JP2010151583A - 超音波式流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の種類、流速、温度、圧力によって受信波形（振幅の大きさ）が変化した場合でも、正確に受信が検知でき計測精度が向上できる技術を提供する。
【解決手段】超音波送受信素子４，５と、これら超音波送受信素子４，５に信号を与える送信部６と、前記超音波送受信素子４，５からの信号を受信する受信部７と、送信から受信の時間を計測して流速まおよび／または流量を演算する演算部８と、前記送信部６の送信信号の位相・電圧に変化をもたせる機能とを備え、受信部７は前記送信部６で与えられた電圧の大きさと幅の変化を検知する検知手段を備え、受信波を判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流速および／または流量を超音波の伝播時間をもとに演算して求める超音波式流れ計測装置に関する。

従来の超音波式流体計測装置、具体的には流量計測装置は、図９に示すように、流体管路１０１の途中に超音波を発信する第１振動子１０２と受信する第２振動子１０３とが流れ方向斜めに配置されている。

１０４は第１振動子１０２への発信回路、１０５は第２振動子１０３で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路１０６で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段１０７で求め、その超音波伝幡時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１０８で流量値を演算するようにしていた。

そして、前記流量演算手段１０８の値によって発信回路１０４のトリガ手段１１０への信号送出のタイミングを計測間隔変更手段１１０で制御するようにしていた。

次にその動作について述べる。トリガ手段１１０を介して発信回路１０４からバースト信号が送出されて第１振動子１０２から超音波信号が発信され、この信号は流れの中を伝幡して第２振動子１０３で受信されて増幅回路１０５と比較回路１０６で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段１０７で測定する。

静止流体中の音の速さをｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子５と６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間Ｔは、
Ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ） （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／Ｔ−ｃ）／ＣＯＳφ （２）
となり、Ｌとφが既知ならＴを測定すれば流速ｖが求められる。この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳｖ （３）
となる。

図１０はさらに別の例を示すもので、発信から受信を繰り返し手段１１１によって繰り返し設定手段１１２で設定された回数だけ繰り返し、さらに発振と受信の切換を切換手段１１３で行なった後、同様に繰り返しを行う。

すなわち、発振回路１０４によって第１振動子１０２から超音波が発生し、この超音波を第２振動子１０３で受信し、増幅回路１０５を介して比較回路１０６に到達すると、繰り返し手段１１１により再びトリガ手段１０９で発信回路１０４をトリガする。

この繰り返しは繰り返し設定手段１１２で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段１０７で計測する。

しかる後、切換手段１１３により第１振動子１０２と第２振動子１０３の発信、受信を逆に接続し、今度は第１振動子１０３から第１振動子１０２に向かって超音波を発信し前
述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段１０８で計測、演算して流量値を演算する。

静止流体中の音の速度をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。

振動子１０２，１０３の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ×Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ） （４）
Ｔ２＝ｎ×Ｌ／（ｃ−ｖＣＯＳφ） （５）
となり、（４）、（５）式より
ｖ＝ｎ×Ｌ／２ＣＯＳφ×（１／Ｔ１−１／Ｔ２）（６）
となり、Ｌとφが既知ならＴ１とＴ２を測定すれば流速ｖが求められる。

しかしながらＴ１とＴ２の差は流量が小さく、かつ繰り返し回数が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し、誤差を比較的小さくし、流量が大きくなるとＴ１−Ｔ２の差も大きくなるので測定が容易になりその場合には繰り返し設定の回数を小さくしてサンプリング間隔を速くして誤差を小さくする。

すなわち、流量演算手段１０８によって繰り返し設定手段１１２の回数を変更する（例えば、特許文献１参照）。

前記以外に、２つの振動子を用いて、送信と受信とを切り替え、それぞれの受信波形から求められる超音波の伝播時間から流速を求めて、流量を演算する方式も知られているところであるである。

さらに、振動子と、この振動子で受信した信号の増幅回路（受信回路）が受信波形の形状の決定要素となるので、流量計測精度がこれらにより大きく左右されるという課題があり、そのために、複数の振動子の特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることも知られている。

具体的には、電圧源を有した送信回路と、オペアンプで構成した低インピーダンスの終端素子を有する受信回路を用いたものである（例えば、特許文献２参照）。

超音波の受信の検知方式を、例えば、図１１の送信信号（ａ）と受信信号（ｂ）の波形を用いて説明すると、同図に示される閾値Ａを越える信号が検知されれば、超音波を受信したとみなし、その次の基準値Ｂと受信波形が交差した点Ｃ１までの時間を送信開始から計時して超音波の伝播時間としている。

本来の最初の受信点は点Ｃ０であるが、この点を検知することは困難なため、点Ｃ１までの時間Ｔ３を計時して、演算時に点Ｃ０から点Ｃ１までの時間Ｔ４を考慮するようにしている。具体的には時間Ｔ４は固定値として扱い、時間Ｔ３からこの固定値を引くことによって求められた値を伝播時間としている。
特開平８―１２２１１７号公報 特開２００４−１４４７００号公報

しかしながら、前記従来の構成において、振動子の受信信号の波形（振幅の大きさ）が流体の種類、流速、温度、圧力によって変化した場合に、受信が正確に検知できず、計測
誤差が発生する問題があった。

例えば、図１２は送信信号と受信信号をあらわしていて、（ａ）は流れの順方向からの送信信号で、（ｂ）は同（ａ）の送信波を受信したときの受信信号であり、閾値Ａを越える波は３つ目の山で、その次の基準値Ｂと交差する点Ｃ２までの時間Ｔ４が計時され、固定値の時間Ｔ４を引いて、伝播時間が求められる。この位置はＣ０’になる。

一方、同図（ｃ）は流れの逆方向からの送信信号で、（ｄ）は（ｃ）の送信波を受信したときの受信信号であり、閾値Ａを越える波は４つ目の山で、その次の基準値Ｂと交差する点Ｃ３までの時間Ｔ５が計時され、固定値の時間Ｔ４を引いて、伝播時間が求められる。この位置はＣ０’’になる。

両者を比較すると流れの順方向からの超音波の受信信号の波高値の方が大きくなっている。

このため、閾値Ａを越えるまでの波の山の数は同図（ｂ）と（ｄ）で異なっている。大流量の測定の場合は、流路での超音波の反射などの影響により、このような現象が顕著になりやすい。

この場合は、流れの逆方向からの計測が受信波を正確に検知できないので誤計測となる。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、その目的は、送信信号に工夫を行い、流量や圧力、流体の種類の変化があっても、正確に受信検知を行なうことで、正確な流量計測を行なう技術を提供することである。

本発明の超音波式流れ計測装置は、流体を通す流路に取付けられる１対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器に信号を与える送信部と、前記超音波送受信器からの信号を受信する受信部と、送信から受信の時間を計測して流速および／または流量を演算する演算部とを具備し、前記送信部は送信信号の位相・電圧に変化をもたせる機能を装備したものである。

本発明によれば、変化をもたせられた送信部からの送信信号で、その変化に応じた振動変化が送信側の超音波送受信素子に発生させることができる。

さらに本発明の超音波式流量計測装置において、受信部は前記送信部で与えられた位相・電圧の変化を検知する検知手段を備える。

本発明によれば、伝播する超音波の受信検知の新規な方法が提供されるとともに、より精度の高い流量計測方法が提供される。

第１の発明は、流体を通す流路に取付けられる１対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器に信号を与える送信部と、前記超音波送受信器からの信号を受信する受信部と、送信から受信の時間を計測して流速および／または流量を演算する演算部とを具備し、前記送信部は送信信号の位相・電圧に変化をもたせる機能を装備したものである。

したがって、変化をもたせられた送信部からの送信信号で、その変化に応じた振動変化
が送信側の超音波送受信素子に発生させることができる。

第２の発明は、前記第１の発明において、受信部は送信部で与えられた変化を検知する検知手段を備えたものである。

これにより、前記送信部で与えられた変化を検知するので、流体の種類、流速、温度、圧力によって生ずる波形変化とは区別が可能となり正確な受信検知ができるので計測精度が向上する。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態が本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１において、超音波式の流れ計測装置１は、流路２と、回路ブロック３と、１対の超音波送受信器４，５とを備えたものである。これら１対の超音波送受信器４，５は流路２の上流側と下流側とに配置されており、流れる流体を斜めに横切るように超音波が伝搬する形となっている。

回路ブロック３には、前記超音波送受信器４，５に信号を与える送信部６と、超音波送受信器４，５からの信号を受信する受信部７と、送信から受信の時間を計測して流速、および必要に応じてその流速から流量を演算する演算部８とを装備している。

さらに、超音波送受信器４，５をそれぞれ受信と送信に切替えるスイッチ９を有する。

流れ計測装置１は、流路２に流れる流体に対して超音波を発射してその流速および／または流量を計測するものであり、計測原理については従来の技術で述べたとおりで、２つの超音波送受信器４，５でやり取りする超音波の伝播時間を計時することがそのベースとなっている。

送信部６は、電圧可変の電圧源をトランジスタでスイッチングすることで、任意の送信波形を形成できるように構成されている。トランジスタはＨ型のブリッジ構成で、２つの超音波送受信器４，５それぞれに設けられている。

受信部７は、オペアンプで構成される電流−電圧変換の回路構成を有している。すなわち、超音波送受信器４，５の受信信号の電流を検出して電圧信号に変換している。

さらに受信部７のオペアンプ出力はアンプ１０で増幅されて、演算部８に伝達される。演算部８は計時手段を有しており、超音波の伝播時間を計時して演算により流量を算出して表示を行なう。

図２は超音波送受信器４、または５と、送信部６の一部の回路との接続構成を示したもので、前述したように送信部６は、電圧可変の電圧源１１とトランジスタのスイッチング素子で構成されている。

今、トランジスタ１２，１３がオン、トランジスタ１４，１５がオフしている状態では、電圧源１１から超音波送受信器４、または５に図の破線の経路で電流が流れる。

次に、トランジスタ１２，１３がオフ、トランジスタ１４，１５がオンしている状態では、超音波送受信器４、または５に先ほどとは逆向きの電流が流れるので、超音波送受信器の端子間の電圧波形は、図３（ａ）のような矩形波となる。

この電圧が超音波送受信器４、または５に印加される。超音波送受信器は図２に示す構造で、振動を行う圧電振動子１６を有する。

圧電素子１６の上下面には電極が設けられており、一端は金属ケース１７を介して端子１８に、もう一端は導電性部材を介して端１９にそれぞれ導通している。

端子１８，１９間に印加された図３（ａ）の電圧により振動する圧電素子１６の表面変位の様子は同図（ｂ）のようになる。

このような印加された電圧と同じ周波数の振動に加え、唸りのある振動波形となる。これは圧電振動子１６および超音波送受信器の全体できまる特性によるものである。

発生する超音波振動は同じ波形をしており、この超音波が伝播して、一方の超音波送受波器で受信されると、この超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形は超音波振動の波形と類似した波形となる。

ところが、超音波送受信器の端子間の電圧波形を図４、図５のように変えると、超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形にも変化が生じる。

図６、図７、図８はこのような状態を示したもので、それぞれ（ａ）は超音波送受信器４の端子間の電圧波形を、（ｂ）は超音波送受波器５の端子間に発生する電圧波形を示している。

図６（ａ）は通常の変化を与えない電圧波形で、この場合の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形は同図（ｂ）のようになり、点線で示されるようなエンベロープを有している。

図７（ａ）は電圧の変化を与えた波形で、この場合の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形は同図（ｂ）のようになる。

点線は図６（ｂ）で得られたエンベロープを比較しやすいように記述している。同様に、図８（ａ）は電圧の変化と周期（幅）変化を与えた波形で、この場合の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形は同図（ｂ）のようになる。点線は同じく図６（ｂ）で得られたエンベロープを比較しやすいように記述している。

このように、送信側の超音波送受信器の端子間の電圧波形に変化を与えると、受信側の超音波送受信器の端子間に発生する電圧波形に変化を生じるので、その変化を捉えれば、その波形が受信波であることを判断できるようになる。

例えば、図７（ｂ）の電圧波形では、１つめの山、２つ目の山と徐々に増加する波高値が３つ目の山で増加する割合が大きくなるので、これを検出して受信波と判断し基準値Ｂと交わる点Ｃ２を検出して送信からＣ２までの時間Ｔ１３を計時し、固定値Ｔ１２を引いて伝播時間を求めることができる。

図８（ｂ）の電圧波形では、１つめの山、２つ目の山と徐々に増加する波高値が３つ目の山で増加する割合が大きくなり、かつ、一定であった山の幅が３つ目の山で増加しているいので、これを検出して受信波と判断し基準値Ｂと交わる点Ｃ３を検出して送信からＣ３までの時間Ｔ１５を計時し、固定値Ｔ１４を引いて伝播時間を求めることができる。

受信側の超音波送受信器の端子間に発生する電圧波形は、温度、流量、流体の種類によって変化は生じるが、送信側の超音波送受信器の端子間の電圧波形に変化を与えると、これにより受信側の超音波送受信器の端子間に発生する電圧波形に生ずる変化のトレンドはほぼ同じなので、この変化を検出することで受信を判断することができる。

以上のように、本発明によれば流体計測において、送信信号の変化に基づいて発生する受信信号の変化を検知することで正確な受信判断をおこなう新たな方法を提供する。

本発明の実施形態における超音波式の流れ計測装置のブロック図 超音波送受信器および送信部の一部の回路との接続構成を示したブロック図 超音波送受信器の端子間の電圧波形、および圧電素子の表面変位を波形を示す説明図 超音波送受信器の端子間の電圧変化を与えた場合の電圧波形図 超音波送受信器の端子間の電圧と幅の変化を与えた場合の電圧波形図 送信側の超音波送受信器の端子間の電圧波形、および受信側の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形を示す説明図 送信側の超音波送受信器の端子間の電圧変化を与えた場合の電圧波形、および受信側の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形を示す説明図 送信側の超音波送受信器の端子間の電圧と幅の変化を与えた場合の電圧波形、および受信側の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形を示す説明図 従来の流量計測装置のブロック図 従来の他の流量計測装置のブロック図 従来の送信側の超音波送受信器の端子間の電圧波形、および受信側の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形を示す説明図 従来の送信側の超音波送受信器の端子間の電圧波形、超音波送受信器の端子間の電圧波形、受信側の超音波送受波器の端子間に発生する電圧波形、および超音波送受信器の端子間の電圧波形を示す説明図

符号の説明

２ 流路
４，５ 超音波送受信器
６ 送信部
７ 受信部
８ 演算部

Claims (2)

1. 流体を通す流路に取付けられる１対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器に信号を与える送信部と、前記超音波送受信器からの信号を受信する受信部と、送信から受信の時間を計測して流速および／または流量を演算する演算部とを具備し、前記送信部は送信信号の位相・電圧に変化をもたせる機能を装備した超音波式流れ計測装置。
2. 受信部は送信部で与えられた変化を検知する検知手段を備えた請求項１記載の超音波式流れ計測装置。