(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流配管の周りに接続されかつ前記流体流配管に連結されたブラフ体配管コネクタの周りにスリップする寸法の単一片のヨークからなるハウジングと、
前記流体流配管内に配置され流体流中に渦を発生させるための手段と、
前記渦を通して超音波を伝播させるため前記ハウジング内に置かれた送信器と、
送信波と受信波の間の位相差を表す出力を発生するため送信器と受信器に接続された位相検出手段と、
前記渦により生じた位相差の関数として流体流速を決定するため前記位相検出手段の出力に応答する処理手段と、
前記位相差がほぼ０度またはほぼ１８０度かどうかを判定するため前記位相検出手段に接続された最適位相範囲検出手段と、
前記位相検出手段に送られる送信器信号の位相をほぼ９０度シフトさせるため前記最適位相範囲検出手段に接続された位相シフト手段とから構成されることを特徴とする渦流量計。
【請求項２】
前記位相検出手段が、前記出力を送信波と受信波の間の位相差を表わす直流成分と前記渦発生周波数を表す交流成分とにフィルタするための手段に接続された出力を有する排他的オア・ゲートからなることを特徴とする請求項１記載の渦流量計。
【請求項３】
前記位相差がほぼ０度またはほぼ１８０度か否かを判定するために前記最適位相範囲検出手段が前記直流成分の振幅に応答することを特徴とする請求項２記載の渦流量計。
【請求項４】
前記位相シフト手段が、前記位相検出手段に送られた前記送信器信号を反転するための手段と、前記反転信号を２分割する周波数ディバイダとから構成されることを特徴とする請求項２記載の渦流量計。
【請求項５】
前記ハウジングが、前記流体流配管に連結されたブラフ体配管コネクタの周りにスリップする寸法のヨークからなることを特徴とする請求項１記載の渦流量計。
【請求項６】
前記ヨークがロック機構によって前記ブラフ体配管コネクタの周りに除去可能に固定さられていることを特徴とする請求項５記載の渦流量計。
【請求項７】
前記送信器および受信器が、前記ブラフ体配管コネクタの相対する側にそれぞれ配置されるように前記ヨーク内に取り付けられていることを特徴とする請求項５記載の渦流量計。
【請求項８】
前記ハウジングがさらに、前記ヨークに旋回可能に接続された回路室を有することを特徴とする請求項５記載の渦流量計。
【請求項９】
前記回路室が流量計回路素子を収容する第１部分と、外部から接触可能の現場接続部を収容する第２部分とから構成されることを特徴とする請求項８記載の渦流量計。
【請求項１０】
流体流配管に連結された別のブラフ体配管コネクタの周りにスリップする寸法の単一片のヨークからなり、前記ブラフ体が流体流中に渦を発生させるように配置されたハウジングと；
前記ブラフ体配管コネクタの相対する側にそれぞれ置けるように前記ヨーク内に配置され、前記送信器が前記渦を通して超音波を伝播させて前記受信器に受信させる超音波送信器および受信器と；
送信波と受信波の間の位相差を表す出力を発生するため該送信器と受信器に接続された位相検出手段と；
前記渦によって発生した位相差の関数として流体流速を決定するため前記位相検出手段の出力に応答する処理手段と；から構成されることを特徴とする渦流量計。
【請求項１１】
前記位相差がほぼ０度またはほぼ１８０度であるか否かを判定するため前記位相検出手段に接続された最適位相範囲判定手段と、
前記位相検出手段に送られる送信器信号の位相をほぼ９０度シフトするため前記最適位相範囲検出手段に接続された位相シフト手段とから構成されることを特徴とする請求項１０記載の渦流量計。
【請求項１２】
前記位相検出手段が、前記出力を送信波と受信波間の位相差を表わす直流成分と前記渦の周波数を表わす交流成分とにフィルタするための手段に接続された出力を有する排他的オア・ゲートを含むことを特徴とする請求項１１記載の渦流量計。
【請求項１３】
前記最適位相範囲検出手段が前記直流成分に応答して前記位相差がほぼ０度または１８０度であるか否かを判定することを特徴とする請求項１２記載の渦流量計。
【請求項１４】
前記位相シフト手段が、前記位相検出手段に送られる送信器信号を反転するための手段と、前記反転信号を２分割するための周波数ディバイダとから構成されることを特徴とする請求項１１記載の渦流量計。
【請求項１５】
前記ヨークを前記ブラフ体配管コネクタの周りにロック機構を用いて除去可能に固定されることを特徴とする請求項１０記載の渦流量計。
【請求項１６】
前記ハウジングがさらに前記ヨークに旋回可能に接続した回路室を有することを特徴とする請求項１０記載の渦流量計。
【請求項１７】
前記回路室が流量計回路素子を収容する第１部分と、外部から接触可能の現場接続部分を収容する別の第２部分とから構成されることを特徴とする請求項１６記載の渦流量計。
【請求項１８】
前記ハウジング全体が非腐食性材料で形成されることを特徴とする請求項１０記載の渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流量計の改良、特に流路中に配置したブラフ（屹立：ｂｌｕｆｆ）体と関連して音波感知回路を用いる形式の渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波渦流量計は一般に公知であって、流体のリニア（ｌｉｎｅａｒ）流中に置かれたブラフ体のような障害物はその障害物の下流に複数の渦を形成するという理論に基づいている。その渦は圧力や流速のような観測可能な流れのパラメータに局部的な振動的変化を生ずる。渦を通して超音波を伝送すると、渦は送信波と受信波の間に渦の強度と速度に依存する位相差をもたらす。これらの位相差を連続的に検出して、流体流速の算出に用いる。
【０００３】
しかし、前記位相差は、流体中の温度変化のような他の外部要因によっても発生することがある。そのような外部要因によって、送信波と受信波間の位相の変動が位相検出器の最適検出範囲を越えて発生し得るからである。その結果、公知の超音波流量計では、位相差を強制的に最適検出範囲に止めようとして一般に複雑で高価な位相検出回路が利用されてきた。
【０００４】
例えば、ある公知の配列では、最適位相角を保つような送信信号の周波数、または受信信号にロックされるような発振器の周波数のいずれかにゆっくりと調整するために、位相ロック・ループ（ＰＬＬ）を利用する。複雑で高価になる上、ＰＬＬ配列の欠点は、流体温度の大きな変化よって引起こされる送信周波数の大きな変動の処理を誤りやすいこと、および送信波が流体中の空気の泡に遭遇することなどによって妨げられた場合、ロックが外れる可能性があり、再捕捉に時間を要することである。再捕捉時間は特に大型流量計で問題になり得る。位相ロック時定数は渦発生最低周波数より長く、例えば１Ｈｚの桁なければならないからである。
【０００５】
別の公知の超音波渦流量計では前記の位相破壊問題を複数の送信器と受信器の組を用いて克服しようと試みた。しかし、これらの配列は検出回路を一層複雑で高価なものにしただけであった。
位相検出回路にともなう問題に加えて、公知の流量計装置はまたハウジング設計に基因する欠点も負っており、流量計のどんな保守でも装置と流体配管の接続を外す必要があった。これは通常、流体流の停止につながり、流体流に依存する製造工程の一時停止を必要とするので、全く好ましくない。さらに配管と流量計の接続を外すと外部汚染物質が配管中に入りやすくなり、これにより一層製造工程が乱されたり、時には生産品の品質を傷つける可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、簡単、廉価でかつ信頼性の高い位相検出器を用いる超音波渦流量計を提供することである。
本発明の別の目的は、流体配送システムを分解することなく、そして流体を外部汚染物質に曝す危険性なく、技術者が容易に保守できる超音波渦流量計を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、流体配送システム中の流体流を中断することなく、流量感知素子の交換ができるように配列したハウジングを含む超音波渦流量計を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、全体が非腐食性材料で製作され、流体流配管の周りに嵌合するハウジングを有する超音波渦流量計を提供することである。
【０００８】
これらその他の目的にしたがって、本発明はモニタリングすべき流路に恒久的に配置されたブラフ体配管コネクタに着脱可能に嵌合するスリップ・オン・ヨークから成るハウジングを有する改良された超音波渦流量計を提供する。超音波送信器と受信器はそれぞれヨークの脚の内部に置き、流体がブラフ体配管コネクタ内に配置されるブラフ体を通過するとき、流体によって生じる渦を通して超音波を伝送させる。スリップ・オン・ヨークの採用により、メーターの保守中の流体流停止の必要性と、流体への外部汚染物質の混入の可能性の双方が無くなる。この流量計はさらに排他的オア・ゲートから構成した簡単な位相検出器を最適位相範囲判定装置と結合して用いる。最適位相範囲判定装置は送信波と受信波との間の位相差が０度または１８０度に近づいたときはいつでも９０度位相シフト手段を起動する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明の第１の実施態様に係る渦流量計は、流体流配管の周りに接続され、かつ前記流体流配管に連結されたブラフ体配管コネクタの周りにスリップする寸法の単一片のヨークからなるハウジングと、前記流体流配管内に配置され流体流中に渦を発生させるための手段と、前記渦を通して超音波を伝播させるため前記ハウジング内に置かれた送信器と、送信波と受信波の間の位相差を表す出力を生じるため送信器と受信器に接続された位相検出手段と、前記渦により発生した位相差の関数として流体流速を決定するため前記位相検出手段の出力に応答する処理手段と、前記位相差がほぼ０度またはほぼ１８０度かどうかを判定するため前記位相検出手段に接続された最適位相範囲検出手段と、前記位相検出手段に送られる送信器信号の位相をほぼ９０度シフトさせるため前記最適位相範囲検出手段に接続された位相シフト手段とか構成されることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の第２の実施態様に係る渦流量計は、流体流配管に連結した別のブラフ体配管コネクタの周りにスリップする寸法の単一片のヨークからなり、前記ブラフ体が流体流中に渦を発生させるように配置されたハウジングと；前記ブラフ体配管コネクタの相対する側にそれぞれ置けるように前記ヨーク内に配置され、前記送信器が前記渦を通して超音波を伝播させて前記受信器に受信させる超音波送信器および受信器と；送信波と受信波の間の位相差を表す出力を発生するため該送信器と受信器に接続された位相検出手段と；前記渦によって発生した位相差の関数として流体流速を決定するため前記位相検出手段の出力に応答する処理手段と；から構成されることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照しつつ以下の実施例に基づき本発明をさらに説明する。
図１ないし図４を参照すると、本発明に従う超音波渦流量計１０が示されており、スリップ・オン・ヨーク１６に旋回可能に取り付けたメーターヘッド１４から形成されるハウジング１２を有する。ヨーク１６は別のブラフ体配管コネクタ１８に嵌合するように配列され、ロック・カムピン２０を用いて適所に保持される。さらに一対のゴムブッシュ２１をヨーク１６の内側に対向して形成したくぼみ２３と２５の中にそれぞれ配置し、内側のヨークの表面から少しはみ出すように配置して、ヨーク１６をその周りにスライドさせた時、ヨーク１６とブラフ体配管コネクタ１８の間で摩擦により結合するようにする。
【００１２】
ブラフ体配管コネクタ１８は、初期取付けの間に所望の流体配管またはパイプに適合するように配列され、その後は流速をモニタリングすべき流体が第１開放端２２からブラフ体流路２４に入り、最後に第１開放端２２の反対側にある第２開放端２６から流出する。少なくも１個のブラフ体２８を流路２４内に内側に伸びるように配管コネクタ１８に取り付ける。
【００１３】
メーターヘッド１４には本発明にしたがって２つの別個の回路室３０と３２を設ける。第１室３０は感知器回路（図５に関連して後記する）を収容し、取り付け後カバー３６により密封する。第２室３２は取り外し可能のカバー３６で覆い、流量計出力を外部モニタリングおよび制御回路に接続可能にするために流量計の取り付け後、代表的にアクセスされる各種の現場接合部を収容する。流量計ハウジング部品はすべて、ナイロン、テフロン、ＰＶＣ、ＰＶｄＦその他の適切なプラスチックのような非腐食性材料で製作する。プラスチックの使用により本発明の流量計は耐食性、耐酸性でほとんどの溶剤に対して耐性となり、それにより不利な工業上の製造環境での使用にも適合する。
【００１４】
ゴムブッシュ２１に隣接してそれぞれのくぼみ２３と２５の中に超音波送信器４０と受信器４２を配置する。図３で詳細に示す通りに、ヨークをブラフ体配管コネクタ１８に正しく取り付けたとき、当業者には公知のように、ブラフ体流路２４内を流れる流体のブラフ体２８への衝突時に発生する渦４３の中を超音波信号が通過するように、送信器と受信器が配置される。渦４３は送信波と受信波の間に位相差を発生させ、これを図５に示す流量計処理回路１００との関連で後にさらに十分に説明する排他的オア・ゲート４４のような位相検出回路が検出する。
【００１５】
一層詳細には、図５に示すように、処理回路１００は、２ＭＨｚの周波数を有するような基準波発生用発振器を含む。次いで基準波を２分割ディバイダ１０３などにより分割し、送信波生成のために送信器４０に送信する。発振器１０２の出力はまた第２ディバイダ（２分割ディバイダ１０５として示す）を経由して排他的オア・ゲート４４の入力の１つに送られる。一方受信器４２の出力を排他的オア・ゲート４４の他の入力に送る。その結果図６（ｂ）に示すように、排他的オア・ゲート４４は図６（ａ）に“ａ”として示す送信波と受信波の間の位相差の関数のパルス幅を有する一連のパルスを含む出力４６を連続的に発生する。
【００１６】
排他的オア・ゲート４４の出力は、搬送波の周波数より低く渦発生周波数よりは高いカットオフ周波数を有するローパスフィルタ１０４によりフィルタされる。ローパスフィルタ１０４は位相検出器出力から搬送波を効率よく除去する。したがって、図６（ｃ）の説明的実施例により、標準ＣＭＯＳ型排他的オア・ゲートを用いると、ローパスフイルタ１０４の出力は、変動する位相差に対応して０から５ＤＶＣの間で変動する直流電圧成分と、流体の流速の関数である周波数の小さい交流電圧成分とを含む。制御処理器１０８への入力のためにハイパスフイルタ１０６は交流電圧成分を分離する。この交流成分はデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１１０への出力用に制御処理器１０８で処理される。デシジタル・アナログ変換器１１０の出力は適当な流速ディスプレイ１１２その他の外部モニタリング装置に送られる。
【００１７】
本発明により、送信波と受信波の間の位相差が実質的に０度または１８０度のとき出力を発生する排他的オア・ゲート４４の無力を補償するために、制御処理器１０８がアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１１４を経由して排他的オア・ゲートの出力の直流成分の振幅をモニタリングし、位相差が特異的に０度または１８０度になったときを判定する。例えば、上記の例示した装置では、位相差が最適範囲内にあるとき直流成分の振幅は２．５ＶＤＣであり、位相差がほぼ０度または１８０度のとき直流成分の振幅はそれぞれ０ＶＤＣまたは５ＶＤＣとなる。処理装置１０８が０度または１８０度のいずれかもしくはそれに近づく位相差を検出したとき、処理装置１０８はスイッチ１１６を作動させ、発振器／送信器の排他的オア・ゲートへの入力をインバータ１１８により反転する。ディバイダ１０５により、このスイッチ装置は排他的オア・ゲート４４へ入力される送信器に９０度のシフトを効果的に生じる。これにより、順に送信波と受信波間の位相差を最適位相検出範囲内に保つ。
【００１８】
【発明の効果】
このように、本発明に係る渦流量計１０は、従来の流体流量計よりも顕著な効果を有する。特に、スリップ・オン・ヨークは流路を開くことなく迅速な撤去、交換および流量計保守を可能にするようにラッチ不可にすることができるので、流量計保守が必要なとき流体中への外部汚染物質の混入の可能性を除去する。さらに、本発明の最適位相差検出範囲および連続的な９０度位相シフト補償装置からの逸脱をモニタリングすることにより、本発明が簡単で、信頼性があり、廉価な排他的オア・ゲートを位相検出器として使用することが可能になる。最後に、流量計ヘッドは流量計回路用と現場接続用に独立の室を隔離する配置となっているので、取付け後、現場作業員が単に外部モニタリング装置その他の制御装置の接続のために流量計回路に直接触って露出する必要性を無くした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る超音波渦流量計の斜視図である。
【図２】図１の流量計の正面図である。
【図３】図２の３−３線上の断面図である。
【図４】図２の４−４線上の断面図である。
【図５】本発明に係る流量計処理回路のブロック図である。
【図６】図５の回路内で処理した信号を表すプロット図で、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図５の各点の信号を表す図である。
【符号の説明】
１０  超音波渦流量計
１２  ハウジング
１４  メーターヘッド
１６  スリップ・オン・ヨーク
１８  ブラフ体配管コネクター
２０  ロック・カムピン
２１  ゴムブッシュ
２２、２６  開放端
２３、２５  くぼみ
２４  ブラフ体流路
２８  ブラフ体
３０、３２  室
３６  カバー
４０  超音波送信器
４２  受信器
４３  渦
４４  オア・ゲート
４６  出力
１００  流量計処理回路
１０２  発信器
１０３、１０５  ２分割ディバイダ
１０４  ローパスフィルタ
１０６  ハイパスフィルタ
１０８  制御処理器
１１０、１１４  ディジタル・アナログ変換器
１１２  流速ディスプレイ
１１６  スイッチ
１１８  インバータ
【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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【図６】
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