JP2000205907A - 超音波渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 条件の変化が起きた場合でも正確な流量計測
ができ、かつ簡易な構成で安価な超音波渦流量計を提供
する。 【解決手段】 送信側パルス信号Ｈを加算し、受信側パ
ルス信号Ｊを減算してカウント信号Ｋを求め、カウント
信号Ｋの値が「１以上」（１，２，３，…）であり、か
つその値が−１されるまでの時間を求め、この時間の大
きさの周期的な変化（カウント信号Ｋの周期的な変化）
が、ガス流れ変化（カルマン渦）の発生周波数に対応し
ていることを利用して被測定ガスの流量を求める。この
ため、送信側超音波と受信側超音波の位相差に影響され
ずに流量計測でき、前記位相差が２πを超えるような場
合（時間Ｔ₃ ，Ｔ₄ 参照）にも、正確に流量計測できる
ことになる。さらに、従来技術で必要とされた位相比較
器が省略されるので、装置の簡素化を図ることが可能と
なる。

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
する超音波渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】渦流量計は、流れの中に置かれた障害物
の後方に発生するカルマン渦の周波数が流速に比例する
ことを利用して被測定流体の流量を求めるものであり、
堅牢かつ高精度である等の特長を有することから、種々
の分野で用いられている。近時、低流速での渦検出感度
が高いこと及び耐震性が優れていることなどから超音波
センサを用いた流量計（超音波渦流量計）が注目されて
いる。

【０００３】そして、超音波渦流量計ではカルマン渦の
周波数を検出するのに振幅復調方式を用いるものと、位
相復調方式を用いるものとがあるが、流量検出感度が高
いことから位相復調方式が主流になっている。ここで、
位相復調方式の超音波渦流量計は、大略、超音波センサ
の送信器から送信される超音波（送信側超音波）とカル
マン渦により変調されて受信器で受信される超音波（受
信側超音波）との位相差を求める位相比較器を備え、こ
の位相比較器で求められる位相差の信号（変化）がカル
マン渦の発生周波数に同期していることから、この位相
比較器の位相差の変化（周波数）を検出することにより
被測定流体の流量を計測するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、位相復
調方式の超音波渦流量計に用いられる位相比較器は、そ
の原理上検出できる位相差がマイナス２πからプラス２
πまでである。ところが、流量計測を行う場合に、温度
等種々の条件の変化により、送信側超音波と受信側超音
波の位相差が上述のマイナス２πからプラス２πの範囲
を超えてしまうことがあり、この場合には、正確な流量
計測が行えなくなってしまう虞がある。また、位相比較
器は複雑な構造を有し、かつ高価であることもあり、他
の検出方式が望まれている。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、条件の変化が起きた場合でも正確な流量計測がで
き、かつ簡易な構成で安価な超音波渦流量計を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定流体が
流れる流路と、該流路内に設けられて下流側にカルマン
渦を発生させると共に内部空間を有し、当該内部空間に
前記カルマン渦に同期した被測定流体の流れが導入され
るための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、前記渦発
生体の内部空間に導入される前記被測定流体の流れによ
る変動領域を挟んで配置した一対の超音波送信器と超音
波受信器と、該超音波送信器に所定の周波数の超音波を
発信させる発振回路と、前記発振回路からの発振パルス
を検出する毎に加算、前記超音波受信器の受信パルスを
検出する毎に減算した結果を出力する演算手段と、該演
算手段が出力する演算結果の変化に基づいて被測定流体
の流量を演算する流量演算手段と、からなることを特徴
とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施の形態の
超音波渦流量計を図１ないし図５に基づいて説明する。
この第１実施の形態を含む下記の実施の形態では、被測
定対象の流体がガスである場合を例にして説明する。図
１において、超音波渦流量計１は、被測定ガスが流れる
管３（流路）と、この管３内に設けられ下流側にカルマ
ン渦を発生させると共に内部空間４ａを有し、内部空間
４ａに前記カルマン渦に同期した被測定ガスの流れが導
入されるための孔４ｂ，４ｃ（以下、図１左上側の孔を
第１の孔４ｂ、右下側の孔を第２の孔４ｃという。）が
周壁部に設けられた渦発生体４と、を有している。そし
て、第１、第２の孔４ｂ，４ｃを通してカルマン渦が内
部空間４ａに導入され、第１の孔４ｂから第２の孔４ｃ
への被測定ガスの流れ（以下、下方向流れという。）２
Ａ、及び第２の孔４ｃから第１の孔４ｂへの被測定ガス
の流れ（以下、上方向流れという。）２Ｂが、カルマン
渦に同期して交互に発生する（以下、下方向流れ２Ａ及
び上方向流れ２Ｂの変動をガス流れ変化という。）よう
になっている。前記ガス流れ変化発生領域（被測定流体
の流れによる変動領域）を挟むようにして渦発生体４の
両端部には、超音波センサ５を構成する１組の送信器５
ａ（超音波送信器）及び受信器５ｂ（超音波受信器）の
それぞれが、相対向して設けられている。

【０００８】送信器５ａには発振器６（発振手段）が接
続されており、駆動信号Ｄを出力して送信器５ａに超音
波を送信させるようにしている。この場合、送信器５ａ
が送信する超音波（送信側超音波Ｅ）と駆動信号Ｄとは
周波数が等しくなる。送信器５ａが発生する超音波（送
信側超音波Ｅ）は、被測定ガスの流速（流量）に対応す
る周波数で発生するカルマン渦（ひいてはガス流れ変
化）に位相変調され、変調された（送信側超音波Ｅに対
し位相差を生じた）超音波（受信側超音波Ｆ）が受信器
５ｂに受信されるようになっている。受信器５ｂは受信
側超音波Ｆに対応した略正弦波状の信号（超音波受信信
号Ｇ）を出力する。

【０００９】発振器６の出力側にはコンパレータ（第１
コンパレータという）７が接続されており、駆動信号Ｄ
をパルス化して矩形の送信側パルス信号Ｈ（発振パル
ス）としてアップダウンカウンタ８（演算手段）のプラ
ス側端子８ａに入力する。受信器５ｂには、超音波受信
信号Ｇを増幅する増幅回路９が接続されている。増幅回
路９の出力側にはコンパレータ（第２コンパレータとい
う）１０が接続されており、増幅回路９を介して入力さ
れた超音波受信信号Ｇをパルス化して矩形の受信側パル
ス信号Ｊとしてアップダウンカウンタ８のマイナス側端
子８ｂに入力する。第１コンパレータ７及び第２コンパ
レータ１０には基準電位（しきい値）を決定するための
抵抗１１ａ，１１ｂ、及び１２ａ，１２ｂが接続されて
いる。

【００１０】アップダウンカウンタ８は、図４に示すよ
うに、送信側パルス信号Ｈを加算し（送信側パルス信号
Ｈのパルスの立上りエッジで＋１）、受信側パルス信号
Ｊを減算し（受信側パルス信号Ｊのパルスの立上りエッ
ジで−１）、この演算結果を示すカウント信号Ｋ（演算
信号）を後述する信号変換部１５（流量演算手段）に入
力する。この第１実施の形態では、カウント信号Ｋの内
容は、図４に示すように０または１である。後述するよ
うに信号変換部１５は、カウント信号Ｋが１である時間
（図４中Ｔ ₁ 、Ｔ₂ 、Ｔ₃ 、Ｔ₂ 、Ｔ₁ 、Ｔ₄ 、Ｔ₅ 、
Ｔ₆ 、 … ）を求め、カルマン渦（ガス流れ変化）の
発生周波数に比例したパルスの信号（流量変換信号）Ｌ
に変換し、これを演算部１６に入力する。流量変換信号
Ｌのパルスの大きさを縦軸にし、時間を横軸にしてこの
流量変換信号Ｌを連続的に示すと例えば図５下欄に示さ
れるように略正弦波状となる。

【００１１】アップダウンカウンタ８の複数の出力端子
８ｃ，８ｄ， … ８ｇのうち一つ（カウント信号Ｋの
２⁰ のビットの出力）には、フィルタ１３及びコンパレ
ータ（第３コンパレータという）１４からなる信号変換
部１５が接続されており、アップダウンカウンタ８から
のカウント信号Ｋが信号変換部１５に入力される。発振
器６、アップダウンカウンタ８及び信号変換部１５に接
続してこれらを制御すると共に、信号変換部１５から出
力される流量変換信号Ｌを入力し、この流量変換信号Ｌ
がカルマン渦（ガス流れ変化）の発生周波数に同期して
いることに基づいて、この流量変換信号Ｌから被測定ガ
スの流量を求める演算部１６（流量演算手段）が設けら
れている。

【００１２】このように構成された超音波渦流量計１で
は、被測定ガスが流れていない場合には、発振器６で発
生した駆動信号Ｄは送信器５ａで超音波（送信側超音波
Ｅ）に変換されてガス中に伝搬される。超音波は流体
（特にガス）中を伝搬することによって伝搬遅れが発生
し、例えば図２に示すように第２コンパレータ１０の出
力の受信側パルス信号Ｊは第１コンパレータ７の出力の
送信側パルス信号Ｈに対して各パルスが時間Ｔ₁ 、遅延
することになる。

【００１３】また、被測定ガスが流れた場合について、
以下に説明する。この場合、被測定ガスが管３内を示す
ように流れると、渦発生体４の下流にカルマン渦が交番
的に発生し、これに伴い内部空間４ａ内にカルマン渦に
同期したガス流れ変化が発生する。そして、例えば図３
に示すように上方向流れ２Ｂのガス流れ変化が発生し始
めると、送信超音波の送出方向（図３下向き）と逆向き
の力が発生する。この力は、図４の最下欄左側に示すよ
うに、ガス流れ変化（上方向流れ２Ｂ）の発生、消滅に
応じて、図４上向きの力Ａ→力Ｂ（｜力Ａ｜＜｜力Ｂ
｜）→力Ａのように変化し、送信超音波とガス流れ変化
（上方向流れ２Ｂ）との力関係により力０の状態（つま
りガス流れ変化が発生していない状態）となる。カルマ
ン渦の交番的な発生に伴い、今度は下方向流れ２Ａのガ
ス流れ変化が発生し、図４最下欄右側に示すように送信
側超音波Ｅの送出方向と同等の方向に、図４下向きの力
Ａ→力Ｂ（｜力Ａ｜＜｜力Ｂ｜）→力Ａが発生し、再び
力０の状態となる。なお、力Ａ、力Ｂを例示したが、実
際には力は値０〜値Ｂの範囲で連続的に変化する。また
ガス流れ変化は流れが生じた場合に、必ずしも上方向流
れ２Ｂが先に発生するわけではない。

【００１４】上述したガス流れ変化と送信側超音波Ｅと
により発生する力が変化することに伴い、図４に示すよ
うに、送信側超音波Ｅに対する受信側超音波Ｆの伝搬遅
延時間（Ｔ₁ 、Ｔ₂ 、Ｔ₃ 、Ｔ₂ 、Ｔ₁ 、Ｔ₄ 、Ｔ₅ 、
Ｔ₆ 、 … ）、すなわちカウント信号Ｋの値が「１」
である時間が前記力の変化〔ひいてはガス流れ変化（カ
ルマン渦）の発生〕に同期して連続的に変化する。そし
て、信号変換部１５は、カウント信号Ｋの周期的な変化
（この変化は、上述したようにガス流れ変化の発生周波
数に同期するものである。）に沿うようにカウント信号
Ｋを、例えば図５のように模式的に示される流量変換信
号Ｌ（ガス流れ変化の発生周波数に同期する。）に変換
して演算部１６に入力する。そして、演算部１６は信号
変換部１５からの流量変換信号Ｌに基づいて管３を流れ
る被測定ガスの流量を求める。

【００１５】この実施の形態では、アップダウンカウン
タ８が送信側パルス信号Ｈを加算し（送信側パルス信号
Ｈのパルスの立上りエッジで＋１）、受信側パルス信号
Ｊを減算し（受信側パルス信号Ｊのパルスの立上りエッ
ジで−１）、この演算結果を示すカウント信号Ｋ（演算
信号）を信号変換部１５が入力してカウント信号Ｋが１
である時間（図４中Ｔ₁ 、Ｔ₂ 、Ｔ₃ 、Ｔ₂ 、Ｔ₁ 、Ｔ
₄ 、Ｔ₅ 、Ｔ₆ 、 …）を求め、カルマン渦（ガス流れ
変化）の発生周波数に比例したパルスの信号（流量変換
信号）Ｌに変換し、この流量変換信号Ｌを演算部１６が
入力して、流量変換信号Ｌ（カウント信号Ｋの周波数に
相当する。）から被測定ガスの流量を求める。このた
め、従来技術で行った位相比較器による送信側超音波及
び受信側超音波の位相差検出を行わずに、流量計測を果
たすことが可能となり、これにより、複雑な構造の位相
比較器を省略して装置の簡素化を図ることができる。

【００１６】この実施の形態では、演算部１６がカウン
ト信号Ｋの値が「１」である時間を求め、その時間の大
きさの周期的な変化を求める場合を例にしたが、これに
代えてカウント信号Ｋの値が「ｎ」（ｎ＝１，２，３，
…）であり、かつその値が−１されるまでの時間を求
め、その時間の大きさの周期的な変化を求めるように構
成してもよい。このように構成することにより、例えば
図６の時間Ｔ₃ ，Ｔ₄ に示すように送信側パルス信号Ｈ
及び受信側パルス信号Ｊの位相差（送信側超音波と受信
側超音波の位相差）が２πを超えるような場合にも、カ
ウント信号Ｋの周期的な変化を把握することが可能であ
り、これにより、従来技術では流量計測を行えなかった
送信側超音波と受信側超音波の位相差が２πを超えるよ
うな場合にも、正確に流量計測できることになる。さら
に、従来技術で必要とされた位相比較器が省略されるの
で、装置の簡素化を図ることが可能となる。

【００１７】次に、本発明の第２実施の形態を図７及び
図８に基づいて説明する。この第２実施の形態は、図７
に示すように、前記第１実施の形態に比して、アップダ
ウンカウンタ８の複数の出力端子８ｃ， … と信号変
換部１５との間に、アップダウンカウンタ８の複数の出
力端子８ｃ， … からのカウント信号Ｋ〔カウント信
号Ｋの２⁰ 〜２^a （例えば２^a ＝２⁷ ）のビットの出
力〕を入力とするＤ／Ａコンバータ１９が介装されてい
る。この第２実施の形態では、アップダウンカウンタ８
は、プラス側端子８ａに入力される送信側パルス信号Ｈ
のパルス数を加算し、マイナス側端子８ｂに入力される
受信側パルス信号Ｊのパルス数を減算し、この演算結果
を示す信号（出力信号）をＤ／Ａコンバータ１９に入力
する。ここで、アップダウンカウンタ８のプラス側端子
８ａに入力される送信側パルス信号Ｈのパルス数（パル
スカウント数）Ｙは、送信側超音波と受信側超音波の位
相差（以下、適宜、位相差θという）に関わらず一定で
あり、次の（式１）に示されるようになる。このことを
縦軸をパルスカウント数、横軸を位相差θとして、図示
すると、図８に示されるようになる。

【００１８】 Ｙ＝ｅ（定数） … … （式１） また、受信側超音波が送信側超音波に対して位相差θ
（伝達遅延）を生じることによりマイナス側端子８ｂに
入力される受信側パルス信号Ｊのパルス数（パルスカウ
ント数）Ｙ′は、位相差θの影響を受け、次の（式２）
及び図８に示されるようになる。 Ｙ′＝ｅ＋ｇ・ sinθ … … （式２）

【００１９】アップダウンカウンタ８では、（式１）−
（式２）によって出力信号を求めている。すなわち、ア
ップダウンカウンタ８からは次の（式３）で示される出
力信号Ｙ″が出力される。なお、次の（式３）はガス流
れ変化（カルマン渦）の発生周波数を示すものであり、
ガス流れ変化はθ＝２ｎπ（ｎ＝０、１、２、）の周期
で１個発生する。 Ｙ″＝−ｇ・ sinθ … … （式３）

【００２０】この第２実施の形態も前記第１実施の形態
と同様に、送信側超音波Ｅと受信側超音波Ｆの位相差が
仮に±２πを超えて（例えば図６伝搬遅延時間Ｔ₃ ，Ｔ
₄ ）も、ガス流れ変化（カルマン渦）の発生周波数の検
出を行って流量計測を良好に果たすことができる。この
第２実施の形態では、Ｄ／Ａコンバータ１９を設けるこ
とにより、仮に送信側超音波Ｅと受信側超音波Ｆの位相
差が±２πを超えて（例えば図６伝搬遅延時間Ｔ₃ ，Ｔ
₄ ）もガス流れ変化（カルマン渦）の発生周波数から流
量計測を良好に果たすことができる。すなわち、従来技
術では、送信側超音波及び受信側超音波の位相差が位相
比較器の位相復調範囲（±２π）を超えるような場合、
一時的に安定した流量計測が行えなくなり、流量計測に
一定の制約があったが、本実施の形態によれば、従来技
術が有する上述した流量計測の制約を受けることがな
く、この分、利便性を向上できる。

【００２１】また、従来技術の他の例として、上述した
制約を解消するために、比較範囲の異なる複数の位相比
較器を設け、測定中の位相差によって位相比較器を選択
して用いる超音波渦流量計がある。しかし、このタイプ
の流量計では、複数の位相比較器を設けることに伴い、
部品点数が増加して構造が複雑化する上、組付工数が多
くかかかるという問題点を惹起する虞がある。これに対
し、本実施の形態では、送信側超音波及び受信側超音波
の位相差が±２πを超えても、複数の位相比較器を用い
ることなく、常時安定した流量計測を果たすことができ
るので、複数の位相比較器を用いない分、構造の簡素化
ひいては装置の低廉化を図ることができる。

【００２２】次に、本発明の第３実施の形態を図９〜図
１１に基づいて説明する。この第３実施の形態は、図９
に示すように、第２実施の形態（図６）のアップダウン
カウンタ８、Ｄ／Ａコンバータ１９、信号変換部１５及
び演算部１６に代えてマイコン２０（演算手段、流量演
算手段）を設けたことが、第２実施の形態に比して異な
っている。マイコン２０は、第１ポート２０ａに送信側
パルス信号Ｈを、また第２ポート２０ｂに受信側パルス
信号Ｊを入力するようになっている。そして、マイコン
２０は、図１０及び図１１に示すように、送信側パルス
信号Ｈのパルスの立上りエッジで第１割込処理を行い、
また、受信側パルス信号Ｊのパルスの立上りエッジで第
２割込処理を行うようにしている。

【００２３】マイコン２０は、図１０に示すように第１
割込処理の実行によりタイマカウンタのカウント値（時
間に対応する）を＋１する（ステップS1）。また、マイ
コン２０は、図１１に示すように、第２割込処理の実行
によりタイマカウンタのカウント値を−１する（ステッ
プS2）。マイコン２０は受信側パルス信号Ｊの入力タイ
ミングからガス流れ変化（カルマン渦）の発生周波数を
計測するようにしている。その方法としてタイマカウン
タのカウント値（時間）の増減から波形をパターン認識
し、後述するようにしてカウント値の最大値から最大値
までの周期を求めてカウント値の変化の周波数（ひいて
は、ガス流れ変化（カルマン渦）の発生周波数）を得る
ようにしている。

【００２４】受信側パルス信号Ｊの入力により行われる
第２割込処理のステップS2に続いて、マイコン２０に備
えられている図示しないメモリにカウント値が記録され
る（ステップS3）。メモリの記録領域はｎ個のＦＩＦＯ
バッファメモリによって構成されている。このステップ
S3では、過去ｎ個分のカウント値の移動平均値（受信側
パルス信号Ｊ入力ごとに計算される。）を求め、この移
動平均値を記録する。

【００２５】ステップS3に続いて「（前々回の移動平均
値）≦（前回の移動平均値）、かつ（前回の移動平均
値）＞（今回の移動平均値）となっているか否か？」の
判定を行う（ステップS4）。ステップS4でNO（カウント
値が最大値でない）と判定すると、次の第２割込処理を
待つために、この段階の第２割込処理を終了する。ステ
ップS4でYES （カウント値が最大値である）と判定する
と、現在のカウント値（最大値）がガス流れ変化（カル
マン渦）の発生周期に該当するので、そのカウント値
（ガス流れ変化の発生周期に相当する）を取得し（ステ
ップS5）、メモリに記録する（ステップS6）。続いて、
タイマを０リセットし、その後に再スタートし、次のカ
ウント値の最大値までの時間（ガス流れ変化の発生周
期）ひいてはガス流れ変化の発生周波数の計数を開始す
る（ステップS7）。

【００２６】この第３実施の形態は、第１割込処理の実
行（送信側パルス信号Ｈのパルスの立上りエッジ）によ
りタイマカウンタのカウント値（時間に対応する）を＋
１し（ステップS1）、第２割込処理の実行（受信側パル
ス信号Ｊのパルスの立上りエッジ）によりタイマカウン
タのカウント値を−１し（ステップS2）、タイマカウン
タのカウント値の最大値から最大値までの時間（ひいて
はガス流れ変化の発生周期）を求め、これによりガス流
れ変化（カルマン渦）の発生周波数を得るようにしてい
る。このため、流量計測を送信側超音波Ｅと受信側超音
波Ｆとの位相差に影響されずに果たすことができ、仮に
前記位相差が±２πを超えた場合にも良好な流量計測を
安定して行うことができる。また、安定した流量計測を
行う上で複数の位相比較器を設けるようにした従来技術
に比して、構造の簡易化が可能となり、ひいては装置の
低廉化を図ることができる。

【００２７】次に、本発明の第４実施の形態を図１２〜
図１８に基づいて説明する。この第４実施の形態は、図
１２に示すように、第３実施の形態（図９）に比して、
図９のマイコン２０に代えて、このマイコン２０と異な
る機能（後述する）のマイコン（以下、便宜上、第２マ
イコン２０Ａという。）を設けたことが異なっている。

【００２８】この実施の形態では、上述した実施の形態
と同様に、発振器６からの駆動信号Ｄは、送信器５ａか
ら送信側超音波Ｅとしてガス中に送信されると同時に第
１コンパレータ７を介して第２マイコン２０Ａの第１ポ
ート２０ａに送信側パルス信号Ｈとして入力される。こ
の送信側パルス信号Ｈの入力タイミングを図１７中
（１）で示す。一方、受信器５ｂに受信された受信側超
音波Ｆは、第２コンパレータ１０を介して第２マイコン
２０Ａの第２ポート２０ｂに受信側パルス信号Ｊとして
入力される。この受信側パルス信号Ｊの入力タイミング
を図１７中（２）で示す。この場合、第２マイコン２０
Ａは、前記第１実施の形態と同様にして送信側パルス信
号Ｈを加算し、かつ受信側パルス信号Ｊを減算してカウ
ント値を求め、このカウント値が「１以上」（１，２，
３，…）であり、かつその値が−１される（受信側パル
ス信号Ｊの入力）までの時間〔後述する（２）−（１）
などの演算により得られる伝搬遅延時間に相当する〕を
求め、その時間の大きさの周期的な変化を、上述したよ
うに最大値から最大値までの時間を計測することにより
求めるようにしている。

【００２９】前記タイミング（１）及びタイミング
（２）までの時間を計測することで伝搬遅延時間を計測
している。以下、同様に（３）〜（４）、（５）〜
（６）、 …（９）〜（１０）、 … を計測すること
で、伝搬遅延時間を連続的に把握するようにしている。
この場合、第２マイコン２０Ａが有するタイマカウンタ
を利用して、各タイミング（１）、（２）、 … （１
０）、 … でタイマカウンタの値を読み出し、例えば
（２）−（１）の演算（減算）を行って伝搬遅延時間を
算出するようにしている。なお、伝搬遅延時間の値の変
化は、上述したようにガス流れ変化（カルマン渦）の発
生周波数に同期するものであり、本実施の形態では、上
述したように（２）−（１）等の演算（減算）により求
めた伝搬遅延時間の周期、ひいては周波数を算出して、
ガス流れ変化（カルマン渦）の発生周期を得、これによ
りガスの流量を求めるようにしている。

【００３０】第２マイコン２０Ａは、上述したように第
１ポート２０ａに送信側パルス信号Ｈを、また第２ポー
ト２０ｂに受信側パルス信号Ｊを入力するようになって
おり、図１５及び図１６に示すように、送信側パルス信
号Ｈのパルスの立上りエッジで第１割込処理を行い、ま
た、受信側パルス信号Ｊのパルスの立上りエッジで第２
割込処理を行うようにしている。

【００３１】第２マイコン２０Ａは、図１５に示すよう
に第１割込処理の実行によりタイマカウンタ（第１タイ
マ２１）のカウント値（時間に対応する）を、図１３に
示すように、第２マイコン２０Ａに備えたリングバッフ
ァ（第１リングバッファ２２）に格納する（ステップS2
0 ）。ステップS20 に続いて、格納位置を指定するデー
タを更新する（ステップS21 ）。次に、更新の結果、格
納位置が第１リングバッファ２２の最終位置（格納範
囲）を超えたか否かを判定する（ステップS22 ）。ステ
ップS22 でYES と判定すると、格納位置を初期化して
（ステップS23 ）、第１割込処理を終了する。また、ス
テップS22 でNOと判定すると、ステップS23をバイパス
して第１割込処理を終了する。

【００３２】また、受信側パルス信号Ｊの入力により第
２割込処理が行われる。この第２割込処理では、まず、
第１タイマ２１のカウント値（時間に対応する）を、図
１４に示すように、第２マイコン２０Ａに備えた第２リ
ングバッファ２３に格納する（ステップS30 ）。ステッ
プS30 に続いて、格納位置を指定するデータを更新する
（ステップS31 ）。次に、更新の結果、格納位置が第２
リングバッファ２３の最終位置（格納範囲）を超えたか
否かを判定する（ステップS32 ）。ステップS32 でYES
と判定すると、格納位置を初期化し（ステップS33 ）、
ステップS34 の処理を行う。また、ステップS32 でNOと
判定すると、ステップS33 をバイパスしてステップS34
の処理を行う。

【００３３】ステップS34 では、ステップS30 で得た値
（今回取得したデータ）からステップS20 で得た値（第
１リングバッファ２２に格納された値で今回のデータに
対応したデータ）から減算し、伝搬遅延時間を算出す
る。次に、ステップS35 に進んで、「（前々回ｔ_n-2 に
求めた遅延時間Ｔ_n-2 ）＜（前回ｔ_n-1 に求めた遅延時
間Ｔ_n-1 ）、かつ（前回ｔ_n-1 に求めた遅延時間Ｔ
_n-1 ）＞（今回ｔ_n 求めた遅延時間Ｔ_n ）となっている
か否か？」の判定を行う。

【００３４】ステップS35 でNOと判定すると、第２割込
処理を終了する。また、ステップS35 でYES と判定する
と、第２タイマ２４のカウント値を読み出し、同時に第
２タイマ２４を０リセットし再スタートさせる（ステッ
プS36 ）。ステップS36 で読み出した値は図１８の周期
Ｑに相当する（タイミングｔ_n でなくタイミングｔ_{n- 1}
で最大値）が、実際に必要とする値は、周期Ｐである。
このために、ステップS36 に続くステップS37 で、「周
期Ｐ＝周期Ｑ−（Ｔ_a-1 ）＋Ｔ_a 」の演算を行って、こ
の周期Ｐから、ガス流れ変化（カルマン渦）の発生周波
数を得るようにしている。そして、Ｔ_a をＴ_a-1 として
記録し、次回の演算に備えるようにしている。ここで、
Ｔ_a はＴ_a ＝（ｔ_n ）−（ｔ_n-1 ）で求めている。ま
た、Ｔ_a-1は、Ｔ_a-1 ＝（ｔ_m ）−（ｔ_m-1 ）で求めら
れる。ここで、ｔ_m 、ｔ_m-1 は前回最大値近傍における
ｔ_n 、ｔ_n-1 に対応したタイミングである。

【００３５】この第４実施の形態は、送信側パルス信号
Ｈを加算し、かつ受信側パルス信号Ｊを減算してカウン
ト値を求め、このカウント値が「１以上」（１，２，
３，…）であり、かつその値が−１される（受信側パル
ス信号Ｊの入力）までの時間〔（２）−（１）などの演
算により得られる伝搬遅延時間に相当する〕を求め、そ
の時間の大きさの周期ひいては周波数を算出して、ガス
流れ変化（カルマン渦）の発生周期を得、これによりガ
スの流量を求めるようにしている。このため、送信側超
音波Ｅと受信側超音波Ｆとの位相差に影響されずに流量
計測を果たすことができ、仮に前記位相差が±２πを超
えた場合にも良好な流量計測を安定して行うことができ
る。また、位相差は２ｍπ＋α（ｍ：整数）のときｍが
いくつであっても等しい値をとるので、位相比較器を用
いた場合には位相差が２πをこえると超音波の変調量が
把握できなくなるのに対して、上記演算結果は値に上下
限がなく一義的であるため、仮に前記位相差が±２πを
超えた場合にも良好な流量計測を安定して行うことがで
きる。また、安定した流量計測を行う上で複数の位相比
較器を設けるようにした従来技術に比して、構造の簡易
化が可能となり、ひいては装置の低廉化を図ることがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、上述したように構成した超音
波渦流量計であるから、流路の被測定流体の流速に比例
して発生するカルマン渦に同期して内部空間に被測定流
体の流れが発生し、この被測定流体の流れによって超音
波が変調されるため、変調前の超音波を表す発振パルス
を加算しかつ変調後の超音波をパルス化した受信パルス
を減算した演算結果はカルマン渦に同期して変化するも
のになるので、演算結果の変化の周波数（演算信号の変
化の周波数）から内部空間内の被測定流体の流れ（ひい
てはカルマン渦）の発生周波数を求めることができる。
また、位相差は２ｍπ＋α（ｍ：整数）のときｍがいく
つであっても等しい値をとるので、位相比較器を用いた
場合には位相差が２πをこえると超音波の変調量が把握
できなくなるのに対して、上記演算結果は値に上下限が
なく一義的であるため、仮に前記位相差が±２πを超え
た場合にも良好な流量計測を安定して行うことができ
る。また、安定した流量計測を行う上で複数の位相比較
器を設けるようにした従来技術に比して、構造の簡易化
が可能となり、ひいては装置の低廉化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態の超音波渦流量計を模
式的に示すブロック図である。

【図２】図１の管内にガスが流れていないときの送信側
パルス信号、受信側パルス信号及びカウント信号を示す
波形図である。

【図３】図１の管内のガス流れ変化及び送信超音波の方
向を模式的に示す図である。

【図４】ガス流れ変化（カルマン渦）により受信超音波
が遅延することを模式的に示す図である。

【図５】図４に対応して示す図１のアップダウンカウン
タの出力特性を示す図である。

【図６】送信側超音波と受信側超音波の位相差が２πを
超える場合のカウント信号の一例を模式的に示す波形図
である。

【図７】本発明の第２実施の形態を模式的に示すブロッ
ク図である。

【図８】第２実施の形態の作用を示す波形図である。

【図９】本発明の第３実施の形態を模式的に示すブロッ
ク図である。

【図１０】図９の演算部の第１割込処理を示すフローチ
ャートである。

【図１１】図９の演算部の第２割込処理を示すフローチ
ャートである。

【図１２】本発明の第４実施の形態を模式的に示すブロ
ック図である。

【図１３】第４実施の形態の第１リングバッファを示す
メモリマップである。

【図１４】第４実施の形態の第２リングバッファを示す
メモリマップである。

【図１５】図１２の演算部の第１割込処理を示すフロー
チャートである。

【図１６】図１２の演算部の第２割込処理を示すフロー
チャートである。

【図１７】図１２のマイコンの第１、第２ポートに入力
される信号を示す波形図である。

【図１８】図１２の演算部の演算内容の一部を示す波形
図である。

【符号の説明】

１ 超音波渦流量計 ５ａ 送信器（超音波送信器） ５ｂ 受信器（超音波受信器） ８ アップダウンカウンタ（演算手段） １５ 信号変換部（流量演算手段） １６ 演算部（流量演算手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千 敦朗 大阪市中央区平野町４丁目１番２号 大阪 瓦斯株式会社内 (72)発明者 大菊 誠 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内 (72)発明者 保坂 栄寿 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内 (72)発明者 内城 磨 静岡県掛川市淡陽13 トキコ株式会社静岡 工場内 (72)発明者 長井 和裕 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定流体が流れる流路と、 該流路内に設けられて下流側にカルマン渦を発生させる
   と共に内部空間を有し、当該内部空間に前記カルマン渦
   に同期した被測定流体の流れが導入されるための孔が周
   壁部に設けられた渦発生体と、 前記渦発生体の内部空間に導入される前記被測定流体の
   流れによる変動領域を挟んで配置した一対の超音波送信
   器と超音波受信器と、 該超音波送信器に所定の周波数の超音波を発信させる発
   振回路と、 前記発振回路からの発振パルスを検出する毎に加算、前
   記超音波受信器の受信パルスを検出する毎に減算した結
   果を出力する演算手段と、 該演算手段が出力する演算結果の変化に基づいて被測定
   流体の流量を演算する流量演算手段と、からなることを
   特徴とする超音波渦流量計。