JP4153721B2 - Ultrasonic flowmeter and self-diagnosis method of ultrasonic flowmeter - Google Patents

Description

【００１４】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１５】
【数２】

【００１６】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超音波流量計では、超音波振動子１と超音波振動子２との間伝播する超音波の伝播時間ｔ１およびｔ２をゼロクロス検知により、計測している。このため、超音波振動子１から送信した超音波を超音波振動子２で受信したときの波形と超音波振動子２から送信した超音波を超音波振動子１で受信したときの波形とは一致している必要がある。
【００１８】
しかし、実際には超音波振動子１と超音波振動子２との特性の違いから、波形は完全には一致しない。図１３は、流体の流速がゼロであり、超音波振動子１と超音波振動子２との特性が異なる場合において、超音波振動子１から送信した超音波を超音波振動子２で受信したときの波形１８と超音波振動子２から送信した超音波を超音波振動子１で受信したときの波形１９とを示している。受信信号がレベルａを超えた直後のゼロクロスポイントは、波形１８および波形１９ではそれぞれ点１８ａおよび１９ａとなり、これらの点は一致しない。つまり、測定すべき気体や液体が流れていない場合であっても、誤った流量を示してしまう。
【００１９】
また、超音波振動子１は圧電素子で構成されており、圧電素子の特性は一般に温度依存性がある。図１４は、流体の流速がゼロである場合において、上記伝播時間ｔ１とｔ２との差Δｔの温度依存性を示している。図１４において曲線２０ａで示すように、温度に対してほぼ比例してΔｔが変化する場合や、曲線２０ｂあるいは曲線２０ｃで示すように、温度の上昇と共に急激にΔｔが増大したり、減少したりする場合がある。これは、超音波振動子１および超音波振動子２の特性の温度依存性が異なっており、その結果、組み合わせた特性の変化の傾向にも種々のパターンが考えられるからである。
【００２０】
したがって、従来の超音波流量計を用いて例えばガスメータを作製した場合、２つの超音波振動子の特性差によって生じる誤差のために、ガスを使っていないのにガスを使用していると計測される可能性や、その特性差の温度依存性のために１日のうちでも気温が低い朝方と日中とでは、同じガス器具を使用していても使用量が異なって計測される可能性がある。ガスメータにガス漏れ検知機能を付加した場合には、単に計測に誤差が生じるだけではなく、その検知機能の信頼性を低下させる可能性もある。
【００２１】
また、超音波振動子の特性の温度変化に加えて、超音波流量計を長い期間使用している間に超音波振動子が劣化し、特性が経年変化する。特性の経年変化も上述したように、２つの超音波振動子においてまったく同じように生じるとは限らないため、流量の計測に誤差を生じさせる原因となる。
【００２２】
更に、超音波振動子１および２に配線を接続するための端子が腐食し、腐食部分の抵抗値が上昇することによって、配線と超音波振動子１および２との電気的接続が不完全となったり、超音波振動子１および２の振動によって、配線との接続が断線してしまうといった故障も超音波流量計を長い期間使用している間に生じる可能性がある。何らかの原因により、超音波振動子１および２そのものが破壊してしまうことも考えられる。
【００２３】
このような超音波振動子の特性差によって生じる計測誤差や超音波流量計の故障は、超音波流量計に高い信頼性が求められる場合には特に問題となる。
【００２４】
本発明は、このような従来の問題を解決し、超音波振動子の特性の変化による計測誤差や故障を自己診断によって検知することのできる超音波流量計およびガスメータを提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、超音波を送受信する少なくとも２つの超音波振動子と、前記２つの超音波振動子の特性の差を示す第１の特性差、および／または前記２つの超音波振動子の少なくとも一方の過去における特性と現在における特性との差を示す第２の特性差を検出し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差に基づいて流量計の状態を示す診断信号を生成する自己診断手段とを備え、超音波の伝播時間差に基づいて流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記超音波振動子を駆動するための駆動信号を発生する送信回路を更に備え、前記超音波振動子の特性は、前記超音波振動子によって生じる前記駆動信号の反射波に基づく。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記反射波の包絡線信号を検出し、前記包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記反射波と前記駆動信号との定在波比を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記駆動信号のリターンロスを前記超音波振動子の特性として検出する。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記反射波の位相を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記流体が静止している時に前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値以下であるという条件を満たす場合、正常であることを示す診断信号を生成する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第２の値以上であるという条件を満たす場合、故障であることを示す診断信号を生成する。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値と第２の値との間の値であるという条件を満たす場合、特性が変動していることを示す診断信号を生成する。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する動作を複数回実行し、所定数を越える回数にわたって連続して前記特性差が前記条件を満たす場合、前記診断信号を生成する。
【００３６】
また、本発明のガスメータは、ガスが流れる流路と、前記流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置とを備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、ガスメータは、前記超音波流量計から出力される前記診断信号を送信するための通信装置を更に備える。
【００３８】
また、本発明の超音波流量計の自己診断方法は、超音波の伝播時間差に基づいて流体が流路を流れる流量を計測し、超音波を送受信する少なくとも２つの超音波振動子の特性の差を示す第１の特性差、および／または前記２つの超音波振動子の少なくとも一方の過去における特性と現在における特性との差を示す第２の特性差を検出するステップと、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差に基づいて流量計の状態を示す診断信号を生成するステップとを包含する。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記超音波振動子の特性は、前記超音波振動子を駆動するための駆動信号が前記超音波振動子において反射された反射波に基づく。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の包絡線信号を検出し、前記包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記反射波と前記駆動信号との定在波比を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記駆動信号のリターンロスを前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の位相を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記流体が静止している時に前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記診断信号を生成するステップにおいて、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値以下であるという条件を満たす場合、正常であることを示す診断信号を生成し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第２の値以上であるという条件を満たす場合、故障であることを示す診断信号を生成し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値と第２の値との間の値であるという条件を満たす場合、特性が変動していることを示す診断信号を生成する。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、上記自己診断方法は、前記特性が変動していることを示す信号が生成された場合、前記２つの超音波振動子を用いて、流体が静止している状態における流量値を計測し、計測された値を用いて、前記超音波流量計を補正するステップを更に包含する。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する動作を複数回実行し、所定数を越える回数にわたって連続して前記特性差が同じ条件を満たす場合、対応する前記診断信号を生成する。
【００４８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計５１は、流体の流路１４中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信回路３と、反射波検知回路４と、受信回路６とを備えている。
【００４９】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は第２の超音波振動子２によって受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第１の超音波振動子１によって受信する。これら双方向の伝播路は、流路１４を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００５０】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２としては、おおよそ２０ＫＨｚ以上の周波数で駆動され、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類また、予測される流速に応じて最適な周波数が適宜選択される。本実施形態では、例えば厚み振動モードで振動し、２００ＫＨｚの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。
【００５１】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、切り替え手段１２を介して送信回路３へ接続されており、切り替え手段１２による選択によって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のどちらか一方が選択的に送信回路３へ選択的に接続される。
【００５２】
また、超音波流量計５１は、送信回路３と切り替え手段１２との間に設けられた方向性結合器１５および方向性結合器１５に接続された自己診断手段４０を更に備える。自己診断手段４０は以下において詳細に説明する。
【００５３】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、切り替え手段１３を介して受信回路６に接続される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信回路６によって増幅される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信回路６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００５４】
送信回路３に第１の超音波振動子１が接続されるときには、受信回路６が第２の超音波振動子２に接続され、送信回路３に第２の超音波振動子２が接続されるときには、受信回路６が第１の超音波振動子１に接続されるよう切り替え手段１２と切り替え手段１３とは連動していることが好ましい。切り替え手段１２および切り替え手段１３は、リレーのような機械的なものであってもよいし、電子回路等によって構成されるものであってもよい。
【００５５】
受信回路６によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知回路７へ送られ、ゼロクロス検知回路７において、受信信号が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知される。これにより、ゼロクロス検知信号が生成される。
【００５６】
繰り返し回路８は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、トリガ信号を送信回路３へ出力する。送信回路３は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。
【００５７】
計時回路９は、所定の回数、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出手段１０へ送る。
【００５８】
図１および図２を参照して、まず流体の流量を計測する手順を説明する。流量の測定手順は従来と同じである。図２に示すように、トリガ信号２１を発振回路３に入力し駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。流路１４を伝播した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信され、受信回路６によって受信信号２２として検知される。ゼロクロス検知回路７では、受信信号２２が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知され、ゼロクロス検知信号が生成される。繰り返し回路８は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間２３を経た後にトリガ信号２１’を生成し、送信回路３へトリガ信号２１’を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。
【００５９】
所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時回路９は、ループを繰り返すのに要した全時間２４を計測し、測定結果を流量算出手段１１へ送る。全時間２４から遅延時間２３とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００６０】
次に、切り替え手段１２および１３を用いて、送信回路３を第２の超音波振動子２へ接続し、受信回路３を第１の超音波振動子１へ接続する。そして、上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時回路９は、ループを繰り返すのに要した全時間２４を計測し、測定結果を流量算出手段１１へ送る。全時間２４から遅延時間２３とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００６１】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。更に流路１４の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流体が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００６２】
続いて、自己診断手段４０を説明する。図１に示すように、自己診断手段４０は、反射波検出回路４および判定手段５を含む。反射波検出回路４は第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において生じる駆動信号の反射波を検知し、検知した反射波に基づいて、判定手段５が超音波流量計５１の状態を診断する。この反射波は、送信回路３の出力インピーダンスと第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のインピーダンスとが整合していないために生じる。
【００６３】
図３は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の厚さ振動モードにおけるインピーダンス曲線を示している。図３に示すように、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、共振周波数ｆｒにおいて、最も電気機械変換効率が高く、かつ安定して駆動させることができる。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、共振周波数で駆動される。
【００６４】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の電気音響特性が等しい場合、インピーダンス曲線はおおよそ一致し、共振周波数におけるインピーダンスが等しくなる。この時、送信回路３の出力インピーダンスと第１の超音波振動子１の共振周波数における入力インピーダンスとの差および送信回路３の出力インピーダンスと第２の超音波振動子２の共振周波数における入力インピーダンスとの差が等しくなるため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性は等しくなる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性が等しいということは、第１の超音波振動子１の電気音響特性と第２の超音波振動子２の電気音響特性とが等しく、測定誤差を含まない正確な計測が可能であることを示している。
【００６５】
一方、端子の腐食や断線などにより、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の１つとその配線との接触抵抗が増大していたり、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の１つが故障していたりする場合、その超音波振動子の入力インピーダンスは著しく大きくなり、故障している超音波振動子による反射波も著しく大きくなる。その結果、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性が大きく異なる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性が大きく異なるということは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれかが故障しており、計測ができないことを示している。
【００６６】
気温の変化や圧電素子の経年劣化により、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化する場合、通常、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２がまったく同じようにその特性を変化させることはない。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性の差が生じる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性の差が生じているということは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれかあるいは両方において、特性の変動が生じており、計測結果に誤差が含まれる可能性のあることを示している。
【００６７】
このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波をそれぞれ測定し、その値を比較することにより、超音波流量計５１の状態を診断することができる。なお、流体が大流量で流れることによって第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のインピーダンスが変化し得るので、反射波の測定は、低流量であるときに行うことが好ましく、流体静止しているとき行うことがより好ましい。
【００６８】
図４は、図１に示す自己診断手段４０の具体的な構成を示す。自己診断手段４０の反射波検知回路４は、検波回路４１、サンプル・ホールド回路４２およびＡ／Ｄ変換回路４３を含む。検波回路４１は、定電圧ダイオード４１ａおよびコンデンサ４１ｂを含む公知の包絡線検波回路によって構成されており、反射波の一部（−２０ｄＢ）が端子４１ｃから入力されると、その包絡線信号を端子４１ｄから出力する。以下において詳述するように、本実施形態では、反射波の特性として反射波の包絡線信号を検知し、検知した包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００６９】
検波回路４１からの出力は、サンプル・ホールド回路４２へ入力される。サンプル・ホールド回路４２は、オペアンプ４２ａを含む公知の回路により、構成され、コントロール端子４２ｂへ入力されるコントロール信号に基づいて、入力端子４２ｃから入力される信号をホールドし、出力端子４２ｄからホールドした信号を出力する。
【００７０】
図５は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２に基づく反射波が、反射波検出回路４へ入力された場合に検波回路４１の出力端子４１ｄから出力される信号と出力端子４２ｄから出力される信号を示している。
【００７１】
送信トリガ信号２１によって、送信器３から第１の超音波振動子１へ送られる駆動信号は第１の超音波振動子１において反射し、反射波が検波回路４１により、検波される。その結果、包絡線信号１５が端子４１ｄから出力される。検波された包絡線信号１５はサンプル・ホールド回路４２の入力端子４２ｃに入力される。
【００７２】
送信トリガ信号２１から所定の時間ｔ２遅れたタイミングでパルス２６が立ち上がるコントロール信号がコントロール端子４２ｂから入力されると、サンプル・ホールド回路４２は、パルス２６が立ち上がる時の包絡線信号１５の電圧値をパルス２６の期間保持して、出力端子４２ｄから電圧値１７を出力する。コントロール信号は、超音波流量計５１の他の回路を制御するマイコンによって生成される。
【００７３】
同様にして、送信器３から第２の超音波振動子２へ送られる駆動信号は、第２の超音波振動子２において反射される。反射波は検波回路４１によって検波され、包絡線信号１６が端子４１ｄから出力される。包絡線信号１６もサンプル・ホールド回路４２の入力端子４２ｃに入力され、出力端子４２ｄから電圧値１８が出力される。
【００７４】
第１の超音波振動子１による反射波に基づく電圧値１７および第２の超音波振動子２による反射波に基づく電圧値１８は、Ａ／Ｄ変換回路４３により、デジタル信号に変換され、判定手段５へ入力される。
【００７５】
判定手段５は、超音波流量計５１の他の回路や他の手段を制御するマイコンなどによって構成することができる。判定手段５は、電圧値１７および電圧値１８のうちの少なくとも一方をステップ５ａにおいて保持し、電圧値１７および電圧値１８をステップ５ｂにおいて比較する。ステップ５ｃでは、比較結果に基づいて超音波流量計の状態を判断し、診断信号を生成する。
【００７６】
次に、超音波流計５１を用いて自己診断を行う手順を図１および図６を参照して更に詳しく説明する。まず、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の診断に影響を与えないよう、図１に示す流路１４内の流体を静止させる（ステップ６１Ａ）。そして、第１の超音波振動子１が送信回路３に接続されるように切り替え手段１２および１３を操作し(ステップ６１Ｂ）、送信回路３から駆動信号を出力する。第１の超音波振動子１による反射波を信号検出回路４において検出し、得られた電圧値Ｓ₁をメモリに蓄える（ステップ６１Ｃ）。
【００７７】
また、第２の超音波振動子２が送信回路３に接続されるように切り替え手段１２および１３を操作して（ステップ６１Ｄ）、送信回路３から駆動信号を出力する。第２の超音波振動子２による反射波を信号検出回路４において検出し、得られた電圧値Ｓ₂をメモリに蓄える(ステップ６１Ｅ）。
【００７８】
次に２つの電圧値Ｓ₁およびＳ₂を比較して診断を行う(ステップ６１Ｆ）。診断を行うための評価関数として例えば以下の関数を考える。
【００７９】
評価関数（１）が、ｆ（Ｓ₁，Ｓ₂）(０．０１を満たす場合、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の特性は実質的にほぼ等しく、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との入力インピーダンス差は実質的に無視しうる程度に小さい。つまり、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差は無視しうる程度に小さく、超音波流量計５１の測定結果に影響を及ぼすほどの測定誤差は生じていない。したがって、この場合には、超音波流量計５１が正常であることを示す診断信号を生成して自己診断を終了する（ステップ６１Ｇ）。
【００８０】
評価関数（１）が、ｆ（Ｓ₁，Ｓ₂）(０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の特性は大きく異なっており、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との入力インピーダンス差も著しく大きい。この場合には、超音波流量計５１が故障であることを示す診断信号を生成して自己診断を終了する（ステップ６１Ｈ）。
【００８１】
評価関数（１）が、０．０１＜ｆ（Ｓ₁，Ｓ₂）＜０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との入力インピーダンス差が生じている。これは、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差が発生し、流量の計測に誤差が含まれる可能性があることを示している。しかし、超音波流量計５１の周りの環境が一時的に不均一な状態になっていて、そのことにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性差を生じさせている可能性もある。例えば、超音波流量計５１が戸外に設置されており、朝方など、周囲の気温が低い状態において、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の一方にのみ朝日が照射され、照射部分の温度が上昇する場合が考えられる。
【００８２】
したがって、評価関数（１）が、０．０１＜ｆ（Ｓ₁，Ｓ₂）＜０．３を満たす場合には、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性差が一時的なものであるかを判断するために、適当な時間が経過した後、再度自己診断を行う(ステップ６１Ｂ）。そして所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後、評価関数（１）の値が、ｆ（Ｓ₁，Ｓ₂）(０．０１を満たすようになった場合には、上述したように、超音波流量計５１が正常であることを示す診断信号を生成して自己診断を終了する（ステップ６１Ｇ）。
【００８３】
一方、所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後も評価関数（１）が、０．０１＜ｆ（Ｓ₁，Ｓ₂）＜０．３の範囲にある場合には、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性差が生じている。この場合には、超音波流量計５１の特性が変動していることを示す診断信号を生成する（ステップ６１Ｊ）。そして、流体が静止したままの状態で流量の測定を行い（ステップ６１Ｋ）、求めた流量値をオフセット値として、流量算出手段１０あるいは超音波流量計５１を制御するマイコンのメモリに格納し（ステップ６１Ｌ）、このオフセット値に基づいて流量を補正して流量の計測を行う。
【００８４】
このように本実施形態によれば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性の変化をこれらの駆動信号に対する反射波によって評価し、超音波流量計の自己診断に用いる。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性変化を検出するための新たなセンサを用いることなく、また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を超音波流量計に組み込んだままで診断を行うことができる。したがって、簡単な構成により、容易に超音波振動子の経時変化および、故障の発生を検知することができる。
【００８５】
また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の所定の時刻における強度を検出する場合に比べて、反射波の包絡線信号の所定の時刻における強度を検出することによって、高速のＡ/Ｄ変換回路を必要としないという利点がある。
【００８６】
なお、上述の２つの電圧値Ｓ１およびＳ２を比較して診断する際、正常（ステップ６１Ｇ）あるいは異常（ステップ６１Ｈ）であるという診断は、２つの電圧値Ｓ１およびＳ２を一度比較することによってのみ行った。しかし、診断をより確実に行うために、２つの超音波振動子に特性差が生じていると診断する場合のように、所定数を越える回数にわたって連続して、同じ診断結果が得られる場合に正常あるいは故障であると診断してもよい。
【００８７】
また、上記診断を行うタイミングは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の予想される特性変化に応じて任意に設定される。例えば、超音波流量計５１をガスメータとして用いる場合には、１日のうちの気温差が計測に誤差を与える可能性がある。このような場合には、１日に数回診断を行ってもよい。第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の経年変化による測定誤差だけが問題となる場合には、数日から数ヶ月の間隔で診断を行うようにしてもよい。
【００８８】
上記実施形態では、第１の超音波振動子１の反射波に基づく電圧値Ｓ₁と第２の超音波振動子２の反射波に基づく電圧Ｓ₂との差を評価して、超音波流量計５１の状態を診断していた。この診断に加えて、または、この診断に換えて、電圧値Ｓ₁および電圧値Ｓ₂のそれぞれの過去の値と現在の値とを比較して、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の特性の経時変化を調べ、超音波流量計５１の自己診断をおこなってもよい。
【００８９】
図７は、第１の超音波振動子１の経時変化を診断する手順を示している。まず、上述と同様にして図１に示す流路１４内の流体を静止させる（ステップ７１Ａ）。そして、第１の超音波振動子１が送信回路３に接続されるように切り替え手段１２および１３を操作し(ステップ７１Ｂ）、送信回路３から駆動信号を出力する。第１の超音波振動子１による反射波を信号検出回路４において検出し、得られた電圧値Ｓ_1nをメモリに蓄える（ステップ７１Ｃ）。ここで、ｎは１から始まる自然数であり、Ｓ_1nはｎ回目の検出により得られた電圧値Ｓ₁を示すものとする。Ｓ_2nについても同様に定義する。同じ手順によって、あらかじめ過去の検出値である電圧値Ｓ_1n-1および値Ｓ_2n-1は、メモリに蓄えられている。図６に示す自己診断も併用する場合には、図６のステップ６１Ｃにおいて記憶した電圧値Ｓ₁を自己診断のたびにＳ₁₁、Ｓ₁₂、・・Ｓ_1n-1、Ｓ_1nとして保存しておく。同様に、図６のステップ６１Ｅにおいて記憶した電圧値Ｓ₂を自己診断のたびにＳ₂₁、Ｓ₂₂、・・Ｓ_2n-1、Ｓ_2nとして保存しておく。このようにすれば、あらためて電圧値を検出、記憶しなくてもよい。
【００９０】
次に２つの電圧値Ｓ_1nおよびＳ_1n-1を比較して診断を行う。診断を行うための評価関数として例えば以下の関数を考える。
【００９１】
本実施形態では、評価関数（２）として評価関数（１）と同じ関数を用いるが、異なる関数を用いてもよい。また、以下に説明するように、評価基準として同じ値を用いているが、上述の診断手順に用いた値と異なる評価基準を設定してもよい。
【００９２】
評価関数（２）が、ｆ（Ｓ_1n，Ｓ_1n-1）(０．０１を満たす場合、第１の超音波振動子１による反射波の特性は電圧値Ｓ_1n-1を測定した時と電圧値Ｓ_1nを測定した時とで実質的に等しく、入力インピーダンスの差は実質的に無視しうる程度に小さい。つまり、第１の超音波振動子１の特性の経時変化による特性差は無視しうる程度に小さい。この場合には、超音波流量計５１の第１の超音波振動子が正常であることを示す診断信号を生成する（ステップ７１Ｇ）。
【００９３】
評価関数（２）が、ｆ（Ｓ_1n，Ｓ_1n-1）(０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１よる反射波の特性は電圧値Ｓ_1n-1を測定した時と電圧値Ｓ_1nを測定した時とで大きく異なっており、入力インピーダンス差も著しく大きい。この場合には、超音波流量計５１の第１の超音波流量計１が故障であることを示す診断信号を生成する（ステップ７１Ｈ）。
【００９４】
評価関数（２）が、０．０１＜ｆ（Ｓ_1n，Ｓ_1n-1）＜０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１よる反射波の特性は電圧値Ｓ_1n-1を測定した時と電圧値Ｓ_1nを測定した時とで特性差が発生し、流量の計測に誤差が含まれる可能性があることを示している。しかし、上述したように特性差が、外的要因による一時的なものである可能性がある。したがって、評価関数（２）が、０．０１＜ｆ（Ｓ_1n，Ｓ_1n-1）＜０．３を満たす場合には、第１の超音波振動子１の特性差が一時的なものであるかを判断するために、適当な時間が経過した後、再度自己診断を行う(ステップ７１Ｂ）。そして所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後、評価関数（２）の値が、ｆ（Ｓ_1n，Ｓ_1n-1）(０．０１を満たすようになった場合には、上述したように、第１の超音波振動子が正常であることを示す診断信号を生成了する（ステップ７１Ｇ）。
【００９５】
一方、所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後も評価関数（２）が、０．０１＜ｆ（Ｓ_1n，Ｓ_1n-1）＜０．３の範囲にある場合には、第１の超音波振動子１の特性に経時変化が生じているので、特性が変動していることを示す診断信号を生成する（ステップ７１Ｊ）。
【００９６】
同様にして、第２の超音波振動子２についても診断を行なう。そして、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の少なくとも一方が、故障である場合には、超音波流量計５１が故障であることを示す診断信号を生成する。また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が正常である場合には、超音波流量計５１が正常であることを示す診断信号を生成する。
【００９７】
第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の少なくとも一方において、特性に経時変化が生じている場合には、図７に示すように、流体が静止したままの状態で流量の測定を行い（ステップ７１Ｋ）、求めた流量値をオフセット値として、流量算出手段１０あるいは超音波流量計５１を制御するマイコンのメモリに格納し（ステップ７１Ｌ）、このオフセット値に基づいて流量を補正して流量の計測を行う。
【００９８】
この自己診断によれば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれが故障しているか、または、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれに特性の経時変化が生じているかを判断することもできる。
【００９９】
また、電圧値Ｓ_1nおよび電圧値Ｓ_2nを逐次マイコン等に記憶しておいて、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の初期特性からの変動を診断してもよい。例えば、電圧値Ｓ_1nが初期値である電圧値Ｓ₁₁から所定の割合（例えば５０％）以上変化した場合には、仮に第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差が上記図６あるいは図７で説明した手順において正常と判断される範囲、あるいは補正が必要と判断される範囲であっても、超音波流量計５１は故障している、または、超音波流量計５１を新しいものに交換する必要があると判断してもよい。第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の初期特性からのずれが大きくなっており、超音波波流量計５１の測定精度を保証できない可能性があるからである。このような自己診断を行なう機能を超音波流量計５１に付加すれば、超音波流量計５１が故障して動作しなくなる前に、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を修理したり、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を新しいものに交換したりすることできる。
【０１００】
（第２の実施形態）
図８は、本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計５２は、第１の実施形態の超音波流量計５１の自己診断手段４０に換えて、自己診断手段４６を備えている。超音波流量計５２の送信回路３、受信回路６、ゼロクロス検知回路７、繰り返し回路８、計時回路９および流量算出手段１０は第１の実施形態の対応する回路あるいは手段と同じ構成によって形成されている。また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を用いて流量を計測する方法は第１の実施形態で説明した方法と同じである。
【０１０１】
本実施形態では、送信回路３から出力される駆動信号を進行波とし、駆動信号が第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２により、反射されて生じる反射波と進行波とを用いて定在波比（ＶＳＷＲ）を計算し、その値を超音波流量計５２の自己診断に利用する。第１の実施形態で説明したように、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性の変化に基づいて反射波の大きさも変動するため、定在波比を検出することによって好適に超音波流量計５２を診断することができる。
【０１０２】
図８に示すように、超音波流量計５２の自己診断手段４６は、反射波検知回路４４ａ、進行波検知回路４４ｂ、ピーク検知回路４５ａ、ピーク検知回路４５ｂ、Ａ／Ｄ変換回路４３および判定手段５を含んでいる。また、送信回路３と切り替え手段１２との間には、方向性結合器１５ａおよび方向性結合器１５ｂが挿入されている。
【０１０３】
送信回路３から出力される駆動信号は進行波として切り替え手段１２を介して、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２へ伝播し、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２からは駆動信号の反射波が送信回路３へ向かって伝播する。方向性結合器１５ａは、進行波および反射波のうち、反射波の一部（−２０ｄＢ）のみを反射波検知回路４４ａへ導く。また、方向性結合器１５ｂは、進行波の一部（−２０ｄＢ）のみを進行波検知回路へ導く。
【０１０４】
反射波検知回路４４ａおよび進行波検知回路４４ｂは、それぞれ、コイルを含む回路によって構成され、反射波および進行波を検知する。ピーク検知回路４５ａは、反射波検知回路４４ａにおいて検知された信号のピーク電圧ｖｒを検出し、Ａ／Ｄ変換回路４３へピーク電圧ｖｒを出力する。ピーク検知回路４５ｂも、反射波検知回路４４ｂにおいて検知された信号のピーク電圧ｖｆを検出し、Ａ／Ｄ変換回路４３へピーク電圧ｖｆを出力する。Ａ／Ｄ変換回路４３は、ピーク電圧ｖｒおよびピーク電圧ｖｆをデジタル信号に変換し、判定手段５へ出力される。
【０１０５】
判定手段５では、まず、定在波比が求められる。定在波比Ｒは、以下の式（３）によって求められる。
【０１０６】
切り替え手段１２を切り替え、上述の手順に従って、第１の超音波振動子１に基づく反射波による定在波比Ｒ₁と第２の超音波振動子２に基づく反射波による定在波比Ｒ₂とを求める。求めた定在波比Ｒ₁および定在波比Ｒ₂を用いて、判定手段５では、第１の実施形態で説明したように図６または図７に示す手順に従って、超音波流量計５２の診断が行われる。
【０１０７】
具体的には、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差に基づいて、超音波流量計５２の診断を行う場合には、図６に示す診断手順において電圧値Ｓ₁およびＳ₂に換えて定在波比Ｒ₁および定在波比Ｒ₂を用いて評価関数（１）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５２が正常であることを示す信号、超音波流量計５２が異常であることを示す信号および超音波流量計５２の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５２の補正が必要である場合には、図６に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られ値を用いて流量補正を行う。
【０１０８】
また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のそれぞれの特性の経時変化に基づいて超音波流量計５２の診断を行う場合には、図７に示す診断手順において電圧値Ｓ₁およびＳ₂に換えて定在波比Ｒ₁および定在波比Ｒ₂を用いて評価関数（２）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５２が正常であることを示す信号、超音波流量計５２が異常であることを示す信号および超音波流量計５２の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５２の補正が必要である場合には、図７に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られた値を用いて流量補正を行う。
【０１０９】
このように、送信回路から出力される駆動信号を進行波とし、進行波と、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波との定在波比を測定することによって、超音波流量計５２を診断することができる。また、定在波比を用いることによって簡単に反射の度合いを知ることができるという効果を得ることもできる。
【０１１０】
（第３の実施形態）
図９は、本発明による超音波流量計の第９の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計５３は、第１の実施形態の超音波流量計５１の自己診断手段４０に換えて、自己診断手段４７を備えている。
【０１１１】
自己診断手段４７は、リターンロスブリッジ４９と、検波回路４８とＡ／Ｄ変換回路４３と判定手段５とを含む。また、図９に示すように、切り替え手段１２と送信回路３との間には、切り替え手段８１が設けられており、リターンロスブリッジ４９を介して送信回路３と切り替え手段１２とを接続する経路および送信回路３と切り替え手段１２とを直接接続する経路のいずれかを切り替え手段８１によって選択できるようになっている。
【０１１２】
超音波流量計５３の送信回路３、受信回路６、ゼロクロス検知回路７、繰り返し回路８、計時回路９および流量算出手段１０は、第１の実施形態の対応する回路および手段と同じ構成によって形成されている。切り替え手段８１を用いて送信回路３と切り替え手段１２とを直接接続し、第１の実施形態と同じ方法をもちいることにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を用いて流量を計測することができる。
【０１１３】
切り替え手段８１によって、リターンロスブリッジ４９を介して送信回路３と切り替え手段１２とを接続すれば、超音波流量計５３の自己診断を行うことができる。本実施形態では、送信回路３から出力される駆動信号のリターンロスを検知する。駆動信号のリターンロスは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を駆動することによって生じる。送信回路３と第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２とのインピーダンスの整合性が高い場合には、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において生じる駆動信号の反射波は小さい。この場合にはリターンロスは大きくなる。一方、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のインピーダンスと送信回路３の出力インピーダンスが異なる場合には第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において生じる駆動信号の反射波が大きい。この場合にはリターンロスは小さくなる。このように、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２における反射波の大きさによってリターンロスの大きさも変化するため、第１の実施形態で説明したように、リターンロスを測定することによって第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性の変化を知ることができる。
【０１１４】
自己診断手段４７のリターンロスブリッジ４９には、公知のリターンロスブリッジを用いることができる。リターンロスブリッジ４９において、送信回路３から出力された駆動信号は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２へ伝播される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において反射された駆動信号が検波回路４９へ導かれる。検波回路４９では、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から戻ってきた信号を検知し、検知した信号はＡ／Ｄ変換回路４３においてデジタル信号に変換され、変換された信号が判定手段５へ入力される。
【０１１５】
超音波流量計５１において自己診断を行う場合には、まず、切り替え手段３を切り替えて、送信回路３から出力される信号が自己診断手段４７のリターンロスブリッジ４９を介して第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２へ伝播されるようにする。切り替え手段１２によって、第１の超音波振動子１がリターンロスブリッジ４９へ接続されるようにする。送信回路３から流量測定に用いる信号よりも長いバースト信号（例えば、波数が１０以上）を駆動信号として出力し、第１の超音波振動子１によって生じる反射波であるリターンロスＬ₁を検波回路４８で検出する。検出した値をＡ／Ｄ変換回路４３で変換して、判定手段５へ入力する。
【０１１６】
次に、切り替え手段１２によって、第２の超音波振動子１がリターンロスブリッジ４９へ接続されるようにする。同様の手順によって、第２の超音波振動子２によって生じる反射波であるリターンロスＬ₂を検波回路４８で検出する。検出した値をＡ／Ｄ変換回路４３で変換して、判定手段５へ入力する。
【０１１７】
判定手段５は、得られたリターンロスＬ₁およびリターンロスＬ₂を用いて、図６または図７に示す手順に従って、超音波流量計５２の診断を行う。具体的には、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差に基づいて、超音波流量計５３の診断を行う場合には、図６に示す診断手順において電圧値Ｓ₁およびＳ₂に換えてリターンロスＬ₁およびリターンロスＬ₂を用いて評価関数（１）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５３が正常であることを示す信号、超音波流量計５３が異常であることを示す信号および超音波流量計５３の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５３の補正が必要である場合には、図６に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られ値を用いて流量補正を行う。
【０１１８】
また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のそれぞれの特性の経時変化に基づいて超音波流量計５２の診断を行う場合には、図７に示す診断手順において電圧値Ｓ₁およびＳ₂に換えてリターンロスＬ₁およびリターンロスＬ₂を用いて評価関数（２）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５３が正常であることを示す信号、超音波流量計５３が異常であることを示す信号および超音波流量計５３の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５３の補正が必要である場合には、図７に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られた値を用いて流量補正を行う。
【０１１９】
このように、送信回路から出力される駆動信号を進行波とし、進行波と、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波とのリターンロスを測定することによって、超音波流量計５３を診断することができる。また、リターンロスを用いることによって簡単に反射の度合いを知ることができるという効果を得ることもできる。
【０１２０】
なお、第１から第３の実施形態において、反射の特性として、反射波の包絡線信号、定在波比、およびリターンロスを検出する例を示した。これらのほかに、反射波の特性として、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の位相を検出しその位相差に基づいて、診断してもよい。
【０１２１】
（第４の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
図１０に示すように、ガスメータ５４は、配管８２ａおよび配管８２ｂとの間に設けられ、配管８２ａから配管８２ｂへ流れるガスの流量を計測する。配管８２ａおよび配管８２ｂを流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【０１２２】
配管８２ａおよび配管８２ｂはガスメータ５４の上部に接続される。ガスの流量は、ガスメータ５４に設けられた表示部８３に表示される。また、自己診断の結果をガス会社等へ送信するためのアンテナ８４がガスメータ５４に設けられている。
【０１２３】
図１１は、ガスメータ５４の内部の構造を模式的に示している。ガスメータ５４は、配管８２ａおよび配管８２ｂに接続される流路８５を含む。流路８５は、その途中において、主流路８５ａおよび計測用流路８５ｂに分かれており、主流路８５ａには遮断弁８７が設けられている。また、計測流路８５ｂには２つの遮断弁８６が設けられている。
【０１２４】
ガスメータ５４には、第１から第３の実施形態の超音波流量計を用いることができる。ガスメータ５４には、例えば第１の実施形態の超音波流量計５１を用いる。計測用流路８５ｂの２つの遮断弁８６に挟まれた領域に、超音波流量計５１の第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が設けられ、送信回路３等の他の回路５１’が基板８８上に形成される。基板８８上には、表示部８３、マイコンなどを含む制御装置８９、および通信装置９０が設けられている。制御装置８９は、超音波流量計５１、通信装置９０、遮断弁８６および遮断弁８７を制御している。
【０１２５】
計測用流路８５ｂと主流路８５ａとは常に比例した流量のガスが流れるように構成されており、計測用流路８５ｂに流れるガスの流量を超音波流量計５１で計測し、その値に所定の補正を乗ずることによって、計測用流路８５ｂおよび主流路８５ａを流れるガスの流量を計測することができる。
【０１２６】
超音波流量計５１によって計測される流量に関するデータは、制御装置８９によって処理されて表示部８３に表示される。また、制御装置８９は、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁８６および遮断弁８７を動作させ、ガスの供給を停止する。そして、通信装置８８を用いて、ガス漏れであるという情報をガス会社へ送信する。また、所定の期間に配管８５を流れたガスの流量を制御装置８９に記憶しておき、その値をガスの使用量として、通信装置９０を用いてガス会社等へ送信してもよい。
【０１２７】
自己診断を行う場合、まず、遮断弁８６によって、計測用流路８５ｂ内のガスを静止させる。そして、第１から第３の実施形態で説明した手順によって自己診断を行う。通信装置９０を用いて、逐次、診断結果をガス会社等に送信してもよいし、ガスメータ５４が故障している診断された場合や、ガスメータ５４の超音波振動子に劣化が生じていると診断された場合にのみ、診断結果をガス会社へ送信してもよい。
【０１２８】
上述したように、自己診断の際、超音波振動子が設けられた流路内のガスを静止させる必要がある。一回の自己診断に要する時間は数秒であるが、自己診断中にガスの供給が止まることによって不都合が生じないよう、本実施形態では計測用流路８５ｂを主流路８５ａから分岐させている。ガスを使用していないときに自己診断を行う場合や、自己診断中にガスの供給が止まっても問題がない場合には、計測用流路８５ｂを主流路とし、主流路８５ａは設けなくともよい。
【０１２９】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波流量計の２つの超音波振動子の特性の経時変化や特性の温度変化、または、超音波振動子と配線とを接続する端子の腐食によるインピーダンス変化に起因する測定精度の低下を診断することができ、診断によって測定精度の低下を未然に防ぐこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】シングアラウンド法による測定を説明する図である。
【図３】本発明で用いる超音波振動子の電気的特性を示すインピーダンス曲線図である。
【図４】図１に示す超音波流量計の自己診断手段の具体的な構成を示す回路図である。
【図５】図４に示す回路において、検出される信号を説明する図である。
【図６】自己診断の手順を説明するフローチャートである。
【図７】自己診断の手順を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】本発明の超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態であるガスメータを示す外観図である。
【図１１】図１０のガスメータの構造を示す模式図である。
【図１２】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１３】従来の超音波流量計において生じる受信波形の差異を示す図である。
【図１４】従来の超音波流量計の特性の変化の温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 第１の超音波振動子
２ 第２の超音波振動子
３ 送信回路
４ 信号検知回路
５ 判定手段
６ 受信回路
７ ゼロクロス検知回路
８ 繰り返し回路
９ 計時回路
１２、１３、８１ 切り替え手段
１１ 流量算出手段
１４ 流路
４０ 自己診断回路
４１ 検知回路
４２ サンプル・ホールド回路
４３ Ａ／Ｄ変換回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid using ultrasonic waves and a self-diagnosis method of the ultrasonic flowmeter. The invention also relates to a gas meter.
[0002]
[Prior art]
The ultrasonic flow meter has features such as a simple structure, a small number of mechanically movable parts, a wide range in which the flow rate can be measured, and no pressure loss due to the flow meter. In addition, recent advances in electronics technology have made it possible to improve the measurement accuracy of ultrasonic flowmeters. For this reason, studies using ultrasonic flowmeters have been made in various fields that require measurement of gas and liquid flow rates, including gas meters.
[0003]
Hereinafter, the structure and measurement principle of a conventional ultrasonic flowmeter will be described. FIG. 12 is a block diagram showing an example of a conventional ultrasonic flowmeter, in which ultrasonic transducers 1 and 2 are arranged so as to sandwich a flow path 14 through which a fluid flows. The ultrasonic transducers 1 and 2 function as a transmitter and a receiver, respectively. When the ultrasonic transducer 1 is used as a transmitter, the ultrasonic transducer 2 is used as a receiver. When the ultrasonic transducer 2 is used as a transmitter, the ultrasonic transducer 1 is used as a receiver. As shown in FIG. 12, the propagation path of the ultrasonic wave formed between the ultrasonic vibrators 1 and 2 is inclined by an angle θ with respect to the fluid flow direction.
[0004]
When the ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic vibrator 1 to the ultrasonic vibrator 2, the ultrasonic wave advances in the forward direction with respect to the flow of the fluid, so that the speed is increased. On the other hand, when the ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic vibrator 2 to the ultrasonic vibrator 1, the ultrasonic wave travels in the opposite direction with respect to the fluid flow, and therefore the speed is slow. Accordingly, the velocity of the fluid is obtained from the difference between the time for the ultrasonic wave to propagate from the ultrasonic vibrator 1 to the ultrasonic vibrator 2 and the time for the ultrasonic wave to propagate from the ultrasonic vibrator 2 to the ultrasonic vibrator 1. Can do. Further, the flow rate can be obtained from the product of the cross-sectional area of the flow path 14 and the flow velocity.
[0005]
As a specific method for obtaining the flow rate of the fluid in accordance with the above-described principle, a measurement method based on the single-around method will be specifically described.
[0006]
As shown in FIG. 12, the ultrasonic flowmeter includes a transmission circuit 3 and a reception circuit 6, and the ultrasonic transducer 1 is selectively connected to one of the transmission circuit 3 or the reception circuit 6 by a switching circuit 10. At this time, the ultrasonic transducer 2 is connected to the other of the transmission circuit 3 or the reception circuit 6 to which the ultrasonic transducer 1 is not connected.
[0007]
When the transmission circuit 3 and the ultrasonic transducer 1 are connected, the transmission circuit 3 drives the ultrasonic transducer 1, and the generated ultrasonic wave reaches the ultrasonic transducer 2 across the fluid flow. The ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer 2 is converted into an electric signal, and the received signal is amplified by the receiving circuit 6. The zero cross detection circuit 7 detects a zero cross point immediately after the reception signal reaches a predetermined level, and generates a zero cross detection signal. The zero cross point is a point where the amplitude of the received signal changes from positive to negative or from negative to positive. This zero cross point is the time when the ultrasonic wave reaches the ultrasonic vibrator 2. Based on the zero-crossing detection signal, a trigger signal is generated at a timing delayed by a predetermined time and input to the transmission circuit 3. The time from the generation of the zero cross detection signal to the generation of the trigger signal is called a delay time.
[0008]
The transmission circuit 3 drives the ultrasonic transducer 1 based on the trigger signal and generates the next ultrasonic wave. The next ultrasonic wave is generated from the generation of the zero cross detection signal. The repetition of the ultrasonic transmission-reception-amplification / delay-transmission loop is called sing-around, and the number of loops is called the sing-around number.
[0009]
The timer circuit 9 measures the time required to repeat the loop a predetermined number of times, and sends the measurement result to the flow rate calculation means 11. Next, the switching circuit 10 is switched, and the ultrasonic transducer 2 is used as a transmitter and the ultrasonic transducer 1 is used as a receiver to perform the same measurement.
[0010]
A value obtained by subtracting a value obtained by multiplying the delay time and the number of sing-around times from the time measured by the above-described method, and further dividing the value by the number of sing-around times is the ultrasonic wave propagation time. The propagation time when the ultrasonic transducer 1 is on the transmission side is t1, and the propagation time when the ultrasonic transducer 2 is on the transmission side is t2.
[0011]
Also, as shown in FIG. 12, the distance between the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 is L, and the fluid flow velocity and the ultrasonic sound velocity are V and C, respectively.
[0012]
At this time, t1 and t2 are expressed by the following equations.
[0013]
[Expression 1]

[0014]
From these equations, the flow velocity V is expressed by the following equation.
[0015]
[Expression 2]

[0016]
If the flow velocity V of the fluid is obtained, the flow rate Q is obtained from the product of the cross-sectional area of the flow path 14 and the flow velocity V.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
In the ultrasonic flow meter described above, the propagation times t1 and t2 of ultrasonic waves propagating between the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 are measured by zero cross detection. Therefore, the waveform when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator 1 is received by the ultrasonic vibrator 2 and the waveform when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator 2 is received by the ultrasonic vibrator 1 are as follows. Must match.
[0018]
However, in reality, the waveforms do not completely match due to the difference in characteristics between the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2. FIG. 13 shows that the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator 1 is received by the ultrasonic vibrator 2 when the flow velocity of the fluid is zero and the characteristics of the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibrator 2 are different. A waveform 18 at the time and a waveform 19 when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic vibrator 2 is received by the ultrasonic vibrator 1 are shown. The zero cross points immediately after the received signal exceeds level a become points 18a and 19a in waveform 18 and waveform 19, respectively, and these points do not match. That is, even if the gas or liquid to be measured is not flowing, an incorrect flow rate is shown.
[0019]
The ultrasonic transducer 1 is composed of a piezoelectric element, and the characteristics of the piezoelectric element are generally temperature dependent. FIG. 14 shows the temperature dependence of the difference Δt between the propagation times t1 and t2 when the fluid flow velocity is zero. In FIG. 14, when Δt changes almost in proportion to the temperature as indicated by a curve 20a, or as indicated by the curve 20b or 20c, Δt increases or decreases abruptly as the temperature increases. There is a case. This is because the temperature dependence of the characteristics of the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibrator 2 is different, and as a result, various patterns can be considered for the tendency of changes in the combined characteristics.
[0020]
Therefore, for example, when a gas meter is manufactured using a conventional ultrasonic flowmeter, it is measured that a gas is used even though no gas is used due to an error caused by a difference in characteristics between the two ultrasonic transducers. Due to the temperature dependence of the characteristic difference, the amount of usage may be measured differently in the morning and during the day when the temperature is low even during the day even if the same gas appliance is used. is there. When a gas leak detection function is added to the gas meter, not only an error occurs in the measurement, but also the reliability of the detection function may be reduced.
[0021]
In addition to the change in temperature of the characteristics of the ultrasonic vibrator, the ultrasonic vibrator deteriorates while the ultrasonic flowmeter is used for a long period of time, and the characteristics change over time. As described above, the aging of the characteristic does not always occur in the same manner in the two ultrasonic transducers, which causes an error in the flow rate measurement.
[0022]
Further, the terminals for connecting the wiring to the ultrasonic vibrators 1 and 2 are corroded, and the resistance value of the corroded portion is increased, so that the electrical connection between the wiring and the ultrasonic vibrators 1 and 2 is incomplete. Such a failure that the connection with the wiring is broken due to the vibration of the ultrasonic vibrators 1 and 2 may occur while the ultrasonic flowmeter is used for a long period of time. It is also conceivable that the ultrasonic transducers 1 and 2 themselves are destroyed for some reason.
[0023]
Measurement errors caused by such characteristic differences of ultrasonic transducers and failure of ultrasonic flowmeters are particularly problematic when high reliability is required for ultrasonic flowmeters.
[0024]
An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide an ultrasonic flow meter and a gas meter that can detect a measurement error or a failure due to a change in characteristics of an ultrasonic transducer by self-diagnosis. .
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The ultrasonic flowmeter of the present invention includes at least two ultrasonic transducers that transmit and receive ultrasonic waves, a first characteristic difference that indicates a difference in characteristics between the two ultrasonic transducers, and / or the two ultrasonic waves. A second characteristic difference indicating a difference between a past characteristic and a present characteristic of at least one of the vibrators is detected, and the state of the flowmeter is determined based on the first characteristic difference and / or the second characteristic difference. Self-diagnosis means for generating a diagnostic signal to be shown, and the flow rate of the fluid flowing through the flow path is measured based on the propagation time difference of the ultrasonic waves.
[0026]
In a preferred embodiment, the ultrasonic flowmeter further includes a transmission circuit that generates a drive signal for driving the ultrasonic transducer, and the characteristic of the ultrasonic transducer is generated by the ultrasonic transducer. Based on the reflected wave of the drive signal.
[0027]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis unit detects an envelope signal of the reflected wave, and detects an intensity of the envelope signal at a predetermined time as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0028]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis unit detects a standing wave ratio between the reflected wave and the drive signal as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0029]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis unit detects a return loss of the drive signal as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0030]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis unit detects the phase of the reflected wave as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0031]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis means detects the first characteristic difference and / or the second characteristic difference when the fluid is stationary.
[0032]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis means outputs a diagnostic signal indicating normality when a condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is equal to or less than a first value is satisfied. Generate.
[0033]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis means outputs a diagnostic signal indicating a failure when a condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is equal to or greater than a second value is satisfied. Generate.
[0034]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis means satisfies the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is a value between a first value and a second value, A diagnostic signal indicating that the characteristic is fluctuating is generated.
[0035]
In a preferred embodiment, the self-diagnosis means performs the operation of detecting the first characteristic difference and / or the second characteristic difference a plurality of times, and the characteristic difference is continuously detected over a predetermined number of times. If the condition is met, the diagnostic signal is generated.
[0036]
The gas meter of the present invention includes a flow path through which a gas flows, any one of the ultrasonic flowmeters provided in the flow path, a shut-off valve that blocks the gas flowing through the flow paths, and the ultrasonic flow meter. And a control device for controlling the shut-off valve.
[0037]
In a preferred embodiment, the gas meter further comprises a communication device for transmitting the diagnostic signal output from the ultrasonic flow meter.
[0038]
Further, the self-diagnosis method of the ultrasonic flowmeter of the present invention measures the flow rate of the fluid flowing through the flow path based on the difference in ultrasonic propagation time, and the difference in the characteristics of at least two ultrasonic transducers that transmit and receive ultrasonic waves. And / or detecting a second characteristic difference indicating a difference between a past characteristic and a current characteristic of at least one of the two ultrasonic transducers; and the first characteristic Generating a diagnostic signal indicative of a state of the flow meter based on the difference and / or the second characteristic difference.
[0039]
In a preferred embodiment, the characteristic of the ultrasonic transducer is based on a reflected wave reflected from the ultrasonic transducer by a drive signal for driving the ultrasonic transducer.
[0040]
In a preferred embodiment, an envelope signal of the reflected wave is detected, and an intensity of the envelope signal at a predetermined time is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0041]
In a preferred embodiment, a standing wave ratio between the reflected wave and the drive signal is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0042]
In a preferred embodiment, a return loss of the drive signal is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0043]
In a preferred embodiment, the phase of the reflected wave is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer.
[0044]
In a preferred embodiment, the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is detected when the fluid is stationary.
[0045]
In a preferred embodiment, in the step of generating the diagnostic signal, when the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is equal to or smaller than a first value is satisfied, the normality is indicated. A diagnostic signal is generated, and when the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is equal to or greater than a second value is satisfied, a diagnostic signal indicating a failure is generated, and the first characteristic difference is generated. When the condition that the characteristic difference and / or the second characteristic difference is a value between the first value and the second value is satisfied, a diagnostic signal indicating that the characteristic is fluctuating is generated.
[0046]
In a preferred embodiment, in the self-diagnosis method, when a signal indicating that the characteristic is changed is generated, the flow rate value in a state where the fluid is stationary using the two ultrasonic transducers. The method further includes a step of correcting the ultrasonic flowmeter using the measured value.
[0047]
In a preferred embodiment, when the operation of detecting the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is performed a plurality of times and the characteristic difference satisfies the same condition continuously over a predetermined number of times, A corresponding diagnostic signal is generated.
[0048]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention. The ultrasonic flowmeter 51 includes a first ultrasonic transducer 1 and a second ultrasonic transducer 2 that are arranged so as to form an ultrasonic propagation path in the fluid flow path 14, a transmission circuit 3, and the like. The reflected wave detection circuit 4 and the reception circuit 6 are provided.
[0049]
The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 function as a transmitter and a receiver, respectively. The ultrasonic wave transmitted from the first ultrasonic transducer 1 is received by the second ultrasonic transducer 2, and the ultrasonic wave transmitted from the second ultrasonic transducer 2 is the first ultrasonic transducer 1. Receive by. These bidirectional propagation paths form an angle θ with respect to the flow direction of the fluid flowing through the flow path 14. The magnitude of the angle θ is selected from the range of 10 to 40 degrees.
[0050]
As the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, various ultrasonic transducers that are driven at a frequency of about 20 KHz or more and are conventionally used as an ultrasonic flow meter can be used. . The optimum frequency is appropriately selected according to the state and type of the fluid to be measured and the predicted flow velocity. In the present embodiment, for example, an ultrasonic vibrator that vibrates in a thickness vibration mode and has a resonance frequency of 200 KHz is used.
[0051]
The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are connected to the transmission circuit 3 via the switching unit 12, and the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 1 are selected by the switching unit 12. Either one of the second ultrasonic transducers 2 is selectively connected to the transmission circuit 3 selectively.
[0052]
The ultrasonic flowmeter 51 further includes a directional coupler 15 provided between the transmission circuit 3 and the switching unit 12 and a self-diagnosis unit 40 connected to the directional coupler 15. The self-diagnosis means 40 will be described in detail below.
[0053]
The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are connected to the receiving circuit 6 via the switching unit 13. The ultrasonic wave that has reached the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is converted into an electric signal, and the reception signal is amplified by the reception circuit 6. When the electrical signal generated by the ultrasonic wave that reaches the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is sufficiently large, the receiving circuit 6 does not necessarily amplify the received signal.
[0054]
When the first ultrasonic transducer 1 is connected to the transmission circuit 3, the reception circuit 6 is connected to the second ultrasonic transducer 2, and the second ultrasonic transducer 2 is connected to the transmission circuit 3. In some cases, it is preferable that the switching means 12 and the switching means 13 are interlocked so that the receiving circuit 6 is connected to the first ultrasonic transducer 1. The switching means 12 and the switching means 13 may be mechanical such as a relay, or may be configured by an electronic circuit or the like.
[0055]
The reception signal amplified by the reception circuit 6 is sent to the zero cross detection circuit 7, and the zero cross point immediately after the reception signal reaches a predetermined level is detected by the zero cross detection circuit 7. Thereby, a zero cross detection signal is generated.
[0056]
The repetitive circuit 8 generates a trigger signal at a timing delayed by a predetermined time based on the zero-cross detection signal, and outputs the trigger signal to the transmission circuit 3. The transmission circuit 3 drives the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 based on the trigger signal.
[0057]
The timing circuit 9 measures the time required to repeat the sing-around a predetermined number of times, and sends the measurement result to the flow rate calculation means 10.
[0058]
With reference to FIG. 1 and FIG. 2, the procedure for measuring the flow rate of the fluid will be described first. The flow rate measurement procedure is the same as the conventional one. As shown in FIG. 2, the trigger signal 21 is input to the oscillation circuit 3 to generate a drive signal, and ultrasonic waves are generated from the first ultrasonic transducer 1. The ultrasonic wave propagated through the flow path 14 is received by the second ultrasonic transducer 2 and detected as a reception signal 22 by the reception circuit 6. The zero cross detection circuit 7 detects a zero cross point immediately after the reception signal 22 reaches a predetermined level, and generates a zero cross detection signal. The repeater circuit 8 generates a trigger signal 21 ′ after a predetermined delay time 23 based on the zero-cross detection signal, and outputs the trigger signal 21 ′ to the transmission circuit 3. Thus, one loop of single-around is configured.
[0059]
After repeating the sing-around for a predetermined number of times (for example, 50 to 1000 times), the timing circuit 9 measures the total time 24 required to repeat the loop and sends the measurement result to the flow rate calculation means 11. A value obtained by subtracting a value obtained by multiplying the total time 24 by the delay time 23 and the number of times of sing-around and further dividing by the number of times of sing-around is t1 shown in Expression (1).
[0060]
Next, using the switching means 12 and 13, the transmission circuit 3 is connected to the second ultrasonic transducer 2, and the reception circuit 3 is connected to the first ultrasonic transducer 1. Then, ultrasonic waves are generated from the second ultrasonic transducer 2 by the same procedure as described above, and the first ultrasonic transducer 1 receives the ultrasonic waves. After repeating the sing-around a predetermined number of times, the timer circuit 9 measures the total time 24 required to repeat the loop and sends the measurement result to the flow rate calculation means 11. A value obtained by subtracting a value obtained by multiplying the total time 24 by the delay time 23 and the number of times of sing-around and further dividing the value by the number of times of sing-around is t2 shown in Expression (1).
[0061]
By substituting the values of t1 and t2 and the angle θ into the equation (2), the flow velocity V of the fluid is obtained. Further, if the cross-sectional area of the flow path 14 is S, the flow rate Q can be obtained by V × S. This flow rate Q is the amount that the fluid moves per unit time, and the amount of fluid can be obtained by integrating the flow rate Q.
[0062]
Subsequently, the self-diagnosis means 40 will be described. As shown in FIG. 1, the self-diagnosis unit 40 includes a reflected wave detection circuit 4 and a determination unit 5. The reflected wave detection circuit 4 detects the reflected wave of the drive signal generated in the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2, and based on the detected reflected wave, the determination unit 5 uses the ultrasonic flowmeter. The state of 51 is diagnosed. This reflected wave is generated because the output impedance of the transmission circuit 3 and the impedance of the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 do not match.
[0063]
FIG. 3 shows impedance curves in the thickness vibration mode of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. As shown in FIG. 3, the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 have the highest electromechanical conversion efficiency at the resonance frequency fr and can be driven stably. For this reason, the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are driven at the resonance frequency.
[0064]
When the electroacoustic characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are equal, the impedance curves are approximately the same, and the impedance at the resonance frequency is equal. At this time, the difference between the output impedance of the transmission circuit 3 and the input impedance at the resonance frequency of the first ultrasonic transducer 1 and the output impedance of the transmission circuit 3 and the input impedance at the resonance frequency of the second ultrasonic transducer 2 Therefore, the characteristics of the reflected waves generated by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are equal. Accordingly, the fact that the characteristics of the reflected waves generated by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are the same means that the electroacoustic characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic vibration. This shows that the electroacoustic characteristics of the child 2 are equal, and that accurate measurement without measurement errors is possible.
[0065]
On the other hand, contact resistance between one of the first ultrasonic vibrator 1 or the second ultrasonic vibrator 2 and the wiring thereof is increased due to corrosion or disconnection of the terminal, or the first ultrasonic vibrator 1. Alternatively, when one of the second ultrasonic transducers 2 is out of order, the input impedance of the ultrasonic transducer is significantly increased, and the reflected wave from the failed ultrasonic transducer is also significantly increased. As a result, the characteristics of the reflected waves generated by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are greatly different. Therefore, the characteristics of the reflected waves generated by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are greatly different from each other, which means that the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 have different characteristics. One of them has failed and cannot be measured.
[0066]
When the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 change due to changes in temperature or aging of the piezoelectric element, usually, the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 change. The sonic transducer 2 does not change its characteristics in exactly the same way. For this reason, a difference in characteristics of reflected waves generated by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 occurs. Therefore, the difference in the characteristics of the reflected waves generated by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is caused by the fact that the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic vibration are generated. Variations in characteristics have occurred in either or both of the children 2, indicating that errors may be included in the measurement results.
[0067]
For this reason, the state of the ultrasonic flowmeter 51 can be diagnosed by measuring the reflected waves from the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 and comparing the values. In addition, since the impedance of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 can change when the fluid flows at a high flow rate, the measurement of the reflected wave can be performed when the flow rate is low. Preferably, it is more preferably performed when the fluid is stationary.
[0068]
FIG. 4 shows a specific configuration of the self-diagnosis means 40 shown in FIG. The reflected wave detection circuit 4 of the self-diagnosis means 40 includes a detection circuit 41, a sample / hold circuit 42, and an A / D conversion circuit 43. The detection circuit 41 is configured by a known envelope detection circuit including a constant voltage diode 41a and a capacitor 41b. When a part (−20 dB) of the reflected wave is input from the terminal 41c, the envelope signal is input to the terminal 41c. Output from 41d. As will be described in detail below, in this embodiment, the reflected wave envelope signal is detected as the reflected wave characteristic, and the intensity of the detected envelope signal at a predetermined time is detected as the characteristic of the ultrasonic transducer. .
[0069]
The output from the detection circuit 41 is input to the sample / hold circuit 42. The sample and hold circuit 42 is constituted by a known circuit including an operational amplifier 42a, holds a signal input from the input terminal 42c based on a control signal input to the control terminal 42b, and holds it from the output terminal 42d. Output a signal.
[0070]
FIG. 5 shows a signal output from the output terminal 41 d of the detection circuit 41 when the reflected wave based on the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is input to the reflected wave detection circuit 4. And signals output from the output terminal 42d.
[0071]
The drive signal sent from the transmitter 3 to the first ultrasonic transducer 1 by the transmission trigger signal 21 is reflected by the first ultrasonic transducer 1, and the reflected wave is detected by the detection circuit 41. As a result, the envelope signal 15 is output from the terminal 41d. The detected envelope signal 15 is input to the input terminal 42 c of the sample and hold circuit 42.
[0072]
When a control signal in which the pulse 26 rises at a timing delayed by a predetermined time t2 from the transmission trigger signal 21 is input from the control terminal 42b, the sample and hold circuit 42 determines the voltage value of the envelope signal 15 when the pulse 26 rises. Holding the period of the pulse 26, the voltage value 17 is output from the output terminal 42d. The control signal is generated by a microcomputer that controls other circuits of the ultrasonic flowmeter 51.
[0073]
Similarly, the drive signal sent from the transmitter 3 to the second ultrasonic transducer 2 is reflected by the second ultrasonic transducer 2. The reflected wave is detected by the detection circuit 41, and the envelope signal 16 is output from the terminal 41d. The envelope signal 16 is also input to the input terminal 42c of the sample and hold circuit 42, and the voltage value 18 is output from the output terminal 42d.
[0074]
The voltage value 17 based on the reflected wave from the first ultrasonic transducer 1 and the voltage value 18 based on the reflected wave from the second ultrasonic transducer 2 are converted into digital signals by the A / D conversion circuit 43, and the determination is made. Input to means 5.
[0075]
The determination means 5 can be configured by another circuit of the ultrasonic flowmeter 51, a microcomputer that controls other means, or the like. Determination means 5 holds at least one of voltage value 17 and voltage value 18 in step 5a, and compares voltage value 17 and voltage value 18 in step 5b. In step 5c, the state of the ultrasonic flowmeter is determined based on the comparison result, and a diagnostic signal is generated.
[0076]
Next, the procedure for performing a self-diagnosis using the ultrasonic flowmeter 51 will be described in more detail with reference to FIGS. First, the fluid in the flow path 14 shown in FIG. 1 is stopped so as not to affect the diagnosis of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 (step 61A). Then, the switching means 12 and 13 are operated so that the first ultrasonic transducer 1 is connected to the transmission circuit 3 (step 61B), and a drive signal is output from the transmission circuit 3. The signal wave detected by the first ultrasonic transducer 1 is detected by the signal detection circuit 4, and the obtained voltage value S ₁ Is stored in the memory (step 61C).
[0077]
Further, the switching means 12 and 13 are operated so that the second ultrasonic transducer 2 is connected to the transmission circuit 3 (step 61D), and a drive signal is output from the transmission circuit 3. The signal wave detected by the second ultrasonic transducer 2 is detected by the signal detection circuit 4, and the obtained voltage value S is obtained. ₂ Is stored in the memory (step 61E).
[0078]
Next, two voltage values S ₁ And S ₂ Are compared to make a diagnosis (step 61F). For example, the following function is considered as an evaluation function for performing diagnosis.
[0079]
The evaluation function (1) is f (S ₁ , S ₂ (If 0.01 is satisfied, the characteristics of the reflected waves by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are substantially substantially equal, and the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 1 The input impedance difference with the ultrasonic transducer 2 is so small that it can be substantially ignored, that is, the characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 can be neglected. The measurement error is small and does not affect the measurement result of the ultrasonic flowmeter 51. Accordingly, in this case, a diagnostic signal indicating that the ultrasonic flowmeter 51 is normal is generated to perform self-diagnosis. Is finished (step 61G).
[0080]
The evaluation function (1) is f (S ₁ , S ₂ ) (When 0.3 is satisfied, the characteristics of the reflected waves by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are greatly different, and the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 1 are different from each other. The input impedance difference with the sonic transducer 2 is also extremely large, in this case, a diagnostic signal indicating that the ultrasonic flowmeter 51 is out of order is generated and the self-diagnosis is terminated (step 61H).
[0081]
The evaluation function (1) is 0.01 <f (S ₁ , S ₂ ) <0.3, an input impedance difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is generated. This indicates that a characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 occurs, and an error may be included in the flow rate measurement. However, the environment around the ultrasonic flowmeter 51 is temporarily in a non-uniform state, which causes a characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. There is also a possibility that For example, the ultrasonic flowmeter 51 is installed outdoors, and the morning sun irradiates only one of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 when the ambient temperature is low, such as in the morning. It is conceivable that the temperature of the irradiated part rises.
[0082]
Therefore, the evaluation function (1) is 0.01 <f (S ₁ , S ₂ ) When satisfying <0.3, an appropriate time has elapsed in order to determine whether or not the characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is temporary. After that, self-diagnosis is performed again (step 61B). After the diagnosis is repeated several times at a predetermined time interval, the value of the evaluation function (1) is f (S ₁ , S ₂ (If 0.01 is satisfied, as described above, a diagnostic signal indicating that the ultrasonic flowmeter 51 is normal is generated and the self-diagnosis is terminated (step 61G).
[0083]
On the other hand, even after the diagnosis is repeated several times at a predetermined time interval, the evaluation function (1) is 0.01 <f (S ₁ , S ₂ ) If it is in the range of <0.3, there is a characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. In this case, a diagnostic signal indicating that the characteristics of the ultrasonic flowmeter 51 are changing is generated (step 61J). Then, the flow rate is measured while the fluid is still (step 61K), and the obtained flow rate value is stored as an offset value in the memory of the microcomputer that controls the flow rate calculation means 10 or the ultrasonic flowmeter 51 (step step). 61L), the flow rate is measured by correcting the flow rate based on the offset value.
[0084]
As described above, according to the present embodiment, changes in characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are evaluated by reflected waves with respect to these drive signals, and self-diagnosis of the ultrasonic flowmeter Used for. Therefore, the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 can be used without using a new sensor for detecting a change in the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. Diagnosis can be performed while the ultrasonic transducer 2 is incorporated in the ultrasonic flowmeter. Therefore, with a simple configuration, it is possible to easily detect the temporal change of the ultrasonic transducer and the occurrence of a failure.
[0085]
Also, the intensity of the reflected wave envelope signal at a predetermined time is detected as compared with the case where the intensity of the reflected wave at the predetermined time by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is detected. By doing so, there is an advantage that a high-speed A / D conversion circuit is not required.
[0086]
When making a diagnosis by comparing the two voltage values S1 and S2, the diagnosis of normal (step 61G) or abnormality (step 61H) can be made only by comparing the two voltage values S1 and S2 once. went. However, in order to perform diagnosis more reliably, when the same diagnostic result is obtained continuously over a predetermined number of times, such as when diagnosing that there is a characteristic difference between the two ultrasonic transducers. It may be diagnosed as normal or faulty.
[0087]
In addition, the timing for performing the diagnosis is arbitrarily set according to the expected characteristic change of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. For example, when the ultrasonic flowmeter 51 is used as a gas meter, a temperature difference in one day may give an error in measurement. In such a case, diagnosis may be performed several times a day. When only the measurement error due to the secular change of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 becomes a problem, the diagnosis may be performed at intervals of several days to several months.
[0088]
In the above embodiment, the voltage value S based on the reflected wave of the first ultrasonic transducer 1. ₁ And the voltage S based on the reflected wave of the second ultrasonic transducer 2 ₂ And the state of the ultrasonic flowmeter 51 was diagnosed. In addition to or instead of this diagnosis, the voltage value S ₁ And voltage value S ₂ The past value and the current value of each of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are compared with each other to examine the change over time, and the ultrasonic flowmeter 51 is self-diagnosed. You may do it.
[0089]
FIG. 7 shows a procedure for diagnosing a change with time of the first ultrasonic transducer 1. First, in the same manner as described above, the fluid in the flow path 14 shown in FIG. 1 is stopped (step 71A). Then, the switching means 12 and 13 are operated so that the first ultrasonic transducer 1 is connected to the transmission circuit 3 (step 71B), and a drive signal is output from the transmission circuit 3. The signal wave detected by the first ultrasonic transducer 1 is detected by the signal detection circuit 4, and the obtained voltage value S _1n Is stored in the memory (step 71C). Where n is a natural number starting from 1 and S _1n Is the voltage value S obtained by the nth detection. ₁ It shall be shown. S _2n Is defined in the same way. According to the same procedure, the voltage value S which is a past detected value is previously stored. _1n-1 And the value S _2n-1 Is stored in memory. When the self-diagnosis shown in FIG. 6 is also used, the voltage value S stored in step 61C of FIG. ₁ For each self-diagnosis ₁₁ , S ₁₂ , ... S _1n-1 , S _1n Save as. Similarly, the voltage value S stored in step 61E of FIG. ₂ For each self-diagnosis _{twenty one} , S _{twenty two} , ... S _2n-1 , S _2n Save as. In this way, the voltage value need not be detected and stored again.
[0090]
Next, two voltage values S _1n And S _1n-1 Diagnose by comparing. For example, the following function is considered as an evaluation function for performing diagnosis.
[0091]
In this embodiment, the same function as the evaluation function (1) is used as the evaluation function (2), but a different function may be used. Further, as described below, the same value is used as the evaluation criterion, but an evaluation criterion different from the value used in the above-described diagnosis procedure may be set.
[0092]
The evaluation function (2) is f (S _1n , S _1n-1 (If 0.01 is satisfied, the characteristic of the reflected wave by the first ultrasonic transducer 1 is the voltage value S) _1n-1 And the voltage value S _1n Is substantially equal to the measured value, and the difference in input impedance is substantially negligible. That is, the characteristic difference due to the temporal change of the characteristic of the first ultrasonic transducer 1 is small enough to be ignored. In this case, a diagnostic signal indicating that the first ultrasonic transducer of the ultrasonic flowmeter 51 is normal is generated (step 71G).
[0093]
The evaluation function (2) is f (S _1n , S _1n-1 (If 0.3 is satisfied, the characteristic of the reflected wave by the first ultrasonic transducer 1 is the voltage value S) _1n-1 And the voltage value S _1n And the input impedance difference is extremely large. In this case, a diagnostic signal indicating that the first ultrasonic flow meter 1 of the ultrasonic flow meter 51 is out of order is generated (step 71H).
[0094]
The evaluation function (2) is 0.01 <f (S _1n , S _1n-1 ) <0.3, the characteristic of the reflected wave from the first ultrasonic transducer 1 is the voltage value S _1n-1 And the voltage value S _1n This shows that there is a possibility that an error may be included in the measurement of the flow rate due to the difference in characteristics between the measurement and the measurement. However, as described above, the characteristic difference may be temporary due to external factors. Therefore, the evaluation function (2) is 0.01 <f (S _1n , S _1n-1 ) If <0.3 is satisfied, a self-diagnosis is performed again after an appropriate time has elapsed in order to determine whether the characteristic difference of the first ultrasonic transducer 1 is temporary ( Step 71B). After the diagnosis is repeated several times at a predetermined time interval, the value of the evaluation function (2) is f (S _1n , S _1n-1 (If 0.01 is satisfied, as described above, a diagnostic signal indicating that the first ultrasonic transducer is normal is generated (step 71G).
[0095]
On the other hand, even after the diagnosis is repeated several times at predetermined time intervals, the evaluation function (2) is 0.01 <f (S _1n , S _1n-1 ) If it is in the range of <0.3, the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 have changed over time, so that a diagnostic signal indicating that the characteristics have changed is generated (step 71J). .
[0096]
Similarly, the second ultrasonic transducer 2 is also diagnosed. When at least one of the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is in failure, a diagnostic signal indicating that the ultrasonic flowmeter 51 is in failure is generated. Further, when the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are normal, a diagnostic signal indicating that the ultrasonic flowmeter 51 is normal is generated.
[0097]
When at least one of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 has a change in characteristics over time, the flow rate is maintained while the fluid remains stationary as shown in FIG. (Step 71K), and the obtained flow rate value is stored as an offset value in the memory of the microcomputer that controls the flow rate calculation means 10 or the ultrasonic flowmeter 51 (Step 71L), and the flow rate is calculated based on this offset value. Correct and measure the flow rate.
[0098]
According to this self-diagnosis, either the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 has failed, or the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer. It is also possible to determine which of 2 has caused a change in characteristics over time.
[0099]
In addition, the voltage value S _1n And voltage value S _2n May be sequentially stored in a microcomputer or the like, and fluctuations from the initial characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 may be diagnosed. For example, the voltage value S _1n Is the initial voltage value S ₁₁ 6 or more than a predetermined ratio (for example, 50%), if the characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is in the procedure described in FIG. 6 or FIG. Even if it is a range determined to be normal or a range determined to require correction, it is determined that the ultrasonic flowmeter 51 is broken or that the ultrasonic flowmeter 51 needs to be replaced with a new one. May be. This is because the deviation from the initial characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is large, and the measurement accuracy of the ultrasonic wave flowmeter 51 may not be guaranteed. If such a self-diagnosis function is added to the ultrasonic flowmeter 51, the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 1 before the ultrasonic flowmeter 51 breaks down and does not operate. 2 can be repaired, or the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 can be replaced with a new one.
[0100]
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. The ultrasonic flowmeter 52 includes self-diagnosis means 46 instead of the self-diagnosis means 40 of the ultrasonic flowmeter 51 of the first embodiment. The transmission circuit 3, the reception circuit 6, the zero cross detection circuit 7, the repetition circuit 8, the timing circuit 9 and the flow rate calculation means 10 of the ultrasonic flowmeter 52 are formed by the same configuration as the corresponding circuit or means of the first embodiment. Yes. The method for measuring the flow rate using the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is the same as the method described in the first embodiment.
[0101]
In the present embodiment, the driving signal output from the transmission circuit 3 is a traveling wave, and the reflected wave and the traveling wave generated when the driving signal is reflected by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. And the standing wave ratio (VSWR) is calculated and used for self-diagnosis of the ultrasonic flowmeter 52. As described in the first embodiment, the magnitude of the reflected wave also fluctuates based on the change in the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, so that the standing wave ratio is detected. By doing so, the ultrasonic flowmeter 52 can be preferably diagnosed.
[0102]
As shown in FIG. 8, the self-diagnosis means 46 of the ultrasonic flowmeter 52 includes a reflected wave detection circuit 44a, a traveling wave detection circuit 44b, a peak detection circuit 45a, a peak detection circuit 45b, an A / D conversion circuit 43, and a determination means. 5 is included. A directional coupler 15a and a directional coupler 15b are inserted between the transmission circuit 3 and the switching means 12.
[0103]
The drive signal output from the transmission circuit 3 is propagated as a traveling wave to the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 via the switching unit 12, and the first ultrasonic transducer 1 or A reflected wave of the drive signal propagates from the second ultrasonic transducer 2 toward the transmission circuit 3. The directional coupler 15a guides only a part (−20 dB) of the reflected wave out of the traveling wave and the reflected wave to the reflected wave detection circuit 44a. The directional coupler 15b guides only a part of the traveling wave (−20 dB) to the traveling wave detection circuit.
[0104]
Each of the reflected wave detection circuit 44a and the traveling wave detection circuit 44b is configured by a circuit including a coil, and detects the reflected wave and the traveling wave. The peak detection circuit 45 a detects the peak voltage vr of the signal detected by the reflected wave detection circuit 44 a and outputs the peak voltage vr to the A / D conversion circuit 43. The peak detection circuit 45 b also detects the peak voltage vf of the signal detected by the reflected wave detection circuit 44 b and outputs the peak voltage vf to the A / D conversion circuit 43. The A / D conversion circuit 43 converts the peak voltage vr and the peak voltage vf into digital signals and outputs them to the determination means 5.
[0105]
In the determination means 5, first, the standing wave ratio is obtained. The standing wave ratio R is obtained by the following equation (3).
[0106]
The switching means 12 is switched, and the standing wave ratio R due to the reflected wave based on the first ultrasonic transducer 1 according to the above-described procedure. ₁ And standing wave ratio R based on the reflected wave based on the second ultrasonic transducer 2 ₂ And ask. Calculated standing wave ratio R ₁ And standing wave ratio R ₂ In the determination means 5, the diagnosis of the ultrasonic flowmeter 52 is performed according to the procedure shown in FIG. 6 or FIG. 7 as described in the first embodiment.
[0107]
Specifically, when the ultrasonic flowmeter 52 is diagnosed on the basis of the characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, the diagnostic procedure shown in FIG. Voltage value S ₁ And S ₂ In place of standing wave ratio R ₁ And standing wave ratio R ₂ Is used to find the value of the evaluation function (1). Based on the obtained value, the signal indicating that the ultrasonic flowmeter 52 is normal, the signal indicating that the ultrasonic flowmeter 52 is abnormal, and the correction of the ultrasonic flowmeter 52 are necessary. The signal shown is generated. When the correction of the ultrasonic flowmeter 52 is necessary, as shown in FIG. 6, the flow rate is measured while the fluid is stationary, and the flow rate correction is performed using the obtained value.
[0108]
Further, when the ultrasonic flowmeter 52 is diagnosed on the basis of the change over time in the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, the voltage in the diagnostic procedure shown in FIG. Value S ₁ And S ₂ In place of standing wave ratio R ₁ And standing wave ratio R ₂ Is used to find the value of the evaluation function (2). Based on the obtained value, the signal indicating that the ultrasonic flowmeter 52 is normal, the signal indicating that the ultrasonic flowmeter 52 is abnormal, and the correction of the ultrasonic flowmeter 52 are necessary. The signal shown is generated. When the correction of the ultrasonic flowmeter 52 is necessary, as shown in FIG. 7, the flow rate is measured in a state where the fluid is stationary, and the flow rate correction is performed using the obtained value.
[0109]
In this way, the driving signal output from the transmission circuit is a traveling wave, and the standing wave ratio between the traveling wave and the reflected wave from the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is measured. Thus, the ultrasonic flowmeter 52 can be diagnosed. Further, the effect of easily knowing the degree of reflection can be obtained by using the standing wave ratio.
[0110]
(Third embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing a ninth embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. The ultrasonic flowmeter 53 includes self-diagnosis means 47 instead of the self-diagnosis means 40 of the ultrasonic flowmeter 51 of the first embodiment.
[0111]
The self-diagnosis unit 47 includes a return loss bridge 49, a detection circuit 48, an A / D conversion circuit 43, and a determination unit 5. Further, as shown in FIG. 9, a switching unit 81 is provided between the switching unit 12 and the transmission circuit 3, and a path connecting the transmission circuit 3 and the switching unit 12 via the return loss bridge 49. Any one of the paths directly connecting the transmission circuit 3 and the switching means 12 can be selected by the switching means 81.
[0112]
The transmission circuit 3, the reception circuit 6, the zero-cross detection circuit 7, the repetition circuit 8, the timing circuit 9, and the flow rate calculation means 10 of the ultrasonic flowmeter 53 are formed by the same configuration as the corresponding circuits and means of the first embodiment. ing. The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are connected by directly connecting the transmission circuit 3 and the switching unit 12 using the switching unit 81 and using the same method as in the first embodiment. Can be used to measure the flow rate.
[0113]
If the transmission circuit 3 and the switching unit 12 are connected by the switching unit 81 via the return loss bridge 49, the self-diagnosis of the ultrasonic flowmeter 53 can be performed. In the present embodiment, the return loss of the drive signal output from the transmission circuit 3 is detected. The return loss of the drive signal is caused by driving the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. When impedance matching between the transmission circuit 3 and the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is high, the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is used. The reflected wave of the drive signal generated in is small. In this case, the return loss becomes large. On the other hand, when the impedance of the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is different from the output impedance of the transmission circuit 3, the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is used. The reflected wave of the drive signal generated in is large. In this case, the return loss is small. As described above, since the magnitude of the return loss also changes depending on the magnitude of the reflected wave in the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2, as described in the first embodiment, the return loss It is possible to know the change in characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 by measuring.
[0114]
As the return loss bridge 49 of the self-diagnosis means 47, a known return loss bridge can be used. In the return loss bridge 49, the drive signal output from the transmission circuit 3 is propagated to the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2. The drive signal reflected by the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is guided to the detection circuit 49. The detection circuit 49 detects a signal returned from the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2, and the detected signal is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit 43 and converted. The signal is input to the determination means 5.
[0115]
When performing the self-diagnosis in the ultrasonic flowmeter 51, first, the switching unit 3 is switched, and the signal output from the transmission circuit 3 is transmitted through the return loss bridge 49 of the self-diagnosis unit 47 through the first ultrasonic vibration. Propagated to the child 1 or the second ultrasonic transducer 2. The first ultrasonic transducer 1 is connected to the return loss bridge 49 by the switching means 12. A burst signal (for example, a wave number of 10 or more) longer than a signal used for flow rate measurement is output from the transmission circuit 3 as a drive signal, and a return loss L that is a reflected wave generated by the first ultrasonic transducer 1 ₁ Is detected by the detection circuit 48. The detected value is converted by the A / D conversion circuit 43 and input to the determination means 5.
[0116]
Next, the second ultrasonic transducer 1 is connected to the return loss bridge 49 by the switching means 12. A return loss L that is a reflected wave generated by the second ultrasonic transducer 2 by the same procedure. ₂ Is detected by the detection circuit 48. The detected value is converted by the A / D conversion circuit 43 and input to the determination means 5.
[0117]
The judging means 5 obtains the obtained return loss L ₁ And return loss L ₂ And the ultrasonic flowmeter 52 is diagnosed according to the procedure shown in FIG. 6 or FIG. More specifically, when diagnosing the ultrasonic flowmeter 53 based on the characteristic difference between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, the diagnostic procedure shown in FIG. Voltage value S ₁ And S ₂ Return loss L ₁ And return loss L ₂ Is used to find the value of the evaluation function (1). Based on the obtained value, a signal indicating that the ultrasonic flow meter 53 is normal, a signal indicating that the ultrasonic flow meter 53 is abnormal, and the correction of the ultrasonic flow meter 53 are necessary. The signal shown is generated. Further, when the ultrasonic flowmeter 53 needs to be corrected, as shown in FIG. 6, the flow rate is measured while the fluid is stationary, and the flow rate correction is performed using the obtained value.
[0118]
Further, when the ultrasonic flowmeter 52 is diagnosed on the basis of the change over time in the characteristics of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2, the voltage in the diagnostic procedure shown in FIG. Value S ₁ And S ₂ Return loss L ₁ And return loss L ₂ Is used to find the value of the evaluation function (2). Based on the obtained value, a signal indicating that the ultrasonic flow meter 53 is normal, a signal indicating that the ultrasonic flow meter 53 is abnormal, and the correction of the ultrasonic flow meter 53 are necessary. The signal shown is generated. Further, when correction of the ultrasonic flowmeter 53 is necessary, as shown in FIG. 7, the flow rate is measured in a state where the fluid is stationary, and the flow rate correction is performed using the obtained value.
[0119]
As described above, the driving signal output from the transmission circuit is a traveling wave, and the return loss between the traveling wave and the reflected wave from the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is measured. The ultrasonic flow meter 53 can be diagnosed. Further, it is possible to obtain an effect that the degree of reflection can be easily known by using the return loss.
[0120]
In the first to third embodiments, an example in which an envelope signal of a reflected wave, a standing wave ratio, and a return loss are detected as reflection characteristics has been described. In addition to these, as a characteristic of the reflected wave, the phase of the reflected wave by the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 may be detected and diagnosed based on the phase difference.
[0121]
(Fourth embodiment)
Hereinafter, the gas meter provided with the ultrasonic flowmeter of the present invention will be described.
As shown in FIG. 10, the gas meter 54 is provided between the pipe 82a and the pipe 82b, and measures the flow rate of the gas flowing from the pipe 82a to the pipe 82b. The gas flowing through the pipe 82a and the pipe 82b may be other gases such as hydrogen and oxygen, in addition to those used in general households such as natural gas and propane gas.
[0122]
The pipe 82 a and the pipe 82 b are connected to the upper part of the gas meter 54. The gas flow rate is displayed on a display unit 83 provided in the gas meter 54. The gas meter 54 is provided with an antenna 84 for transmitting the result of self-diagnosis to a gas company or the like.
[0123]
FIG. 11 schematically shows the internal structure of the gas meter 54. The gas meter 54 includes a flow path 85 connected to the pipe 82a and the pipe 82b. The flow path 85 is divided in the middle into a main flow path 85a and a measurement flow path 85b, and a shutoff valve 87 is provided in the main flow path 85a. Further, two shutoff valves 86 are provided in the measurement channel 85b.
[0124]
As the gas meter 54, the ultrasonic flowmeters of the first to third embodiments can be used. As the gas meter 54, for example, the ultrasonic flowmeter 51 of the first embodiment is used. The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 of the ultrasonic flowmeter 51 are provided in a region between the two shutoff valves 86 of the measurement flow channel 85b, and the transmission circuit 3 and the like Another circuit 51 ′ is formed on the substrate 88. On the substrate 88, a display unit 83, a control device 89 including a microcomputer, and a communication device 90 are provided. The control device 89 controls the ultrasonic flowmeter 51, the communication device 90, the cutoff valve 86 and the cutoff valve 87.
[0125]
The measurement flow path 85b and the main flow path 85a are configured so that a gas having a proportional flow rate always flows. The flow rate of the gas flowing through the measurement flow path 85b is measured by the ultrasonic flowmeter 51, and the value is set to a predetermined value. By multiplying this correction, the flow rate of the gas flowing through the measurement flow path 85b and the main flow path 85a can be measured.
[0126]
Data relating to the flow rate measured by the ultrasonic flowmeter 51 is processed by the control device 89 and displayed on the display unit 83. In addition, the control device 89 monitors whether there is an abnormality in the measured flow rate. For example, when a large flow rate of gas suddenly starts to flow, it is determined that a gas leak has occurred, the shutoff valve 86 and the shutoff valve 87 are operated, and the gas supply is stopped. Then, the communication device 88 is used to transmit information indicating a gas leak to the gas company. Alternatively, the flow rate of the gas flowing through the pipe 85 during a predetermined period may be stored in the control device 89, and the value may be transmitted as a gas usage amount to a gas company or the like using the communication device 90.
[0127]
When performing the self-diagnosis, first, the gas in the measurement flow path 85b is stopped by the shutoff valve 86. Then, self-diagnosis is performed according to the procedure described in the first to third embodiments. The communication device 90 may be used to sequentially transmit the diagnosis result to a gas company or the like, or when the gas meter 54 is diagnosed to be faulty or the ultrasonic transducer of the gas meter 54 has deteriorated. Only when diagnosed, the diagnosis result may be transmitted to the gas company.
[0128]
As described above, in the self-diagnosis, it is necessary to stop the gas in the flow path provided with the ultrasonic transducer. Although the time required for one self-diagnosis is several seconds, in this embodiment, the measurement flow path 85b is branched from the main flow path 85a so that inconvenience does not occur due to the stop of gas supply during the self-diagnosis. When self-diagnosis is performed when no gas is used, or when there is no problem even if gas supply is stopped during self-diagnosis, the measurement channel 85b is used as the main channel and the main channel 85a is not provided. Good.
[0129]
【The invention's effect】
According to the present invention, measurement is caused by changes in characteristics of two ultrasonic vibrators of an ultrasonic flowmeter over time, temperature changes in characteristics, or impedance changes due to corrosion of terminals connecting the ultrasonic vibrator and wiring. A decrease in accuracy can be diagnosed, and a decrease in measurement accuracy can be prevented by the diagnosis.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an ultrasonic flowmeter of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating measurement by a sing-around method.
FIG. 3 is an impedance curve diagram showing electrical characteristics of an ultrasonic transducer used in the present invention.
4 is a circuit diagram showing a specific configuration of self-diagnosis means of the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 1; FIG.
5 is a diagram for explaining signals detected in the circuit shown in FIG. 4; FIG.
FIG. 6 is a flowchart for explaining a self-diagnosis procedure;
FIG. 7 is a flowchart for explaining a self-diagnosis procedure;
FIG. 8 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing a third embodiment of the ultrasonic flowmeter of the present invention.
FIG. 10 is an external view showing a gas meter according to a fourth embodiment of the present invention.
11 is a schematic diagram showing the structure of the gas meter of FIG.
FIG. 12 is a block diagram showing a conventional ultrasonic flowmeter.
FIG. 13 is a diagram showing a difference in received waveform that occurs in a conventional ultrasonic flowmeter.
FIG. 14 is a graph showing temperature dependence of changes in characteristics of a conventional ultrasonic flowmeter.
[Explanation of symbols]
1 First ultrasonic transducer
2 Second ultrasonic transducer
3 Transmitter circuit
4 signal detection circuit
5 judgment means
6 Receiver circuit
7 Zero cross detection circuit
8 Repeat circuit
9 Timing circuit
12, 13, 81 switching means
11 Flow rate calculation means
14 Channel
40 Self-diagnosis circuit
41 Detection circuit
42 Sample and hold circuit
43 A / D conversion circuit

Claims (21)

An ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of fluid flowing through a flow path based on the propagation time difference of ultrasonic waves,
At least two ultrasonic transducers for transmitting and receiving ultrasonic waves;
A transmission circuit for generating a drive signal for driving the ultrasonic transducer;
A first characteristic difference indicating a difference between characteristics of the two ultrasonic transducers and / or a second characteristic difference indicating a difference between a past characteristic and a current characteristic of at least one of the two ultrasonic transducers. And self-diagnosis means for generating a diagnostic signal indicating a state of a flow meter based on the first characteristic difference and / or the second characteristic difference,
Wherein the characteristics of the ultrasonic vibrator, ultrasonic flowmeter is based on the reflected wave of the drive signal generated by the ultrasonic vibrator. 2. The ultrasonic flowmeter according to claim 1 , wherein the self-diagnosis unit detects an envelope signal of the reflected wave and detects an intensity of the envelope signal at a predetermined time as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter according to claim 1 , wherein the self-diagnosis unit detects a standing wave ratio between the reflected wave and the drive signal as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter according to claim 1 , wherein the self-diagnosis unit detects a return loss of the drive signal as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter according to claim 1 , wherein the self-diagnosis unit detects a phase of the reflected wave as a characteristic of the ultrasonic transducer. Said self-diagnosis means, ultrasonic flow meter according to any one of claims 1-5 for detecting said first characteristic differences and / or the first characteristic difference when the fluid is stationary. The self-diagnosis unit, when the condition that the first characteristic differences and / or the second characteristic difference is less than or equal to the first value, to claim 6 for generating a diagnostic signal indicating a normal The described ultrasonic flowmeter. The self-diagnosis unit, when the condition that the first characteristic differences and / or the second characteristic difference is the second value or more, in claim 7 for generating a diagnostic signal indicative of the fault The described ultrasonic flowmeter. The self-diagnosis means has a characteristic variation when the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is a value between a first value and a second value is satisfied. The ultrasonic flowmeter according to claim 8 , which generates a diagnostic signal indicating the above. The self-diagnosis means performs the operation of detecting the first characteristic difference and / or the second characteristic difference a plurality of times, and when the characteristic difference satisfies the condition continuously over a predetermined number of times, The ultrasonic flowmeter according to claim 7 , wherein the diagnostic signal is generated. A flow path through which gas flows;
The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 10 , provided in the flow path,
A shutoff valve for shutting off a gas flowing through the flow path;
A control device for controlling the ultrasonic flowmeter and the shutoff valve;
Gas meter equipped with. The gas meter according to claim 11 , further comprising a communication device for transmitting the diagnostic signal output from the ultrasonic flowmeter. A method for self-diagnosis of an ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of fluid flowing through a flow path based on a difference in propagation time of ultrasonic waves,
A first characteristic difference indicating a difference between characteristics of at least two ultrasonic transducers that transmit and receive ultrasonic waves, and / or a difference between a past characteristic and a current characteristic of at least one of the two ultrasonic vibrators. Detecting a second characteristic difference;
Generating a diagnostic signal indicating a state of a flow meter based on the first characteristic difference and / or the second characteristic difference;
And the ultrasonic transducer characteristic is based on a reflected wave reflected from the ultrasonic transducer by a drive signal for driving the ultrasonic transducer. Method. The ultrasonic flowmeter self-diagnosis method according to claim 13 , wherein an envelope signal of the reflected wave is detected, and an intensity of the envelope signal at a predetermined time is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter self-diagnosis method according to claim 13 , wherein a standing wave ratio between the reflected wave and the drive signal is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter self-diagnosis method according to claim 13 , wherein a return loss of the drive signal is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter self-diagnosis method according to claim 13 , wherein the phase of the reflected wave is detected as a characteristic of the ultrasonic transducer. The ultrasonic flowmeter self-diagnosis method according to claim 14 , wherein the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is detected when the fluid is stationary. In the step of generating the diagnostic signal,
If the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is less than or equal to a first value is satisfied, a diagnostic signal indicating normality is generated;
If the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is greater than or equal to a second value is satisfied, a diagnostic signal indicating a failure is generated,
When the condition that the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is a value between the first value and the second value is satisfied, a diagnostic signal indicating that the characteristic is fluctuating The self-diagnosis method of the ultrasonic flowmeter according to claim 18 to be generated. When a signal indicating that the characteristic is changing is generated, the flow rate value in a state where the fluid is stationary is measured using the two ultrasonic transducers, and the measured value is used. 20. The ultrasonic flowmeter self-diagnosis method according to claim 19 , further comprising a step of correcting the ultrasonic flowmeter. When the operation of detecting the first characteristic difference and / or the second characteristic difference is performed a plurality of times and the characteristic difference satisfies the same condition continuously over a predetermined number of times, the corresponding diagnostic signal is The self-diagnosis method of the ultrasonic flowmeter according to claim 20 to be generated.

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