JP2011226845A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】温度に影響されない超音波ビームの伝播時間を検出し、流量を精度良く測定する。
【解決手段】伝播された超音波ビームの受信波形Ｗの強制振動部分Ｗａの後ろから、例えば４つのゼロクロス点の位置と時間を選択し、演算によりこれらのプロットに対し最小二乗法を用いて直線を引くと、時間軸に対する切片は最初の受信パルスの立ち上り点の時間ｔ０を示すことになる。この時間ｔ０は流体の温度に影響されない時間であるから、この時間ｔ０を基に超音波ビームの上流から下流、下流から上流への伝播時間を求め、流量を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波ビームの伝播時間を求めて流量を測定する超音波流量計に関するものである。

時間差式の超音波流量計は図６に示すように、例えば流体が矢印方向に流れるコ字型の管路１の両側に、超音波振動子である圧電素子２、３を取り付けた構造とされている。一方の圧電素子２に電圧を印加して、振動させることにより、流体中に超音波ビームを伝播させることができる。他方の圧電素子３はこの超音波ビームを受信すると、その応力から圧電効果が生じ、誘起された電荷を読み取ることで、図７に示すような超音波ビームの受信波形を得ることができる。圧電素子２、３による超音波ビームの送信、受信は交互に行って、流体中の超音波ビームの上流から下流、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する。

このようにして、超音波ビームを上流の圧電素子２から流体を経て下流の圧電素子３に伝播させたときの伝播時間Ｔｄと、下流の圧電素子３から上流の圧電素子２に伝播させたときの伝播時間Ｔｕの時間差を基に、流量を測定することは公知である。

即ち、管路１の長さをＬ、流体の音速をＣ、管路１内の流体の流速をＶとすると、伝播時間Ｔｄ、Ｔｕは次式のようになる。
Ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１）
Ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２）

これらの式（１）、（２）から音速Ｃを消去すると、流速Ｖに関する式（３）が得られる。逆に、流速Ｖを消去することで、音速Ｃに関する式（４）を得ることができる。これらの式（３）、（４）は超音波ビームの伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを求めれば、流速Ｖ、音速Ｃを得ることができることを示している。
Ｖ＝Ｌ（Ｔｕ−Ｔｄ）／（２・Ｔｄ・Ｔｕ） ・・・（３）
Ｃ＝（Ｌ／２）（１／Ｔｄ＋１／Ｔｕ） ・・・（４）

超音波流量計では、式（３）を用いて流速Ｖを求め、これに次式（５）のように管路１の断面積Ｓを乗じて流体の流量Ｆを算出できる。
Ｆ＝Ｖ・Ｓ ・・・（５）

流量Ｆを算出するには、上述したように流体中を伝播する超音波ビームの伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを測定する必要がある。

特開２００２−１６２２６９号公報

超音波ビームを流体中に伝播させるために、圧電素子の駆動信号を単一パルスとしても、圧電素子の共振による共振振動が発生し、受信側の圧電素子に到達する受信信号は図７に示すような複数サイクルの受信パルスとなるのが普通である。

本来、超音波ビームの伝播時間とは、図７に示すように正確には送信側の圧電素子にパルスを印加した時間から、受信側の圧電素子による受信波形Ｗの最初の受信パルスの立ち上がり時間ｔ０までのことである。しかし、ノイズ等の影響や測定技術上の問題から、この最初の立ち上がり時間ｔ０の検出が困難なため、一般には近似的な方法として、ゼロクロス法が用いられている。

ゼロクロス法とは、受信波形Ｗの電圧レベルが０Ｖとなる点をゼロクロス点とし、例えば特許文献1のように、パルス印加時間から何番目かの指定した受信パルスのゼロクロス点までの時間、或いは幾つかの受信パルスのゼロクロス点の平均時間を求めて超音波ビームの伝播時間としている。

時間差により測定する超音波流量計は、式（３）から明らかなように、音速Ｃは消去されているので、流体温度が変化し音速Ｃが変わっても、測定原理上、音速変化の補償は行われている。

しかし、現実には測定中に流体の温度変化が生ずると、測定誤差が生ずることがあり、その原因はゼロクロス法による伝播時間検出の近似法に問題がある。流体の温度が変化しても、受信波形Ｗの最初の受信パルスの立ち上がり時間ｔ０は変動することはないが、それ以降の受信パルスの受信波形は変化する。例えば、実線で示す超音波ビームの受信波形が、温度により点線で示すように変化し、時間軸に沿って伸縮することが確かめられた。この温度変化による波形の伸縮が生ずると、従来のゼロクロス法による検出時間が変化するため、超音波ビームの伝播時間は正しく得られない。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、温度に影響されない超音波ビームの伝播時間を検出し、流量を精度良く測定し得る超音波流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、流体が流れる管体に所定の距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に超音波ビームをそれぞれ送信、受信する超音波流量計において、超音波ビームの受信波形の複数のゼロクロス点の位置と時間との関係から求めた前記受信波形の最初の立ち上がり点の時間を基に、超音波ビームの上流から下流、下流から上流への伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、該伝播時間算出手段で得られた前記２つの伝播時間から流体の流速を算出する流速検出手段とを有することを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、温度に影響されない超音波ビームの伝播時間を検出して流量測定精度を向上する。

実施例の超音波流量計ブロック回路構成図である。 超音波ビームの発信及び受信波形図である。 強制振動部分から最初の立ち上り点の時間を算出する説明図である。 ゼロクロス法による伝播時間の求め方の説明図である。 ゼロクロス法似よる時間と本実施例の最初の立ち上り点から求めた時間との温度に対する流速の関係のグラフ図である。 超音波流量計の構成図である。 超音波ビームの受信波形図である。

本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の超音波流量計のブロック回路構成図である。例えば、合成樹脂製の円管から成る管体１１に対して、上流及び下流の２個所の所定位置に、超音波送受信素子として超音波ビームを送信、受信するための圧電素子１２、１３が固定されている。圧電素子１２、１３は管体１１と一体に射出成型された合成樹脂製の取付ベース１４、１５に固定されている。

圧電素子１２、１３には送受信切換スイッチ１６を介して、送信部１７、受信部１８がそれぞれ択一的に接続されている。送受信切換スイッチ１６、送信部１７、受信部１８に演算制御部１９が接続され、演算制御部１９にメモリ部２０、表示部２１が接続されている。演算制御部１９は例えばＣＰＵであり、送受信切換スイッチ１６、送信部１７、受信部１８、メモリ部２０、表示部２１を制御すると共に、内蔵のメモリに記憶されたプログラムに従って所定の演算を行う。

流量の測定に際しては、演算制御部１９の指令で送受信切換スイッチ１６により送信部１７に圧電素子１２を切換え、受信部１８を圧電素子１３に切換える。図２に示すように、送信部１７から圧電素子１２に駆動用のパルス電圧を加え、圧電素子１２から発生した超音波ビームを流体中に伝達する。超音波ビームは流体中を上流から下流に伝播し、圧電素子１３において受信波形Ｗが得られる。この受信波形Ｗは受信部１８、演算制御部１９を経てメモリ部２０に記憶される。演算制御部１９はこのメモリ部２０に記憶された受信波形Ｗから超音波ビームの伝播時間Ｔｄを求める。

次に、送受信切換スイッチ１６を切換えて、下流の圧電素子１３から超音波ビームを送信し、上流の圧電素子１２で得られた受信波形Ｗから、同様にして伝播時間Ｔｕを検出し、演算制御部１９はこれらの伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを基に、式（３）から流速Ｖを得ることになる。

ここで、復元力のあるばねモデルとして運動方程式を解くと、得られた変位は圧電素子による超音波ビームの受信波形Ｗと考えられる。図２の受信波形Ｗのうち、前半の４周期は入力パルス由来の力による強制振動部分Ｗａで、後半は外力が働かない周波数の復元力による自由振動部分Ｗｂである。

前半の強制振動部分Ｗａは、入力された超音波ビームの周波数に支配されているため温度依存性が比較的に少なく、超音波ビームの伝播時間の算出に適している。一方、後半の自由振動部分の周波数は弾性スティフネスの影響を受けるため、温度変化によって共振周波数が変化する。本実施例においては、流速Ｖを求めるための伝播時間の検出は、温度依存性の少ない前半の強制振動部分Ｗａから求める。

厳密な超音波ビームの伝播時間は、前述したように受信波形の最初の立ち上がり点の時間ｔ０であり、０Ｖから正の電圧に変わる点である。しかし、この点を直接求めるのには、必要な負の波形データが得られない等の理由から困難である。

本実施例では、演算制御部１９の演算により受信波形Ｗの強制振動部分Ｗａから最初の立ち上がりの時間ｔ０を算出している。つまり、強制振動部分Ｗａの後ろから例えば４つの複数のゼロクロス点を選択し、図３に示すように、これらのプロットに対し最小二乗法を用いて直線を引くと、時間軸に対して交叉する切片は、最初の受信パルスの立ち上り点の時間ｔ０を示すことになる。従って、この時間ｔ０を基に伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを求め、式（３）により流量Ｖを得る。

比較のためにゼロクロス法による実測例を説明すると、図４に示すように、１受信波形ごとにドット間隔５０ｎｓ（クロック周波数２０ＭＨｚ）で１００点の波形データを取り込む。各波形について取り込んだデータの中で、最も大きい電圧の点を１００ｍＶと、最も小さい電圧の点を−１００ｍＶとして規格化し、０Ｖ近傍の４点（正の点２、負の点２）を最小二乗法で線形近似し、その直線と時間軸の交点を求めるべきゼロクロス点とした。

実験では、一定の流速で、水の１５、２０、２５、３０℃の超音波ビームの受信波形を各１６０波形ずつ、つまり圧電素子１２から圧電素子１３への８０個の受信波形Ｗ、圧電素子１３から圧電素子１２への８０個の受信波形Ｗを使用した。

本実施例の立ち上り点の時間ｔ０を基に、８０波形分を平均し流速Ｖを求めると、温度の順に０．６４７、０．６５０、０．６５０、０．６４９（ｍ／ｓ）となった。

また、同じ波形から上述のゼロクロス法により流速Ｖを算出すると、順に０．６４７、０．６５４、０．６３１、０．６２４（ｍ／ｓ）となった。

図５はこの結果を図示したものであり、本実施例による普遍分散は１．７８×１０^-4で、ゼロクロス法では１．９０×１０^-6であった。

この結果から、従来のゼロクロス法では流体の温度が測定値に影響を与えているのに対し、本実施例の受信波形Ｗの最初の受信パルスの立ち上がり点の時間ｔ０を使用すると、温度による影響が殆どないことが確認することができた。

１１ 管体
１２、１３ 圧電素子
１６ 送受信切換スイッチ
１７ 送信部
１８ 受信部
１９ 制御演算部
２０ メモリ部
２１ 表示部

Claims (3)

1. 流体が流れる管体に所定の距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に超音波ビームをそれぞれ送信、受信する超音波流量計において、超音波ビームの受信波形の複数のゼロクロス点の位置と時間との関係から求めた前記受信波形の最初の立ち上がり点の時間を基に、超音波ビームの上流から下流、下流から上流への伝播時間を算出する伝播時間算出手段と、該伝播時間算出手段で得られた前記２つの伝播時間から流体の流速を算出する流速検出手段とを有することを特徴とする超音波流量計。
2. 前記伝播時間算出手段で使用する複数のゼロクロス点は、前記受信波形の強制振動部分のデータを用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記伝播時間算出手段で算出する前記最初の立ち上がり点の時間は、前記強制振動部分のゼロクロス点の位置と時間の関係を直線近似して時間軸と交叉する点の時間とすることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。

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