JP2000205908A - 超音波渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２組の超音波センサを有することにより故障
時の補償を図れ、かつ単一の流量値を得ることができる
超音波渦流量計を提供する。 【解決手段】 第１の超音波センサ１１０（送信器１１
１及び受信器１１２）及び第２の超音波センサ２１０
（送信器２１１及び受信器２１２）を同一のガス流れ発
生領域を挟んで配置した。同一の流れを対象にして第
１、第２の超音波センサ１１０，２１０（２組の超音波
センサ）による流れ検出を行うので、流れ検出値が同等
になる。このため、従来技術で起こり得た２つの異なる
計測値の出力を招くことがない。さらに、第１、第２の
超音波センサ１１０，２１０のいずれか一方が故障した
場合にも、故障していない方の超音波センサでガス流れ
検出を行え、故障時の補償を維持でき、これにより、流
量測定の信頼性を向上できることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を測定
する超音波渦流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスの流量を測定する超音波渦流量計の
一例として、被測定ガスが流れる管と、管内に設けられ
てカルマン渦を発生させる渦発生体と、該渦発生体の内
側に外側と連通して形成され前記カルマン渦に同期した
被測定ガスの流れの変化（以下、ガス流れ変化とい
う。）を発生させる流路と、前記ガス流れ変化を流速や
密度等の変化から検出する送信器及び受信器からなる超
音波センサと、ガス流れ変化により受信器で受信される
超音波が変調されるため該超音波センサの送・受信信号
を位相比較することで変調量を求め、前記管を流れる前
記被測定ガスの流量を演算するアンプ回路とを備えたも
のがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術では、超音波センサ及びアンプ回路が１組で
あるため、超音波センサが故障するとガス流れ変化を検
出することができなくなり、また、アンプ回路が故障す
ると超音波センサが検出した信号に対する適切な演算処
理を行えなくなり、良好な流量測定を維持できなくなっ
てしまう虞があった。

【０００４】上述した問題点を解決し得る渦流量計とし
て、実開昭６１−１３９４２２号に示すものがある。こ
の渦流量計は、カルマン渦による流れを分離して設けら
れた２つの箇所にそれぞれ作り、この２つの流れを、独
立した２組のセンサにより検出する。そして、この渦流
量計では、２組のセンサのうち一方のセンサが故障して
も、他方のセンサにより流量検出を図ることができる。
しかしながら、上記渦流量計では、上記２つの流れが作
られる部分（非検出部分）で同等の流れが発生しない
と、不都合が生じる。例えば流量が少ないときに、２つ
の被検出部分のうちどちらか一方のみに流れが生じた
り、流体の脈圧が一方のみに影響したり等したときに
は、２つの異なる流量値が得られどちらが正しいのか判
断しかねる事態を招くことになる。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、同一の流れを対象にして２組の超音波センサによる
流れ検出を行うことができる超音波渦流量計を提供する
ことを目的とする。また、本発明の他の目的は、２組の
超音波センサを有することにより故障時の補償を図れ、
かつ単一の流量値を得ることができる超音波渦流量計を
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】請求項１記載の発明は、
被測定流体が流れる管と、該管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を
導入させるための孔が周壁部に設けられた渦発生体と、
送信器及び受信器を１組として構成され前記渦発生体の
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、前記送信器から送信される超音波の送信
方向が異なるように前記送信器及び受信器を配置した２
組の超音波センサと、前記２組の超音波センサの各受信
器により受信される超音波を比較して前記管に流れる被
測定流体の流量を求める流量計測手段と、を備えたこと
を特徴とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、被測定流体が流れ
る管と、該管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を導入させるための
孔が周壁部に設けられた渦発生体と、送信器及び受信器
を１組として構成され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該送
信器及び受信器を配置した２組の超音波センサと、前記
各超音波センサ毎に接続され、前記送信器で送信した超
音波と受信器に受信される超音波との位相差から前記管
に流れる被測定流体の流量をそれぞれ求める２つの流量
計測手段と、を備えたことを特徴とする。請求項３記載
の発明は、請求項２記載の構成において、前記２つの流
量計測手段に接続されて前記２組の超音波センサの送信
器にそれぞれ異なる周波数の超音波を送信させ、前記各
受信器で受信した超音波の振幅の大きさを比較して振幅
が大きくとれる超音波の周波数を抽出する周波数調整手
段を備えたことを特徴とする。

【０００８】

【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及び図２に基づいて説明する。本
実施の形態及び以下の実施の形態では、被測定対象の流
体がガスである場合を例にする。図１及び図２におい
て、超音波渦流量計１は、被測定ガスが流れる管２と、
管２の直径方向に対向して形成された孔（以下、第１、
第２の孔）３，４に挿通して管２に取り付けられ後流側
にカルマン渦を発生させる長手状の渦発生体５とを備え
ている。

【０００９】管２の外周側における第１、第２の孔３，
４が形成された部分は平坦面にされている。管２におけ
る当該平坦面が形成された２か所の部分のうち一方の部
分（図１上側）は肉厚が薄く、また、他方の部分（図１
下側）は肉厚が厚くなっている。肉厚が厚くなっている
方に形成されている前記第２の孔４は、管２の内周側が
渦発生体５を挿入し得るように大径に形成され、この大
径部４ａに段差をもって連接する部分（管２の外周側部
分）が小径部４ｂ（渦発生体５の内径寸法と同寸法）に
されている。

【００１０】渦発生体５の一端部にはフランジ部６が形
成されている。渦発生体５は、フランジ部６を図１上側
（前記一方の部分）の平坦面に係止させ、かつ他端部を
前記第２の孔４の大径部４ａに挿通させて管２に取り付
けられている。渦発生体５には、長手方向に延びて両端
部に開口する中空部７（内部空間）が形成されている。
また、渦発生体５の周壁部には、中空部７とこの渦発生
体５の外側とを連通する２つの孔８が所定距離あけて形
成されている。この２つの孔８を通して前記カルマン渦
に同期した被測定ガスの流れの変化（ガス流れ変化）が
中空部７に発生するようになっている。ここで、ガス流
れ変化はカルマン渦に同期したものであり、ガス流れ変
化の発生周波数（ひいては、発生周波数が流速に比例す
るカルマン渦の発生周波数）を検出することにより、被
測定ガスの流速、ひいては流量を測定できることにな
る。

【００１１】超音波渦流量計１は、送信器１１１及び受
信器１１２からなる第１の超音波センサ１１０と、送信
器２１１及び受信器２１２からなる第２の超音波センサ
２１０と、を有している。送信器１１１、受信器１１
２、送信器２１１及び受信器２１２は圧電素子等により
構成されそれぞれ送・受信機能を有している。第１の超
音波センサ１１０の送信器１１１及び第２の超音波セン
サ２１０の受信器２１２は、フランジ部６に保持したセ
ンサ保持体９Ａに所定角度θ（送信器１１１の中心線と
受信器２１２の中心線とが成す角度）で取付けられてい
る。第１の超音波センサ１１０の受信器１１２及び第２
の超音波センサ２１０の送信器２１１は、孔４形成部に
保持したセンサ保持体９Ｂに所定角度θ（受信器１１２
の中心線と送信器２１１の中心線とが成す角度）で取付
けられている。上述したようにセンサ保持体９Ａに送信
器１１１及び受信器２１２を取付け、センサ保持体９Ｂ
に受信器１１２及び送信器２１１を取付けることによ
り、第１の超音波センサ１１０の送信器１１１及び受信
器１１２はガス流れ発生領域を挟んで配置され、かつ第
２の超音波センサ２１０の送信器２１１及び受信器２１
２は同ガス流れ発生領域を挟んで配置されたものになっ
ている。

【００１２】第１の超音波センサ１１０の送信器１１１
及び受信器１１２を結ぶ線分と、第２の超音波センサ２
１０の送信器２１１及び受信器２１２を結ぶ線分とが渦
発生体５（中空部７）の略中心部で交差するようになっ
ており、送信器１１１から送信される超音波の送信方向
（図１右下方向）と送信器２１１から送信される超音波
の送信方向（図１右上方向）とが異なったものになって
いる。この場合、ガス流れが図１下方向であれば、送信
器１１１の超音波の送信方向はガス流れ方向に対して順
方向、送信器２１１の超音波の送信方向はガス流れ方向
に対して逆方向となる。また、ガス流れが図１上方向で
あれば、送信器１１１の超音波の送信方向はガス流れ方
向に対して逆方向、送信器２１１の超音波の送信方向は
ガス流れ方向に対して順方向となる。すなわち、ガス流
れ方向に対して送信器１１１，２１１のそれぞれの超音
波の送信方向が互いに逆方向になっている。

【００１３】そして、被測定ガスが管２内を流れると、
渦発生体５の後流側にカルマン渦が発生すると共に、カ
ルマン渦発生に伴い中空部７にガス流れ変化が発生す
る。この際、送信器１１１及び送信器２１１からそれぞ
れ送信された超音波はガス流れ変化の発生周波数に応じ
た同等の位相変調を受けて受信器１１２及び受信器２１
２に受信される。そして、上述したようにガス流れ方向
に対して送信器１１１，２１１のそれぞれの超音波の送
信方向が互いに逆方向になっていることにより、受信器
１１２及び受信器２１２の受信信号の差分を取ってガス
流れ変化で一方の受信超音波が受ける位相変調の倍の位
相変調を検出することが可能になる。なお、例えば図１
中、上から下へガス流れが生じているときは第１の超音
波センサ１１０の超音波は位相進み、第２の超音波セン
サ２１０は位相遅れをおこす。

【００１４】第１の超音波センサ１１０の送信器１１１
及び第２の超音波センサ２１０の送信器２１１には、そ
れぞれに超音波を送信させる発振器４００が接続されて
いる。第１の超音波センサ１１０の受信器１１２及び第
２の超音波センサ２１０の受信器２１２にはアンプ回路
１５０Ａが接続されている。アンプ回路１５０Ａの出力
側には出力回路１０が接続されている。また、出力回路
１０には出力端子１１を介して図示しない外部回路が接
続されるようになっている。

【００１５】アンプ回路１５０Ａは、受信器１１２及び
受信器２１２の受信信号の差分を取り、超音波がガス流
れ変化により受けた変調分を検出し、この検出結果に基
づいて管２を流れる被測定ガスの流量を示す渦パルス信
号を発生して出力回路１０に入力する。出力回路１０
は、アンプ回路１５０Ａからの渦パルス信号を出力端子
１１を介して図示しない外部の表示部またはプリント部
等に入力するようにしている。また、第１、第２の超音
波センサ１１０，２１０のいずれかが故障したときは、
こわれていない受信器１１２，２１２と発振器４００の
信号をアンプ回路１５０Ａで比較し流量を計測するよう
に構成されている。

【００１６】上述したように構成した超音波渦流量計１
では、上述したようにアンプ回路１５０Ａが、受信器１
１２及び受信器２１２の受信信号の差分を取り、超音波
がガス流れ変化により受けた変調分を検出し、この検出
結果に基づいて管２を流れる被測定ガスの流量を示す渦
パルス信号を発生する。この渦パルス信号に基づいて管
２を流れる被測定ガスの流量値の表示等が行われる。そ
して、この実施の形態では第１の超音波センサ１１０
（送信器１１１及び受信器１１２）及び第２の超音波セ
ンサ２１０（送信器２１１及び受信器２１２）を同一の
ガス流れ発生領域を挟んで配置している。このため、同
一の流れを対象にして第１、第２の超音波センサ１１
０，２１０（２組の超音波センサ）による流れ検出を行
うことができる。この場合、上述のように送信器１１１
の超音波の送信方向と送信器２１１の超音波の送信方向
とが異なっているので受信器１１２，２１２で受信され
る超音波信号の差分をとることにより温度変化により発
生する超音波の位相差が相殺されると共に、受信器１１
２，２１２で受信される超音波の位相差（振幅）分が倍
加されるので計測感度の向上を図ることができる。

【００１７】また、本実施の形態では、フランジ部６に
保持したセンサ保持体９Ａに送信器１１１及び受信器２
１２を所定角度θで取付け、かつ、孔４形成部に保持し
たセンサ保持体９Ｂに受信器１１２及び送信器２１１を
所定角度θで取付けているので、超音波の伝搬路を狭く
することが可能になり、ひいては中空部７（渦発生体
５）を小さくして装置形状の縮小化を図ることができ
る。また、本実施の形態では、第１の超音波センサ１１
０（送信器１１１及び受信器１１２）及び第２の超音波
センサ２１０（送信器２１１及び受信器２１２）が中空
部７（ガス流れ変化発生領域）を間にして配置されてお
り、第１、第２の超音波センサ１１０，２１０を渦発生
体５内に収納する場合に比して、渦発生体５の形状を小
さくすることができる。

【００１８】次に、本発明の第２実施の形態の超音波渦
流量計１を図３ないし図５に基づき、図１及び図２を参
照して説明する。本実施の形態は、前記第１実施の形態
に比して、第２の超音波センサ２１０の送信器２１１及
び受信器２１２の取付け位置を交換し（センサ保持体９
Ａに送信器２１１を取付け、センサ保持体９Ｂに受信器
２１２を取付け）、送信器１１１から送信される超音波
の送信方向（図１右下方向）と送信器２１１から送信さ
れる超音波の送信方向（図１左下方向）とが略同じ下方
向になっていること、受信器１１２，２１２に接続した
アンプ回路１５０Ａに代えて、送信器１１１及び受信器
１１２に接続して第１の超音波センサ１１０と共に第１
の流量計本体１００を構成する第１のアンプ回路１５０
（流量計測手段）、送信器２１１及び受信器２１２に接
続して第２の超音波センサ２１０と共に第２の流量計本
体２００を構成する第２のアンプ回路２５０（流量計測
手段）を設けたこと、及び第１、第２の超音波センサ１
１０，２１０の送・受信機能は切換え設定され得るよう
になっている（なお、初期状態で、図３の送信器１１
１，２１１が超音波送信を行い、図３の受信器１１２，
２１２が超音波を受信するようにしている。）ことが主
に異なっている。

【００１９】本実施の形態でも、被測定ガスが管２内を
流れると、渦発生体５の後流側にカルマン渦が発生する
と共に、カルマン渦発生に伴い中空部７にガス流れ変化
が発生し、この際、受信器１１２が受信する受信超音波
はガス流れ変化の発生周波数に応じた位相変調を受け、
同様に受信器２１２が受信する受信超音波は同じガス流
れ変化に応じた位相変調を受けることになる。そして、
第１のアンプ回路１５０（第２のアンプ回路２５０）は
送・受信器１１１，１１２（送・受信器２１１，２１
２）の送・受信信号を比較することにより、この位相変
調分を検出するようにしている。

【００２０】第１、第２のアンプ回路１５０，２５０は
相互に相手側の送・受信器にも接続されている。第１、
第２のアンプ回路１５０，２５０の出力側には出力回路
１０が接続されている。また、出力回路１０には出力端
子１１を介して図示しない外部回路が接続されるように
なっている。

【００２１】第１のアンプ回路１５０は、上述したよう
に第１の超音波センサ１１０の送・受信信号を比較して
受信される超音波がガス流れ変化により受けた変調分を
検出し、この検出結果に基づいて管２を流れる被測定ガ
スの流量を示す渦パルス信号を発生して出力回路１０に
入力する。第２のアンプ回路２５０も、第１のアンプ回
路１５０と同様に第２の超音波センサ２１０の送・受信
信号を比較して受信される超音波の変調分を検出し、こ
の検出結果に基づいて管２を流れる被測定ガスの流量を
示す渦パルス信号を発生して出力回路１０に入力する。

【００２２】第１、第２のアンプ回路１５０，２５０
は、自己及び相手側の流量計本体（超音波センサ及びア
ンプ回路）の各部を対象にした故障検出部を有してお
り、故障内容により、第１、第２の超音波センサ１１
０，２１０の送・受信機能を切換え設定し得るようにな
っている。例えば、第１の超音波センサ１１０の送信器
１１１が故障した場合、第２の超音波センサ２１０の送
信器２１１を第１、第２の超音波センサ１１０，２１０
の送信器として設定し、第２のアンプ回路２５０では第
２の超音波センサ２１０の送・受信器２１１，２１２の
送・受信信号を比較する一方、第１のアンプ回路１５０
では第２の超音波センサ２１０の送信器２１１の送信信
号と第１の超音波センサ１１０の受信器１１２の受信信
号とを比較する。また、第２の超音波センサ２１０の送
信器２１１が故障した場合、第１の超音波センサ１１０
の送信器１１１を第１、第２の超音波センサ１１０，２
１０の送信器として設定し、第１のアンプ回路１５０で
は第１の超音波センサ１１０の送・受信器１１１，１１
２の送・受信信号を比較する一方、第２のアンプ回路２
５０では第１の超音波センサ１１０の送信器１１１の送
信信号と第２の超音波センサ２１０の受信器２１２の受
信信号とを比較する。

【００２３】また、第１の超音波センサ１１０の受信器
１１２が故障した場合、第１、第２の超音波センサ１１
０，２１０の送・受信機能を切り換えて（すなわち、第
２の超音波センサ２１０の受信器２１２を送信器とし、
かつ送信器１１１，２１１を受信器として）、送信器１
個に対して受信器２個として２つの送・受信系統を構成
して送・受信信号を比較する。第２の超音波センサ２１
０の受信器２１２が故障した場合についても、上述した
第１の超音波センサ１１０の受信器１１２が故障した場
合に準じて送信器１個に対して受信器２個として２つの
受信系統を構成して送・受信信号の比較を行うようにす
る。

【００２４】また、第１、第２の超音波センサ１１０，
２１０の送信器１１１，２１１のうち一方の送信器と第
１、第２の超音波センサ１１０，２１０の受信器１１
２，２１２のうち一方の受信器とが故障した場合、故障
していない方の送・受信器を用いて、第１のアンプ回路
１５０または第２のアンプ回路２５０が送・受信信号の
比較を行うようにする。また、第１、第２のアンプ回路
１５０，２５０のうちいずれかのアンプ回路が故障した
場合、故障していない方のアンプ回路を用いて送・受信
信号の比較を行う。

【００２５】出力回路１０は、第１、第２のアンプ回路
１５０，２５０からそれぞれ渦パルス信号を入力した場
合、適宜選択して（例えば第１のアンプ回路１５０から
入力する渦パルス信号を優先する。）選択した方の渦パ
ルス信号を出力端子１１を介して図示しない外部の表示
部またはプリント部等に入力するようにしている。な
お、第１、第２のアンプ回路１５０，２５０からそれぞ
れ渦パルス信号を入力した場合、上述したように渦パル
ス信号を選択するのに代えて、平均値を求めて出力する
ようにしてもよい。

【００２６】この第２実施の形態の超音波渦流量計１で
は、第１の超音波センサ１１０の送信器１１１または第
２の超音波センサ２１０の送信器２１１が故障した場合
には、故障していない方の送信器と受信器１１２，２１
２のそれぞれとの２つの送・受信系統を確保するように
第１、第２の超音波センサ１１０，２１０の機能切り換
えを行え、これにより２つの送・受信系統を確保でき
る。このため、２つの送・受信系統の送・受信信号を比
較して流量計測できる。この際、同じガス流れを検出す
ることにより、得られる２つの計測値は同等になる。

【００２７】また、第１の超音波センサ１１０の受信器
１１２または第２の超音波センサ２１０の受信器２１２
が故障した場合には、第１、第２の超音波センサ１１
０，２１０の送・受信機能を切り換えて、故障していな
い１個の送信器と故障していない２個の受信器のそれぞ
れとの２つの送・受信系統を確保する。このため、２つ
の送・受信系統の送・受信信号を比較して流量計測でき
る。この際、同じガス流れを検出することにより、得ら
れる２つの計測値は同等になる。

【００２８】２つの送信器１１１，２１１のうち一方の
送信器と２つのの受信器１１２，２１２のうち一方の受
信器とが故障した場合、故障していない方の送・受信器
を用いて、第１のアンプ回路１５０または第２のアンプ
回路２５０が送・受信信号の比較を行う。このため、こ
のような故障時においても管２を流れる被測定ガスの流
量を得ることができる。

【００２９】また、第１、第２の超音波センサ１１０，
２１０を構成する計４個の送・受信器のうち２個の送信
器の故障、または２個の受信器の故障を生じない限り
（すなわち、仮に第１の超音波センサ１１０の送・受信
器１１１，１１２の故障、第２の超音波センサ２１０の
送・受信器２１１，２１２の故障、２個の送信器１１
１，２１１のうち一方の送信器の故障及び２個の受信器
１１２，２１２のうち一方の受信器の故障を生じて
も）、少なくとも１つの送・受信系統を確保することが
可能であり（すなわち、第１、第２の超音波センサ１１
０，２１０のいずれか一方が故障した場合にも、故障し
ていない方の超音波センサでガス流れ検出を行え、故障
時の補償を維持でき）、これにより、流量測定の信頼性
を向上できることになる。

【００３０】また、第１、第２のアンプ回路１５０，２
５０のうちいずれかのアンプ回路が故障した場合、故障
していない方のアンプ回路を用いて送・受信信号の比較
を行うことが可能であり、これにより、この故障時にお
いても管２を流れる被測定ガスの流量を測定でき、流量
測定の信頼性の向上が図れる。さらに、本実施の形態
は、前記第１の実施の形態と同様に、第１の超音波セン
サ１１０（送信器１１１及び受信器１１２）及び第２の
超音波センサ２１０（送信器２１１及び受信器２１２）
を同一のガス流れ発生領域を挟んで配置し、同一の流れ
を対象にして第１、第２の超音波センサ１１０，２１０
（２組の超音波センサ）による流れ検出を行うので、流
れ検出値が同等になる。このため、従来技術で起こり得
た２つの異なる計測値の出力を招くことがない。

【００３１】なお、第２実施の形態において、第１、第
２のアンプ回路１５０，２５０に接続して周波数調整手
段を設け、第１、第２の超音波センサ１１０，２１０の
送信器１１１，２１１にそれぞれ異なる周波数の超音波
を送信させ、このときに受信器１１２，２１２で受信さ
れる超音波の振幅を比較して振幅が大きくとれた方の超
音波センサに接続されたアンプ回路（第１のアンプ回路
１５０又は第２のアンプ回路２５０）が求めた流量を前
記管２内を流れる被測定ガスの流量として出力するよう
に構成してもよい。この周波数調整手段を設けることに
より、従来技術で起こり得た２つの異なる計測値の出力
をより確実に防止できる。

【００３２】次に、本発明の第３実施の形態の超音波渦
流量計１を図６〜図１３に基づき、図３〜図５を参照し
て説明する。この第３実施の形態の超音波渦流量計１
は、前記第２実施の形態の超音波渦流量計１（図３〜図
５）に比して、第１、第２のアンプ回路１５０，２５０
が相互監視及び監視通信等の機能を有していることが主
に異なっており、第２の実施の形態と同等の部分、部材
についての説明は適宜、省略する。

【００３３】第１、第２のアンプ回路１５０，２５０
は、同等構成になっている。第１のアンプ回路１５０
は、図６に示すように、送信器１１１に接続されて後述
するＣＰＵ１５１（演算部）からの信号に応じた周波数
の駆動信号Ａで送信器１１１を駆動して駆動信号Ａに応
じた周波数（概ね１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）の超音波を
送信させる発振回路１５２と、受信器１１２が受信した
超音波信号Ｂを受信して受信超音波信号Ｃとして出力す
る受信回路１５３と、前記駆動信号Ａ〔発振回路１５２
が送信器に入力する信号（超音波信号）〕と前記受信超
音波信号Ｃの位相差を取り、積分することで、超音波が
ガス流れ変化により受ける変調分を検出して渦信号Ｄと
して出力する位相比較部１５４と、位相比較部１５４か
らの渦信号Ｄを増幅して増幅渦信号Ｅとして出力する渦
増幅器１５５と、渦増幅器１５５からの増幅渦信号Ｅを
デジタル化して、規則性をもったデューティ比が略５０
％の渦パルス信号Ｆに整形する波形整形部１５６と、渦
パルス信号Ｆを入力して管２を流れる被測定ガスの流量
及び瞬時流量、積算流量を示す流量信号Ｇを発生すると
共に、自己診断及び第２のアンプ回路２５０との相互通
信を行ってその内容を示す診断情報Ｈを生成するマスタ
／スレーブＣＰＵ１５１（以下、ＣＰＵ１５１とい
う。）と、ＣＰＵ１５１からの流量信号Ｇ及び診断情報
Ｈを表示する表示部１５７と、から大略構成されてい
る。第２のアンプ回路２５０は上述したように第１のア
ンプ回路１５０と同等構成であり、各構成部材につい
て、便宜上、符号のみ変えて図示する。渦増幅器１５５
が出力する増幅渦信号Ｅ（ひいては位相比較部１５４が
出力する渦信号Ｄ）の周波数と、管２を流れる被測定ガ
スの流速との関係を示すと、例えば図７に示すように比
例する関係にある。なお、増幅渦信号Ｅの振幅は超音波
が受ける変調量に相当するものであり、増幅渦信号Ｅの
振幅及び管２を流れる被測定ガスの流速も図７に示すよ
うに比例する関係にある。

【００３４】表示部１５７は、流量測定時は、瞬時流量
と積算流量を表示し、第１、第２のアンプ回路１５０，
２５０の相互監視の結果、一方の流量計本体が故障と判
定された場合には、当該一方の流量計本体が故障してい
ることを表示する。さらに、表示部１５７は、発振回路
１５２による周波数調整中は、その旨を表示する。第
１、第２のアンプ回路１５０，２５０の出力側には出力
回路１０が接続されている。出力回路１０は、ＣＰＵ１
５１からの流量信号Ｇを出力端子１１を介して外部に出
力する。

【００３５】第１、第２のアンプ回路１５０，２５０
は、各ＣＰＵ１５１，２５１を介して相互に通信可能で
あり、後述するように一方が故障した場合、故障してい
ない方の他方のアンプ回路（１５０または２５０）が流
量出力セットを行って流量測定を行えるようにしてい
る。第１、第２のアンプ回路１５０，２５０の各ＣＰＵ
１５１，２５１では、電源がオンされる（図８ステップ
S1）と、発振回路１５２が出力する駆動信号Ａ（ひいて
は送信器が送信する超音波）の周波数（基本周波数）を
設定する（ステップS2）。ステップS2に続くステップS3
で、マスタ、スレーブの設定をすると共に、次の〜
の割り込み設定を行って、設定された割り込み処理が実
行される。本実施の形態では、第１の流量計本体１００
（第１のアンプ回路１５０）をマスタ、第２の流量計本
体２００（第２のアンプ回路２５０）をスレーブとし、
初期設定時においてマスタが流量測定及び周波数調整処
理を行うようにしている。 流量割り込み設定 相互監視用のタイマ割り込み設定（マスタ１秒、スレ
ーブ２秒） 超音波基本周波数発生用のタイマ割り込み設定 通信割り込み設定

【００３６】上記流量割り込み設定により実行される
処理内容を、図９に基づいて説明する。まず、渦パルス
信号Ｆの出力に応じて渦パルス信号Ｆのパルス数に相当
する流量バッファ値の加算を行う（ステップS10 ）。そ
して、流量バッファ値が予め定めた出力単位数以上にな
ったか否かを判定する（ステップS11 ）。ステップS11
でYES と判定すると、前記出力単位数に相当する量の流
量信号Ｇを出力回路１０に入力する（ステップS12 ）。
ステップS12 に続いて、流量バッファからステップS12
で出力された量に相当する出力単位数を減算する（ステ
ップS13 ）。次に、ステップS12 で出力した流量信号Ｇ
の値を流量積算値に加算し、得られた積算流量値を表示
部１５７に表示させる（ステップS14 ）。続いて、ステ
ップS12 で得た流量信号Ｇに基づいて瞬時流量を求め、
この瞬時流量を表示部１５７に表示させる。ステップS1
1 でNOと判定すると流量割り込み処理を終了する。

【００３７】相互監視用のタイマ割り込み設定によ
り、マスタ側（第１の流量計本体１００）では、図１０
に示すように相互監視処理を行う。まず、自己診断を行
う（ステップS20 ）。自己診断は、受信超音波信号Ｃ及
び増幅渦信号Ｅ（振幅、周波数）を例えばそれぞれの基
準値と比較して行う。受信超音波信号Ｃが例えば基準値
と大きく異なる場合には、第１の超音波センサ１１０が
故障したと判定することになり、また、増幅渦信号Ｅ
（振幅、周波数）が例えば基準値と大きく異なる場合に
は、第１の超音波センサ１１０が故障したか、被測定ガ
スの流れが不安定となったか、あるいは第１の超音波セ
ンサ１１０側の孔８に詰りが生じたか等の要因が想定さ
れることになる。

【００３８】次にステップS20 の自己診断結果をスレー
ブ（第２の流量計本体２００）に送信する（ステップS2
1 ）。続いて、スレーブ（第２の流量計本体２００）の
自己診断結果を受信したか否かを判定する（ステップS2
2 ）。ステップS22 でNOと判定した場合は、タイムアウ
トしたか否かを判定する（ステップS23 ）。ステップS2
3 でNOと判定するとステップS21 に戻って再度判定処理
を行う。ステップS22 またはステップS23 でYES と判定
すると、このマスタ側で流量測定が可能であるか否かを
判定する（ステップS24 ）。ステップS24 でYES と判定
すると、流量測定はこちら（マスタ、第１の流量計本体
１００）で行う旨をスレーブに送信する（ステップS25
）。次に、スレーブ側が流量測定可能か否かを判定し
（ステップS26 ）、YES と判定すると、このマスタ側の
相互監視処理を終了する。ステップS26 でNOと判定する
と、スレーブ側の状態（スレーブ側が流量測定可能でな
いことを示す）を表示して（ステップS27 ）、このマス
タ側の相互監視処理を終了する。

【００３９】ステップS24 でNOと判定すると、スレーブ
側が流量測定可能か否かを判定する（ステップS28 ）。
ステップS28 でYES と判定すると、流量測定はスレーブ
側に任せる旨を送信する（ステップS29 ）。次に、マス
タ側の状態（マスタ側が流量測定可能でないことを示
す）を表示する（ステップS30 ）。ステップS30 に続い
て、スレーブ側で流量測定を行う旨の設定（流量測定の
セット）をし（ステップS31 ）、このマスタ側の相互監
視処理を終了する。ステップS28 でNOと判定すると、マ
スタ側が流量測定不可である旨を送信する（ステップS3
2 ）。次に、マスタ側が流量測定可能でないことを示す
表示を行い（ステップS33 ）、このマスタ側の相互監視
処理を終了する。

【００４０】超音波基本周波数発生用のタイマ割り込
み設定（１５分に１回程度起動される）により、マスタ
側では、図１１に示すように超音波の調整処理（超音波
基本周波数発生処理）を行う。まず、マスタ及びスレー
ブが共に測定可能（正常）か否かを判定する（ステップ
S40 ）。ステップS40 でYES と判定すると、スレーブ側
で流量測定を行う旨の設定（流量測定のセット）をする
（ステップS41 ）。ステップS41 に続いて、発振回路１
５２（ＣＰＵ１５１と共に周波数調整部を構成する。）
を制御してマスタ（第１の流量計本体１００）の送信器
１１１が送信する超音波の周波数の値を大きくするか小
さくするかのいずれかを行うように発振回路１５２を制
御してセット（周波数上下方向をセット）する（ステッ
プS42 ）。

【００４１】ステップS42 に続いてステップS42 の処理
に伴いスレーブの受信超音波信号Ｃの信号レベル（受信
レベル）が上昇するか否かを判定する（ステップS43
）。ステップS43 でYES と判定すると、ステップS42
でセットした周波数上下方向に周波数の値が変化するよ
うにマスタの発振回路１５２を制御する（ステップS44
）。ステップS44 に続いて、ステップS44 及び後述す
るステップS46 の処理回数が予め定めた規定回数に達し
たか否かを判定し（ステップS45 ）、ステップS45 でYE
S と判定するとこの超音波の調整処理を終了する。ステ
ップS43 でNOと判定すると、ステップS42 でセットした
周波数上下方向を逆転し（ステップS46 ）、ステップS4
5 に進む。ステップS45 でNOと判定するとステップS43
に戻って処理を行う。マスタ側での周波数最適処理が終
了すると、マスタ側での流量測定に切換え、スレーブ側
の周波数処理を行い周波数処理を終了する。

【００４２】また、スレーブ側では、マスタ側から１．
５秒間、通信が来なければ、図１２に示すように相互監
視処理を起動するようにしている。まず、前記ステップ
S20 （マスタ側）と同様に自己診断を行う（ステップS5
0）。次に、スレーブが流量測定が可能であるか否かを
判定する（ステップS51 ）。ステップS51 でYES と判定
すると、マスタ側の状態を表示し（ステップS52 ）、ス
レーブ側で流量測定を行う旨の設定（流量出力セット）
を行い（ステップS53 ）、このスレーブ側の相互監視処
理を終了する。ステップS51 でNOと判定すると、流量測
定が不可能である旨の表示を行い（ステップS54 ）、こ
のスレーブ側の相互監視処理を終了する。

【００４３】通信割り込み設定（マスタ側からの通信
割り込みで起動される）により、スレーブ側では、図１
３に示すように監視通信処理を行う。まず、通信内容を
解読し（ステップS60 ）、マスタ側の自己診断内容を受
信したか否かを判定する（ステップS61 ）。ステップS6
1 でYES と判定すると、前記ステップS50 （ステップS2
0 ）と同様に自己診断を行い（ステップS62 ）、自己診
断内容をマスタ側に送信する（ステップS63 ）。ステッ
プS63 に続いて、ステップS63 についてのマスタ側から
の応答（マスタ側で測定する等の情報）を待ち（ステッ
プS64 ）、この応答を受信すると、ステップS65 に進ん
でマスタ側で流量測定を行うか否かの判定を行う。ステ
ップS65 でYES と判定すると、このスレーブ側の監視通
信処理を終了する。ステップS65 でNOと判定すると、ス
レーブ側で流量測定を行う旨の設定（流量出力セット）
をし（ステップS66 ）、このスレーブ側の監視通信処理
を終了する。また、ステップS61 でNOと判定すると、こ
のスレーブ側の監視通信処理を終了する。

【００４４】この第３実施の形態では、例えば第１の超
音波センサ１１０（マスタ）が故障すると、受信超音波
信号Ｃが基準値に比して異なるものとなる。このため、
ステップS20 で得た自己診断結果による判定（ステップ
S24 ）で、第１の超音波センサ１１０（マスタ）は流量
測定できないと判定し、流量測定はスレーブ側（第２の
超音波センサ２１０，第２の流量計本体２００）に任せ
る旨の送信がスレーブ側（第２の流量計本体２００）に
なされる（ステップS29 ）。そして、ステップS29 の通
信割り込みによりスレーブ側（第２の流量計本体２０
０）は図１３の監視通信処理を起動し、ステップS65
（マスタ側で流量測定を行うか否か）の判定でNOと判定
し、スレーブ側（第２の流量計本体２００）で流量測定
を行う旨の設定（流量出力セット）をする（ステップS6
6 ）。このため、第１の超音波センサ１１０が故障して
も、第２の超音波センサ２１０（第２の流量計本体２０
０）により流量測定を行え、流量測定の信頼性の向上を
図ることができる。また、本実施の形態も、第１の超音
波センサ１１０（送信器１１１及び受信器１１２）及び
第２の超音波センサ２１０（送信器２１１及び受信器２
１２）を同一のガス流れ発生領域を挟んで配置すること
は前記第２の実施の形態と同様であり、同一の流れを対
象にして第１、第２の超音波センサ１１０，２１０（２
組の超音波センサ）による流れ検出を行うので、流れ検
出値が同等になる。このため、従来技術で起こり得た２
つの異なる計測値の出力を招くことがない。

【００４５】また、第１の超音波センサ１１０（マス
タ）が正常時に第２の超音波センサ２１０（スレーブ）
に故障が発生した場合、マスタ側の自己診断（ステップ
S20 ）で得た自己診断結果による判定（ステップS24 ）
で、YES と判定して、流量測定はマスタ側で行う旨を送
信する（ステップS25 ）。このステップS25 の通信割り
込みによりスレーブ側はの監視通信処理を起動し、ステ
ップS62 でスレーブ側（第２の超音波センサ２１０）で
流量測定を行えない旨の自己診断を行い、この自己診断
内容をマスタ側（第１の流量計本体１００）に送信し
（ステップS63 ）、その応答を待つ（ステップS64 ）。
ステップS64 により応答を求められたマスタ側（第１の
流量計本体１００）からは、「流量測定はマスタ側で行
う」旨の応答を得ることになり、ステップS64 に続くス
テップS65 （マスタ側で流量測定を行うか否か？）の判
定で、YES と判定し、このスレーブ側の監視通信処理を
終了し、前記マスタ側（第１の流量計本体１００）の流
量測定が継続されることになる。このため、第２の超音
波センサ２１０が故障しても、第１の超音波センサ１１
０（第１の流量計本体１００）により流量測定を継続し
て行え、流量測定の信頼性の向上を図ることができる。

【００４６】本実施の形態では、所定周期で周波数調整
処理（図１１）を行い、マスタ及びスレーブが共に測定
可能である場合（ステップS40 でYES ）、スレーブ側で
流量測定を行う旨の設定（流量出力セット）をし（ステ
ップS41 ）、マスタの受信器が受信する超音波信号の受
信レベルが大きくなるようにマスタの送信器が送信する
超音波の周波数を調整する（ステップS43 ，S44 ，S45
，S46 ）。このため、受信レベルが最大のときの周波
数（最適周波数）を得て、最適周波数となるように、マ
スタの発振回路を制御してマスタの送信器から当該周波
数の超音波を送信させることが可能となり、このように
送信器から最適周波数の超音波を送信することにより、
精度高い流量測定値を得ることができる。

【００４７】また、この第３実施の形態では、ステップ
S43 でスレーブの受信超音波信号Ｃの信号レベル（受信
レベル）が上昇するか否かを判定する場合を例にした
が、これに代えて、受信超音波信号Ｃのノイズが小さく
なるか否かを判定するように構成してもよい。

【００４８】なお、前記第２実施の形態または第３実施
の形態に代えて、図１４に示すように構成（以下、便宜
上、第４実施の形態という。）してもよい。第２実施の
形態または第３実施の形態では、センサ保持体９Ａを介
して渦発生体５のフランジ部６に送信器１１１，２１１
を設け、センサ保持体９Ｂを介して管２（孔４形成部）
に受信器１１２，２１２を設けるようにしていたが、こ
の第４実施の形態は、管２に両端部が二股になった渦発
生体５を嵌挿し、渦発生体５（両端の二股部）に直接送
信器１１１，２１１及び受信器１１２，２１２を取付け
るようにしている。

【００４９】上記各実施の形態では、超音波センサが２
組である場合を例にしたが、これに代えて３組または４
以上の組としてもよい。

【００５０】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、被測定流体の流
れによる変動領域を挟んで送信器及び受信器を配置した
２組の超音波センサを有しており、同一の流れを対象に
して２組の超音波センサによる流れ検出を行うことがで
きる。また、２組の超音波センサの送信器から送信され
る超音波の送信方向が異なるように送信器を配置し、各
受信器により受信される超音波信号を比較するので、温
度変化により発生する超音波の位相差の相殺及び各受信
器により受信される超音波信号の位相比較値の倍化が可
能になり、これにより計測感度を向上できる。

【００５１】請求項２記載の発明は、被測定流体の流れ
による変動領域を挟んで送信器及び受信器を配置した２
組の超音波センサを有しており、同一の流れを対象にし
て２組の超音波センサによる流れ検出を行い、同等の値
の計測値を得ることができる。また、同一の被測定流体
の流れを２組の超音波センサにより検出しているので、
２組の超音波センサのうち一方の組の超音波センサが故
障しても、他方の組の超音波センサを用いて流量計測を
行え、故障時の補償を維持できる。

【００５２】請求項３記載の発明は、２つの流量計測手
段に接続されて２組の超音波センサの送信器にそれぞれ
異なる周波数の超音波を送信するよう出力し、各受信器
で受信した超音波の振幅を比較して振幅が大きくとれる
超音波の周波数を抽出する周波数調整手段を備えてお
り、これにより、超音波センサで送受信する超音波の周
波数を最適化することができる。

【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示
す断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】本発明の第２実施の形態の超音波渦流量計を模
式的に示す断面図である。

【図４】図３の超音波渦流量計の管と直交する方向に沿
う断面図（図５のＡ−Ａ線に沿う断面図）である。

【図５】図３の超音波渦流量計の管の長手方向に沿う断
面図である。

【図６】本発明の第３実施の形態を示すブロック図であ
る。

【図７】図６の渦信号の周波数と被測定ガスの流速の対
応関係を示す特性図である。

【図８】図６の第１、第２のアンプ回路（マスタ側及び
スレーブ側）の演算処理のメインルーチンを示すフロー
チャートである。

【図９】図６の超音波渦流量計の第１のアンプ回路（マ
スタ側）の流量計測処理内容を示すフローチャートであ
る。

【図１０】図６の第１のアンプ回路（マスタ側）の相互
監視処理を示すフローチャートである。

【図１１】図６の第１のアンプ回路（マスタ側）の周波
数調整処理を示すフローチャートである。

【図１２】図６の第２のアンプ回路（スレーブ側）の相
互監視処理を示すフローチャートである。

【図１３】図６の第２のアンプ回路（スレーブ側）の監
視通信処理を示すフローチャートである。

【図１４】本発明の第４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。

【符号の説明】

１ 超音波渦流量計 ２ 管 ５ 渦発生体 １１０，２１０ 第１、第２の超音波センサ １１１，１１２ 第１の超音波センサ送信器、受信器 ２１１，２１２ 第２の超音波センサ送信器、受信器 １５０，２５０ 第１、第２のアンプ回路（流量計測手
段） １５１ ＣＰＵ（周波数調整手段） １５２ 発振回路（周波数調整手段）

───────────────────────────────────────────────────── 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 稲田 豊 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 吉倉 博史 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 田辺 稔 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 小原 一洋 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 田代 耕一 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 古賀 守孝 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 菅田 達夫 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定流体が流れる管と、 該管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を導入させるための孔が周壁
   部に設けられた渦発生体と、 送信器及び受信器を１組として構成され前記渦発生体の
   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、前記送信器から送信される超音波の送信
   方向が異なるように前記送信器及び受信器を配置した２
   組の超音波センサと、 前記２組の超音波センサの各受信器により受信される超
   音波を比較して前記管に流れる被測定流体の流量を求め
   る流量計測手段と、を備えたことを特徴とする超音波渦
   流量計。
2. 【請求項２】 被測定流体が流れる管と、 該管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を導入させるための孔が周壁
   部に設けられた渦発生体と、 送信器及び受信器を１組として構成され前記渦発生体の
   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
   領域を挟んで該送信器及び受信器を配置した２組の超音
   波センサと、 前記各超音波センサ毎に接続され、前記送信器で送信し
   た超音波と受信器に受信される超音波との位相差から前
   記管に流れる被測定流体の流量をそれぞれ求める２つの
   流量計測手段と、を備えたことを特徴とする超音波渦流
   量計。
3. 【請求項３】 前記２つの流量計測手段に接続されて前
   記２組の超音波センサの送信器にそれぞれ異なる周波数
   の超音波を送信させ、前記各受信器で受信した超音波の
   振幅の大きさを比較して振幅が大きくとれる超音波の周
   波数を抽出する周波数調整手段を備えたことを特徴とす
   る請求項２記載の超音波渦流量計。