JP4485641B2

JP4485641B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP4485641B2
Application number: JP2000071909A
Authority: JP
Inventors: 勝正高木; 和夫山田; 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001264136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
送信側としても受信側としても働く１対の超音波送受波器を、流路中の上流側と下流側に一定の距離を離して配設し、上流側の送受波器から下流側の送受波器へ超音波パルスを送信したときの超音波の順方向伝搬時間と、下流側の送受波器から上流側の送受波器へ超音波パルスを送信したときの超音波の逆方向伝搬時間とから流体の流速を計測し、更に流量を演算する、順方向と逆方向の伝搬速度の差を利用する超音波流量計が周知である。
【０００３】
この種の超音波流量計では、伝搬時間（到達時間ともいう）を測定するのに、送信側の送受波器から超音波パルスを送信した時点から、受信波の送受波器で受信する受信ポイントまでの基準クロックの数を計数している。
【０００４】
そして、伝搬時間の測定精度を上げるために、先ず第１の送信を行い、その受信と同時に第２の送信を行い、またその受信と同時に第３の送信を行い、これを一定の複数回連続することで、複数回の送受信を繰り返し、前記伝搬時間を複数回分まとめて測定していた。
【０００５】
こうすることで、順方向と逆方向の伝搬時間をそれぞれ１回の送受信のみで測定する場合に比較して測定精度を複数倍に向上させ、実質的な伝搬時間測定の分解能を複数倍に上げていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液体用の流量計では、気体用に比較して流体中の音速が速いため超音波の伝搬時間が短くなるため、その分高分解能で伝搬時間を測定することが要求される。また、流量計を小型に構成するためには、２つの超音波送受波器間の距離を小さくする必要があり、そのために伝搬時間が短くなるので、やはり高分解能での伝搬時間測定が要求される。
【０００７】
しかし、超音波の送信は瞬間的なものでも、１回の受信波は減衰するのに１００μｓ以上かかるため、伝搬時間が１００μｓ以下だと受信波が減衰するまでに次の超音波パルスが到達してしまって、これがノイズとなり、受信ポイントを正確に特定することができないで、上述の複数回の連続的な送受信の繰り返しによる測定精度の向上ができなく、液体用の小型の超音波流量計の実現の大きな障害となっていた。
【０００８】
また、繰り返し送受信を行わず１回の伝搬時間を高分解能で測定するには、極めて高い周波数のＧＨｚオーダーの基準クロックが必要になり、技術的にも、消費電流的にも、コスト的にも問題であった。
【０００９】
そこで、本発明は、極めて高い周波数の基準クロックを用いないで、高い測定精度が得られ、液体用の小型の超音波流量計の実現を図ることができる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、送信側にも受信側にも働く少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を順方向と逆方向にそれぞれ超音波の送受を行い、その各向きの到達時間から流速さらに流量を求める超音波流量計であって、
基準クロックを出力する基準クロック発振部と、
１回の測定に、一定の周期で複数回（ｎ回）基準クロックに同期して送信側送受波器を駆動する駆動部と、
受信側の送受波器が接続され受信波の受信ポイントを検知する受信部と、
受信ポイントから直後のクロック同期ポイントまでをパルス長とする第１の時間パルスを出力するパルス出力部と、
順次複数個（ｎ個）の第１の時間パルスが入力されると、これら複数個（ｎ個）の第１の時間パルスのパルス長をアナログ的に加算した総和のパルス長を有する第３の時間パルスを出力するパルス加算部とを有し、
複数回行った送信駆動から受信ポイント直後のクロック同期ポイントまでを基準クロックで測定した時間の総和から、第３の時間パルスのパルス長を基準クロックで測定した値を減ずることで到達時間を得るようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、パルス加算部を積分回路で構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３の発明は、送信側にも受信側にも働く少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を順方向と逆方向にそれぞれ超音波の送受を行い、その各向きの到達時間から流速さらに流量を求める超音波流量計であって、
基準クロックを出力する基準クロック発振部と、
１回の測定に、一定の周期で複数回（ｎ回）基準クロックに同期して送信側送受波器を駆動する駆動部と、
受信側の送受波器が接続され受信波の受信ポイントを検知する受信部と、
受信ポイントから直後のクロック同期ポイントまでをパルス長とする第１の時間パルスを出力するパルス出力部と、
順次複数個（ｎ個）の第１の時間パルスが入力されると、これら複数個（ｎ個）の第１の時間パルスのパルス長をアナログ的に加算し、その和を逓倍（ｍ倍）したパルス長を有する第４の時間パルスを出力するパルス加算逓倍部とを有し、
複数回（ｎ回）行った送信駆動から受信ポイント直後の同期ポイントまでの基準クロックで測定した時間の和から、第４の時間パルスのパルス長を基準クロックで測定した値の１／ｍを減ずることで１回の到達時間を得るようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３の超音波流量計において、前記パルス加算逓倍部を積分回路で構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に基づいて説明する。
【００１９】
〔参考例〕
図１は参考例の構成を示す。
【００２０】
送受波器１，２は超音波振動子で送信側にも受信側にも使用できる。切替スイッチ３，４が図示の状態では、送受波器１は送信側、送受波器２は受信側として働く。両送受波器１，２は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。
【００２１】
受信部５は受信側の送受波器（例えば２）が接続され受信ポイントを検知すると受信波検知信号を出力する。なお、受信部５は受信波の第３波と第４波の間のゼロクロスポイントを受信ポイントとして検知する（図２参照）。
【００２２】
同期部６は制御部７からのスタート信号を受けるとその後の最初の基準クロックとの同期ポイントにおいて送信指令信号を駆動部８へ出力する（図２参照）。
【００２３】
駆動部８は同期部６より送信指令信号を受けると送信側の送受波器（例えば１）を駆動する。
【００２４】
パルス出力部９は受信部５より入力される受信波検知信号で“Ｈｉｇｈ”になりその後の最初の基準クロック同期ポイントで“Ｌｏｗ”となる第１の時間パルスを出力する（図２）。この第１の時間パルスのパルス長を図２では符号Ｔ₁で示す。
【００２５】
パルス逓倍部１０はパルス出力部９よりの第１の時間パルスを入力し時間パルスが“Ｌｏｗ”となるとともに時間パルス長Ｔ₁をｍ倍したパルス長ｍＴ₁の第２の時間パルスを出力する（図２）。
【００２６】
第１のカウンタ１１は同期部６からの送信指令信号入力時からパルス出力部９からの第１の時間パルスの立下がりエッジまでの時間を基準クロック発振部１２からの基準クロックの同期ポイントをカウントすることで測定する。この値は制御部７に出力される。
【００２７】
この第１のカウンタ１１は制御部７よりのスタート信号でリセットされるようになっている。第２のカウンタ１３はパルス逓倍部１０からの第２の時間パルスのパルス長を基準クロックの同期ポイントをカウントすることで測定する。その時間（カウント値）は制御部７が読み取る。
【００２８】
制御部７は一定時間間隔で送受切替信号を反転させることにより２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。各切り替え後、毎回、切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、スタート信号を出力する。そして、全測定を終了すると（第２の時間パルスで検知）、第１のカウンタ１１、第２のカウンタ１３の測定値（カウント値）を読み取り、順方向到達時間を演算、直前に行った逆向きでの測定値とを用いて、その間の流速・流量を演算する。
【００２９】
この参考例では、順方向と逆方向のそれぞれ１度の送信で必要な分解能を確保しようというものである。送信を１度しか行わないので受信も１回、よって受信の減衰は関係ない（測定間隔は減衰時間より十分大きい）。
【００３０】
従来技術では、基準クロックの周期が到達時間測定の分解能となる。しかし本参考例では受信ポイントから直後の基準クロック同期ポイントまでの時間Ｔ₁をアナログ的にｍ倍してｍＴ₁とし、それを基準クロックで測定することで到達時間測定の分解能をｍ倍とすることが可能である。
【００３１】
基準クロック周期をＴ、第２の時間パルスの測定結果をｋとすると、
到達時間＝Ｔ・（ｎ′−ｋ／ｍ）
となる。なお、ｎ′は図２に示すように送信駆動時点から受信波の受信ポイントの直後の基準クロック同期ポイントまでを基準クロックで測定した第１のカウンタ１１のカウント値で、図２に示す第１の時間パルスの立下がりポイントにおける基準クロック同期ポイントの数に相当する。
【００３２】
精度良い到達時間測定のためには、アナログ的に構成するパルス逓倍部１０で決まるｍの大きさを正しく設定する必要がある。基準クロックの１周期という明確な時間を逓倍しその結果を基準クロックで時間測定することにより正確なｍを得ることができる。また、定期的にこの測定を行いｍを修正（較正）することでパルス逓倍部１０の温度変化等をある程度許容でき、よって高価な高性能の部品を使う必要がない。
【００３３】
図１のパルス逓倍部１０は、図３（ａ）のように積分回路で構成することができる。この回路は、オペアンプ１４、コンパレータ１５、ＯＲゲート１６、基準電圧−Ｅ，Ｅ、抵抗Ｒ１，Ｒ２、コンデンサＣ及び第１の時間パルスで閉じるスイッチＳ１等を図示のように接続して構成されている。
【００３４】
図３（ｂ）は、同図（ａ）の回路の動作を示す信号波形図で、第１の時間パルスでスイッチＳ１，Ｓ２が閉じると、オペアンプ１４の出力が積分動作で上昇する。
【００３５】
変換スタート信号は第１の時間パルスの立下がりエッジから短いＷＡＩＴを置いて立上がる信号を作って使用している。変換スタート信号の立上がりでスイッチＳ２が閉じるとオペアンプ１４の出力が積分動作で下降して、コンパレータ１５が第２の時間パルスの終了時点を定める。第２の時間パルスの立上がり時点は前記変換スタート信号の立上がりで定まる。こうして得た第２の時間パルスのパルス長はｍＴ₁となり、ｍは積分回路の回路定数Ｒ１とＲ２から、
ｍ＝Ｒ１／Ｒ２
として定められる。
【００３６】
〔実施例１〕
上記参考例では、１回の流速・流量の測定に、順方向と逆方向のそれぞれについて、各１回の送受信を行っているが、この実施例１では、１回の流速・流量の測定をするのに、受信波が確実に減衰する時間より大きな間隔をおいて複数回（ｎ回）の送受信を行うことで、測定の精度をｎ倍に上げるもので、請求項１に対応する。
【００３７】
ｎ回の送受の間隔を受信波減衰に要する時間より大きくとることにより前回の受信波の悪影響をなしにでき、また基準クロックでカウントできないクロック周期以下の部分はｎ回分をアナログ的に加えて測定することにより、結果的に測定の精度（実質的な分解能）がｎ倍に向上する。
【００３８】
図４はこの実施例の作用を説明する波形図である。
【００３９】
第１回目から第ｎ回目までの第１の時間パルスのパルス長をｔ１，ｔ２，…，ｔｎとすると、第３の時間パルスのパルス長は、第１の時間パルスの各パルス長をアナログ的に加算した値の、
第３の時間パルスのパルス長＝ｔ１＋ｔ２＋…＋ｔｎ
となるため、このパルス長を基準パルスを使用して計数測定する。そして複数回（ｎ回）行った送信駆動から受信ポイント直後のクロック同期ポイントまでを基準クロックで測定した値Ｔｌ１，Ｔｌ２，…，Ｔｌｎの総和、
Ｔ（ｌ１＋ｌ２＋…＋ｌｎ）
から第３の時間パルスのパルス長を減じて到達時間を求める。
【００４０】
即ち、第３の時間パルスのパルス長ｔ１＋ｔ₂＋…＋ｔｎを基準パルスで測定したカウント値がｋであるとすると、到達時間は、到達時間＝Ｔ（ｌ１＋ｌ２＋…＋ｌｎ−ｋ）／ｎとなり、この到達時間に基いて得られる流速・流量の測定精度（分解能）は、参考例の場合のｎ倍になる。
【００４１】
図５はこの実施例１のブロック図で、送受波器１，２は超音波振動子で送信側にも受信側にも使用できる。両送受波器１，２は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。
【００４２】
受信部５は受信側の送受波器（例えば２）が接続され受信ポイントを検知すると受信波検知信号を出力する。
【００４３】
駆動指令部６Ａは制御部７Ａからのスタート信号を受けるとその後の最初の基準クロックとの同期ポイントにおいて送信指令信号を出力してその後は基準クロック一定数カウントする度に送信指令信号を出力する。これは１回の測定にｎ回繰り返される。
【００４４】
駆動部８は駆動指令部６Ａより送信指令信号を受けると送信側の送受波器（例えば１）を駆動する。
【００４５】
パルス出力部９は受信部５より入力される受信検知信号で“Ｈｉｇｈ”になりその後の最初の基準クロック同期ポイントで“Ｌｏｗ”となる第１の時間パルスを出力する。
【００４６】
パルス加算部１７はパルス出力部９よりのｎ個の第１の時間パルスを入力し最後（ｎ個目）の第１の時間パルスが“Ｌｏｗ”となるとともに第１の時間パルスの総パルス長をパルス長とする第３の時間パルスを出力する。
【００４７】
第１のカウンタ１１Ａはｎ回ある駆動指令部６Ａからの発振指令信号入力時からパルス出力部９からの時間パルスの立下がりエッジまでの時間の総和を基準クロック発振部１２からの基準クロックの同期ポイントを第１のカウンタ１１Ａでカウントすることで測定する。この値は制御部７Ａに出力される。
【００４８】
なお、第１のカウンタ１１Ａは制御部７Ａよりのスタート信号でリセットされるようになっている。第２のカウンタ１３Ａはパルス加算部１７からの第３の時間パルスのパルス長を基準クロックの同期ポイントをカウントすることで測定する。その時間（カウント値）は制御部７Ａが読み取る。
【００４９】
制御部７Ａは一定時間間隔で送受切替信号を反転させることにより２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。各切り替え後、毎回、切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、スタート信号を出力する。そして、全測定を終了すると（第３の時間パルスで検知）、第１のカウンタ１１Ａ、第２のカウンタ１３Ａの測定値（カウント値）を読み取り、到達時間を演算し、この到達時間と、その直前に行った逆方向での到達時間の測定値とを用いて、その間の流速・流量を演算する。
【００５０】
なお、この実施例１で、パルス加算部１７を積分回路で構成することができる（請求項２）。図６（ａ）はこの積分回路の回路図で、前記参考例における図３（ａ）の積分回路とほぼ同様の構成であるが、積分抵抗Ｒは１個だけである。同図（ｂ）にその作用を示すが、第１の時間パルスが一定の時間間隔でｎ個入力されると、その都度スイッチＳ１がオンして積分回路を構成するオペアンプ１４の出力が積分定数Ｒ×Ｃで上昇する。
【００５１】
変換スタート信号はｎ番目の第１の時間パルスの立下がりエッジから短いＷＡＩＴを置いて立上がる信用を作って使用している。オペアンプ１４の出力は変換スタート信号の立上がりからスタートして積分定数Ｒ×Ｃで下降する。そしてコンパレータ１５でゼロ点を検出して第３の時間パルスの終了時点としている。
【００５２】
〔実施例２〕
この実施例２は請求項３に対応するもので、そのブロック図を図７に示す。このブロック図は、図５のブロック図と比較して、パルス加算部１７の代わりにパルス加算逓倍部１８を用いている点が大きな相違点である。
【００５３】
送受波器１，２は超音波振動子で送信側にも受信側にも使用できる。両送受波器１，２は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。
【００５４】
受信部５は受信側の送受波器（例えば２）が接続され受信ポイントを検知すると受信波検知信号を出力する。
【００５５】
駆動指令部６Ａは制御部７Ｂからのスタート信号を受けるとその後の最初の基準クロックとの同期ポイントにおいて送信指令信号を出力してその後は基準クロック一定数カウントする度に送信指令信号を出力する。これは１回の測定にｎ回繰り返される。
【００５６】
駆動部８は駆動指令部６Ａより送信指令信号を受けると送信側の送受波器（例えば１）を駆動する。
【００５７】
パルス出力部９は受信部５より入力される受信検知信号で“Ｈｉｇｈ”になりその後の最初の基準クロック同期ポイントで“Ｌｏｗ”となる第１の時間パルスを出力する。
【００５８】
パルス加算逓倍部１８はパルス出力部９からのｎ個の第１の時間パルスを入力し、これらｎ個の第１の時間パルスのパルス長をアナログ的に加算し（こうして得た前記図４におけるパルス長がｔ１＋ｔ２＋…＋ｔｎの第３の時間パルスと同じパルス長を得たあと）、更にその和をｍ倍に逓倍したパルス長を有する第４の時間パルスを出力する。この第４の時間パルスはｎ番目の第１の時間パルスが“Ｌｏｗ”となるときに出力される。
【００５９】
第１のカウンタ１１Ａはｎ回ある駆動指令部からの発振指令信号入力時からパルス出力部９からの時間パルスの立下がりエッジまでの時間の総和を基準クロック発振部１２からの基準クロックの同期ポイントをカウントすることで測定する。この値は制御部７Ｂに出力される。
【００６０】
なお、第１のカウンタ１１Ａは制御部７Ｂよりのスタート信号でリセットされるようになっている。第２のカウンタ１３Ａはパルス加算逓倍部１８からの第４の時間パルスのパルス長を基準クロックの同期ポイントをカウントすることで測定する。その時間（カウント値）は制御部７Ｂが読み取る。
【００６１】
制御部７Ｂは一定間隔で送受切替信号を反転させることにより２つの送受波器の役割の切り替えを行う。
【００６２】
各切り替え後、毎回、切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、スタート信号を出力する。そして、全測定を終了すると（第４の時間パルスで検知）、第１のカウンタ１１Ａ、第２のカウンタ１３Ａの測定値（カウント値）を読み取り、到達時間を演算し、この到達時間とその直前に行った逆方向での測定値とを用いて、その間の流速・流量を演算する。
【００６３】
なお、この実施例２で、パルス加算逓倍部１８のｍの正確な値を監視するために、通常の上記測定とは別に、定期的に基準クロックの１周期あるいはその整数倍をパルス長とするパルスを１個又は複数個パルス加算逓倍部１８に入力して、その逓倍（ｍ倍）されたパルス長を基準クロックで測定することにより逓倍値（ｍ）を修正（較正）することができる。こうすることで、パルス加算逓倍部１８の温度変化等をある程度許容でき、高価な高性能の部品を使わないでも測定精度を上げられる。
【００６４】
図８は図７のパルス加算逓倍部１８を積分回路で構成した回路の実施例で、同図（ａ）は回路図、（ｂ）は作用を説明する波形図である。回路のハード的な構成は前記図３（ａ）と類似しており、その作用は図６（ｂ）で説明したｎ個の第１の時間パルスのパルス長の加算動作と、図３（ｂ）で説明したパルス長をｍ倍に逓倍する逓倍動作を合わせ持たせたと同じような動作をする。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、従来技術が基準クロックで量子化した値で測定した到達時間に基いて流速・流量を求めていたために、避けることができなかった基準クロックの１周期という分解能の壁をブレークスルーして精度の高い超音波流量計を実現できる。また、基準クロックの１周期以下の測定精度が得られるため、基準クロックの周波数を高くしなくても、到達時間（伝搬時間）の小さい液体用の小型超音波流量計が実現できる。
【００６７】
また、繰り返しの送受信回数を増やすことで、例えばｎ倍に精度が上がる。
【００６８】
また、何れの発明も、基準クロックの周波数を高めることなく、高い測定精度が得られるので、逆に基準クロックの周波数を低くして、消費電流を減らし、電池駆動の超音波流量計の実現に寄与する利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例のブロック図である。
【図２】図１の参考例の作用を説明する信号波形図である。
【図３】図１の参考例に用いるパルス逓倍部の具体例で、同図（ａ）は電気回路図、同図（ｂ）は作用を説明する信号波形図である。
【図４】本発明の実施例１の作用を説明する信号波形図である。
【図５】本発明の実施例１のブロック図である。
【図６】図５の実施例に用いるパルス加算部の具体例で、同図（ａ）は電気回路図、同図（ｂ）は作用を説明する信号波形図である。
【図７】本発明の実施例２のブロック図である。
【図８】図７の実施例に用いるパルス加算逓倍部の具体例で、同図（ａ）は電気回路図、同図（ｂ）は作用を説明する信号波形図である。
【符号の説明】
１，２超音波送受波器
３，４切替スイッチ
５受信部
６同期部
６Ａ駆動指令部
７，７Ａ，７Ｂ制御部
８駆動部
９パルス出力部
１０パルス逓倍部
１１，１１Ａ第１のカウンタ
１２基準クロック発振部
１３，１３Ａ第２のカウンタ
１４オペアンプ
１５コンパレータ
１６ＯＲゲート
１７パルス加算部
１８パルス加算逓倍部

Claims

送信側にも受信側にも働く少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を順方向と逆方向にそれぞれ超音波の送受を行い、その各向きの到達時間から流速さらに流量を求める超音波流量計であって、
基準クロックを出力する基準クロック発振部と、
１回の測定に、一定の周期で複数回（ｎ回）基準クロックに同期して送信側送受波器を駆動する駆動部と、
受信側の送受波器が接続され受信波の受信ポイントを検知する受信部と、
受信ポイントから直後のクロック同期ポイントまでをパルス長とする第１の時間パルスを出力するパルス出力部と、
順次複数個（ｎ個）の第１の時間パルスが入力されると、これら複数個（ｎ個）の第１の時間パルスのパルス長をアナログ的に加算した総和のパルス長を有する第３の時間パルスを出力するパルス加算部とを有し、
複数回行った送信駆動から受信ポイント直後のクロック同期ポイントまでを基準クロックで測定した時間の総和から、第３の時間パルスのパルス長を基準クロックで測定した値を減ずることで到達時間を得るようにしたことを特徴とする超音波流量計。
パルス加算部を積分回路で構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
送信側にも受信側にも働く少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を順方向と逆方向にそれぞれ超音波の送受を行い、その各向きの到達時間から流速さらに流量を求める超音波流量計であって、
基準クロックを出力する基準クロック発振部と、
１回の測定に、一定の周期で複数回（ｎ回）基準クロックに同期して送信側送受波器を駆動する駆動部と、
受信側の送受波器が接続され受信波の受信ポイントを検知する受信部と、
受信ポイントから直後のクロック同期ポイントまでをパルス長とする第１の時間パルスを出力するパルス出力部と、
順次複数個（ｎ個）の第１の時間パルスが入力されると、これら複数個（ｎ個）の第１の時間パルスのパルス長をアナログ的に加算し、その和を逓倍（ｍ倍）したパルス長を有する第４の時間パルスを出力するパルス加算逓倍部とを有し、
複数回（ｎ回）行った送信駆動から受信ポイント直後の同期ポイントまでの基準クロックで測定した時間の和から、第４の時間パルスのパルス長を基準クロックで測定した値の１／ｍを減ずることで１回の到達時間を得るようにしたことを特徴とする超音波流量計。
前記パルス加算逓倍部を積分回路で構成したことを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。