JP2012026864A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は超音波流量計において、計測流量範囲を拡大することを課題とするものである。
【解決手段】第１の超音波センサ対２と、第２の超音波センサ対４と、前記第１の超音波センサ対２または第２の超音波センサ対４とを切り替えスイッチ９で切り替えて、第１の超音波センサ対２間、または、第２の超音波センサ対４間の超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段８と、伝搬時間測定手段８で計測された伝搬時間から流量を求める流量演算手段１０とを備え、第１の超音波センサ対２の周波数に比べ第２の超音波センサ対４の超音波の周波数を低くし、所定の流量以上で第２の超音波センサ対４で伝搬時間を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に超音波によって流速または流量を計測する装置に関するものである。

超音波式流体計測装置は、計測流路に流体を流し、計測流路内に超音波を伝搬させて、超音波の伝搬時間を計測し、計測した情報に基づいて流体の流速を求めるものである。

この計測流路は、断面長方形の角筒形状で対向する短辺側面にそれぞれ送波部、受波部が設けられている。

送波部、受波部は計測流路の流れ方向に対して所定の角度で交差する線に沿って超音波を送受するように配置されている。

また、近年では、図２のように計測用流路１０１に複数の超音波送受信器対（第１送受波器１０２および第２送受波器１０３）からなる超音波計測部を複数配置して複数の計測値を得、これらの計測値を基に求めた平均値を最終計測値とする超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

通常、超音波の受信信号は、送信側の超音波センサから出力された超音波信号が、異なる経路を通り受信側の超音波センサに到達し、それらが合成されて波形が形成されている。そして、流量が多くなると、伝搬している超音波信号が受ける影響が伝搬経路によりかつタイミングにより大きく異なるようになり、受信波形の変動が大きくなる。この結果超音波の受信信号をもとに計測している超音波の伝搬時間は変動が大きくなり、演算手段によって求める流量も変動が大きなものとなっていた。

特許文献１に示す従来例では、超音波センサの配置が異なる複数の伝搬経路（Ａ，Ｂ，Ｃ）により、大流量域では超音波が流れから受ける影響が小さくなる伝搬時間の短い超音波センサペア（経路Ａ）を用い、少流領域では超音波が流れから受ける影響が大きい伝搬時間の長い超音波センサペア（経路Ｃ）を用いて伝搬時間を測定し、少流量域の計測精度／大領域の測定流量を両立させたものも提案されていた。

特開２００８−１２２１０６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、流路構成が複雑になるため容易に実現できないという問題があり、簡単な構成で少流量域の計測精度／大流量域の計測安定性を両立させた測定流量範囲の広い超音波流量計が求められていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で測定流量域の広い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、第１の計測流路と、前記第１の計測流路に設置した第１の超音波センサ対と、前記第１と同一形状の第２の計測流
路と、前記第２の計測流路に設置した第２の超音波センサ対と、前記第１の超音波センサ対間と前記第２の超音波センサ対間の超音波の伝搬時間を切り替えて測定する伝搬時間測定手段と、前記伝搬時間から前記流路に流れる流量を求める流量演算手段と、を備え、前記第１の超音波センサ対の超音波の周波数と前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を異なるように構成したもので、流量、伝搬時間等に応じて周波数の異なる２つの超音波センサ対を選択することで、測定流量域の広い超音波流量計を容易に実現することができる。

本発明の超音波流量計によると、流量、伝搬時間等に応じて周波数の異なる２つの超音波センサ対を選択することで、測定流量域の広い超音波流量計を容易に実現することができ、例えば、流量が大きな場合に計測する超音波の周波数を下げることにより、異なる経路を通った伝搬時間の差が同じであっても、位相の差は小さくなるので波形の変動は少なくり、その結果大流量の計測を安定して計測することが可能となるので、測定流量域の広い超音波流量計を容易に実現することができる。

本発明の超音波流量計のブロック図 従来の超音波流量計の流路概観図

第１の発明は、第１の計測流路と、前記第１の計測流路に設置した第１の超音波センサ対と、前記第１と同一形状の第２の計測流路と、前記第２の計測流路に設置した第２の超音波センサ対と、前記第１の超音波センサ対間と前記第２の超音波センサ対間の超音波の伝搬時間を切り替えて測定する伝搬時間測定手段と、前記伝搬時間から前記流路に流れる流量を求める流量演算手段と、を備え、前記第１の超音波センサ対の超音波の周波数と前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を異なるように構成したもので、流量、伝搬時間等に応じて周波数の異なる２つの超音波センサ対を選択することで、測定流量域の広い超音波流量計を容易に実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記第１の超音波センサ対の周波数に比べ、前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を低く設定し、前記伝搬時間測定手段は、流量が少ないときには前記第１の超音波センサ対により伝搬時間を測定し、流量が多いときには前記第２の超音波センサ対により伝搬時間を測定するように前記第１と第２の超音波センサ対を切り替えるもので、流量が大きな場合に計測する超音波の周波数を下げることにより、異なる経路を通った伝搬時間の差が同じであっても、位相の差は小さくなるので波形の変動は少なくなる。その結果大流量の計測を安定して計測することが可能となるので、測定龍領域の広い超音波流量計を容易に実現することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記第１の超音波センサ対の周波数に比べ、前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を低く設定し、前記伝搬時間測定手段は、超音波の伝搬時間が短いときには前記第１の超音波センサ対により伝搬時間を測定し、超音波の伝搬時間が長いときには前記第２の超音波センサ対により伝搬時間を測定するように前記第１と第２の超音波センサ対を切り替えるもので、伝搬時間測定手段が、超音波の伝搬時間が短いときには第１の超音波センサ対により伝搬時間を測定し、超音波の伝搬時間が所定の値より長いときには第２の超音波センサ対により伝搬時間を測定するように超音波センサ対を切り替えるので、第２の超音波センサに残響が長いものであっても使用することが可能となる。

第４の発明は、特に第１の発明において、前記第１の超音波センサ対の周波数に比べ、
前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を低く設定し、前記伝搬時間測定手段は、伝搬時間のばらつきが所定の値以上の場合に前記第１の超音波センサ対から前記第２の超音波センサ対に切り替え、伝搬時間を測定するもので、伝搬時間測定手段が伝搬時間のばらつきが所定の値以上の場合に第１の超音波センサ対から第２の超音波センサ対に切り替え伝搬時間を測定するので、超音波の伝搬時間のばらつきが大きいときに波形の変動を小さくすることができるので、安定した測定値を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波式流体計測装置について、図面を参照して説明する。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は本発明の第１の実施の形態における超音波流量計のブロック図を示すものである。

図１において、第１の計測流路１には、５００ｋＨｚの周波数の超音波信号を送信可能な第１の超音波センサ対２が流れに対して斜めに超音波信号が横切るように対向して配置されている。同様に、第２の計測流路３には、１００ｋＨｚの周波数の超音波信号を送信可能な第２の超音波センサ対４が流れに対して斜めに超音波信号が横切るように対向して配置されている。この第１、第２の計測流路１，３は超音波センサ対の周波数以外は同じである。

被測定流体は、流路５により、第１の計測流路１と第２の計測流路３に均一に導入・排出される。

さらに、５００ｋＨｚの駆動信号を出力する第１の駆動信号出力部６、１００ｋＨｚの駆動信号を出力する第２の駆動信号出力部７、及び、第１または第２の超音波センサ対間の伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段８、伝搬時間測定手段８と第１の駆動信号出力部６または７とを第１の超音波センサ対２または第２の超音波センサ対４とを接続する切り替えスイッチ９、伝搬時間測定手段８の出力から流量を演算により求める流量演算手段１０が配置されている。

次に動作の説明をする。まず、伝搬時間測定手段８は切り替えスイッチ９を制御し第１の駆動信号出力部６と第１の超音波センサ対２の一方の超音波センサとを接続し、他方の超音波センサを伝搬時間測定手段８と接続する。そして、第１の駆動信号出力部６の出力により第１の超音波センサ対２の送信側は超音波を送信し、送信された超音波は第１の計測流路１の中を流れる流体を伝搬し第１の超音波センサ対２の受信側の超音波センサに受信される。受信された信号は切り替えスイッチ９を通り伝搬時間測定手段８へ伝わり、伝搬時間測定手段８の内部タイマにより伝搬時間が計測される。

伝搬時間測定手段８で計測された伝搬時間により流量演算手段１０は流量を演算して求める。流量演算手段１０によって求めた流量が、所定以上の値になると流量演算手段１０は切り替えスイッチ９を切り替え、第２の駆動信号出力部７と第２の超音波センサ対４の一方の超音波センサを接続し、他方の超音波センサと伝搬時間測定手段８とを接続し、前記した方法と同じく、第２の超音波センサ対間の伝搬時間計測により伝搬時間を測定する。

このように大流量域では１００ｋＨｚの超音波を流体に伝搬させて伝搬時間を測定するので、低流量域を測定していた５００ｋＨｚの超音波信号に比べて波形の変化が少なく、測定範囲を大流量域まで伸ばすことができる。

また、伝搬時間測定手段８は、測定した伝搬時間が所定の値より長いときに、切り替えスイッチ９を切り替え、第２の駆動信号出力部７と第２の超音波センサ対４の一方の超音波センサを接続して送信側とし、他方の超音波センサを伝搬時間測定手段と接続して受信側として、前記した方法と同じ伝搬時間計測により伝搬時間を測定する。

伝搬時間は被測定流体の種類による異なり、被測定流体の伝搬時間が短い場合、低周波の超音波センサ対を使用すると、残響が長くなるので使えないが、被測定流体の伝搬時間が長い場合は、伝搬時間が長くなるので、残響が長くても使用できる。

従って、本実施の形態によると、第２の超音波センサ対４として残響が長いものを使うことができるようになる。

また、伝搬時間測定手段８は、測定した伝搬時間のばらつきが所定の値より大きいときに、切り替えスイッチ９を切り替え、第２の駆動信号出力部７と第２の超音波センサ対４の一方の超音波センサを接続して送信側とし、他方の超音波センサを伝搬時間測定手段と接続して受信側にすることで、前記した方法と同じ伝搬時間計測により伝搬時間を測定する。送信側の超音波センサから発信された超音波は、複数の異なるパスを経由して受信側の超音波センサに到達するが、この異なるパスを通った超音波をＡ，Ｂとすると、受信側の超音波センサで受信する時、超音波の周波数が低いほど相対的な位相差が小さい為に、合成された時の振幅の変化が小さくなり、超音波Ａ，Ｂの伝搬時間差も小さくなり、結果として、ばらつきが小さくなる。

従って、本実施の形態によると、大流量域では１００ｋＨｚの超音波を流体に伝搬させて伝搬時間を測定するので、低流量域を測定していた５００ｋＨｚの超音波信号に比べて波形の変化が少なく、測定範囲を大流量域まで伸ばすことができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は広範囲の超音波の伝搬時間を測定することができるので、超音波流量計にも好適である。

１ 第１の計測流路
２ 第１の超音波センサ対
３ 第２の計測流路
４ 第２の超音波センサ対
８ 伝搬時間測定手段
１０ 流量演算手段

Claims (4)

1. 第１の計測流路と、
   前記第１の計測流路に設置した第１の超音波センサ対と、
   前記第１と同一形状の第２の計測流路と、
   前記第２の計測流路に設置した第２の超音波センサ対と、
   前記第１の超音波センサ対間と前記第２の超音波センサ対間の超音波の伝搬時間を切り替えて測定する伝搬時間測定手段と、
   前記伝搬時間から前記流路に流れる流量を求める流量演算手段と、を備え、
   前記第１の超音波センサ対の超音波の周波数と前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を異なるように構成した超音波流量計。
2. 前記第１の超音波センサ対の周波数に比べ、前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を低く設定し、前記伝搬時間測定手段は、流量が少ないときには前記第１の超音波センサ対により伝搬時間を測定し、流量が多いときには前記第２の超音波センサ対により伝搬時間を測定するように前記第１と第２の超音波センサ対を切り替える請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記第１の超音波センサ対の周波数に比べ、前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を低く設定し、前記伝搬時間測定手段は、超音波の伝搬時間が短いときには前記第１の超音波センサ対により伝搬時間を測定し、超音波の伝搬時間が長いときには前記第２の超音波センサ対により伝搬時間を測定するように前記第１と第２の超音波センサ対を切り替える請求項１記載の超音波流量計。
4. 前記第１の超音波センサ対の周波数に比べ、前記第２の超音波センサ対の超音波の周波数を低く設定し、前記伝搬時間測定手段は、伝搬時間のばらつきが所定の値以上の場合に前記第１の超音波センサ対から前記第２の超音波センサ対に切り替え、伝搬時間を測定する請求項１記載の超音波流量計。