JP2002365107A

JP2002365107A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2002365107A
Application number: JP2001172945A
Authority: JP
Inventors: Masami Kidai; 雅巳木代
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波流量計における受信信号のＳ／Ｎの悪
化によるふらつきを抑制し、妨害物質の通過による悪影
響を抑制する。【解決手段】超音波送受信器１Ａまたは１Ｂからの受
信信号を、比較部２２において一定の基準電位と比較し
２値化してパルス列を得、各パルス信号の立ち上がり，
立ち下がりから各伝搬測定時間を時間計測部２４Ａ，２
４Ｂ，２４Ｃで求めることにより、測定値の安定化，耐
外乱の強化等を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を用いて
流体の流速・流量を測定する超音波流量計、特に測定結
果が安定で気泡混入等の外乱に対して強くした超音波流
量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８にこの種の従来例を示す。同図にお
いて、１Ａ，１Ｂは超音波送受信器、２は送受信部２
１，比較部２２，時間計測部２４および演算部２５等か
らなる変換器、３は流体、４は配管である。なお、２３
は比較のための基準電位を示す。この例では、流体３が
流れる配管４の外側に、一対の超音波送受信器１Ａ，１
Ｂのうちの、送受信器１Ａが上流側となるように取り付
けられている。一方の超音波送受信器１Ａ（１Ｂ）から
送信された超音波は、流体３に対して所定の入射角
（θ）で入射し、配管の反対側で反射して、他方の超音
波送受信器１Ｂ（１Ａ）で受信される。これら超音波送
受信器１Ａ，１Ｂには、超音波の送受信を行ない受信信
号から流体の流速・流量を求める変換器２が接続されて
いる。

【０００３】このような構成において、超音波流量計で
は一対の超音波送受信器１Ａ，１Ｂによる超音波の送受
信を切り換えることにより、流体３の流れの上流側から
下流側への超音波の伝搬時間ｔｕ（１Ａで送信し、１Ｂ
で受信した場合）と、下流側から上流側への超音波の伝
搬時間ｔｄ（１Ｂで送信し、１Ａで受信した場合）を測
定する。流体に流れがある場合は、これらの伝搬時間ｔ
ｕ，ｔｄ間に時間差が生じるので、この時間差より流体
の流速・流量を求めると言うのがその原理である。以下
に、その関係式を示す。

【０００４】ｔｕ＝２Ｄ／ｃｏｓθ／（Ｃ＋Ｖｓｉｎθ） …（１）ｔｄ＝２Ｄ／ｃｏｓθ／（Ｃ−Ｖｓｉｎθ） …（２）（１），（２）式よりＣ≫Ｖの近似を用いると、ｔｄ−ｔｕ＝４Ｄ×ｔａｎθ×Ｖ／Ｃ² …（３）となり、これを変形すると、Ｖ＝（ｔｄ−ｔｕ）×Ｃ²／（４Ｄ×ｔａｎθ） …（４）となる。したがって、流量Ｑは、次式となる。Ｑ＝（π／４）×Ｄ²×Ｖ×Ｋ …（５）なお、上記各記号の意味は次の通りである。Ｄ：配管４の内径Ｃ：流体３の音速Ｖ：測定流速
Ｑ：流量Ｋ：流速分布係数

【０００５】図９に図８の変換器の動作を示す。受信さ
れた超音波信号は図８の送受信部２１において増幅さ
れ、受信信号６として比較部２２に送られる。比較部２
２では受信信号６を基準電位２３とコンパレートして２
値化し、比較部出力７として示すようなパルス列を生成
する。この出力７は時間計測部２４に送られ、伝搬測定
時間８として示されるような最初のパルスの立ち上がり
までの時間が計測され、超音波の伝搬時間として利用す
る。演算部２５はこの伝搬測定時間８から上記（４），
（５）式のような演算を行ない、流速または流量を求め
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような超音波流量計では、配管４や流体３が超音波を通
しにくい材質・物質であったり、配管４内部に錆があっ
たりすると、図９に示す受信信号６の感度が低下し、信
号のＳ／Ｎが悪化することがある。また、外来ノイズに
より信号のＳ／Ｎが悪化することもある。このような場
合、通常は送受信部２１の増幅率を上げることにより、
伝搬測定時間８を求めることはできるが、信号のＳ／Ｎ
が悪化しているので伝搬測定時間８のふらつきが大きく
なり、演算結果の流速，流量のふらつきも大きくなると
いう問題が生じる。

【０００７】上記の問題を解決するため、従来は超音波
の送信電圧を上げて受信信号６の感度を増大させたり、
送信回数を増やして平均化する等の対策を講じている。
しかし、送信電圧を上げるには高耐圧の電子部品を用い
なければならず、回路が複雑化し、消費電力も増大する
ことから現実的とは言えない。一方、送信回数を増やす
方法も消費電力が増大し、電源回路が複雑化する。ま
た、配管口径が大きい場合には超音波の伝搬時間が長く
なり、１回の送受信に時間が掛かるので送受信回数が制
限を受け増やせない等の問題が生じている。

【０００８】ところで、流量計には気泡や固形物のよう
な、超音波の伝搬を妨害する物質が混じることがある。
このような場合、妨害物質が通過するとき一時的に受信
信号６の感度が低下するという現象が起きる。図１０に
かかる場合の従来の動作例を示す。同図に点線で示す信
号が通常の受信信号６、実線で示す振幅の小さな信号が
妨害物質を通過した場合の受信信号６である。このよう
に受信信号の振幅が小さくなると、信号波形の一部が基
準電位を下回り、伝搬測定時間８にΔｔの誤差を生じる
ことがある。このΔｔの誤差は、一般に演算結果の流速
や流量に無視できない大きな誤差を発生させる。

【０００９】上記の誤差を抑えるため、従来は例えば、
演算部２５で異常なΔｔの誤差の発生を検知したら、そ
の場合の伝搬測定時間８を使用しないようにすることで
悪影響を排除している。しかし、この方法ではΔｔの誤
差が発生したときの送受信は全く無効になってしまい、
測定の連続性が損なわれるという問題が生じる。その結
果、応答が悪化したり、演算結果の流速や流量の誤差が
増加したりすることになる。したがって、この発明の課
題は、受信信号のＳ／Ｎが悪い場合のふらつきを抑制す
ること、妨害物質を通過したときの悪影響を抑制するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、流体の流れに対し上流側
と下流側にそれぞれ配置される一対の超音波送受信器
と、この各超音波送受信器を励起して上流側から下流側
および下流側から上流側に交互に切り換えて超音波を送
信し、流体中を伝搬して来る超音波を受信する送受信部
と、その受信信号を所定の基準電位と比較して２値化す
る比較部と、この比較部からの出力にもとづき超音波の
上流側から下流側および下流側から上流側への各伝搬時
間を計測する時間計測部と、これらの伝搬時間から流体
の流速または流量を演算する演算部とからなる変換器と
を備えた超音波流量計において、前記比較部において受
信信号を一定の基準電位と比較して２値化することによ
り得られるパルス列の複数のエッジを利用して、前記各
伝搬時間を検出ことを特徴とする。上記請求項１の発明
においては、前記受信信号が外乱により一時的に変化し
前記パルス列の複数のエッジの一部が欠けたときは、前
記演算部でこのことを検出して伝搬時間を補正すること
ができる（請求項２の発明）。また、上記請求項１また
は２の発明においては、前記受信信号を零電位と比較し
て２値化する他の比較部を設け、この他の比較部と前記
比較部の各出力を論理処理し、他の比較部において受信
信号を零電位と比較して２値化することにより得られる
パルス列の複数のエッジを利用して、前記各伝搬時間を
検出することができる（請求項３の発明）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
すブロック図である。すなわち、図８との相違点は、大
きくは時間計測部を２４Ａ，２４Ｂおよび２４Ｃの３つ
とした点である。ここでは３つとしたが、一般的には複
数とすれば良く、こうすることで従来のものよりも優れ
た効果を発揮することが可能となる。なお、Ｄ型フリッ
プフロップ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄおよびアン
ドゲート２７が時間計測部２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの入
力信号を作るために追加されている。

【００１２】図２に、図１における通常動作を示す。図
２では、比較部出力７を得るまでは従来例と同じで、時
間計測部２４Ａにて計測される伝搬測定時間８も従来例
と同じく、比較部出力７のパルス列の最初の立ち上がり
までである。Ｄ型フリップフロップ２６Ａ，２６Ｂ，２
６Ｃ，２６Ｄには、演算部２５から予めそのＣＬＲ端子
に信号が送られてクリアされており、各出力Ｑはローレ
ベル（Ｌ）になっている。２６ＡはＤ入力端子がハイレ
ベル（Ｈ）に固定されており、反転（−）ＣＬ端子に入
力されるパルス列の最初の立ち下がりで出力Ｑはローレ
ベルからハイレベルに変化する。２６Ｂの出力Ｑは、２
６Ａの出力Ｑがハイになったあと、ＣＬ端子に入力され
るパルス列の最初の立ち上りでローからハイに変化す
る。これにより、比較部出力７のパルス列の２番目のパ
ルスの立ち上りまでが時間計測部２４Ｂで伝搬測定時間
８として計測される。

【００１３】さらに、アンドゲート２７の出力は、比較
部出力７の２番目のパルス以降となるので、２６Ｃ，２
６Ｄは２６Ａ，２６Ｂと同様に動作し、比較部出力７の
パルス列の３番目のパルスの立ち上りまでが時間計測部
２４Ｃで伝搬測定時間８として計測される。演算部２５
にはこれら３つの伝搬測定時間８が送られるので、これ
らにより演算される流量や流速を平均化して用いれば、
１つの伝搬測定時間８しか得られない従来例に比べて、
安定した流量，流速を得ることができる。

【００１４】図３は図１の通常時および外乱時の動作説
明図で、同（ａ）は上述した図２の通常動作をまとめた
ものであり、同（ｂ）は図１の外乱発生時の動作を示
す。ここでは、通常の受信信号６を点線で示し、気泡や
異物等の超音波の伝搬を妨害する物質が通過して振幅が
小さくなった場合の受信信号６を実線で示すが、受信信
号６の振幅が小さなくなった結果、比較部出力７の最初
のパルスを作る波形の部分が基準電位を下回わり、パル
ス列の最初のパルスが欠けてしまっている様子を示す。
このため、通常は時間計測部２４Ｂで計られる伝搬測定
時間８が２４Ａで、通常は２４Ｃで計られる伝搬測定時
間８が２４Ｂでそれぞれ測定されており、２４Ｃはここ
ではパルスが入らずタイムアウトとなっている。

【００１５】このような場合、従来は図１０でも説明し
たように、伝搬測定時間８にΔｔの大きな誤差を生じる
か、または、演算部２５により異常発生と判断してこの
回の測定値を捨てるか等している。この発明では、この
ような場合には、演算部２５により図４のフローに示す
ような処理を行なうようにしている。この処理は、端的
には時間計測部２４Ａ，２４Ｂで計られた伝搬測定時間
８は、本来は時間計測部２４Ｂ，２４Ｃで計られる値で
あると判断できるようにして、上記のような外乱時にも
測定値を捨てることなく、測定を継続できるようにする
ものである。

【００１６】以下、図４について説明する。同図におい
て、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３はそれぞれ時間計測部２４Ａ，２
４Ｂ，２４Ｃで計られた伝搬測定時間８を示し、Ｔ１
ｂ，Ｔ２ｂ，Ｔ３ｂはそれぞれ時間計測部２４Ａ，２４
Ｂ，２４Ｃで計られた伝搬測定時間８の前回値を示す。
また、Ｆｅは外乱によるパルスのずれの発生を示すフラ
グで、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３はそれぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３が
ずれにより間違った値であることを示すフラグである。
このフローでは、上述のような外乱が入った場合、Ｔ
１，Ｔ２がずれてＴ２ｂやＴ３ｂとほぼ同じ値をとるこ
とを利用して判定する。すなわち、或る判定範囲Ｔｅを
定めて、例えばＴ２がずれてＴ３ｂとほぼ同じ値をとっ
たことを、｜Ｔ２−Ｔ３ｂ｜≦Ｔｅ …（６）なる関係式から判定する（図４参照）。この場合、Ｔ
２の値は本来Ｔ３であるべきものなので、Ｔ３にＴ２の
値を上書きし、エラーフラグＦ２を立ててＴ２が間違っ
ていることを示す。また、エラーフラグＦｅを立ててエ
ラー（ずれ）の発生を示す（図４参照）。なお、この
ような関係はＴ１がずれてＴ３ｂとほぼ同じ値をとった
とき、または、Ｔ１がずれてＴ２ｂとほぼ同じ値をとっ
たときも同様である（図４’，’および”，”
参照）。

【００１７】また、図４におけるＮは、何回連続してエ
ラーが発生したかを示す。まれに、流体の音速の変化に
より超音波の伝搬時間が変化し、その結果、（６）式を
満たしてしまうことがある。外乱の場合（６）式が成立
するのは一時的だが、流体の音速の変化の場合は連続的
に（６）式を満たす場合がある。これを防ぐため、エラ
ーの連続発生回数のリミット値ＮＬを定めて、Ｎ≧ＮＬ …（７）を満たす場合は流体の音速の変化によるものと判定し、
通常時と同じ処理を行なう（図４，’，”参
照）。フローの最後では、エラーが発生した場合にはＮ
を１増やし（図４参照）、発生しなかった場合はＴ１
ｂ，Ｔ２ｂ，Ｔ３ｂをＴ１，Ｔ２，Ｔ３に更新し、Ｎを
零に戻す（図４参照）。以上のような処理を行なうこ
とにより、図３（ｂ）で説明したような外乱発生時で
も、測定値を捨てることなくリカバリー（補正）するこ
とができ、従来に比べて外乱に強い流量計を実現するこ
とができる。

【００１８】図５にこの発明の第２の実施の形態を示
す。これは図１に示すものに対し、受信波形を零電位と
比較する比較部２２Ｂを付加した点が特徴である。この
比較部２２Ｂの出力は、比較部２２Ａの出力をワンショ
ット回路２８を介したものとともにアンドゲート２９で
論理積（ＡＮＤ）がとられ、図１と同じ時間計測部に与
えられる。図６に図５における通常時の動作を示す。比
較部２２Ａの出力は、上述の比較部２２の出力と同じで
ある。ワンショット回路２８はリトリガブルで、比較部
２２Ａの出力パルスの立ち上がりでトリガされ、幅ｔｗ
のパルスを出力する。比較部２２Ｂは受信信号６を零電
位と比較して２値化し、パルス列を出力する。なお、こ
の例では比較部２２Ｂは反転出力となっている。また、
受信信号６のない時間帯ではその出力は不定となる。ア
ンドゲート２９でワンショット回路２８の出力と比較部
２２Ｂの出力とのアンドをとることにより、比較部２２
Ｂの不定の部分が消えて、受信信号６の基準電位を越え
た最初の波形の立ち下がりのゼロクロス点を先頭とする
パルス列が、時間計測部２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに送ら
れる。その後の動作は図１の場合と同様であり、同様の
効果が得られることになる。

【００１９】図７に、外乱時の動作の図１と図５の違い
を示す。受信信号６の実線が通常時、点線が気泡や異物
等の外乱時の波形を示す。図１の回路では図７（ａ）の
ように、外乱により受信信号６の振幅が変化した場合、
伝搬測定時間８が点線と実線で示すような変動を起こ
す。これにより、測定結果の安定性が悪化する。これに
対し、図５ではゼロクロス点で２値化するため、振幅が
変化しても図７（ｂ）のように伝搬測定時間８には変動
を生じない。このため、外乱時での測定安定性をさらに
高めることができる。また、上述の図４のフローにおい
ても、外乱時のＴ１，Ｔ２，Ｔ３の値が安定しているた
め、Ｔｅの値を小さくして判定精度を高めることが可能
となる。

【００２０】

【発明の効果】この発明によれば、超音波の受信信号か
ら得られるパルス列の複数のエッジを使用して流速・流
量を演算し平均化することにより、測定の安定化を図る
ことができる。また、流体に気泡や異物が混入するとい
った外乱により複数のエッジの一部が欠けてもリカバリ
ーでき、外乱に強い流量計を得ることができる。さら
に、受信信号を零電位でコンパレートしてパルス列を得
ることにより、外乱時の伝搬測定時間の変動が抑制さ
れ、より安定な計測が可能となる。また、外乱により複
数のエッジの一部が欠けた場合のリカバリーもより正確
にでき、より外乱に強くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示すブロック図
である。

【図２】図１の通常時の動作説明図である。

【図３】図１における通常時および外乱混入時の動作説
明図である。

【図４】図１における演算部の動作フロー図である。

【図５】この発明の第２の実施の形態を示すブロック図
である。

【図６】図５における通常時の動作説明図である。

【図７】図５における外乱混入時の動作説明図である。

【図８】従来例を示すブロック図である。

【図９】図８における通常時の動作説明図である。

【図１０】図８における外乱混入時の動作説明図であ
る。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ…超音波送受信器、２…変換器、２１…送受
信部、２２，２２Ａ，２２Ｂ…比較部、２３…基準電
位、２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…時間計測部、２５
…演算部、２６Ａ２６Ｂ２６Ｃ２６Ｄ…Ｄ−フリ
ップフロップ、２７，２９…アンドゲート、２８…ワン
ショット回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れに対し上流側と下流側にそれ
ぞれ配置される一対の超音波送受信器と、この各超音波送受信器を励起して上流側から下流側およ
び下流側から上流側に交互に切り換えて超音波を送信
し、流体中を伝搬して来る超音波を受信する送受信部
と、その受信信号を所定の基準電位と比較して２値化す
る比較部と、この比較部からの出力にもとづき超音波の
上流側から下流側および下流側から上流側への各伝搬時
間を計測する時間計測部と、これらの伝搬時間から流体
の流速または流量を演算する演算部とからなる変換器と
を備えた超音波流量計において、前記比較部において受信信号を一定の基準電位と比較し
て２値化することにより得られるパルス列の複数のエッ
ジを利用して、前記各伝搬時間を検出することを特徴と
する超音波流量計。
【請求項２】前記受信信号が外乱により一時的に変化
し前記パルス列の複数のエッジの一部が欠けたときは、
前記演算部でこのことを検出して伝搬時間を補正するこ
とを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】前記受信信号を零電位と比較して２値化
する他の比較部を設け、この他の比較部と前記比較部の
各出力を論理処理し、他の比較部において受信信号を零
電位と比較して２値化することにより得られるパルス列
の複数のエッジを利用して、前記各伝搬時間を検出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量
計。