JPS5824816A - ドツプラ−型超音波流量計 - Google Patents

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】 この発明は広い意味で流量を測定するための超音波流量
計に関係し、詳しくは測定中の流体の速度分布が変化す
ることによる誤差を修正したドツプラー型流量計に関係
し、この種の標準的な流量計より一層正確な読みを与え
るものである。

一般に超音波流量計は透過型かドツプラー型のいずれか
である。透過型流量計の場合流量計・ぐイブには上流ト
ランスジューサと下流トランスジューサが設けられてお
り、これらは交互に励振されて超音波・譬ルスを発生す
る。この発生された超音波パルスは測定中の流体を伝播
して他方のトランスジューサによって受信される。上流
伝播時間から下流伝播時間を引いた値は発射・９ルスの
発生とその受信との間の時間遅れ差を表わす。この差は
流体の流速の関数であり流速の読みに変換できるもので
ある。

この透過型超音波流量計は測定中の液体が実質的に汚染
されていない場合にのみ許容できる精確さを持っている
。ところが超音波の伝播路に微粒子状物体が存在すると
正しい測定を行うことができない。これに対しドツプラ
ー型流量計の動作には流体中の汚染物が必須なものとな
る。

ドツプラー効果は音波、電波、光あるいは他のいかなる
種類の波動を発生している波動源と波動を受ける物が互
いに相対運動をしている場合に必ず生じる。この波動発
生源と受ける物との間の距離が減少している時、与えら
れた時間内に余分な波が観測され、受けた周波数が増加
することになる。逆にこの距離が増加していると受けた
信号の周波数は減少することになる。

連続波ドツプラー型レーダシステムでは発射されたレー
ダ波が移動標的により反射され、従ってレーダ波が送信
器と受信器の間を伝播した距離は標的の運動の関数とし
て変化し、その結果送信した周波数と受信した周波数の
差が標的の運動に比例することになる。同様にドツプラ
ー型超音波流量計においては測定中の流体によって運ば
れている泡、微粒子、あるいはその他の汚染物によって
反射された超音波エーネルギの発射ビームを受信すると
その周波数はずれている。

ドツプラー型超音波流量計においては発射された信号は
受信された信号と混合されその差のビート信号を作る。

このビート信号の周波数は反射物の速度に比例し、従っ
てパイプを通る流体の流量に比例する。

ドツプラー型超音波流量計においては送信トランスジュ
ーサと受信トランスジューサが測定ノヤイグの外に設け
られているため流体に対する障害はなく、また腐食や浸
食の問題がない。ドツプラー型流量計の一般的応用分野
としては、透過型流量計では測定できないようなあるい
は正しく測定できないような物体が流れているノクイゾ
での測定である。従ってドツプラー型超音波流量計は水
処理プラントでの未処理汚水あるいはスラッジの計測。

又は化学１紙処理及び採鉱での水洗排水、スラリー（懸
濁液）、流出物の計測に有効である。

１９７９年発行ｒコントｐ−ルエンジニアリング」の中
の論文「超音波流量計で何が可能か」でモリスが述べて
いるようにドツプラー型流量計の精度は普通透過型流量
計の精度より劣る。市販のクランプオン・透過型流量計
の中でモリスが指摘したものはＣｏｎｔｒｏｌｏｔｒｏ
ｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｋよって製造された流量
計であり、その仕様によれば精度は±０．５〜±１．５
俤である。また、クランプオン式ドッグラー型の中で指
摘したものはＬｅｅｄ＋ｓ　＆Ｎｏｒｔｈｒｕｐの流量
計でありその仕様によれば精度は±２．６〜±５係であ
る。

このようにドツプラー型超音波流量計の精度が比較的悪
い理由はこれまでわかっていなかった。

モリスの論文はこの欠点が流体の流れの中における汚染
物の位置をこの流量計で決定できないからであるとして
いるが、これは問題の要点ではない１ドツプラー型流量
計においては、ノ母イブを流れる流体中の汚染物からの
反射は送信トランスジューサによって発射されたビーム
が受信トランスジューサの指向角と交叉するゾーン（領
域）で生じるもしこの交叉ゾーン内で流体によって運ば
れる汚染物がすべて同じ速度で移動しているとすれば、
送信信号と受信信号との差のビートは流体の流量を正確
に表わす単一周波数となる。しかしながら現実には流れ
の中の汚染物は普通同じ速度で動かず、このためこれま
でのドツプラー型流量計による読みに誤りを生じさせて
いた。

汚染物の速度はレイノルズ数と流れの分布（プロフィー
ル）に依存し、この流れのプロフィールは流れが層流か
乱流かに依存する。従って多くの場合反射が得られる交
叉ゾーン内の汚染物は別々の速度で動いており、単一ビ
ート周波数を生じさせず、ビート周波数はある帯域を持
つ。このため単一ビート周波数だけが生じるという仮定
で動作させるドツプラー型超音波流量計は不精確なもの
とならざるを得ない。

速度プロフィールは流れの方向に直角な面内における流
体の速度分布を表わす′−軸対称速度プロフィールの場
合は流管の中心軸から直角方向に測った同径円上の速度
が一定である。速度プロフィールは流体の粘度はもちろ
ん、計測管の形や、あるいは測定管内にある出張り、屈
曲、異径つぎ手、その他の不連続部のような流れを乱す
原因に依存する。

速度プロフィールを考慮していないドツプラー型超音波
流量計はもともと不正確なものである。

流体中の汚染物のすべてが同じ速度で呻くわけが々く、
従って平均速度を計算するのに使われる速度プロフィー
ルを決定しなければ正しいメータの読みを得ることはで
きない。

この発明の主たる目的は流速プロフィールの変化による
誤差を無くシ、従来の標準的なドツプラー型超音波流量
計よりも正確な流量の読みを得ることができるドツプラ
ー型超音波流量計を提供することである。

さらに特定すれば、この発明の目的は測定管中を流れる
流体によって運ばれる汚染物からの反射により得られた
ビート周波数のスペクトル分析を行い汚染物の速度を決
定する手段を有するドツプラー型超音波流量計を提供す
ることである。

この発明の更に別な目的は信頼性があり効率よく動作し
かつ比較的安価に製造することができるより正確なげツ
プラー型超音波流量計を提供することである。

簡卑に述べるとこれらの目的はドツプラー型超音波流量
計の測定管にあらかじめ決められた周波数の超音波を発
生する安定な発振器によって励振される送信トランスジ
ューサとの流体によって運ばれる汚染物からの反射を検
出するようにされた受信トランスジューサとが設けられ
たドツプラー型超音波流量計によって構成され、前記反
射は送信トランスジューサから発射されたビームと受信
トランスジューサの指向角の交叉ゾーン内にある汚染物
によって生じたものである。送信信号は受信信号と混合
されて差のビートと和のビートが作られ、これらを低周
波通過フィルタに与えて差のビート周波数バンドを取出
す。この周波数バンドは測定中の流体の速度プロフィー
ルに依存した交叉ゾーン内の汚染物の流速分布を表わす
。

差のビート周波数帯は次にスペクトル分析され交叉ゾー
ン内の汚染物の各速度とそれらの相対比（９） 率を決定し、それらの値から流体の近似的な速度プロフ
ィールを計算し、測定中の流体の平均流速を決定する。

従来技術の問題点 従来のドツプラー型超音波ではスラリーや排水のような
汚染物を含む流体の流量を正確に測定することができな
い理由を説明するため第１図及び第２図に測定管１０を
通る流体の速度プロフィールと発射及び受信ビーム間の
交叉ゾーン２との関係を示す。

第１図及び第２図においてビームＢｔは送信超音波トラ
ンスジューサから上流方向に発射された超音波エネルギ
ーのビームを表わし、ビームＢｒは受信トランスジュー
サの指向ビームを表わす。発射された超音波エネルギー
は交叉ゾーンＺにおいて測定される流体中に運ばれてい
る微粒子や他の汚染物によって反射される。交叉ゾーン
２はビームＢｔとビームＢｒがかさなり合っている領域
である。

第１図において破線Ｐ１は測定される液体の速度プロフ
ィールを表わし、このプロフィールは流（１０） れの方向に直角な面内での流体の速度分布を表わす。第
１図かられかるようにゾーン２を横切る部分のプロフィ
ールＰ１がほぼ直線となっており、従ってゾーンＺ内で
流体に運ばれる汚染物はすべてほぼ同じ速度で動いてい
る。

プロフィールＰ１は測定管内の流れが乱流で、即ちレイ
ノルズ数（運動量対粘度の比）が大きい場合に生じやす
い。しかしながら流れが層流でありレイノルズ数が小さ
いと速度プロフィールは第２図のＰ２で示される形とな
る。第２図において測定管の中実軸に沿った流れの速度
は交叉ゾーンの端部での速度より著しく大であることが
理解されよう。従って流速プロフィールＰ２では流れて
よって運ばれる汚染物の速度はこのゾロフィールによっ
て表わされる分布曲線に従って変化する。

測定管の中実軸に沿った速度が第１図と第２図とで同じ
と仮定すると第２図における交叉ゾーンＺ内での平均流
速は第１図のものとはかなり異ることが理解できよう。

第３図においては４つの異なる速度ゾロフィールＰ１〜
Ｐ４がゾーン２の境界内に示されている。

この図から各プロフィールの平均流速が異なっており、
測定流体の平均流速を決定できないドツプラー型流量計
がはなはだしく不正確であることが明らかである。

流量計の構成 第４図にはこの発明によるドツプラー型超音波流量計を
示し、この流量泪には測定管１０の外部に送信トランス
ジューサ１１と受信トランスジューサが設けられている
。これらのトランスジューサは市販の流量計で使われて
いるようなりランプで取付ける構成とし、前述のモリス
の論文に示されるような従来の測定管に取付けられるよ
うにしてもよい。

送信トランスジューサ１１は普通結晶素子であり、例え
ば６２５　ｋＨｚといった高い超音波周波数ＦＴを発生
する安定な発振器１３によって励振される。受信トラン
ス・ジューサ１２は反射された信号ＦＲを検出し、この
反射信号ＦＲの送信周波数ＦＴに対する周波数ずれ（シ
フト）は測定される流体によって運ばれる汚染物の速度
に依存する。

受信トランスジューサ１２によって受信された信号は増
幅器１４で増幅され周波数混合器１５の一方の入力に与
えられ、他方の入力には発振器１３からの送信信号が与
えられる。混合器１５の出力は和のビートＦＴ＋ＦＲと
差のビー）ＦＴ−ＦＲの両方を含も。混合器１５の出力
は低域通過フィルり１６に与えられ和のビートを除去し
ＦＴ−ＦＲだけを出力する。標準的なドツプラー型流量
計においては流量はこの差のビートから直接流量を読み
取る。

前述のように差のビートは発射ビームと受信ビームの交
叉ゾーン内のすべての汚染物が同じ速度で動くような流
速プロフィールの場合にのみ単一周波数となる。しかし
ながらこのような条件はほとんど起らず、フィルタ１５
の出力の差ビートは単一周波数ではなくとびとびの周波
数を含む・々ンドと々す、これらの周波数は交叉ゾーン
内の流速が分散していることを示す。

差ビート周波数バンドはスペクトル分析器１７（１３） に与えられて各ビート周波数成分が判定され、従って流
速プロフィールてよゆ定まっている交叉ゾーン内の流速
が得られる。このバンドをスペクトル分析することによ
って各流速成分とその相対量を決定することができる。

この分析結果から流量測定部１８において流れの近似的
なプロフィールを計算でき、このプロフィールから流れ
の平均速度を求め流量の読みが得られる。この得られた
読みは従来のドツプラー型流量計により測定された読み
よりずっと精度が高い。

スペクトル分析 第５図は乱流即ちレイノルズ数が大きい場合に生じる第
１図に示されるような流速プロフィールについて得られ
る差ビートのドツプラー信号をスペクトル分析した例を
示す。第６図は層流でレイノルズ数が小さい場合に生じ
る第２図に示されるような流速プロフィールについて得
られる差ビー′トのドツプラー信号をスペクトル分析し
た例を示す。流量計の取付けごとに実際のスペクトル分
析は多くの要因に影響され、第５図及び第６図にお（１
４） いてノイズと記されたスペクトル部分について特にそれ
がいえる。

周波数と振幅については無目盛で図に示されているが、
これらは実際に変化するものである。第５図及び第６図
において横軸にとられたドツプラーシフト周波数ｆｔａ
は発射周波数と受信周波数の差であり流速の直接的な関
数である。従ってドツプラーシフト周波数は流速プロフ
ィールによって変化する。もし測定管内の流体が変って
超音波ビームの到達が変化しそれとともに反射も変化す
れば振幅は何桁も違ってしまうことが起９得る。しかし
ながら第５図及び第６図の無目盛で示した曲線の形は本
質的に一定に保たれる。

周波数対スペクトル振幅曲線はバンド・母スフイルタで
ビート周波数バンドを掃引し、その・々ンド内の各周波
数に対する出力振幅を測定することによって得られる。

与えられた流量での流速プロフィールにおいて最大流速
を例えば振幅曲線上の一３ｄＢの点（点Ａ）と定義し、
その速度の例えば９０俤（又は他の１００俤以下の値）
の所を点ＢとするとＢ＃をＡ′″で割った比はその流速
プロフィールに対する指標となる。第１図に示すような
乱流の流速プロフィールをスペクトル分析Ｉまた例を示
す第５図の“Ｂ”は第２図の層流に対するスペクトル分
析を示す第６図のＢ″より大であり、これは乱流の場合
の方が大きな速度を有する流体の比率が大であることを
示す。

実際には点Ａを表すドツプラー周波数は必要でない低い
周波数を除去するフィルタを使うて測定することができ
る。点Ａでのドツプラー周波数に比Ｂ／Ａを乗算すると
流速プロフィールを考慮した流体の速度を得ることがで
きる。この流速プロフィールを決定するのにＡとＢの２
点より多くの点を使ってもよい。

スペクトル分析器 第７図はこの発明による超音波流量計に使われるアナロ
グ型のスペクトル分析器を示す。実際にはマイクロゾロ
セサを使ったディジタル的なスペクトル分析器によって
同じ機能を実現してもよい。

第７図において送信周波数と受信周波数の差のビートで
あるドツプラー信号は電圧制御バンド・ぐスフィルタＦ
１に与えられる。パントノＥスフィルタＦｌの中心周波
数は鋸歯状波発生器１９によって制御される。波形２０
で示されるような鋸歯状波の電圧が最大の所では、それ
によって制御されるパントノ母スフィルタＦ１の中心周
波数が流量計の最大流量で得られる最大ドツプラー周波
数より高い所に設定したピーク周波数に看かれる。その
後鋸歯状波電圧がその最大レベルから減少していくにつ
れフィルタＦｌの中心周波数は前記ピーク周波数から下
方向に掃引され、前記ビート周波数範囲の低い周波数を
通り抜ける。

バンドパスフィルタＦ１の出力ｉｔ、　整流器・フィル
タネットワーク２２から成る直流検波器２１に与えられ
、第５図及び第６図の曲線のように変化する直流出力を
作る。直流検波器２１の変化をする直流出力は微分回路
２３に与えられる。ここでＶ 微分　　＝００場合は最大又は最小が存在するこ７π とになる。フィルタＦ１は低い方に掃引されていること
と出力電圧曲線の形を考えれば前記の微分値がゼロで最
大が存在することがわかる。

微分回路２３の出力に接続されたゼロ電圧検出器２４は
電圧がゼロの状態を検出し、従って直流電圧曲線上で最
大電圧に到達したことを検知する。

ゼロ電圧検出器２４が最大電圧レベルを検知するとその
出力はサンプルホールド回路２５に与えられサンプリン
グを行なわせ、サンプルホールド回路の出力はその入力
と等しい値になり、次のサンプリング周期までその値を
保持する。直流検波器２１の出力はサンプルホールド回
路２５の入力にも与えられている。

第５図及び第６図の曲線の最大振幅の左側にある情報は
必要ないのでゼロ電圧検出器２４の出力は鋸歯状波発生
器の再トリガ入力にも与えられ、再び最大電圧レベルか
ら掃引を始める。

サンプルホールド回路２５の出力は電圧分割器２６に与
えられその接合点２６Ａに一３ｄＢの点″Ａ＃を設定す
る。比較器２７はその１つの入力が接合点２６Ａに接続
されており、もう１つの入力が直流検波器２１の出力に
接続されている。従って前記−３ｄＢ　、ａＡの設定後
、次の掃引周期において比較器２７は直流検波器２１の
出力が電圧分割器２６によって設定されたこの一３ｄＢ
点に等しくなるとノＪ？ルスを出す。このパルスは第２
のサンプルホールド回路２８にサンプリング信号として
与えられる。第２のサンプルホールド回路２８はその入
力が鋸歯状波発生回路１９に接続されており、従って前
述のように直流検波器２１の出力電圧が一３ｄＢ点に達
して前記サンプリング信月が与えられるとその出力電圧
がその時の鋸歯状波の電圧に保持される。

電圧分割器２９はサンプルホールド回路２８の出力電圧
を分割し、接合点２９ＢＫ９０％の値を作る。７電圧制
御フイルタＦｌは電圧に対し直線的に掃引されるので鋸
歯状波電圧が接合点２９Ｂの値と等しくなるとフィルタ
Ｆｌの中心周波数を９０１点″″Ｂ＃に置くことになる
。

比較器３０はその１つの入力が鋸歯状波発生器１９に接
続され、またもう１つの入力が分割接合点２９ＢＫ、接
合されており、鋸歯状波電圧と分割器２９の９０チ電圧
とを比較する。これら比較電圧が等しいとサンプリング
・ぐルスを出力し第３のサンプルホールド回路３１に与
えられる。サンプルホールド回路３１はその入力が直流
検波器２１の出力から与えられ、９０チ周波数点でサン
プリング信号を受るとその出力は直流検波器２１の点“
Ｂ”での振幅を保持する。

レシオ（比率）回路３２は電圧″′Ａ″の分割器接合点
２６Ａと電圧″′Ｂ”を保持しているサンプルホールド
回路３１の出力とに接続されてお９、電圧Ｂを電圧Ａで
割算する。レシオ回路３２の出力Ｂ／Ａは従って流速プ
ロフィールの形を表わし、これは平均流速を計算するの
に使われる。

送信周波数と受信周波数との差を表わすドツプラー信号
は第２の電圧制御フィルタＦ１１にも与えられ、このフ
ィルタＦ２の中心周波数はサンゾルホールド回路２８の
出力によって一３ｄＢの点に設定されている。広帯域周
波数雑音を除去することによってフィルタＦ２は正確な
周波数を取出すことができる。この周波数はレート乗算
器３３の１つの入力に与えられ、もう１つの入力にはＢ
／Ａレシオ回路３２の出力に接続されている。乗算器３
３はフィルタＦ２からの周波数とＢ／Ａの乗算を行い、
適当な尺度が与えられて平均流速を出力する。

この発明によるドツプラー型超音波流量計の好ましい実
施例について説明したが、その本質的な考えから逸脱す
ることなく多くの変更が可能なことが理解されよう。流
量計は双方向性であり測定管中の流れの方向を逆にすれ
ばドツプラーシフトも同様にその方向が変化する。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な流体速度ゾ四フィールとドツプラー型
超音波流量計における送信ビームと受信ビームの交叉ゾ
ーンとの関係を示し、第２図はもう１つの流体速度プロ
フィールについての同様な関係を示し、第３図はビーム
交叉ゾーン内のいくつかの可能な速度プロフィールを示
し、第４図はこの発明によるドツプラー型超音波流量計
のプロ（２１） ツク図を示し、第５図は第１図に示される速度プロフィ
ールに対する流°Ｉ計受信器からの出力のスペクトル分
析を示し、第６図は第２図に示される速度プロフィール
に対するスペクトル分析を示し、第７図は流量計の構成
要素であるスペクトル分析器のブロック図を示す。 １０・・・測定管、１１・・・送信トランスジューサ、
１２・・・受信トランスジューサ、１３・・・超音波発
振器、１５・・・混合器、１６・・・ロー１？スフイル
タ、１７・・・スペクトル分析器、１９・・・鋸歯状波
発生器、２１・・・直流検波器、２３・・・微分回路、
２４・・・ゼロ電圧検出器、２５，２８，３１・・・サ
ンプルホールド回路、２６．２９・・・電圧分割器、２
７．３０・・・比較器、３２・・・レシオ回路、３３・
・・乗算器、Ｆｌ。 Ｆ２・・・電圧制御フィルタ。 特許出願人　　フィッシャー・エンド・ポーター・コン
ｉヒー代理人草　野　　卓 （２２）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定流体が流れる流路に超音波を放射する送信
   トランスジューサと、その送信トランスジューサをあら
   かじめ決められた周波数で励振する発振器と、上記送信
   トランスジューサより放射される超音波の流体中からの
   反射波を受信する受信トランスジューサと、その受信ト
   ランスジューサ′の出力と上記発振器の出力との差周波
   数成分を取出す手段と、その取出された差周波数成分の
   周波数特性を得る手段と、その得られた周波数特性から
   被測定流体の流速を求める手段とを有するドツプラー型
   超音波流量計。
2. （２）前記差周波数成分を取出す手段は前記受信トラン
   スジューサと前＝ａ発振器とに接続され差と和のビート
   出力を作る混合器と、そこから差のビートを取出すため
   のローパスフィルタとから成る特許請求の範囲第１項記
   載のドツプラー型超音波（１） 流量計。
3. （３）　　前記差周波数成分の周波数特性を得る手段は
   前記ロー・ヤスフィルタの出力に接続されたスペクトル
   分析器を含む特許請求の範囲第２項記載のドツプラー型
   超音波流量計。
4. （４）前記スペクトル分析器は前記差のビートを含も周
   波数範囲を掃引する電圧制御フィルタと前記差のビート
   の各周波数での振幅出力を測定する手段とを含む特許請
   求の範囲第３項記載のドツプラー型超音波流量計。
5. （５）　　前記周波数特性から被測定流体の流速を求め
   る手段は測定した前記振幅出力の第１の周波数点での電
   圧を前記第１の点に対するあらかじめ決められたパーセ
   ントの第２の周波数点での電圧で割算をする手段を含も
   特許請求の範囲第４項記載のドツプラー型超音波流量計
   ・
6. （６）　　前記あらかじめ決められた／千−セントは９
   ０チである特許請求の範囲第４項記載のドツプラー型超
   音波流量計。
7. （７）　　前記スペクトル分析器は前記電圧制御フィ（
   ２） ルタの出力に接続された直流検波器を含む特許請求の範
   囲第３項記載のドツプラー型超音波流量計。