JP2004069524A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧の変動や流量の変動による超音波受信信号の振幅変動があっても正確な流量計測を行うことができる流量計測装置を提供する。
【解決手段】変動判定手段１３により電源電圧の変動や流量の変動による超音波受信信号の振幅変動により超音波受信信号到達時間のずれを検出し、ずれ時間を補正手段１６で補正することにより正確な流量計測を行う流量計測装置を提供することが出来る。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用して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電池を電源とし、図１３に示すようなものが一般的であった。この装置は流体の流れる流路３１に設置した第１超音波振動子３２および第２超音波振動子３３と、第１超音波振動子３２、第２超音波振動子３３の送受信を切り換える切換手段３４と、第１超音波振動子３２及び第２超音波振動子３３を駆動する送信手段３５と、受信側の超音波振動子で受信し切り替え手段３４を通過した信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段３６と、増幅手段３６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段３７そなえている。
【０００３】
そして、図１４に示すように基準比較手段３７で基準電圧と比較し大小関係が反転した後の増幅信号の最初のゼロクロス点ａで繰り返し手段３９へ出力信号Ｄを出力する判定手段３８と、この判定手段３８からの信号をカウントし予め設定された回数だけカウントすると共に判定手段３８からの信号を制御手段４２へ出力する繰り返し手段３９と、繰り返し手段３９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段４０と、計時手段４０の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段４１と、流量算出手段４１から算出された流量出力、繰り返し手段３９からの信号を受け送信手段３５の動作を制御する制御手段４２と、判定手段３８、繰り返し手段３９、計時手段４０、流量算出手段４１、制御手段４２から構成されている。
【０００４】
この装置は制御手段４２により送信手段３５を動作させ超音波振動子３２で発信された超音波信号が、流れの中を伝搬し第２超音波振動子３３で受信され、増幅手段３６で増幅後、基準比較手段３７と判定手段３８で信号処理され、繰り返し手段３９を通り制御手段４２に入力される。この動作を予め設定されたｎ回数繰り返し行い、この間の時間を計時手段４０により測定する。そして、第１超音波振動子３２と第２超音波振動子３３とを切換手段３４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝搬時間を測定し、（式１）より流量Ｑを求めていた（超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流へのｎ回分の測定時間をｔ１、下流から上流へのｎ回分の測定時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφ、流量をＱとする）。
【０００５】
Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（（ｎ／ｔ１）−（ｎ／ｔ２））…（式１）
（実際には、式１に流量に応じた係数を乗じて流量を算出する。）
また、増幅手段３６のゲインは受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整しており、前述の流量計測毎に流量計測後、繰り返し手段３９に計測時より少ない回数を設定し、再度超音波信号の送受信を行い、その時の受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。これは繰り返し手段３９に設定された回数の計測を繰り返し中に、図１５の点線で示す受信信号ｂに示すように受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲の下限より下回った回数と、同じく図１５の点線で示す受信信号ｃに示すように所定の電圧範囲の上限より上回った回数をカウントしておきその大小関係で次回の流量計測時のゲインを調整する（例えば下限より下回った回数が多ければゲインをアップして図１５の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の内に入るようにする）。
【０００６】
このように流量計測後に再度超音波信号の送受信を流量計測時より少ない回数で行うのは、上記の電圧範囲を逸脱した回数を流量計測時の設定回数分カウント出来るだけカウンタの桁数を多くとっていない場合であり、カウンタの桁数を流量計測時の設定回数分カウント出来るように多くして、流量計測後にゲイン調整のための超音波信号の送受信をやらないものもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置は、電源電圧変動による基準比較電圧の変動やノイズによる超音波の受信信号の変動、流量の変動による超音波の受信信号の変動により本来の基準比較電圧とは異なった比較電圧で超音波の到達時間を判定してしまい、超音波駆動周波数の１周期分のずれを生じることがあった。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、基準電位等の変動により超音波の到達時間の誤判定を補正することにより正確な流量計測が可能な流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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基準比較手段の基準電位の変動、ノイズによる超音波の受信信号の変動、流量の変動による超音波の受信信号の変動で超音波周波数の所定周期分のずれを判定する変動判定手段を設け、この時間を補正することにより正確な流量計測をすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項２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第１振動子及び第２振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記振動子間の相互の超音波信号の送受信を複数回行う繰り返し手段と、前記繰り返し手段で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段、前記第１振動子及び前記第２振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記計時手段の計時した時間を記憶し計時の都度更新する記憶手段と前記計時手段と記憶手段の時間を比較する比較手段とを備え超音波駆動周波数の所定周期分ずれたことを判定する変動判定手段と、前記変動判定手段で判定したずれを補正する補正手段とを備えた流量計測装置とすることで、正確な流量計測を行う流量計測装置とすることが出来る。
【００１１】
請求項３に記載の発明の変動判定手段は、基準比較手段の出力パルス数により超音波周波数の一周期分のずれを判定しパルスを出力する基準変動判定手段と、超音波信号の送受信の繰り返し期間中前記基準変動判定手段からの信号を記憶するパルス記憶手段とを備え、超音波周波数の所定周期分のずれを判定する請求項１記載の流量計測装置とすることで正確な流量計測を行うことが出来る。
【００１２】
請求項４に記載の発明の変動判定手段は、判定手段の出力パルス数により超音波周波数の一周期分のずれを判定しパルスを出力する基準変動判定手段と、超音波信号の送受信の繰り返し期間中前記基準変動判定手段からの信号を記憶するパルス記憶手段とを備え、超音波周波数の所定周期分のずれを判定する請求項１記載の流量計測装置とすることで正確な流量計測を行うことが出来る。
【００１３】
請求項５に記載の発明の変動判定手段は、所定値以上のずれを流量変動とする請求項１記載の流量計測装置とすることで、流量が大幅に変動した場合でも誤計測すること無く正確な流量計測が出来る。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の流量計測装置の手段の全てもしくは一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。そして、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側装置の一部あるいは全てを容易に実現することができ超音波振動子の変更または経年変化等の特性の変化や動作を実現するための設定条件や定数の変更が柔軟に対応に出来る。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。
【００１５】
【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。
【００１６】
（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。図２、図４は同第１の実施例の流量計測装置の動作説明図であり、図３は同フローチャートである。
【００１７】
図１において、流路１の途中に超音波を送信する第１超音波振動子２と受信する第２超音波振動子３が流れ方向に角度φで配置されている。５は第１超音波振動子２への送信手段であり、４は第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段、６は受信側の超音波振動子で受信した信号を制御手段１２からの指示によるゲインで増幅する増幅手段、７は前記増幅手段６で増幅された信号と基準電圧とを比較する基準比較手段、８は基準比較手段７の出力と前記増幅手段６で増幅された信号とから超音波の到達時期を判定する判定手段、９は判定手段８の信号をカウントし予め設定された回数だけ制御手段１２へ繰り返し信号を出力する繰り返し手段である。
【００１８】
１０は繰り返し手段９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段であり、１３は計時手段１０で１計測前に計時した時間と今回計時した時間の差を判定する変動判定手段であり、１５は１計測前の計時手段１０で計測した時間を記憶する記憶手段、１４は記憶手段１５と計時手段１０を比較し差を検出する比較手段、１６は変動判定手段１３で判定したずれ時間を補正する補正手段、１１は補正手段１６で補正した時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量を算出する流量算出手段である。また、１２は流量算出手段１１、繰り返し手段９からの信号を受け送信手段５、増幅手段６の動作を制御する制御手段である。
【００１９】
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、作用を説明する。
【００２０】
まず制御手段１２は流量計測を開始すると送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する。（図３のステップ１）。
【００２１】
第１超音波振動子２より送信された超音波信号は流路１の流れの中を伝搬し、第２超音波振動子３で受信され、増幅手段６で制御手段１２から指示されたゲインで増幅されて、基準比較手段７、判定手段８へ出力される。ここで図２に増幅後の受信信号の様子を示す。つまり図２に示すように基準比較手段７は増幅手段６の出力（受信信号Ａ）と基準電圧とを比較し、その大小関係が反転した時点（タイミングｃ）で判定手段８に出力信号Ｃを出力する。判定手段８ではタイミングｃ以降の増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点ａを超音波の到達ポイントと判定し、出力信号Ｄを繰り返し手段９に出力する。
そして判定手段８の出力信号Ｄは繰り返し手段９でカウントされた後、制御手段１２に入力される。制御手段１２は送信手段５を再度動作させ超音波振動子２より超音波信号を送信する。この一連の動作を予め設定されたｎ回数繰り返し行い、この間の時間を計時手段１０により測定する。そして、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流と下流から上流のそれぞれの伝搬時間を測定し、これらの時間差より流量算出手段１１で流路の大きさや流れの状態を考慮して流量値を求める。
【００２２】
しかしながら図２に於いて、電源電圧の変動により基準電圧が変動したり、流量の変動により受信信号の振幅が変動すると、受信信号Ａの３波目で基準比較手段７の出力信号Ｃがあるべきところが、図４で示すように２波目で基準比較手段７より出力信号Ｃが出力されてしまう。逆に４波目で基準比較手段７より出力信号Ｃが出力されてしまうこともある。計時手段１０は、例えばこの場合は４ＭＨｚのクロック周波数で流量計測中の計測の繰り返し時間をカウントしており、基準電圧の判定が１波ずれると超音波の駆動周波数（５００ＫＨｚ）においては２μｓずれ、８カウントずれることになる。繰り返し回数３５０回程度において、数回ずれが発生すると、８カウントの整数倍ずれることとなる。
【００２３】
比較手段１４は計時手段１０で１計測前に計時した時間を記憶する記憶手段１５の時間と今回の計測において計時した計時手段１０の時間を比較し８カウントの整数倍であるか判断する（図３のステップ６）。補正手段１６は比較手段の結果が８カウントの整数倍であるときのみ補正を行う（図３のステップ７）。
【００２４】
このように基準電圧の変動や流量の変動による受信信号の振幅の変動により計時時間が正規の時間よりずれた場合でも補正を行うことにより正確な流量計測をすることが出来る。
【００２５】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００２６】
（実施例２）
図５は本発明の第２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。図６、図７は同第１の実施例の流量計測装置の動作説明図であり、図８は同フローチャートである。
【００２７】
図４において１７は増幅手段６で増幅された受信信号と基準比較手段７で基準電圧とを比較し大小関係が反転した信号パルスを計測し、そのパルス数が所定のパルス数より多いか少ないかを判定し、判定結果を出力する基準変動判定手段であり、１８は繰り返し期間中の基準変動判定手段からの信号を記憶するパルス記憶手段である。他の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００２８】
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、作用を説明する。制御手段１２は流量計測を開始すると送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（図８のステップ１０）第２超音波振動子３で超音波信号を受信する（図８のステップ１１）。
【００２９】
増幅手段６で所定のゲインで増幅された受信信号と基準比較手段７で基準電圧とを比較する。その大小関係が反転した信号パルス数を基準変動判定手段１７で所定のパルス数（たとえば６パルス）との大小関係を比較し、所定パルス数と等しいか判定する（図８のステップ１２）。等しくない場合は所定のパルス数より少ないか判定し（図８のステップ１３）、少なければパルス記憶手段１８にマイナスの信号パルスを出力する（図８のステップ１３）、また少なくなければパルス記憶手段１８にプラスの信号パルスを出力する（図８のステップ１６）。この動作を繰り返し期間中行う。
【００３０】
ここで図６、図７に増幅後の受信信号の様子を示す。図５では通常基準電圧は受信信号の２波目と３波目の間になるように設定してあるので、その場合の基準比較手段の出力は６発のパルスが出力される。しかしながら基準電圧が電源電圧変動によりずれたり、受信信号が減衰したりすると図７のように基準電圧が３波目と４波目の間になることもある。この場合は基準比較手段の出力は５発のパルスが出力される。
【００３１】
補正手段１６は所定の繰り返し計測が終了し、計時手段１０により計時が行われるとパルス記憶手段からのパルス数に２μＳを乗じた値を加減算し補正を行う。これにより正確な流量計測を実現できる。
【００３２】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００３３】
（実施例３）
図９は本発明の第３の実施例の流量計測装置のブロック図である。図１１は同第１の実施例の流量計測装置の動作説明図であり、図１０は同フローチャートである。
【００３４】
図９において１７は判定手段８で増幅手段６の出力の符号が負になる信号パルスを計測し、そのパルス数が所定のパルス数より多いか少ないかを判定し、判定結果を出力する基準変動判定手段であり、１８は繰り返し期間中の基準変動判定手段１７からの信号を記憶するパルス記憶手段である。他の構成要素は実施例３と同じであるので説明は省略する。
【００３５】
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、作用を説明する。実施例３と同様に制御手段１２は流量計測を開始すると送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（図１０のステップ２１）第２超音波振動子３で超音波信号を受信する（図１０のステップ２２）。
【００３６】
増幅手段６で所定のゲインで増幅された受信信号を判定手段８で負になるところを判定する。その負になった信号パルス数を基準変動判定手段１７で所定のパルス数（たとえば８パルス）との大小関係を比較し、所定パルス数と等しいか判定する（図１０のステップ２３）。等しくない場合は所定のパルス数より少ないか判定し（図１０のステップ２４）、少なければパルス記憶手段１８にマイナスの信号パルスを出力する（図１０のステップ２５）、また少なくなければパルス記憶手段１８にプラスの信号パルスを出力する（図１０のステップ２６）。この動作を繰り返し期間中行う。
【００３７】
以降の説明は実施例２で説明した図８のステップ１７から２０と同様なので省略する。
【００３８】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００３９】
（実施例４）
図１２は本発明の第４の実施例の流量計測装置のフローチャートである。
【００４０】
構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
以下その動作、作用を説明する。
【００４２】
実施例１と同様に超音波信号の送受信の繰り返しを所定回数行い、計時手段１０で計時を行う（図１２のステップ３４）。通常従来のガスメーターコントローラーは流量変動を前回計測流量と今回計測流量の差が３％以上あったときとしている。したがって前回計時手段１０で計時した時間と今回計時した時間の差が３％以内のときにのみ超音波駆動周波数のずれを補正し、３％以上の場合は流量変動とすることにより（図１２のステップ３６）流量変動と誤計測を区別しより正確な流量計測を行うことができる。
【００４３】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る流量計測装置は電源電圧の変動による基準電位の変動や、流量変動による超音波受信信号振幅の変動があっても正確な流量計測を行うことが出来る効果がある。
【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ブロック図
【図２】同装置の動作を説明する図
【図３】同装置のフローチャート
【図４】同装置の動作を説明する図
【図５】本発明の実施例２における流量計測装置のブロック図
【図６】同装置の動作を説明する図
【図７】同装置の動作を説明する図
【図８】同装置のフローチャート
【図９】本発明の実施例３における流量計測装置のブロック図
【図１０】同装置のフローチャート
【図１１】同装置の動作を説明する図
【図１２】本発明の実施例４における流量計測装置のフローチャート
【図１３】従来の流量計測装置のブロック図
【図１４】従来の流量計測装置の動作説明図
【図１５】従来の流量計測装置の増幅手段の動作説明図
【符号の説明】
１　流路
２　第１超音波振動子
３　第２超音波振動子
４　切換手段
５　送信手段
６　増幅手段
７　基準比較手段
８　判定手段
９　繰り返し手段
１０　計時手段
１１　流量算出手段
１２　制御手段
１３　変動判定手段
１６　補正手段

Claims (6)

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、計時手段の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段と、前記第１振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記計時手段の計時した時間を記憶し計時の都度更新する記憶手段と前記計時手段と記憶手段の時間を比較する比較手段とを備え超音波駆動周波数の所定周期分ずれたことを判定する変動判定手段と、前記変動判定手段で判定したずれを補正する補正手段とを備えた流量計測装置。
2. 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記振動子間の相互の超音波信号の送受信を複数回行う繰り返し手段と、前記繰り返し手段で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段と、前記第１振動子及び前記第２振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記計時手段の計時した時間を記憶し計時の都度更新する記憶手段と前記計時手段と記憶手段の時間を比較する比較手段とを備え超音波駆動周波数の所定周期分ずれたことを判定する変動判定手段と、前記変動判定手段で判定したずれを補正する補正手段とを備えた流量計測装置。
3. 変動判定手段は、基準比較手段の出力パルス数により超音波駆動周波数の一周期分のずれを判定しパルスを出力する基準変動判定手段と、超音波信号の送受信の繰り返し期間中前記基準変動判定手段からの信号を記憶するパルス記憶手段とを備え、超音波駆動周波数の所定周期分のずれを判定する請求項１または２記載の流量計測装置。
4. 変動判定手段は、判定手段の出力パルス数により超音波周波数の一周期分のずれを判定しパルスを出力する基準変動判定手段と、超音波信号の送受信の繰り返し期間中前記基準変動判定手段からの信号を記憶するパルス記憶手段とを備え、超音波駆動周波数の所定周期分のずれを判定する請求項１または２記載の流量計測装置。
5. 補正手段は、所定値以上のずれを流量変動とする請求項１または２記載の流量計測装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の流量計測装置の手段の全てもしくは一部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

Images