JP2002071411A

JP2002071411A - 超音波流量計

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Publication number: JP2002071411A
Application number: JP2000268300A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Nabeshima; 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-08
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: JP4671481B2

Abstract

(57)【要約】【課題】反射波に伴う１．５往復ノイズに起因する測
定誤差をなくす。消費電流を減らす。【解決手段】超音波を受信すると再度発信する動作を
複数回（ｎ回）繰り返して総到達時間を測定すること
を、順方向と逆方向で行って流速・流量を求める。一方
向の繰り返しを次のようにする。先ず２回は受信と同時
に次の発信を行う。次の２回は受信したあと超音波の半
周期の時間ｔだけ遅れて次の発信をする。このような動
作を２回ずつ交互に行う。こうして見かけの総到達時間
を計測し、半周期ずつの遅れによる時間を補正して、正
しい到達時間を求め、流速・流量を演算する。図に波線
で示す１．５往復ノイズの影響はｎ回の繰り返しで打ち
消される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体中の超音波の伝
播時間を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆
方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流
量を求め積算する超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定原理の一例として、図５に示すよう
に、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置
した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方
の送受波器２への順方向伝播時間Ｔ₁は、静止流体中の
超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、Ｔ₁＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）となる。

【０００３】また、送受波器２から送受波器１への逆方
向伝播時間Ｔ₂は、Ｔ₂＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）となる。

【０００４】この伝播時間Ｔ₁とＴ₂とから流速Ｖを、Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／Ｔ₁）−（１／Ｔ₂）｝として求めていた。

【０００５】また、伝播時間計測の分解能を上げるため
に、単純に１回の送信から受信までの時間Ｔ₁，Ｔ₂を
計測するのではなく、受信と同時に次の送信を行うこと
を複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間Ｔ₁，
Ｔ₂を各ｎ個連続させ、最初（第１回目）の送信から最
後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎＴ₁とかｎＴ₂を測
定するようにしている。

【０００６】このような測定方法に使う流量計を図６に
示すブロック図により説明する（以下これを第１の従来
技術という）。

【０００７】送受波器１と２はそれぞれ超音波振動子で
構成されていて、送信にも受信にも使用できる。

【０００８】両送受波器は流体中を上流から下流及び下
流から上流への超音波の送受を行う。受信波検知部４は
受信側の送受波器が接続され受信波を検知すると受信波
検知信号を出力する。送受波器駆動部５はコントロール
部６より第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器
をまず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知
信号を受ける度に駆動する。ただし第１のカウンタ７よ
り第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第
１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。

【０００９】第１のカウンタ７は受信波検知部４からの
受信波検知信号をカウントしｎ番目の受信波検知信号を
出力する。このカウンタ７はコントロール部６よりの第
１送信指令信号でリセットされるようになっている。

【００１０】第２のカウンタ８は第１送信指令信号から
第ｎ受信波検知信号までの累積伝播時間を測定する。そ
の時間（カウント値）はコントロール部６が読み取る。
この例では第１送信指令信号でカウント値がゼロクリア
され、内蔵された基準クロック発生器からの基準クロッ
クのカウントを開始するように構成されている。

【００１１】コントロール部６は一定間隔で送受切替信
号を反転させて２つの送受波器１，２の役割の切り替え
を行う。

【００１２】各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ
等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力す
る。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、カウン
タ８の測定（カウント値）を読み取り、直前に行った逆
向きでの測定値とを用いて、その間の流速流量を演算す
る。

【００１３】このような測定方法において、超音波が受
信側の送受波器に到達する時期、つまり到達ポイントを
特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロスポ
イントを検知するようにしたものがある。

【００１４】この検知方法について図７により説明す
る。

【００１５】図７は発信のタイミングを示す発信駆動信
号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さ
く、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示
している。

【００１６】ａが到達点で、徐々に振幅が大きくなる。
その後最大振幅となり徐々に小さくなる。

【００１７】ところが到達点ａはノイズに隠れて検知で
きない。そこで、次のような方法が行われている。

【００１８】ノイズより十分大きな基準電圧レベルとし
てのしきい値Ｖ_THを決め、このレベルに最初に達した
波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼ
ロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検
知とする方法である。

【００１９】しきい値Ｖ_THは常に何番目かのある特定の
波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するよ
うに定めてあり、実際の到達時間Ｔは、ａ点からｃ点ま
での時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間Ｔ
＋τに相当する値から時間τを減算することにより求め
ている。到達時間Ｔは前記伝播時間Ｔ₁，Ｔ₂に相当す
る。

【００２０】上記第１の従来技術のように、受信波検知
部４により受信波検知信号を受けると同時に送波器駆動
部５によって送信側の送受波器を再び駆動し、次の送信
を行うものにおいては次のような欠点がある。

【００２１】上記の送信側の送受波器から発信された超
音波には、受信側の送受波器で反射して送信側の送受波
器に戻り、さらにその送信側の送受波器で反射して受信
側の送受波器へ到達する波がある。この波はノイズとな
る。このようなノイズを以降１．５往復ノイズと言う。

【００２２】すなわち、図８に示すように、図示されて
いない第１送信指令信号による第１駆動により発信され
た超音波の受信波Ａが検知されるとこの検知と同時に第
２駆動が行われて受信波Ｂが検知され、更にこの受信波
の検知と同時に第３駆動が行われて受信波Ｃが検知され
るが、この第３駆動による受信波Ｃの検知時には、上記
第１駆動による１．５往復ノイズＤが受信側の送受波器
に到達し、受信波Ｃに１．５往復ノイズＤが重なる。ま
た、図では示されていないが、第４駆動による受信波は
第２駆動による１．５往復ノイズと重なり、以下全ての
受信波について同様のことが言える。

【００２３】このような１．５往復ノイズは受信波を変
形させるため、上記特定波のゼロクロスポイントが正常
な時点よりずれる結果になり、上記の到達時間の測定結
果に悪影響を与える。

【００２４】特に、流量がゼロ付近では流れが安定して
いるため、上記１．５往復ノイズは受信波に対し同じタ
イミングになる。そのため、ｎ回の繰り返しを行っても
平均化されずに前記悪影響が残ってしまう。

【００２５】したがって、流量計測精度が悪い欠点があ
る。

【００２６】また、小型流量計においては、素子間の距
離が短いため、１．５往復ノイズが大きく、また残響が
残りやすいため、小型流量計の実現が困難な欠点があ
る。

【００２７】そこで本願出願人は上記の欠点を解決する
超音波流量計を特願平９−１７３６６７号（特開平１１
−２３３３３号）で提案した（以下これを第２の従来技
術という）。

【００２８】この第２の従来技術は、送信側にも受信側
にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、
流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音
波の送受を行い、その各向きの到達時間より流速さらに
流量を求める超音波流量計であって、送信側の送受波器
を発信させ、受信側の送受波器の信号を入力とする受信
波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器
を発信させるようにし、これを一定回数（ｎ回）繰り返
すよう構成し、最初の発信から一定回数目（ｎ回目）の
受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求め
るようにしたものにおいて、受信波検知部が受信波を検
知してから再び送信側の送受波器を発信させるまでに一
定の時間を置くようにし、この一定時間により前記最初
の発信から一定回数目の受信までの時間が長くなる分を
補正して前記到達時間を求めるようにしたこと超音波流
量計であった。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、一方の送受
波器から発信された超音波は、送受波器だけでなく、そ
の他の箇所でも反射するため、１．５往復ノイズが発生
する時間はかなり長くなる。従って、前記第２の従来技
術のように１．５往復ノイズが本来の受信波と重ならな
いようにするには、前記一定時間（遅延時間）を大きく
しなければならない。すると、その一定時間（遅延時
間）自体の精度が問題になる。当然、受信から次の送信
（発信）までに一定時間を置くと、その分総到達時間は
長くなる。よって、一定時間分（遅延時間分）を総到達
時間から減算して以後の計算に用いることになるが、総
到達時間の測定と同時に一定時間分（遅延時間分）によ
る総到達時間増加分を測定することは難しいため、計算
では一定時間分（遅延時間分）を予め別の手段で測定し
記憶しておいた値を使う。従って、実際の一定時間（遅
延時間）と記憶しておいた値との差が測定誤差となる。
特に一定時間（遅延時間）が大きいとその誤差分は真の
到達時間に対して大きな割合となり、求められた流量は
より大きな誤差を含んだものになるという問題点があっ
た。

【００３０】また、前記一定時間（遅延時間）を大きく
すると、測定時間が長くなり、その分消費電流が増加す
るという問題点が生じる。

【００３１】このような測定誤差や消費電流の増大とい
う問題点は、１．５往復ノイズが本来の受信波と重なら
ないように、十分に大きな遅延時間を置くために生じた
ものである。

【００３２】そこで、本発明は１．５往復ノイズが本来
の受信波に重ならないようにするのではなく、重なって
も測定誤差に与える影響を極小にすることを狙うことに
より、かかる問題点を解消できる超音波流量計を提供す
ることを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、送信側にも受信側にもはたらく
少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの
中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行
い、その各向きの到達時間より流速さらに流量を求める
超音波流量計であって、先ず送信側の送受波器を発信さ
せ、受信側の送受波器の信号を入力とする受信波検知部
が受信波の特定波のゼロクロスポイントを検知すると、
再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一
定回数（ｎ回）繰り返すよう構成し、最初の発信から一
定回数目（ｎ回目）の受信波の特定波のゼロクロスポイ
ントまでの時間を測定し、その結果から到達時間を求め
るようにしたもので、前記受信波検知部が受信波の特定
波のゼロクロスポイントを検知してから再び送信側の送
受波器を発信させるまでに、時間を置かずに行う発信
と、超音波の周期の半分の時間を置いて行う発信を選択
できるようにし、この２つを交互に２回ずつ選択するよ
うにし、この時間を置いて行う発信により前記最初の発
信から一定回数目の受信波の特定波のゼロクロスポイン
トまでの時間が長くなる分を補正して前記到達時間を求
めるようにした超音波流量計である。

【００３４】超音波の周期は、超音波送受波器の固有振
動数（共振周波数）の周期でもあり、また、受信波の周
期でもある。

【００３５】

【作用】図７で説明した受信波にノイズ、例えば１．５
往復ノイズが重なった場合を図１，図２によって説明す
る。両図は、図７に示す受信波の第３波のゼロクロスポ
イントｃの付近を拡大して、受信波の一部を符号Ａで示
す。なお、時間軸（横軸）の拡大率を縦軸より大きくし
ているので、受信波Ａの傾斜が図７よりもゆるやかにな
っている。また、受信波は次第に振幅が変化する正弦波
であるが、図１，図２では、ゼロクロス付近だけを拡大
して示しているので受信波Ａは右下がりの直線になって
いる。

【００３６】図１で、符号Ｂで示す破線は本来の受信波
Ａにプラスのノイズ＋ｅが重なった受信波で、このよう
にプラスのノイズが重なるとゼロクロスポイントがｃ点
からｄ点に移動し、到達時間が大きくなる方向へシフト
し、誤差が生じる。図２は本来の受信波Ａにマイナスの
ノイズ−ｅが重なった受信波を符号Ｂ′で示す。このよ
うにマイナスのノイズが重なるとゼロクロスポイントが
ｃ点からｄ′点に移動し、到達時間が小さくなる方向へ
シフトし、誤差が生じる。

【００３７】なお、両図では説明を簡便にするため、ノ
イズをプラスの一定電圧＋ｅとか、マイナスの一定電圧
−ｅで示したが、実際の１．５往復ノイズはゼロレベル
を中心にほぼ正弦波状に振れる波形である。

【００３８】図１，図２で説明したように、ノイズの影
響で、ゼロクロスポイントの測定値に誤差が生じる。両
図ではノイズの電圧がプラスかマイナスかで説明した
が、１．５往復ノイズの場合、その周期は本来の受信波
の周期、即ち超音波の周期と同じであるため、１．５往
復ノズルの位相によってゼロクロスポイントの測定値に
及ぼす誤差が違ってくる。

【００３９】次に図３に従って、本発明の作用を説明す
る。同図でｔは超音波の半周期である。各受信について
考えると、影響を受ける１．５往復ノイズ源である発信
は直前の発信を１つ前とすると３つ前の発信である。従
って、超音波の到達時間をＴとすると、各受信の１．５
往復ノイズの対象となる発信からの時間は、受信３の場合３Ｔ受信４の場合３Ｔ＋ｔ受信５の場合３Ｔ＋２ｔ受信６の場合３Ｔ＋ｔ受信７の場合３Ｔ受信８の場合３Ｔ＋ｔ受信９の場合３Ｔ＋２ｔ受信１０の場合３Ｔ＋ｔ・・・となる。つまり、対象となる発信からの時間は、毎回超
音波の半周期ｔずつずれることになる。１．５往復ノイ
ズの波形は毎回条件が同じため、ほとんど同じとなる。
従って、半周期の違いは位相差１８０°を意味し、ゼロ
クロスポイントに与える影響は毎回逆で、しかも大きさ
もほとんど同じのため、互いに打ち消し合うことにな
り、総到達時間レベルでは１．５往復ノイズによる影響
を受けないことになる。

【００４０】しかも本発明では、＋半周期に対し、隣接
する回の位相がゼロと１周期、つまり−１８０°と＋１
８０°の位相差となり、単純に１８０°差だけの場合と
比較して１．５往復ノイズの影響を効果的に打ち消すこ
とができる。

【００４１】

【発明の実施の形態】次に本発明の好ましい実施の形態
を図４の実施例に従って説明する。

【００４２】送受波器１，２は超音波振動子で送信にも
受信にも使用できる。両送受波器は流体中を上流から下
流及び下流から上流への超音波の送受信を行う。

【００４３】受信波検知部４は前記従来技術と同様に受
信側の送受波器が接続され受信波の特定波、例えば第３
波のゼロクロスポイントを検知すると受信波検知信号を
出力する。送波器駆動部５はコントロール部６より第１
送信指令信号を受けると送信側の送受波器をまず駆動
し、その後は基本的に受信波検知部４より受信波検知信
号を受ける度に駆動する。

【００４４】ただし、この受信波検知信号は受信点伝達
部９を介して送波器駆動部５へ入力されていて、受信波
検知信号を遅れなしで伝えるか、半周期分の時間ｔだけ
遅らせて伝えるかを制御入力で選択できるようになって
いる。

【００４５】また、カウンタ７より第ｎ受信波検知信号
を受けるとそれ以後は新たに第１送信指令信号を受ける
までは駆動を停止する。カウンタ７は受信波検知部４か
らの受信波検知信号をカウントしｎ番目の受信波検知信
号を受けると第ｎ波受信波検知信号を出力する。このカ
ウンタ７はコントロール部６よりの第１送信指令信号で
リセットされるようになっている。

【００４６】カウンタ８は第１送信指令信号から第ｎ受
信波検知信号までの時間を測定する。その時間（カウン
ト値）はコントロール部６が読み取る。この例では第１
送信指令信号で、カウント値がゼロクリアされ、内蔵し
た基準クロック発生器からの基準クロックのカウントを
開始するように構成されている。

【００４７】コントロール部６は一定間隔で送受切替信
号を反転させることにより、２つの送受波器１，２の役
割の切り替えを行う。

【００４８】各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ
等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力す
る。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、カウン
タ８の測定値（カウント値）を読み取り、直前に行った
逆向きでの測定値とを用いて、その間の流速流量を演算
する。

【００４９】発信４回中２回の受信から発信に一定時間
ｔを置くことによるカウンタ８の測定値の増加分はあら
かじめ測定し、コントロール部６に記憶させておき、流
速演算時にその値を減算することにより補正している。

【００５０】受信点伝達部９は、受信波検知部４からの
受信波検知信号と、カウンタ１０の出力を制御入力に入
力する図４（ｂ）の回路で、コンデンサＣと抵抗Ｒから
なる時定数回路の時定数ＣＲで前記半周期の遅延時間ｔ
を定めている。

【００５１】カウンタ１０は受信波検知信号の立ち上が
りをカウントし、そのＱ２出力は受信波検知信号の２パ
ルス毎に、ハイ、ローを繰り返す信号となる。この実施
例では、Ｑ２出力がハイのとき、即ち受信点伝達部９の
制御入力がハイのとき、超音波の半周期ｔだけ遅れた信
号を送波器駆動部５へ伝えるように構成されている。送
波器駆動部５は、受信点伝達部９からの信号の立ち下が
りで送信側送受波器を駆動する。

【００５２】こうして遅延を、なし、なし、半周期ｔ、
半周期ｔの順で超音波の発信を繰り返すようにしてあ
る。

【００５３】

【発明の効果】本発明の超音波流量計は上述のように構
成されており、受信波の特定波のゼロクロスポイントを
検知してから次の発信までの遅延時間が、超音波の半周
期という、到達時間に比較して小さな値であるため、遅
延時間自体の変動が測定精度に悪影響を与えない。そし
て、効果的に１．５往復ノイズに起因する誤差を小さく
できる。

【００５４】また、遅延時間（ｔ）が短いため、それだ
け測定に要する時間も短くなり、低消費電力で流量測定
ができ、電池を電源とする超音波流量計の実用化に寄与
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明する図である。

【図２】本発明の作用を説明する図である。

【図３】本発明の作用を説明する図である。

【図４】本発明の実施例で、（ａ）はブロック図、
（ｂ）は要部の電気回路図、（ｃ）はタイミング図であ
る。

【図５】超音波流量計の原理を説明する図である。

【図６】従来の超音波流量計のブロック図である。

【図７】受信波のゼロクロスポイントを説明する図であ
る。

【図８】従来技術による受信波と１．５往復ノイズとの
関係を示す図である。

【符号の説明】

１，２超音波送受波器４受信波検知部５送波器駆動部６コントロール部７，８，１０カウンタ９受信点伝達部ｔ遅延時間Ｔ到達時間ｃ，ｄ，ｄ´ ゼロクロスポイント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信側にも受信側にもはたらく少なくと
も１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流
から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その
各向きの到達時間より流速さらに流量を求める超音波流
量計であって、先ず送信側の送受波器を発信させ、受信側の送受波器の
信号を入力とする受信波検知部が受信波の特定波のゼロ
クロスポイントを検知すると、再び送信側の送受波器を
発信させるようにし、これを一定回数（ｎ回）繰り返す
よう構成し、最初の発信から一定回数目（ｎ回目）の受
信波の特定波のゼロクロスポイントまでの時間を測定
し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、前記受信波検知部が受信波の特定波のゼロクロスポイン
トを検知してから再び送信側の送受波器を発信させるま
でに、時間を置かずに行う発信と、超音波の周期の半分
の時間を置いて行う発信を選択できるようにし、この２
つを交互に２回ずつ選択するようにし、この時間を置いて行う発信により前記最初の発信から一
定回数目の受信波の特定波のゼロクロスポイントまでの
時間が長くなる分を補正して前記到達時間を求めるよう
にした超音波流量計。