JP2002277301A

JP2002277301A - 流量計

Info

Publication number: JP2002277301A
Application number: JP2001075769A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Ochi; 謙三黄地; Yuji Nakabayashi; 裕治中林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-25
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: JP4783989B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度の流量計を提供できるようにするこ
と。【解決手段】送信側の超音波変換器２３（または２
４）から超音波を送信し、順次ゲート時間を更新しなが
ら、受信側の超音波変換器２４（または２３）のゼロク
ロス点を検知し、精確な超音波伝搬時間を判定する。こ
の判定した時間を用い流体の流量を演算し、流体の流速
を正確に計測することにより、高精度な流量計を実現す
ることが出来る。

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
する超音波流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の流量計としては図１０に
示すような流量計１がある。図１０は、断面図を示し、
流体の流れる流路２の上流側と下流側とに一対の超音波
変換器３、４を対向して設置し、一対の超音波変換器間
を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、
流量を演算して流量計としていた。なお、図中の片矢印
５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破
線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体
の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉
している。

【０００３】図１１に、上流側（もしくは下流側）の超
音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形状の駆
動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器
４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。
横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。なお、図中の横線９
（破線）は、コンパレータの設定電圧（Ｖｒｅｆ）を示
す。なお、コンパレータの設定電圧９（Ｖｒｅｆ）は、
受信波形８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番
目の受信電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してあ
る。超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間
Ｔｐは、駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８
が、コンパレータの設定電圧９を越えた次のゼロクロス
点１１（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。こ
の場合、真の伝搬時間Ｔｓは、上記の伝搬時間Ｔｐか
ら、受信波形の３．５波分（図中のＴｉ参照）を差し引
いた時間となる。即ち、超音波の真の伝搬時間Ｔｓは、
Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして、流量演算に用いていた。

【０００４】

【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１の超音波伝搬時間Ｔｓ（＝Ｔｐ−Ｔｉ）は、例
えば、一対の超音波振動子３、４間を伝搬する超音波
が、流路２を流れる流体の流速分布や、発生した渦など
により、あるいは、流体の温度変化などにより、受信波
形８の受信感度、即ち、受信振幅が変化したり、或い
は、受信波形が変形したりしていた。このため、コンパ
レータの設定電圧９と受信振幅との相対関係、あるい
は、超音波の真の伝搬時間Ｔｓと超音波の伝搬時間Ｔｐ
との相対関係が変化し、ある時は、その差が２．５波分
であったり、またある時は、その差が４．５波分、ある
いは、３．０波分になったりしていた。このため、流体
の流速計測に誤差が生じ、演算した流体の流量が不正確
になるという課題を有していた。

【０００５】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、超音波の受信感度、あるいは受信波形が、渦あるい
は不規則な流速分布などにより変化しても、流体の流速
を正確に計測することができ、精度のよい流量計を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために、本発明の流量計は、一対の超音波変換器を流
体が流れる流路の上流側と下流側とに、流体を介して対
向配置し、一方の超音波変換器を駆動し、超音波を他方
の超音波変換器へ向かって送信するとともに、他方の超
音波変換器を、順次ゲート時間を更新しながら動作さ
せ、超音波の受信時間を判定し、この判定した受信時間
から流量を演算する構成とした。

【０００７】この構成によって、即ち、順次ゲート時間
を更新しながら、超音波の受信時間を判定する構成によ
り、超音波の受信感度、あるいは受信波形が、渦あるい
は不規則な流速分布などにより変化しても、流体の流速
を正確に計測することができるので、精度のよい流量計
を実現することができる。

【０００８】例えば、超音波伝搬時間よりも短いゲート
時間で受信側の超音波変換器を動作させると、コンパレ
ータは、雑音レベル信号によりゼロクロス点を検知する
ため、伝搬時間をゲート時間と同じ値と判定する。従っ
て、ゲート時間を順次大きく設定し、伝搬時間を検知す
ると、伝搬時間とゲート時間とは比例関係になり、真の
超音波伝搬時間ではないと判定することができる。ま
た、真の超音波伝搬時間を越えて、ゲート時間を設定
し、コンパレータをを動作させると、コンパレータは、
受信波形に依存したゼロクロス点を検知するため、受信
波形に応じた超音波伝搬時間が得れることになる。即
ち、ある一定のゲート時間以上では、例えば、受信波形
の周波数が、２５０［kHz］（一波長分、４［μsec］）
であれば、ゼロクロス点が、約２［μsec］ごとの飛び
飛びの値を示すことになり、超音波が伝搬して来ている
と判定することができる。

【０００９】このようにして、例えば、超音波の受信感
度、あるいは受信波形が、渦あるいは不規則な流速分布
などにより変化しても、超音波の伝搬時間を正確に判定
することができ、流体の流速を正確に計測することがで
きるので、精度のよい流量計を実現することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、受信側
の超音波変換器を順次ゲート時間を更新しながら動作さ
せ、真の超音波伝搬時間を判定するので、受信感度ある
いは受信波形が変化しても、正確に超音波伝搬時間を判
定することができ、精度のよい流量計を実現できる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、特に請求項１記
載の伝搬時間の判定を送信側および受信側の超音波変換
器の特性に依存した一定の時間間隔のゼロクロス点が得
られ始める時間として判定するので精度よく判定するこ
とができる。また、誤動作することもない。

【００１２】請求項３に記載の発明は、特に請求項１記
載のゲート時間を予め設定された最短時間から順次長く
し超音波伝搬時間を判定するので、効率よく短時間で判
定することができる。

【００１３】請求項４に記載の発明は、特に請求項１記
載のゲート時間を予め設定された最長時間から順次短く
し超音波伝搬時間を判定するので、効率よく短時間で判
定することができる。

【００１４】請求項５に記載の発明は、特に請求項３又
は４記載のゲート時間を、一対の超音波変換器間の距
離、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度、流体の種類と
実用的な温度範囲および計測系での時間遅れなどから決
定するので、効率よく短時間で決定することができる。

【００１５】請求項６に記載の発明は、特に請求項１記
載のゲート時間を、下流側の超音波変換器を送信側、上
流側の超音波変換器を受信側とする場合に、予め設定さ
れた共通の設定時間から順次長くするよう設定するの
で、効率よく設定することができる。

【００１６】請求項７に記載の発明は、特に請求項１記
載のゲート時間を上流側の超音波変換器を送信側、下流
側の超音波変換器を受信側とする場合に、予め設定され
た共通の設定時間から順次短くするよう設定するので、
効率よく設定することができる。

【００１７】請求項８に記載の発明は、特に請求項６又
は７記載の共通の時間を前回の受信時間判定結果から演
算するようにしたので、効率よく、簡単に設定すること
ができる。

【００１８】請求項９に記載の発明は、流体の温度を計
測し、流体の温度から、流体中を伝搬する超音波の伝搬
する時間を演算し、共通の設定時間を設定するので、正
確に効率よく設定することができる。

【００１９】請求項１０に記載の発明は、特に請求項９
記載の、温度検出器をサーミスタで小型に構成したの
で、流路内に設置することができ、流体の温度あるいは
温度変化を素早く計測でき、精度のよい流量計を構成す
ることができる。

【００２０】請求項１１に記載の発明は、特に請求項９
記載の、温度検出器を超音波変換器で構成し、超音波の
伝搬時間から流体の温度を計測するようにしたので、得
られる温度が超音波的、流体的であるため、正確とな
り、精度のよい流量計が実現できる。

【００２１】請求項１２に記載の発明は、特に請求項１
１記載の、超音波変換器を流体には触れるが、流体の流
れに影響されない部分に設置したので、流量変化があっ
ても正確に流体の温度を計測することができる。このた
め、精度のよい流量計が実現できる。

【００２２】請求項１３に記載の発明は、特に請求項１
１記載の、超音波変換器を流体の流れる方向と垂直に設
置したので、流量変化があっても正確に流体の温度を計
測することができる。また、流体に温度変化が発生して
も応答性よく検知できるので、精度のよい流量計が実現
できる。

【００２３】請求項１４に記載の発明は、超音波変換器
による流体の温度計測を、超音波変換器間を往復する時
間から計測するので、流体が流れていても正確に計測す
ることができる。また、新たに超音波変換器を設置する
必要がないので、より簡単な構成となる。また、共通の
設定時間を超音波が一対の超音波変換器間を往復する時
間の（１/２）とすることができるので、簡単に、また
精確に設定することができる。このため高精度な流量計
を実現できる。

【００２４】

【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。なお、図中の同一番号を付けているものは、
同一なものを示しているので、説明を省略する。

【００２５】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おける流量計２１の断面図を示し、流体の流れる流路２
２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３、２４
を流体を介し対向して設置し、超音波変換器間の距離Ｌ
ｄは、約１００［mm］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０
［mm＾２］とした。なお、図中の片矢印２５（実線）は
流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波
の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向
は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉す
るようにした。

【００２６】図２は、流量計２１のブロック図を示す。
この構成において、トリガー回路３０が予め設定された
間隔でスタート命令を、駆動回路３１および時間回路３
２に出力する。スタート命令を受けた駆動回路３１で
は、送信側切換ＳＷ３３で選択されている送信側超音波
変換器（例えば、上流側の超音波変換器２３）に駆動信
号を出力する。送信側超音波変換器が、流路の流体中に
送信した超音波は、受信側切換ＳＷ３４で選択されてい
る超音波変換器（例えば、下流側の超音波変換器２４）
で受信され、その信号は増幅器３５で増幅される。一
方、スタート命令を受けた時間回路３２では、一定間隔
の時間パルスを生成する。

【００２７】また、予め決められた経過時間後、検知回
路３７へ、ゲート開放信号を送出する。ゲート開放信号
を受けた検知回路３７は、超音波の受信波からゼロクロ
ス点を検出し、超音波受信時間を制御・演算回路に検出
時間を出力する。制御・演算回路３６では、検知回路３
７からは超音波伝搬を検知したゼロクロス時間を、時間
回路３２から一は定間隔の時間パルスを受け取り時間経
過を認識し、超音波伝搬時間を判定する。この超音波送
信・検知を、順次ゲート時間を更新しながら繰り返す。
検知回路３７に出力されるゲート開放信号が、超音波伝
搬時間を越えると周期的な検知時間が得られ、超音波が
到達したことを検知することができる。以上のことを図
３を用いて説明する。図３（ａ）に、２５０［kHz］か
らなる矩形状のバースト信号で構成した駆動信号３８を
示す。超音波受信信号３９は、受信側の超音波変換器で
受信した信号を示す。図３（ｂ）に、図３（ａ）の○で
囲んだ部分４０の拡大図を示す。なお、４１は信号のグ
ランド（ゼロ）レベルを示す。受信信号３９は、２５０
［kHz］の周期の受信波形であるので、一波長約４［μs
ec］の周期的な信号となり、ゼロクロス点は約２［μse
c］間隔となっている。なお、超音波の真の伝搬時間を
Ｔｓ、ゲート開放時間をＴｇで示した。ゲート開放時間
Ｔｇが、超音波伝搬時間Ｔｓよりも小さい時（Ｔｇ＜Ｔ
ｓ）、検知回路３７はゲート開放時間を受けると同時に
雑音レベルにある信号、図３（ｂ）参照、でゼロクロ点
を検知するので、超音波の伝搬時間としてゲート開放時
間と同程度の大きさの時間を検知時間Ｔｋとして出力す
る。一方、ゲート開放時間が順次更新され、超音波伝搬
時間Ｔｓよりも大きくなると（Ｔｇ＞Ｔｓ）、同図
（ａ）より、検知回路３７で検知されるゼロクロス点と
しての検知時間Ｔｋは、周期的な値となる。

【００２８】この結果を図４に示す。横軸にゲート開放
時間Ｔｇを、縦軸に検知時間Ｔｋを示す。４２は、ゲー
ト開放時間Ｔｇが、ある一定値までの結果を示し、ゲー
ト開放時間Ｔｇと検知時間Ｔｋとが、比例関係に有る部
分を示す。４３は、ゲート開放時間Ｔｇが、ある一定値
を越えた時の結果を示し、検知時間Ｔｋは階段状の飛び
飛びの値（この場合は、約２［μsec］）を示すように
なる。この階段状を示し始めた時間が、真の超音波到達
時間として判定し、認識することができる。なお、この
階段状の時間（約２［μsec］）は、送信側および受信
側の超音波変換器、駆動回路などの特性に大きく依存し
ている。

【００２９】このようにして得られた超音波伝搬時間Ｔ
ｓを用いて制御・演算回路３６で流体の流量を演算す
る。

【００３０】具体的には、上流側の超音波変換器２３か
ら下流側の超音波変換器２４への超音波の到達時間をＴ
ｕｄ、下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変
換器２３への超音波の到達時間をＴｄｕとし、超音波の
流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆと
すると、Ｔｕｄ＝Ｌｄ/［Ｖｓ＋Ｖｆ・cos（θ）］、Ｔｄｕ＝Ｌ
ｄ/［Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ）］となる。これらより、Ｖｓ＋Ｖｆ・cos（θ）＝Ｌｄ/Ｔ
ｕｄ、Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ）＝Ｌｄ/Ｔｄｕとなり、こ
れらの両辺を引き算すると、２＊Ｖｆ・cos（θ）＝（Ｌｄ/Ｔｕｄ）−（Ｌｄ/Ｔｄ
ｕ）＝Ｌｄ＊［（１/Ｔｕｄ）−（１/Ｔｄｕ）］となる。よって、Ｖｆ＝｛Ｌｄ/［２・cos（θ）］｝＊［（１/Ｔｕｄ）
−（１/Ｔｄｕ）］となり、流体の流速Ｖｆが得られたことになる。

【００３１】さらに、流路２２の断面積Ｓｒを乗じ、流
量Ｑmとなる。

【００３２】即ち、Ｑm＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量
値となる。

【００３３】このように、上流側の超音波変換器２３か
ら下流側の超音波変換器２４への到達時間Ｔｕｄ、およ
び下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器
２３への到達時間Ｔｄｕとから流路を流れる流体の流量
Ｑmが得られることになる。

【００３４】なお、上記実施例において、流体の流れる
方向と、超音波が伝搬する方向との交叉角を４５度とし
たが、流体の流れが超音波の伝搬時間に影響を与える角
度であればよく、垂直方向以外であればよく、平行であ
ってもよい。

【００３５】また、上記実施例に示した伝搬時間判定方
法は、単発計測として説明したが、シングアラウンド法
などにも充分応用できるものである。

【００３６】（実施例２）図５に、図４の拡大図を示
す。実線４４は正極性（立ち上がり）のゼロクロス検知
時間を、破線４５は負極性（立ち下がり）のゼロクロス
検知時間を示す。この場合、実線での検知時間が最も短
い時間を示した。この最も短い時間が超音波の到達時間
Ｔｓである。流体（空気）の温度および超音波変換器間
の距離、Ｌｄを種々変えて実験したところ、この最も小
さい時間よりも、さらに約２．０波長分短い時間を真の
超音波伝搬時間とするのが妥当であることを確かめた。
即ち、実施例１で示した、超音波到達時間、Ｔｕｄおよ
びＴｄｕを用い、超音波の伝搬速度Ｖｓを評価すると以
下のようになる。

【００３７】Ｔｕｄ＝Ｌｄ/（Ｖｓ＋Ｖｆ・cos
（θ））、Ｔｄｕ＝Ｌｄ/（Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ））となる。これらより、Ｖｓ＋Ｖｆ・cos（θ）＝Ｌｄ/Ｔ
ｕｄ、Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ）＝Ｌｄ/Ｔｄｕとなり、こ
れらの両辺を加算すると、２＊Ｖｓ＝（Ｌｄ/Ｔｕｄ）＋（Ｌｄ/Ｔｄｕ）＝Ｌｄ
＊［（１/Ｔｕｄ）＋（１/Ｔｄｕ）］となる。よって、Ｖｓ＝（Ｌｄ/２）＊［（１/Ｔｕｄ）＋（１/Ｔｄ
ｕ）］となり、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度、Ｖｓが得
られたことになる。この値を、理科年表などに記載され
ている空気の音速と比較することにより、上記の結果を
確認した。この時間は、送信側および受信側の超音波変
換器の特性および駆動回路に大きく依存していることを
も確認した。また、計測系でのＳ/Ｎおよび時間遅れな
ども関与していると考えられる。従って、流量演算に用
いる超音波到達時間Ｔｐは検知時間Ｔｋよりも、実測・
経験上得れた２．０波長分（この場合、約８．０［μse
c］）短い時間とした。このようにすることにより、よ
り精度の高い、流量計を実現することができた。

【００３８】（実施例３）通常の場合、流量計として使
用する時、流体および超音波変換器間の距離Ｌｄは予め
決まっているので、例えば、流体を空気、超音波変換器
間の距離Ｌｄを１００［mm］、実用的な温度範囲を、−
３０〜＋７０［℃］とすると、超音波の伝搬速度は、理
科年表によると、３１３．２〜３７３．９［m/sec］と
なるので、超音波の到達時間は、２６７．５〜３１９．
４［μsec］となる。従って、下流側の超音波変換器２
４から上流側の超音波変換器２３への超音波到達時間を
検知する場合、Ｔｄｕ＝Ｌｄ/［Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ）］であり、Ｖｆ
≧０［m/sec］であるから、Ｔｄｕ≧Ｌｄ/Ｖｓとなる。このため、ゲート開放時間、Ｔｇは最も大きい
超音波伝搬速度（３７３．９［m/sec］）で決定される
時間（２６７．５［μsec］）を下限として、順次長く
することにより、効率よく、短時間で超音波到達時間を
検知することができる。

【００３９】（実施例４）実施例３と同様にして、上流
側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４へ
の超音波到達時間を検知する場合、Ｔｕｄ＝Ｌｄ/［Ｖｓ＋Ｖｆ・cos（θ）］であり、Ｖｆ
≧０［m/sec］であるから、Ｔｕｄ≦Ｌｄ/Ｖｓとなる。このため、ゲート開放時間、Ｔｇは最も小さい
超音波伝搬速度（３１３．２［m/sec］）で決定される
時間（３１９．４［μsec］）を上限として、順次短く
することにより、効率よく、短時間で超音波到達時間を
検知するこができる。

【００４０】（実施例５）流体が空気と異なり、例え
ば、メタン、エチレンなどの可燃性気体の場合、超音波
伝搬速度Ｖｓは、温度をｔ［℃］とすると、メタンの場
合、Ｖｓ（メタン）＝４３０．０＋０．６２＊ｔ［m/se
c］、エチレンの場合、Ｖｓ（エチレン）＝３１４．０＋０．５６＊ｔ［m/se
c］となる。

【００４１】従って、実施例３および４に記載したよう
に、超音波変換器間の距離Ｌｄが、既知であれば、ゲー
ト開放時間の最長時間および最短時間を予め決定するこ
とができ、超音波到達時間を効率よく短時間で検知する
ことができる。

【００４２】また、流体が水や石油などの液体の場合、
同様に水の場合、Ｖｓ（水）＝１５００＋０．３３＊ｔ［m/sec］、石油の場合、Ｖｓ（石油）＝１３００−３．６＊ｔ［m/sec］となる。

【００４３】従って、この場合も予め、ゲート開放時間
の最長および最短時間を決定することができるので、効
率よく音波到達時間を決定することができる。

【００４４】なお、水の場合、実用的な温度範囲は、０
〜４０［℃］なので、より素早く設定できることにな
る。

【００４５】（実施例６）超音波到達時間は、実施例１
で示したように、Ｔｕｄ＝Ｌｄ/（Ｖｓ＋Ｖｆ）、Ｔｄｕ＝Ｌｄ/（Ｖｓ−
Ｖｆ）であるので、流体の流れていない時、即ち、Ｖｆ＝０の
時、Ｔｃｏｍ＝Ｔｕｄ＝Ｔｄｕ＝Ｌｄ/Ｖｓとなるので、例えば、流体が空気であれば、Ｖｓの実用
上の最大値が３７３．９［m/sec］であるので、共通の
最小時間Ｔｃｏｍ（最小）＝２６７．５［μsec］とな
り、共通の最大時間Ｔｃｏｍ（最大）＝３１９．４［μ
sec］となる。

【００４６】このため、下流側の超音波変換器を送信
側、上流側の超音波変換器を受信側として用いる場合、
ゲート開放時間を、２６７．５〜３１９．４［μsec］
と順次長く設定して、超音波到達時間を検知することが
できるので、効率よく検知することができる。また、こ
の時間設定内に検知できない場合は、異常と判断するこ
ともできるので、より実用的な流量計を実現できる。

【００４７】（実施例７）超音波到達時間は、実施例１
で示したように、Ｔｕｄ＝Ｌｄ/（Ｖｓ＋Ｖｆ）、Ｔｄｕ＝Ｌｄ/（Ｖｓ−
Ｖｆ）であるので、流体の流れていない時、即ち、Ｖｆ＝０の
時、Ｔｃｏｍ＝Ｔｕｄ＝Ｔｄｕ＝Ｌｄ/Ｖｓとなるので、例えば、流体が空気であれば、Ｖｓの実用
上の最大値が３７３．９［m/sec］であるので、共通の
最小時間Ｔｃｏｍ（最小）＝２６７．５［μsec］とな
り、共通の最大時間Ｔｃｏｍ（最大）＝３１９．４［μ
sec］となる。

【００４８】このため、上流側の超音波変換器を送信
側、下流側の超音波変換器を受信側として用いる場合、
ゲート開放時間を、３１９．４〜２６７．５［μsec］
と順次短く設定して、超音波到達時間を検知することが
できるので、効率よく検知することができる。また、こ
の設定時間内に検知できない場合は、異常と判断するこ
ともできるので、より実用的な流量計を実現できる。

【００４９】（実施例８）流路を流れる流体の温度は、
熱容量などの関係から、数十［℃/sec］のように急激に
変化することがないので、例えば、数秒〜数十秒間隔で
計測する場合、前回に検知した時間（Ｔｂｅｆｏｒｅ）
を参照して、前記実施例に示した共通の時間として採用
することにより、例えば、空気の場合、常に実用上の時
間範囲（２６７．５〜３１９．４［μsec］）を検知す
ることなく、Ｔｂｅｆｏｒｅ〜３１９．４［μsec］
間、もしくは、２６７．５［μsec］〜Ｔｂｅｆｏｒｅ
間を検知範囲とすることができるので、より効率よく、
超音波の到達時間を検知することができる。この場合、
前回の設定時間（Ｔｂｅｆｏｒｅ）に、若干余裕を持た
せておくと、誤検知することが少なくなる。

【００５０】（実施例９）図６に、本発明の実施例９に
おける流量計４６を示す。同図において、４７は流路２
２内に設けた温度検出器を示す。この構成により、流体
の温度を検出することができるので、上記実施例で記載
した共通の時間を、上記に記載した温度と超音波の伝搬
速度との関係を用い、簡単に計算することができる。こ
のため、簡単に、また短時間で共通の時間Ｔｃｏｍを得
ることができ、より一層効率よく超音波到達時間を検知
することができる。この場合、検出した温度から演算さ
れる設定時間に、若干余裕を持たせておくと、誤検知す
ることが少なくなる。

【００５１】（実施例１０）上記温度検出器をサーミス
タで構成することにより、熱応答性に優れた、精度のよ
い温度検出器を、非常に小さく構成することができ、流
体の流れを乱すことなく流路内に簡単に設置することが
でき、高精度な流量計を実現することができる。また、
流体に温度変化が発生しても、追従性よく応答するため
高精度な流量計を実現することができる。図６におい
て、温度検出器４７は超音波が伝搬する部分よりも上流
側に設置したので、流体に温度変化が発生した場合、素
早く検知できるので、熱応答性に優れた流量計が実現で
きる。また、温度検出器４７を超音波が伝搬する部分よ
りも下流側に設置してもよい。この場合には、温度検出
器が流体の流れを乱さないので、高精度な流量計を実現
できる。

【００５２】（実施例１１）図７に、本発明の実施例１
１における、温度検出器としての一対超音波変換器４
８、４９を備えた流量計５０を示す。温度検出器として
の一対超音波変換器４８、４９は、流体が細孔５１によ
り導入されるが、流路２２を流体が流れても流れが発生
しない淀み部５２に、一定の距離Ｌｔをおいて対向して
設置した。この一対の超音波変換器４８、４９を伝搬す
る超音波の伝搬時間と、既知の距離Ｌｔから、超音波の
伝搬速度が得られるので、それより流体の温度を演算で
きる。従って、上記実施例に記載した共通の時間、Ｔｃ
ｏｍ、を簡単に設定することができる。流体の温度を超
音波的に検出すので、精度よく検出することができる。
このため、高精度な流量計を実現できる。

【００５３】（実施例１２）図８に、本発明の実施例１
２における、温度検出器としての一対超音波変換器５
３、５４を備えた流量計５５を示す。温度検出器として
の一対超音波変換器５３、５４は、流路内の流体の流れ
方向に対し、垂直方向に超音波が伝搬するように、一定
の距離Ｌｔはなして対向して設置した。この一対の超音
波変換器５３、５４間を伝搬する超音波の伝搬時間と、
既知の距離Ｌｔから、流体の温度を演算できるので、上
記実施例に記載した共通の時間、Ｔｃｏｍ、を簡単に設
定することができる。流体の温度を、流路を流れる流体
を用いて超音波的に検出すので、精度よく検出すること
ができる。また、流体の温度が変化しても、追従性よく
流体の温度を検出することができる。このため、高精度
な流量計を実現できる。

【００５４】なお、この場合、温度検出用の超音波変換
器間を伝搬する超音波は、流体の流れと垂直に交叉する
ので、流路内を流体が流れても、超音波の伝搬時間が影
響を受けることがないので、精確に温度を検出すること
ができる。この場合、流速を計測する部分の上流側に一
対の超音波変換器５３、５４を設置すると、温度変化に
対する追従性が向上し、より優れた温度検出器を構成す
ることがきるので、より高精度な流量計を実現すること
ができる。また、下流側に設置すると、流速を計測する
部分の流れを乱すことなく流体の温度を検出することが
でき、高精度な流量計を実現することができる。

【００５５】なお、上記実施例１１および１２に記載し
た一対の超音波変換器間の距離Ｌｔを、流速を計測する
一対の超音波変換器間の距離Ｌｄと同じ長さに構成して
おくと、流体の温度検出用に設置した一対の超音波変換
器間を伝搬する超音波伝搬時間を上記実施例に記載した
共通の時間Ｔｃｏｍとして採用することができるので、
超音波の到達時間から、流体の温度を演算する必要がな
くなり、より一層効率よく、設定までの時間を非常に短
時間にすることがきる。

【００５６】また、温度検出用の一対の超音波変換器の
片側を、超音波反射板で構成し、超音波の往復時間から
流体の温度を検出しても、共通の時間、Ｔｃｏｍを設定
するようにすることもできる。この場合、超音波変換器
を一つ少なく構成できるので、低コストな流量計を実現
することができる。この場合も、超音波が伝搬する距離
を同一にしておくと、上記と同様の効果が得られる。

【００５７】（実施例１３）図９に、本発明の実施例１
３における、流量計５６を示す。一対の超音波変換器５
７、５８は、流体の流れる流路５９の上流側と下流側と
に流体を介して対向して設置した。これらの超音波変換
器は、ある時は温度検出用として、またある時は流体の
流速検出用として用いる。温度検出用として動作する場
合を説明する。超音波の伝搬時間は、上記実施例で説明
したように、上流側の超音波変換器５７から下流側の超
音波変換器５８への超音波の到達時間をＴｕｄ、下流側
の超音波変換器５８から上流側の超音波変換器５７への
超音波の到達時間をＴｄｕとし、超音波の流体中を伝搬
する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとすると、Ｔｕｄ＝Ｌｄ/［Ｖｓ＋Ｖｆ・cos（θ）］、Ｔｄｕ＝Ｌ
ｄ/［Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ）］となる。これらより、超音波変換器間を往復する時間Ｔ
ｔｒは、Ｔｔｒ＝Ｔｕｄ＋Ｔｄｕ＝Ｌｄ/［Ｖｓ＋Ｖｆ・cos
（θ）］＋Ｌｄ/［Ｖｓ−Ｖｆ・cos（θ）］＝（２・Ｌ
ｄ・Ｖｓ）/［（Ｖｓ）＾２−（Ｖｆ・cos（θ））＾
２］流体が空気の場合、超音波の伝搬速度Ｖｓは約３４０
［m/sec］、流体の流速Ｖｆは約１〜１０［m/sec］程度
であるので、往復する時間Ｔｔｒは以下のように近似す
ることができ、即ち、（Ｖｓ）＾２≫（Ｖｆ・cos（θ））＾２であるので、Ｔｔｒ≒（２・Ｌｄ・Ｖｓ）/（Ｖｓ）＾２＝（２・Ｌ
ｄ）/Ｖｓとなる。

【００５８】これより、超音波変換器間を超音波が往復
する時間Ｔｔｒは、流体の流速Ｖｆに依存しないことが
解る。従って、流路５９を流れる流体の流速に関わら
ず、即ち、流量の有無に関わらず、常に安定して超音波
の往復時間が計測できる。この往復の時間Ｔｔｒを用
い、ゼロクロスを検出するコンパレータを動作させるゲ
ート開放時間のための、共通のゲート時間を設定するこ
とができる。なお、この往復の時間Ｔｔｒは、流速計測
の超音波変換器を共用し計測しているので、即ち、超音
波が同一の距離を伝搬しているので、共通のゲート開放
時間の丁度２倍となっているのため、共通のゲート開放
時間を、簡単に、迅速に設定することができる。

【００５９】また、超音波の音速Ｖｓは、Ｖｓ＝（２・
Ｌｄ）/Ｔｔｒとなるので、超音波の音速Ｖｓも安定し
て計測することができる。従って、簡単に流体の温度を
も検出することができる。この温度を用い、共通のゲー
ト開放時間を、簡単に、迅速に設定することをもでき
る。

【００６０】

【発明の効果】以上のように請求項１〜１４に記載の発
明によれば、流体の流速分布や、発生した渦などによ
り、あるいは、流体の温度変化などにより、超音波の受
信波形あるいは受信振幅が変化しても、或いは、コンパ
レータの設定電圧と受信振幅との相対関係が変化して
も、超音波の真の伝搬時間を精確に検出することがで
き、高精度な流量計を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における流量計の断面図

【図２】同流量計のブロック図

【図３】（ａ）同流量計の駆動波形と受信波形を示した
図（ｂ）同流量計の受信波形の拡大図

【図４】同流量計におけるゲート開放時間と検知時間の
特性図

【図５】図４の一部を拡大した特性図

【図６】本発明の実施例９における流量計の断面図

【図７】本発明の実施例１１における流量計の断面図

【図８】本発明の実施例１２における流量計の断面図

【図９】本発明の実施例１３における流量計の断面図

【図１０】従来の流量計の断面図

【図１１】従来の流量計における駆動波形と受信波形を
示した図

【符号の説明】

２１超音波流量計２２流路２３上流側の超音波送変換器２４下流側の超音波送変換器３１駆動回路３３送信側切換ＳＷ３４受信側切換ＳＷ３７検知回路３８駆動波形３９受信波形４７温度検出器４８、４９温度検出用超音波変換器５３、５４温度検出用超音波変換器５７、５８温度および流速検出用超音波変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の超音波変換器を流体が流れる流路
の上流側と下流側とに対向して配置し、一方の超音波変
換器を駆動して、他方の超音波変換器へ向けて超音波を
送信するとともに、他方の超音波変換器を順次ゲート時
間を更新しながら動作させて超音波の受信時間を判定
し、この判定した受信時間から流量を演算してなる超音
波流量計。
【請求項２】受信時間の判定は、順次更新したゲート
時間に関わらず、送信側および受信側の超音波変換器の
特性に依存した一定の時間が得られ始める時間として判
定してなる請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】ゲート時間を、予め設定された最短時間
から順次長くして超音波を受信する請求項１記載の超音
波流量計。
【請求項４】ゲート時間を、予め設定された最長時間
から順次短くして超音波を受信する請求項１記載の超音
波流量計。
【請求項５】予め設定された最短、最長時間は、一対
の超音波変換器間の距離、流体中を伝搬する超音波の伝
搬速度、流体の種類と温度および計測系での時間遅れな
どから決定する請求項３又は４記載の超音波流量計。
【請求項６】下流側の超音波変換器を送信側、上流側
の超音波変換器を受信側とする場合、前記ゲート時間
を、予め設定された共通の設定時間から順次長くして超
音波を受信する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項７】上流側の超音波変換器を送信側、下流側
の超音波変換器を受信側とする場合、ゲート時間を、予
め設定された共通の設定時間から順次短くして超音波を
受信する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項８】共通の設定時間は、前回の受信時間判定
結果から演算する請求項６又は７記載の超音波流量計。
【請求項９】流路内を流れる流体の温度を検出する温
度検出器を流路に設置し、この温度検出器で検出された
流体の温度から、超音波の伝搬時間を演算し、この演算
結果から共通の設定時間を設定してなる請求項６又は７
記載の超音波流量計。
【請求項１０】温度検出器をサーミスタで構成し、流
路内に設置してなる請求項９記載の超音波流量計。
【請求項１１】温度検出器を超音波変換器で構成して
なる請求項９記載の超音波流量計。
【請求項１２】超音波変換器を流路内の流体の流れな
い部分に設置してなる請求項１０記載の超音波流量計。
【請求項１３】超音波変換器を流体の流れる方向と垂
直に設置してなる請求項１０記載の超音波流量計。
【請求項１４】一対の超音波変換器を流体が流れる流
路の上流側と下流側とに対向して配置し、一対の超音波
変換器間を往復する超音波伝搬時間を用いて流体の温度
を検出するとともに、一方の超音波変換器を駆動し、他
方の超音波変換器へ向けて超音波を送信するとともに、
他方の超音波変換器を検出した流体の温度から共通のゲ
ート時間を設定して超音波の受信時間を判定し、この判
定した受信時間から流量を演算してなる超音波流量計。