(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れる管内に設けられカルマン渦を発生させる渦発生体と、超音波の送、受信機能を有し前記カルマン渦発生領域を介して超音波を送受信するように配置された一対の超音波変換器と、前記一対の超音波変換器のうち一方の超音波変換器に駆動信号を出力して超音波を発生させる発振器と、前記駆動信号の周波数を調整する周波数調整器と、前記一対の超音波変換器のうち他方の超音波変換器からの信号を受けて渦信号として出力する渦信号検出器と、前記周波数調整器を制御する制御回路とからなり、
前記制御回路は、
前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が予め設定された基準振幅値以下の場合には前記駆動信号の周波数を変化させて前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を調整し、
前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させることを特徴とする渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の渦流量計の一例として、流体の流れる管内にカルマン渦を発生させる渦発生体を設け、超音波の送、受信機能を有する一対の超音波変換器を管路に設け、一対の超音波変換器のうち一方から他方に送信される超音波がカルマン渦に変調されることに基づいて流体の流量を計測するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した渦流量計では、一対の超音波変換器のうち一方の超音波変換器から送信された超音波の一部が、管壁を伝搬しカルマン渦に変調されずに他方の超音波変換器に入力され、良好な流量計測が阻害されることが起こり得た。すなわち、例えば管壁を伝搬した超音波の振幅が大きくて受信信号の振幅が大きくなっている場合、受信信号における流体を通過した（すなわち、カルマン渦により変調された）信号の成分の比率が相対的に小さくなるため、位相復調して流量を求めようとしても復調信号の振幅が小さくなり、良好な流量計測を果たせなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、管壁を伝搬する超音波の存否にかかわらず良好な流量計測を行うことができる渦流量計を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る渦流量計の発明は、流体の流れる管内に設けられカルマン渦を発生させる渦発生体と、超音波の送、受信機能を有し前記カルマン渦発生領域を介して超音波を送受信するように配置された一対の超音波変換器と、前記一対の超音波変換器のうち一方の超音波変換器に駆動信号を出力して超音波を発生させる発振器と、前記駆動信号の周波数を調整する周波数調整器と、前記一対の超音波変換器のうち他方の超音波変換器からの信号を受けて渦信号として出力する渦信号検出器と、前記周波数調整器を制御する制御回路とからなり、前記制御回路は、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が予め設定された基準振幅値以下の場合には前記駆動信号の周波数を変化させて前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を調整し、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させることを特徴とする。
ここで、カルマン渦の周波数と振幅は流速に比例し、送信用超音波変換器で送信された超音波が管を伝搬せず全てカルマン渦を介して受信用超音波変換器に受信された場合、受信信号の周波数と振幅とは一定の対応関係がある。
【０００６】
このように構成した渦流量計では、制御回路は、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が予め設定された基準振幅値以下の場合には前記駆動信号の周波数を変化させて前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を調整し、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態の渦流量計を図１ないし図５に基づいて説明する。図１において、流体が流れる管１内には、カルマン渦を発生させる渦発生柱２が設けられている。管１内の渦発生領域を間にして、超音波の送、受信機能を有する一対の超音波変換器３，４が、管１に設けられている。
【０００９】
一対の超音波変換器３，４のうち一方の超音波変換器（以下、送信用超音波変換器という。）３に発振回路５が接続されており、駆動信号Ａを送信用超音波変換器３に出力して、送信用超音波変換器３の圧電振動体（図示省略）を振動させ超音波を発生させる。
【００１０】
送信用超音波変換器３からの超音波が渦発生領域を通ってカルマン渦に変調されて他方の超音波変換器（以下、受信用超音波変換器という。）４に受信される。受信用超音波変換器４には、増幅器６を介して渦信号検出器７及び振幅検出器８が接続されている。
【００１１】
渦信号検出器７は、受信用超音波変換器４が受信する信号（増幅器６の出力信号）Ｂと駆動信号Ａとを比較して変調成分を取り出し、渦の発生周波数を示す渦信号Ｄを出力する。渦信号検出器７には出力回路９が接続されており、パルス状の渦信号を出力し、図示しない計測部がこの渦信号に基づいて流体の流量を求める。
【００１２】
振幅検出器８は、増幅器６からの信号に対して包絡線検波を行って振幅検出を行うようになっており、検出したデータ（振幅信号）を演算器（制御回路）１０に出力する。演算器１０は、振幅信号とあらかじめ設定した基準振幅値とを比較し、振幅信号が基準振幅値以下の場合、周波数指令信号Ｅを発振回路５に出力して駆動信号Ａの周波数を変化（スイープ）させてその送信用超音波変換器３が発生する振動を大きくさせる等の後述する図４に示す演算処理及び制御を行う。
【００１３】
前記発振回路５は、図２に示すように基準発振器（発振器）１１と、位相比較器１２と、この位相比較器１２と共に周波数調整器を構成する電圧制御発振器１３と、分周器１４とから大略構成されている。
【００１４】
分周器１４は、演算器１０に接続されており、周波数指令信号Ｅを受け、この周波数指令信号Ｅと同等値の分周比Ｎを示す信号を位相比較器１２に出力する。位相比較器１２は、基準発振器１１が発生する周波数ｆの基準信号と分周器１４からの信号（分周比Ｎ）とが比較され、比較結果に基づいて電圧制御発振器１３を制御して周波数Ｎｆの信号を出力させる。この場合、基準信号の周波数をｆ、分周器１４における信号分周比をＮとすると、電圧制御発振器１３の出力周波数はＮｆとなる。
分周器１４における信号の分周比Ｎは、周波数指令信号Ｅの値に等しくなるようにされていることから、周波数指令信号Ｅにより電圧制御発振器１３の出力周波数を制御できることになる。
【００１５】
演算器１０は、図３に示すように、渦信号検出器７から渦信号Ｄを入力して、周波数／電圧変換、振幅／電圧変換を行ってそれぞれ周波数データ、振幅データを出力する周波数／電圧変換器１５、振幅／電圧変換器１６と、渦信号Ｄの周波数−振幅基準データをあらかじめ格納している記憶回路１７と、周波数データ、振幅データと周波数−振幅基準データとを比較し、比較結果に基づいて後述するように周波数指令信号Ｅを出力する判定回路１８とから大略構成されている。前記記憶回路１７には、後述するように駆動信号Ａの振幅が周波数対応して格納されるようになっている（図４のステップＳ３）。
【００１６】
ここで、カルマン渦の周波数は流速に比例し、カルマン渦の強さ（渦信号Ｄの振幅に対応する。）は流体密度及び流速の２乗に比例する関係があり、送信用超音波変換器３で送信された超音波が管１を伝搬せず全てカルマン渦を介して受信用超音波変換器４に受信された場合、渦信号Ｄの周波数と振幅とは例えば図５に示されるような一定の関係がある。前記記憶回路１７には、図５の実線で示すような周波数−振幅基準データＧが格納されている。そして、送信用超音波変換器３で送信された超音波の一部が管１を伝搬して受信用超音波変換器４に受信された場合、渦信号Ｄの周波数−振幅特性は実線で示される周波数−振幅基準データＧからずれたものになる。本実施の形態では、周波数−振幅基準データＧに比して振幅が大きいデータＨ、小さいデータＪの範囲に入る場合を許容範囲とする一方、両データＨ，Ｊを超えるような場合、判定回路１８は、超えた量に対応する内容の周波数指令信号Ｅを出力することになる。なお、前記超音波伝搬において、カルマン渦を介して受信される超音波の周波数が数十ｋＨｚであるのに対して、管壁伝搬超音波の周波数は数十Ｈｚであることから、周波数指令信号Ｅにより周波数を数十Ｈｚシフトして適正化を図るようにしている。
【００１７】
以上のように構成された渦流量計の作用を、図４に基づいて説明する。
まず、駆動信号Ａの振幅が一定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。
ステップＳ１でＮＯと判定すると、駆動信号Ａの周波数を変化させ（ステップＳ２）、各周波数毎に駆動信号Ａの振幅を格納する（ステップＳ３）。ステップＳ３に続いて、駆動信号Ａの振幅が最大となる周波数（以下、基本周波数という。）を求め（ステップＳ４）、駆動信号Ａの周波数を基本周波数にセットし（ステップＳ５）、ステップＳ６に処理を進める。このように、ステップＳ１ないしＳ５の処理を行うことにより、渦信号Ｄの振幅が低下したような場合に、最大振幅の渦信号Ｄが得られるように駆動信号Ａを調整し、良好な流量計測を図るようにしている。
【００１８】
また、ステップＳ１でＹＥＳ  と判定すると、ステップＳ６に処理を進める。
ステップＳ６では、渦信号Ｄの周波数−振幅特性が前記許容範囲に入っているか否かを判定する。ステップＳ６でＹＥＳ  と判定すると、処理をステップＳ１に戻って行う。
【００１９】
ステップＳ６でＮＯと判定すると、周波数指令信号Ｅを出力し、位相比較器１２、電圧制御発振器１３を介して駆動信号Ａの周波数を下げる（ステップＳ７）。続いて、渦信号Ｄの周波数−振幅特性が許容範囲に入っているかの判定を行う（ステップＳ８）。ステップＳ８でＮＯと判定するとステップＳ７に戻り、渦信号Ｄの周波数−振幅特性が許容範囲に入るまで、ステップＳ７，Ｓ８の処理を繰り返して行う。
【００２０】
このようにして、渦信号Ｄの周波数−振幅特性が許容範囲に入っていない場合に、演算器１０は渦信号Ｄの周波数−振幅特性が周波数−振幅基準データＧに基づいて設定された許容範囲に入るように位相比較器１２、電圧制御発振器１３を制御して基本周波数を有する駆動信号Ａを出力させるので、仮に管１を超音波が伝搬しても最大振幅の渦信号Ｄが得られ、ひいては良好な流量計測を図ることができるようになる。また、受信信号に定在波が発生したとしてもこの定在波の影響による渦信号の振幅低下を防止し、良好な流量計測を図ることができる。
【００２１】
なお、前記実施の形態では、渦信号Ｄの周波数−振幅特性に基づいて演算器１０が位相比較器１２、電圧制御発振器１３を制御する場合を例にしたが、これに代えて、渦信号の振幅に基づいて位相比較器１２、電圧制御発振器１３を制御して基本周波数を有する駆動信号Ａを出力させる制御回路を設けてもよい。
【００２２】
また、送信用、受信用超音波変換器３，４のうち少なくとも一方の超音波変換器の温度を検出する温度検出器を設け、該温度検出器の温度信号に基づいて位相比較器１２、電圧制御発振器１３を制御する制御回路を設けてもよい。このように構成することにより送信用、受信用超音波変換器４の温度変化に伴う超音波送受信特性の悪化の改善を図ることができる。
【００２３】
なお、前記発振回路５には、位相同期シンセサイザ回路を用いて構成することが可能であり、このように構成することにより、周波数の設定が容易に行えることになる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、前記他方の超音波変換器からの信号の振幅が最大となるように調整された際に前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合には、前記渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内となるように前記周波数調整器を用いて前記駆動信号の周波数を変化させるので、渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に無い場合にも、渦信号検出器より出力された渦信号の周波数と振幅との関係が予め定められた周波数−振幅特性の許容範囲内に収まるようになり、仮に管を超音波が伝搬しても、前記渦信号検出器から最大振幅の渦信号が得られ、ひいては良好な流量計測を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の渦流量計を模式的に示す図である。
【図２】同渦流量計の発振回路を示すブロック図である。
【図３】同渦流量計の演算器を示すブロック図である。
【図４】同渦流量計の作用を説明するためのフローチャートである。
【図５】同渦流量計の渦信号の周波数−振幅基準データを示す図である。
【符号の説明】
１    管
２    渦発生柱
３    送信用超音波変換器
４    受信用超音波変換器
１０  演算器
１１  基準発振器
１２  位相比較器
１３  電圧制御発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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