JP2000338123A - 超音波流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波の伝搬時間を精度良く求めることがで
きる超音波の流速測定方法の提供を目的とする。 【解決手段】 送信された超音波が受信側の超音波振動
子３に受信されてから一定遅延時間ｔの経過後に、再び
送信側の超音波振動子２から超音波を送信することを連
続して３回繰り返す。そして、最初に送信側の超音波振
動子２から超音波が送信されてから、最後に受信側の超
音波振動子３に超音波が受信されるまでの全時間Ｔを測
定し、その全時間Ｔから前記遅延時間和２ｔを減算した
伝搬時間和（Ｔ−２ｔ）を、超音波の送信回数で除算す
ることによって超音波の伝搬時間τを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
てガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ガスそ
の他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連
続的ないし定期的に測定し、これに基いて流量を演算す
ることが行われている。そして、このような流体の流速
測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知られ
ている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図５
にて説明すると次のとおりである。図５において、
（１）は内部をガス等の流体が流れる超音波流速測定管
である。この超音波流速測定管（１）内には、流れ方向
の上流側及び下流側に、所定距離を隔てて超音波振動子
（２）（３）が配置されている。この超音波振動子
（２）（３）は、駆動パルス発生回路（４）からの駆動
パルス（Ｋ）により駆動されて振動し、超音波を発生送
信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、
その超音波振動子（３）（２）が振動したときの受信波
（Ｗ）が受信増幅回路（５）から出力されるものとなさ
れている。

【０００４】そして、上流側の超音波振動子（２）から
流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音
波振動子（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側
の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信さ
れた超音波が上流側の超音波振動子（２）で受信される
までの伝搬時間との差は、流速に関係することから、こ
の伝搬時間差をクロック波を利用する等して求めること
により流体の流速を測定するものとなされている。な
お、図５において、（６）は各超音波振動子（２）
（３）と駆動パルス発生回路（４）及び受信増幅回路
（５）の接続を切替える切替回路であり、まず駆動パル
ス発生回路（４）と上流側の超音波振動子（２）、下流
側の超音波振動子（３）と受信増幅回路（５）を接続し
て、上流側から下流側への伝搬時間を測定したのち、該
切替回路（６）の作動により駆動パルス発生回路（４）
と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子
（２）と受信増幅回路（５）とが接続されるように切替
えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するものと
なされている。

【０００５】ところで、超音波の伝搬時間のばらつきに
よる誤差を軽減するために、超音波の送受信を複数回行
って複数個の伝搬時間を測定し、それら複数個の超音波
の伝搬時間の平均値を求める場合が多い。そして、従
来、この超音波の送受信を複数回行う方法として、シン
グアラウンド法が知られている。このシングアラウンド
法は、図６に示すように、超音波が受信側の超音波振動
子（３）（２）に受信されると同時に（ここでは、受信
波（Ｗ）が最初にゼロクロスする時を受信時としてい
る）、パルス発生回路（４）から駆動パルス（Ｋ）を別
個独立に発生し、該駆動パルス（Ｋ）を送信側の超音波
振動子（２）（３）に印可して超音波を送信することを
連続して複数回繰り返す。そして、最初に送信側の超音
波振動子（２）（３）から超音波が送信された時刻
（Ａ’）から、最後に受信側の超音波振動（３）（２）
に超音波が受信される時刻（Ｂ３’）までの伝搬時間和
Ｔを求め、その伝搬時間和Ｔを超音波の送信回数で除算
することにより超音波の伝搬時間τを求める。

【０００６】しかしながら、受信側の超音波振動子
（３）（２）に超音波が受信されると同時に、送信側の
超音波振動子（２）（３）から超音波を送信するものと
すると、そのときの送信側および受信側の超音波振動子
（２）（３）の振動が、その前に超音波を送受信したと
きの超音波振動子（２）（３）の残存振動と重畳し、超
音波の受信を検知しにくかったため、超音波の伝搬時間
τを精度良く求めることができないという問題があっ
た。

【０００７】この発明は、上述の問題に鑑みてなされた
ものであって、シングアラウンド法に改良を加えたもの
で、超音波の伝搬時間を精度良く求めることができる超
音波の流速測定方法の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、超音波流速測定管を流れる計測流体の
上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前
記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するとと
もに、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波
の伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測
定方法において、送信された超音波が受信側の超音波振
動子に受信されてから一定の遅延時間の経過後に、再び
送信側の超音波振動子から超音波を送信することを連続
して複数回繰り返し、最初に送信側の超音波振動子から
超音波が送信されてから、最後に受信側の超音波振動子
に超音波が受信されるまでの全時間を測定し、その全時
間から前記遅延時間の和を減算した伝播時間和を、超音
波の送信回数で除算することによって超音波の伝搬時間
を求めることを特徴とする。

【０００９】これによれば、送信された超音波が受信側
の超音波振動子に受信された時刻と、再び送信側の超音
波振動子から超音波を送信する時刻との間には一定の遅
延時間が生じているので、送信側及び受信側の超音波振
動子の新たな振動が、その前の超音波振動子の残存振動
と重畳することが防止され、受信波の受信を正確に検知
することができる。従って、最初に送信側の超音波振動
子から超音波が送信されてから、最後に受信側の超音波
振動子に超音波が受信されるまでの全時間から前記遅延
時間の和を減算することにより超音波の伝搬時間和を正
確に求め、さらに該伝搬時間和を超音波の送信回数で除
算することによって、超音波の伝搬時間を精度よく求め
ることができる。

【００１０】また、受信側の超音波振動子から受信波が
出力された後、前記受信波のゼロクロス周期に対応した
パルスを出力し、該パルスの出力開始から一定の遅延時
間経過後に、前記パルスに対応した駆動パルスを送信側
の超音波振動子に印加して、再び送信側の超音波振動子
から超音波を送信することによって、超音波の送受信を
連続して複数回繰り返すのが望ましい。

【００１１】これによれば、受信側の超音波振動子に超
音波が受信されてから、再び送信側の超音波振動子から
超音波を送信するまでの遅延時間が、前記受信波のゼロ
クロス周期に対応してより正確なものとなるので、超音
波の伝搬時間をより精度よく求めることができる。な
お、送信側の超音波振動子に印可される駆動パルスは、
前記パルスそのものであってもよい。

【００１２】

【発明の実施形態】図１は、この発明を実施するための
超音波流速測定装置を示すものである。図１において、
（１）は超音波流速測定管、（２）（３）は流れ方向の
上流側及び下流側に所定距離を隔てて配置された超音波
振動子、（４）は駆動パルス（Ｋ）を発生する駆動パル
ス発生回路、（５）は超音波振動子（２）（３）で超音
波を受信したときに受信波（Ｗ）を出力する受信増幅回
路、（６）は超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発
生回路（４）及び受信増幅回路（５）の接続を切り替え
る切替回路であり、これらは図５に示したものと同じで
ある。

【００１３】この実施形態では、受信増幅回路（５）の
出力側にゼロクロス検知回路（７）が設けられている。
このゼロクロス検知回路（７）は、図２に示すように、
受信増幅回路（５）から出力される受信波（Ｗ）が最初
にゼロクロスする第１ゼロクロス時刻（Ｂ）を、受信側
の超音波振動子（３）（２）に超音波が受信された時刻
とみなして、その時刻（Ｂ）において後述の遅延回路
（８）及びカウンタ（１０）にゼロクロス信号を送信す
る回路である。

【００１４】また、ゼロクロス検知回路（７）の一方の
出力側には遅延回路（８）が設けられ、さらに該遅延回
路（８）の出力側には駆動パルス発生回路（４）が設け
られており、一つの帰還ループを形成している。前記遅
延回路（８）は、前記ゼロクロス検知回路（７）よりゼ
ロクロス信号を受信した時刻（Ｂ）から一定遅延時間ｔ
の間、駆動パルス発生回路（４）に駆動信号を送信しな
いものである。つまり、前記ゼロクロス信号を受信した
時刻（Ｂ）から一定遅延時間ｔ経過後の時刻（Ｃ）で初
めて駆動パルス発生回路（４）に駆動信号を送信して、
駆動パルス発生回路（４）に駆動パルス（Ｋ）を発生さ
せる。

【００１５】このように受信側の超音波振動子（３）
（２）に超音波が受信されてから一定遅延時間ｔは駆動
パルス発生回路（４）に駆動信号を送信しないことによ
って、新たに送信側の超音波振動子（２）（３）から超
音波を送信するときには、その前に超音波を送信したと
きの送信側の超音波振動子（２）（３）の残存振動がほ
とんど消滅したものとなる。また、受信側の超音波振動
子（３）（２）においても、新たに超音波を受信したと
きには、その前に超音波を受信したときの超音波振動子
（３）（２）の残存振動がほとんど消滅したものとな
る。従って、送信側及び受信側の超音波振動子（２）
（３）の新たな振動が、その前の超音波振動子（２）
（３）の残存振動と重畳することが防止され、受信波
（Ｗ）の受信を正確に見知することができる。なお、前
記遅延時間ｔは、あらかじめ設定されたものであっても
よいし、あるいは受信増幅回路（５）から出力される受
信波（Ｗ）のある時点を基準に設定するものであっても
よい。

【００１６】一方、駆動パルス発生回路（４）の一方の
出力側にはクロック回路（９）が設けられ、さらにクロ
ック回路（９）の出力側にはカウンタ（１０）が設けら
れている。このクロック回路（９）は、図２に示すよう
に、最初に超音波振動子（２）（３）から超音波が送信
される時刻（Ａ）と同期して、一定周期Ｔｓのクロック
波（Ｌ）を連続して出力する回路である。

【００１７】カウンタ（１０）は、前記ゼロクロス検知
回路（７）から送信されてくるゼロクロス信号のうち、
ｎ回目（この実施形態では３回目）のゼロクロス信号が
送信されてきたときに、クロック波（Ｌ）の波数をカウ
ントするものである。すなわち、カウンタ（１０）は、
クロック回路（９）からクロック波（Ｌ）が出力され始
めた時刻（Ａ）から、最後に受信波（Ｗ）がゼロクロス
する第１ゼロクロス時刻（Ｂ３）までの全時間Ｔにおい
て、クロック回路（９）から出力されたクロック波
（Ｌ）の波数をカウントし、そのカウント値Ｎを演算回
路（１１）に送信する。

【００１８】前記演算回路（１１）は、前記カウンタ
（１０）から送信されてきたカウント値Ｎに基づいて超
音波の伝搬時間τを求める回路で、下式［１］［２］の
演算を順に実行する。

【００１９】Ｔ＝Ｔｓ×Ｎ・・・［１］ Ｔ：全時間 Ｔｓ：クロック波の周期 Ｎ：クロック波のカウント値 τ＝｛Ｔ−（ｎ−１）・ｔ｝／ｎ・・・［２］ τ：超音波の伝搬時間 ｔ：遅延時間 ｎ：超音波の送信回数 このように、上式［１］［２］により超音波の伝播時間
τが求まるのは以下の理由による。つまり、上式［１］
において、カウンタ（１０）から演算回路（１１）に送
信されてきたカウント値Ｎは、最初に送信側の超音波振
動子（２）（３）から超音波が送信された時刻（Ａ）か
ら、最後に受信側の超音波振動子（３）（２）に超音波
が受信される時刻（Ｂ３）までにクロック回路（９）か
ら出力されたクロック波（Ｌ）の波数であるから、この
カウント値Ｎにクロック波（Ｌ）の周期Ｔｓを乗算する
ことによって、最初に送信側の超音波振動子（２）
（３）から超音波が送信された時刻（Ａ）から、最後に
受信側の超音波振動子（３）（２）に超音波が受信され
る時刻（Ｂ３）までの全時間Ｔを求めることができる。

【００２０】また、上式［２］において、ｎ回の超音波
の送信のうち、最初の超音波の送信を除いた（ｎ−１）
回の各超音波の送信には遅延時間ｔがそれぞれ生じてい
るので、上式［１］により求めた全時間Ｔから遅延時間
和（ｎ−１）・ｔを減算することによって、超音波の伝
搬時間和｛Ｔ−（ｎ−１）・ｔ｝を求め、さらに超音波
の伝搬時間和｛Ｔ−（ｎ−１）・ｔ｝を超音波の送信回
数ｎで除算することによって、超音波の伝搬時間τを求
めることができる。

【００２１】次に、図１に示した装置を用いた超音波流
速測定方法を説明する。なお、この実施形態では、超音
波の送信回数を３回に設定する。

【００２２】まず、駆動パルス発生回路（４）から駆動
パルス（Ｋ）を駆動し、上流側の超音波振動子（２）か
ら超音波を送信すると共に、クロック回路（９）から一
定周期Ｔｓのクロック波（Ｌ）を連続して出力する。

【００２３】そして、送信された超音波が下流側の超音
波振動子（３）に受信されると、受信増幅回路（５）か
ら図２に示すような受信波（Ｗ１）が出力されるので、
ゼロクロス検知回路（７）において、その受信波（Ｗ
１）が最初にゼロクロスする第１ゼロクロス時刻（Ｂ
１）を検知して、ゼロクロス信号を遅延回路（８）及び
カウンタ（１０）に送信する。

【００２４】ゼロクロス信号を受信した遅延回路（８）
は、ゼロクロス信号を受信してから一定遅延時間ｔの
間、駆動パルス発生回路（４）に駆動信号を送信せず
に、時刻（Ｃ１）で初めて駆動パルス発生回路（４）に
駆動信号を送信し、駆動パルス発生回路（４）に駆動パ
ルス（Ｋ）を発生させる。そして、この一連の帰還伝達
を連続して３回繰り返す。

【００２５】一方、カウンタ（１０）は、ゼロクロス検
知回路（７）から送信されてきたゼロクロス信号のう
ち、３回目のゼロクロス信号を受信した時刻（Ｂ３）
に、クロック波（Ｌ）の波数をカウントし、そのカウン
ト値Ｎを演算回路（１１）に送信する。すなわち、カウ
ンタ（１０）は、クロック回路（９）からクロック波
（Ｌ）が出力された時刻（Ａ）から、受信波（Ｗ３）の
第１ゼロクロス時刻（Ｂ３）までの全時間Ｔにおいて、
クロック回路（９）から出力されたクロック波（Ｌ）の
波数をカウントし、そのカウント値Ｎを演算回路（１
１）に送信する。

【００２６】そして、演算回路（１１）は、カウンタ
（１０）から送信されてきたカウント値Ｎに基づいて、
超音波の伝搬時間τを求める。すなわち、上式［１］の
演算において、最初に送信側の超音波振動子（２）から
超音波が送信された時刻（Ａ）から、最後に受信側の超
音波振動子（３）に超音波が受信された時刻（Ｂ３）ま
での全時間Ｔを求める。そして、上式［２］の演算にお
いて、全時間Ｔから遅延時間和２ｔを減算することによ
って、超音波の伝搬時間和（Ｔ−２ｔ）を求め、さらに
超音波の伝搬時間和（Ｔ−２ｔ）を超音波の送信回数
（３回）で除算することによって超音波の伝搬時間τを
求める。

【００２７】こうして順方向の超音波の伝搬時間τを求
めたあとは、切替回路（６）によって超音波振動子
（３）を送信側に、超音波振動子（２）を受信側に接続
を切り替え、上述と同様にして逆方向の超音波の伝搬時
間τ’を求める。これら順方向及び逆方向の伝搬時間
τ、τ’は、流速に応じて変化する伝搬時間差（τ−
τ’）を生じているから、この伝搬時間差（τ−τ’）
に基づいて流速を求め、さらに必要に応じて流量を求め
る。

【００２８】図３および図４はこの発明の他の実施形態
を示すものである。

【００２９】この実施形態では、ゼロクロス検知回路
（７）の出力側に、駆動パルス発生回路（１２）とゲー
ト回路（１３）が続けて設けられている。前記駆動パル
ス発生回路（１２）は、図４に示すように、受信波
（Ｗ）のゼロクロス周期に対応して駆動パルス（Ｋ）を
発生するもので、受信波（Ｗ）のゼロクロスごとにゼロ
クロス検知回路（７）から駆動パルス発生回路（１２）
にゼロクロス信号が送信され、それらゼロクロス信号の
受信ごとに駆動パルス（Ｋ）を発生する。

【００３０】また、前記ゲート回路（１３）は、駆動パ
ルス発生回路（１２）の駆動パルス（Ｋ）の出力開始か
ら一定遅延時間ｔの間、該駆動パルス（Ｋ）が送信側の
超音波振動子（２）（３）に印可されないようにする回
路である。つまり、駆動パルス（Ｋ）の出力開始から一
定時間ｔ経過後の時刻（Ｂ）において、初めて駆動パル
ス発生回路（１２）の駆動パルス（Ｋ）を送信側の超音
波振動子（２）（３）に印加せしめて、該超音波振動子
（２）（３）から超音波を発生送信させる。ただし、初
回の超音波の送受信については、駆動パルス発生回路
（１２）の駆動パルス（Ｋ）を、該駆動パルス（Ｋ）の
出力開始と同時に送信側の超音波振動子（２）（３）に
印加するものとする。

【００３１】このように、受信側の超音波振動子（３）
（２）から出力される受信波（Ｗ）のゼロクロス周期に
対応して駆動パルス（Ｋ）を出力し、該駆動パルス
（Ｋ）の出力開始から一定の遅延時間ｔ経過の間、駆動
パルス（Ｋ）を送信側の超音波振動子（２）（３）に印
可しないものすれば、受信側の超音波振動子（３）
（２）に超音波が受信されてから、再び送信側の超音波
振動子（２）（３）から超音波を送信するまでの遅延時
間ｔが、前記受信波（Ｗ）のゼロクロス周期に対応して
より正確なものとなるので、超音波の伝搬時間τをより
精度よく求めることができる。

【００３２】なお、この実施形態では、受信波（Ｗ）の
ゼロクロス周期に対応して駆動パルス発生回路（１２）
から駆動パルス（Ｋ）を出力し、該駆動パルス（Ｋ）の
出力開始から一定の遅延時間ｔ経過後に、駆動パルス
（Ｋ）を送信側の超音波振動子（２）（３）に印可する
ものとしたが、これに限られず、受信波（Ｗ）のゼロク
ロス周期に対応して別途パルスを発生し、該パルスの出
力開始から一定の遅延時間ｔ経過後に、前記パルスに対
応して駆動パルス発生回路（１２）から駆動パルス
（Ｋ）を出力し、そのまま該駆動パルス（Ｋ）を送信側
の超音波振動子（２）（３）に印可するものとしてもよ
い。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、送信され
た超音波が受信側の超音波振動子に受信された時刻と、
再び送信側の超音波振動子から超音波を送信する時刻と
の間には一定の遅延時間が生じているので、送信側及び
受信側の超音波振動子の新たな振動が、その前の超音波
振動子の残存振動と重畳することが防止され、受信波の
受信を正確に検知することができる。従って、最初に送
信側の超音波振動子から超音波が送信されてから、最後
に受信側の超音波振動子に超音波が受信されるまでの全
時間から前記遅延時間の和を減算することにより超音波
の伝搬時間和を正確に求め、さらに該伝搬時間和を超音
波の送信回数で除算することによって、超音波の伝搬時
間を精度よく求めることができ、ひいては高精度な流速
測定が可能となる。

【００３４】請求項２に係る発明によれば、受信側の超
音波振動子に超音波が受信されてから、再び送信側の超
音波振動子から超音波を送信するまでの遅延時間が、前
記受信波のゼロクロス周期に対応してより正確なものと
なるので、超音波の伝搬時間をより精度よく求めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施するための超音波流速測定装置
の一例を示すブロック図である。

【図２】図１の超音波流速測定装置における駆動パル
ス、受信波およびクロック波の相対関係を示す図であ
る。

【図３】この発明を実施するための超音波流速測定装置
の他の例を示すブロック図である。

【図４】図３の超音波流速測定装置における駆動パル
ス、受信波およびクロック波の相対関係を示す図であ
る。

【図５】従来の超音波流速測定装置を示すブロック図で
ある。

【図６】従来の超音波流速測定装置における駆動パル
ス、受信波およびクロック波の相対関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１・・・超音波流速測定管 ２、３・・・超音波振動子

フロントページの続き (72)発明者 中村 英司 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 江下 和雄 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA16 DA22 DA23

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波流速測定管を流れる計測流体の上
   流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記
   各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するととも
   に、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の
   伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定
   方法において、 送信された超音波が受信側の超音波振動子に受信されて
   から一定の遅延時間の経過後に、再び送信側の超音波振
   動子から超音波を送信することを連続して複数回繰り返
   し、 最初に送信側の超音波振動子から超音波が送信されてか
   ら、最後に受信側の超音波振動子に超音波が受信される
   までの全時間を測定し、 その全時間から前記遅延時間の和を減算した伝播時間和
   を、超音波の送信回数で除算することによって超音波の
   伝搬時間を求めることを特徴とする超音波流速測定方
   法。
2. 【請求項２】 受信側の超音波振動子から受信波が出力
   された後、前記受信波のゼロクロス周期に対応したパル
   スを出力し、該パルスの出力開始から一定の遅延時間経
   過後に、前記パルスに対応した駆動パルスを送信側の超
   音波振動子に印加して、再び送信側の超音波振動子から
   超音波を送信することによって、超音波の送受信を連続
   して複数回繰り返す請求項１に記載の超音波流速測定方
   法。