JP2011158470A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動子の特性のバラツキや温度変化による受信波形の変化よる真の伝搬時間との誤差を補正し、超音波流量計の計測精度を向上させること。
【解決手段】超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子２、７と、超音波振動子２から送信された超音波が超音波振動子７に受信するまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部５と、伝達時間から流量を求める制御部４と、超音波振動子の特性のバラツキや送信側の超音波振動子から超音波を送信してから伝搬時間計測を開始するまでの遅れや、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れや、受信波と反射波の合成により生じる真の伝搬時間との誤差を加味した補正値を算出する補正算出手段と、補正値算出手段により算出された補正値から、伝搬時間に適合する補正値を選択する補正値選択手段１０と、伝搬時間を補正する伝搬時間補正部１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の送受信可能な超音波振動子を用いて超音波の伝搬時間を計測し、被測定流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来の超音波流量計に用いられている超音波伝搬時間の測定方法は、一対の送受信可能な超音波振動子を対向して配置し、一方の超音波振動子をバ−スト信号で駆動し、超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信し測定していた（例えば、特許文献１参照）。図３は、従来の超音波流量計の構成図であり、図４は、送信側の超音波振動子の駆動波形と、受信側の超音波振動子で受信した受信波形を示している。

図３に示すように、従来の超音波流量計は、流体の流れる測定流路１に設置した超音波振動子２と、超音波振動子２を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、超音波振動子２から送信した超音波を受ける超音波振動子７と、超音波振動子７の出力を増幅するアンプ６と、アンプ６の出力と基準電圧とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部５を停止させる受信検知回路１５から構成されている。また、音速に対する温度の影響を無視できるように伝搬時間逆数差法を用いるために、測定流路１の上流側から下流側への超音波の伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間が測定できるように、切り替えスイッチ８を備えているものが一般的である。

次に、測定方法について、図４を用いて説明する。

図４において、横軸に時間を、縦軸に電圧を示し、Ｔ０は駆動波形Ｗ１の開始時点を、Ｔ１は駆動開始後、第３波終了時点を示す。Ｒ０は受信開始時点を、Ｒ１は受信開始後、第３波終了時点を示す。このように、駆動波形の第ｍ（ｍ＝３）波目のゼロクロス点Ｔ１を起点とし、他方の超音波送受信器で受信した電気信号の第ｍ（ｍ＝３）波目を終点Ｒ１として、超音波伝搬時間を計測することができ、この伝搬時間を用いて流体の流速を計測し、流量を演算していた。

即ち、受信開始時点Ｒ０は、精度良く検知できない為、第ｍ波目の終点Ｒ１を利用することで、駆動波形Ｗ１の開始時点Ｔ０と受信開始時点Ｒ０を間接的に測定する事が可能となる。

そして、更に、精度を上げるため、実際には、反射波の受信を行うことで計測精度を向上させている。以下のその原理を説明する。

伝搬時間測定部５に備えられた受信遅れ時間測定手段では、送信側超音波振動子から駆動波形Ｗ１によって超音波を送信し、受信側超音波振動子で１回目の受信波形Ｗ２を受信するまでの時間Ｔｐを測定する。次に、受信側超音波振動子と送信側超音波振動子にそれぞれ１回ずつ反射した後に受信側超音波振動子で２回目の受信波形Ｗ４を受信するまでの時間Ｔｐ２を測定する。即ち、受信側超音波振動子に反射した超音波が、送信側超音波振動子に波形Ｗ３として到達し、更に送信側超音波振動子に反射されて受信波形Ｗ４の波形として受信側超音波振動子に達するので、これを２回目の受信とすると、次式（式１）より、受信波形の形状等に影響されない真の伝搬時間Ｔｐ０を求めることができ、超音波振動子の特性のバラツキや温度変化及び測定流路内の反射波によって受信波形が変化することにより発生する真の伝搬時間との誤差による、計測精度悪化を防ぐことができる。

Ｔｐ０＝（Ｔｐ２−Ｔｐ）／２ ・・・（式１）

特開２００５−１７２５５６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、反射波までの測定を毎回行うため、消費電流が大きくなるということ、反射により受信波形の形が崩れてしまうため精度良い計測ができないということ、計測ソフトが複雑になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、真の伝搬時間との誤差の補正値を、伝搬時間毎にあらかじめ測定することにより、計測精度を向上させ、消費電流も少なくした超音波流量計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる測定流路と、前記測定流路に配置された超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬して他方の前記超音波振動子が受信するまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正して補正伝搬時間を算出する伝搬時間補正部と、前記補正伝搬時間から演算によって被測定流体の流量を求める制御部とを備え、前記伝搬時間補正部は、所定条件において予め測定された真の伝搬時間を元に、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間を補正する為の補正値を算出する補正値算出手段を有するものである。

これによって、超音波振動子のバラツキや温度変化等によって受信波形が変化した場合でも、予め測定された真の伝搬時間を元に各伝搬時間に対する補正値を算出するため、常に正確な伝搬時間の測定が可能となる。

本発明の超音波流量計は、超音波振動子のバラツキや温度変化及び流路内の反射波の影響を受けることなく、常に正確な超音波の伝搬時間を算出することができるため、少ない消費電流にて非常に高精度の超音波流量計を実現することができる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図 従来の超音波流量計の構成図 超音波流量計の送受信波形図

第１の発明は、被測定流体が流れる測定流路と、前記測定流路に配置された超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬して他方の前記超音波振動子が受信するまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正して補正伝搬時間を算出する伝搬時間補正部と、前記補正伝搬時間から演算によって被測定流体の流量を求める制御部とを備え、前記伝搬時間補正部は、所定条件において予め測定された真の伝搬時間を元に、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間を補正する為の補正値を算出する補正値
算出手段を有することにより、真の伝搬時間での流量計算が可能となり、超音波流量計の計測精度を向上させることができる。

第２の発明は、被測定流体が流れる測定流路と、前記測定流路に配置された超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬して他方の前記超音波振動子が受信するまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正して補正伝搬時間を算出する伝搬時間補正部と、前記補正伝搬時間から演算によって被測定流体の流量を求める制御部とを備え、前記伝搬時間補正部は、所定条件において予め測定された真の伝搬時間を元に、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間を補正する為の補正値を伝搬時間毎に算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段で算出された補正値を記憶する格納手段と、前記格納手段記憶された補正値から前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間に応じた補正値を選択する補正値選択手段を有することにより、真の伝搬時間での流量計算が可能となり、超音波流量計の計測精度を向上させることができる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明において、被測定流体はガスであり、補正値算出手段は、所定条件としてガス種を一定とし、温度を変化させて測定した真の伝搬時間を元に、任意の温度における伝搬時間と補正値の関係を算出する構成としたことによりガス種固定の際の伝搬時間毎の補正値を算出することができ、温度毎に補正が可能となるため、温度が変化した際においても、超音波流量計の計測精度を向上させることができる。

第４の発明は、特に、第１または２の発明において、被測定流体はガスであり、補正値算出手段は、所定条件として温度を一定とし、ガス種を変化させて測定した真の伝搬時間を元に、任意のガス種における伝搬時間と補正値の関係を算出する構成としたことにより温度固定の際の伝搬時間毎の補正値を算出することができ、ガス種毎に補正が可能となるため、温度が変化した際においても、超音波流量計の計測精度を向上させることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明において、補正値算出手段は、被測定流体の流量がゼロの時に補正値を算出するもので、補正値の算出を行うタイミングを流量が流れていない時に実施することにより消費電流を減少させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図を示すものである。

図１のように、本実施の形態の超音波流量計は、流体の流れる測定流路１に設置した超音波振動子２、７と、超音波振動子２、７を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、伝搬時間の補正を行う伝搬時間補正部１１と、超音波振動子２、７の出力を増幅するアンプ６と、上流側の超音波振動子７と下流側の超音波振動子２の送受信を切り替える切り替えスイッチ８を備えて構成される。この超音波流量計は、切り替えスイッチ８で超音波振動子２、７の一方を送信側、他方を受信側に切り替えることにより、超音波振動子２から超音波を送信して超音波振動子７で受信する時の伝搬時間と、超音波振動子７から超音波を送信して超音波振動子２で受信する時の伝搬時間とを測定可能としている。伝搬時間補正部１１には、温度やガス種ごとに適切な補正値を算出する補正値算出手段９を備えており、補正値算出手段９により算出された補正値から伝搬時間測定部５で測定した伝搬時間を補正した補正伝搬時間を算出するように構成されている。

以上のように構成された超音波流量計について以下その動作、作用を説明する。

まず、被測定流体であるガス種ごとに適切な補正値を算出する補正値算出手段９では、超音波振動子の特性のバラツキや送信側の超音波振動子から超音波を送信してから伝搬時間計測を開始するまでの遅れや、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れや、受信波と反射波の合成により生じる真の伝搬時間との誤差を加味した補正値を、伝搬時間毎に演算可能に構成している。補正値算出手段９は、実際に流量測定を行った時の伝搬時間から補正値を演算し、伝搬時間測定部５で測定された伝搬時間の補正を行うことで真の伝搬時間を算出する。

なお、補正値算出手段９は、背景技術にて説明した（式１）を用いる方法にて測定した真の伝搬時間と、図４に示す伝搬時間Ｔｐ０との関係から補正値を算出できる演算式を求めておくことも可能である。これによって、通常の測定においては、反射波の測定をすることも無く、伝搬時間Ｔ０ｐを測定することで、この伝搬時間Ｔ０における補正値を算出し、補正伝搬時間を算出する事ができる。

以上のように、本実施の形態においては、伝搬時間測定部５で測定された伝搬時間を元に、補正値算出手段９が補正値を算出することで伝搬時間を補正する伝搬時間補正部１１を備えている。これにより、超音波振動子の特性のバラツキや送信側の超音波振動子から超音波を送信してから伝搬時間計測を開始するまでの遅れや、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れや、受信波と反射波の合成などの影響を補正することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図を示すものである。

図２において、基本的な構成は実施の形態１と同様である。異なる点は、伝搬時間補正部１２が、温度やガス種ごとに適切な補正値を算出する補正値算出手段９と、補正値算出手段９により算出された補正値を格納する格納手段１４と、格納手段１４に格納されている補正値の中から伝搬時間に適合する補正値を選択する補正値選択手段１０とを有し、選択された補正値を用いて伝搬時間を補正する点である。

以上のように構成された超音波流量計について以下その動作、作用を説明する。

まず、ガス種ごとに適切な補正値を算出する補正値算出手段９では、超音波振動子の特性のバラツキや送信側の超音波振動子から超音波を送信してから伝搬時間計測を開始するまでの遅れや、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れや、受信波と反射波の合成により生じる真の伝搬時間との誤差を加味した補正値を、伝搬時間毎に算出し、格納手段１４に格納しておく。そして、補正値選択手段１０は、実際に流量測定を行った時の伝搬時間から適合する補正値を選択し、補正を行うことで真の伝搬時間を算出する。

なお、補正値算出手段９は、背景技術にて説明した（式１）を用いる方法にて測定した真の伝搬時間と、図４に示す伝搬時間Ｔｐ０との関係から補正値を算出し、格納手段１４はこの補正値を伝搬時間毎に記憶し、補正値選択手段１０により、測定された伝搬時間に応じて補正値を選択するようにしておくことも可能である。これによって、通常の測定においては、反射波の測定をすることも無く、伝搬時間Ｔ０ｐを測定することで、この伝搬時間Ｔ０における補正値を選択し、補正伝搬時間を算出する事ができる。

以上のように、本実施の形態においては、伝搬時間補正部１２において、伝搬時間の補正値を算出する補正値算出手段９と、伝搬時間測定部５で測定された伝搬時間と適合する補正値を選択する補正値選択手段１０とを備えている。これにより、超音波振動子の特性のバラツキや送信側の超音波振動子から超音波を送信してから伝搬時間計測を開始するまでの遅れや、受信側の超音波振動子に超音波が到達してから受信検知回路で受信したと検知するまでの遅れや、受信波と反射波の合成などの影響を補正することができる。

また、補正値算出手段９は、流量の流れていない時に補正値の算出を行う様にしており消費電力を少ない状態で計測精度をあげることができる。

なお、補正値算出手段９において、ガス種を固定し、温度を２点以上変化させることにより温度と補正値の関係を算出する様に構成すると、温度毎に補正するため、温度が変化する際においても超音波流量計の計測精度をあげることができる。

また、補正値算出手段９において、温度を固定し、ガス種を変化させることによりガス種と補正値の関係を算出する様に構成すると、ガス種が変化する際においても超音波流量計の計測精度をあげることができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、伝搬時間毎に補正を行うため、超音波振動子の特性や反射波の影響を加味する必要が無く、常に正確な超音波の伝搬時間が測定できるため、非常に高精度の超音波流量計を実現することが可能となるので、流量測定基準器及びガスメーターや水道メーター等の用途にも適用できる。

１ 測定流路
２、７ 超音波振動子
５ 伝搬時間測定部
９ 補正値算出手段
１０ 補正値選択手段
１１ 伝搬時間補正部
１２ 伝搬時間補正部
１４ 格納手段

Claims (5)

1. 被測定流体が流れる測定流路と、
   前記測定流路に配置された超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、
   一方の前記超音波振動子から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬して他方の前記超音波振動子が受信するまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、
   伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正して補正伝搬時間を算出する伝搬時間補正部と、
   前記補正伝搬時間から演算によって被測定流体の流量を求める制御部と、を備え、
   前記伝搬時間補正部は、所定条件において予め測定された真の伝搬時間を元に、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間を補正する為の補正値を算出する補正値算出手段を有する超音波流量計。
2. 被測定流体が流れる測定流路と、
   前記測定流路に配置された超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、
   一方の前記超音波振動子から送信された超音波信号が、被測定流体を伝搬して他方の前記超音波振動子が受信するまでの伝搬時間を計測する伝搬時間測定部と、
   伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正して補正伝搬時間を算出する伝搬時間補正部と、
   前記補正伝搬時間から演算によって被測定流体の流量を求める制御部と、を備え、
   前記伝搬時間補正部は、所定条件において予め測定された真の伝搬時間を元に、前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間を補正する為の補正値を伝搬時間毎に算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段で算出された補正値を記憶する格納手段と、前記格納手段に記憶された補正値から前記伝搬時間測定部で測定された伝搬時間に応じた補正値を選択する補正値選択手段を有する超音波流量計。
3. 被測定流体はガスであり、補正値算出手段は、所定条件としてガス種を一定とし、温度を変化させて測定した真の伝搬時間を元に、任意の温度における伝搬時間と補正値の関係を算出する構成とした請求項１または２に記載の超音波流量計。
4. 被測定流体はガスであり、補正値算出手段は、所定条件として温度を一定とし、ガス種を変化させて測定した真の伝搬時間を元に、任意のガス種における伝搬時間と補正値の関係を算出する構成とした請求項１または２に記載の超音波流量計。
5. 補正値算出手段は、被測定流体の流量がゼロの時に補正値を算出する請求項１〜４に記載の超音波流量計。

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