JP2005172556A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動子の特性のバラツキや温度変化及び流路内での反射の影響を受けることなく、真の伝搬時間との誤差を補正し、超音波流量計の計測精度を向上させること。
【解決手段】本発明の超音波流量計は、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子２、７と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間測定部５と、前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子２、７間を満たす流体の流量を求める制御部４と、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路８で受信したと認識するまでの遅れ時間を測定する受信遅れ時間測定手段１０と、定期的に前記受信遅れ時間測定手段１０で補正値を測定し、前記補正値を用いて前記伝搬時間測定部５で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の送受信可能な超音波振動子を用いて超音波の伝搬時間を計測し、被測定流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来の超音波流量計に用いられている超音波伝搬時間の測定方法は、一対の送受信可能な超音波振動子を対向して配置し、一方の超音波振動子をバ−スト信号で駆動し、超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信し測定していた。図６に、送信側の超音波振動子の駆動波形１２と、受信側の超音波振動子で受信した受信波形１４を示す。図６は、横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。図中のＴ０は駆動波形１２の開始時点を、Ｔ１は駆動開始後、第３波終了時点を示す。Ｒ０は受信開始時点を、Ｒ１は受信開始後、第３波終了時点を示す。このように、駆動波形の第ｍ（ｍ＝３）波目のゼロクロス点Ｔ１を起点とし、他方の超音波送受信器で受信した電気信号の第ｍ（ｍ＝３）波目を終点Ｒ１として、前記起点Ｔ１と前記終点Ｒ１との間の時間Ｔｐを超音波伝搬時間として計測し、この伝搬時間を用いて流体の流速を計測し、流量を演算していた（例えば、特許文献１参照）。

図７は特許文献１に記載された超音波流量計の構成を示すものである。この装置は流体の流れる測定流路１に設置した超音波振動子２と、超音波振動子２を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、超音波振動子２から送信した超音波を受ける超音波振動子７と、超音波振動子７の出力を増幅するアンプ６と、アンプ６の出力と基準電圧とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部５を停止させる受信検知回路８から構成されている。また、音速に対する温度の影響を無視できるように伝搬時間逆数差法を用いるために、測定流路１の上流側から下流側への超音波の伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間が測定できるように、切り替えスイッチ９を備えている。
特開平９−３３３０８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、超音波振動子の特性のバラツキや温度変化及び測定流路内の反射波によって受信波形が変化し、Ｒ０からＲ１までの時間がＴ０からＴ１までの時間と異なってくるため、真の伝搬時間との誤差が生じてしまい、前記従来の構成では流量計測精度が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、真の伝搬時間との誤差を補正し、計測精度を向上させた超音波流量計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れ時間を測定する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段で補正値を測定し、前記補正値を用いて前記伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段を備えたものである。

これによって、超音波振動子のバラツキや温度変化等によって受信波形が変化した場合でも、定期的に受信遅れ時間を補正するために、常に正確な伝搬時間の測定が可能となる。

また、本発明の超音波流量計は、受信遅れ時間測定手段で測定した値を監視し、補正値が所定の値から外れた場合に異常表示及び通報を行う受信遅れ時間監視手段を備えたものである。

これによって、超音波振動子や流量計測部の異常が超音波流量計を分解することなく判るため、超音波流量計の保守・点検が容易になる。

本発明の超音波流量計は、超音波振動子のバラツキや温度変化及び流路内の反射波の影響を受けることなく、常に正確な超音波の伝搬時間が測定できるため、非常に高精度の超音波流量計を実現することができる。

第１の発明は超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れ時間を測定する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段で補正値を測定し、前記補正値を用いて前記伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段を備えることにより、真の伝搬時間で流量演算が可能となり、超音波流量計の計測精度を向上させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の受信遅れ時間測定手段として、一方の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波までの伝搬時間と、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に２回目の受信波が到達するまでの伝搬時間を測定し、前記２つの伝搬時間より前記受信遅れ時間を算出する構成とすることにより、２回目の受信波までの伝搬時間と１回目の受信波までの伝搬時間の差から受信波形の変化等の影響を受けない真の伝搬時間を求めることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の受信遅れ時間測定手段として、一方の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波までの伝搬時間と、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に２回目の受信波が到達するまでの伝搬時間を測定するときに、受信波を増幅するアンプの増幅率を前記二つの受信波の増幅後の振幅が同じになるように調整する構成とすることによって、１回目と２回目の受信波形の振幅の違いによる受信検知タイミングのズレを無くし、さらに精度よく真の伝搬時間を求めることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明の伝搬時間補正手段として、上流から下流に向かって超音波を送信する場合と、下流から上流に向かって超音波を送信する場合を別々の補正値で補正するために上流側伝搬時間補正手段と下流側伝搬時間補正手段を備えることにより、上流側と下流側の受信遅れ時間を別々に計測できるため、上流側と下流側の超音波振動子の特性の違いによって生じる伝搬時間への影響を無くすことができる。

第５の発明は、受信遅れ時間測定手段で測定した値を監視し、補正値が所定の値から外れた場合に異常表示及び通報を行う受信遅れ時間監視手段を備えることによって、超音波流量計の異常を検知できるため、保守点検が容易になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計の構成図を示すものである。

図１のように、本発明の超音波流量計は流体の流れる測定流路１に設置した超音波振動子２と、超音波振動子２を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、超音波振動子２から送信した超音波を受ける超音波振動子７と、超音波振動子７の出力を増幅するアンプ６と、アンプ６の出力と基準電圧とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部５を停止させる受信検知回路８と、上流側の超音波振動子７と下流側の超音波振動子２の送受信を切り替える切り替えスイッチ９で構成され、伝搬時間測定部５に受信遅れ時間測定手段１０と伝搬時間補正手段１１を備えている。

以上のように構成された超音波流量計について、以下その動作、作用を説明する。

まず受信遅れ時間測定手段１０では、流量の計測と同じ時間間隔及び所定の時間間隔で送信側及び受信側の超音波振動子の特性による影響や温度変化や反射波による受信波形の変動によって、測定した伝搬時間が真の伝搬時間より遅れる時間を測定する。そして、伝搬時間補正手段１１は流量の計測毎に測定される伝搬時間からあらかじめ受信遅れ時間測定手段１０で測定された遅れ時間を補正し、真の伝搬時間を算出する。

以上のように、本実施の形態においては伝搬時間測定部５に受信遅れ時間測定手段１０と伝搬時間補正手段１１を備えることにより、超音波振動子の特性や温度変化、測定流路１内で発生する反射波の影響を受けることなく、常に真の伝搬時間を測定することができ、超音波流量計の計測精度を向上することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態の超音波流量計の送受信波形図である。

図２のように、本発明の超音波流量計の受信遅れ時間測定手段１０では、送信側超音波振動子から駆動波形１２によって超音波を送信し、受信側超音波振動子で１回目の受信波形１４を受信するまでの時間Ｔｐを測定する。次に、受信側超音波振動子と送信側超音波振動子にそれぞれ１回づつ反射した後に受信側超音波振動子で２回目の受信波形１５を受信するまでの時間Ｔｐ２を測定する。即ち、受信側超音波振動子に反射した超音波が、送信側超音波振動子に１３の波形として到達し、更に送信側超音波振動子に反射されて１５の波形として受信側超音波振動子に達するので、これを２回目の受信として測定するのである。

そして、受信波形の形状等に影響されない真の伝搬時間Ｔｐ０は次式（１）により求めることができる。

Ｔｐ０＝（Ｔｐ２−Ｔｐ）／２ （１）
よって、受信遅れ時間Ｔｒは式（２）で求めることができる。

Ｔｒ＝Ｔｐ−Ｔｐ０ （２）
以上のように、本発明の第２の実施の形態では受信遅れ時間が正確に測定できるため、超音波振動子の特性や温度変化、測定流路１内で発生する反射波の影響によって、真の受信点であるＲ０から受信検知回路８で受信できる受信点Ｒ１までの時間が変化しても、常に真の伝搬時間（Ｔｐ０＝Ｔｐ−Ｔｒ）を測定することができ、超音波流量計の計測精度を向上することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態の超音波流量計の送受信波形図である。

図３のように、本発明の超音波流量計の受信遅れ時間測定手段では、１回目の受信時と２回目の受信時でアンプ６の増幅率を変えている点が本発明の第２の実施の形態と異なる点である。本実施例では受信検知回路８に入る受信波形の振幅を同じにするように１回目の受信波形１４の増幅率Ａと２回目の増幅率Ｂを設定できる構成にしてある。

このようにすることによって、本発明の第３の実施例では受信検知回路８に入力される受信波形の振幅を常に同じにすることによって、受信検知回路８のゼロクロス点のオフセット等によって発生する誤差を少なくし、より正確な受信遅れ時間が正確に測定できる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態における超音波流量計の構成図を示すものである。

図４のように、基本的な構成は本発明の第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態との差異は伝搬時間測定部５に上流側伝搬時間補正手段１６と下流側伝搬時間補正手段１７を設けた点である。上流側伝搬時間補正手段１６では上流側の超音波振動子７から送信した場合の受信遅れ時間を受信遅れ時間測定手段１０で測定し、上流側から送信した場合の超音波の伝搬時間を補正する。下流側伝搬時間補正手段１７も同様に下流側から送信した場合の伝搬時間を補正する。

これによって、上流側と下流側の超音波振動子の特性の違いによって受信遅れ時間に差があった場合でも、上流側と下流側を別々に補正するため、本発明の第１の実施の形態よりも更に超音波流量計の計測精度を向上することができる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の第５の実施の形態における超音波流量計の構成図を示すものである。

図５のように、基本的な構成は本発明の第１の実施例と同じである。第１の実施例との差異は制御部４に受信遅れ時間監視手段１８を設けた点である。受信遅れ時間監視手段１８では受信遅れ時間測定手段１０で測定される受信遅れ時間が所定の範囲内であるかどうかを常に比較し、所定の範囲外となった場合に通報及び警告を出す構成となっている。

これによって、超音波振動子等の特性の変化等が容易に判るため、超音波流量計の保守・管理の精度が向上し、超音波流量計の計測値の信頼性を向上できる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波振動子の特性や温度変化、流路内で発生する反射波の影響を受けることなく、常に正確な超音波の伝搬時間が測定できるため、非常に高精度の超音波流量計を実現することが可能となるので、流量測定基準器及びガスメーターや水道メーター等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の送受信波形図 本発明の実施の形態３における超音波流量計の送受信波形図 本発明の実施の形態４における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態５における超音波流量計の構成図 従来の超音波流量計の送受信波形図 従来の超音波流量計の構成図

符号の説明

２、７ 超音波振動子
４ 制御部
５ 伝搬時間測定部
６ アンプ
１０ 受信遅れ時間測定手段
１１ 伝搬時間補正手段
１６ 上流側伝搬時間補正手段
１７ 下流側伝搬時間補正手段
１８ 受信遅れ時間監視手段

Claims (5)

1. 超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れ時間を測定する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段で補正値を測定し、前記補正値を用いて前記伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段を備えた超音波流量計。
2. 受信遅れ時間測定手段として、一方の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波までの伝搬時間と、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に２回目の受信波が到達するまでの伝搬時間を測定し、前記２つの伝搬時間より前記受信遅れ時間を算出する構成とした請求項１に記載の超音波流量計。
3. 受信遅れ時間測定手段として、一方の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波までの伝搬時間と、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に２回目の受信波が到達するまでの伝搬時間を測定するときに、受信波を増幅するアンプの増幅率を前記二つの受信波の増幅後の振幅が同じになるように調整する構成とした請求項２に記載の超音波流量計。
4. 伝搬時間補正手段として、上流から下流に向かって超音波を送信する場合と、下流から上流に向かって超音波を送信する場合を別々の補正値で補正するための上流側伝搬時間補正手段と下流側伝搬時間補正手段を備えた請求項１に記載の超音波流量計。
5. 受信遅れ時間測定手段で測定した値を監視し、補正値が所定の値から外れた場合に報知を行う受信遅れ時間監視手段を備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波流量計。

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