JP2007155574A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波素子の不要周波数成分が発生しにくく、計測安定性と計測分解能を長期にわたって確保できる超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波素子と受信回路の周波数特性を等しくする。これにより、超音波素子が超音波を受信した際に出力する受信信号は増幅されるが、その他の不要周波数成分は増幅されにくくなる。そのため、高精度な流量測定を長期間にわたって安定して行えるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波流量計に関するものである。

特開２００４−２３９８６８号公報

従来から、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用して流速を測定する超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波素子（超音波送受信素子）を設け、超音波の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波素子から発信された超音波が流れ方向下手側の超音波素子に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、流れ方向下手側の超音波素子から発信された超音波が流れ方向上手側の超音波素子に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求める方法である。

流量測定をする際には、まず一方の超音波素子に駆動信号を入力して超音波を発信させる。その超音波は流路を伝播し、他方の超音波素子で受信される。超音波を受信すると超音波素子は電気信号（受信信号）を出力し、その受信信号は受信回路に入力される。受信回路は、微弱な受信信号を増幅する増幅器、コンパレータ、ＲＳフリップフロップ回路、時間計測手段などから構成されており、超音波を発信してから受信信号を受信するまでの時間を計測する。この計測時間を用いて、流体の流量を演算するのである。

しかしながら従来の超音波流量計では、各超音波素子の周波数特性と、受信回路の周波数特性とが異なるため、受信回路において超音波素子の周波数成分以外の信号を増幅してしまう問題があった。つまり、超音波素子が超音波を受信したことによって発生した受信信号と、それ以外の不要周波数成分との双方を増幅してしまい、計測精度が低下する原因となっていた。

また、超音波素子と受信回路とを接続する回路のインピーダンスはゼロであることが望ましいが、実際には、トランジスタやアナログスイッチなどでスイッチを構成すると、そのスイッチだけで数十Ωのインピーダンスを持つこととなり、ゼロにはならない。そのため、超音波素子の電気的特性が経年変化により変化した場合、超音波素子と受信回路とを接続するインピーダンスのマッチングがずれ、計測の安定性が確保できなくなる問題が生じる。

一方、超音波流量計の計測時間分解能は例えば１ｎｓ程度を確保する必要がある。上述の周波数特性は個々の超音波素子によって異なるため、長期にわたって計測時間分解能１ｎｓを確保しようとすると、一つの受信回路では限界がある。すなわち、上手側超音波素子または下手側超音波素子の周波数特性と、受信回路の周波数特性にずれが生じるため、計測時間の分解能が使用年月とともに低下するのである。

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、超音波素子の不要周波数成分が発生しにくく、計測安定性と計測分解能を長期にわたって確保できる超音波流量計を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、流体が流通する流路と、
超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備え、前記流路の上手側および下手側にそれぞれ設けられた一対の超音波素子であって、一方の超音波素子から発信した超音波を他方の超音波素子で受信して受信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、
前記超音波素子に対して駆動信号を送信し、超音波を発信させる送信手段と、
前記超音波素子から出力された前記受信信号を受信する受信回路と、
を備え、前記上手側超音波素子または前記下手側超音波素子の周波数特性と、前記受信回路の周波数特性が等しくされていることを特徴とする超音波流量計である。

上記本発明によると、超音波素子と受信回路の周波数特性が等しい構成となるため、不要な周波数成分を低減でき、高精度な超音波流量計測が可能となる。なお受信回路とは、例えばオペアンプやＦＥＴのように、超音波素子から出力された受信信号を受信して増幅する回路を指す。

また、本発明は、
前記受信回路の入力側と出力側の電気的特性の比率が一定になるように構成されている超音波流量計
とすることができる。

例えば、超音波素子と受信回路とを接続するスイッチ素子のインピーダンス比率を一定にする。これによりインピーダンスマッチングを確保できる。そのため、受信回路側から見た入力と出力の割合が一定となり、安定した出力を確保できるようになる。

また、
前記受信回路は、前記上手側超音波素子から出力された受信信号を受信する上手側受信回路と、前記下手側超音波素子から出力された受信信号を受信する下手側受信回路とに分けて構成されている超音波流量計としてもよい。

このようにすると、各超音波素子の周波数特性に合わせた受信回路（上手側受信回路、下手側受信回路）を構成することが可能となり、超音波素子からの不要周波数成分を効率よく除去できる。また、各超音波素子に対して理想的にマッチングした受信回路を構成できるため、計測精度が向上する。

さらに本発明は、
前記超音波素子の周波数特性を測定する測定手段と、
測定された前記超音波素子の周波数特性に基づいて、前記受信回路の周波数特性を補正する周波数特性補正手段と、
を備える超音波流量計としてもよい。

このようにすると、経年変化により超音波素子の周波数特性が変化しても、測定手段によって周波数特性を測定し、その測定値に基づいて受信回路に反映することができる。そのため、受信回路の周波数特性と超音波素子の周波数特性とが合い、高精度な測定を長期にわたって安定して行える超音波流量計となる。

本発明に係る超音波流量計の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１Ａは、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成である。この超音波流量計１の流量測定用の流路３には、流量測定用ガス（流体）が図示の流れ方向に流通している。流路３には、流れ方向下手側に下手側超音波素子２ｂが設けられ、流れ方向上手側に上手側超音波素子２ａが設けられている。これらの超音波素子２ａ，２ｂは圧電素子などから構成され、駆動電圧を印加すると超音波を発信する超音波発信機能と、超音波を受信すると電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。

測定対象がガスの場合、測定用流路３の軸断面形状は壁部１０により閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態の流路３は矩形状に形成され、断面図（図１Ｂ）に示すように上壁部１０ａに上手側超音波素子２ａ及び下手側超音波素子２ｂが取り付けられている。上手側超音波素子２ａまたは下手側超音波素子２ｂから発信した超音波は底部１０ｂによって角度θで反射し、相手側の超音波素子に到達する構造になっている。また、図１では超音波が底部１０ｂで反射するＶ字型構造を採用したが、例えば上手側超音波素子２ａを上壁部１０ａに配置し、下手側超音波素子２ｂを底部１０ｂに配置し、超音波を反射させないで送受信する構造（Ｚ型）を採用することもできる。

また、図１Ａに示すように、超音波流量計１には送信手段５、受信手段６、切替手段４、制御手段１６が設けられている。送信手段５は、超音波素子２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。受信手段６はスイッチ等から構成され、このスイッチを切り替えることにより、超音波素子２ａ，２ｂのうち一方が送信側の超音波素子になり、他方が受信側の超音波素子になる。この受信手段６の切替制御は、切替手段４により行われる。また、制御手段１６は超音波流量計１の全体的な動作制御を行うもので、例えば駆動信号の発信タイミングや流量演算等を行う。

超音波流量計１のより具体的なブロック図を図２に示す。この実施例では送信側スイッチ６Ａと受信側スイッチ６Ｂが設けられ、これらのスイッチ６Ａ，６Ｂによって上述の受信手段６が構成されている。スイッチ６Ａ，６Ｂの切り替え制御は制御手段１６によって行う。図のように、例えば送信側スイッチ６Ａをａ側に接続し、受信側スイッチ６Ｂをｂ側に接続することにより、上手側超音波素子２ａを送信側にし、下手側超音波素子２ｂを受信側にする。そして、送信手段５から上手側超音波素子２ａに対して駆動信号を送信する。これにより上手側超音波素子２ａから超音波が発信され、流路３を伝播して底部１０ｂで反射する。反射した超音波を下手側超音波素子２ｂが受信すると受信信号を出力し、その受信信号はスイッチ６Ｂを通って増幅手段７（受信回路）へ送信される。増幅手段７は微弱な受信信号を増幅し、その増幅した信号を使ってゼロクロスポイント検出手段８がゼロクロス電圧を検出する。

一方、送信手段５は駆動信号を発生したタイミングを時間計測手段９に送信しており、時間計測手段９はその駆動信号が発生した時間から、上記ゼロクロス電圧を検出するまでの時間を計測する。この時間が、超音波が流路３を伝播した時間（順方向超音波伝播時間Ｔｕｄ）である。その後、送信側スイッチ６Ａをｂ側に切り替え、受信側スイッチ６Ｂをａ側に切り替えることにより、上手側超音波素子２ａを受信側にし、下手側超音波素子２ｂを送信側にする。その後、送信手段から駆動信号を発信し、上述と同様の動作を行うことにより逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕを求める。

図２において、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の反射角をθ、超音波の伝搬距離をＬとすると、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄ及び逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｕｄ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （１）
Ｔｄｕ＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ （３）
したがって、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄと逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。ただし、Ａは流路１の断面積である。
ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ） （４）
Ｑ＝ｖ・Ａ （５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（超音波伝播時間Ｔｕｄ，Ｔｄｕ）と一定値（伝搬距離Ｌ，反射角θ）とから流速ｖが得られる利点を有している。

次に、増幅手段７、ゼロクロスポイント検出手段８、時間計測手段９の具体的な構成を図３に示す。この実施例では、増幅手段７は例えばオペアンプからなる増幅器７１から構成され、ゼロクロスポイント検出手段８はゼロクロス型コンパレータ（第一コンパレータ８１）、差動型コンパレータ（第二コンパレータ８２）、ＲＳフリップフロップ回路（以下、ＲＳＦＦ回路と記す）８３、単安定マルチバイブレータ等のゼロクロスポイントパルス発生回路８４から構成される。また、時間計測手段９は、パルスカウンタ回路９１（例えばＪＫフリップフロップ回路）及びクロックパルス発生回路９２（例えば水晶発振子や無安定マルチバイブレータ）からなる。

超音波素子２ａ又は２ｂから出力された受信信号はスイッチ６Ｂを通って増幅器７１に入力され、ここで電圧増幅されて増幅信号Ｖａとして出力される。増幅信号Ｖａは第一コンパレータ８１および第二コンパレータ８２へ入力される。コンパレータ出力ＶｂおよびＶｃはＲＳＦＦ回路８３のポート＃Ｓ、＃Ｒへそれぞれ入力される。ＲＳＦＦ回路８３のポート＃Ｓからの出力Ｖｄは、ゼロクロスポイントパルス発生回路８４に入力され、ここで出力波形Ｖａにおける超音波到達時点を検出し、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅを時間計測手段９に出力する。時間計測手段９では、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅに基づき、クロックパルス発生回路９２からのクロックパルス数をパルスカウンタ回路９１でカウントして到達時間検出信号Ｖｆを出力する。

次に図４を用いて、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄの測定方法について説明する。増幅信号Ｖａ（超音波素子２ｂの受信信号）は、受信初期においてはノイズ混入等の影響により十分な振幅（発生電圧）レベルを有しない不規則波形信号であり、先頭から第ｎ番目（図では第３番目）の波形部分においてようやく安定して測定可能な振幅レベルに達するのが通常である。そこで、超音波受信出力の増幅信号Ｖａにおいて精度のよい時間測定を可能にするために、以下に述べるゼロクロス法が一般に採用されている。つまり、「差動型コンパレータ８２（図３参照）に入力設定された閾値ＶＳを超える（又は下回る）波形部分（図では第３波）をトリガー波とし、このトリガー波の振幅（又は位相）がゼロとなるゼロクロス点を、増幅信号Ｖａ（又はその派生信号）の波形上でゼロクロスポイントパルス発生回路８４により検出する方法」である。

具体的には、増幅信号Ｖａの波形に対してゼロクロス法は次のように適用される。増幅信号Ｖａが非反転入力されるとゼロクロス型コンパレータ８１は、増幅信号Ｖａの波形のうち振幅（発生電圧）が正の波形部分（第１波，第３波，第５波…）に対応してＨとなるパルスを、第一コンパレータ出力Ｖｂとして断続的に出力する。一方、負極性の増幅信号Ｖａと正極性の閾値ＶＳとが入力された差動型コンパレータ８２では、閾値ＶＳを超える波形部分（第３波，第５波…の頂部）に対応してＬとなるパルスを、第二コンパレータ出力Ｖｃとして断続的に出力する。

第二コンパレータ出力Ｖｃで最初に閾値ＶＳを超えるトリガー波（第３波）のパルス信号が入力されるまではＲＳＦＦ回路８３のポート＃ＲにはＨが継続して入力されるので、ＲＳＦＦ回路８３のポート＃Ｑ出力ＶｄはＬに維持される。第一コンパレータ出力Ｖｂから第３波の波形検出パルス信号がＲＳＦＦ回路８３のポート＃Ｓに入力（Ｈ）されている状態において、第二コンパレータ出力Ｖｃからトリガー波（第３波）の閾値ＶＳ検出パルス信号がポート＃Ｒに入力（Ｌ）されたとき、ポート＃Ｑ出力ＶｄはＨに変化する。そして、第一コンパレータ出力Ｖｂから第３波の波形検出パルス信号がＲＳＦＦ回路８３のポート＃Ｓに入力されなくなるまでポート＃Ｑ出力ＶｄはＨに維持され、ポート＃Ｓへの入力がＬとなったときにポート＃Ｑ出力ＶｄはＬとなる。

ゼロクロスポイントパルス発生回路８４は、ＲＳＦＦ回路８３のポート＃Ｑ出力Ｖｄの立ち下がりエッジを検出し、ゼロクロス点に対応してＨとなるパルスをゼロクロスポイント検出信号Ｖｅとして出力する。パルスカウンタ回路９１は、送信手段６（図２）が駆動信号を発信してからゼロクロスポイント検出パルス信号（Ｖｅ）を検出するまでのクロックパルス数をカウントして、伝播時間検出信号Ｖｆを出力する。このようにして伝播時間検出信号Ｖｆで得られた順方向超音波伝播時間Ｔｕｄは、実際の（真の）伝播時間より長くなっている。つまり、受信開始からトリガー波（第３波）のゼロクロス点までの間（第１波〜第３波の１．５周期分）の経過時間を補正値として、検出伝播時間から差し引くと実際の伝播時間が得られる。

このようにして順方向超音波伝播時間Ｔｕｄを測定した後、スイッチ６Ａ，６Ｂ（図２）を切り替えて、下手側超音波素子２ｂから超音波を発信し、逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕを求める。

なお、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄを測定すると、超音波の一部が下手側超音波素子２ｂで反射されて上手超音波素子２ａに戻るが、その反射波を受信して逆方向超音波伝播時間を求めてもよい。このようにすると、図４に示すように、補正値を計算することなく実際の超音波伝播時間を求めることが可能となる。

図２に戻る。本発明における受信回路は増幅手段７等により構成されている。この受信回路の周波数特性は、上手側超音波素子２ａまたは下手用超音波素子２ｂの周波数特性と等しくなるように構成されている。これにより、超音波素子２ａ，２ｂが出力した受信信号のみを増幅することが可能となり、不要周波数成分の増幅を防止できる。そのため、高精度な流量計測が可能となる。

一方、図２のスイッチ６Ａ，６Ｂは例えばアナログスイッチにより構成される。アナログスイッチは数十Ωのオン抵抗を持つ。超音波素子の特性は経年変化するものであり、その特性の変化量に対してアナログスイッチのオン抵抗が無視できる程小さければ、測定精度が低下することはない。しかし、計測精度が１ｎｓなど極めて小さな計測時間精度が要求される超音波流量計では、このオン抵抗は無視できないものである。この問題を解決するため、図５に示すように、オペアンプ７１にスイッチ等価回路１１および超音波素子等価回路１２を接続した。スイッチ等価回路１１は、具体的には抵抗であり、スイッチ６Ａ，６Ｂの電気抵抗と等価な電気抵抗を有するようにされている。超音波素子等価回路１２は抵抗、コンデンサ、コイルなどからなり、上手側超音波素子２ａ又は下手側超音波素子２ｂのインピーダンスと等価なインピーダンスを有するように構成された回路である。オペアンプ７１の入力側と出力側を繋ぐようにスイッチ等価回路１１および超音波素子等価回路１２を直列接続することにより、オペアンプ７１の反転入力端子のゼロ電位を基準にして、入力側と出力側の電気的特性の比率を一定にすることができる。そのため、安定した出力を確保できる。

次に、図６について説明する。この実施形態では、上手側超音波素子２ａおよび下手側超音波素子２ｂにそれぞれ専用の受信回路を持たせるように構成した。すなわち、上手側超音波素子２ａ用のオペアンプ７１ａと下手用超音波素子２ｂ用のオペアンプ７１ｂとを設け、それぞれのオペアンプ７１ａ，７１ｂに対してキャンセル回路２２ａおよび２２ｂを接続する。より詳しくは、オペアンプ７１ａの入力側と出力側を繋ぐようにスイッチ等価回路１１ａおよび超音波素子等価回路１２ａを直列接続する。同様にして、オペアンプ７１ｂの入力側と出力側を繋ぐようにスイッチ等価回路１１ｂおよび超音波素子等価回路１２ｂを直列接続する。超音波素子２ａ，２ｂはそれぞれ周波数特性が異なるため、このように受信回路を分けることにより、各受信回路の周波数特性を超音波素子の周波数特性に個別に合わせることが可能となる。これにより、超音波素子２ａ，２ｂのそれぞれの受信信号に対して受信回路で不要周波数成分を増幅しにくくなり、流量測定の精度が向上する。

図７は、測定手段１５および周波数特性補正手段を備えた実施形態である。このように上手側超音波素子２ａ及び下手側超音波素子２ｂに測定手段１５が接続されており、スイッチ１３，１４によって切り替え接続可能になっている。超音波流量計１を長年使用していると、超音波素子２ａ，２ｂの電気的特性が経年変化する。そこで、一定の時間使用したところで測定手段１５を使って超音波素子２ａ，２ｂの電気的特性を測定し、その測定値に基づいてスイッチ等価回路１１ａ，１１ｂおよび超音波素子等価回路１２ａ，１２ｂの特性値を補正する。これにより、受信回路の周波数特性と超音波素子２ａ，２ｂの周波数特性を合わせることが可能となり、精度の高い流量測定を長期にわたって行うことが可能となる。

なお、超音波素子２ａ，２ｂの測定を開始する命令を測定手段１５に対して行ったり、スイッチ等価回路１１ａ，１１ｂおよび超音波素子等価回路１２ａ，１２ｂの電気的特性値を補正したりするのは、本発明の制御手段１６が行う。制御手段１６は図８Ａに示すように、例えばマイコンが用いられる。より詳しくは、制御手段１６はＣＰＵ１７、ＲＯＭ１８、ＲＡＭ１９、Ｉ／Ｏ２１、これらを繋ぐバスライン２０を備えた構成となっている。また、図８Ｂに示すように、ＲＯＭ１８Ｂには流量演算プログラム１８ａ，周波数特性測定プログラム１８ｂ、周波数特性補正プログラム１８ｃ等の各種プログラムが記憶されている。流量演算プログラム１８ａは、上述した順方向伝播時間Ｔｕｄおよび逆方向伝播時間Ｔｄｕから流体の流量を演算するプログラムである。また、周波数特性測定プログラム１８ｂは、測定手段１５に対して測定命令を出すプログラムである。さらに周波数特性補正プログラム１８ｃは、超音波素子２ａ，２ｂの測定値に基づいて、スイッチ等価回路１１ａ，１１ｂおよび超音波素子等価回路１２ａ，１２ｂの電気的特性を補正するためのプログラムである。なお、ＣＰＵ１７が周波数特性補正プログラム１８ｃを読み出して実行することにより、本発明の周波数特性補正手段が実現される。

本発明に係る超音波流量計のブロック図である。 超音波流量計のブロック図。 受信回路の構成図。 図３のタイミングチャート。 キャンセル回路を備えた超音波流量計の要部。 上手用受信回路と下手用受信回路を設けた実施例。 測定手段と、周波数特性補正手段とを設けた実施例。 制御手段の例。

符号の説明

１ 超音波流量計
２ａ 上手側超音波素子
２ｂ 下手側超音波素子
３ 流路
４ 切替手段
５ 送信手段
６ 受信手段
６Ａ 送信側スイッチ
６Ｂ 受信側スイッチ
７ 増幅手段（受信回路）
８ ゼロクロスポイント検出手段
９ 時間計測手段
１１ スイッチ等価回路
１２ 超音波素子等価回路
１６ 制御手段

Claims (4)

1. 流体が流通する流路と、
   超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備え、前記流路の上手側および下手側にそれぞれ設けられた一対の超音波素子であって、一方の超音波素子から発信した超音波を他方の超音波素子で受信して受信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、
   前記超音波素子に対して駆動信号を送信し、超音波を発信させる送信手段と、
   前記超音波素子から出力された前記受信信号を受信する受信回路と、
   を備え、前記上手側超音波素子または前記下手側超音波素子の周波数特性と、前記受信回路の周波数特性が等しくされていることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記受信回路の入力側と出力側の電気的特性の比率が一定になるように構成されている請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記受信回路は、前記上手側超音波素子から出力された受信信号を受信する上手側受信回路と、前記下手側超音波素子から出力された受信信号を受信する下手側受信回路とに分けて構成されている請求項１または２記載の超音波流量計。
4. 前記超音波素子の周波数特性を測定する測定手段と、
   測定された前記超音波素子の周波数特性に基づいて、前記受信回路の周波数特性を補正する周波数特性補正手段と、
   を備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波流量計。

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