JP2010145213A - 流速または流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の伝搬時間を求める際、比較的受信振幅の大きい部分では、上流側と下流側とで受信する波形に差が発生し、伝播時間の誤差として検知されることになる。
【解決手段】受信信号は受信手段３５で増幅され、その最大値がＶＨとＶＬの間になるまで受信点記憶手段３８は複数の記憶部に順次最新の受信点データを記憶する。ＶＨとＶＬの間になるとその前後の２点の零クロス点の平均値を受信点とすることができ、上下オフセットなど誤差の少ない伝播時間を計測し、計測時間短縮化で省電力動作を実現することが可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動子などを用い、超音波を利用して気体や液体などの流量を計測する流速または流量計測装置に関する。

従来の流体の流れ計測装置を、図１０を参照して説明すると、流体が流れる流路１０１の上流側と下流側とに一対の超音波振動子１０２、１０３が配置されており、超音波が流体を斜めに横切るようにしてある（例えば特許文献１参照）。そして、前記一対の超音波振動子１０２、１０３間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、これにもとづき流量を演算していた。例えば、時間差から流速を求め、管路の大きさや流れの状態を考慮して流量値を計算できる。なお、図中の実線矢印１０４は流体の流れる方向を示し、破線矢印１０５は超音波の伝搬する方向を示している。流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。
特開２００２−１３９５８号公報

しかしながら、前記従来の計測装置では、上流側の超音波振動子１０２から下流側の超音波振動子１０３へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｕｄを、また下流側の超音波振動子１０３から上流側の超音波振動子１０２へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｄｕを交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Ｔｕｄ、Ｔｄｕなどを用いて時間差を求め流量を演算していた。そして受信波が一定の振幅になるようオートゲイン増幅器で振幅を調整している。

この際、所定の振幅が得られる受信波形の部分に参照レベルを設定してトリガーレベルとし、伝播時間を計測していた。したがって、トリガ−レベルよりも前の零クロス点を用いて超音波の伝搬時間を計測することができなかった。また、トリガレベル設定、判定の回路を必要としていた。このため、超音波の到達時間に不確かな時間が含まれることになり、誤差となる場合があり、高精度な流れ計測を実現することができないという課題を有していた。即ち、超音波の受信波形は、一般に駆動回路で駆動される周波数で立上がり、順次、超音波変換器固有の振動周波数に変化する。

あるいは、流路の側壁などからの反射波の影響を受けるなどするため、超音波の受信波形は受信点に近い立上がり部分は周波数が安定しているが、トリガ−レベルを設定するような比較的受信振幅の大きい部分では、上流側と下流側とで受信する波形に差が発生し、伝播時間の誤差として検知されることになる。

また、流路１０１の側壁などで反射した超音波が受信波に若干遅れて到達し、受信波として受信されるので、受信波形がオフセット分を差し引いた場合にゼロ点を通過する零クロス点が不確かになることもあった。また、トリガレベルを設定する回路が余分に必要という課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、受信した超音波の零クロス点の到達時間を少なくとも連続して２つ計測し、その平均値を用いてト超音波の到達時間を計測することができるようにして超音波の伝播時間に含まれる誤差を少なくし、高精度な計測を実現しつつ、省電力動作を実現し、さらにトリガレベルを無くしても計測できる回路の簡素化を実現することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流速または流量計測装置は、被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一方の振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、受信手段の信号の最大値を検出して信号を出す受信波最大値判定手段と、受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を記憶する２つの受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波最大値判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、前記２つの受信点記憶手段に受信した超音波の零クロス点の到達時間を順次記憶していくようにしたものである。

この構成により、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間を受信波の振幅最大値前後の２つの零クロス点から平均して計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

本発明の、流速または流量計測装置は、受信波の振幅最大値前後の零クロス点の平均値を用いて計測することができる。このため、オフセットなどが重畳していても立ち上がりのゼロ点と立下りのゼロ点で相殺することができる。また２点の平均値を用いることにより計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

第１の発明は被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一方の振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、受信手段の信号の最大値を検出して信号を出す受信波最大値判定手段と、受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を記憶する２つの受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波最大値判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、２つの受信点記憶手段に受信した超音波の零クロス点の到達時間を順次記憶していくようにしたものである。

この構成により、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間を受信波の振幅最大値前後の２つの零クロス点から平均して計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

第２の発明は被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一方の振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、受信手段の信号の最大値を検出して信号を出す受信波最大値判定手段と、受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を記憶する少なくとも２つ以上の受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段の信
号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波最大値判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、２つ以上の受信点記憶手段に受信した超音波の零クロス点の到達時間を順次記憶していくようにしたものである。

この構成により、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間を任意の連続した２つの零クロス点から平均して計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

第３の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段を有することにより、最初の計測時は本来受信波が到達するよりも前に受信点検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえることが可能になる。

第４の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を２回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段のタイミングを調節することにより、受信波が到達する直前から受信点検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえるとともに省電力動作が可能になる。

第５の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は受信点検知手段の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段を有し電源供給手段は前記トリガ手段の出力により受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を開始することにより、確実に受信波が到達したことを確認してから受信点検知手段の出力を記憶する準備をすることで信頼性が向上するとともにさらに短時間動作による省電力動作が可能になる。

第６の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は、受信点記憶手段は最も古いデータから順次上書きされていくよう調節する蓄積制御手段を有することにより、零クロス点が多くなるような状態でも受信波最大値判定手段の近傍における複数の零クロス点を確実にとらえることができるとともに受信点記憶手段の数を少なくして順次上書きすることで省電力動作が可能になる。

第７の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は受信波最大値判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有することにより、受信波最大値判定手段の出力する信号よりかなり前の任意の零クロス点を用いて受信点とすることが可能になり、より計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

第８の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は受信波最大値判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値と受信波最大値判定手段の出力の差を演算する時間検定手段を有し、前記時間検定手段の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とすることにより、ノイズなどによる零クロス点の誤検知を防止することができ正確な零クロス点を選定することで信頼性の向上が可能になる。

第９の発明は特に第１の発明もしくは第２の発明で制御手段は受信波最大値判定手段の出力後の受信点検知手段の出力後予め定めた時間経過後に電源供給手段を介して受信点記
憶手段への電源供給を停止することにより、余分な零クロス点を計測して記憶する動作を停止することができ省電力動作を実現することが可能になる。

（実施の形態１）
実施の形態１に関する本発明の流速または流量計測装置と器具判別方法について説明する。図１は本実施例の構成を示す流速または流量計測装置のブロック図である。図１おいて、本発明の超音波流量計は被測定流体の流れる流路３１と、前記流路３１に配置された超音波を送受信する第１の振動子３２、第２の振動子３３を設置し、前記第１の振動子３２と前記第２の振動子３３を駆動する送信手段３４と、前記第１の振動子３２と前記第２の振動子３３の受信信号を受け信号を増幅する受信手段３５と、受信手段３５の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段３７と、前記受信点検知手段３７の出力を記憶する２つの受信点記憶手段３８と、前記受信点記憶手段３８の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段３９と、前記計時手段３９の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段４０とを有するものである。また、受信手段３５の最大信号を検知する受信波最大値判定手段４３を有している。さらに、送信手段３４と第１の振動子３２、および第２の振動子３３と受信手段３５の間に切換手段４１を設け、第１の振動子３２と第２の振動子３３が超音波の送受信を切換えて動作するようにしている。

制御手段４２は、前記送信手段３４と前記受信手段３５と、受信点検知手段３７と、受信点記憶手段３８と、前記計時手段３９と、前記流量演算手段４０と、前記切換手段４１と、前記受信波最大値判定手段４３の少なくとも１つを制御する。

通常の流速または流量計測の動作を説明する。制御手段４２からスタート信号を受けた送信手段３４が第１の振動子３２を一定時間パルス駆動行うと同時に計時手段３９は時間計測始める。パルス駆動された第１の振動子３２からは超音波が送信される。第１の振動子３２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第２の振動子３３で受信される。第２の振動子３３の受信出力は、受信手段３５で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。この超音波の受信を決定した時点で計時手段３９の動作を停止し、その時間情報ｔから（式１）によって流速を求める
（計時手段３９から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、確度をφ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする）。

ｖ＝（１／ｃｏｓφ）＊（Ｌ／ｔ）−ｃ ・・・（式１）

受信手段３５は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっていることが多い。

また、第１の超音波振動子３２と第２の超音波振動子３３との送信、受信方向を切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式２、３、４）より速度ｖを求めることができる。なお、上流から下流への測定時間時間をｔ１、下流から上流への測定時間時間をｔ２とする。

ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ＊ｃｏｓφ） ・・・・・・・・（式２）

ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ＊ｃｏｓφ） ・・・・・・・・（式３）

ｖ＝（Ｌ／２＊ｃｏｓφ）＊（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）） ・・・（式４）

この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速
・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

通常はこの動作の前に受信波の大きさをある程度一定にするためにオートゲイン動作を行う。この動作を図４の受信手段３５を含めて説明する。受信手段には受信側の超音波振動子の信号を増幅する増幅手段３５−１と増幅手段の出力を用い受信波の信号が一定レベルになると信号を出す受信波判定手段３６と、増幅手段の出力で零クロス点を判定する受信点検知手段３７と、増幅手段の出力で受信波の最大値を検知する受信波最大値判定手段４３がある。

受信波判定手段３６は受信波が到達したことを判定するためのトリガレベルを設定するトリガレベル設定手段３６−１と、前記トリガレベル判定手段３６−１と増幅手段３５−１の出力を比較して受信波到達信号を送出する受信波到達比較手段３６−２からなる。

受信点検知手段３７は零クロス点を判断する零基準手段３７−１と、前記零基準手段３７−１と増幅手段３５−１の出力を比較して零クロス点となる信号を送出する零クロス比較手段３７−２からなる。

また、受信波最大値判定手段４３は受信波の最大値を判定するための第１の最大値判定手段４３−１と第２の最大値判定手段４３−２と、前記最大値判定手段を切換える判定値切換手段４３−３と、前記判定値切換手段４３−３からの出力信号と増幅手段３５−１の出力を比較して受信波最大値信号を送出する受信波最大値比較手段４３−４からなる。

オートゲインの動作は受信波最大値判定手段４３を用いて行っている。制御手段４２にはオートゲイン調整手段４２−１を有している。最初にオートゲイン調整手段４２−１は判定切換手段４３−３を第２の最大値判定手段４３−２側に切換えておく。第２の最大値判定手段は電圧値として図３のＶＬを出力する。受信波が増幅手段３５−１で増幅されて受信波最大値比較手段４３−４に到達した時に受信波の最大値がＶＬより小さいと受信波最大値比較手段４３−４の出力は変化しない。このためオートゲイン調整手段４２−１は増幅手段３５−１の増幅度を大きくするように信号を出す。そうして受信波の最大値がＶＬより大きくなるまで増幅度を上げると、受信波が到達した時に受信波最大値比較手段４３−４の出力はＶＬを越えた時点で信号が変化する。これで受信波の大きさがある一定レベルより大きくすることができた。

ただし、受信波の増幅度があまり大きすぎると波形が歪んだり受信回路の電力が余計に消費したりして不適切である。このため一旦受信信号がＶＬを越えるとオートゲイン調整手段４２−１は判定切換手段４３−３を第１の最大値判定手段４３−１側に切換えておく。第１の最大値判定手段は電圧値として図３のＶＨを出力する。受信波が増幅手段３５−１で増幅されて受信波最大値比較手段４３−４に到達した時に受信波の最大値がＶＨより小さいと受信波最大値比較手段４３−４の出力は変化しない。この場合、受信信号の最大値はＶＨとＶＬの間に調整されたことになる。

しかし、オートゲイン調整手段４２−１は増幅手段３５−１の増幅度を大きくしすぎると受信波の最大値がＶＨより大きくなり、受信波が到達した時に受信波最大値比較手段４３−４の出力はＶＨを越えた時点で信号が変化する。これは受信波の最大値が大きくなりすぎたことを示すためオートゲイン調整手段４２−１は増幅手段３５−１の増幅度を小さくする。この動作を行うことにより受信波の最大値が常にＶＬとＶＨの間に収まるよう受信波の振幅を調整するのがオートゲイン動作である。

オートゲイン動作により受信波形の大きさがある程度一定の振幅になった後は、受信波
判定手段３６を用い受信点を求めていく。トリガレベル設定手段３６−１の出力をＶｒｅｆとする。

従来の動作を図２のタイミング図と図３の受信波形で説明する。制御手段４２による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ１で第１の超音波振動子３２から出た超音波は第２の超音波振動子３３に到達する。その受信信号は受信手段３５で増幅され、その信号レベルが予め定めたトリガレベル設定手段３６−１の出力であるＶｒｅｆになると受信波判定手段３６が受信波が到達したことを判定して信号を出す。この信号を基に受信点検知手段３７が動作を開始し、Ｖｒｅｆ後の最初の零クロス点を受信点として信号を出し、この点までの時間を計時手段３９で求める。切換手段４１で送受信を切換えて同様の動作を行い計時手段３９で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて流量演算手段４０が流量を算出する。

ここで図３のｔａ点はＶｒｅｆより後になっている。これは受信波判定としてＶｒｅｆの値を用い、その後の零クロス点ｔａを受信点としているためである。ここで図３のＶｒｅｆより後にあるｔａ点を求めるために受信波判定手段３６としてＶｒｅｆ信号を出力するトリガレベル設定手段３６−１と受信波到達比較手段３６−２を準備しなければならない。またＶｒｅｆを必ず受信波にかかるようにするには受信波の最大振幅を一定にしておく必要があるため受信波最大値判定手段は必須となる。例えば信号波を１００ｋＨｚ、伝搬時間を１００μｓ前後とすると、ｔａのような零クロス点は５μｓ毎に発生する。受信波は図３でもわかるようにＶｒｅｆより前にも到達している。これがＶｒｅｆより前の信号を利用できればできるほど超音波の到達時間に不確かな時間が含まれにくくなる。さらに５μｓ前の信号を利用できれば１００μｓの伝搬時間を計測している場合は５％も計測時間を短縮することが可能になり、消費電流の削減を実現できる。

つぎに零クロス点の動作を説明する。零クロス点の基準となる零基準をｐとする。もしオフセットがプラス側に発生すると零基準はｑのようになり零クロス点は本来より早く到達してしまう。反対にオフセットがマイナス側に発生すると零基準はｒのようになり零クロス点は本来より遅く発生してしまう。

同様にノイズが発生して受信波形がプラス側にずれると零クロス点は本来のｔａ点より遅く到達し、反対にノイズ等により受信波形がマイナス側にずれると零クロス点は本来のｔａ点より早く到達してしまう。このように１点だけの受信点判定ではオフセットやノイズ等の外乱で受信時間の精度が悪くなることがかんがえられる。

そこで、このような外乱があっても精度良く零クロス点を検出し受信点を求める方法を説明する。単純に零クロス点を受信波の到達した点、例えば図３のａ点を求めることが出来ればよいが、その場合はＶｒｅｆを設定できない。それに近い次のｂ点を受信波到達点とするとＶｒｅｆは破線のＶｒｅｆ−ｓｕｂとしなければならない。この場合は零信号に近いため流量が流れた場合の波形の変化や少しのノイズ等で反応して誤検知する可能性がある。このような現象を回避して受信波の到達点を判定するには受信波の最大値（ＶＨとＶＬの間に入る受信波）の直前の零クロス点ｔｙを検知するようにすればよい。

そして、このｔｙを基準にして零クロス点を連続して２つ求め、その平均値を用いればオフセットのズレを相殺することができる。

そうすれば受信波判定手段３６を省略した構成を実現できる。例えば図３（ｂ）に示すようにオフセットが発生することにより従来の零クロス点はｔａ点からｔａ１、ｔａ２点にずれることがある。その場合受信波到達点としてＴａ時間は非常に不安定となる。零ク
ロス点を２つ用いて平均をとるとｔａに対してｔｘ、ｔａ１に対してｔｘ１、ｔａ２に対してｔｘ２となりその平均Ｔａ’は一定値となり安定する。

そこで、Ｖｒｅｆより前の零クロス点を受信波判定手段３６を用いずに検出する方法を説明する。

この動作を実現するには制御手段４２による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ１で第１の超音波振動子３２から出た超音波は第２の超音波振動子３３に到達する。その受信信号は受信手段３５の増幅手段３５−１で増幅されその信号のピーク値が予め定めた値（ＶＨとＶＬの間）になると受信波最大値判定手段４３が、受信波が到達したことを判定して信号を出す。

その前に零クロス点として予め定めた範囲、例えばプラス１ｍＶ、マイナス１ｍＶ以内に入ると信号を出す受信点検知手段３７が動作を開始している。そうすると図５の点ａになると受信点検知手段３７が信号を出力し、その出力を受信点記憶手段３８−１が記憶する。記憶する値は送信時点からの経過時間、もしくは経過時間を計測できる特定一定時間幅を有するパルス数等とすると後の演算が容易になる。次に点ｂになると同様に受信点記憶手段３７が信号を出力し、受信点記憶手段３８−１に上書きしていく。この場合、受信点データが記憶手段３８の個数より多い場合は最も古い受信点から順次上書きするように制御手段４６が書き込む順番を制御するようにしてもよい。

そして受信信号がピーク値がＶＨとＶＬの間に入り、受信波最大値判定手段４３が受信波が到達したことを判定して信号を出す。この信号をオートゲイン調整手段４２−２が受けると制御手段は、これ以降の零クロス点で受信点見地手段３７が信号を出さないようにするか、もしくは受信点記憶手段３８への書き込みを禁止する。

この動作を行うことによりｔｙとｔａの零クロス点を記憶しているため、２つの平均を用いて計時手段３９で伝搬時間を求める。切換手段４１で送受信を切換えて同様の動作を行い計時手段３９で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて流量演算手段４０が流量を算出する。その結果、ｔｙ、ｔａの２点で受信到達点を確定できる。

いままでは図５のｔａで伝搬時間を確定していたが、オフセットなどの影響が避けられなかった。この方法では計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現できる。

また、図５ａ点より零クロス点が到達するたびに受信点記憶手段３８−１と３８−２で交互に受信点データを書き込み、受信信号がピーク値がＶＨとＶＬの間に入り、受信波最大値判定手段４３が受信波が到達したことを判定して信号を出した時にその動作を停止するような構成にするとｔａとｔｙを用いて平均処理を行い受信到達点を確定できる。このような処理により今までは図５のｔｂまでかかっていた伝搬時間をそれ以前の点で確定することができるため、伝搬時間の計測動作時間を短くすることができることになり、省電力動作を実現できる。具体的には図５におけるＴｆ分は計測時間を短くできる。

上記説明では受信点記憶手段３８を２つ用いた構成で説明したが、これを２つ以上にして順次記憶するような構成とし、その中から連続した２つの零クロス点を用いて伝搬時間を確定してもよい。この場合はノイズなどにより１つの零クロス点のデータが不良となっていても残りの受信データより連続した一対の零クロス点を用いることで計測を継続できる。

そして、超音波の到達時間を任意の連続した２つの零クロス点から平均して計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

また受信点として選択する零クロス点は例えばａ点とｂ点の一対のようにＶｒｅｆから遠ざかりより到達点として正しい値を選択すると波形の歪みが小さく超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。しかし、この場合は伝搬時間の誤差をより小さくすることができる反面、ノイズの影響を受けやすい。また受信波ピーク値に近いｔｙを選択すると受信波形に歪みが発生している可能性があるがノイズ等の影響を受けずより再現性の高い値が得られる。高精度と高再現性を考え計測の目的やノイズ状態などの信号状態の場合分けの状態に応じて受信点を変えていくことがより使い勝手のよいシステムとなる。

このように複数の零クロス点を記憶することにより受信波ピーク値より予め定めた数だけ逆のぼった受信点を用いて伝搬時間を求め流れ計測を実現できる。

すなわち、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間を受信波ピーク値がＶＨとＶＬの間に入る前の零クロス点で計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

また、零クロス点が多くなるような状態でも受信波最大値判定手段４３の近傍における複数の零クロス点を確実にとらえることができるとともに受信点記憶手段３８の数を適度に少なくして順次上書きすることで省電力動作が可能になる。

また受信点記憶手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８は記憶動作を行うのに電力を消費するがどの時点から通電して良いかは前もってわかっていない場合が多い。あまり早く投入すると電力が無駄になるし、受信点を通過してから通電しても意味は無い。そこで図６に示すように制御手段４２内に電源供給手段４４を設けて電力制御を行う。タイミングは図７で説明する。一番初めに計測を開始する場合はＴａが不明である。超音波振動子３２、３３の物理的距離からおおよその時間は推定できるが確かでは無い。そこで制御手段４２は電源供給手段４４を用いて受信点記憶手段３８への通電タイミングを調節する。まず、時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ１で第１の超音波振動子３２から出た超音波は第２の超音波振動子３３に到達する。その前時刻ｔ２に電源供給手段４３を用いて受信点記憶手段３８への通電を開始する。ｔ２はｔ１より十分短い時間とする。

このように、制御手段４２は受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段４４を有することにより、最初の計測時は本来受信波が到達するよりも前に受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえることが可能になる。

また初回により受信点が確定し伝搬時間が求まる。その場合は２回目以降の通電時間を調整することが容易になる。例えば図７で最初はｔ２において受信点記憶手段３８への通電を開始したが、実際に超音波が伝搬して受信したのはｔ１である。次の計測においては伝搬時間が大幅に変化することが無いため制御手段４２にある電源供給手段４４はｔ１に近くてまだ受信信号が到達していないｔ２まで通電するのを待つことが可能になる。３回目は２回目の伝搬時間を用いたり、または１回目と２回目の移動平均を用いたりして伝播
時間を予想し、通電時間を極力短くすることが可能になる。

このように制御手段４２で受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８への通電を２回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段４４のタイミングを調節することにより、受信波が到達する直前から受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえるとともに省電力動作が可能になる。

この説明では受信点記憶手段３８の通電時間のみ調節するようになっているが、受信信号を増幅する受信手段３５から下流の動作が電源投入時に不安定な状態が長く続かなければそれら一式もしくは特に電力を必要とする部位の通電を電源供給手段４４で調整すればさらに省電力が可能になる。

また図５の零クロス点ａからｄの状態が図７のｔ３からｔ１の付近を拡大したものと同等とする。この場合、受信手段３５は受信信号が到達する前から動作し、受信点判定手段３７も動作しａ、ｂ、ｃ、ｄ毎に信号を送出している。図８において制御手段４２はこの受信点判定手段３７の出力信号をカウントし予め予め定めた回数例えば２回とするとｂ点まで受信点が到達するとトリガ手段４５が電源供給手段４４を介して受信点記憶手段３８への通電を開始する。受信確定するｔｙまでの通電時間をより短くすることができる。

このように制御手段４２は受信点検知手段３７の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段４５を有し電源供給手段４４は前記トリガ手段の出力により受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８への通電を開始することにより、そこからの零クロス点を複数個受信波のピーク値までの数もしくは予め準備している複数の受信点記憶手段３８の個数だけ記憶する。そしてその中から連続した２つの零クロス点データを用いて伝搬時間を求める。このように確実に受信波が到達したことを確認してから受信波最大値判定手段４３の出力を記憶する準備をすることで信頼性が向上するとともにさらに短時間動作による省電力動作が可能になる。

また、図５における零クロス点は受信波にノイズが重畳されていなければほぼ送信周波数の半分の周期で発生してきている。しかし実際に流路に流体が流れている場合はその流体により下流側で何かが動作している。この動作や他の外来ノイズ等により受信波にスパイク状の信号が重畳されることもある。この場合ノイズが零クロスした点を受信点とすると伝搬時間の計算が大きくずれてしまう。これを防止するため図９に示すように制御手段４２に時間検定手段４６を設ける。動作を説明する。まず図５と同様に零クロス点を受信し始めると受信点検知手段３７が信号を出力し、その出力を受信点記憶手段３８−１が記憶する。記憶する値は送信時点からの経過時間、もしくは経過時間を計測できる特定一定時間幅を有するパルス数等とすると後の演算が容易になる。次に点ｂになると同様に受信点記憶手段３７が信号を出力し、受信点記憶手段３８−２が受信点データを記憶する。これを点ｃ、ｄと繰返しｔｙの点を記憶した後、受信信号のピークがＶＨとＶＬの間にはいる。

この時初めて受信波最大値判定手段４３が信号を出力する。制御手段はこの受信波最大値判定手段４３から信号が出力されると、これ以降の零クロス点で受信点検知手段３７が信号を出さないようにするか、もしくは受信点記憶手段３８への書き込みを禁止する。そして次の零クロス点ｔｂの時間を受信点記憶手段３８を介さずに直接制御手段の時間検定手段４６に送る。時間検定手段４６は受信点記憶手段３８にある受信点データの値とｔｂの値との差を順次求める。この差が予め定めた範囲内であればａ、ｂ、ｃ、ｔｘ、ｔａ、ｔｙ点のデータはノイズによるものではないと判断し、流量演算として採用できると判定する。そしてその中の連続して２つの零クロス点を用いて流量を演算する。

例えば送信周波数が１００ｋＨｚとすると周期の１／２の周期は５μｓとなるそこでｔｙ−ｔｂが予め定めた５μｓ近傍以内であればｔｙは有効な受信点であると判断する。

同様にａ−ｔｙが５μｓの整数倍の近傍以内であれば有効な受信点と判断する。以下ｂ、ｃ、ｄ、ｔｘ、ｔａ点についても同様に判断していく。

このように制御手段４２は受信波最大値判定手段４３の出力後の受信点検知手段３７の出力と、受信点記憶手段３８の値の差を演算する時間検定手段４６を有し、前記時間検定手段４６の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とすることで、ノイズなどによる零クロス点の誤検知を防止することができ正確な零クロス点を選定することで信頼性の向上が可能になる。

また受信信号が図５の零クロス点ｔｙより先ＶＨからＶＬの間になった後は受信手段３５より後段の回路は計時手段３９、流量演算手段４０以外を動作する必要が無い。したがって受信波最大値判定手段４３により受信波がＶＨからＶＬに入ったことを検知すると制御手段４２は受信点記憶手段３８への通電を停止して省電力動作を行うとともに必要のない受信回路の通電動作を停止することが可能である。停止を行う時点はＶＨとＶＬの間に入った直後でも良いし、また通電停止時の信号によりノイズが発生して計時手段３９などの動作に悪影響を与えてもよくないため次の零クロス点ｔｂを検知してから通電停止してもよい。

このように制御手段４２は受信波最大値判定手段４３の出力後の受信点検知手段３７の出力後予め定めた時間経過後に電源供給手段４４を介して受信点記憶手段３８への電源供給を停止することにより、余分な零クロス点を計測して記憶する動作を停止することができ省電力動作を実現することが可能になる。

なお、図３（ｂ）で受信到達点をｔｘ、ｔａ２点の平均値Ｔａ’を確定できると説明したが、従来の到達点Ｔａと異なるように見えるかもしれないので説明する。本来の受信到達点は図３のａ点となる。この点だけを検出することは前述したように非常に困難である。そこでｔａまでの時間Ｔａを求め、予め決まった定数を差し引くことでａ点までの時間を求めている。したがって、ｔｘとｔａを用いた場合は受信波の４分の１周期（ｔａ−ｔｘ）／２の値だけ予め決まった定数を調整すれば受信到達点ａまでの時間を演算することが可能である。ＴａよりＴａ’の方が誤差が少ないためａまでの時間が安定して求まるわけである。

（実施の形態２）
実施の形態２に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。実施の形態１と異なるところは、振動子３２、３３や送信手段３４、受信手段３５、受信手段３５の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段３６、受信手段３５の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段３７、前記受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８、前記受信点記憶手段３８の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段３９、前記計時手段３９の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段４０、送受信を切換える切換手段４１、受信手段３５の最大信号を検知する受信波最大値判定手段４３との少なくとも１つを制御する制御手段４２の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体４７を用いていることである。

図１において実施の形態１で示した制御手段４２の動作を行うには、予め実験等によりｔｙを求めるための受信点記憶手段の動作、通電方法を求めておいたり、経年変化、温度変化、システムの安定度に関して動作タイミングなどの相関を求め、ソフトをプログラム
として記憶媒体４７に格納しておく。通常マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと利用が便利である。切換手段４１の動作により送受信の方向が変化するため条件設定などの個数が増加してくるがこれをコンピュータによる動作で調整すると容易に実現可能である。

このように制御手段４２の動作をプログラムで行うことができるようになると流量演算の補正係数の条件設定、変更や計測間隔の調整などが容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに流速または流量計測の精度向上を行うことができる。なお本実施例において制御手段４２以外の動作もマイコン等によりプログラムで行ってもよい。

これにより制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。

本発明の流速または流量計測装置は零クロス点を２つ上書きして記憶し続け、受信波が確実に届いたことを示す受信波最大値判定手段に出力信号があるとその動作を停止する。

これにより、比較的受信波形の振幅の大きい部分に受信波最大値判定手段によるトリガ−点を設定し、安定してトリガ−を動作させるとともに、その前の零クロス点のうち最適な２点の平均値を伝播時間計測に用いることができるので、誤差の少ない伝播時間を計測することができるとともに、計測時間を短縮化できることで省電力動作を実現することが可能になる。

本発明の流速または流量計測装置の全体ブロック図 （ａ）同計測装置における計測制御手段の動作を示すタイミング図、（ｂ）同計測装置における送信波の動作を示すタイミング図、（ｃ）同計測装置における受信波および反射波の動作を示すタイミング図 （ａ）同計測装置における受信波を示すタイミング図、（ｂ）同計測装置における受信波の測定を示すタイミング図 同計測装置における受信手段周辺のブロック図 同計測装置における受信波を示すタイミング図 本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図 （ａ）同計測装置における計測制御手段の動作を示すタイミング図、（ｂ）同計測装置における送信波の動作を示すタイミング図、（ｃ）同計測装置における受信波および反射波の動作を示すタイミング図 本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図 本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図 従来の流量計測装置の断面図

符号の説明

３１ 流路
３２ 第１の振動子
３３ 第２の振動子
３４ 送信手段
３５ 受信手段
３６ 受信波判定手段
３７ 受信点検知手段
３８ 受信点記憶手段
３９ 計時手段
４０ 流量演算手段
４１ 切換手段
４２ 制御手段
４３ 受信波最大値判定手段
４４ 電源供給手段
４５ トリガ手段
４６ 時間検定手段
４７ 記憶媒体

Claims (9)

1. 被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、
   一方の振動子を駆動する送信手段と、
   他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、
   受信手段の信号の最大値を検出して信号を出す受信波最大値判定手段と、
   受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、
   前記受信点検知手段の出力を記憶する２つの受信点記憶手段と、
   前記受信点記憶手段の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、
   前記計時手段の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、
   前記送信手段と前記受信手段と前記受信波最大値判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備えた流速または流量計測装置。
2. 被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、
   一方の振動子を駆動する送信手段と、
   他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、
   受信手段の信号の最大値を検出して信号を出す受信波最大値判定手段と、
   受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、
   前記受信点検知手段の出力を記憶する少なくとも２つ以上の受信点記憶手段と、
   前記受信点記憶手段の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、
   前記計時手段の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、
   前記送信手段と前記受信手段と前記受信波最大値判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備えた流速または流量計測装置。
3. 制御手段は受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段を有する請求項１または２記載の流速または流量計測装置。
4. 制御手段は受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を２回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段のタイミングを調節する請求項１または２記載の流速または流量計測装置。
5. 制御手段は受信点検知手段の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段を有し電源供給手段は前記トリガ手段の出力により受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を開始する請求項１または２記載の流速または流量計測装置。
6. 制御手段は、受信点記憶手段は最も古いデータから順次上書きされていくよう調節する蓄積制御手段を有する請求項１または２記載の流速または流量計測装置。
7. 制御手段は受信波最大値判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有する請求項１または２記載の流速または流量計測装置。
8. 制御手段は受信波最大値判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値と受信波最大値判定手段の出力の差を演算する時間検定手段を有し、前記時間検定手段の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とする請求項１または２記載の流速または流量計測装置。
9. 制御手段は受信波最大値判定手段の出力後の受信点検知手段の出力後予め定めた時間経過後に電源供給手段を介して受信点記憶手段への電源供給を停止する請求項１または２記載の流速または流量計測装置。

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