JP2006275512A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量が大幅に変化した場合や、測定流体の種類が変化した場合においても超音波の計測を可能とすること。
【解決手段】超音波の伝搬時間に応じて受信回路２の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路１０と、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は受信回路２の出力を無効にするタイミングを短くする出力無効補正回路１１を備え、超音波の伝搬時間が大きく変動し受信タイミングが早くなり、受信回路２の出力無効期間に受信タイミングが重なった場合でも、受信回路２の出力を無効にする時間を短くすることにより超音波の受信が可能となる。
【選択図】図１

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。

従来この種の超音波流量計は、図３に示されているように、流体の中に配置し超音波を送受信する１対の超音波振動子（第１の超音波振動子３、第２の超音波振動子４）と、送信側の超音波振動子を駆動する送信回路１と、被測定流体を伝搬した超音波を受信する受信側の超音波振動子の出力信号から受信判定し送信回路１に出力する受信回路２と、第１の超音波振動子３と第２の超音波振動子４と送信回路１と受信回路２の接続を送受切り替えることによって送受の方向を切り替える切り替え器５と、切り替え器５を制御し送受の方向を交互に切り替え測定開始信号を送信回路３に出力する制御部６と、超音波の送信から受信そして帰還までの繰り返しの回数を計測するカウンタ７と、１回目の超音波の送信開始から繰り返しの回数が所定回数に達するまでの時間を計測するタイマ８と、タイマ８の値から流量を求める演算部９と、超音波の伝搬時間に応じて前記受信回路２の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路１０とを備えていた（例えば、特許文献１参照）。

次に動作を説明する。まず制御部６が切り替え器５を制御し超音波を伝搬させる方向を決める。ここでは超音波は第１の超音波振動子３から第２の超音波振動子４に伝搬させる。その後制御部６は測定開始信号を送信回路１に出力する。測定開始信号を受けた送信回路１は第１の超音波振動子３を駆動し、第１の超音波振動子３は超音波を送信する。第２の超音波振動子４は被測定流体を伝搬してきた超音波を受信し受信信号を受信回路２に出力する。受信回路２は受信判定を行い超音波の受信を確認した場合送信回路１に出力を行う。受信回路２の出力を受けた送信回路１は再度第１の超音波振動子３を駆動する。カウンタ７はこの超音波の送信から受信の回数を数え、この回数がカウンタ７の設定値（Ｎ回）に達した場合タイマ８を停止させる。タイマ８は測定開始からの時間を計測しており、この時のタイマ８の値ｔ１は超音波の伝搬時間のＮ倍となる。次に制御部６は超音波の伝搬させる方向を第２の超音波振動子４から第１の超音波振動子３に切り替える。そして前回の測定と同様な動作をさせｔ２を測定する。この値をもとに演算部９は次の計算によって流量を求める。

超音波の伝搬距離をＬ、被測定流体の流れる断面積をＳ、被測定流体の静止時の音速をＣ、被測定流体の流速をＶ、上流から下流方向への伝搬時間をｔ１、カウンタ７の設定値とした場合の流量Ｑを求める計算式を（式１）に示す。

Ｑ＝ＳＬ［（１／ｔ１／Ｎ）−（１／ｔ２／Ｎ）］ （式１）
また、出力無効回路１０は制御部６が測定開始信号を出力するか、受信回路２が超音波の受信判定を行った後に受信回路２の出力を無効となるようにし、超音波の伝搬時間を前回測定時のタイマ８出力から求め、受信回路２に超音波信号が入力される直前に受信回路の出力を有効となるように制御する。

また、図３に示すように受信回路２と送信回路１の間に、受信回路２の出力を受け所定の遅延時間経過後に送信回路１へ出力する帰還回路１６を設け、超音波振動子間を反射した後受信側の超音波振動子で受信される反射波と、送信側の超音波振動子から送信され直接受信側の超音波振動子で受信する直接波との受信タイミングを外し測定誤差を小さくしているものもあった。

また、超音振動子の送受信感度は流体、温度、経年変化、設置状態等によって大きく変動し、この変動の吸収を送信出力変更、受信回路の定数変更などによって行っているものもあった。
特開平１１−５１７２５号公報

しかしながら、前記従来の流量計測装置では流量が大きく変動し超音波の伝搬時間が大きく変動した場合や、ガス種が切り替わり超音波の伝搬時間が大きく変動した場合において、超音波受信回路の出力を有効にしている期間が超音波の受信期間と異なってしまうため、超音波を受信できない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、流量が大幅に変化した場合や、測定流体の種類が変化した場合においても超音波の計測を可能と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量計測装置は、超音波を送信又は受信する１対の超音波振動子と前記超音波振動子を駆動する送信回路と、前記超音波振動子の出力信号から受信判定する受信回路と、前記受信回路の出力を受け所定の遅延時間経過後に前記送信回路へ出力する帰還回路と、超音波の送信から受信そして帰還までの繰り返し回数を計測するカウンタと、前記繰り返しの回数が所定回数に達する時間を計測するタイマと、前記タイマの値から流量を求める演算部と、超音波の伝搬時間に応じて前記受信回路の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路を備え、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は前記受信回路の出力を無効にするタイミングを短くする出力無効補正回路を備えることにより、超音波の伝搬時間が大きく変動し受信タイミングが早くなった場でも前記受信回路の出力を無効にする時間を短くすることにより超音波の受信を可能とすることができる。

本発明の流量計測装置によれば、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は受信回路の出力を無効にするタイミングを短くすることにより、超音波の受信が可能となる。

第１の発明は、超音波を送信又は受信する１対の超音波振動子と前記超音波振動子を駆動する送信回路と、前記超音波振動子の出力信号から受信判定する受信回路と、前記受信回路の出力を受け所定の遅延時間経過後に前記送信回路へ出力する帰還回路と、超音波の送信から受信そして帰還までの繰り返し回数を計測するカウンタと、前記繰り返しの回数が所定回数に達する時間を計測するタイマと、前記タイマの値から流量を求める演算部と、超音波の伝搬時間に応じて前記受信回路の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路を備え、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は前記受信回路の出力を無効にするタイミングを短くする出力無効補正回路を備えたもので、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は前記受信回路の出力を無効にするタイミングを短くする出力無効補正回路を備えた構成とすることにより、超音波の受信タイミングが早くなった場合でも、前記受信回路の出力を有効にするタイミングを短くすることにより超音波の受信が可能となる。

第２の発明は、超音波の伝搬時間の最小値を一定期間記憶する伝搬時間記憶手段と、前記伝搬時間記憶手段の値に基づいて前記受信回路の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路を備えた構成とすることにより、前記受信回路の出力を有効にするタイミングを最適値にすることにより超音波の受信が可能となる。

第３の発明は、受信回路の出力を無効にするタイミングを短くした場合、表示素子に表示を行うことにより超音波の伝搬時間が大きく変化したことを報知できる。

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の流量計測装置のブロック図である。

送信側の超音波周波数の信号を出力する送信回路１と、被測定流体を伝搬した超音波信号を受信し電気信号に変換した信号から受信判定し送信回路１に出力する受信回路２と、超音波の送受信を行う１対の超音波振動子（第１の超音波振動子３、第２の超音波振動子４）と、送受信回路１、２の接続を送受切り替えることによって送受の方向を切り替える切り替え器５と、切り替え器５を制御し送受の方向を交互に切り替え測定開始信号を送信回路１に出力する制御部６と、測定開始からの受信回路の信号出力を数えるカウンタ７と、カウンタ７の値が所定回数に達するまでの時間を計測するタイマ８と、タイマ８の値から流量を求める演算部９と、超音波の伝搬時間を前回測定時のタイマ８の出力から求め、超音波の伝搬時間に応じて受信回路２の出力を無効とするタイミングを制御する出力無効回路１０を備え、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は前記受信回路２の出力を無効にするタイミングを短くする出力無効補正回路１１を備えている。

また、受信回路２の出力を無効にするタイミングを短くした場合に報知を行うための報知手段としての表示素子１４を備えている。

初めに超音波を第１の超音波振動子３から第２の超音波振動子４に伝搬させた場合を説明する。

まず制御部６が切り替え器５を制御し送信回路１と第１の超音波振動子３とを接続する、同時に受信回路２と第２の超音波振動子４とを接続する。次に制御部６は測定開始信号を送信回路１に出力する。測定開始信号を受けた送信回路１は第１の超音波振動子３を駆動し、第１の超音波振動子３は超音波を送信する。送信された超音波は被測定流体を伝搬し第２の超音波振動子４に伝搬する。第２の超音波振動子４は超音波を受信し受信信号を受信回路２に出力する。受信回路２は受信判定を行い超音波の受信を確認し送信回路１に出力を行う。受信回路２の出力を受けた送信回路１は再度第１の超音波振動子３を駆動する。この超音波の送信から受信の回数をカウンタ６は数え、この回数がカウンタ７の設定値（Ｎ回）に達した場合タイマ８を停止させる。タイマ８は測定開始からの時間を計測しており、この時のタイマの値ｔ１は超音波の伝搬時間のＮ倍となる。次に制御部６は超音波の伝搬させる方向を第２の超音波振動子４から第１の超音波振動子３に切り替える。そして前回の測定と同様な動作をさせｔ２を測定する。この値をもとに演算部９は（式１）によって流量を求める。

出力無効回路１０は制御部６が測定開始信号を出力するか、受信回路２が超音波の受信判定を行った後に受信回路２の出力を無効となるようにし、超音波の伝搬時間を前回測定時のタイマ８出力から求め、受信回路２に超音波信号が入力される直前に受信回路２の出力を有効となるように制御する。この受信回路２の出力を有効とするタイミングはできるだけ短いほうがノイズ等の影響により超音波を誤受信することはない。

しかしながら、被測定流体の流速が大きく変動すると、下流から上流に超音波を伝搬した場合の伝搬時間が早くなるため、受信回路２の出力を有効とする時間を短くしていると超音波を受信したタイミングで受信回路２の出力が無効となる場合がある。このような場合はタイマ８が終了しないので制限時間を持たしておく。タイマ８が制限時間を越えた場合は、超音波が受信できなかったと判断して制御部６は出力無効補正回路１１に信号を送る。出力無効補正回路１１は出力無効回路１０の無効時間を短くする信号を出力無効回路１０に送る。次回の計測からは受信回路２の出力無効期間が短くなるため超音波の受信が可能となる。

即ち、超音波の伝搬時間が大幅に変化して受信できなかった場合でも次回からは正常に受信することが可能となるのである。

なお、被測定流体の種類が変わっても同様である。たとえば、測定気体が空気から天然ガスに切り替わっても伝搬時間は短くなり同様の動作となる。

以上のように本実施の形態においては受信回路２の出力が無効となり、超音波の受信を検知できなくなっても、受信回路２の無効期間を短くすることで超音波の受信を検知することができるようになる。

また、受信回路２の出力を無効にするタイミングを短くした場合、ＬＥＤやＬＣＤ等の表示素子に表示することにより超音波の伝搬時間が変化したことを確認できる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の超音波流量計のブロック図である。

実施の形態１と異なる点は、超音波の伝搬時間の最小値を一定期間記憶する伝搬時間記憶手段１３を備えたところである。

伝搬時間記憶手段１３はタイマ８により計測している超音波の伝搬時間の最小値を一定期間（たとえば１ヶ月間）記憶する。伝搬時間記憶手段１３の値に基づいて出力無効回路１０は超音波の伝搬時間の最小値より短い時間（たとえば２μＳｅｃ）を受信回路２の出力無効時間として受信回路２に送信する。受信回路２は超音波受信の２μＳｅｃ前から有効となり超音波を受信する。

各家庭の流量変化による超音波の伝搬時間の最小値により受信回路２を有効とする時間を決定しているため、流量変化により受信回路２の無効期間と受信タイミングがずれることなく超音波の受信を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置によれば、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は受信回路の出力を無効にするタイミングを短くすることにより、超音波の受信が可能となるので、超音波の伝搬時間が大きく変化する超音波計測装置に適用できる。

本発明の第１の実施の形態の流量計測装置のブロック図 本発明の第２の実施の形態の流量計測装置のブロック図 従来の流量計測装置のブロック図

符号の説明

１ 送信回路
２ 受信回路
３、４ 超音波振動子
６ 制御部
７ カウンタ
８ タイマ
９ 演算部
１０ 出力無効回路
１１ 出力無効補正回路
１３ 伝搬時間記憶手段
１４ 表示素子（報知手段）
１６ 帰還回路

Claims (3)

1. 超音波を送信又は受信する１対の超音波振動子と前記超音波振動子を駆動する送信回路と、前記超音波振動子の出力信号から受信判定する受信回路と、前記受信回路の出力を受け所定の遅延時間経過後に前記送信回路へ出力する帰還回路と、超音波の送信から受信そして帰還までの繰り返し回数を計測するカウンタと、前記繰り返しの回数が所定回数に達する時間を計測するタイマと、前記タイマの値から流量を求める演算部と、超音波の伝搬時間に応じて前記受信回路の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路を備え、超音波の伝搬時間が大幅に変化した場合は前記受信回路の出力を無効にするタイミングを短くする出力無効補正回路を備えた流量計測装置。
2. 超音波の伝搬時間の最小値を一定期間記憶する伝搬時間記憶手段と、前記伝搬時間記憶手段の値に基づいて受信回路の出力を無効にするタイミングを制御する出力無効回路を備えた請求項１記載の流量計測装置。
3. 受信回路の出力を無効にするタイミングを短くした場合、報知を行う報知手段を備えた請求項１記載の流量計測装置。

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