(57)【要約】【課題】流速に関する測定限界を拡大し、実用性をより高めた気体用の超音波流量計を得る。【解決手段】流体流速がＶａの場合に、送信側の送受信器２からの超音波ビームが流されて、送受信器３の下流側の端部に直線Ｂのように到着するとすれば、主軸の到達点のずれは流速の平行成分Ｖａ・ｃｏｓαにより、管内伝播時間Ｔ後に距離ｗ／２だけ移動すると見倣して、ｗ／２＝Ｔ・Ｖａ・ｃｏｓαとなる。一方、時間ＴはＴ＝ｄ／（Ｃ・ｃｏｓα）であり（Ｃは気体の音速）、Ｖａ＝ｗＣ／２ｄが得られる。角度θａはｗ・ｃｏｓα／２ｄであり、偏向すべき角度θは測定流速Ｖに対し、θ＝θａ・Ｖ／Ｖａとなり、角度θを基に送受信器２のｉ個の振動子に与える遅延時間τｉを求める。この遅延時間τｉは（ｉ−１）ｐ・ｓｉｎθ／Ｃ（ｐは振動子の間隔）で計算でき、これにより超音波ビームを角度θ分だけ偏向させれば、超音波ビームの主軸は送受信器３の中央に到達する。【選択図】図３
2007322186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定すべき流体を流す測定用管体と、該管体の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ取り付け、前記管体内の気体を斜めに横切って超音波ビームを伝播させる１対のアレイ形超音波送受信器と、これらの１対の超音波送受信器の送信、受信を交互に切換える切換器と、送信側の前記超音波送受信器を駆動する駆動源と、送信側の前記超音波送受信器より送信し受信側の前記超音波送受信器で受信した受信信号を増幅する増幅器と、該増幅器の出力を受けて流量出力信号に変換する変換器とから成る超音波流量計において、前記変換器は前記増幅器の出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力を処理して流量出力信号に変換するセントラルプロセッサと、該セントラルプロセッサにより制御されるプログラマブルロジックデバイスとを備え、該プログラマブルロジックデバイスにより遅延時間を生成し、前記超音波送受信器を構成する複数の振動子に異なる遅延時間を与えると共に、前記セントラルプロセッサは前記プログラマブルロジックデバイスを制御して前記遅延時間のそれぞれを前記流量出力信号に応じて変更することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記遅延時間は前記送信側から受信側のアレイ形超音波送受信器の双方の各振動子に与えることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記遅延時間は前記送信側のアレイ形超音波送受信器の振動子に与えることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記受信側の超音波送受信器からの受信信号が失われて流量出力信号が定まらないときに、前記送信側の超音波送受信器によるそれぞれの前記遅延時間を最小値と最大値の間で走査することにより前記受信信号を求め、適切な前記遅延時間を選定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体中を流れる流量を時間差方式の原理を用いて、広い流速範囲の測定が可能な超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
管体内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計において、最も広く使用されている原理は時間差法である。例えば、非特許文献１に記載されているように、この時間差法は流体の流速Ｖを、流体中の超音波の伝播速度の変化、即ち伝播時間差Δｔとして計測し、管体の既知の断面積を乗算することにより流量Ｑを測定する。
【０００３】
この時間差方式の超音波流量計は液体、気体を対象として実用に供されているが、気体の場合には気体音速と測定流速の比が液体の場合ほど大きくない。従って、流速が大になると上流側を送信側として導体を横切るように下流側に送られた超音波ビームは、気体の流れにより下流側に流されて、下流側の受信側の超音波送受信器を越えてしまい、受信信号が得られなくなるという問題がある。
【０００４】
また、下流側から上流側に向う場合の超音波ビームも上流側の超音波送受信器の手前に到達してしまうことになる。このときの流速は概略３０ｍ／ｓ程度であって、これよりも大きい流速の気体を対象とした流量測定はなかなか困難である。
【０００５】
【非特許文献１】有限会社工業新聞社発行  社団法人日本計量機器工業連合会「流量計測ＡｔｏＺ」第１２１頁〜第１４２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述の流速に関する測定限界を拡大し、実用性をより高めた超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の技術的特徴は、測定すべき流体を流す測定用管体と、該管体の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ取り付け、前記管体内の気体を斜めに横切って超音波ビームを伝播させる１対のアレイ形超音波送受信器と、これらの１対の超音波送受信器の送信、受信を交互に切換える切換器と、送信側の前記超音波送受信器を駆動する駆動源と、送信側の前記超音波送受信器より送信し受信側の前記超音波送受信器で受信した受信信号を増幅する増幅器と、該増幅器の出力を受けて流量出力信号に変換する変換器とから成る超音波流量計において、前記変換器は前記増幅器の出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力を処理して流量出力信号に変換するセントラルプロセッサと、該セントラルプロセッサにより制御されるプログラマブルロジックデバイスとを備え、該プログラマブルロジックデバイスにより遅延時間を生成し、前記超音波送受信器を構成する複数の振動子に異なる遅延時間を与えると共に、前記セントラルプロセッサは前記プログラマブルロジックデバイスを制御して前記遅延時間のそれぞれを前記流量出力信号に応じて変更することにある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る超音波流量計によれば、発信された超音波ビームの角度補償を行うことにより、超音波ビームは受信側の超音波送受信器にほぼ正確に到達するので、流速が大きくとも測定が可能になる。
【０００９】
また、誤動作等により変換器が超音波ビームの到達制御に失敗した場合にも、探査機能により自動的に正常状態に回復することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１の概略的なブロック回路構成図において、測定すべき気体を流す測定用管体１において、流体の流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれフェーズド・アレイ型の超音波送受信器２、３が対向して配置されており、超音波ビームが管体１内を斜めに横切って伝播するようになっている。これらの超音波送受信器２、３は超音波ビームの送信機能と受信機能とを備え、切換器４により交互に択一的に上述の機能を切換可能とされている。これらの超音波送受信器２、３は共に複数の振動子を並列して構成されているが、図面ではそれぞれ４個の振動子５ｉ（ｉ＝１〜４）を備え、これらの配線も簡略化してある。
【００１１】
超音波送受信器２、３は切換器４を介して変換器６に接続され、変換器６内には送信側と受信側にそれぞれ接続する遅延時間発生回路７、８が内蔵されている。また、変換器６には発信側の超音波送受信器に印加するための駆動源９が接続され、更に受信側の超音波送受信器の信号を増幅するための増幅器１０が接続されている。
【００１２】
切換器４としては複数個のマルチプレクサを使用するのが好適であるが、図示の実施例では１個のみを示し、切換えのための制御信号線も省略している。実際の遅延時間発生回路７、８はそれぞれ振動子５ｉの数に対応した数だけ設けられ、それぞれの振動子５ｉに与える遅延時間τｉは変換器６からの流量出力の大きさに応じて変更できるようになっている。
【００１３】
図２はフェーズド・アレイ構造の超音波送受信器の動作説明図である。超音波送受信器２、３はｎ個のアレイ形振動子５ｉ（ｉ＝１〜ｎの整数）から成り、各振動子５ｉには切換器４を介してそれぞれ遅延時間発生回路７、８による遅延回路１１ｉ（ｉ＝１〜ｎ）が接続されている。
【００１４】
振動子５ｉ同士の間隔をｐ、気体の音速をＣとすると、各振動子５ｉに次の（１）式に基づいて計算した遅延時間τｉ（ｉ＝１〜ｎ）を与えることにより、各振動子５ｉによる各超音波ビームはθの方向を向く。この技術はフェーズド・アレイとしてよく知られ、医療用診断装置などに利用されている。
τｉ＝（ｉ−１）ｐ・ｓｉｎθ／Ｃ                              …（１）
【００１５】
本実施例においては、流速が大きいときには上流側の送信側となる超音波送受信器２、３からの超音波ビームの主軸は偏向されることになる。受信側となる超音波送受信器２、３にも同様の遅延時間を設定し、上述の偏向機能に拘わらず送信側超音波送受信器２、３からの位置を外れた超音波ビームの主軸を適切に受信できるように受信感度を偏向する。
【００１６】
或いは、超音波送受信器２、３が送信側となったときにのみ遅延時間τｉを設定して、超音波ビームの主軸を気体により流される角度だけ偏向させ、受信側となる超音波送受信器２、３は角度は偏向しないようにしてもよい。つまり、流速が大きいときに超音波ビームの主軸が、受信側となる超音波送受信器２、３から外れることがないようにすればよい。
【００１７】
図３は後者の送信側の超音波送受信器２、３のみに遅延時間τｉを設定した場合の説明図である。内径をｄとする管体１を音速Ｃの気体が流れるものとし、１対の超音波送受信器２、３の幅を共にｗとする。αは両超音波送受信器２、３を結ぶ直線が管軸の法線となす角、つまり超音波送受信器２、３の入出射角とする。
【００１８】
いま、超音波送受信器２が送信側、超音波送受信器３が受信側のときを考えると、流速がゼロのときに超音波送受信器２から発し超音波送受信器３の中央に到達する超音波ビームの主軸は、超音波送受信器２、３同士の中心線を角度αで結ぶ直線Ａとなる。流体が流速Ｖａの場合に超音波ビームが流されて、ちょうど超音波送受信器３の下流側の端部に直線Ｂのように到着するとすれば、超音波ビームの主軸の到達点のずれは流速の平行成分Ｖａ・ｃｏｓαにより、超音波ビームの管内伝播時間Ｔ後に距離ｗ／２だけ移動すると見倣して、（２）式が得られる。
ｗ／２＝Ｔ・Ｖａ・ｃｏｓα                                …（２）
【００１９】
一方、管内伝播時間Ｔは（３）式となり、（４）式の関係が得られる。
Ｔ＝ｄ／（Ｃ・ｃｏｓα）                                  …（３）
Ｖａ＝ｗＣ／２ｄ                                          …（４）
【００２０】
このとき、超音波送受信器２から見るｗ／２を含む角度θａは、（５）式となる。
θａ＝ｗ・ｃｏｓα／２ｄ                                  …（５）
【００２１】
測定流速Ｖに対し偏向すべき角度θは、（６）式で得られる。
θ＝θａ・Ｖ／Ｖａ                                        …（６）
【００２２】
従って、（６）式で求めた角度θを、（１）式に代入して遅延時間τｉを求め、送信側の超音波送受信器２の各振動子５ｉに与える。これにより、超音波ビームを角度θ分だけ上流側に偏向させれば、流速がＶのときその主軸は超音波送受信器３の中央に到達することになる。
【００２３】
幅ｗに比較して管径ｄが大きいときには、偏向角と流速との関係は比例関係にあるから、この偏向動作を自動的に行うためには、このように出力流量Ｖに比例したフィードバックを行い、各遅延時間τｉを選定すればよい。
【００２４】
実際の超音波送受信器２、３の指向性はさほど鋭くなく、また変換器６には自動ゲイン調整機能を付与することが通例であるから、超音波ビームの主軸位置を厳密に制御する必要はなく、各遅延時間τｉの制御も特に多段に行わなくともよい。また、振動子５ｉの素子数も特に多くなくとも実行可能である。
【００２５】
図４は具体的な実施例を示し、変換器６は増幅器１０の出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器２１と、このＡ／Ｄ変換器２１の出力を処理して流量出力信号に変換するセントラルプロセッサ２２と、このセントラルプロセッサ２２により制御されるプログラマブルロジックデバイス２３とを含んでいる。遅延時間τｉはこのプログラマブルロジックデバイス２３により生成されると共に、セントラルプロセッサ２２はプログラマブルロジックデバイス２３を制御して遅延時間τｉのそれぞれを出力信号に応じて変更する。
【００２６】
一般に、プログラマブルロジックデバイス２３はゲートの集積から構成されるので、多段の直列ゲートの遅延時間を利用して適当な遅延時間τｉを得ることも、或いはカウンタを構成してクロックの計数により大きな遅延時間τｉを得ることもできる。
【００２７】
直列ゲートによる遅延時間を利用する場合には、セントラルプロセッサ２２は流量出力信号に応じて利用するゲートの段数を適宜選択すればよい。カウンタを利用する場合には、駆動源９が与える駆動パルスにより複数のカウンタのプリセットを行い、クロックパルスをダウンカウントし、計数の終了をもって所要の各遅延時間τｉとする。セントラルプロセッサ２２は流量出力信号を処理するので、この流量出力信号により各遅延時間τｉを制御することは容易である。
【００２８】
なお上述の説明において、セントラルプロセッサ２２とプログラマブルロジックデバイス２３とは別の構成要素としているが、両者を一体に構成し、動作も一体と見倣せる素子であってもよい。
【００２９】
上述の構成の超音波流量計は正常に動作しているときは問題はないが、仮に超音波ビームの位置制御に失敗したときには、自動的に回復しない虞れがある。例えば、大きな流量が流れている状態で変換器６の電源が断となった場合に、再び電源を投入すると、超音波ビームは既に下流側に流されていて受信側の超音波送受信器では受信信号が得られず、変換器６の出力はこのため定まらないことがあり、超音波ビームを望ましい位置に偏向させることもできず、このままでは自動的な回復は望めない。
【００３０】
このような事態の対策として、セントラルプロセッサ２２は受信信号が失われて流量出力信号が定まらないときに、プログラマブルロジックデバイス２３を駆動してそれぞれの遅延時間τｉを最小値と最大値の間を変更してゆくようにする。
【００３１】
この探査動作により、超音波ビームが受信側超音波送受信器に到達した状態で探査を停止し、得られた遅延時間τｉから適切な遅延時間τｉを選定すればよい。このような探査動作は電源投入時に行えばよいが、流量計測中でも行うことができる。
【００３２】
なお、本発明は気体の測定において説明したが、液体の測定においても適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】超音波流量計の概略的なブロック回路構成図である。
【図２】フェーズド・アレイ構造の超音波送受信器の動作説明図である。
【図３】動作原理の説明図である。
【図４】具体的なブロック回路構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  測定用管体
２、３  アレイ形超音波送受信器
４  切換器
５ｉ  振動子
６  変換器
７、８  遅延時間発生回路
９  駆動源
１０  増幅器
１１ｉ  遅延回路
２１  Ａ／Ｄ変換器
２２  セントラルプロセッサ
２３  プログラマブルロジックデバイス
【図１】
2007322186.tif 000003
【図２】
2007322186.tif 000004
【図３】
2007322186.tif 000005
【図４】
2007322186.tif 000006