JP2006214794A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量変動の激しい条件下においても追従性の高い流量計測装置を提供する。
【解決手段】遅延発生手段９が、第１振動子２の送信開始タイミングを、計時手段７の計測開始タイミングよりわずかに遅らせている。そして、計測制御手段１１によって、この遅延時間を、計時手段７の計時分解能よりも小さい分解能で設定変更しながら順次伝搬時間を求めている。したがって、計時手段７の計時分解能より更に小さな分解能で時間を読み取ることが可能となり、連続の繰り返し計測を行う必要がなくなるため、計測間隔の自由度が高まり、流量変化に対する追従性の高い流量計測が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより流速を検出し、流体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、この種の流量計においては、ふたつの振動子間の送受信を複数回繰り返すことにより、計測分解能を高めるシングアラウンド法という手法を用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、シングアラウンド法を用いた流量計測装置のブロック図である。図６に示すように、流体管路３１の途中に、超音波を送信する第１振動子３２と、送信された超音波を受信する第２振動子３３が流れ方向に配置されていて、ふたつの振動子３２、３３を用いて超音波の伝搬時間を計測する計測部３４と、計測部３４を制御する制御部３５、計測部３４の計測結果を基に流体流量を求める演算部３６とで構成されている。

図６において、音速をＣ、流速をｖ、ふたつの振動子３２、３３間の距離をＬ、超音波の伝搬方向と流れの方向とがなす角度をθとし、流体管路３１の上流側に配置された第１振動子３２から超音波を送信し、下流側に配置された第２振動子３３で受信した場合の伝搬時間をｔ_１、逆方向の伝搬時間をｔ_２とした場合ｔ_１およびｔ_２は次式で求めることができる。

ｔ_１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （式１）
ｔ_２＝Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （式２）
（式１）および（式２）を変形し、（式３）で流速ｖが求まる。

ｖ＝Ｌ・（１／ｔ_１ −１／ｔ_２）／２ｃｏｓθ （式３）
（式３）で求めた値に流体管路３１の断面積を掛ければ流体の流量を求めることができる。ところで、（式３）において、括弧内の項は（式４）のように変形できる。

（ｔ_２−ｔ_１ ）／ｔ_１ｔ_２ （式４）
ここで、（式４）の分母の項は流速の変化に関わらずほぼ一定の値となるが、分子の項は流速とほぼ比例した値となる。したがって、ふたつの伝搬時間の差を精度よく計測する必要がある。そのため、流速が遅くなるほど、微小な時間差を求める必要があり、単発現象として計測するには計測部３４は例えば、ナノ秒オーダーの非常に小さな時間分解能を有する必要がある。これだけの時間分解能を実現するのは難しく、仮に実現できたとしても時間分解能を上げることによる消費電力の増大を招くこととなる。そのため、超音波の送信を何回も繰り返し計測してその平均値を求めることにより必要な時間分解能を実現している。すなわち、計測部３４の時間分解能をＴ_Ａ、繰り返し回数をＭとすれば、この繰り返し計測の間、計測部３４を連続して動作させることにより、伝搬時間の計測分解能はＴ_Ａ／Ｍとすることができる。したがって、消費電力を増大させることなく高分解能の計測が実現できる。
特開２０００−３１０５５０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、繰り返しの連続動作を前提としているので、一連の計測動作に必要な時間が長くなるため電流消費量が増えてしまう。そのため、家庭用のガスメータのように電池駆動で年単位の動作保証を求められるシステムにおいては、電流消費をできるだけ抑えるために、１度繰り返し計測を終えた後は、ある程度の休止期間を置く必要があった。そのため、流体の局所的な情報しか得ることができないため、比較的短い周期で繰り返される変動性の流れに対しては、追従性が悪いという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、計測間隔を自由に設定し、流量変化に対して追従性の高い流量計測装置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、本発明の流体の流量計測装置は、計時手段の計測開始もしくは計測終了と送受信のタイミングに微小時間のずれを発生させる遅延発生手段とを備え、遅延発生手段の遅延時間を計時手段の計時分解能より小さい分解能により所定範囲だけ変更可能としているので、連続の繰り返し計測を行うことなく高い分解能を実現できるため、計測間隔の自由度が高まり、流量変化に対しての追従性を高めることができる。

本発明の流量計測装置は、連続の繰り返し計測を行うことなく高い分解能を実現できる。

第１の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送信する第１振動子と、前記第１振動子から送信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記第１、第２振動子間を超音波が伝搬する毎に発停して伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計測が終了する毎に前記振動子の送受信方向を反転させる切換手段と、前記計時手段の計測開始もしくは計測終了と送受信のタイミングに微小時間のずれを発生させる遅延発生手段と、前記遅延発生手段と前記切換手段とを制御する計測制御手段と、前記計時手段の計測値と前記遅延時間とを基に流量を求める流量演算手段とを備え、前記計測制御手段は、前記遅延発生手段の遅延時間を前記計時手段の計時分解能より小さい分解能により所定範囲だけ変更可能とすることにより、遅延時間を順次変更しながら計測することで、計時手段の計時分解能より小さい時間分解能を得ることができるため、連続の繰り返し計測を行うことなく高い分解能を実現できるので、計測間隔を自由に設定し、流量変化に対して追従性を高めることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の計測制御手段が、遅延時間の設定範囲を計時手段の計時分解能の整数倍に定めることにより、遅延時間の分解能を順次変更しながら計測することで、計時手段の計時分解能を細かく均等に分割した分解能を得ることができるようになる。

第３の発明は、特に第１の発明の計測制御手段が、計時手段による計測終了後、所定時間は次の計測を禁止することにより、超音波信号の残響や反射の影響を受けずに計測が可能となるため、計測精度を向上することができる。

第４の発明は、特に第２の発明の流量演算手段が、遅延手段の設定値が整数回巡回する毎に流量を求めることにより、求められる流量値の分解能を高めることができる。

第５の発明は、特に第４の発明において計測流量が小さくなるに従って巡回数を多く定めることにより、流速の安定しない小流量時であっても平均化効果により高い精度で流量を求めることができる。

第６の発明は、特に第４の発明の計時手段を同期クロック発生手段とタイマカウンタとで構成し、計測制御手段は、計測流量が小さくなるに従って、前記同期クロックの発振周期を大とし、遅延時間の設定分解能を前記同期クロックの最小発振周期の１／２以下に定めることにより小流量時には、計測分解能を損なうことなく消費電力を低減できるので、装置全体の消費電力を低減することができる。

（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流量計側装置のブロック図である。

図１において、流体管路１の途中に超音波を送信する第１振動子２が流れの上流側に配置され、第１振動子２から送信された超音波を受信する第２振動子３が流れの下流側に配置されている。送信回路４は第１振動子２へ送信信号を出力し、第２振動子３で受信された受信信号は、増幅回路５で増幅された後、基準信号と比較回路６で比較され、発信から受信までの時間が計時手段７で求められる。トリガ手段８は一定周期毎に計時手段７に計時開始を指示すると同時に、遅延発生手段９により微小な遅延時間を発生させ、遅延時間終了後に、送信回路４から超音波駆動信号が送出される。また、第１振動子２および、第２振動子３は切換手段１０の作用により送受信の方向の反転が可能である。

すなわち、切換手段１０から送受信の反転信号が出力されると、第２振動子が送信側、第１振動子が受信側となるように、送信回路４と第２振動子３、増幅回路５と第１振動子３がそれぞれ接続される。計測制御手段１１は、切換手段１０の切換タイミングや、遅延発生手段９を始めとする計測動作の制御を行っている。そして、計時手段７で求められた伝搬時間を基に、流体管路１の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１２で流量値が求められる。

図２は、計時手段７のブロック図である。同期クロック発生手段１３は、周期的にパルス信号を発生する発信器１４と、制御ゲート１５とで構成されていて、制御ゲート１５は発信器１４の出力と、外部からの制御信号とを受けて、同期クロックを発生させる。また、タイマカウンタ１６は、制御ゲート１５から出力される同期クロックの立ち上がりエッジをカウントし、送信方向別に加算される。すなわち、流れの上流側から下流側への送信時に計測された値は、第１加算器１７、逆方向で計測された値は第２加算器１８にそれぞれ加算される。

制御ゲート１５は、ＡＮＤゲートにより構成されていて、制御信号が「Ｈ」出力の時に、発信器１４から入力の入力信号をそのまま、タイマカウンタ１６の同期クロックとして出力する。したがって、計測対象の開始時点で制御信号を「Ｈ」、終了時点で、制御信号を「Ｌ」として、この間にタイマカウンタ１６に入力された同期クロックの数をカウントすることにより、計測対象を計時することが可能となる。

次に、伝搬時間の計測方法について説明する。トリガ手段８からトリガ信号が出力されると同時に、制御ゲート１５の制御信号が「Ｌ」から「Ｈ」に変化する。これによって、制御ゲート１５から一定周期毎に、タイマカウンタ１６に対して同期クロックが入力されるようになり、伝搬時間の計時が開始される。この計時開始のタイミングから僅かな遅延時間Ｔ_Ｄの後に、送信回路４から送信出力がされる。そして、この遅延時間Ｔ_Ｄは、可変であり、その設定分解能Ｔ_Ｓは、計時手段７の計時分解能、すなわち、同期クロックの発振周期Ｔ_Ｃより小さな値１／３Ｔ_Ｃに定められている。まず、１回目の送信時の遅延時間Ｔ_Ｄ１は１／３Ｔ_Ｃに設定されていて、その値を使って、まず上流側から下流側に向けての伝搬時間を計測した後、切換手段１０により送信方向を反転させた後、同じ遅延時間を用いて下流側から上流側に向けての伝搬時間を計測する。以後、２回目の遅延時間Ｔ_Ｄ２は２／３Ｔ_Ｃ、３回目の遅延時間Ｔ_Ｄ３はＴ_Ｃと、その遅延時間Ｔ_Ｄは設定分解能Ｔ_Ｓ、すなわち１／３Ｔ_Ｃずつ変化させて同様に計測を続ける。Ｔ_Ｄをわずかに変化させることにより、計測点における同期クロックの位相が毎回異なるため、同期クロックの１周期未満のわずかな時間変化の読み取りが可能となる。そして、特に、Ｔ_Ｄが同期クロックの整数倍に達すると、同期クロックを整数分の１に均等に分割した分解能を得ることができる。

この分解能向上効果について図３および図４を用いて説明する。図３は、遅延時間がない場合と、遅延時間がＴ_Ｄ１、Ｔ_Ｄ２、Ｔ_Ｄ３の場合のタイマカウンタ値を示すものである。それぞれの場合の計数値は、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋１、Ｎ＋１となる。送受信１回目から３回目までに計数された値であるＮ＋１、Ｎ＋１、Ｎ＋１は第１加算器１７で加算され、その加算値である３Ｎ＋３が流量演算手段１２に出力される。

流量演算手段１２では、第１加算器１７で求めた値に対して遅延時間を補正する処理が施される。３つの遅延時間１／３Ｔ_Ｃ、２／３Ｔ_Ｃ、Ｔ_Ｃの合計値は２Ｔ_Ｃと求められるので、３回の伝搬時間の平均値は次式により求めることができる。

Ｔａｖｅ＝｛（３Ｎ＋３）×Ｔ_Ｃ−２Ｔ_Ｃ｝／３＝（Ｎ＋１／３）・Ｔ_Ｃ （式５）
同様の処理を第２加算器１８に加算された値に対しても施し、両方向の伝搬時間の平均値を使って流量を求める。

図４は、伝搬時間と、この方式で読み取った場合の計測値の関係をタイマカウンタ１６の値で示したものである。図４によれば、時間分解能がカウンタ値の１／３カウント分となり、遅延がない場合の１／３の分解能で時間変化を読み取ることが可能になっているのがわかる。

上記のような方法で得られる時間分解能は、計時手段７の時間分解能、すなわち同期クロックの周期Ｔ_Ｃ、遅延時間の設定分解能Ｔ_Ｓ、と前記ふたつの分解能の差Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｓの３者のうち最も小さな値として定義できる。上記の例では、三つの値がそれぞれ、Ｔ_Ｃ、１／３Ｔ_Ｃ、２／３Ｔ_Ｃとなるので、時間分解能は１／３Ｔ_Ｃとなる。なお、遅延時間Ｔ_Ｄの設定範囲は、先に述べたように計時分解能Ｔ_Ｃの整数倍に限定されるものではなく、整数倍近傍の値であれば、計時分解能Ｔ_Ｃをほぼ均等に分割した分解能を得ることができる。また、整数倍から外れた値であったとしても、平均的な分解能は、計時手段７単独で得られる分解能Ｔ_Ｃよりも小さな値となることは言うまでもない。

そして、送信間隔がいくらであっても同じ分解能が得られる。したがって、シングアラウンド法のように、連続動作を前提としている場合と異なり、超音波の送信間隔を自由に設定することが可能となり、流量変化に対する追従性を高めることができる。

なお、送信間隔が短い場合には、前に送信した超音波の残響や反射波が、後続の送信波と合成されることで計測精度に悪影響を及ぼす場合もあるので、一旦計測が終了した後、所定時間、すなわち、反射や残響の影響がなくなるまでの時間、再計測を禁止する構成とすれば、精度の高い計測が実現できるようになる。この場合、再計測を禁止している間は、制御ゲート１５に対する制御信号は「Ｌ」になっているため、タイマカウンタ１６に対して同期クロックは入力されないので、余分な電力消費を低減できる。

次に、流量演算の方法について説明する。遅延時間の設定値を３回変化させることによって、設定が一巡するので、この時点で、計測制御手段１１は、切換手段１０により振動子の送受信の方向を反転し、第１振動子２を受信側、第２振動子１を送信側として同様に３回の計測を実行する。そのため、両方向において、高い分解能で伝搬時間を計測することが可能となるので、流量値も同様に高精度で求めることが可能である。

なお、流量演算のタイミングは設定一巡毎に限るものではなく、二巡、三巡させた後であっても良い。特に、流量の小さな時は、流速自体が不安定であることが多いため、複数回巡回させてから流量を求めるようにすれば、平均化作用により正確な値を得ることができる。

また、設定一巡もしくは整数回巡回する毎に流量演算を実施する構成に拘る物ではなく、切換タイミングが異なる場合であっても、トータルの積算流量値は同じ精度で得られることは容易に推察できる。

なお、本実施の形態においては、超音波の送信を計時手段７の計時開始より遅延させる構成としているが、反対に、計時手段７の計時開始の方を遅延させる構成や、タイマの計測終了を遅延させる構成であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２における計時手段７のブロック図である。図５が図２と異なるのは発信器１４から出力されるクロックパルスを分周器１９を通した後に、制御ゲート１５へ出力している点である。

実施の形態１で示した通り、時間分解能は、計時手段の時間分解能、すなわち同期クロックの周期Ｔ_Ｃ、遅延時間の設定分解能Ｔ_Ｓ、と前記ふたつの分解能の差Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｓの３者のうち最も小さな値として定義できる。分周器１９を通す前の発信器１４の発信周波数をＴ_Ｃとし、Ｔ_ＳをＴ_Ｃの１／２より小さく定めておけば、分周器１９により制御ゲート１５へ出力する同期クロック周期をどれだけ大きくしても、分解能は常にＴ_Ｓとなる。したがって、分解能を損なわずに、タイマカウンタ１６の消費電流を低減できる。よって、流体の使用量の少ない時に、分周器１９を通してタイマカウンタ１６に入力される同期クロック周期を長くするように設定すれば、装置全体の総消費電流の低減が図れる。特に、家庭用のガスメータに適用した場合を考えると、長時間電池を交換せずに長い年月動作させることが要求されるため、消費電力を極めて小さく抑える必要があるが、一般家庭におけるガスの使用実態を考えると、ガスを使っていない時間の方が圧倒的に長いため、流量が小さい時に消費電力を低減する効果は極めて高いと言える。

本発明の流量計測装置は、計測間隔を自由に設定することができるので、例えば脈動流が常時発生するような条件下においても適用可能である。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 本発明の実施の形態１における計時手段のブロック図 本発明の実施の形態１における計時手段の動作を説明するタイミングチャート 本発明の実施の形態１における計時手段の時間分解能を示す特性図 本発明の実施の形態２における計時手段のブロック図 従来の流量計測装置のブロック図

符号の説明

１ 流体管路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
７ 計時手段
９ 遅延発生手段
１０ 切換手段
１１ 計測制御手段
１２ 流量演算手段
１３ 同期クロック発生手段
１６ タイマカウンタ

Claims (6)

1. 流体管路に設けられ超音波信号を送信する第１振動子と、前記第１振動子から送信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記振動子間を超音波が伝搬する毎に発停して伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段による計測が終了する毎に前記振動子の送受信方向を反転させる切換手段と、前記計時手段の計測開始もしくは計測終了と送受信のタイミングに微小時間のずれを発生させる遅延発生手段と、前記遅延発生手段と前記切換手段とを制御する計測制御手段と、前記計時手段の計測値と前記遅延時間とを基に流量を求める流量演算手段とを備え、前記計測制御手段は、前記遅延発生手段の遅延時間を前記計時手段の計時分解能より小さい分解能により所定範囲だけ変更可能とした流量計測装置。
2. 計測制御手段は、遅延時間の設定範囲を計時手段の計時分解能の整数倍になるように定める請求項１に記載の流量計測装置。
3. 計測制御手段は、計時手段による計測終了後の所定時間は次の計測を禁止する構成とした請求項１に記載の流量計測装置。
4. 流量演算手段は、遅延手段の設定値が整数回巡回する毎に流量を求める構成とした請求項２に記載の流量計測装置。
5. 計測制御手段は、計測流量が小さくなるに従って流量演算を行うまでの計測回数を多くなるように定めた請求項４に記載の流量計測装置。
6. 計時手段は同期クロック発生手段とタイマカウンタとで構成され、計測制御手段は、計測流量が小さくなるに従って、前記同期クロックの発振周期を大とし、遅延時間の設定分解能を前記同期クロックの最小発振周期の１／２以下に定める構成とした請求項４に記載の流量計測装置。

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