JPS63173920A

JPS63173920A - 超音波気体流速計

Info

Publication number: JPS63173920A
Application number: JP62005760A
Authority: JP
Inventors: Yukio Yoshida; 幸男吉田; Shusuke Suzuki; 秀典鈴木
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1987-01-13
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1988-07-18
Also published as: JPH0584849B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ａ、産業上の利用分野本発明は、超音波を利用して管内を流れる気体の流速を
測定するための超音波気体流速計に関する。

ｂ、従来の技術管内を流れる気体中に超音波を伝搬させて、その伝搬速
度の変化を利用して管内気体の流速または流量を測定す
る装置は従来から知られている。例えば、流管の周壁に
互いに斜めに対向して、一対の超音波送受波用のプロー
ブを配置し、このプローブで流れに対して順方向および
逆方向に交互に超音波の送受信を行ない、それぞれの流
管内をよぎって伝搬する超音波の順、逆両方向における
伝搬時間（若しくはその逆数）の差を求めることにより
管内気体の流速を測定するものがある。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点しかしながら、気体中における超音波の伝搬は、気体の
成分、温度、粉塵などによりその減衰量が変化し、流速
分布（例えば渦など）、温度分布その他の不均一性によ
り伝搬経路上での反射、屈折が行なわれ、それらが液体
に比べて著しい影響を与える。

従って、前記従来例にあるように超音波の送受信を交互
に切替えて行なったのでは、順、逆方向における超音波
の伝搬経路の対称性が損なわれ、すなわち超音波受信波
の振幅および位相が変化することになり、正確な流速測
定が困難であるという問題点があった。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は前
記の問題点を解消し、気体の流速測定に際し、前記順、
逆方向における超音波の伝搬経路の時間経過に伴う非対
称性を回避し、かつ受信系に付随する非対称性、例えば
、受信回路系のゲインおよびオフセットの変動、ドリフ
トなどの影響を除去すると共に、安定かつ測定精度のよ
い超音波気体流速計を提供することにある。

ｄ０問題点を解決するための手段前記目的を達成するための本発明の構成は、気体の流通
路の壁面に、該流通路の長軸方向に対して斜め方向に、
または斜め方向から超音波を対向して送受する一対の超
音波送受波器を配設し、気体の流れに順方向および逆方
向に超音波を伝搬させて、流通路内を伝搬する超音波の
順、逆両方向におけるそれぞれの伝搬時間若しくはそれ
ぞれの逆数の差に基づいて気体の流速を測定する流速計
において、ひとつの送信回路からの送信信号を前記一対
のそれぞれの超音波送受波器側のみに、かつ同時に該両
送受波器を駆動するために導通させると共に、前記それ
ぞれの送受波器からの受信信号を受信回路側のみに導通
させる２組の結合手段と、前記それぞれの送受波器から受信信号を２ｕの受信回路
にそれぞれ交互に切替えて入力する２組の切替手段と、該２組の切替手段を前記送信信号の繰返し周期より長い
周期で切替える手段とを備えたことを特徴とする。

ｅ、　作用単一の送信回路からの送信信号により、前記一対の超音
波送受波器を同時に駆動して、超音波を同時に発射させ
、超音波を気体の流れに対しそれぞれ順および逆方向に
同一経路を伝搬させて、それぞれの伝搬時間若しくはそ
れぞれの逆数の差により、気体の流速分布、温度分布そ
の他の不均一性による影響を受けないようにする。更に
、受信系に２組の受信回路を設は前記送信信号の繰返し
周期より長い周期により、前記それぞれの送受波器から
の受信信号を交互に切替えて入力し、同回路のゲイン、
オフセットの変動およびドリフトなどの影響を除去する
。

ｆ、実施例以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的に
詳しく説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す超音波気体流速計のブ
ロック図である。同図において、気体が矢印方向に流れ
る流管１０の壁面に、該流管１０の長軸方向に対して斜
め方向に、または斜め方向から超音波を対向して送受す
る一対の超音波送受波器Ｐ＋、Ｐｚが配設されている。

タイマ（ＴＩＭ）７０は、超音波が流管１０内を流れる
気体をよぎって伝搬する伝搬時間より充分長い周期をも
つ繰返しパルスＴ、を発生し、ひとつの送信回路（ＰＬ
Ｓ）２０へ供給する。

該送信回路（ＰＬＳ）　２０は前記繰返しパルスＴ、の
信号に基づき送信パルス（ＴＸ）を発生し、２組の結合
回路（ＮＥＴＩ）２１．　（ＮＥＴり２２を経て、同時
に前記それぞれの送受波器Ｐ＋、ｈへ送出する。送受波
器Ｐｌ＋ｈは流管１０を流れる気体中に同時に超音波を
発射し、それぞれ対向する送受波器ｐ、、　ｐ、により
気体中をよぎって伝搬した超音波を受波する。

結合回路（Ｎｉｌ！Ｔ、）２１．　（ＮＩＥ’ｈ）２２
は送受波器ｐ、、ｐｔからの受信波信号を受け、切替回
路（ＳＷ）　３０を介し受信波信号ＲＸ、、ＲＸ、とし
て受信回路（ＲＥＣＩ）４１．　（ＲＥＣＩ）４２へ入
力する。受信回路（ＲＨＣυ４１．　（ＲＥＣｚ）４２
は受信波信号ＲＸ１．ＲＸ２を受けて、所定のレベルま
で増幅する。

前記結合回路（ＮＥＴＩ）２１．　（ＮＥＴｚ）２２は
リミッタおよび減衰器から構成されており、送信パルス
ＴＸに対しては効率よく送受波器Ｐ、、Ｐ、へ導通し、
かつ、切替回路（ＳＷ）　３０を介して受信回路（ＲＥ
ＣＩ）４１．　（ＲＥＣｚ）４２への混入を防止すると
共に、送受波器ｐ、、ｐ２からの受信波信号に対しては
効率よく、切替回路（ＳＷ）　３０を介して受信回路（
ＲＥＣＩ）４１．　（ＲＥＣｚ）４２へ導通し、かつ、
前記送信回路（ＰＬＳ）　２０への混入を阻止するよう
になっている。

切替回路（ＳＷ）　３０は２ｍの切替スイッチを有し、
タイマ（ＴＩＭ）ＴＯより出力される信号Ｔ２により駆
動され切替動作する。該信号Ｔ！は繰返しパルスＴ１の
繰返し周期より更に長い周期をもつ方形波信号である。

切替回路（ＳＷ）　３０は前記信号Ｔ２により受信側送
受波器ｐｇ。

Ｐｌと受信回路（ＲＥＣＩ）４１．　（ＲＥＣり４２と
の組み合せ接続を２組のａ、ｂ接点により交互に一定周
期ごとに切替える。例えば、信号ｒｚがＨレベルの間は
、送受波器Ｐ１からの受信信号を受信回路（ＲＥＣＩ）
４１へ、一方の送受波器Ｐ２からの受信信号を受信回路
（ＲＥＣｔ）４２へ接続し、信号Ｔ２がＬレベルの間は
、送受波器Ｐ、からの受信信号を受信回路（ＲｔＥＣｇ
）４２へ、一方の送受波器Ｐｇからの受信信号を受信回
路（ＲＥＣＩ）４１へ接続する。

次に、受信波信号検出回路（ＤＥＴＩ）４３．　（ＤＥ
Ｔｚ）４４は前記受信回路（ＲＥＣυ４１．　（ＲＥＣ
ｔ）４２からの出力を内蔵する基準電圧と比較し、その
出力が基準電圧を超えたときの受信波信号の到達（また
はその波の次のゼロクロス点）をもって受信波信号の到
達時刻とし、その時点で出力パルスをフリップフロップ
回路（ＦＦＩ）５１、　（ＦＦ２）５２へ送出する。

フリップフロップ回路（ＦＦＩ）５１．　（ＦＦＺ）５
２はタイマ（ＴＩＭ）７０からの繰返しパルスＴいすな
わち送信パルスＴＸの送出時刻にセットされ、検出回路
（ＤＥＴＩ）４３゜（ＤＥＴ２）４４の出力パルスによ
りリセットされる。このため、切替回路（ＳＷ）３０内
の切替スイッチがａ接点に接続されて、フリップフロッ
プ回路（ＦＦＩ）５１が例えば下流側の送受波器Ｐ１か
らの受信波信号を増幅した信号によりリセットされるも
のとすると、該フリップフロップ回路（ＦＦＩ）５１は
気体の流れに対し順方向に伝搬する超音波の伝搬時間の
間Ｈレベルに保持される。同様に、フリップフロップ回
路（ＦＦ２）５２は、この場合上流側の送受波器Ｐ２か
らの受信波信号によりリセットされ、フリップフロップ
回路（ｐｐｚ）５２は流れに対し逆方向に伝搬する超音
波の伝搬時間の間Ｈレベルに保持される。また、切替ス
イッチがｂ接点に接続されたときも、第１図により相互
の接続は切替るが各回路は同様な動作を行なう。

カウンタ（ＣＮＴＩ）６１．　（ＣＮＴＺ）６２の計数
値は、前記フリップフロップ回路（ＦＦ、）５１．　（
ｐＦｚ）５２の出力がＨレベルの間、ゲー）５３．５４
を介してクロックパルス発生回路（ＣＰＧ）５０からの
クロックパルスが与えられ、計数を行なう。これらのカ
ウンタ（ＣＮＴＩ）６１．　（ｃＮ’ｒｚ）６２の計数
値は、それぞれのインターフェイス（ＩＰ）８０を介し
て演算回路（ＣＰＵ）　１００に入力される。

該演算回路（ＣＰＵ）　１００はカウンタ（ＣＮＴＩ）
６１．　（ｃＮ’ｒｚ）６２の計数値の差に、あらかじ
め決められた定数を乗することにより気体の流速を算出
する。また、この流速値に、気体が流れる流管１０の断
面積を乗することにより、その流路ｌＯを通過する流量
を算出し、流量計としての用途を満すことも可能である
。

演算回路（ＣＰＵ）　１００により得られた流速値（ま
たはその対応値）をインターフェイス（ＩＦ）８０を介
して出力回路（ＯＩＪＴ）　９０に出力する。この出力
回路（ＯＵＴ）　９０は演算回路（ＣＰＵ）　１００か
らの出力データを表示する表示器のほか、該出力データ
をアナログに変換して出力するＤ／Ａ変換回路などから
構成される。

以上の説明は、超音波の順、逆方向における伝搬遂時間
の差を基に流速を算出する例を示したが、それぞれの伝
搬時間の逆数の差、あるいは伝搬時間のそれぞれに比例
した周波数に変換し、それらの差から流速を算出するこ
とも可能である。また前記演算回路（ＣＰＵ）　１００
はマイクロコンピュータで実行することも可能である。

以上のように送受波器Ｐ＋、ｈは同一時刻に同一送信パ
ルスによって駆動され、送受波器ＰＩ＋Ｐ！から同時に
発射される超音波は同−伝搬経路上を互に逆方向に伝搬
し、対向配置されている送受波器Ｐ！、Ｐ、で受波され
る。従って、伝搬経路上における減衰１反射、屈折は同
様な影響をうける。しかし、流れる気体の状態により超
音波の減衰量が増大したとすると、受信波信号ＲＸ、、
ＲＸ２は同様に減衰し、検出回路（ＤＥＴ　ｌ　＞４３
、　（ＤＥＴｚ）４４からの出力パルスが遅延し、見掛
は上超音波の伝搬時間が増加するが、超音波伝搬時間の
差には相殺されるので影響されることはない。

更に、受信回路（Ｒ［ＩＣ＋、　ＲＥＣｔ）　、検出回
路（ＤＥＴＩ、　ＤＥＴｚ）　。

カウンタ（ＣＮＴ１．　ＣＮＴＺ）は、超音波の順、逆
方向において、それぞれ別個のハードウェアを使用して
いるため、順、逆方向について同一伝搬時間であっても
カウンタ（ＣＮＴ＋、　ＣＮ’ｈ）の計数値は厳密には
一致しない。これを防ぐためあらかじめ補正を施す手段
もあるが、前記ハードウェアのドリフトによる影響まで
除去できない。本実施例は前記ハードウェアを二組設け
、前記タイマ（ＴＩＭ）７０からの信号Ｔ２と切替回路
（ＳＷ）　３０とで一定周期ごとに切替えることにより
、オフセット　ドリフトなどのハードウェアに起因する
誤差を除去することができる。すなわち、送受波器Ｐ、
〜（ＲＥＣＩ）４１．　ｐｇ〜（ＲＥＣり４２の組合せ
で、その演算結果がＶ＋ΔＶ（Δ■は前記ハードウェア
に基づく誤差）であったとすると、Ｐ、〜（ＲＥＣｇ）
４２．　Ｐｇ〜（ＲＥＣ１）４１の組合せでは■−Δ■
となるので、前記二つの演算結果の平均をとれば正しい
流速値■を得ることができる。また、演算回路（ＣＰＵ
）　１００を前記出力の平均を出力するように構成して
おけば、前記ハードウェアの変動の影響をうけずに正確
な流速を測定することができる。

なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定さ
れるものではなく、同様な機能を果す他の態様の手段に
よってもよ（、また本発明の技術は前記構成の範囲内に
おいて種々の変更、付加が可能である。

ｇ０発明の効果以上の説明から明らかなように本発明によれば、気体の
流速測定に際し、一定の超音波送受波器から同時に発射
された超音波は、気体の流れに対しそれぞれ順および逆
方向に同一経路を伝搬し、該伝搬経路上における超音波
の減衰１反射、屈折は同じ影響を受けるが、それぞれの
超音波伝搬時間若しくはそれぞれの逆数の差はこれらに
影響されることはない。

また、流速計内に２組の受信回路を設け、送信信号の繰
返し周期より長い周期ごとに、前記それぞれの送受波器
からの受信信号を交互に切替えて入力することにより、
同回路のゲイン、オフセットの変動。

ドリフトなどの影響を除去し、それらの出力の平均を出
力するようにしたので、前記受信回路系に基づく変動、
影響を受けることはない。

これらの結果、本発明による超音波気体流速計は、安定
かつ精度よく気体の流速を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波気体流速計のブ
ロック図である。ｐ、、ｐｇ・・・送受波器、　　　　　１０・・・流管
、２０・・・送受回路（ＰＬＳ）、２１．２２・・・結合回路（ＮＥＴ、、ＮＥＴ、）、３
０・・・切替回路（ＳＷ）、４１．４２・・・受信回路（ＲＥＣＩ、　ＲＥＣｔ）、
４３．４４・・・検出回路（ＤＩＥＴ、、ＤＥＴｔ）、
５０・・・クロックパルス発生回路（ＣＰＧ）、５１．
５２・・・フリップフロップ回路（ｐｐ、、ＦＦｚ）、
５３．５４　　・・・ゲート、６１．６２・・・カウンタ（ＣＮＴ＋、　ＣＮｈ）、７
０・・・タイマ（Ｔ　Ｉ　Ｍ）、８０・・・インターフェイス（ＩＦ）、　９０・・・出
力回路（ＯＵＴ）、１００・・・演算回路（ＣＰＵ）。

Claims

【特許請求の範囲】気体の流通路の壁面に、該流通路の長軸方向に対して斜
め方向に、または斜め方向から超音波を対向して送受す
る一対の超音波送受波器を配設し、気体の流れに順方向
および逆方向に超音波を伝搬させて、流通路内を伝搬す
る超音波の順、逆両方向におけるそれぞれの伝搬時間若
しくはそれぞれの逆数の差に基づいて気体の流速を測定
する流速計において、送信回路からの送信信号を前記一
対のそれぞれの超音波送受波器側のみに、かつ同時に該
両送受波器を駆動するために導通させると共に、前記そ
れぞれの送受波器からの受信信号を受信回路側のみに導
通させる２組の結合手段と、前記それぞれの送受波器からの受信信号を２組の受信回
路にそれぞれ交互に切替えて入力する２組の切替手段と
、該２組の切替手段を前記送信信号の繰返し周期より長い
周期で切替える手段とを備えたことを特徴とする超音波気体流速計。