JP2019211267A - 超音波気体流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】実装面積および消費電流を低減し、調整の分解能を細かくする。【解決手段】超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れる流路１と、１対のトランスデューサ２，３と、一方のトランスデューサから超音波を送信させる送信部４と、他方のトランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅する受信部５と、受信部５によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較する比較部８と、超音波受信信号がレベル増大中に閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測する計時部９と、時間幅が予め指定された範囲内になるように受信部５のゲイン設定値を調整する制御部１１とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波気体流量計に関するものである。

超音波気体流量計は、図８（Ａ）または図８（Ｂ）に示すように、測定対象の気体が流れる流路１に対し１組のトランスデューサ（超音波圧電素子）２，３を配置する。上流側のトランスデューサ２を例えば５００ｋＨｚの共振周波数で駆動し、トランスデューサ２から超音波を送信させる。超音波が流路１内の気体中を伝搬して下流側のトランスデューサ３を励起する。このトランスデューサ３の出力を増幅することで受信信号が得られる。超音波の送信タイミングから受信信号の到達タイミングの時間計測を行なうことで、超音波の伝搬時間を計測できる。同様に、下流側のトランスデューサ３から超音波を送信し、上流側のトランスデューサ２で受信して、超音波の伝播時間を計測する。

トランスデューサ２からトランスデューサ３までの順方向（気体が流れる方向）の超音波の伝搬時間とトランスデューサ３からトランスデューサ２までの逆方向の超音波の伝搬時間とを比較することで、伝搬時間差が求められる。気体の流量がゼロの場合、原理的には伝搬時間差がゼロになるが、気体が流れている場合、流量に応じて伝搬時間差が生じる。したがって、伝搬時間差から気体の流量を算出することができる。

受信側のトランスデューサの出力には、個体差による変化、流量による変化、温度による変化、継時的な変化などが生じるため、トランスデューサの出力を増幅する際のゲイン、あるいは信号の受信を判定するための閾値を調整する必要がある。例えば特許文献１に開示された超音波気体流量計では、受信側のトランスデューサの出力を増幅した後の受信信号Ｓのピークレベルが、図９に示す第２閾値ＴＨ２と第３閾値ＴＨ３との間に入るようにゲインを調整する。

従来の超音波気体流量計では、ゲイン調整された受信信号Ｓが図９中の第１閾値ＴＨ１を超えて以降のゼロクロス点Ｘを検出することで、伝播時間を算出していた。つまり、一般的な超音波気体流量計では、受信信号Ｓの常に同じ波形の山のゼロクロス点を時間計測に使うようにしている。なお、ゲインを調整する代わりに、閾値自体を調整することでも、受信信号Ｓのピークレベルが、第２閾値ＴＨ２と第３閾値ＴＨ３との間に入るように調整することが可能である。

以上のような超音波気体流量計では、調整のために２つの閾値ＴＨ２，ＴＨ３を使うため、コンパレータを２つ用意する必要があり、実装面積および消費電流が増大し、また２つの閾値ＴＨ２，ＴＨ３の差の分だけ調整の分解能が粗くなるという問題点があった。

特許第３４７３４９１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、実装面積および消費電流を低減し、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能な超音波気体流量計を提供することを目的とする。

本発明の超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れるように構成された流路と、この流路の上流と下流に配置された１対のトランスデューサと、一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、この受信部のゲイン設定値を調整するように構成された制御部と、前記受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記受信部のゲイン設定値を調整することを特徴とするものである。

また、本発明の超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れるように構成された流路と、この流路の上流と下流に配置された１対のトランスデューサと、一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、この受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、前記閾値を調整するように構成された制御部と、一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記閾値を調整することを特徴とするものである。

また、本発明の超音波気体流量計の１構成例は、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが予め設定された同一の値であることを特徴とするものである。
また、本発明の超音波気体流量計の１構成例は、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが予め設定された同一の値であることを特徴とするものである。

本発明によれば、時間幅が予め指定された範囲内になるように受信部のゲイン設定値を調整するか、あるいは時間幅が予め指定された範囲内になるように閾値を調整することにより、１つのコンパレータ（比較部）で調整を実現することができる。その結果、本発明では、従来のように複数の閾値を用いる場合と比較してコンパレータの数を削減することができ、実装面積および消費電流を低減できると共に、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能である。

図１は、本発明の第１の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る超音波気体流量計のゲイン調整の動作を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の第１の実施例に係る超音波気体流量計のゲイン調整の動作を説明する波形図である。 図４は、本発明の第２の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の第２の実施例に係る超音波気体流量計の閾値調整の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の第２の実施例に係る超音波気体流量計の閾値調整の動作を説明する波形図である。 図７は、本発明の第１、第２の実施例に係る超音波気体流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図８は、従来の超音波気体流量計の動作原理を説明する図である。 図９は、従来の超音波気体流量計のゲイン調整の動作を説明する図である。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図である。超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れる流路１と、流路１の上流と下流に配置された１対のトランスデューサ（超音波圧電素子）２，３と、送信部４と、受信部５と、切替部６と、閾値記憶部７と、比較部８と、計時部９と、演算部１０と、制御部１１とを備えている。

本実施例では、１対のトランスデューサ２，３を、流路１の円形断面の円周上の位置が同じで、かつ気体の流れる方向の位置が異なる箇所に配置する。このため、超音波の送受信の伝播経路は図１に示すように流路１の内壁で反射させたＶ字型の伝播路となる。
なお、図８（Ａ）に示すように、１対のトランスデューサ２，３を、互いに向かい合うように流路１の上流と下流に配置してもよい。

上流側のトランスデューサ２から超音波を送信して、下流側のトランスデューサ３で受信する順方向のとき、制御部１１は、送信部４とトランスデューサ２とが接続され、トランスデューサ３と受信部５とが接続されるように切替部６を制御する。このとき、送信部４は、トランスデューサ２に対して駆動用の送信パルスを供給する。これにより、トランスデューサ２は、送信部４からの送信パルスに応じて、流路１内を流れる気体に対して斜め方向に超音波を送信する。トランスデューサ３は、トランスデューサ２から送出された超音波の反射波を受信する。受信部５は、トランスデューサ３の出力信号を増幅する。

比較部８は、受信部５によって増幅された超音波受信信号と閾値記憶部７に記憶されている閾値ＴＨ１とを比較する。
計時部９は、トランスデューサ２から超音波を送信したときから、トランスデューサ３で受信され受信部５で増幅された超音波受信信号が閾値ＴＨ１を超えて以降に最初に超音波受信信号のゼロクロス点（図９のＸ）が検出されるまでの伝播時間ｔ１を計測する。

反対に、下流側のトランスデューサ３から超音波を送信して、上流側のトランスデューサ２で受信する逆方向のとき、制御部１１は、送信部４とトランスデューサ３とが接続され、トランスデューサ２と受信部５とが接続されるように切替部６を制御する。このとき、送信部４は、トランスデューサ３に対して駆動用の送信パルスを供給する。これにより、トランスデューサ３は、送信部４からの送信パルスに応じて、流路１内を流れる気体に対して斜め方向に超音波を送信する。トランスデューサ２は、トランスデューサ３から送出された超音波の反射波を受信する。受信部５は、トランスデューサ２の出力信号を増幅する。

なお、本実施例では、順方向のときの受信部５のゲイン設定値と逆方向のときの受信部５のゲイン設定値とが個別に設定されている。一方、順方向のときの閾値ＴＨ１と逆方向のときの閾値ＴＨ１とは、予め設定された同一の値でよい。

比較部８の動作は上記のとおりである。計時部９は、トランスデューサ３から超音波を送信したときから、トランスデューサ２で受信され受信部５で増幅された超音波受信信号が閾値ＴＨ１を超えて以降に最初に超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間ｔ２を計測する。

演算部１０は、伝播時間ｔ１と伝播時間ｔ２との差である伝搬時間差（ｔ１−ｔ２）を基に例えば次式により気体の流速Ｖと流量Ｑと算出する。
Ｖ＝（ｔ１−ｔ２）×Ｌ／（２×ｔ１×ｔ２） ・・・（１）
Ｑ＝Ａ×Ｖ／ｋ ・・・（２）

式（４）におけるＡは流路１の断面積、ｋは所定の流量補正係数である。なお、式（１）、式（２）の求め方は１例であることは言うまでもない。

次に、以上のような流量計測中に行われる本実施例のゲイン（利得）調整について説明する。図２は本実施例のゲイン調整の動作を説明するフローチャート、図３は本実施例のゲイン調整の動作を説明する波形図である。
図２の超音波送信（ステップＳ１００）と超音波受信（ステップＳ１０１）の動作は上記のとおりである。

計時部９は、上記のような伝播時間ｔ１，ｔ２の計時とは別に、比較部８での比較結果を基に、受信部５で増幅された超音波受信信号Ｓが図３に示すようにレベル増大中に閾値ＴＨ１を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に閾値ＴＨ１を最後に過ぎて下回るまでの時間幅ｔ３を計測する（図２ステップＳ１０２）。

制御部１１は、計時部９によって計測された時間幅ｔ３が予め指定された基準時間幅の最小値ｔｍｉｎと最大値ｔｍａｘの範囲内かどうかを判定し（図２ステップＳ１０３）、時間幅ｔ３が最小値ｔｍｉｎ以上最大値ｔｍａｘ以下の場合には、調整処理を終了する。

また、制御部１１は、時間幅ｔ３が予め指定された基準時間幅の最小値ｔｍｉｎよりも短い場合、受信部５のゲイン設定値を所定幅だけ上げる（図２ステップＳ１０４）。また、制御部１１は、時間幅ｔ３が予め指定された基準時間幅の最大値ｔｍａｘよりも長い場合、受信部５のゲイン設定値を所定幅だけ下げる（図２ステップＳ１０５）。こうして、時間幅ｔ３が指定された範囲内になるまで、ステップＳ１００〜Ｓ１０５の処理を繰り返し実行する。

以上のようなゲイン調整を、順方向と逆方向の各々について例えば所定時間毎に行い、受信部５の順方向のゲイン設定値と逆方向のゲイン設定値とを個別に調整すればよい。
こうして、本実施例では、時間幅ｔ３が一定の範囲内になるように受信部５のゲイン設定値を調整することで、１つのコンパレータ（比較部８）で調整を実現することができる。その結果、本実施例では、従来のように複数の閾値を用いる場合と比較してコンパレータの数を削減することができ、実装面積および消費電流を低減できると共に、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能である。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図４は本発明の第２の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の超音波気体流量計は、流路１と、トランスデューサ２，３と、送信部４と、受信部５と、切替部６と、閾値記憶部７と、比較部８と、計時部９と、演算部１０と、制御部１１ａとを備えている。

測定対象の気体の流速Ｖと流量Ｑとを求める流量計測の動作は、第１の実施例と同様である。ただし、本実施例では、順方向のときの閾値ＴＨ１と逆方向のときの閾値ＴＨ１とが個別に設定されている。一方、順方向のときの受信部５のゲイン設定値と逆方向のときの受信部５のゲイン設定値とは、予め設定された同一の値でよい。

次に、流量計測中に行われる本実施例の閾値調整について説明する。図５は本実施例の閾値調整の動作を説明するフローチャート、図６は本実施例の閾値調整の動作を説明する波形図である。
図５のステップＳ２００，Ｓ２０１の動作は、それぞれ図２のステップＳ１００，Ｓ１０１と同じである。

計時部９は、ステップＳ２０２と同様に、受信部５で増幅された超音波受信信号Ｓが図６に示すようにレベル増大中に閾値ＴＨ１を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に閾値ＴＨ１を最後に過ぎて下回るまでの時間幅ｔ３を計測する（図５ステップＳ２０２）。

制御部１１ａは、計時部９によって計測された時間幅ｔ３が予め指定された基準時間幅の最小値ｔｍｉｎと最大値ｔｍａｘの範囲内かどうかを判定し（図５ステップＳ２０３）、時間幅ｔ３が最小値ｔｍｉｎ以上最大値ｔｍａｘ以下の場合には、調整処理を終了する。

また、制御部１１ａは、時間幅ｔ３が予め指定された基準時間幅の最小値ｔｍｉｎよりも短い場合、閾値記憶部７に記憶されている閾値ＴＨ１を所定幅だけ下げる（図５ステップＳ２０４）。図６に示すように閾値ＴＨ１をＴＨ１’に下げると、受信部５のゲイン設定値を上げた場合と同様の状態となり、時間幅ｔ３が増える方向に変更される。

また、制御部１１ａは、時間幅ｔ３が予め指定された基準時間幅の最大値ｔｍａｘよりも長い場合、受信部５のゲイン設定値を所定幅だけ上げる（図５ステップＳ２０５）。図６に示すように閾値ＴＨ１をＴＨ１”に上げると、受信部５のゲイン設定値を下げた場合と同様の状態となり、時間幅ｔ３が減る方向に変更される。こうして、時間幅ｔ３が指定された範囲内になるまで、ステップＳ２００〜Ｓ２０５の処理を繰り返し実行する。

以上のような閾値調整を、順方向と逆方向の各々について例えば所定時間毎に行い、順方向の閾値ＴＨ１と逆方向の閾値ＴＨ１とを個別に調整すればよい。
こうして、本実施例では、時間幅ｔ３が一定の範囲内になるように閾値ＴＨ１を調整することで、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、第１、第２の実施例において時間幅ｔ３の計測のための超音波受信信号Ｓを全波整流しローパスフィルタ処理を施した上で、時間幅ｔ３を計測するようにしてもよい。

第１、第２の実施例の超音波気体流量計のうち少なくとも閾値記憶部７と計時部９と演算部１０と制御部１１，１１ａとは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

このコンピュータの構成例を図７に示す。コンピュータは、ＣＰＵ１００と、記憶装置１０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）１０２とを備えている。Ｉ／Ｆ１０２には、超音波気体流量計の送信部４と受信部５と切替部６とが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の調整方法を実現させるためのプログラムは記憶装置１０１に格納される。ＣＰＵ１００は、記憶装置１０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、超音波を用いて気体の流量を計測する技術に適用することができる。

１…流路、２，３…トランスデューサ、４…送信部、５…受信部、６…切替部、７…閾値記憶部、８…比較部、９…計時部、１０…演算部、１１，１１ａ…制御部。

Claims (4)

1. 測定対象の気体が流れるように構成された流路と、
   この流路の上流と下流に配置された１対のトランスデューサと、
   一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、
   他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、
   この受信部のゲイン設定値を調整するように構成された制御部と、
   前記受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、
   一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、
   上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、
   前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、
   前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記受信部のゲイン設定値を調整することを特徴とする超音波気体流量計。
2. 測定対象の気体が流れるように構成された流路と、
   この流路の上流と下流に配置された１対のトランスデューサと、
   一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、
   他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、
   この受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、
   前記閾値を調整するように構成された制御部と、
   一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、
   上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、
   前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、
   前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記閾値を調整することを特徴とする超音波気体流量計。
3. 請求項１記載の超音波気体流量計において、
   前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが予め設定された同一の値であることを特徴とする超音波気体流量計。
4. 請求項１記載の超音波気体流量計において、
   前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが予め設定された同一の値であることを特徴とする超音波気体流量計。

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