   て順方向と逆方向に超音波が伝播する状態における上記
   電圧制御発振器の発振周波数から流速を求める測定制御
   手段と、 から成る超音波流量計。