JP2022126902A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に対し、計測精度を向上可能とする。【解決手段】一対の出力端子を有し、超音波を受信するトランスデューサ１１と、トランスデューサ１１が有する一対の出力端子に接続された一対の入力端子を有し、当該トランスデューサ１１により受信された超音波に対して受信処理を行う受信回路１３１と、トランスデューサ１１が有する一対の出力端子を短絡可能な短絡スイッチ１３２と、受信回路１３１が起動し、当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まった後に、短絡スイッチ１３２をオフに切替えるスイッチ制御部１３３とを備えた。【選択図】図４

Description

この発明は、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計に関する。

従来、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計が知られている（例えば特許文献１参照）。この超音波流量計では、流路に対して、一組のトランスデューサ（超音波圧電素子）が、取付けられている。
そして、この超音波流量計では、一方のトランスデューサが、共振周波数（例えば５００ｋＨｚ）で駆動し、超音波を出す。そして、この超音波が伝搬して他方のトランスデューサを励起し、これを増幅することで受信信号を得る。そして、この超音波流量計では、超音波の送信タイミングと受信信号の到達タイミングとの間の時間を計測することで、伝搬時間が計測可能である。そして、超音波流量計は、同様の動作を、上流側と下流側の送受信を入替えて行い、両者を比較することで伝搬時間差を求める。ここで、流量が無い場合には、原理的には、伝搬時間差はゼロとなる。一方、流量がある場合には、伝搬時間さが流量に応じて生じる。このようにして、超音波流量計は、流量を計測する。

特開２０２０－１３４４３９号公報

超音波流量計の用途としては、石油プラントの流量制御系統における劣化診断、又は、不具合検出のような、精密な計測精度があまり要求されないものもある。一方で、ガスメータのようにガス使用量の課金に関わるものでは、高精密な計測精度が要求される。よって、常に高精度化が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、計測精度を向上可能な超音波流量計を提供することを目的としている。

この発明に係る超音波流量計は、一対の出力端子を有し、超音波を受信するトランスデューサと、トランスデューサが有する一対の出力端子に接続された一対の入力端子を有し、当該トランスデューサにより受信された超音波に対して受信処理を行う受信回路と、トランスデューサが有する一対の出力端子を短絡可能な短絡スイッチと、受信回路が起動し、当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まった後に、短絡スイッチをオフに切替えるスイッチ制御部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対し、計測精度を向上可能となる。

実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。 実施の形態１における送受信部の構成例を示す図である。 実施の形態１におけるトランスデューサの取付け例を示す図である。 実施の形態１における受信部の構成例を示す図である。 実施の形態１におけるスイッチ制御部の構成例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
超音波流量計は、超音波を用いて、計測対象とする流体の流量を計測する。この超音波流量計は、例えば、ガスメータに適用され、ガスの流量を計測する。この超音波流量計は、図１に示すように、送受信部（第１の送受信部）１－１、送受信部（第２の送受信部）１－２及び計測部２を備えている。

なおここでは、同一の構成要素が複数系統存在する場合には、その構成要素を示す符号に系統毎の接尾記号（－１，－２，・・・）を付すものとし、また、特に区別する必要がない場合には接尾記号を付さずに説明を行う。

送受信部１－１は、送受信部１－２との間で、超音波の送受信を行う。送受信部１－１は、図２に示すように、トランスデューサ（第１のトランスデューサ）１１－１、送信部（第１の送信部）１２－１及び受信部（第１の受信部）１３－１を備えている。

トランスデューサ１１－１は、図３に示すように、計測対象とする流体が流れる流路５における一方側（例えば上流側）に取付けられる。このトランスデューサ１１－１は、送信部１２－１により駆動され、上記流路５において、他方側（例えば下流側）に向かって超音波を送信する。また、トランスデューサ１１－１は、上記流路５において、他方側から送信された超音波を受信する。なお、トランスデューサ１１－１は、一対の出力端子を有する。

送信部１２－１は、トランスデューサ１１－１を駆動する。
受信部１３－１は、トランスデューサ１１－１により受信された超音波に対して受信処理を行う。

送受信部１－２は、送受信部１－１との間で、超音波の送受信を行う。送受信部１－２は、図２に示す送受信部１－１と同様に、トランスデューサ（第２のトランスデューサ）１１－２、送信部（第２の送信部）１２－２及び受信部（第２の受信部）１３－２を備えている。

トランスデューサ１１－２は、図３に示すように、上記流路５における他方側に取付けられる。このトランスデューサ１１－２は、送信部１２－２により駆動され、上記流路５において、一方側に向かって超音波を送信する。また、トランスデューサ１１－２は、上記流路５において、一方側から送信された超音波を受信する。なお、トランスデューサ１１－２は、一対の出力端子を有する。

送信部１２－２は、トランスデューサ１１－２を駆動する。
受信部１３－２は、トランスデューサ１１－２により受信された超音波に対して受信処理を行う。

計測部２は、送受信部１－１による送受信結果及び送受信部１－２による送受信結果に基づいて、上記流体の流量を計測する。この際、計測部２は、送受信部１－１により送信された超音波が送受信部１－２により受信されるまでの時間と、送受信部１－２により送信された超音波が送受信部１－１により受信されるまでの時間との差を算出し、その時間差から流路５内を流れる流体の流量を演算する。

次に、受信部１３－１の構成例について、図４を参照しながら説明する。
受信部１３－１は、図４に示すように、受信回路（第１の受信回路）１３１－１、短絡スイッチ（第１の短絡スイッチ）１３２－１及びスイッチ制御部（第１のスイッチ制御部）１３３－１を有する。

受信回路１３１－１は、一対の入力端子を有する。そして、受信回路１３１－１は、一対の入力端子のうちの一方が、トランスデューサ１１－１が有する一対の出力端子のうちの一方に接続され、一対の入力端子のうちの他方が、トランスデューサ１１－１が有する一対の出力端子のうちの他方に接続されている。この受信回路１３１－１は、トランスデューサ１１－１により受信された超音波（信号）に対して受信処理を行う。すなわち、受信回路１３１－１は、トランスデューサ１１－１により受信された超音波（信号）の増幅及びバンドパスフィルタによる帯域カットを行う。

短絡スイッチ１３２－１は、一端が、トランスデューサ１１－１が有する一対の出力端子のうちの一方に接続され、他端が、トランスデューサ１１－１が有する一対の出力端子のうちの他方に接続されている。短絡スイッチ１３２－１は、トランスデューサ１１－１が有する一対の出力端子を短絡可能なスイッチである。

スイッチ制御部１３３－１は、短絡スイッチ１３２－１のオンオフを制御する。
このスイッチ制御部１３３－１は、まず、受信回路１３１－１が起動する前に短絡スイッチ１３２－１をオンにする。そして、スイッチ制御部１３３－１は、受信回路１３１－１が起動し、当該起動による電気的な揺れが許容範囲に収まった後に、短絡スイッチ１３２－１をオフに切替える。受信回路１３１－１の起動による電気的な揺れが許容範囲に収まるまでとしては、例えば、受信回路１３１－１が静定する状態となるまでが挙げられる。

このスイッチ制御部１３３－１は、図５に示すように、計時部１３３１－１及び切替え部１３３２－１を有している。

計時部１３３１－１は、受信回路１３１－１の起動に伴って計時を開始する。
切替え部１３３２－１は、まず、受信回路１３１－１が起動する前に短絡スイッチ１３２－１をオンにする。その後、切替え部１３３２－１は、計時部１３３１－１により所定時間計時された場合に、短絡スイッチ１３２－１をオフに切替える。上記所定時間は、受信回路１３１－１の起動から当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まるまでの時間（例えば、受信回路１３１－１の起動から受信回路１３１－１が静定する状態となるまでの時間）である。すなわち、切替え部１３３２－１は、受信回路１３１－１の起動から上記所定時間が経過した場合に、当該受信回路１３１－１の起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まったと判定して、短絡スイッチ１３２－１をオフに切替える。なお、上記所定時間は、シミュレーション又は実測により事前に設定値として設定される。

なお、スイッチ制御部１３３－１は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

また、受信部１３－２は、図４に示す受信部１３－１と同様に、受信回路（第２の受信回路）１３１－２、短絡スイッチ（第２の短絡スイッチ）１３２－２及びスイッチ制御部（第２のスイッチ制御部）１３３－２を有する。

受信回路１３１－２は、一対の入力端子を有する。そして、受信回路１３１－２は、一対の入力端子のうちの一方が、トランスデューサ１１－２が有する一対の出力端子のうちの一方に接続され、一対の入力端子のうちの他方が、トランスデューサ１１－２が有する一対の出力端子のうちの他方に接続されている。この受信回路１３１－２は、トランスデューサ１１－２により受信された超音波（信号）に対して受信処理を行う。すなわち、受信回路１３１－２は、トランスデューサ１１－２により受信された超音波（信号）の増幅及びバンドパスフィルタによる帯域カットを行う。

短絡スイッチ１３２－２は、一端が、トランスデューサ１１－２が有する一対の出力端子のうちの一方に接続され、他端が、トランスデューサ１１－２が有する一対の出力端子のうちの他方に接続されている。短絡スイッチ１３２－２は、トランスデューサ１１－２が有する一対の出力端子を短絡可能なスイッチである。

スイッチ制御部１３３－２は、短絡スイッチ１３２－２のオンオフを制御する。
このスイッチ制御部１３３－２は、まず、受信回路１３１－２が起動する前に短絡スイッチ１３２－２をオンにする。そして、スイッチ制御部１３３－２は、受信回路１３１－２が起動し、当該起動による電気的な揺れが許容範囲に収まった後に、短絡スイッチ１３２－２をオフに切替える。受信回路１３１－２の起動による電気的な揺れが許容範囲に収まるまでとしては、例えば、受信回路１３１－２が静定する状態となるまでが挙げられる。

このスイッチ制御部１３３－２は、図５に示すスイッチ制御部１３３－１と同様に、計時部１３３１－２及び切替え部１３３２－２を有している。

計時部１３３１－２は、受信回路１３１－２の起動に伴って計時を開始する。
切替え部１３３２－２は、まず、受信回路１３１－２が起動する前に短絡スイッチ１３２－２をオンにする。その後、切替え部１３３２－２は、計時部１３３１－２により所定時間計時された場合に、短絡スイッチ１３２－２をオフに切替える。上記所定時間は、受信回路１３１－２の起動から当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まるまでの時間（例えば、受信回路１３１－２の起動から受信回路１３１－２が静定する状態となるまでの時間）である。すなわち、切替え部１３３２－２は、受信回路１３１－２の起動から上記所定時間が経過した場合に、当該受信回路１３１－２の起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まったと判定して、短絡スイッチ１３２－２をオフに切替える。なお、上記所定時間は、シミュレーション又は実測により事前に設定値として設定される。

なお、スイッチ制御部１３３－２は、システムＬＳＩ等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。

次に、実施の形態１に係る超音波流量計による効果について説明する。
ここで、ガスメータとして使用される超音波流量計（超音波気体流量計）は、バッテリー駆動のものが多い。そのため、このような超音波流量計では、消費電力を抑えるため、受信回路（内部回路）を間欠駆動とし、受信時以外は電源をオフにする構成が一般的である。

一方、超音波流量計の用途又はサイズに応じて選択されるトランスデューサ及び受信回路の組合わせ方次第では、受信回路の起動（立上がり）による電位の揺らぎ（電気的な揺らぎ）が、計測精度に悪影響を及ぼすという問題が生じ得る。すなわち、受信動作の度に受信回路が起動する際に、受信回路に繋がっているトランスデューサに当該起動による電位の揺らぎが伝わってしまう。この電位の揺らぎが図４に示すＰ側とＮ側とで完全に対称ではないため、トランスデューサの両端に電位差が生じ、この電位の揺らぎがトランスデューサの物理的な振動に変換されて保持されてしまう。そして、この保持された振動が、後からやってくる受信信号と重畳されてしまうことで、計測精度に悪影響を及ぼしてしまう。

これを防ぐため、実施の形態１に係る超音波流量計では、図４に示すように、受信部１３に、トランスデューサ１１の両端を短絡可能な短絡スイッチ１３２が設けられ、受信回路１３１が起動し、当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まった後に短絡スイッチ１３２がオフにされるように構成されている。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計では、トランスデューサ１１の両端の電位を同一又は電位差を十分に低下させることができ、トランスデューサ１１の振動を抑制可能となる。なお、上記許容範囲の確実な一例としては、受信回路１３１が静定する状態が挙げられる。

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計は、一対の出力端子を有し、超音波を受信するトランスデューサ１１と、トランスデューサ１１が有する一対の出力端子に接続された一対の入力端子を有し、当該トランスデューサ１１により受信された超音波に対して受信処理を行う受信回路１３１と、トランスデューサ１１が有する一対の出力端子を短絡可能な短絡スイッチ１３２と、受信回路１３１が起動し、当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まった後に、短絡スイッチ１３２をオフに切替えるスイッチ制御部１３３とを備えた。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計は、従来に対し、計測精度を向上可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 送受信部
２ 計測部
５ 流路
１１ トランスデューサ
１２ 送信部
１３ 受信部
１３１ 受信回路
１３２ 短絡スイッチ
１３３ スイッチ制御部
１３３１ 計時部
１３３２ 切替え部

Claims (3)

1. 一対の出力端子を有し、超音波を受信するトランスデューサと、
   前記トランスデューサが有する一対の出力端子に接続された一対の入力端子を有し、当該トランスデューサにより受信された超音波に対して受信処理を行う受信回路と、
   前記トランスデューサが有する一対の出力端子を短絡可能な短絡スイッチと、
   前記受信回路が起動し、当該起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まった後に、前記短絡スイッチをオフに切替えるスイッチ制御部と
   を備えた超音波流量計。
2. 前記スイッチ制御部は、前記受信回路が静定した状態を、当該受信回路の起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まった状態とする
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記スイッチ制御部は、
   前記受信回路の起動に伴って計時を開始する計時部と、
   前記計時部により所定時間計時された場合に、前記受信回路の起動による電位の揺らぎが許容範囲に収まったと判定して、前記短絡スイッチをオフに切替える切替え部とを有する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。

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