JP2000298048A

JP2000298048A - 流量計測装置

Info

Publication number: JP2000298048A
Application number: JP11106244A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Ochi; 謙三黄地; Akihisa Adachi; 明久足立
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-24
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP4284746B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流量計測精度の向上。【解決手段】超音波振動子３、４を駆動する駆動波形
を、主周波数成分と副周波数成分との複数個の周波数成
分で構成し、副周波数成分を超音波振動子の不要振動成
分とすることにより、超音波伝播時間を計測するゼロク
ロス点のジッターを抑えることができる。よって、流量
計測精度を向上することができる。

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
する流量計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の流量計測装置は、流体の
流れる流路の上流側と下流側とに一対の超音波振動子を
設け、上流側の超音波振動子から下流側の超音波振動子
への、あるいは、下流側の超音波振動子から上流側の超
音波振動子への超音波の伝搬時間を計測し、その時間差
から流体の流速を演算し、流量を計測していた（特開平
９−３３３０８号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の流
量計測装置では、次のような課題があった。

【０００４】すなわち超音波の伝搬時間を計測するの
に、受信した超音波波形の第ｎ番目のゼロクロス点を用
いるため、超音波の送信波形もしくは受信波形に雑音、
たとえば超音波振動子などの不要振動が含まれている
と、伝搬時間の計測に誤差が発生することになるという
課題があった。即ち、この不要振動成分が、受信波形に
含まれると伝播時間を計測する第ｎ番目のゼロクロス点
が時間的に変動するジッター成分を含むことになり、そ
の分不安定になり、時間計測における雑音となって、計
測精度が低下することになる。

【０００５】例えば、単一周波数からなるパルス波形あ
るいは正弦波形で超音波振動子を駆動しても、送信され
た超音波波形、もしくは受信された超音波波形には、超
音波振動子を構成する圧電体、あるいはパッケージ、あ
るいは固定方法などに起因する駆動周波数以外のいわゆ
る不要振動成分が含まれることになり、ゼロクロス点が
時間的に変動し、ジッター成分を含むことになり誤差が
発生することになるという課題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、本発明の流量計測装置は、流体の流れる流
路の上流側と下流側とに超音波振動子を対向して配設
し、複数の周波数で合成された駆動周波数で前記超音波
振動子を駆動し、前記振動子間を超音波が伝搬する時間
差から流量を演算してなる構成としたものである。この
構成により、超音波振動子を主周波数で駆動するととも
に、超音波振動子を構成する圧電体、あるいはパッケー
ジ、あるいは固定方法などに起因する駆動周波数以外の
いわゆる不要振動成分からなる種々の周波数からなる副
周波数成分でも同時に駆動し、この副周波数成分を主周
波数成分に対し、その振幅を正負に変えたり、また、そ
の位相を駆動のたびに変化させたり、例えば、進めたり
遅らせたりすることにより、ゼロクロス点による伝搬時
間計測を実施すると、不要振動成分によるゼロクロス点
の時間的変動、即ちジッター成分が平均化され、その結
果、誤差の含まない精度の高い流量計測ができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、流体の流れる流路の上
流側と下流側とに超音波振動子を対向して配設し、複数
の周波数で合成された駆動周波数で前記超音波振動子を
駆動し、前記振動子間を超音波が伝搬する時間差から流
量を演算してなる構成としたものである。この構成によ
り、超音波振動子を駆動する周波数に、主周波数成分に
加えて、単一の周波数で駆動した場合に発生する種々の
不要振動成分を含めることが可能となり、その結果、こ
の不要振動成分を大きくしたり、小さく抑えたりするこ
とができ、ゼロクロス点がより安定し、流量計測の精度
が向上する。

【０００８】また、前記駆動周波数を、主周波数と副周
波数とで構成し、副周波数を超音波振動子の不要振動周
波数とする構成とし、前記副周波数の振幅を主周波数の
振幅に対し、種々変化させる構成とした。この構成によ
り、超音波振動子を駆動する主周波数成分に対し、不要
振動成分からなる副周波数成分の振幅を変えて含めるこ
とができ、この不要振動成分を抑えることができ、ゼロ
クロス点が安定し、流量計測の精度が向上する。

【０００９】また、前記駆動周波数を、主周波数と副周
波数とで構成し、副周波数の位相を主周波数に対し、交
互に１８０度反転し駆動する構成とした。この構成によ
り、超音波振動子を駆動する主周波数成分に対し、不要
振動成分からなる副周波数成分の位相を変えて含めるこ
とができ、この不要振動成分を抑えることができ、ゼロ
クロス点が安定し、流量計測の精度が向上する。なお、
複数回計測する場合には、駆動ごとに位相を反転させる
ので、計測結果を平均化処理することにより、ゼロクロ
ス点がより一層安定し、計測精度が向上する。

【００１０】また、前記駆動周波数を、主周波数と副周
波数とで構成し、副周波数の位相を主周波数に対し、複
数回の計測中に順次変化させ駆動する構成とした。この
構成により、複数回計測する場合には、その計測回数全
数にわたって位相が一回転するように、駆動ごとに位相
を順次変化させるので、不要振動によるゼロクロス点の
変動が平均化され、より一層安定し、計測精度が向上す
る。

【００１１】また、前記副周波数を、超音波振動子のパ
ッケージに起因する共振周波数とする構成とした。この
構成により、パッケージに起因する共振周波数によるゼ
ロクロス点の変動が抑制され、計測精度が向上する。

【００１２】また、前記副振動周波数を、超音波振動子
の圧電体に起因する共振周波数とする構成とした。この
構成により、超音波振動子の圧電体に起因する共振周波
数によるゼロクロス点の変動が抑制され、計測精度が向
上する。

【００１３】また、前記副振動周波数を、超音波流量計
の計測システムに起因する共振周波数とする構成とし
た。この構成により、超音波流量計の計測システムに起
因する共振周波数によるゼロクロス点の変動が抑制さ
れ、計測精度が向上する。

【００１４】また、前記超音波が伝搬する時間差をシン
グアラウンド法を用いて計測する構成とした。この構成
により、複数回計測するシングアラウンド法を用いる超
音波流量計に対して特に有効に作用し、ゼロクロス点が
複数回の計測により平均化処理される結果となり、計測
精度が大幅に向上する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１６】（実施例１）図１（ａ）、（ｂ）は本発明
の実施例１の流量計測装置の断面図である。図１（ａ）
は、流路１の断面図を示し、流体の流れる部分２の上流
側と下流側とに一対の超音波振動子３、４を対向して設
けた。流体の流れる方向６（矢印５で示す）と振動子
３、４間を超音波が伝搬する方向７とは、交叉角Anで交
叉するようにした。図１（ｂ）は、流路１の側面図を示
し、Ｗは流路１の幅を、Ｈは流路１の高さをそれぞれ示
す。図２に、超音波振動子の送信波形８と受信波形９と
を示す。図２中のＴt、Ｔrはそれぞれ送信開始時間、受
信時間を示す。通常の場合、受信時間Ｔrは、雑音レベ
ル内に埋もれていることが多く、正確に特定することが
できないので、第ｎ番目のＴr'示すゼロクロス点を受信
時間とし、受信時間と送信時間との差、Ｔr'−Ｔtを超
音波の伝搬時間としている。例えば、超音波振動子３，
４間の距離をＬ、超音波の伝搬速度をＶs、流体の流れ
る速度をＶf、上流側の超音波振動子３から下流側の超
音波振動子４への超音波の伝搬時間をＴud、下流側の超
音波振動子４から上流側の超音波振動子３への超音波の
伝搬時間をＴdu、とすると次式が成り立つ。

【００１７】Ｔud＝Ｌ／[Ｖs＋Ｖf*COS(Ａn)］Ｔdu＝Ｌ／[Ｖs−Ｖf*COS(Ａn)］これより、[Ｖs＋Ｖf*COS(Ａn)］＝Ｌ／Ｔud [Ｖs−Ｖf*COS(Ａn)］＝Ｌ／Ｔdu よって、２*Ｖf*COS(Ａn)＝[(Ｌ／Ｔud)−(Ｌ／Ｔdu)］また、Ｖf＝[(Ｌ／Ｔud)−(Ｌ／Ｔdu)］／[２*COS(Ａ
n)] このよう演算して求めた流体の流速、Ｖfに、流路１の
断面積（Ｗ*Ｈ）を乗じ、流量としている。従って、上
流側から下流側への、あるいは下流側から上流側への伝
搬時間を正確に計測できればできるほど、流量計測の精
度が向上することになる。

【００１８】図３に、超音波の受信波形９をスペクトル
アナライザで観測した結果を示す。図３において、横軸
は周波数を、縦軸にその周波数成分の強度を示す。最も
大きいピーク１０は受信波形９の主周波数成分を示し、
サイドローブの１１、１２、１３などの小さいピークは
複数個の不要振動成分を示す。このように受信波形９に
は、種々の不要振動成分が含まれている。この受信波形
９に含まれる不要振動成分１１、１２、１３は、伝搬時
間を計測するゼロクロス点、Ｔr'にも大きく影響を及ぼ
し、ゼロクロス点Ｔr’が、これらの不要振動成分で振
動している、即ちジッター成分を含むことを意味してい
る。従って、これらの不要振動成分が小さいほど、ジッ
ター成分が少ないほど、安定して伝搬時間を計測できる
ことになる。

【００１９】なお、これらの不要振動成分は、超音波振
動子を構成する圧電振動子の主周波数としてどの振動モ
ードを用いるかによって変化する。例えば、主周波数と
して縦振動を用いる場合、より低周波数側に、横振動モ
ード、厚みすべりモードあるいは輪郭モードなどが該当
する。また、圧電振動子のどの部分を接着あるいは固定
するかなどのパッケージによっても種々の不要振動成分
が発生する。また、シングアラウンド法などの計測シス
テムなどによっても不要振動成分が発生する。

【００２０】図４に、不要振動を抑えるための送信波形
を示す。８は、主周波数を示し、１４は副周波数を示
す。図４中のＴmは主周波数８の周期を、Ｔdは主周波数
８と副周波数１４との開始時間差を、Ａmpは主周波数成
分の振幅に対する副周波数成分の振幅比をそれぞれ示
す。主周波数は矩形波３波からなるバースト波を用い、
副周波数は矩形波２波からなるバースト波を用いた。

【００２１】また、流量計測の安定性評価は、流量計測
を１００回繰り返し、その計測値のばらつきから判定し
た。Ｔdを、（０．７５〜１．５０）*Ｔmの範囲で、ま
た、振幅Ａmpを、（０．１〜０．４）の範囲で変化させ
たところ、送信波形が、主周波数のみの単一周波数から
なる場合に比べ、流量計測の安定度が、約５〜２０％改
善された。すなわち、送信波形が主周波数のみの単一周
波数からなる場合の流量計測結果がＱmeas±dＱであっ
たのが、主周波数と副周波数とからなる送信波形を用い
た場合には、Ｑmeas±dＱ*（０．９５〜０．８０）に改
善されたことを意味する。

【００２２】このように、超音波振動子を主周波数のみ
で駆動するのではなく、種々の周波数からなる副周波数
成分を含ませることにより、この副周波数成分の振幅あ
るいは位相を変化させることにより、受信波形に含まれ
る不要振動成分を小さくすることができ、時間計測にお
けるジッター成分を減少させ、時間計測の精度を向上さ
せることができる。

【００２３】（実施例２）超音波振動子を駆動する周波
数を、図４に示した主周波数８で構成するとともに、副
周波数成分１４として、図３に示した不要振動成分を構
成する周波数とした。即ち、超音波の受信波形を図３に
示したようにスペクトルアナライザで分析し、１１、１
２、１３などの不要振動成分の周波数を求め、副周波数
とした。このように超音波の受信波形をスペクトル分析
することにより、簡単に副周波数を決定することができ
た。このようにして、副周波数成分を簡単に設定するこ
とができるとともに、効率よく受信波形のゼロクロス点
のジッターを抑えることができた。

【００２４】（実施例３）図５に、偶数回の伝播時間計
測の用いる主周波数と副周波数との位相関係を示す。

【００２５】副周波数は、実施例２で示したようにして
求めた。１５は主周波数成分からなる３波の矩形波から
なる駆動波形を、１６は不要振動成分で構成される副周
波数成分からなる２波の矩形波を、１７は１６と同じ周
波数からなり、１６よりも位相が１８０度遅れた２波の
矩形波を示す。例えば、上流側の超音波振動子３から超
音波を送信し、下流側の超音波振動子４で受信し、その
時の超音波伝播時間を計測し、また逆に、下流側の超音
波振動子４から超音波を送信し、上流側の超音波振動子
３で受信し、その時の超音波伝播時間、およびその時間
差を計測する。通常の場合、このような計測を偶数回、
あるいは複数回計測し、計測した伝播時間を平均化処理
することにより精度を上げている。

【００２６】偶数回計測する場合には、例えば、奇数回
目の超音波伝播時間計測には、１５と１６からなる駆動
波形を用い、超音波振動子を駆動し、超音波伝播時間を
計測し、偶数回目の超音波伝播時間計測には、１５と１
７とからなる駆動波形を用いて超音波振動子を駆動し、
超音波伝播時間を計測し、これらの計測結果を、平均化
処理することにより、さらに一段と超音波伝播時間計測
における第ｎ番目のゼロクロス点のジッターを少なくす
ることができる。例えば、奇数回目の計測において、正
のジッターが発生したとすると、偶数回目の計測におい
ては、負のジッターが発生することになる。従って、平
均化処理することにより、これら正負のジッタ成分を解
消することができ、計測精度が一段と向上することにな
る。

【００２７】（実施例４）図６に、複数回の伝播時間計
測の用いる主周波数と副周波数との位相関係を示す。

【００２８】副周波数は、実施例２で示したようにして
求めた。１８は主周波数成分からなる３波の矩形波から
なる駆動波形を、１９は不要振動成分で構成される副周
波数成分からなる２波の矩形波を、２０は、１９と同じ
周波数からなり、１９よりも位相がφ度遅れた２波の矩
形波を示す。予め超音波伝播時間の計測回数が決められ
ている場合、例えば、１０回計測する場合、１回目の計
測には、１８と１９とからなる駆動波形を用いて超音波
伝播時間を計測する。２回目の計測には、１８と位相
（φ）が３６度遅れた波形１９とからなる駆動波形を用
いて超音波伝播時間を計測する。

【００２９】このように第ｋ回目の計測には、１８と位
相（φ）が３６*（ｋー１）度遅れた波形１９とからな
る駆動波形を用いて超音波伝播時間を計測する。このよ
うにして１０回計測すると、１０回の計測中の駆動波形
には、位相が０度から順次遅れ、３２４度まで遅れた波
形２０が含まれることになる。従って、これらの駆動波
形を用いて超音波伝播時間を計測し、これらの結果を平
均化処理することにより、超音波伝播時間を計測するゼ
ロクロス点でのジッターが、これらの位相遅れにより解
消することができ、計測精度が一段と向上することにな
る。

【００３０】（実施例５）超音波振動子を駆動する周波
数を、図４に示した主周波数８で構成するとともに、副
周波数成分１４として、超音波振動子のパッケージに起
因する不要振動成分で構成するようにした。図７に超音
波振動子の概観図を、図８にその断面図を示す。２１は
金属パッケージ２２の上面に接着された樹脂材料で構成
された音響整合層を、２３は金属製端子台を示す。２４
は圧電セラミックを示し、金属パッケージ２２の内面に
接着されている。２５、２６は圧電セラミック２４の上
下両面に形成された電極を示し、電極２６は金属パッケ
ージ２２を介して、金属製端子台２３の端子２７に電気
的に接続されている。

【００３１】一方、電極２６は、リード線２８を介し
て、端子台２３に絶縁ガラス２９によりハーメチック固
定された端子３０に電気的に接続されている。このよう
な構成の超音波振動子の端子２７、３０に駆動信号を入
力すると、圧電セラミック２４が縦振動したり、あるい
は広がり振動したりし、音響整合層２１を介して、超音
波が放出される。この時、金属パッケージ２２に付随す
る各種の共振振動が、不要振動として発生する。即ち、
円筒状の金属製パッケージ２２が輪郭振動を起こした
り、あるいは撓み振動を起こしたりして低周波の不要振
動を発生する。このパッケージに付随する低周波の不要
振動は、送信側の振動子からは超音波振動として放出さ
れたり、あるいは受信側振動子では受信した超音波振動
子により誘因されたりして発生する。

【００３２】これらの不要振動は、周波数が低いためな
かなか減衰することなく、長く残響するため、超音波時
間計測の第ｎ番目のゼロクロス点のジッターとして計測
され、精度低下の一因であった。従って、これらの金属
パッケージに起因する共振周波数を副周波数成分とし
て、主周波数成分とともに駆動波形として用いることに
より超音波伝播時間計測の精度を大幅に向上することが
できる。

【００３３】（実施例６）図９に超音波振動子のインピ
ーダンス特性を示す。３１の部分が、超音波振動として
放出する超音波振動子の共振部分を示し、３２が反共振
部分を、３３が他の振動モード部分を示す。例えば、超
音波振動として放出する振動が縦振動である場合、他の
振動モード３３は、撓み振動であったり、横振動であっ
たり、輪郭振動であったりする不要振動成分である。従
って、これらの不要振動を副周波数成分として、主周波
数成分とともに駆動波形として用いることにより、これ
らの不要振動を小さく抑えることができ、超音波伝播時
間計測の精度が大幅に向上する。

【００３４】（実施例７）シングアラウンド計測法の場
合について、図１を用いて以下に説明する。シングアラ
ウンド計測法の場合、例えば、上流側の超音波振動子３
から超音波が下流側の超音波振動子４に向かって放出さ
れ、例えば、約２００μsec後に、下流側の超音波振動
子４で、超音波が受信される。超音波が受信されると遅
延回路が動作し約１５０μsec後に、下流側の超音波振
動子から上流側の超音波振動子に超音波を受信したと、
信号が伝達される。この信号伝達をカウンタ回路でカウ
ントし、例えば１００回繰り返す時間を計測するのがシ
ングアラウンド法である。この方法を用いると１０MHz
の時計であっても、１０００MHz相当の時間分解能で時
間を計測することができる。

【００３５】このようなシングアラウンド計測において
は、受信側の超音波振動子は、計測の間中、約３５０μ
secごとに超音波を受信することになる。このため、受
信側の超音波振動子では、約３５０μsec分の１、即
ち、２．８６kHzで、強制振動を受けることになる。こ
の強制振動がゼロクロス点のジッターの要因となり、計
測精度が低下する結果となる。従って、これらの強制振
動を副周波数成分として、即ち、計測システムに起因す
る共振周波数を副周波数として、主周波数成分とともに
駆動波形として用いることにより超音波伝播時間計測の
精度が大幅に向上する。

【００３６】（実施例８）時間計測する第ｎ番目のゼロ
クロス点にジッターを含ませない様にする本発明は、低
周波数成分のジッターに対して特に有効である。即ち、
周波数の低いジッター成分は一度発生すると、減衰まで
の数十周期間にわたって継続するので、その間時間計測
の精度が著しく低下することになる。従って、実施例７
で説明したように、約２．８６kHzの低周波成分を含む
シングアラウンド計測法に対して特に有効である。即
ち、本発明の複数の周波数成分からなる駆動波形を用い
ないでシングアラウンド法を用いて超音波伝播時間を高
精度に計測することは、非常に困難である。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
流量計測装置によれば次の効果が得られる。

【００３８】（１）流路の上流側と下流側とに一対の超
音波振動子を対向して設置し、複数の周波数で合成され
た駆動周波数で超音波振動子を駆動する構成としたの
で、超音波の伝播時間を計測するゼロクロス点でのジッ
ターを抑えることができ、計測精度が向上する。

【００３９】（２）駆動周波数を、主周波数と副周波数
とで構成し、副周波数を超音波振動子の不要振動周波数
とする構成としたので、超音波の受信波形をスペクトル
解析することにより、簡単に副周波数を決定することが
できる。

【００４０】（３）偶数回の計測中において、副周波数
の位相を主周波数に対し、交互に１８０度反転し、計測
結果を平均化処理することで、計測精度を向上すること
ができる。

【００４１】（４）複数回の計測中に副周波数の位相を
主周波数に対し、順次変化させて、計測結果を複数回で
平均化処理することで、計測精度を向上することができ
る。

【００４２】（５）副振動周波数を、超音波振動子のパ
ッケージに起因する共振周波数とする構成としたので、
パッケージに起因する共振周波数のジッター成分を抑え
ることができ、計測精度を向上することができる。

【００４３】（６）副振動周波数を、超音波振動子の圧
電体に起因する共振周波数とする構成としたので、圧電
体に起因する共振周波数のジッター成分を抑えることが
でき、計測精度を向上することができる。

【００４４】（７）副振動周波数を、超音波流量計の計
測システムに起因する共振周波数とする構成としたの
で、計測システムに起因する共振周波数のジッター成分
を抑えることができ、計測精度を向上することができ
る。

【００４５】（８）低周波のジッターを取り除くことが
できるので、シングアラウンド法を用いて計測する流量
計測に対して特に有効となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施例１の流量計測装置の平面
断面図（ｂ）同装置の側面図

【図２】同装置における送信波形と受信波形を示す図

【図３】同装置における受信波形のスペクトル図

【図４】同装置における駆動波形を構成する主・副周波
数成分を示す図

【図５】本発明の実施例３の流量計測装置における駆動
波形を説明する図

【図６】本発明の実施例４の流量計測装置における駆動
波形の位相変化を説明する図

【図７】本発明の実施例５の流量計測装置における超音
波振動子の外観斜視図

【図８】本発明の実施例５の流量計測装置における超音
波振動子の断面図

【図９】本発明の実施例６の流量計測装置における超音
波振動子のインピーダンス特性図

【符号の説明】

１流路３上流側の超音波振動子４下流側の超音波振動子８駆動波形９受信波形１０主周波数１１、１２、１３不要振動波形２２金属製パッケージ２４圧電セラミック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れる流路の上流側と下流側とに一
対の超音波振動子を対向して配設し、複数の周波数で合
成された駆動周波数で前記超音波振動子を駆動し、前記
振動子間を超音波が伝搬する時間から流量を演算してな
る流量計測装置。
【請求項２】駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構
成し、副周波数を超音波振動子の不要振動周波数とする
請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構
成し、偶数回の計測中に副周波数の位相を主周波数に対
し、交互に１８０度反転してなる請求項１記載の流量計
測装置。
【請求項４】駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構
成し、複数回の計測中に副周波数の位相を主周波数に対
し、順次変化させてなる請求項１記載の流量計測装置。
【請求項５】副振動周波数を、超音波振動子のパッケー
ジに起因する共振周波数とする請求項２記載の流量計測
装置。
【請求項６】副振動周波数を、超音波振動子の圧電体に
起因する共振周波数とする請求項２記載の流量計測装
置。
【請求項７】副振動周波数を、超音波流量計の計測シス
テムに起因する共振周波数とする請求項２記載の流量計
測装置。
【請求項８】超音波が伝搬する時間差をシングアラウン
ド法を用いて計測する請求項１記載の流量計測装置。