JP2022099415A - Guide wave type ultrasonic flowmeter and flow rate measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直管状のチューブの長手方向に沿って超音波ガイド波を伝播させることで流体の流量を計測するガイド波式の超音波流量計、及びそれにおける流量計測方法に関するものである。 The present invention relates to a guided wave type ultrasonic flow meter that measures the flow rate of a fluid by propagating an ultrasonic guided wave along the longitudinal direction of a straight tubular tube, and a flow rate measuring method thereof.
流体の流量を計測するための装置として、超音波流量計がよく知られている。 従来の一般的な超音波流量計の場合、一対の超音波振動子を対向させて配置するために、流路となるチューブの部分が屈曲した形状となっている。そのため、圧力損失大きい、液溜りが生じてしまうといったデメリットがある。このような事情のもと、流路が屈曲していない直管状のチューブを用いたストレートタイプの超音波タイプの流量計に対する強い要望がある。ストレートタイプの超音波流量計のなかでも、チューブ長手方向に沿って伝播する超音波ガイド波を流量の計測に利用する、ガイド波式の超音波流量計が従来いくつか提案されている(例えば特許文献1を参照)。 An ultrasonic flow meter is well known as a device for measuring a fluid flow rate. In the case of a conventional general ultrasonic flow meter, in order to arrange a pair of ultrasonic transducers facing each other, the portion of the tube serving as a flow path has a bent shape. Therefore, there are disadvantages such as a large pressure loss and a liquid pool. Under these circumstances, there is a strong demand for a straight type ultrasonic type flow meter using a straight tubular tube whose flow path is not bent. Among the straight type ultrasonic flowmeters, some guide wave type ultrasonic flowmeters have been conventionally proposed that utilize the ultrasonic guided wave propagating along the longitudinal direction of the tube for measuring the flow rate (for example, Patent Documents). See 1).
具体例を挙げて説明すると、一般的なガイド波式の超音波流量計は、流体が流れる直管状のチューブを備えており、そのチューブの外周面に一対の超音波振動子が配置されている。これらの超音波振動子は例えば円環状をなしており、チューブ長手方向に互いに離間して配置されている。チューブ内における一対の超音波振動子間の領域は計測部となっている。そして、流体がチューブ内を流れているときに、一方の超音波振動子から超音波ガイド波を送信して他方の超音波振動子で受信する。このような送受信動作を流れに沿った正方向及び逆方向について複数回ずつ行い、超音波ガイド波の伝播時間差を計算することにより、流量が算出されるようになっている。なお、同じ方向に対して送受信動作を複数回行う場合には、送信の時間間隔を一定に設定することが一般的である。 To give a specific example, a general guided wave type ultrasonic flow meter is provided with a straight tubular tube through which a fluid flows, and a pair of ultrasonic transducers are arranged on the outer peripheral surface of the tube. .. These ultrasonic transducers have, for example, an annular shape, and are arranged apart from each other in the longitudinal direction of the tube. The area between the pair of ultrasonic transducers in the tube is the measuring unit. Then, when the fluid is flowing in the tube, the ultrasonic guided wave is transmitted from one ultrasonic vibrator and received by the other ultrasonic vibrator. The flow rate is calculated by performing such a transmission / reception operation a plurality of times in each of the forward and reverse directions along the flow and calculating the propagation time difference of the ultrasonic guided wave. When the transmission / reception operation is performed a plurality of times in the same direction, it is common to set the transmission time interval to be constant.
ところで、円環状の超音波振動子を駆動した場合、超音波ガイド波は計測部に面している内側端面から発信されるばかりでなく、計測部に面していない外側端面からも同様に発信される。つまり、超音波ガイド波は、計測に使用する受信側の超音波振動子に向かって伝播するばかりでなく、計測とは関係のない反対方向にも同じ分だけ伝播する。便宜上、計測に用いる前者の超音波ガイド波を「主要信号」と呼び、計測に用いない後者の超音波ガイド波を「不要信号」あるいは「音響ノイズ」と呼ぶことにする。 By the way, when an annular ultrasonic transducer is driven, the ultrasonic guided wave is transmitted not only from the inner end surface facing the measuring unit but also from the outer end surface not facing the measuring unit. Will be done. That is, the ultrasonic guided wave not only propagates toward the ultrasonic transducer on the receiving side used for the measurement, but also propagates in the opposite direction unrelated to the measurement by the same amount. For convenience, the former ultrasonic guided wave used for measurement is referred to as "main signal", and the latter ultrasonic guided wave not used for measurement is referred to as "unnecessary signal" or "acoustic noise".
一般的にガイド波式の超音波流量計では、超音波ガイド波の減衰が小さいことが知られている。それゆえ、長時間減衰しない不要信号がチューブ端や継手等で反射して残響となって計測部に戻ってきてしまい、必要信号の波形に音響ノイズとなって加算されることがある。このような音響ノイズは、測定誤差を生じさせる大きな原因となっている。 Generally, it is known that the attenuation of the ultrasonic guided wave is small in the guided wave type ultrasonic flow meter. Therefore, an unnecessary signal that is not attenuated for a long time may be reflected by the tube end, a joint, or the like and returned to the measurement unit as reverberation, and may be added as acoustic noise to the waveform of the required signal. Such acoustic noise is a major cause of measurement error.
ここで、図6を用いて説明する。例えばガイド波式の超音波流量計を使用する環境の温度が一定の条件下(例えばT1[℃]の条件下)であれば、一定の時間間隔で送信を行っても、音響ノイズが必要信号に加算されるタイミングは常に一定であり、時間差は生じない。この場合にはその環境温度(T1[℃])にてゼロ点調整を行って音響ノイズの影響をキャンセルすることができる。それゆえ、測定誤差は生じにくい。しかしながら、環境温度が一定でない条件下(例えばT1→T2[℃]となるような条件下)では、チューブの膨張等に起因して、音響ノイズが必要信号に加算されるタイミングが変わり、時間差が生じてしまう。即ち、温度条件の変化によってゼロ点のシフトが発生する。従って、ある温度でゼロ点調整を行って音響ノイズの影響をキャンセルできたとしても、温度変化により発生する時間差によって、音響ノイズが違うタイミングで加算されてしまう。この場合の音響ノイズはキャンセル不能であるため、結果として測定誤差が生じやすくなる。つまり、キャンセル不能な音響ノイズを発生させやすい上記従来装置は、温度特性に劣るものであったので、測定精度の向上のために音響ノイズの影響を軽減する何らかの対策が必要であると考えられていた。 Here, it will be described with reference to FIG. For example, if the temperature of the environment in which the guide wave type ultrasonic flow meter is used is constant (for example, under the condition of T1 [° C]), acoustic noise is required even if transmission is performed at regular time intervals. The timing of addition to is always constant, and there is no time difference. In this case, the influence of acoustic noise can be canceled by adjusting the zero point at the environmental temperature (T1 [° C.]). Therefore, measurement error is unlikely to occur. However, under conditions where the environmental temperature is not constant (for example, conditions where T1 → T2 [° C.]), the timing at which acoustic noise is added to the required signal changes due to expansion of the tube, etc., resulting in a time difference. It will occur. That is, a shift of the zero point occurs due to a change in temperature conditions. Therefore, even if the zero point adjustment can be performed at a certain temperature to cancel the influence of the acoustic noise, the acoustic noise is added at different timings due to the time difference generated by the temperature change. Since the acoustic noise in this case cannot be canceled, a measurement error is likely to occur as a result. That is, since the above-mentioned conventional device that easily generates irrevocable acoustic noise is inferior in temperature characteristics, it is considered that some measures for reducing the influence of acoustic noise are necessary to improve the measurement accuracy. rice field.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができるガイド波式の超音波流量計、流量計測方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is a guide wave type that can reduce the influence of acoustic noise even if the ambient temperature is not constant and can improve the measurement accuracy. The purpose is to provide an ultrasonic flow meter and a flow measurement method.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置した構造を備え、一方の前記超音波振動子から送信した超音波ガイド波を前記チューブ長手方向に沿って伝播させて他方の前記超音波振動子で受信する送受信動作を流れの正方向及び逆方向について複数回ずつ行い、正方向の伝播時間及び逆方向の伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する超音波流量計であって、同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることにより、送信タイミングを制御する送信タイミング制御部と、同じ方向への複数回の前記送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する波形合成部と、波形合成された前記受信信号から算出される前記伝播時間の差に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部とを備えることを特徴とするガイド波式の超音波流量計をその要旨とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
従って、請求項1に記載の発明によると、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔が毎回異なるものとなるように、送信タイミング制御部が送信タイミングを制御する。そして波形合成部が同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成することにより、音響ノイズのみがキャンセルされる。即ち、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う一方、毎回の送信において位相が異なる不要信号(音響ノイズ)は弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。よって、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、S/N比が改善される結果、測定精度を向上させることができる。 Therefore, according to the first aspect of the present invention, the transmission timing control unit controls the transmission timing so that the interval when performing a plurality of transmissions is different each time in a plurality of transmission / reception operations in the same direction. .. Then, only the acoustic noise is canceled by the waveform synthesizing unit synthesizing the waveforms of the plurality of received signals received by the plurality of transmission / reception operations in the same direction. That is, the main signals having the same phase are strengthened each other in each transmission, while the unnecessary signals (acoustic noise) having different phases in each transmission are weakened and averaged to be canceled. Therefore, even if the environmental temperature is not constant, the influence of acoustic noise can be reduced, and as a result of improving the S / N ratio, the measurement accuracy can be improved.
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記送信タイミング制御部は、送信の間隔の基準となる第1設定時間とその第1設定時間よりも短い複数種類の第2設定時間とを設定するとともに、複数種類の前記第2設定時間のうちから毎回異なるものを1つ選択して前記第1設定時間に加算及び/又は減算することにより、同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることをその要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the transmission timing control unit has a first set time as a reference for a transmission interval and a plurality of types of second set times shorter than the first set time. In addition to setting, by selecting one of the plurality of types of the second set time that is different each time and adding and / or subtracting to the first set time, in the transmission / reception operation a plurality of times in the same direction. The gist is that the intervals when multiple transmissions are performed are different each time.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2において、前記送信タイミング制御部は、前記超音波振動子の発振周波数から求められる周期をT、nを2以上の自然数、kを1以上n以下の自然数、送信の間隔の基準となる第1設定時間をtとし、同じ方向にn回連続して前記超音波ガイド波を送受信するときのk回目の送信と(k+1)回目の送信との間隔をtkと定義した場合、tk=t+(k-1)・T/nとなるように、前記送信タイミングを制御することをその要旨とする。 According to the third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the transmission timing control unit sets the period obtained from the oscillation frequency of the ultrasonic vibrator to T, n to a natural number of 2 or more, and k to 1 or more n. Let t be the first set time that serves as a reference for the following natural numbers and transmission intervals, and the kth transmission and the (k + 1) th transmission when the ultrasonic guided wave is transmitted and received n times in succession in the same direction. When the interval is defined as t k , the gist is to control the transmission timing so that t k = t + (k-1) · T / n.
請求項4に記載の発明は、請求項3において、前記自然数nは、4以上かつ32以下の偶数であることをその要旨とする。
The gist of the invention according to claim 4 is that the natural number n is an even number of 4 or more and 32 or less in
請求項5に記載の発明は、流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置し、前記超音波振動子によって超音波ガイド波を発生させて流量を計測する方法であって、上流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を下流側の前記超音波振動子で受信する正方向送受信ステップと、下流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を上流側の前記超音波振動子で受信する逆方向送受信ステップと、前記正方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第1波形合成信号を得るとともに、前記逆方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第2波形合成信号を得る波形合成ステップと、前記第1波形合成信号から正方向の伝播時間を求めかつ前記第2波形合成信号から逆方向の伝播時間を求めることで伝播時間の差を算出し、その伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出ステップとを含むことをその要旨とする。 In the invention according to claim 5, a pair of ultrasonic vibrators are arranged on the outer peripheral surface of a straight tubular tube through which fluid flows so as to be separated from each other in the longitudinal direction of the tube, and an ultrasonic guided wave is generated by the ultrasonic vibrator. It is a method of measuring the flow rate, in which the ultrasonic guide wave is transmitted a plurality of times from the ultrasonic vibrator on the upstream side and the transmission timing is changed by changing the transmission interval each time to change the transmission timing in the longitudinal direction of the tube. A positive transmission / reception step in which the ultrasonic guide wave propagating along the line is received by the ultrasonic vibrator on the downstream side, and the ultrasonic guide wave is transmitted a plurality of times from the ultrasonic vibrator on the downstream side, and the interval between the transmissions. The transmission timing is changed by changing each time, and the ultrasonic guide wave propagated along the longitudinal direction of the tube is received by the ultrasonic transducer on the upstream side in the reverse transmission / reception step and the forward transmission / reception step. A waveform synthesis step of synthesizing the waveforms of the plurality of received signals to obtain a first waveform synthesizing signal and synthesizing the waveforms of the plurality of received signals received in the reverse transmission / reception step to obtain a second waveform synthesizing signal. The difference in propagation time is calculated by obtaining the propagation time in the forward direction from the first waveform synthesis signal and the propagation time in the reverse direction from the second waveform synthesis signal, and the difference in propagation time is used to calculate the difference in propagation time of the fluid. The gist is to include a flow rate calculation step for calculating the flow rate.
従って、請求項5に記載の発明によると、正方向送受信ステップ及び逆方向送受信ステップでは、複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔が毎回異なるタイミングとなるように、それぞれ送信が行われる。波形合成ステップでは、同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成することにより、第1波形合成信号及び第2波形合成信号が得られる。このようにして得られた第1波形合成信号及び第2波形合成信号では、いずれも不要信号である音響ノイズのみがキャンセルされる。即ち、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う一方、毎回の送信において位相が異なる不要信号(音響ノイズ)は弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。それゆえ、流量算出ステップにおいて、低ノイズの第1波形合成信号及び第2波形合成信号に基づくことにより、正確に流量計算を行うことが可能となる。よって、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、S/N比が改善される結果、測定精度を向上させることができる。 Therefore, according to the invention of claim 5, in the forward transmission / reception step and the reverse transmission / reception step, the transmissions are performed so that the intervals at which the plurality of transmissions are performed are different each time in the plurality of transmission / reception operations. Will be done. In the waveform synthesis step, a first waveform synthesis signal and a second waveform synthesis signal are obtained by synthesizing the waveforms of a plurality of received signals received by a plurality of transmission / reception operations in the same direction. In both the first waveform composite signal and the second waveform composite signal thus obtained, only the acoustic noise which is an unnecessary signal is canceled. That is, the main signals having the same phase are strengthened each other in each transmission, while the unnecessary signals (acoustic noise) having different phases in each transmission are weakened and averaged to be canceled. Therefore, in the flow rate calculation step, it is possible to accurately calculate the flow rate by using the low noise first waveform synthesis signal and the second waveform synthesis signal. Therefore, even if the environmental temperature is not constant, the influence of acoustic noise can be reduced, and as a result of improving the S / N ratio, the measurement accuracy can be improved.
以上詳述したように、請求項1~5に記載の発明によると、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができる。
As described in detail above, according to the inventions of
以下、本発明を具体化した一実施形態のガイド波式の超音波流量計を図1~図5に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, a guide wave type ultrasonic flow meter according to an embodiment embodying the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
図1、図2に示されるように、本実施形態の超音波流量計11は、直管状のチューブ12の長手方向に沿って進む超音波ガイド波を利用して、チューブ12内を流れる液体の流量を計測するための装置である。この超音波流量計11は、流量計測管としての直管状のチューブ12を備えていることから、ストレートタイプの超音波流量計と称されることがある。チューブ12を流れる液体としては任意であって特に限定されないが、本実施形態では加熱された高温の液体(半導体洗浄液など)がチューブ12に流される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
チューブ12は可撓性を有する樹脂製であって、ここではフッ素樹脂の一種である四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン(PFA)を材料として用いて形成されている。勿論、チューブ12はPFA以外の樹脂材料を用いて形成されてもよく、例えば、ポリ塩化ビニル樹脂、シリコーンゴム、ポリエチレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などを用いて形成されてもよい。
The
図1、図2に示されるように、この超音波流量計11は、一対の超音波振動子21A、21Bを備えている。これらの超音波振動子21A、21Bは、チューブ12の外周面13に配設されている。便宜上、図1及び図2において左側に位置する超音波振動子を第1の超音波振動子21Aとし、図1及び図2において右側に位置する超音波振動子を第2の超音波振動子21Bとする。第1の超音波振動子21Aと第2の超音波振動子21Bとは、チューブ長手方向に沿って互いに離間した状態で配置されている。本実施形態の超音波振動子21A、21Bはともに円環状であって、同じ寸法を有する。具体的には、これら超音波振動子21A、21Bは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックスを用いて形成された圧電素子である。円環状をなす超音波振動子21A、21Bは中心孔24を有しており、その中心孔24の内周面はチューブ12の外周面13に対して密着されている。このとき、中心孔24の内周面とチューブ12の外周面13とは直接接して密着していてもよいが、音響整合層として機能するカップリング材層などを介して密着していてもよく、あるいは接着剤層を介して密着していてもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
チューブ12内における一対の超音波振動子21A、21B間の領域は、計測部31となっている。これら超音波振動子21A、21Bは、それぞれ第1側端面22及び第2速端面23を有している。第1の超音波振動子21Aの第1側端面22と、第2の超音波振動子21Bの第1側端面22とは、計測部31に面した状態で互いに対向して配置されている。第1の超音波振動子21Aの第2側端面23及び第2の超音波振動子21Bの第2側端面23は、計測部31に面しておらず、それぞれ計測部31がある方向とは反対方向(即ち計測部31の外部領域32)を向くように配置されている。
The region between the pair of
次に、図1に基づいて超音波流量計11の電気的構成について説明する。
Next, the electrical configuration of the
この超音波流量計11は計測制御装置41を備えている。この計測制御装置41は、一対の超音波振動子21A、21Bを駆動して計測部31内で送受信を行うことにより、チューブ12内を流れる液体の流量を演算によって求めるための装置である。本実施形態の計測制御装置41は、信号処理部42、演算処理部43、入力装置44及び表示装置45等を備えている。信号処理部42は、一対の超音波振動子21A、21Bを駆動するための駆動信号を出力する回路などを含んでいる。
The
なお、一対の超音波振動子21A、21Bを駆動するときの周波数は特に限定されず高周波数であればよいが、超音波ガイド波を励起させうる周波数であることが必要である。本実施形態では例えば200kHz~300kHz程度に設定している。
The frequency when driving the pair of
演算処理部43は、従来周知のCPU46やメモリ47等を含んで構成された処理回路である。メモリ47には、制御プログラムやデータが記憶されており、CPU46は、メモリ47に記憶されている制御プログラムに基づいて流量計算のための演算処理や表示処理を行う。
The
また、入力装置44は、各種の操作ボタンを有し、測定の開始・終了、表示モードの設定などを行う。表示装置45は、例えば液晶ディスプレイであり、演算処理部43にて算出された流量を表示する。
Further, the
本実施形態のCPU46は、送信タイミング制御部としての役割を担っている。送信タイミング制御部であるCPU46は、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることにより、送信タイミングを制御する。具体的にいうと、CPU46は、送信の間隔の基準となる第1設定時間tと、その第1設定時間tよりも短い複数種類の第2設定時間t´とを設定する。そしてCPU46は、複数種類の第2設定時間t´のうちから毎回異なるものを1つ選択して、第1設定時間tに加算することにより、送信タイミングの制御を行う。換言すると、本実施形態では、第1設定時間tに対して毎回異なる第2設定時間t´(即ち毎回異なる遅延時間)が加算されることで、送信タイミングが少しずつ遅延するようになっている。なお、複数種類の第2設定時間t´は、限定されず任意に決定されるが、例えば第1設定時間tの半分以下の長さ、好ましくは数分の1以下の長さに設定される。より詳しく説明すると、本実施形態において複数種類の第2設定時間t´は下記のようにして決定される。
The
超音波振動子21A、21Bの発振周波数から求められる周期をTと定義する。nを2以上の自然数と定義する。kを1以上n以下の自然数と定義する。送信の間隔の基準となる第1設定時間は、既に示したようにtである。そして、同じ方向にn回連続して超音波ガイド波を送受信するときのk回目の送信と(k+1)回目の送信との間隔をtkと定義する。この場合において、CPU46は、k回目の送信と(k+1)回目の送信との間隔tkがt+(k-1)・T/nとなるように送信タイミングを設定し、その設定に基づいて送信タイミングを制御するようになっている。つまり、CPU46は、複数種類の第2設定時間t´を(k-1)・T/nに設定し、超音波ガイド波の送信時に第1設定時間tにこれを加算して送信タイミングを設定すると把握することもできる。周期Tを除する自然数nは、2以上であれば特に限定されないが、偶数(2の倍数)であることが好ましく、4以上かつ32以下の偶数であることがより好ましい。nの値が小さすぎると音響ノイズを十分に平均化できないおそれがある。また、nの値が必要以上に大きくなったとしても、音響ノイズを平均化する効果の大幅な向上は期待できず、かえって演算処理の負担増大や、演算処理の所要時間の増加につながるおそれがある。以上のような事情を考慮して、本実施形態ではn=8に設定している。
The period obtained from the oscillation frequencies of the
図3(a)は、従来例における超音波ガイド波の送信タイミング(上段)と、本実施形態における超音波ガイド波の送信タイミング(下段)とを比較して説明するためのタイムチャートである。横軸は時間軸であり、縦棒は左から順に、1回目、2回目、3回目・・・の送信タイミングを示している。上段のタイムチャートでは、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔tkが、毎回tに設定される。即ち間隔tkは一定とされているため、送信タイミングに遅延は生じない。これに対し、下段のタイムチャートでは、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔tkは、毎回一定時間ずつ長くなっている。具体的には、1回目の送信と2回目の送信との間隔t1がt、2回目の送信と3回目の送信との間隔t2がt+T/n、3回目の送信と4回目の送信との間隔t3がt+2・T/n、4回目の送信と5回目の送信との間隔t4がt+3・T/n、・・・となるように、送信タイミングが設定される。つまり、毎回の送信ごとにT/nずつ遅延時間が増えていく。
FIG. 3A is a time chart for comparing and explaining the transmission timing of the ultrasonic guided wave (upper row) in the conventional example and the transmission timing of the ultrasonic guided wave (lower row) in the present embodiment. The horizontal axis is the time axis, and the vertical bar indicates the transmission timing of the first, second, third, and so on in order from the left. In the upper time chart, the interval tk when performing a plurality of transmissions in a plurality of transmission / reception operations in the same direction is set to t each time. That is, since the interval tk is constant, there is no delay in the transmission timing. On the other hand, in the lower time chart, the interval tk when performing a plurality of transmissions in a plurality of transmission / reception operations in the same direction is longer by a fixed time each time. Specifically, the interval t 1 between the first transmission and the second transmission is t, and the interval t 2 between the second transmission and the third transmission is t + T / n, the third transmission and the fourth transmission. The transmission timing is set so that the
図3(b)は、図3(a)下段のタイムチャートのような送信タイミングで超音波ガイド波の送信を行ったときの信号波形を示すグラフである。これによると、主要信号については、毎回の送信において位相が同じであることがわかる。一方、不要信号(音響ノイズ)については、毎回の送信において位相が異なることがわかる。 FIG. 3B is a graph showing a signal waveform when an ultrasonic guided wave is transmitted at a transmission timing as shown in the time chart at the bottom of FIG. 3A. According to this, it can be seen that the phase of the main signal is the same in each transmission. On the other hand, it can be seen that the phases of unnecessary signals (acoustic noise) are different in each transmission.
図4(a)は、本実施形態において同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を示すグラフであり、図4(b)は図4(a)における所定の領域R1を拡大したグラフである。図4(b)によると、主要信号については、いずれも位相が同じである。それゆえ、8回の送信により得られた8つの受信波形における主要信号の部分は、重なり合っている。一方、不要信号(音響ノイズ)については、いずれも位相が少しずつ異なる。それゆえ、8回の送信により得られた8つの受信波形における不要信号は、時間方向に少しずつずれている。 FIG. 4A is a graph showing waveforms of a plurality of received signals received in a plurality of transmission / reception operations in the same direction in the present embodiment, and FIG. 4B is a predetermined region in FIG. 4A. It is a graph which enlarged R1. According to FIG. 4B, all the main signals have the same phase. Therefore, the parts of the main signal in the eight received waveforms obtained by the eight transmissions overlap. On the other hand, the phases of unnecessary signals (acoustic noise) are slightly different. Therefore, the unnecessary signals in the eight received waveforms obtained by the eight transmissions are slightly shifted in the time direction.
図5(a)は、従来例において同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を示すグラフであり、図5(b)は図5(a)における所定の領域R1を拡大したグラフである。図5(b)によると、主要信号については、いずれも位相が同じである。それゆえ、8回の送信により得られた8つの受信波形における主要信号の部分は、重なり合っている。一方、不要信号(音響ノイズ)についても、いずれも位相が同じである。それゆえ、8回の送信により得られた8つの受信波形における不要信号も、重なり合っている。従って、図4(b)と比較すると、不要信号(音響ノイズ)のレベルが大きく、周期性を持った状態を保っている。 FIG. 5A is a graph showing waveforms of a plurality of received signals received in a plurality of transmission / reception operations in the same direction in the conventional example, and FIG. 5B is a graph showing a predetermined region R1 in FIG. 5A. It is an enlarged graph of. According to FIG. 5B, all the main signals have the same phase. Therefore, the parts of the main signal in the eight received waveforms obtained by the eight transmissions overlap. On the other hand, the phases of the unnecessary signals (acoustic noise) are the same. Therefore, the unnecessary signals in the eight received waveforms obtained by the eight transmissions also overlap. Therefore, as compared with FIG. 4B, the level of the unnecessary signal (acoustic noise) is large, and the state with periodicity is maintained.
本実施形態のCPU46は、さらに波形合成部としての役割を担っている。波形合成部であるCPU46は、同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する。波形合成を行うと、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う。その一方で、毎回の送信において位相が異なる不要信号(音響ノイズ)は弱め合って平均化される。その結果、波形合成された受信信号中において音響ノイズのみがキャンセルされる。
The
本実施形態のCPU46は、さらに流量算出部としての役割を担っている。流量算出部であるCPU46は、波形合成された受信信号から算出される伝播時間の差に基づいて、流体の流量を算出する。
The
次に、このように構成された超音波流量計11における測定動作について説明する。
Next, the measurement operation in the
流量の測定は液体がチューブ12内を所定方向に流れているときに行われる。例えば、図1及び図2の左側から右側に向かって液体が流れているものとする。このとき、第1の超音波振動子21Aが上流側に位置する超音波振動子、第2の超音波振動子21Bが下流側に位置する超音波振動子ということになる。この状態で操作ボタンを操作して流量測定の開始を指示すると、CPU46の指令によって信号処理部42が駆動される。すると、一対の超音波振動子21A、21Bに超音波ガイド波の送受信を開始する。
The flow rate measurement is performed when the liquid is flowing in the
まず、CPU46は正方向送受信ステップを実行し、上流側である第1の超音波振動子21Aに超音波ガイド波を8回送信させる。このとき、当該送信の間隔tkがT/8ずつ長くなるよう設定にして、毎回の送信タイミングを一定時間ずつ遅延させる。そして、超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って計測部31内を流れの正方向に伝播させ、その超音波ガイド波を下流側である第2の超音波振動子21Bで受信する。第2の超音波振動子21Bが受信した受信8回分の受信信号は、メモリ47内に逐次格納される。
First, the
また、CPU46は逆方向送受信ステップを実行し、下流側である第2の超音波振動子21Bに超音波ガイド波を8回送信させる。このとき、当該送信の間隔tkがT/8ずつ長くなるよう設定にして、毎回の送信タイミングを一定時間ずつ遅延させる。そして、超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って計測部31内を流れの逆方向に伝播させ、その超音波ガイド波を上流側である第1の超音波振動子21Aで受信する。第1の超音波振動子21Aが受信した8回分の受信信号も、メモリ47内に逐次格納される。
Further, the
次に、CPU46は波形合成ステップを実行する。即ち、正方向送受信ステップで受信した8回分の受信信号の波形を合成して第1波形合成信号を得るとともに、逆方向送受信ステップで受信した8回分の受信信号の波形を合成して第2波形合成信号を得る。このステップにより得られた第1波形合成信号及び第2波形合成信号において、主要信号は互いに強め合う。一方、不要信号(音響ノイズ)は互いに弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。つまり、波形合成ステップを経ることで受信信号のS/N比が改善される。
Next, the
次に、CPU46は流量算出ステップを実行する。即ち、第1波形合成信号から正方向の伝播時間を求め、かつ第2波形合成信号から逆方向の伝播時間を求めたうえで、その差を算出する。そして、この伝播時間の差に基づいて流体の流速を算出し、さらに流速に基づいて流量を算出する。その結果、表示装置45が算出された流量値を表示するようになっている。
Next, the
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1)本実施形態のガイド波式の超音波流量計11では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔が毎回異なるものとなるように、送信タイミング制御部が超音波ガイド波の送信タイミングを制御する。そして波形合成部が同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成することにより、音響ノイズのみがキャンセルされる。即ち、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う一方、毎回の送信において位相が異なる不要信号(音響ノイズ)は弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。よって、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、S/N比が改善される結果、測定精度を向上させることができる。従って、温度特性及び測定精度に優れたガイド波式の超音波流量計11を実現することができる。
(1) In the guide wave type
(2)本実施形態では、送信タイミング制御部が、超音波ガイド波の送信タイミングを一定時間ずつ遅延させるように制御している。またこの場合において送信タイミング制御部は、遅延時間(即ち第2設定時間t´)を、超音波振動子21A、21Bの発振周波数から求められる周期Tに基づいて設定している。このように遅延時間を設定し、毎回T/8ずつ送信タイミングをずらしていくことにより、比較的少ない送信回数であっても効果的かつ安定的に音響ノイズをキャンセルすることが可能となる。
(2) In the present embodiment, the transmission timing control unit controls the transmission timing of the ultrasonic guided wave so as to be delayed by a fixed time. Further, in this case, the transmission timing control unit sets the delay time (that is, the second set time t') based on the period T obtained from the oscillation frequencies of the
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。 The embodiment of the present invention may be changed as follows.
・上記実施形態では超音波振動子21A、21Bは円環状であったが、例えば超音波振動子を半円環状とし、これらを2つ組み合わせて配置することで、全体として環状をなすような構造としてもよい。あるいは、超音波振動子を四半円環状とし、これらを4つ組み合わせて配置することで、全体として環状をなすような構造としてもよい。また、半円環状や四半円環状ではない形状(例えば円板状や円柱状など)の超音波振動子を複数個用い、それらが全体として環状をなすように配置してもよい。具体的には、複数個の超音波振動子を用いるとともに、それらをチューブ12の中心軸線に対して回転対称になるように、チューブ12における同一位置にて周方向に沿って均等な角度で配置してもよい。
-In the above embodiment, the
・上記実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる超音波振動子21A、21Bを用いたが、超音波振動子21A、21Bの形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系(ニオブ酸アルカリ系)の圧電セラミックスからなる超音波振動子などを用いても勿論よい。
-In the above embodiment, the
・上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの回数を8回(即ちn=8)に設定したが、8回以外の回数に設定しても勿論構わない。また、上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔tkを、毎回一定時間ずつ長くなるように設定したが、これに限定されない。つまり、本実施形態では毎回の送信ごとにT/nずつ遅延時間が増えていくように設定したが、これに限定されない。その具体例としては、例えば、1回目の送信と2回目の送信との間隔t1がt、2回目の送信と3回目の送信との間隔t2がt+T/n、3回目の送信と4回目の送信との間隔t3がt+3・T/n、4回目の送信と5回目の送信との間隔t4がt+6・T/n、・・・となるように、送信タイミングを設定してもよい。 -In the above embodiment, the number of times when multiple transmissions are performed in the multiple transmission / reception operations in the same direction is set to 8 times (that is, n = 8), but of course, it may be set to a number other than 8 times. I do not care. Further, in the above embodiment, the interval tk when performing a plurality of transmissions in a plurality of transmission / reception operations in the same direction is set to be longer by a fixed time each time, but the present invention is not limited to this. That is, in the present embodiment, the delay time is set to increase by T / n for each transmission, but the delay time is not limited to this. As a specific example, for example, the interval t 1 between the first transmission and the second transmission is t, and the interval t 2 between the second transmission and the third transmission is t + T / n, the third transmission and 4 Set the transmission timing so that the interval t 3 with the fourth transmission is t + 3 · T / n, the interval t 4 between the fourth transmission and the fifth transmission is t + 6 · T / n, and so on. May be good.
・上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔tkを、毎回一定時間ずつ長くなるように設定したが、これに限定されず毎回一定時間ずつ短くなるように設定してもよい。 -In the above embodiment, the interval tk when performing multiple transmissions in a plurality of transmission / reception operations in the same direction is set to be longer by a fixed time each time, but the interval is not limited to this and is fixed by a fixed time each time. It may be set to be short.
・上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔tkを毎回一定時間ずつ変更したが、これに限定されない。即ち、当該間隔tkを設定するにあたり、複数種類の第2設定時間t´のなかから1つをアトランダムに選択して第1設定時間tに加算するようにしてもよい。 -In the above embodiment, the interval tk when performing a plurality of transmissions in a plurality of transmission / reception operations in the same direction is changed by a fixed time each time, but the present invention is not limited to this. That is, when setting the interval t k , one of a plurality of types of the second set time t'may be randomly selected and added to the first set time t.
・上記実施形態では、送信タイミング制御部は、遅延時間(即ち第2設定時間t´)を、超音波振動子21A、21Bの発振周波数から求められる周期Tに基づいて設定していたが、発振周波数や周期Tとは無関係に遅延時間を設定しても勿論構わない。
-In the above embodiment, the transmission timing control unit sets the delay time (that is, the second set time t') based on the period T obtained from the oscillation frequencies of the
11…ガイド波式の超音波流量計
12…チューブ
13…(チューブの)外周面
21A…(第1の)超音波振動子
21B…(第2の)超音波振動子
46…送信タイミング制御部、波形合成部、流量算出部としてのCPU
t…第1設定時間
t´…第2設定時間
T…周期
n…自然数
k…1以上n以下の自然数
tk…間隔
11 ... Guided wave type
t ... 1st set time t'... 2nd set time T ... Period n ... Natural number k ... Natural number of 1 or more and n or less t k ... Interval
Claims (5)
同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることにより、送信タイミングを制御する送信タイミング制御部と、
同じ方向への複数回の前記送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する波形合成部と、
波形合成された前記受信信号から算出される前記伝播時間の差に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部と
を備えることを特徴とするガイド波式の超音波流量計。 It has a structure in which ultrasonic oscillators are arranged in pairs on the outer peripheral surface of a straight tubular tube through which fluid flows, with the ultrasonic oscillators spaced apart in the longitudinal direction of the tube, and the ultrasonic guided waves transmitted from one of the ultrasonic oscillators are transmitted in the longitudinal direction of the tube. The transmission / reception operation of propagating along the line and receiving by the other ultrasonic transducer is performed a plurality of times in the forward direction and the reverse direction of the flow, and the difference between the propagation time in the forward direction and the propagation time in the reverse direction of the fluid is used. An ultrasonic flow meter that calculates the flow rate.
A transmission timing control unit that controls transmission timing by making the interval when performing multiple transmissions in the same transmission / reception operation in the same direction different each time.
A waveform synthesizer that synthesizes the waveforms of a plurality of received signals received in the transmission / reception operation multiple times in the same direction, and a waveform synthesizer.
A guide wave type ultrasonic flow meter including a flow rate calculation unit for calculating the flow rate of the fluid based on the difference in propagation time calculated from the received signal whose waveform is synthesized.
送信の間隔の基準となる第1設定時間とその第1設定時間よりも短い複数種類の第2設定時間とを設定するとともに、複数種類の前記第2設定時間のうちから毎回異なるものを1つ選択して前記第1設定時間に加算及び/又は減算することにより、
同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせる
ことを特徴とする請求項1に記載のガイド波式の超音波流量計。 The transmission timing control unit is
A first set time that serves as a reference for the transmission interval and a plurality of types of second set times that are shorter than the first set time are set, and one of the plurality of types of the second set times that is different each time is set. By selecting and adding and / or subtracting to the first set time,
The guide wave type ultrasonic flow meter according to claim 1, wherein the interval when performing a plurality of transmissions in a plurality of transmission / reception operations in the same direction is different each time.
前記超音波振動子の発振周波数から求められる周期をT、nを2以上の自然数、kを1以上n以下の自然数、送信の間隔の基準となる第1設定時間をtとし、同じ方向にn回連続して前記超音波ガイド波を送受信するときのk回目の送信と(k+1)回目の送信との間隔をtkと定義した場合、
tk=t+(k-1)・T/nとなるように、前記送信タイミングを制御する
ことを特徴とする請求項1に記載のガイド波式の超音波流量計。 The transmission timing control unit is
The period obtained from the oscillation frequency of the ultrasonic transducer is T, n is a natural number of 2 or more, k is a natural number of 1 or more and n or less, and the first set time as a reference of the transmission interval is t, and n in the same direction. When the interval between the kth transmission and the ( k + 1) th transmission when transmitting and receiving the ultrasonic guide wave continuously is defined as tk,
The guided wave type ultrasonic flow meter according to claim 1, wherein the transmission timing is controlled so that tk = t + ( k -1) · T / n.
上流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を下流側の前記超音波振動子で受信する正方向送受信ステップと、
下流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を上流側の前記超音波振動子で受信する逆方向送受信ステップと、
前記正方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第1波形合成信号を得るとともに、前記逆方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第2波形合成信号を得る波形合成ステップと、
前記第1波形合成信号から正方向の伝播時間を求めかつ前記第2波形合成信号から逆方向の伝播時間を求めることで伝播時間の差を算出し、その伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出ステップと
を含むことを特徴とする流量計測方法。 A method in which ultrasonic oscillators are arranged in pairs on the outer peripheral surface of a straight tubular tube through which a fluid flows, separated in the longitudinal direction of the tube, and an ultrasonic guided wave is generated by the ultrasonic oscillator to measure the flow rate.
The ultrasonic guide wave is transmitted multiple times from the ultrasonic transducer on the upstream side, and the transmission timing is changed by changing the transmission interval each time, and the ultrasonic guide wave propagating along the longitudinal direction of the tube is transmitted. The forward transmission / reception step received by the ultrasonic transducer on the downstream side,
The ultrasonic guided wave is transmitted from the ultrasonic transducer on the downstream side a plurality of times, and the transmission timing is changed by changing the transmission interval each time, so that the ultrasonic guided wave propagated along the longitudinal direction of the tube is transmitted. The reverse transmission / reception step received by the ultrasonic transducer on the upstream side,
A first waveform composite signal is obtained by synthesizing the waveforms of a plurality of received signals received in the forward transmission / reception step, and a second waveform composite signal is synthesized by synthesizing the waveforms of the plurality of received signals received in the reverse transmission / reception step. And the waveform synthesis step to get
The difference in propagation time is calculated by obtaining the propagation time in the forward direction from the first waveform synthesis signal and the propagation time in the reverse direction from the second waveform synthesis signal, and the difference in propagation time is calculated based on the difference in propagation time. A flow rate measuring method including a flow rate calculation step for calculating a flow rate.
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