JP2007051889A - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流速および／または流量変動の激しい条件下においても追従性の高い流れ計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１振動子２から送信され第２振動子３で受信された超音波信号は、検出手段８によってその受信波のゼロクロス点が予め定められた数だけ検出される。計時手段９では第１振動子２の送信開始から各ゼロクロス点までの経過時間を計測し、時間演算手段１１でその平均値を求めることにより伝搬時間を求めているので、ゼロクロス点の検出回数分だけ計時手段の計測分解能が高められ、間欠的な計測が可能となるので、計測間隔の自由度が高まり、流れの変化に対する追従性の高い計測が可能となる。
【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体の流速を検出し、必要に応じて流体の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、この種の流れ計測装置においては、二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８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。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、これら一対の振動子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の流速および／または流量を求める演算部３６とで構成されている。

ここで、音速をＣ、流速をｖ、一対の振動子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ｔ１、逆方向の伝搬時間をｔ２とした場合ｔ１およびｔ２は次式で求めることができる。

ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （式１）
ｔ２＝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／ｔ１ −１／ｔ２）／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。

（ｔ２−ｔ１）／ｔ１・ｔ２ （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。

その結果、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ＴＡ、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ＴＡ／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り電流消費量が増えてしまう。したがって、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。

その結果、流体の局所的な情報しか得ることができず、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、流量などの変化に対して追従性の高い流体の流れ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、本発明の流体の流れ計測装置は、超音波信号によって連続して複数回発生するゼロクロス点を予め定められた数だけ検出する検出手段と、検出手段で検出した各ゼロクロス点までの経過時間を計測する計時手段と、計時手段で求めた経過時間の平均値を求めることにより伝搬時間を求める時間演算手段とを備えているので、ゼロクロス点の検出回数分だけ計時手段の計測分解能が高められることになり、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２振動子で受信された超音波信号によって連続して複数回発生するゼロクロス点を予め定められた数だけ検出する検出手段と、前記第１振動子の送信開始より起動し前記検出手段で検出されたゼロクロス点各々の経過時間を計時した後停止する計時手段と、前記計時手段で計測された値の平均値を用いて伝搬時間を算出する時間演算手段と、前記計時手段による計測が予め定めた回数終了する毎に前記第1振動子および第２振動子の送受信の役割を切り替える切替手段と、前記時間演算手段で求めた双方向の伝搬時間を用いて流速および／または流量を算出する演算手段とを備えたことにより、検出手段で超音波信号のゼロクロス点を予め定められた数だけ検出し、計時手段で計測された送信開始から各ゼロクロス点までの経過時間の平均値を求めることにより伝搬時間を求めているので、ゼロクロス点の検出回数分だけ計時手段の計測分解能が高められることになり、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、流速および／または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の発明の計時手段が、同期クロックとタイマカウンタで構成され、同期クロックの発振周期と超音波信号の発振周期を互いに素な関係に定めたことにより、各ゼロクロス点における同期クロックの位相が毎回異なるため、計測分解能をより確実に高めることが可能となる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の計時手段の計測終了後、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１または第２の発明の演算手段で求めた流速および／または流量が小さくなるにしたがって、切換手段が送受信を切り替えるまでの計測回数を多く定めたことにより、演算処理の頻度が低減されるので、消費電力の低減が可能となる。

第５の発明は、特に第１または第２の発明の演算手段で求めた流量が大きくなるにしたがって、検出手段で検出するゼロクロス点の数を少なく定めたことにより、高流速および／または大流量時の装置の動作時間が低減されるので、消費電流が低減が可能となる。

第６の発明は、特に第５の発明の検出手段で検出するゼロクロス点の数に応じて、時間演算手段で求める伝搬時間に補正を加えることにより、常に正確な伝搬時間の計測が可能となり、結果として計測精度が向上する。

第７の発明は、特に第６の発明の検出手段で検出するゼロクロス点の数を、偶数に定めたことにより、検出手段の出力特性にかかわらず、正確な伝搬時間が求められるようになり、結果として計測精度が向上する。

第８の発明は、特に第６の発明の検出手段で検出するゼロクロス点を、交流信号の立ち上がりもしくは立下りのみに限定したことにより、検出手段の出力特性にかかわらず、正確な伝搬時間が求められるようになり、結果として計測精度が向上する。

（実施の形態１）
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。

第１振動子２と第２振動子３は送受信の役割を反転する切換手段４を介して後段の処理ブロックに繋がれている。つまり、この切換手段４の作用により第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とすることが可能である。トリガ手段５は計測開始を指示するトリガ信号を出力し、この信号と同期して送信回路６から超音波駆動信号が出力される。

送信回路６の出力信号は切換手段４を介して第１振動子２へ出力され、第1振動子２から超音波信号が出力される。第１振動子２から送信され第２振動子３で受信された超音波信号は、切換手段４を介して増幅回路７で増幅された後、検出手段８に出力される。検出手段８では、交流信号である超音波信号と、そのゼロ点との大小比較を行い、大小関係の逆転する点をゼロクロス点と判断し、そのゼロクロス点を予め定められた数だけ検出した後、動作を停止する。

そして、トリガ手段５の出力と同時に計測を開始した計時手段９により検出手段８で検出された各々のゼロクロス点についての経過時間が計測される。計時手段９の計測結果は、一旦、記憶手段１０に出力された後、時間演算手段１１に出力され、必要な演算を施すことにより超音波の伝搬時間に変換される。

トリガ手段５によるトリガ信号の出力から計時手段９の停止までを１回の計測動作とみなし、１回の計測動作が終了した後、適当な時間間隔（１回の伝搬時間より遥かに長い時間）を置いた後、再度トリガ手段５によるトリガ信号出力から計時手段９による計時動作までの一連の動作が間欠的に繰り返される。

更に、時間演算手１１で求めた伝搬時間は、積算手段１２に出力される。積算手段１２
では、伝搬時間の積算値が求められる。そして、計時手段９による計測が予め定められた回数終了する毎に、積算値が流量演算手段１３に出力されると共に、切換手段４によって、第１振動子２および第２振動子３の送受信の役割が変更され、逆方向（流れの下流から上流へ向けての超音波送信）の伝搬時間の積算値が同様の手順で算出される。そして、順方向、逆方向それぞれの１組の伝搬時間を元に流量演算手段１２で流量値が求められる。

また、計測制御手段１４は、装置全体の動作を制御し、計測開始のタイミングをトリガ手段４に指示する役割や、送受信の役割変更を切換手段４に指示する役割を担っている。

図２は、計時手段９を示し、同期クロック発生手段１５は、周期的にパルス信号を発生する発信器１６と、制御ゲート１７とで構成されていて、この制御ゲート１７は発信器１６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１８は、制御ゲート１７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する。制御ゲート１７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１６から入力の入力信号をそのまま、タイマカウンタ１８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１８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。

図３は、検出手段８の動作と計時手段９の動作を示し、計時手段９で計測した値から伝搬時間が求められる手順について説明する。検出手段８は、二つの閾値電圧ＶＡおよびＶＢと増幅回路７から出力される受信信号とを比較する電子回路で構成されている。

まず、受信信号が閾値電圧ＶＡを超えた時点Ｔ０により超音波信号の到達が検知され、閾値電圧ＶＢとの比較処理を有効とするイネーブル信号が「Ｈ」となる。以降、比較手段８の出力として、閾値電圧ＶＢが大きければ「Ｌ」、受信信号が大きければ「Ｈ」が出力される。超音波の受信信号は交流信号であり、閾値電圧ＶＢはこの交流信号のゼロ点となるように調整されている。

図３に示すように、検出手段８の出力は連続して何回も反転する。ここで、送信開始から各反転ポイントまでの経過時間を、最初からＴ１,Ｔ２・・・Ｔ６とする。計時手段９は、これらの反転ポイントにおけるタイマカウンタ１７の値を記憶手段１０へ出力する。

予め定められた６回のゼロクロス点の検出が終了すると、イネーブル信号が「Ｌ」となり、以降、閾値電圧ＶＢと超音波信号との比較処理は終了し、検出手段８の出力は最終状態で維持される。計時手段９では、予め定めた回数である６回分の値が取り込まれると、制御ゲート１７へ出力する制御信号が「Ｌ」となり、タイマカウンタ１８に対する同期クロックの供給が停止され計時手段９の計測動作が終了する。

記憶手段１０に記憶された６つの計測値は、時間演算手段１１に出力され、時間演算手段１１では、６つの計測値の平均値が求められる。

ここで、超音波信号の発振周期と、計時手段９の同期クロックの発振周期の位相関係が完全に重ならない限りは、比較手段８の出力の反転タイミングにおける、同期クロックの位相が毎回異なることになり、同期クロックの発振周期よりも小さい時間変化の識別が可能となる。

同期クロックの発振周期をＴｓとし、反転入力回数をＮとすれば、計時手段９で求めたＮ個の計測値の平均値を求めることにより、計時手段の見かけ上の分解能は平均的にＴｓ/Ｎに高められることになる。

特に、超音波信号の発信周期と同期クロックの発信周期を互いに素、すなわち、両者の比が整数値近傍の値にならないように設定することにより、検出ポイント毎の位相のずれが確実なものとなる。したがって、Ｎを適当な数に定めることにより、計時手段９の１回の動作で時間分解能を高めることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、検出手段で超音波信号のゼロクロス点を予め定められた数だけ検出し、計時手段で送信開始から各ゼロクロス点までの経過時間を計測し、時間演算手段１１でその平均値を求めることにより伝搬時間を求めているので、ゼロクロス点の検出回数分だけ計時手段の計測分解能が高められることになり、シングラウンド法のように連続の送受信を行うことなく間欠的な計測ができ、計測処理間隔を自由に設定することが可能となり、結果として流速および／または流量変化に対する追従性の高い流れ計測装置を提供することが可能となる。

なお、計時手段９による計測が終わった後、次の計測を行う際には、適当な禁制時間、すなわち、計測禁止時間を設ければ、前回の超音波信号の残響や反射の影響を受けずに、正確な計測が可能である。この場合、再計測を禁止している間は、制御ゲート１７に対する制御信号は「Ｌ」になっているため、禁制時間が如何に長くなろうとも、タイマカウンタ１８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。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の動作を説明する特性図である。図４では、計測流量と、切替手段４が２つの振動子の送受信を切り替えるまでの計測回数との関係を示している。つまり、前回の計測流量を元に、次の計測流量を推定し、切替手段４を動作させる頻度を決定している。図で示すように、流量が減少するにしたがって、送受信切替えに要する設定回数を増やしている。流量演算手段１３は、積算手段１２で求める伝搬時間の積算値の、送信方向の異なるふたつの値を１対として流量を求めているので、計測流量が小さくなる毎に、処理時間が長く消費電力増大の原因となる流量演算の頻度が小さくなり、結果として、消費電流が低減される。特に、家庭用のガスメータの様に、電池交換なしで１０年間という長い稼動時間を要求される装置においてはその実施効果は大きい。

（実施の形態３）
図５では、例えば、計測流量と検出手段８で検出するゼロクロス点の数を示している。横軸の計測流量は１回前の計測流量を示している。つまり、前回の計測流量を元に、次の計測流量を推定し、検出手段８で検出するゼロクロス点の数を変更している。

図で示すように、流量がＱ_１[L/h]未満の領域では、検出点の数は６点であり、以下、流量が増える毎に検出点の数は、段階的に減っていき、Ｑ_５[L/h]以上の領域では、計測点の数は１点になっている。

この構成によれば、細かな分解能が必要な小流量のときには、計測ポイントを増やし、逆に、分解能を粗くしても影響の小さな大流量の時には計測ポイントを減らす構成としている。これによって、計測ポイントの少ない大流量時は、電子回路の動作時間が削減され、装置全体の消費電流を浪費することがなくなるので、消費電力低減という効果を得られる。

特に、家庭用のガスメータの様に、電池交換なしで１０年間という長い稼動時間を要求
される装置においては実施効果は大きい。

次に、図６を用いて、伝搬時間の求め方について説明する。図６において波形Ａは、例えば、流量がＱ１未満の時の検出手段８の出力波形の一例、波形Ｂは流量がＱ５以上の時の出力波形の一例である。なお、本来、両者の波形は、時間絶対値が流れの速さの違う分だけ異なっているが、簡単のため、時間軸を揃えて表示している。

まず、波形Ａの場合には、検出点の数が６点であるため、計時手段９ではＴＡ１〜ＴＡ６を計測して、その平均値を時間演算手段１０で求める。このとき、求められる平均値は、ＴＡ３とＴＡ４の中点の時間、すなわち、３番目と４番目のゼロクロス点の中点の時間を求めることになる。一方、波形Ｂの場合には、計時手段９ではＴＢ１のみを計測するため、平均値もＴＢ１となり、最初のゼロクロス点の時間を求めることになる。

したがって、このままでは、両者の検出ポイントにはずれが生じる。ゼロクロス点の１点分が、超音波信号の０．５周期と等しいので、両者の時間差は１．２５周期分となる。

よって、ＴＡ１からＴＡ６までの平均値から超音波信号の１．２５周期分を差し引けば、波形Ａ、Ｂともに最初のゼロクロス点の時間を求めることができる。

図７は、検出手段８により検出されるゼロクロス点の数と、時間演算手段１１における演算補正量ΔＴとの関係を示している。

図７において横軸はゼロクロス点の数、縦軸は補正量ΔＴと超音波信号の周期ＴＷとの比ΔＴ／ＴＷを示している。図で示すように、検出点の数が１点の時の補正量が０で、以降、検出点の数が１つ増える毎に0.25周期分の補正を加えれば良いことになる。

このようにして求めた補正量ΔＴを時間演算手段１１で求めた平均値から差し引けば、検出手段８で検出するゼロクロス点の数にかかわらず、常に最初のゼロクロス点の時間を求めることが可能になる。

上記の計算は、検出手段８の出力波形のデューティーが５０％ｎｏ時に成り立つ。しかし、検出手段８の閾値ＶＢが交流信号のゼロ点からずれた場合や、回路のオフセットの影響などによりデューティーが５０％とは限らない。デューティーが５０％からずれた場合には、上記の補正方法では若干の誤差が生じる。そこで、より正確な補正を行うために、検出点の数を偶数に限定すれば、検出手段８の出力信号のデューティーとは無関係に、正確な補正が実現できる。

また、検出点の数を、検出手段８の出力の立ち上がりもしくは立下りのみに限定する構成であっても同様の効果が得られる。

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における流れ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２における流れ計測装置の動作を説明する特性図 本発明の実施の形態３における流れ計測装置の動作を説明する特性図 本発明の実施の形態３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３における時間演算手段の補正特性図 従来の流れ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
４ 切替手段
８ 検出手段
９ 計時手段
１１ 時間演算手段
１３ 流量演算手段
１５ 同期クロック発生手段
１８ タイマカウンタ

Claims (8)

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、前記第２振動子で受信された超音波信号によって連続して複数回発生するゼロクロス点を予め定められた数だけ検出する検出手段と、前記第１振動子の送信開始より起動し前記検出手段で検出されたゼロクロス点各々の経過時間を計時した後停止する計時手段と、前記計時手段で計測された値の平均値を用いて伝搬時間を算出する時間演算手段と、前記計時手段による計測が予め定めた回数終了する毎に前記第1振動子および第２振動子の送受信の役割を切り替える切替手段と、前記時間演算手段で求めた双方向の伝搬時間を用いて流速および／または流量を算出する演算手段とを備えた流体の流れ計測装置。
2. 計時手段は同期クロックとタイマカウンタで構成され、同期クロックの発振周期と超音波信号の発振周期を互いに素な関係に定めた請求項１に記載の流体の流れ計測装置。
3. 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請求項１または２に記載の流体の流れ計測装置。
4. 流量演算手段で求めた流量が小さくなるにしたがって、切換手段が送受信を切り替えるまでの計測回数を多く設定した請求項１または２に記載の流体の流れ計測装置。
5. 流量演算手段で求めた流量が大きくなるにしたがって、検出手段で検出するゼロクロス点の数を少なく定めた請求項１または２に記載の流体の流れ計測装置。
6. 検出手段で検出するゼロクロス点の数に応じて、時間演算手段で求める伝搬時間に補正を加えるようにした請求項５に記載の流体の流れ計測装置。
7. 検出手段で検出するゼロクロス点の数を偶数に設定した請求項６に記載の流体の流れ計測装置。
8. 検出手段で検出するゼロクロス点を交流信号の立ち上がりもしくは立下りの一方のみに限定した請求項６に記載の流体の流れ計測装置。

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