JP2003302270A - 超音波流速測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価な電子部品を用いることなくシングアラ
ウンド法における遅延時間を精度良く計測することがで
き、ひいては経済的な超音波流速測定方法の提供を目的
とする。 【解決手段】 送信側の超音波振動子２から送信された
超音波を受信側の超音波振動子３で受信した時から一定
の遅延時間ｔの経過後に、再び送信側の超音波振動子２
から超音波を送信することを連続して複数回繰り返し、
最初に送信側の超音波振動子２から超音波が送信されて
から、所定回数の送信後に受信側の超音波振動子３に超
音波が受信されるまでの全時間Ｔを測定し、その全時間
Ｔに基づいて超音波の伝搬時間τを求める。このとき、
受信側の超音波振動子３に受信された超音波に対応する
受信波の波数をカウントすることにより遅延時間ｔを計
測する。

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、超音波を利用し
てガスその他流体の流速を測定する超音波流速測定方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスその他の流体の流量を求めるに際
し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、こ
れに基いて流量を演算することが行われている。そし
て、このような流体の流速測定方法の一つとして、超音
波を利用した方法が知られている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図４
にて説明すると次のとおりである。図４において、
（１）は内部をガス等の流体が流れる超音波流速測定管
である。この超音波流速測定管（１）内には、流れ方向
の上流側及び下流側に、所定距離を隔てて超音波振動子
（２）（３）が配置されている。この超音波振動子
（２）（３）は、駆動パルス発生回路（４）からの駆動
パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する
一方、送信されてきた超音波を受信するもので、その超
音波振動子（３）（２）が振動したときの受信波が受信
増幅回路（５）から出力されるものとなされている。

【０００４】そして、上流側の超音波振動子（２）から
流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音
波振動子（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側
の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信さ
れた超音波が上流側の超音波振動子（２）で受信される
までの伝搬時間との差は、流速に関係することから、こ
の伝搬時間差を前記受信波を用いて求めることにより流
体の流速を測定するものとなされている。

【０００５】なお、図４において、（６）は各超音波振
動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）及び受信
増幅回路（５）の接続を切替える切替回路であり、まず
駆動パルス発生回路（４）と上流側の超音波振動子
（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路
（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間を測
定したのち、該切替回路（６）の作動により駆動パルス
発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側
の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続さ
れるように切替えて、下流側から上流側への伝搬時間を
測定するものとなされている。

【０００６】ところで、超音波の伝搬時間のばらつきに
よる誤差を軽減するために、シングアラウンド法という
超音波流速測定方法が知られている。このシングアラウ
ンド法は、図５に示すように、送信側の超音波振動子
（２）（３）から送信された超音波が受信側の超音波振
動子（３）（２）に受信されると同時に、再び送信側の
超音波振動子（２）（３）から超音波を送信することを
連続して複数回（ｎ回）繰り返す。そして、第１回目の
超音波送信時から第ｎ回目の超音波受信時までの伝搬時
間和を求め、その伝搬時間和を超音波の送信回数で除算
することにより超音波の伝搬時間τを求める。

【０００７】ところが、送信側の超音波振動子（２）
（３）から送信された超音波の一部は、受信側の超音波
振動子（３）（２）で反射して送信側の超音波振動子
（２）（３）に向かい、さらに送信側の超音波振動子
（２）（３）で反射して受信側の超音波振動子（３）
（２）に向かう。即ち、送信側の超音波振動子（２）
（３）から３回目に送信された超音波と、送信側の超音
波振動子（２）（３）から１回目に送信された上述の反
射超音波は、ほぼ同時に超音波振動子（２）（３）から
出て、ほぼ同時に受信側の超音波振動子（３）（２）に
受信される。このため、送信側の超音波振動子（２）
（３）から３回目に送信された超音波を検出するにあた
り、１回目に送信された上述の反射超音波がノイズとな
り、超音波の伝搬時間の測定に誤差が生じるという難点
があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記難点を解
消するために、図２に示すように、受信側の超音波振動
子（３）（２）により超音波を受信してから、次に送信
側の超音波振動子（２）（３）から超音波を送信するま
でに一定の遅延時間ｔをおく方法が知られている。これ
によれば、送信側の超音波振動子（２）（３）から３回
目に送信された超音波と、送信側の超音波振動子（２）
（３）から１回目に送信された上述の反射超音波とが重
なることを防止することができる。

【０００９】しかしながら、従来の上記方法では、受信
側の超音波振動子（３）（２）で超音波を受信してから
送信側の超音波振動子（２）（３）で超音波を送信する
までの遅延時間ｔを計測するのに、高価な水晶等からな
る電子回路によるタイマーを利用していたため、汎用的
な流量計に適用するには経済的ではないという問題があ
った。

【００１０】この発明は、上述の問題に鑑みてなされた
ものであって、高価な電子部品を用いることなくシング
アラウンド法における遅延時間を精度良く計測すること
ができ、ひいては経済的な超音波流速測定方法の提供を
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、超音波流速測定管を流れる計測流体の
上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子を配置し、前記
各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するととも
に、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の
伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定
方法であって、送信側の超音波振動子から送信された超
音波を受信側の超音波振動子で受信した時から一定の遅
延時間の経過後に、再び送信側の超音波振動子から超音
波を送信することを連続して複数回繰り返し、最初に送
信側の超音波振動子から超音波が送信されてから、所定
回数の送信後に受信側の超音波振動子に超音波が受信さ
れるまでの全時間を測定し、その全時間に基づいて超音
波の伝搬時間を求めるに際して、受信側の超音波振動子
に受信された超音波に対応する受信波の波数をカウント
することにより前記遅延時間を計測することを特徴とす
る。

【００１２】これによれば、シングアラウンド法におけ
る遅延時間の計測は受信波の波数をカウントすることに
より行うので、高価な電子部品を用いることなくシング
アラウンド法における遅延時間を精度良く計測すること
ができる。このため超音波の伝搬時間を低コストで精度
良く測定することができ、ひいては当該方法を汎用の流
量計にきわめて経済的に適用することが可能となる。

【００１３】また、この発明は、超音波流速測定管を流
れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子
が配置され、前記各超音波振動子から相互に超音波を発
生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信
し、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定
する超音波流速測定装置であって、送信側の超音波振動
子から送信された超音波を受信側の超音波振動子で受信
した時から一定の遅延時間の経過後に、再び送信側の超
音波振動子から超音波を送信することを連続して複数回
繰り返し、最初に送信側の超音波振動子から超音波が送
信されてから、所定回数の送信後に受信側の超音波振動
子に超音波が受信されるまでの全時間を測定し、その全
時間に基づいて超音波の伝搬時間を求めるものとなさ
れ、受信側の超音波振動子に受信された超音波に対応す
る受信波の波数をカウントすることにより前記遅延時間
を計測する計測手段が設けられていることを特徴する。

【００１４】これによれば上記超音波流速測定方法を簡
単かつ確実に実現することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次にこの発明の一実施形態につい
て説明する。

【００１６】図１は、この発明を実施するための超音波
流速測定装置を示すものである。図１において、（１）
は流速測定管、（２）（３）は流れ方向の上流側および
下流側に所定距離を隔てて配置された超音波振動子、
（４）は駆動パルスを発生する駆動パルス発生回路、
（５）は超音波振動子（２）（３）で超音波を受信した
ときに受信波を出力する受信増幅回路、（６）は超音波
振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）および
増幅回路（５）の接続を切り替える切替回路であり、こ
れらは図４に示したものと同じである。

【００１７】この実施形態では、受信増幅回路（５）の
出力側にゼロクロス検知回路（７）が設けられている。
このゼロクロス検知回路（７）は、図３に示すように、
受信回路（５）から出力される受信波の各ゼロクロスす
時点を検知して、各ゼロクロス時点ごとに後述の遅延時
間計測用カウンタ（８）および伝搬時間測定用カウンタ
（９）にゼロクロス信号を送信する回路である。

【００１８】また、ゼロクロス検知回路（７）の一方の
出力側には遅延時間計測用カウンタ（８）が設けられ、
さらに遅延時間計測用カウンタ（８）の出力側には前記
駆動パルス発生回路（４）が設けられ、帰還ループを構
成している。

【００１９】この遅延時間計測用カウンタ（８）は、図
３に示すように、ゼロクロス検知回路（７）から送信さ
れてくる各ゼロクロス信号に基づいて、受信波が出力を
開始した時点から受信波の波数をカウントし、所定の波
数をカウントしたところで駆動パルス発生回路（４）に
駆動信号を送信する回路である。即ち、遅延時間計測用
カウンタ（８）は、受信波において所定の波数をカウン
トすれば、受信波の周期２Ｔ0が一定であることから、
（所定の波数）×（受信波の１／２周期Ｔ0）からなる
遅延時間ｔを計測したことになる。このため、受信側の
超音波振動子（３）（２）に超音波が受信された時点か
ら、送信側の超音波振動子（２）（３）より超音波を送
信するまでに一定の遅延時間ｔをおくことができる。

【００２０】例えば、遅延時間を受信波８波分の時間に
設定した場合、遅延時間計測用カウンタ（８）は、ゼロ
クロス検知回路（７）からのゼロクロス信号を受信する
毎に受信波の波数を一つずつカウントしていき、受信波
の波数（８波）をカウントした時点で駆動信号を駆動パ
ルス発生回路（４）に送信すれば、（８波）×（受信波
の１／２周期Ｔ0）＝８Ｔ0の遅延時間を計測したことに
なる。

【００２１】このようにシングアラウンド法における遅
延時間ｔの計測は受信波の波数をカウントすることによ
り行うので、高価な電子部品を用いることなくシングア
ラウンド法における遅延時間ｔを精度良く計測すること
ができる。このため後述のように超音波の伝搬時間τを
低コストで精度良く測定することができ、ひいては当該
方法を汎用の流量計にきわめて経済的に適用することが
可能となる。

【００２２】一方、駆動パルス発生回路（４）の出力側
にはクロック回路（９）が設けられている。このクロッ
ク回路（９）は、最初に超音波振動子（２）（３）から
超音波が送信された時点と同期して、一定周期のクロッ
ク波を連続して出力する回路である。

【００２３】また、クロック回路（９）およびゼロクロ
ス検知回路（７）の出力側には伝搬時間測定用カウンタ
（１０）が設けられている。この伝搬時間測定用カウン
タ（１０）は、超音波振動子（２）（３）から第１回目
の超音波が送信された時点から、超音波振動子（３）
（２）に第ｎ回目の超音波が受信されるまでの時点まで
に、前記クロック回路（９）から出力されたクロック波
をカウントする回路である。このクロック波のカウント
値Ｎは、後述の演算回路（１１）に送信される。なお、
伝搬時間測定用カウンタ（１０）は、前記ゼロクロス検
知回路（７）から送信されてくるゼロクロス信号に基づ
いて、超音波振動子（３）（２）に第ｎ回目の超音波が
受信される時点を特定する。

【００２４】また、伝搬時間測定用カウンタ（１０）の
出力側には演算回路（１１）が設けられている。この演
算回路（１１）は、前記カウンタ（１０）から送信され
てきたカウント値Ｎに基づいて超音波の伝搬時間を求め
る回路で、下式［１］［２］の演算を実行する。 Ｔ＝Ｔｓ×Ｎ…［１］ Ｔ：第１回目の超音波が送信されてから第ｎ回目の超音
波が受信されるまでの全時間 Ｔｓ：クロック波の周期 Ｎ：クロック波のカウント値 この上式［１］において、カウント値は第１回目の超音
波が送信されてから第ｎ回目の超音波が受信されるまで
にクロック回路（９）から出力されたクロック波の波数
であるから、このカウント値にクロック波の周期Ｔｓを
乗算することによって、第１回目の超音波が送信されて
から第ｎ回目の超音波が受信されるまでの全時間を求め
ることができる。

【００２５】 τ＝｛Ｔ−（ｎ−１）×ｔ｝／ｎ…［２］ τ：超音波の伝搬時間 ｔ：遅延時間 ｎ：超音波の送信回数 この上式［２］において、ｎ回の超音波の送信のうち、
第１回目の超音波の送信を除いた（ｎ−１）回の各超音
波の送信時にはそれぞれ遅延時間ｔが生じているで、上
式［１］により求めた全時間Ｔから遅延時間和（ｎ−
１）×ｔを減算することによって、超音波の伝搬時間和
｛Ｔ−（ｎ−１）×ｔ｝を求め、さらに超音波の伝搬時
間和｛Ｔ−（ｎ−１）×ｔ｝を超音波の送信回数ｎで除
算することによって、超音波の伝搬時間τを求めること
ができる。

【００２６】次に図１に示した装置を用いた超音波流速
測定方法について説明する。

【００２７】まず、駆動パルス発生回路（４）から駆動
パルスを駆動し、上流側の超音波振動子（２）から超音
波を送信するとともに、その送信と同期してクロック回
路（９）から一定周期Ｔｓのクロック波を連続して出力
する。

【００２８】そして、上流側の超音波振動子（２）から
送信された超音波が下流側の超音波振動子（３）に受信
されると、受信増幅回路（５）からその超音波に対応す
る受信波が出力されるので、ゼロクロス検知回路（７）
において受信波の各ゼロクロス時点を検知して、各ゼロ
クロス時点ごとに遅延時間計測用カウンタ（８）および
伝搬時間測定用カウンタ（９）にゼロクロス信号を送信
する。

【００２９】遅延時間計測用カウンタ（８）は、図 に
示すように、ゼロクロス検知回路（７）から送信されて
くる各ゼロクロス信号に基づいて、受信波が出力を開始
した時点から受信波の波数（例えば８波）をカウント
し、その所定の波数をカウントしたところで駆動パルス
発生回路（４）に駆動信号を送信することによって、
（所定の波数）×（受信波の１／２周期Ｔ0）からなる
遅延時間ｔを計測する。このため、受信側の超音波振動
子（３）（２）に超音波が受信された時点から、送信側
の超音波振動子（２）（３）より超音波を送信するまで
に一定の遅延時間ｔをおくことができる。

【００３０】一方、伝搬時間測定用カウンタ（１０）
は、ゼロクロス検知回路（７）から送信されてくるゼロ
クロス信号に基づいて、超音波振動子（３）（２）に第
ｎ回目の超音波が受信されるまでの時点を特定する。そ
して、伝搬時間測定用カウンタ（１０）は、超音波振動
子（２）（３）から第１回目の超音波が送信された時点
から、超音波振動子（３）（２）に第ｎ回目の超音波が
受信されるまでの時点までに、前記クロック回路（９）
から出力されたクロック波をカウントし、そのカウント
値Ｎを演算回路（１１）に送信する。

【００３１】演算回路（１１）は、伝搬時間測定用カウ
ンタ（１０）から送信されてきたカウント値Ｎに基づい
て超音波の伝搬時間τを求める。即ち、演算回路（１
１）は、上式［１］により、第１回目の超音波が送信さ
れてから第ｎ回目の超音波が受信されるまでの全時間Ｔ
を求める。そして、演算回路（１１）は、上式［２］に
おいて、上式［１］により求めた全時間Ｔから遅延時間
和（ｎ−１）×ｔを減算することによって、超音波の伝
搬時間和｛Ｔ−（ｎ−１）×ｔ｝を求め、さらに超音波
の伝搬時間和｛Ｔ−（ｎ−１）×ｔ｝を超音波の送信回
数ｎで除算することによって、超音波の伝搬時間τを求
める。

【００３２】こうして順方向の超音波の伝搬時間τを求
めたあとは、切替回路（６）の作動により下流側の超音
波振動子（３）と駆動パルス発生回路（４）、上流側の
超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）をそれぞれ接
続して、上述と同様にして逆方向の超音波の伝搬時間
τ’を求める。あとは、これら順方向および逆方向の超
音波の伝搬時間差（τ’−τ）に基づいて流体の流速を
求め、さらに必要に応じて流体の流量を求める。

【００３３】なお、この実施形態では、受信波の周期が
一定の場合について説明したが、送信側および受信側の
超音波振動子の固有振動数により受信波の周期が一定で
ない場合でも適用可能である。即ち、受信波の周期が一
定でなくとも、各回の受信波の波形はほぼ一定であるの
で、各回の受信波において所定の波数をカウントすれば
常に同一の遅延時間を計測することができる。

【００３４】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、シングア
ラウンド法における遅延時間の計測は受信波の波数をカ
ウントすることにより行うので、高価な電子部品を用い
ることなくシングアラウンド法における遅延時間を精度
良く計測することができる。このため超音波の伝搬時間
を低コストで精度良く測定することができ、ひいては当
該方法を汎用の流量計にきわめて経済的に適用すること
が可能となる。

【００３５】請求項２に係る発明によれば、によれば上
記超音波流速測定方法を簡単かつ確実に実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施するための超音波流速測定装置
の一例を示すブロック図である。

【図２】各超音波の受信波の相対関係を示す図である。

【図３】超音波の受信波を示す拡大図である。

【図４】従来の超音波流速測定装置を示すブロック図で
ある。

【図５】従来の各超音波の受信波の相対関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１・・・流速測定管 ２、３・・・超音波振動子 ４・・・駆動パルス発生回路 ５・・・受信増幅回路 ６・・・切替回路 ７・・・ゼロクロス検知回路 ８・・・遅延時間計測用カウンタ ９・・・クロック回路 １０・・・伝搬時間測定用カウンタ １１・・・演算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 英司 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 江下 和雄 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 保田 哲也 京都市下京区中堂寺鍵田町10 関西ガスメ ータ株式会社内 (72)発明者 伊藤 茂行 名古屋市中区錦二丁目２番13号 リコーエ レメックス株式会社内 (72)発明者 平野 真司 名古屋市中区錦二丁目２番13号 リコーエ レメックス株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA16 DA19 DA21 DA22 DA24

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波流速測定管を流れる計測流体の上
   流側と下流側にそれぞれ超音波振動子を配置し、前記各
   超音波振動子から相互に超音波を発生送信するととも
   に、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の
   伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定
   方法であって、 送信側の超音波振動子から送信された超音波を受信側の
   超音波振動子で受信した時から一定の遅延時間の経過後
   に、再び送信側の超音波振動子から超音波を送信するこ
   とを連続して複数回繰り返し、最初に送信側の超音波振
   動子から超音波が送信されてから、所定回数の送信後に
   受信側の超音波振動子に超音波が受信されるまでの全時
   間を測定し、その全時間に基づいて超音波の伝搬時間を
   求めるに際して、 受信側の超音波振動子に受信された超音波に対応する受
   信波の波数をカウントすることにより前記遅延時間を計
   測することを特徴とする超音波流速測定方法。
2. 【請求項２】 超音波流速測定管を流れる計測流体の上
   流側と下流側にそれぞれ超音波振動子が配置され、前記
   各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するととも
   に、送信された超音波を相互に受信し、それら超音波の
   伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定
   装置であって、 送信側の超音波振動子から送信された超音波を受信側の
   超音波振動子で受信した時から一定の遅延時間の経過後
   に、再び送信側の超音波振動子から超音波を送信するこ
   とを連続して複数回繰り返し、最初に送信側の超音波振
   動子から超音波が送信されてから、所定回数の送信後に
   受信側の超音波振動子に超音波が受信されるまでの全時
   間を測定し、その全時間に基づいて超音波の伝搬時間を
   求めるものとなされ、 受信側の超音波振動子に受信された超音波に対応する受
   信波の波数をカウントすることにより前記遅延時間を計
   測する計測手段が設けられていることを特徴とする超音
   波流速測定方法。