(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる管と、
該管内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
送信器及び受信器を１組として構成され前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによる変動流域を挟んで該送信器及び受信器を配置した２組の超音波センサと、
前記２組の超音波センサの送信器に接続されて該２つの送信器に駆動信号を入力することで超音波を送信させる第１の発振器と、
前記２組の超音波センサの送信器に接続されて該２つの送信器に駆動信号を入力することで超音波を送信させる第２の発振器と、
前記２つの送信器に共に前記第１の発振器または第２の発振器のいずれか一方から駆動信号が入力されるように選択的に切換えられるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段によって前記２つの送信器に入力される駆動信号と前記２つの受信器のうちの一方の受信器の受信信号とを比較して前記管を流れる被測定流体の流量を求める第１の信号処理回路と、
前記スイッチ手段によって前記２つの送信器に入力される駆動信号と前記２つの受信器のうちの他方の受信器の受信信号とを比較して前記管を流れる被測定流体の流量を求める第２の信号処理回路と、からなることをを特徴とする超音波渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの流量を測定する超音波渦流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスの流量を測定する超音波渦流量計の一例として、被測定ガスが流れる管と、該管内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、前記内部空間に導入される前記被測定ガスの流れによる変動領域を挟んで配置される超音波送・受信器からなる超音波センサと、前記超音波送信器に駆動信号を入力して超音波送信器を駆動する発振器と、該発振器からの駆動信号に同期して超音波送信器から送信された超音波がガス流れ変動により変調されて前記超音波受信器に受信されることに基づいて前記管を流れる前記被測定ガスの流量を求める信号処理回路とを備え、前記発振器、超音波センサ及び信号処理回路を二組備え、２つの発振器から駆動信号を出力して２つの超音波送信器から超音波を略同時に送信させ、ガス流れ変化により変調された超音波を２つの超音波受信器に受信させるように構成した超音波渦流量計がある。この超音波渦流量計は、発振器、超音波センサ及び信号処理回路を二組備えており、信頼性の向上が図れることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した発振器、超音波センサ及び信号処理回路を二組備えた超音波渦流量計では、２つの発振器の構造の固体差により駆動信号の周波数が微妙にずれることがあり、それぞれから出力される駆動信号が異なり、ひいては送信器から送信される超音波の周波数に僅かながら差が生じ、これにより両超音波が干渉してうなりを発生することが起こり得た。このため、伝搬する超音波は周期的に音圧が変化し、受信超音波信号には振幅変調が生じ、受信レベルがゼロ付近まで低下し、安定した信号処理を行えなくなることがある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、信頼性の向上が図れ、かつ２組の超音波センサを用いた信号処理を行える超音波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記載の発明は、被測定流体が流れる管と、
該管内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
送信器及び受信器を１組として構成され前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによる変動流域を挟んで該送信器及び受信器を配置した２組の超音波センサと、
前記２組の超音波センサの送信器に接続されて該２つの送信器に駆動信号を入力することで超音波を送信させる第１の発振器と、
前記２組の超音波センサの送信器に接続されて該２つの送信器に駆動信号を入力することで超音波を送信させる第２の発振器と、
前記２つの送信器に共に前記第１の発振器または第２の発振器のいずれか一方から駆動信号が入力されるように選択的に切換えられるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段によって前記２つの送信器に入力される駆動信号と前記２つの受信器のうちの一方の受信器の受信信号とを比較して前記管を流れる被測定流体の流量を求める第１の信号処理回路と、
前記スイッチ手段によって前記２つの送信器に入力される駆動信号と前記２つの受信器のうちの他方の受信器の受信信号とを比較して前記管を流れる被測定流体の流量を求める第２の信号処理回路と、からなることをを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態の超音波渦流量計を図１及び図２に基づいて説明する。
図１において、超音波渦流量計１は、被測定ガスが流れる管２と、管２の直径方向に対向して形成された孔（以下、第１、第２の孔）３，４に挿通して管２に取り付けられ下流の左右側にカルマン渦を発生させる長手状の渦発生体５とを備えている。
【０００７】
渦発生体５は、筒状の渦発生体本体６と、渦発生体本体６の両端部から延びる延設部７とから大略構成されている。延設部７には、渦発生体本体６の中空部８に連通して端部側が開口する２つの孔（以下、延設部孔という。）９が断面視略Ｖ字形をなすように形成されている。渦発生体５は、渦発生体本体６を管２の通路１０内に位置させ、延設部７を第１、第２の孔３，４に挿入して管２に取り付けられている。
【０００８】
渦発生体本体６には、図１及び図２に示すように、内部空間８と外側（渦発生体本体６の外部である管２の通路１０内）とを連通する２つの孔（以下、図１左上の孔を第１連通孔１１Ａ、右下の孔を第２連通孔１１Ｂという。）が、渦発生体本体６の周壁部の長手方向にずれた状態で対向して（渦発生体５が管２に取り付けられた状態で被測定ガスの流れに対して左右側）設けられている。上述したように渦発生体本体６の下流左右側にカルマン渦が発生すると、第１、第２連通孔１１Ａ，１１Ｂの部分で圧力差が生じ、この圧力差に応じて内部空間８に、「第１連通孔１１Ａ→内部空間８→第２連通孔１１Ｂ」の被測定ガスの流れ及びこの逆方向（第２連通孔１１Ｂ→内部空間８→第１連通孔１１Ａ）の被測定ガスの流れ（ガス流れ変化、被測定ガスの流れの変化）が前記カルマン渦に同期して交互に生じるようになっている。
本実施の形態では、第１、第２連通孔１１Ａ，１１Ｂ及び内部空間８により流路１２を構成している。
【０００９】
前記延設部７には圧電素子や磁歪素子等からなる超音波素子１３を収納したセンサホルダ１４がそれぞれ嵌合されている。センサホルダ１４と延設部７との間にはＯリング等のシール部材１５が介装されている。図１上側の２つの超音波素子１３には発振器（図１上側左、右の発振器を以下、第１、第２の発振器１６ａ，１６ｂという。）が線路（図１左側、右側の線路を第１、第２の線路１７ａ，１７ｂという。）を介して接続されるようになっており、当該２つの超音波素子１３が送信器（以下、図１上側左、右の超音波素子１３を第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂという。）を構成している。
【００１０】
また、図１下側左右の２つの超音波素子１３はガス流れ変化発生領域を間にして第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂに対向して配置されており、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂに対する受信器（以下、図１下側左、右の超音波素子１３を第１、第２の受信器１３ｃ，１３ｄという。）を構成している。本実施の形態では、前記第１の送・受信器１３ａ，１３ｃ及び第２の送・受信器１３ｂ，１３ｄがそれぞれ超音波センサ１８を構成している。以下、適宜、第１の送・受信器１３ａ，１３ｃを第１の超音波センサ１８ａ、第２の送・受信器１３ｂ，１３ｄを第２の超音波センサ１８ｂという。
【００１１】
第１の受信器１３ｃ及び第１の線路１７ａに設けた分岐部（第１分岐部という。）１９ａに接続して信号処理回路（第１の信号処理回路という。）２０ａが設けられ、第２の受信器１３ｄ及び第２の線路１７ｂに設けた分岐部（第２分岐部という。）１９ｂに接続して信号処理回路（第２の信号処理回路という。）２０ｂが設けられている。
第１の信号処理回路２０ａは、第１の受信器１３ｃからの信号（受信超音波信号）を増幅する増幅器２１ａと、増幅器２１ａからの信号及び第１分岐部１９ａからの信号（第１の発振器１６ａまたは第２の発振器１６ｂの駆動信号）を入力する位相比較器２２ａとが備えられている。位相比較器２２ａは、両入力信号の位相比較を行って超音波がガス流れ変化により受けた変調（ガス流れ変化ひいてはカルマン渦の発生周波数に対応する）を検出し、カルマン渦（ガス流れ変化）の発生に同期した位相差信号（位相の進み遅れ）を発生する。第１の信号処理回路２０ａは、さらに、位相差信号を増幅する増幅器２３ａと、増幅器２３ａからの信号に基づいて管２の流量を求める演算回路２４ａとが設けられている。演算回路２４ａは、管２の流量を示す流量信号を出力端子２５ａから図示しない外部回路に出力すると共に、後述する第１、第２のスイッチ２６ａ，２６ｂから構成されるスイッチ機構２７（スイッチ手段）を制御するようにしている。
第２の信号処理回路２０ｂは、第１の信号処理回路２０ａと同様に増幅器２１ｂ、位相比較器２２ｂ、増幅器２３ｂ、演算回路２４ｂ、出力端子２５ｂから構成されている。
【００１２】
前記第１の線路１７ａにおける第１の発振器１６ａと第１分岐部１９ａとの間には前記第１のスイッチ２６ａが介装され、第２の線路１７ｂにおける第２の発振器１６ｂと第２分岐部１９ｂとの間には前記第１のスイッチ２６ａと共にスイッチ機構２７を構成する第２のスイッチ２６ｂが介装されている。
【００１３】
第１のスイッチ２６ａは、第１の線路１７ａの第１分岐部１９ａ側に接続される固定接点（第１固定接点）２８ａと、第１の線路１７ａの第１の発振器１６ａ側に接続される固定接点（第２固定接点）２９ａと、後述する第３固定接点３０ａと、第１、第２固定接点２８ａ，２９ａとの接続及び第１、第３固定接点２８ａ，３０ａとの接続を選択的に行う可動片３１ａとから構成されている。
前記第２の線路１７ｂにおける第２の発振器１６ｂと第２のスイッチ２６ｂとの間の部分に分岐して（当該分岐部を以下、第２発振器側分岐部３２ｂという。）、線路（第２発振器側延長線路３３ｂという。）が設けられており、この第２発振器側延長線路３３ｂの先端部に前記第３固定接点３０ａが設けられている。
【００１４】
第２のスイッチ２６ｂは第１のスイッチ２６ａと同様に構成されている。すなわち、第２のスイッチ２６ｂは、第２の線路１７ｂの第２分岐部１９ｂ側に接続される固定接点（第１固定接点）２８ｂと、第２の線路１７ｂの第２の発振器１６ｂ側に接続される固定接点（第２固定接点）２９ｂと、後述する第３固定接点３０ｂと、第１、第２固定接点２８ｂ，２９ｂとの接続及び第１、第３固定接点２８ｂ，３０ｂとの接続を選択的に行う可動片３１ｂとから構成されている。
前記第１の線路１７ａにおける第１の発振器１６ａと第１のスイッチ２６ａとの間の部分に分岐して（当該分岐部を以下、第１発振器側分岐部３２ａという。）、線路（第１発振器側延長線路３３ａという。）が設けられており、この第１発振器側延長線路３３ａの先端部にこの第２のスイッチ２６ｂの前記第３固定接点３０ｂが設けられている。
【００１５】
本実施例では、あらかじめ第１のスイッチ２６ａの第１、第２固定接点が接続され、かつ第２のスイッチ２６ｂの第１、第３固定接点２８ａ，２９ａが接続されており、第１の送信器１３ａ及び第１の信号処理回路２０ａの位相比較器２２ａに対して第１の発振器１６ａが接続されていると共に、第２の送信器１３ｂ及び第２の信号処理回路２０ｂの位相比較器２２ｂに対して第１の発振器１６ａが接続されている。
【００１６】
また、上述したように演算回路２４ａ，２４ｂの制御によりスイッチ機構２７（第１、第２のスイッチ２６ａ，２６ｂ）が切換え作動されることにより、第１のスイッチ２６ａの第１、第３固定接点２８ａ，３０ａが接続され、かつ第２のスイッチ２６ｂの第１、第２固定接点２８ｂ，３０ｂが接続され、これにより第２の送信器１３ｂ及び第２の信号処理回路２０ｂの位相比較器２２ｂに対して第２の発振器１６ｂが接続されると共に、第１の送信器１３ａ及び第１の信号処理回路２０ａの位相比較器２２ａに対して第２の発振器１６ｂが接続されるようになっている。
【００１７】
このように構成された超音波渦流量計１では、被測定ガスが管２内を流れると、渦発生体５の下流側にカルマン渦が発生すると共に、カルマン渦発生に伴い内部空間８にガス流れ変化が発生する。この際、第１の発振器１６ａからの駆動信号により第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂが駆動されて駆動信号と等しい周波数の超音波を内部空間８に送信する。この際、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂは共通の第１の発振器１６ａからの駆動信号により超音波を送信するので、送信する超音波の周波数に差を生ずることがない。また、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂは渦発生体６の軸中心を挟んで線対称をなすよう構成されており、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂから送信された２つの超音波が内部空間８内で合成される地点までの距離が等しいことから干渉により振幅が低下することはなく、また、うなりを発生することがない。
【００１８】
そして、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂからの超音波はガス流れ変化により変調されて、それぞれ第１、第２の受信器１３ｃ，１３ｄに受信される。この際、第１の超音波センサ１８ａの受信器には、第１の送信器１３ａからの超音波に第２の送信器１３ｂからの超音波が合成されて受信される。この際、両超音波が上述したように干渉によるうなりはなく、両超音波の合成に伴って、その分、音圧が高くなる。同様に、第２の受信器１３ｄには、第２の送信器１３ｂからの超音波に第１の送信器１３ａからの超音波が合成されて受信される。この際、両超音波が上述したように干渉によるうなりはなく、両超音波の合成に伴って、その分、音圧が高くなる。
【００１９】
そして、上述した第１の受信器１３ｃからの信号及び駆動信号は第１の信号処理回路２０ａの位相比較器２２ａに入力される。第１の信号処理回路２０ａの位相比較器２２ａは前記両信号の位相比較を行って超音波がガス流れ変化により受けた変調（ガス流れ変化ひいてはカルマン渦の発生周波数に対応する）を検出し、カルマン渦（ガス流れ変化）の発生状態（位相の進み遅れ）に同期した位相差信号を発生し、これに応じて演算回路２４ａが管２の流量を求めると共に、流量信号を出力端子２５ａを介して外部回路に出力する。
同様に、第２の受信器１３ｄからの信号及び駆動信号は第２の信号処理回路２０ｂの位相比較器２２ｂに入力される。第２の信号処理回路２０ｂは、両信号の位相比較を行って超音波がガス流れ変化により受けた変調（ガス流れ変化ひいてはカルマン渦の発生周波数に対応する）を検出し、カルマン渦（ガス流れ変化）の発生状態（位相の進み遅れ）に同期した位相差信号を発生し、これに応じて演算回路２４ｂが管２の流量求めると共に、流量信号を出力端子２５ｂを介して外部回路に出力する。
【００２０】
また、超音波受信信号の振幅監視などにより第１の発振器１６ａに故障が生じたと判断した場合、演算回路２４ａ，２４ｂは、スイッチ機構２７を切換え作動し、第１のスイッチ２６ａの第１、第３固定接点２８ａ，３０ａを接続し、かつ第２のスイッチ２６ｂの第１、第２固定接点２８ｂ，３０ｂを接続し、第２の送信器１３ｂ及び第２の信号処理回路２０ｂの位相比較器２２ｂに対して第２の発振器１６ｂを接続すると共に、第１の送信器１３ａ及び第１の信号処理回路２０ａの位相比較器２２ａに対して第２の発振器１６ｂを接続する。
【００２１】
この場合、第２の発振器１６ｂからの駆動信号により第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂが駆動されて超音波を内部空間８に送信する。この際、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂは共通の第２の発振器１６ｂからの駆動信号に基づいて超音波を送信するので、送信する超音波の周波数に差を生ずることがなく、ひいては両超音波の干渉によるうなりを発生することがない。
そして、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂからの超音波はガス流れ変化により変調されて、それぞれ第１、第２の受信器１３ｃ，１３ｄに受信される。この際、第１の受信器１３ｃには、第１の送信器１３ａからの超音波に第２の送信器１３ｂからの超音波が合成されて受信される。この際、両超音波が上述したように干渉によるうなりはなく、両超音波の合成に伴って、その分、音圧が高くなる。。同様に、第２の受信器１３ｄには、第２の送信器１３ｂからの超音波に第１の送信器１３ａからの超音波が合成されて受信される。この際、両超音波が上述したように干渉しないことにより、両超音波の合成に伴って、その分、音圧が高くなる。
【００２２】
以下、上述したのと同様にして第１、第２の信号処理回路２０ａ，２０ｂによる演算処理が行われて、各演算回路２４ａ，２４ｂが管２の流量を示す流量信号を求め、出力端子２５ａ，２５ｂを介して外部回路に出力する。
また、第２の発振器１６ｂと第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂとが接続された状態で第２の発振器１６ｂに故障が生じた場合、演算回路２４ａ，２４ｂは、スイッチ機構２７を切換え作動し、第１のスイッチ２６ａの第１、第２固定接点２８ａ，２９ａを接続し、かつ第２のスイッチ２６ｂの第１、第３固定接点２８ｂ，３０ｂを接続し、これにより第１の送信器１３ａ及び第１の信号処理回路２０ａの位相比較器２２ａに対して第１の発振器１６ａを接続すると共に、第２の送信器１３ｂ及び第２の信号処理回路２０ｂの位相比較器２２ｂに対して第１の発振器１６ａを接続して図１に示す初期状態にする。
【００２３】
上述したように、第１、第２の発振器１６ａ，１６ｂのうち一方が故障した場合、スイッチ機構２７が切換え作動されて、故障していない方の発振器と第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂとが接続されて故障していない方の発振器が第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂを駆動するので、第１、第２の発振器１６ａ，１６ｂの故障時にも流量計測を行え、その信頼性の向上が図れる。
【００２４】
また、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂは共通の発振器（第１の発振器１６ａまたは第２の発振器１６ｂ）の駆動信号により超音波を送信するので、第１、第２の送信器１３ａ，１３ｂから送信される超音波の周波数に差を生ずることがなく、ひいては両超音波の干渉によるうなりを発生することがない。
【００２５】
さらに、第１の受信器１３ｃには、第１の送信器１３ａからの超音波に第２の送信器１３ｂからの超音波が合成されて受信されるので、音圧が高くなり、仮に温度変化により伝搬効率が低下したような場合でも安定して超音波を受信することができる。同様に、第２の受信器１３ｄには、第２の送信器１３ｂからの超音波に第１の送信器１３ａからの超音波が合成されて受信されるので、音圧が高くなり、仮に温度変化により伝搬効率が低下したような場合でも安定して超音波を受信することができる。
【００２６】
本実施の形態では、同一の周波数の駆動信号を出力するよう構成しているが、第１、第２の発振器１６ａ，１６ｂが異なる周波数の駆動信号を出力し、スイッチ機構２７によって適宜、超音波の周波数を選択できるよう構成してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、２組の超音波センサの送信器は共通の発振器（第１の発振器または第２の発振器）の駆動信号により超音波を送信するので、２組の超音波センサの送信器から送信される超音波の周波数に差を生ずることがなく、ひいては両超音波の干渉によるうなりを発生することがない。
【００２８】
さらに、２組の超音波センサのうち一方の超音波センサの受信器には、当該一方の超音波センサの送信器からの超音波に他方の超音波センサの送信器からの超音波が互いに干渉することなく合成されて受信されるので、音圧が高くなり、仮に温度変化により伝搬効率が低下したような場合でも安定して超音波を受信することができる。同様に、２組の超音波センサのうち他方の超音波センサの受信器には、当該他方の超音波センサの送信器からの超音波に一方の超音波センサの送信器からの超音波が互いに干渉することなく合成されて受信されるので、音圧が高くなり、仮に温度変化により伝搬効率が低下したような場合でも安定して超音波を受信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の超音波渦流量計を模式的に示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１    超音波渦流量計
２    管
５    渦発生体
８    内部空間
１１Ａ，１１Ｂ  第１、第２連通孔
１６ａ，１６ｂ  第１、第２の発振器
１８ａ，１８ｂ  第１、第２の超音波センサ（２組の超音波センサ）
２０ａ，２０ｂ  第１、第２の信号処理回路
２６ａ，２６ｂ  第１、第２のスイッチ
２７      スイッチ機構（スイッチ手段）
【図１】
0004055035.tif 000002
【図２】
0004055035.tif 000003