JP2004286762A

JP2004286762A - 流量計測装置

Info

Publication number: JP2004286762A
Application number: JP2004204392A
Authority: JP
Inventors: Yukio Nagaoka; 行夫長岡; Yuji Nakabayashi; 裕治中林; Kenzo Ochi; 謙三黄地
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】本発明は、超音波の伝搬の繰り返しによって流量を求める流量計測装置に関するもので、温度変動や計測立ち上がり時にも安定した流量値を得るものである。
【解決手段】流体管路４に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子５及び第２振動子６と、振動子５，６の送受信の切換手段１５と、振動子５，６間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段１１と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段１４と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段３０と、計時手段１４のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段１６とを備えたので、計測の立ち上がり時の不安定を取り除くことができ計測開始直後から正確な流量値を得ることができる。
【選択図】図６

Description

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。

従来のこの種の流量計測装置は、図１３に示すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と３を流れの方向に相対して設け、振動子１から流れ方向に超音波を発生しこの超音波を振動子２で検出すると遅延時間を設けて再び振動子１から超音波を発生させ、この繰り返しを行ってその時間を計測し、逆に振動子２から流れに逆らって超音波を発生し同様の繰り返し時間を計測し、この時間の差から流体の速度を演算していた（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５９−０４３３１４号公報

しかしながら、従来の流量計測装置では遅延時間を含んだ時間を計測し、その値によって流量を演算していたが、温度によって超音波の伝搬速度が変わることによって誤差が発生し、この誤差の低減のために伝搬時間の逆数を演算して流量を算出していたが十分でなく、また計測の立ち上がり時期には回路やセンサの特性が不安定であり、高精度の計測値を得ることが課題になっていた。

本発明は上記課題を解決するために、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、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、前記計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出するものである。

本発明の流量計測装置は、計測の立ち上がり時の不安定を取り除くことができ計測開始直後から正確な流量値を得ることができる。

第１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、振動子の送受信の切換手段と、振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、計測の立ち上がり時の不安定を取り除くことができ計測開始直後から正確な流量値を得ることができる。

第２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、振動子の送受信の切換手段と、振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、前記計測に先だって前記それぞれの振動子を所定回数駆動する事前駆動手段と、計時手段のそれぞれ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たので、長時間放置された後も振動子は予備的な駆動により安定化され、その結果計測信頼性が高くなる。

第３の発明は、流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、振動子の送受信の切換手段と、振動子の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、計測の終了時に計測回路の電源供給を制御する計測待機手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、計測の行われない間電源の供給を遮断して消費電力を低減しながら、電源を復帰させた直後にも安定した流量値を得ることができ、従って電池電源であっても長時間正確な値を得ることができる。

第４の発明は、流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、振動子の送受信の切換手段と、振動子の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、計時手段の計測値に流量係数を乗じて流量を演算する流量演算手段と、計測の終了時に計測回路の電源供給を制御する計測待機手段と、計測待機時間に応じて流量係数を補正する係数補正手段とを備えたので、長時間の電源供給停止の直後にも正確な流量を得ることができ、よりいっそうの低消費電力化がはかれる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１の流量計測装置のブロック図である。また図２は流量計測装置のフローチャートである。

図１において、流体管路４の途中に超音波を発信する第１振動子５と受信する第２振動子６が流れ方向に配置されている。７は第１振動子５への送信回路、８は第２振動子６で受信した信号の増幅回路であり、ここで増幅された信号は比較回路９で基準信号と比較され、基準信号以上の信号が検出されたとき、回数設定回路１０で設定された回数だけ繰り返し手段１１はトリガ回路１２を付勢し、遅延手段１３で信号を遅延させた後超音波信号を繰り返し送信する。繰り返しが始まったときに計時手段１４のタイマカウンタを起動し、回数設定回路１０で設定された繰り返し回数が終了したとき計時手段１４のタイマカウンタを停止し、時間を計測する。次に切換手段１５で第１振動子５と第２振動子６の送受信を切り換えて、第２振動子６から第１振動子５すなわち下流から上流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１６で流量値を求める。

このように超音波を受信して繰り返し送信すると、振動子間を反射する超音波信号が送信波と重畳するので、遅延手段１３によって送信のタイミングを遅らせることにより、反射波の干渉を防いでいる。

次に図２のフローチャートにて動作について説明する。スタート１７により計測が開始すると、スイッチ切換１８で第１振動子５から第２振動子６へ超音波を送信可能な状態にする。トリガ１９によってバースト送信が開始され、前述のように超音波の受信と送信が遅延回路を介して連続的に繰り返され、繰り返し回数が設定に達すると回数判定２０によって繰り返しを停止するとともに、カウンタを停止させ計時２１で時間Ｔ１を計測する。

次にスイッチ切換１８で第２振動子６から第１振動子５へ超音波を送信可能な状態にする。そして超音波の送受信の繰り返しを行い、時間Ｔ２を計測し、計測終了判定２２で計測を終了する。時間Ｔ１とＴ２は遅延手段１３の遅延時間Ｔｄを含んであるので、遅延除去２３で遅延時間を差し引いて真の超音波伝搬時間Ｔ１’とＴ２’を算出する。
すなわち
Ｔ１’＝Ｔ１−Ｔｄ（１）
Ｔ２’＝Ｔ２−Ｔｄ（２）
このＴ１’とＴ２’の平均値から平均伝搬時間が求められ、その平均伝搬時間と振動子５と６の距離Ｌから、測定したときの音速Ｃが求められる。
すなわち、
Ｃ＝Ｌ／（（Ｔ１’＋Ｔ２’）／２）（３）
この音速Ｃは温度ｔと
Ｃ＝３３１．５＋０．６０７ｔ（４）
の関係にあるので、温度演算２４で温度が算出できる。

前述のＴ１’とＴ２’の差に流路の形状によって決まる流量係数Ｋ１と、温度ｔによる補正係数Ｋ２により流量演算２５で流量値Ｑを求める。
すなわち
Ｑ＝Ｋ１＊Ｋ２＊（Ｔ１’−Ｔ２’）（５）
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の流量計測装置のフローチャートである。実施例１と異なるところは、流量演算に時間の逆数の差を用いて演算している点にある。

遅延除去２３で遅延時間を差し引いて超音波伝搬時間Ｔ１’とＴ２’を算出するのは実施例１と同様である。このＴ１’とＴ２’は、振動子間の距離をＬ、角度をφ、流速をＶとすると、
Ｔ１’＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓφ）（６）
Ｔ２’＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓφ）（７）
になっており、流量逆数演算２６によって、この時間Ｔ１’とＴ２’の逆数を求め流量係数Ｋ３を乗じて流量Ｑを求めると、
Ｑ＝Ｋ３＊（（１／Ｔ１’）−（１／Ｔ２’））
＝Ｋ３＊２＊Ｖｃｏｓφ／Ｌ（８）
となって、音速Ｃの補正を行わずして流量を算出することができる。

（実施例３）
図４は本発明の実施例３の流量計測装置のブロック図であり、図５は流量計測装置のフローチャートである。実施例１と異なるところは、図４において繰り返し回数を設定変更手段２７で可変にできるところにある。この設定可変手段２７は、特別に高精度な流量測定を行う場合に、繰り返し回数を多くして分解能を上げる場合に用いる。図５においてこの繰り返し回数の設定可変２８に伴って計測終了後の遅延時間の補正を行う。すなわち可変遅延除去２９によって繰り返しの回数の変更を考慮した補正を行うものである。

なお、遅延時間には回路の動作遅れもあらかじめ考慮して設計することもできる。

（実施例４）
図６は本発明の実施例４の流量計測装置のブロック図であり、図７は流量計測装置のフローチャートである。実施例１と異なるところは、繰り返しを所定回数行った後に時間の計時を始める点にある。図６において繰り返し回数をカウントする繰り返し手段１１が所定回数カウントすると計時開始手段３０を起動させる。図７のフローチャートにおいて、事前繰り返し設定回数判定３１によって所定回数繰り返しが行われた後に計時開始３２で時間計測を開始し、その後通常の繰り返しが行われると計時停止３３で計時を行う。事前繰り返し設定回数は条件によって変えることができる。例えば長時間電源が停止された後の計測では設定回数を大きくして立ち上がりの不安定な状態を回避する。

（実施例５）
図８は本発明の実施例５の流量計測装置のブロック図であり、図９は流量計測装置のフローチャートである。実施例１と異なるところは、振動子の駆動を所定回数行った後に通常の計測を行う点にある。図８において事前駆動手段３４によってトリガ手段１２を介し振動子５と６を駆動した後に計時手段１４を起動し、通常の計測に移る。図９のフローチャートにおいてスタート１７で計測開始すると振動子駆動３６で振動子５と６を事前駆動回数判定３５で判定される回数ほど駆動し、しかる後に通常の計測に移る。

（実施例６）
図１０は本発明の実施例６の流量計測装置のブロック図であり、図１１は流量計測装置のフローチャートである。実施例１と異なるところは、計測が終了した時点で計測回路の所定時間の間電源供給を停止する計測待機手段を設け、計測待機後の計測では超音波の送受信を所定回数繰り返した後に計時を開始する点にある。

図１０において振動子５と６による超音波の送受信の繰り返しによる通常の計測が終了すると、計測待機手段３７により次の計測までの間計測回路の電源供給を遮断する。そして、次の計測がトリガ手段１２により起動されると所定回数の繰り返しが行われて、計測回路が安定した後に計時開始手段３０でタイマカウントがはじまり、計測の繰り返しが終了した時点で計時停止手段３８にてタイマカウンタを停止する。

図１１のフローチャートにおいて、流量演算２５が終了した時点で計測待機３９に入り電源遮断３９で回路の電源を遮断し、計測待機時間が終了すると電源を復帰させ事前繰り返し設定３１で所定回数繰り返した後に計時開始３２で時間計測を開始した後通常の繰り返し計測を行う。事前繰り返し設定３１の繰り返し回数は計測待機３９の待機時間に応じて変更することができる。

（実施例７）
図１２は本発明の実施例７の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、計測が終了した時点で計測回路の所定時間の間電源供給を停止する計測待機手段を設け、計測待機後の計測では計時時間から流量を演算する流量係数を待機時間によって補正する点にある。図１２において実施例６で示したように計測待機手段３７で電源の供給を遮断した後に復帰させて計測を行ったときには、計時手段１４の値に係数補正手段４２で補正を行い流量演算手段１６で流量を演算する。

以上の説明から明らかなように上記各実施例によれば次の効果が得られる。

（１）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、前記振動子の送受信の切換手段と、振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、計時手段のそれぞれの計時値と遅延手段の遅延値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、繰り返しによって分解能が高まるとともに遅延時間を除去した超音波伝搬時間に基づいて流量の演算が行われるので、温度補正も可能になり流量計測精度が高い。

（２）計時値と遅延値の差の逆数差に基づいて流量を算出するので、原理的に温度による超音波の伝搬時間の変化が流量計測に影響を与えずさらに高精度になる。

（３）繰り返し回数を設定する回数設定手段を設け、回数設定手段の値に伴って遅延値を求めるので、繰り返し回数を増加させて分解能を高めたときにも遅延時間の除去が自動的に行われ極めて高い計測精度を得ることができる。

（４）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、振動子の送受信の切換手段と、振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、計測の立ち上がり時の不安定を取り除くことができ計測開始直後から正確な流量値を得ることができる。

（５）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、振動子の送受信の切換手段と、振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、前記計測に先だって前記それぞれの振動子を所定回数駆動する事前駆動手段と、計時手段のそれぞれ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たので、長時間放置された後も振動子は予備的な駆動により安定化され、その結果計測信頼性が高くなる。

（６）流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、振動子の送受信の切換手段と、振動子の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、計測の終了時に計測回路の電源供給を制御する計測待機手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えたので、計測の行われない間電源の供給を遮断して消費電力を低減しながら、電源を復帰させた直後にも安定した流量値を得ることができ、従って電池電源であっても長時間正確な値を得ることができる。

（７）流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、振動子の送受信の切換手段と、振動子の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、計時手段の計測値に流量係数を乗じて流量を演算する流量演算手段と、計測の終了時に計測回路の電源供給を制御する計測待機手段と、計測待機時間に応じて流量係数を補正する係数補正手段とを備えたので、長時間の電源供給停止の直後にも正確な流量を得ることができ、よりいっそうの低消費電力化がはかれる。

本発明の流量計測装置は、計測初期の動作の不安定なときを自動的に避けることができ、高精度な流量値を得ることができるので、ガスなどの流量を計測する流量計測装置に適用できる。

本発明の実施例１の流量計測装置の制御ブロック図同装置のフローチャート本発明の実施例２の流量計測装置のフローチャート本発明の実施例３の流量計測装置の制御ブロック図同装置のフローチャート本発明の実施例４の流量計測装置の制御ブロック図同装置のフローチャート本発明の実施例５の流量計測装置の制御ブロック図同装置のフローチャート本発明の実施例６の流量計測装置の制御ブロック図同装置のフローチャート本発明の実施例７の流量計測装置の制御ブロック図従来の流量計測装置の制御ブロック図

符号の説明

４流体管路
５第１振動子
６第２振動子
１１繰り返し手段
１３遅延手段
１４計時手段
１５切換手段
１６流量演算手段
２７回数設定手段
３０計時開始手段
３４事前駆動手段
３７計測待機手段
４２係数補正手段

Claims

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、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、前記計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた流量計測装置。
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、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、それぞれの複数回繰り返しの伝搬時間を計測する計時手段と、前記計測に先だって前記それぞれの振動子を所定回数駆動する事前駆動手段と、前記計時手段のそれぞれ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た流量計測装置。
流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、計測の終了時に計測回路の電源供給を制御する計測待機手段と、計測開始時に所定回数の繰り返し後に計時を開始する計時開始手段と、前記計時手段のそれぞれの計時値の差に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた流量計測装置。
流体管路に設けられた超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子の超音波伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計測値に流量係数を乗じて流量を演算する流量演算手段と、計測の終了時に計測回路の電源供給を制御する計測待機手段と、計測待機時間に応じて流量係数を補正する係数補正手段とを備えた流量計測装置。