JP3028723B2 - 超音波式流体振動流量計 - Google Patents
超音波式流体振動流量計Info
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- JP3028723B2 JP3028723B2 JP6004240A JP424094A JP3028723B2 JP 3028723 B2 JP3028723 B2 JP 3028723B2 JP 6004240 A JP6004240 A JP 6004240A JP 424094 A JP424094 A JP 424094A JP 3028723 B2 JP3028723 B2 JP 3028723B2
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- fluid
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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- G—PHYSICS
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
- G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
- G01F1/3209—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters using Karman vortices
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- G01F1/325—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl
- G01F1/3282—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting variations in infrasonic, sonic or ultrasonic waves, due to modulation by passing through the swirling fluid
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、流体振動を起こしてい
る測定流体に超音波を放射しこの流体振動により超音波
が変調された信号を受信して測定流体の流量を計測する
超音波式流体振動流量計に係り、特に、ノイズの影響を
有効に除去し安定な動作ができるように改良した超音波
式流体振動流量計に関する。
る測定流体に超音波を放射しこの流体振動により超音波
が変調された信号を受信して測定流体の流量を計測する
超音波式流体振動流量計に係り、特に、ノイズの影響を
有効に除去し安定な動作ができるように改良した超音波
式流体振動流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】流体振動流量計としては、測定流体が渦
発生体に当たって発生する一種の流体振動である渦に超
音波を放射して渦の数を計数しその周波数から測定流体
の流量を測定する渦流量計、或いは測定流体をノズルを
介して噴出させて発生する噴流をターゲットに当てるこ
とにより流体振動を起こさせその振動周波数を測定管路
の内壁に固定された圧電形のセンサを用いて噴流の両側
面に生じる圧力差から測定流体の流量を測定するフルイ
デック(Fluidic)流量計などがある。
発生体に当たって発生する一種の流体振動である渦に超
音波を放射して渦の数を計数しその周波数から測定流体
の流量を測定する渦流量計、或いは測定流体をノズルを
介して噴出させて発生する噴流をターゲットに当てるこ
とにより流体振動を起こさせその振動周波数を測定管路
の内壁に固定された圧電形のセンサを用いて噴流の両側
面に生じる圧力差から測定流体の流量を測定するフルイ
デック(Fluidic)流量計などがある。
【0003】ここでは、これらの従来の流体振動流量計
のうち、渦流量計をベースとして従来の技術を説明す
る。先ず、実公昭48−17010号「考案の名称:流
速測定装置」に開示されている渦流量計を取り上げ、以
下、この概要について図26〜図28を用いて説明す
る。
のうち、渦流量計をベースとして従来の技術を説明す
る。先ず、実公昭48−17010号「考案の名称:流
速測定装置」に開示されている渦流量計を取り上げ、以
下、この概要について図26〜図28を用いて説明す
る。
【0004】図26はこの従来の渦流量計の構成を示す
構成図である。1は流れの中に挿入したカルマン渦を生
成するための渦発生体で、ここでは円柱状の物体が例示
されている。2は渦発生体1で生成された渦、3は測定
流体が流れる測定管路を示している。
構成図である。1は流れの中に挿入したカルマン渦を生
成するための渦発生体で、ここでは円柱状の物体が例示
されている。2は渦発生体1で生成された渦、3は測定
流体が流れる測定管路を示している。
【0005】4は超音波信号発信器、5は超音波信号受
信器である。これらの超音波信号発信器4および超音波
信号受信器5は、渦発生体1の下流側に測定流体の流れ
方向とほぼ直角になるように互に対向して測定管路3に
取り付けられており、カルマン渦の生成数(単位時間に
流れていく渦の数)を検出するための検出装置を構成し
ている。
信器である。これらの超音波信号発信器4および超音波
信号受信器5は、渦発生体1の下流側に測定流体の流れ
方向とほぼ直角になるように互に対向して測定管路3に
取り付けられており、カルマン渦の生成数(単位時間に
流れていく渦の数)を検出するための検出装置を構成し
ている。
【0006】いま、図26の点線で示す超音波信号の伝
播経路に渦が存在していない場合は、超音波信号発信器
4と超音波信号受信器5との距離をD、媒体中の音速を
CAとすれば、その伝播時間τ0は τ0=D/CA (1) で示される。
播経路に渦が存在していない場合は、超音波信号発信器
4と超音波信号受信器5との距離をD、媒体中の音速を
CAとすれば、その伝播時間τ0は τ0=D/CA (1) で示される。
【0007】次に、この点線の位置にカルマン渦が存在
し超音波の送出方向と渦の速度成分V1の方向とが同じ
ときの伝播時間τ1は、渦の直径をdVとすれば、 τ1=[dV/(CA+V1)]+[(D−dV)/CA] (2) で示される。
し超音波の送出方向と渦の速度成分V1の方向とが同じ
ときの伝播時間τ1は、渦の直径をdVとすれば、 τ1=[dV/(CA+V1)]+[(D−dV)/CA] (2) で示される。
【0008】また、この点線の位置にカルマン渦が存在
し超音波の送出方向と渦の速度成分V2の方向とが逆方
向のときの伝播時間τ2は、渦の直径をdVとすれば、 τ2=[dV/(CA−V2)]+[(D−dV)/CA] (3) で示される。
し超音波の送出方向と渦の速度成分V2の方向とが逆方
向のときの伝播時間τ2は、渦の直径をdVとすれば、 τ2=[dV/(CA−V2)]+[(D−dV)/CA] (3) で示される。
【0009】以上の点を、超音波信号の伝播時間τの時
間tに対する変化として図示すると図27に示すように
なる。そして、単位時間に信号の伝播時間が変化する回
数は、伝播経路を渦が通過する数、つまりカルマン渦の
生成数に等しいので、この変化を適当な装置により計数
することにより流体の流量を知ることができる。
間tに対する変化として図示すると図27に示すように
なる。そして、単位時間に信号の伝播時間が変化する回
数は、伝播経路を渦が通過する数、つまりカルマン渦の
生成数に等しいので、この変化を適当な装置により計数
することにより流体の流量を知ることができる。
【0010】図28は、この変化を計数する装置の例を
示す。この装置は、パルス発生器及び増幅器などを含む
電子回路6、FM信号復調器7、計数器8などで構成さ
れている。
示す。この装置は、パルス発生器及び増幅器などを含む
電子回路6、FM信号復調器7、計数器8などで構成さ
れている。
【0011】電子回路6はパルス信号を超音波発信器4
に加え、超音波発信器4はここから超音波信号を渦に向
かって発信させる。一方、超音波受信器5はこの渦で変
調された受信信号によって生じた新たなパルス信号を電
子回路6を介して再び超音波発信器4に印加する。
に加え、超音波発信器4はここから超音波信号を渦に向
かって発信させる。一方、超音波受信器5はこの渦で変
調された受信信号によって生じた新たなパルス信号を電
子回路6を介して再び超音波発信器4に印加する。
【0012】このような方式を採用する結果、これらの
ループには超音波発信器4の遅れ時間、流体中の伝播時
間、超音波受信器5の遅れ時間などの和に対応する総遅
れ時間に逆比例した周波数のパルス信号P0が得られ
る。
ループには超音波発信器4の遅れ時間、流体中の伝播時
間、超音波受信器5の遅れ時間などの和に対応する総遅
れ時間に逆比例した周波数のパルス信号P0が得られ
る。
【0013】流体中の伝播時間はカルマン渦が通過する
毎に変化するので、パルス信号P0は渦で周波数変調さ
れた信号となる。このパルス信号P0は復調器7で復調
された後、計数器8に印加され、この計数器8の計数結
果から流量を知ることができる。
毎に変化するので、パルス信号P0は渦で周波数変調さ
れた信号となる。このパルス信号P0は復調器7で復調
された後、計数器8に印加され、この計数器8の計数結
果から流量を知ることができる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような渦流量計は、原理的には成立するが、実際に製品
として完成させるためには、次に説明するような問題が
ある。この問題点を図29に示す渦流量計の縦断面図を
用いて説明する。
ような渦流量計は、原理的には成立するが、実際に製品
として完成させるためには、次に説明するような問題が
ある。この問題点を図29に示す渦流量計の縦断面図を
用いて説明する。
【0015】ステンレス製の測定管路3の直径方向には
渦発生体1が、この渦発生体1の下流側の測定管路3の
外壁には、超音波発信器4と超音波受信器5とが対向し
て測定流体に対して非接触状態で固定されている。
渦発生体1が、この渦発生体1の下流側の測定管路3の
外壁には、超音波発信器4と超音波受信器5とが対向し
て測定流体に対して非接触状態で固定されている。
【0016】この結果、超音波発信器4から送出された
超音波は渦をよぎる伝播経路により超音波受信器5で受
信される太線で示す超音波Aの他に、超音波発信器4か
ら測定管路3の内部を経由して超音波受信器5で受信さ
れる点線で示す超音波B、超音波発信器4から送出され
測定管路3の内壁で反射を繰り返して超音波受信器5で
受信される細線で示す定在波としての超音波Cが存在す
る。
超音波は渦をよぎる伝播経路により超音波受信器5で受
信される太線で示す超音波Aの他に、超音波発信器4か
ら測定管路3の内部を経由して超音波受信器5で受信さ
れる点線で示す超音波B、超音波発信器4から送出され
測定管路3の内壁で反射を繰り返して超音波受信器5で
受信される細線で示す定在波としての超音波Cが存在す
る。
【0017】これらの超音波B、Cはノイズであるが、
図28に示す構成の場合は、連続波として超音波発信器
4から超音波を送信するので、超音波受信器5はこれら
のノイズをも含んで検出されることとなり、安定にかつ
正確に渦を検出することができない。
図28に示す構成の場合は、連続波として超音波発信器
4から超音波を送信するので、超音波受信器5はこれら
のノイズをも含んで検出されることとなり、安定にかつ
正確に渦を検出することができない。
【0018】このように、測定管路の中を伝播するノイ
ズ、或いは測定管路に形成される定在波などによるノイ
ズの存在のために、製品レベルでは具体的に実現できな
いという問題があった。
ズ、或いは測定管路に形成される定在波などによるノイ
ズの存在のために、製品レベルでは具体的に実現できな
いという問題があった。
【0019】また、先に説明したフルイデック(Fluidi
c)流量計の場合は、測定管路の内壁に圧電形のセンサ
を設けた接液形のセンサで噴流の両側の圧力の変化を検
出する構成であるので、測定流体が腐食性の流体、或い
は汚染流体などに用いることが出来ないという問題があ
る。
c)流量計の場合は、測定管路の内壁に圧電形のセンサ
を設けた接液形のセンサで噴流の両側の圧力の変化を検
出する構成であるので、測定流体が腐食性の流体、或い
は汚染流体などに用いることが出来ないという問題があ
る。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための主要な構成として、流体振動を起こして
いる測定流体に超音波を放射しこの流体振動により先の
超音波が変調された信号を受信して先の測定流体の流量
を計測する超音波式流体振動流量計に係り、先の測定流
体とは非接触状態で測定管路に取り付けられ先の超音波
の送出及び受信をする一対の超音波送波器及び超音波受
波器と、発振周波数を含むバースト波で先の超音波送波
器を間欠的に駆動する駆動手段と、先のバースト波の送
出のタイミングを制御する基準信号を送出する基準タイ
ミング手段と、この基準信号に同期し先の測定管路の径
と先の測定流体の音速との関数でサンプリング時点が変
化するサンプリング信号を発生するサンプリング信号発
生手段と、先の超音波受波器で先の流体振動による周波
数変調に起因する振幅変調信号を先のサンプリング信号
によりサンプリングするサンプリング手段と、このサン
プリング手段によりサンプリングされた先の振幅変調信
号の包絡線を求めるフイルタ手段とを具備し、この包絡
線から先の流体振動の振動周波数を検出するようにした
ものである。
解決するための主要な構成として、流体振動を起こして
いる測定流体に超音波を放射しこの流体振動により先の
超音波が変調された信号を受信して先の測定流体の流量
を計測する超音波式流体振動流量計に係り、先の測定流
体とは非接触状態で測定管路に取り付けられ先の超音波
の送出及び受信をする一対の超音波送波器及び超音波受
波器と、発振周波数を含むバースト波で先の超音波送波
器を間欠的に駆動する駆動手段と、先のバースト波の送
出のタイミングを制御する基準信号を送出する基準タイ
ミング手段と、この基準信号に同期し先の測定管路の径
と先の測定流体の音速との関数でサンプリング時点が変
化するサンプリング信号を発生するサンプリング信号発
生手段と、先の超音波受波器で先の流体振動による周波
数変調に起因する振幅変調信号を先のサンプリング信号
によりサンプリングするサンプリング手段と、このサン
プリング手段によりサンプリングされた先の振幅変調信
号の包絡線を求めるフイルタ手段とを具備し、この包絡
線から先の流体振動の振動周波数を検出するようにした
ものである。
【0021】
【作 用】一対の超音波送波器及び超音波受波器は、流
体振動を起こしている測定流体とは非接触状態で測定管
路に取り付けられこの測定流体への超音波の送出及び受
信をする。そして、駆動手段は、発振周波数を含むバー
スト波で先の超音波送波器を間欠的に駆動する。
体振動を起こしている測定流体とは非接触状態で測定管
路に取り付けられこの測定流体への超音波の送出及び受
信をする。そして、駆動手段は、発振周波数を含むバー
スト波で先の超音波送波器を間欠的に駆動する。
【0022】基準タイミング手段は、先のバースト波の
送出のタイミングを制御する基準信号を送出する。そし
て、サンプリング信号発生手段はこの基準信号に同期し
先の測定管路の径と先の測定流体の音速との関数でサン
プリング時点が変化するサンプリング信号を発生する。
送出のタイミングを制御する基準信号を送出する。そし
て、サンプリング信号発生手段はこの基準信号に同期し
先の測定管路の径と先の測定流体の音速との関数でサン
プリング時点が変化するサンプリング信号を発生する。
【0023】サンプリング手段は先の超音波受波器で先
の流体振動による周波数変調に起因する振幅変調信号を
先のサンプリング信号によりサンプリングする。そし
て、フイルタ手段はこのサンプリング手段によりサンプ
リングされた先の振幅変調信号の包絡線を求める。この
後、この包絡線から先の流体振動の振動周波数を検出す
る。
の流体振動による周波数変調に起因する振幅変調信号を
先のサンプリング信号によりサンプリングする。そし
て、フイルタ手段はこのサンプリング手段によりサンプ
リングされた先の振幅変調信号の包絡線を求める。この
後、この包絡線から先の流体振動の振動周波数を検出す
る。
【0024】
【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図1は本発明の1実施例の構成を示すブロック
図である。
明する。図1は本発明の1実施例の構成を示すブロック
図である。
【0025】測定管路10は例えばステンレス製であり
測定流体を流す。渦発生体11はこの測定管路10の直
径方向に固定され梯形状の横断面を有している。超音波
送波器12は渦発生体11の下流側でこの測定管路10
の外壁に測定流体に非接触状態で固定されている。さら
に、超音波受波器13がこの超音波送波器12に対向し
て配置されている。
測定流体を流す。渦発生体11はこの測定管路10の直
径方向に固定され梯形状の横断面を有している。超音波
送波器12は渦発生体11の下流側でこの測定管路10
の外壁に測定流体に非接触状態で固定されている。さら
に、超音波受波器13がこの超音波送波器12に対向し
て配置されている。
【0026】発振器14は、例えば1〜2MHz程度の
発振周波数fosで連続して発振する発振電圧Vosをスイ
ッチ15に送出する。スイッチ15は、ゲート幅W1を
持つ基準信号S1によりオン/オフ制御され、発振電圧
Vosをゲート幅W1に対応するバースト波SBとして超音
波送波器12に印加する。
発振周波数fosで連続して発振する発振電圧Vosをスイ
ッチ15に送出する。スイッチ15は、ゲート幅W1を
持つ基準信号S1によりオン/オフ制御され、発振電圧
Vosをゲート幅W1に対応するバースト波SBとして超音
波送波器12に印加する。
【0027】ダンピング回路16は、この基準信号S1
でオフ/オンされ、超音波送波器12で生じるゆっくり
変動する残留振動を伴う振動電圧VRを抵抗で終端して
速やかにゼロレベルに減衰させる。
でオフ/オンされ、超音波送波器12で生じるゆっくり
変動する残留振動を伴う振動電圧VRを抵抗で終端して
速やかにゼロレベルに減衰させる。
【0028】基準タイミング回路17は、基準信号S1
を発生させ信号サンプリングの時間基準を与える。この
基準信号S1のハイレベルでスイッチ15をオンとし、
ローレベルでダンピング回路16の抵抗をオンとする。
同時に、基準タイミング回路17はサンプリング信号発
生回路18にも基準信号S1を出力する。
を発生させ信号サンプリングの時間基準を与える。この
基準信号S1のハイレベルでスイッチ15をオンとし、
ローレベルでダンピング回路16の抵抗をオンとする。
同時に、基準タイミング回路17はサンプリング信号発
生回路18にも基準信号S1を出力する。
【0029】サンプリング信号発生回路18は、基準信
号S1を受信し、これをサンプリング信号S2とリセット
信号S3として、基準信号S1に対して測定管路10の内
径Lと測定流体の音速CAとの関数(L/CA)で決まる
時間Tだけ遅らして出力する。
号S1を受信し、これをサンプリング信号S2とリセット
信号S3として、基準信号S1に対して測定管路10の内
径Lと測定流体の音速CAとの関数(L/CA)で決まる
時間Tだけ遅らして出力する。
【0030】このうち、サンプリング信号S2はゲート
幅W1に対応する所定のゲート幅W2を有し、リセット信
号S3はゲート幅W2に対して極めて短い時間幅でリセッ
トする信号として出力される。
幅W1に対応する所定のゲート幅W2を有し、リセット信
号S3はゲート幅W2に対して極めて短い時間幅でリセッ
トする信号として出力される。
【0031】一方、超音波受波器13で受信された振幅
変調信号SAは、プリアンプ19で増幅されてサンプリ
ング回路20に出力される。サンプリング回路20で
は、サンプリング信号S2のゲート幅W2に入る振幅変調
信号SAのみをサンプリングして同調アンプ21に出力
する。
変調信号SAは、プリアンプ19で増幅されてサンプリ
ング回路20に出力される。サンプリング回路20で
は、サンプリング信号S2のゲート幅W2に入る振幅変調
信号SAのみをサンプリングして同調アンプ21に出力
する。
【0032】同調アンプ21は、サンプリングされた振
幅変調信号SAを選択増幅し同調信号Ssとして次段のピ
ーク検出/半波回路22に出力する。この同調アンプ2
1は、通常のものに比べてQ値を低く、例えばQ=10
〜20程度に設定し、ダンピングをかける。
幅変調信号SAを選択増幅し同調信号Ssとして次段のピ
ーク検出/半波回路22に出力する。この同調アンプ2
1は、通常のものに比べてQ値を低く、例えばQ=10
〜20程度に設定し、ダンピングをかける。
【0033】このQ値が大きいと、バースト波を打たな
くてもゲート幅W1の中に含まれる発振周波数fosの所
定の波数を越えて継続して波が出力され、次の信号処理
に影響を与える不都合があるからである。
くてもゲート幅W1の中に含まれる発振周波数fosの所
定の波数を越えて継続して波が出力され、次の信号処理
に影響を与える不都合があるからである。
【0034】ピーク検出/半波回路22にはリセット信
号S3が印加されており、同調信号Ssのピーク値をホー
ルドすると共にホールド直前に短時間のあいだリセット
することを繰り返してして同調信号Ssの包絡線に対応
するヒストグラムを形成し、この後、半波整流して半波
整流電圧SHとして出力する。
号S3が印加されており、同調信号Ssのピーク値をホー
ルドすると共にホールド直前に短時間のあいだリセット
することを繰り返してして同調信号Ssの包絡線に対応
するヒストグラムを形成し、この後、半波整流して半波
整流電圧SHとして出力する。
【0035】この半波整流電圧SHは、高いカットオフ
周波数を有するローパスフイルタ23に出力され、ここ
でピーク検出/半波回路22で発生するノイズなどを除
去して、アクテイブローパスフイルタ24に出力され
る。
周波数を有するローパスフイルタ23に出力され、ここ
でピーク検出/半波回路22で発生するノイズなどを除
去して、アクテイブローパスフイルタ24に出力され
る。
【0036】アクテイブローパスフイルタ24は、低い
カットオフ周波数に設定されており、渦信号の中に含ま
れるノイズ或いは流体ノイズなどの低い周波数のノイズ
を除去して、シュミットトリガ25に出力する。シュミ
ットトリガ25では、アクテイブローパスフイルタ24
の出力に含まれる渦信号を対応するパルス信号SVに変
換する。
カットオフ周波数に設定されており、渦信号の中に含ま
れるノイズ或いは流体ノイズなどの低い周波数のノイズ
を除去して、シュミットトリガ25に出力する。シュミ
ットトリガ25では、アクテイブローパスフイルタ24
の出力に含まれる渦信号を対応するパルス信号SVに変
換する。
【0037】次に、以上のように構成された実施例の動
作について、図2、図3に示す波形図を用いて説明す
る。発振器14から出力された発振電圧Vos(図2
(A))は、基準信号S1(図2(B))のオン/オフ
のハイレベルで発振電圧Vosをオンとし、ローレベルで
発振電圧Vosをオフとする。このようにして、超音波送
波器12に図2(C)に示すバースト波SBを出力す
る。
作について、図2、図3に示す波形図を用いて説明す
る。発振器14から出力された発振電圧Vos(図2
(A))は、基準信号S1(図2(B))のオン/オフ
のハイレベルで発振電圧Vosをオンとし、ローレベルで
発振電圧Vosをオフとする。このようにして、超音波送
波器12に図2(C)に示すバースト波SBを出力す
る。
【0038】急峻な変化を示すバースト波SBが超音波
送波器12に印加されても、超音波送波器12を構成す
る振動子には残留振動が存在するので、図2(D)に示
すようなゆっくり変動する振動電圧VRとなる。
送波器12に印加されても、超音波送波器12を構成す
る振動子には残留振動が存在するので、図2(D)に示
すようなゆっくり変動する振動電圧VRとなる。
【0039】この振動電圧VRの期間が長くなると、次
のバースト波SBの送出時点まで継続することとなる。
これを避けるために、ダンピング回路16で基準信号S
1(図2(B))のオン/オフのローレベルの期間に抵
抗で超音波送波器12を終端して残留振動を速く収束さ
せる。
のバースト波SBの送出時点まで継続することとなる。
これを避けるために、ダンピング回路16で基準信号S
1(図2(B))のオン/オフのローレベルの期間に抵
抗で超音波送波器12を終端して残留振動を速く収束さ
せる。
【0040】超音波送波器12へのバースト波SBの印
加により、超音波送波器12から超音波が渦に向かって
送出される。超音波は渦で振幅変調を受けて超音波受波
器13で振幅変調信号SA(図2(E))として受信さ
れる。
加により、超音波送波器12から超音波が渦に向かって
送出される。超音波は渦で振幅変調を受けて超音波受波
器13で振幅変調信号SA(図2(E))として受信さ
れる。
【0041】この振幅変調信号SAには、渦で振幅変調
を受けた渦信号成分Xの他に、図2で説明したように測
定管路10を経由して伝播する管路伝播波N1、測定管
路10の内壁の相互を伝播して形成される定在波N2な
どによるノイズ(図2(E))が混入されている。
を受けた渦信号成分Xの他に、図2で説明したように測
定管路10を経由して伝播する管路伝播波N1、測定管
路10の内壁の相互を伝播して形成される定在波N2な
どによるノイズ(図2(E))が混入されている。
【0042】このような振幅変調信号SAは、プリアン
プ19で所定倍に増幅されてサンプリング回路20に出
力される。サンプリング回路20には、サンプリング信
号発生回路18から図2(F)に示すサンプリング信号
S2が印加され、このサンプリング信号S2により振幅変
調信号SAがサンプリングされる。
プ19で所定倍に増幅されてサンプリング回路20に出
力される。サンプリング回路20には、サンプリング信
号発生回路18から図2(F)に示すサンプリング信号
S2が印加され、このサンプリング信号S2により振幅変
調信号SAがサンプリングされる。
【0043】基準信号S1の送出から時間経過Tの後に
は、渦信号成分Xが存在するので、この時点でサンプリ
ング信号S2により渦信号成分Xをサンプリングする。
サンプリングされた渦信号成分Xを含む振幅変調信号S
Aは同調アンプ21により増幅されてその出力端に図2
(G)に示す同調信号Ssとして出力される。
は、渦信号成分Xが存在するので、この時点でサンプリ
ング信号S2により渦信号成分Xをサンプリングする。
サンプリングされた渦信号成分Xを含む振幅変調信号S
Aは同調アンプ21により増幅されてその出力端に図2
(G)に示す同調信号Ssとして出力される。
【0044】図2(B)に示す基準信号S1は、所定時
間の間隔で順次送出されるので、これ等を時系列的に並
べると図3に示すような同調信号の波形となる。この波
形には、例えば渦信号成分Xに対応する部分が含まれ
る。この場合のαの部分は超音波とカルマン渦の方向が
逆方向の場合を示している。βの部分は超音波とカルマ
ン渦の方向が同方向の部分である。つまり、ピーク値と
渦とが1対1で対応していることになる。
間の間隔で順次送出されるので、これ等を時系列的に並
べると図3に示すような同調信号の波形となる。この波
形には、例えば渦信号成分Xに対応する部分が含まれ
る。この場合のαの部分は超音波とカルマン渦の方向が
逆方向の場合を示している。βの部分は超音波とカルマ
ン渦の方向が同方向の部分である。つまり、ピーク値と
渦とが1対1で対応していることになる。
【0045】このようにして得られた同調信号Ssはピ
ーク検出/半波回路22に出力される。このピーク検出
/半波回路22にはリセット信号S3が印加され、同調
信号Ssのヒストグラムが形成され、さらに半波整流さ
れてその出力端に半波整流電圧SHを出力する。
ーク検出/半波回路22に出力される。このピーク検出
/半波回路22にはリセット信号S3が印加され、同調
信号Ssのヒストグラムが形成され、さらに半波整流さ
れてその出力端に半波整流電圧SHを出力する。
【0046】この半波整流電圧SHは、ローパスフイル
タ23とアクテイブローパスフイルタ24でノイズが除
去されてシュミットトリガ25の出力端に渦の数に対応
するパルス信号SVとして出力される。
タ23とアクテイブローパスフイルタ24でノイズが除
去されてシュミットトリガ25の出力端に渦の数に対応
するパルス信号SVとして出力される。
【0047】次に、図1に示す超音波受波器13が振幅
変調信号SAを大きくかつ安定に受信するための条件に
ついて以下に説明する。渦がないときの伝播時間τ
0は、式(1)で示され、渦があるときの伝播時間τ
3は、渦の流体振動をVAsinωVtとすれば、式
(2)と式(3)を考慮して、 τ3=[dV/(CA±VAsinωVt)]+[(D−dV)/CA] (4) となる。ただし、VAは渦の循環流の速さである。
変調信号SAを大きくかつ安定に受信するための条件に
ついて以下に説明する。渦がないときの伝播時間τ
0は、式(1)で示され、渦があるときの伝播時間τ
3は、渦の流体振動をVAsinωVtとすれば、式
(2)と式(3)を考慮して、 τ3=[dV/(CA±VAsinωVt)]+[(D−dV)/CA] (4) となる。ただし、VAは渦の循環流の速さである。
【0048】したがって、渦が通過するときに生じる超
音波の位相変化は、発振器14の発振電圧VOSの有する
発振角周波数をωOS(=2πfOS)とすれば、 dΦ=(τ0−τ3)ωOS (5) となる。
音波の位相変化は、発振器14の発振電圧VOSの有する
発振角周波数をωOS(=2πfOS)とすれば、 dΦ=(τ0−τ3)ωOS (5) となる。
【0049】ここで、最大位相偏移をΔΦとすれば、C
A 2≫VA 2なる関係から、 ΔΦ=±VAdVωOS/CA 2 (6) となる。このときの最大周波数偏移をΔfMAXとする
と、ΔfMAXは ΔfMAX=(ΔΦ)´=2VAdVωOSωV/CA 2 (7) として得られる。
A 2≫VA 2なる関係から、 ΔΦ=±VAdVωOS/CA 2 (6) となる。このときの最大周波数偏移をΔfMAXとする
と、ΔfMAXは ΔfMAX=(ΔΦ)´=2VAdVωOSωV/CA 2 (7) として得られる。
【0050】一方、超音波受波器13は圧電形の振動子
で構成されているが、その振動子の共振周波数faと反
共振周波数frの近傍における等価回路26は、図4に
おいて点線で囲んで示したように、インダクタンスL1
とコンデンサC1と抵抗R1との直列回路に、コンデンサ
C2が並列に接続された並列回路として示すことができ
る。
で構成されているが、その振動子の共振周波数faと反
共振周波数frの近傍における等価回路26は、図4に
おいて点線で囲んで示したように、インダクタンスL1
とコンデンサC1と抵抗R1との直列回路に、コンデンサ
C2が並列に接続された並列回路として示すことができ
る。
【0051】そして、この並列回路に広帯域化のための
インダクタンスL2が直列に接続されて端子T1、T2に
引き出されている。この場合の端子T1、T2からみたイ
ンピーダンスZは、図5に示すように共振周波数faで
最小になり、反共振周波数frで最大となる。
インダクタンスL2が直列に接続されて端子T1、T2に
引き出されている。この場合の端子T1、T2からみたイ
ンピーダンスZは、図5に示すように共振周波数faで
最小になり、反共振周波数frで最大となる。
【0052】これらの周波数領域では、他の周波数領域
での変化より大きなインピーダンスZの変化を示す。し
たがって、発振周波数fOSの値を共振周波数faと反共
振周波数frとの間に設定すると、大きなインピーダン
ス変化ΔZが得られる。
での変化より大きなインピーダンスZの変化を示す。し
たがって、発振周波数fOSの値を共振周波数faと反共
振周波数frとの間に設定すると、大きなインピーダン
ス変化ΔZが得られる。
【0053】この結果、超音波受波器13の出力端に
は、渦で変調された大きな振幅の振幅変調信号を得るこ
とができる。これは、バースト波としたときに得られる
図2(E)に示す振幅変調信号SAにおいても同様であ
る。
は、渦で変調された大きな振幅の振幅変調信号を得るこ
とができる。これは、バースト波としたときに得られる
図2(E)に示す振幅変調信号SAにおいても同様であ
る。
【0054】なお、図4ではインダクタンスL2が超音
波受波器13の振動子に直列に挿入される構成として示
されているが、この構成では共振周波数faを下げる形
で帯域を広げる例として示してある。このような構成に
より、温度変化により生じるfaとfrの変化に対して発
振周波数fOSの動作範囲(fa〜fr)に余裕を持たせる
ことができる。
波受波器13の振動子に直列に挿入される構成として示
されているが、この構成では共振周波数faを下げる形
で帯域を広げる例として示してある。このような構成に
より、温度変化により生じるfaとfrの変化に対して発
振周波数fOSの動作範囲(fa〜fr)に余裕を持たせる
ことができる。
【0055】また、発振周波数fOSを送信側の超音波送
波器12の共振周波数として選定すれば、発振器14か
ら最大の効率で超音波を測定流体に放射させることがで
きる。各超音波送波器及び超音波受波器に対してその共
振周波数を考慮して発振周波数の値を選定することは安
定な動作を確保する上で有効である。
波器12の共振周波数として選定すれば、発振器14か
ら最大の効率で超音波を測定流体に放射させることがで
きる。各超音波送波器及び超音波受波器に対してその共
振周波数を考慮して発振周波数の値を選定することは安
定な動作を確保する上で有効である。
【0056】次に、図1に示す実施例の検出感度の向上
についてさらに説明する。図6は図1に示す超音波送波
器及び超音波受波器の取付け構造の例を示す部分縦断面
図である。この場合の超音波送波器12、超音波受波器
13の測定管路10への取付部の肉厚Mは、超音波の透
過が最大となるようにM≒λ/2(λは測定管路10の
内部での超音波の波長)に選定されている。
についてさらに説明する。図6は図1に示す超音波送波
器及び超音波受波器の取付け構造の例を示す部分縦断面
図である。この場合の超音波送波器12、超音波受波器
13の測定管路10への取付部の肉厚Mは、超音波の透
過が最大となるようにM≒λ/2(λは測定管路10の
内部での超音波の波長)に選定されている。
【0057】図7は図6に示す超音波送波器12、超音
波受波器13の内部の具体的な構成を示す縦断面図であ
る。ここでは超音波受波器13を例として説明する。超
音波受波器13のケース13Aは、縁付きの円筒状に形
成され、例えばステンレス鋼などで作られている。その
底部には円板状のシリコンゴム13Bを介して圧電振動
子13Cが接合されている。
波受波器13の内部の具体的な構成を示す縦断面図であ
る。ここでは超音波受波器13を例として説明する。超
音波受波器13のケース13Aは、縁付きの円筒状に形
成され、例えばステンレス鋼などで作られている。その
底部には円板状のシリコンゴム13Bを介して圧電振動
子13Cが接合されている。
【0058】このように、シリコンゴム等を用いて弾性
的に接合させると、圧電振動子の両端が自由な単体と同
様なインピーダンス特性となり、図5に記載した通り、
急峻なインピーダンス変化を示す。
的に接合させると、圧電振動子の両端が自由な単体と同
様なインピーダンス特性となり、図5に記載した通り、
急峻なインピーダンス変化を示す。
【0059】これに対して、例えば、エポキシ樹脂を用
いて圧電振動子13Cをケース13Aに接着すると、負
荷との結合が密になりそのインピーダンス特性は図8に
示すように全体として平坦な特性となる。
いて圧電振動子13Cをケース13Aに接着すると、負
荷との結合が密になりそのインピーダンス特性は図8に
示すように全体として平坦な特性となる。
【0060】この結果として、渦によって生じる超音波
の周波数偏移によるインピーダンス変化が小さくなり、
検出感度の低下に結びつくこととなる。これは、図4に
おける損失分を表わす抵抗R1が、主として音響的負荷
の状態に依存して大きくなるためである。
の周波数偏移によるインピーダンス変化が小さくなり、
検出感度の低下に結びつくこととなる。これは、図4に
おける損失分を表わす抵抗R1が、主として音響的負荷
の状態に依存して大きくなるためである。
【0061】図9は図7に示す超音波受波器の他の実施
例を示す縦断面図である。図9(a)は圧電振動子の全
体を弾性体で覆ったときを、図9(b)は圧電振動子の
一部を固定するときをそれぞれ示す。
例を示す縦断面図である。図9(a)は圧電振動子の全
体を弾性体で覆ったときを、図9(b)は圧電振動子の
一部を固定するときをそれぞれ示す。
【0062】超音波受波器26はステンレス鋼の円筒状
のケース26Aの中に圧電振動子26Bをシリコンゴム
26Cで全体を覆って収納し、音響的負荷を低減するよ
うにしたものである。
のケース26Aの中に圧電振動子26Bをシリコンゴム
26Cで全体を覆って収納し、音響的負荷を低減するよ
うにしたものである。
【0063】また、超音波受波器27はステンレス鋼の
円筒状のケース27Aの底部に円筒状の凹部27Bを形
成しこの中にシリコンゴムを収納し、この上に円板状の
圧電振動子27Cを配置し、この圧電振動子27Cの周
囲をリング27Dで固定して音響的負荷を低減する構造
としたものである。なお、以上の説明では、弾性体とし
てシリコンゴムを用いて結合したが、これに限られず、
他の弾性体を用いても音響的負荷を低減させることがで
きる。
円筒状のケース27Aの底部に円筒状の凹部27Bを形
成しこの中にシリコンゴムを収納し、この上に円板状の
圧電振動子27Cを配置し、この圧電振動子27Cの周
囲をリング27Dで固定して音響的負荷を低減する構造
としたものである。なお、以上の説明では、弾性体とし
てシリコンゴムを用いて結合したが、これに限られず、
他の弾性体を用いても音響的負荷を低減させることがで
きる。
【0064】次に、図1に示す実施例において測定管路
の曲率が与える影響について説明する。図10は図1に
示す実施例の超音波の送受波面の曲率の影響を除去する
ように改良した構成を示す横断面図である。
の曲率が与える影響について説明する。図10は図1に
示す実施例の超音波の送受波面の曲率の影響を除去する
ように改良した構成を示す横断面図である。
【0065】測定管路28は、その超音波送波器29、
超音波受波器30が固定される固定面28A、28B
と、この固定面に平行な測定管路28の内壁の送受波面
28C、28Dとが互に平行な面になるように形成され
ている。
超音波受波器30が固定される固定面28A、28B
と、この固定面に平行な測定管路28の内壁の送受波面
28C、28Dとが互に平行な面になるように形成され
ている。
【0066】このような平行な面になるように形成する
ことにより、送受信効率を向上させることができる。特
に、これらの固定面28Aと28C、28Bと28Dの
間のそれぞれの間隔Wは、例えば連続波の場合にはW=
n(λ/2)(n:正の整数、λ:波長)に選定すると
無反射で送信することができるが、この選定は本実施例
のようにバースト波を用いるときにも有効である。
ことにより、送受信効率を向上させることができる。特
に、これらの固定面28Aと28C、28Bと28Dの
間のそれぞれの間隔Wは、例えば連続波の場合にはW=
n(λ/2)(n:正の整数、λ:波長)に選定すると
無反射で送信することができるが、この選定は本実施例
のようにバースト波を用いるときにも有効である。
【0067】特に、小口径の測定管路の場合には、図1
1に示すように測定管路31の曲率が大きくなり、送信
面の中央部と縁部で相対的に間隔Wの差(ΔW/W)が
大きくなるので、測定流体中に透過していく超音波信号
が小さくなる。
1に示すように測定管路31の曲率が大きくなり、送信
面の中央部と縁部で相対的に間隔Wの差(ΔW/W)が
大きくなるので、測定流体中に透過していく超音波信号
が小さくなる。
【0068】一方、受信においては入射角θL1が大きく
なると縁部では全反射が生じるおそれもある。図12は
この点を説明する特性図である。この場合は、測定流体
として水から超音波信号が入射し、鋼を想定した測定管
路31側で超音波信号を受信するときの超音波信号の入
射角とエネルギー分配率との関係を示す特性図である。
なると縁部では全反射が生じるおそれもある。図12は
この点を説明する特性図である。この場合は、測定流体
として水から超音波信号が入射し、鋼を想定した測定管
路31側で超音波信号を受信するときの超音波信号の入
射角とエネルギー分配率との関係を示す特性図である。
【0069】図12に示すように、入射角がθL1で縦波
として入射した超音波信号はその大部分が境界面で反射
して反射波LLrとして反射されるが、透過波としては屈
折角がθL2の縦波成分Ltと屈折角がθt2の横波Ttの双
方が発生する。この中、使えるのは縦波成分Ltのみで
あり、ほぼ入射角が15°までであり、これ以上はエネ
ルギーの分配がない。
として入射した超音波信号はその大部分が境界面で反射
して反射波LLrとして反射されるが、透過波としては屈
折角がθL2の縦波成分Ltと屈折角がθt2の横波Ttの双
方が発生する。この中、使えるのは縦波成分Ltのみで
あり、ほぼ入射角が15°までであり、これ以上はエネ
ルギーの分配がない。
【0070】以上の点を考慮すると、特に小口径の測定
管路の場合には、測定管路の軸方向に長い固定面を有す
るように超音波送波器及び超音波受波器を構成する圧電
振動子を配置すると効果的である。
管路の場合には、測定管路の軸方向に長い固定面を有す
るように超音波送波器及び超音波受波器を構成する圧電
振動子を配置すると効果的である。
【0071】また、図13に示すように測定管路32に
一対の貫通孔を設けここに送受信面が平坦なアダプタ3
3、34を介して超音波送波器29、超音波受波器30
を固定するようにしても効率良く送受信することが出来
る。
一対の貫通孔を設けここに送受信面が平坦なアダプタ3
3、34を介して超音波送波器29、超音波受波器30
を固定するようにしても効率良く送受信することが出来
る。
【0072】次に、図1に示す実施例においてノイズの
影響の低減について説明する。図29で説明したよう
に、クランプオンの形で測定管路に一対の超音波送波器
及び超音波受波器を取り付けた場合には、超音波信号は
測定流体の中に放射されるもののほかに測定管路の中を
伝播して超音波受波器に達するノイズとしての超音波が
存在する。
影響の低減について説明する。図29で説明したよう
に、クランプオンの形で測定管路に一対の超音波送波器
及び超音波受波器を取り付けた場合には、超音波信号は
測定流体の中に放射されるもののほかに測定管路の中を
伝播して超音波受波器に達するノイズとしての超音波が
存在する。
【0073】この測定管路を経由する超音波ノイズと、
測定流体中を伝播する超音波信号とは、図2に示すよう
に超音波の伝播距離と音速との差によって生じる時間差
を利用して分離している。
測定流体中を伝播する超音波信号とは、図2に示すよう
に超音波の伝播距離と音速との差によって生じる時間差
を利用して分離している。
【0074】図2に示す波形図では、管路伝播波N1が
渦信号成分Xに接近する形となるが、この接近の度合は
口径及び圧力規格などにより異なるところの測定管路の
寸法(主として肉厚、内面の曲率など)に依存する。特
に、渦周波数が高い小口径の場合には、サンプリング周
期を短くしなければならない。
渦信号成分Xに接近する形となるが、この接近の度合は
口径及び圧力規格などにより異なるところの測定管路の
寸法(主として肉厚、内面の曲率など)に依存する。特
に、渦周波数が高い小口径の場合には、サンプリング周
期を短くしなければならない。
【0075】サンプリング周期、つまりバースト波の周
期を短くすると、図1に示すような包絡線の振幅変調波
から渦信号を再生するときは、良好な再生が可能になる
メリットはある。
期を短くすると、図1に示すような包絡線の振幅変調波
から渦信号を再生するときは、良好な再生が可能になる
メリットはある。
【0076】しかし、図14に示すように基準信号S1
の(n−1)、n、(n+1)番目の送出(図14
(a))に対して、先行する管路伝播波N1(n−1)
(図14(b))と、次発の渦信号成分X(n)(図1
4(c))との重なりや接近が生じ、時間差だけの処理
ではノイズ分離をするのは難しい。
の(n−1)、n、(n+1)番目の送出(図14
(a))に対して、先行する管路伝播波N1(n−1)
(図14(b))と、次発の渦信号成分X(n)(図1
4(c))との重なりや接近が生じ、時間差だけの処理
ではノイズ分離をするのは難しい。
【0077】しかも、この管路伝播波N1は、指向性を
もって測定管路の中を進行する。測定流体を水とすると
測定管路の境界面で93%程度が反射され、この反射波
は次の超音波と合成されて再び測定管路中を進行し、再
び反射され、バースト波の波数が存在する期間だけ繰り
返される。
もって測定管路の中を進行する。測定流体を水とすると
測定管路の境界面で93%程度が反射され、この反射波
は次の超音波と合成されて再び測定管路中を進行し、再
び反射され、バースト波の波数が存在する期間だけ繰り
返される。
【0078】この現象は、境界面に平面波の超音波が入
射した場合に生じるものであるが、境界面が曲率を持つ
と図15に示すように超音波送波器35から送出された
超音波信号は測定管路36の内壁と外壁とを反射しなが
ら広がっていく。
射した場合に生じるものであるが、境界面が曲率を持つ
と図15に示すように超音波送波器35から送出された
超音波信号は測定管路36の内壁と外壁とを反射しなが
ら広がっていく。
【0079】さらに、測定管路36の中では放射された
縦波以外に反射のため横波も発生する。縦波は5900
m/s程度、横波は3230m/s程度の音速であるの
で、管路伝播波は超音波受波器への到達時間を正確に予
測することが困難である。その上、測定流体中に送出さ
れた超音波信号の音速は流体の種類、温度などにより大
きく異なる。
縦波以外に反射のため横波も発生する。縦波は5900
m/s程度、横波は3230m/s程度の音速であるの
で、管路伝播波は超音波受波器への到達時間を正確に予
測することが困難である。その上、測定流体中に送出さ
れた超音波信号の音速は流体の種類、温度などにより大
きく異なる。
【0080】そこで、この管路伝播波N1の影響を低減
させることが出来れば、サンプリング信号S2(図2
(F))のゲート幅を大きくすることができ、この結果
として流体条件による調整が不要となり、音速変化に対
しても安定になるメリットが発生する。
させることが出来れば、サンプリング信号S2(図2
(F))のゲート幅を大きくすることができ、この結果
として流体条件による調整が不要となり、音速変化に対
しても安定になるメリットが発生する。
【0081】図16、図17は測定管路を伝播する管路
伝播波を低減させるように改良した構成を示す横断面図
である。図16の場合は超音波送波器38と超音波受波
器39の両側に管軸に沿って深溝37A〜37Dを設け
る構成としたものである。
伝播波を低減させるように改良した構成を示す横断面図
である。図16の場合は超音波送波器38と超音波受波
器39の両側に管軸に沿って深溝37A〜37Dを設け
る構成としたものである。
【0082】このように深溝37A〜37Dによって反
射面を設けると管路伝播波N1の大部分はここで反射さ
れ、超音波送波器38から測定管路37を進行して超音
波受波器39に到達するノイズレベルは著しく小さくな
る。
射面を設けると管路伝播波N1の大部分はここで反射さ
れ、超音波送波器38から測定管路37を進行して超音
波受波器39に到達するノイズレベルは著しく小さくな
る。
【0083】そして、図16の場合は4本の深溝で反射
面を構成したが、溝が浅い場合はこの溝を増せば同様な
効果が期待でき、また溝だけで構成するのではなく測定
管路37の表面に凹凸を複数個設けるようにしてもよ
い。
面を構成したが、溝が浅い場合はこの溝を増せば同様な
効果が期待でき、また溝だけで構成するのではなく測定
管路37の表面に凹凸を複数個設けるようにしてもよ
い。
【0084】図17のうち、図17(a)の場合は測定
管路40の4角にL字形の切欠き40A〜40Dを設け
て反射面としたものであり、図17(b)の場合は測定
管路41の上下面にそれぞれV溝41A、41Bを設け
る構成としたものである。
管路40の4角にL字形の切欠き40A〜40Dを設け
て反射面としたものであり、図17(b)の場合は測定
管路41の上下面にそれぞれV溝41A、41Bを設け
る構成としたものである。
【0085】次に、図1に示す実施例についての気泡の
影響について説明する。図1に示す実施例では測定流体
の中に気泡を含むとこの気泡の大きさによっては著しい
超音波信号の減衰が生じ充分な感度が得られない場合が
ある。以下、これについて説明する。
影響について説明する。図1に示す実施例では測定流体
の中に気泡を含むとこの気泡の大きさによっては著しい
超音波信号の減衰が生じ充分な感度が得られない場合が
ある。以下、これについて説明する。
【0086】測定流体が液体の場合において、測定流体
中に測定流体と音響インピーダンスの異なる粒子、気泡
などが存在すると、超音波の散乱と吸収が生じる。特
に、気泡が共振状態になった場合には著しい減衰が生
じ、受信が困難になる。
中に測定流体と音響インピーダンスの異なる粒子、気泡
などが存在すると、超音波の散乱と吸収が生じる。特
に、気泡が共振状態になった場合には著しい減衰が生
じ、受信が困難になる。
【0087】気泡の共振周波数frはその径(a:半
径、cm)によって異なり、常温・常圧下では、fr=
326/a(Hz)で示される。したがって、使用する
超音波周波数fOSを気泡が共振しない周波数に選定する
ことが必要である。
径、cm)によって異なり、常温・常圧下では、fr=
326/a(Hz)で示される。したがって、使用する
超音波周波数fOSを気泡が共振しない周波数に選定する
ことが必要である。
【0088】圧電振動子としてチタン酸ジルコン酸鉛系
セラミックス(PZT)を使用した場合は、測定流体中
に縦波の超音波が効率良く放射される振動モードには、
厚み方向と厚みすべり方向の各振動モードがあり、ほぼ
2:1の周波数比となっている。したがって、例えば、
厚み方向が1Mzであれば、厚みすべり方向は500K
Hzとなる。
セラミックス(PZT)を使用した場合は、測定流体中
に縦波の超音波が効率良く放射される振動モードには、
厚み方向と厚みすべり方向の各振動モードがあり、ほぼ
2:1の周波数比となっている。したがって、例えば、
厚み方向が1Mzであれば、厚みすべり方向は500K
Hzとなる。
【0089】図18は厚みすべり方向と厚み方向の周波
数とを考慮した周波数対インピーダンス特性を示す。厚
みすべり方向の共振周波数f1と、厚み方向の共振周波
数f2の付近にインピーダンスの急峻な変化を示す部分
がある。
数とを考慮した周波数対インピーダンス特性を示す。厚
みすべり方向の共振周波数f1と、厚み方向の共振周波
数f2の付近にインピーダンスの急峻な変化を示す部分
がある。
【0090】図1に示す実施例では、超音波受波器13
に使用される圧電振動子のインピーダンス特性の変化を
利用しているが、図18に示すように厚みすべり共振周
波数f1の近傍にもインピーダンスの急峻な変化を示す
部分があるので、この部分を用いても信号処理上は問題
が生じない。
に使用される圧電振動子のインピーダンス特性の変化を
利用しているが、図18に示すように厚みすべり共振周
波数f1の近傍にもインピーダンスの急峻な変化を示す
部分があるので、この部分を用いても信号処理上は問題
が生じない。
【0091】そこで、図1に示す発振器14の代わりに
図19に示すような発振器42を採用する。この発振器
42はインバータG1、G2が直列に接続され、インバー
タG 1の入出力端間に抵抗R2が接続されると共にインバ
ータG1の出力端は抵抗R3とコンデンサC3を共通電位
点COMに接続されている。
図19に示すような発振器42を採用する。この発振器
42はインバータG1、G2が直列に接続され、インバー
タG 1の入出力端間に抵抗R2が接続されると共にインバ
ータG1の出力端は抵抗R3とコンデンサC3を共通電位
点COMに接続されている。
【0092】また、インバータG1の入力端はコンデン
サC4を介して共通電位点COMに接続され、コンデン
サC3とC4との間には厚み方向の振動用の圧電振動子P
Z1と、厚みすべり方向の振動用の圧電振動子PZ2と
が切換信号CSにより切り換えられるスイッチSWを介
して接続されている。そして、切換信号CSによりこれ
等の振動子を切り換えて気泡の影響を除去することがで
きる。
サC4を介して共通電位点COMに接続され、コンデン
サC3とC4との間には厚み方向の振動用の圧電振動子P
Z1と、厚みすべり方向の振動用の圧電振動子PZ2と
が切換信号CSにより切り換えられるスイッチSWを介
して接続されている。そして、切換信号CSによりこれ
等の振動子を切り換えて気泡の影響を除去することがで
きる。
【0093】この場合の図1における同調アンプ21の
同調周波数は、切換信号CSに対応して切り換えるか、
或いは両者の間でフラットな周波数特性を持つように構
成すればよい。
同調周波数は、切換信号CSに対応して切り換えるか、
或いは両者の間でフラットな周波数特性を持つように構
成すればよい。
【0094】図19では圧電振動子の振動モードの切り
換えで気泡の影響を低減する構成について説明したが、
図20に示すように振動周波数の異なる、つまり厚さの
異なる複数対の圧電振動子PZ3、PZ4、PZ5を金
属ホルダ43の中に収納して超音波送波器44を構成
し、これらを気泡の径により切り換えても同様な効果が
得られる。
換えで気泡の影響を低減する構成について説明したが、
図20に示すように振動周波数の異なる、つまり厚さの
異なる複数対の圧電振動子PZ3、PZ4、PZ5を金
属ホルダ43の中に収納して超音波送波器44を構成
し、これらを気泡の径により切り換えても同様な効果が
得られる。
【0095】次に、図1に示す実施例における送受信効
率の全体的な向上について説明する。図1に示す実施例
では、超音波送波器及び超音波受波器に使用される圧電
振動子のインピーダンス特性の急峻部を利用して、渦に
よって生じる周波数変調を振幅変調に変換する構成であ
るので、超音波送波器12、超音波受波器13で同一の
圧電素子を用いたのでは、超音波送受波器での効率が低
下する。
率の全体的な向上について説明する。図1に示す実施例
では、超音波送波器及び超音波受波器に使用される圧電
振動子のインピーダンス特性の急峻部を利用して、渦に
よって生じる周波数変調を振幅変調に変換する構成であ
るので、超音波送波器12、超音波受波器13で同一の
圧電素子を用いたのでは、超音波送受波器での効率が低
下する。
【0096】そこで、この問題を解決するための構成に
ついて、図21に示す周波数対インピーダンス特性を用
いて説明する。図21(a)は超音波送波器の特性を、
図21(b)は超音波受波器の特性をそれぞれ示してい
る。
ついて、図21に示す周波数対インピーダンス特性を用
いて説明する。図21(a)は超音波送波器の特性を、
図21(b)は超音波受波器の特性をそれぞれ示してい
る。
【0097】これらの超音波送波器及び超音波受波器に
使用される圧電振動子の共振点付近の等価回路は図4の
26で示されている。この場合の図21(a)に示す送
信側の共振周波数faと反共振周波数frはそれぞれ、 fa=1/2π(L1・C1)1/2 fr=1/2π[L1・C1・C2/(C1+C2)]1/2 で示される。同様に、受信側の共振周波数fa´と反共
振周波数fr´は図21(b)に示されている。
使用される圧電振動子の共振点付近の等価回路は図4の
26で示されている。この場合の図21(a)に示す送
信側の共振周波数faと反共振周波数frはそれぞれ、 fa=1/2π(L1・C1)1/2 fr=1/2π[L1・C1・C2/(C1+C2)]1/2 で示される。同様に、受信側の共振周波数fa´と反共
振周波数fr´は図21(b)に示されている。
【0098】この場合、超音波送波器として大きな超音
波信号を放射させるためには、発振器14から出力され
る駆動用の発振周波数fOSは超音波送波器に使用される
圧電振動子の共振周波数に等しく選定する。このときの
特性が図21(a)に示す特性である。
波信号を放射させるためには、発振器14から出力され
る駆動用の発振周波数fOSは超音波送波器に使用される
圧電振動子の共振周波数に等しく選定する。このときの
特性が図21(a)に示す特性である。
【0099】一方、図21(b)に示されるように、超
音波受波器に用いられる圧電振動子は、その共振周波数
fa´と反共振周波数fr´との間の急峻なインピーダン
ス変化を示す部分に、送信側の圧電振動子の共振周波数
faが来るように選定することにより受信感度を大きく
することができる。
音波受波器に用いられる圧電振動子は、その共振周波数
fa´と反共振周波数fr´との間の急峻なインピーダン
ス変化を示す部分に、送信側の圧電振動子の共振周波数
faが来るように選定することにより受信感度を大きく
することができる。
【0100】以上を総合すると、発振器14から出力さ
れる駆動用の発振周波数fOSが超音波送波器の圧電振動
子の共振周波数faに等しくなるように選定し、かつこ
の共振周波数faが超音波受波器に用いられる圧電振動
子の共振周波数fa´と反共振周波数fr´との間に来る
ように選定する。
れる駆動用の発振周波数fOSが超音波送波器の圧電振動
子の共振周波数faに等しくなるように選定し、かつこ
の共振周波数faが超音波受波器に用いられる圧電振動
子の共振周波数fa´と反共振周波数fr´との間に来る
ように選定する。
【0101】そして、この圧電振動子の共振周波数は、
例えば、厚み方向の振動を利用する場合には、この圧電
振動子の厚さを変えることにより容易に変更することが
できる。以上により、全体として最良の送受信効率を達
成することができ、ひいては信号処理が容易になり動作
の安定化に寄与する。
例えば、厚み方向の振動を利用する場合には、この圧電
振動子の厚さを変えることにより容易に変更することが
できる。以上により、全体として最良の送受信効率を達
成することができ、ひいては信号処理が容易になり動作
の安定化に寄与する。
【0102】また、逆に受信信号を一定のレベルとした
場合には、駆動に要する電力が少なくても良いので、工
業用のフイールド伝送器などのように4mAの電流で駆
動する消費電力が制限される場合にも有効である。
場合には、駆動に要する電力が少なくても良いので、工
業用のフイールド伝送器などのように4mAの電流で駆
動する消費電力が制限される場合にも有効である。
【0103】次に、図1に示す実施例を実際に製品に応
用するに際して必要な付加的な信号処理に関して説明す
る。図22は図1に示す実施例を改良した信号処理のブ
ロック図である。
用するに際して必要な付加的な信号処理に関して説明す
る。図22は図1に示す実施例を改良した信号処理のブ
ロック図である。
【0104】この信号処理は、図1に示す実施例に対し
て、長期間の信頼性の確保と、アプリケーション上で遭
遇する現象に対する対応について必要な機能を付加する
ようにしたものである。なお、以下の説明においては図
1に示す構成要素と同一の機能を有する構成要素につい
ては同一の番号を付して適宜にその説明を省略する。
て、長期間の信頼性の確保と、アプリケーション上で遭
遇する現象に対する対応について必要な機能を付加する
ようにしたものである。なお、以下の説明においては図
1に示す構成要素と同一の機能を有する構成要素につい
ては同一の番号を付して適宜にその説明を省略する。
【0105】発振器14からの発振電圧VOSは、基準信
号S1に従ってバースト波SBとして超音波送波器12に
送出され、渦により変調を受けて超音波受波器13で振
幅変調信号SAとして受信される。
号S1に従ってバースト波SBとして超音波送波器12に
送出され、渦により変調を受けて超音波受波器13で振
幅変調信号SAとして受信される。
【0106】この振幅変調信号SAは、制御信号VC1で
ゲインが調整される自動利得増幅器45に出力され、こ
の後、図1に示す回路と同様な機能を持つ同調アンプ2
1、サンプリング回路20、ピーク/検出半波回路22
を介して半波整流電圧SH´としてその出力端に出力さ
れる。
ゲインが調整される自動利得増幅器45に出力され、こ
の後、図1に示す回路と同様な機能を持つ同調アンプ2
1、サンプリング回路20、ピーク/検出半波回路22
を介して半波整流電圧SH´としてその出力端に出力さ
れる。
【0107】この半波整流電圧SH´は、時定数回路4
6と直流アンプ47を介して制御信号VC1として自動利
得増幅器45のゲイン制御端に出力され、そのゲインを
制御する。そして、この半波整流電圧SH´は、ローパ
スフイルタ23を可変ハイパスフイルタ48にも出力さ
れる。
6と直流アンプ47を介して制御信号VC1として自動利
得増幅器45のゲイン制御端に出力され、そのゲインを
制御する。そして、この半波整流電圧SH´は、ローパ
スフイルタ23を可変ハイパスフイルタ48にも出力さ
れる。
【0108】一方、可変ハイパスフイルタ48には制御
信号VC2が入力されており、これによりそのコーナ周波
数が変更されてアクテイブローパスフイルタ24に出力
され、シュミットトリガ25でパルス化されてその出力
端にパルス信号SV´として出力される。
信号VC2が入力されており、これによりそのコーナ周波
数が変更されてアクテイブローパスフイルタ24に出力
され、シュミットトリガ25でパルス化されてその出力
端にパルス信号SV´として出力される。
【0109】この可変ハイパスフイルタ48の具体的な
構成の1例を図23に示す。ローパスフイルタ23の出
力はコンデンサC5の一端に入力され、その他端はアク
テイブローパスフイルタ24に接続されている。
構成の1例を図23に示す。ローパスフイルタ23の出
力はコンデンサC5の一端に入力され、その他端はアク
テイブローパスフイルタ24に接続されている。
【0110】また、コンデンサC5の他端は、共通電位
点COMに抵抗R4で接続されると共に制御電圧VC2で
内部抵抗が制御される電界効果トランジスタQ1と抵抗
R5との直列回路で共通電位点COMに接続され、この
制御電圧VC2によりハイパスフイルタのコーナ周波数が
変更される。
点COMに抵抗R4で接続されると共に制御電圧VC2で
内部抵抗が制御される電界効果トランジスタQ1と抵抗
R5との直列回路で共通電位点COMに接続され、この
制御電圧VC2によりハイパスフイルタのコーナ周波数が
変更される。
【0111】さらに、パルス信号SV´は、F/V(周
波数/電圧)コンバータ49によりアナログの制御信号
VC2に変換されて可変ハイパスフイルタ48のコーナ周
波数を制御すると共に保護信号VPrで開閉が制御される
スイッチを50を介してその出力端に渦の数に対応する
パルス信号SV0を出力する。
波数/電圧)コンバータ49によりアナログの制御信号
VC2に変換されて可変ハイパスフイルタ48のコーナ周
波数を制御すると共に保護信号VPrで開閉が制御される
スイッチを50を介してその出力端に渦の数に対応する
パルス信号SV0を出力する。
【0112】また、半波整流電圧SH´は時定数回路5
1でフイルタリングされてフイルタ信号VFとされ、コ
ンパレータ52に出力される。コンパレータ52はこの
フイルタ信号VFを比較信号VC0と比較し、その出力端
に保護信号VPrを出力させ、これによりスイッチ50の
開閉を行う。
1でフイルタリングされてフイルタ信号VFとされ、コ
ンパレータ52に出力される。コンパレータ52はこの
フイルタ信号VFを比較信号VC0と比較し、その出力端
に保護信号VPrを出力させ、これによりスイッチ50の
開閉を行う。
【0113】次に、以上のように構成された実施例の付
加機能の動作について、図24を用いて説明する。ま
ず、自動利得増幅器45の機能について説明する。圧電
振動子の経時変化や温度特性などによる受信レベルの変
動、或いは測定流体の音響インピーダンス、粒子、気泡
などによる受信レベルの変動は、振幅変調におけるピー
ク検出/半波回路22での検波効率の変化に結びつく。
加機能の動作について、図24を用いて説明する。ま
ず、自動利得増幅器45の機能について説明する。圧電
振動子の経時変化や温度特性などによる受信レベルの変
動、或いは測定流体の音響インピーダンス、粒子、気泡
などによる受信レベルの変動は、振幅変調におけるピー
ク検出/半波回路22での検波効率の変化に結びつく。
【0114】そこで、半波整流電圧SH´(図24
(a))を時定数回路46でフイルタリングして得た制
御電圧VC1(Amに対応)により自動利得増幅器45の
ゲインを制御して、ピーク検出/半波回路22への入力
電圧の振幅を一定に保持する。
(a))を時定数回路46でフイルタリングして得た制
御電圧VC1(Amに対応)により自動利得増幅器45の
ゲインを制御して、ピーク検出/半波回路22への入力
電圧の振幅を一定に保持する。
【0115】次に、可変ハイパスフイルタ48の機能に
ついて説明する。測定流体が高流速のときには、図24
(b)に示すように、渦周波数fVに重畳して“ゆら
ぎ”と呼ばれる低周波のノイズ周波数fLが現れる。
ついて説明する。測定流体が高流速のときには、図24
(b)に示すように、渦周波数fVに重畳して“ゆら
ぎ”と呼ばれる低周波のノイズ周波数fLが現れる。
【0116】このため、シュミットトリガ25で渦周波
数fVをパルス化するときに誤差を発生させる。そこ
で、高流速(渦周波数が高い)のときには制御信号VC2
によりコーナ周波数を高くして低周波ノイズ成分を低減
させるようにする。
数fVをパルス化するときに誤差を発生させる。そこ
で、高流速(渦周波数が高い)のときには制御信号VC2
によりコーナ周波数を高くして低周波ノイズ成分を低減
させるようにする。
【0117】次に、出力保護回路の機能について説明す
る。保護回路は、時定数回路51、コンパレータ52、
スイッチ50などにより構成されている。通水の始めや
断水のときの受信レベルは空気の残留や流入により出力
が大きく変動する。また、空の場合は回路のゲインが大
となっているので、ピーク検出/半波回路22の半波整
流電圧SH´に渦周波数とは無関係なノイズが重畳しや
すい。
る。保護回路は、時定数回路51、コンパレータ52、
スイッチ50などにより構成されている。通水の始めや
断水のときの受信レベルは空気の残留や流入により出力
が大きく変動する。また、空の場合は回路のゲインが大
となっているので、ピーク検出/半波回路22の半波整
流電圧SH´に渦周波数とは無関係なノイズが重畳しや
すい。
【0118】また、これらの場合は渦放出が正しく行わ
れておらず、超音波検出方式以外では出力がゼロになる
のが通例であるが、図1に示す実施例の場合は受信レベ
ルが急激に低下する。なお、このときの変化は急激に発
生するので、時定数回路51は時定数回路46に対して
その時定数を小さく設定しておく。
れておらず、超音波検出方式以外では出力がゼロになる
のが通例であるが、図1に示す実施例の場合は受信レベ
ルが急激に低下する。なお、このときの変化は急激に発
生するので、時定数回路51は時定数回路46に対して
その時定数を小さく設定しておく。
【0119】以上の点を考慮して、時定数回路51を介
して半波整流電圧SH´をフイルタ信号VFとして取り出
し、図24(c)に示すように、所定の比較信号VC0に
設定されたコンパレータ52でこのフイルタ信号VFと
比較し、フイルタ信号VFがこの比較信号VC0より低下
したときに、保護信号VPrによりスイッチ50をオフと
して、安定性を向上させている。
して半波整流電圧SH´をフイルタ信号VFとして取り出
し、図24(c)に示すように、所定の比較信号VC0に
設定されたコンパレータ52でこのフイルタ信号VFと
比較し、フイルタ信号VFがこの比較信号VC0より低下
したときに、保護信号VPrによりスイッチ50をオフと
して、安定性を向上させている。
【0120】図25はセンサ部を変更した本発明の他の
実施例の構成を示す構成図である。このセンサ部53は
流体振動(フルイデック)形のセンサを用いた例であ
る。センサ部以外の回路部分は基本的に図1に示す回路
と同一であるので、センサ部53を中心に以下に説明を
する。
実施例の構成を示す構成図である。このセンサ部53は
流体振動(フルイデック)形のセンサを用いた例であ
る。センサ部以外の回路部分は基本的に図1に示す回路
と同一であるので、センサ部53を中心に以下に説明を
する。
【0121】金属性の測定管路54の上流部は、中央部
に貫通孔が開けられてこの部分がノズル55として機能
する閉塞板56で閉塞され、このノズル55を介して測
定流体が噴出する噴流が当たる測定管路の位置にターゲ
ット57が固定されている。
に貫通孔が開けられてこの部分がノズル55として機能
する閉塞板56で閉塞され、このノズル55を介して測
定流体が噴出する噴流が当たる測定管路の位置にターゲ
ット57が固定されている。
【0122】このターゲット57の下流側には、中央部
にやや大きな貫通孔58が開けられた閉塞板59が設け
られ、これにより測定管路54が閉塞されている。この
測定管路54の外壁には超音波送波器60、超音波受波
器61が対向して配置されている。
にやや大きな貫通孔58が開けられた閉塞板59が設け
られ、これにより測定管路54が閉塞されている。この
測定管路54の外壁には超音波送波器60、超音波受波
器61が対向して配置されている。
【0123】測定流体がノズル55を介して噴流として
下流側のターゲット57に当たり、ここで流路が変更さ
れて例えば下側(図中の黒塗り流線)に向かって流れ
る。この流れは閉塞板59の壁に当たって下側のフイー
ドバック流として上流側の閉塞板56側に帰還され、ノ
ズル55からの噴流を逆方向(図中の黒塗り矢印)に押
し上げる。
下流側のターゲット57に当たり、ここで流路が変更さ
れて例えば下側(図中の黒塗り流線)に向かって流れ
る。この流れは閉塞板59の壁に当たって下側のフイー
ドバック流として上流側の閉塞板56側に帰還され、ノ
ズル55からの噴流を逆方向(図中の黒塗り矢印)に押
し上げる。
【0124】この結果、今度は噴流はターゲット57の
上側(図中の点線で示す流線)に向かって流れる。この
流れは閉塞板59の壁に当たって上側のフイードバック
流として上流側の閉塞板56側に帰還され、ノズル55
からの噴流を逆方向(図中の点線で示す矢印)に押し下
げる。
上側(図中の点線で示す流線)に向かって流れる。この
流れは閉塞板59の壁に当たって上側のフイードバック
流として上流側の閉塞板56側に帰還され、ノズル55
からの噴流を逆方向(図中の点線で示す矢印)に押し下
げる。
【0125】そこで、今度は噴流がターゲット57の下
側に移行し、最初の動作に戻る。以後、これを繰り返し
て流体振動を起こす。ここで、この流体振動に超音波送
波器60からバースト波を放射しこの流体振動により変
調された超音波信号を超音波受波器61で受波し、以
後、図1に示す信号処理を行って流体振動の数、つまり
振動周波数fVを出力する。
側に移行し、最初の動作に戻る。以後、これを繰り返し
て流体振動を起こす。ここで、この流体振動に超音波送
波器60からバースト波を放射しこの流体振動により変
調された超音波信号を超音波受波器61で受波し、以
後、図1に示す信号処理を行って流体振動の数、つまり
振動周波数fVを出力する。
【0126】この振動周波数fVは測定流体の流量Qと
広いレイノルズ数の範囲で、fV=KQ(K:定数)の
関係にあるが、特に、低レイノルズ数、すなわち低流量
での特性にすぐれた流量計を構成できる。
広いレイノルズ数の範囲で、fV=KQ(K:定数)の
関係にあるが、特に、低レイノルズ数、すなわち低流量
での特性にすぐれた流量計を構成できる。
【0127】なお、図25では、超音波送波器60、超
音波送波器61を閉塞板59の若干上流側の測定管路5
4にクランプオン形として固定した例を示したが、これ
に限らず超音波の伝播経路が流体振動の発生している位
置になるようにこれらの超音波送波器60、超音波受波
器61を設置してもよい。
音波送波器61を閉塞板59の若干上流側の測定管路5
4にクランプオン形として固定した例を示したが、これ
に限らず超音波の伝播経路が流体振動の発生している位
置になるようにこれらの超音波送波器60、超音波受波
器61を設置してもよい。
【0128】
【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、下に示すような効果がある。第1
請求項、第2請求項に記載した発明によれば、超音波を
間欠的にバースト波としてカルマン渦に送出し、このカ
ルマン渦で変調された信号が現れる時点の近傍のみで信
号をサンプリングするようにしたので、測定管路の中を
伝播するノイズ、測定管路の内部で定在波として存在す
るノイズの影響を受けることなく流量を測定することが
できる。特に、測定流体として液体に対して用いて好適
であり、配管振動による影響もなくなり、低流速まで測
定が可能になる。
うに本発明によれば、下に示すような効果がある。第1
請求項、第2請求項に記載した発明によれば、超音波を
間欠的にバースト波としてカルマン渦に送出し、このカ
ルマン渦で変調された信号が現れる時点の近傍のみで信
号をサンプリングするようにしたので、測定管路の中を
伝播するノイズ、測定管路の内部で定在波として存在す
るノイズの影響を受けることなく流量を測定することが
できる。特に、測定流体として液体に対して用いて好適
であり、配管振動による影響もなくなり、低流速まで測
定が可能になる。
【0129】また、クランプオン形として構成している
ので、超音波送波器及び超音波受波器の部分を直接、測
定流体に接触させることがなく、この部分からの測定液
の漏洩がなくなり、信頼性の向上に寄与することが出来
る上に、オンラインでのメンテナンスが可能になる効果
がある。
ので、超音波送波器及び超音波受波器の部分を直接、測
定流体に接触させることがなく、この部分からの測定液
の漏洩がなくなり、信頼性の向上に寄与することが出来
る上に、オンラインでのメンテナンスが可能になる効果
がある。
【0130】第3請求項に記載した発明によれば、第1
請求項に記載した効果に加えて広いレイノルズの範囲で
直線性が得られ、特に低レイノルズ、つまり低流量域に
おいて流量特性の良い流体振動流量計が得られる効果が
ある。
請求項に記載した効果に加えて広いレイノルズの範囲で
直線性が得られ、特に低レイノルズ、つまり低流量域に
おいて流量特性の良い流体振動流量計が得られる効果が
ある。
【0131】第4請求項に記載した発明によれば、信号
処理回路にQ値の低い同調アンプを設ける構成にしたの
で、超音波信号を適切に選択増幅することができ、かつ
ゲート幅W1の中に含まれる発振周波数の所定の波数を
越えて継続して波が出力されて次の信号処理に影響を与
える不都合を避けられる効果がある。
処理回路にQ値の低い同調アンプを設ける構成にしたの
で、超音波信号を適切に選択増幅することができ、かつ
ゲート幅W1の中に含まれる発振周波数の所定の波数を
越えて継続して波が出力されて次の信号処理に影響を与
える不都合を避けられる効果がある。
【0132】第5請求項に記載した発明によれば、超音
波受波器のインピーダンス変化の大きい部分に発振周波
数を設定する構成であるので、効率良く渦信号を受信す
ることができる。
波受波器のインピーダンス変化の大きい部分に発振周波
数を設定する構成であるので、効率良く渦信号を受信す
ることができる。
【0133】第6請求項に記載した発明によれば、請求
項5に記載した発明の構成に加えて超音波送波器の共振
周波数と等しいようにこの超音波送波器の構成を変更し
て発振周波数を設定する構成としたので、さらに効率良
く渦信号を受信することができる。
項5に記載した発明の構成に加えて超音波送波器の共振
周波数と等しいようにこの超音波送波器の構成を変更し
て発振周波数を設定する構成としたので、さらに効率良
く渦信号を受信することができる。
【0134】第7請求項に記載した発明によれば、弾性
体を介して超音波振動子を超音波送波器及び超音波受波
器のホルダに固定する構成としたので、超音波振動子の
固定に伴う検出感度の低下を防止することができ、本来
の検出感度を生かすことができる。
体を介して超音波振動子を超音波送波器及び超音波受波
器のホルダに固定する構成としたので、超音波振動子の
固定に伴う検出感度の低下を防止することができ、本来
の検出感度を生かすことができる。
【0135】第8請求項に記載した発明によれば、超音
波送波器及び超音波受波器に対向する測定管路の管内壁
を互に平行に形成するようにしたので、超音波の送受に
伴うエネルギ損失を低減することができ、効率のよい超
音波の送受を可能にすることができる。
波送波器及び超音波受波器に対向する測定管路の管内壁
を互に平行に形成するようにしたので、超音波の送受に
伴うエネルギ損失を低減することができ、効率のよい超
音波の送受を可能にすることができる。
【0136】第9請求項に記載した発明によれば、送受
波面が平坦なアダプタに超音波送波器及び超音波受波器
を固定する構成としたので、第8請求項に記載した効果
に加えて、特に加工の難しい小口径の測定管路に適用し
て有効である。
波面が平坦なアダプタに超音波送波器及び超音波受波器
を固定する構成としたので、第8請求項に記載した効果
に加えて、特に加工の難しい小口径の測定管路に適用し
て有効である。
【0137】第10請求項に記載した発明によれば、測
定管路にこの測定管路を伝播する漏洩超音波を反射させ
る反射面を測定管路の外表面に設ける構成としたので、
信号処理に際してのサンプリング周期の自由度を広げる
ことができ、さらに音速変化に基づく伝播信号の変化に
対しても余裕を持たせることができ、これらにより良好
なS/Nを確保することができる。
定管路にこの測定管路を伝播する漏洩超音波を反射させ
る反射面を測定管路の外表面に設ける構成としたので、
信号処理に際してのサンプリング周期の自由度を広げる
ことができ、さらに音速変化に基づく伝播信号の変化に
対しても余裕を持たせることができ、これらにより良好
なS/Nを確保することができる。
【0138】第11請求項に記載した発明によれば、発
振器の発振周波数を厚み方向振動周波数と厚み滑り方向
振動周波数の近傍に切り換える構成としたので、測定流
体の中に気泡、粒子などの異物が混入してもこれらによ
る超音波の減衰を避けることができ、安定な受波レベル
を維持することができる。
振器の発振周波数を厚み方向振動周波数と厚み滑り方向
振動周波数の近傍に切り換える構成としたので、測定流
体の中に気泡、粒子などの異物が混入してもこれらによ
る超音波の減衰を避けることができ、安定な受波レベル
を維持することができる。
【0139】第12請求項に記載した発明によれば、第
11請求項に記載した効果に加えて、振動周波数のこと
なる複数対の圧電振動子を用いる構成としたので、異物
混入による超音波の減衰に対処出来る自由度が向上し、
さらに安定な受波レベルを維持することが可能となる。
11請求項に記載した効果に加えて、振動周波数のこと
なる複数対の圧電振動子を用いる構成としたので、異物
混入による超音波の減衰に対処出来る自由度が向上し、
さらに安定な受波レベルを維持することが可能となる。
【0140】第13請求項に記載した発明によれば、第
1制御信号によりその増幅度が制御される自動利得増幅
手段を介して振幅変調信号を受信するように構成したの
で、受信レベルの変化に伴う検波効率の低下を防ぐこと
ができ、安定性を向上させることができる。
1制御信号によりその増幅度が制御される自動利得増幅
手段を介して振幅変調信号を受信するように構成したの
で、受信レベルの変化に伴う検波効率の低下を防ぐこと
ができ、安定性を向上させることができる。
【0141】第14請求項に記載した発明によれば、復
調信号をフイルタリングする可変ハイパスフイルタを用
いて信号処理をする構成としたので、高流速のときに渦
信号周波数に重畳される低周波の“ゆらぎ”成分を軽減
させることができ、各種のアプリケーションへの応用範
囲が広がるメリットがある。
調信号をフイルタリングする可変ハイパスフイルタを用
いて信号処理をする構成としたので、高流速のときに渦
信号周波数に重畳される低周波の“ゆらぎ”成分を軽減
させることができ、各種のアプリケーションへの応用範
囲が広がるメリットがある。
【0142】第15請求項に記載した発明によれば、保
護信号を出力する比較手段を付加する構成としたので、
通水の始めなどに発生する大幅な受信レベルの変動のさ
いに是を検出して、出力をオフとすることができ、さら
に汎用性を確保することができるメリットがある。
護信号を出力する比較手段を付加する構成としたので、
通水の始めなどに発生する大幅な受信レベルの変動のさ
いに是を検出して、出力をオフとすることができ、さら
に汎用性を確保することができるメリットがある。
【0143】第16請求項に記載した発明によれば、送
波圧電振動子を測定管路にクランプオン形として固定し
間欠的にバースト波状の超音波を送出し、一方、受波圧
電振動子を発振周波数が共振周波数と反共振周波数との
間に来るように選定するようにし、流体振動によって発
生する振幅変調波を所定のタイミングでピークホールド
して検波する構成としたので、効率良く渦信号を受信す
ることができると共に各種のノイズの影響を受けること
なく、また配管振動による影響もなくなり、さらに測定
液の漏洩がなくなり、信頼性の向上に寄与することが出
来る。その上に、オンラインでのメンテナンスが可能に
なるメリットがある。
波圧電振動子を測定管路にクランプオン形として固定し
間欠的にバースト波状の超音波を送出し、一方、受波圧
電振動子を発振周波数が共振周波数と反共振周波数との
間に来るように選定するようにし、流体振動によって発
生する振幅変調波を所定のタイミングでピークホールド
して検波する構成としたので、効率良く渦信号を受信す
ることができると共に各種のノイズの影響を受けること
なく、また配管振動による影響もなくなり、さらに測定
液の漏洩がなくなり、信頼性の向上に寄与することが出
来る。その上に、オンラインでのメンテナンスが可能に
なるメリットがある。
【図1】本発明の1実施例の構成を示すブロック図であ
る。
る。
【図2】図1に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。
る。
【図3】図1に示す実施例の動作を説明する他の波形図
である。
である。
【図4】図1に示す超音波送波器及び超音波受波器の等
価回路図である。
価回路図である。
【図5】図1に示す超音波送波器及び超音波受波器のイ
ンピーダンス特性を示す特性図である。
ンピーダンス特性を示す特性図である。
【図6】図1に示す実施例の構成の一部を改良した部分
縦断面図である。
縦断面図である。
【図7】図6に示す超音波受波器の内部の具体的な構成
を示す縦断面図である。
を示す縦断面図である。
【図8】圧電振動子の固定にともなうインピーダンス特
性の変化を説明する特性図である。
性の変化を説明する特性図である。
【図9】図7に示す超音波受波器の他の実施例を示す縦
断面図である。
断面図である。
【図10】図1に示す実施例の超音波の送受波面の曲率
の影響を除去するように改良した構成を示す横断面図で
ある。
の影響を除去するように改良した構成を示す横断面図で
ある。
【図11】測定管路の曲率が大きくなったときの影響を
説明する横断面図である。
説明する横断面図である。
【図12】測定管路への入射角とエネルギ分配率との関
係を説明する特性図である。
係を説明する特性図である。
【図13】図1に示す実施例の超音波の送受波面の曲率
の影響を除去するように改良した他の構成を示す横断面
図である。
の影響を除去するように改良した他の構成を示す横断面
図である。
【図14】時間差によるノイズ分離の問題点を説明する
波形図である。
波形図である。
【図15】曲率を持つ測定管路の内部の超音波信号の伝
播を説明する説明図である。
播を説明する説明図である。
【図16】測定管路を伝播する管路伝播波を低減させる
ように改良した構成を示す横断面図である。
ように改良した構成を示す横断面図である。
【図17】測定管路を伝播する管路伝播波を低減させる
ように改良した他の構成を示す横断面図である。
ように改良した他の構成を示す横断面図である。
【図18】厚みすべり方向と厚み方向の周波数とを考慮
した周波数対インピーダンス特性を示す。
した周波数対インピーダンス特性を示す。
【図19】図1に示す発振器の構成の一部を改良した発
振器の構成を示す構成図である。
振器の構成を示す構成図である。
【図20】図1に示す発振器の構成の一部を改良した他
の発振器の構成を示す構成図である。
の発振器の構成を示す構成図である。
【図21】一対の超音波送波器及び超音波送波器の共振
周波数付近の周波数対インピーダンス特性を説明する周
波数配置図である。
周波数付近の周波数対インピーダンス特性を説明する周
波数配置図である。
【図22】図1に示す実施例を改良した信号処理のブロ
ック図である。
ック図である。
【図23】図22に示す可変ハイパスフイルタの具体的
な構成を示す回路図である。
な構成を示す回路図である。
【図24】図22に示す回路の動作を説明する各部の波
形図である。
形図である。
【図25】センサ部を変更した本発明の他の実施例の構
成を示す構成図である
成を示す構成図である
【図26】従来の渦流量計の検出部の構成を示す構成図
である。
である。
【図27】図26に示す渦流量計の動作を説明する波形
図である。
図である。
【図28】図26に示す渦流量計の検出部を含む全体の
構成を示す構成図である。
構成を示す構成図である。
【図29】図26に示す渦流量計の問題点を説明する説
明図である。
明図である。
1、11 渦発生体 2 渦 3、10 測定管路 4 超音波信号発信器 5 超音波信号受信器 12、29、35、38 超音波送波器 13、26、27、30、39 超音波受波器 14、42 発振器 15 スイッチ 16 ダンピング回路 17 基準タイミング回路 18 サンプリング信号発生回路 20 サンプリング回路 22 ピーク検出/半波整流回路 25 シュミットトリガ 45 可変自動利得増幅器 46、51 時定数回路 47 直流アンプ 48 可変ハイパスフイルタ 49 周波数/電圧コンバータ 50 スイッチ 52 コンパレータ 53 センサ部 55 ノズル 57 ターゲット
フロントページの続き (56)参考文献 実公 昭48−17010(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01F 1/32 G01F 1/20
Claims (16)
- 【請求項1】流体振動を起こしている測定流体に超音波
を放射しこの流体振動により前記超音波が変調された信
号を受信して前記測定流体の流量を計測する超音波式流
体振動流量計において、 前記測定流体とは非接触状態で測定管路に取り付けられ
前記超音波の送出及び受信をする一対の超音波送波器及
び超音波受波器と、発振周波数を含むバースト波で前記
超音波送波器を間欠的に駆動する駆動手段と、前記バー
スト波の送出のタイミングを制御する基準信号を送出す
る基準タイミング手段と、この基準信号に同期し前記測
定管路の径と前記測定流体の音速との関数でサンプリン
グ時点が変化するサンプリング信号を発生するサンプリ
ング信号発生手段と、前記超音波受波器で前記流体振動
による周波数変調に起因する振幅変調された振幅変調信
号を前記サンプリング信号によりサンプリングするサン
プリング手段と、このサンプリング手段によりサンプリ
ングされた前記振幅変調信号の包絡線を求めるフイルタ
手段とを具備し、この包絡線から前記流体振動の振動周
波数を検出することを特徴とする超音波式流体振動流量
計。 - 【請求項2】渦発生体を前記測定管路に設けこの下流側
に発生するカルマン渦により前記流体振動を発生させる
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波式
流体振動流量計。 - 【請求項3】ノズルにより絞られた前記測定流体の噴流
を前記ノズルの下流側に設けられたターゲットに当てる
ことにより前記流体振動を発生させることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項4】前記サンプリング手段の前段或いは後段の
信号処理回路の何れかにQ値の低い同調アンプを挿入し
たことを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項或い
は第3項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項5】前記超音波受波器の共振周波数と反共振周
波数との間に前記発振周波数を設定することを特徴とす
る特許請求の範囲第1項、第2項或いは第3項記載の超
音波式流体振動流量計。 - 【請求項6】前記超音波受波器の共振周波数と反共振周
波数との間に前記超音波送波器の共振周波数と等しいよ
うに前記発振周波数を設定することを特徴とする特許請
求の範囲第1項、第2項或いは第3項記載の超音波式流
体振動流量計。 - 【請求項7】少なくとも前記超音波受波器に収納される
振動子をこの超音波受波器のホルダーに弾性体を介して
固定することを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2
項或いは第3項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項8】前記測定管路に固定される一対の前記超音
波送波器及び超音波受波器に対向する前記測定管路の管
内壁を互に平行に形成したことを特徴とする特許請求の
範囲第1項、第2項或いは第3項記載の超音波式流体振
動流量計。 - 【請求項9】前記測定管路に固定され送受波面が平坦な
アダプタに一対の前記超音波送波器及び超音波受波器が
固定されることを特徴とする特許請求の範囲第1項、第
2項或いは第3項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項10】一対の前記超音波送波器と超音波受波器
の互に他方に前記測定管路を介して伝播する漏洩超音波
を反射させる反射面を前記測定管路の外表面に設けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項或いは第
3項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項11】前記超音波送波器及び超音波受波器に使
用される圧電振動子の厚み方向振動周波数の近傍と厚み
滑り方向振動周波数の近傍とにそれぞれ切換えて前記発
振周波数として出力する発振器を具備することを特徴と
する特許請求の範囲第1項、第2項或いは第3項記載の
超音波式流体振動流量計。 - 【請求項12】一対の前記超音波送波器及び超音波受波
器として振動周波数の異なる複数対の圧電振動子が収納
されこれ等をそれぞれ切換えて前記発振周波数として出
力することを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項
或いは第3項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項13】流体振動を起こしている測定流体に超音
波を放射しこの流体振動により前記超音波が変調された
信号を受信して前記測定流体の流量を計測する超音波式
流体振動流量計において、 前記測定流体とは非接触状態で測定管路に取り付けられ
前記超音波の送出及び受信をする一対の超音波送波器及
び超音波受波器と、発振周波数を含むバースト波で前記
超音波送波器を間欠的に駆動する駆動手段と、前記バー
スト波の送出のタイミングを制御する基準信号を送出す
る基準タイミング手段と、この基準信号に同期し前記測
定管路の径と前記測定流体の音速との関数でサンプリン
グ時点が変化するサンプリング信号を発生するサンプリ
ング信号発生手段と、第1制御信号により増幅度が制御
され超音波受波器から得た振幅変調信号を増幅してその
増幅変調信号を出力する自動利得増幅手段と、この増幅
変調信号を前記サンプリング信号によりサンプリングし
これを復調して復調信号を出力する復調手段と、 この復調信号に含まれる直流成分をフイルタリングした
信号を前記第1制御信号として帰還する帰還手段と、前
記復調信号の包絡線から前記流体振動の振動周波数を検
出することを特徴とする超音波式流体振動流量計。 - 【請求項14】第2制御信号によりコーナ周波数が制御
され前記復調信号をフイルタリングする可変ハイパスフ
イルタと、この可変ハイパスフイルタからの出力周波数
をこれに関連する前記第2制御信号に変換する周波数/
電圧変換手段を具備することを特徴とする特許請求の範
囲第13項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項15】前記復調信号に含まれる直流成分をフイ
ルタリングしたフイルタ信号と予め決められた比較信号
とを比較して前記フイルタ信号が前記比較信号に対して
小さいときに出力をオフとする保護信号を出力する比較
手段を具備し、この保護信号により出力に現れる振動周
波数をオフにすることを特徴とする特許請求の範囲第1
3項記載の超音波式流体振動流量計。 - 【請求項16】測定管路の外部から取付けられ流体振動
を起こしている測定流体に駆動手段で駆動されて発振周
波数を含むバースト波状の超音波を間欠的に送出する送
波圧電振動子と、測定管路の外部に取付けられると共に
前記発振周波数が共振周波数と反共振周波数との間に来
るように選定され前記流体振動によって生じる周波数偏
移を振幅変調波として受信する受波圧電振動子と、この
振幅変調波を所定のタイミングでピークホールドして検
波し前記流体振動の周波数を算出する信号処理手段とを
具備することを特徴とする超音波式流体振動流量計。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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EP94106077A EP0625694B1 (en) | 1993-05-20 | 1994-04-19 | Ultrasonic fluid flowmeter |
US08/233,148 US5503035A (en) | 1993-05-20 | 1994-04-25 | Ultrasonic fluid vibrating flowmeter |
KR1019940010274A KR0172187B1 (ko) | 1993-05-20 | 1994-05-11 | 초음파 유체 진동 플로우미터 |
CN94105531A CN1055542C (zh) | 1993-05-20 | 1994-05-18 | 超声流体振动流量计 |
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JP16904293 | 1993-07-08 | ||
JP5-118673 | 1993-07-08 | ||
JP5-169042 | 1993-07-08 | ||
JP6004240A JP3028723B2 (ja) | 1993-05-20 | 1994-01-19 | 超音波式流体振動流量計 |
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US5808200A (en) * | 1997-08-25 | 1998-09-15 | Cosense, Inc. | Ultrasonic sensor with continous and demand self-test for liquid and dry product level measurement |
WO2000046583A1 (en) | 1999-02-04 | 2000-08-10 | Bechtel Bwxt Idaho, Llc | Ultrasonic fluid quality sensor system |
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