CN104428638B - 流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的流量测量装置为了测定超声波信号的传播时间而具有将接收信号放大的放大部(6)、基准电压变更部(11)、基准电压设定部(12)以及将接收波形与基准电压进行比较的基准比较部(7)。基准电压变更部(11)根据由放大部(6)放大得到的接收波形的放大率来变更基准电压，通过将变更得到的基准电压与接收波形进行比较来稳定地测量传播时间。由此，能够防止被测定流体的流速、流量等的测量精度的下降。

Description

流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种利用超声波测量气体、水等被测定流体的流量的流量测量装置。

背景技术

以往，作为这种流体的流量测量装置，一般为在下面利用图5说明的流量测量装置(例如，参照专利文献1)。图5是以往的流量测量装置的结构图。

如图5所示，以往的流量测量装置由被测定流体所流动的流路21、设置于流路21的第一超声波振子22和第二超声波振子23、切换部24、发送部25、放大部26、基准比较部27、判定部28、计时部29以及控制部30构成。

切换部24切换第一超声波振子22和第二超声波振子23的发送和接收。发送部25对第一超声波振子22和第二超声波振子23进行驱动。放大部26将通过作为接收侧的第一超声波振子22或第二超声波振子23接收并通过了切换部24的接收信号放大至规定的振幅。基准比较部27将通过放大部26放大得到的接收信号的电压与基准电压进行比较。

判定部28通过基准比较部27将下面利用图6说明的由放大部26放大后的接收信号A与基准电压进行比较来检测接收信号A比基准电压大之后的零交叉点a。计时部29根据由判定部28检测到零交叉点a的定时来对超声波的发送和接收的传播时间进行计时。控制部30进行发送部25、放大部26的控制，并且根据计时部29计时得到的时间来计算被测定流体的流速v和/或流量Q。

下面，参照图5说明使用以往的流量测量装置测量被测定流体的流量Q的动作。

首先，流量测量装置通过控制部30使发送部25进行动作，驱动被切换部24切换为发送侧的第一超声波振子22。通过驱动而从第一超声波振子22发送的超声波信号在流路21中流动的被测定流体流中传播并被第二超声波振子23接收。由第二超声波振子23接收到的超声波信号通过放大部26放大之后，在基准比较部27和判定部28中被进行信号处理。进行信号处理得到的超声波信号被输入计时部29。

接着，通过切换部24切换第一超声波振子22和第二超声波振子23的发送和接收并进行同样的动作。

而且，通过上述的动作，由计时部29测定被测定流体从上游向下游(将该方向设为顺流)的传播时间以及从下游向上游(将该方向设为逆流)的传播时间。

通过以上内容求出被测定流体的流速v，并利用下面的(式1)求出流量Q。

Q＝S·v＝S·L/2·cosφ(n/t1-n/t2)…(式1)

在此，将第一超声波振子22与第二超声波振子23之间的流动方向的有效距离设为L，将从上游向下游的传播时间设为t1，将从下游向上游的传播时间设为t2，将被测定流体的流速设为v，将流路21的截面积设为S，将传感器角度设为φ，将流量设为Q。在此，传感器角度φ是指如图5所示那样从第一超声波振子22和第二超声波振子23发送和接收的超声波的传播路径(箭头)与流路21内的流体的用空心箭头表示的流动方向所形成的角度。

此外，实际上，在(式1)中再乘以与流量Q相应的系数来计算流量Q。

此时，关于放大部26的增益(放大率)，通过控制部30调整放大率使得由作为接收侧的第一超声波振子22或第二超声波振子23接收到的信号成为固定振幅。由此，被调整成接收信号的最大电压值落入规定的电压范围。

下面，使用图7说明超声波信号的放大率的一般的调整方法。

图7是说明在流量测量装置中一般进行的放大率的调整方法的图。

首先，如图7的虚线所示，在测量超声波信号的过程中，在接收信号b所示的接收信号的最大电压值低于规定的电压范围的下限值的情况下，调整增益(放大率)使得在下一次的流量测量时接收信号的最大电压值落入规定的电压范围。

同样地，在图7的虚线所示的接收信号c的最大电压值超过规定的电压范围的上限值的情况下，调整增益(放大率)使得在下一次的流量测量时接收信号的最大电压值落入规定的电压范围。

具体地说，在接收信号的最大电压值低于下限值的情况下，提高放大率来进行调整使得接收信号的最大电压值如图7的实线所示的接收信号a那样落入电压范围的上限与下限之间的范围内。同样地，在接收信号的最大电压值超过上限值的情况下，降低放大率来进行调整使得接收信号的最大电压值如接收信号a那样落入电压范围的上限与下限之间的范围内。

通过以上方法调整被检测的超声波信号的放大率。

另外，为了决定由判定部28检测的零交叉点的位置而设定与由放大部26放大得到的接收信号进行比较的基准比较部27的基准电压。

因此，下面使用图6说明用于决定零交叉点的位置的基准电压。

图6是说明以往的流量测量装置中的根据接收信号来判定零交叉点a的动作的一例的图。

如图6所示，为了由判定部28检测例如接收信号的第四波的零交叉点a，而将基准电压设定为在流路21内流动的空气中传播的接收信号的第三波的正峰值电压值与第四波的正峰值电压值之差的中点的电压。由此，即使由于某些原因而接收信号的第三波的峰值电压值上升、或者第四波的峰值电压值降低，也能够为双方留出余量。其结果，能够由判定部28稳定地检测第四波的零交叉点a。

然而，在以往的流量测量装置中，基准电压为固定值。也就是说，如图6所示，是为了稳定地检测零交叉点a而将基准电压设定为在空气中传播的接收波的峰值电压的间隔最大的第三波的峰值电压值与第四波的峰值电压值的中点的固定值。因此，在作为测量对象的被测定流体从空气变为空气以外的气体的情况下，根据气体种类的不同，有时接收波形相对于图6所示的空气的接收波形发生大幅变化。

其结果，在接收信号的第三波的峰值电压值大幅上升并超过基准电压的情况下，导致将第三波的零交叉点错误检测为零交叉点a。另外，在接收信号的第四波的峰值电压值大幅减小并小于基准电压的情况下，将第五波的零交叉点错误检测为零交叉点a。

也就是说，以往的流量测量装置预先将基准电压设定为在空气中传播时的接收波的第三波的峰值电压值与第四波的峰值电压值的中点。因此，在测定空气的流量的情况下、在测定接收波形相对于空气的流量的接收波形变化小的气体的流量的情况下，能够稳定地检测第四波的零交叉点，从而进行高精度的流量测量。

但是，在测定接收波形相对于空气的流量的接收波形变化大的气体的流量的情况下，如上述那样检测传播时间的检测点发生偏差而变为第三波的零交叉点或第五波的零交叉点，因此传播时间的测量精度下降。其结果，存在被测定流体的流量的计算值的精度也下降这样的问题。

专利文献1：日本特开2003-106882号公报

发明内容

为了解决上述问题，本发明的流量测量装置具备：第一振子和第二振子，该第一振子和第二振子被设置于被测定流体流动的流路，对超声波信号进行发送和接收；发送部，其对第一振子和第二振子进行驱动；切换部，其切换第一振子和第二振子的发送和接收；放大部，其将第一振子和第二振子的接收信号放大；以及基准比较部，其将放大部的输出与基准电压进行比较。另外，具备：基准电压设定部，其设定在基准比较部中进行比较的基准电压；判定部，其根据基准比较部和放大部的输出来判定超声波信号的到达时期；计时部，其根据由判定部判定出的超声波信号的到达时期来计时出超声波信号的发送和接收的传播时间；控制部，其根据计时部计时得到的传播时间来计算被测定流体的流速和/或流量；以及基准电压变更部，其变更由基准电压设定部设定的基准电压。而且，基准电压变更部根据放大部的放大率来变更基准电压。

由此，使基准电压与放大部的放大率相应地变化，能够针对各种气体稳定地测定规定的零交叉点(例如第四波的零交叉点)。其结果，通过稳定地测定超声波信号的传播时间，能够实现防止被测定流体的流速、流量的测量精度下降的流量测量装置。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的流量测量装置的结构图。

图2是表示在使用多个流量测量装置测量各种气体的情况下的放大率与放大后的第三波的峰值电压值、第四波的峰值电压值以及作为这些峰值电压值的中点的基准电压值的分布的测定结果的一例的图。

图3是说明该实施方式的流量测量装置中的根据接收信号判定零交叉点a的动作的一例的图。

图4是本发明的实施方式2中的流量测量装置的结构图。

图5是以往的流量测量装置的结构图。

图6是说明以往的流量测量装置中的根据接收信号判定零交叉点a的动作的一例的图。

图7是说明在流量测量装置中一般进行的放大率的调整方法的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。此外，本发明不限定于该实施方式。

(实施方式1)

下面，使用图1至图3说明本发明的实施方式1中的流量测量装置。

图1是本发明的实施方式1中的流量测量装置的结构图。图2是表示该实施方式的流量测量装置中的测量各种气体的情况下的放大率与第三波的峰值电压值、第四波的峰值电压值以及作为这些峰值电压值的中点的基准电压值的分布的图。图3是说明该实施方式的流量测量装置中的根据接收信号判定零交叉点a的动作的一例的图。

如图1所示，本实施方式的流量测量装置至少由测定部100和测量部200构成。

流量测量装置的测定部100具备被测定流体流动的流路1以及设置于流路1的第一超声波振子2(以下记为“第一振子2”)和第二超声波振子3(以下记为“第二振子3”)。而且，发送/接收超声波信号的第一振子2和接收/发送超声波信号的第二振子3以所规定的角度φ隔开距离地配置在流路1内相对置的位置处。

另外，流量测量装置的测量部200至少由切换部4、发送部5、放大部6、基准比较部7、判定部8、计时部9、控制部10、基准电压变更部11以及基准电压设定部12等构成。

发送部5对被设定为发送侧的第一振子2或第二振子3进行驱动。切换部4切换第一振子2和第二振子3的发送和接收。放大部6将由作为接收侧的第一振子2或第二振子3接收到的超声波信号以依据来自控制部10的指示的放大率放大。基准比较部7将由放大部6放大得到的接收信号与基准电压进行比较，根据比较的结果，将信号输出到判定部8。

判定部8根据从基准比较部7输出的信号和由放大部6放大得到的接收信号来判定超声波信号的到达时期。计时部9根据由判定部8判定出的超声波信号的到达时期，对超声波信号的发送和接收的传播时间进行计时。控制部10根据计时部9计时得到的传播时间来计算被测定流体的流速v、流量Q。并且，控制部10控制发送部5、放大部6。

另外，基准电压变更部11根据从控制部10向放大部6指示的放大率，以使基准电压成为放大率的一次函数的方式变更基准电压。基准电压设定部12将通过基准电压变更部11变更得到的基准电压设定给基准比较部7。

如以上那样构成了本实施方式的流量测量装置。

下面，参照图1并使用图3说明在本实施方式的流量测量装置中测量被测定流体的流速v、流量Q的动作和作用。

首先，本实施方式的流量测量装置通过控制部10调整放大部6的放大率，使放大后的接收波形的振幅固定。此时，通过上述使用图7说明的调整方法调整放大率。

然后，当开始流路1内流动的被测定流体的流量测量时，控制部10使发送部5进行动作，例如驱动通过切换部4切换为发送侧的第一振子2来向第二振子3发送超声波信号。此时，计时部9从第一振子2发送超声波信号的时间点起开始计时。

接着，由放大部6根据由控制部10调整得到的放大率对由第二振子3接收到的超声波信号进行放大并输出到基准比较部7、判定部8。此时，基准比较部7将接收信号与基准电压(图3所示的第三波的峰值电压值与第四波的峰值电压值的中点的电压值)进行比较，并将比较结果的信号输出到判定部8。

此外，如图3所示，判定部8从基准比较部7输出信号(参照输出信号C)的时间点(图3中的定时c)起变为有效(进行动作)。

然后，计时部9对直到判断部8变为有效后检测出放大部6的输出的符号从正变为负的首个零交叉点(图3中的零交叉点a)为止的超声波信号的传播时间进行计时。

接着，在由判定部8检测到(参照输出信号D)零交叉点a之后，通过切换部4切换第一振子2和第二振子3的发送和接收。具体地说，将第二振子3切换为发送侧，将第一振子2切换为接收侧。

然后，同样地进行从第二振子3发送并由第一振子2接收时的超声波信号的传播时间的计时。

由此，对流路1内流动的被测定流体的流速、流量进行测量的一系列动作的第一次动作结束。

之后，再将上述一系列动作重复进行预先设定的次数。由此，能够提高测量精度，但是不特别地限定重复次数。

此时，将从第一振子2发送时的超声波信号的传播时间与从第二振子3发送时的超声波信号的传播时间分别累积规定的次数(重复次数)来进行计时。

接着，在以规定的重复次数测量出超声波信号的传播时间之后，控制部10根据从第一振子2发送时的累积时间和从第二振子3发送时的累积时间来计算从第一振子2和第二振子3发送的情况下的传播时间。然后，根据计算出的传播时间来计算被测定流体的流速v，并计算流量Q。

此时，在本实施方式中，基准电压变更部11根据放大部6的放大率来计算在基准比较部7中进行比较的基准电压，使其成为放大率的一次函数。然后，基准电压设定部12将计算出的基准电压作为下次的流量测量时的新的基准电压，设定并存储到基准比较部7。

根据以上内容，使用本实施方式的流量测量装置，能够测量被测定流体的流速v、流量Q。

下面，使用图2说明在多个流量测量装置中针对各种气体的被测定流体的超声波信号的接收波形与放大率之间的关系。

图2是表示使用多个流量测量装置测量各种气体的情况下的放大率与放大后的第三波的峰值电压值、第四波的峰值电压值以及作为这些峰值电压值的中点的基准电压值的分布的测定结果的一例的图。此外，图2示出了使用本实施方式的流量测量装置测量出的结果。

如图2所示，根据气体种类的不同，超声波信号的接收波形的衰减程度不同。因此，从被设定为接收侧的第一振子2或第二振子3输出的接收信号的振幅根据测量对象的气体的种类的不同而不同。由此，放大部6的放大率根据测量对象的气体的种类的不同而不同。

另外，如上所述，在以往的流量测量装置中，进行放大以使超声波信号的接收波形的最大振幅固定。但是，如图2所示，与放大率相应地，超声波信号的接收波形每次少量地变化。也就是说，能够从图2读出的是，随着放大率变大，第三波的峰值电压值、第四波的峰值电压值以及作为这些峰值电压值的中点的基准电压如一次函数那样呈大致直线形状(包括直线状)地逐渐变高。

另外，如图2所示可知，由于流量测量装置的个体偏差等，与放大率相应地在第三波的峰值电压值、第四波的峰值电压值以及作为这些峰值电压值的中点的基准电压值的分布中存在偏差。

但是，本实施方式的流量测量装置通过基准电压变更部11以使基准电压为放大率的一次函数的方式变更基准电压。因此，针对各种放大率的气体，能够将基准电压的位置始终稳定地设定在第三波的峰值电压值与第四波的峰值电压值的中间。

由此，针对各种气体，能够始终测定第四波的零交叉点，从而能够稳定地测量超声波信号的传播时间。其结果，能够实现不产生被测定流体的流速、流量等的测量精度的下降的流量测量装置。

此外，在本实施方式中，以基于图3所示的第四波的零交叉点即零交叉点a来测量超声波信号的传播时间的例子进行了说明，但是不限于此。例如，也可以根据图3所示的第五波的零交叉点即零交叉点b测量传播时间，能够得到相同的效果。

另外，在本实施方式中，以仅基于一个零交叉点a来测量超声波信号的传播时间的例子进行了说明，但是不限于此。例如，也可以基于图3所示的零交叉点a、零交叉点b、零交叉点c、零交叉点d等多个零交叉点来测量超声波信号的传播时间，能够得到相同的效果。

(实施方式2)

下面，使用图4说明本发明的实施方式2的流量测量装置的结构。

图4是本发明的实施方式2中的流量测量装置的结构图。

如图4所示，本实施方式的流量测量装置与实施方式1的流量测量装置的不同点在于，还具备学习信息存储部13。此外，其以外的结构、动作、作用与实施方式1相同，因此省略详细的说明。

即，如图4所示，在本实施方式中，首先，针对每个流量测量装置，使用例如空气等标准气体作为特定的被测定流体，根据超声波信号的接收波形来学习基准电压。然后，将学习得到的学习信息(例如学习放大率、学习基准电压等)存储到学习信息存储部13中。

接着，基准电压变更部11以学习信息存储部13中所存储的学习信息即学习放大率和学习基准电压为基准，根据测量气体的放大率来变更基准电压以使测量气体的基准电压成为放大率的一次函数。具体地说，首先，利用标准气体求出学习放大率和学习基准电压。然后，在利用实际测量的气体设定了放大率的情况下，基于一次函数求出此时的基准电压。因此，如果事先利用标准气体求出某流量测量装置固有的特性(学习放大率和学习基准电压)，则放大率与基准电压之间的关系能够通过一次函数表示。其结果，即使是其它的气体，也能够根据放大率来设定基准电压。

也就是说，本实施方式的流量测量装置通过基准电压变更部11以使基准电压成为放大率的一次函数的方式变更基准电压。因此，针对各种放大率的气体，都能够通过简单的计算设定基准电压的位置使其始终处于第三波的峰值电压值和第四波的峰值电压值的中间。由此，针对各种气体，能够始终测定第四波的零交叉点，从而能够稳定地测量超声波信号的传播时间。其结果，能够实现不产生被测定流体的流速、流量等的测量精度的下降的流量测量装置。

另外，本实施方式的流量测量装置针对每个流量测量装置，预先利用标准气体学习基准电压，以学习得到的学习放大率和学习基准电压为基准来变更基准电压。由此，能够缩小每个流量测量装置的个体偏差。其结果，能够实现不产生被测定流体的流速、流量等的测量精度的下降的流量测量装置。

如以上说明的那样，根据本发明的流量测量装置，具备：第一振子和第二振子，该第一振子和第二振子被设置于被测定流体流动的流路，对超声波信号进行发送和接收；发送部，其对第一振子和第二振子进行驱动；切换部，其切换第一振子和第二振子的发送和接收；放大部，其将第一振子和第二振子的接收信号放大；以及基准比较部，其将放大部的输出与基准电压进行比较。另外，具备：基准电压设定部，其设定在基准比较部中进行比较的基准电压；判定部，其根据基准比较部和放大部的输出来判定超声波信号的到达时期；计时部，其根据由判定部判定出的超声波信号的到达时期来计时出超声波信号的发送和接收的传播时间；控制部，其根据计时部计时得到的时间来计算被测定流体的流速和/或流量；以及基准电压变更部，其变更由基准电压设定部设定的基准电压。而且，也可以构成为基准电压变更部根据放大部的放大率来变更基准电压。由此，能够针对各种气体稳定地测定规定的零交叉点(例如第四波的零交叉点)。其结果，通过稳定地测量超声波的传播时间，能够实现防止被测定流体的流速、流量的测量精度下降的流量测量装置。

另外，根据本发明的流量测量装置，也可以是，基准电压变更部以使基准电压为放大率的一次函数的方式进行变更。由此，能够针对各种气体简单地计算基准电压。因此，能够稳定地测定第四波的零交叉点从而稳定地测量超声波信号的传播时间。其结果，能够实现不产生测量精度的下降的流量测量装置。

另外，根据本发明的流量测量装置，基准电压变更部还具备学习信息存储部，该学习信息存储部预先存储使用特定的被测定流体来学习基准电压而学习得到的学习放大率和学习基准电压。而且，也可以是，基准电压变更部以学习时的学习放大率和学习基准电压作为基准来变更基准电压。由此，能够针对各种气体简单地计算基准电压。其结果，能够稳定地测定规定的零交叉点(例如第四波的零交叉点)从而稳定地测量超声波信号的传播时间。并且，预先针对每个流量测量装置进行基准电压的学习，以学习得到的学习放大率和学习基准电压作为基准来变更测量时的基准电压。因此，能够缩小每个流量测量装置的个体偏差。其结果，能够进一步实现不产生被测定流体的流速、流量等的测量精度的下降的流量测量装置。

产业上的可利用性

本发明能够针对各种气体等被测定流体稳定地测量超声波信号的传播时间来确保流速、流量的测量精度。因此，能够适用于各种气体的测量器、家庭用乃至商用的大型的气体计量仪等流量测量装置的用途。

附图标记说明

1、21：流路；2、22：第一超声波振子(第一振子)；3、23：第二超声波振子(第二振子)；4、24：切换部；5、25：发送部；6、26：放大部；7、27：基准比较部；8、28：判定部；9、29：计时部；10、30：控制部；11：基准电压变更部；12：基准电压设定部；13：学习信息存储部；100：测定部；200：测量部。

Claims (3)

1.一种流量测量装置，具备：

第一振子和第二振子，该第一振子和第二振子被设置于被测定流体流动的流路，对超声波信号进行发送和接收；

发送部，其对上述第一振子和上述第二振子进行驱动；

切换部，其切换上述第一振子和上述第二振子的发送和接收；

放大部，其将上述第一振子和上述第二振子的接收信号放大；

基准比较部，其将上述放大部的输出与基准电压进行比较；

基准电压设定部，其设定在上述基准比较部中进行比较的上述基准电压；

判定部，其根据上述基准比较部和上述放大部的输出来判定上述超声波信号的到达时期；

计时部，其根据由上述判定部判定出的上述超声波信号的到达时期来计时出上述超声波信号的发送和接收的传播时间；

控制部，其根据上述计时部计时得到的上述传播时间来计算上述被测定流体的流速和/或流量；以及

基准电压变更部，其变更由上述基准电压设定部设定的上述基准电压，

其中，所述控制部调整所述放大部的放大率，使放大后的接收波形的最大振幅固定，

上述基准电压变更部根据上述放大部的放大率来变更上述基准电压。

2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，

上述基准电压变更部以使上述基准电压为上述放大率的一次函数的方式进行变更。

3.根据权利要求1或2所述的流量测量装置，其特征在于，

上述基准电压变更部还具备学习信息存储部，该学习信息存储部预先存储使用特定的被测定流体来学习基准电压而学习得到的学习放大率和学习基准电压，

上述基准电压变更部以学习时的上述学习放大率和上述学习基准电压作为基准来变更上述基准电压。