JPH11304559A

JPH11304559A - 流量計測装置

Info

Publication number: JPH11304559A
Application number: JP11316298A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Ochi; 謙三黄地
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】流体の流量を計測する流量計測装置におい
て、安定で、正確な流量値を演算できる流量計測装置を
実現する。【解決手段】流体の流れる流路７の上流側と下流側と
に一対の超音波送受信器８，９を対向して設け、前記一
対の超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間
計測手段１６と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算
する流量演算手段１７と、流量演算に用いるオフセット
値を記憶するオフセット値記憶手段１８とを備えた構成
とした。この構成により、常にオフセット値を記憶して
いるため、オフセット値を用いて演算することができの
で、低流量を安定に、正確に計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を計測
する流量計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の流量計測装置を、図６に
基づいて説明する。図において、流体の流れる流路１に
一対の超音波送受信器２、３を、上流側および下流側に
設け、上流側から下流側へあるいは、下流側から上流側
へ超音波を送信し、受信する。この時の超音波の伝搬時
間差から流体の流速を演算し、流路１の断面積を乗算し
て流量を算出し、流量計測装置としていた（特開平９−
３１８４１１）。なお、図中の矢印４は流体の流れる方
向を示し、破線５は超音波の伝搬路を、一点鎖線は流体
の流れる方向を示し、それら交叉角θで交叉している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の流
量計測装置では、次のような課題があった。すなわち超
音波を送信、受信する超音波送受信器２、３を流路内に
設けるため、流体の物理条件、すなわち流体の圧力、温
度、種類などの影響を大きく受けることになり、流体の
流速を正確に、また低流量を安定に計測できないという
課題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、流体の流れる流路の上流側と下流側とに一
対の超音波送受信器を対向して設け、前記一対の超音波
送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測手段
と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算
手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶するオフ
セット値記憶手段とを備えた構成とした。

【０００５】この構成により、常にオフセット値を記憶
しているため、オフセット値を用いて演算することがで
きるので、低流量を安定に、正確に計測することができ
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、流体の流れる流路の上
流側と下流側とに一対の超音波送受信器を対向して設
け、前記一対の超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計
測する時間計測手段と、超音波伝搬時間から流体の流量
を演算する流量演算手段と、流量演算に用いるオフセッ
ト値を記憶するオフセット値記憶手段とを備えた構成と
した。

【０００７】この構成により、常にオフセット値を記憶
しているため、オフセット値を用いて演算することがで
きので、低流量を安定に、正確に計測することができ
る。

【０００８】また、一対の超音波送受信器のそれぞれで
受信した超音波信号の周期に予め決められた値を乗じた
値をオフセット値とする構成とした。

【０００９】このため、受信信号からオフセット値の変
動を確認することができ、安定に流量を計測することが
できる。

【００１０】また、受信した超音波信号のゼロクロス点
とゼロクロス点との時間を受信した超音波信号の周期と
する構成とした。

【００１１】このため、簡単に受信信号の周期を計測す
ることができ、オフセット値を確認でき、安定に流量を
計測できる。

【００１２】また、流体の環境変化を検出する環境変化
検出手段を備えた構成とした。このため、流体の環境変
化を検出することができ、流体の環境変化に応じてオフ
セット値を更新することができ、長期間にわたり、安定
に流量を計測することができる。

【００１３】また、環境変化検出手段は温度検出手段で
構成した。このため、流体に温度変化が生じた場合にオ
フセット値を更新することができ、温度変化があっても
安定に流量を計測することができる。

【００１４】また、前記一対の超音波送受信器間の超音
波伝搬時間から流体の温度を検出する温度検出手段を設
けた。このため、簡単な構成で流体の温度を検出するこ
とができる。

【００１５】また、流体の流れる流路の上流側と下流側
とに一対の超音波送受信器を対向して設け、前記一対の
超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測
手段と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量
演算手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶する
オフセット値記憶手段とを備え、流体が流れていない状
態で、予め決められた方法でオフセット値を求めてなる
構成とした。このため、簡単な構成で、安定で、正確な
流量計測装置を実現できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１７】（実施例１）図１は本発明の実施例１の流
量計測装置を示したブロック図である。図１において、
流路７の上流側と下流側とに超音波送受信器８、９を設
けた。流路７内の矢印１０は流体の流れ方向（一点鎖線
１１）を示し、超音波の伝搬路１２（破線）とは角度θ
で交叉している。例えば、送信部１３から送信信号が切
換部１４を介して上流側の超音波送受信器８に伝達さ
れ、超音波が流路７内に送信され、下流側の超音波送受
信器９で受信される。受信された超音波信号は切換部１
４を介して受信部１５に伝達される。この時、時間計測
手段１６において送信から受信までの時間が計測され
る。次に、送信部１３から送信信号が切換部１４を介し
て下流側の超音波送受信器９に伝達され、超音波が流路
７内に送信され、上流側の超音波送受信器８で受信され
る。受信された超音波信号は切換部１４を介して受信部
１５に伝達される。この時、時間計測手段１６において
送信から受信までの時間が計測される。

【００１８】なお、時間分解能を上げたい場合には、受
信部１５で超音波信号を受信したら、時間計測手段１６
を素通りし、送信部１３に信号を伝達し、２〜２５６回
もの多数回繰り返し送信、受信をする場合もある（シン
グアラウンド計測方法）。この場合には、時間計測手段
１６では、繰り返し回数とト−タル時間とが計測され
る。超音波送受信器８、９間の距離をＬ、流体の流速を
Ｖ、流体中を伝搬する超音波の音速をＣとすると、上流
側の超音波送受信器８から下流側の超音波送受信器９へ
の超音波伝搬時間Ｔ_up-->downおよび下流側の超音波
送受信器９から上流側の超音波送受信器８への超音波伝
搬時間Ｔ_down-->upは、以下のように示される。

【００１９】Ｔ_up-->down＝Ｌ／[Ｃ＋Ｖcos(θ)］Ｔ_down-->up＝Ｌ／[Ｃ−Ｖcos(θ)］これより、Ｃ＋Ｖcos(θ)＝Ｌ／Ｔ_up-->down Ｃ−Ｖcos(θ)＝Ｌ／Ｔ_down-->up よって、２×Ｃ＝Ｌ[(１／Ｔ_up-->down )＋ (１／
Ｔ_down-->up)］これより、超音波の音速は、上記２式を足し算し、Ｃ＝（Ｌ／２）× [(１／Ｔ_up-->down )＋ (１／Ｔ
_down-->up)］となる。また、流体の流速Ｖは、上記２式を引き算し、２×Ｖcos(θ)＝Ｌ[(１／Ｔ_up-->down )− (１／Ｔ
_down-->up)］となる。これより、流体の流速Ｖは、Ｖ＝[Ｌ／２×cos(θ)]×[(１／Ｔ_up-->down )− (１／
Ｔ_down-->up)］と演算される。

【００２０】ここで、超音波送受信器間距離Ｌおよび交
叉角θは、予め決められた定数であるから、超音波の伝
搬時間Ｔ_up-->downおよびＴ_down-->upを時間計測手
段１６で計測することにより、流体の流速Ｖが得られ
る。また、予め決められた流路７の断面積を乗算するこ
とにより、流体の流量Ｑcal が演算される。以上の演
算処理は流量演算手段１７で実施される。

【００２１】図２に、超音波送受信器８、９で送信、受
信される信号を示す。矩形波１９は、超音波送受信器８
あるいは９に印加される送信信号を示す。正弦波状の信
号２０は、超音波送受信器８あるいは９で受信、増幅さ
れた受信信号を示す。一般的に時間計測の受信点は、受
信信号がある閾値（破線２１）を越えた次のゼロクロス
点２２を用いることが多い。この場合、送信信号の矩形
波の立上がり時点Ｔstが送信開始時刻であり、ゼロクロ
ス点２２が受信時刻Ｔarなる。したがって、計測される
超音波の伝搬時間Ｔpr は、時刻Ｔar と時刻Ｔst 間
の時間となる。すなわち、Ｔpr ＝Ｔar ーＴst とな
る。しかしながら、図２の受信信号２０から明らかなよ
うに、伝搬してきた超音波が超音波送受信器８あるいは
９によって受信される時刻は、受信信号２０の先頭であ
るＴreである。時刻Ｔreと時刻Ｔarとの間の時間遅れＴ
dは、受信側の超音波送受信器８または９に超音波が到
着したあと、受信部１５で受信されるまでの時間遅れＴ
dと考えることができる。この時間遅れＴdは、超音波送
受信器８あるいは９の個々の特性に大きく依存してい
る。したがって、上流側の超音波送受信器８から下流側
の超音波送受信器９への超音波伝搬時間Ｔ_up-->down
の中には、受信側の超音波送受信器である下流側の超音
波送受信器９の特性で決まるＴd9 が含まれる。また、
下流側の超音波送受信器９から上流側の超音波送受信器
８へ超音波伝搬時間Ｔ_down-->upの中には、受信側の
超音波送受信器である上流側の超音波送受信器８の特性
で決まるＴd8 が含まれる。このように、超音波送受
信器の特性で決まる固有の時間Ｔd8 およびＴd9を、オ
フセット値として予めオフセット値記憶手段１８に記憶
させておき、上記で説明した流量演算時に、それぞれ計
測された超音波伝搬時間Ｔ_up-->downおよびＴ
_down-->upから、それぞれのオフセット値Ｔd8 および
Ｔd9 を引き算処理することにより、より正確な超音波
伝搬時間が得られることになり、より正確な流量値が演
算される。本実施例の場合、上流側および下流側のオフ
セット値は、それぞれの超音波送受信器８および９で受
信された受信波形の周期の２．５倍である。このように
受信側の超音波送受信器のオフセット値を計測された超
音波伝搬時間から差し引くことにより、流量値を高精度
に演算することができ、精度の高い流量計測装置が実現
できる。

【００２２】上記で説明したことを計算式で示すと、以
下のようになる。すなわち、上記流速Ｖの式Ｖ＝[Ｌ／２×cos(θ)]×[(１／Ｔ_up-->down )− (１／
Ｔ_down-->up)］においてＴ_up-->down ＝Ｔud ＋Ｔd9 ＝Ｔud × [１＋(Ｔd9
／Ｔud)] Ｔ_down-->up＝Ｔdu ＋Ｔd8 ＝Ｔdu × [１＋(Ｔd8
／Ｔdu)]である。

【００２３】ここで、超音波が流体中を上流側から下流
側へ、あるいは下流側から上流側への伝搬する時間をそ
れぞれ、Ｔud、Ｔdu とした。また通常の場合、超音波
が流体中を伝搬する時間 Tud、Ｔdu は概ね１００〜３
００ μsec程度であり、Ｔd8およびＴd9 なる時間は、
超音波の周期の数倍程度の、１〜５μsec 程度と十分小
さい。従って、上式は次のように近似できる。

【００２４】１／Ｔ_up-->down ＝１／｛Ｔud × [１＋(Ｔd9／Ｔud)]｝ ≒ (１／Ｔud ) × [１−(Ｔd9／Ｔud)] １／Ｔ_down-->up＝１／｛Ｔdu × [１＋(Ｔd8／Ｔdu)]｝ ≒ (１／Ｔdu ) × [１−(Ｔd8／Ｔdu)] これらを用いると、流体の流速Ｖは、以下のようにな
る。Ｖ＝[L/2×cos(θ)]×[(1/Ｔud)×{1+(Ｔd9/Ｔud)}-(1/
Ｔdu)×{1+(Ｔd8/Ｔdu)}] 例えば、ここで流体の流れを止めた場合、超音波の上流
側から下流側への伝搬時間Ｔud と下流側から上流側へ
の伝搬時間Ｔdu とは、超音波送受信器間の距離Ｌ、
音速Ｃであるから、Ｔud ＝Ｌ／Ｃ、Ｔdu ＝Ｌ／Ｃ
となり、全く等しくなる。その時間をＴ0 とすると、
その時の見かけの流速Ｖz は、Ｖz＝[L/2×cos(θ)]×[(1/Ｔ0) ×{1+(Ｔd9/Ｔ0)}-(1/Ｔ0)×{1+(Ｔd8/Ｔ0)}] ＝ [Ｌ/２×cos(θ)]×[(Ｔd9 − Ｔd8)／Ｔ0^2] となる。ここで、Ｌ、θは、流路により固定される定数となり、
一定値と考えることができる。また、時間Ｔ0も、超音
波の音速Ｃが決まると決定される値となり、固定値と考
えることができる。このことは、超音波送受信器のオフ
セット値、Ｔd8、Ｔd9が決まればＶz値が決定されるこ
とを示している。

【００２５】このように、超音波送受信器固有の値Ｔd
9 とＴd8 との差がある場合、流体の流れが、ゼロであ
っても、見かけ上、上記のような流速Ｖz が発生す
る。この流速Ｖz に流路の断面積を乗算すると、見掛
けの流量としてのオフセット流量Ｑz が得られる。予
めこの値Ｑz をオフセット値として記憶し、上記で演
算した流量値Ｑcal を補正してもよい。

【００２６】以上説明したように、オフセット値を記憶
していることにより、正確な流量値を演算することがで
きる。

【００２７】（実施例２）図３を用いて、超音波送受信
器のオフセット値である受信信号の周期を求める方法を
説明する。図３は、図２で示した上流側あるいは下流側
の超音波送受信器８または９での受信された受信信号２
０を示す。通常の場合、閾値（破線２１）を越えた次の
ゼロクロス点２２の時刻Ｔar を受信時刻とするが、オ
フセット値を計測しようとする場合には、閾値を越えた
２つめのゼロクロス点２３を受信時刻Ｔar’として計
測し、その差Ｔar’− Ｔar を受信信号の１周期とし
て演算する。または、閾値（破線２１）を大きくし、新
たな閾値として、ゼロクロス点Ｔar’を計測しても良い
（図示せず）。また、受信信号の増幅率を小さくし、閾
値（破線２１）をそのままにし、受信信号２０を全体的
に振幅が小さくなるようにし、閾値（破線２１）を超え
た次のゼロクロス点が、計測しようとするゼロクロス点
２３とし、時刻Ｔar’を計測することもできる。以上
説明したように、計測のたびに、受信信号の周期を計測
し、その２．５倍をオフセット値とすることにより、常
に正確な流量値を演算することができる。

【００２８】（実施例３）図４を用いて実施例３を説明
する。実施例１と異なるところは、流体の温度検出手
段、流体の種類検出手段あるいは流体の圧力検出手段な
どの環境変化検出手段２４を設けたところである。この
ため、環境変化検出手段２４により流体の温度、種類あ
るいは圧力が変化し、オフセット値が変化したと考えら
れる時のみ、上記実施例２で示した上流側および下流側
の超音波送受信器８、９で受信される受信信号の周期を
計測し、その値をオフセセット値とすることにより、効
率よくオフセット値を更新することができる。従って、
流量演算の度に、いつもオフセット値を計測する必要が
なく、効率よくオフセット値を更新することができ、計
測時間を短縮することができる。なお、これらの環境変
化要因の中でオフセット値を最も大きく変動させるの
は、流体の温度であった。従って、少なくとも温度検出
手段で環境変化検出手段２４を構成するのが最も有効で
ある。

【００２９】（実施例４）実施例３において、流体の温
度検出手段を設けたが、流体中を伝搬する超音波の伝搬
速度から流体の温度を検出する方法について説明する。
この場合には、環境変化検出手段２４としての温度検出
が不要となり、超音波の伝播時間さえ計測できればから
流体の温度を検出することができ、流量計測装置の構成
が簡単になる。

【００３０】実施例１において、超音波の伝搬速度、音
速Ｃは、次式で計算されることを示した。すなわち、Ｃ
＝（Ｌ／２）× [(１／Ｔ_up-->down )＋ (１／Ｔ
_down-->up)］である。

【００３１】このように、超音波の伝搬時間Ｔ
_up-->down およびＴ_down-->upを計測することにより
超音波の伝搬速度Ｃを検出することができる。例えば、
流体が空気である場合、空気中の音速Ｃair は、空気
の温度をＴair [℃] とすると、音速Ｃair ＝３４
１．４５＋０．６０７× Ｔair [m/sec]で示される。し
たがって、音速Ｃair が計測できれば、空気の温度Ｔ
air を計算することができる。また、流体が、水である
場合には、水温をＴwater とすると、水中の音速Ｃwa
ter ＝１５００＋２５×Ｔwater [m/sec] で示される
から、音速Ｃwater が計測できれば、水温Ｔwater が
計算できる。

【００３２】このように、環境変化検出手段としての温
度検出手段を設けることなく、流体の温度が検出できる
ことになり、流量計測装置の構成が簡単になる。しか
も、流速Ｖを計測するのと同様にして、時間計測手段
で、流体の温度を計測できるので、構成が非常に簡単に
なる。

【００３３】（実施例５）図１および図５を用いて実施
例５を説明する。図５は、超音波送受信器８、９の受信
信号から計測した受信周期に基づくオフセット値、Ｔd8
とＴd9 との差を横軸に、縦軸に見掛けの流量として
のオフセット流量Ｑzとの関係を示す。同図に見られる
ように、この関係は一次関数ｓで近似される関係を示
し、Ｑｚ＝Ａ×（Ｔd8−Td9）＋Ｂで表現される。ここ
で、Ａ、Ｂは予め決められるている定数である。例え
ば、このようなオフセット値、Ｔd8およびＴd9を有する
超音波送受信器を備えた図１に示した流路を準備し、そ
の上流および下流を閉止し、流れのない状態で流量値を
演算させる。演算された流量値、Ｑz が零となるように
定数Ｂを新たに求め、２つの定数Ａ、Ｂを更新する（Ａ
は、そのまま）。このようにして定数Ａ、Ｂをオフセッ
ト値として記憶させる。このようにして、定数Ａ、Ｂを
決めることにより、安定で、正確な流量値を演算する流
量計測装置を実現できる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から、本発明の流量計測装置
によれば次の効果が得られる。（１）オフセット値を記憶しているので、安定で、正確
な流量値を演算することができる。（２）受信信号からオフセット値を計測することができ
るので、常に安定で、正確な流量値を演算できる。（３）環境変化検出手段を有しているので、環境変化を
検出した時のみ、オフセット値を計測すれば良く、効率
よくオフセット値を更新することができる。（４）超音波の伝搬時間から流体の温度を検出すること
ができるので、構成が簡単な流量計測装置を実現するこ
とができる。（５）予め流量のない状態で、オフセット値を更新する
ので、常に安定で、正確な流量計測装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１、５の流量計測装置のブロッ
ク図

【図２】同実施例１の超音波の送信、受信波形図

【図３】本発明の実施例２の超音波の送信、受信波形図

【図４】本発明の実施例３の流量計測装置のブロック図

【図５】本発明の実施例５における超音波の特性図

【図６】従来の流量計測装置のブロック図

【符号の説明】

７流路８上流側の超音波送受信器９下流側の超音波送受信器１３送信手段１４切換手段１５受信手段１６時間計測手段１７流量演算手段１８オフセット値記憶手段１９送信波形２０受信波形２１閾値２４環境変化検出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れる流路の上流側と下流側とに一
対の超音波送受信器を対向して設け、前記一対の超音波
送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測手段
と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算
手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶するオフ
セット値記憶手段とを備えた流量計測装置。
【請求項２】一対の超音波送受信器のそれぞれで受信し
た超音波信号の周期に予め決められた値を乗じた値をオ
フセット値とする請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】受信した超音波信号のゼロクロス点とゼロ
クロス点との時間を受信した超音波信号の周期とする請
求項２記載の流量計測装置。
【請求項４】流体の環境変化を検出する環境変化検出手
段を備えた請求項１ないし３のいずれか１項記載の流量
計測装置。
【請求項５】環境変化検出手段は温度検出手段で構成し
た請求項４記載の流量計測装置。
【請求項６】一対の超音波送受信器間の超音波伝搬時間
から流体の温度流体温度検出手段を設けた請求項４記載
の流量計測装置。
【請求項７】流体の流れる流路の上流側と下流側とに一
対の超音波送受信器を対向して設け、前記一対の超音波
送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測手段
と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算
手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶するオフ
セット値記憶手段とを備え、流体が流れていない状態で
オフセット値を求めてなる流量計測装置。