JP2002318145A

JP2002318145A - 流量計

Info

Publication number: JP2002318145A
Application number: JP2001122423A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Ochi; 謙三黄地; Yasuhiro Umekage; 康裕梅景; Osamu Eguchi; 修江口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP4792653B2

Abstract

(57)【要約】【課題】精度のよい流量計を提供すること。【解決手段】上流側、下流側に配置する一対の超音波
変換器２３、２４間を超音波が往復する時間を計測する
ようにしている。これによって一対の超音波変換器間に
発生するオフセット値を随時補正して、流体の流速を正
確に計測でき、高精度な流量計を実現することができ
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、図５に示
すような流量計１がある。図５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を流体を介し、対向して設置し、一対の超音波
変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間の時間差か
ら流体の流速を計測し、流量を演算し、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６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、
雑音信号でコンパレータが誤動作しないように、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１
１（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ー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の計測される超音波伝搬時間Ｔｐ（＝Ｔｓ＋Ｔ
ｉ）には、超音波が受信側の超音波変換器の表面に到達
した後、検知されるまでの時間（Ｔｉ）が含まれている
ため、一対の超音波変換器３、４の特性差により誤差が
発生することがあった。即ち、超音波変換器の温度特性
や経時変化などにより、例えば、受信周波数が変化した
り、あるいは、受信感度が変化したし、検知される間で
の時間（Ｔｉ）が一対の超音波変換器間で異なることが
あった。この差異が、超音波流量計の誤差となり、流量
値が不正確となるという課題を有していた。

【０００５】即ち、上流側の超音波変換器から下流側の
超音波変換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ
（ｕｄ）、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変
換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ（ｄｕ）、
流体中を伝搬する超音波の伝搬速度をＶｓ、流体の流速
をＶｆ、上流側と下流側の超音波変換器間の距離をＬｄ
とすると、以下のようになる。

【０００６】Ｔｐ（ｕｄ）＝Ｔｓ（ｕｄ）＋Ｔｉ
（ｄ）、＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×cos（θ）］＋Ｔｉ
（ｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）＝Ｔｓ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｕ）＝Ｌ
ｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×cos（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）となる。

【０００７】ここで、Ｔｉ（ｄ）は超音波が伝搬してき
て下流側の超音波変換器の表面に到着後検知されるまで
の時間を、Ｔｉ（ｕ）は超音波が伝搬してきて上流側の
超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間を、
それぞれ示す。なお、Ｔｓ（ｕｄ）およびＴｓ（ｄｕ）
は、それぞれ上流側の超音波変換器から計測した超音波
が一対の超音波変換器間を往復するの真の伝搬時間、お
よび下流側の超音波変換器から計測した超音波が一対の
超音波変換器間を往復するの真の伝搬時間を示す。

【０００８】これらより、Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）＝
Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×cos（θ）］であるから、Ｖｓ＋
Ｖｆ×cos（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ
（ｄ）］、また、Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／
［Ｖｓ−Ｖｆ×cos（θ）］であるから、Ｖｓ−Ｖｆ×c
os（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］とな
り、両辺を引き算すると、流体中の超音波伝搬速度Ｖｓ
はキャンセルされ、２×Ｖｆ×cos（θ）＝｛Ｌｄ／
［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］｝−｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄ
ｕ）−＊Ｔｉ（ｕ）］｝。

【０００９】よって、（右辺の分子）＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ
（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］−［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ
（ｄ）］｝＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］
＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］｝（右辺の分母）＝［Ｔ
ｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ
（ｕ）］となる。

【００１０】通常の場合、Ｔｐ（ｕｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）
＞＞Ｔｉ（ｄ）、Ｔｉ（ｕ）、Ｔｐ（ｕｄ）≒Ｔｐ（ｄ
ｕ）であるので、（右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔ
ｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］＝Ｔｐ（ｕ
ｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）×［Ｔｉ（ｄ）＋Ｔ
ｉ（ｄ）］＋Ｔｉ（ｄ）×Ｔｉ（ｕ）≒Ｔｐ（ｕｄ）×
Ｔｐ（ｄｕ）とすることができ、Ｖｆ＝Ｌｄｘ｛［Ｔｐ
（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ
（ｕ）］｝／［２ｘcos（θ）ｘＴｐ（ｕｄ）ｘＴｐ
（ｄｕ）］となる。

【００１１】ここで、Ｖｍｅａｓ＝Ｌｄｘ［Ｔｐ（ｄ
ｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］／［２ｘcos（θ）ｘＴｐ（ｕ
ｄ）ｘＴｐ（ｄｕ）］、Ｖｅｒｒ＝Ｌｄｘ［Ｔｉ（ｄ）
−Ｔｉ（ｕ）］／［２ｘcos（θ）ｘＴｐ（ｕｄ）ｘＴ
ｐ（ｄｕ）］とすると、Ｖｆ＝Ｖｍｅａｓ＋Ｖｅｒｒと
なり、Ｖｍｅａｓが真の流速値、Ｖｅｒｒが流速計測の
誤差項となる。

【００１２】よって、流量は、流速Ｖｆに流路２２の断
面積Ｓｒを乗じ、以下のようになる。

【００１３】Ｑｍｅａｓ＝Ｖｍｅａｓ×ＳｒＱｅｒｒ＝Ｖｅｒｒ×Ｓｒとなる。

【００１４】真の流量値Ｑｍｅａｓおよび誤差項Ｑｅｒ
ｒが得られることになる。

【００１５】なお、この流速の誤差項Ｖｅｒｒあるいは
流量の誤差項Ｑｅｒｒは、流速が小さい時ほど、その真
の流速値Ｖｍｅａｓに対する影響度は大きくなる。即
ち、流体の流速が遅い時は、［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕ
ｄ）］の値が、非常に小さくなるためである。

【００１６】このように、計測される超音波の伝搬時間
Ｔｐ（ｕｄ）、あるいはＴｐ（ｄｕ）は、それぞれ真の
超音波伝搬時間Ｔｓと検知されるまでの時間Ｔｉとを含
んでいるので、上流側の超音波変換器および下流側の超
音波変換器での検知されるまでの時間Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ
（ｄ）に差異が発生すると、流速の計測に誤差を含むこ
とになり、流量計測精度が悪くなることになる。即ち、
流速計測における誤差分、Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）、が
含まれる。なお、この流速の誤差項、Ｖｅｒｒ（＝Ｔｉ
（ｄ）−Ｔｉ（ｕ））、あるいは、流量の誤差項Ｑｅｒ
ｒ（＝Ｖｅｒｒ×Ｓｒ）は通常オフセット値と言われる
ことが多い。

【００１７】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、温度変化あるいは経時変化などにより、一対の超音
波変換器間で、検知される時間（Ｔｉ）に差異が発生し
ても、即ち、オフセット値が発生しても、あるいは変化
しても、それを補正し、正確な流量値を計測する超音波
流量計を提供することを目的としている。

【００１８】

【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、本発明の超音波流量計は、一対の超音波変換
器を流体の流れる流路の上流側と下流側とに、流体を介
し、対向して配置し、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量を計測するとともに、
一対の超音波変換器間を往復する超音波の伝搬時間から
オフセット値を検定する自己診断機能を有する構成とし
た。

【００１９】この構成により、本発明の超音波流量計
は、温度変化や経時変化などにより一対の超音波変換器
間で、受信周波数が変化したり、あるいは、受信感度が
変化したして、検知される間での時間（Ｔｉ）が異なっ
ても、即ち、オフセット値が発生したり、変動しても、
それを補正し、正確な流量値を計測することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、超音波流
量計を構成する一対の超音波変換器間を往復する超音波
の伝搬時間を計測することにより、一対の超音波変換器
間のオフセット値を計測し、補正することができるの
で、誤差のない正確な流量値を計測することができる。

【００２１】請求項２記載の発明は、特に請求項１記載
の伝搬時間をシングアラウンド計測するので、より高精
度に補正することができる。

【００２２】請求項３記載の発明は、特に請求項１記載
のオフセット値を流量の少ない時に実施するので、誤差
が入る余地がすくなく安定した結果だ得られる。

【００２３】請求項４記載の発明は、特に請求項１記載
のオフセット値を定期的に実施するので、長期間にわっ
て安定した流量計となる。また、定期的に実施するの
で、省電力ともなる。また、点検時などにも随時実施す
ることもできるので、オフセット値を即座に確認するこ
ともできる。

【００２４】請求項５記載の発明は、特に請求項１記載
のオフセット値の検定結果を記憶することができるの
で、将来検定結果に問題が発生した時などに、簡単に点
検することができる。

【００２５】請求項６記載の発明は、特に請求項１記載
のオフセット値の検定前後に、流量量値が大きく変化し
た場合に、オフセット異常を報知することができるの
で、即座に点検などの対応を実施することができる。

【００２６】請求項７記載の発明は、特に請求項１記載
の流体中を伝搬する超音波の伝搬速度を、一対の超音波
変換器間を往復する伝搬時間から求めるので、流体が流
れていても正確に計測することができるので、その流体
の温度を正確に検知することができる。従って、流体が
流れていても超音波伝搬時間を計測するマスク時間を設
定することができる。

【００２７】請求項８記載の発明は、特に請求項１記載
の流体中を伝搬する超音波の伝搬速度を、一対の超音波
変換器間を往復する伝搬時間から求めるので、流体が流
れていても正確に計測することができるので、その流体
の温度を正確に検知することができる。従って、流体の
温度表示や、あるいは、流量値の温度換算なども実現す
ることができる。

【００２８】請求項９記載の発明は、特に請求項１記載
の流体中を伝搬する超音波を受信するので、即ち、同一
の超音波変換器で送信、受信するので、超音波変換器の
特性、特に受信感度を検定することができる。

【００２９】

【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。

【００３０】（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。

【００３１】この構成において、上流側の超音波変換器
から下流側の超音波変換器の表面で反射し、上流側の超
音波変換器で検知される超音波の伝搬時間Ｔｗ（ｕｄ）
は、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆｘcos（θ）］＋Ｌ
ｄ／［Ｖｓ−Ｖｆｘcos（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ
ｘ２ｘＶｓ）／［Ｖｓ＾２−（Ｖｆｘcos（θ））＾
２］＋Ｔｉ（ｕ）ここで、通常の場合、Ｖｓ＾２＞＞（Ｖｆｘcos
（θ））＾２である。

【００３２】例えば、流体が空気の場合には、超音波の
伝搬速度Ｖｓは約３４０［m/sec］、流路を流れる流体
の流速は、概ね、約１［mm/sec］〜１０［m/sec］であ
る。

【００３３】従って、微少項を省略することができ、Ｔ
ｗ（ｕｄ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／Ｖｓ＾２＋Ｔｉ
（ｕ）＝（２×Ｌｄ）／Ｖｓ＋Ｔｉ（ｕ）＝２×Ｔｓ＋
Ｔｉ（ｕ）となる。

【００３４】同様にして、下流側の超音波変換器から上
流側の超音波変換器の表面で反射し、下流側の超音波変
換器で検知される超音波の伝搬時間Ｔｗ（ｄｕ）は、Ｔ
ｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。

【００３５】これより、上流側から計測した超音波の往
復時間および下流側から計測した超音波の往復時間に
は、流体の流速に依存しない値となることがわかる。即
ち、流体の流速が大きくても、小さくても、流体中を伝
搬する超音波の伝搬速度で決まる一定値となる。

【００３６】また、往復時間の差を演算すると、Ｔｗ
（ｕｄ）−Ｔｗ（ｄｕ）＝Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）とな
り、流速計測における誤差項（オフセット値）が、超音
波が超音波変換器間を往復する時間を計測することによ
り、得られたことになる。

【００３７】従って、この誤差項（オフセット値）を予
め計測することにより、流速計測において発生する誤差
項（オフセット値）を補正することができ、誤差項（オ
フセット値）のない流速計測ができる。このため、高精
度な流量計を実現することができる。

【００３８】図２に、本発明の実施例において用いた一
方の超音波変換器で送信し、かつ、同一の超音波変換器
で受信する回路ブロック図を示す。２７は超音波変換器
を駆動する駆動部で、バースト信号を発生する。２８、
２９はダイオードブロックを、３０は超音波変換器を示
す。３１は負荷抵抗を、３２は信号抵抗を示し、それぞ
れ２および１［kohm］とした。３３は受信信号を増幅す
る増幅器を示す。この構成において、駆動部２７からの
数Ｖ〜数十Ｖのバースト駆動信号が、ダイオードブロッ
ク２８を介して、超音波変換器３０と負荷抵抗３１とに
印加される。超音波変換器の共振周波数近傍では、超音
波変換器のインピーダンスは負荷抵抗３１に比べ充分低
いので、駆動信号はすべて超音波変換器に印加されると
考えることができ、超音波変換器からバースト状の超音
波が放出される。

【００３９】また、駆動部２７からの信号は、信号抵抗
３２を介して、ダイオードブロック２９と増幅器３３に
も印加される。この場合、大電圧の駆動信号は、ダイオ
ードブロック２９を介して接地ラインに接続されている
ので、増幅器にはダイオードで決まる閾値、約０．９Ｖ
程度の信号しか入力されないので、増幅器３３が破壊さ
れることはない。超音波変換器３０から流体中に放出さ
れた超音波は、流体を介して対向設置されている超音波
変換器の表面で反射して戻ってくる。戻って来た超音波
は、同一の超音波変換器３０で受信される。受信された
超音波は、超音波変換器３０に電荷を発生させる。この
発生した電荷は、負荷抵抗３１の両端に受信電圧を発生
させる。この受信電圧は充分小さく、通常は１００［m
Ｖ］程度以下である場合が多い。ダイオードブロック２
８を介して駆動部と、信号抵抗３１を介して増幅器３３
とに伝達される。充分小さい受信電圧は、ダイオードブ
ロック２９で接地されても、その受信電圧は、ダイオー
ドで決まる閾値以下であるため減衰することなく増幅器
３３に伝達される。

【００４０】また、駆動部２７から超音波変換器へ供給
された駆動信号は、超音波が超音波変換器間約１００
［mm］を往復する間に、充分減衰するので、受信信号に
対する雑音とはならない。例えば、流体が空気である場
合、超音波が往復する時間は約５９０［μsec］程度と
なり、駆動信号が減衰するのに充分な時間となる。

【００４１】このように、超音波変換器間を往復する超
音波の伝搬時間を計測することにより、流量計測におけ
る誤差項（オフセット値）を計測することができる。従
って、この誤差項（オフセット値）を補正することがで
きるので、誤差分のない精確な流量計を実現することが
できる。

【００４２】（実施例２）次に、シングアラウンド法に
よる往復時間の高精度な計測方法を説明する。

【００４３】一般に、シングアラウンド法は、送信側の
超音波変換器から超音波を送信し、送信された超音波が
受信側の超音波変換器で受信され、その信号を送信側の
超音波変換器に伝達し、予め決められた回数だけ送信、
受信を繰り返し、時間分解能を上げて、高精度に超音波
の伝搬時間を計測しようとすることである。

【００４４】ここでは遅延時間Ｔｄｅｌａｙを用いた、
シングアラウンド法を説明する。

【００４５】シングアラウンド回数をＮｓｉｇ、遅延時
間をＴｄｅｌａｙとすると、上流側の超音波変換器から
下流側の超音波変換器へ計測する場合の往復時間Ｔｗ
（Ｎ，ｕｄ）は、Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）＝Ｎ×［Ｔｗ（ｕ
ｄ）＋Ｔｉ（ｕ）］＋Ｎ×Ｔｄｅｌａｙ、また、下流側
の超音波変換器から上流側の超音波変換器へ計測する場
合の往復時間Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）は、Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）＝
Ｎ×［Ｔｗ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｄ）］＋Ｎ×Ｔｄｅｌａｙ
となる。なお、遅延時間は、受信信号が多数回往復す
る、例えば、２往復あるいは３往復する超音波と重なら
ないように、往復時間の０．７〜０．９の範囲内で設定
した。この設定により、雑音が非常に小さく、かつ、高
Ｓ／Ｎの受信信号が得られた。

【００４６】ここで、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｔｗ（ｄｕ）であ
るから、上式の両辺を引き算すると、Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）
−Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）＝Ｎ×Ｔｉ（ｕ）−Ｎ×Ｔｉ
（ｄ）、これより、Ｎ×［Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）］＝
Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）−Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）となり、誤差項
［Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）］を、Ｎ倍した値が得られた
ことになる。

【００４７】この意味するところは、シングアラウンド
法を採用することにより、Ｎ倍の分解能で誤差項を計測
できる、例えば、１００回のシングアラウンド（Ｎ＝１
００）の場合、１０［MHz］のクロックで、１０００［M
Hz］相当、即ち、１［ｎsec］相当の分解能で誤差項を
計測できることを意味している。このようにして、誤差
項（オフセット値）を高分解能、高精度に計測すること
ができ、高精度な流量計が実現できる。

【００４８】（実施例３）より高精度な流量計を実現す
るための実施例３を以下に説明する。実施例１におい
て、一対の超音波変換器間Ｌｄを超音波が往復する時間
Ｔｗ（ｕｄ）として、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖ
ｆｘcos（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆｘcos（θ）］＋
Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄｘ２ｘＶｓ）／［Ｖｓ＾２−（Ｖｆ
ｘcos（θ））＾２］＋Ｔｉ（ｕ）として与え、通常の
場合、Ｖｓ＾２＞＞（Ｖｆｘcos（θ））＾２であるか
ら、上記のように省略したが、より正確には以下のよう
になる。

【００４９】Ｔｗ（ｕｄ）＝（Ｌｄｘ２ｘＶｓ）／
｛［Ｖｓ＾２］×［１−（Ｖｆｘcos（θ）／Ｖｓ］）
＾２｝＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄｘ２）／｛Ｖｓｘ［１−
（Ｖｆｘcos（θ）／Ｖｓ］）＾２｝＋Ｔｉ（ｕ）≒
（Ｌｄｘ２／Ｖｓ）ｘ［１＋２ｘＶｆｘcos（θ）／Ｖ
ｓ］＋Ｔｉ（ｕ）同様にして、Ｔｗ（ｄｕ）≒（Ｌｄｘ２／Ｖｓ）ｘ［１
＋２ｘＶｆｘcos（θ）／Ｖｓ］＋Ｔｉ（ｄ）となる。

【００５０】従って、流体の流速Ｖｆが大きい場合、例
えば、空気の場合、超音波の伝搬速度Ｖｓは、約３４０
［m/sec］、θ＝４５［deg］、流体の流速Ｖｆを１０
［m/sec］とすると、誤差は約４［％］となる。また、
流体の流速Ｖｆが１［m/sec］であれば、誤差は約０．
４［％］となる。このように、流体の流速Ｖｆが、小さ
いほど、その誤差は小さくなる。従って、流速が有る程
度、例えば、１［m/sec］以下、即ち、流量値換算ほぼ
１０００［Ｌ/hr］程度以下で、オフセット値を計測す
るようにすると、誤差項をより正確に計測することがで
き、より高精度な流量計を実現することができる。

【００５１】（実施例４）より安定な流量計を実現する
ための実施例４を以下に説明する。温度変化や経時変化
などにより、流量計の誤差項（オフセット値）が変動す
る場合がある。このため、例えば、一日毎に、あるいは
一週間毎に、あるいは一ヶ月毎に、のように定期的にオ
フセット値を計測し、更新することにより、より安定し
た流量計を実現することができる。また、外部ＳＷなど
を設け流量計を移動させた時や、あるいは設置した場
合、あるいは周囲の環境大きく変化した時などにオフセ
ット値を計測し、更新するようにすれば、より安定し
た、環境変化に強い流量計を実現することができる。ま
た、外部から遠隔操作などにより、オフセット値を計測
し、更新するようにすれば、より安定した流量計を実現
することができる。これらの場合、計測される流量値を
監視し、計測される最低流量値の変動と連動して、オフ
セット値を計測・更新するようにしてもよい。即ち、最
低流量値が負と表示される場合などオフセット値を計測
・更新するようにするとよい。この構成により、数年〜
数十年の長期間にわたって安定した、信頼性の高い流量
計が実現できる。

【００５２】（実施例５）以下に、実施例５を説明す
る。実施例５は、オフセット値の異常を検出可能にする
とともに、流量値の異常をも補正可能とする流量計を実
現可能とすることができる。

【００５３】即ち、実施例５において、流量計にオフセ
ット記憶部を設け、オフセット値の更新時刻と更新前後
のオフセット値を記憶するようにした。この構成によ
り、例えば、出荷時のオフセット値からある一定の幅を
越えてオフセット値が更新された場合に、流量計異常で
あると判定することも可能となる。また、その場合に
は、例えば、通信回線などを用いて、流量計設置者に報
知することも可能となる。また、流量計の外部表面に異
常を報知する表示部を設け、そこに異常表示させること
も可能となる。また、例えば、積算流量値に異常が発生
した場合にも、流量計記憶部に記憶されているオフセッ
ト値から、過去の積算流量値を検算し、大まかな補正を
実施することも可能となる。このように、オフセット値
の更新時刻および更新値を記憶する構成により、オフセ
ット値の異常を検出可能にするとともに、積算流量値の
異常をも補正可能とする流量計を実現することができ
る。

【００５４】（実施例６）以下に、実施例６を説明す
る。実施例６による流量計においては、オフセット値の
一回当たりの更新値の増減にある一定の閾値を設けるよ
うにした。この増減値の閾値を予め、例えば、流量換算
値として、例えば約１［Ｌ/hr］に設定しておくと、こ
の値を越えた場合、流量計が異常であると判定すること
も可能となり、異常と判定すれば、通信回線などを用
い、通報することも可能となる。また、流量計表面に異
常を報知する表示部を設けるようにしてもよい。なお、
この増減値の閾値は、更新時間と連動するようにしても
よい。例えば、更新時間が一ヶ月であれば、その閾値は
約３［Ｌ/hr］程度に設定するようにしてもよい。この
構成により、オフセット値の更新毎に、流量計の異常判
定を実施することができる。常に、安定した信頼性の高
い流量計が実現できる。

【００５５】（実施例７）図３に、実施例７における流
量計の計測回路ブロック図を示す。この構成において、
トリガー回路３４は予め設定された間隔でスタート命令
を、駆動回路２７および時間回路３５に出力する。スタ
ート命令を受けた駆動回路２７では、送信側切換ＳＷ３
６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３）にバースト信号からなる駆動信号
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ＳＷ３７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４）で受
信され、その信号は増幅器３３で増幅される。一方、ス
タート命令を受けた時間回路３５では、一定間隔の時間
パルスを生成する。また、予め決められたゲート開放時
間（Ｔｇｋ）経過後、検知回路３８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３８で
は、コンパレーたなどを動作させ、超音波の受信波から
ゼロクロス点を検出し、超音波受信時間を検知する。こ
の検知時間には、超音波の真の伝搬時間Ｔｓと、超音波
変換器の表面に到着後検知されるまでの時間Ｔｉがふく
まれている。この検知時間を用い、制御・演算回路３９
では真の超音波伝搬時間を演算し、流体の流速Ｖｍｅａ
ｓを演算する。この流速、Ｖｍｅａｓから流量値Ｑｍ
ｅａｓを算出し、流量値を得る。この時、ゲート開放時
間（Ｔｇｋ）を決めるために、上記実施例に示した一対
の超音波変換器間を往復する時間を用いる。

【００５６】即ち、上流側の超音波変換器から計測した
超音波が往復する時間はＴｗ（ｕｄ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ
（ｕ）、下流側の超音波変換器から計測した超音波が往
復する時間はＴｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）とな
る。

【００５７】ここで、Ｔｉ（ｄ）およびＴｉ（ｕ）は、
例えば、３．５波分などのように決められているので、
超音波変換器の使用する周波数から簡単に決められるの
で、超音波が真に往復する時間Ｔｓを簡単に算出するこ
とができる。なお、Ｔｉ（ｄ）およびＴｉ（ｄ）は、上
流側および下流側、あるいは、送信側および受信側の超
音波変換器の特性およびゼロクロス設定で決まる値であ
るため、おおまかには予め決めることができる値であ
る。これより、超音波が真に伝搬する時間Ｔｓを決定す
ることができ、本実施例では、この時間Ｔｓからゲート
開放時間Ｔｇｋを以下のようにして決めた。

【００５８】即ち、Ｔｇｋ＝Ｔｓ＋（３．０波分）とし
た。

【００５９】このことを図４を用いて説明する。図４
は、バースト信号からなる駆動波形４０と、超音波の受
信波形４１とを示す。時間計測の起点は、駆動信号のバ
ースト波形の立ち上がり点４２とし、Ｔｓは真の超音波
伝搬時間、約２９５［μsec］を示し、Ｔｉは超音波が
超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間、数
〜十数［μsec］を示す。ＴｉはＴｓに比べると十分小
さい値である。Ｔｇｋは上記で示したゲート開放時間を
示し、Ｔｐは検知回路３８で得られるゼロクロス点４３
で検知された超音波の検知時間を示す。この時、コパレ
ータはゲート開放時間、Ｔｇｋ、後の負勾配のゼロクロ
ス点を検知するように設定した。従って、ゲート開放時
間、Ｔｇｋ直後の正勾配のゼロクロス点は検知しない。
以上説明したように、超音波が往復する時間から、ゲー
ト開放時間（Ｔｇｋ）を設定し、上流側から下流側への
超音波の伝搬時間、Ｔｐ（ｕｄ）、および下流側から上
流側への超音波の伝搬時間、Ｔｐ（ｄｕ）を検知するこ
とにより、流体の流速を計測する。この場合、オフセッ
ト値も超音波の往復時間から上記実施例で説明したよう
に計測できるので、補正することができ、高精度な流量
計を実現することができる。またこの場合、図Ｎで示し
たコンパレータの電圧設定９（Ｖｒｅｆ）が不要とな
る。従って、受信波形が温度特性や、環境変化あるいは
経時変化などにより不安定となっても、超音波の伝搬時
間を安定して正確に計測することができ、高精度、高安
定な流量計が実現できる。

【００６０】（実施例８）超音波変換器間を超音波が往
復する時間は、上流側の超音波変換器および下流側の超
音波変換器で計測すると、上記実施例１で示したよう
に、それぞれＴｗ（ｕｄ）＝２ｘＴｓ＋Ｔｉ（ｕ）、Ｔ
ｗ（ｄｕ）＝２ｘＴｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。

【００６１】従って、流体中を伝搬する超音波の伝搬時
間Ｔｓは、Ｔｓ＝（Ｔｗ−Ｔｉ）／２、よって、超音波
の伝搬速度Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｌｄ／［（Ｔｗ−Ｔｉ）／
２］となる。

【００６２】なお、Ｔｗ（ｕｄ）、Ｔｗ（ｄｕ）は同程
度の大きいさなのでＴｗと記し、Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ
（ｄ）も同程度の大きいさなのでＴｉと記した。また、
Ｔｗは約５９０［μsec］程度であり、Ｔｉは約数〜十
数［μsec］程度である。従って、Ｔｗ＞＞Ｔｉと見な
すことができ、超音波の音速Ｖｓは、以下のようにな
る。

【００６３】Ｖｓ＝２ｘＬｄ／Ｔｗこのように、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度Ｖｓを
計測することができる。理科年表などによれば、流体の
種類が決まればその流体中を伝搬する超音波の伝搬速度
と流体の温度とは、幅広い温度範囲において一次関数で
示される。従って、超音波の音速（伝搬速度）がわかれ
ば、流体の温度が計測できたことになる。

【００６４】例えば、空気中では、超音波の伝搬速度Ｖ
ｓは、空気の温度をｔ［℃］とすると、Ｖｓ＝３４１．
４５＋０．６０７ｘｔ［m/sec］となる。

【００６５】この関係より、超音波の音速から空気の温
度を検出することができる。

【００６６】この流体の温度を用い、例えば、計測した
流量値を基準温度での流量値換算するという温度補正す
ることも可能となる。また、計測した流体の温度を、例
えば、流量計に表示することも可能となる。

【００６７】このように、本発明の流量計によれば、超
音波が超音波変換器間を往復する時間から簡単に流体の
温度を計測することができ、温度補正や温度表示が可能
な流量計を実現できる。

【００６８】（実施例９）実施例９について、以下に説
明する。図２に示した超音波の往復時間計測回路ブロッ
クにおいて、駆動部２７から一定電圧の駆動信号を超音
波変換器に印加し、超音波が一定距離間、即ち、一対の
超音波変換器間を往復し、同一の超音波変換器で受信さ
れる。この受信信号の大きさを検出することにより、超
音波変換器の送信・受信特性を評価・検定できる。即
ち、初期値を記憶部に記憶しておき、その値の、例え
ば、０．５まで劣化して時点を、超音波変換器の劣化と
判定することが可能となる。この場合、上流側、下流側
を独立して評価・検定することができる。従って、劣化
判定基準を、上流側と下流側の超音波変換器間の受信電
圧の差と規定すること可能となる。従来の流量計では、
上流側から下流側へ、あるいは、下流側から上流側への
超音波の送信・受信感度を評価・検定していた。この場
合には、上流側と下流側の超音波変換器の特性が、複雑
にからみあった評価・検定となっていたので、どちらか
一方が劣化しても、それを検出することが出来なかっ
た。たとえ劣化が検出できても、どちらの超音波変換器
が劣化したと判別することはできなかった。

【００６９】

【発明の効果】以上のように請求項１〜９に記載の発明
によれば、超音波変換器間のオフセット値を検出し、補
正することができ、高精度な超音波流量計を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における超音波流量計の断面
図

【図２】本発明の実施例１及び９における超音波送信・
受信回路ブロック図

【図３】本発明の実施例７における伝搬時間計測のブロ
ック図

【図４】本発明の実施例７における超音波の伝搬時間を
説明する図

【図５】従来の流量計の断面図

【図６】従来の流量計における超音波伝搬時間を説明す
る図

【符号の説明】

２１流量計２２流路２３上流側の超音波変換器２４下流側の超音波変換器２７駆動部２８、２９ダイオードブロック３０超音波変換器３３増幅部

フロントページの続き (72)発明者江口修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2F035 DA14 DA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れる流路の上流側と下流側とに
一対の超音波変換器をそれぞれ対向して配置し、前記超
音波変換器の間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の
流量を計測するとともに、オフセット値を検定する自己
診断機能を備えた超音波流量計。
【請求項２】超音波の伝搬する時間及び往復する時間
をシングアラウンド計測する請求項１記載の超音波流量
計。
【請求項３】オフセット値を、流量の少ない時に検定
する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】オフセット値を、定期的もしくは随時検
定する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項５】オフセット値の検定結果を記憶する請求
項３又は４記載の超音波流量計。
【請求項６】オフセット値の検定前後で、流量値が所
定の値を越えた時、異常を報知する請求項３、４又は５
記載の超音波流量計。
【請求項７】流体中を伝搬する超音波の音速から、超
音波伝搬時間を計測するマスク時間を設定する請求項１
記載の超音波流量計。
【請求項８】流体中を伝搬する超音波の音速から、流
体の温度を演算し、温度表示あるいは流量値を温度補正
する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項９】一対の超音波変換器間を往復する超音波
の受信信号から超音波変換器の感度を検定する請求項１
記載の超音波流量計。