JP2012127677A - Ultrasonic flow rate measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス供給源から流路を通じて供給される流体の流量を、超音波振動子を用いて計測する超音波式流量計測装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow measuring device that measures a flow rate of a fluid supplied from a gas supply source through a flow path using an ultrasonic transducer.
従来、例えばガス管内を流れるガスなどの流体の流量を計測するに際し、超音波振動子を用いた計測装置が使用されている。この計測装置では、ガス管における上流側と下流側とに、対を成すようにして超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子から発せられた超音波を他方の超音波振動子にて受信させる。また、この一対の超音波振動子を、受信側と送信側とを切り換えることにより、ガスの流れに対して順方向(上流側から下流側への方向)と、逆方向とで、それぞれ超音波の伝搬時間を計測し、その計測値から流量を計測している。 Conventionally, for example, when measuring the flow rate of a fluid such as a gas flowing in a gas pipe, a measuring device using an ultrasonic transducer has been used. In this measuring apparatus, an ultrasonic transducer is arranged in a pair on the upstream side and the downstream side of the gas pipe, and the ultrasonic wave emitted from one ultrasonic transducer is sent to the other ultrasonic transducer. To receive. Further, by switching the pair of ultrasonic transducers between the reception side and the transmission side, ultrasonic waves are respectively generated in the forward direction (the direction from the upstream side to the downstream side) and the reverse direction with respect to the gas flow. Is measured, and the flow rate is measured from the measured value.
ところで、このような超音波式の流量計測装置の場合、一般に、受信側の超音波振動子が受信した超音波を増幅すべく受信部が備えられているが、この受信部には、これを構成する回路に固有の入力インピーダンスが存在する。また、上記一対の超音波振動子間には電極間容量が必然的に存在する。従って、従来の超音波式流量計測装置には、これら入力インピーダンス及び電極間容量に依存する計測誤差が発生する。そして、この計測誤差にかかわらず、流量の計測精度を向上させようとする技術思想が提案されている(特許文献1参照)。 By the way, in the case of such an ultrasonic flow measuring device, generally, a receiving unit is provided to amplify the ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer on the receiving side. There is an input impedance specific to the circuit to be constructed. An interelectrode capacitance necessarily exists between the pair of ultrasonic transducers. Therefore, a measurement error depending on the input impedance and the capacitance between the electrodes occurs in the conventional ultrasonic flow measurement device. And the technical thought which improves the measurement accuracy of flow volume is proposed irrespective of this measurement error (refer to patent documents 1).
特許文献1に開示された計測装置では、受信側の超音波振動子の出力を受け付ける低入力部を設け、該低入力部の入力インピーダンスと、超音波振動子の内部インピーダンスとの関係から、低入力部の入力インピーダンスを最適化している。具体的には、低入力部の入力インピーダンスを、超音波振動子の内部インピーダンスよりも小さくなるように設定するものである。
In the measuring device disclosed in
しかしながら、流量の計測精度は、ガス等の被計測流体の種類によっても変動するものであるため、低入力部の入力インピーダンスと、超音波振動子の内部インピーダンスとの関係から、必ずしも一義的に最適値が求まるものでもない。また、入力インピーダンスは消費電力の決定要因にもなるため、現実問題として、入力インピーダンスを決定するに際しては、省エネルギー化という観点も無視することはできない。 However, since the measurement accuracy of the flow rate varies depending on the type of fluid to be measured such as gas, it is not necessarily optimal because of the relationship between the input impedance of the low input part and the internal impedance of the ultrasonic transducer. It's not even a value. In addition, since the input impedance also becomes a determinant of power consumption, as a practical problem, when determining the input impedance, the viewpoint of energy saving cannot be ignored.
そこで本発明は、上述したような事情に鑑みて、流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide an ultrasonic flow measuring device that can save energy while maintaining flow measurement accuracy.
本発明に係る超音波式流量計測装置は、被計測流体が流れる流路において上流側と下流側とに配設され、前記被計測流体の流量を計測するための一対の超音波振動子、前記一対の超音波振動子を、送信側と受信側とに切り換える切換部と、送信側の超音波振動子を駆動して超音波を発生させる送信部、受信側の超音波振動子にて受信した超音波を増幅する受信部、送信側の超音波振動子からの超音波を受信側の超音波振動子にて受信するまでの、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部、計測した伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を算出する流量算出部、及び前記受信部の入力インピーダンスを可変にするインピーダンス変更部、を備え、前記インピーダンス変更部は、算出した流量に対する誤差の割合が所定の許容値に含まれる範囲で、前記受信部の入力インピーダンスを増加させるように変更すべく構成されている。 An ultrasonic flow measuring device according to the present invention is disposed on the upstream side and the downstream side in a flow path through which a fluid to be measured flows, and a pair of ultrasonic transducers for measuring the flow rate of the fluid to be measured, A pair of ultrasonic transducers are received by a switching unit that switches between a transmission side and a reception side, a transmission unit that drives the ultrasonic transducer on the transmission side to generate ultrasonic waves, and an ultrasonic transducer on the reception side A reception unit that amplifies ultrasonic waves, a propagation time measurement unit that measures the propagation time of ultrasonic waves until ultrasonic waves from the ultrasonic transducer on the transmission side are received by the ultrasonic transducer on the reception side, and measured propagation A flow rate calculation unit that calculates a flow rate of the fluid to be measured based on time, and an impedance change unit that varies an input impedance of the reception unit, wherein the impedance change unit has a predetermined error rate with respect to the calculated flow rate. Range included in tolerance In is configured to change so as to increase the input impedance of the receiver.
このような構成とすることにより、流量の計測精度を一定以上に保ちつつ、入力インピーダンスを増加させることで省エネルギー化を図ることができる。なお、超音波式流量計測装置では、一般に、入力インピーダンスが大きくなるに従って、流量の計測誤差(換言すれば、超音波の伝搬時間の計測誤差)は大きくなる一方、消費電力は小さくなる傾向にある。 By adopting such a configuration, it is possible to save energy by increasing the input impedance while keeping the flow rate measurement accuracy at a certain level or higher. In an ultrasonic flow measuring device, generally, as the input impedance increases, the flow measurement error (in other words, the measurement error of the ultrasonic propagation time) increases, but the power consumption tends to decrease. .
また、前記インピーダンス変更部は、前記被計測流体の種類に応じて前記入力インピーダンスを変更すべく構成されていてもよい。このような構成とすることにより、被計測流体の種類によって異なってくる計測精度(計測した流量に対する誤差の割合)を、入力インピーダンスの変更によって一定以上に保ちつつ、省エネルギー化を図ることができる。 The impedance changing unit may be configured to change the input impedance according to the type of the fluid to be measured. By adopting such a configuration, it is possible to save energy while maintaining the measurement accuracy (ratio of error with respect to the measured flow rate) that varies depending on the type of fluid to be measured above a certain level by changing the input impedance.
また、前記インピーダンス変更部は、前記被計測流体内での音速が小さいほど、前記入力インピーダンスを大きくすべく構成されていてもよい。一般に、音速が小さくなる被計測流体ほど、流量の計測誤差が小さくなる傾向にある。従って、このような場合は、入力インピーダンスを大きくすることで、計測精度を許容範囲内で多少低くしつつも、更なる省エネルギー化を図ることができる。 Further, the impedance changing unit may be configured to increase the input impedance as the sound velocity in the fluid to be measured is lower. Generally, the measurement error of the flow rate tends to be smaller as the fluid to be measured has a lower sound speed. Therefore, in such a case, by increasing the input impedance, further energy saving can be achieved while the measurement accuracy is somewhat lowered within the allowable range.
また、前記インピーダンス変更部は、前記流量算出部にて算出される流量が大きいほど、前記入力インピーダンスを大きくすべく構成されていてもよい。一般に、被計測流体の流量が大きくなるほど、計測誤差の影響は小さくなる傾向にある。従って、このような場合には、入力インピーダンスを大きくすることで、計測精度を許容範囲内で多少低くしつつも、更なる省エネルギー化を図ることができる。 The impedance change unit may be configured to increase the input impedance as the flow rate calculated by the flow rate calculation unit increases. Generally, the influence of measurement error tends to decrease as the flow rate of the fluid to be measured increases. Therefore, in such a case, by further increasing the input impedance, further energy saving can be achieved while the measurement accuracy is somewhat lowered within the allowable range.
本発明によれば、流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic flow measuring device capable of saving energy while maintaining flow measuring accuracy.
以下、本発明の実施の形態に係る超音波式流量計測装置(以下、単に「流量計測装置」という)について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施の形態に係る流量計測装置を示す模式図である。この図1に示すように、流量計測装置1は、測定流路2に備えられた一対の超音波振動子3,4を備えており、一方の超音波振動子3は、測定流路2内を流れる被測定流体の通流方向に対し、他方の超音波振動子4よりも上流側に配設されている。なお、図1に示す例では、一対の超音波振動子3,4を、測定流路2を挟むようにして配設したものを示しているが、これに限られない。例えば、超音波振動子3,4を、測定流路2に対して同じ側に配設し、一方の超音波振動子からの超音波を、測定流路2の内壁に反射させて他方の超音波振動子にて受信するように構成してもよい。
Hereinafter, an ultrasonic flow measuring device (hereinafter simply referred to as “flow measuring device”) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a flow rate measuring apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the flow
また、流量計測装置1は、切換部5、送信部6、及び受信部7を備えている。このうち切換部5は、各超音波振動子3,4を、所定のタイミングで送信側と受信側とで切り換えるものである。また、送信部6は、切換部5を介して超音波振動子3,4のうち送信側となる超音波振動子に接続され、該超音波振動子を駆動し、超音波を発生させる。受信部7は、切換部5を介して受信側の超音波振動子に接続され、該超音波振動子から切換部5を介して入力された信号を増幅する。
Further, the flow
ここで、上述した受信部7内には、インピーダンス変更部7aが備えられている。該インピーダンス変更部7aは、コイル及び抵抗器などで構成することができ、受信部7の入力インピーダンス(Z)を可変にするものである。
Here, an
また、受信部7には伝搬時間計測部8が接続され、該伝搬時間計測部8には流量算出部9が接続されている。伝搬時間計測部8は、受信部7での受信信号に基づき、超音波振動子3,4の間での超音波の伝搬時間を計測する。そして、流量算出部9は、計測された伝搬時間に基づき、超音波振動子3,4間の距離、測定流路2内の温度など、他のパラメータを考慮した演算を行い、被測定流体の流量を算出する。
In addition, a propagation
更に、流量計測装置1は制御部10を備えている。該制御部10はプロセッサ又は論理回路等で構成することができ、上述した切換部5、送信部6、受信部7(及びインピーダンス変更部7a)、伝搬時間計測部8、及び流量算出部9の各動作を制御する。
Further, the flow rate measuring
このような、本実施の形態に係る流量計測装置1では、被計測流体の種類、音速、計測される流量等に応じて、インピーダンス変更部7aにより受信部7の入力インピーダンスZを変更することとしている。以下では、この入力インピーダンスZを変更する処理の原理を説明する。なお、このような処理は、制御部10がインピーダンス変更部7aを制御することによって実現される。
In such a flow
図2は、入力インピーダンスZを変更する処理を説明するための模式的なグラフである。この図2において横軸は入力インピーダンスZを表し、該横軸に交差する上向きに正の縦軸は、計測される流量誤差ΔQを表し、下向きに正の縦軸は、流量計測装置1での消費電流Iを示している。まず、流量計測装置1において計測される被計測流体の流量は、下記の式(1)によって算出することができる。
FIG. 2 is a schematic graph for explaining a process of changing the input impedance Z. In FIG. 2, the horizontal axis represents the input impedance Z, the upward positive vertical axis intersecting the horizontal axis represents the measured flow error ΔQ, and the downward positive vertical axis represents the flow
ここで、式(1)中のQは計測流量、T1は逆方向に進む超音波(超音波振動子4から超音波振動子3へ向かう超音波)の伝搬時間、T2は順方向に進む超音波の伝搬時間、αは伝搬時間の計測誤差、Cは定数、である。 Here, Q in equation (1) is the measured flow rate, T1 is the propagation time of the ultrasonic wave traveling in the reverse direction (ultrasonic wave traveling from the ultrasonic transducer 4 to the ultrasonic transducer 3), and T2 is the ultrasonic wave traveling in the forward direction. The propagation time of the sound wave, α is a measurement error of the propagation time, and C is a constant.
この式(1)から分かるように、実際に測定流路2に流した被測定流体の流量がゼロの場合、理論的にはT1,T2は同じ値になるため流量Qもゼロとなるはずである。しかしながら、超音波振動子3,4の電極間容量、及び受信部7の入力インピーダンスZに起因して、式(1)中にαで示す計測誤差が生じる。従って、ゼロ流量時であっても、一定の流量誤差ΔQが計測されることとなる。そこで、本実施の形態に係る流量計測装置1では、この流量誤差ΔQの許容上限値として、所定の閾値ΔQmaxが設定されている(図2参照)。
As can be seen from this equation (1), when the flow rate of the fluid to be measured actually passed through the
図2の上側のグラフには、入力インピーダンスZと流量誤差ΔQとの関係を示すグラフとして、ガスAに関する関数fAと、ガスAよりも音速が低いガスBに関する関数fBとを例示している。関数fA,fBから分かるように、入力インピーダンスZと流量誤差ΔQとの関係は、入力インピーダンスZが大きくなるほど、流量誤差ΔQも大きくなる傾向を有している。従って、流量誤差ΔQを小さくするためには、入力インピーダンスZをなるべく小さくすることが好ましい。 The upper graph of Figure 2, a graph showing the relationship between the input impedance Z and the flow rate error Delta] Q, and functions f A a gas A, exemplifies the function f B about sonic velocity is lower gas B than the gas A Yes. As can be seen from the functions f A and f B , the relationship between the input impedance Z and the flow rate error ΔQ tends to increase as the input impedance Z increases. Therefore, in order to reduce the flow rate error ΔQ, it is preferable to make the input impedance Z as small as possible.
なお、図2では、ガスAについて、流量誤差ΔQが上限値ΔQmaxになるときの入力インピーダンスはZ1となっており、ガスBについて、流量誤差ΔQが上限値ΔQmaxになるときの入力インピーダンスはZ2(>Z1)となっている。更に、入力インピーダンスがZ1のとき、ガスBを被計測流体として計測した場合の流量誤差はΔQ1(<ΔQmax)となっている。これを音速の大小関係から見ると、音速が小さくなるほど(伝搬時間が長くなる被計測流体であるほど)、流量誤差ΔQが小さくなることが分かる。これは、式(1)において、伝搬時間が長くなるほどT1,T2の値が大きくなる結果、分子の誤差αの流量Qに対する影響力が相対的に小さくなることからも理解される。 In FIG. 2, for gas A, the input impedance when the flow rate error ΔQ becomes the upper limit value ΔQmax is Z1, and for gas B, the input impedance when the flow rate error ΔQ becomes the upper limit value ΔQmax is Z2 ( > Z1). Furthermore, when the input impedance is Z1, the flow rate error when measuring gas B as the fluid to be measured is ΔQ1 (<ΔQmax). When this is seen from the magnitude relationship between the sound speeds, it can be seen that the smaller the sound speed (the more the fluid to be measured has a longer propagation time), the smaller the flow rate error ΔQ. This can also be understood from the fact that the influence of the numerator error α on the flow rate Q becomes relatively small as a result of the increase in the values of T1 and T2 as the propagation time becomes longer in Equation (1).
一方、図2の下側のグラフには、入力インピーダンスZと消費電流Iとの関係を示している。図2に示すように、この関係は被測定流体の種類(ガスA,B)に関係なく、入力インピーダンスZが大きくなるほど、消費電流Iは小さくなる傾向を有している。従って、省エネルギーの観点からすれば、消費電流Iをなるべく小さくするべく、入力インピーダンスZを大きくすることが好ましい。 On the other hand, the lower graph of FIG. 2 shows the relationship between the input impedance Z and the current consumption I. As shown in FIG. 2, regardless of the type of fluid to be measured (gas A, B), this relationship tends to decrease the current consumption I as the input impedance Z increases. Therefore, from the viewpoint of energy saving, it is preferable to increase the input impedance Z in order to reduce the consumption current I as much as possible.
従って、仮に入力インピーダンスZがZ1に固定されており、測定流路2内を流れる被測定流体がガスAからガスBに変更された場合、流路誤差はΔQ1となり、流量誤差の上限値ΔQmaxに対して(ΔQmax−ΔQ1)だけの余裕があることになる。そこで、本実施の形態に係る流量計測装置1は、ガスBに変更された場合には、流量誤差ΔQが許容上限値ΔQmaxを超えない範囲で大きくすることにより、消費電流Iを小さくさせ、省エネルギー化を図ることとしている。例えば、上記の場合でいえば、入力インピーダンスをZ1からZ2に増加させることができる。
Therefore, if the input impedance Z is fixed to Z1 and the fluid to be measured flowing in the
以上に説明したように、本実施の形態に係る流量計測装置1は、被測定流体の種類に応じて、入力インピーダンスZを所定の許容値に含まれる範囲内で、なるべく大きい値となるように変更することにより、流量の計測精度(計測流量に対する流量誤差の割合)を保ちつつも、省エネルギー化を図ることができるようになっている。なお、被測定流体の種類としては、上述したガスA,Bのように、当該被測定流体内を伝搬する音速の違いに着目することができる。即ち、音の伝搬速度が早い被測定流体(例:ガスA)よりも、伝搬速度が遅い被測定流体(例:ガスB)の方が、入力インピーダンスZを大きくするように変更することができる。
As described above, the flow
ところで、上記の説明は、被測定流体の流量がゼロの場合(式(1)中のT1=T2)を想定して、被測定流体の種類に応じた入力インピーダンスZの変更処理について説明した。即ち、図2に示すグラフのうち、上側の流量誤差ΔQに関するグラフは、流量がゼロの場合の傾向を示したものとなっている。しかしながら、上述したように、流量の計測精度は、計測流量に対する流量誤差の割合で表される。従って、あるゼロではない流量を測定したときの流量誤差が、ゼロ流量時の流量誤差ΔQmaxを超える場合であっても、結果的に計測精度が許容範囲内であれば計測精度の観点からは問題がない。 By the way, in the above description, the process of changing the input impedance Z according to the type of the fluid to be measured has been described assuming that the flow rate of the fluid to be measured is zero (T1 = T2 in Expression (1)). That is, among the graphs shown in FIG. 2, the graph relating to the upper flow rate error ΔQ shows a tendency when the flow rate is zero. However, as described above, the measurement accuracy of the flow rate is represented by the ratio of the flow rate error to the measured flow rate. Therefore, even if the flow rate error when measuring a non-zero flow rate exceeds the flow rate error ΔQmax at zero flow rate, if the measurement accuracy is within the allowable range as a result, there is a problem from the viewpoint of measurement accuracy. There is no.
即ち、式(1)において、流量が大きくなるほど、逆方向の伝搬時間T1と順方向の伝搬時間T2との差(T1−T2)は大きくなる。そのため、伝搬時間の計測誤差αの流量Qに対する影響力は小さくなる。従って、流量がより大きくなった場合には計測精度として要望される所定の許容範囲内で、伝搬時間の計測誤差αを大きくすることができる。これを、換言すれば、流量誤差ΔQmaxを大きくすることができるということであり、更にこれは、入力インピーダンスZを大きくすることができるということと同義である。 That is, in Formula (1), the difference (T1-T2) between reverse propagation time T1 and forward propagation time T2 increases as the flow rate increases. For this reason, the influence of the measurement error α of the propagation time on the flow rate Q is reduced. Therefore, when the flow rate is increased, the measurement error α of the propagation time can be increased within a predetermined allowable range desired as measurement accuracy. In other words, this means that the flow rate error ΔQmax can be increased, and this is synonymous with the fact that the input impedance Z can be increased.
そこで本実施の形態に係る流量計測装置1は、流量Qの測定結果に基づき、流量Qが大きくなればなるほど、入力インピーダンスZを大きくなるように変更することによって、流量の計測精度を保ちつつ、更なる省エネルギー化を図ることとしている。
Therefore, the flow
本発明は、流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置に適用することができる。 The present invention can be applied to an ultrasonic flow measurement device capable of saving energy while maintaining flow measurement accuracy.
1 超音波式流量計測装置
2 測定流路
3 超音波振動子
4 超音波振動子
5 切換部
6 送信部
7 受信部
7a インピーダンス変更部
8 伝搬時間計測部
9 流量算出部
10 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記一対の超音波振動子を、送信側と受信側とに切り換える切換部と、
送信側の超音波振動子を駆動して超音波を発生させる送信部、
受信側の超音波振動子にて受信した超音波を増幅する受信部、
送信側の超音波振動子からの超音波を受信側の超音波振動子にて受信するまでの、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部、
計測した伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を算出する流量算出部、及び
前記受信部の入力インピーダンスを可変にするインピーダンス変更部、を備え、
前記インピーダンス変更部は、算出した流量に対する誤差の割合が所定の許容値に含まれる範囲で、前記受信部の入力インピーダンスを増加させるように変更すべく構成されていることを特徴とする超音波式流量計測装置。 A pair of ultrasonic transducers disposed on the upstream side and the downstream side in the flow path through which the fluid to be measured flows, for measuring the flow rate of the fluid to be measured;
A switching unit for switching the pair of ultrasonic transducers between a transmission side and a reception side;
A transmitter that generates ultrasonic waves by driving the ultrasonic transducer on the transmission side;
A receiver for amplifying the ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer on the receiving side;
A propagation time measurement unit that measures the propagation time of the ultrasonic wave until the ultrasonic wave from the ultrasonic transducer on the transmission side is received by the ultrasonic transducer on the reception side;
A flow rate calculation unit that calculates the flow rate of the fluid to be measured based on the measured propagation time; and an impedance change unit that makes the input impedance of the reception unit variable.
The ultrasonic type, wherein the impedance changing unit is configured to change so as to increase the input impedance of the receiving unit within a range in which a ratio of an error to the calculated flow rate is included in a predetermined allowable value. Flow measurement device.
The ultrasonic type according to any one of claims 1 to 3, wherein the impedance change unit is configured to increase the input impedance as the flow rate calculated by the flow rate calculation unit increases. Flow measurement device.
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