JP2010185823A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】受信波形のゼロクロス点を簡易に検知可能な構成を有する超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波を送受する１組の送受波器２１，２２を配管の上流と下流に設置し、送受波器２１，２２間の双方向の超音波の伝搬時間差から流体の流速を測定する超音波流量計において、超音波を受信した送受波器の受信波形のゼロクロス点を求めるゼロクロス検知部２９を具備し、ゼロクロス点の時間差により伝搬時間差を求める。ゼロクロス検知部２９は受信波形のピーク値の時間と、そのピーク値の直前のミニマム値の時間との間の受信波形において、所定の係数ｋをピーク値及びミニマム値にそれぞれ乗算した値を示す点間を直線補間してゼロクロス点を求める。
【選択図】図２

Description

この発明は超音波を用いて流体の流速を測定する超音波流量計に関する。

超音波流量計は流体中を伝搬する超音波の見かけの音速が流体の流速の値だけ変化することを利用するもので、超音波の伝搬方向が流体の流れに沿った方向（順方向）であれば、その速度は速くなり、流体の流れに逆らった方向（逆方向）であれば、その速度は遅くなる。

従って、超音波流量計は超音波を送受する１組の送受波器を流体が流れる配管の上流と下流に設置し、上流側の送受波器から発射された超音波が下流側の送受波器に到達する時間及び下流側の送受波器から発射された超音波が上流側の送受波器に到達する時間をそれぞれ測定し、それら流体順方向と逆方向の超音波の伝搬時間の差から流体の流速を求めるものとなっている。また、流体の流量は配管の流路の断面積と流速の積から求められる。

超音波の送信は送受波器を駆動パルスで励振することによって行われ、これを受信した他方の送受波器には受信信号（受信波形）が生じる。駆動パルスの始まりと受信波形の始まりとの間の時間が超音波の伝搬時間になるが、受信波形の始まり（第１波）は振幅が小さく、正確に計測することが不可能なため、受信波形が大きくなる第３波（あるいは第５波等）の終了時点のゼロクロス点を検知し、この検知した時間を用いて伝搬時間を求めるといったことが従来、行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２６３４１号公報

上述したように、超音波の伝搬時間の測定において受信信号（受信波形）のゼロクロス点を検知するといったことが従来、行われているものの、例えばゼロクロス点をどのようにして検知するかについては特許文献１にも具体的に記載されていない。

この発明の目的は受信波形のゼロクロス点を検知して超音波の伝搬時間を求める超音波流量計において、ゼロクロス点を簡易に検知することができる構成を具備する超音波流量計を提供することにある。

請求項１の発明によれば、超音波を送受する１組の送受波器を流体が流れる配管の上流と下流に設置し、それら送受波器間の双方向の超音波の伝搬時間差から流体の流速を測定する超音波流量計は、超音波を受信した送受波器の受信波形のゼロクロス点を求めるゼロクロス検知部を具備し、両送受波器の受信波形のゼロクロス点の時間差により伝搬時間差を求める構成とされ、ゼロクロス検知部は受信波形のピーク値の時間と、そのピーク値の直前のミニマム値の時間との間の受信波形において、所定の係数ｋをピーク値及びミニマム値にそれぞれ乗算した値を示す点間を直線補間してゼロクロス点を求める構成とされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、受信波形を増幅する増幅器と、その増幅器の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、そのＡ／Ｄ変換器の出力である受信波形のデータを記憶するメモリとを備え、ゼロクロス検知部はメモリに記憶された受信波形のデータ及びそのデータの時間と対応するアドレスを使用してゼロクロス点を求めるものとされる。

請求項３の発明では請求項２の発明において、ピーク値及びミニマム値に係数ｋをそれぞれ乗算した値を示す点のアドレスは、その点の前後のアドレス間を振幅配分して算出するものとされる。

請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、係数ｋを１／√２とする。

この発明によれば、ゼロクロス検知部を備え、このゼロクロス検知部において簡易に受信波形のゼロクロス点を検知することができるものとなっており、よって流体の流速を簡易な構成で精度良く測定することができる超音波流量計を得ることができる。

この発明における流体の流速の測定方法を説明するための図。 この発明による超音波流量計の一実施例の構成を示すブロック図。 送信トリガ、受信波形及びゲート信号の関係を示すタイムチャート。 ゼロクロス点の検知方法を説明するための図。

まず最初に、この発明における流体の流速及び流量の測定方法について、図１を参照して説明する。
図１中、１１は流体が流れる配管を示す。配管１１の内径（直径）をＤとし、肉厚をｔとする。２１，２２は超音波を送受する１組の送受波器を示す。送受波器２１，２２は配管１１の上流と下流にそれぞれ設置されている。送受波器２１，２２の内部には図１では簡略化して示しているが、超音波振動子２１ａ，２２ａがそれぞれ設けられている。これら超音波振動子２１ａ，２２ａ間には超音波の伝搬路２３が図１に示したように形成される。

送受波器２１，２２内、配管１１内及び配管１１の肉厚内の各伝搬路２３が配管１１の径方向となす角度を図１中に示したようにそれぞれθ_１，θ_２，θ_３とし、送受波器２１，２２内、流体内（流速ゼロ）及び配管１１の肉厚内を伝搬する音速をそれぞれＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３とする。これらθ_１〜θ_３，Ｃ_１〜Ｃ_３にはスネルの法則より、
Ｃ_１／sinθ_１＝Ｃ_２／sinθ_２＝Ｃ_３／sinθ_３ …（１）
という関係が成立する。

配管１１内において超音波が点Ａから点Ｂに伝搬する時間をＴ_１とし、点Ｂから点Ａに伝搬する時間をＴ_２とする。ＡＢ間の距離をＬ、流体の流速をＶとすると、Ｔ_１，Ｔ_２は下記式で表される。
Ｔ_１＝Ｌ／（Ｃ_２＋Ｖsinθ_２）
Ｔ_２＝Ｌ／（Ｃ_２−Ｖsinθ_２）
よって、時間差ΔＴ＝Ｔ_２−Ｔ_１は、
ΔＴ＝２ＬＶsinθ_２／（Ｃ_２ ^２−Ｖ^２sin^２θ_２）
となり、Ｃ_２ ^２≫ sin^２θ_２より、
ΔＴ＝２ＬＶsinθ_２／Ｃ_２ ^２
となる。ここで、Ｌ＝Ｄ／cosθ_２を代入すると、流速Ｖは、
Ｖ＝Ｃ_２ ^２ΔＴ／２Ｄtanθ_２ …（２）
となる。（２）式においてＣ_２，Ｄは既知であり、またθ_２は（１）式より、
θ_２＝sin^−１（Ｃ_２sinθ_１／Ｃ_１）
となり、Ｃ_１，θ_１は送受波器２１，２２の仕様として既知のため、θ_２を算出することができ、よって双方向の超音波の伝搬時間差ΔＴを測定することにより、（２）式から流体の流速Ｖを求めることができる。
また、流量Ｍは、
Ｍ＝π(Ｄ／２)^２Ｖ
により求めることができる。

以下、この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図２はこの発明による超音波流量計の一実施例の構成をブロック図で示したものである。この例では超音波流量計は図１に示したように設置される１組の送受波器２１，２２と送波器駆動手段２４と増幅器２５とＡ／Ｄ変換器２６とメモリ２７と演算制御手段２８とスイッチ３１，３２とによって構成されており、演算制御手段２８はゼロクロス検知部２９を備えている。

送受波器２１，２２は交互に超音波を送受する。即ち、送受波器２１が超音波を発射すると、その超音波を送受波器２２が受信し、送受波器２２が超音波を発射すると、その超音波を送受波器２１が受信する。このような超音波の交互の送受はスイッチ３１，３２を切り替えることによって行われ、スイッチ３１，３２の切り替えは演算制御手段２８からの制御信号によって行われる。

送波器駆動手段２４は演算制御手段２８からの制御信号（送信トリガ）に応答して駆動パルス信号を出力する。駆動パルス信号はスイッチ３１で選択された一方の送受波器２１又は２２に入力される。図２では駆動パルス信号は送受波器２１に入力され、これにより送受波器２１は励振されて超音波を発射する。

送受波器２１から発射された超音波を受信した送受波器２２の受信信号（受信波形）はスイッチ３２を介して増幅器２５に入力され、増幅器２５で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２６でＡ／Ｄ変換される。そして、ディジタル化された受信波形のデータはメモリ２７に格納・記憶される。なお、Ａ／Ｄ変換器２６は演算制御手段２８からの制御信号で指示された期間内においてＡ／Ｄ変換動作を行うものとされる。

演算制御手段２８は上述した各種制御信号を出力すると共に、そのゼロクロス検知部２９において受信波形のゼロクロス点を求め、その求めたゼロクロス点をもとに超音波の双方向の伝搬時間差を求め、流体の流速や流量を演算する。

図３は送信トリガ、受信波形及びゲート信号のタイムチャートを示したものであり、送信トリガ−１によって送受波器２１が励振され、送信トリガ−２によって送受波器２２が励振され、それぞれ超音波を発射する。受信波形−２は送受波器２１から超音波が発射された時の送受波器２２の受信波形を示したものであり、受信波形−１は送受波器２２から超音波が発射された時の送受波器２１の受信波形を示したものである。これら受信波形の周波数は送受波器２１，２２の超音波振動子２１ａ，２２ａの固有振動数となる。

Ａ／Ｄ変換器２６におけるＡ／Ｄ変換動作の期間はゲート信号によって設定され、送信トリガ−１からゲート時間Ｔ経過後、受信波形−２はＡ／Ｄ変換されてメモリ２７に取り込まれる。同様に、送信トリガ−２からゲート時間Ｔ経過後、受信波形−１はＡ／Ｄ変換されてメモリ２７に取り込まれる。受信波形のデータはそのデータの時間と対応するアドレスと共にメモリ２７に格納される。

ゲート時間Ｔは演算制御手段２８において算出される。ゲート時間Ｔは例えば一方の送受波器２１（２２）から発射された超音波が他方の送受波器２２（２１）に到達する時間とされ、前述の図１を参照して説明したパラメータ、即ち配管１１の内径Ｄ、肉厚ｔ、伝搬路２３のなす角度θ_２，θ_３及び音速Ｃ_２，Ｃ_３より下式で算出される。

Ｔ＝２ｔ／（Ｃ_３cosθ_３）＋Ｄ／（Ｃ_２cosθ_２）
双方向の超音波の伝搬時間差ΔＴは受信波形−１，受信波形−２のゼロクロス点を求め、それらゼロクロス点の時間差から求められる。以下、ゼロクロス検知部２９によるゼロクロス点の検知について説明する。

ゼロクロス検知部２９はこの例では受信波形のピーク値（図３参照）の時間と、そのピーク値の直前のミニマム値（図３参照）の時間との間の受信波形において、所定の係数ｋをピーク値及びミニマム値にそれぞれ乗算した値を示す点間を直線補間してゼロクロス点を求めるものとされる。以下、図４を参照して具体的に説明する。

まず、ゼロクロス検知部２９はメモリ２７を参照して受信波形−１及び受信波形−２の各ピーク値とそのアドレス及び各ミニマム値とそのアドレスを求める。ミニマム値はピーク値を検出後、アドレスをさかのぼることによって求める。そして、下記（１）〜（３），（１）’〜（３）’をメモリ２７を参照して実行する。
（１）ピーク値Ｖｐに所定の係数ｋを乗算した値Ｖth１＝ｋＶｐを求める。ｋは例えば１／√２とする。整数にならないので、Ｖth１に該当するアドレスはない。
（２）そこで、ピーク値Ｖｐからミニマム値Ｖｍに向かう方向において、値比較を行い、Ｖ２＜Ｖth１になる値Ｖ２とアドレスＴ２を求める。
（３）Ｖ２値のアドレスＴ２を１つ戻すと、その値Ｖ１はＶth１＜Ｖ１となる。Ｖ１は整数であり、そのアドレスＴ１が求まる。
（１）’ミニマム値Ｖｍに係数ｋを乗算した値Ｖth２＝ｋＶｍを求める。整数にならないので、Ｖth２に該当するアドレスはない。
（２）’そこで、ミニマム値Ｖｍからピーク値Ｖｐに向かう方向において、値比較を行い、Ｖth２＜Ｖ３になる値Ｖ３とアドレスＴ３を求める。
（３）’Ｖ３値のアドレスＴ３を１つ戻すと、その値Ｖ４はＶ４＜Ｖth２となる。Ｖ４は整数であり、そのアドレスＴ４が求まる。
上記のようにして、Ｖth１を挟む値Ｖ２，Ｖ１及びそれらのアドレスＴ２，Ｔ１が求まり、Ｖth２を挟む値Ｖ４，Ｖ３及びそれらのアドレスＴ４，Ｔ３が求まる。

Ｖth１，Ｖth２の各アドレス（算出値）Ｔth１，Ｔth２は前後のアドレス間を振幅配分することにより、
Ｔth１＝Ｔ２＋（Ｔ１−Ｔ２）（Ｖth１−Ｖ２）／（Ｖ１−Ｖ２）
Ｔth２＝Ｔ４＋（Ｔ３−Ｔ４）（Ｖth２−Ｖ４）／（Ｖ３−Ｖ４）
によって算出することができ、ここでＴ１−Ｔ２＝１，Ｔ３−Ｔ４＝１より、
Ｔth１＝Ｔ２＋（Ｖth１−Ｖ２）／（Ｖ１−Ｖ２）
Ｔth２＝Ｔ４＋（Ｖth２−Ｖ４）／（Ｖ３−Ｖ４）
となる。この例ではこのようにして求めたアドレスＴth１，Ｔth２間において、言い換えればＶth１，Ｖth２間において、図４（ｂ）に示したように直線補間することによってゼロクロス点を求める。

ここで、受信波形データのサンプリング周期をＳとすれば、ゼロクロス点の時間Ｔｃ（ゲート時間Ｔ経過後の受信波形データ取り込み開始からの時間）は、
Ｔｃ＝｛Ｔth２＋（Ｔth１−Ｔth２）（−Ｖth２）／（Ｖth１−Ｖth２）｝Ｓ
となる。送受波器２１の受信波形−１のゼロクロス点の時間をＴｃ１とし、送受波器２２の受信波形−２のゼロクロス点の時間をＴｃ２とすると、ゼロクロス点の時間差（即ち、双方向の超音波の伝搬時間差）ΔＴは、
ΔＴ＝Ｔｃ１−Ｔｃ２
により求めることができる。

このようにこの例では受信波形のピーク値及びその直前のミニマム値に係数ｋをそれぞれ乗算した値を示す点間を直線補間することによってゼロクロス点を求めるものとなっており、これにより簡易にゼロクロス点を検知することができるものとなっている。受信波形は正弦波とほぼ同等であることから、このように直線近似することができ、ｋの値は直線性を確保できる最大値として１／√２＝０．７０７に設定するのが好ましい。

なお、測定精度を高めるべく、受信波形のデータは複数個の平均をとるのが好ましく、同様にゼロクロス点の時間差ΔＴも複数個の平均をとるのが好ましい。

１組の送受波器２１，２２の配管１１に対する設置は図１に示したような位置関係に限らず、他の設置位置関係とすることもできる。例えば下流側の送受波器２２を図１において破線で示した位置に設置し、送受波器２１と送受波器２２’とによって双方向の超音波の伝搬時間差を測定するようにしてもよい。

Claims (4)

1. 超音波を送受する１組の送受波器を流体が流れる配管の上流と下流に設置し、それら送受波器間の双方向の超音波の伝搬時間差から流体の流速を測定する超音波流量計であって、
   超音波を受信した前記送受波器の受信波形のゼロクロス点を求めるゼロクロス検知部を具備し、
   前記両送受波器の受信波形のゼロクロス点の時間差により前記伝搬時間差を求める構成とされ、
   前記ゼロクロス検知部は前記受信波形のピーク値の時間と、そのピーク値の直前のミニマム値の時間との間の前記受信波形において、所定の係数ｋを前記ピーク値及びミニマム値にそれぞれ乗算した値を示す点間を直線補間してゼロクロス点を求める構成とされていることを特徴とする超音波流量計。
2. 請求項１記載の超音波流量計において、
   前記受信波形を増幅する増幅器と、
   その増幅器の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   そのＡ／Ｄ変換器の出力である前記受信波形のデータを記憶するメモリとを備え、
   前記ゼロクロス検知部は前記メモリに記憶された前記受信波形のデータ及びそのデータの時間と対応するアドレスを使用して前記ゼロクロス点を求めることを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項２記載の超音波流量計において、
   前記ピーク値及びミニマム値に前記係数ｋをそれぞれ乗算した値を示す点のアドレスは、その点の前後のアドレス間を振幅配分して算出することを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかの超音波流量計において、
   前記係数ｋを１／√２とすることを特徴とする超音波流量計。

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