JP2017187310A

JP2017187310A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2017187310A
Application number: JP2016074366A
Authority: JP
Inventors: 秋山　徹; Toru Akiyama; 徹秋山; 晃好勝見; Akiyoshi Katsumi; 達哉初野; Tatsuya Hatsuno; 浩一花村; Koichi Hanamura
Original assignee: Sonic Corp
Current assignee: Sonic Corp
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】流体の流速及び流量を精度良く測定することが可能な超音波流量計を提供すること。【解決手段】超音波流量計は、流体が流れる流路の上流側と下流側に当該流路を挟んで対向配置され超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、超音波振動子を駆動する駆動部と、上流側の超音波振動子から送信された超音波信号が下流側の超音波振動子に到達するまでの時間と、下流側の超音波振動子から送信された超音波信号が上流側の超音波振動子に到達するまでの時間との時間差を相互相関法により算出し、算出した時間差に基づき流体の流速及び流量を算出する算出部とを含み、超音波振動子は、２種類以上の共振周波数を有する振動子である。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関する。

水や空気などの流体の流量を計測する超音波流量計として、流体が流れる流路の上流側と下流側に流路を挟んで対向配置された一対の超音波素子を有する超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１）。この超音波流量計は、上流側の超音波素子から送信された超音波信号が下流側の超音波素子に到達するまでの時間ｔ_１と、下流側の超音波素子から送信された超音波信号が上流側の超音波素子に到達するまでの時間ｔ_２との差Δｔに基づいて、流路を流れる流体の平均流速度および流量を求める。到達時間の差Δｔを求める手法として、相互相関法が知られている。相互相関法では、上流側での受信信号と下流側での受信信号との相互相関が演算され、その相互相関値から到達時間の差Δｔが求められる。

特開平７−３１１０６２号公報

図９は、従来の超音波流量計で得られる受信信号の一例を示す図である。図中横軸は時間を示し、縦軸は強度を示す。また、下流側での受信信号を実線で示し、上流側での受信信号を点線で示している。図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示す例では、どちらも上流側の受信信号の位相が下流側の受信信号に対して１周期遅れている。また、図９（Ａ）に示す例では、下流側での受信信号の強度と上流側での受信信号の強度が同等であるが、図９（Ｂ）に示す例では、下流側での受信信号の強度と上流側での受信信号の強度が異なっている。図９（Ａ）に示す例では、図中ａで示す部分で２つの波形が一致していないように見える（相互相関値は低くなる）。一方、図９（Ｂ）に示す例では、実際には位相が１周期分ずれているにも関わらず、図中ｂで示す部分で２つの波形が一致していないように見える（相互相関値は高くなる）。実際の到達時間から１周期分ずれている場合に高い相互相関値が得られると、到達時間の差の計算結果が１周期分間違った値となってしまう。このような現象は「一波飛び」と呼ばれる。従来の超音波流量計では、受信信号の周波数が一定であるため、図９（Ｂ）に示すように下流側での受信信号の強度と上流側での受信信号の強度（振幅）が異なる場合や、受信信号以外のノイズ信号が大きい場合に、「一波飛び」と呼ばれる現象が発生し易くなり、測定精度が大きく低下してしまうことがあった。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流体の流速及び流量を精度良く測定することが可能な超音波流量計を提供することにある。

（１）本発明は、流体が流れる流路の上流側と下流側に当該流路を挟んで対向配置され超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動する駆動部と、上流側の前記超音波振動子から送信された超音波信号が下流側の前記超音波振動子に到達するまでの時間と、下流側の前記超音波振動子から送信された超音波信号が上流側の前記超音波振動子に到達するまでの時間との時間差を相互相関法により算出し、算出した時間差に基づき前記流体の流速及び流量を算出する算出部とを含み、前記超音波振動子は、２
種類以上の共振周波数を有する振動子である、超音波流量計に関する。

本発明によれば、超音波振動子として、２種類以上の共振周波数を有する振動子を用いることで、流体の流速及び流量を精度良く測定することができる。

（２）また本発明に係る超音波流量計では、前記駆動部は、前記２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数で送信側の前記超音波振動子を駆動してもよい。

本発明によれば、超音波振動子が有する２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数で送信側の超音波振動子を駆動することで、流体の流速及び流量を精度良く測定することができる。

（３）また本発明に係る超音波流量計では、前記駆動部は、前記２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数よりも高い周波数で送信側の前記超音波振動子を駆動してもよい。

本発明によれば、超音波振動子が有する２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数よりも高い周波数で送信側の超音波振動子を駆動することで、流体の流速及び流量を精度良く測定することができる。

本実施形態の超音波流量計の構成の一例を示す図である。本実施形態の超音波流量計で用いる超音波振動子のアドミタンス特性の一例を示す図である。本実施形態の超音波流量計で得られる受信信号の一例を示す図である。３種類の周波数の波形と、３種類の周波数の波形を合成して得られた合成波形とを示す図である。本実施形態の超音波流量計における上流側の受信信号と下流側の受信信号との相互相関の計算結果を示す図である。２種類の周波数の波形と、２種類の周波数の波形を合成して得られた合成波形とを示す図である。超音波振動子を駆動するための駆動信号の一例を示す図である。超音波振動子として共振周波数６００ｋＨｚの振動子を用いて、送信側の超音波振動子を周波数６００ｋＨｚで駆動した場合における測定結果と、送信側の超音波振動子を周波数１２００ｋＨｚで駆動した場合における測定結果を示す図である。従来の超音波流量計で得られる受信信号の一例を示す図である。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、本実施形態の超音波流量計の構成の一例を示す図である。なお本実施形態の超音波流量計は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。超音波流量計１は、超音波振動子１０（１０ａ、１０ｂ）と、駆動部２０と、演算処理部及び記憶部を有する処理部１００とを含む。

超音波振動子１０ａ、１０ｂは、流体（気体又は液体）が流れる流路３０の上流側と下流側に流路３０を挟んで対向配置される一対の振動子である。流路３０の上流側に配置された超音波振動子１０ａと下流側に配置された超音波振動子１０ｂは、流路３０を流れる
流体を介して超音波信号を送受信する。超音波振動子１０ａ、１０ｂで得られた受信信号（受波信号）は、ＡＤ変換器（図示省略）によりデジタルデータに変換され、処理部１００に出力される。駆動部２０は、超音波振動子１０ａ、１０ｂを振動させるための駆動信号を生成して超音波振動子１０ａ、１０ｂを駆動する。なお、図１に示す例では、超音波振動子１０ａ、１０ｂがそれぞれ、送信側の超音波振動子としても受信側の超音波振動子としても機能するように構成しているが、流路３０の上流側と下流側のそれぞれに、送信側と受信側の２つの超音波振動子を配置するように構成してもよい。

処理部１００は、制御部１１０と、算出部１２０とを含む。制御部１１０は、駆動部２０を制御するための制御信号を生成して、超音波振動子１０ａ、１０ｂに交互に繰り返して超音波信号（超音波パルス）を送受信させる制御を行う。

算出部１２０は、超音波振動子１０ａ、１０ｂからの受信信号に基づいて、上流側の超音波振動子１０ａから送信された超音波信号が下流側の超音波振動子１０ｂに到達するまでの時間ｔ_１と、下流側の超音波振動子１０ｂから送信された超音波信号が上流側の超音波振動子１０ａに到達するまでの時間ｔ_２との時間差Δｔを相互相関法により算出する。相互相関法としては、積和演算、フーリエ変換、Ｉ−Ｑ変換、ヒルベルト変換等を用いることができる。

そして、算出部１２０は、算出した時間差Δｔに基づき流路３０を流れる流体の流速や流量を算出する。ここで、流体の流速をＶ（単位：ｍ／ｓ）とし、超音波振動子１０ａ、１０ｂ間の距離をＬ（単位：ｍ）とし、超音波伝播軸と流路３０の中心軸とがなす角度をθとし、静止気体或いは液体中の音速をＣ（単位：ｍ／ｓ）とすると、時間ｔ_１、ｔ_２は、式（１）、（２）で表され、式（１）、（２）より、時間ｔ_１、ｔ_２と流速Ｖとの関係は、式（３）のようになる。

算出部１２０は、式（３）に従って流体の流速Ｖを求める。また、流速Ｖに流路３０の断面積を乗じることで流体の流量を求めることができる。

本実施形態の超音波流量計１では、超音波振動子１０ａ、１０ｂとして、２種類以上の共振周波数を有する振動子を用いる。超音波振動子は、その成型形状によって２種類以上の共振周波数を有する。例えば、振動方向であるｘ軸方向とｙ軸方向（ｘ軸方向と直交する方向）とで長さの異なる超音波振動子は、ｘ軸方向とｙ軸方向とで異なる共振周波数を有する。

図２は、本実施形態の超音波流量計１で用いられる超音波振動子１０（２種類以上の共振周波数を有する振動子）のアドミタンス特性の一例を示す図である。本実施形態で用いる超音波振動子１０は、共振周波数６００ｋＨｚの振動子であるが、この１次共振周波数（６００ｋＨｚ）の高周波側に、９００ｋＨｚ（１次共振周波数の３／２倍）、１２００
ｋＨｚ（１次共振周波数の２倍）等の共振周波数を有している。

本実施形態の超音波流量計１では、超音波振動子１０の２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数（９００ｋＨｚ又は１２００ｋＨｚ）で送信側の超音波振動子１０を駆動して振動させる。

図３は、送信側の超音波振動子１０を中心周波数１２００ｋＨｚで駆動した場合に受信側の超音波振動子１０で得られる受信信号の一例を示す図である。図３に示す受信信号の波形は、６００ｋＨｚの周波数成分と、９００ｋＨｚの周波数成分と、１２００ｋＨｚの周波数成分とが合成された波形となっている。すなわち、超音波振動子１０を２種類以上の共振周波数を有する振動子とし、そのうち高い方の共振周波数（１２００ｋＨｚ）で送信側の超音波振動子１０を駆動すると、当該高い方の共振周波数の周波数成分と、それよりも低い方の共振周波数（６００ｋＨｚ、９００ｋＨｚ）の周波数成分とが合成された波形が受信信号として得られる。

図４は、３種類の周波数の波形（模擬データ）と、３種類の周波数の波形を合成して得られた合成波形とを示す図である。図４に示すように、所定のエンベロープをもつ波形Ｗ_１（６００ｋＨｚの波形）と波形Ｗ_２（９００ｋＨｚの波形）と波形Ｗ_３（１２００ｋＨｚの波形）とを合成して得られる合成波形Ｗ_ｓは、図３に示す受信信号（実データ）と同様の波形となっている。

このように、本実施形態の超音波流量計１で得られる受信信号は、２種類以上の周波数成分が合成された波形となるため、非周期的で複雑な波形となる。そのため、本実施形態の超音波流量計１では、上流側での受信信号と下流側での受信信号の位相を１周期ずらした場合に２つの波形は重なり合うことなく相互相関値が小さくなる。

図５は、本実施形態の超音波流量計１における上流側の受信信号と下流側の受信信号との相互相関の計算結果を示す図である。図５に示すように、上流側での受信信号と下流側での受信信号の位相が一致している場合の相互相関値Ｃｍは、位相が１周期ずれている場合の相互相関値Ｃｄと比べて大幅に高くなっている。従って、本実施形態の超音波流量計１では、「一波飛び」と呼ばれる現象が発生せず、流体の流速や流量を精度良く測定することができる。

上記例では、受信信号の波形が３種類の周波数成分が合成された波形となる場合について説明したが、受信信号の波形が２種類の周波数成分が合成された波形となるように構成してもよい。図６（Ａ）に、２種類の周波数の波形（模擬データ）を示し、図６（Ｂ）に、２種類の周波数の波形を合成して得られた合成波形を示す。図６（Ａ）に実線で示す低周波成分（周波数Ｔ）と、図６（Ａ）に点線で示す高周波成分（周波数２Ｔ）とを合成すると、図６（Ｂ）に示すように、複雑な波形の合成波形が得られる。

図７（Ａ）は、超音波振動子１０を駆動するための駆動信号（駆動部２０が生成する駆動信号）の一例を示す図である。図中横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図７（Ａ）に示す駆動信号の周波数は、２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数である１２００ｋＨｚである。超音波振動子１０を駆動する周波数は、２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数と同じかそれよりも高い周波数であって、超音波振動子１０を共振周波数で振動させることができる周波数であればよい。ここでは、駆動信号を２周期分のパルスとしているが、パルスの周期の数（波数）は任意である。パルスの波数を多くすれば強度の大きな受信信号を得ることができる。また、矩形波パルスに代えて正弦波パルスを駆動信号として用いてもよい。

また、図７（Ｂ）に示すように、デルタ関数に近似した単一パルスを駆動信号として用いてもよい。また、電圧が０Ｖから所定電圧に急激に立ち上がる信号（図７（Ｃ））や、電圧が所定電圧から０Ｖに急激に立ち下がる信号（図７（Ｄ））を駆動信号として用いてもよい。このように電圧が急激に立ち上がる（或いは、急激に立ち下がる）信号を駆動信号として用いて送信側の超音波振動子１０を駆動すると、受信信号の強度は小さくなるものの、２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数で超音波振動子１０を駆動する場合と同様に、２種類以上の周波数成分が合成された複雑な波形の受信信号が得られる。

図８（Ａ）に、超音波振動子として共振周波数６００ｋＨｚの振動子を用いて、送信側の超音波振動子を周波数６００ｋＨｚで駆動した場合（従来の手法）における測定結果を示し、図８（Ｂ）に、送信側の超音波振動子を周波数１２００ｋＨｚで駆動した場合（本実施形態の手法）における測定結果を示す。図中横軸は時間を示し、縦軸は流体（液体）の流量（ｍｌ／分）を示す。図８（Ａ）に示す測定結果では、液体中の気泡により超音波の散乱が発生することで測定値が大きく変動している。一方、図８（Ｂ）に示す本実施形態の手法における測定結果では、図８（Ａ）に示す従来の手法における測定結果と比べて測定値が安定している。

１超音波流量計、１０超音波振動子、２０駆動部、３０流路、１００処理部、１１０制御部、１２０算出部

Claims

流体が流れる流路の上流側と下流側に当該流路を挟んで対向配置され超音波信号を送受信する一対の超音波振動子と、
前記超音波振動子を駆動する駆動部と、
上流側の前記超音波振動子から送信された超音波信号が下流側の前記超音波振動子に到達するまでの時間と、下流側の前記超音波振動子から送信された超音波信号が上流側の前記超音波振動子に到達するまでの時間との時間差を相互相関法により算出し、算出した時間差に基づき前記流体の流速及び流量を算出する算出部とを含み、
前記超音波振動子は、２種類以上の共振周波数を有する振動子である、超音波流量計。
請求項１において、
前記駆動部は、
前記２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数で送信側の前記超音波振動子を駆動する、超音波流量計。
請求項１において、
前記駆動部は、
前記２種類以上の共振周波数のうち高い方の共振周波数よりも高い周波数で送信側の前記超音波振動子を駆動する、超音波流量計。