JP2008175668A - Fluid flow measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより流速を検出し、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。 The present invention relates to a flow rate measuring device that detects a flow rate by measuring a propagation time of an ultrasonic signal and measures a flow rate of a fluid.
従来、この種の流体の流れ計測装置においては、例えば、特許文献1に示すようなものが提案されている。
Conventionally, as this kind of fluid flow measuring device, for example, a device as shown in
図7において、流体管路31の一部に超音波振動子32と振動子33とを流れの方向に相対して設け、スタート回路34で計時手段35の計時を開始すると同時に、送信回路36でバースト信号を送出し、振動子32から流れ方向に超音波を発生させ、この超音波を振動子33で受信し、増幅回路37と比較手段38で検出すると計時手段35の計時を停止し、時間演算手段39で計時手段35の計時結果に演算処理を施して、伝搬時間を求めている。また、定められた計測回数を完了すると、切換手段40で振動子を切換え、振動子33から流れに逆らって超音波を発生させ、流れ方向に超音波を発生させた時と同様の手順で伝搬時間を求めている。
In FIG. 7, an
図7において、音速をC、流速をv、ふたつの振動子間の距離をL、超音波の伝搬方向と流れの方向とがなす角度をθとし、管路の上流側に配置された振動子32から超音波を送信し、下流側に配置された振動子33にで受信した場合の伝搬時間をt1、逆方向の伝搬時間をt2とした場合t1およびt2は次式で求めることができる。
In FIG. 7, the sound velocity is C, the flow velocity is v, the distance between the two vibrators is L, the angle formed by the ultrasonic wave propagation direction and the flow direction is θ, and the vibrator is arranged on the upstream side of the pipe. transmitting ultrasonic waves from the 32, t 1 the propagation time in the case of receiving a two
t1=L/(C+vcosθ) (式1)
t2=L/(C−vcosθ) (式2)
(式1)および(式2)を変形し、(式3)で流速vが求まる。
t 1 = L / (C + v cos θ) (Formula 1)
t 2 = L / (C−v cos θ) (Formula 2)
(Formula 1) and (Formula 2) are modified, and the flow velocity v is obtained by (Formula 3).
v=L・(1/t1−1/t2)/2cosθ (式3)
(式3)で求めた値に流体管路の断面積を掛ければ流体の流量を求めることができる。
v = L · (1 / t 1 −1 / t 2 ) / 2 cos θ (Formula 3)
The flow rate of the fluid can be obtained by multiplying the value obtained by (Equation 3) by the cross-sectional area of the fluid conduit.
図8は流れ計測装置の信号特性図である。図8には、増幅回路37で増幅された後の超音波受信波形、比較手段38の出力波形、計時手段35が備えている基準クロック(図示せず)の波形である。比較手段38は、交流信号の基準電圧(ゼロ点)と、受信信号との比較結果を”1”、”0“の2値に変換して出力する構成となっている。比較手段38の出力が”1”から”0“、または”0”から”1”に変化する点が受信信号が基準電圧(ゼロ点)を通過する点(ゼロクロス点)である。計時手段35は送信回路36の送信開始からゼロクロス点AおよびBまでの経過時間taおよびtbを基準クロックに基づいて計時し、時間演算手段39ではふたつの値の平均値を伝搬時間として求めている。つまり比較手段38で検出された各ゼロクロス点の検出時間の平均値を求めて(式1)および(式2)で示した伝搬時間を求めている。
FIG. 8 is a signal characteristic diagram of the flow measuring device. FIG. 8 shows the waveform of an ultrasonic wave received after amplification by the
以上のように構成された流体の流れ計測装置における時間分解能について説明する。例えば、図8に示すようにふたつのゼロクロス点A、Bを検出するケースを考える。何らかの要因(温度変化や流量変化など)によって、超音波の伝搬時間が変化した場合には、点Aと点Bは同じ時間間隔を保ったまま、時間軸上を相対的に前後に移動することとなる。図8で示した、ゼロクロス点AとBにおける基準クロックの位相差は180度であるため、伝搬時間が1/2クロック分だけ変化する毎に、ゼロクロス点AとBの計測結果が交互に1クロック分だけ変化することになる。よって、基準クロックの半分の時間分解能を得
ることができる。
The time resolution in the fluid flow measuring apparatus configured as described above will be described. For example, consider a case where two zero-cross points A and B are detected as shown in FIG. When the propagation time of the ultrasonic wave changes due to some factor (temperature change, flow rate change, etc.), point A and point B move relatively back and forth on the time axis while maintaining the same time interval. It becomes. Since the phase difference between the reference clocks at the zero-cross points A and B shown in FIG. 8 is 180 degrees, the measurement results at the zero-cross points A and B are alternately 1 every time the propagation time changes by 1/2 clock. It will change by the amount of the clock. Therefore, a time resolution that is half that of the reference clock can be obtained.
ゼロクロス点の数を増やした場合も同様に、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係が異なるように設定しておけば、基準クロックの周期よりも高い時間分解能を得ることができる。したがって、基準クロック周波数と受信信号周波数の関係を予め調整しておくことによって、基準クロックの周波数を低く抑えながら高い分解能の計測結果を得ることができるため、低消費電力かつ高精度の流れ検出装置の提供が可能となるのである。
しかしながら、前記従来の構成では、基準クロックと受信波形の位相関係を制御方法の詳細が開示されていない。仮に位相関係を最適に設定できたとしても、環境条件によって超音波波形の周波数が変化した場合においては、開示されている構成では、両者の位相関係を環境条件に合わせて適切に設定することが困難であった。 However, the conventional configuration does not disclose details of a method for controlling the phase relationship between the reference clock and the received waveform. Even if the phase relationship can be set optimally, when the frequency of the ultrasonic waveform changes due to environmental conditions, the disclosed configuration can appropriately set the phase relationship between the two in accordance with the environmental conditions. It was difficult.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、環境変化に関わらず、常に高い分解能の計測性能を備えた流体の流れ計測装置を提供するものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a fluid flow measurement device that always has high resolution measurement performance regardless of environmental changes.
前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ計測装置は、第1振動子に交流信号を出力する送信手段と、第2振動子で受信された超音波信号によって連続して複数回発生するゼロクロス点を予め定められた数だけ検出する波形検出手段と、基準クロックに基づいて第1振動子の送信から波形検出手段で検出されたゼロクロス点までの経過時間を計測する計時手段と、発振器の基準クロック周波数を設定する周波数設定手段とを備え、周波数設定手段が、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係が異なるように基準クロック周波数を設定するようにしている。 In order to solve the above-described conventional problems, a fluid flow measurement device according to the present invention includes a transmission unit that outputs an AC signal to a first transducer and a plurality of ultrasonic signals received by the second transducer in succession. Waveform detecting means for detecting a predetermined number of zero-cross points generated in advance, and timing means for measuring an elapsed time from transmission of the first vibrator to the zero-cross point detected by the waveform detecting means based on a reference clock; Frequency setting means for setting the reference clock frequency of the oscillator, and the frequency setting means sets the reference clock frequency so that the phase relationship of the reference clocks at each zero cross point is different.
上記発明によれば、受信波形が変化した場合であっても、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 According to the above invention, even when the received waveform changes, the phase relationship of the reference clock at each zero cross point can be maintained appropriately.
本発明の流体の流れ計測装置は、環境変化に伴って、受信波形が変化した場合であっても、高い計測分解能を維持することができる。 The fluid flow measurement device of the present invention can maintain a high measurement resolution even when the received waveform changes as the environment changes.
第1の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送信する第1振動子と、前記超音波信号を受信する第2振動子と、前記第1振動子に交流信号を出力する送信手段と、前記第2振動子で受信された超音波信号によって連続して複数回発生するゼロクロス点を予め定められた数だけ検出する波形検出手段と、一定周波数の基準クロックを発生する発振器と、前記基準クロックに基づいて前記第1振動子の送信から前記波形検出手段で検出されたゼロクロス点までの経過時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計測結果を基に超音波信号の伝搬時間を求める時間演算手段と、各ゼロクロス点の発生時間間隔を求める時間差演算手段と、前記発振器の基準クロック周波数を設定する周波数設定手段とを備え、
前記周波数設定手段は、前記時間差演算手段の出力が所定の条件を満たすように基準クロック周波数を設定するようにしたことを特徴とするものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a first vibrator for transmitting an ultrasonic signal provided in a fluid conduit, a second vibrator for receiving the ultrasonic signal, and a transmitting means for outputting an AC signal to the first vibrator. A waveform detecting means for detecting a predetermined number of zero-cross points that are continuously generated a plurality of times by the ultrasonic signal received by the second vibrator, an oscillator for generating a reference clock having a constant frequency, Time measuring means for measuring an elapsed time from transmission of the first vibrator to a zero cross point detected by the waveform detecting means based on a reference clock; and a propagation time of the ultrasonic signal based on a measurement result of the time measuring means. A time calculating means for obtaining, a time difference calculating means for obtaining an occurrence time interval of each zero cross point, and a frequency setting means for setting a reference clock frequency of the oscillator,
The frequency setting means sets the reference clock frequency so that the output of the time difference calculation means satisfies a predetermined condition.
第2の発明は、周波数設定手段は、各ゼロクロス点における前記基準クロックの位相関係が異なるように基準クロック周波数を設定することを特徴とするものである。 The second invention is characterized in that the frequency setting means sets the reference clock frequency so that the phase relationship of the reference clock at each zero cross point is different.
そして、第1、第2の発明によれば、受信波形が変化した場合であっても、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 According to the first and second inventions, even when the received waveform changes, the phase relationship of the reference clocks at each zero cross point can be appropriately maintained.
第3の発明は、時間差演算手段に代えて波形検出手段で検出された相異なるふたつのゼロクロス点における基準クロックの位相差を求める位相差検出手段を備え、周波数設定手段は前記位相差検出手段の検出した位相差が目標値に一致するように発振器の基準クロック周波数を設定するようにしたことを特徴とするものである。 According to a third aspect of the invention, there is provided phase difference detection means for obtaining the phase difference of the reference clocks at two different zero-cross points detected by the waveform detection means instead of the time difference calculation means, and the frequency setting means includes the phase difference detection means The reference clock frequency of the oscillator is set so that the detected phase difference matches the target value.
そして、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係の微調整が可能となるものである。 In addition, it is possible to finely adjust the phase relationship of the reference clock at each zero cross point.
第4の発明は、周波数設定手段は、位相差検出手段の検出した位相差の目標値として360度をゼロクロス検出回数で除した値に定めて、発振器の基準クロック周波数を設定することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the frequency setting means sets the reference clock frequency of the oscillator by setting the target value of the phase difference detected by the phase difference detection means to a value obtained by dividing 360 degrees by the number of zero cross detections. To do.
第5の発明は、周波数設定手段は、位相差検出手段の検出した位相差と位相差目標値の偏差が所定値未満になるまで設定動作を繰り返して基準クロック周波数の調整を行うようにしたことを特徴とするものである。 In the fifth invention, the frequency setting means adjusts the reference clock frequency by repeating the setting operation until the deviation between the phase difference detected by the phase difference detecting means and the phase difference target value becomes less than a predetermined value. It is characterized by.
そして、第4、第5の発明によれば、常に高い計測分解能を維持することができるとともに、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係の微調整が可能となるものである。 According to the fourth and fifth inventions, it is possible to always maintain a high measurement resolution and to finely adjust the phase relationship of the reference clock at each zero cross point.
第6の発明は、周波数設定手段は、位相差検出手段の検出した位相差と位相差目標値の偏差が所定値より大きい場合には、時間演算手段の出力を無効とするようにしたことを特徴とするものである。 According to a sixth aspect of the invention, the frequency setting means invalidates the output of the time calculating means when the deviation between the phase difference detected by the phase difference detecting means and the phase difference target value is larger than a predetermined value. It is a feature.
そして、計測値の信頼性を高めることができる。 And the reliability of a measured value can be improved.
第7の発明は、ゼロクロス点で動作を開始し基準クロックの立上り点で動作を停止する第2発信器と、前記第2発信器のカウント数を計数する第2計時手段を備え、位相差検出手段は、前記第2計時手段で計数するカウント数に基づいて波形検出手段で検出された相異なるふたつのゼロクロス点における基準クロックの位相差を求めるようにしたことを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a second transmitter that starts operation at a zero-cross point and stops operation at a rising point of a reference clock, and second timing means that counts the count number of the second transmitter, and detects a phase difference The means is characterized in that the phase difference between the reference clocks at two different zero-cross points detected by the waveform detecting means is obtained based on the count number counted by the second time measuring means.
そして、常に高い計測分解能を維持することができるとともに、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係の微調整が可能となるものである。 In addition, it is possible to always maintain a high measurement resolution and to finely adjust the phase relationship of the reference clock at each zero cross point.
第8の発明は、流体温度を検出する温度検出手段と、流体温度、発振器の基準クロック周波数、位相差検出手段の検出した位相差の三者の関係を記憶する記憶手段と、前記記憶手段の記憶内容に基づいて位相差目標値に対する基準クロック周波数を選択する学習手段を備え、周波数設定手段が、学習手段で選択された値を基準クロック周波数に設定するようにしたことを特徴とするものである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided temperature detection means for detecting a fluid temperature, storage means for storing the relationship between the fluid temperature, the reference clock frequency of the oscillator, and the phase difference detected by the phase difference detection means, It comprises learning means for selecting a reference clock frequency for the phase difference target value based on the stored contents, and the frequency setting means sets the value selected by the learning means as the reference clock frequency. is there.
そして、流体温度の変化に伴って、受信波形が変化した場合であっても、常に、受信波形と基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 And even if the received waveform changes as the fluid temperature changes, the phase relationship between the received waveform and the reference clock can always be kept appropriate.
第9の発明は、温度検出手段が、時間演算手段の出力結果を用いて流体温度を演算する演算回路によって構成されていることを特徴とするものである。 The ninth invention is characterized in that the temperature detecting means is constituted by an arithmetic circuit for calculating the fluid temperature using the output result of the time calculating means.
そして、特別な装置を付加することなく安価な構成で温度変化に対応することができ、流体温度の変化に伴って、受信波形が変化した場合であっても、常に、受信波形と基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 And it is possible to cope with temperature changes with an inexpensive configuration without adding a special device, and even when the received waveform changes with changes in fluid temperature, the received waveform and the reference clock are always changed. The phase relationship can be kept appropriate.
第10の発明は、時間演算手段の計測結果を用いて流体流量を演算する流量演算手段と、流体流量、発振器の基準クロック周波数、位相差検出手段の検出した位相差の三者の関係を記憶する記憶手段と、前記記憶手段の記憶内容に基づいて位相差目標値に対する基準クロック周波数を選択する学習手段を備え、周波数設定手段が、学習手段で選択された値を基準クロック周波数に設定するようにしたことを特徴とするものである。 A tenth aspect of the invention stores a relationship between a flow rate calculation unit that calculates a fluid flow rate using a measurement result of a time calculation unit, a fluid flow rate, a reference clock frequency of an oscillator, and a phase difference detected by a phase difference detection unit. And a learning means for selecting a reference clock frequency for the phase difference target value based on the storage contents of the storage means, and the frequency setting means sets the value selected by the learning means as the reference clock frequency. It is characterized by that.
そして、流量の変化に伴って、受信波形が変化した場合であっても、常に、受信波形と基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 And even if the received waveform changes with the change in flow rate, the phase relationship between the received waveform and the reference clock can always be kept appropriate.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における流体の流れ検出装置のブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a fluid flow detection device according to
図1において、流体管路1の途中に超音波を送信する第1振動子2が流れの上流側に配置され、第1振動子2から送信された超音波を受信する第2振動子3が流れの下流側に配置されている。第1振動子2と第2振動子3は送受信の役割を反転する切換手段4を介して後段の処理ブロックに繋がれている。つまり、この切換手段4の作用により第1振動子2を送信側、第2振動子3を受信側とすることが可能である。
In FIG. 1, a
トリガ手段5は計測開始を指示するトリガ信号を出力し、この信号と同期して送信手段6から交流信号が出力される。送信手段6の出力信号は切換手段4を介して第1振動子2へ出力され、第1振動子2から超音波信号が出力される。第1振動子2から送信され第2振動子3で受信された超音波信号は、切換手段4を介して増幅回路7で増幅された後、波形検出手段8に出力される。
The trigger means 5 outputs a trigger signal instructing the start of measurement, and an AC signal is output from the transmission means 6 in synchronization with this signal. The output signal of the transmission unit 6 is output to the
波形検出手段8では、交流信号である超音波信号と、そのゼロ点との大小比較を行い、大小関係の逆転する点をゼロクロス点と判断し、そのゼロクロス点を予め定められた数だけ検出した後、動作を停止する。そして、トリガ手段5の出力と同時に計時手段9が発振器10から供給される基準クロックに基づいて計測開始からゼロクロス点までの経過時間を計測する。
The waveform detection means 8 compares the size of the ultrasonic signal, which is an AC signal, with its zero point, determines that the point where the magnitude relationship is reversed is the zero cross point, and detects the zero cross point by a predetermined number. After that, the operation is stopped. Simultaneously with the output of the trigger means 5, the time measuring means 9 measures the elapsed time from the start of measurement to the zero cross point based on the reference clock supplied from the
また、計時手段9の計測結果は時間演算手段11と時間差演算手段12に出力され、時間演算手段11では超音波信号の伝搬時間が、時間差演算手段12では各ゼロクロス点の発生時間間隔が求められる。そして、時間差演算手段12の出力が所定の条件を満たすように周波数設定手段13が、発振器10が出力する基準クロック周波数を設定する。
The measurement result of the time measuring means 9 is output to the
図2は、本実施の形態における流体の流れ検出装置の信号特性図である。例えば、図2に示すような受信波形を計時手段9および時間差演算手段12で計測した場合を考える。なお、計時手段9は発振器10から出力される基準クロックに基づいて動作するタイマカウンタとする。ゼロクロス点Aの計測値がCaであったとすると、ゼロクロス点B、C、Dの計測値Cb、Cc、Cdは次のような値となる。
FIG. 2 is a signal characteristic diagram of the fluid flow detection device according to the present embodiment. For example, consider a case where the received waveform as shown in FIG. 2 is measured by the time measuring means 9 and the time difference calculating means 12. The time measuring means 9 is a timer counter that operates based on a reference clock output from the
Cb=Ca+4 (式4)
Cc=Ca+8 (式5)
Cd=Ca+12 (式6)
これらの値は時間差演算手段12に出力され、各ゼロクロス点間の間隔が求められる。A〜B、B〜C、C〜Dの間隔をそれぞれ、Cab、Cbc、Ccdとすると、各値は次
のように求められる。
Cb = Ca + 4 (Formula 4)
Cc = Ca + 8 (Formula 5)
Cd = Ca + 12 (Formula 6)
These values are output to the time difference calculation means 12, and the interval between the zero cross points is obtained. Assuming that the intervals A to B, B to C, and C to D are respectively Cab, Cbc, and Ccd, each value is obtained as follows.
Cab=Cbc=Ccd=4 (式7)
(式7)はゼロクロス時間間隔が基準クロックの整数倍(4倍)であることを示しており、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係が等しいことを示している。よって、この関係が崩れるように、すなわち、3つの値全てが等しくはならないように、周波数設定手段13が基準クロック周波数を設定する。
Cab = Cbc = Ccd = 4 (Formula 7)
(Expression 7) indicates that the zero cross time interval is an integral multiple (4 times) of the reference clock, and indicates that the phase relationship of the reference clock at each zero cross point is equal. Therefore, the frequency setting means 13 sets the reference clock frequency so that this relationship is broken, that is, all three values are not equal.
周波数設定手段13は例えば、CR発振回路などによって構成されるものであって、抵抗値を変化させることによって容易に信号周波数を調整することが可能である。周波数設定手段13は時間差演算手段12の計測結果を参照しながら信号周波数を徐々に変化させて最適な周波数を選択する。周波数が最適化された後、基準クロック周波数は固定される。 The frequency setting means 13 is constituted by, for example, a CR oscillation circuit and can easily adjust the signal frequency by changing the resistance value. The frequency setting means 13 selects the optimum frequency by gradually changing the signal frequency while referring to the measurement result of the time difference calculation means 12. After the frequency is optimized, the reference clock frequency is fixed.
以上のように、周波数設定手段13が、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係が異なるように基準クロック周波数を設定しているので、受信波形が変化した場合であっても、各ゼロクロス点における基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 As described above, since the frequency setting means 13 sets the reference clock frequency so that the phase relationship of the reference clock at each zero cross point is different, even if the received waveform changes, the reference at each zero cross point is set. The clock phase relationship can be maintained appropriately.
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における流れ計測装置のブロック図である。図3において、主要部は図1と同一であるため詳細な説明は省略し異なる部分についてのみ説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram of the flow measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, since the main part is the same as FIG. 1, detailed description is abbreviate | omitted and only a different part is demonstrated.
図3において、第2計時手段15は第2発振器16から発生される第2クロックに基づいて、基準クロックとゼロクロス点の発生時間差を求めている。計時手段9および第2計時手段15の計測結果は時間演算手段11と位相差検出手段14に出力され、時間演算手段11では超音波信号の伝搬時間が、位相差検出手段14では隣接するゼロクロス点間における基準クロックの位相差が求められる。周波数設定手段13は位相差検出手段14の出力に応じて発振器10が出力する基準クロック周波数を設定している。
In FIG. 3, the second
図4は、実施の形態2における流体の流れ検出装置の信号特性図である。ゼロクロス点Aにおいて第2発振器16と第2時手段15が動作を開始し、次の基準クロックの立上り点A’までの時間差Taa’を計測する。次のゼロクロス点Bにおいても第2発振器16と計時手段15が動作を開始し、次の基準クロックの立上り点B’までの時間差Tbb’を計測する。Taa’およびTbb’はゼロクロス点AおよびBにおける基準クロックの位相を示す値であるのは明らかである。ここで、第2計時手段15によって計測されたゼロクロス点Aから次の基準クロック立ち上がり点A’までのカウント数をCx、ゼロクロス点Bから次の基準クロック立ち上がり点までのカウント数をCy、第2クロックの周期をT2とすると、Taa’およびTbb’は(式8)および(式9)で表せる。
FIG. 4 is a signal characteristic diagram of the fluid flow detection device according to the second exemplary embodiment. At the zero cross point A, the
Taa’=Cx×T2 (式8)
Tbb’=Cy×T2 (式9)
基準クロックの周期をT1として、位相差検出手段14は、(式10)を用いて、ふたつのゼロクロス点間の位相差Δθを求める。
Taa ′ = Cx × T2 (Formula 8)
Tbb ′ = Cy × T2 (Formula 9)
The phase difference detection means 14 obtains the phase difference Δθ between the two zero cross points using (Equation 10), where the period of the reference clock is T1.
Δθ=(Taa’−Tbb’)/T1×360° (式10)
周波数設定手段13は(式10)の値が目標値に一致するように発振器10の基準クロック周波数を設定する。例えば、波形検出手段8によるゼロクロス検出回数が4回の時には、(式10)の値を90°に定める。その場合、時間軸上でT1/4だけ異なるふたつの受信波形を比較した場合、4つのゼロクロス点のうちの少なくともひとつが異なる値を
示すため、時間演算手段11で求める伝搬時間が異なった値となる。以下同様に、T1/4だけ波形が時間軸上を変化する毎に、時間演算手段11で求める伝搬時間が異なった値となるので、基準クロックの1/4の時間分解能を得ることができたと言える。
Δθ = (Taa′−Tbb ′) / T1 × 360 ° (Formula 10)
The frequency setting means 13 sets the reference clock frequency of the
周波数設定手段13は位相差Δθが目標値の90°から所定値以上外れている場合には、発振器10の基準クロック周波数を変更して超音波を送信し、再度、位相差検出手段14で位相差Δθを取得する。そして、目標値とΔθの偏差が所定値未満となるまで設定動作を繰り返しながら、基準クロック周波数の調整を行なう。
When the phase difference Δθ deviates from the target value of 90 ° by a predetermined value or more, the
以上のように、位相差検出手段14で位相差を取得することにより、検出した位相差が目標値に一致するように発振器10の基準クロック周波数を設定できるようになるため、基準クロック周波数の微調整が可能となるばかりでなく、ゼロクロス点の検出回数に応じて、最適な位相差が得られる基準クロック周波数の設定が可能となり、常に高い計測分解能を得ることができる。
As described above, by acquiring the phase difference by the phase
また、調整動作中、すなわち、Δθの偏差が大の時には、時間演算手段11で求めた伝搬時間は無効とすれば計測信頼性を高めることが可能である。 Further, during the adjustment operation, that is, when the deviation of Δθ is large, the measurement reliability can be improved by invalidating the propagation time obtained by the time calculation means 11.
(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3における流れ計測装置のブロック図である。図5において、主要部は図1および図3と同一であるため詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a block diagram of a flow measuring apparatus according to
図5において温度検出手段17は時間演算手段11の出力を用いて流体温度を求めている。記憶手段18は、基準クロック周波数調整時に取得した流体温度と、発振器10の基準クロック周波数、位相差検出手段14で取得した隣接するゼロクロス間における基準クロックの位相差の三者の関係を記憶しており、学習手段19は記憶手段18の内容を参照して、流体温度の変化に応じて、目標の位相差を得るための基準クロック周波数を求めている。
In FIG. 5, the temperature detection means 17 obtains the fluid temperature using the output of the time calculation means 11. The storage means 18 stores the relationship between the fluid temperature acquired when adjusting the reference clock frequency, the reference clock frequency of the
まず、温度検出手段16の測定原理について説明する。(式1)、(式2)において、流速vは、一般に音速Cよりも遥かに小さな値を取るので、次のように変形できる。 First, the measurement principle of the temperature detection means 16 will be described. In (Expression 1) and (Expression 2), the flow velocity v generally takes a value much smaller than the sound velocity C, and therefore can be modified as follows.
t1=(L/C)(1+Vcosθ/C)−1≒(L/C)(1−Vcosθ/C)
(式11)
t2=(L/C)(1−Vcosθ/C)−1≒(L/C)(1+Vcosθ/C)
(式12)
(式11)および(式12)より、
C=2L/(t1+t2) (式13)
また、流体温度Tと音速Cは、一般的には、(式14)の近似式で示すような比例関係で表すことができる。
t 1 = (L / C) (1 + V cos θ / C) −1 ≈ (L / C) (1−V cos θ / C)
(Formula 11)
t 2 = (L / C) (1−Vcos θ / C) −1 ≈ (L / C) (1 + V cos θ / C)
(Formula 12)
From (Expression 11) and (Expression 12),
C = 2L / (t 1 + t 2 ) (Formula 13)
In general, the fluid temperature T and the sound velocity C can be expressed by a proportional relationship as shown by the approximate expression of (Expression 14).
C=α・T+β (式14)
ただし、ここで、α、βは定数項である。よって、(式13)および(式14)を用いて式を変形することにより、(式15)が成り立つ。
C = α · T + β (Formula 14)
Here, α and β are constant terms. Therefore, (Expression 15) is established by transforming the expression using (Expression 13) and (Expression 14).
T=α−1・{2L/(t1+t2)−β} (式15)
したがって、往復の伝搬時間を知ることで、特別な構成の温度検出手段を備えることなく、流体温度の検出が可能となるのである。
T = α −1 · {2L / (t 1 + t 2 ) −β} (Formula 15)
Therefore, by knowing the round-trip propagation time, it is possible to detect the fluid temperature without providing a specially configured temperature detection means.
記憶手段18の記憶形式は温度Tに対する基準クロック周波数と位相差の関係を数式で表したものや、テーブル形式で記憶したものなどが考えられる。 As a storage format of the storage means 18, there can be considered a relationship in which the relationship between the reference clock frequency and the phase difference with respect to the temperature T is expressed by a mathematical formula, a table stored in a table format, or the like.
学習手段19は温度検出手段17の検出温度に相当する最適な基準クロック周波数を記憶手段18の情報を元に選択して、選択した周波数を周波数設定手段13へ伝える。
The
以上の動作によって、流体の温度変化に伴う振動子の振動周波数の変化を踏まえて、目標の位相差を得るための基準クロック周波数を即座に求めることが可能となり、受信波形が変化した場合であっても、常に、受信波形と基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。 The above operation makes it possible to immediately obtain the reference clock frequency for obtaining the target phase difference based on the change in the vibration frequency of the vibrator accompanying the change in the temperature of the fluid. However, the phase relationship between the received waveform and the reference clock can always be kept appropriate.
(実施の形態4)
図6は、本発明の実施の形態4における流れ計測装置のブロック図である。図6において、主要部は図1と同一であるため詳細な説明は省略し異なる部分についてのみ説明する。
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a block diagram of the flow measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, since the main part is the same as FIG. 1, detailed description is abbreviate | omitted and only a different part is demonstrated.
図6において流量演算手段20は時間演算手段11の出力を用いて流体流量を求めている。記憶手段18は、基準クロック周波数調整時に取得した流体流量と、発振器10の基準クロック周波数、位相差検出手段14で取得した隣接するゼロクロス間における基準クロックの位相差の三者の関係を記憶しており、学習手段20は記憶手段19の内容を参照して、流体流量の変化に応じて、目標の位相差を得るための基準クロック周波数を求めている。
In FIG. 6, the flow rate calculation means 20 obtains the fluid flow rate using the output of the time calculation means 11. The
記憶手段18の記憶形式は流体流量に対する送信周波数と位相差の関係を数式で表したものや、テーブル形式で記憶したものなどが考えられる。 The storage format of the storage means 18 may be a mathematical expression of the relationship between the transmission frequency and the phase difference with respect to the fluid flow rate, or a table stored in a table format.
学習手段19は温度検出手段17の検出温度に相当する最適な基準クロック周波数を記憶手段18の情報を元に選択して、選択した周波数を周波数設定手段13へ伝える。
The
以上の動作によって、流体の流量変化に伴う振動子の振動周波数の変化を踏まえて、目標の位相差を得るための基準クロック周波数を即座に求めることが可能となり、調製時間を短縮することが可能となる。 With the above operation, it is possible to immediately determine the reference clock frequency for obtaining the target phase difference based on the change in the vibration frequency of the vibrator accompanying the change in the flow rate of the fluid, and the preparation time can be shortened. It becomes.
以上の動作によって、流体の温度変化に伴う振動子の振動周波数の変化を踏まえて、目標の位相差を得るための基準クロック周波数を即座に求めることが可能となり、受信波形が変化した場合であっても、常に、受信波形と基準クロックの位相関係を適切に保つことができる。特に、電池駆動によって10年間連続使用される家庭用ガスメータのように低い消費電量を維持しながら高い計測分解能を必要とする場合に特に有効である。 The above operation makes it possible to immediately obtain the reference clock frequency for obtaining the target phase difference based on the change in the vibration frequency of the vibrator accompanying the change in the temperature of the fluid. However, the phase relationship between the received waveform and the reference clock can always be kept appropriate. This is particularly effective when a high measurement resolution is required while maintaining low power consumption, such as a household gas meter that is continuously used for 10 years by battery drive.
本発明の流体の流れ計測装置は、環境変化に伴って、受信波形が変化した場合であっても、高い計測分解能を維持することができるので、気体のみならず、液体の流れ計測にも適用可能である。 The fluid flow measuring device of the present invention can maintain a high measurement resolution even when the received waveform changes due to environmental changes, so it can be applied not only to gas but also to liquid flow measurement. Is possible.
1 流体管路
2 第1振動子
3 第2振動子
6 送信手段
8 波形検出手段
9 計時手段
10 発振器
11 時間演算手段
12 時間差演算手段
13 周波数設定手段
14 位相差検出手段
17 温度検出手段
18 記憶手段
19 学習手段
20 流量演算手段
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記周波数設定手段は、前記時間差演算手段の出力が所定の条件を満たすように基準クロック周波数を設定することを特徴とする流体の流れ計測装置。 A first vibrator that is provided in a fluid line and transmits an ultrasonic signal; a second vibrator that receives the ultrasonic signal; a transmission unit that outputs an AC signal to the first vibrator; and the second vibration Waveform detection means for detecting a predetermined number of zero-cross points that are generated a plurality of times in succession by an ultrasonic signal received by the child, an oscillator for generating a reference clock having a constant frequency, and the reference clock based on the reference clock A time measuring means for measuring an elapsed time from transmission of the first vibrator to a zero cross point detected by the waveform detecting means; a time calculating means for obtaining a propagation time of the ultrasonic signal based on a measurement result of the time measuring means; A time difference calculating means for obtaining an occurrence time interval of each zero cross point, and a frequency setting means for setting a reference clock frequency of the oscillator,
The fluid flow measuring device, wherein the frequency setting means sets a reference clock frequency so that an output of the time difference calculating means satisfies a predetermined condition.
周波数設定手段は前記位相差検出手段の検出した位相差が目標値に一致するように発振器の基準クロック周波数を設定する請求項1記載の流体の流れ計測装置。 Phase difference detection means for obtaining the phase difference of the reference clock at two different zero-cross points detected by the waveform detection means instead of the time difference calculation means,
2. The fluid flow measuring device according to claim 1, wherein the frequency setting means sets the reference clock frequency of the oscillator so that the phase difference detected by the phase difference detecting means matches a target value.
位相差検出手段は、前記第2計時手段で計数するカウント数に基づいて波形検出手段で検出された相異なるふたつのゼロクロス点における基準クロックの位相差を求めるようにした請求項3〜6のいずれか1項記載の流体の流れ計測装置。 A second oscillator that starts operation at a zero-crossing point and stops operation at a rising point of a reference clock; and a second timing unit that counts the count number of the second oscillator;
7. The phase difference detection unit according to claim 3, wherein the phase difference detection unit obtains a phase difference between the reference clocks at two different zero-cross points detected by the waveform detection unit based on a count number counted by the second timing unit. The fluid flow measuring device according to claim 1.
周波数設定手段は、学習手段で選択された値を基準クロック周波数に設定する請求項3〜7のいずれか1項記載の流体の流れ計測装置。 Temperature detection means for detecting fluid temperature, storage means for storing the relationship between the fluid temperature, the reference clock frequency of the oscillator, the phase difference detected by the phase difference detection means, and the storage contents of the storage means. Learning means for selecting a reference clock frequency for the phase difference target value;
The fluid flow measuring device according to any one of claims 3 to 7, wherein the frequency setting means sets the value selected by the learning means to the reference clock frequency.
段と、前記記憶手段の記憶内容に基づいて位相差目標値に対する基準クロック周波数を選択する学習手段を備え、
周波数設定手段は、学習手段で選択された値を基準クロック周波数に設定する請求項3〜7のいずれか1項記載の流体の流れ計測装置。 A flow rate calculation unit that calculates a fluid flow rate using a measurement result of the time calculation unit, a storage unit that stores a relationship between the fluid flow rate, a reference clock frequency of the oscillator, and a phase difference detected by the phase difference detection unit; Learning means for selecting a reference clock frequency for the phase difference target value based on the storage content of the storage means;
The fluid flow measuring device according to any one of claims 3 to 7, wherein the frequency setting means sets the value selected by the learning means as a reference clock frequency.
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