CN109073430A - 流量测量装置 - Google Patents

Abstract

使用一对超声波振子(2、3)来通过传播时间进行流量测量，该一对超声波振子(2、3)被设置于被测定流体流过的流路(1)，并被配置为使超声波信号在流路(1)的内壁上反射至少一次地发送和接收超声波信号。另外，通过将超声波振子(2、3)的接收信号放大至振幅的放大部(7)定期地进行放大率的调整，在前次与本次的放大率变化规定值以上且由流量运算部(12)运算出的瞬时流量为规定流量以下的情况下，通过基准电压设定部(9)来调整基准电压。根据该结构，能够稳定地测量传播时间，从而防止测量精度变差。

Description

流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种利用超声波来测量气体等流体的流动的流量测量装置。

背景技术

以往的这种流体的流量测量装置一般是图5的结构图所示那样的结构(例如，参照专利文献1)。

该流量测量装置具备设置于流体流过的流路121上的第一超声波振子122和第二超声波振子123以及对第一超声波振子122、第二超声波振子123的发送和接收进行切换的切换部124。另外，还具备：发送部125，其对第一超声波振子122和第二超声波振子123进行驱动；放大部126，其将由接收侧的超声波振子接收并通过了切换部124的接收信号放大至规定的振幅；以及基准比较部127，其将由放大部126放大后的接收信号的电压与基准电压进行比较。

而且，具备判定部128，如图6的说明图中所示的那样通过基准比较部127将放大后的接收信号A与基准电压Vr进行比较，该判定部128探测接收信号变为大于基准电压Vr之后的接收信号的零交叉点a。并且，还具备：计时部129，其根据由该判定部128探测出该零交叉点a的时刻来测量超声波的发送和接收的传播时间；以及控制部130，其进行对发送部125、放大部126的控制，基于由计时部129测量出的时间来计算流速和/或流量。

而且，通过控制部130使发送部125进行动作而由第一超声波振子122发送的超声波信号在流体流中传播并被第二超声波振子123接收，在通过放大部126放大后，由基准比较部127和判定部128进行信号处理，并被输入到计时部129。

接着，通过切换部124对第一超声波振子122与第二超声波振子123进行切换来进行同样的动作，由此通过计时部129来测定从被测定流体的上游向下游(将该方向设为正向流动)的传播时间和从下游向上游(将该方向设为反向流动)的传播时间。

在此，当将超声波振子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、将流路的截面积设为S、将传感器角度设为φ时，能够通过下式求出流量Q。

Q＝S·v＝S·L/2cosφ(n/t1-n/t2)…(式1)

实际上，将(式1)再乘以与流量相应的系数来计算流量。

另外，关于放大部126的放大率，控制部130对放大程度进行调整以使由接收侧的超声波振子(第一超声波振子122或第二超声波振子123)接收到的信号成为固定的振幅，从而接收信号的最大电压值被调整为进入规定的电压范围。

在测量过程中如图7的说明图的虚线示出的接收信号b所示那样接收信号的最大电压值低于规定的电压范围的下限(电压范围下限)、或者如该图7的虚线示出的接收信号c所示那样接收信号的最大电压值超过规定的电压范围的上限(电压范围上限)的情况下，调整下一次流量测量时的放大率。例如，在低于下限的情况下，提高放大程度，使得如图7的实线示出的接收信号a那样最大电压值进入电压范围的上限、下限之内。

另外，与由放大部126放大后的接收信号进行比较的基准比较部127的基准电压决定由判定部128探测的零交叉点的位置，以图6为例，为了由判定部128探测接收信号的第四个波的零交叉点a，而将基准电压设定为在空气中传播时的接收信号的第三个波与第四个波的峰值电压的中点的电压。

通过这样，针对双方取得余量，即使由于一些原因而接收信号的第三个波的峰值电压上升、或者第四个波的峰值电压减少，也能够稳定地由判定部128探测第四个波的零交叉点a。

此外，在专利文献1所记载的结构中，基准电压始终为固定值，因此例如为了稳定地探测零交叉点，而如图6所示那样将基准电压设定为在空气中传播时的接收波的峰值电压的间隔最宽的第三个波的峰值与第四个波的峰值的中点。但是，在测量对象从空气变为除空气以外的气体的情况下，根据气体的不同，有时接收波形相对于空气的情况较大地发生变化。其结果，存在以下问题：在接收信号的第三个波的峰值较大地上升了的情况下，导致错误地探测第三个波的零交叉点，或者在接收信号的第四个波的峰值较大地减少了的情况下，导致错误地探测第五个波的零交叉点。

作为其对策，存在如下一种方法(例如，参照专利文献2)：通过与放大部126的放大程度相应地使基准电压变化，能够针对各种气体稳定地测定第四个波的零交叉点。

专利文献1：日本特开2003-106882号公报

专利文献2：日本特开2014-16192号公报

发明内容

作为如上述那样的利用超声波的传播时间来测量流量的方式，存在如下一种传播方式(被称为V形路径或W形路径等)：在流路的同一面上设置一对超声波振子，通过使从一方的超声波振子发送的超声波信号在流路的内表面上反射并由另一方的超声波振子进行接收，来使传播距离变长，从而提高测量精度。

然而，在将这种V形路径或W形路径方式使用于上述以往的流量测量装置中的情况下，存在如下问题：在测量对象从空气变为除空气以外的气体的情况下等，虽然能够没有问题地进行测量，但是在流路内发生结露，在该结露附着于反射超声波的反射面的情况下，反射波的波形较大地发生变化，从而变得无法检测探测对象的波(专利文献1、专利文献2中的第四个波)的零交叉。

本发明提供一种在发生了能够推定为水滴附着于反射超声波的反射面的现象的情况下通过进行基准电压的调整能够稳定地测定探测对象的波的零交叉点从而防止测量精度降低的流量测量装置。

本发明的流量测量装置具备：一对超声波振子，该一对超声波振子设置于被测定流体流过的流路，并被配置为使超声波信号在流路内壁上反射至少一次地发送和接收超声波信号；发送部，其对超声波振子进行驱动；以及切换部，其对超声波振子的发送和接收进行切换。另外，具备：放大部，其将超声波振子的接收信号放大至振幅；基准比较部，其将放大部的输出与基准电压进行比较；基准电压设定部，其对基准电压进行调整并设定；以及判定部，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间。另外，具备：计时部，其根据由判定部判定出的超声波信号的到达时间，来测量超声波信号的发送和接收的传播时间；以及流量运算部，其基于由计时部测量出的传播时间，来运算被测定流体的瞬时流量。并且，通过放大部定期地进行放大率的调整，在前次与本次的放大率变化规定值以上且由流量运算部运算出的瞬时流量为规定流量以下的情况下，通过基准电压设定部来调整基准电压。

由此，在发生了能够推定为水滴附着的现象的情况下，通过进行基准电压的调整，能够稳定地测定探测对象的波的零交叉点，从而能够防止测量精度降低。

附图说明

图1是本发明的实施方式的流量测量装置的结构图。

图2是用于说明本发明的实施方式的流量测量装置中基准电压的设定方法的说明图。

图3是说明在本发明的实施方式的流量测量装置中基准电压设定部设定临时的基准电压的方法的流程图。

图4是说明在本发明的实施方式的流量测量装置中将临时的基准电压设为正式的基准电压的判定方法的流程图。

图5是以往的流量测量装置的结构图。

图6是用于说明在以往的流量测量装置中根据接收信号来判定零交叉点的动作的说明图。

图7是用于说明在以往的流量测量装置中放大程度调整的动作的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图并说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于该实施方式。

(实施方式)

使用图1～4对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式的流量测量装置的结构图。图2是用于说明在本实施方式的流量测量装置中根据有水滴和没有水滴的接收信号放大后的波形及接收信号来判定零交叉点的动作的说明图，在图中，实线示出没有水滴的情况的接收波形，虚线示出有水滴的情况的接收波形。图3、图4是说明在本实施方式的流量测量装置中基准电压设定部设定基准电压的方法的流程图。

在图1中，本发明的流量测量装置14在被测定流体流过的流路1的中途，将构成一对超声波振子并对超声波进行发送和接收的第一超声波振子2与第二超声波振子3隔开距离地配置于流路1的相同的面1b(图中为上表面)。

构成一对超声波振子的第一超声波振子2和第二超声波振子3均具备超声波的发送与接收的功能，通过切换部4对其功能进行选择。而且，对被选择为发送侧的超声波振子(第一超声波振子2或第二超声波振子3)提供发送部5的输出信号，由被选择为接收侧的超声波振子(第一超声波振子2或第二超声波振子3)接收到的超声波作为超声波信号被提供到接收部6。

在第一超声波振子2被设定为发送侧、第二超声波振子3被设定为接收侧的情况下，超声波如图的箭头X、箭头Y所示那样循着由第一超声波振子2发送的超声波在流路1的内壁1a反射后到达第二超声波振子3的传播路径行进。在第一超声波振子2被设定为接收侧、第二超声波振子3被设定为发送侧的情况下，循着与其相反的传播路径行进。

被提供到接收部6的超声波信号作为接收信号被发送到之后的放大部7，通过放大部7进行调整以使接收信号的最大电压值进入规定的电压范围。此外，放大部7对放大率的调整方法与以往相同，省略说明。

基准比较部8将通过放大部7放大后的接收信号与由基准电压设定部9设定的基准电压进行比较并输出信号。

基准电压设定部9适当地设定基准电压以能够探测接收信号的探测对象的波，在本实施方式中，将探测对象的波设为第四个波，与以往同样地将基准电压设定为放大后的接收信号的第三个波的峰值与第四个波的峰值的中间的电压。

接着，由判定部10根据基准比较部8的输出和由放大部7放大后的接收信号来判定超声波的到达时间，计时部11根据由判定部10判定出的超声波的到达时间来测量超声波的发送和接收的传播时间。

而且，流量运算部12根据计时部11测量出的传播时间来计算流体的流速、瞬时流量、或者每个规定期间的平均流量。

此外，图1的由虚线包围的这些各构成要素通过作为控制部13的微计算机等进行控制。

关于如以上那样构成的流量测量装置14，以下对其动作、作用进行说明。

首先，当开始流量测量时，控制部13通过切换部4将第一超声波振子2设定为发送侧、将第二超声波振子3设定为接收侧之后，使发送部5进行动作，从第一超声波振子2发送超声波信号。计时部11从此时起开始计时。

接着，超声波信号循着前述的作为传播路径的箭头X到箭头Y行进，由被设定为接收侧的第二超声波振子3接收到的超声波信号作为接收信号被放大部7放大，并被输出到基准比较部8、判定部10。

基准比较部8将由放大部7放大后的接收信号与基准电压Vr(在图2中，将实线示出的接收信号A的第三个波的峰值与第四个波的峰值的中点设为基准电压)进行比较，并将信号输出到判定部10。

判定部10从基准比较部8的信号被输出的时间点(图2中的时刻c)起变为有效。计时部11计时直到输出信号D的输出时刻为止，该输出信号D的输出时刻为判定部10变为有效后探测放大部7的输出的符号从正变为负后的、最初的负的零交叉点(图2中的零交叉点a)的时刻。

在由判定部10探测出零交叉点(图2中的零交叉点a)之后，通过切换部4对第一超声波振子2与第二超声波振子3的发送和接收进行切换，同样地由计时部11进行从第二超声波振子3发送并由第一超声波振子2接收到时的传播时间的计时。

然后，将该一系列的动作重复进行预先设定的次数，由流量运算部12基于求出的传播时间来运算被测定流体的流量。

以上是流路1的内壁1a的反射超声波的反射面上没有附着水滴的情况，接着对反射面上附着有水滴的情况的动作进行说明。

与反射超声波的反射面上没有水滴的情况相比，当水滴附着于反射面时，由于超声波信号的反射角度不成为一个方向等的影响，到达接收侧的第二超声波振子3的超声波信号的衰减变大，同时波形本身也发生变化。

例如在与超声波信号的第一个波～第三个波相比其以后的较大振幅的第四个波～第六个波的衰减较大的情况下，放大部7以使衰减大的作为最大振幅的第六个波成为规定的振幅的方式进行放大。即，与没有水滴的情况相比，放大率变大。因而，衰减小的第一个波～第三个波的放大后的振幅与没有水滴的情况相比相对地变大，成为图2的虚线示出的接收信号B那样的波形。

因而，在图2所示的事例中，在基准电压Vr保持不变的情况下，导致探测第三个波，基准比较部8的输出为时刻c0(输出信号C0)，在零交叉点a0处从判定部10输出信号(输出信号D0)。

也就是说，本来应该探测第四个波，但导致探测了第三个波，因此由计时部11计时的传播时间为短了超声波信号的一个波长的量的时间，由流量运算部12运算的流量被求出为少了相应的量的流量。

因此，在本实施方式中，控制部13在满足规定的条件的情况下判断为反射面上附着有水滴，通过基准电压设定部9调整所设定的基准电压，使得能够正确地检测第四个波。以下，使用图3所示的流程图进行说明。

首先，控制部13通过放大部7定期地(例如每隔一分钟)调整放大率，来将接收信号的最大振幅放大为规定的振幅(步骤S101)。接着，求出前次的放大率与本次的放大率之差(放大率差)，如果该放大率差为规定的判定值以上(步骤S102：是)并且此时由流量运算部12运算出的瞬时流量Qi为规定流量以下(稳定流量判定值以下)(步骤S103：是)，则进行基准电压的调整(步骤S104)。

此处的由基准电压设定部9设定的基准电压的调整方法与没有附着水滴的情况是同样的，将基准电压Vr0设定为图2的虚线示出的接收信号B的第三个波的峰值电压与第四个波的峰值电压的中间。将通过该调整所得到的基准电压Vr0设定为临时的基准电压并设为下一次流量测量中的基准电压。

接着，使用图4所示的流程图来说明在设定临时的基准电压之后是否正式采用该临时的基准电压的判定方法。

首先，判定当前设定的基准电压是否为临时的基准电压(步骤S201)，如果是临时的基准电压，则求出瞬时流量Qi，并判定该瞬时流量Qi是否为规定流量以下(稳定流量判定值以下)(步骤S202)，如果为规定流量以下，则将当前的临时的基准电压采用为正式的基准电压(步骤S203)。

如果超过了规定流量，则将当前的临时的基准电压废弃，将调整前的基准电压维持为正式的基准电压(步骤S204)。

此外，此处的规定流量是用于判别由于测量系统发生异常而无法正常地测量流量的状态的流量，被设定为超过通常的测量范围的值。

如以上那样，根据本实施方式，能够实现如下一种流量测量装置：即使在反射超声波的反射面产生水滴的附着，通过进行基准电压的调整，也能够稳定地测定第四个波(探测对象的波)的零交叉点，不会招致测量精度降低。

如以上说明的那样，本发明具备：一对超声波振子，该一对超声波振子设置于被测定流体流过的流路，并被配置为使超声波信号在流路内壁上反射至少一次地发送和接收超声波信号；发送部，其对超声波振子进行驱动；以及切换部，其对超声波振子的发送和接收进行切换。另外，具备：放大部，其将超声波振子的接收信号放大至振幅；基准比较部，其将放大部的输出与基准电压进行比较；基准电压设定部，其对基准电压进行调整并设定；以及判定部，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间。另外，具备：计时部，其根据由判定部判定出的超声波信号的到达时间，来测量超声波信号的发送和接收的传播时间；以及流量运算部，其基于由计时部测量出的传播时间，来运算被测定流体的瞬时流量。并且，通过放大部定期地进行放大率的调整，在前次与本次的放大率变化规定值以上且由流量运算部运算出的瞬时流量为规定流量以下的情况下，通过基准电压设定部来调整基准电压。

由此，在发生了能够推定为水滴的附着的现象的情况下，通过进行基准电压的调整，使得能够稳定地测定第四个波的零交叉点，能够稳定地测量传播时间，从而能够防止测量精度降低。

另外，本发明也可以设为，在由基准电压设定部对基准电压进行调整后由流量运算部运算出的瞬时流量超过了规定流量的情况下，将基准电压再次设定为调整前的基准电压。

产业上的可利用性

如以上那样，本发明所涉及的流量测量装置在使超声波如被称为所谓的V形路径、W形路径那样在流路内壁上反射来测量传播时间并运算流量的情况下，即使是反射面上附着有水滴的情况，也能够测量准确的流量，从而能够应用于各种气体的测量器、从家庭用到办公用的大型的燃气表等广泛的用途。

附图标记说明

1、121：流路；2、122：第一超声波振子(超声波振子)；3、123：第二超声波振子(超声波振子)；4、124：切换部；5、125：发送部；6：接收部；7、126：放大部；8、127：基准比较部；9：基准电压设定部；10、128：判定部；11、129：计时部；12：流量运算部；13、130：控制部；14：流量测量装置。

Claims (2)

1.一种流量测量装置，具备：

一对超声波振子，该一对超声波振子设置于被测定流体流过的流路，并被配置为使超声波信号在所述流路的内壁上反射至少一次地发送和接收所述超声波信号；

发送部，其对所述超声波振子进行驱动；

切换部，其对所述超声波振子的发送和接收进行切换；

放大部，其将所述超声波振子的接收信号放大至振幅；

基准比较部，其将所述放大部的输出与基准电压进行比较；

基准电压设定部，其对所述基准电压进行调整并设定；

判定部，其根据所述基准比较部和所述放大部的输出，来判定超声波信号的到达时间；

计时部，其根据由所述判定部判定出的超声波信号的到达时间，来测量所述超声波信号的发送和接收的传播时间；以及

流量运算部，其基于由所述计时部测量出的传播时间，来运算所述被测定流体的瞬时流量，

其中，通过所述放大部定期地进行放大率的调整，在前次与本次的放大率变化规定值以上且由所述流量运算部运算出的瞬时流量为规定流量以下的情况下，通过所述基准电压设定部来调整所述基准电压。

2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，

在由所述基准电压设定部对所述基准电压进行调整后由所述流量运算部运算出的瞬时流量超过了所述规定流量的情况下，将所述基准电压再次设定为调整前的基准电压。