JP2003337055A - 流量計測装置 - Google Patents
流量計測装置Info
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- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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Abstract
極間容量が温度によって大きく変化した場合であって
も、精度良く伝搬時間を測定し、正確な流量測定を課題
とするものである。 【解決手段】 振動子2の出力を受けるインピーダンス
を振動子2の電極間容量がもつインピーダンスに対し十
分小さくしてある。このため受信信号のタイミング遅延
への影響が振動子2のインピーダンス変化に比べ振動子
2の出力を受けるインピーダンスのほうが支配的とな
り、振動子2のインピーダンス変化が受信信号のタイミ
ング遅延へ及ぼす影響を低減し、伝搬時間測定の精度が
向上し正確な流量測定ができる。
Description
するものである。
すように流体管路1に設けられ超音波信号を送受信する
第1の振動子2及び第2の振動子3とを流れの方向に相
対して設け、駆動手段4によって第1の振動子2を駆動
し超音波を送信する。この超音波を第2の振動子3で受
信し、受信した信号から受信検知手段7で受信タイミン
グを決定する。計時手段8は駆動手段4が第1の振動子
2を駆動してから受信検知手段7が受信タイミングを決
定するまでの時間を計測することによって伝搬時間を測
定する。また切替手段6によって超音波を送受する方向
を変え逆方向の超音波の伝搬時間を測定し、両方向の伝
搬時間の逆数差より流量を流量演算手段9によって演算
し求めていた。
の流量計測装置の受信側振動子は、等価回路を示す図2
のように、超音波振動を電気信号に変換する信号源11
と、振動子の内部インピーダンス12(値をZoとす
る。)と、振動子の電極間容量13(値をCとする)か
らなっており、前記振動子から出力される信号は超音波
の振動に対し、内部インピーダンス12と電極間容量1
3で決まるタイミングだけ遅れて電気信号として出力さ
れる。つまり遅延時間は(C×Zo)の値に比例した値
となり、その遅延量はCやZoが大きいほど大きくな
る。
の値が大きく変化し、出力信号の遅延量が変わるので正
確な時間測定ができない。このため温度が変化した場合
であっても精度良く伝搬時間を測定し、正確な流量測定
値を得ることが課題であった。
スは、大きくしたほうが信号電圧を大きくとることがで
きるので、一般的には大きなインピーダンスの回路で振
動子の出力を受けるのが普通であった。また振動子の電
極間容量13、電極間容量13の温度変動等による変化
と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係
と、測定精度の向上を明確にしたものはなかった。
ば、いずれが受信側になっても(C×Zo)の値も同じ
でタイミング遅延量が同じになるので、流量計測のため
の重要な要素である伝搬時間に誤差が生じない。ところ
が一対の振動子の特性が揃っていなかった場合、第1の
振動子2と第2の振動子3とで(C×Zo)が異なり、
第1の振動子2が受信側になる場合と第2の振動子3が
受信側になる場合とで、振動子の出力信号のタイミング
遅延量が異なってしまい、計時手段8によって受信側、
送信側を逆にして測定される伝搬時間を正確に測定でき
なくなるため、流量演算手段19で求める流量計測値に
も誤差が生じてしまう。
では、超音波振動子は特性の揃ったものを用いないと計
測精度を確保できないという問題があり、しかも図3に
示すように、温度変動による電極間容量の変化が振動子
によって一様ではないため、温度変化を与えてその内部
インピーダンスの変化や電極間容量の変化を測定し同特
性のものを揃えるベアリング作業が必要であり、手間ど
るという問題があった。
子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係または
振動子の電極間容量13の温度変動等による変化と振動
子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係を明確
に規定し流量測定精度の向上を実現することを目的とす
る。
にして用いても、計測精度を確保することができる流量
計測装置を提供することを目的とする。
するため、受信側振動子の出力を低入力部で受け、その
入力インピーダンスを振動子の内部インピーダンスより
も低く設定している。この構成により、低入力部の低い
入力インピーダンスが受信信号のタイミング遅延量を支
配するようになる。その結果、振動子の電極間容量の変
化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減し、
伝搬時間測定の精度が向上するものである。
る流量計測装置は、受信側振動子のインピーダンスに対
し十分に小さい入力インピーダンスで前記振動子の受信
出力を受ける低入力部を有する。
ピーダンスが受信信号のタイミング遅延量を支配するよ
うになる。その結果、振動子の電極間容量の変化が受信
信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減し、伝搬時間
測定の精度が向上するものである。そして伝搬時間測定
の精度が向上し、振動子のインピーダンスが温度、経過
時間、湿度などの影響によって変化した場合であって
も、あるいは特性の異なる振動子をペアとして用いてい
る場合であっても、時間を正確に測定することができ、
高精度の流量計測装置を実現できる。
は、受信側振動子のインピーダンスの1/2以下の入力
インピーダンスで前記振動子の受信出力を受ける低入力
部を有するものであり、具体的な低い入力値で受信信号
のタイミング遅延をより支配でき、振動子の電極間容量
の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響をより
低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。そ
して伝搬時間測定の精度が向上し、振動子のインピーダ
ンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化し
た場合であっても、時間を正確に測定することができ、
高精度の流量計測装置を実現できる。
置は、必要な時間精度をt、振動子の電極間容量の変化
量、例えば装置使用温度範囲の最高温度と最低温度との
間における変化量をΔC1、低入力部の入力インピーダ
ンスをZとしたとき、それぞれの関係がt>ΔC1×Z
となるようZを設定したものである。こうすることによ
り、遅延時間変動がほぼΔC1×Zとなり、振動子のイ
ンピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によっ
て変化した場合であっても、遅延時間の変化が許容精度
内となり、時間を正確に測定することができるので、高
精度量計測装置を実現できる。
装置は、必要な時間精度をt、一対の振動子間の電極間
容量の差の変化量、例えば装置使用温度範囲の最高温度
と最低温度との間における変化量をΔC2、低入力部の
入力インピーダンスをZとし、t、ΔC2、Zの関係
を、t>ΔC2×Zとなるよう設定したものである。そ
して、Zをこのように設定すると、2つの振動子間のイ
ンピーダンス差が温度、経過時間、湿度などの影響によ
って変化した場合であっても、時間差の変動は最大でΔ
C2×Zとなる。このため、請求項3、9で述べたZと
比べ、請求項4、10のZを大きな値とすることがで
き、より容易に測定精度を満足する入力インピーダンス
を設定することができる。流量演算は伝搬時間の逆数差
より求めているため、高精度量計測装置を実現できる。
は、低入力部を、低抵抗器と増幅器によって構成するの
で、簡単な構成で容易に精度の高い低入力部を実現する
ことができる。
は、低入力部を、インピーダンス変換器によって構成す
るので、簡単な構成で容易に精度の高い低入力部を実現
することができる。
説明する。
す全体のブロック図である。図2は本発明の振動子の等
価回路である。図3は本発明の第1および第2の振動子
の電極間容量の温度特性を示すグラフである。
測定流体が流れる。2、3は第1の振動子及び第2の振
動子であり超音波信号を送受信する。4は駆動手段であ
り、前記振動子を駆動する。5は低入力部であり、振動
子2、3の出力信号を低インピーダンスで受ける。6は
切替え手段であり振動子2、3と駆動手段4、低入力部
5との接続を切替える。7は受信検知手段であり低入力
部5の出力信号から、受信タイミングを検知し出力す
る。8は計時手段であり、スタート信号が入力されてか
ら受信検知手段7の出力を受けるまでの時間を測定す
る。9は流量演算手段であり、計時手段8の出力より演
算によって流量を求める。10は制御部であり、切替手
段6を設定した後に駆動手段4と計時手段8にスタート
信号を出力する。
搬時間を測定する方向に切替手段6を制御する。ここで
は第1の振動子2から第2の振動子3への伝搬時間を測
定するので、第1の振動子2と駆動手段4とを、第2の
振動子3と低入力部5とをそれぞれ接続する。次に制御
部10から駆動手段4と計時手段8とにスタート信号を
出力し、駆動手段4は第1の振動子2を駆動する信号を
出力し、計時手段8は計時を開始する。駆動された第1
の振動子2からは超音波が送信される。そして第2の振
動子3によって受信した受信信号を低入力部5で受け、
受信検知手段7によって受信検知し、計時手段8の計時
を停止させる。計時手段8は流量演算手段9に計時結果
を出力する。次に制御部10は切り替え手段6を制御し
逆方向の伝搬時間を測定するよう切替手段6の接続を設
定する。以下同様に逆方向の測定を実施し、測定結果を
演算手段9に出力する。流量演算手段9では、両方向の
伝搬時間の逆数差に定数を乗ずることによって流量を求
める。
信号を電気信号に変換し出力する信号源11と、内部イ
ンピーダンス12(値をZoとする)と、電極間容量1
3(値をCとする)よりなる。出力する信号はインピー
ダンス12と電極間容量13で決まる時間遅延して出力
され、インピーダンス12と電極間容量13が大きいほ
ど遅延量は大きくなる。なお、振動子は周知のように、
一対の電極間に圧電素子を配し、一方の電極に振動板を
固着して、一対の電極間に電圧を印加することにより圧
電素子を振動させて超音波を送信できるように構成さ
れ、また前記振動板に超音波を受信したとき、これを圧
電素子により電圧に変換できるように構成されている。
電極間容量13の温度による変化は一般的に振動子によ
って個体差があり、その個体差によって、前述したよう
に振動子が出力する信号の遅延時間が異なり測定誤差と
なる。
受信側振動子の電極間容量13がもつインピーダンス1
2に比べ小さな値の低入力部5で受けている。そして振
動子が出力する信号の遅延時間は、電極間容量13と低
入力部5の値で決まるが、低入力部5のインピーダンス
を、小さくすることによって、電極間容量13のばらつ
きや変動の影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上
し、振動子の電極間容量13が温度、経過時間、湿度な
どの影響によって変化した場合であっても、時間を正確
に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現で
きる。
受信側振動子の内部インピーダンス12と電極間容量1
3の並列接続から成るインピーダンスの1/2以下の入
力インピーダンスとすることによって、受信側振動子が
出力する信号の遅延量が、振動子の電極間容量13のに
よる変化に比べ振動子の出力を受ける低入力部5のほう
がより支配的となり、電極間容量13の変化が受信信号
のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減する。そして、伝
搬時間測定の精度が向上し、振動子の電極間容量13が
温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合
であっても、時間を正確に測定することができ、高精度
の流量計測装置を実現できる。
子にインピーダンスZの低入力部5が接続され、例えば
前記Zが振動子のインピーダンスZoの1/10の場合
には、ZとZoとが並列関係にあるため、接続後の全体
としてのインピーダンスZ’は次式に示される。
延時間に対し、低入力部5を備えた本発明の遅延時間は
1/11となるので、この場合、第1の振動子2と第2
の振動子3との間に電極間容量13の差があっても、こ
れが伝搬時間測定の精度に及ぼす悪影響を、従来例に比
較し1/11に低下させることができる。
容される時間精度)をt、第1の振動子あるいは第2の
振動子2、3の電極間容量の変化量をΔC1、低入力部
5の入力インピーダンスをZi1とし、t、ΔC1、Z
i1の関係を、t>ΔC1×Zi1となるようZを設定
することによって、遅延時間変動はほぼΔC・Zi1と
なり、振動子の電極間容量13が温度、経過時間、湿度
などの影響によって変化した場合であっても、必要な時
間精度内の遅延時間で超音波の伝搬時間を測定すること
ができ、高精度量計測装置を実現できる。
明すると、例えば第2の振動子3の電極間容量が図3に
示すような温度特性を有しているので、装置の使用が予
定されている所定温度範囲T1〜T2(一般に使用可能最
低温度T1を−25℃、使用可能最高温度T2を60℃と
していることが多い。)における最高使用温度T2と最
低使用温度T1とでは、電極間容量において図3にΔC
1に示すような差が生じる。この電極間容量の変化量Δ
C1と、遅延時間の変化に対して許容される時間精度t
とから、上記の関係式を満足するように低入力部5のイ
ンピーダンスZi1を定めている。
逆数差に定数を乗じているため、両方向への振動子出力
信号の遅延時間の絶対値の変動に対し、遅延時間の差の
変動が精度に与える影響が支配的である。そのため必要
な時間精度をt、第1の振動子と第2の振動子間の電極
間容量差の変化量をΔC2、低入力部12の入力インピ
ーダンスをZi2とし、t、ΔC2、Zi2の関係を、
t>ΔC2×Zi2となるよう設定することによって、
2つの振動子間の電極間インピーダンス13のインピー
ダンス差が温度、経過時間、湿度などの影響によって変
化した場合であっても、遅延時間変動差はほぼΔC2・
Zi2となる。ここで、ΔC2とΔC1の関係はΔC2
<ΔC1、許容遅延時間は同じなので、Z2>Z1とす
ることができ、より容易に低入力部5を実現することが
できる。また必要な時間精度内の遅延時間で伝搬時間を
正確に測定することができ、高精度量計測装置を実現で
きる。
明すると、図3に示す例の場合、温度Txにおいて、第
1の振動子2の電極間容量と第2の振動子3の電極間容
量との間には電極間容量差ΔCxがある。このΔCxは
温度によって変化しており、最高使用温度T2のときΔ
C’2、最低使用温度T1のときΔC’1とすると、前記
ΔC2は、ΔC2=ΔC’2−ΔC’1で表わされる。こ
の電極間容量差の変化量ΔC2と、遅延時間の変化に対
して許容される時間精度tとから、上記の関係式を満足
するように低入力部5のインピーダンスZi2を定めて
いる。
の詳細な構成を示す図である。図4(a)は低入力部5
を、低抵抗器14と増幅器15によって構成し、入力信
号を低抵抗器14で受けるので、入力インピーダンスZ
はほぼ低抵抗器14の抵抗値で決まる。その電圧信号を
増幅器15で必要な一定レベルの電圧に増幅し出力する
ので、簡単な構成で必要な入出力特性をもつ低入力部を
実現することができる。
ーダンス変換器であるトランス16によって実現してい
る。そのため、入力インピーダンスは入力側の巻き線1
7と、出力側巻き線18の巻き数比と、出力側巻き線1
8に接続された抵抗19とで決めることができるので、
出力簡単な構成で容易に低入力部5を実現することがで
きる。
段20、遅延手段22を備えている外は、図1に示す実
施例と同様に構成されている。従って、図1に示す各要
素と同一符号の要素についての説明は原則として省略す
る。
の比較手段7aから出力があると繰り返し信号をトリガ
手段21に出力する。前記遅延手段22は、トリガ手段
21から出力があると、所定の遅延時間を設定する。
あり、遅延手段22の遅延時間終了の信号を受けてか
ら、切替手段6を介して振動子を駆動する。計時手段8
は、スタート手段24から計測開始信号が出力されてか
ら、低入力部5からの受信タイミング信号を受けるまで
の時間を測定する。流量演算手段9は、計時手段8の測
定時間と遅延手段22の遅延時間により流量演算を行
う。
いて、以下その動作、作用について説明する。
出力すると、繰り返し手段20は切替手段6を動作させ
て、第1の振動子2を送信に、第2の振動子3を受信に
する。すなわち、第1の振動子2を駆動手段4に、第2
の振動子3を低入力部5の低インピーダンス受信手段1
4にそれぞれ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信号が伝搬されることにな
る。
て計時手段8が時間計測を開始する。また、繰り返し手
段20はトリガ手段21を動作させ、遅延手段22はト
リガ手段21のトリガ信号によって、遅延時間を計測開
始する。駆動手段4は、トリガ手段21から出力があ
り、遅延手段22の計時終了時に第1の振動子2を駆動
し、流路1内に超音波信号を送信させる。
の振動子3に所定の伝搬時間後に到達する。受信信号は
前記低入力部5に出力され、低入力部5は低インピーダ
ンス受信手段14で入力し、低入力部5からの出力信号
を受信検知手段7で受信タイミング検知する。
ルまで増幅された後に、受信検知手段7の比較手段7a
に出力され、内蔵する基準値と比較され、それ以上であ
ると増幅信号は繰り返し手段20に出力される。
動作させると共に、遅延手段22を動作させる。遅延手
段22で所定の時間計時すると、トリガ手段21は駆動
手段4を動作させて第1の振動子2を駆動し、再度超音
波信号を送信させる。以降、繰り返し手段20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。
を停止し、流量演算手段9は計時手段8の値を読み込
む。測定時間をT、遅延手段22の設定値をTdとする
と、第1の振動子2から第2の振動子3へ超音波信号を
伝搬する伝搬時間T1は、繰り返し回数をNとするとT
1=(T−Td×N)/Nとなり、この値を流量演算手
段9に記憶する。
せ、繰り返し手段20と計時手段8の値を初期値にす
る。そして切替手段6を動作させて、第1の振動子2を
低入力部5に接続し、第2の振動子3を駆動手段4に接
続する。上記と同様にして今度は下流側から上流側に超
音波信号が伝搬されることになる。
音波信号の伝搬時間はT2となるが、流体管路1に流れ
があれば下流側から上流側への伝搬時間は長くなるので
T1>T2となり、T1とT2の逆数差を流量演算手段
9で求め、さらに流路1の断面積や流れの状態等を考慮
して流量値を演算する。
置は振動子の内部インピーダンスに比べ、小さなインピ
ーダンスで振動子の出力を受けているので、振動子の電
極間容量が温度、経過時間、湿度などの影響によって変
化した場合であっても、あるいは特性の異なる振動子を
ペアとして用いる場合であっても、振動子出力信号の遅
延時間変化が小さく、超音波の伝搬時間を正確に測定す
ることができ、高精度量計測装置を実現できるという効
果がある。
ク図。
の温度特性図。
を示す一例図。
ロック図。
Claims (14)
- 【請求項1】 流体管路に設けられ超音波信号を送受信
する一対の振動子と、前記振動子の送受信の切替え手段
と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低
入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段
と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の
超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段
の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備
え、前記低入力部が、前記振動子のインピーダンスより
も低い入力インピーダンスである超音波流量計。 - 【請求項2】 低入力部は、入力インピーダンスが入信
側振動子の1/2以下のインピーダンスである請求項1
記載の流量計測装置。 - 【請求項3】 必要な時間精度をt、振動子の電極間容
量の変化量をΔC1、低入力部の入力インピーダンスを
Zとし、t、ΔC1、Zの関係が、 t>ΔC1×Z の関係となるように設定されている請求項1または2記
載の流量計測装置。 - 【請求項4】 必要な時間精度をt、一対の振動子の電
極間容量差の変化量をΔC2、低入力部の入力インピー
ダンスをZとし、t、ΔC2、Zの関係が、 t>ΔC2×Z の関係となるように設定されている請求項1または2記
載の流量計測装置。 - 【請求項5】 低入力部を、低抵抗器と増幅器によって
構成する請求項1から4のいずれかに記載の流量計測装
置。 - 【請求項6】 低入力部を、インピーダンス変換器によ
って構成する請求項1から4のいずれかに記載の流量計
測装置。 - 【請求項7】 流体管路に設けられ超音波信号を送受信
する一対の振動子と、前記振動子の受信出力を受ける低
入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知
する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段
と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手
段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する
流量演算手段と、一方の振動子を送信側の前記駆動手段
に、他方の振動子を受信側の前記低入力部にそれぞれ接
続すると共に送受信を切替える切替え手段とを備え、前
記低入力部が前記振動子のインピーダンスに対し、並列
でかつ低いインピーダンスを有するものである超音波流
量計。 - 【請求項8】 一対の振動子として、特性が異なる第1
の振動子と第2の振動子とを用いる請求項7記載の流量
計測装置。 - 【請求項9】 一対の振動子のいずれかの電極間容量の
所定範囲温度における最高温度と最低温度との間におけ
る変化量をΔC1、計時時間に対して許容される時間精
度をtとしたとき、低入力部の入力インピーダンスZ
が、 t>ΔC1×Z の関係となるように設定されている請求項7または8記
載の流量計測装置。 - 【請求項10】 一対の振動子の電極間容量の差の所定
範囲温度における最高温度と最低温度との間における変
化量をΔC2、計時時間に対して許容される時間精度を
tとしたとき、低入力部の入力インピーダンスZが、 t>ΔC2×Z の関係となるように設定されている請求項7または8記
載の流量計測装置。 - 【請求項11】 流体管路に設けられた一対の振動子間
で超音波の送受信を行い、前記超音波の伝搬時間を計測
し、前記計測した結果に基づいて流体管路を流れる流体
の流量を測定する流量測定方法であって、前記振動子の
電極間容量の変化による超音波伝搬時間の計測ズレを抑
制しながら超音波の伝搬時間の計測を行う流量測定方
法。 - 【請求項12】 流体管路に設けられた一対の振動子間
で超音波の送受信を行い、前記送信側の振動子から出力
される送信開始信号と前記受信側の振動子から出力され
る受信終了信号とから前記超音波の伝搬時間を計測し、
前記計測した結果に基づいて流体管路を流れる流体の流
量を測定する流量測定方法であって、前記振動子の電極
間容量が変化しても受信側の振動子から出力される信号
の遅延時間を抑制しながら超音波の伝搬時間の計測を行
う流量測定方法。 - 【請求項13】 振動子の電極間容量の変化は温度、経
過時間、湿度により生じる請求項11または12記載の
流量測定方法。 - 【請求項14】 流体管路に設けられ超音波信号を送受
信する一対の振動子と、前記振動子間の超音波の伝搬時
間を計測する計時手段と、前記計時手段の計測結果に基
づいて前記流体管路内の流体の流量を算出する流量演算
手段と、前記振動子の電極間容量の変化による超音波伝
搬時間の計測ズレを抑制する抑制手段とを備えた流量計
測装置。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002255248A JP3585476B2 (ja) | 2002-03-15 | 2002-08-30 | 流量計測装置 |
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