JP2003232664A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脈動流の有無に関係なく正確な流量計測を行
う。 【解決手段】 流体中に音波を送信または受信する送受
信器６ａ、６ｂ間の送受信を複数回行う繰り返し手段１
１と、繰り返し手段１１による複数回の音波伝搬時間の
計測を１計測セットとして複数の計測セットを実施する
計測制御手段１８と、それぞれの音波伝搬時間の値を積
算し流量を算出する流量演算手段を備え、計測制御手段
１８は計測セットの回数を調節して計測するようにして
いる。これによって流れが脈動している場合にも追従性
がよく、また安定した定常流れの場合にも平均流量を正
しく計測できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスなどの流量を
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】従来のこの種の流量計測装置は、図６に
示すように、流体管路１の一部に超音波送受信器２ａ、
２ｂを備え、計測開始手段３の信号によって流量計測を
開始し、超音波送受信器２ａから２ｂまでの伝搬時間を
計時手段４で計測しする。流れに周期的な変動がある場
合には、計測のタイミングによって流量測定値にバラツ
キが生じる。例えば家庭用ガス消費量を計量をするガス
メータでは、近くでガスエンジンが運転されると圧力変
動が発生し、その影響で流量が変動する。図７はこのと
きの流量の波形を示した図で、実際にはＡで示す流量が
流れている。デジタル式計測では間欠的にサンプリング
するので、時間ｔ１（流量Ｑ１）、時間ｔ２（流量Ｑ
２）、時間ｔ３（流量Ｑ３）のような値が得られマイコ
ンで平均して流量を算出していた。

【０００３】また、脈動の有無を検出して、脈動流があ
る場合には計測を頻繁に行い、その平均値から流量を算
出していた。そして、さまざまな脈動周期に対応するた
めにはデータの入出力回数の増加とそれに伴う消費電力
の増加アナログ式の場合時間ｔ０からｔ４まで連続した
信号を積分器を介して平均していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
流量計測装置では、次のような課題があった。すなわち
デジタル式では間欠的なサンプリングなので、正確な流
量を求めるには測定回数を増やして測定値を平均する必
要があるため長い時間が必要であった。また、入出力デ
ータの処理が煩雑になり、時間ばかりでなく消費電力も
大きくなるという傾向にあり、このため、ガスメータの
ような異常使用時の遮断などの保安機能を兼ねた流量計
測装置では、電池駆動でかつ安全性のために短時間で正
確な流量の計測を行うことが課題となっていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の流量計測装置は、流体中に音波を送信また
は受信する送受信器と、送受信器間の送受信動作を複数
回行う繰り返し手段と、繰り返し手段による複数回の音
波伝搬時間の計測を１計測セットとして複数の計測セッ
トを実施する計測制御手段と、それぞれの音波伝搬時間
の値を積算し流量を算出する流量演算手段を備え、計測
制御手段は計測セットの回数を調節して計測したもの
で、これによって流れが脈動している場合にも追従性が
よく、また安定した定常流れの場合も平均流量を正しく
計測できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、送受信器
間の音波伝搬時間を計測する計時手段と、音波伝搬計測
を一つの計測セットとして複数の計測セットを実施する
計測制御手段と、計測セットの計測開始から終了までの
いずれかに設けられた遅延時間を調節可能な位相遅延手
段と、それぞれの音波伝搬時間の値を積算し流量を算出
する流量演算手段を備えたので、計時手段の分解能が低
くても高精度の流量分解能が得られる。

【０００７】請求項２記載の発明は、位相遅延手段は計
測セットによって遅延を調節可能なので、流量分解能を
向上できて低消費電力で高精度な流量計測ができる。

【０００８】請求項３記載の発明は、位相遅延手段の遅
延時間は、音波伝搬時間を計測する計時手段の基準クロ
ックの周期よりも１／２以下にしたので、流量分解能は
確実に向上する。

【０００９】

【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。

【００１０】（実施例１）以下、本発明の実施例１を図
面に基づいて説明する。図１において、流体管路５の途
中に超音波を発信する送受信器６ａと受信する送受信器
６ｂが流れ方向に配置されている。７は送受信器６ａへ
の発信回路、８は送受信器６ｂで受信した信号の増幅回
路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路９で比
較され、基準信号以上の信号が検出されたとき繰り返し
回数設定手段１０で設定された回数だけ繰り返し手段１
１により遅延回路１２で信号を遅延させた後、トリガ回
路１３で超音波信号を繰り返し発信する。繰り返し回数
設定手段１０で設定された回数が繰り返されたときの時
間を計時手段１４で求め、マイクロコンピュータに内蔵
されている記憶手段１５に値を記憶させる。このように
して送受信器６ａから送受信器６ｂへすなわち上流から
下流（以下、上流送信という）へ超音波を送信する。

【００１１】次に切換手段１６で送受信器６ａと送受信
器６ｂの発信受信を切り換えて、送受信器６ｂから送受
信器６ａへ、すなわち下流から上流（以下、下流送信と
いう）に向かって超音波信号を発信し、この発信を前述
のように繰り返し、その時間を計時する。そしてその時
間差から管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算
手段１７で流量値を求める。１８は計測制御手段で、繰
り返し手段の繰り返し回数を設定する繰り返し回数設定
手段１８ａと、繰り返し回数による計測を１計測セット
としてこの計測セットを何回計測するかを設定する計測
回数手段１８ｂから構成されている。

【００１２】次に計測のサンプリングの方法について述
べる。図２は脈動がある場合の計測サンプリングの状態
を示したもので、時間Ｔ１の間は、前述の上流送信を繰
り返し回数４回で行いその伝搬時間は計時手段１４でカ
ウントされ記憶手段１５でその伝搬時間ｔ１を記憶され
る。この４回の計測を１計測セットとする。

【００１３】次に送受信器６ａ・６ｂを切り換えて時間
Ｔ２の間、下流送信を４回行ないその伝搬時間ｔ２が記
憶される。さらに所定時間経過後、時間Ｔ３の間に上流
送信、時間Ｔ４の間に下流送信が行われて、伝搬時間ｔ
３とｔ４がそれぞれ記憶される。

【００１４】このように間欠的に上流送信と下流送信が
一対で行われ、本実施例ではＴ８０まで合計８０計測セ
ットでの計測が行われ、その伝搬時間は記憶手段１５に
それぞれ蓄えられる。そして記憶手段１５のデータは流
量演算手段１７で演算し流量を算出する。この演算は例
えば、上流送信の総和を求め、繰り返し回数の総和から
１回あたりの伝搬時間の平均値を算出し、同様に下流送
信の１回あたり伝搬時間の平均値を算出し、それぞれの
伝搬時間の時間差、または時間の逆数の差から算出する
ことができる。Ｔ１・Ｔ２とＴ３・Ｔ４とＴ７９・Ｔ８
０のそれぞれの計測間隔は均一になるように計測制御手
段１８でタイミングを調節する。

【００１５】図２は流れが変化している場合であるが、
図３は流れが流れが小さく安定している場合例えば停止
している場合である。このとき微小流量を検出しなけれ
ばならないので、流量検出には高い分解能が要求され
る。繰り返し回数を増加させることにより微小な伝搬時
間差を積分して、流量分解能を高めることができる。図
３では繰り返し回数を１２回を１計測セットとした場合
であり４回の時に比べて流量分解能は３倍になる。この
ようにしてＴ１０まで１０計測セットまで計測する。前
述の繰り返し回数４回で８０計測セットの場合は音波の
伝搬の合計は３２０回で、繰り返し回数１２回で２６計
測セットの場合には１２０回であり、消費電力は低減で
きる。

【００１６】（実施例２）図４は本発明の実施例２の計
時手段１４を示すブロック図で、計時手段１４には水晶
発信器のような基準クロック１４ａと上流カウンタ１４
ｂ・下流カウンタ１４ｃがある。上流カウンタ１４ｂは
上流送信での伝搬時間を計測するためのものであり、切
換手段１６が切り換えられると基準クロック１４ａから
上流カウンタ１４ｂへ結線され、計測の開始でカウント
が開始され、所定の繰り返しが終了するとカウントが停
止する。

【００１７】次に切換手段１６によって下流送信に切り
換えられると、基準クロック１４ａは下流カウンタ１４
ｃ側に切り換えられる。

【００１８】このとき上流カウンタの値は停止した値を
保持している。前述と同様に下流側の送受信が所定回数
行われて、下流カウンタがカウントして停止する。次に
再び切換手段１６によって送受信器１６ａ・１６ｂが上
流送信に切り換えられる、基準クロック１４ａは上流カ
ウンタ側へ結線され、送信の開始とともに上流カウンタ
が先ほどのカウンタ値から継続して累積のカウンタ値を
カウントする。以降この動作を繰り返し、計測回数手段
１８ａで設定された回数の計測セットの測定が終了する
までカウンタ値を積算する。上流と下流のカウンタの積
算値はそれぞれ記憶手段１５へ読み込まれ流量演算手段
１７で流量値に換算される。

【００１９】（実施例３）図５は本発明の実施例３の要
部を示すブロック図である。繰り返し送信が終了した後
に位相遅延手段１９を通過する。すなわちカウンタはこ
の遅延時間の分だけ遅れて停止する。この遅延時間は基
準クロック１４ａの１周期をＴｃとするとＴｃ／ｎ（ｎ
は整数）単位で調節が可能で、遅延設定手段２０で計測
セット毎に変更することができる。

【００２０】次に位相遅延手段１９の動作について述べ
る。先ず１回目の計測セットで上流送信されるときには
遅延時間Ｔｄ１＝０に設定され、２回目の計測セットで
下流送信では同様にＴｄ２＝０に設定される。次に３回
目の計測セット（上流送信）では遅延時間Ｔｄ３＝Ｔｃ
／ｎに設定され、４回目の計測セット（下流送信）も同
様にＴｄ４＝Ｔｃ／ｎである。５回目と６回目の計測セ
ットでは遅延時間Ｔｄ５＝Ｔｄ６＝２＊Ｔｃ／ｎに設定
され、以降Ｔｃ／ｎずつ遅延時間が増加する。そして２
＊Ｎ回以降になると初期値のゼロになる。

【００２１】この結果、伝搬時間がわずかな変化であっ
てもカウンタ値の差となってあらわれることになり、基
準クロックの周期以下の微小な伝搬時間の差が検出でき
るので、微小な流量の計測される。理論的には基準クロ
ックの周期を１／Ｎにしたと同等の分解能が得られる。
遅延時間のの切換は、ディレイライン素子のタップを切
り換えたり、デジタル回路ゲート遅延を切り換えること
で達成される。

【００２２】なお、遅延時間の位置は計測セットが開始
から停止までのどの位置に入れてもよい。この遅延時間
はわずかな値なので伝搬時間の絶対値への影響はきわめ
て小さいが、既知の値であるので必要であれば流量演算
の際に補正することが可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１〜２に記
載の発明によれば、定常流や脈動流に関わらず平均流量
を高精度に計測できる。また請求項３〜８に記載の発明
によれば消費電力を増加させることなく脈動流を正確に
計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の流量計測装置のブロック図

【図２】同装置の流量波形図

【図３】同装置の他の流量波形図

【図４】本発明の実施例２の流量計測装置の要部ブロッ
ク図

【図５】本発明の実施例３の流量計測装置の要部ブロッ
ク図

【図６】従来の流量計測装置のブロック図

【図７】同装置の流量波形図

【符号の説明】

５ 流体管路 ６ａ、６ｂ 送受信器（第１送受信器、第２送受信器） １０ 繰り返し回数設定手段 １１ 繰り返し手段 １４ 計時手段 １４ａ 基準クロック １４ｂ 上流カウンタ １４ｃ 下流カウンタ １５ 切換手段 １７ 流量演算手段 １８ 計測制御手段 １９ 位相遅延手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹村 晃一 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 DA19

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体中に音波を送信または受信する送受
   信器と、前記送受信器間の音波伝搬時間を計測する計時
   手段と、前記の音波伝搬計測を一つの計測セットとして
   複数の計測セットを実施する計測制御手段と、前記計測
   セットの計測開始から終了までのいずれかに設けられた
   遅延時間を調節する位相遅延手段と、それぞれの音波伝
   搬時間の値を積算し流量を算出する流量演算手段とを備
   えた流量計測装置。
2. 【請求項２】 位相遅延手段は計測セットによって遅延
   時間を調節する請求項１記載の流量計測装置。
3. 【請求項３】 位相遅延手段の遅延時間は、音波伝搬時
   間を計測する計時手段の基準クロックの周期よりも１／
   ２以下の値である請求項１記載の流量計測装置。