JP2001317975A - 超音波流速測定方法および同装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受信波の到達タイミングを精度よく特定する
ことができ、ひいては高精度な流速測定を可能とする超
音波流速測定方法および同装置を提供する。 【解決手段】 超音波振動子２、３から送信された超音
波を対向する超音波振動子３、２により受信して、その
受信波Ｗにゲイン調整を行うことにより振幅を変化さ
せ、そのゲイン調整された受信波Ｗの振幅があらかじめ
設定された基準値Ｋに一致するかどうかを判別する。こ
の一連の操作を当該判別ごとにゲインを変化させながら
前記受信波Ｗの最大半波の頂点部Ｐと基準値Ｋが一致す
るまで繰り返す。そして、前記基準値Ｅに対応してゲイ
ン調整された受信波Ｗが、前記閾値Ｅに達したあとのゼ
ロクロス時点を受信波Ｗの到達タイミングとする

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
法および同装置に関する。

【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７
にて説明すると次のとおりである。図６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６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）及び受信回路（５）
の接続を切り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、前記受信回路（５）から出力さ
れる受信波（Ｗ）は、図８に示すように、第１波よりも
第２波、第３波とピーク値が高くなったのち、やがてピ
ーク値が減衰していく振動波形となる。そして、上述の
ような超音波の伝搬時間は、受信波（Ｗ）が閾値Ｅに達
した時点を受信波の到達タイミングとしてこれを検出
し、超音波の送信から受信波の到達タイミングまでの時
間を測定することにより求められる。

【０００６】しかしながら、受信波（Ｗ）の波形は常時
一定でなく、ガスの種類や周りの温度などによってその
振幅が変化する。しかるに、振幅が変化すると、受信波
（Ｗ）が閾値Ｅに達する時点が変化して受信波（Ｗ）の
到達タイミングの信頼性に欠けるばかりか、受信波
（Ｗ）の振幅が閾値Ｅよりも小さい場合には受信波
（Ｗ）の到達タイミングを検出することができず、十分
な流速測定精度を確保することが困難であるという問題
があった。

【０００７】この発明は、このような技術背景に鑑みて
なされたものであって、受信波の到達タイミングを精度
よく特定することができ、ひいては高精度な流速測定を
可能とする超音波流速測定方法および同装置の提供を目
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、各受信波の比
較から求めた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、超音波振動子から
送信された超音波を対向する超音波振動子により受信し
て、その受信波にゲイン調整を行うことにより振幅を変
化させ、そのゲイン調整された受信波の振幅があらかじ
め設定された基準値に一致するかどうかを判別し、この
一連の操作を当該判別ごとにゲインを変化させながら前
記受信波の振幅と基準値が一致するまで繰り返し、ゲイ
ン調整された受信波の振幅と基準値が一致した状態また
は該受信波にさらに所定のゲインを乗じた状態で、前記
受信波が前記基準値より小さい閾値に達した時点を検出
し、その検出した時点またはそのあとの所定の時点を受
信波の到達タイミングとすることを特徴とする。

【０００９】これによれば、受信波の振幅が前記基準値
に一致するように受信波のゲイン調整を行うので、ガス
の種類や周りの温度などによる受信波の振幅変化にかか
わらず、基準値に対応した一定振幅を有する受信波を得
ることができる。従って、当該受信波は常に同一半波に
おいて所定の閾値に達することとなり、受信波の到達タ
イミングを正確に特定することができる。

【００１０】また、前記基準値をゲイン調整前の受信波
の最大振幅値より大きくなるように設定するとともに、
受信波の振幅が徐々に大きくなるようにゲイン調整を行
う場合、前記受信波の振幅と前記基準値が一致したかど
うをより確実かつ簡単に判別することができる。また、
振幅が徐々に大きくなるようにゲイン調整された受信波
は、隣り合う半波間の振幅差も大きくなるので、当該受
信波は同一半波において閾値に達しやすくなり、受信波
の到達タイミングをより正確に特定することができる。

【００１１】また、前記基準値は、受信波の振幅可能な
最大値である場合、ゲイン調整前の受信波は基準値を超
えることがないので、基準値を簡単かつ確実に設定する
ことができる。しかも、振幅可能な最大値に対応してゲ
イン調整された受信波は、振幅がさらに大きくなり、隣
り合う半波間の振幅差もさらに大きくなるので、当該受
信波は同一半波においてより閾値に達しやすくなり、受
信波の到達タイミングをより一層正確に特定することが
できる。

【００１２】また、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、各受信波の比較から求めた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装置において、
受信波にゲイン調整を行うことによりその振幅を変化さ
せる振幅増減手段と、該振幅増減手段によりゲイン調整
された受信波の振幅が、あらかじめ設定された基準値に
一致するかどうかを判別する判別手段と、前記受信波の
振幅と前記基準値とが一致した状態で、該受信波が前記
基準値より小さい閾値に達した時点を検出する検出手段
とを有することを特徴とする。

【００１３】これによれば、上述の超音波流速測定方法
を簡単かつ確実に実施することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】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
向の上流側およ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）は駆動パルスを発生するパルス発
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）を出力する受信回路、
（６）は超音波振動子（２）（３）とパルス発生回路
（４）および受信回路（５）の接続を切り替える切替回
路であり、これらは図６に示したものと同じである。

【００１５】この実施形態では、受信回路（５）の出力
側に増幅回路（７）が設けられている。この増幅回路
（７）は、受信回路（５）から出力される受信波（Ｗ）
にゲイン調整を行い、その振幅を増大させ出力するもの
である。

【００１６】そして、前記増幅回路（７）の出力側には
マイクロコンピュータ（以下、マイコンという）（８）
が設けられている。このマイコン（８）は、様々な処理
を行う中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという）（９）
と、随時書き込み読み出しメモリー（以下、ＲＡＭとい
う）（１０）と、読み出し専用メモリー（以下、ＲＯＭ
という）（１１）と備え、前記パルス発生回路（４）、
切替回路（６）および増幅回路（７）にそれぞれ接続さ
れている。そして、マイコン（８）は、図３に示すよう
に、所定時間の測定タイミングごとに（Ｓ１）、前記Ｃ
ＰＵ（９）、ＲＡＭ（１０）およびＲＯＭ（１１）を用
いて、受信波（Ｗ）のゲイン調整に関する処理を行った
あと（Ｓ２）、流体の流速測定に関する処理を行うもの
となされている（Ｓ３）。

【００１７】このマイコン（８）による受信波（Ｗ）の
ゲイン調整に関する処理について、図４に示すフローチ
ャートを用いて具体的に説明する。

【００１８】まず、マイコン（８）は、増幅回路（７）
に所定の信号を送信して、増幅回路（７）のゲインの初
期設定を行う（Ｓ２１）。このときのゲインは、ゲイン
調整前の受信波（Ｗ）の最大半波の頂点部（Ｐ）が後述
の基準値Ｋを大幅に越えないように、受信波（Ｗ）が少
し増幅される程度の値に設定される。

【００１９】そして、受信波（Ｗ）の最大半波の頂点部
（Ｐ）と比較するための基準値Ｋを、受信波（Ｗ）の振
幅可能な最大値に設定する（Ｓ２２）。このように基準
値Ｋを受信波（Ｗ）の振幅可能な最大値に設定すると、
ゲイン調整前の受信波（Ｗ）は基準値Ｋを超えることが
ないので、基準値Ｋを簡単かつ確実に設定することがで
きる。また、受信波（Ｗ）の動作領域を広く使えるの
で、受信波（Ｗ）の到達タイミングをより一層正確に特
定することができる。

【００２０】この状態で、マイコン（８）はパルス発生
回路（４）に所定の信号を送信し、パルス発生回路
（４）から駆動パルスを出力せしめる（Ｓ２３）。これ
により超音波振動子（２）から駆動パルスに対応した超
音波が送信され、その超音波振動子（２）から送信され
た超音波は、対向する超音波振動子（３）に受信され、
受信回路（５）から受信波（Ｗ）が出力されたあと、増
幅回路（７）において初期設定されたゲインにより増幅
され、受信波（Ｗ’）として出力される。

【００２１】そして、マイコン（８）は、前記受信波
（Ｗ’）の最大半波の頂点部（Ｐ）が前記基準値Ｋに一
致するかどうか判別する（Ｓ２４）。この判別にあたっ
ては、超音波を送信してから所定時間経過時までに、前
記受信波（Ｗ’）の最大半波の頂点部（Ｐ）が基準値Ｋ
に一致するかどうかを基準に行う。

【００２２】前記最大半波（Ｗ’）の頂点部（Ｐ）と前
記基準値Ｋが一致しない場合には（Ｓ２４でＮＯ）、マ
イコン（８）は、増幅回路（７）に所定の信号を送信し
て、増幅回路（７）のゲインを再設定する（Ｓ２５）。
このときのゲインは、前回のゲイン調整によるゲインよ
り少し大きな値に設定され、受信波（Ｗ）の最大半波の
頂点部（Ｐ）が基準値Ｋにより近づくようにする。

【００２３】そして、マイコン（８）は、再びパルス発
生回路（４）に信号を送信し、パルス発生回路（４）に
駆動パルスを発生せしめる（Ｓ２３）。これにより超音
波振動子（２）から駆動パルスに対応した超音波が送信
され、その超音波振動子から送信された超音波は、対向
する超音波振動子（３）に受信され、受信回路（５）か
ら受信波が出力されたあと、増幅回路（７）において再
設定されたゲインにより増幅され、受信波（Ｗ”）とし
て出力される。そして、前記受信波（Ｗ）の最大半波の
頂点部（Ｐ）と基準値Ｋが一致するまで上述の処理を繰
り返していく。なお、この実施形態では、２回目にゲイ
ン調整された受信波（Ｗ”）において、その最大半波の
頂点部（Ｐ）と基準値Ｋが一致するものとなされてい
る。また、前記受信波（Ｗ’）の最大半波の頂点部
（Ｐ）は基準値Ｋに完全に一致する場合のみならず、多
少の誤差があってもよい。

【００２４】一方、前記受信波（Ｗ”）の最大半波の頂
点部（Ｐ）と前記基準値Ｋが一致した場合には（Ｓ２４
でＹＥＳ）、マイコン（８）は、増幅回路（７）のその
ときのゲインを固定するとともに、前記基準値Ｋに所定
の比率を乗じた値に閾値Ｅを設定し、流速測定に移行す
る（Ｓ２６）。なお、この実施形態では、閾値Ｅは、受
信波（Ｗ”）の第２半波の上昇過程において初めて達す
るように設定される。

【００２５】次に、マイコン（８）による流体の流速測
定に関する処理について、図５のフローチャートを用い
て具体的に説明する。

【００２６】まず、マイコン（８）は、パルス発生回路
（４）に信号を送信し、パルス発生回路（４）から駆動
パルスを出力せしめる（Ｓ３１）。これにより超音波振
動子（２）から駆動パルスに対応した超音波が送信さ
れ、その超音波振動子（２）から送信された超音波は、
対向する超音波振動子（３）に受信され、受信回路
（５）から受信波（Ｗ）が出力されたあと、増幅回路
（７）において固定されたゲインにより増幅され、受信
波（Ｗ”）として出力される。

【００２７】そして、増幅回路（７）により増幅された
受信波（Ｗ”）は、上述のようにその第２半波の上昇過
程において初めて閾値Ｅに達するので、マイコン（８）
は、受信波（Ｗ）が閾値Ｅに初めて達した時点を検出し
て、その後のゼロクロス時点を受信波（Ｗ）の到達タイ
ミングとする（Ｓ３２）。

【００２８】そして、マイコン（８）は、超音波の送信
から前記ゼロクロス時点までの時間を測定して、順方向
の超音波の伝搬時間τを求める（Ｓ３３）。

【００２９】こうして順方向の超音波の伝搬時間τを求
めた後は、マイコン（８）は、切替回路（６）に信号を
送信して、該切替回路（６）により超音波振動子（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（Ｓ３４）、上述と同様の処理（Ｓ３１、Ｓ３２）
を行うことにより逆方向の超音波の伝搬時間τ’を求め
る（Ｓ３３）。

【００３０】あとは、上述の順方向および逆方向の伝搬
時間は、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、マイコン（８）はこの伝搬時間差
（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（Ｓ３５）。

【００３１】このように、受信波（Ｗ）の最大半波の頂
点部（Ｐ）が前記基準値Ｋに一致するように受信波
（Ｗ）のゲイン調整を行うので、ガスの種類や周りの温
度などによる受信波（Ｗ）の振幅変化にかかわらず、基
準値Ｋに対応した振幅を有する受信波（Ｗ”）を得るこ
とができる。このため、前記基準値Ｋに対応した振幅を
有する受信波（Ｗ”）は常に同一半波において閾値Ｅに
達し、受信波（Ｗ）の到達タイミングを正確に特定する
ことができる。

【００３２】なお、この実施形態では、受信波（Ｗ）の
最大半波の頂点部（Ｐ）が基準値Ｋに一致するようにゲ
イン調整を行うものとしたが、受信波（Ｗ）のその他の
部分が基準値Ｋに一致するようにゲイン調整を行うもの
としてもよい。

【００３３】また、基準値Ｋを受信波（Ｗ）の振幅可能
な最大値に設定したが、それ以外の値に設定してもよ
い。

【００３４】また、基準値Ｋをゲイン調整前の受信波
（Ｗ）の最大振幅値より大きくなるように設定するとと
もに、受信波（Ｗ）の振幅が徐々に大きくなるようにゲ
イン調整を行うものとしたが、基準値Ｋをゲイン調整前
の受信波（Ｗ）の最大振幅値より小さくなるように設定
するとともに、受信波（Ｗ）の振幅が徐々に小さくなる
ようにゲイン調整を行うものとしてもよい。

【００３５】また、閾値Ｅは、基準値Ｋに所定の比率を
乗じた値に設定したが、基準値Ｋより小さい値であれ
ば、あらかじめ設定したものであってもよい。

【００３６】また、受信波の到達タイミングは、受信波
が閾値Ｅに到達した後のゼロクロス時点としたが、受信
波が閾値Ｅに到達した時点、受信波が閾値Ｅに到達した
後の所定の時点としてもよい。

【００３７】また、超音波の伝搬時間τ、τ’はそれぞ
れ一つずつ求めるものとしたが、それぞれ複数の伝搬時
間を求めて、それらを平均したものを超音波の伝搬時間
τ、τ’としてもよい。

【００３８】また、図６のフローチャートに示すよう
に、ゲイン調整された受信波（Ｗ”）の振幅と閾値Ｅが
一致したあとに（Ｓ２４でＮＯ）、該受信波（Ｗ”）に
さらに所定のゲインを乗じる操作を行い（Ｓ２６’）、
受信波（Ｗ”）の振幅をさらに増大させてもよい。これ
によれば、さらに振幅が増大した受信波はその半波間の
振幅差もさらに大きくなるので、受信波は同一半波にお
いてより閾値に達しやすくなり、受信波の到達タイミン
グをより一層正確に特定することができる。なお、この
ときの受信波の最大半波は振幅可能範囲を振り切れるこ
とになるが、受信波の到達タイミングの特定に用いる半
波が振幅可能範囲に入っていれば特に問題はない。

【００３９】また、受信波（Ｗ）のゲイン調整に関する
処理と、そのあとの流体の流速測定に関する処理とをそ
れぞマイコンにより実行するものとしたが、マイコン以
外の電子回路により実行するものとしてもよい。このと
きの電子回路は、増幅回路などの振幅増減手段によりゲ
イン調整された受信波の振幅が、あらかじめ設定された
基準値に一致するかどうかを判別する判別手段と、前記
受信波の振幅と前記基準値とが一致した状態または該受
信波にさらに所定のゲインを乗じた状態で、受信波が前
記基準値より小さい閾値に達した時点を検出する検出手
段とを有することが必要である。

【００４０】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、受信波の
振幅が前記基準値に一致するように受信波のゲイン調整
を行うので、ガスの種類や周りの温度などによる受信波
の振幅変化にかかわらず、基準値に対応した一定振幅を
有する受信波を得ることができる。このため、当該受信
波は常に同一半波において前記閾値に達することとな
り、受信波の到達タイミングを正確に特定することがで
き、ひいては高精度な流速測定が可能となる。

【００４１】請求項２に係る発明によれば、前記受信波
の振幅と前記基準値が一致したかどうをより確実かつ簡
単に判別することができる。また、振幅が徐々に大きく
なるようにゲイン調整された受信波は、隣り合う半波間
の振幅差も大きくなるので、当該受信波は同一半波にお
いて閾値に達しやすくなり、受信波の到達タイミングを
より正確に特定することができる。

【００４２】請求項３に係る発明によれば、ゲイン調整
前の受信波は基準値を超えることがないので、基準値を
簡単かつ確実に設定することができる。しかも、振幅可
能な最大値に対応してゲイン調整された受信波は、振幅
がさらに大きくなり、隣り合う半波間の振幅差もさらに
大きくなるので、受信波の到達タイミングをより一層正
確に特定することができる。

【００４３】また、請求項４に係る発明によれば、上述
の超音波流速測定方法を簡単かつ確実に実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態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】受信波、基準値および閾値の相対関係を示す図
である。

【図３】マイコンが行う処理を示すフローチャート図で
ある。

【図４】受信波のゲイン調整に関する処理を示すフロー
チャート図である。

【図５】流量計測に関する処理を示すフローチャート図
である。

【図６】この発明の他の実施形態に係る受信波のゲイン
調整に関する処理を示すフローチャート図である。

【図７】従来の超音波流速測定装置を示すブロック図で
ある。

【図８】従来の超音波流速測定装置における受信波およ
び閾値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 ８・・・マイコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 明夫 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 保田 哲也 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA19 DA22 DA24

Claims (4)

【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、各受信波の比較
   から求めた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、 超音波振動子から送信された超音波を対向する超音波振
   動子により受信して、その受信波にゲイン調整を行うこ
   とにより振幅を変化させ、そのゲイン調整された受信波
   の振幅があらかじめ設定された基準値に一致するかどう
   かを判別し、この一連の操作を当該判別ごとにゲインを
   変化させながら前記受信波の振幅と基準値が一致するま
   で繰り返し、 ゲイン調整された受信波の振幅と基準値が一致した状態
   または該受信波にさらに所定のゲインを乗じた状態で、
   前記受信波が前記基準値より小さい閾値に達した時点を
   検出し、その検出した時点またはそのあとの所定の時点
   を受信波の到達タイミングとすることを特徴とする超音
   波流速測定方法。
2. 【請求項２】 前記基準値をゲイン調整前の受信波の最
   大振幅値より大きくなるように設定するとともに、受信
   波の振幅が徐々に大きくなるようにゲイン調整を行う請
   求項１に記載の超音波流速測定方法。
3. 【請求項３】 前記基準値は、受信波の振幅可能な最大
   値である請求項２に記載の超音波流速測定方法。
4. 【請求項４】 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、各受信波の比較
   から求めた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装置において、 受信波にゲイン調整を行うことによりその振幅を変化さ
   せる振幅増減手段と、 該振幅増減手段によりゲイン調整された受信波の振幅
   が、あらかじめ設定された基準値に一致するかどうかを
   判別する判別手段と、 前記受信波の振幅と前記基準値とが一致した状態で、該
   受信波が前記基準値より小さい閾値に達した時点を検出
   する検出手段とを有することを特徴とする超音波流速測
   定装置。