JP2006292376A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間にわたって安定して且つ正確に流量を計測できる小型で安価な超音波流量計を提供する。
【解決手段】気体の流路に配置された第１超音波振動子１０１と、流路に第１超音波振動子に対向するように配置された第２超音波振動子１０２と、第１超音波振動子から第２超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間と第２超音波振動子から第１超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間との差に基づき流路を流れる気体の流量を計測する制御回路１０３〜１０９と、第１超音波振動子と第２超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ制御回路へ電源を供給する電源制御手段１１０〜１１２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計に関し、特にその消費電力を低減させる技術に関する。

従来、流体の流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を設け、その間で相互に超音波信号を繰り返し送受信し、上流側から下流側への超音波信号の積算伝播時間と、下流側から上流側への積算伝播時間の差に基づいて流量を求める超音波流量計が知られている。この超音波流量計においては、内部回路を駆動する電源として電池が用いられる場合が多い。

このような電池を電源として動作する超音波流量計では、繰り返し行われる超音波の送受信および超音波の送受信に伴って行われる信号処理に電力を消費し、また、送受信が行われない待機状態でも電力を消費する。従って、電池の寿命が短くなり、短期間で電池を交換する必要がある。

そこで、ガス流路におけるガスの流れの有無を検知するスイッチを設け、このスイッチの検知結果に基づき超音波センサおよびその駆動回路への電源の供給または遮断を制御し、これにより電力消費を低減させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００―１１１０４１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、ガス流路内のガスの流れの有無を検知するためのスイッチを設ける必要があり、このスイッチの大きさによっては、超音波流量計のサイズが大きくなりコストが高くなる。また、ガス流路内にスイッチを設けることに起因して、ガス流路内のガスの流れが乱れて、正確な計測ができないという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、長期間にわたって安定して且つ正確に流量を計測できる小型で安価な超音波流量計を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る超音波流量計は、気体の流路に配置された第１超音波振動子と、流路に第１超音波振動子に対向するように配置された第２超音波振動子と、第１超音波振動子から第２超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間と第２超音波振動子から第１超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間との差に基づき流路を流れる気体の流量を計測する制御回路と、第１超音波振動子と第２超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ制御回路へ電源を供給する電源制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、第１超音波振動子と第２超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ制御回路へ電源を供給し、それ以外の期間では、制御回路への電源供給を停止するように構成したので、消費電力を低減させることができる。

その結果、長期間にわたって電池を交換しなくても安定して正確に流量を計測することができる。また、特許文献１に記載されたガス流量計のように、流路内にスイッチを設ける必要がないので、超音波流量計のサイズを小さくすることができ、コストを低減することができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。この超音波流量計は、第１超音波振動子１０１、第２超音波振動子１０２、送受信切替回路１０３、送信回路１０４、繰返し回路１０５、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８、流量計測回路１０９、発振回路１１０、タイミング生成回路１１１、電源回路１１２および電圧監視回路１１３から構成されている。

本発明の制御回路は、送受信切替回路１０３、送信回路１０４、繰返し回路１０５、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８および流量計測回路１０９から構成されている。また、本発明の電源制御手段は、発振回路１１０、タイミング生成回路１１１、電源回路１１２および電圧監視回路１１３から構成されている。制御回路を構成する各回路の電源は、電源制御手段によって制御される。また、電源制御手段の電源は常時投入されている。

第１超音波振動子１０１はガスや空気といった流体が流れる流路１００の内部の上流側に配置される。第２超音波振動子１０２は、流路１００の内部の下流側であって、第１超音波振動子１０１から距離Ｌの位置に、該第１超音波振動子１０１と対向するように配置される。また、これら第１超音波振動子１０１および第２超音波振動子１０２は、流路１００内において同軸上に配置される。

第１超音波振動子１０１は、送受信切替回路１０３から送られてくる駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第２超音波振動子１０２に向けて送信する。また、第１超音波振動子１０１は、第２超音波振動子１０２からの超音波を受信して電気信号に変換し、送受信切替回路１０３に送る。

第２超音波振動子１０２は、送受信切替回路１０３からの駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第１超音波振動子１０１に向けて送信する。また、第２超音波振動子１０２は、第１超音波振動子１０１からの超音波を受信して電気信号に変換し、送受信切替回路１０３に送る。

送受信切替回路１０３は、送信回路１０４から送られてくる駆動パルス信号を第１超音波振動子１０１に送って超音波を発生させるとともに、この超音波を受信した第２超音波振動子１０２から得られる信号を受信回路１０６に送るか、逆に、送信回路１０４から送られてくる駆動パルスを第２超音波振動子１０２に送って超音波を発生させるとともに、この超音波を受信した第１超音波振動子１０１から得られる信号を受信回路１０６に送るかを切り替える。

送信回路１０４は、繰返し回路１０５から送信信号が送られてくる毎に、第１超音波振動子１０１または第２超音波振動子１０２を駆動するための駆動パルス信号を生成する。この送信回路１０４で生成された駆動パルス信号は、送受信切替回路１０３に送られる。

繰返し回路１０５は、第１超音波振動子１０１または第２超音波振動子１０２から超音波を繰り返して送信すべき回数を計数する。具体的には、発振回路１１０からクロック信号を受け取る毎に繰り返し回数をカウントアップし、カウントアップする毎に、送信信号を送信回路１０４および流量計測回路１０９に送る。

受信回路１０６は、第１超音波振動子１０１または第２超音波振動子１０２から送受信切替回路１０３を介して送られてくる信号を受信して一定の利得で増幅する。この受信回路１０６で増幅された受信信号は、フィルタ回路１０７に送られる。

フィルタ回路１０７は、受信回路１０６から送られてくる信号に含まれるノイズ成分を除去する。このフィルタ回路１０７でノイズが除去された信号は、コンパレータ１０８に送られる。

コンパレータ１０８は、フィルタ回路１０７から送られてくるアナログの信号を所定のスレッショルド電圧でスライスすることによりデジタルの信号に変換する。このコンパレータ１０８における変換により得られたデジタルの受信信号は、流量計測回路１０９に送られる。

流量計測回路１０９は、発振回路１１０からのクロック信号に応じてコンパレータ１０８から送られてくるデジタルの受信信号を受け取って記憶する。そして、繰返し回路１０５から送られてくる送信信号が所定回数を示しているときに、記憶しているデジタルの受信信号に基づいて、周知のアルゴリズムを用いて、流路１００の内部を流れる流体の流量を算出する。

発振回路１１０は、クロック信号を発生する。この発振回路１１０には、電源回路１１２から常時電源が供給されている。この発振回路１１０で発生されたクロック信号は、繰返し回路１０５、流量計測回路１０９およびタイミング生成回路１１１に送られる。

タイミング生成回路１１１は、発振回路１１０からのクロック信号をカウントしてタイミング信号を生成する。このタイミング生成回路１１１には、電源回路１１２から常時電源が供給されている。タイミング信号は、制御回路に電源を供給するタイミングでない、つまり超音波の送受信による流量の計測が行われていない待機状態ではインアクティブになり、制御回路に電源を供給するタイミングである、つまり超音波の送受信による流量の計測が行われている動作状態ではアクティブになる信号である。このタイミング生成回路１１１で生成されたタイミング信号は、発振回路１１０にフィードバックされるとともに、電源回路１１２に送られる。

発振回路１１０は、タイミング生成回路１１１からフィードバックされるタイミング信号がインアクティブである場合は、タイミング信号がアクティブである場合に較べて小さい振幅のクロック信号を発生する。これにより、超音波の送受信による流量の計測が行われていない待機状態では、消費電力を低減させることができるようになっている。

電源回路１１２は、図示しない電池を含み、タイミング生成回路１１１からのタイミング信号に応じて、破線で示す送受信切替回路１０３、送信回路１０４、繰返し回路１０５、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８および流量計測回路１０９に電力を供給する。

電圧監視回路１１３は、本発明の報知手段に対応し、電源回路１１２の電源電圧を監視する。この電圧監視回路１１３には、電源回路１１２から常時電源が供給されている。電圧監視回路１１３は、電源回路１１２の電源電圧が所定値以下になったことを検出した場合に、その旨を外部に報知する。外部に報知する手段としては、表示器、通信機器等を用いることができる。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る超音波流量計の動作を説明する。なお、以下では、上流側の第１超音波振動子１０１を超音波の発信側、下流側の第２超音波振動子１０２を超音波の受信側に設定した場合を例に挙げて説明する。

送信回路１０４で生成された駆動パルス信号が送受信切替回路１０３を介して第１超音波振動子１０１に印加されると、第１超音波振動子１０１は、印加された駆動パルス信号の大きさに応じた超音波を発生し、下流側の第２超音波振動子１０２に向けて送信する。超音波は、その音速Ｖと距離Ｌとを乗じた伝播時間ｔを要して下流側の第２超音波振動子１０２に到達する。第２超音波振動子１０２は、受信した超音波を電気信号に変換して出力する。

第２超音波振動子１０２から出力された信号は、送受信切替回路１０３を介して受信回路１０６に入力され、受信回路１０６において一定利得で増幅されてフィルタ回路１０７に送られる。そして、フィルタ回路１０７でノイズ成分が除去されてコンパレータ１０８に送られる。

コンパレータ１０８は、フィルタ回路１０７から送られてくるアナログの受信信号を所定のスレッショルド電圧でスライスすることによりデジタルの受信信号に変換する。このコンパレータ１０８の出力は、流量計測回路１０９に送られる。

流量計測回路１０９は、送信回路１０４から駆動パルス信号が出力されから受信回路１０６で受信信号が得られるまでの時間を計測することにより、第１超音波振動子１０１から送信された超音波が第２超音波振動子１０２に到達するまでの伝播時間を求め、図示しないメモリに記憶する。以上の動作が、繰返し回路１０５から送られてくる送信信号が所定回数を示すまで繰り返される。

そして、繰返し回路１０５から送られてくる送信信号が所定回数を示した場合に、メモリに記憶しているデジタルの受信信号に基づいて、積算伝播時間を求める。図２（ａ）は、一定周期（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｕ）で動作状態にされる期間Ｔａにおいて、第１超音波振動子１０１から第２超音波振動子１０２へ伝播される超音波の積算伝播時間が求められる様子を示している。なお、図２において、期間Ｔｕは待機状態を示している。

引き続いて、流量計測回路１０９は、上記と同様にして、第２超音波振動子１０２から送信された超音波が第１超音波振動子１０１に到達するまでの伝播時間を求め、図示しないメモリに記憶する。

そして、繰返し回路１０５から送られてくる送信信号が所定回数を示しているときに、メモリに記憶しているデジタルの受信信号に基づいて、積算伝播時間を求める。図２（ｂ）は、一定周期（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｕ）で動作状態にされる期間Ｔｂにおいて、第２超音波振動子１０２から第１超音波振動子１０１へ伝播される超音波の積算伝播時間が求められる様子を示している。

以上のようにして２つの積算伝播時間が求められると、流量計測回路１０９は、周知のアルゴリズムを用いて、２つの積算伝播時間の差から流路１００の内部を流れる流体の流量を算出する。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る超音波流量計によれば、第１超音波振動子１０１と第２超音波振動子１０２との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間Ｔａおよび期間Ｔｂで示される動作状態でのみ制御回路（送受信切替回路１０３、送信回路１０４、繰返し回路１０５、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８および流量計測回路１０９）へ電源を供給し、それ以外の期間Ｔｕで示される大気状態では制御回路への電源供給を停止するように構成したので、消費電力を低減させることができる。

その結果、長期間にわたって電池を交換しなくても安定して正確に流量を計測することができる。また、特許文献１に記載されたガス流量計のように、流路内にスイッチを設ける必要がないので、超音波流量計のサイズを小さくすることができ、コストを低減することができる。

また、上述したように、発振回路１１０は、期間Ｔｕで示される待機状態では、図２（ｃ）に示すように、クロック信号の振幅を、期間Ｔａおよび期間Ｔｂで示される動作状態よりも小さくするので、消費電力を抑えることができる。

なお、発振回路１１０とタイミング生成回路１１１とは、同一のパッケージに収納された集積回路に形成することができる。この構成によれば、発振回路１１０とタイミング生成回路１１１との間で送受される信号の経路長が短くなって外乱を受け難くなるので、ノイズを低減させることができる。その結果、ＳＮ比が向上するので、発振回路１１０とタイミング生成回路１１１との間で送受される信号の振幅を小さくすることができるので、消費電力を低減させることができる。

また、電源回路１１２から繰返し回路１０５、送信回路１０４、送受信切替回路１０３、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８および流量計測回路１０９に個別に電源を供給するように構成し、タイミング生成回路１１１で生成するタイミングを制御し、図３に概念的に示すように、繰返し回路１０５、送信回路１０４、送受信切替回路１０３、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８および流量計測回路１０９のうち、動作が開始される順番に電源を供給し、動作が停止される順番に電源の供給を停止させるように構成できる。この構成によれば、各回路の電源は必要な時だけ投入されるので、全体として消費電力を抑えることができる。

本発明の超音波流量計は、超音波ガスメータ等に適用可能である。

本発明の実施例１に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る超音波流量計の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施例１に係る超音波流量計の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１００ 流路
１０１ 第１超音波振動子
１０２ 第２超音波振動子
１０３ 送受信切替回路
１０４ 送信回路
１０５ 繰返し回路
１０６ 受信回路
１０７ フィルタ回路
１０８ コンパレータ
１０９ 流量計測回路
１１０ 発振回路
１１１ タイミング生成回路
１１２ 電源回路
１１３ 電圧監視回路

Claims (7)

1. 気体の流路に配置された第１超音波振動子と、
   前記流路に前記第１超音波振動子に対向するように配置された第２超音波振動子と、
   前記第１超音波振動子から前記第２超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間と前記第２超音波振動子から前記第１超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間との差に基づき前記流路を流れる気体の流量を計測する制御回路と、
   前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ前記制御回路へ電源を供給する電源制御手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記制御回路は、
   超音波を繰り返して送信する回数を計数する繰返し回路と、
   前記繰返し回路で計数された回数がカウントアップされる毎に駆動パルス信号を発生する送信回路と、
   前記送信回路からの駆動パルス信号を前記第１超音波振動子に送って前記第２超音波振動子からの信号を受け取るか、前記第２超音波振動子に送って前記第１超音波振動子からの信号を受け取るかを切り替える送受信切替回路と、
   前記送受信切替回路からの信号を受信する受信回路と、
   前記受信回路からの信号のノイズを除去するフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路からの信号をデジタル信号に変換するコンパレータと、
   前記繰返し回路で所定回数が計数されたときに前記コンパレータから順次受け取ったデジタル信号に基づき前記流路を流れる気体の流量を計算する流量計測回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記電源制御手段は、
   前記制御回路を動作させるためのクロック信号を発生する発振回路と、
   前記発振回路で発生されたクロック信号に基づき前記制御回路に電源を供給するタイミングを規定するタイミング信号を生成するタイミング生成回路と、
   前記タイミング生成回路で生成されたタイミング信号に従って前記制御回路に電源を供給する電源回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
4. 前記発振回路は、前記タイミング生成回路で生成されたタイミング信号が前記制御回路に電源を供給するタイミングでないことを示している場合に、前記制御回路に電源を供給するタイミングであることを示している場合に較べて小さい振幅のクロック信号を発生することを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
5. 前記発振回路と前記タイミング生成回路とは、同一のパッケージに収納された集積回路に形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４記載の超音波流量計。
6. 前記電源制御手段は、
   前記繰返し回路、送信回路、送受信切替回路、受信回路、フィルタ回路、コンパレータおよび流量計測回路のうち、動作が開始される順番に電源を供給し、動作が停止される順番に電源の供給を停止させることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項記載の超音波流量計。
7. 前記電源制御手段は、前記電源回路の出力電圧が所定値以下になったことが検出された場合に、その旨を外部に報知する報知手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項記載の超音波流量計。

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