(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れている流体の流速を測定する流速測定方法において、
信号音を流体中で上流側又は下流側へ伝搬させて元の信号との位相差を検出する工程と、
当該工程で検出した位相差を同期させる工程と、
当該工程で位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する工程と、
当該工程で位相同期が完了するまでに要した時間又は振動数とこの時間又は振動数に対応して予め設定した流速とを互いに比較して流体の流速を算出する工程と
を備えて構成されたことを特徴とする流速測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の流速測定方法において、
上記時間又は振動数と共に流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して流速を予め設定したことを特徴とする流速測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の流速測定方法において、
信号音を流体中で上流側へ伝搬させて行う位相差検出と下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替えると共に、切り替え時に校正信号を出力して切り替え時の乱れを防止することを特徴とする流速測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の流速測定方法において、
切り替え時に出力される上記校正信号が、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させることを特徴とする流速測定方法。
【請求項５】
流れている流体の流速を測定する流速測定装置において、
流れている流体中に複数配設されて信号音を送受信する信号音送受信部と、
当該複数の信号音送受信部で信号音を適宜送信又は受信させることによりその信号音を流体中で上流側又は下流側へ伝搬させて元の信号との位相差を検出する位相差検出部と、
当該位相差検出部で検出した位相差を同期させる位相同期部と、
当該位相同期部で位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する検出部と、
当該検出部で検出した時間又は振動数とこの時間又は振動数に対応して予め設定した流速とを互いに比較して流体の流速を算出する流速算出部と
を備えて構成されたことを特徴とする流速測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の流速測定装置において、
上記信号音送受信部が、流体を流す管体に配設されて、管体内の流体の流速を測定することを特徴とする流速測定装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の流速測定装置において、
上記流速算出部に、上記流体の温度、圧力及び種類の変化に対応した流速を予め設定したことを特徴とする流速測定装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の流速測定装置において、
上記信号音送受信部が流体の流れ方向に等間隔に３カ所設けられ、中央の信号音送受信部が信号音を送信し、両側の信号音送受信部が信号音を受信して、信号音を流体中で同じ距離だけ上流側及び下流側へ同時に伝搬させて位相差を検出することを特徴とする流速測定装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか１項に記載の流速測定装置において、
信号音を流体中で上流側へ伝搬させて行う位相差検出と下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替える切替部と、
当該切替部による切り替え時に校正信号を発振して切り替え時の乱れを防止する校正信号発振部と
を備えたことを特徴とする流速測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の流速測定装置において、
上記校正信号発振部によって切り替え時に出力される校正信号が、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させることを特徴とする流速測定装置。
【請求項１１】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流速測定方法を用いた流速測定工程と、
この流速測定工程で求めた流速に流体が流れる管体の内径を掛けて流量を測定する流量測定工程と
から構成されたことを特徴とする流量測定方法。
【請求項１２】
請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の流速測定装置を用いた流速測定部と、
この流速測定部で求めた流速に流体が流れる管体の内径を掛けて流量を測定する流量測定部と
から構成されたことを特徴とする流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号音、主に超音波を用いて流体の流速及び流量を測定する流速測定方法及び流速測定装置並びに流量測定方法及び流量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、流体の流速を測定する流速計として、超音波を用いたものがある。
【０００３】
この超音波流速計は、流体が流れる管体に、長手方向へ間隔をあけて２つの振動子を設けて構成されている。各振動子のうち一方の振動子から超音波を発信させて他方の振動子にて受信させ、また、他方の振動子から超音波を発信させて一方の振動子にて受信させ、これらの超音波の伝搬時間の差から、管体内の流体の流速を求めるものである。また、流量は上記流速に管体の内径を掛けて求める。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の超音波流速計では、時間差法、位相差法等による測定法を用いているが、２つの振動子の間隔が短ければ、時間差、位相差は微妙なものとなるため、必然的に誤差も大きなものとなる。
【０００５】
また、超音波の伝播速度は、流体の温度、圧力及び種類の状態の違いによって変化する。これらの変化は誤差として無視してもよいが、高精度で流速を測定する場合には問題となる。
【０００６】
流量も同様に、高精度で測定する場合には問題となる。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、高精度で流速及び流量を測定することができる流速測定方法及び流速測定装置並びに流量測定方法及び流量測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る流速測定方法は、流れている流体の流速を測定する流速測定方法において、信号音を流体中で上流側又は下流側へ伝搬させて元の信号との位相差を検出する工程と、当該工程で検出した位相差を同期させる工程と、当該工程で位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する工程と、当該工程で位相同期が完了するまでに要した時間又は振動数とこの時間又は振動数に対応して予め設定した流速とを互いに比較して流体の流速を算出する工程とを備えて構成されたことを特徴とする。
【０００９】
上記構成により、流体の流速が速ければ位相差は大きくなる。位相差が大きくなれば、それに比例して位相同期に要する時間は長く、また振動数の変化は大きくなるため、流体の流速と位相同期に要する時間又は振動数との関係を予め設定しておくと、検出した上記時間又は振動数と予め設定した流速とを比較することで流体の流速を算出することができる。この結果、微妙な数値である位相差を、比較的大きな数値である位相同期に要する時間又は振動数に正確に置き換えることができ、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００１０】
第２の発明に係る流速測定方法は、第１の発明に係る流速測定方法において、上記時間又は振動数と共に流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して流速を予め設定したことを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して補正することができる。位相差は流体の温度、圧力及び種類によって変化するため、温度等の変化との関係で予め流速を設定しておく。これにより、流体の温度、圧力及び種類が変化しても、高精度で流速を求めることができるようになる。
【００１２】
第３の発明に係る流速測定方法は、第１又は第２の発明に係る流速測定方法において、信号音を流体中で上流側へ伝搬させて行う位相差検出と下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替えると共に、切り替え時に校正信号を出力して切り替え時の乱れを防止することを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、上流側と下流側へ伝搬させて位相差を検出し、逆方向へずれる２つの位相それぞれに対して流速を求め、これらの平均をとって測定値の信頼性を向上させる。信号音の伝搬方向の切り替え時には校正信号を出力する。信号音の伝搬を上流側と下流側とで切り替える際には信号音の伝搬が乱れることがある。伝搬する信号音が極端に大きくなったり小さくなったりして、測定値が大きく変動することがある。これを解消するために校正信号を出力して切り替え時の乱れ、即ち測定値の大きな変動を防止する。これにより、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００１４】
第４の発明に係る流速測定方法は、第３の発明に係る流速測定方法において、切り替え時に出力される上記校正信号が、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させることを特徴とする。
【００１５】
上記構成により、流体の温度等の変化に対応して周波数を変調させた校正信号を切り替え時に出力するので、流体の温度等の変化が大きい場合でも、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００１６】
第５の発明に係る流速測定装置は、流れている流体の流速を測定する流速測定装置において、流れている流体中に複数配設されて信号音を送受信する信号音送受信部と、当該複数の信号音送受信部で信号音を適宜送信又は受信させることによりその信号音を流体中で上流側又は下流側へ伝搬させて元の信号との位相差を検出する位相差検出部と、当該位相差検出部で検出した位相差を同期させる位相同期部と、当該位相同期部で位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する検出部と、当該検出部で検出した時間又は振動数とこの時間又は振動数に対応して予め設定した流速とを互いに比較して流体の流速を算出する流速算出部とを備えて構成されたことを特徴とする。
【００１７】
上記構成により、信号音送受信部を流体中に２つ配設する場合は、各信号音送受信部の一方から信号音を送信させて他方で信号音を受信させる。また、２つの信号音送受信部で送信と受信とを交互に切り替えて、信号音を流体中で上流側と下流側へ伝搬させる。さらに、信号音送受信部を流体中に３つ配設する場合は、中央の信号音送受信部を送信側とし、両側の信号音送受信部を受信側として、中央の信号音送受信部から信号音を上流側と下流側へ同時に伝搬させる。信号音送受信部を流体中に４つ配設する場合は二組に分け、一方の組では信号音を上流側へ伝搬させ、他方の組では信号音を下流側へ伝搬させる。５つ以上の場合は、上記２つの例と３つの例との組み合わせとなる。これらの信号音送受信部によって信号音を流体中で上流側又は下流側へ伝搬させ、位相差検出部で元の信号との位相差を検出して、その位相差を位相同期部で同期させる。このとき、位相同期完了までに要する時間又は振動数を検出部で検出し、流速算出部で予め設定した流速と比較して流体の流速を算出する。この結果、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００１８】
第６の発明に係る流速測定装置は、第５の発明に係る流速測定装置において、上記信号音送受信部が、流体を流す管体に配設されて、管体内の流体の流速を測定することを特徴とする。
【００１９】
上記構成により、信号音送受信部が、管体内で信号音を上流側又は下流側へ伝搬させて、管体内の流体の流速を外部から測定することができる。
【００２０】
第７の発明に係る流速測定装置は、第５又は第６の発明に係る流速測定装置において、上記流速算出部に、上記流体の温度、圧力及び種類の変化に対応した流速を予め設定したことを特徴とする。
【００２１】
上記構成により、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して、検出値を補正することができる。流体中を伝搬する信号音の速度は流体の温度等によって変化するが、その流体の温度等の変化に対応した流速を流速算出部に予め設定することにより、流体の温度等の変化による誤差を補正することができる。即ち、流体の温度等の違いにより位相差が微妙に変化するが、その温度等に対応した流速を基準になる流速と共に予め設定することで、位相差の変化を吸収する。この結果、流体の温度等が変化しても、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００２２】
第８の発明に係る流速測定装置は、第５乃至第７のいずれかの発明に係る流速測定装置において、上記信号音送受信部が流体の流れ方向に等間隔に３カ所設けられ、中央の信号音送受信部が信号音を送信し、両側の信号音送受信部が信号音を受信して、信号音を流体中で同じ距離だけ上流側及び下流側へ同時に伝搬させて位相差を検出することを特徴とする。
【００２３】
上記構成により、信号音を上流側へ伝搬させて検出した位相差と、下流側へ伝搬させて検出した位相差との平均をとる。これにより、より高精度で流速を測定することができるようになる。
【００２４】
第９の発明に係る流速測定装置は、第５乃至第８のいずれかの発明に係る流速測定装置において、信号音を流体中で上流側へ伝搬させて行う位相差検出と下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替える切替部と、当該切替部による切り替え時に校正信号を発振して切り替え時の乱れを防止する校正信号発振部とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
上記構成により、切替部で信号音の伝搬方向を交互に切り替えて位相差を検出し、それらの平均をとる。この切替部による切り替え時には、信号がなくなったり打ち消し合ったり強め合ったりして大きく乱れることがある。このため、切り替え時には、校正信号発振部で校正信号を発振して切り替え時だけ平均値で処理する。これにより、位相差の大きな乱れが防止でき、より高精度で流速を測定することができるようになる。
【００２６】
第１０の発明に係る流速測定装置は、第９の発明に係る流速測定装置において、上記校正信号発振部によって切り替え時に出力される校正信号が、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させることを特徴とする。
【００２７】
上記構成により、流体の温度等の変化に対応して周波数を変調させた校正信号を発振部によって切り替え時に出力するので、流体の温度等の変化が大きい場合でも、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００２８】
第１１の発明に係る流量測定方法は、第１乃至第４の発明のいずれかに係る流速測定方法を用いた流速測定工程と、この流速測定工程で求めた流速に流体が流れる管体の内径を掛けて流量を測定する流量測定工程とから構成されたことを特徴とする。
【００２９】
上記構成により、高精度で測定した流速に基づいて、高精度で流量を測定することができる。
【００３０】
第１２の発明に係る流量測定装置は、第５乃至第１０の発明のいずれかに係る流速測定装置を用いた流速測定部と、この流速測定部で求めた流速に流体が流れる管体の内径を掛けて流量を測定する流量測定部とから構成されたことを特徴とする。
【００３１】
上記構成により、高精度で測定した流速に基づいて、高精度で流量を測定することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る流速測定方法及び流速測定装置について、添付図面を参照しながら説明する。
【００３３】
［流速測定方法］
本実施形態に係る流速測定方法は、位相差そのものを用いるのではなく、位相差を同期させるのに要する時間又は振動数を用いて流速を測定する方法である。
【００３４】
検出した位相差を解消して同期させるには位相同期ループ回路を用いるが、位相同期には流速に応じた時間がかかる。その間には発振器ＶＣＯから信号が、周波数を変えながら発信されるが、基準周波数からずれた分の周波数の総数（振動数）は流速に応じて変動する。
【００３５】
流体の流速が速ければ位相差は大きくなる。位相差が大きければそれを同期させるのに要する時間又は振動数の変化も大きくなる。これら流体の流速と、位相差を同期させるのに要する時間又は振動数の変化とは比例する。このため、流体を設定速度で流したときの時間又は振動数（位相同期に要する時間又は振動数）を検出して、その設定速度と実測した時間又は振動数との関係をテーブルに予め記録しておけば、実際に時間又は振動数を測定してその値を上記テーブルで比較することにより、流体の流速を算出することができる。本実施形態の流速測定方法及び流速測定装置はこれを利用したものである。
【００３６】
本実施形態の流速測定方法は具体的には、位相差を検出する位相差検出工程と、位相差を同期させる位相同期工程と、位相同期に要する時間又は振動数を検出する同期時間等検出工程と、流体の流速を算出する流速算出工程とを備えて構成されている。
【００３７】
位相差検出工程では、流れている流体中に超音波の信号音を発振させて上流側又は下流側へ伝搬させ、伝搬後に受信した信号と元の信号との位相差（流体の流速に対応した位相差）を検出する。このとき、信号音を流体中で上流側へ伝搬させて行う位相差検出と下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替えて両方向への位相差を検出してもよい。これにより、逆方向へずれる２つの位相それぞれに対して流速を求め、これらの平均をとって測定値の信頼性を向上させる。また、上流側と下流側との切り替え時に校正信号を出力して切り替え時の乱れを防止してもよい。信号音の伝搬方向の切り替え時に上記校正信号を出力すると、測定値の大きな変動を防止できる。信号音の伝搬方向を上流側と下流側とで切り替える際には信号音の伝搬が乱れることがある。伝搬する信号音が極端に大きくなったり小さくなったりして、測定値が大きく変動することがある。この切り替え時に校正信号を出力することで、信号音の伝搬の乱れを吸収することができる。即ち、切り替え時に信号音の伝搬の乱れが生じても、校正信号でそれを解消して、測定値の大きな変動を防止することができる。さらに、上記校正信号を、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させてもよい。これにより、流体の温度等の変化に対応して周波数を変調させた校正信号を切り替え時に出力するので、流体の温度等が大きく変化する場合でも、高精度で流速を測定することができる。
【００３８】
位相同期工程では、上記位相差検出工程で検出した位相差を、位相同期ループ回路（ＰＬＬ回路）を用いて同期させる。
【００３９】
同期時間等検出工程では、上記位相同期工程で位相同期が完了するまでに要した時間又は振動数をカウンタで検出する。
【００４０】
流速算出工程では、上記同期時間等検出工程で位相同期が完了するまでに要した時間又は振動数とこの時間又は振動数に対応して予め設定した流速とを互いに比較して流体の流速を算出する。
【００４１】
この結果、比較的微妙な数値である位相差を、比較的大きな数値である位相同期に要する時間又は振動数に正確に置き換えることができ、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００４２】
［流速測定装置］
次に、上記流速測定方法を実施するための流速測定装置について説明する。
【００４３】
この流速測定装置は、例えば管体内を流れている流体の流速を測定するための装置である。この流速測定装置は具体的には、信号音送受信部と、位相差検出部と、位相同期部と、同期時間等検出部と、流速算出部とを備えて構成されている。
【００４４】
信号音送受信部は振動子を備えている。この振動子が、管体内を流れている流体中に浸されて流体を振動させ、超音波の信号音を送信すると共に、伝搬してきた信号音を受信する。信号音送受信部は管体に複数配設されて、適宜送信側と受信側になる。信号音送受信部を流体中に２つ配設する場合は、各信号音送受信部の一方から信号音を送信させて他方で信号音を受信させる。また、２つの信号音送受信部で送信と受信とを交互に切り替えて、信号音を流体中で上流側と下流側へ伝搬させる。さらに、信号音送受信部を流体中に３つ配設する場合は、中央の信号音送受信部を送信側とし、両側の信号音送受信部を受信側として、中央の信号音送受信部から信号音を上流側と下流側へ同時に伝搬させる。信号音送受信部を流体中に４つ配設する場合は二組に分け、一方の組では信号音を上流側へ伝搬させ、他方の組では信号音を下流側へ伝搬させる。５つ以上の場合は、上記２つの例と３つの例との組み合わせとなる。
【００４５】
位相差検出部は、比較回路からなり、流体中を伝搬した信号と元の信号とを比較してその位相差を検出する。管体内の隔たった２つの位置の信号音送受信部の一方で信号音を送信して他方でその信号音を受信することによりその信号音を流体中で上流側又は下流側へ伝搬させて得た位相と、元の信号の位相とを比較して位相差を検出する。
【００４６】
この場合、上記信号音送受信部を管体に等間隔に３カ所設けて、上流側及び下流側へ同時に伝搬させたときの位相差を検出すると、平均値をとることができる。信号音を上流側へ伝搬させて検出した位相差と、下流側へ伝搬させて検出した位相差とを加算して二で割ると超音波の絶対速度がでる。これにより、より高精度で超音波の絶対速度を測定することができる。
【００４７】
このとき、信号音送受信部を送信側と受信側に適宜切り替える切替部を設けてもよい。信号音送受信部を管体に２カ所又は３カ所設けて、これらを切替部で切り替える。即ち、下流側から信号音を送信して上流側で受信することにより信号音を流体中で上流側へ伝搬させて行う位相差検出と、上流側から信号音を送信して下流側で受信することにより信号音を流体中で下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替える。この切替部で信号音の伝搬方向を交互に切り替えて位相差を検出し、それらの平均をとる。
【００４８】
さらに、上記切替部による切り替え時に校正信号を発振して切り替え時の乱れを防止する校正信号発振部を備えてもよい。切替部による切り替え時には、信号がなくなったり打ち消し合ったり強め合ったりして大きく乱れることがある。このため、切り替え時には、校正信号発振部で校正信号を位相差検出部に出力して切り替え時だけ平均値で処理する。これにより、位相差の大きな乱れが防止でき、より高精度で流速を測定することができる。このとき、校正信号発振部によって切り替え時に出力される校正信号を、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させるようにしてもよい。流体の温度等の変化に対応して周波数を変調させた校正信号を校正信号発振部によって切り替え時に出力することで、流体の温度等が大きく変化する場合でも、高精度で流速を測定することができる。
【００４９】
位相同期部は、位相同期ループ回路（ＰＬＬ回路）を備えて構成されている。
なお、上記位相差検出部は位相同期ループ回路の一部として構成されている。この位相同期ループ回路により、位相差を検出して徐々に同期させていく。位相同期ループ回路の具体的な構成は後述する。
【００５０】
同期時間等検出部は、上記位相同期部の位相同期ループ回路で位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する。
【００５１】
時間の場合は、上記位相同期ループ回路が作動開始してから位相が完全に同期するまでにかかった時間を基準にする。位相が完全に同期した時点を判断するのが容易でない場合は、例えば位相差が半減した時点等の判断しやすい時点を基準にする。
【００５２】
振動数の場合は、上記位相同期ループ回路の発振器ＶＣＯが出力する信号が、基準周波数に対して、プラス側及びマイナス側へずれた分の周波数の絶対値の総数によって判断する。位相差が大きい場合は、発振器ＶＣＯが出力する周波数は基準周波数から大きくずれるため、ずれた分の周波数の絶対値の総数も大きくなる。この場合も上記時間の場合と同様に、位相が完全に同期するまでかかった振動数を基準にするが、その判断が容易でない場合は、例えば位相同期ループ回路作動開始から一定時間内の総振動数を計算する。即ち、一定時間内での、基準周波数からずれた分の周波数の絶対値の総数を計算する。例えば、グラフにおいて、基準周波数を０にすると、発振器ＶＣＯが出力する周波数は、最初に大きく振れて次第に収束するサイン曲線のようになるので、その曲線と０線とで囲む面積を算出して周波数の絶対値の総数を求める。なお、これ以外でも、位相同期ループ回路の特性等の種々の要因により判断しやすい時点があれば、その時点を基準にして上記時間又は振動数を算出する。
【００５３】
流速算出部は、上記同期時間等検出部で検出した時間又は振動数と、この時間又は振動数に対応してテーブルに予め記録した流速とを互いに比較して、流体の流速を算出する。テーブルには、設定速度で流した流体の流速と、そのときの位相同期の時間又は振動数とを対応して記録されている。このテーブルは、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して複数設けてもよい。即ち、温度等を変化させたときの、流体の流速と時間又は振動数との関係を複数のテーブルに予め記録してもよい。これにより、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応したテーブルを用いて、検出値を補正する。なお、基準となるテーブルを１つだけ用意し、温度等による変動分を計算によって補正してもよい。
【００５４】
以上のように構成された流速測定装置では、まず一方の信号音送受信部で管体内の流体を振動させ、他方の信号音送受信部で信号音を受信して位相差検出部に出力する。位相差検出部では、流体中を伝搬した信号と元の信号とを比較してその位相差を検出する。次いで、位相同期部で位相差を徐々に同期させ、同期時間等検出部で位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する。そして、流速算出部で上記時間又は振動数をテーブルに記録した数値と参照して流速を検出する。
【００５５】
この結果、比較的微妙な数値である位相差を、比較的大きな数値である位相同期に要する時間又は振動数に正確に置き換えることができ、高精度で流速を測定することができるようになる。
【００５６】
［流量測定方法及び流量測定装置］
流量測定方法は、上述した流速測定方法を用いて流速を測定する流速測定工程と、この流速測定工程で求めた流速に流体が流れる管体の内径を掛けて流量を測定する流量測定工程とから構成する。これにより、高精度で測定した流速に基づいて、高精度で流量を測定することができる。
【００５７】
流量測定装置は、上述した流速測定装置を用いて流速を測定する流速測定部と、この流速測定部で求めた流速に流体が流れる管体の内径を掛けて流量を測定する演算処理装置を備えた流量測定部とから構成した。これにより、高精度で測定した流速に基づいて、高精度で流量を測定することができる。
【００５８】
［第１の具体例］
次に、上記流速測定方法及び流速測定装置を管体に用いた具体例を示す。
【００５９】
図２は本発明に係る流速測定方法を説明する模式図である。図中の１０は内部に流体を流す管体である。この管体１０に、信号音送受信部としての振動子１１及び受信部１２、１３が配設されている。振動子１１は信号音としての超音波を管体１０内の流体中に送信する。受信部１２、１３は、振動子１１で送信されて流体中を伝搬してきた超音波を受信する。受信部１２は、振動子１１から管体１０の下流側に長さＬ離れた位置に設けられている。受信部１３は、振動子１１から管体１０の上流側に長さＬ離れた位置に設けられている。
【００６０】
ここで、流体（例えば水）の流速Ｖを０ｍ／ｓとし、振動子１１から所定の周波数の超音波を送信させて、この超音波を受信部１２、１３により受信させる。ここで、振動子１１から送信された超音波が受信部１２で受信されるまでの到達時間と受信部１３で受信されるまでの到達時間とは、管体１０内の流体の流速Ｖが０のときは温度や圧力等に関係なく同じである。しかし、超音波の伝搬する速度は温度や圧力等に依存する。流体が水の場合、図２に示すように温度が高くなるほど速くなる。また、圧力が高くなるほど速くなる。さらに、流体の種類（例えば水とそれ以外の流体（気体を含む））によっても異なる。
【００６１】
そこで、管体１０内に流れる流体の流速Ｖを測定する場合、管体１０内の超音波の絶対速度Ａ、Ｂをそれぞれ検出し、下記式（１）のように両者の平均を求めると、流速Ｖが相殺され、管体内の現在の温度、圧力状態での超音波の絶対速度Ｓが求められる。なお、絶対速度Ａは、超音波が振動子１１から下流側である受信部１２の方向に伝達される場合の超音波速度であり、絶対速度Ｂは、超音波が振動子１１から上流側である受信部１３の方向に伝達される場合の超音波速度である。
【００６２】
管体１０内に流れる流体の流速Ｖを検出するには、下記式（２）のように両者の差を求めると、超音波の絶対速度が相殺され、管体内の現在の温度、圧力状態及び流体の種類に応じて流速Ｖｏ（Ｖｏは補正前の流速）が求められる。
【００６３】
Ｓ＝（Ａ＋Ｂ）／２    …（１）
Ｖｏ＝（Ａ−Ｂ）／２  …（２）
上記式（１）により求めた超音波の絶対速度Ｓはその時の流体の温度等に依存した値となっており、その温度と圧力が基準の温度と圧力からずれている場合は、絶対速度Ｓも実際の速度からずれている。また、流体の種類によっても異なってくる。これと同様に、上記式（２）により求めた流速Ｖｏも、その時の流体の温度と圧力の状態に依存した値となっており、実際の流速からずれている。従って、実際の流速を求めるには、温度等に起因するずれを補正する必要があるので、次に、この補正方法について説明する。
【００６４】
流体が例えば水の場合、温度による超音波速度のずれは、図２に示すように、２５℃では１５００ｍ／ｓであり、１０℃では１４６０ｍ／ｓであり、４０℃では１５４０ｍ／ｓである。なお、圧力は一定とする。従って、基準となる超音波速度を１５００ｍ／ｓとした場合、上記式（１）により求めた水中での超音波の絶対速度が１５４０ｍ／ｓであれば、上記式（２）により求めた流速Ｖ。において４０ｍ／ｓの補正が必要となる。つまり、４０ｍ／ｓが絶対速度１５４０ｍ／ｓに占める割合を、求めた流速Ｖｏにおいて補正する必要がある。
【００６５】
具体的な補正方法としては、流体の温度の変化に対応したテーブルを複数設ける。テーブルには、各温度毎に、設定速度で流した流体の流速と、そのときの位相同期の時間又は振動数とを対応して記録する。これにより、予め流体の温度に応じたテーブルを選択し、実測する位相同期の時間又は振動数をテーブルで参照して、流体の温度に応じた流速を算出する。なお、２５℃のときの流体の流速と、位相同期の時間又は振動数とを実測してテーブルを作成しておき、温度の変化による変動分を計算によって補正してもよい。温度の変化と流速とはほぼ比例しているため、計算で容易に補正することができる。
【００６６】
図１に流速測定装置１の例を示す。この流速測定装置１は、信号音送信部２と、信号音受信部３と、位相差検出器△φと、積分回路（ローパスフィルター）∫と、発振器ＶＣＯと、分周器Ｎと、カウンタ４と、流速算出部（図示せず）と、固定発振器ＯＳＣとから構成されている。
【００６７】
信号音送信部２は管体１０内の流体中に配設されて超音波の信号音を送信する。信号音受信部３は管体１０内の流体中に、信号音送信部２と一定間隔をおいて配設され、信号音送信部２からの信号音を受信する。
【００６８】
位相差検出器△φは、信号音送信部２及び信号音受信部３で信号音を適宜送信又は受信させてその信号音を管体１０内の流体中で上流側又は下流側へ伝搬させて元の信号との位相差を検出する位相差検出部である。この位相差検出器△φは比較回路からなり、分周器Ｎから信号音送信部２と信号音受信部３を介して入力する信号と、分周器Ｎから直接入力する信号とを比較する。
【００６９】
積分回路（ローパスフィルター）∫は、位相差検出器△φに接続され、位相差検出器△φで検出した位相差に基づく出力波形を成形して発振器ＶＣＯに出力する。
【００７０】
発振器ＶＣＯは、積分回路∫に接続され、積分回路∫の出力信号に応じた周波数で発振する。発振器ＶＣＯは、通常は基準周波数で発振しており、位相差が生じた場合にその位相差に応じた分だけ基準周波数からずれた周波数で発振する。
この発振器ＶＣＯからの出力信号は分周器Ｎに出力される。
【００７１】
分周器Ｎは、発振器ＶＣＯからの出力信号の周波数を調整して、信号音送信部２と位相差検出器△φとに出力する。
【００７２】
カウンタ４は、発振器ＶＣＯに接続され、発振器ＶＣＯの周波数を表示すると共に、位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出する検出部である。このカウンタ４は、上述したように、時間をカウントする場合と、振動数をカウントする場合とがある。
【００７３】
流速算出部は、図示しない制御回路に設けられたメモリ部によって構成されている。このメモリに上述したテーブルが記録されている。上記カウンタ４で検出した時間又は振動数が、このテーブル内のデータと比較されて、流体の流速が算出される。しかも、流体の温度等の変化に応じた補正が施された数値が算出される。
【００７４】
固定発振器ＯＳＣは、流速測定装置１の始動時に基準となる信号を発振して初期設定を行うための発振器である。この固定発振器ＯＳＣは、位相差検出器△φに接続され、基準信号を出力する。
【００７５】
上記位相差検出器△φ、積分回路∫及び発振器ＶＣＯにより、上述した位相差検出部及び位相同期部としてのＰＬＬ回路が構成されている。
【００７６】
以上の構成の流速測定装置１では、次のようにして流速を測定する。
【００７７】
まず、分周器Ｎからの出力信号によって信号音送信部２から管体１０内の流体中に超音波の信号音が送信される。この信号音は流体中を伝搬して信号音受信部３に達する。信号音受信部３では信号音を受信して位相差検出器△φに出力する。位相差検出器△φでは、信号音受信部３からの信号と共に分周器Ｎからの元の信号が入力され、両者が比較されて位相差が検出される。
【００７８】
積分回路∫では、上記位相差に対応した出力波形が成形されて発振器ＶＣＯに出力される。発振器ＶＣＯでは、位相差に対応した分だけ基準周波数からずれた周波数の信号が分周器Ｎに出力される。位相差が大きい場合には、基準周波数から大きくずれた周波数の信号が分周器Ｎに出力され、分周器Ｎで周波数が調整されて上記動作が繰り返される。
【００７９】
これにより、位相差が少しずつ解消されて、最終的に位相が同期する。
【００８０】
この位相同期処理の過程で、カウンタ４によって位相同期完了までに要する時間又は振動数が検出される。流速算出部では、カウンタ４で検出した時間又は振動数がテーブルのデータと比較されて、流体の温度等に応じて補正された流速が算出される。さらに、この流速に管体１０の内径を掛けることで、流量を測定することができる。
【００８１】
また、図１に示す信号音送信部２と信号音受信部３とを逆に取り付けて、上記の場合と逆方向に信号音を伝搬させたときの流体の流速を算出し、両方向の流速の平均値を求めてもよい。
【００８２】
［第２の具体例］
図３は第２の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。全体的には図１の流速測定装置とほぼ同様であるため、同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００８３】
この流速測定装置は、信号音の送信及び受信ができる信号音送受信部２１，２２を有している。これらの信号音送受信部２１，２２は、上記信号音送信部２及び信号音受信部３と同様に所定間隔離れて配設されている。ＰＬＬ回路及び分周器Ｎは第１の具体例と同様である。
【００８４】
信号音送受信部２１，２２と、ＰＬＬ回路及び分周器Ｎとの間には切替部２５が設けられている。この切替部２５は、分周器Ｎを第１信号音送受信部２１側に接続して信号音を流体の流れと同じ方向に伝搬させたり、分周器Ｎを第２信号音送受信部２２側に接続して信号音を流体の流れと逆方向に伝搬させたりする。これにより、上流側へ伝搬させて行う位相差検出と、下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替える。この切替部２５で信号音の伝搬方向を交互に切り替えて位相差を検出し、それらの平均をとる。
【００８５】
切替部２５は制御回路・表示回路２６に接続され、適宜制御されて信号音の伝搬方向が切り替えられる。制御回路・表示回路２６は計数回路２７に接続されている。計数回路２７は上記カウンタ４と同様の機能を有し、ＰＬＬ回路に接続されている。制御回路・表示回路２６は、計数回路２７での測定値を表示する。
【００８６】
ＰＬＬ回路の位相差検出器△φには固定発振器ＯＳＣが接続されている。この固定発振器ＯＳＣは、切替部２５による切り替え時に校正信号を発振して切り替え時の乱れを防止するための校正信号発振部である。切替部２５による切り替え時に位相差検出器△φへの入力信号がなくなったり打ち消し合ったり強め合ったりして大きく乱れることがあるため、切り替え時にのみ信号音送受信部２１，２２からの信号をカットして校正信号を位相差検出器△φへ出力する。切り替え時だけ平均値で処理することにより、位相差の大きな乱れを防止する。また、固定発振器ＯＳＣから出力する校正信号を、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させるようにしてもよい。流体の温度等の変化に対応して周波数を変調させた校正信号を校正信号発振部によって切り替え時に出力することで、流体の温度等が大きく変化する場合でも、測定誤差を解消できる。
【００８７】
以上の構成により、切替部２５で信号音の伝搬方向を適宜切り替えて両方向の流体の流速を測定し、これらの平均値をとる。このとき、切替部２５による切り替え時に固定発振器ＯＳＣから校正信号を発振して切り替え時の信号の乱れを防止する。
【００８８】
これにより、より高精度で流速を測定することができる。さらに、この流速に管体１０の内径を掛けることで、流量を測定することができる。
【００８９】
［第３の具体例］
図４は第３の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。上記第２の具体例と同一部分には同一符号を付し、異なる部分を中心に説明する。
【００９０】
この流速測定装置は、信号音送信部３１と、第１及び第２の信号音受信部３２，３３とを備え、信号音送信部３１を中心にして上流側と下流側へ信号音を伝搬させるようにしたものである。第１及び第２の信号音受信部３２、３３は、信号音送信部３１を中心にして所定間隔離れた位置に設けられている。第１及び第２の信号音受信部３２、３３は切替器３５を介してＰＬＬ回路に接続されている。
【００９１】
以上の構成により、切替部３５で信号音の伝搬方向を適宜切り替えて両方向の流体の流速を測定し、これらの平均値をとる。このとき、切替部３５による切り替え時に固定発振器ＯＳＣから校正信号を発振して切り替え時の信号の乱れを防止する。
【００９２】
これにより、上記第２の具体例と同様に、より高精度で流速を測定することができる。さらに、この流速に管体１０の内径を掛けることで、流量を測定することができる。
【００９３】
［第４の具体例］
図５は第４の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。ここでは、２系統の測定回路によって構成されている。各系統の測定回路毎に、信号音送信部４１と、信号音受信部４２と、ＰＬＬ回路と、分周器Ｎと、固定発振器ＯＳＣと、制御回路・表示回路２６と、計数回路２７とを備えて構成されている。なお、制御回路・表示回路２６は１つの回路で共用している。
【００９４】
以上の構成により、２系統の測定回路で両方向の流体の流速を測定し、これらの平均値をとる。
【００９５】
これにより、上記第２の具体例と同様に、より高精度で流速を測定することができる。さらに、この流速に管体１０の内径を掛けることで、流量を測定することができる。
【００９６】
［変形例］
上記実施形態では、ＰＬＬ回路の特性は固定にしたが、位相差を同期させる速度の緩やかなものを用いるのが望ましい。これにより、比較的微妙な数値である位相差を、比較的大きな数値に変換することができるためである。
【００９７】
また、ＰＬＬ回路の特性は、積分回路∫によるところが大きいため、積分回路∫の特性を流体の温度等に応じて調整するようにしてもよい。この場合、流体の温度の変化に対応したテーブルを複数設ける必要がなくなる。
【００９８】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、次のような効果を奏する。
【００９９】
（１）  位相同期が完了するまでに要する時間又は振動数を検出し、その時間又は振動数とそれに対応して予め設定した流速とを互いに比較して流体の流速を算出するため、比較的微妙な数値である位相差を、比較的大きな数値である位相同期に要する時間又は振動数に正確に置き換えることができ、高精度で流速を測定することができる。
【０１００】
（２）  上記時間又は振動数と共に流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して流速を予め設定したので、流体の温度、圧力及び種類が変化しても、高精度で流速を求めることができるようになる。
【０１０１】
（３）  上流側へ伝搬させて行う位相差検出と下流側へ伝搬させて行う位相差検出とを交互に切り替えると共に、切り替え時に校正信号を出力して切り替え時の乱れを防止するため、平均をとって測定値の信頼性を向上させることができると共に、切り替え時の乱れがなくなって高精度で流速を測定することができる。
【０１０２】
（４）  切り替え時に出力される上記校正信号を、流体の温度、圧力及び種類の変化に対応して周波数を変調させるため、流体の温度等の変化が大きい場合でも、高精度で流速を測定することができる。
【０１０３】
（５）  上述のように、高精度で流速を測定することができるため、この流速に管体の内径を掛けることで、高精度で流量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である第１の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。
【図２】本発明に係る流速測定方法を説明する模式図である。
【図３】第２の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。
【図４】第３の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。
【図５】第４の具体例に係る流速測定装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１：流速測定装置、２：信号音送信部、３：信号音受信部、△φ：位相差検出器、∫：積分回路（ローパスフィルター）、ＶＣＯ：発振器、Ｎ：分周器、４：カウンタ、ＯＳＣ：固定発振器、１０：管体、１１：振動子、１２，１３：受信部、２１，２２：信号音送受信部、２５：切替部、２６：制御回路・表示回路、２７：計数回路、３１：信号音送信部、３２，３３：第１及び第２の信号音受信部、３５：切替器、４１：信号音送信部、４２：信号音受信部。
【図１】
0004538163.tif 000002
【図２】
0004538163.tif 000003
【図３】
0004538163.tif 000004
【図４】
0004538163.tif 000005
【図５】
0004538163.tif 000006