JP3514256B2 - 超音波流量計及び超音波流量計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波流量計の
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスの使用量を測定する家庭用及び業務
用のガスメータは、現在機械的な膜式方式のガスメータ
が使用され、主流を占めている。又、最近は超音波流量
計がガスメータとして開発されようとしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが膜式方式のガ
スメータは一般的に外観形状が大きく、特に業務用で使
用される大きな号数のガスメータはその形状が号数に比
例してさらに大きなものとなり、設置面積も大きくな
る。又、業務用の様な大きな号数の流量計の場合、例え
ば業務用１００号のガスメータでは、そのガス流量の測
定範囲は６５０Ｌ／Ｈ〜１００ｍ３／Ｈとなり、ガス配
管内のガス漏洩検出流量（５Ｌ／Ｈ以下）である微小流
量域が測定できない。ガス漏洩検出流量（５Ｌ／Ｈ以
下）である微小流量を測定しようとすれば、さらに小流
量用の膜式ガスメータをもうひとつガス通路に取り付け
ることが必要になる。

【０００４】そこで本発明は、ガス漏れ等の微小流量域
（５Ｌ／Ｈ以下）から業務用で使用される大流量域（例
えば、１６０ｍ３／Ｈ）まで測定できるダイナミックレ
ンジが広く、外観形状が小さく、設置面積の小さい、一
体型の超音波流量計制御装置を提供しようとするもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超音波流量計制御装置は大流量域の流量を
測定する一対の超音波トランスデューサを備えた流路１
と、その流路の途中に設けられ流路を開閉する切替弁
と、その切替弁が取付けられた位置の前後で前記流路を
バイパスする小流量域を検出する一対の超音波トランス
デューサを備えた流路２とを一体構成し、大流量域及び
小流量域を測定するそれぞれの超音波流量計測回路部、
超音波トランスデューサ、及び切替弁を制御するように
たものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】請求項１記載の超音波流量計は、
大流量域の流量を検出する第１の超音波トランスデュー
サを有する第１の流路と、前記第１の流路の途中に設け
られ前記第１の流路を開閉する切替弁と、前記切替弁が
取付けられた位置の前後で前記第１の流路をバイパス
し、小流量域の流量を検出する第２の超音波トランスデ
ューサを有する第２の流路と、前記第１の超音波トラン
スデューサによる超音波の送受信を制御し前記第１の流
路を流れる流量を計測する第１の超音波流量計測回路部
と、前記第２の超音波トランスデューサによる超音波の
送受信を制御し第２の流路を流れる流体の流量を計測す
る第２の超音波流量計測回路部と、を備え、前記第１の
超音波流量計測回路部での計測中に、予め定められた所
定のＴ１時間経過後、計測流量がｎ回連続して設定流量
レベル（Ｌ３）以下を検出した時切替弁を閉として前記
第２の超音波流量計測回路部で予め定められる所定のＴ
２時間流量計測を行い、当該Ｔ２時間の計測中に設定レ
ベル流量（Ｌ４）以上を検出した場合又はＴ２時間経過
した場合に、再度前記切替弁を開として前記第１の超音
波流量計測回路部でＴ１時間計測を行う。

【０００７】このため、ガス漏れ等の微小流量域（５Ｌ
／Ｈ以下）から業務用で使用される大流量域（例えば、
１６０ｍ ^３ ／Ｈ）まで測定でき、ダイナミックレンジが
広く、概観形状及び設置面積の小さい超音波流量計を提
供することができる。また、設定流量レベルを複数回検
出してから、つまり、流量が安定状態になったことを確
認した上で、切替弁により計測する流路の切替を行うた
め、安定した流量計測の移行を行うことができる。さら
に、通常は大流量域側で計測させておき、ある一定時間
ごとに流量レベルがあるレベル以下であることを確認し
た上で、ガス配管のガス漏れがないかをチェックするこ
とができる。

【０００８】

【０００９】請求項２に記載の超音波流量計は、前記請
求項１に記載の超音波流量計において、マイコンと、前
記第１の超音波流量計測回路部と前記マイコンとの間の
制御信号及びデータの入出力を行う第１のデータ入出力
回路と、前記第２の超音波流量計測回路部と前記マイコ
ンとの間の制御信号及びデータの入出力を行う第２のデ
ータ入出力回路とを更に備え、前記切替弁の動作に連動
して前記マイコンからの信号により、前記第１のデータ
入出力回路又は前記第２のデータ入出回路の何れか一方
を選択する。従って、１つのマイコンからの制御信号で
２つの超音波流量計測回路部をコントロールすることが
できる。

【００１０】請求項３に記載の超音波流量計は、前記請
求項１又は請求項２に記載の超音波流量計において、前
記切替弁の開閉に同期して、大流量計測時には、前記第
１の超音波流量計測回路部の電源をオンにすると共に第
２の超音波流量計測回路部の電源をオフにし、小流量計
測時には、前記第２の超音波流量計測回路部の電源をオ
ンにすると共に前記第１の超音波流量計測回路部の電源
をオフにする。従って、計測側の一方のみ超音波流量計
測回路部の電源をオンに制御して、超音波流量計の電源
として使用される電池の寿命を延ばし、長期間の流量計
測を可能とする。

【００１１】請求項４に記載超音波流量計は、請求項１
乃至請求項３の何れか１項に記載の超音波流量計におい
て、前記第１の超音波流量計測回路部における流量検出
及び前記第２の超音波流量計測回路部における流量検出
を、２秒周期で行う。超音波流量計においては一般に２
秒周期で瞬時流量を計測する場合が多い。従って、超音
波流量計の計測周期にあわせて、この２秒周期で測った
瞬時流量と設定流量レベルとを比較することができる。

【００１２】請求項５記載の超音波流量計測方法は、超
音波トランスデューサを有する第１の流路において大流
量域の流量を検出し、切替弁により前記第一の流路の開
閉を行い、前記切替弁の前後で前記第１の流路をバイパ
スし超音波トランスデューサを有する第２の流路におい
て小流量域の流量を計測する、超音波流量計測方法であ
って、前記第１の流路における流量計測中に、予め定め
られた所定のＴ１時間経過後、計測流量がｎ回連続して
設定流量レベル（Ｌ３）以下を検出した時切替弁を閉と
して前記第２の流路において予め定められる所定のＴ２
時間流量計測を行い、当該Ｔ２時間の計測中に設定レベ
ル流量（Ｌ４）以上を検出した場合又はＴ２時間経過し
た場合に、再度前記切替弁を開として前記第１の流路に
おいてＴ１時間流量の計測を行う。

【００１３】このため、ガス漏れ等の微小流量域（５Ｌ
／Ｈ以下）から業務用で使用される大流量域（例えば、
１６０ｍ ^３ ／Ｈ）まで測定でき、ダイナミックレンジが
広くとることができる。また、設定流量レベルを複数回
検出してから、つまり、流量が安定状態になったことを
確認した上で、計測する流路の切替を行うため、安定し
た流量計測の移行を行うことができる。さらに、通常は
大流量域側で計測させておき、ある一定時間ごとに流量
レベルがあるレベル以下であることを確認した上で、ガ
ス配管のガス漏れがないかをチェックすることができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１５】図１は本発明の実施例を示し、１は大流量
域のガス流体が流れる第１の流路、２は第１の流路に設
けられ、一対の超音波振動子２ａ、２ｂ（圧電素子で構
成）で構成された超音波の送受信を行う第１の超音波ト
ランスデューサ、３は小流量域のガス流体が流れる第２
の流路、４は第２の流路に設けられ、一対の超音波振動
子４ａ、４ｂ（圧電素子で構成）で構成された超音波の
送受信を行う第２の超音波トランスデューサ、５は第１
の流路の途中に設けられ第１の流路を開閉する切替弁、
６は第１の超音波トランスデューサを制御し、超音波の
送受信を交互に行ない大流量域の流量計測を行う超音波
流量計測回路部、７は第２の超音波トランスデューサを
制御し、超音波の送受信を交互に行ない小流量域の流量
計測を行う超音波流量計測回路部である。

【００１６】図２は本発明の更なる詳細を示した制御構
成図である。８は第１の超音波流量計測回路部６への電
源供給のオン／オフを、また９は第２の超音波流量計測
回路部７への電源供給のオン／オフをコントロールする
それぞれの電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタを示し、１０
は超音波流量計制御装置全体のコントロールをするマイ
コンを示している。

【００１７】１１は第１の大流量側超音波流量計測回路
部６とマイコン１０との間の制御信号及びデータの入出
力を行なう第１のデータ入出力回路を示し、また、１２
は第２の小流量側超音波流量計測回路部７とマイコン１
０との間の制御信号及びデータの入出力を行なう第２の
データ入出力回路を示している。

【００１８】１３は第１及び第２の超音波流量計測回路
部からマイコンへの流量計測データに基づきマイコンで
演算処理を行ない、瞬時流量とか、積算流量とか、エラ
ー表示等を行なうための液晶表示装置である。１４は第
１の超音波流量計測回路部６（大流量域測定）を選択す
るか、第２の超音波流量計測回路部７（小流量域測定）
を選択するかを決定する大流量／小流量セレクト信号を
示している。

【００１９】１５は第１の超音波流量計測回路部６（大
流量域測定）あるいは第２の超音波流量計測回路部７
（小流量域測定）とマイコン１０とのデータのやり取り
において、第１のデータ入出力回路１１、あるいは第２
のデータ入出力回路１２の状態をデータ入力側に設定す
るか、データ出力側に設定するかをコントロールするデ
ータ入力／出力コントロール信号を示している。また、
１６は超音波流量計制御装置の電源である電池電源を示
している。一般的には、長期使用に耐えられる様、リチ
ウム電池（３Ｖ）等が使用される。

【００２０】まず最初に流量を測定する超音波流量計の
計測原理について、図３を用いて簡単に説明する。超音
波トランスデューサの上流側の振動子を利用し超音波を
発生し流体中を通過させ、下流側の超音波センサー（振
動子をセンサ−として利用）で受信する。この時の超音
波の伝搬時間をｔ１とする。つぎに下流側の振動子を利
用し超音波を発生し、流体中を通過させ、上流側の超音
波センサー（振動子をセンサ−として利用）で受信す
る。この時の超音波の伝搬時間をｔ２とする。すると、
管内を流れている流体の流速Ｖは、次の様な式で求める
ことができる（図３参照）。

【００２１】又流量Ｑは、流速Ｖに流路の断面積Ｓを掛
けることにより求めることができる。 Ｖ＝Ｌ・（１／
ｔ１−１／ｔ２）／（２・ＣＯＳΦ） Ｑ＝Ｖ・Ｓ すなわち、伝搬時間の逆数の差を時々刻々計測ことによ
って（通常２ｓｅｃ周期で計測することが多い）、瞬時
流量を求めることができる。

【００２２】以下、本超音波流量計制御装置の動作につ
いて図１、図２を用いて詳細に説明する。図１は、本発
明の超音波流量計制御装置の構成を示したものである。
図において、大流量域の流量を測定する一対の超音波ト
ランスデューサ２を備えた第１の流路１と、その流路の
途中に設けられ流路を開閉する切替弁５と、その切替弁
が取付けられた位置の前後で前記流路１をバイパスする
小流量域を検出する一対の超音波トランスデューサ４を
備えた第２の流路３とを一体構成する様にしている。

【００２３】大流量域及び小流量域の流量を測定するた
め、それぞれ第１の超音波流量計測回路部６及び第２の
超音波流量計測回路部７が設けられ、先述の計測原理で
述べた伝搬時間を回路的に計測するようにしている。

【００２４】このような構成にすることにより、ガス漏
れ等の微小流量域（５Ｌ／Ｈ以下）から業務用で使用さ
れる大流量域（例えば、１６０ｍ３／Ｈ）まで測定でき
るダイナミックレンジが広く、外観形状が小さく、設置
面積の小さい、一体型の超音波流量計制御装置を提供す
ることができる。図２は、１つのマイコンで前記大流量
域及び小流量域の２つの超音波流量計測回路部６、７を
コントロールするための制御構成図を示している。

【００２５】切替弁が゛開゛で第１の流路１に大流量が
流れている場合は、マイコンからの大流量／小流量セレ
クト信号１４は、論理゛Ｈ゛信号を出力しており、その
ため第１のデータ入出力回路１１がイネーブル状態にな
り、又第１の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ−８がオン
状態とになる。そして、大流量域を測定する第１の超音
波流量計測回路部６に電池電源１６からパワーが供給さ
れ、大流量域の流量計測が可能となる。そして第１の超
音波流量計測回路部６とマイコン１０との間で、マイコ
ンからのデータ入力／出力コントロール信号１５に基づ
き制御信号及びデータの入出力がなされる。そして計測
結果として瞬時流量値、あるいは積算流量値等が液晶１
３に表示される。一方、第２のデータ入出力回路１２、
及び第２の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ−９はアンイ
ネーブル（オフ）状態であり、小流量域を計測する第２
の超音波流量計測回路部７には電池電源１６から電力が
供給されず無駄な電力を消費しないようにしている。す
なわち、計測側の一方のみ超音波流量計測回路部の電源
をオンに制御する様にしている。こうすることにより、
超音波流量計制御装置の電源として使用している電池の
電池寿命を伸ばし、長期間 （１０年以上）の流量計測
に耐えられるよう工夫したものである。

【００２６】次に流量変化と切替弁５の動作及び制御動
作について説明する。大流量域を計測する第１の超音波
流量計測回路部６で計測中、第１の流路１に流れる流量
がある設定流量レベル（Ｌ１）以下になった時切替弁５
を閉にすると同時に、マイコンから大流量／小流量セレ
クト信号として論理゛Ｌ゛信号が出力される。そのた
め、第２のデータ入出力回路１２がイネーブル状態にな
る。又第２の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ−９がオン
状態とになり、小流量域を測定する第２の超音波流量計
測回路部７に電池電源１６から電力が供給され、小流量
域の流量計測が可能となる。そしてマイコンからのデー
タ入力／出力コントロール信号１５に基づき、第２の超
音波流量計測回路部７とマイコン１０との間でデータの
入出力のやり取りがなされる。そして計測結果として小
流量側で計測した瞬時流量値、あるいは積算流量値等が
液晶１３に表示される。

【００２７】一方第１のデータ入出力回路１１及び、第
１の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ−８がアンイネーブ
ル（オフ）状態とになり大流量域を計測する第１の超音
波流量計測回路部６には電池電源１６からパワーが供給
されず不必要な電力を無駄に消費しないよにしている。

【００２８】つぎに、第２の超音波流量計測回路部７で
小流量域を計測中、第２の流路３を流れる流量がある設
定流量レベル（Ｌ２）以上になった時、切替弁を゛開゛
にすると同時に、マイコンから大流量／小流量セレクト
信号が論理゛Ｈ゛信号を出力しており、そのため第１の
データ入出力回路１１がイネーブル状態になり、又第１
の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ−８がオン状態とにな
り、大流量域を測定する第１の超音波流量計測回路部６
に電池電源１６からパワーが供給され、大流量域の流量
計測が可能となる。そして第１の超音波流量計測回路部
６とマイコン１０との間でマイコンからのデータ入力／
出力コントロール信号１５に基づきデータの入出力のや
り取りがなされる。そして計測結果として大流量側で計
測した瞬時流量、あるいは積算流量値等が液晶１３に表
示される。

【００２９】以上の様に、第１の超音波流量計測回路部
６で計測中、第１の流路１を流れる流量がある設定流量
レベル（Ｌ１）以下になった時、切替弁５を閉にし、第
２の流路３に取付いている第２の超音波流量計測回路部
７で流量を計測し、又第２の超音波流量計測回路部７で
計測中、第２の流路３を流れる流量がある設定流量レベ
ル（Ｌ２）以上になった時、切替弁５を開にし、第１の
流路１に取付いている第１の超音波流量計測回路部６で
流量を計測するようにしたものである。すなはち、ある
流量レベルで以下では小流量側流路で計測し又、ある流
量レベル以上では大流量側流路で計測し、流量に応じた
流路で精度良く流量計測が出来るようになる。

【００３０】尚、ここで切替弁を切替える設定流量レベ
ルＬ１、Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）に差を設けヒステリシスを
設けることにより、切替えレベル近辺で流量がある範囲
（Ｌ１〜Ｌ２）で変動した場合でも流量変動に対して切
替弁がチャッタリング（短期間に開になったり、閉にな
たりすること）することなく安定に切り替わり、スムー
ズな流量計測の移行が出来るようになる。

【００３１】切替弁の切替え条件に関しては、次の様な
方法も考えられる。超音波流量計の計測原理でも述べた
様に、伝搬時間の逆数の差を通常２ｓｅｃ周期で計測す
ることによって、２秒ごとに瞬時流量を求めている場合
が多い。この２秒周期（一般的表現ではＴ秒周期）で測
った瞬時流量が連続ｎ回続いてある設定流量レベル（Ｌ
３）以下を検出した時、切替弁を閉にし、第２の流路に
取付いている第２の超音波流量計測回路部で流量を計測
し、又第２の超音波流量計測回路部で計測中、２秒周期
（一般的表現ではＴ秒周期）で測った瞬時流量が連続Ｎ
回続いてある設定流量レベル（Ｌ４）以上を検出した
時、前記切替弁を開にし第１の流路に取付いている第１
の超音波流量計測路側に切り替え、小流路に大流量が流
れ様とした場合の圧力損失による流量計測誤差の発生を
防ぎ、大流量への流量変化に対する応答性を高めること
が出来る。

【００３２】切替弁の切替え方法として次の様な制御手
法も考えられる。

【００３３】業務用においては、ガスが使用されている
時の方が多い。従って、通常は大流量域を計測する第１
の超音波流量計測回路部で計測させておき、ガス配管の
ガス漏れがないかを調べる内管漏洩検出時のみ（例え
ば、１２時間ごとに内管漏洩検出を行なう）小流量域を
計測する側に切り替えるという方法である。

【００３４】すなわち、大流量側で計測中、Ｔ１時間
（例えば１２時間）経過後、計測流量が連続ｎ回続いて
ある設定流量レベル（L３）以下を検出した時、切替弁
を閉にし、第２の流路に取付いている小流量域を計測す
る第２の超音波流量計測回路部でＴ２時間（例えば、1
時間）流量計測を行ない、ガス配管の内管漏洩検出を行
なう。Ｔ２時間経過後は再度、切替弁を開にし大流量域
を計測する第１の超音波流量計測回路部で計測し、かつ
Ｔ１時間を計測するタイマーを働かせ次の内管漏洩検出
に備える。但し、Ｔ２時間に１回でもある設定流量レベ
ル（L４）以上を越えたならば、その時点で前記切替弁
を開にし、第１の流路に取付いている大流量域を計測す
る第１の超音波流量計測回路部で流量を計測する様に
し、かつＴ１時間を計測するタイマーを働かせ、次の内
管漏洩検出に備える様にしたものである。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の超音波流量計制御装置は大流量域の流量を測定する一
対の超音波トランスデューサを備えた流路と、その流路
の途中に設けられ流路を開閉する切替弁と、その切替弁
が取付けられた位置の前後で前記流路をバイパスする小
流量域を検出する一対の超音波トランスデューサを備え
た流路とを一体構成にすることにより、ガス漏れ等の微
小流量域（５Ｌ／Ｈ以下）から業務用で使用される大流
量域（例えば、１６０ｍ３／Ｈ）まで測定できるダイナ
ミックレンジが広く、外観形状が小さく、かつ設置面積
の小さな、超音波流量計制御装置を実現できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超音波流量計制御装置の構
成図

【図２】同装置において大流量域及び小流量域の２つの
超音波流量計測回路部をコントロールする制御構成図

【図３】超音波流量計の計測原理を示す構成図

【符号の説明】

１ 第１の流路 ２ 第１の超音波トランスデューサ ３ 第２の流路 ４ 第２の超音波トランスデューサ ５ 切替弁 ６ 第１の超音波流量計測回路部 ７ 第２の超音波流量計測回路部 ８ 第１の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ ９ 第２の電源ＯＮ／ＯＦＦトランジスタ １０ マイコン １１ 第１のデータ入出力回路 １２ 第２のデータ入出力回路 １３ 液晶表示装置 １４ 大流量／小流量セレクト信号 １５ 入力／出力コントロール信号 １６ 電池電源

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大流量域の流量を検出する第１の超音波
   トランスデューサを有する第１の流路と、 前記第１の流路の途中に設けられ前記第１の流路を開閉
   する切替弁と、 前記切替弁が取付けられた位置の前後で前記第１の流路
   をバイパスし、小流量域の流量を検出する第２の超音波
   トランスデューサを有する第２の流路と、 前記第１の超音波トランスデューサによる超音波の送受
   信を制御し前記第１の流路を流れる流量を計測する第１
   の超音波流量計測回路部と、 前記第２の超音波トランスデューサによる超音波の送受
   信を制御し第２の流路を流れる流体の流量を計測する第
   ２の超音波流量計測回路部と、を備え、 前記第１の超音波流量計測回路部での計測中に、予め定
   められた所定のＴ１時間経過後、計測流量がｎ回連続し
   て設定流量レベル（Ｌ３）以下を検出した時切替弁を閉
   として前記第２の超音波流量計測回路部で予め定められ
   る所定のＴ２時間流量計測を行い、当該Ｔ２時間の計測
   中に設定レベル流量（Ｌ４）以上を検出した場合又はＴ
   ２時間経過した場合に、再度前記切替弁を開として前記
   第１の超音波流量計測回路部でＴ１時間計測を行う超音
   波流量計。
2. 【請求項２】 マイコンと、前記第１の超音波流量計測
   回路部と前記マイコンとの間の制御信号及びデータの入
   出力を行う第１のデータ入出力回路と、前記第２の超音
   波流量計測回路部と前記マイコンとの間の制御信号及び
   データの入出力を行う第２のデータ入出力回路とを更に
   備え、 前記切替弁の動作に連動して前記マイコンからの信号に
   より、前記第１のデータ入出力回路又は前記第２のデー
   タ入出回路の何れか一方を選択する請求項１に記載の超
   音波流量計。
3. 【請求項３】 前記切替弁の開閉に同期して、大流量計
   測時には、前記第１の超音波流量計測回路部の電源をオ
   ンにすると共に第２の超音波流量計測回路部の電源をオ
   フにし、 小流量計測時には、前記第２の超音波流量計測回路部の
   電源をオンにすると共に前記第１の超音波流量計測回路
   部の電源をオフにする請求項１又は請求項２に記載の超
   音波流量計。
4. 【請求項４】 前記第１の超音波流量計測回路部におけ
   る流量検出及び前記第２の超音波流量計測回路部におけ
   る流量検出は、２秒周期で行われることを特徴とする請
   求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の超音波流量
   計。
5. 【請求項５】 超音波トランスデューサを有する第１の
   流路において大流量域の流量を検出し、切替弁により前
   記第一の流路の開閉を行い、前記切替弁の前後で前記第
   １の流路をバイパスし超音波トランスデューサを有する
   第２の流路において小流量域の流量を計測する、超音波
   流量計測方法であって、 前記第１の流路における流量計測中に、予め定められた
   所定のＴ１時間経過後、計測流量がｎ回連続して設定流
   量レベル（Ｌ３）以下を検出した時切替弁を閉として前
   記第２の流路において予め定められる所定のＴ２時間流
   量計測を行い、 当該Ｔ２時間の計測中に設定レベル流量（Ｌ４）以上を
   検出した場合又はＴ２時間経過した場合に、再度前記切
   替弁を開として前記第１の流路においてＴ１時間流量の
   計測を行う超音波流量計測方法。