JP2007064881A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic flowmeter for enabling long time use by a battery and low in power consumption in the ultrasonic flowmeter for measuring a flow rate, using direct propagation time and reflection propagation time of ultrasonic waves. <P>SOLUTION: The ultrasonic flowmeter measures the direct propagation time and the reflection propagation time of the ultrasonic waves, propagating between an upstream side ultrasonic element 2 and a downstream side ultrasonic element in a time measuring means 5. A flow rate calculation means finds the flow rate by using the measured time. When a flow rate determining means 9 determines that the flow rate is a constant value or lower, a power source is continuously supplied to a receiving detection means 4. When the flow rate is a constant value or higher, a control means 7 controls so as to shut off power source supply to the receiving detection means 4, in the time zone that receives the reflection propagation time. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波流量計に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic flowmeter.

特開2004−239868号公報JP 2004-239868 A

従来から、都市ガスや水などの流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用する超音波流量計が知られている。流量の計測には、例えば以下の方法が採用される。すなわち、流路の流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波素子を設け、一方の超音波素子(送信側超音波素子)から他方の超音波素子(受信側超音波素子)へ超音波(直接波)が到達する直接伝搬時間を測定し、その直接波が受信側超音波素子の表面で反射して戻るまでの反射伝搬時間を測定して、これらの伝播時間を用いて流量計測を行うのである。   2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic flowmeter using ultrasonic waves is known as a flow rate measuring device that measures a flow rate of city gas or water. For example, the following method is employed for measuring the flow rate. That is, a pair of ultrasonic elements is provided on the upper and lower sides in the flow direction of the flow path, and ultrasonic waves (from one ultrasonic element (transmitting-side ultrasonic element) to the other ultrasonic element (receiving-side ultrasonic element) ( Measure the direct propagation time that the direct wave reaches, measure the reflected propagation time until the direct wave reflects off the surface of the receiving ultrasonic element, and measure the flow rate using these propagation times. It is.

超音波素子としては圧電素子が用いられ、超音波発信に際して駆動電圧回路が用いられる場合が多い。また、受信した超音波を検知するための電圧検出回路が用いられており、これら駆動電圧回路や電圧検出回路は消費電力が大きいという問題がある。従来の超音波流量計(例えばガスメータ)では電池を用いて動作させているため、消費電力が大きいと、長時間(例えば10年程度)使用しようとしても電池がもたないという問題があった。そのため、消費電力が低く、電池による長時間の使用が可能な超音波流量計が求められていた。   A piezoelectric element is used as the ultrasonic element, and a drive voltage circuit is often used for transmitting ultrasonic waves. In addition, a voltage detection circuit for detecting the received ultrasonic waves is used, and the drive voltage circuit and the voltage detection circuit have a problem that power consumption is large. Since conventional ultrasonic flowmeters (for example, gas meters) are operated using batteries, there is a problem that if the power consumption is large, the batteries will not be used even if they are used for a long time (for example, about 10 years). Therefore, an ultrasonic flowmeter that has low power consumption and can be used for a long time with a battery has been demanded.

本発明は上述のような事情を背景になされたもので、特に、超音波の直接伝搬時間と反射伝搬時間を用いて流量計測を行う超音波流量計であって、消費電力が低く、電池による長時間の使用が可能な超音波流量計を提供することを課題とする。   The present invention has been made in the background as described above. In particular, the present invention is an ultrasonic flowmeter that performs flow measurement using the direct propagation time and reflected propagation time of ultrasonic waves, and has low power consumption and is based on a battery. It is an object to provide an ultrasonic flowmeter that can be used for a long time.

課題を解決するための手段および発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

本発明は、
流体を通過させるための流路と、
超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備え、前記流路の流れ方向上手側および下手側に配置された一対の超音波素子であって、一方の超音波素子から他方の超音波素子へ向けて超音波を発信し、その発信した超音波を前記他方の超音波素子で受信して電気信号を出力する上手側超音波素子および下手側超音波素子と、
前記上手側超音波素子または下手側超音波素子に駆動電圧を印加して超音波を発信させる送信手段と、
前記超音波素子からの前記電気信号が入力されることにより、前記上手側超音波素子または下手側超音波素子が前記超音波を受信したことを検知する受信検知手段と、
前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該下手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの順方向直接伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該上手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの逆方向直接伝搬時間と、前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって伝搬し、該下手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記上手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの上手側反射伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって伝搬し、該上手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記下手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの下手側反射伝搬時間とを測定する時間計測手段と、
前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間および前記上手側反射伝搬時間および前記下手側反射伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を相対的に高精度で演算する高精度演算と、前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を簡易的に演算する簡易演算とを切り替えて行うことが可能な流量演算手段と、
その流量演算手段によって演算された流量が所定の値以上であるか否かを判定する流量判定手段と、
その流量判定手段によって前記流体の流量が所定の値以下であると判断された際には、前記直接波および前記反射波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行うことにより、これら直接波および反射波の双方を検知可能な双方検知状態にし、前記流量判断手段によって前記流体の流量が所定の値以上であると判断された際には、前記直接波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行い、前記反射波の検知をする時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断することにより、前記反射波の検知を行わない反射波非検知状態にする制御手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計である。
The present invention
A flow path for passing fluid;
A pair of ultrasonic elements provided with a composite of an ultrasonic transmission function and an ultrasonic reception function, disposed on the upper and lower sides in the flow direction of the flow path, from one ultrasonic element to the other ultrasonic wave Transmitting an ultrasonic wave toward the element, receiving the transmitted ultrasonic wave with the other ultrasonic element and outputting an electrical signal; and an upper ultrasonic element and a lower ultrasonic element,
Transmitting means for applying a driving voltage to the upper ultrasonic element or the lower ultrasonic element to transmit ultrasonic waves;
Receiving detection means for detecting that the upper ultrasonic element or the lower ultrasonic element has received the ultrasonic wave when the electrical signal from the ultrasonic element is input;
After the transmission means applies the drive voltage to the upper ultrasonic element, the transmitted ultrasonic wave propagates directly toward the lower ultrasonic element, and the lower ultrasonic element The forward direct propagation time until the reception detection means detects that a direct wave has been received, and the transmitted ultrasonic wave after the transmission means applies the drive voltage to the lower-side ultrasonic element. A reverse direct propagation time until the reception detecting means detects that the sound wave propagates directly toward the upper ultrasonic element and the direct wave is received by the upper ultrasonic element; After the transmission means applies the driving voltage to the side ultrasonic element, the transmitted ultrasonic wave propagates toward the lower ultrasonic element and is reflected on the surface of the lower ultrasonic element. Reflected wave, above The upper-side reflection propagation time until the reception detection means detects that the reflected wave is received by the side ultrasonic element, and the transmission means applies the drive voltage to the lower-side ultrasonic element. The transmitted ultrasonic wave propagates toward the upper ultrasonic element and is reflected on the surface of the upper ultrasonic element to become a reflected wave, and the reflected wave is received by the lower ultrasonic element. Time measuring means for measuring the lower-side reflection propagation time until the reception detecting means detects that,
A high-precision calculation that calculates the flow rate of the fluid with relatively high accuracy by using the forward direct propagation time, the reverse direct propagation time, the upper-side reflection propagation time, and the lower-side reflection propagation time; A flow rate calculation means capable of switching between simple calculation for simply calculating the flow rate of the fluid by using the forward direct propagation time and the reverse direct propagation time;
A flow rate determining means for determining whether or not the flow rate calculated by the flow rate calculating means is a predetermined value or more;
When it is determined by the flow rate determination means that the flow rate of the fluid is equal to or less than a predetermined value, by supplying power to the reception detection means in a time zone for detecting the direct wave and the reflected wave, When both the direct wave and the reflected wave are detected, and the flow rate determining means determines that the fluid flow rate is equal to or higher than a predetermined value, the time period for detecting the direct wave is reached. By supplying power to the reception detection means and cutting off the power supply to the reception detection means in a time zone during which the reflected wave is detected, the reflected wave is not detected and the reflected wave is not detected. Control means;
It is an ultrasonic flowmeter characterized by providing.

上記本発明によると、流量が所定の値以上であるか否かを判定する流量判定手段を備えている。そして、この流量判定手段によって流量が所定値以下である場合は直接波と反射波の双方を検知し(双方検知状態)、流量が所定以上であると判定された場合は、直接波を検知する時間だけ受信検知手段に電源供給をし、反射波が伝搬している間は受信検知手段の電源供給を切断する(反射波非検知状態)。これにより、受信検知手段の消費電力が低くすることができる。   According to the present invention, the flow rate determining means for determining whether the flow rate is equal to or higher than a predetermined value is provided. Then, when the flow rate is less than a predetermined value by the flow rate determination means, both the direct wave and the reflected wave are detected (both detection states), and when the flow rate is determined to be higher than the predetermined value, the direct wave is detected. Power is supplied to the reception detection means only for the time, and while the reflected wave is propagating, the power supply of the reception detection means is cut off (reflected wave non-detection state). Thereby, the power consumption of the reception detection means can be reduced.

流量が所定値以下の場合に双方検知状態にし、所定値以下の場合は反射波非検知状態とする理由は次のとおりである。すなわち、双方検知状態の場合は流量を比較的高精度に求めることができ(高精度演算)、反射波非検知状態の場合は多少精度が劣るものの簡易に流量を求めることができる(簡易演算)。通常、流量が少ない時は高い測定精度が要求され、流量が多い時は多少精度が悪化しても許容されることが多い。そのため、流量が少ない時は双方検知状態にするとともに高精度演算をして、相対的に高い精度で流量計測をする。また、流量が多い時は反射波非検知状態にするとともに簡易演算を行って、消費電力を低く抑えるのである。なお、高精度演算および簡易演算の詳細な内容については後述する。   When the flow rate is equal to or lower than the predetermined value, both detection states are set, and when the flow rate is equal to or lower than the predetermined value, the reflected wave non-detection state is set as follows. That is, the flow rate can be obtained with relatively high accuracy in the case of both detection states (high accuracy calculation), and the flow rate can be easily obtained with slightly less accuracy in the case of no reflected wave detection state (simple calculation). . Normally, high measurement accuracy is required when the flow rate is low, and when the flow rate is high, even if the accuracy is somewhat deteriorated, it is often acceptable. Therefore, when the flow rate is small, both detection states are set and high-precision calculation is performed to measure the flow rate with relatively high accuracy. Also, when the flow rate is large, the reflected wave is not detected and simple calculation is performed to keep power consumption low. The detailed contents of the high-precision calculation and simple calculation will be described later.

また、本発明は以下のようにすることができる。
前記制御手段は、前記反射波非検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する超音波流量計。
すなわち、反射波非検知状態となっている間は測定精度が低くなるので、この反射波非検知状態が所定の時間以上続いた場合は、受信検知手段を双方検知手段にし、高精度演算を行って、流量の確認を行うのである。これにより、計測流量に対する信頼性および計測精度を高くすることができる。
Further, the present invention can be as follows.
When the reflected wave non-detection state continues for a predetermined time or more, the control means sets the both-state detection state for a certain period of time, and performs the high-precision calculation by the flow rate calculation means to control the flow rate of the fluid. Ultrasonic flowmeter that measures relatively accurately.
In other words, since the measurement accuracy is low while the reflected wave is not detected, if the reflected wave non-detected state continues for a predetermined time or longer, the reception detection means is used as both detection means and high-precision calculation is performed. Thus, the flow rate is confirmed. Thereby, the reliability and measurement accuracy with respect to the measured flow rate can be increased.

さらに本発明は、
前記制御手段は、前記双方検知状態にした際には前記流量演算手段に前記高精度演算を行わせ、前記反射波非検知状態にした際には前記流量演算手段に前記簡易演算を行わせる超音波流量計
としてもよい。すなわち、反射波非検知状態の間は簡易演算を行うことにより演算時間の短縮が図れ、低消費電力化が可能となる。また、上述したように、反射波非検知状態の間は受信検知手段の電源を周期的に切断しているため、低消費電力化が達成されている。つまり、演算時間の短縮による低消費電力化と、受信検知手段の電源切断による低消費電力化とが重畳的に達成され、一層、低消費電力化を進めることが可能となる。
Furthermore, the present invention provides
The control unit causes the flow rate calculation unit to perform the high-accuracy calculation when the two-way detection state is set, and causes the flow rate calculation unit to perform the simple calculation when the reflected wave non-detection state is set. A sonic flow meter may be used. In other words, during the non-detected state of the reflected wave, the calculation time can be shortened by performing simple calculation, and the power consumption can be reduced. In addition, as described above, since the power source of the reception detection unit is periodically cut off during the reflected wave non-detection state, low power consumption is achieved. That is, low power consumption by shortening the calculation time and low power consumption by turning off the power of the reception detection means are achieved in a superimposed manner, and it is possible to further reduce the power consumption.

また、次の構成を採用してもよい。
前記流量演算手段によって演算された流量の時間的変動率が所定の数値内に収まっているか否かを判定する流量安定判定手段を備え、
その流量安定判定手段により、前記流量の時間的変動率が所定数値内に収まっていると判断された際に、前記上手側超音波素子および前記下手側超音波素子のうち一方の超音波素子からのみ超音波を発信させ、他方の超音波素子においてその超音波の直接波を受信するとともに、その直接波の受信に対応する時間帯のみ前記受信検知手段への電源供給を行い、該超音波の受信がされない時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断する片側検知状態となるようにされている超音波流量計。
Moreover, you may employ | adopt the following structure.
A flow rate stability determination unit that determines whether or not the temporal variation rate of the flow rate calculated by the flow rate calculation unit falls within a predetermined numerical value;
When it is determined by the flow rate stability determining means that the temporal variation rate of the flow rate is within a predetermined numerical value, one of the upper ultrasonic element and the lower ultrasonic element is used. Only the ultrasonic wave is transmitted, and the other ultrasonic element receives the direct wave of the ultrasonic wave, and supplies power to the reception detection means only in the time zone corresponding to the reception of the direct wave. An ultrasonic flowmeter configured to be in a one-sided detection state in which power supply to the reception detection unit is cut off during a time period when reception is not performed.

上記発明によると、一定の時間以上流量が安定していると流量安定判定手段が判定した場合、流量変動が起きるまでは一方の超音波素子を発信専用とし、他方の超音波素子を受信専用とする。そして、片側からの直接伝搬時間を計測し、反対側の直接伝搬時間を推測して流量を求めるのである。これにより、超音波素子の駆動回数および受信回数を低減でき、消費電力を低くすることができる。なお、この場合における流量演算方法については、後に詳述する。   According to the above invention, when the flow rate stability determining means determines that the flow rate is stable for a certain time or more, one ultrasonic element is dedicated for transmission and the other ultrasonic element is dedicated for reception until flow rate fluctuation occurs. To do. Then, the direct propagation time from one side is measured, and the flow rate is obtained by estimating the direct propagation time on the opposite side. Thereby, the frequency | count of a drive and reception frequency of an ultrasonic element can be reduced, and power consumption can be made low. The flow rate calculation method in this case will be described in detail later.

また、本発明は、
前記片側検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する超音波流量計
とすることができる。すなわち、片側検知状態にしている間は流量測定の精度が多少悪くなっているので、一定時間ごとに双方検知状態に戻し、高精度演算を行って、流量の確認をするのである。これにより、計測流量に対する信頼性および計測精度を高くすることが可能となる。
The present invention also provides:
When the one-side detection state continues for a predetermined time or longer, the both-side detection state is set for a certain period of time, and the high-precision calculation is performed by the flow rate calculation means, thereby measuring the flow rate of the fluid with relatively high accuracy. An ultrasonic flow meter can be used. That is, while the one-side detection state is set, the accuracy of the flow rate measurement is somewhat deteriorated. Therefore, the both-side detection state is returned every certain time, and high-precision calculation is performed to check the flow rate. This makes it possible to increase the reliability and measurement accuracy for the measured flow rate.

さらに本発明は、以下のようにしてもよい。
前記片側検知状態の直前における前記順方向直接伝搬時間であって予め記憶されている値をT1’’とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をt1’とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をt2’とし、前記片側検知状態とされている間に測定された前記順方向直接伝搬時間をTT1とし、前記片側検知状態において前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をtt1とし、前記片側検知状態において前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をtt2とし、前記流体の流速をVとし、前記流体の流量をQとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をSとした場合、前記片側検知状態における前記流量演算は、
ΔT=T1’’―TT1
tt1=t1’−ΔT
tt2=t2’+ΔT
を演算し、さらに
V=(L/2)×(1/tt1−1/tt2)
Q=S×V
を演算することにより流量Qを求めるものとされている超音波流量計。
Furthermore, the present invention may be as follows.
The value directly stored in the forward direct propagation time immediately before the one-side detection state is T1 ″, and the ultrasonic wave reaches the surface of the lower ultrasonic element from the surface of the upper ultrasonic element. And the value stored in advance is defined as t1 ′, and the time that the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element from the surface of the lower ultrasonic element is stored in advance. t2 ′, the forward direct propagation time measured while the one-side detection state is set to TT1, and from the surface of the upper-side ultrasonic element to the surface of the lower-side ultrasonic element in the one-side detection state The time that the ultrasonic wave reaches is tt1, the time that the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element from the surface of the lower ultrasonic element in the one-side detection state is tt2, and the flow velocity of the fluid is V. ,in front When the flow rate of the fluid is Q and the cross-sectional area of the flow path and the value stored in advance is S, the flow rate calculation in the one-side detection state is
ΔT = T1 ″ −TT1
tt1 = t1′−ΔT
tt2 = t2 ′ + ΔT
And V = (L / 2) × (1 / tt1-1 / tt2)
Q = S × V
An ultrasonic flowmeter that calculates the flow rate Q by calculating.

上記演算方法を採用することにより、演算時間の短縮が図れ、低消費電力化を達成できる。また、上述したように、片側検知状態にしている間は超音波素子の駆動回数および受信回数を低減でき、消費電力を低くすることができる。つまり、演算時間の短縮化による低消費電力化と、超音波素子の駆動回数等の低減による低消費電力化とが重畳的に達成され、一層、低消費電力化を進めることが可能となる。   By employing the above calculation method, the calculation time can be shortened and low power consumption can be achieved. Further, as described above, while the one-side detection state is set, the number of times the ultrasonic element is driven and the number of receptions can be reduced, and the power consumption can be reduced. That is, low power consumption by shortening the calculation time and low power consumption by reducing the number of times of driving the ultrasonic element are achieved in a superimposed manner, and it is possible to further reduce the power consumption.

一方、本発明は、
前記受信検知手段が前記片側検知状態とされている間に、所定時間毎に発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替える超音波流量計
とすることができる。これにより、片側だけの超音波素子からのみ超音波発信をすることによる疲労や故障を防止でき、信頼性の向上および測定精度の向上を図れる。
On the other hand, the present invention
While the reception detection means is in the one-side detection state, an ultrasonic flowmeter that switches between the transmission-side ultrasonic element and the reception-side ultrasonic element every predetermined time can be used. As a result, it is possible to prevent fatigue and failure caused by transmitting ultrasonic waves from only one side of the ultrasonic element, thereby improving reliability and measuring accuracy.

また、本発明は、以下ようにしてもよい。
前記順方向直接伝搬時間をT1とし、前記逆方向直接伝搬時間をT2とし、前記上手側反射伝搬時間をτ1とし、前記下手側反射伝搬時間をτ2とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記上手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をtT1とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記下手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をtT2とし、前記上手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をtR1とし、前記下手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をtR2とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をt1とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をt2とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面までの距離であって予め記憶されている値をLとし、前記流体の流速をVとし、前記流体の流量をQとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をSとし、前記流体が流動していない状態において前記順方向直接伝搬時間T1から前記逆方向直接伝搬時間T2を減じた値であって予め記憶されている値をΔδ0とした場合、前記高精度演算は、
t1=(τ1+τ2−2×T2−Δδ0)/2
t2=(τ1+τ2−2×T2+Δδ0)/2
を演算することにより前記t1およびt2を求め、さらに
V=(L/2)×(1/t1−1/t2)
Q=S×V
を演算することにより流量Qを求めるものとされている超音波流量計
Further, the present invention may be as follows.
The forward direct propagation time is T1, the reverse direct propagation time is T2, the upper-side reflection propagation time is τ1, the lower-side reflection propagation time is τ2, and the transmission means applies the drive voltage. TT1 is a transmission delay time from when the upper ultrasonic element is transmitted until the ultrasonic wave is transmitted until the ultrasonic wave is transmitted from the lower ultrasonic element after the transmission means applies the drive voltage. The transmission delay time is tT2, the reception delay time from when the upper ultrasonic element receives the ultrasonic wave until the reception detecting means detects the reception is tR1, and the lower ultrasonic element is the ultrasonic wave TR2 is a reception delay time from when the reception detecting unit detects the reception until t1 is a time required for the ultrasonic wave to reach the surface of the lower ultrasonic element from the surface of the upper ultrasonic element. A time from which the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element from the surface of the lower ultrasonic element to t2, and a distance from the surface of the upper ultrasonic element to the surface of the lower ultrasonic element The value stored in advance is L, the flow velocity of the fluid is V, the flow rate of the fluid is Q, the cross-sectional area of the flow path and the value stored in advance is S, and the fluid When the value stored in advance, which is a value obtained by subtracting the backward direct propagation time T2 from the forward direct propagation time T1 and Δδ0 in a state where the current does not flow, is Δδ0,
t1 = (τ1 + τ2-2 × T2-Δδ0) / 2
t2 = (τ1 + τ2-2 × T2 + Δδ0) / 2
To obtain the above-mentioned t1 and t2, and further V = (L / 2) × (1 / t1-1 / t2)
Q = S × V
The ultrasonic flowmeter is supposed to obtain the flow rate Q by calculating

一方、本発明は、以下の構成を採用することができる。
前記反射波非検知状態における前記順方向直接伝搬時間をT1’とし、前記反射波非検知状態における前記逆方向直接伝搬時間をT2’とし、前記T1から前記t1を減じた値であって予め記憶された値をJ1とし、前記T2から前記t2を減じた値であって予め記憶された値をG1とした場合、前記簡易演算は、
V=(L/2)×{1/(T1’―J1)−1/(T2’−G1)}
Q=S×V
を演算することにより流量Qを求めるものとされている超音波流量計
On the other hand, the present invention can employ the following configurations.
The forward direct propagation time in the reflected wave non-detection state is T1 ′, the reverse direct propagation time in the reflected wave non-detection state is T2 ′, and is a value obtained by subtracting t1 from T1 and stored in advance. When the obtained value is J1, the value obtained by subtracting t2 from T2 and the value stored in advance is G1, the simple calculation is
V = (L / 2) × {1 / (T1′−J1) −1 / (T2′−G1)}
Q = S × V
The ultrasonic flowmeter is supposed to obtain the flow rate Q by calculating

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明に係る超音波流量計の一実施形態を表すブロック構成図である。このように超音波流量計1は、流体が流れる流路と、その流路の上手側に配置された上手側超音波素子2、下手側に配置された下手側超音波素子3、駆動電圧回路等から構成される送信手段6、電圧検出回路等から構成される受信検知手段4、時間計測手段5、流量演算手段8、制御手段7、流量判定手段9、流量安定判定手段10、送信側スイッチ11、受信側スイッチ12を含むものである。このうち、流量演算手段8、制御手段7、流量判定手段9、流量安定判定手段10は、後述するようにマイコン等を用いて構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention. As described above, the ultrasonic flowmeter 1 includes a flow path through which a fluid flows, an upper ultrasonic element 2 disposed on the upper side of the flow path, a lower ultrasonic element 3 disposed on the lower side, and a drive voltage circuit. Transmission means 6 comprised of, etc., reception detection means 4 comprised of voltage detection circuits, etc., time measurement means 5, flow rate calculation means 8, control means 7, flow rate judgment means 9, flow rate stability judgment means 10, transmission side switch 11 and the reception side switch 12 are included. Among these, the flow rate calculation means 8, the control means 7, the flow rate determination means 9, and the flow rate stability determination means 10 are configured using a microcomputer or the like as will be described later.

上手側超音波素子2および下手側超音波素子3は圧電素子等からなり、超音波発信機能と超音波受信機能を複合して備えるものである。また、送信側スイッチ11および受信側スイッチ12は制御手段7によって制御され、発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替えるのに用いられる。送信手段6は制御手段の制御によって、発信側の超音波素子に対して駆動電圧を印加する。そして送信手段6は、その駆動電圧を印加したタイミングを時間計測手段5に知らせる。一方、超音波素子2,3が超音波を受信すると、当該超音波素子は電気信号を出力し、その電気信号は受信側スイッチ12を通って受信検知手段4に入力される。受信検知手段4はこの電気信号を検知することにより、超音波が受信側の超音波素子に到達したことを検知し、そのタイミングを時間計測手段5へ知らせる。時間計測手段5は、送信手段6から送られた駆動電圧の印加タイミングと、受信検知手段4から送られる受信信号のタイミングとによって、超音波伝搬時間を計測する。   The upper-side ultrasonic element 2 and the lower-side ultrasonic element 3 are composed of piezoelectric elements or the like, and are provided with a composite of an ultrasonic transmission function and an ultrasonic reception function. The transmission side switch 11 and the reception side switch 12 are controlled by the control means 7 and used to switch between the transmission side ultrasonic element and the reception side ultrasonic element. The transmission means 6 applies a drive voltage to the ultrasonic element on the transmission side under the control of the control means. Then, the transmission means 6 notifies the time measurement means 5 of the timing at which the drive voltage is applied. On the other hand, when the ultrasonic elements 2 and 3 receive an ultrasonic wave, the ultrasonic element outputs an electric signal, and the electric signal is input to the reception detection means 4 through the reception side switch 12. The reception detection means 4 detects this electric signal, thereby detecting that the ultrasonic wave has reached the ultrasonic element on the reception side, and notifies the time measurement means 5 of the timing. The time measurement unit 5 measures the ultrasonic propagation time based on the application timing of the drive voltage sent from the transmission unit 6 and the timing of the reception signal sent from the reception detection unit 4.

より詳しくは、時間計測手段5は、図2のタイミングチャートに示す4種類の時間を計測する。すなわち、送信手段6が上手側超音波素子2に駆動電圧を印加したタイミング(1)から、発信された超音波が直接波として下手側超音波素子3に到達し、それを受信検知手段4が検知する(2)までの順方向直接伝搬時間と、タイミング(1)から、発信された超音波が下手側超音波素子3の表面において反射して反射波となり、その反射波が上手側超音波素子2に到達し、それを受信検知手段4が検知する(3)までの上手側反射伝搬時間と、送信手段6が下手側超音波素子3に駆動電圧を印加したタイミング(4)から、発信された超音波が直接波として上手側超音波素子2に到達し、それを受信検知手段4が検知する(5)までの逆方向直接伝搬時間と、タイミング(4)から、発信された超音波が上手側超音波素子2の表面において反射して反射波となり、その反射波が下手側超音波素子3に到達し、それを受信検知手段4が検知する(6)までの下手側反射伝搬時間である。   More specifically, the time measuring means 5 measures four types of time shown in the timing chart of FIG. That is, from the timing (1) when the transmission means 6 applies the driving voltage to the upper ultrasonic element 2, the transmitted ultrasonic wave reaches the lower ultrasonic element 3 as a direct wave, and the reception detection means 4 From the forward direct propagation time until the detection (2) and the timing (1), the transmitted ultrasonic wave is reflected on the surface of the lower ultrasonic element 3 to become a reflected wave, and the reflected wave becomes the upper ultrasonic wave. Transmission from the upper side reflection propagation time until reaching the element 2 and (3) when the reception detection means 4 detects it, and the timing (4) when the transmission means 6 applied the drive voltage to the lower side ultrasonic element 3 The transmitted ultrasonic wave reaches the upper ultrasonic element 2 as a direct wave and is transmitted from the reverse direct propagation time until the reception detection means 4 detects (5) and the timing (4). On the surface of the upper ultrasonic element 2 It reflected and becomes a reflected wave, the reflected wave reaches the downstream side ultrasonic element 3, a downstream side reflection propagation time until it receives the detection means 4 detects (6).

図1に戻る。流量演算手段8は、順方向直接伝搬時間、逆方向直接伝搬時間、上手側反射伝搬時間、下手側反射伝搬時間を用いて流速Vを相対的に高精度で演算可能な高精度演算(詳細は後述する)と、順方向直接伝搬時間および逆方向直接伝搬時間を用いて、精度は多少悪くなるものの高速で演算可能な簡易演算との、2種類の演算を切り替えて実行できるようにされている。この演算の切り替えは、制御手段7によって行われる。   Returning to FIG. The flow rate calculation means 8 is a high-precision calculation capable of calculating the flow velocity V with relatively high accuracy using the forward direct propagation time, reverse direct propagation time, upper-side reflection propagation time, and lower-side reflection propagation time (for details, see Two types of operations can be switched and executed using the forward direct propagation time and the backward direct propagation time, and a simple operation that can be performed at high speed, although the accuracy is somewhat worse. . This calculation is switched by the control means 7.

流量演算手段8によって求められた流量は、流量判定手段9および流量安定判定手段10に送られる。流量判定手段9は、流量が予め定められた値以上か否かを判定する。流量判定手段9により、流量が所定値以下であると判断された場合は、制御手段7は図2に示すように、受信検知手段4に連続的に電源供給を行い、直接波および反射波の双方を検知可能な状態(双方検知状態)にする。つまり、順方向直接伝搬時間、逆方向直接伝搬時間、上手側反射伝搬時間、下手側反射伝搬時間を全て測定可能な状態にし、上述の高精度演算を行うことにより、精度の高い流量測定を行う。一方、流量判定手段9により、流量が所定値以上であると判断された場合は、制御手段7は、反射波の検知をする時間帯に受信検知手段4への電源供給を切断することにより、反射波の検知を行わない状態(反射波非検知状態)にする。   The flow rate obtained by the flow rate calculation unit 8 is sent to the flow rate determination unit 9 and the flow rate stability determination unit 10. The flow rate determining means 9 determines whether or not the flow rate is equal to or greater than a predetermined value. When the flow rate determining means 9 determines that the flow rate is below a predetermined value, the control means 7 continuously supplies power to the reception detecting means 4 as shown in FIG. A state where both can be detected (both detection state) is set. In other words, high-accuracy flow measurement is performed by making the forward direct propagation time, backward direct propagation time, upper-side reflection propagation time, and lower-side reflection propagation time all measurable and performing the above-described high-precision calculation. . On the other hand, when the flow rate determination unit 9 determines that the flow rate is equal to or higher than the predetermined value, the control unit 7 cuts off the power supply to the reception detection unit 4 during the time period for detecting the reflected wave. A state in which the reflected wave is not detected (reflected wave non-detected state) is set.

反射波非検知状態における具体的なタイミングチャートを図3に示す。まず、(7)にて上手側超音波素子2から超音波を発信し、(8)にてその超音波(直接波)を下手側超音波素子3で受信する。制御手段7は、直接波が到達する少し前から受信検知手段4に電源供給し始め、(8)の直接波を検知した直後に受信検知手段4の電源をOFFにする。反射波が上手側超音波素子2へ到達するまでの時間帯には、受信検知手段4への電源供給は行わない。反射波が到達した後、(9)にて下手側超音波素子3から超音波を発射して、(10)にてその超音波(直接波)を上手側超音波素子2で受信する。制御手段7は、直接波が到達する少し前から受信検知手段4に電源を供給し始め、(10)の直接波を検知した直後に受信検知手段4の電源をOFFにする。反射波が下手側超音波素子3へ到達するまでの時間帯には、受信検知手段4への電源供給を行わない。以降、流量が所定値以上の場合はこの計測を繰り返す。また、流量判定手段9により流量が所定値以下に変化したと判断された場合は、双方検知状態に戻す。   FIG. 3 shows a specific timing chart in the reflected wave non-detection state. First, an ultrasonic wave is transmitted from the upper ultrasonic element 2 in (7), and the ultrasonic wave (direct wave) is received by the lower ultrasonic element 3 in (8). The control means 7 starts to supply power to the reception detection means 4 shortly before the direct wave arrives, and turns off the power of the reception detection means 4 immediately after detecting the direct wave of (8). During the time period until the reflected wave reaches the upper ultrasonic element 2, the power supply to the reception detection means 4 is not performed. After the reflected wave arrives, an ultrasonic wave is emitted from the lower ultrasonic element 3 at (9), and the ultrasonic wave (direct wave) is received by the upper ultrasonic element 2 at (10). The control means 7 starts to supply power to the reception detection means 4 shortly before the direct wave arrives, and turns off the power of the reception detection means 4 immediately after detecting the direct wave of (10). In the time period until the reflected wave reaches the lower ultrasonic element 3, power supply to the reception detection means 4 is not performed. Thereafter, this measurement is repeated when the flow rate is equal to or greater than the predetermined value. If it is determined by the flow rate determination means 9 that the flow rate has changed to a predetermined value or less, the two-way detection state is restored.

このように反射波非検知状態では、受信検知部4の電源供給を周期的に切断するので、消費電力を低くすることができる。また、流量が多い場合は測定誤差の許容量が大きくなる(多少、測定精度が悪くなっても許容される)ため、簡易演算によって流量計算ができる。そのためCPUの稼動時間が少なくなり、低消費電力化を一層進めることができる。一方、流量が少ない場合は流量測定に高い精度が要求されるため、双方検知状態にして高精度演算を行うことにより、相対的に高い精度で流量を測定する。   Thus, in the reflected wave non-detection state, since the power supply of the reception detection part 4 is cut | disconnected periodically, power consumption can be made low. In addition, when the flow rate is large, the allowable amount of measurement error increases (even if the measurement accuracy is somewhat deteriorated), the flow rate can be calculated by simple calculation. As a result, the operating time of the CPU is reduced and the power consumption can be further reduced. On the other hand, when the flow rate is small, high accuracy is required for the flow rate measurement. Therefore, the flow rate is measured with relatively high accuracy by performing the high-accuracy calculation in the detection state.

なお、反射波非検知状態が所定時間以上続く場合は、定期的に双方検知状態に戻して、流量の確認計測をしてもよい。例えば図4に示すように、反射波非検知状態が所定時間続いた場合は、(13)〜(14)の間、双方検知状態にするのである。この間は、各超音波素子2,3が受信した直接波および反射波を両方とも検知できるように、受信検知手段4への電源供給を制御している。そして、高精度演算によって流量を演算することにより、流量測定の信頼性を高める。また、流量判定手段9により流量が所定値以上であると判定された場合は、図4のように(14)から反射波非検知状態に再び戻す。また、流量が所定値以下であると判定された場合は反射波被検知状態に戻さず、双方検知状態を続ける。   When the reflected wave non-detection state continues for a predetermined time or more, the flow rate may be confirmed and measured by periodically returning to the both detection state. For example, as shown in FIG. 4, when the reflected wave non-detection state continues for a predetermined time, both detection states are set between (13) and (14). During this time, the power supply to the reception detection means 4 is controlled so that both the direct wave and the reflected wave received by the ultrasonic elements 2 and 3 can be detected. And the reliability of flow measurement is improved by calculating the flow rate with high precision calculation. When the flow rate determining means 9 determines that the flow rate is equal to or higher than the predetermined value, the reflected wave is not detected again from (14) as shown in FIG. Moreover, when it determines with a flow volume being below a predetermined value, it does not return to a reflected wave detection state, but both detection states are continued.

一方、流量安定判定手段10により流量の時間的変動率が所定範囲以内に収まっている(流量が安定している)と判断された場合は、図5に示すように、一方の超音波素子を発信専用にし、他方の超音波素子を受信専用にすることができる。より詳しくは、一方の超音波素子からのみ超音波を発信させ、他方の超音波素子において直接波を受信するとともに、その直接波に対応する時間帯のみ受信検知手段4への電源供給を行い、超音波の受信がされない時間帯には受信検知手段への電源供給を切断するように、制御手段7が制御している(片側検知状態)。これにより、超音波の発信回数および受信回数を減らすことができ、低消費電力化を更に進めることができる。片側検知状態における流量演算方法については後に詳述する。なお、片側検知状態になっている間に、流量安定判定部10により流量が安定していないと判定された場合は、双方検知状態に戻す。   On the other hand, when the flow rate stability determining means 10 determines that the temporal fluctuation rate of the flow rate is within the predetermined range (the flow rate is stable), as shown in FIG. It is possible to dedicate transmission, and the other ultrasonic element can be dedicated to reception. More specifically, an ultrasonic wave is transmitted only from one ultrasonic element, a direct wave is received by the other ultrasonic element, and power is supplied to the reception detection means 4 only in a time zone corresponding to the direct wave. The control means 7 is controlled so as to cut off the power supply to the reception detection means during a time period when no ultrasonic waves are received (one-side detection state). Thereby, the frequency | count of transmission of an ultrasonic wave and the frequency | count of reception can be reduced, and a reduction in power consumption can further be advanced. The flow rate calculation method in the one-side detection state will be described in detail later. If the flow rate stability determination unit 10 determines that the flow rate is not stable while the one-side detection state is set, the two-side detection state is restored.

また、図6のようにすることもできる。すなわち、(16)の前までは上手側超音波素子3からのみ超音波を発信し(片側検知状態)、一定時間以上経過した場合、(16)において下手側超音波素子3からも超音波を発信して、直接波および反射波の検知を行って高精度演算を1回行う。これにより、流量測定の信頼性を高めることができる。この測定結果を受けて、流量安定判定手段10が、流量が安定していると判定した場合は、引き続き片側検知状態を続ける。そして、所定時間が経過した後、上記と同様の測定を(17)にて再び行う。   Moreover, it can also be as shown in FIG. That is, until (16), ultrasonic waves are transmitted only from the upper ultrasonic element 3 (one-side detection state), and when a certain period of time has passed, ultrasonic waves are also transmitted from the lower ultrasonic element 3 in (16). Transmitting, detecting direct waves and reflected waves, and performing high-precision calculation once. Thereby, the reliability of flow measurement can be improved. In response to this measurement result, when the flow rate stability determination means 10 determines that the flow rate is stable, the one-side detection state continues. And after predetermined time passes, the same measurement as the above is performed again in (17).

また、図7のようにしてもよい。すなわち、片側検知状態を続ける場合において(19)までは上手側超音波素子2を発信専用とし、下手側超音波素子3を受信専用としているが、所定時間経過後に(18)にて下手側超音波素子3を発信専用にし、上手側超音波素子2を受信専用に切り替える。これにより、発信状態が長時間続くことによる超音波素子の疲労を防ぐことができ、故障率の低減に繋がる。なお、流量安定判定手段10により、流量が安定していないと判断された場合は、双方検知状態に戻す。   Moreover, you may make it like FIG. That is, when the one-side detection state is continued, the upper ultrasonic element 2 is exclusively used for transmission and the lower ultrasonic element 3 is exclusively used for reception until (19). The sonic element 3 is dedicated to transmission, and the upper ultrasonic element 2 is switched to reception only. Thereby, fatigue of the ultrasonic element due to the transmission state lasting for a long time can be prevented, leading to a reduction in failure rate. When the flow rate stability determining means 10 determines that the flow rate is not stable, it returns to the both detection state.

次に、図8を用いて流量を演算する方法について説明する。まず、図8に記した符号の定義を以下に示す。
T1 順方向直接伝搬時間
T2 逆方向直接伝搬時間
τ1 上手側反射伝搬時間
τ2 下手側反射伝搬時間
tT1 送信手段6が駆動電圧を印加してから上手側超音波素子2から超音波が発信されるまでの送信遅延時間
tT2 送信手段6が駆動電圧を印加してから下手側超音波素子3から超音波が発信されるまでの送信遅延時間
tR1 上手側超音波素子2が超音波を受信してから受信検知手段4がその受信を検知するまでの受信遅延時間
tR2 下手側超音波素子3が超音波を受信してから受信検知手段4がその受信を検知するまでの受信遅延時間
t1 上手側超音波素子2の表面から下手側超音波素子3の表面に超音波が到達する時間
t2 下手側超音波素子3の表面から上手側超音波素子2の表面に超音波が到達する時間
L 上手側超音波素子2の表面から下手側超音波素子3の表面までの距離
V 流体の流速
Q 流体の流量
S 流路の断面積
Δδ0=T1−T2=(tT1−tT2)−(tR1−tR2) (流量=0の時の値)
これらの値のうち、L,S,Δδ0は予めROM等に記憶されている。
Next, a method for calculating the flow rate will be described with reference to FIG. First, the definitions of the symbols shown in FIG. 8 are shown below.
T1 Forward direct propagation time T2 Reverse direct propagation time τ1 Upper-side reflection propagation time τ2 Lower-side reflection propagation time tT1 From the time when the transmission means 6 applies the drive voltage to the time when ultrasonic waves are transmitted from the upper-side ultrasonic element 2 Transmission delay time tT2 Transmission delay time tR1 from when the transmission means 6 applies the drive voltage to when the ultrasonic wave is transmitted from the lower ultrasonic element 3 Reception after the upper ultrasonic element 2 receives the ultrasonic wave Reception delay time tR2 until the detection means 4 detects the reception Reception delay time t1 until the reception detection means 4 detects the reception after the lower ultrasonic element 3 receives the ultrasonic wave The upper ultrasonic element Time t2 at which the ultrasonic wave reaches the surface of the lower ultrasonic element 3 from the surface 2 The time L at which the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element 2 from the surface of the lower ultrasonic element 3 L Upper ultrasonic element Table of 2 Distance V to surface of lower ultrasonic element 3 Fluid flow velocity Q Fluid flow rate S Cross-sectional area of flow path Δδ0 = T1-T2 = (tT1-tT2) − (tR1-tR2) (flow rate = 0) value)
Of these values, L, S, and Δδ0 are stored in advance in a ROM or the like.

まず、高精度演算について説明する。図8および上記定義から、
T1=tT1+t1+tR2 (式1)
T2=tT2+t2+tR1 (式2)
τ1=tT1+t1+t2+tR1 (式3)
τ2=tT2+t1+t2+tR2 (式4)
と表せる。これらの式から、
(式3)+(式4)−2×(式2)より
t1=(τ1+τ2−2×T2−Δδ0)/2
t2=(τ1+τ2−2×T2+Δδ0)/2
を演算することにより、t1およびt2を求めることができる。また、流速Vは
V=(L/2)×(1/t1−1/t2)
から求めることができ、流量Qは断面積Sを用いて
Q=S×V
として求めることができる。
First, high-precision calculation will be described. From FIG. 8 and the above definition,
T1 = tT1 + t1 + tR2 (Formula 1)
T2 = tT2 + t2 + tR1 (Formula 2)
τ1 = tT1 + t1 + t2 + tR1 (Formula 3)
τ2 = tT2 + t1 + t2 + tR2 (Formula 4)
It can be expressed. From these equations,
From (Expression 3) + (Expression 4) -2 × (Expression 2) t1 = (τ1 + τ2-2 × T2-Δδ0) / 2
t2 = (τ1 + τ2-2 × T2 + Δδ0) / 2
T1 and t2 can be obtained by calculating. The flow velocity V is V = (L / 2) × (1 / t1-1 / t2)
From the cross-sectional area S, the flow rate Q can be obtained from Q = S × V
Can be obtained as

次に、簡易演算について説明する。まず、符号を定義を以下に示す。
T1’ 反射波非検知状態における順方向直接伝搬時間
T2’ 反射波非検知状態における逆方向直接伝搬時間
J1 T1−t1
G1 T2−t2
J1およびG1は、予め遅延項として記憶しておく。これらの値を用いて、
V=(L/2)×{1/(T1’―J1)−1/(T2’−G1)}
Q=S×V
を演算することにより、流速Vおよび流量Qを求めることができる。
Next, simple calculation will be described. First, the symbols are defined below.
T1 ′ Forward direct propagation time T2 ′ in reflected wave non-detected state Reverse direct propagation time J1 T1-t1 in reflected wave non-detected state
G1 T2-t2
J1 and G1 are stored in advance as delay terms. Using these values,
V = (L / 2) × {1 / (T1′−J1) −1 / (T2′−G1)}
Q = S × V
Is calculated, the flow velocity V and the flow rate Q can be obtained.

次に、片側検知状態における流量演算方法について説明する。まず、以下のように符号の定義をする。
T1’’ 片側検知状態の直前における順方向直接伝搬時間
T2’’ 片側検知状態の直前における逆方向直接伝搬時間
t1’ 上手側超音波素子2の表面から下手側超音波素子3の表面に超音波が到達する時間
t2’ 下手側超音波素子3の表面から上手側超音波素子2の表面に超音波が到達する時間
TT1 片側検知状態とされている間に測定された順方向直接伝搬時間
tt1 片側検知状態において上手側超音波素子2の表面から下手側超音波素子3の表面に超音波が到達する時間
tt2 片側検知状態において下手側超音波素子3の表面から上手側超音波素子2の表面に超音波が到達する時間
これらの値のうち、T1’’,T2’’,t1’,t2’は予め記憶されている。
ΔT=T1’’−TT1
tt1=t1’−ΔT (式5)
tt2=t2’+ΔT (式6)
上記(式5)および(式6)を用いて
V=(L/2)×(1/tt1−1/tt2)
Q=S×V
として流速Vおよび流量Qを求めることができる。
Next, a flow rate calculation method in the one-side detection state will be described. First, symbols are defined as follows.
T1 ″ Forward direct propagation time T2 ″ immediately before the one-side detection state T1 ′ Reverse direct propagation time t1 ′ immediately before the one-side detection state Ultrasonic waves from the surface of the upper ultrasonic element 2 to the surface of the lower ultrasonic element 3 Time t2 ′ when the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element 2 from the surface of the lower ultrasonic element 3 TT1 Forward direct propagation time tt1 measured while the one-side detection state is set Time tt2 when ultrasonic waves reach the surface of the lower ultrasonic element 3 from the surface of the upper ultrasonic element 2 in the detection state From the surface of the lower ultrasonic element 3 to the surface of the upper ultrasonic element 2 in the one-side detection state Time of arrival of ultrasonic wave Among these values, T1 ″, T2 ″, t1 ′, t2 ′ are stored in advance.
ΔT = T1 ″ −TT1
tt1 = t1′−ΔT (Formula 5)
tt2 = t2 ′ + ΔT (Formula 6)
Using the above (formula 5) and (formula 6), V = (L / 2) × (1 / tt1-1 / tt2)
Q = S × V
The flow velocity V and the flow rate Q can be obtained as follows.

なお、図1に示した制御手段7、流量演算手段8、流量判定手段9、流量安定判定手段10は、具体的には、図9に示すようにマイコン13を用いて構成されている。マイコン13はCPU,ROM,RAM,I/Oを含む構成とされ、ROMの内部には、図10に示すように制御プログラムP7,流量演算プログラムP8,流量判定プログラムP9,流量安定判定プログラムP10が記憶されている。そしてCPUがこれらのプログラムを読み出して実行することにより、上述の制御手段7、流量演算手段8、流量判定手段9、流量安定判定手段10の機能が実現される。   The control means 7, the flow rate calculation means 8, the flow rate determination means 9, and the flow rate stability determination means 10 shown in FIG. 1 are specifically configured using a microcomputer 13 as shown in FIG. The microcomputer 13 includes a CPU, ROM, RAM, and I / O. Inside the ROM, as shown in FIG. 10, a control program P7, a flow rate calculation program P8, a flow rate determination program P9, and a flow rate stability determination program P10 are stored. It is remembered. When the CPU reads and executes these programs, the functions of the control means 7, the flow rate calculation means 8, the flow rate determination means 9, and the flow rate stability determination means 10 are realized.

本発明に係る超音波流量計の概略ブロック図。1 is a schematic block diagram of an ultrasonic flow meter according to the present invention. 双方検知状態におけるタイミングチャート。The timing chart in a both-sides detection state. 反射波非検知状態におけるタイミングチャート。The timing chart in a reflected wave non-detection state. 反射波非検知状態を一定時間続けた後に、双方検知状態に一時的に戻すタイミングチャート。The timing chart which returns to a both detection state temporarily after continuing a reflected wave non-detection state for a fixed time. 片側検知状態におけるタイミングチャート。The timing chart in the one-side detection state. 片側検知状態を一定時間続けた後に、双方検知状態に一時的に戻すタイミングチャート。The timing chart which returns to a both-sides detection state temporarily after continuing the one-sided detection state for a fixed time. 片側検知状態を一定時間続けた後に、発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替えるタイミングチャート。The timing chart which switches the ultrasonic element of a transmission side and the ultrasonic element of a reception side after continuing a one-sided detection state for a fixed time. 流量演算方法を説明するための図。The figure for demonstrating the flow volume calculating method. 図1をマイコン13によって構成した実施形態。An embodiment in which FIG. ROMの記憶領域を模式的に記したもの。A schematic representation of the ROM storage area.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波流量計
2 上手側超音波素子
3 下手側超音波素子
4 受信検知手段
5 時間計測手段
6 送信手段
7 制御手段
8 流量演算手段
9 流量判定手段
10 流量安定判定手段
11 送信側スイッチ
12 受信側スイッチ
V 流速
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic flow meter 2 Upper side ultrasonic element 3 Lower side ultrasonic element 4 Reception detection means 5 Time measurement means 6 Transmission means 7 Control means 8 Flow rate calculation means 9 Flow rate determination means 10 Flow rate stability determination means 11 Transmission side switch 12 Reception Side switch V Flow velocity

Claims (9)

流体を通過させるための流路と、
超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備え、前記流路の流れ方向上手側および下手側に配置された一対の超音波素子であって、一方の超音波素子から他方の超音波素子へ向けて超音波を発信し、その発信した超音波を前記他方の超音波素子で受信して電気信号を出力する上手側超音波素子および下手側超音波素子と、
前記上手側超音波素子または下手側超音波素子に駆動電圧を印加して超音波を発信させる送信手段と、
前記超音波素子からの前記電気信号が入力されることにより、前記上手側超音波素子または下手側超音波素子が前記超音波を受信したことを検知する受信検知手段と、
前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該下手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの順方向直接伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該上手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの逆方向直接伝搬時間と、前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって伝搬し、該下手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記上手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの上手側反射伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって伝搬し、該上手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記下手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの下手側反射伝搬時間とを測定する時間計測手段と、
前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間および前記上手側反射伝搬時間および前記下手側反射伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を相対的に高精度で演算する高精度演算と、前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を簡易的に演算する簡易演算とを切り替えて行うことが可能な流量演算手段と、
その流量演算手段によって演算された流量が所定の値以上であるか否かを判定する流量判定手段と、
その流量判定手段によって前記流体の流量が所定の値以下であると判断された際には、前記直接波および前記反射波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行うことにより、これら直接波および反射波の双方を検知可能な双方検知状態にし、前記流量判断手段によって前記流体の流量が所定の値以上であると判断された際には、前記直接波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行い、前記反射波の検知をする時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断することにより、前記反射波の検知を行わない反射波非検知状態にする制御手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
A flow path for passing fluid;
A pair of ultrasonic elements that are provided with a combination of an ultrasonic transmission function and an ultrasonic reception function and are arranged on the upper and lower sides in the flow direction of the flow path, from one ultrasonic element to the other ultrasonic wave Transmitting an ultrasonic wave toward the element, receiving the transmitted ultrasonic wave with the other ultrasonic element and outputting an electrical signal; and an upper ultrasonic element and a lower ultrasonic element,
Transmitting means for applying a driving voltage to the upper ultrasonic element or the lower ultrasonic element to transmit ultrasonic waves;
Receiving detection means for detecting that the upper ultrasonic element or the lower ultrasonic element has received the ultrasonic wave when the electrical signal from the ultrasonic element is input;
After the transmission means applies the drive voltage to the upper ultrasonic element, the transmitted ultrasonic wave propagates directly toward the lower ultrasonic element, and the lower ultrasonic element The forward direct propagation time until the reception detection means detects that a direct wave has been received, and the transmitted ultrasonic wave after the transmission means applies the drive voltage to the lower-side ultrasonic element. A reverse direct propagation time until the reception detecting means detects that the sound wave propagates directly toward the upper ultrasonic element and the direct wave is received by the upper ultrasonic element; After the transmission means applies the driving voltage to the side ultrasonic element, the transmitted ultrasonic wave propagates toward the lower ultrasonic element and is reflected on the surface of the lower ultrasonic element. Reflected wave, above The upper-side reflection propagation time until the reception detection means detects that the reflected wave is received by the side ultrasonic element, and the transmission means applies the drive voltage to the lower-side ultrasonic element. The transmitted ultrasonic wave propagates toward the upper ultrasonic element and is reflected on the surface of the upper ultrasonic element to become a reflected wave, and the reflected wave is received by the lower ultrasonic element. Time measuring means for measuring the lower-side reflection propagation time until the reception detecting means detects that,
A high-precision calculation that calculates the flow rate of the fluid with relatively high accuracy by using the forward direct propagation time, the reverse direct propagation time, the upper-side reflection propagation time, and the lower-side reflection propagation time; A flow rate calculation means capable of switching between simple calculation for simply calculating the flow rate of the fluid by using the forward direct propagation time and the reverse direct propagation time;
A flow rate determining means for determining whether or not the flow rate calculated by the flow rate calculating means is a predetermined value or more;
When it is determined by the flow rate determination means that the flow rate of the fluid is equal to or less than a predetermined value, by supplying power to the reception detection means in a time zone for detecting the direct wave and the reflected wave, When both the direct wave and the reflected wave are detected, and the flow rate determining means determines that the fluid flow rate is equal to or higher than a predetermined value, the time period for detecting the direct wave is reached. By supplying power to the reception detection means and cutting off the power supply to the reception detection means in a time zone during which the reflected wave is detected, the reflected wave is not detected and the reflected wave is not detected. Control means;
An ultrasonic flowmeter comprising:
前記制御手段は、前記反射波非検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する請求項1記載の超音波流量計。   When the reflected wave non-detection state continues for a predetermined time or more, the control means sets the both-state detection state for a certain period of time, and performs the high-precision calculation by the flow rate calculation means to control the flow rate of the fluid. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, which measures with relatively high accuracy. 前記制御手段は、前記双方検知状態にした際には前記流量演算手段に前記高精度演算を行わせ、前記反射波非検知状態にした際には前記流量演算手段に前記簡易演算を行わせる請求項1または2記載の超音波流量計。   The control unit causes the flow rate calculation unit to perform the high-accuracy calculation when the two-way detection state is set, and causes the flow rate calculation unit to perform the simple calculation when the reflected wave non-detection state is set. Item 3. The ultrasonic flowmeter according to Item 1 or 2. 前記流量演算手段によって演算された流量の時間的変動率が所定の数値内に収まっているか否かを判定する流量安定判定手段を備え、
その流量安定判定手段により、前記流量の時間的変動率が所定数値内に収まっていると判断された際に、前記上手側超音波素子および前記下手側超音波素子のうち一方の超音波素子からのみ超音波を発信させ、他方の超音波素子においてその超音波の直接波を受信するとともに、その直接波の受信に対応する時間帯のみ前記受信検知手段への電源供給を行い、該超音波の受信がされない時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断する片側検知状態となるようにされている請求項1ないし3のいずれか1項に記載の超音波流量計。
A flow rate stability determination unit that determines whether or not the temporal variation rate of the flow rate calculated by the flow rate calculation unit falls within a predetermined numerical value;
When it is determined by the flow rate stability determining means that the temporal variation rate of the flow rate is within a predetermined numerical value, one of the upper ultrasonic element and the lower ultrasonic element is used. Only the ultrasonic wave is transmitted, and the other ultrasonic element receives the direct wave of the ultrasonic wave, and supplies power to the reception detection means only in the time zone corresponding to the reception of the direct wave. The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 3, wherein the ultrasonic flowmeter is in a one-sided detection state in which power supply to the reception detection unit is cut off during a time period in which reception is not performed.
前記片側検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する請求項4記載の超音波流量計。   When the one-side detection state continues for a predetermined time or longer, the both-side detection state is set for a certain period of time, and the high-precision calculation is performed by the flow rate calculation means, thereby measuring the flow rate of the fluid with relatively high accuracy. The ultrasonic flowmeter according to claim 4. 前記片側検知状態の直前における前記順方向直接伝搬時間であって予め記憶されている値をT1’’とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をt1’とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をt2’とし、前記片側検知状態とされている間に測定された前記順方向直接伝搬時間をTT1とし、前記片側検知状態において前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をtt1とし、前記片側検知状態において前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をtt2とし、前記流体の流速をVとし、前記流体の流量をQとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をSとした場合、前記片側検知状態における前記流量演算は、
ΔT=T1’’―TT1
tt1=t1’−ΔT
tt2=t2’+ΔT
を演算し、さらに
V=(L/2)×(1/tt1−1/tt2)
Q=S×V
を演算することにより流量Qを求めるものとされている請求項4または5記載の超音波流量計。
The value directly stored in the forward direct propagation time immediately before the one-side detection state is T1 ″, and the ultrasonic wave reaches the surface of the lower ultrasonic element from the surface of the upper ultrasonic element. And the value stored in advance is defined as t1 ′, and the time that the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element from the surface of the lower ultrasonic element is stored in advance. t2 ′, the forward direct propagation time measured while the one-side detection state is set to TT1, and from the surface of the upper-side ultrasonic element to the surface of the lower-side ultrasonic element in the one-side detection state The time that the ultrasonic wave reaches is tt1, the time that the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element from the surface of the lower ultrasonic element in the one-side detection state is tt2, and the flow velocity of the fluid is V. ,in front When the flow rate of the fluid is Q and the cross-sectional area of the flow path and the value stored in advance is S, the flow rate calculation in the one-side detection state is
ΔT = T1 ″ −TT1
tt1 = t1′−ΔT
tt2 = t2 ′ + ΔT
And V = (L / 2) × (1 / tt1-1 / tt2)
Q = S × V
The ultrasonic flowmeter according to claim 4 or 5, wherein the flow rate Q is obtained by calculating.
前記受信検知手段が前記片側検知状態とされている間に、所定時間毎に発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替える請求項4ないし6のいずれか1項に記載の超音波流量計。   7. The ultrasonic wave according to claim 4, wherein the ultrasonic wave element on the transmission side and the ultrasonic wave element on the reception side are switched every predetermined time while the reception detection unit is in the one-side detection state. Flowmeter. 前記順方向直接伝搬時間をT1とし、前記逆方向直接伝搬時間をT2とし、前記上手側反射伝搬時間をτ1とし、前記下手側反射伝搬時間をτ2とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記上手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をtT1とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記下手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をtT2とし、前記上手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をtR1とし、前記下手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をtR2とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をt1とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をt2とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面までの距離であって予め記憶されている値をLとし、前記流体の流速をVとし、前記流体の流量をQとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をSとし、前記流体が流動していない状態において前記順方向直接伝搬時間T1から前記逆方向直接伝搬時間T2を減じた値であって予め記憶されている値をΔδ0とした場合、前記高精度演算は、
t1=(τ1+τ2−2×T2−Δδ0)/2
t2=(τ1+τ2−2×T2+Δδ0)/2
を演算することにより前記t1およびt2を求め、さらに
V=(L/2)×(1/t1−1/t2)
Q=S×V
を演算することにより流量Qを求めるものとされている請求項1ないし7のいずれか1項に記載の超音波流量計。
The forward direct propagation time is T1, the reverse direct propagation time is T2, the upper-side reflection propagation time is τ1, the lower-side reflection propagation time is τ2, and the transmission means applies the drive voltage. TT1 is a transmission delay time from when the upper ultrasonic element is transmitted until the ultrasonic wave is transmitted until the ultrasonic wave is transmitted from the lower ultrasonic element after the transmission means applies the drive voltage. The transmission delay time is tT2, the reception delay time from when the upper ultrasonic element receives the ultrasonic wave until the reception detecting means detects the reception is tR1, and the lower ultrasonic element is the ultrasonic wave TR2 is a reception delay time from when the reception detecting unit detects the reception until t1 is a time required for the ultrasonic wave to reach the surface of the lower ultrasonic element from the surface of the upper ultrasonic element. A time from which the ultrasonic wave reaches the surface of the upper ultrasonic element from the surface of the lower ultrasonic element to t2, and a distance from the surface of the upper ultrasonic element to the surface of the lower ultrasonic element The value stored in advance is L, the flow velocity of the fluid is V, the flow rate of the fluid is Q, the cross-sectional area of the flow path and the value stored in advance is S, and the fluid When the value stored in advance, which is a value obtained by subtracting the backward direct propagation time T2 from the forward direct propagation time T1 and Δδ0 in a state where the current does not flow, is Δδ0,
t1 = (τ1 + τ2-2 × T2-Δδ0) / 2
t2 = (τ1 + τ2-2 × T2 + Δδ0) / 2
To obtain the above-mentioned t1 and t2, and further V = (L / 2) × (1 / t1-1 / t2)
Q = S × V
The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 7, wherein the flow rate Q is obtained by calculating.
前記反射波非検知状態における前記順方向直接伝搬時間をT1’とし、前記反射波非検知状態における前記逆方向直接伝搬時間をT2’とし、前記T1から前記t1を減じた値であって予め記憶された値をJ1とし、前記T2から前記t2を減じた値であって予め記憶された値をG1とした場合、前記簡易演算は、
V=(L/2)×{1/(T1’―J1)−1/(T2’−G1)}
Q=S×V
を演算することにより流量Qを求めるものとされている請求項1ないし8のいずれか1項に記載の超音波流量計。
The forward direct propagation time in the reflected wave non-detection state is T1 ′, the reverse direct propagation time in the reflected wave non-detection state is T2 ′, and is a value obtained by subtracting t1 from T1 and stored in advance. When the obtained value is J1, the value obtained by subtracting t2 from T2 and the value stored in advance is G1, the simple calculation is
V = (L / 2) × {1 / (T1′−J1) −1 / (T2′−G1)}
Q = S × V
The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 8, wherein the flow rate Q is obtained by calculating.
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