JP2007064792A - 超音波式流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音速の異なる複数種類の流体を同じ計測精度で測定できる超音波式流れ測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】流体通路１の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器２，３間の超音波伝搬時間を測定部８で測定し、その測定結果にもとづいて演算手段１０が流体の流速および／または流量を演算するようにし、また前記測定部８には、複数の周波数の異なる発振回路を具備し、測定流体の音速に合わせて伝播時間測定に使用する発振回路を切り替える分解能切替手段１１を設けたことにより、複数の音速の異なる流体を同じ精度で測定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一対の超音波送受信器を用いて超音波の伝搬時間を計測し、被測定流体の流速や流量を演算するようにした超音波式流れ計測装置に関するものである。

従来のこの種計測装置に用いられている超音波伝搬時間の測定手段は、一対の超音波送受信器を対向して配置し、一方の超音波送受信器をバ−スト信号で駆動して超音波を送信し、他方の超音波送受信器で受信し測定していた。

図５に送信側の超音波送受信器の駆動波形Ａと、受信側の超音波送受信器で受信した受信波形Ｂを示す。横軸が時間、縦軸が電圧である。

図中のＴ０は駆動波形Ａの開始時点を、Ｔ１は駆動開始後、第３波終了時点を示す。Ｒ０は受信開始時点を、Ｒ１は受信開始後、第３波終了時点を示す。

このように、駆動波形の第ｍ（ｍ＝３）波目のゼロクロス点Ｔ１を起点とし、他方の超音波送受信器で受信した電気信号の第ｍ（ｍ＝３）波目を終点Ｒ１として、前記起点Ｔ１と前記終点Ｒ１との間の時間Ｔｐを超音波伝搬時間として計測し、この伝搬時間を用いて流体の流速を計測し、流量を演算していた（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−３３３０８号公報

しかしながら、超音波は気体の種類によって、伝播する速度が異なるため、一つの超音波式流れ計測装置で気体の種類を変えて、流速や流量を測定する場合には、測定できる分解能が異なってしまい、測定する流体ごとに計測精度が異なってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定する流体の音速に合わせて分解能をかえることによって、流体ごとに計測精度に差がでないようにした超音波式流れ計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波式流れ計測装置は、流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手段とを具備し、前記測定部には、複数の周波数の異なる発振回路からなり、測定流体の音速に合わせて、伝播時間測定に使用する発振回路を切り替える分解能切替手段を設けたものである。

これによって、音速の異なる流体を測定する場合でも、計測精度の差を気にすることなく、測定値の比較ができる。

本発明の超音波流量計は、音速の異なる気体を測定する場合でも、同じ分解能で計測できるため、精度の差を気にすることなく、複数の流体の流速や流量を測定することができる。

第１の発明は、流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手段とを具備し、前記測定部には、複数の周波数の異なる発振回路からなり、測定流体の音速に合わせて、伝播時間測定に使用する発振回路を切り替える分解能切替手段を設けたことにより、複数の音速の異なる流体を同じ精度で測定できる。

第２の発明は、流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手部とを具備し、前記測定部には、測定流体の音速に合わせて、一回の計測時に繰り返す超音波の送受信回数を切り替える分解能切替手段を設けたことにより、複数の音速の異なる流体を同じ精度で測定できる。

第３の発明は、流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手段とを具備し、前記測定部には、測定流体の音速に合わせて計測間隔を切り替える分解能切替手段を設けたことにより、複数の音速の異なる流体を同じ精度で測定できる。

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、この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）
図１において、被測定流体が流れる流体通路１には流れ方向上、下流側に間隔をおいて、かつ超音波が流れに対して斜めに横切るごとく少なくとも一対の超音波送受信器２，３が配置してある。４は超音波送受信器２，３の駆動回路、５は超音波送受信器２，３の送受信を切り替える切替回路、６は増幅回路、７は超音波パルスを検知する受信検知回路、８は超音波パルスの伝搬時間を計測する測定部、９は駆動回路４と計測部７に制御信号を出力する制御部、１０は測定部８で測定した伝搬時間をもとに流体通路１に流れる流体の流速を演算し、必要に応じてそれに流体通路１の断面積と補正係数を乗じて流量を演算する演算手段である。

一応、本実施の形態における測定装置について、まず動作、作用について説明する。例えば非測定流体を空気とし、超音波振動子２，３の使用周波数には約５００kHzを選択する。

発振回路は、例えばコンデンサと抵抗で構成され約５００kHzの方形波を発信し、駆動回路４では発振回路の信号から超音波送受信器２を駆動するため方形波が３波のバースト信号からなる駆動信号を出力可能とする。また測定手段には測定流速の分解能を向上するため、例えばシングアラウンド法を用いる。

制御部８では駆動回路４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマで設定された時間計測開始させる。駆動回路４は送信開始信号を受けると超音波送受信器２を駆動し、超音波パルスを送信する。

送信された超音波パルスは流体通路１を流動する空気中を伝搬して他方の超音波送受信器３で受信される。受信された超音波パルスは増幅回路６で増幅された後、受信検知回路
７に出力される。

受信検知回路７では受信信号の受信タイミングを決定し、制御部９に受信検知信号を出力する。制御部９では受信検知信号を受けると、予め設定した遅延時間ｔｄ経過後に再び駆動回路４に送信開始信号を出力し、２回目の計測を行う。この動作をＮ回繰返した後、タイマを停止させる。演算部１０ではタイマで測定した時間を測定回数のＮで割り、遅延時間ｔｄを引いて伝搬時間ｔ１を演算する。

引き続き切替回路５で駆動回路４と受信検知回路７に接続する超音波送受信器を切り替え、再び制御部９では駆動回路４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマの時間計測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受信器３で超音波パルスを送信し、超音波送受信器２で受信する計測をＮ回繰返し、演算部１０で伝搬時間ｔ２を演算する。

ここで、超音波送受信器２，３の中心を結ぶ距離をＬ、空気の無風状態での音速をＣ、流体通路１内での流速をＶ、非測定流体の流れの方向と超音波送受信器２，３の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。（１）、（２）式より音速Ｃを消去して、流速Ｖを求めると
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） （３）
が得られる。

このように、Ｌ、θは既知であるので、ｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。この流速Ｖと流量測定部１の面積をＳ、補正係数をＫとすれば、流量Ｑは
Ｑ＝ＫＳＶ （４）
で演算できる。

なお、一対の超音波送受信器２，３は上記のように斜めに対向させた、いわゆるＺパス型の他、上下流側に直線的に対向させた、いわゆるＩパス型、および同一側に配置して途中で反射させたものを受信する、いわゆるＶパス、Ｗパス型などが考えられ、必要とあれば複数対の超音波送受信器を使用することも可能である。

ところで、前記測定部７には分解能切替手段１１を具備するものである。この分解能切替手段１１には複数の周波数の異なる発振回路が設けられており、計測すべき流体の音速に合わせて伝搬時間測定に使用する発振回路を切り替えられるようにしてある。

すなわち、図２に示すように、音速の早い流体を計測する場合は、（ａ）のように周波数の高い発振回路を使用し、音速の遅い流体を計測する場合は、（ｂ）のように周波数の低い発振回路を使用する。

したがって、音速の異なる流体での同じ計測精度で測定することができるものである。

（実施の形態２）
図３において、流体の音速に合わせて１回の測定で繰り返す送受信の回数を変えて分解能を切り替える。例えば、音速が早い流体の場合は（ａ）のようにＮ回繰り返し、音速が遅い流体の場合は（ｂ）のようにＭ回繰り返す。ここで、Ｎ＞Ｍとすることによって、音速に合った分解能で伝播時間が測定できる。

（実施の形態３）
図４において、流体の音速に合わせて測定間隔を変えて分解能を切り替える。例えば、
音速が早い流体の場合は（ａ）のようにＮ秒、音速が遅い流体の場合は（ｂ）のようにＭ秒間隔で測定する。ここで、Ｎ＞Ｍとすることによって、音速に合った分解能で伝播時間が測定できる。

以上のように、本発明にかかる流れ計測装置は、複数の種類の流体を測定する場合に被測定流体の音速の違いによる影響を受けることなく、常に同じ計測精度で測定できるため、非常に高精度の超音波流量計を実現することが可能となるので、測定基準器及びガスメーターや水道メーター等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波式流れ測定装置の構成図 本発明の実施の形態１の分解能切り替えの説明図 本発明の実施の形態２の分解能切り替えの説明図 本発明の実施の形態３の分解能切り替えの説明図 従来の超音波式流れ測定装置の送受信波形図

符号の説明

１ 流体通路
２，３ 超音波送受信器
８ 測定部
９ 制御部
１０ 演算手段
１１ 分解能切替手段

Claims (3)

1. 流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手段とを具備し、前記測定部には、複数の周波数の異なる発振回路からなり、測定流体の音速に合わせて、伝播時間測定に使用する発振回路を切り替える分解能切替手段を設けた超音波式流れ測定装置。
2. 流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手段とを具備し、前記測定部には、測定流体の音速に合わせて、一回の計測時に繰り返す超音波の送受信回数を切り替える分解能切替手段を設けた超音波式流れ測定装置。
3. 流体通路の上下流側に間隔をおいて配置した少なくとも一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定する測定部と、この測定部の測定結果にもとづいて流体の流速および／または流量を演算する演算手段とを具備し、前記測定部には、測定流体の音速に合わせて計測間隔を切り替える分解能切替手段を設けた超音波式流れ測定装置。

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