JP2003194602A

JP2003194602A - 流量計測装置

Info

Publication number: JP2003194602A
Application number: JP2001396378A
Authority: JP
Inventors: Hideji Abe; 秀二安倍; Yuji Nakabayashi; 裕治中林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を小さくし精度も確保した流量計測
装置を提供する。【解決手段】流体管路１０に設けられ超音波信号を送
受信する少なくとも１対の振動子１１と、振動子１１の
駆動を行う送信手段１０と、振動子１１から受信を行う
受信手段１５と、振動子の送受信の切換を行う切換手段
１２と、被測定物の種類を設定する被測定物設定手段１
７を有し、受信手段１５は電流電圧変換回路１５ａと可
変ゲインアンプ１５ｃから構成され、被測定物設定手段
１７の設定値に応じて電流電圧変換回路１５ａの増幅率
を切り替えるようにしたもので、可変ゲインアンプ１５
ｃの変化幅を小さくし、被測定物設定手段１７の設定値
に基づいて、電流電圧変換回路１５ａの増幅率を変更す
ることにより、消費電力を押さえて、多数のガス種の流
量測定に対応するものである。

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
流量を計測する流量計測装置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としては、
図６に示されるように、１ａ及び１ｂは振動子でともに
流体管路２に含まれる。送信部４が振動子１ａを駆動
し、超音波が流体管路２を伝播する。超音波信号は振動
子１ｂ介して受信部５で受信される。受信部５では、受
信した超音波信号を所定のレベルまで増幅する。計測手
段６では、送信部４が超音波を送信してから、受信部５
が信号を出力するまでの時間すなわち伝搬時間を計測
し、流量の演算を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、ガス種によ
って超音波信号の伝搬時の減衰度合が異なり、プロパン
ガス＜空気＜都市ガス＜メタンガスの順で減衰が大き
い。また、この種の流量計測装置は、１台でプロパンガ
スからメタンガスまですべてのガスの流量計測を行う。
このため、上記従来の流量計測装置では多数のガス種の
流量計測に対応するため、減衰率の大きく異なるガスの
流量を測定するための超音波信号を増幅する受信手段の
増幅率の可変幅を広く設定する必要があった。例えば、
プロパンガスで必要な１５ｄＢから、メタンガスで必要
な５５ｄＢまでの増幅率が受信手段に必要になる。この
ため、受信手段の構成が複雑になるだけでなく、低い増
幅率から高い増幅率まで対応するため消費電力の面で不
利であった。

【０００４】本発明は、前記従来の課題を解決するもの
で、消費電力を小さくし、より少ない電池容量で長時間
動作（例えば１０年）を可能とした流量計測装置を提供
することを目的とする。

【０００５】

【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、本発明の流量計測装置は、流体管路に設けら
れ超音波信号を送受信する少なくとも１対の振動子と、
前記振動子の駆動を行う送信手段と、前記振動子から受
信を行う受信手段と、前記振動子の送受信の切換を行う
切換手段と、被測定物の種類を設定する被測定物設定手
段を有し、前記受信手段は前記振動子からの受信電流を
電圧に変換する電流電圧変換回路と可変ゲインアンプか
ら構成され、前記被測定物設定手段の設定値に応じて前
記電流電圧変換回路の受信電流を電圧に変換するときの
倍率を切り替えるようにしたものである。

【０００６】これによって、可変ゲインアンプの変化幅
を小さくし、被測定物設定手段の設定値に基づいて、電
流電圧変換回路の受信電流を電圧に変換するときの倍率
を変更することにより、消費電力を押さえて、多数のガ
ス種の流量測定に対応するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、流体管
路に設けられ超音波信号を送受信する少なくとも１対の
振動子と、前記振動子の駆動を行う送信手段と、前記振
動子から受信を行う受信手段と、前記振動子の送受信の
切換を行う切換手段と、被測定物の種類を設定する被測
定物設定手段を有し、前記受信手段は前記振動子からの
受信電流を電圧に変換する電流電圧変換回路と可変ゲイ
ンアンプから構成され、前記被測定物設定手段の設定値
に応じて前記電流電圧変換回路の受信電流を電圧に変換
するときの倍率を切り替えるようにしたもので、この構
成によれば、可変ゲインアンプの変化幅を小さくし、被
測定物設定手段の設定値に基づいて、電流電圧変換回路
の受信電流を電圧に変換するときの倍率を変更すること
により、消費電力を押さえて、多数のガス種の流量測定
に対応するものである。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
した電流電圧変換回路は帰還抵抗を有し、この帰還抵抗
の値を変えることにより、前記電流電圧変換回路の受信
電流を電圧に変換するときの倍率を切り替えるようにす
ることにより、簡単な構成で電流電圧変換回路の受信電
流を電圧に変換するときの倍率を変えるようにするもの
である。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
した被測定物設定手段はスイッチ検知手段で構成され、
このスイッチ検知手段の設定値により前記電流電圧変換
回路の受信電流を電圧に変換するときの倍率を切り替え
るようにすることにより、確実に被測定物の設定が行わ
れ、電流電圧変換回路の受信電流を電圧に変換するとき
の倍率を変えるようにするものである。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
した被測定物手段は前記送信手段が超音波信号を送信し
てから、この信号を前記受信手段が受信するまでの時間
を測定し、この結果をもとに前記電流電圧変換回路の受
信電流を電圧に変換するときの倍率を切り替えるように
することにより、人手を煩わすことなく、確実に被測定
物の設定が行われ、そして電流電圧変換回路の受信電流
を電圧に変換するときの倍率を変えるようにするもので
ある。

【００１１】請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の
いずれかに記載の流量計測装置の少なくとも一つの手段
をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
この構成によれば、確実に被測定物の設定が行われ、か
つ可変ゲインアンプの変化幅を小さくし、被測定物設定
手段の設定値に基づいて、電流電圧変換回路の受信電流
を電圧に変換するときの倍率を変更することにより、消
費電力を押さえて、多数のガス種の流量測定に対応する
ものである。また、プログラムであるのでマイコンなど
を用いて本発明の流量計測装置の一部あるいは全てを容
易に実現することができる。また記録媒体に記録したり
通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプ
ログラムの配布が簡単にできる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１３】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
における流量計測装置のブロック図を示すものである。

【００１４】図１において、流体管路１０の途中に超音
波を送受信する振動子１１ａ及び振動子１１ｂが流れ方
向に配置されている。１３は送信手段で、振動子１１ａ
あるいは振動子１１ｂへ超音波を出力する。１５は受信
手段で、振動子１１ａあるいは振動子１２ｂで受信した
信号を増幅する。受信手段１５は電流電圧変換回路１５
ａ、帰還抵抗１５ｂ、可変ゲインアンプ１５ｃから構成
されている。電流電圧変換回路１５ａは振動子１１ａあ
るいは振動子１１ｂからの電流信号を電圧に変換する。
帰還抵抗１５ｂはその電流信号を電圧に変換するときの
倍率を決める。第１スイッチ１５ｄ及び第２スイッチ１
５ｅは帰還抵抗１５ｂの値を切り替える。

【００１５】また、可変ゲインアンプ１５ｃは電流電圧
変換回路１５ａにて電圧に変換された信号を所定のレベ
ルまで増幅する。１２は切換手段で、振動子１１ａある
いは振動子１１ｂと送信手段１３あるいは受信手段１５
の接続を切り換える。１６は比較手段で、内蔵する基準
値と受信手段１５の出力を比較し、受信信号が基準値以
上の場合に信号を出力する。１８は繰り返し手段で、比
較手段１７から出力があると繰り返し信号をトリガ手段
１４に送る。１９は遅延手段で、トリガ手段１４から信
号があると、所定の遅延時間を設定する。

【００１６】送信手段１３は、トリガ手段１４から信号
があり、遅延手段１９の遅延時間計時の終了信号を受け
てから、切換手段１２を介して振動子１１ａあるいは振
動子１１ｂを駆動する。２０は計数手段で、スタート手
段２１から測定開始信号が出力されると基準クロック２
２の出力を計時する。２３は流量演算手段で、計数手段
２０の計数値と遅延手段１９の遅延時間により流量演算
を行う。

【００１７】１７は被測定物設定手段で、図２に示すよ
うに、第３スイッチ１７ａ及び第４スイッチ１７ｂ、ス
イッチ検知手段１７ｃから構成されており、第３スイッ
チ１７ａ及び第４スイッチ１７ｂの設定値をスイッチ検
知手段１７ｃで検出するにより、被測定物の種類を検出
し、前述した帰還抵抗１５ｂの値を切り替える。

【００１８】以上のように構成された流量計測装置につ
いて、以下その動作、作用について説明する。

【００１９】図４は本発明の第１の実施例における流量
計測装置の動作を示すフローチャート、図３は被測定物
に必要な増幅率を示すものである。

【００２０】まず、スタート手段２１が計測を開始させ
ると、繰り返し手段１８は切換手段１６を動作させて、
第１振動子１１を送信に、第２振動子１２を受信にす
る。すなわち、第１振動子１１を送信手段１３に接続
し、第２振動子１２を受信手段１５に接続することにな
り、流れの方向に対して、上流側から下流側に超音波が
伝搬されることになる（図４のステップ１）。

【００２１】次に、被測定物設定手段１７は内蔵するス
イッチ検知手段１７ｃ及び第３スイッチ１７ａ、第４ス
イッチ１７ｂの設定値により被測定物の検出を行う。す
なわち、第３スイッチ１７ａがオンであれば都市ガス設
定であり、第４スイッチ１７ｂがオンであればプロパン
ガス設定になる。同時に、計数手段２０を初期化する
（ステップ２）。

【００２２】そして、繰り返し手段１８の値を初期値に
し、計数手段２０は基準クロック２２の出力パルスの計
数を始める（ステップ３）。

【００２３】また、繰り返し手段１８はトリガ手段１４
を動作させる。遅延手段１９はトリガ手段１４のトリガ
信号によって、遅延時間の計数を開始する。送信手段１
３は、トリガ手段１４からの信号があり、遅延手段１９
の計時終了時に所定の周波数で振動子１１ａを駆動し、
流体管路１０内に超音波を発射させる（ステップ４）。

【００２４】流体管路１０内を超音波が伝搬し、振動子
１１ｂに所定の伝搬時間後（流体管路１０中の被測定物
の温度と種類、振動子１１ａと振動子１１ｂの距離で決
まる）に到達する。受信した電流信号は受信手段１５に
入力されるが、受信手段１５に内蔵される帰還抵抗１５
ｂによって、所定の倍率で電圧に変換される。そして、
可変ゲインアンプ１５ｃにて所定のレベルまで増幅され
る。すなわち、受信手段１５において、電流電圧変換回
路１５ａの倍率、すなわち帰還抵抗１５ｂの値と可変ゲ
インアンプ１５ｃの増幅率の両方で受信手段１５の増幅
率が決まる。

【００２５】この必要な増幅率は、被測定物の種類と温
度によって異なる。図３に一般的な被測定物の温度と必
要な増幅率を示す。例えば、気温が２０℃での必要な増
幅率を比較するとプロパンガス＜空気＜都市ガスＡ＜都
市ガスＢ（メタンガス成分の多いガス）の順となる。本
発明の流量計測装置は工場出荷時には空気で調整を行
い、実際の計測現場ではそれぞれの被測定物（プロパン
ガスあるいは都市ガスＡ、Ｂ）を測定する物である。す
なわち、プロパンガスと空気あるいは都市ガスＡ、Ｂと
空気を同時に計測する必要がある。このとき必要増幅率
はプロパンガスと空気を計測する場合は図３に示す必要
増幅率（１）（例えば１５ｄＢから４０ｄＢ）、都市ガ
スＡ、Ｂと空気を計測する場合は必要増幅率（２）（例
えば３０ｄＢから５５ｄＢ）が必要であり、この必要増
幅率が受信手段１５で可能な増幅率（例えば１５ｄＢか
ら５５ｄＢ）になる。

【００２６】一方、可変ゲインアンプ１５ｃは所定の増
幅率の範囲を有しており、これは、範囲が狭い方が消費
電力の面で有利である。すなわち、可変ゲインアンプ１
５ｃの増幅率を必要最小にし、それぞれの被測定物で更
なる感度を電流電圧変換回路１５ａの帰還抵抗１５ｂの
値を変えることにより、受信手段１５に必要な増幅率を
満足させることができる。

【００２７】可変ゲインアンプ１５ｃの増幅率の変化幅
を例えば１５ｄＢから４０ｄＢまでとする。被測定物設
定手段１７に内蔵される第３スイッチ１７ａがオンの場
合は被測定物としてプロパンガスが選択されたことにな
り、第１スイッチ１５ｄをオンし、帰還抵抗１５ｂの値
は電流電圧変換回路１５ａの受信電流から電圧への変換
倍率が０ｄＢになるように設定され、可変ゲインアンプ
１５ｃの増幅率の変化範囲で測定を行い、プロパンガス
と空気に必要な増幅率（例えば１５ｄＢから４０ｄＢ）
を満足することになる。

【００２８】被測定物設定手段１７に内蔵される第４ス
イッチ１７ｂがオンの場合は被測定物として都市ガス
Ａ、Ｂが選択されたことになり、第２スイッチ１５ｅを
オンし帰還抵抗１５ｂの値は電流電圧変換回路１５ａの
受信電流から電圧への変換倍率が１５ｄＢになるように
設定され、可変ゲインアンプ１５ｃの増幅率に加えて電
流電圧変換回路１５ａの倍率が加えた形になり、都市ガ
スＡ、Ｂと空気に必要は増幅率（例えば３０ｄＢから５
５ｄＢ）を満足することになる。

【００２９】上述した受信手段１５による所定に値に増
幅された信号は、比較手段１６に出力される。比較手段
１６では内蔵する基準値と比較し、増幅された受信信号
が基準値以上の場合に繰り返し手段１８に信号を出力す
る（ステップ５）。

【００３０】繰り返し手段１８は再びトリガ手段１４を
動作させ、同時に遅延手段１９を動作させる。これは、
トリガ手段１４が送信手段１３をすぐに動作させ、流体
管路１０内に超音波を発射すると、第２振動子１２にお
いて、前に発射された超音波の多重反射成分と受信波が
重なるのを避けるためである。トリガ手段１４から信号
を受けた遅延手段１９は、所定の遅延時間を計時し、遅
延時間計時終了でトリガ手段１４は送信手段１３を動作
させ、所定の周波数で振動子１１ａを駆動し、流体管路
１０内に再び超音波信号を発射させる。以降、繰り返し
手段１８の繰り返し回数が設定値に達するまで、送信〜
受信〜遅延を繰り返す（ステップ９、１０）。

【００３１】繰り返し手段１８の計数が終了すると、計
数手段２０の計時を停止する。流量演算手段２３は計数
手段２０の値を読み込む。計数手段２０の計数値をＴ、
遅延手段１９の設定値をＴｄとすると、上流側から下流
側すなわち、振動子１１ａから振動子１１ｂに伝搬する
のに要する時間Ｔ１は、繰り返し手段１８の繰り返し回
数をＮとするとＴ１＝（Ｔ−Ｔｄ×Ｎ）／Ｎとなる。こ
の値を流量演算手段２３に記憶する（ステップ１１）。

【００３２】次に、再び、スタート手段２１が計測を開
始させると、繰り返し手段１８及び計数手段２０の値を
初期値にする。次に計数手段２０は基準クロック２２の
出力パルスの計数を始める。同時に、繰り返し手段１８
は切換手段１６を動作させて、振動子１１ａを受信側
に、振動子１１ｂを送信側に設定する。すなわち、振動
子１１ａを受信手段１５に接続し、振動子１１ｂを送信
手段１３に接続し、流れの方向に対して、下流側から上
流側に超音波が伝搬されることになる（ステップ１
３）。以降は、上流から下流に超音波を伝搬させる場合
と同様であるので、説明を割愛する。

【００３３】繰り返しが終了し、下流側から上流側すな
わち、第２振動子１２から第１振動子１１に伝搬するの
に要する時間はＴ２となる。両方向の計測が終了すれば
（ステップ１２）流量演算を行うが、このとき、流体管
路１０に流れがあれば下流から上流への超音波の伝搬時
間は遅れるのでＴ１＞Ｔ２となる。Ｔ１とＴ２の逆数差
を流量演算手段２３で求め、さらに流体管路１０の断面
積や流れの状態などを考慮して流量値を演算する（ステ
ップ１４）。

【００３４】（実施例２）図５に、本発明の実施例２に
おける流量計測装置の被測定物設定手段の動作を示すフ
ローチャートである。

【００３５】図５において、まず、振動子１１ａを送信
側に振動子１１ｂを受信側に設定する（ステップ２
１）。次に計数手段２０及び繰り返し手段１８の値を初
期値にし、計数手段２０は基準クロック２２の出力パル
スの計数を始める（ステップ２２）。

【００３６】また、繰り返し手段１８はトリガ手段１４
を動作させる。遅延手段１９はトリガ手段１４のトリガ
信号によって、遅延時間の計数を開始する。送信手段１
３は、トリガ手段１４からの信号があり、遅延手段１９
の計時終了時に所定の周波数で振動子１１ａを駆動し、
流体管路１０内に超音波を発射させる（ステップ２３〜
２５）。

【００３７】流体管路１０内を超音波が伝搬し、振動子
１１ｂに所定の伝搬時間後に到達する。受信手段１５に
内蔵される帰還抵抗１５ｂを高い倍率で電圧に変換され
る側に設定し、可変ゲインアンプ１５ｃの増幅率を最大
に設定する。すなわち、受信手段１５の増幅度は最大倍
率に設定され、受信信号を増幅することになる（ステッ
プ２６〜２７）。

【００３８】そして、ステップ２３からステップ２８ま
での行程を所定の回数繰り返す（ステップ２８〜２
９）。所定回数繰り返した後、計数手段２０の計時を停
止させ、伝搬時間Ｔを算出する。計数手段２０の計数値
をＴ１、遅延手段１９の設定値をＴｄ、繰り返し手段１
８の繰り返し回数をＮとすると、伝搬時間ＴはＴ＝
（Ｔ１−Ｔｄ×Ｎ）／Ｎとなる。この伝搬時間はガス種
によって違い、Ｔ（プロパンガス）＞Ｔ（都市ガス）の
関係になる。伝搬時間はガス種以外にも温度によって異
なるが、温度による伝搬時間の変化を考慮しても十分に
ガス種を識別できる。比較する時間ＴｓをＴ（プロパン
ガス）とＴ（都市ガス）の中間に設定しておき、被測定
物設定手段１７では算出した伝搬時間がＴｓより長いと
プロパンガスに設定される。そして帰還抵抗１５ｂに設
定され、電流電圧変換回路１５ａの受信電流から電圧へ
の変換倍率が０ｄＢになるように設定され、可変ゲイン
アンプ１５ｃの増幅率の変化範囲で測定を行い、プロパ
ンと空気に必要な増幅率（例えば１５ｄＢから４０ｄ
Ｂ）を満足することになる。

【００３９】また、被測定物設定手段１７算出した伝搬
時間がＴｓより短いと都市ガスＡ，Ｂに設定される。そ
して帰還抵抗１５ｂの値は電流電圧変換回路１５ａの受
信電流から電圧への変換倍率が１５ｄＢになるように設
定され、可変ゲインアンプ１５ｃの増幅率に加えて電流
電圧変換回路１５ａの倍率が加えた形になり、都市ガス
Ａ、Ｂと空気に必要は増幅率（例えば３０ｄＢから５５
ｄＢ）を満足することになる。

【００４０】実際には設定された受信手段１５の増幅度
でプロパンガス、あるいは空気、都市ガスの流量計測を
行うわけであるが、その流れは実施例１と同様であるの
で、ここでは説明を省略する。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、被測定
物設定手段の設定値に応じて電流電圧変換回路の増幅率
を切り替えるようにしすることにより、被測定物設定手
段の設定値に基づいて、電流電圧変換回路の増幅率を変
更し、可変ゲインアンプの変化幅を小さくできるので、
消費電力を押さえて、多数のガス種の流量測定に対応す
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における流量計測装置の構成
を示すブロック図

【図２】本発明の実施例１における流量計測装置の被測
定物設定手段を表す図

【図３】本発明の実施例１における流量計測装置の各被
測定物に必要な増幅率を示す図

【図４】本発明の実施例１における流量計測装置の動作
を示すフローチャート

【図５】本発明の実施例２における流量計測装置の被測
定物設定手段の動作をフローチャート

【図６】従来の流量計測装置の構成を示す図

【符号の説明】

１０流体管路１１ａ振動子１１ｂ振動子１２切換手段１３送信手段１４トリガ手段１５受信手段１５ａ電流電圧変換回路１５ｂ帰還抵抗１６比較手段１７被測定物設定手段１７ｃスイッチ検知手段１８繰り返し手段１９遅延手段２０計数手段２１スタート手段２２基準クロック２３流量演算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体管路に設けられ超音波信号を送受信
する少なくとも１対の振動子と、前記振動子の駆動を行
う送信手段と、前記振動子から受信を行う受信手段と、
前記振動子の送受信の切換を行う切換手段と、被測定物
の種類を設定する被測定物設定手段を有し、前記受信手
段は前記振動子からの受信電流を電圧に変換する電流電
圧変換回路から構成され、前記被測定物設定手段の設定
値に応じて前記電流電圧変換回路の受信電流を電圧に変
換するときの倍率を切り替えるようにした流量計測装
置。
【請求項２】前記電流電圧変換回路は帰還抵抗を有
し、この帰還抵抗の値を変えることにより、前記電流電
圧変換回路の受信電流を電圧に変換するときの倍率を切
り替えるようにした請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】被測定物設定手段はスイッチ検知手段で
構成され、このスイッチ検知手段の設定値により前記電
流電圧変換回路の受信電流を電圧に変換するときの倍率
を切り替えるようにした請求項１記載の流量計測装置。
【請求項４】前記被測定物手段は前記送信手段が超音
波信号を送信してから、この信号を前記受信手段が受信
するまでの時間を測定し、この結果をもとに前記電流電
圧変換回路の受信電流を電圧に変換するときの倍率を切
り替えるようにした請求項１記載の流量計測装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の流量計
測装置の少なくとも一つの手段をコンピュータに実行さ
せるためのプログラム。