JP5092413B2 - 流速または流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動子などを用い、超音波を利用して気体や液体などの流量を計測する流速または流量計測装置に関する。

従来、この種の流量計測装置としては、流路に流れの方向に相対して振動子を設け、超音波の伝搬時間差から流体の速度を演算していた（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、従来の超音波流量計の構成を示すブロック図である。図１０において、流体管路４の途中に超音波を発信する第１振動子５と受信する第２振動子６が流れ方向に配置されている。７は第１振動子５への送信回路、８は第２振動子６で受信した信号の増幅回路であり、ここで増幅された信号は比較回路９で基準信号と比較され、基準信号以上の信号が検出されたとき、回数設定回路１０で設定された回数だけ繰り返し手段１１はトリガ回路１２を付勢し、遅延手段１３で信号を遅延させた後超音波信号を繰り返し送信する。

繰り返しが始まったときに計時手段１４のタイマカウンタを起動し、回数設定回路１０で設定された繰り返し回数が終了したとき計時手段１４のタイマカウンタを停止し、時間を計測する。次に切換手段１５で第１振動子５と第２振動子６の送受信を切り換えて、第２振動子６から第１振動子５すなわち下流から上流に向かって超音波信号を発信し、この発信を前述のように繰り返し、その時間を計時する。そしてその時間差から管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１６で流量値を求める。
特開平９−２８０９１７号公報

しかしながら従来の流量計測装置では送信側振動子と受信側振動子を切換える動作が入り、計測−切換え−計測というように計測の間に時間のずれが発生している。

本発明は上記の課題を解決するもので、大きな時間ずれを発生することの無いよう直接振動子間を伝搬した時間を計時する第１の計時手段と振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する第２の計時手段との計時値に基づいて流量を算出することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、送信側の前記振動子から出力された前記超音波が受信側の前記振動子に伝搬するまでの第１の時間を計時する第１の計時手段と、送信側の前記振動子から出力された前記超音波が前記振動子間を少なくとも２回反射してから受信側の前記振動子に伝搬するまでの第２の時間を計時する第２の計時手段と、前記第１の時間と前記第２の時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記流量演算手段は、前記第１の時間と、前記第２の時間から２倍の前記第１の時間を減算した時間から前記被測定流体の流速を算出し、前記流量を算出する。

本発明の流量計測装置は、流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子間を伝搬する直接波と少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を用いて流量を算出する。

このため振動子を切換えて送受信動作を行う必要が無いので、時間ずれを発生することなく計測を行うことができる。

第１の発明は被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、送信側の前記振動子から出力された前記超音波が受信側の前記振動子に伝搬するまでの第１の時間を計時する第１の計時手段と、送信側の前記振動子から出力された前記超音波が前記振動子間を少なくとも２回反射してから受信側の前記振動子に伝搬するまでの第２の時間を計時する第２の計時手段と、前記第１の時間と前記第２の時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記流量演算手段は、前記第１の時間と、前記第２の時間から２倍の前記第１の時間を減算した時間から前記被測定流体の流速を算出し、前記流量を算出する流量計測装置である。

そして、反射することなく直接振動子間を伝搬した時間を計時する第１の計時手段と振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する第２の計時手段との計時値に基づいて流量を算出するものである。これによって、振動子を切替えて送受信動作を行う必要が無いため時間ずれを発生することなく計測を行うことができる。

第２の発明は、流量が無い時に前記第１の計時手段と前記第２の計時手段の出力信号を用いて流量演算手段の演算係数の補正を行う演算補正手段を有することで、直接波と反射波による誤差を流量の無い時に調整することが可能になる。

第３の発明は、送信側の前記振動子を前記流路の上流側に設置することで、伝搬時間を短くすることができ、省電力計測が可能になる。

第４の発明は、送信側の前記振動子を前記流路の下流側に設置することで、送信信号で強く励振するため送信側振動子の周りにゴミなどの付着を除去することが可能になる。

第７の発明は、特に第１の発明から第６の発明のいずれか１つにおける制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、これにより測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。

図１は本実施の形態の構成を示す流速または流量計測装置のブロック図である。図１おいて、本発明の超音波流量計は被測定流体の流れる流路３１と、前記流路３１に配置された超音波を送受信する第１の振動子３２、第２の振動子３３を設置し、前記第１の振動子３２を駆動する送信手段３４と、前記第２の振動子３３の受信信号を受け受信タイミングを決定する受信手段３５と、送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から直接超音波の伝搬波が第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間を測定する第１の計時手段３６と、直接超音波が第２の振動子３３で反射し、再度第１の振動３２で反射した後に第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間を測定する第２の計時手段３７と、前記第１の計時手段３６と前記第２の計時手段３７の計時値に基づいて前記一対の振動子間の流速を演算し、それから流量を求める流量演算手段３８とを有するものである。

さらに制御手段３９を設け、前記送信手段３４と前記受信手段３５と前記第１の計時手段３６と前記第２の計時手段３７と前記流量演算手段３８との少なくとも１つを制御する。

通常の流速または流量計測の動作を説明する。制御手段３９からスタート信号を受けた送信手段３４が第１の振動子３２を一定時間パルス駆動行うと同時に第１の計時手段３６および第２の計時手段３７は時間計測始める。パルス駆動された第１の振動子３２からは超音波が送信される。第１の振動子３２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第２の振動子３３で受信される。第２の振動子３３の受信出力は、受信手段３５で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。

この超音波の受信を決定した時点で第１の計時手段３６の動作を停止し、その時間情報ｔから（式１）によって流速を求める。

ここで、第１の計時手段３６から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、確度をφ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。
ｖ＝（１／ｃｏｓφ）＊（Ｌ／ｔ）−ｃ ・ ・・（式１）
受信手段３５は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっていることが多い。

また、第１の振動子３２と第２の振動子３３との送信、受信方向を切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式２，式３，式４）より速度ｖを求めることができる。

ここで、上流から下流への測定時間をｔ１、下流から上流への測定時間をｔ２とする。ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ＊ｃｏｓφ）・・・・・・・・（式２）
ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ＊ｃｏｓφ）・・・・・・・・（式３）
ｖ＝（Ｌ／２＊ｃｏｓφ）＊（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（式４）
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

このようにして流速や流量を求めることはできるが、上流から下流、下流から上流と超音波の伝搬方向を切換える動作が入ると計測−切換え−計測というように計測の間に時間のずれが発生する。また切換えの構成が複雑になり経路長を等しくするような調整が困難となる。

そこで送信、受信方向を切換えることをせずに伝搬方向が対になる伝搬時間を求める方法を説明する。

通常の動作は図２に示すタイミング図のようになる。すなわち、制御手段３９による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路３１内を伝搬し時刻ｔ１で第２の振動子３３に到達し、受信手段３５で受信点を検知すると信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。第１の計時手段３６は送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から直接超音波の伝搬波が第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間を測定する。これで上流から下流への伝搬時間を求めることができる。

超音波の伝搬は第２の振動子３３に到達するとそこで反射し第１の振動子３２の方向へ伝搬する。これが下流から上流への伝搬になる。第１の振動子３２に到達した伝搬信号は同様にそこで反射し第２の振動子３３方向で伝搬する。これが最初の直接伝搬と同じ方向になる。これを図３に横軸時間、縦軸を流路幅として伝搬する過程を示す。図２のタイミング図とあわせて説明する。流れが無い場合は伝搬方向に関わらず伝搬時間は同じになる。図３においてｔ０で第１の振動子（送信側振動子）３２から超音波信号が送出される。

流路３１内を伝搬した超音波信号は時刻ｔ１で第２の振動子（受信側振動子）３３に到達する。反射した超音波信号は時刻ｔ２で第１の振動子３２に戻り、再度そこで反射して時刻ｔ３で第２の振動子３３に到達する。

この時、受信側の第２の振動子３３の出力は受信手段３５に接続されているため、時刻ｔ１と時刻ｔ３の信号を捕らえることができるが、時刻ｔ２を直接求めることはできない。

しかし、図３より流路３１の中を流れる流体速度がｔ０からｔ１までの超音波直接波とｔ２からｔ３までの同方向の反射波伝搬時間が変化するほど高速に変動していない場合は、この２つの伝搬時間同士をＴ１として等しいとおくことができる。全体の時間Ｔ３から２倍のＴ１分を減算すると反対波となる下流から上流への伝搬時間Ｔ２を求めることが可能である。

流れのある場合を図４で説明する。図４において流体の流れ方向は左から右にむかっている。

制御手段３９による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路３１内を伝搬し時刻ｔ１’で第２の振動子３３に到達し、受信手段３５で受信点を検知すると信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。この場合超音波信号は流体の流れに沿っているため、図３の時刻ｔ１より早く第２の振動子に到達する。第１の計時手段３６は送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から反射せず直接伝搬する直接超音波の伝搬波が、第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間Ｔ１ａを測定する。これで上流から下流への伝搬時間を求めることができる。

次に時刻ｔ２’で超音波の伝搬は第２の振動子３３に到達するがこの伝搬時間は流体の流れに対向しているため図３のｔ１からｔ２までの時間より長くかかっている。これが下流から上流への伝搬時間であるが直接この時間を測定することは出来ない。同様に第１の
振動子３２で反射した超音波は第２の振動子３２の方向へ伝搬する。これが最初の直接伝搬と同じ方向になり全体の伝搬時間Ｔ３ａは受信手段３５を介して第２の計時手段３７で計測する。第１の計時手段３６で求めたＴ１ａと第２の計時手段３７で求めたＴ３ａを流量演算手段３８に送ることで式５からＴ２ａを求めることができる。
Ｔ２ａ＝Ｔ３ａ−２＊Ｔ１ａ ・・・・・・・・（式５）
Ｔ１ａをｔ１、Ｔ２ａをｔ２とし、式（４）代入することで、流速を求めることができる。

流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより、流量を導くことができる。

本実施の形態の説明では反射波は２回反射を基にしているが、これに限定されるものではなく、４回、６回の反射波を用いても同様の関係は導くことができる。

このように、直接振動子３２，３３間を伝搬した時間を計時する第１の計時手段３６と振動子３２，３３間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を、計時する第２の計時手段３７との計時値に基づいて流量を算出することにより、振動子を切替えて送受信動作を行う必要が無くても相対する伝搬時間を求めることができ、これにより流速を求めることが可能になる。これにより送受信方向を切換えるなどの時間ずれを発生することなく計測を行うことができる。

また、伝搬到達時間を求める際に受信波のどこをもって到達とするのかは、例えば図５で示すようにある基準電圧Ｖｒｅｆを越えた波形のゼロクロス点ｔａを利用することが多い。またｔａ一点を用いるのでは無くｔａ，ｔｂ，ｔｃ，ｔｄの４点の平均を用いるようにすることも可能である。第１の振動子３２から第２の振動子３３に直接伝搬してくる超音波波形は図６（ａ）のように振幅がＡ１である場合、２回反射して第２の振動子３３へ到達する信号は減衰するため図６（ｂ）のように振幅がＡ０と小さくなっている。この場合、受信手段３５で受信点ｔａを求めることができなくなる可能性がある。図７を用いてこれを回避する方法を説明する。

制御手段３９は第１の計時手段３６で直接伝搬波を受信したことを検知すると利得変更手段４２を介して受信手段３５の前段にある増幅手段４３の利得を大きくする。例えば図６（ｂ）の反射波の振幅Ａ０がＡ１にまで大きくなるようにする。そうすることで本来なら減衰して捕捉することが難しい反射を増幅して受信点として第２の計時手段３７で反射波による伝搬時間計測を可能にする。制御手段３９は第２の計時手段３７もしくは流量演算手段３８の信号により反射波が到達したことを検知すると次の直接波を受信するために利得を最初の状態にもどしておくよう利得変更手段４２を介して増幅手段４３の状態を調整する。

このように利得変更手段４２を有することにより、反射で振幅の小さくなった伝搬信号を正しく捕らえることが可能になる。

また反射波の伝搬到達時間を求める際に反射波の振幅を増幅手段４３で大きくしても直接波の波形とまったく同じになることは期待できない。このため同じ振幅Ａ１にしても基準電圧Ｖｒｅｆを調整する必要がでてくる。

制御手段３９は第１の計時手段３６で直接伝搬波を受信したことを検知すると利得変更手段４２を介して受信手段３５の前段にある増幅手段４３の利得を大きくするとともに参照電圧変更手段４４を介して受信手段３５の増幅手段４３後段にある比較手段４５の比較電圧を調整する。この調整は本来反射波が到達する時間を予測し制御手段３９が自動的に
求める場合や予め実験などで求めた値を記憶しておきその値を入れ替えながら調整することが可能である。

そうすることで本来なら減衰して捕捉することが難しい反射を増幅するとともに参照電圧を調節することで波形形状が変化しても受信点として第２の計時手段３７で反射波による伝搬時間計測を可能にする。制御手段３９は第２の計時手段３７もしくは流量演算手段３８の信号により反射波が到達したことを検知すると次の直接波を受信するために参照電圧を最初の状態にもどしておくよう参照電圧変更手段４４を介して比較手段４５の状態を調整する。

このように、反射波を受信するために受信手段３５の参照電圧を変化する参照電圧変更手段４４を有することにより、反射で振幅の小さくなった伝搬信号の受信点を正しく捕捉することが可能になる。

また、図３のＴ１とＴ３からＴ２を求める方法は反射波時刻ｔ２からｔ３の伝搬時間が時刻ｔ０からｔ１を等しいとしている。しかし受信手段３５の利得を変化したり、反射波の波形そのものが変形したりするとこの前提を補正する必要がでてくる。

そこで演算からもとめたＴ２がＴ１に近くなった場合（流速がほぼ０になった場合）に、流量演算手段３８が制御手段３９に信号を出し、制御手段３９は流速がほぼ無くなった場合に流量演算手段３８で用いる式４の係数Ｌ／２＊ｃｏｓφに補正を行うことにより、誤差を小さくする演算が可能なように調整する。この調整は自動で行ったり、予め求めた値を記憶しておきその値を入れ替えながら調整したりすることで実現できる。また、外部から流路３１を閉止して強制的に流速をゼロにし、調整することも可能である。その場合は流量ゼロであることを制御手段３９に通信手段などで入力するとより精度を高めることが可能になる。

このように、流量演算手段３８の出力または外部信号により流量が無い時に、第１の計時手段３６と第２の計時手段３７との出力信号を用いて、流量演算手段３８の演算係数の補正を行う演算補正手段を有することで、直接波と反射波による誤差を流量の無い時に調整することが可能になる。

また、図１に示すように送信側振動子である第１の振動子３２を常に上流に設置することで、電力の利点を出すことが可能になる。図４に示すように伝搬時間は流体の流れ方向に沿ったほうが短くなる。

図４では流れに沿った伝搬時間Ｔ１ａが２回と流れに対向した伝搬時間Ｔ２ａが１回の総時間Ｔ３ａを測定している。ここでＴ１ａはＴ２ａより短い。もし送信側を下流に設置すると流れに対向する伝搬時間が２回発生することになり総時間はＴ３ａより長くなる。伝搬時間を第２の計時手段３７が測定しているため、その動作時間が短いほどこのシステムを動作する電力は少なくてすむ。

このように送信側振動子を上流側に設置することで、伝搬時間を短くすることができ、省電力計測が可能になる。

また、図１に示すように送信側振動子を常に下流に設置することでシステムの信頼性を出すことが可能になる。図１に示すように下流側の振動子は流れ方向に対向しているため例えば流体に不純物が混在していると、振動子前面に体積する可能性がある。このような場合は信号を受信するだけの受動的な動きをしていると感度は要求されるのに不純物堆積によりその動きが悪くなる可能性がある。したがって送信信号を入力して強く動作するこ
とで不純物やゴミが振動子前面に付着してきてもそれを振動子の物理的振動動作により除去することで信頼性を向上できる。上流側振動子は構造上ゴミなどが入りにくいため受信動作を継続しても問題はないと思われる。

このように送信側振動子を下流側に設置することで、送信信号で強く励振するため送信側振動子の周りにゴミなどの付着を除去することが可能になる。

また、図８に示すように受信手段３５で直接波、反射波を受信した後、繰返し手段４０を介して送信手段３４で再度第１の振動子３２を駆動し、送受信を繰り返すことも可能である。そして予め定めた回数繰返した後、もとめた直接波伝搬時間と反射波伝搬時間の平均を求めることでより精度の良い流速演算を行うことが可能である。

また、図９に示すように遅延手段４１を用いるとｎ回反射が残響として残っている場合でもその影響の無い時間に送受信を繰り返すことが可能になる。

（実施の形態２）
実施の形態２に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。実施の形態１と異なるところは、振動子３２，３３や送信手段３４、受信手段３５、第１の計時手段３６、第２の計時手段３７と流量演算手段３８との少なくとも１つを制御する制御手段３９の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体４６を用いていることである。

図４において実施の形態１で示した制御手段３９の動作を行うには、予め実験等により式４の補正係数を求めたり、経年変化、温度変化、システムの安定度に関して動作タイミングなどの相関を求め、ソフトをプログラムとして記憶媒体４６に格納しておいたりする。通常マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと利用が便利である。

このように制御手段３９の動作をプログラムで行うことができるようになると流量演算の補正係数の条件設定、変更や計測間隔の調整などが容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに流速または流量計測の精度向上を行うことができる。なお本実施例において制御手段３９以外の動作もマイコン等によりプログラムで行ってもよい。

これにより制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる流速または流量計測装置は、振動子を切替えて送受信動作を行う必要が無いため時間ずれを発生することなく伝搬時間を計測することができ精度よく流速、流量演算結果を求めることが気体の流量計として家庭用・工業用ガスメータや、液体の流量計として水道メータ等の用途に適用できる。

本発明の流速または流量計測装置の全体ブロック図 （ａ）同計測装置における計測制御手段の動作を示すタイミング図（ｂ）同計測装置における送信波の動作を示すタイミング図（ｃ）同計測装置における受信波および反射波の動作を示すタイミング図 同計測装置における伝搬動作を示すタイミング図 同計測装置における伝搬動作を示すタイミング図 同計測装置における受信波を示すタイミング図 （ａ）同計測装置における受信波を示すタイミング図（ｂ）同計測装置における反射波を示すタイミング図 同計測装置における制御手段周辺を示すブロック図 本発明の他の動作を示す計測装置の全体ブロック図 本発明の他の動作を示す計測装置の全体ブロック図 従来の流量計測装置の全体ブロック図

符号の説明

３１ 流路
３２ 第１の振動子
３３ 第２の振動子
３４ 送信手段
３５ 受信手段
３６ 第１の計時手段
３７ 第２の計時手段
３８ 流量演算手段
３９ 制御手段
４２ 利得変更手段
４３ 増幅手段
４４ 参照電圧変更手段
４５ 比較手段
４６ 記憶媒体

Claims (4)

1. 被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、
   送信側の前記振動子から出力された前記超音波が受信側の前記振動子に伝搬するまでの第１の時間を計時する第１の計時手段と、
   送信側の前記振動子から出力された前記超音波が前記振動子間を少なくとも２回反射してから受信側の前記振動子に伝搬するまでの第２の時間を計時する第２の計時手段と、
   前記第１の時間と前記第２の時間に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、
   前記流量演算手段は、前記第１の時間と、前記第２の時間から２倍の前記第１の時間を減算した第３の時間から前記被測定流体の流速を算出し、前記流量を算出する流量計測装置。
2. 流量が無い時に前記第１の計時手段と前記第２の計時手段の出力信号を用いて流量演算手段の演算係数の補正を行う演算補正手段を有する請求項１記載の流量計測装置。
3. 送信側の前記振動子を前記流路の上流側に設置する請求項１記載の流量計測装置。
4. 送信側の前記振動子を前記流路の下流側に設置する請求項１記載の流量計測装置。

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