JPS62185121A - 超音波流速計 - 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】 ａ、産業上の利用分野 本発明は超音波流速計、特に連続発振超音波を用いる流
速計のＰＬＬ回路に関する。

ｂ、従来の技術 送信用超音波トランスデユーサと受信用超音波トランス
デユーサとを対向しないように配置し、流体中の超音波
の位相変化の流速■への依存性と両部音波トランスデユ
ーサ間の距離りから流速を測定する超音波流速計が本考
案の考案者によって発明され、特願昭５７−３４９７９
号、特願昭５７−５９１２６号、特願昭５７−９４４２
号、特願昭５８−１３７０１２号等に開示されている。

流体中の超音波の音速Ｃは流体の温度に依存するので、
流体の音速変化は流速測定における誤差要因である。

特願昭５８−１３７０１２号に係る発明は、流体の音速
変化が流速測定に影響を及ぼすという従来技術による超
音波流速計における上記問題点を、流速と音波の進行方
向が順方向の場合と逆方向の場合の位相差φ１゜φ２の
和φ、＋φ２の２を一定値に保つことにより、解決する
ものである。

第３図は特願昭５８−１３７０１２号に開示された超音
波流速計のブロックダイヤグラムである。

送信発振器ＶＣＯの出力は送信用超音波トランスデユー
サＴに加えられ、該トランスデユーサＴから送信された
超音波は流速が■の流体中を伝播して受信用超音波トラ
ンスデユーサＲ，，Ｒｚで受信される。該トランスデユ
ーサＲ，の出力の一部は増幅回路へ、、遅延回路Ｄ１を
経て矩形波化回路ＲＷ＋において矩形波に変換される。

また該トランスデユーサＲ２の出力も同様に、増幅回路
へ３．遅延回路Ｄ３を経て矩形波化回路ＲＷ３に到りそ
こにおいて矩形波に変換される。さらに上記送信発振器
ＶＣＯの出力の一部も矩形波化回路ＲＷ２において矩形
波に変換される。

矩形波化回路四、と四２の出力の位相差を位相差検出回
路ｐ、（例えば排他的論理和回路）で検出し、電圧変換
回路Ｃ，（例えばＣＲ平滑回路）で上記位相差に比例し
た電圧信号φ１を得る。同様にして矩形波化回路四、と
１２の出力の位相差に比例した電圧信号φ２を、位相差
検出回路Ｐ２と電圧変換回路Ｃ２によって得る。

上記信号φ、とφ２を加算回路Σの入力とすることによ
り和信号（φ、＋ψ２）／２を作り、（φ、＋φ２）／
２が一定値となるように負帰還回路Ｎｒ’を介して送信
発振器の周波数を制御する。なお上記一定値は測定範囲
の関係からπ／２であることが好ましい。他方信号φ、
とφ２は減算回路Ｎの入力にもなっており、その出力（
φ１−φ２）は流速に比例するのでその出力（φ１−φ
２）を指示計器で指示することにより流速が表示される
。上記周波数の制御により、（φ、−ψ２）から求めら
れた流速は、流体中の音速に依存しない。

Ｃ３発明が解決しようとする問題点 このような型の超音波流速計にあっては、流速が速いた
めに位相が１周期以上ずれたときは測定不能になる。

ｄ、　問題点を解決するための手段 連続発振する発振回路と、 上記発振回路の出力周波数ｆを周波数ｆを周波数ｆ／Ｎ
１（Ｎ１＋整数）に分周する第１のカウンタ回路と、発
振回路の出力信号を上記周波数ｆ　／Ｎ、の分周信号で
断続制御する第１のゲート回路と、上記ゲート回路の出
力信号を超音波信号に変換する超音波トランスデユーサ
と、超音波信号を電気信号に変換する超音波トランスデ
ユーサと、超音波伝播方向を流速に対して順方向と逆方
向に交互に切替えるように上記第１のゲート回路と上記
超音波トランスデユーサを接続する順逆切替え回路と、 超音波を電気信号に変換する超音波トランスデュ−サに
上記順逆切替え回路を介して接続された増幅回路と、 上記増幅回路の出力を矩形波に成形する矩形波化回路と
、 矩形波化回路の出力信号に対応する信号が入力端子に送
られ、プリセット入力端子を有するシフトレジスタと、 上記第Ｉのカウンタ回路の出力信号と上記シフトレジス
タの出力信号、またはそれらを同一の分１Ｍ比で分周し
た信号、を２入力とする排他的論理和回路と、 上記排他的論理和回路の出力が上記第１のカウンタ回路
の出力またはそれを分周した信号より前にあるか後にあ
るかを判別する判別回路と、上記排他的論理和回路の出
力を上記判別回路の出力に応じてアップカウントまたは
ダウンカウントするアップダウンカウンタ回路と、 上記アップダウンカウンタ回路の出力をパルス列に変換
し、その出力を上記シフトレジスタ回路のプリセット端
子に送り、上記第１のアップダウンカウンタ回路の出力
がゼロになるように負帰還回路を形成する帰還回路と、 超音波伝播方向が流速に対して順方向であるときの上記
アップダウンカウンタ回路の出力と逆方向であるときの
上記アップダウンカウンタ回路の出力の和と差をそれぞ
れ計算する加算回路および減算回路と、 上記加算回路の出力が一定になるように上記発振回路の
発振周波数を変えるために、上記加算回路の出力を上記
発振回路に帰還するフェーズロック帰還回路と、 上記減算回路の出力を流速として出力する出力回路を備
える超音波流速計によって、 またはこれと同等の超音波流速計によって、上記問題点
が解決された。

ｅ、　作用 上記第１のゲート回路の出力は発振回路の発振周波数ｆ
を第１のカウンタ回路の出力（周波数Ｆ／Ｎ　ｌ　）で
断続制御したものである。シフトレジスタを経由して排
他的論理和回路に送られる信号は、基本的には上記第１
のゲート回路の出力と同一の波形を有する。

他方第１のカウンタ回路から排他的論理和回路に送られ
る信号は、基本的には上記第１のカウンタ回路の出力と
同一の波形を有する。

シフトレジスタ回路におけるプリセットがゼロである場
合、両超音波トランスデユーサ間の超音波伝播時間をＴ
い周波Ｂｒのパルス幅をＴ、／２　＝　（１／２ｆ）と
するとき、上記排他的論理和回路は第１のカウンタ回路
からの出力パルス（周波数ｆ　／Ｎ、　：パルス幅Ｎ、
Ｔｌ）／２）の後にＮＩＴ＋／Ｔｏ２個のパルス（周波
数ｒ：パルス幅＝　１／ｆ２）を出力する。

該出力パルスは上記判別回路で第１のカウンタ回路から
の出力パルスより後であることが判別された後、アップ
ダウンカウンタ回路で計数される。

アップダウンカウンタ回路の出力はパルス列に、帰還回
路で変換される。

該帰還回路の出力は上記シフトレジスタのプリセット端
子に送られる。この場合ブリセ・ノドされる量は−Ｎ＋
Ｔ＋／Ｔｏ２に対応する。

シフトレジスタ回路に−Ｎ＋”＋／Ｔｏ２がプリセット
されている場合、第１のカウンタ回路の次のパルスに対
応する両超音波トランスデユーサ間の超音波伝播時間を
Ｔ２とするとき、上記排他的論理和回路は第１のカウン
タ回路からの出力パルスの後（Ｔ２−ＴＩ＞０）または
前（Ｔｚ−ＴＩ＜Ｏ）にｌ　Ｔｔ　　ＴＩ　ｌ　／Ｔｏ
個のパルスを出力する。ＴｚＴ＋＝Ｏの場合は上記第１
の排他的論理和回路の出力はゼロであり、従って自己の
出力を積算するアップダウンカウンタ回路の出力は変化
しない。すなわち超音波トランスデユーサ間の超音波伝
播時間がシフトレジスタ回路の出力に対応するとき、上
記排他的論理和回路の出力はゼロになり、アップダウン
カウンタ回路の出力は変化しない。

Ｔ２−ＴＩ＜Ｏである場合は、上記排他的論理和回路は
、第１のカウンタ回路からの出力パルスより前にパルス
を出力し、このことを上記判別回路で検出する。第１の
アップダウンカウンタ回路は、Ｔ２−ＴＩ＞０のときア
ンプカウントするときはＴ２−ＴＩ＜Ｏのときダウンカ
ウントするように（逆も可能）、結線されている。

排他的論理和回路の出力は、その符号を含めてアップダ
ウンカウンタ回路で積算される。したがってアップダウ
ンカウンタ回路の出力は速かに特定の値に収束し、その
収束値は超音波伝播時間に対応する。

超音波伝播方向が流速に対して順方向であるときと逆方
向であるときの、超音波トランスデユーサ間の超音波伝
播時間ｔ、、　Ｌ２はそれぞれ第（１１式と第（２）式
で表わされる。

ｔ、＝　Ｌ／（Ｃ＋　Ｖ）　　　　　　　　　−−−−
（ｉ）Ｌｚ＝Ｌ／　（Ｃ−Ｖ）　　　　　　　　　　・
−・（２）ここにおいてＬ：超音波トランスデユーサ間
距離Ｃ：流体中の音速 Ｖ：流速 本発明においては、上記伝播時間はア・ノブダウンカウ
ンタ回路の出力すなわちシフトレジスタのプリセット入
力数として求められる。

Ｖ／Ｃ＜１のとき、１．、　１２はそれぞれ第（３）式
、第（４）式で近似することができる。

ｔ、＝　（Ｌ／Ｃ）（１−Ｖ／Ｃ）　　　　　　−４３
）ｈ＝　（Ｌ／Ｃ）（１＋Ｖ／Ｃ）　　　　　　−（４
）従って上記加算回路と減算回路のそれぞれの出力Ｅｌ
”ｊＺ＋　　ｔ、　　ｔ２は第（５）式と第（６）式で
与えられる。

ｔ　ｚ　＋　ｔ　＋　＝　２Ｌ　／　Ｃ−（５）むｚ　
−−Ｌ＋　　＝　ＬＶ／Ｃ”　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　・・−（６）（ｔｌ　　＋ｔ２
）はフェーズロック帰還回路によって発振回路に帰還さ
れ、ｔ、＋ｔ２＝Ｋ　（Ｋ　ニ一定値）に保たれる。し
たがって（６）式は次式に変形される。

ｔｚ　−ｔｌ　＝　（Ｋ”／４Ｌ）　Ｖ　　　　　　　
　　−（７１第（６）式と第（７）式を比較すると、第
（６）式は温度依存性が大である音速Ｃをパラメータと
して含むのに対し、第（７）式は温度依存性が小である
超音波トランスデユーサ開路＃Ｌをパラメータとする。

したがってフェーズロック帰還回路を用い、第（７）式
に基づいて減算回路の出力から流速を測定すると、温度
による測定誤差が極めて小さい。

第（１１，（２）式におけるｔ、、　ｔｚのパルス幅Ｎ
、ＴＯ／２に対する比率２ｔ＋／Ｎ４ｏ、２ｊｚ／Ｎ＋
Ｔｏがシフトレジスタのプリセットの収束値に対応する
。すなわち超音波伝播時間が上記周期Ｔ０より大である
ときにも測定することができる。この点は、従来技術に
よるとき超音波伝播時間が上記周期Ｔ０より小さいこと
が要求されていたことに対比される。本発明の場合の制
限は次の不等式で与えられる。

Ｔｏ　＜　ｔ　Ｉ＜　Ｎ　ＩＴ＋　／　２　　　　　　
　　　　　−（８１Ｔｏ　＜　Ｌｘ　＜　Ｎ４ａ／　２
　　　　　　　　　　　−１９）ｆ、実施例 第１図は本発明に係る超音波流速計の好ましい実施例の
電気回路部のブロックダイヤグラム、第２図はその主要
点における信号の概念図である。

連続発振（第２図（ａ））する電圧制御発振回路である
発振回路ＯＳＣの出力周波数ｆ（パルス幅Ｔ、＝　ｔ　
／２ｆ）は、周波数ｆ／Ｎ１（Ｎｌ：整数）（パルス幅
：ＪＴｏ）に第１のカウンタ回路ＣＮＴｌにおいて分周
される（第２図（ｂ））。

発振回路ＯＳＣの出力信号は上記周波数ｆ　／Ｎ、の分
周信号で第１のゲート回路Ｇ、において断続制御される
（第２図（Ｃ））。

上記第１のカウンタ回路ＣＮＴｌは周波数ｆ／ＫＮ、の
第２の分周信号をも出力しく第２図（ｄ））、該信号に
よって制御される順逆切替え回路Ｋにおいて超音波伝播
方向を流速に対して順方向と逆方向に交互に切替えるよ
うに上記第１のゲート回路と上記超音波トランスデユー
サが接続される。Ｋの値いは例えば４，８゜１６等に選
ばれる。

この実施例においては２個の超音波トランスデユーサを
備え、上記切り替え回路Ｋを用いて送信機能と受信機能
が交互に切換えられる。なお送信用超音波トランスデユ
ーサの上流と下流にそれぞれ受信用超音波トランスデユ
ーサを設けることも可能である。

いずれにせよ、上記ゲート回路の出力信号を超音波信号
に変換する超音波トランスデユーサＴと、超音波信号を
電気信号に変換する超音波トランスデユーサＲを備える
。

増幅回路ＡＭＰが超音波を電気信号に変換する超音波ト
ランスデユーサＲに上記順逆切替え回路Ｋを介して接続
されている。

比較回路ＣＯＭＰから成る矩形波化回路において、上記
増幅回路の出力が矩形波に成形される。

この実施例においては、矩形波化回路の出力は第２のカ
ウンタでさらに分周され、パルス幅がＮ２倍に拡大され
る（Ｎ、≧１）。なおＮｚ＝１は第２分周回路を用いな
いことを意味する。

第２カウンタ回路ＣＮＴ２の出力信号はシフトレジスタ
ＳＦＴの入力端子に送られる。第２図（ｅ）はＮ２＝１
の場合のシフ１−レジスタ入力信号を示す。シフトレジ
スタＳＦＴは第２カウンタ回路ＣＮＴ２の出力をクロッ
クパルスとするシリアルイン・シリアルアウトシフトレ
ジスタとして動作する。

他方上記第１のカウンタ回路ＣＮＴｌから第１のゲート
回路Ｇ１に送られた信号の一部は分岐して第３のカウン
タＣＮＴ３で、第２のカウンタと同じ分周比で分周され
、その第１の出力はパルス幅が入力信号に対しＮ３倍で
あり（１’ｈ＝Ｎｚ）、第２の出力は分周比がＮ２／２
であり、パルス幅は入力信号に対しＮ３／２倍である。

シフトレジスタの出力は第４のカウンタで計数され、Ｎ
１個のパルスを計数するとシフトレジスタをクリアする
。

上記第３のカウンタ回路ＣＮＴ　３の第１の出力信号と
上記シフトレジスタＳＦＴの出力は排他的論理和回路Ｇ
２に送られる。該排他的論理和回路Ｇ２の出力は、上記
第３のカウンタ回路ＣＮＴ３の第１の出力の前または後
に現われる（第２図（ｒ））。

上記第３のカウンタ回路の第２出力は、第１の出力の前
で“Ｉ］”であるとき第１の出力の後では”Ｌ”である
（逆も可能）。第２の出力はさらに分岐し、一方は反転
回路ＩＶを経由して、第１のＡＮＤ回路ＡＮＤＩの一方
の入力端子に、他は直接第２のＡＮＤ回路ＡＮＤ２の一
方の入力端子に送られる。両ＡＮＤ回路へＮＤＩ、八Ｎ
Ｄ２の他方の入力信号は上記排他的論理和回路Ｇ２の出
力である。排他的論理和回路の出力が第３のカウンタ回
路ＣＮＴ３の第１の出力の前であるか後であるかによっ
て、上記両ＡＮＤ回路Ａ１．＾２の一方が出力を発生す
る。

上記ＡＮＤ回路八ＮへＩ、ＡＮＤ２の出力はアップダウ
ンカウンタ回路ＵＤＣＩで互いに逆方向に計数される。

すなわち一方の出力がアップカウントされるときは、他
方の出力はダウンカウントされる。

例えば２進数表示されているアップダウンカウンタ回路
ｕｏｃｔの出力は、帰還回路ＮＦにおいてパルス列に変
換され、上記シフトレジスタ５ＩｉＴのプリセット入力
端子に送られる。

１サイクルを第１のカウンタ回路から第１のゲート回路
に送られる１パルスの期間と定義するとき、次のサイク
ルにおいてシフトレジスタは上記プリセット値に対応す
る時間だけ遅延または前進して、第２のカウンタ回路Ｃ
ＮＴ２の出力を排他的論理和回路Ｇ２に送る。上記プリ
セット値が超音波トランスデユーサ間の超音波伝播時間
に対応するとき、上記排他的論理和回路Ｇ２の出力はゼ
ロである。対応しないときは、その差に対応するパルス
が回路Ｇ２から出力され、それはアップダウンカウンタ
回路ｔｌＤｃＩにおいてアップカラン；・またはダウン
カウントされる。アップダウンカウント回路は各サイク
ル毎にはクリアされず、第１のカウンタ回路ＣＮＴｌの
第２の出力（ｆ　／ＫＮＩ）によって規定される期間内
は出力が積算される。したがって、その出力は伝播時間
に対応する量に収束する。周波数（ｆ／ＫＮＩ）でスイ
ッチＫを用いて超音波トランスデユーサを切替えること
により、アップダウンカウンタ回路ＵＤＣＩにおいて、
超音波と流速が順方向であるときと逆方向であるときの
伝播時間ＬＩ＋　Ｌ２が求められる。

スイッチにと連動する減算回路Δと加算回路Σで、両伝
播時間の差１．−１．と和１．＋１．が計算される。

加算回路Σの出力は、フェーズロツタ帰還回路であるデ
ジタル・アナログ変換回路Ｄ／Ａを介して、電圧制御発
振回路に帰還される。

減算回路Δの出力は流速に比例し、出力回路（図示せず
）に送られ、適宜表示または記録される。

本発明は、超音波トランスデユーサを互いに対向させな
いように配設する型の超音波流速計ばかりでなく、流速
に対して順方向と逆方向の超音波伝播時間の差から流速
を求める、全ての型の超音波流速計に適用することがで
きる。

アップダウンカウンタに代え、双方向シフトレジスタで
ある第２のシフトレジスタを用い、そのパラレル出力信
号に基づき帰還回路を用いてシフトレジスタ５ＩＦＴに
プリセットすることも可能である。

ｇ６発明の効果 ■）パルスの時間幅より超音波伝播時間が長いときに、
流速を測定することができる。４］１１定精度はパルス
幅を小さくするほど、向上する。

２）　測定可能な流速の範囲が非常に広い。

３）　はとんど全ての型の超音波流速計に適用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波流速計の好ましい実施例の
電気回路部のブロックダイヤグラム、第２図はその主要
点における信号の概念図、第３図は従来技術による超音
波流速計のブロックダイヤグラムである。 ＡＭｒ’・・・増幅回路、　　　ＡＮＤＩ、ＡＮＤ２・
・−ＡＮＤ回路、ＣＮＴｌ、　ＣＮＴ２．　ＣＮＴ３．
　ＣＮＴ４・・・カウンタ回路ＣＯＭＰ・・・矩形波化
回路、 Ｄ／Ａ・・・デジタル・アナログ変換回路、Ｇ１・・・
第１のゲート、　　Ｇ２・・・排他的論理和回路、ＩＶ
・・・反転回路、　　　　Ｋ・・・順逆切替え回路、Ｏ
ＳＣ・・・電圧制御発振回路、 ＳＦＴ・・・シフトレジスタ、 ＵＤＣＩ・・・アップダウンカウンタ回路、Δ・・・減
算回路、　　　　Σ・・・加算回路、ＮＦ・・・帰還回
路。 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 連続発振する発振回路と、 上記発振回路の出力周波数ｆを周波数ｆ／Ｎ＿１（Ｎ＿
   １：整数）に分周する第１のカウンタ回路と、 発振回路の出力信号を上記周波数ｆ／Ｎ＿１の分周信号
   で断続制御する第１のゲート回路と、 上記ゲート回路の出力信号を超音波信号に変換する超音
   波トランスデューサと、超音波信号を電気信号に変換す
   る超音波トランスデューサと、 超音波伝播方向を流速に対して順方向と逆方向に交互に
   繰り返し周波数ｆ／ＫＮ＿１で切替えて上記第１のゲー
   ト回路と上記超音波トランスデューサを接続する順逆切
   替え回路と、 超音波を電気信号に変換する超音波トランスデューサに
   上記順逆切替え回路を介して接続された増幅回路と、 上記増幅回路の出力を矩形波に成形する矩形波化回路と
   、 矩形波化回路の出力信号に対応する信号が入力端子に送
   られ、プリセット入力端子を有するシフトレジスタと、 シフトレジスタの出力パルス数が所定値になるとシフト
   レジスタをクリアする計数手段と、 上記第１のカウンタ回路の出力信号と上記シフトレジス
   タの出力信号、またはそれらを同一の分周比で分周した
   信号、を２入力とする排他的論理和回路と、 上記排他的論理和回路の出力が上記第１のカウンタ回路
   の出力またはそれを分周した信号より前にあるか後にあ
   るかを判別する判別回路と、 上記排他的論理和回路の出力を上記判別回路の出力に応
   じてアップカウントまたはダウンカウントするアップダ
   ウンカウンタ回路と、 上記アップダウンカウンタ回路の出力をパルス列に変換
   し、その出力を上記シフトレジスタ回路のプリセット端
   子に送り、上記第１のアップダウンカウンタ回路の出力
   がゼロになるように負帰還回路を形成する帰還回路と、 超音波伝播方向が流速に対して順方向にあるときの上記
   アップダウンカウンタ回路の出力と逆方向であるときの
   上記アップダウンカウンタ回路の出力の和と差をそれぞ
   れ計算する加算回路および減算回路と、 上記加算回路の出力が一定になるように上記発振回路の
   発振周波数を変えるために、上記加算回路の出力を上記
   発振回路に帰還するフェーズロック帰還回路と、 上記減算回路の出力を流速として出力する出力回路を備
   えることを特徴とする超音波流速計。