JP2005274387A - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度のよい流体の流れ計測装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】流体流路２２の上流側と下流側に少なくとも一対の超音波変換器２３
，２４を対向させて配置した。これら超音波変換器２３，２４間の超音波の伝搬は流体流路２２を流れる流体を斜めに横切るようになされる。少なくとも一対の超音波変換器２３，２４は、アドミッタンス特性の相関係数が大きいものを用いてている。これにより、超音波変換器間に発生するオフセット値が小さく、高精度な計測を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一対の超音波変換器間の超音波伝搬時間をもとに流体の流速およびまたは流量を計測する流体の流れ計測装置に関するものである。

従来、この種の計測装置として、流体の流れる流路の上流側と下流側とに少なくとも一対の超音波変換器を設置し、これら超音波変換器の間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、これにもとづき必要に応じて流量を演算するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された流れ計測装置１を示すもので、流体流路２の上流側と下流側に一対の超音波変換器３，４を斜めに対向するように設置し、これら超音波変換器３，４間を伝搬する超音波の伝搬時間の時間差から流体の流速を計測し、また必要に応じてこれに流体流路２の断面積および補正係数を乗じて流量を計測するようにしていた。

なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。

図８に、上流側（もしくは下流側）の超音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形状の駆動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。

また、図中の横線９（破線）は、コンパレータの設定電圧（Ｖｒｅｆ）を示す。なお、コンパレータの設定電圧９（Ｖｒｅｆ）は、雑音信号でコンパレータが誤動作しないように、受信波形８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番目の受信電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してある。

超音波変換器３，４間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｐは、駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８がコンパレータの設定電圧９を越えた次のゼロクロス点１１（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。

この場合、超音波が流体中を伝搬する真の伝搬時間Ｔｓは、上記の伝搬時間Ｔｐから受信波形の３．５波分（図中のＴｉ参照）を差し引いた時間となる。即ち、超音波の真の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして演算に用いていた。

このように、従来の流れ計測装置１の計測される超音波伝搬時間Ｔｐ（＝Ｔｓ＋Ｔｉ）には、超音波が受信側の超音波変換器の表面に到達した後、検知されるまでの時間（Ｔｉ）が含まれているため、一対の超音波変換器３，４の特性差により誤差が発生することがあった。

即ち、超音波変換器の温度特性や経時変化などにより、例えば、受信周波数が変化したり、あるいは、受信感度が変化したりし、検知される間での時間（Ｔｉ）が超音波変換器間で異なることがあった。

この差異が、計測装置の誤差となり、流速およびまたは流量値が不正確となるという課題を有していた。このため、従来の計測装置では、用いる一対の超音波変換器の特性を合致させるため、超音波変換器のインピーダンスを測定し、相関係数の大きな一対を用いて計測装置を構成していた。
特開２００２−３４０６４３号公報

しかしながら、従来の流体の流れ計測装置では、用いる一対の超音波変換器の特性を合致させるため、超音波変換器のインピーダンスを測定し、相関係数の大きな一対を用いて構成していた。共振型の超音波変換器では、超音波を送信・受信する周波数領域では、そのインピーダンス特性は、共振特性を示すため、非常に小さい値となっている。

また、超音波の送信・受信を行わない周波数領域では、そのインピーダンス特性は非常に大きな値となっていた。従って、インピーダンス特性を用いた相関係数では、超音波を送信・受信する周波数領域にからの寄与は小さく、逆に、超音波の送信・受信を行わない周波数領域からの寄与が大きくなっていた。

このため、インピーダンスを用いた相関係数では、超音波を送信・受信する特性を正確には反映していなかった。このため、ゼロ点オフセットが発生したり、あるいは、ゼロ点のオフセットが温度により変動したりしていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ゼロ点オフセット値の小さい流れ計測装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ計測装置は、アドミッタンス相関係数の大きいな少なくとも一対の超音波変換器を流体流路の上流側と下流側とに配置した構成とした。

この構成により、超音波変換器の特性が、超音波を送信・受信する周波数領域で良い一致を示すので、オフセット値の小さい計測装置を構成することができ、正確な値を計測することができる。

本発明の流体の流れ計測装置は、ゼロ点オフセットの小さい安定な流量計測ができる。

第１の発明は、超音波流量計を、アドミッタンス相関係数の大きい少なくとも一対の超音波変換器を流体流路の上流側と下流側に配設した構成とした。この構成により、一対の超音波変換器間で超音波の送信・受信する特性が一致し、オフセット値の小さい超音波流量計を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の相関係数をアドミッタンスのコンダクタンス成分からなる構成とした。この構成により、簡単に相関係数を演算することができ、非常に効率的となる。

第３の発明は、特に、第１の発明の相関係数をアドミッタンスの位相成分からなる構成とした。この構成により、簡単に相関係数を演算することができ、非常に効率的となる。

第４の発明は、特に、第１の発明の相関係数をアドミッタンスのコンダクタンス成分と位相成分とからなる構成とした。この構成により、超音波を送信・受信する特性がより一層一致した一対の超音波変換器を選ぶことができ、オフセット値のより小さい計測装置を実現することができる。

第５の発明は、特に、第１の発明の相関係数を使用温度範囲内の複数の温度で大きい一対の超音波変換器を用いる構成とした。この構成により、温度変動があってもゼロ点オフセットが安定した計測装置を実現できる。

第６の発明は、特に、第１の発明の相関係数を、超音波変換器の送受信特性の周波数範囲内から得る構成とした。従って、一対の超音波変換器の送信・受信特性がよく一致し、ゼロ点オフセットの小さい計測装置を実現できる。

第７の発明は、特に、第１の発明の相関係数を、超音波変換器の共振周波数と反共振周波数とを含む広い周波数範囲としたので、送受信特性のそろった超音波変換器対となり、オフセット値を小さく構成することができる。

第８の発明は、特に、第１の発明の相関係数を、超音波送信・受信感度の送受信最大感度の１／３以上となる周波数範囲とした構成とした。この構成により、超音波送信・受信特性の一致した一対の超音波変換器を簡単に選別できる。

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、本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置２１を示し、流体流路２２の上流側と下流側とに少なくとも一対の超音波変換器２３，２４が斜めに対向させて設置してある。超音波変換器２３，２４間の距離Ｌｄは、約１００［ｍｍ］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０［ｍｍ^２］とした。

なお、図中の片矢印２５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉するようにしてある。

この構成において、上流側および下流側の超音波変換器として、アドミッタンス特性を計測し、その相関係数の大きい一対を選び出して用いた。図２に計測したアドミッタンス特性を示す。横軸に周波数を、左側の縦軸にアドミッタンスのコンダクタンス成分の対数を、右側の縦軸にアドミッタンスの位相成分をそれぞれ示し、実線２７はアドミッタンス成分を、破線２８は位相成分を示す。領域を示す実線２９は、超音波変換器の超音波出力が有効な周波数範囲を示す。

アドミタンス成分（実線２７）の二つのピークは超音波変換器の二つの共振点を示し、大きな値を示している。相関係数Ｒｘｙは次式を用いて算出した。

Ｒｘｙ＝Ｃｏｖ（Ｘ，Ｙ）／（σｘ×σｙ）、
ここで、Ｃｏｖ（Ｘ，Ｙ）＝（１／ｎ）×Ｓｕｍ［（Ｘｉ−Ｘａ）×（Ｙｉ−Ｙａ）］
σｘ、σｙは、Ｘｉ、Ｙｉの標準偏差を、Ｘａ、Ｙａは、Ｘｉ、Ｙｉの平均値を示す。

なお、Ｓｕｍはｉをパラメータ（周波数）とした場合の、ｉ＝１〜ｎまでを加算することを示す。即ち、超音波出力が有効な周波数範囲において相関係数を算出することを意味する。

オフセット値の発生要因である超音波が超音波変換器の表面に到達した後検知されるまでの時間Ｔｉは、送信側と受信側との超音波変換器の両者の特性の差異に大きく依存するので、両者の特性が非常に似通っている超音波変換器対を用いると、そのオフセット値は小さくなる。

即ち、全く特性が同じ超音波変換器を用いると、原理的には、送信特性も、受信特性も全く同じとなり、オフセット値は発生しなくなる。従って、超音波変換器の特性を示すアドミッタンス特性のそろった、即ち、相関係数の大きな一対の超音波変換器を用いて流量計を構成すると、オフセット値の小さい超音波流量計を実現することができる。

全く特性が同じである超音波変換器の対組合せは、実際上実現不可能であるので、超音波変換器の送信特性、受信特性を示すアドミッタンス特性が似ている対、即ち、相関係数の大きな対を用いることにより、オフセット値の小さい計測装置を実現することができる。

（実施の形態２）
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施の形態２におけるアドミッタンス特性で、横軸に周波数を、縦軸にアドミッタンスのコンダクタンス成分を示す。

一対の超音波変換器のアドミッタンス特性の超音波出力が有効な周波数範囲を重ね合わせ、図面上にそれぞれ実線と破線とで示した。

図３（ａ）は、相関係数がＲｘ，ｙ＝０．９９５、図３（ｂ）は、Ｒｘｙ＝０．９８１、図３（ｃ）は、Ｒｘｙ＝０．７９８の場合をそれぞれ示している。

上記一対の超音波変換器を用いて超音波流量計を構成し、室温でのオフセットを計測したところ、図３（ａ）は、０．２［Ｌ／ｈｒ］、図３（ｂ）は、０．５［ｌ／ｈｒ］、図３（ｃ）は、１．２［Ｌ／ｈｒ］であった。即ち、流体が流れていないときの流量指示値が上記の値を示していた。通常の場合、オフセット値が、１［Ｌ／ｈｒ］未満であれば実用上充分な精度が得られる。

以上説明したように、アドミッタンス特性のよく一致した超音波変換器の対で計測装置を構成すれば、オフセット値の小さい正確な流速およびまたは流量の計測を実現することができる。

（実施の形態３）
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施の形態３におけるアドミッタンス特性で、横軸に周波数を、縦軸にアドミッタンスの位相成分を示す。一対の超音波変換器のアドミッタンスの位相特性の超音波出力が有効な周波数範囲を重ね合わせ、同一の図面上に、それぞれ実線と破線とで示した。

図４（ａ）は相関係数がＲｘｙ＝０．９９１、図４（ｂ）はＲｘｙ＝０．９８０、図４（ｃ）はＲｘｙ＝０．７９５の場合をそれぞれ示している。上記一対の超音波変換器を用いて計測装置を構成し、室温でのオフセットを計測したところ、図４（ａ）は０．２［Ｌ／ｈｒ］、図４（ｂ）は０．５［Ｌ／ｈｒ］、図４（ｃ）は１．２［Ｌ／ｈｒ］であった。即ち、流体が流れていないときの指示値が上記の値を示していた。通常の場合、オフセット値が、１［ｌ／ｈｒ］未満であれば実用上充分な精度が得られる。

以上説明したように、アドミッタンス特性のよく一致した超音波変換器の対で超音波式の計測装置を構成すれば、オフセット値の小さい、正確な超音波計測を実現することができる。

なお、実施の形態２および３で説明したように、アドミッタンス特性のコンダクタンス成分および位相成分のそれぞれにおいて相関係数が大きい一対の超音波変換器で超音波計測装置を構成すれば、オフセット値の小さい、精度の高い超音波計測を実現することができる。

さらには、アドミッタンス特性のコンダクタンス成分および位相成分の相関係数が同時に大きい一対の超音波変換器で超音波計測装置を構成すれば、更にオフセット値の小さい、精度の高い計測を実現することができる。

（実施の形態４）
次に、複数の温度での相関係数とオフセットとの関係を説明する。複数の温度を、例えば、室温２０［℃］と高温６０［℃］とに設定し、それぞれの超音波変換器のアドミッタンス特性の超音波出力が有効な周波数範囲における相関係数を求め、超音波計測装置の特性とを比較した。

一方の超音波変換器対は、室温２０［℃］での相関係数が０．９９３、高温６０［℃］での相関係数が０．９８８、他方の超音波変換器対は、室温２０［℃］での相関係数が０．９９３、高温６０［℃］での相関係数が０．９７８であった。この二組の超音波変換器で計測装置を構成し、オフセットの温度特性を比較したところ、両温度で相関係数が大きい対の超音波流量計では、−３０［℃］から＋６０［℃］の温度範囲において、ゼロ点のオフセット値は０．２［Ｌ／ｈｒ］以内であった。他方の超音波変換器の対で構成した計測装置のゼロ点のオフセット値は、１．２［Ｌ／ｈｒ］となった。

以上説明したように、使用温度範囲の複数の温度でのアドミッタンスの相関係数の大きい対を用いて超音波係争装置を構成すれば、ゼロ点オフセットの小さい、即ち、温度変化に対して安定な計測を実現することができる。

（実施の形態５）
以下に、超音波出力が有効な周波数範囲について説明する。

図５は超音波変換器の自己送受信特性の周波数依存性を示し、横軸が周波数、縦軸が受信電圧である。

図６に上記の自己送受信特性、即ち、単一の超音波変換器で送信し、同一の超音波変換器で受信する回路ブロックを示す。３１は超音波変換器を駆動する駆動部で、バースト信号を発生する。３２，３３ダイオードブロック、３４は超音波変換器，３５は負荷抵抗、３６は信号抵抗を示し、それぞれ２および１［ｋｏｈｍ］とした。３７は受信信号を増幅する増幅器を示す。

この構成において、駆動部３１からの数Ｖ〜数十Ｖのバースト駆動信号が、ダイオードブロック３２を介して、超音波変換器３４と負荷抵抗３５とに印加される。超音波変換器の共振周波数近傍では、超音波変換器のインピーダンスは負荷抵抗３５に比べ充分低いので、駆動信号はすべて超音波変換器に印加されると考えることができ、超音波変換器からバースト状の超音波３８が放出される。放出された超音波は前方に設置された超音波反射板３９で反射される。反射された超音波４０は超音波変換器３４で受信される。

なお、駆動部３１からの信号は、信号抵抗３６を介して、ダイオードブロック３３と増幅器３７にも印加される。この場合、大電圧の駆動信号は、ダイオードブロック３３を介して接地ラインに接続されているので、増幅器にはダイオードで決定される閾値、約０．９Ｖ程度の信号しか入力されず、増幅器３７が破壊されることはない。

超音波反射板３９で反射された超音波は、同一の超音波変換器３４で受信される。受信された超音波は、超音波変換器３４に電荷を発生させる。この発生した電荷は、負荷抵抗３５の両端に受信電圧を発生させる。この受信電圧は充分小さく、通常は１００［ｍＶ］程度以下である場合が多い。

ダイオードブロック３２を介して駆動部と、信号抵抗３６を介して増幅器３７とに伝達される。充分小さい受信電圧は、ダイオードブロック３３で接地されても、その受信電圧は、ダイオードで決定される閾値以下であるため減衰することなく増幅器３７に伝達される。

また、駆動部３１から超音波変換器へ供給された駆動信号は、超音波が超音波変換器３４と超音波反射板３９との間約１００［ｍｍ］を往復する間に充分減衰するので、受信信号に対する雑音とはならない。例えば、流体が空気である場合、超音波が往復する時間は約５９０［μｓｅｃ］程度となり、駆動信号が減衰するのに充分な時間となる。

このようにして図５に示した自己送受信の周波数特性（実線）を得る。送受信特性が最大となる周波数Ｆｐから周波数が離れると、その自己送受信電圧は急激に小さくなる。

本実施の形態の相関係数は、周波数範囲を自己送受信特性における自己送受信電圧の大きい範囲とし、図５に破線で示した。周波数範囲を示す破線は、最大電圧Ｖｐの（１／５）以上となる範囲とした。なお、この範囲は実施の形態１に実線２９示した領域と一致する。

（実施の形態６）
実施の形態５で示した周波数範囲を種々変更してアドミッタンス特性から求める相関係数とオフセット値との関係を調べた結果、相関係数を算出する周波数範囲は図２で示したアドミッタンス特性の共振周波数から反共振周波数までを含むと、相関係数からオフセット値を充分推定できることが解った。従って、相関係数を算出する周波数範囲は、アドミタンス特性の共振周波数から反共振周波数を含む範囲であれば良い。

なお、共振周波数は図２においてアドミタンス特性のコンダクタンス成分が最大となる周波数であり、反共振周波数はアドミタンス特性のコンダクタンス成分が最小となる周波数で定義した。また、共振周波数および反共振周波数においては、位相成分は零となる。このように、相関係数算出の領域を狭めることができ、算出効率が向上する。

（実施の形態７）
実施の形態６で示した自己送受信特性の周波数範囲を種々変更して相関係数とオフセット値との関係を調べた結果、相関係数を算出する周波数範囲は、自己送受信特性の受信電圧が最大電圧の１／３以上の範囲であれば、相関係数からオフセット値をより一層推定できることが解った。

従って、相関係数を算出する周波数範囲は、自己送受信特性における受信電圧が最大電圧の（１／３）以上となる周波数範囲であれば良い。このように、相関係数算出の領域を狭めることができ、算出効率が向上する。

以上のように、本発明による流体の流れ計測装置はオフセット値を小さいくすることができ、精度高い流速およびまたは流量の計測を実現でき、ガスなどの気体流体から水などの液体流体まであらゆる流体の計測に適応できるものである。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の断面図 同流量計における超音波変換器の特性図 本発明の実施の形態２における超音波変換器の相関係数を示す特性図 本発明の実施の形態３における超音波変換器の相関係数を示す特性図 本発明の実施の形態５における超音波変換器の自己送受信特性図 本発明の実施の形態５における自己送受信回路ブロック図 従来の計測装置の断面図 同計測装置における超音波伝搬時間を表す説明図

符号の説明

２２ 流体流路
２３、２４ 超音波変換器
３１ 駆動部
３２、３３ ダイオードブロック
３４ 超音波変換器
３７ 増幅部
３９ 超音波反射板

Claims (8)

1. アドミッタンス相関係数の大きい少なくとも一対の超音波変換器を流体流路の上流側と下流側に配設し、前記超音波変換器間の超音波伝搬時間をもとに流速およびまたは流量を計測するようにした流体の流れ計測装置。
2. 相関係数はアドミッタンスのコンダクタンス成分からなる請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 相関係数はアドミッタンスの位相成分からなる請求項１記載の流体の流れ計測装置。
4. 相関係数はアドミッタンスのコンダクタンス成分と位相成分とからなる請求項１記載の流体の流れ計測装置。
5. 使用温度範囲内の複数の温度での相関係数が大きい一対の超音波変換器を用いる請求項１記載の流体の流れ計測装置。
6. 相関係数の周波数範囲を超音波変換器の送受信特性の範囲内とする請求項１記載の流体の流れ計測装置。
7. 周波数範囲は共振周波数と反共振周波数とを含む請求項８記載の流体の流れ計測装置。
8. 周波数範囲は送受信最大感度の１／３以上とした請求項８記載の流体の流れ計測装置。

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