JP2002228500A

JP2002228500A - 超音波式流量計

Info

Publication number: JP2002228500A
Application number: JP2001027902A
Authority: JP
Inventors: Norio Niimura; 紀夫新村; Masato Sato; 真人佐藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性や消費電流値の問題となる流体管路の
切換を必要とせず、広い計測範囲の超音波式流量計を実
現することを目的とする。【解決手段】流体管路７の途中に超音波を発信する第
一の超音波振動子８と受信する第二の超音波振動子９
を、同様に超音波を発信する第三の超音波振動子１０と
受信する第四の超音波振動子１１を流れ方向に配置し、
振動子切換手段１９によって第一、第二の超音波振動子
と、第三、第四の超音波振動子を切り換えるようにして
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を利用して
ガスなどの流量を計測する超音波式流量計に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の流量計測装置は、図７に示
すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と３を流
れの方向に相対して設け、振動子２から流れ方向に超音
波を発生させ振動子３で検出するまでの時間を計測し、
逆に振動子３から流れに逆らって超音波を発生させ同様
に時間を計測し、この時間の差から流体の速度を演算し
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波式流量計では、低い流量より多い流量までの
間を正確に計測することが難しく、最低計測可能流量と
最大計測可能流量の比で表されるレンジアビリティが約
１０００〜２０００が限界であった。

【０００４】そのため、業務用ガスメータ等の広範囲に
計測する必要がある計測装置（レンジアビリティ２００
００必要）においては、超音波式流量計で実現する場
合、図８に示すように、異なる断面積の流体管路４、５
を２種類設け、それぞれに超音波振動子を設け、前記流
体管路を流量の大きさに応じて、ソレノイド式などの流
量切換弁６で切り換える必要があり、原理的には可能で
あっても、切換弁の信頼性や電池電源を大量に必要とす
る点等の実用上の大きな課題のため実用化が困難であっ
た。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するもので、信
頼性や消費電流値の問題となる流体管路の切換を必要と
せず、広い計測範囲を実現することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波式流量計
では、流体管路に一定の距離を隔てて設けられた第一の
超音波振動子および第二の超音波振動子と、前記第一、
第二の超音波振動子と異なる距離を隔てて前記流体管路
に設けられた第三の超音波振動子および第四の超音波振
動子と、前記超音波振動子からの信号を基に流量を算出
する流量演算部と、前記第一、第二の超音波振動子と第
三、第四の超音波振動子を切り換える切換手段を備えて
いる。

【０００７】本発明によれば、信頼性や消費電流値の問
題となる流体管路の切換を必要とせず、広い計測範囲を
実現することができる。また、それにより業務用ガスメ
ータ等への超音波式流量計を実用化することが可能とな
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】上記目的を達成するために本発明
の超音波式流量計では、以下の構成とした。

【０００９】すなわち、流体管路に一定の距離を隔てて
設けられた第一の超音波振動子および第二の超音波振動
子と、前記第一、第二の超音波振動子と異なる距離を隔
てて前記流体管路に設けられた第三の超音波振動子およ
び第四の超音波振動子と、前記超音波振動子からの信号
を基に流量を算出する流量演算部と、前記第一、第二の
超音波振動子と第三、第四の超音波振動子を切り換える
切換手段を備えたものである。

【００１０】また、第一、第二の超音波振動子の駆動電
圧と第三、第四の超音波振動子の駆動電圧を異なる電圧
とする電圧切換手段を備えたものである。

【００１１】また、流量演算部の流量の値により第一、
第二の超音波振動子と第三、第四の超音波振動子のいず
れかを選択する判定手段を備えたものである。

【００１２】また、第一、第二の超音波振動子と第三、
第四の超音波振動子を切り換える流量の値を、小さい流
量より流量が大きい流量に変化した場合と大きい流量よ
り小さい流量に変化した場合により、異なる値としたも
のである。

【００１３】また、小さい流量より大きい流量に変化し
た場合の切換流量値を大きい流量より小さい流量に変化
した場合の切換流量値より大きい値としたものである。

【００１４】また、第一、第二の超音波振動子と第三、
第四の超音波振動子の間欠駆動の間隔を異なる間隔とす
る駆動間隔可変手段を備えたものである。

【００１５】また、流量値が小さい場合第一、第二の超
音波振動子を駆動し、流量値が大きい場合第三、第四の
超音波振動子を駆動するとした場合、前記第一、第二の
超音波振動子の間欠駆動の間隔を第三、第四の超音波振
動子の間欠駆動の間隔より長い間隔としたものである。

【００１６】また、第一、第二の超音波振動子と第三、
第四の超音波振動子を繰り返し駆動する繰り返し駆動手
段を備えたものである。

【００１７】また、流量値が小さい場合第一、第二の超
音波振動子を駆動し、流量値が大きい場合第三、第四の
超音波振動子を駆動するとした場合、前記第一、第二の
超音波振動子の繰り返し回数を第三、第四の超音波振動
子の繰り返し回数より多い回数としたものである。

【００１８】さらに、流体管路に異なる距離を隔てて設
けられた二個の超音波振動子を複数個設け、前記超音波
振動子からの信号を基に流量を算出する流量演算部と、
前記複数個の超音波振動子を切り換える切換手段と、前
記流量演算部の流量の値により前記複数個の超音波振動
子より選択する判定手段を備えたものである。

【００１９】本発明によれば、信頼性や消費電流値の問
題となる流体管路の切換を必要とせず、広い計測範囲を
実現することができる。また、それにより業務用ガスメ
ータ等への超音波式流量計を実用化することが可能とな
る。

【００２０】

【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。

【００２１】（実施例１）図１において、流体管路７の
途中に超音波を発信する第一の超音波振動子８と受信す
る第二の超音波振動子９を流れ方向に配置されている。
また、同様に超音波を発信する第三の超音波振動子１０
と受信する第四の超音波振動子１１を流れ方向に配置さ
れている。１２は、第一の超音波振動子８への発信回
路、１３は第二の超音波振動子９で受信した信号の増幅
回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路１４
で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタ
のような計時手段１５で求め、流量演算手段１６によっ
て流量を演算する。１７は、発信のタイミングを制御す
るトリガ手段である。

【００２２】そして、１８は発信と受信の超音波振動子
を切り換える発受信切換手段であり、１９は、第一、第
二の超音波振動子または、第三、第四の超音波振動子を
切り換える振動子切換手段である。また、図２は、図１
の補足説明図である。

【００２３】次にその動作に関して述べる。トリガ手段
１７から発信回路１２よりバースト信号を送信され第一
の超音波振動子８で発信された超音波信号は、流れの中
を伝播し第二の超音波振動子９で受信され増幅回路１３
と比較回路１４で信号処理され、発信から受信までの時
間を時間計測手段１５測定する。また、次に発受信切換
手段１８により発信の超音波振動子と受信の超音波振動
子を切り換え前述と同様に第二の超音波振動子９より発
信された超音波信号が第一の超音波振動子８に受信され
るまでの時間を時間計測手段で計測する。

【００２４】静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さ
をｖとすると、流れの順方向の超音波の伝播速度は（ｃ
＋ｖ）となる。超音波振動子８と９の間の距離をＬ１、
超音波伝播軸と管路の中心軸とがなす角度をθ１とする
と、超音波が到達する時間Ｔａ１は、Ｔａ１＝Ｌ１／（ｃ＋ｖｃｏｓθ１）（１）となる。同様に流れの逆方向に超音波が伝播される時間
Ｔｂ１は、Ｔｂ１＝Ｌ１／（ｃ−ｖｃｏｓθ１）（２）となり、（１）、（２）式よりｖ＝（Ｌ１／２ｃｏｓθ１）（（１／Ｔａ１）−（１／Ｔｂ１））（３）となり、Ｌ１とθ１が既知ならＴａ１、Ｔｂ１をそくて
いすれば流速ｖが求められる。

【００２５】この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補
正係数をＫとすれば、Ｑ＝ＫＳｖ（４）となる。

【００２６】同様に超音波振動子１０と１１の間の距離
をＬ２、超音波伝播軸と管路の中心軸とがなす角度をθ
２とすると、流れの順方向の伝播時間をＴａ２、逆方向
をＴｂ２とすると、ｖ＝（Ｌ２／２ｃｏｓθ２）（（１／Ｔａ２）−（１／Ｔｂ２））（５）となる。

【００２７】ここで（３）式により求められる流速ｖと
（５）式により求められる流速ｖは同一の結果となる
が、超音波の超音波振動子８と９の伝播距離Ｌ１が超音
波振動子１０と１１のＬ２に比べて小さいため、特に時
間差が小さくなる流量の低い条件では、計測精度が充分
得られない。

【００２８】そこで、特に時間差が小さくなる流量の低
い条件では、伝播距離の長い超音波振動子１０と１１に
切り換えて時間計測を実施すれば、距離に比例し計測時
間が長くなるため、高い計測精度を得ることができる。

【００２９】（実施例２）図３は、本発明の実施例２で
あり、超音波振動子の切換手段によって超音波振動子を
切り換えると同時に電圧切換手段２０によって、それぞ
れ一対の超音波振動子に印加する電圧を異なる電圧とし
ている。公知の事実のように、超音波の伝播は、距離に
比例して受信される信号が小さくなる。したがって、伝
播距離を大きくすれば計測時間は長くなり計測精度は高
くなるが、受信される信号が小さくなり、計測限界とな
ってしまう。より広いな計測範囲（レンジアビリティを
大きくする）を計測しようとする場合、実施例１におい
てＬ１とＬ２の差を大きくする必要があるが、限界があ
る。そこで、距離が遠い超音波振動子を使用する場合に
のみ超音波振動子に大きな電圧を印加することとし、よ
り広い計測範囲を得ることができる。また、距離の近い
超音波振動子を使用して計測を実施する場合小さな電圧
の印加で計測が可能であるため、消費電流値も低く押さ
えることができる。

【００３０】特にガスメータのように、電池電源で駆動
する必要のある超音波式流量計では、消費電流を低く押
さえることで実用化が可能となる。

【００３１】（実施例３）図４は、本発明の実施例３で
あり、流量演算部の流量の値によって、第一、第二の超
音波振動子を使用するか、第三、第四の超音波振動子を
使用するかを選択する判定手段２１を設け、流量が小さ
い場合には、計測の精度が高い＝伝播距離の長い第三、
第四の超音波振動子を使用し、流量が多い場合には、第
一、第二の超音波振動子を使用することとしている。こ
の判定手段２１を設けることにより、流量に応じて自動
的に使用する超音波振動子を切り換えることができる。
特にガスメータのように設置された後は、人による操作
をせずに、広い流量範囲を正確に計測する必要のある流
量計では、重要な機能となる。

【００３２】また、この超音波振動子を切り換える流量
値は、小さい流量値よい大きい流量値に変化し超音波振
動子を切り換える流量値と逆に大きい流量値よい小さい
流量値に変化し超音波振動子を切り換える流量値を前者
が大きな流量値と設定する（ヒステリシスを設ける）こ
とによって、切換流量値付近の流量の変動による超音波
振動子切換手段のチャタリングを防止し、より安定した
計測性能を得ることができる。

【００３３】（実施例４）図５は、本発明の実施例４で
あり、超音波振動子の間欠駆動の間隔を第一、第二の超
音波振動子と第三、第四の超音波振動子とで異なる間隔
とする駆動間隔可変手段２２を設けてある。ガスメータ
のように流れる流量が絶えず変動するような流量計にお
いては、消費電流を低くするため駆動間隔を長くする
と、急峻な流量の変動に追従できず計測精度が悪化する
場合がある。このため、特に大きな流量が流れている場
合は、超音波振動子の駆動間隔を短くする必要がある。
しかし、この短い間隔で駆動し続けると、消費電流が劇
的に増大し、実用化が不可能となる。そこで、流量がな
い場合や、小さな流量が流れている場合には、超音波振
動子の駆動間隔を消費電流を低く押さえ、実用化を可能
とすることができる。

【００３４】（実施例５）図６は、本発明の実施例５で
あり、超音波振動子を１回の駆動による時間計測より、
更に計測精度を高めるため、繰り返して計測する繰り返
し駆動手段２３を設けたものである。また、さらに低い
流量では計測精度を確保するのが難しいため、この繰り
返しの回数を多くするようにしたことで、さらに計測精
度を高めることが可能となった。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば次の効果が
得られる。

【００３６】（１）広範囲にわたる流量計測を制御回路
の切り替え手段で実施できるので、簡単な構成で実現す
ることができる。

【００３７】（２）消費電流を低く押さえることができ
るため、業務用ガスメータ等に超音波式流量計の実用化
が可能となった。

【００３８】（３）さらに、要求される計測精度と計測
範囲によって、駆動電圧切換手段、駆動間隔可変手段、
繰り返し回数可変手段等を組み合わせて実施できるた
め、容易で、かつ高精度な超音波式流量計を供給するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波式流量計の制御ブロ
ック図

【図２】同流量計を説明する図

【図３】本発明の実施例２の超音波式流量計の制御ブロ
ック図

【図４】本発明の実施例３の超音波式流量計の制御ブロ
ック図

【図５】本発明の実施例４の超音波式流量計の制御ブロ
ック図

【図６】本発明の実施例５の超音波式流量計の制御ブロ
ック図

【図７】従来の超音波式流量計の制御ブロック図

【図８】同流量計の他の制御ブロック図

【符号の説明】

７流体管路８第一の超音波振動子９第二の超音波振動子１０第三の超音波振動子１１第四の超音波振動子１２発信回路１３増幅回路１４比較回路１５計時手段１６流量演算手段１７トリガ手段１８発受信切換手段１９振動子切換手段２０電圧切換手段２１判定手段２２駆動間隔可変手段２３繰り返し駆動手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体管路に一定の距離を隔てて設けられ
た、第一の超音波振動子および第二の超音波振動子と、
前記第一、第二の超音波振動子と異なる距離を隔てて前
記流体管路に設けられた、第三の超音波振動子および第
四の超音波振動子と、前記超音波振動子からの信号を基
に流量を算出する流量演算部と、前記第一、第二の超音
波振動子と前記第三、第四の超音波振動子を切り換える
切換手段からなる超音波式流量計。
【請求項２】第一、第二の超音波振動子の駆動電圧と
第三、第四の超音波振動子の駆動電圧を異なる電圧とす
る電圧切換手段を設けた請求項１記載の超音波式流量
計。
【請求項３】流体管路に一定の距離を隔てて設けられ
た、第一の超音波振動子および第二の超音波振動子と、
前記第一、第二の超音波振動子と異なる距離を隔てて前
記流体管路に設けられた、第三の超音波振動子および第
四の超音波振動子と、前記超音波振動子からの信号を基
に流量を算出する流量演算部と、前記第一、第二の超音
波振動子と第三、第四の超音波振動子を切り換える切換
手段と、前記流量演算部の流量の値により前記第一、第
二の超音波振動子と第三、第四の超音波振動子のいずれ
か一方を選択する判定手段からなる超音波式流量計。
【請求項４】第一、第二の超音波振動子と第三、第四
の超音波振動子を切り換える流量の値を、小さい流量よ
り流量が大きい流量に変化した場合と大きい流量より小
さい流量に変化した場合により、異なる値とした請求項
３記載の超音波式流量計。
【請求項５】小さい流量より大きい流量に変化した場
合の切換流量値を大きい流量より小さい流量に変化した
場合の切換流量値より大きい値とした請求項４記載の超
音波式流量計。
【請求項６】第一、第二の超音波振動子と第三、第四
の超音波振動子の間欠駆動の間隔を異なる間隔とする駆
動間隔可変手段を設けた請求項３記載の超音波式流量
計。
【請求項７】流量値が小さい場合第一、第二の超音波
振動子を駆動し、流量値が大きい場合第三、第四の超音
波振動子を駆動するとしたとき、前記第一、第二の超音
波振動子の間欠駆動の間隔を第三、第四の超音波振動子
の間欠駆動の間隔より長い間隔とした請求項６記載の超
音波式流量計。
【請求項８】第一、第二の超音波振動子と第三、第四
の超音波振動子を繰り返し駆動する繰り返し駆動手段を
設けた請求項３記載の超音波式流量計。
【請求項９】流量値が小さい場合第一、第二の超音波
振動子を駆動し、流量値が大きい場合第三、第四の超音
波振動子を駆動するとしたとき、前記第一、第二の超音
波振動子の繰り返し回数を第三、第四の超音波振動子の
繰り返し回数より多い回数とした請求項８記載の超音波
式流量計。
【請求項１０】流体管路に異なる距離を隔てて設けら
れた二個の超音波振動子を複数個設け、前記超音波振動
子からの信号を基に流量を算出する流量演算部と、前記
複数個の超音波振動子を切り換える切換手段と、前記流
量演算部の流量の値により前記複数個の超音波振動子よ
り選択する判定手段からなる超音波式流量計。