JP2020180811A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の減衰が大きく、従来の技術では２回反射後の受信波を測定することが困難な気体でも、超音波振動子のバラツキや温度変化の影響を受けない真の伝搬時間を測定できる超音波流量計を提供する。【解決手段】１回目の受信波の第ｍ波目を受信検知回路８で検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子で１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を受信検知回路８で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２から受信遅れ時間ＴＲを算出し、マスク時間設定手段１２は、第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２と受信遅れ時間ＴＲから２回反射後の受信波を検知するためのマスク時間を設定し、マスク解除後すぐのゼロクロスを受信タイミングとして検知することによって、第２受信波を増幅することなく第２伝搬時間を測定可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、一対の送受信可能な超音波振動子を用いて超音波の伝搬時間を測定し、被測定流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来の超音波流量計に用いられている超音波伝搬時間の測定方法は、一対の送受信可能な超音波振動子を対向して配置し、一方の超音波振動子をバースト信号で駆動し、超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信して測定していた。図８は、伝搬時間の測定方法を説明する為の受信波形のイメージ図で、横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。図中の起点Ｔ０は駆動波１３の開始時点を、終点Ｔ１は駆動開始後、第ｍ（図ではｍ＝３）波終了時点を示す。Ｒ０は受信開始時点を、終点Ｒ１は受信開始後、第ｍ波終了時点を示す。

このように、駆動波１３の第ｍ波目のゼロクロス点を終点Ｔ１とし、受信側の超音波送受信器で受信した受信波１４の第ｍ波目のゼロクロス点を終点Ｒ１として、終点Ｔ１と終点Ｒ１との間の伝搬時間ＴＰ１を超音波伝搬時間として測定し、この伝搬時間を用いて流体の流速を計測し、流量を演算していた（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献２に記載された超音波流量計の構成を示すものである。この超音波流量計１００は流体の流れる測定流路１０１に設置した超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２を駆動する駆動回路１０３と、駆動回路１０３にスタート信号を出力する制御部１０４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部１０５と、超音波振動子１０２から送信した超音波を受ける超音波振動子１０７と、超音波振動子１０７の出力を増幅するアンプ１０６と、アンプ１０６の出力と検知基準電圧１５とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部１０５を停止させる受信検知回路１０８から構成されている。

また、音速に対する温度の影響を無視できるように伝搬時間逆数差法を用いるために、測定流路１の上流側から下流側への超音波の伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間が測定できるように、切り替えスイッチ１０９を備えている。

さらに、超音波振動子のバラツキや温度変化等によって超音波振動子内の遅れ時間や受信波形の変化による遅れ時間が変化した場合でも、超音波の伝搬時間が正確に測定できるように、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波（第１受信波）の第ｍ波目を受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波（第２受信波）の第ｍ波目を受信検知回路で受信するまでの第２の伝搬時間ＴＰ２を測定し、伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０と真の受信遅れ時間ＴＲを求める受信遅れ時間測定手段１１０を備えている。

図１０に第１受信波と第２受信波のイメージ図を示す。図に示すように、送信側の超音波振動子は、駆動波１３で駆動されて超音波信号を送信し、受信側の超音波振動子は第１受信波１４として受信する。同時に、反射波が発生して送信側の超音波振動子に波形２１として到達して反射される。そして、この反射波を受信側の超音波振動子が第２受信波２２として受信する。ここで、ＴＲが測定した伝搬時間の遅れ時間である（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−３３３０８号公報 特開２００５−１７２５５６号公報

しかしながら、天然ガスのように密度の低い気体においては、気体内伝搬中の超音波の減衰が大きく、真の伝搬時間ＴＰ０を測定するための２回目の受信波は１回目の受信波に比べて非常に小さく、１回目の受信波と同等に増幅することが困難であり、従来の受信方式では１回目の受信波と同等に正確な受信タイミングを測定することが困難という課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波の減衰が大きく、従来の技術では２回目の受信波を測定することが困難な気体でも、超音波振動子のバラツキや温度変化の影響を受けない真の伝搬時間を測定することによって、より高精度な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、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の前記超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、を備え、前記伝搬時間測定部は、送信側の前記超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路が検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の前記超音波振動子と送信側の前記超音波振動子で１回づつ反射して受信側の前記超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路が検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と前記第１伝搬時間ＴＰの差より受信側の超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出し、 前記受信検知回路は、前記第２伝搬時間ＴＰ２の測定時に前記第１伝搬時間ＴＰの３倍から予め設定されていた推定遅れ時間ＴＲ０の２倍を引いた時間より所定時間ＴＤだけ短い時間を前記２回目の受信波を受け付けない時間として第２受信波マスク時間ＴＭを設定するマスク時間設定手段を備えたことを特徴としたものである。

これによって、超音波の減衰が大きな気体についても超音波振動子のバラツキや温度変化の影響を受けない真の伝搬時間を測定することが可能になり、流量計測精度を向上させることができる。

本発明の超音波流量計は、従来技術で正確な測定が困難だった密度の低い気体の計測精度を向上できるとともに、受信回路の増幅率を向上させなくても２回目の受信波が測定できるため、消費電流の低減が可能になる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態１における超音波の受信波形のイメージ図 図２の第２受信波の拡大図 （ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態１が適用できる測定流路の構造例を示す図 本発明の実施の形態２における超音波の受信波形のイメージ図 本発明の実施の形態３における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態３における第２受信波形の拡大図 従来例の超音波の受信波形のイメージ図 従来例の超音波流量計の構成図 従来例の第２受信波を含む受信波形のイメージ図

第１の発明は、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の前記超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、を備え、前記伝搬時間測定部は、送信側の前記超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路が検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の前記超音波振動子と送信側の前記超音波振動子で１回づつ反射して受信側の前記超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路が検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と前記第１伝搬時間ＴＰの差より受信側の超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出し、前記受信検知回路は、前記第２伝搬時間ＴＰ２の測定時に前記第１伝搬時間ＴＰの３倍から予め設定されていた推定遅れ時間ＴＲ０の２倍を引いた時間より所定時間ＴＤだけ短い時間を前記２回目の受信波を受け付けない時間として第２受信波マスク時間ＴＭを設定するマスク時間設定手段を備えたことによって、超音波の減衰が大きな気体についても超音波振動子のバラツキや温度変化の影響を受けない真の伝搬時間を測定することが可能になり、流量計測精度を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明の構成に加えて、前記受信検知回路は、超音波流量計製造時に求めた遅れ時間ＴＲを超音波流量計完成後の初回の流量計測時の前記推定遅れ時間ＴＲ０として使用し、それ以降の流量計測時は前記推定遅れ時間ＴＲ０として、前回の流量計測時に求めた受信遅れ時間ＴＲを使用することによって、超音波流量計の各構成部品のバラツキによる前記遅れ時間ＴＲ０の差の影響をうけることなく、超音波の減衰が大きな気体についても超音波振動子のバラツキや温度変化の影響を受けない真の伝搬時間を測定することが可能になり、流量計測精度を向上させることができる。

第３の発明は、第１または２の発明の構成に加えて、受信波を増幅するアンプと、前記第２伝搬時間ＴＰ２が予め予測された第２伝搬時間推定範囲の範囲内か否かを判定する第２伝搬時間判定手段を備え、前記受信検知回路は、前記第２伝搬時間判定手段で範囲外と判断した場合に受信波の第ｍ波目を検知するための検知基準電圧と、前記アンプの増幅率を調整して前記第２伝搬時間ＴＰ２を再測定することによって、より第２伝搬時間の測定精度が向上し、超音波の減衰が大きな気体についても超音波振動子のバラツキや温度変化の影響を受けない真の伝搬時間を測定することが可能になり、流量計測精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。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、本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図を示すものである。

図１に示すように、超音波流量計２０は、流体の流れる測定流路１の上流と下流に設置した一対の超音波振動子２、７と、一対の超音波振動子２、７の送受信の設定切り替えを行う切り替えスイッチ９と、送信側に設定された超音波振動子を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、受信側に設定された超音波振動子で受信した超音波信号を所定の振幅に増幅するアンプ６と、アンプ６で増幅された受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路８とを備えている。

伝搬時間測定部５は、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波（第１受信波）の第ｍ波目を受信検知回路８が検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子で１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波（第２受信波）の第ｍ波目を受信検知回路８で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と第１伝搬時間ＴＰの差より受信遅れ時間ＴＲを算出する。

ここで、受信検知回路８は、予め設定された検知基準電圧とアンプ６で増幅された受信波を比較し、大小関係が反転したことで第ｍ波目を検知し、その後の最初のゼロクロスのタイミングを受信タイミングとし、伝搬時間測定部５は、送信開始から受信タイミングまでの時間を伝搬時間として測定する構成である。

また、受信検知回路８は、第２伝搬時間ＴＰ２の測定時に第１伝搬時間ＴＰの３倍から予め設定されていた推定遅れ時間ＴＲ０の２倍を引いた時間より所定時間ＴＤだけ短い時間を第２受信波を受け付けない時間として第２受信波マスク時間ＴＭを設定するマスク時間設定手段１２を備えている。そして、マスク時間設定手段１２は、第２受信波の想定される受信検知タイミング間際まで受信検知回路８における受信波の検知をマスクすることができる。

この第２受信波マスク時間ＴＭと第２受信波の受信タイミングの関係を図２に示す。なお、図２では、ｍ＝３として図示しており、以下、第ｍ波目を第３波目として説明する。

図２に示すように、第２受信波２２の受信タイミングである終点Ｒ２は第１受信波１４の第３波目を受信検知回路８が検知するまでの第１伝搬時間ＴＰが判っていれば、第１伝搬時間ＴＰの３倍から受信遅れ時間ＴＲの２倍を引いた時間であることが推定できる。

そこで、本発明では第１受信波の検知で測定した第１伝搬時間ＴＰを基に第２受信波マスク時間ＴＭを設定し、第２受信波２２の終点Ｒ２ぎりぎりまで第２受信波マスク時間ＴＭを設定し、第２伝搬時間ＴＰ２を正確に測定できるようにしている。ここで、第２受信波マスク時間ＴＭを設定するためには受信遅れ時間ＴＲが必要になるが、第２受信波マスク時間ＴＭの設定にはある程度誤差のある受信遅れ時間ＴＲでも問題無いため、超音波振動子の周波数等から予め設定された推定遅れ時間ＴＲ０を受信遅れ時間ＴＲとして使用する。

図３は図２の第２受信波２２を拡大した図である。

図３に示すように、受信検知回路８は、検知基準電圧１５とアンプ６による増幅後の受信波１４とを比較し、第２受信波マスク時間ＴＭが経過した後に大小関係が反転したタイミングＰを第３波目として検知し、タイミングＰ後の最初のゼロクロス点を第２受信波の受信タイミングである終点Ｒ２とし、伝搬時間測定部５は、送信開始タイミングである起点Ｔ０から終点Ｒ２までの伝搬時間ＴＰ２を測定する。

そして、図からわかるように、検知基準電圧１５を受信波のゼロクロスレベル近辺（第３波目より前の第１波目や第２波目を検知できる電圧）に設定しておいても、終点Ｒ２よりも所定時間ＴＤ（超音波の周波数の１周期）前に第２受信波マスク時間ＴＭを設定することによって、受信検知回路８は第３波目を検知することができ、伝搬時間測定部５は正確に第２受信波２２の終点Ｒ２を受信検知し、第２伝搬時間ＴＰ２を測定することができる。なお、所定時間ＴＤは、超音波の周波数の１周期に限らず、第２波を検知しない時間であれば良いことは言うまでもない。

これによって、第２受信波２２を第１受信波と同等の振幅まで増幅する必要がなくなり、超音波の減衰が大きい気体の流量を計測する場合においても第２伝搬時間ＴＰ２が正確に測定でき、高精度の超音波流量計を実現できる。

また、本発明に使用する測定流路と超音波振動子の配置と点線で示す超音波の伝搬経路の関係は、図１の構成に限定されず、図４に示すように測定流路１の上流と下流に配置された一対の超音波振動子２，７間の超音波の伝搬時間を測定して流体の流量を測定する超音波流量計すべてに適用できる。

図４（ａ）は、本実施の形態の説明で用いたもので超音波の伝搬経路が測定流路１の流れ方向に一致するように上流と下流に一対の超音波振動子２，７を対向して配置したもの、（ｂ）は、超音波の伝搬経路が測定流路１の流れ方向に対して斜めに横切るように上流と下流に一対の超音波振動子２，７を対向して配置したもの、（ｃ）は、測定流路１の上流と下流の同一面に一対の超音波振動子２，７を配置し、超音波の伝搬経路が測定流路１の対向する面に１回反射するようにしたもの、（ｄ）は、測定流路１の上流と下流の同一面に一対の超音波振動子２，７を配置し、超音波の伝搬経路が測定流路１の対向する面に２回反射するようにしたものである。

また、従来例のように第２受信波２２が第１受信波と同じ振幅まで増幅可能な気体においては、従来の受信検知方法を採用し、第１受信波測定時の増幅率から従来方式では困難と判断した場合のみ本発明のマスク時間設定手段を用いる構成としても良い。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態の超音波流量計も、図１と同様の構成をとる。基本的な構成、動作は実施の形態１と同じである。実施の形態１との差異は、マスク時間設定手段で設定される第２受信波マスク時間ＴＭを計算するときの推定遅れ時間ＴＲ０を各超音波流量計の部品バラつきや温度、気体の影響を考慮して更新できることである。

即ち、実施の形態２において、超音波流量計の製造時に温度、気体が安定した状態で当該の超音波流量計の製造時の環境で受信遅れ時間ＴＲを従来の方式で測定する。そして、この受信遅れ時間ＴＲを初期値として受信検知回路８に保存し、超音波流量計完成後の初回の流量計測時は製造時に測定した受信遅れ時間ＴＲを用いて第２受信波マスク時間ＴＭを決定し、それ以降の流量計測時は推定遅れ時間ＴＲ０として、前回の流量計測時に求めた遅れ時間ＴＲを使用するものである。

図５は、実施の形態２の第２受信波マスク時間ＴＭの決定方法を示すイメージ図で、基本的には実施の形態１と同様であるが、固定値だった推定遅れ時間ＴＲ０を前回の受信遅れ時間ＴＲ（ｎ−１）として、毎測定毎に更新することを特徴としている。ここで、前回の受信遅れ時間ＴＲ（ｎ−１）は前回の流量計測時に測定した第１伝搬時間ＴＰ（ｎ−１）と第２伝搬時間ＴＰ２（ｎ−１）から算出された遅れ時間である。そして、第２受信波
マスク時間ＴＭは、今回の流量計測で得られた第１伝搬時間ＴＰの３倍から前回の受信遅れ時間ＴＲ（ｎ−１）の２倍及び所定時間ＴＤを引いた時間で設定される。こうすることによって、超音波流量計の部品バラツキや周囲環境の影響を受けることなく正確な第２受信波マスク時間ＴＭが決定できるために、より高精度な超音波流量計を実現できる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。本実施の形態の超音波流量計も、図１と同様の構成をとる。基本的な構成、動作は実施の形態１と同じである。実施の形態１との差異は、図６に示すように、本実施の形態の超音波流量計３０は、第２伝搬時間判定手段１６を備えたことである。

第２伝搬時間判定手段１６は、第２受信波マスク時間ＴＭより第２伝搬時間ＴＰ２の推定される範囲を決めて、実際に測定された第２伝搬時間ＴＰ２が推定範囲ＴＫに収まっているかどうかを判定する。

図７に実施の形態３の説明の為の第２受信波２２の拡大図を示す。本実施の形態３では第２伝搬時間判定手段で推定範囲ＴＫの範囲外と判定された場合は、検知基準電圧１５とアンプ６の増幅率を変更し、推定範囲ＴＫの範囲内に第２伝搬時間ＴＰ２が収まるまで調整する。

また、ここで調整できない場合は、受信遅れ時間ＴＲを更新せずに次回の流量計測動作に移行する。こうすることによって、周囲環境の急激な変化やノイズによって、間違ったＴＲを設定することが無くなるため、流量計測の信頼性を向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波振動子のバラツキや周囲環境の影響を受けることなく、常に正確な超音波の伝搬時間を測定できるため、非常に高精度な超音波流量計を実現することが可能となり、流量測定基準器やガスメータ等の用途にも適用できる。

１ 測定流路
２、７ 超音波振動子
３ 駆動回路
４ 制御部
５ 伝搬時間測定部
６ アンプ
８ 受信検知回路
９ 切り替えスイッチ
１２ マスク時間設定手段
１６ 第２伝搬時間判定手段
２０、３０ 超音波流量計

Claims (3)

1. 超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、
   一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の前記超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、
   前記伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、
   受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、
   を備え、
   前記伝搬時間測定部は、送信側の前記超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路が検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の前記超音波振動子と送信側の前記超音波振動子で１回づつ反射して受信側の前記超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路が検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と前記第１伝搬時間ＴＰの差より受信側の超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出し、
   前記受信検知回路は、前記第２伝搬時間ＴＰ２の測定時に前記第１伝搬時間ＴＰの３倍から予め設定されていた推定遅れ時間ＴＲ０の２倍を引いた時間より所定時間ＴＤだけ短い時間を前記２回目の受信波を受け付けない時間として第２受信波マスク時間ＴＭを設定するマスク時間設定手段を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記受信検知回路は、超音波流量計製造時に求めた遅れ時間ＴＲを超音波流量計完成後の初回の流量計測時の前記推定遅れ時間ＴＲ０として使用し、それ以降の流量計測時は前記推定遅れ時間ＴＲ０として、前回の流量計測時に求めた受信遅れ時間ＴＲを使用することを特徴とした請求項１に記載の超音波流量計。
3. 受信波を増幅するアンプと、前記第２伝搬時間ＴＰ２が予め予測された第２伝搬時間推定範囲の範囲内か否かを判定する第２伝搬時間判定手段を備え、
   前記受信検知回路は、前記第２伝搬時間判定手段で範囲外と判断した場合に受信波の第ｍ波目を検知するための検知基準電圧と、前記アンプの増幅率を調整して前記第２伝搬時間ＴＰ２を再測定することを特徴とした請求項１または２記載の超音波流量計。

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