JP2002296085A - 超音波流量計 - Google Patents

超音波流量計

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JP2002296085A
JP2002296085A JP2001103757A JP2001103757A JP2002296085A JP 2002296085 A JP2002296085 A JP 2002296085A JP 2001103757 A JP2001103757 A JP 2001103757A JP 2001103757 A JP2001103757 A JP 2001103757A JP 2002296085 A JP2002296085 A JP 2002296085A
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保 小林
Kunikazu Shigeta
邦和 重田
Toru Fujii
徹 藤井
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】増幅器のゲインを流体中に含まれる気泡等の夾
雑物の量に拘わらずに適切に制御することができ、流体
の種類や液温の変動に対しても高いＳ／Ｎ比で流量計測
を行うことが可能であり、常に正確な流量測定を安定的
に行うことができる超音波流量計を提供する。 【解決手段】受信信号中の少なくともピーク値を含む波
形データを、アナログ・デジタルコンバータ９によりデ
ジタル変換してメモリ１１に保存するとともに、プロセ
ッサ１０は、所定の時間間隔毎に、メモリに保持されて
いるピーク値の中から流体中に気泡や固形粉末等の夾雑
物が含まれないときのピーク値を選別ピーク値として選
び、この選別ピーク値と、プロセッサに予め設定された
ピーク設定値とを比較し、比較結果に基づいて増幅器５
のゲイン制御端子へ制御信号を送り、増幅器の出力信号
中におけるピーク値がピーク設定値と同程度となるよう
に制御されるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は受信信号の増幅器に
おけるゲイン制御方式を改良した超音波流量計に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図４により従来の超音波流量計の動作要
領とそのゲイン制御方式を示し、以下その概要を説明す
る。
【０００３】同図において符号１は直管１ａの両端に垂
直な流体入口１ｂと同出口１ｃを有する流路用管体、２
ａおよび２ｂは直管１ａの両端に設けた１対の超音波振
動子を示す。３は切替器であり、励振パルス源４と受信
信号の増幅器５とを前記振動子２ａまたは２ｂへ交互に
切り替えて接続するが、その切替信号についてはここで
は触れない。
【０００４】増幅器５は入力端子５ａ、出力端子５ｂの
他に、その増幅ゲインを制御するためのゲイン制御端子
５ｃを備える。６は従来のデータ処理装置であり、増幅
器５から出力される受信信号を演算処理して流量出力を
得るための流量測定部６ａを有する。流量測定方式とし
ては伝播時間差方式や位相差方式が知られているが、こ
こでは特に触れない。７はピーク検出回路であり、受信
信号の大きさを表す量としてそのピーク値を検出するた
めのピーク整流ダイオード７ａ、平滑コンデンサ７ｂ等
を備えている。
【０００５】ピーク検出回路７の出力はデータ処理装置
６のゲイン制御部６ｂに送られ、同制御部６ｂに予め設
定されているピーク設定値と比較されて受信波形の大き
さが一定になるように増幅器５のゲイン制御端子５ｃへ
の電圧が制御される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら超音波流
量計における従来のゲイン制御方式には次のような技術
的問題が生じる。測定流体中に夾雑物たる気泡が含まれ
ている場合には、気泡によって超音波信号が減衰し、し
たがって受信信号の大きさも図５に示すように変動す
る。なお、同図において実線は気泡がない場合の受信波
形、破線は気泡による減衰を受けた受信波形である。ま
た、受信波形におけるピーク値Ｐは図６に示すように経
時的に気泡の量に応じて減少あるいは消失する。
【０００７】ところが従来のゲイン制御方式では、気泡
の混入によってピーク値が変動するので、いわゆるハン
チング現象によって増幅器５へのゲイン制御信号も変動
し、過大なゲインによって波形が飽和して不安定な受信
波形になりやすい。
【０００８】また、上述のような波形の飽和を避けるた
めにゲインを一定の値に固定すると、流体の種類や温度
によっては受信信号が小さく、Ｓ／Ｎ比が低い状態のま
まで測定しなければならない場合が生じる。
【０００９】従来の超音波流量計において、受信信号の
大きさに依存せずに受信信号から流量を求めることがで
きる計測方式として、一般にゼロクロス式や相関式ある
いは位相差式が知られており、流体中に気泡が含まれて
受信信号の大きさが変動する場合にはこれらの方式を利
用するのが有利であるが、これらの方式を適用したとし
ても、受信波形が不安定では良好な測定、すなわち安定
した正確な流量測定が困難になる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明に係る第１の超音波流量計は、流路用管
体の流体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体
の外側にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、こ
れら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り替え
る切替器と、流体内を伝播する超音波により受信側の超
音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器と、増幅
された受信信号を処理して流量信号を出力するデータ処
理装置を備え、前記増幅器は増幅ゲインの制御端子を有
し、この制御端子に入力される制御信号に基づいて前記
増幅ゲインの調整が行われ、前記データ処理装置はアナ
ログ・デジタルコンバータ、プロセッサおよびメモリを
備え、複数回の送、受信に伴う各受信信号中の少なくと
もピーク値を含むアナログデータよりなる波形データ
を、前記アナログ・デジタルコンバータによりデジタル
変換して前記メモリに保存するとともに、前記プロセッ
サは、所定の時間間隔毎に、メモリに保持されているピ
ーク値の中から流体中に気泡や固形粉末等の夾雑物が含
まれないときのピーク値を選別ピーク値として選び、こ
の選別ピーク値と、プロセッサに予め設定されたピーク
設定値とを比較し、比較結果に基づいて前記増幅器のゲ
イン制御端子へ制御信号を送り、増幅器の出力信号中に
おけるピーク値がピーク設定値と同程度となるように制
御されるように構成したものとしてある。
【００１１】また実施様態の第１は、前記選別ピーク値
を、前記所定の時間間隔内における多数のピーク値中の
最大値のものとしてある。
【００１２】実施様態の第２は、前記選別ピーク値を、
前記所定の時間間隔内における多数のピーク値中の最大
値のものであり、かつその波形データが受信波形条件を
満たす値をとるものとしてある。
【００１３】本発明に係る第２の超音波流量計は、流路
用管体の流体の流れ方向上流側と下流側における流路用
管体の外側にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子
と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切
り替える切替器と、流体内を伝播する超音波により受信
側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器
と、増幅された受信信号を処理して流量信号を出力する
データ処理装置を備え、前記増幅器は増幅ゲインの制御
端子を有し、この制御端子に入力される制御信号に基づ
いて前記増幅ゲインの調整が行われ、前記データ処理装
置はアナログ・デジタルコンバータ、プロセッサおよび
メモリを備え、複数回の送、受信に伴う各受信信号中の
少なくともピーク値を含むアナログデータよりなる波形
データを、前記アナログ・デジタルコンバータによりデ
ジタル変換して前記メモリにて保持するとともに、前記
プロセッサは、所定の時間間隔毎のピーク値を、その前
の時間間隔におけるピーク値と比較してピーク値の変化
量を算出し、この変化量が予めプロセッサに設定された
しきい値を超えない場合には、現在の時間間隔内におけ
るピーク値と予め設定されたピーク設定値とを比較し、
比較結果に基づいて前記増幅器のゲイン制御端子へ制御
信号を送り、増幅器の出力信号中におけるピーク値がピ
ーク設定値と同程度となるように制御され、前記ピーク
値の変化量が前記しきい値を超える場合には、増幅器の
ゲイン制御動作が中止されるように構成したものとして
ある。
【００１４】実施様態の第３は、前記プロセッサを、増
幅器のゲイン制御動作の際にゲインの増加速度と減少速
度とを異ならしめる構成のものとしてある。
【００１５】
【実施例】以下、図１に示す具体例に基づいて本発明に
係る第１の超音波流量計の構成およびそのゲイン制御方
式の詳細について説明する。なお、同図において符号１
〜５は図４に示した従来のものと同じ構成であるので、
説明は省略する。
【００１６】本発明におけるデータ処理装置８は、例え
ば数１０ＭＳ/ｓ程度のサンプリングレートと、１０〜
１２ビット程度の分解能を有するアナログ・デジタルコ
ンバータ（以下、ＡＤＣと称す）９と、クロック周波数
が数１０ＭＨｚのプロセッサ（以下、ＣＰＵと称す）１
０と、メモリ１１等を備え、増幅器５によって増幅され
た受信信号をこのデータ処理装置８により演算処理して
流量信号を出力し、また、被測定流体中における気泡や
固形粉末等の夾雑物の有無に拘わらず、データ処理装置
８により、前記増幅器５のゲインを適切に制御できるよ
うにしてある。
【００１７】まず、受信側の振動子２ａまたは２ｂから
切替器３および増幅器５を経てデータ処理装置８へ送ら
れた受信信号（アナログ波形信号）は、ＡＤＣ９によっ
てサンプリングされ、電圧値−時刻対のデジタルデータ
に変換されてメモリ内に格納される。
【００１８】前記ＣＰＵ１０はこのデジタルデータをゼ
ロクロス式、相関式あるいは位相差式等の方式により演
算処理して流量信号を出力するが、ここでは演算処理の
詳細については触れない。
【００１９】また、ＣＰＵ１０は上記演算処理と並行し
て、所定の時間間隔毎に少なくともひとつのピーク値Ｐ
を含む波形データをメモリ１１から取り出し、このピー
ク値の中から流体中に気泡が含まれない場合のピーク値
を、後述する第１実施態様あるいは第２実施態様の手段
により選別ピーク値として選び、この選別ピーク値とＣ
ＰＵ１０内に予め設定されているピーク設定値とを比較
し、比較結果の正負に応じて増幅器５のゲイン制御端子
５ｃにゲイン制御信号を送って増幅器をアナログ的ある
いはデジタル的に操作し、増幅ゲインを修正、操作す
る。数値例を示せば、１回あたりのゲイン増幅量は１〜
２ｄＢ程度とする。
【００２０】ここで上述したゲイン制御と通常の閉ルー
プ制御との差異を説明すれば、一般に閉ループ制御では
被制御量の現在値を測定し、設定値との差を減少させる
よう操作するが、超音波流量計のゲイン制御の場合では
被制御量の現在値は気泡による減衰を受けている可能性
があり、上述したピーク値の選別が必要となる点が異な
る。
【００２１】本実施例の制御では、次の時間間隔に達す
るまでは開ループ状態が維持されるが、ゼロクロス式、
相関式あるいは位相差式の超音波流量計では受信信号の
大きさに依存せずに流量計測が可能であるから、増幅器
５から出力される受信信号中のピーク値がピーク設定値
と正確に合致していなくても大きな問題はない。
【００２２】また、本実施例の制御では長期的には閉ル
ープ制御が達成されるので、流体中に気泡が含まれない
ときの受信信号のピーク値は流体の種類や温度が変わっ
ても次第に設定値に到達することになる。
【００２３】なお、本実施例において前記ピーク設定値
の上下に不感帯を設け、選別ピーク値がこの不感帯の範
囲内にある場合はゲイン修正を行わないようにしてもよ
い。また、前記時間間隔はその中に少なくとも１個の気
泡の影響を受けないピーク値を含むように決める必要が
ある。
【００２４】さらに、前記時間間隔の生成は一般的には
タイマにより周期的に行えばよいが、運転者の要求によ
るいわゆるオンデマンド式にすることもでき、この場合
には運転者による押しボタンの動作をＣＰＵ１０に認識
せしめて、このボタン操作後に上述のゲイン制御動作を
所定回数繰り返した後に制御を終了するよう構成する。
【００２５】
【実施様態１】実施様態１は測定環境が良好なときに適
用可能な、最も実施しやすい方法であり、上記の流体中
に気泡が含まれないときのピーク値として、上記所定時
間間隔内の各ピーク値中の最大値をとるものである。
【００２６】すなわちＣＰＵは所定の時間間隔内の各ピ
ーク値Ｐを順次比較し、より大きい値を選んでその最大
値を選別ピーク値としてメモリし、この選別ピーク値と
ピーク設定値とを比較する。以降の動作はすでに述べた
通りである。
【００２７】通常、切替器３の切替え動作によってもピ
ーク値Ｐは殆ど変化せず、また流体中に含まれる気泡の
量が少ない場合には減衰を受ける機会が少ないので、上
記最大値としてはよく揃った多くのデータが得られる。
その中から適当な選別精度でいずれかを選別ピーク値と
してゲイン制御をすれば安定かつ正確な測定を行うこと
ができる。
【００２８】
【実施様態２】実施様態２は外来電気ノイズが多い測定
環境に適用して有効な方法であり、前記選別ピーク値と
して、所定の時間間隔内における複数のピーク値中の最
大値であり、かつその波形データが受信波形条件を満た
す値をとる。
【００２９】ところで、一般的に外来電気ノイズは図２
に示すようにインパルス状の波形を有するので、ＡＤＣ
のサンプリング時刻と同期する確率は低く、仮に図示の
ようにちょうど重なった場合を想定しても、その前後時
刻の波形データを調べると受信波形条件を満たさないこ
とが容易に判定できる。
【００３０】すなわち受信波形におけるピークＡの前後
時刻の電圧値Ｂ、Ｃはこのピーク電圧値に近いのに反
し、ノイズの前後時刻の電圧値Ｂ’，Ｃ’はノイズピー
ク値Ａ’に比べ大きな差がある。
【００３１】したがって、このようなノイズデータは受
信波形条件を適切に定めることによって容易に排除する
ことができ、本発明によるゲイン制御方式に悪影響は及
ぼすことはない。
【００３２】次に本発明に係る超音波流量計の第２のゲ
イン制御方式について説明する。この第２のゲイン制御
方式においても、超音波流量計の構成自体は図１に示し
た第１のゲイン制御方式による超音波流量計と同様であ
り、説明は省略する。
【００３３】第２のゲイン制御方式においては、ＣＰＵ
１０は所定の時間間隔毎のピーク値と前回の時間間隔に
おけるピーク値との変化量を算出し、この変化量があら
かじめＣＰＵに設定した或るしきい値を超えない場合に
は流体内に気泡がないものと判断してこの時点のピーク
値と予めＣＰＵに設定されたピーク設定値とを比較し、
比較結果に応じて上記増幅器５のゲインを制御する。
【００３４】より詳しくは、前記変化量がしきい値を超
える場合には流体内に気泡があるものとして増幅器のゲ
イン制御動作を中止し、その結果増幅器のゲインは変更
されず、気泡による誤制御は起こらず、次回の時間間隔
において気泡が無ければ正常なゲイン制御動作が行われ
る。したがって液温や液種がゆるやかに変化する場合に
は誤制御を起こすことなく十分対応することができる。
【００３５】
【実施様態３】実施様態３は本発明に係る超音波流量計
の第１および第２のゲイン制御方式において、増幅器５
の増幅ゲイン制御の実例を示し、上記増幅器のゲインを
制御する際に、ゲインの増加速度と減少速度とを異なら
しめるものである。
【００３６】一般に受信信号の大きさに依存しない流量
測定方式においては波形情報を利用するので、受信波形
の著しい変化、例えば波形飽和は精度確保の上から好ま
しくない。したがって液温の低下により検出器出力が低
下して増幅器５のゲインを増加させる必要が生じた場合
には、ゲインの増加速度を遅くして飽和領域に近づかな
いようにし、飽和領域に入った場合にはゲインを急速に
減少させる。
【００３７】例えばゲインを増加する際には、所定の時
間間隔１回あたり１〜２ｄＢ程度増加せしめ、減少させ
る時は増加の際よりも大なる数ｄＢ低下させる。別の方
法として、増加時の制御時間間隔を減少時の制御時間間
隔の数倍にすることも有効である。
【００３８】
【実施様態４】上述したゲイン制御方式を適用する本発
明の超音波流量計における検出部の構成としては、図１
に示すように流路用管体１の直管１ａの両端に超音波振
動子２ａ、２ｂを設ける構成のほかに、例えば図３に示
すように超音波振動子１２ａ、１２ｂを直管よりなる流
路用管体１３の外周に設けるいわゆるクランプオン形と
する場合もあり、検出部を図１のように構成すると同様
に適用できて良好な結果が得られる。
【００３９】なお、図３においては超音波振動子１２
ａ、１２ｂを流路用管体の同じ側（図３では上側）に設
けてあるが、流路用管体に対して対向する側に設ける場
合もある。
【００４０】
【発明の効果】本発明に係る超音波流量計のゲイン制御
方式によれば、増幅器のゲインを流体中に含まれる気泡
等の夾雑物の量に拘わらずに適切に制御することがで
き、流体の種類や液温の変動に対しても高いＳ／Ｎ比で
流量計測を行うことが可能であり、したがって本発明の
超音波流量計は常に正確な流量測定を安定的に行うこと
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波流量計のゲイン制御方式の
構成図。
【図２】本発明の実施様態２を説明するためのノイズを
含む受信波形図。
【図３】本発明を適用する検出部の他の様態を示す一部
破断正面図。
【図４】従来の超音波流量計のゲイン制御方式の構成
図。
【図５】従来の超音波流量計におけるゲイン制御方式に
おける受信波形を示す図。
【図６】従来の超音波流量計におけるゲイン制御方式に
おけるピーク値を示す図。
【符号の説明】
１ 流路用管体 ２ａ、２ｂ 超音波振動子 ３ 切替器 ４ 励振電圧源 ５ 増幅器 ６ 従来のデータ処理装置 ７ ピーク検出回路 ８ 本発明におけるデータ処理装置 ９ アナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ） １０ プロセッサ（ＣＰＵ） １１ メモリ １２ａ、１２ｂ 超音波振動子 １３ 流路用管体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 重田 邦和 東京都八王子市打越町983−55 有限会社 テクノデータ内 (72)発明者 藤井 徹 東京都杉並区成田東２−17−５ Ｆターム(参考） 2F035 DA22 DA24

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】(a) 流路用管体の流体の流れ方向上流側と
    下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
    １対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
    信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
    る超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号
    を増幅する増幅器と、増幅された受信信号を処理して流
    量信号を出力するデータ処理装置を備え、(b) 前記増幅
    器は増幅ゲインの制御端子を有し、この制御端子に入力
    される制御信号に基づいて前記増幅ゲインの調整が行わ
    れ、(c) 前記データ処理装置はアナログ・デジタルコン
    バータ、プロセッサおよびメモリを備え、複数回の送、
    受信に伴う各受信信号中の少なくともピーク値を含むア
    ナログデータよりなる波形データを、前記アナログ・デ
    ジタルコンバータによりデジタル変換して前記メモリに
    保存するとともに、(d) 前記プロセッサは、所定の時間
    間隔毎に、メモリに保持されているピーク値の中から流
    体中に気泡や固形粉末等の夾雑物が含まれないときのピ
    ーク値を選別ピーク値として選び、この選別ピーク値
    と、プロセッサに予め設定されたピーク設定値とを比較
    し、比較結果に基づいて前記増幅器のゲイン制御端子へ
    制御信号を送り、増幅器の出力信号中におけるピーク値
    がピーク設定値と同程度となるように制御されるように
    構成してなる超音波流量計。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の選別ピーク値が、前記所
    定の時間間隔内における多数のピーク値中の最大値のも
    のである超音波流量計。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の選別ピーク値が、前記所
    定の時間間隔内における多数のピーク値中の最大値のも
    のであり、かつその波形データが受信波形条件を満たす
    値をとるものである超音波流量計。
  4. 【請求項４】(a) 流路用管体の流体の流れ方向上流側と
    下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
    １対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
    信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
    る超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号
    を増幅する増幅器と、増幅された受信信号を処理して流
    量信号を出力するデータ処理装置を備え、(b) 前記増幅
    器は増幅ゲインの制御端子を有し、この制御端子に入力
    される制御信号に基づいて前記増幅ゲインの調整が行わ
    れ、(c) 前記データ処理装置はアナログ・デジタルコン
    バータ、プロセッサおよびメモリを備え、複数回の送、
    受信に伴う各受信信号中の少なくともピーク値を含むア
    ナログデータよりなる波形データを、前記アナログ・デ
    ジタルコンバータによりデジタル変換して前記メモリに
    て保持するとともに、(d) 前記プロセッサは、所定の時
    間間隔毎のピーク値を、その前の時間間隔におけるピー
    ク値と比較してピーク値の変化量を算出し、この変化量
    が予めプロセッサに設定されたしきい値を超えない場合
    には、現在の時間間隔内におけるピーク値と予め設定さ
    れたピーク設定値とを比較し、比較結果に基づいて前記
    増幅器のゲイン制御端子へ制御信号を送り、増幅器の出
    力信号中におけるピーク値がピーク設定値と同程度とな
    るように制御され、前記ピーク値の変化量が前記しきい
    値を超える場合には、増幅器のゲイン制御動作が中止さ
    れるように構成してなる超音波流量計。
  5. 【請求項５】請求項１および４に記載のプロセッサが、
    増幅器のゲイン制御動作の際にゲインの増加速度と減少
    速度とを異ならしめることを特徴とする超音波流量計。
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