JP2020180812A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】２回反射後の伝搬時間を測定して高精度を実現する超音波流量計において、消費電流の低減を実現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を算出する受信遅れ時間測定手段１０と、受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って保存し更新する伝搬時間補正値保存手段１２と、第１伝搬時間ＴＰと受信遅れ時間ＴＲから補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段１１と、補正伝搬時間ＴＰＣ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を備える。【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３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、他方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との間の時間を超音波の伝搬時間ＴＰ１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４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１０１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を備えたている。

図５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、特許文献２に記載された超音波流量計によると真の受信遅れ時間の測定が可能となり高精度の流量計測が行えるが、２回目の受信波を測定するためには通常の３倍の長さの伝搬時間を測定する必要があり、伝搬時間測定部を長く動作させるために、消費電流が非常に多くなる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、２回目の受信波を測定する回数を大幅に減らしても、計測精度を劣化させることなく超音波流量計の消費電流を削減できる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、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、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路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波目を前記受信検知回路で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと前記第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記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の差より受信側の前記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を算出する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段による前記受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って保存し更新する伝搬時間補正値保存手段と、前記受信遅れ時間ＴＲを用いて前記伝搬時間測定部で測定した前記第１伝搬時間ＴＰから前記受信遅れ時間ＴＲを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段と、前記補正伝搬時間ＴＣ又は前記真の伝搬時間ＴＰ０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、を備えたことを特徴としたものである。

これによって、２回目の受信波を測定する回数を大幅に減らしても、計測精度を劣化させることなく超音波流量計の消費電流を削減できる。

本発明の超音波流量計は、計測精度を劣化させることなく消費電流を削減できるため、超音波流量計に搭載する電池を少なくすることができ、超音波流量計の小型化とコストダウンが可能になる。

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２における超音波流量計の構成図 超音波の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 従来例の超音波流量計の構成図 第１受信波、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、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、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路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波目を前記受信検知回路で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと前記第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記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の差より受信側の前記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を算出する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段による前記受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って保存し更新する伝搬時間補正値保存手段と、前記受信遅れ時間ＴＲを用いて前記伝搬時間測定部で測定した前記第１伝搬時間ＴＰから前記受信遅れ時間ＴＲを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段と、前記補正伝搬時間ＴＣ又は前記真の伝搬時間ＴＰ０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、を備えたことによって、２回目の受信波を測定する回数を大幅に減らすことが可能になり、計測精度を劣化させることなく超音波流量計の消費電流を削減できる。

第２の発明は、第１の発明の構成に加えて、前記伝搬時間補正値保存手段は、一定間隔のタイミングで前記受信遅れ時間測定手段を用いた前記受信遅れ時間ＴＲの測定を行い、保存されている前記受信遅れ時間ＴＲを更新するものである。

第３の発明は、第１の発明の構成に加えて、被測定流体の温度を測定するための温度センサと、前記温度センサで測定した流体の温度と前記第１伝搬時間ＴＰと超音波の受信信号を所定の振幅に増幅する増幅率のいずれかが所定の値以上変化した場合に受信遅れ時間ＴＲを更新するタイミングと判定する受信遅れ時間測定タイミング決定手段とを備え、前記伝搬時間補正値保存手段は、前記受信遅れ時間測定タイミング決定手段で受信遅れ時間ＴＲを更新するタイミングと判定されたら、前記受信遅れ時間測定手段を用いて前記受信遅れ時間ＴＲを測定し、保存されている前記受信遅れ時間ＴＲを更新することによって、前記受信遅れ時間補正値が変化するタイミングで適格に受信遅れ時間を再測定することができるため、計測精度を劣化させずに超音波流量計の消費電流を削減できる。

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）
以下、本発明の実施の形態１について、図１、図３、図５を用いて説明する。

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、本実施の形態の超音波流量計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を備えている。なお、本実施の形態では、ｍ＝３としており、以下、第ｍ波目を第３波目として説明する。

ここで、受信検知回路８は、予め設定された検知基準電圧１５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３波目を検知（タイミングＰ）し、その後の最初のゼロクロス点である終点Ｒ１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、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３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（第２受信波）の第３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３波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出する受信遅れ時間測定手段１０と、受信遅れ時間測定手段１０による受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングでのみ行って保存し更新する伝搬時間補正値保存手段１２と、受信遅れ時間ＴＲを用いて測定した第１伝搬時間ＴＰから受信遅れ時間ＴＲを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段１１とを備えている。

そして、制御部４は、補正伝搬時間ＴＣ又は真の伝搬時間ＴＰ０から演算によって超音波振動子２，７間を満たす流体の流量を求める。

本実施の形態１において、伝搬時間補正値保存手段１２は、受信遅れ時間測定手段１０をあらかじめ設定された時間間隔で動作させて、測定された受信遅れ時間ＴＲを用いて、保存されている受信遅れ時間ＴＲを更新することを特徴としている。

そして、通常の流量計測時（受信遅れ時間測定手段１０による受信遅れ時間ＴＲの算出を行わない時）には、伝搬時間補正値保存手段１２に保存されている受信遅れ時間ＴＲを用いて第１伝搬時間ＴＰを補正して流量計算に使用する補正伝搬時間ＴＰＣをＴＰＣ＝ＴＰ−ＴＲで求めている。ここで、伝搬時間補正値保存手段１２としては、ＥＥＰＲＯＭやマイコン内のＲＡＭを使用して実現可能である。

なお、受信遅れ時間測定手段１０による受信遅れ時間ＴＲの算出を行なう場合は、第２伝搬時間ＴＰ２と第１伝搬時間ＴＰから真の伝搬時間ＴＰ０を求めることができるので、流量計算には真の伝搬時間ＴＰ０を使用することもできる。

また、受信遅れ時間測定手段１０を動作させる間隔としては、通常の使用環境での温度変化によって、受信遅れ時間ＴＲの変化が流量計算に影響しない程度として１分から１０分程度の所定のタイミングとすることが望ましい。通常、超音波流量計の計測間隔は数秒であるが、受信遅れ時間測定手段１０を動作させるタイミングを数分の一定間隔にすることによって、大幅に消費電流を削減できる。また、受信遅れ時間ＴＲの測定タイミングが減っても周囲環境で受信遅れ時間ＴＲが変化しないレベルでの頻度で更新するために、計測精度の劣化には繋がらない。

以上のように、受信遅れ時間測定手段１０による受信遅れ時間ＴＲの算出を所定のタイミング或いは一定間隔のタイミングで行うことで、２回目の受信波を測定する回数を大幅に減らすことが可能になり、計測精度を劣化させることなく超音波流量計の消費電流を削減できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図を示すものである。本実施の形態における超音波流量計３０の基本的な構成、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、測定流路１内に温度センサ１６を備え、被測定気体の温度を測定可能にしたことと、制御部４に受信遅れ時間測定タイミング決定手段１７を備えたことである。

受信遅れ時間測定タイミング決定手段１７では、温度センサ１６で測定した現在の温度と現在の第１伝搬時間ＴＰと現在の受信検知回路８で設定されている受信信号を所定の振幅に増幅するためのアンプ６の増幅率が前回の受信遅れ時間ＴＲを測定したタイミングのそれぞれの値と所定の値以上の差が無いかを判定し、流体の温度、第１伝搬時間ＴＰ、増幅率のいずれかが所定の値以上変化した場合に受信遅れ時間ＴＲを更新するタイミングと判定する。

そして、前記伝搬時間補正値保存手段は、受信遅れ時間測定タイミング決定手段１７で受信遅れ時間ＴＲを更新するタイミングと判定され場合のみ受信遅れ時間測定手段１０を動作させ、受信遅れ時間ＴＲを測定し、伝搬時間補正値保存手段１２に保存されている受信遅れ時間ＴＲを更新する。

以上により、周囲環境の温度変化や被測定気体のガス種の変化があった場合のみ受信遅れ時間測定手段を動作させることになるため、２回目の受信波を測定する回数を実施の形態１以上に減らすことが可能になり、消費電流の更なる削減が可能になる。

なお、本実施の形態では、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構成で説明したが、一対の超音波振動子２，７と超音波の伝搬経路はこれに限らず、（１）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、（２）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、（３）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など、種々の形態を採用できる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、２回目の受信波を測定するタイミングを大幅に減らすことが可能になり、計測精度を劣化させることなく超音波流量計の消費電流を削減できるため、搭載する電池を削減し、小型で高精度な超音波流量計を実現することが可能となり、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
１０ 受信遅れ時間測定手段
１１ 伝搬時間補正手段
１２ 伝搬時間補正値保存手段
１６ 温度センサ
１７ 受信遅れ時間測定タイミング決定手段
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、
   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、
   送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路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波目を前記受信検知回路で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと前記第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記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の差より受信側の前記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を算出する受信遅れ時間測定手段と、
   前記受信遅れ時間測定手段による前記受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って保存し更新する伝搬時間補正値保存手段と、
   前記受信遅れ時間ＴＲを用いて前記伝搬時間測定部で測定した前記第１伝搬時間ＴＰから前記受信遅れ時間ＴＲを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段と、
   前記補正伝搬時間ＴＣ又は前記真の伝搬時間ＴＰ０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、
   を備えた超音波流量計。
2. 前記伝搬時間補正値保存手段は、一定間隔のタイミングで前記受信遅れ時間測定手段を用いた前記受信遅れ時間ＴＲの測定を行い、保存されている前記受信遅れ時間ＴＲを更新する請求項１に記載の超音波流量計。
3. 被測定流体の温度を測定するための温度センサと、
   前記温度センサで測定した流体の温度と前記第１伝搬時間ＴＰと超音波の受信信号を所定の振幅に増幅する増幅率のいずれかが所定の値以上変化した場合に受信遅れ時間ＴＲを更新するタイミングと判定する受信遅れ時間測定タイミング決定手段とを備え、
   前記伝搬時間補正値保存手段は、前記受信遅れ時間測定タイミング決定手段で受信遅れ時間ＴＲを更新するタイミングと判定されたら、前記受信遅れ時間測定手段を用いて前記受信遅れ時間ＴＲを測定し、保存されている前記受信遅れ時間ＴＲを更新する請求項１に記載の超音波流量計。

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