JPS6363052B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は超音波流量計の改良に関する。

本出願人は先に「特願昭55−116880号」におい
て超音波流量計の流量計発信器のゼロ点ずれと、
流量計変換器のゼロ点ずれの双方について補正す
ることができる超音波流量計を提案した。

この発明は先に提案した超音波流量計の改良に
関するものである。先に提案した超音波流量計で
は変換器のゼロ点ずれは被測定流体の流れを止め
ることなくゼロ点ずれを補正することができる構
成とした。これに対し、流量計発信器のゼロ点ず
れは原理上被測定流体の流れを停止しなければ補
正できない。つまり流量計発信器内に静止した流
体が存在しなければならない。出荷調整時には発
信器内に流体を満すことができないため発信器の
ゼロ点ずれを調整しておくことは不可能である。

流量計発信器のゼロ点補正手段を付加した場合
には上記した理由により設置前にそのゼロ点ずれ
を補正しておくことができない。よつてそのゼロ
点補正手段の補正量は不定のまま出荷され、設置
されることとなる。流量計発信器を設置したとき
流体の流れを停止できれば、その設置時点で発信
器のゼロ点ずれを補正できる。然し乍ら実際には
流体の流れを停止させるには工場の操業を停止さ
せるか或は分流路を仮設し、流量計発信器の前後
にバルブ等を設けて流量計発信器の部分に流体を
導びき、その状態でバルブを閉じて発信器の部分
に静止した流体を満す等の方法を講じなければな
らない。このため費用が掛り、実現が困難であ
る。従つて流量計発信器のゼロ点ずれを補正する
機会は多くないのが現状である。よつて流量計発
信器のゼロ点補正手段を設けたとしても、実際上
は補正されないまま実用状態に入ることが多い。
このため流量計発信器のゼロ点補正手段を付加し
たことによりその補正手段の補正量によりかえつ
て流量計発信器のゼロ点ずれを助長させた状態で
実用される不都合な面がある。

上述したような理由から流量計発信器のゼロ点
ずれを補正する手段を設けた装置においては流体
の流れを停止させて流量計発信器のゼロ点を補正
するまでの間はその補正手段の補正量をむしろゼ
ロにしておいた方がゼロ点のずれ量を小さい状態
とすることができる確立が高い。補正手段は後述
するように一対の遅延回路の遅延量を相対的に変
化させて補正する方法と、測定結果として得られ
る直流信号に正又は負の補正電圧を加える方法と
がある。従つてその補正量をゼロにするには一対
の遅延回路の遅延量を等しくなるように調整しな
ければならない。また補正電圧がゼロとなるよう
にポテンシヨメータを調整しなければならない。
このため少なくともオシログラフ又は電圧計程度
の測定器を必要とし、設置現場に測定器を持参し
なければならないため面倒である。

この発明の目的は測定器を用いることなく流量
計発信器のゼロ点補正手段の補正量を簡単にゼロ
の状態に設定することができる超音波流量計を提
供するにある。

第１図に先に提案した超音波流量計発信器のゼ
ロ点調整手段と流量計変換器のゼロ点調整手段を
備えた超音波流量計の構成を示す。図中Ａは超音
波流量計発信器、Ｂは超音波流量計変換器を示
す。超音波流量計発信器Ａは被測定流体を流すパ
イプ１とそのパイプ１を斜めに横切る方向に超音
波を送受する超音波送受波器２ａ，２ｂとによつ
て構成される。

超音波流量計変換器Ｂはタイミング制御回路８
と、同期回路１１と、発信器Ａのゼロ点調整手段
１０と、超音波パルス発生回路１４と、音波伝達
方向切替回路１６と、受信回路１７と、時間差電
圧変換回路２１と、分周器２２と、サンプルホー
ルド回路２３ａ，２３ｂと、変換器Ｂのゼロ点調
整手段６と、積分回路２５ａ，２５ｂと、電圧制
御形発振器１２ａ，１２ｂと、変換器２６と周波
数−電圧変換回路２７と、電圧−電流変換回路２
８と、電流計２９とにより構成される。

即ち制御回路８から出力されるクロツクパルス
９は同期回路１１に供給される。同期回路１１に
は２つの電圧制御発振器（以下VCOと略称する）
１２ａ，１２ｂからスイツチS₁によつて交互にそ
の発振信号が供給される。同期回路１１からは
VCO１２ａ，１２ｂから供給される信号に同期
したスタートパルス１３が出力され、このスター
トパルス１３が発信器Ａのゼロ点補正手段１０を
通じて超音波パルス発生回路１４に供給されて超
音波パルス１５を出力させる。超音波パルス１５
は音波を送受波器２ａから２ｂへ、及び２ｂから
２ａへの双方向に伝達させるための音波伝達方向
切替回路１６に供給され、この音波伝達方向切替
回路１６によつて送受波器２ａと２ｂに交互に超
音波パルス１５を供給する。尚音波伝達方向切替
回路１６と発信器Ａの間には極性切替回路４が挿
入される。この極性切替回路４は変換器Ｂのゼロ
点を調整する際に用いられる。これについては後
に詳細に説明する。音波伝達方向切替回路１６は
スイツチS₂とS₃によつて構成され、このスイツチ
S₂が固定接点ａとｂに転換されることにより超音
波パルス１５が送受波器２ａ，２ｂに交互に供給
され、そのとき他方の送受波器２ｂ及び２ａが交
互にスイツチS₃を通じて受信回路１７に接続され
る。つまり送受波器２ａが送波器として動作する
ときは送受波器ｂは受波器として動作し、次のタ
イミングではスイツチS₂，S₃がそれぞれ固定接点
ｂに転換されて送受波器２ｂが送波器として動作
し、２ａが受波器として動作する。送受波器２
ａ，２ｂで受波されて電気信号に変換された受波
信号１８は受信回路１７にてその立上りが予め設
定されたレベルに達したときこれを検出し受信パ
ルス１９として出力される。その受信パルス１９
は時間差電圧変換回路２の一方の入力端子２１ａ
に供給される。時間差電圧変換回路２１の他方の
入力端子２１ｂにはVCO１２ａ又は１２ｂの発
振信号を分周した分周信号２３を供給する。分周
器２２には同期回路１１から出力されるスタート
パルス１３が供給され、このスタートパルス１３
の供給と同時に分周動作が開始され、VCO１２
ａ又は１２ｂの発振信号がｎサイクル供給される
と分周出力信号２３が出力される。つまり1/Nの
分周器として動作する。

このようにして時間差電圧変換回路２１では、
超音波パルス１５の送出から受信パルス１９を得
るまでの時間とVCO１２ａ又は１２ｂの発信信
号を1/Nに分周する時間の差ΔTに比例した電圧
を出力し、その変換電圧をサンプルホールド回路
２３ａ，２３ｂに供給する。サンプルホールド回
路２３ａ，２３ｂにはスイツチS₁，S₂，S₃と連動
して切替えられるスイツチS₄を通じてサンプリン
グパルス２４が交互に供給され、時間差電圧変換
回路２１の出力電圧をサンプルホールドする。結
局サンプルホールド回路２３ａには例えば、送受
波器２ａから２ｂに音波が伝達する時間Taと
VCO１２ａの発振信号を1/Nに分周する時間と
の差ΔTaに対応した電圧がサンプルホールドさ
れる。またサンプルホールド回路２３ｂには検出
部２ｂから２ａに音波が伝達する時間TbとVCO
１２ｂの発振信号を1/Nに分周する時間差ΔTb
に対応した電圧がサンプルホールドされる。

このサンプルホールド電圧は、積分回路２５
ａ，２５ｂを通じてVCO１２ａ，１２ｂの制御
端子に供給され、双方の発振周波数を制御する。
VCO１２ａの発振周波数₁、VCO１２ｂの発振
周波数を₂とすると、これらVCO１２ａ，１２
ｂは1/N分周信号２３と受信パルス１９との時間
差ΔTa、ΔTbが共にゼロとなるようにその周波
数₁、₂が制御される。つまり受信パルス１９が
分周信号２３より速く入力されたときはVCO１
２ａ，１２ｂはその周波数が高くなる方向に制御
される。分周出力２３が出力されるタイミングは
VCO１２ａ，１２ｂの発振周波数₁と₂に比例
して速くなる。VCO１２ａ，１２ｂの発振周波
数が上昇し、分周出力２３が出力されるタイミン
グが速くなると受信パルス１９との時間差が小さ
くなり、結局受信パルス１９と分周出力２３の時
間差ΔTa及びΔTbがゼロとなる状態で安定する。
VCO１２ａ，１２ｂの発振信号は例えば変調器
２６に供給し、変調器２６より₁と₂の差の周波
数Δを得る。

この安定状態におけるVCO１２ａ，１２ｂの
発振周波数₁、₂と音波の伝達時間Ta、Tbとの
間には Ta＝Ｎ／₁、Tb＝Ｎ／₂ なる関係にある。Ｎ：分周値 流体中の音速をｃ、流速をｖ、パイプ１の管径
をＤ、音波の伝達軸とのなす角度をθとすると Ta＝Ｄ／cosθ／ｃ−vsinθ (1) Tb＝Ｄ／cosθ／ｃ＋vsinθ (2) Δ＝₂−₁＝Nvsin2θ／Ｄ (3) よつて ｖ＝Ｄ／Nsinθ、Δ (4) により流速ｖを求めることができる。

従つてVCO１２ａと１２ｂの周波数の差Δは
流速ｖに比例し、この差の周波数−電圧変換回路
２７により電圧に変換することにより流速ｖに比
例した電圧信号を得ることができる。この電圧信
号は電圧−電流変換回路２８によりプロセス標準
電流信号に変換されて出力される。その出力電流
値は電流計２９で表示される。

変換器Ｂのゼロ点を調整する手段６は例えばサ
ンプルホールド回路２３ａ又は２３ｂの出力側に
設けることができる。この第１図の例ではサンプ
ルホールド回路２３ａの出力側に設けた場合を示
す。サンプルホールド回路２３ａの出力側に加算
回路を設け、この加算回路にポテンシヨメータか
ら適当な電圧を供給してそのポテンシヨメータの
電圧をサンプルホールド電圧に加算又は減算させ
ることにより積分回路２５ａに供給する電圧値を
変更できるようにし、積分回路２５ａに供給され
る電圧の変更により変換器Ｂのゼロ点調整を行な
うことができる。つまりこのゼロ点調整を行なう
には発信器Ａと変換器Ｂの間に設けた極性切替回
路４を切替え、この切替により送受波器２ａと２
ｂの送波器として動作するタイミングと受波器と
して動作するタイミングを逆の関係に切替るよう
にし、この切替を行なつたとき電流計２９の指示
が同一電流値を指示するように積分回路２５ａに
供給する電圧を調整すればよい。このようなゼロ
点調整手段６はサンプルホールド回路２３ａ，２
３ｂの出力側だけでなく、積分回路２５ａ，２５
ｂの出力側の何れか一方に設けてもよく、またサ
ンプルホールド回路２３ａ，２３ｂの何れか一方
の入力側に設けることもできる。

次に超音波流量計発信器Ａのゼロ点調整手段１
０について説明する。この実施例ではスタートパ
ルス１３の伝送路にこのゼロ点調整手段１０を設
けた場合を示す。このゼロ点調整手段１０は第２
図に示すように二つのモノステーブルマルチバイ
ブレータ３１ａ，３１ｂと、極性切替回路４と連
動して切替られるスイツチS₅，S₆と、音波伝達方
向切替回路１６と連動して動作するスイツチS₇と
により構成される。同期回路１１から出力された
スタートパルス１３は二つのモノステーブルマル
チバイブレータ３１ａ，３１ｂに供給される。こ
の二つのモノステーブルマルチバイブレータ３１
ａ，３１ｂの何れか一方はそのパルス幅を可変で
きるように構成される。この例では３１ａのパル
ス幅を調整できるように構成した場合を示す。こ
れらモノステーブルマルチバイブレータ３１ａ，
３１ｂの出力は第１図で説明した極性切替回路４
と連動するスイツチS₅とS₆を通じスイツチS₇の固
定端子ａとｂに供給される。このスイツチS₇は第
１図で説明した音波伝達方向切替スイツチS₂，S₃
と連動してスタートパルス１３が一つ出される毎
に反転され、モノステーブルマルチバイブレータ
３１ａと３１ｂの出力を交互に超音波パルス発生
回路１４に供給する。超音波パルス発生回路１４
から出力される超音波パルス１５は音波伝達方向
切替手段１６と極性切替手段４を通じて送受波器
２ａ，２ｂに交互に供給される。切替手段１６は
スタートパルス１３が一つ供給される毎に交互に
切替られるが、極性切替手段４はスイツチS₈，S₉
によつて構成され、これらスイツチS₈，S₉は通常
は接点ａ側に接触しているが、変換器のゼロ調整
を行なう場合にだけ接点ｂに手動で適宜切替えら
れ、音波の伝達方向が平素のタイミングと逆の関
係となるように切替えられる。

極性切替手段４を構成するスイツチS₈，S₉は平
素は接点ａ点側に転接されているものとし、モノ
ステーブルマルチバイブレータ３１ａ，３１ｂの
パルス幅をMa，Mbとし、この状態で流速がゼ
ロのときの双方の経路の伝達時間差をΔt₁とする
と Δt₁＝Ta−Tb＋（Ma−Mb） ＝Ta＋Ma−（Tb＋Mb） よつて送受波器２ａから２ｂに音波が伝達する
時間TaにMaが加算されてTa＋Maとなる。また
TbにはMbが加算されてTb＋Mbとなる。一方、
極性切替スイツチS₈，S₉を切換ると、ゼロ点調整
手段１０のスイツチS₅，S₆も切替られる。このと
きの伝達時間差をΔt₂とすると Δt₂＝Tb−Ta＋（Mb−Ma） ＝Tb＋Mb−（Ta＋Ma） となる。結局スイツチS₅，S₆，S₈，S₉を切換えて
もモノマルチバイブレータ３１ａ，３１ｂのパル
ス幅Ma，Mbは音波の伝達時間Ta、Tbに対し、
それぞれTa＋Ma、Tb＋Mbの関係を保持し、モ
ノマルチバイブレータ３１ａ，３１ｂは常に送受
波器２ａ，２ｂの一部とみなすことができる。

よつてモノステーブルマルチバイブレータ３１
ａのパルス幅Maを変化させることにより一方の
伝達時間を変化させることができる。従つて、流
体の流れを止めた状態でMaを変化させ双方の伝
達時間が等しくなるように調整すれば送受波器２
ａ，２ｂによつて発生するゼロ点ずれを補正する
ことができる。このゼロ点補正を行なつた後は送
受波器２ａ，２ｂで発生するゼロ点ずれが補正さ
れているから爾後は流体の流れを止めなくとも極
性切替回路４を構成するスイツチS₈，S₉を切替
え、その切替えにより第１図で説明したように指
示計２９の指示が変動しないように変換器Ｂのゼ
ロ点補正手段６を調整すれば全てのゼロ点補正が
完全な状態に調整できる。

この発明においては、このように超音波流量計
発信器Ａのゼロ点ずれを補正する補正手段１０を
設けた超音波流量計においてその補正手段１０の
補正を簡単にゼロに設定することができる手段を
設けるものである。

第３図はこの発明の一実施例を示す。この発明
においては発信器Ａのゼロ点補正手段１０にその
ゼロ点補正量をゼロにする手段３２を設ける。こ
の手段３２は互に連動する二つのスイツチS₁₁と
S₁₂によつて構成することができる。発信器Ａの
ゼロ点を補正することができるまでの間はスイツ
チS₁₁をオンにし、スイツチS₁₂をオフしておく。
よつてこの状態ではスイツチS₇が接点ａとｂの何
れに切替つてもモノステーブルマルチバイブレー
タ３１ｂの出力によつ超音波の発生タイミングが
決定される。従つてこの状態ではゼロ点補正手段
１０の補正はゼロの状態に保持される。

流量計発信器Ａを流れる流体の流れを停止させ
ることができる状態が到来したときはスイツチ
S₁₁をオフにすればよい。スイツチS₁₁をオフにす
るとこれと連動してスイツチS₁₂がオンとなる。
よつてこの状態に切替られると送受波器２ａが送
波器として動作するときはモノステーブルマルチ
バイブレータ３１ａが遅延時間を与え、送受波器
２ｂが送波器として動作するときはモノステーブ
ルマルチバイブレータ３１ｂが遅延時間を与え
る。よつて流れがゼロの状態でモノステーブルマ
ルチバイブレータ３１ａの遅延時間を可変し、送
受波器２ａ，２ｂに対する遅延時間を相対的に変
化させ出力がゼロとなるように調整すれば超音波
流量計発信器Ａのゼロ点ずれを補正することがで
きる。よつてそれ以後はスイツチS₁₁をオフに、
S₁₂をオンの状態にしておくことにより補正した
状態に保持することができる。

尚第２図で説明した補正手段１０は信号の伝達
が一方向である部分であれば他の位置に挿入する
ことができる。つまり第１図において超音波パル
ス発生回路１４とスイツチS₂との間、スイツチS₃
と受信回路１７との間、又は受信回路１７と時間
差電圧変換回路２１との間に挿入しても同様の作
用効果が得られる。

第４図はこの発明の他の実施例を示す。この実
施例では時間差電圧変換回路２１の出力側に加算
回路２７を設け、この加算回路２７に補正手段１
０から音波の伝達方向によつて極性が反転する補
正電圧を供給し、この補正電圧によつて検出部２
ａ，２ｂで発生するゼロ点ずれを補正するように
構成した場合を示す。補正手段１０はポテンシヨ
メータ２８からその摺動子の位置に応じて正及び
負に変化する電圧を得るようにし、その電圧を直
接及び極性反転回路２９を通じて極性切替手段４
に供給し、極性切替手段４を通じて音波の伝達方
向切替スイツチS₇の両固定接点ａ，ｂに供給し、
音波の伝達方向に応じて互に極性が異なる補正電
圧＋V₂、又は−V₂を加算回路２７に供給するよ
うに構成することができる。

極性切替手段４を構成するスイツチS₅，S₆及び
S₈，S₉が図の状態にあるときVCO１２ａ，１２
ｂの出力周波数₁，₂は次のようになる。

₁＝Ｎ・Ｋ／O₁＋Ｋ（Ta＋V₂／Ｋ） (10) ₂＝Ｎ・Ｋ／O₂＋Ｋ（Tb−V₂／Ｋ） (11) こゝでO₁は電圧に換算したVCO１２ａ側のル
ープのオフセツト、O₂はVCO１２ｂ側のオフセ
ツトであり、Ｋは時間差電圧変換回路２１の係数
（Ｖ／sec）、＋V₂、−V₂は補正手段７から出力され
る補正電圧である。このときΔ₁＝₁−₂は次式
で示される。

Δ₁＝NK｛（O₂−O₁）＋（Kt₂−Kt₁）｝／（O₁＋Kt₁）
（O₂＋Kt₂）(12) たゞし、t₁＝Ta＋v₂／Ｋ、t₂＝Tb−v₂／Ｋ 極性切替スイツチS₅，S₆を図の状態から反転さ
せたときのΔ₂＝₁−₂は Δ₂＝NK｛（O₂−O₁）−（Kt₂−Kt₁）｝／（O₁＋Kt₂）
（O₂＋Kt₁）（13） となる。Kt₁、Kt₂は各々O₁，O₂より非常に大き
いから Δ₂＝２（O₂−O₁）−Δ₁ （14） となる。

(10)(11)式及び(12)（13）式に示されるようにv₂／Ｋ
が Taの一部、−v₂／ＫがTbの一部とみなすことができ る。

よつて極性切替スイツチS₅，S₆・S₈，S₉を操作
したとき、Δ₁とΔ₂が等しくなるようにし、更
にO₁＝O₂となるようにゼロ点補正手段６を調整
することにより変換器３のゼロ調整を行ない、流
速ゼロの状態でΔ₁がゼロとなるように補正電圧
V₂を調整すれば送受波器２ａ，２ｂに起因する
ゼロ点ずれを補正することができる。

この場合もポテンシヨメータ２８の出力側にス
イツチS₁₃とS₁₄を設け、流量計発信器Ａのゼロ点
補正を行うまでの間はスイツチS₁₃をオンに、S₁₄
をオフにしておくことにより補正手段１０の補正
量をゼロにしておくことができる。流れを停止さ
せることができる状態においてスイツチS₁₃をオ
フに、S₁₄をオンにすることによりポチンシヨメ
ータ２８の設定電圧を補正電圧として出力するこ
とができる。よつてこの補正電圧V₂により発信
器Ａのゼロ点を補正することができる。

以上説明したようにこの発明によれば、流量計
発信器Ａのゼロ点を補正することができるまでの
間は発信器Ａのゼロ点補正手段１０の補正量をゼ
ロにしておくことができる。よつて流量計発信器
Ａのゼロ点を補正することができるまでの間ゼロ
点補正手段１０の補正量により大きくゼロ点がず
れた状態で使われることがなく、よつて発信器Ａ
のゼロ点を補正できるまでの間でも大きな測定誤
差を含む状態で流量を測定することがない。然も
この発明によれば補正手段１０の補正量をゼロに
するための操作は単にスイツチの切替操作で済む
ため測定器がなくとも補正量をゼロにすることが
できる。よつて簡単な操作によりゼロ点補正手段
１０の補正量をゼロにすることができ、その効果
は実用に供して頗る大である。

尚上述ではゼロ点補正手段１０の補正量をゼロ
にするためにスイツチS₁₁，S₁₂及びS₁₃，S₁₄を用
いた例を説明したが、特にスイツチを用いなくと
も配線の接続替またはジヤンパー線の接続替によ
つて切替ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先に提案した超音波流量計を説明する
ための系統図、第２図は先に提案した超音波流量
計の要部を説明するための系統図、第３図はこの
発明の要部の一実施例を示す系統図、第４図はこ
の発明の他の実施例を示す系統図である。 Ａ：超音波流量計発信器、Ｂ：超音波流量計変
換器、２ａ，２ｂ：送受波器、６：変換器のゼロ
点補正手段、１０：発信器のゼロ点補正手段、
S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄：ゼロ点補正手段１０の補正
量をゼロに設定する手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発信器と変換器の間の接続を切換る手段と、
   この切換手段により切換えたとき出力の変化から
   流れを止めることなく変換器のゼロ点ずれを補正
   する手段と、流れを止めたときの出力がゼロとな
   るように発信器のゼロ点ずれを補正する手段と、
   この発信器のゼロ点ずれ補正手段の補正量をゼロ
   に設定する手段とを具備して成る超音波流量計。