(57)【要約】【課題】複雑な構成の位相シフターを必要とせず、また、位相比較器の構成を複雑にすることなく、簡易な構成を用いることにより、位相差とその変換電圧の関係における連続領域を使用して、正確なカルマン渦を検出する。【解決手段】本発明は、超音波送受波用の発振子及び受信子を、被測定流体中に挿入された渦発生体の後流側に流路を介して対設する。位相比較器は、発振器信号と受信子出力信号の間の位相差を検出し、かつ、位相差−電圧変換器は、この位相差を電圧信号に変換する。本発明は、位相比較器に入力される発振器信号と受信子出力信号のいずれか一方の位相を反転させるよう動作する位相切換器と、これを制御する位相切換判定器を備え、位相差が変換器特性の不連続部に近づいたときにこれを検出して位相切換器の位相を反転させる。【選択図】        図１
2004170326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体中に挿入された渦発生体の後流側に流路を介して対設した超音波送受波用の発振子及び受信子と、該発振子を励振させる発振器と、該発振器信号と受信子出力信号の間の位相差を検出する位相比較器と、位相差を電圧に変換する特性に連続部及び不連続部を有する位相差−電圧変換器とを備え、該変換器によって前記位相比較器の出力位相差を電圧信号に変換すると共に、該変換器の出力電圧信号中からカルマン渦による位相変調分を取り出して前記被測定流体の流量又は流速を測定する超音波式渦流量計において、
前記位相比較器に入力される前記発振器信号と前記受信子出力信号のいずれか一方の位相を反転させるよう動作する位相切換器と、
前記位相差が前記変換器特性の不連続部に近づいたときにこれを検出して前記位相切換器の位相を反転させるために位相切換器に信号を出力する位相切換判定器と、
から成る超音波式渦流量計。
【請求項２】
前記位相切換判定器は、前記位相差−電圧変換器出力の直流信号成分に基づき判定すると共に、その交流信号成分に基づくカルマン渦信号はバンドパスフィルタを介して検出され、これによって流体の流量又は流速が測定される請求項１に記載の超音波式渦流量計。
【請求項３】
前記位相切換判定器による不連続部に近づいたときの検出は、前記位相比較器の位相差が０に近づいた時、及び２πに近づいた時に検出する請求項１又は２に記載の超音波式渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して被測定流体の流量又は流速を測定する超音波式渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の如く流体中に柱状発生体を挿入すると、渦発生体の両側面で流れが剥離し、該渦発生体の下流側に交互に規則的な渦、即ちカルマン渦が発生する。該カルマン渦の生成数は流体の流速又は流量に比例するところからカルマン渦の検出により流量又は流速を正確に測定できる。
【０００３】
また、このようなカルマン渦を検出するために、超音波利用の手段を利用することが従来周知である。これは、持続的な超音波信号により流体中に発生しているカルマン渦の生成数を検出し、それによって被測定流体の流量又は流速を測定するものである。
【０００４】
図６は、従来技術に基づく一般的な超音波式渦流量計の概略構成を示す図である。配管内に渦発生体があり、その下流に対向した超音波発振子、超音波受信子がある。発振子から発信された超音波は流体中を伝わり受信子へ到達する。この時、渦発生体の下流側には流量に比例したカルマン渦ができるため、発振器により励振された発振子からの超音波は、カルマン渦による影響を受けて、発振子から受信子へ到達する時間に影響を受ける。
【０００５】
この発振器信号と受信子信号を位相比較器で比較して、両者の間の位相差信号を出力する。この位相差信号を、位相差−電圧変換器で電圧信号に変換することにより、カルマン渦を検出して、流量又は流速を計測することができる。
【０００６】
受信子信号は流体中を所定距離に渡って通過したものであることから、流速ゼロであっても、固有の位相遅れが生じる。そして、所定の流速により流体中にカルマン渦が発生すると、このカルマン渦によって、上記固有の位相遅れが変調され、位相変化を受ける。この位相変化が、実質上正弦波状の信号として検出され、これによって流量又は流速を測定することになる。
【０００７】
位相差とそれを電圧に変換した位相差電圧の関係を図７に示す。位相差が２ｎπ〜２（ｎ＋１）π［ｎ＝整数］の間で変化すれば、電圧は連続で変化するが、２ｎπ［ｎ＝整数］のところでは、不連続となってしまい、この不連続点では正確なカルマン渦を検出することができない。この問題を解決するために、不連続が発生しないよう位相シフターで位相を強制的にシフトし必ず２πの範囲内で変化するようにした超音波式渦流量計が公知である（特許文献１参照）。
【０００８】
図８は、このような第１の公知の超音波式渦流量計の概略構成を示す図である。図６に示した構成に加えて、位相シフターが備えられている。この位相シフターは、位相差−電圧変換器から出力される位相差電圧に基づき、発振器信号から位相比較器に入力される経路中で位相量が制御される。これによって、位相比較器の動作状態を、その動作範囲の最適領域に安定させることが可能となる。
【０００９】
しかし、このような超音波式渦流量計は、複雑な構成の位相シフターを必要とし、また、大きい位相シフトを行うことは困難である。
【００１０】
また、上記した不連続が発生しないようにした第２の公知の超音波式渦流量計が知られている（特許文献２参照）。これは、一部が重なるようにずらして設定される複数の位相差−電圧変換特性を有して、位相差の変化に対応して最適の特性を用いるように構成したものである。このような超音波式渦流量計は、位相シフターを必要としないものの、位相比較器の構成が複雑となる。
【００１１】
【特許文献１】
実公昭５７−２５１４２号公報
【特許文献２】
特許第３１１６１８９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、係る問題点を解決して、複雑な構成の位相シフターを必要とせず、また、位相比較器の構成を複雑にすることなく、簡易な構成を用いることにより、位相差とその変換電圧の関係における連続領域を使用して、正確なカルマン渦を検出することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波式渦流量計は、被測定流体中に挿入された渦発生体の後流側に流路を介して対設した超音波送受波用の発振子及び受信子と、該発振子を励振させる発振器と、該発振器信号と受信子出力信号の間の位相差を検出する位相比較器と、位相差を電圧に変換する特性に連続部及び不連続部を有する位相差−電圧変換器とを備える。この変換器によって位相比較器の出力位相差を電圧信号に変換すると共に、該変換器の出力電圧信号中からカルマン渦による位相変調分を取り出して前記被測定流体の流量又は流速を測定する。本発明は、このような超音波式渦流量計において、位相比較器に入力される発振器信号と受信子出力信号のいずれか一方の位相を反転させるよう動作する位相切換器と、位相差が変換器特性の不連続部に近づいたときにこれを検出して位相切換器の位相を反転させるために位相切換器に信号を出力する位相切換判定器とを備えることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する第１の超音波式渦流量計の概略構成を例示する図である。配管内に渦発生体があり、その下流に対向した超音波発振子、超音波受信子がある。発振器により励振される発振子から発振された超音波は流体中を伝わり受信子へ到達する。この時、渦発生体の下流側には流量に比例したカルマン渦ができるため、発振子から出た超音波はカルマン渦による影響を受け、受信子へ到達する時間に影響を受ける。
【００１５】
この発振器信号と受信子信号を位相比較器で比較して、両者の間の位相差信号を出力する。この位相差信号を、位相差−電圧変換器で電圧信号に変換することにより、カルマン渦を検出して、流量又は流速を計測することができる。以上の構成及び動作は、前述した従来技術と同じものである。
【００１６】
図１に例示の構成においては、発振器信号を入力する位相比較器への経路中に、位相切換器が挿入される。そして、この位相切換器の切換は、位相比較器の出力を判定する位相切換判定器により制御される。即ち、発振器信号は位相切換器で、位相切換判定器の信号に基づき反転（πの位相シフト）させた後、位相比較器へ入力される。
【００１７】
即ち、受信子の出力信号の位相をφ２、該出力信号の平均位相をφ２’、カルマン渦によって生じた変動位相分を±Δφとすると、出力信号の位相は、
φ２＝φ２’±Δφとなり、これが位相比較器の第１の入力に印加される。一方、位相比較器の第２の入力には、位相シフターを介して位相φ１なる信号が入力されるので、位相比較器から出力される位相差は、
φ１−φ２＝（φ１−φ２’）±Δφとなり、この出力位相差の内の（φ１−φ２’）に基づく直流信号成分が位相切換判定器で判定されて、位相切換器を制御することとなる。また、変動位相分±Δφに基づくカルマン渦信号は、正弦波交流信号としてバンドパスフィルタを介して検出され、これによって流体の流量又は流速が測定される。
【００１８】
本発明は、出力位相差の内の直流信号成分に相当する（φ１−φ２’）が、位相差−位相差電圧特性の非直線領域に近づいた時にこれを判定して、位相比較器に入力されるいずれかの信号（図１においては、発振器信号）の位相を反転することにより、動作領域が非直線領域に掛からないように移動させるものである。
【００１９】
この動作について、さらに図３を参照して説明する。図３（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ位相差−位相差電圧の関係を示す図であって、（Ａ）は位相比較器の位相差が０に近づいた時、そして（Ｂ）は２πに近づいた時の動作を説明する図である。
【００２０】
図３（Ａ）に示すように、例えば、位相差電圧がＶ１［上記の直流信号成分に相当する位相差（φ１−φ２’）がθ１］を位相切り換えポイントとした場合、位相差電圧Ｖが小さくなり、Ｖ１（位相差がθ１）となったときに位相切換判定器より、位相切換信号が出力される。その信号に対し、位相切換器では、発振器信号の位相をπシフト（反転）し、位相差をθ１＋πとする。これにより、計測ポイントを不連続ポイントの０π近傍よりずらし、位相差電圧が連続で測定できるところで流量を計測するようにする。もし、位相シフトを行わないと、変動位相分±Δφを考慮した位相差は、瞬時的に０以下となり、位相差信号が不連続となり流量を計測することができなくなる。それ故、θ１―Δφ＝０πが生じ得る前に切り換える必要がある。
【００２１】
同様に、図３（Ｂ）に示すように、位相差電圧がＶ２（位相差θ２）を位相切り換えポイントとした場合、位相差電圧が大きくなり、Ｖ２（位相差がθ２）となったときに位相切換判定器より、位相切換信号が出力される。その信号に対し、位相切換器では、発振器信号の位相をπシフト（反転）し、位相差をθ２−πとする。これにより、不連続ポイントの２π近傍よりずらし、位相差電圧が連続で測定できるところで流量を計測するようにする。それ故、θ２＋Δφ＝２πとならないように切り換える必要がある。
【００２２】
図４は、図１に例示の超音波式渦流量計の電気回路部分を具体的に例示する図である。発振器信号と受信子信号を比較する位相比較器は、フリップフロップによって構成することができる。また、発振器信号の位相を切り換える位相切換器は、排他的論理和回路ＥＸＯＲによって構成することができる。
【００２３】
発振子に正弦波信号或いは矩形波信号のいずれを印加することも可能である。正弦波信号が印加される場合は、図示しない波形整形回路を通して、発振器信号及び受信子信号をそれぞれ矩形波信号に整形した後、位相比較器に入力する。これら発振器信号及び受信子信号は、位相比較器を構成するフリップフロップのセット及びリセット端子にそれぞれ入力される。これによって、図５に示すように、発振波と受信波の位相差に相当するパルス幅の矩形波信号が出力される。
【００２４】
次に、この矩形波信号は、抵抗とコンデンサからなる積分回路によって構成することのできる位相差−電圧変換器に入力される。その出力の変動成分は、バンドパスフィルタを通して、流量（又は流速）信号として取り出される。直流成分は、位相切換判定器の２つの比較器にそれぞれ入力される。２つの比較器の内の一方は、０π近くの位相差に対応する電圧を検出し、他方は、２π近くの位相差に対応する電圧を検出する。０π近くの検出すべき位相差θＬとして、Δφよりも大きなその近辺の値を設定する。また、２π近くの検出すべき位相差θＨとして、（２π−Δφ）よりも小さなその近辺の値を設定する。
【００２５】
０π近く或いは２π近くのいずれの検出によっても、反転回路を反転させて、その状態を保持すると共に、位相切換器を構成する排他的論理和回路ＥＸＯＲの一方の入力端子に入力することにより、他方の端子に入力されている発振器信号の位相を反転させて出力する。
【００２６】
図２は、本発明を具体化する第２の超音波式渦流量計の概略構成を例示する図である。図１に例示の構成との相違は、位相切換器が、受信子から位相比較器への経路中に挿入されている点にある。この位相切換器の切換は、同様に、位相比較器の出力を判定する位相切換判定器により制御される。即ち、受信子信号は位相切換器で、位相切換判定器の信号に基づき反転（πの位相シフト）させた後、位相比較器へ入力されるよう構成されている。このように構成しても、図１に例示の構成と同様に動作する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波式渦流量計の位相比較において、位相差信号が０π、または、２πの付近では、位相差信号が不連続となってしまうのを回避するため、位相差信号が０πまたは２πに近づいたことを判別し、発振器信号又は受信子信号の位相差を反転してπずらすことにより、幅広い位相範囲で、なおかつ、簡単な回路で位相差信号の不連続状態をなくすることができる。これによって、正確なカルマン渦の検出、それ故、流量又は流速の正確な検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化する第１の超音波式渦流量計の概略構成を例示する図である。
【図２】本発明を具体化する第２の超音波式渦流量計の概略構成を例示する図である。
【図３】位相差−位相差電圧の関係を示す図であって、（Ａ）は位相比較器の位相差が０に近づいた時、そして（Ｂ）は２πに近づいた時の動作を説明する図である。
【図４】図１に例示の超音波式渦流量計の電気回路部分を具体的に例示する図である。
【図５】図４に例示の位相比較器を構成するフリップフロップの動作を説明する図である。
【図６】従来技術に基づく一般的な超音波式渦流量計の概略構成を示す図である。
【図７】一般的な超音波式渦流量計の位相差とそれを電圧に変換した位相差電圧の関係を示す図である。
【図８】第１の公知の超音波式渦流量計の概略構成を示す図である。
【図１】
2004170326.tif 000003
【図２】
2004170326.tif 000004
【図３】
2004170326.tif 000005
【図４】
2004170326.tif 000006
【図５】
2004170326.tif 000007
【図６】
2004170326.tif 000008
【図７】
2004170326.tif 000009
【図８】
2004170326.tif 000010