JP3590900B2

JP3590900B2 - Ultrasonic flow meter

Info

Publication number: JP3590900B2
Application number: JP05826597A
Authority: JP
Inventors: 耕一田代; 豊稲田
Original assignee: トキコテクノ株式会社
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: JPH10239123A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流量計の一例を図７に示す。
図において、流体が流れる管１内には、渦発生柱２が設けられており、両側に交番的にカルマン渦を発生させるようになっている。管１には、超音波送・受信器３，４からなる超音波センサ５が設けられている。超音波送・受信器３，４は、管１内の渦発生領域を間にして相対向して管１の壁に取り付けられている。
【０００３】
超音波送信器３には、この超音波送信器３に所定周波数のパルスを印加して超音波を送信させるパルス発生器６が接続されている。
パルス発生器６のパルス信号出力側及び超音波受信器４に接続して流量検出回路（図示省略）が設けられている。流量検出回路は、超音波送・受信器３，４間の超音波伝搬特性の変化に基づいてカルマン渦の発生周期、ひいては流体の流量を求める。
【０００４】
ところで、流体の温度が変化すると、流体の体積及び超音波伝搬速度等が変化する。このため、正確な流量計測を行うためには、温度変化による流体の体積変化及び超音波伝搬速度の変化を考慮した補正を行う必要がある。
【０００５】
図７の超音波流量計は、上述した温度変化を考慮した補正を達成するために、管１の内周側に温度センサ７を設け、温度センサ７及びパルス発生器６に接続して温度補正回路８を設けている。温度センサ７の出力信号は温度補正回路８に供給され、温度補正回路８は、供給された信号から流体の温度データを求める。温度補正回路８は、温度データに基づいて補正信号を得てパルス発生器６に出力し、超音波送信器３に印加するパルスの周波数を調整し、超音波受信器４の受信レベルが所望値以上になるようにし、これにより良好な計測データを得るようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、温度センサ７が管１の内周側に設けられているので、流体の流れが温度センサ７により乱されることにより、カルマン渦の発生に影響を及ぼし、これが、流量測定の誤差となる虞があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、温度補正を行え、かつ測定精度の向上を図ることができる超音波流量計を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定流体の流れる管に配置され前記被測定流体を介して超音波を送受信する超音波送・受信器からなる超音波センサと、
前記超音波送信器にあらかじめ設定される所定周波数のパルスを印加することにより前記超音波送信器を励振して超音波を発生させるパルス発生手段と、
前記超音波受信器で受信される超音波の伝搬特性に基づいて前記被測定流体の流量を検出する流量検出手段と、
前記超音波センサのインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、
前記超音波センサの伝達利得を計測する伝達利得計測手段と、
温度をパラメータとした前記超音波センサのインピーダンス−周波数データを記憶しているインピーダンス−周波数データ記憶手段と、
温度をパラメータとした前記超音波センサの伝達利得−周波数データを記憶している利得−周波数データ記憶手段と、
前記インピーダンス計測手段により計測されたインピーダンスに基づいて、前記インピーダンス−周波数データから温度を求める第１の温度算出手段と、
前記伝達利得計測手段により計測された伝達利得に基づいて、前記第１の温度算出手段の算出結果及び前記伝達利得−周波数データから温度を求める第２の温度算出手段と、
前記第１、または、第２の温度算出手段によって求められた温度に基づいて前記パルス発生手段が発生するパルスの周波数を調整するパルス調整手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態の超音波流量計を図１ないし図６に基づいて説明する。
【００１０】
図１において、流体が流れる管１内には、渦発生柱２が設けられており、両側に交番的にカルマン渦を発生させるようになっている。管１には、超音波送・受信器３，４からなる超音波センサ５が設けられている。超音波送・受信器３，４は、管１内の渦発生領域を間にして相対向して管１に取り付けられている。
【００１１】
超音波送信器３には、この超音波送信器３に所定周波数のパルスを印加して超音波を送信させるパルス発生器６が接続されている。
パルス発生器６のパルス信号出力側及び超音波受信器４には流量検出手段としての流量検出回路（図示省略）が接続されている。流量検出回路は、超音波送・受信器３，４間の超音波伝搬特性の変化に基づいてカルマン渦の発生周期、ひいては流体の流量を求める。
パルス発生器６（パルス発生手段）と超音波送信器３との間には、パルス発生器６からのパルス信号を超音波送信器３に供給可能にインピーダンス計測器９（インピーダンス計測手段）が介装されている。インピーダンス計測器９は、パルス発生器６からのパルス信号の電圧値と電流値を求め、超音波センサ５のインピーダンスを計測する。
【００１２】
パルス発生器６は、超音波送信器３に所定周波数のパルスを印加することにより超音波送信器３を励振して超音波を放射させる。
インピーダンス計測器９のパルス出力側と超音波受信器４とに接続して利得計測器（伝達利得計測手段）１０が設けられている。利得計測器１０は、超音波送信器３に印加されるパルスの振幅と、超音波受信器４が受信した超音波（パルス）の振幅とを比較し、流体中を伝達する超音波の伝達利得を計測する。
【００１３】
パルス発生器６、インピーダンス計測器９及び利得計測器１０に接続して演算装置１１が設けられている。この演算装置１１は超音波送・受信器３，４に接続されており、超音波送・受信器３，４間の超音波伝搬特性の変化に基づいてカルマン渦の発生周期、ひいては流体の流量を求めるようになっており、流量検出手段を構成している。この演算装置１１には、さらに、インピーダンス−周波数データ格納回路（インピーダンス−周波数データ記憶手段）１２、利得−周波数データ格納回路（利得−周波数データ記憶手段）１３、対応データ格納回路１４及び出力回路１５が接続されている。
【００１４】
インピーダンス−周波数データ格納回路１２は、温度をパラメータとした複数のインピーダンス−周波数データ（後述する曲線Ｋ_１０，Ｋ_２０，Ｋ_２２，Ｋ_２９ … 等）を格納している。
利得−周波数データ格納回路１３は、温度をパラメータとした複数の伝達利得−周波数データ（後述する曲線Ｊ_１５，Ｊ_２０，Ｊ_２４ … 等）を格納している。
出力回路１５は、入力した計測温度ｔから流体の温度を求めて、この流体の温度データを図示しないディスプレイやプリンタに出力する。
【００１５】
ここで、超音波センサ５のインピーダンス−周波数データ及び伝達利得−周波数データについて説明する。
まず、超音波センサ５のインピーダンス−周波数データについて、図４及び図５に基づいて説明する。
例えば温度ｔ_２０における超音波センサ５のインピーダンスと周波数との対応関係を、周波数ｆを横軸に、インピーダンスＺを縦軸にして表すと、図４に示すような曲線Ｋ_２０となる。この曲線Ｋ_２０は、共振周波数ｆ_２０に対応した部分（共振点）で極小（インピーダンスＺ_ｒ）となり、共振周波数ｆ_２０に比して大きい値の周波数の部分（反共振点）で極大となる。
【００１６】
曲線Ｋ_２０の共振周波数ｆ_２０以下の周波数の部分（以下、共振周波数以下部分という。）Ｋ_２０ａは、周波数の低下に伴ってインピーダンス（以下、適宜、飽和インピーダンスという。）Ｚ_Ｓに飽和するように逓増する。
曲線Ｋ_２０の共振点から反共振点までの部分（共振点−反共振点間部分）Ｋ_２０ｂは、周波数の増加に伴って急増し、反共振点のインピーダンスはインピーダンスＺ_Ｓを大きく越えた値になっている。また、反共振点の周波数以上の部分Ｋ_２０ｃは、周波数の増加に伴い、インピーダンスＺ_Ｓを大きく越えた所定値に収束するように逓減する。
なお、前記飽和インピーダンスＺ_Ｓから共振点のインピーダンスＺ_ｒを引いた差分（以下、インピーダンス基準変化量という。）ΔＺ_Ｈは一定値（例えば、５００Ω）になっている。
【００１７】
超音波センサ５のインピーダンス−周波数データの曲線の形状は、温度変化にかかわらず一定であり、かつ温度変化に応じ周波数に対してドリフト（遷移）し、さらにそのドリフト割合が一定（〔周波数変化量〕／〔温度変化量〕＝一定）になることが知られている。
例えば、図５に示すように、温度ｔ_２０に比して低い温度ｔ_１０（ｔ_１０＜ｔ_２０）におけるインピーダンス−周波数データの曲線Ｋ_１０は、曲線Ｋ_２０を右側に（周波数が大きくなる方向に）ドリフトしたものとなる。
すなわち、曲線Ｋ_２０の共振周波数以下部分Ｋ_２０ａ、共振点−反共振点間部分Ｋ_２０ｂ、反共振点の周波数以上の部分Ｋ_２０ｃに対応する曲線Ｋ_１０の共振周波数以下部分Ｋ_１０ａ、共振点−反共振点間部分Ｋ_１０ｂ、反共振点の周波数以上の部分Ｋ_１０ｃは、周波数が大きい方にドリフトしている。同様に、極小点（共振点）がドリフトして、温度ｔ_１０における超音波センサ５（曲線Ｋ_１０）の共振周波数ｆ_１０は、温度ｔ_２０における超音波センサ５（曲線Ｋ_２０）の共振周波数ｆ_２０に比して大きくなっている（ｆ_１０＞ｆ_２０）。そして、曲線Ｋ_１０が曲線Ｋ_２０を右側にドリフトしたものであることにより、曲線Ｋ_１０の極小点（共振点）のインピーダンスの値は、前記インピーダンスＺ_ｒになっている。
また、温度ｔ_２０に比して高い温度ｔ_２２（ｔ_２２＞ｔ_２０）における曲線Ｋ_２２あるいはｔ_２９（ｔ_２９＞ｔ_２２）における曲線Ｋ_２９は、温度曲線Ｋ_２０を左側にドリフトしたものとなる。
【００１８】
上述したように、温度がｔ_２９、ｔ_２２、ｔ_２０、ｔ_１０のように低くなるに伴い、対応する曲線Ｋ_２９、Ｋ_２２、Ｋ_２０、Ｋ_１０は、図５のように右側にドリフトして示されることになり、「温度低下方向」として右方向の矢印で示している。また、温度がｔ_１０、ｔ_２０、ｔ_２２、ｔ_２９のように高くなるに伴い、対応する曲線Ｋ_１０、Ｋ_２０、Ｋ_２２、Ｋ_２９は、図５のように左側にドリフトして示されることになり、「温度上昇方向」として左方向の矢印で示している。
【００１９】
インピーダンス−周波数データの曲線は、温度変化に伴い、図５のように右方向、または左方向にドリフトしたものとして示されるが、そのドリフト割合（〔周波数変化量〕／〔温度変化量〕）は一定になっている。例えば各曲線Ｋ_２９、Ｋ_２２、Ｋ_２０、Ｋ_１０で共通な値Ｚ_ｒに対応する共振周波数ｆ_２９、ｆ_２２、ｆ_２０、ｆ_１０を例にすると、〔ｆ_２９−ｆ_２２〕／〔ｔ_２９−ｔ_２２〕＝〔ｆ_２２−ｆ_２０〕／〔ｔ_２２−ｔ_２０〕＝〔ｆ_２０−ｆ_１０〕／〔ｔ_２０−ｔ_１０〕＝一定となる。インピーダンスＺ_ｒ以外の他のインピーダンス値に対応する周波数についても上述したのと同様にドリフト割合（〔周波数変化量〕／〔温度変化量〕）＝一定となっている。
【００２０】
インピーダンスＺと周波数ｆとが温度をパラメータとして図５に示されるような対応関係にあることにより、インピーダンス変化量ΔＺと温度変化量Δｔとは一定の対応関係を有するものになっている。そして、この対応関係を示すΔＺ−Δｔ対応データが対応データ格納回路１４に格納されている。なお、ここで、インピーダンス変化量ΔＺは、今回測定時のインピーダンスＺ_ｎと前回測定時のインピーダンスＺ_ｎ−１との差分（Ｚ_ｎ −Ｚ_ｎ−１）である。
後述するように、前回測定により求められた温度における共振周波数でパルスを発信してその時のインピーダンスを求めるが、インピーダンスＺが飽和インピーダンスＺ_Ｓ未満の際には、対応する曲線が温度上昇方向側とそれに比して温度低下方向側の２つ〔一方の曲線は共振周波数以下部分が対応し、他方の曲線は共振点−反共振点間部分が対応する。〕となり、図５のみでは共振周波数に対応する曲線を特定できない。これに対処するために、インピーダンス変化量ΔＺと温度低下方向の温度変化量Δｔ_ｄ、温度上昇方向の温度変化量Δｔ_ｕそれぞれとの対応を示すΔＺ−Δｔ_ｕ、Δｔ_ｄ対応データを予め求めておき、この対応データが対応データ格納回路１４に格納されている。
【００２１】
なお、後述するステップＳ１５で用いるΔｔ_ｕ，Δｔ_ｄ −ΔＧ_ｕ，ΔＧ_ｄ対応データは、前記温度低下方向の温度変化量Δｔ_ｄ、温度上昇方向の温度変化量Δｔ_ｕにそれぞれ対応して予め求められる温度低下方向の利得変化量ΔＧ_ｄ、温度上昇方向の利得変化量ΔＧ_ｕであり、この対応データは上述したΔＺ−Δｔ対応データ及びΔＺ−Δｔ_ｕ、Δｔ_ｄ対応データと共に、対応データ格納回路１４に格納されている。
【００２２】
次に、超音波センサ５の伝達利得−周波数データについて、図６に基づいて説明する。
例えば温度ｔ_２０における超音波センサ５の伝達利得と周波数との対応関係を、周波数ｆを横軸に、利得Ｇ〔ｄＢ〕を縦軸にして表すと、図６に示すように上に凸の曲線Ｊ_２０となる。この曲線Ｊ_２０は、共振周波数ｆ_２０に対応した部分（共振点）で極大（最大利得）となる。また、曲線Ｊ_２０は、共振点を境界にして、変化の仕方が大きく異なっている。
【００２３】
すなわち、共振周波数ｆ_２０より小さい周波数の部分（以下、小周波数部分という。）Ｊ_２０ａでは、周波数の低下に伴って利得Ｇが急減する傾向となっている。また、共振周波数ｆ_２０より大きい周波数の部分（以下、大周波数部分という。）Ｊ_２０ｂでは、共振点に近い部分で、周波数の増加に伴い利得Ｇが逓減し、さらに周波数が大きい部分で、周波数の増加に伴い利得Ｇが急減する傾向となっている。
【００２４】
超音波センサ５の伝達利得−周波数データの曲線の形状は、温度変化にかかわらず一定であり、かつ温度変化に応じて周波数に対してドリフト（遷移）し、さらにそのドリフト割合が一定（〔周波数変化量〕／〔温度変化量〕＝一定）になることが知られている。
【００２５】
例えば、図６に示すように、温度ｔ_２０に比して低い温度ｔ_１５（ｔ_１５＜ｔ_２０）における伝達利得−周波数データの曲線Ｊ_１５は、曲線Ｊ_２０を右側に（周波数が大きくなる方向に）ドリフトしたものとなる。
すなわち、曲線Ｊ_２０の小周波数部分Ｊ_２０ａ、大周波数部分Ｊ_２０ｂに対応する曲線Ｊ_１５の小周波数部分Ｊ_１５ａ、大周波数部分Ｊ_１５ｂは、周波数が大きい方（図６右側）にドリフトし、温度ｔ_１５における超音波センサ５（曲線Ｊ_１５）の共振周波数ｆ_１５は、温度ｔ_２０における超音波センサ５（曲線Ｊ_２０）の共振周波数ｆ_２０に比して大きくなる（ｆ_１５＞ｆ_２０）。同様に、曲線Ｊ_２０の共振点も、図６右方向にドリフトし、曲線Ｊ_２０、曲線Ｊ_１５それぞれの利得は同等の利得値Ｇ_ｒになっている。
【００２６】
また、温度ｔ_２０に比して高い温度ｔ_２４（ｔ_２４＞ｔ_２０）における伝達利得−周波数データの曲線Ｊ_２４は、曲線Ｊ_２０を左側に（周波数が小さくなる方向に）ドリフトしたものとなる。
すなわち、曲線Ｊ_２０の小周波数部分Ｊ_２０ａ、大周波数部分Ｊ_２０ｂに対応する曲線Ｊ_２４の小周波数部分Ｊ_２４ａ、大周波数部分Ｊ_２４ｂは、周波数が小さい方（図６右側）にドリフトし、温度ｔ_２４における超音波センサ５（曲線Ｊ_２４）の共振周波数ｆ_２４は、温度ｔ_２０における超音波センサ５（曲線Ｊ_２０）の共振周波数ｆ_２０に比して小さくなる（ｆ_２４＜ｆ_２０）。同様に、曲線Ｊ_２４の共振点も、図６左方向にドリフトし、曲線Ｊ_２４の利得は、曲線Ｊ_２０、曲線Ｊ_１５それぞれの利得と同等の利得値Ｇ_ｒになっている。
【００２７】
上述したように、温度がｔ_２４、ｔ_２０、ｔ_１５のように低くなるに伴い、対応する曲線Ｊ_２４、Ｊ_２０、Ｊ_１５は、図６のように右側にドリフトして示されることになり、「温度低下方向」として右方向の矢印で示している。また、温度がｔ_１５、ｔ_２０、ｔ_２４のように高くなるに伴い、対応する曲線Ｊ_１５、Ｊ_２０、Ｊ_２４は、図６のように左側にドリフトして示されることになり、「温度上昇方向」として左方向の矢印で示している。
【００２８】
伝達利得−周波数データの曲線は、温度変化に伴い、図６のように右方向、または左方向にドリフトしたものとして示されるが、そのドリフト割合（〔周波数変化量〕／〔温度変化量〕）は一定になっている。例えば各曲線Ｊ_２４、Ｊ_２０、Ｊ_１５で共通な値Ｇ_ｒに対応する共振周波数ｆ_２４、ｆ_２０、ｆ_１５を例にすると、〔ｆ_２４−ｆ_２０〕／〔ｔ_２４−ｔ_２０〕＝〔ｆ_２０−ｆ_１５〕／〔ｔ_２０−ｔ_１５〕＝一定となる。伝達利得Ｇ_ｒ以外の他の伝達利得値に対応する周波数についても上述したのと同様にドリフト割合（〔周波数変化量〕／〔温度変化量〕）が一定となっている。
【００２９】
前記演算装置１１は、後述するようにインピーダンス計測器９の計測データ、利得計測器１０の計測データ、対応データ格納回路１４の格納データ及び図５及び図６のデータを用いて（図２及び図３の演算処理を行って）、流体の温度影響を受けた超音波センサ５の温度を求める。さらに、演算装置１１は、温度データに基づいて前記超音波送信器３に印加するパルスの周波数を調整する（ステップＳ１３）。この場合、パルスの周波数を、求められた温度における超音波センサ５の共振周波数と同等の大きさに設定し、これにより超音波送信器３を確実に共振させて良好に超音波を放射するようにしている。
【００３０】
次に、演算装置１１の演算処理内容を図２及び図３のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップＳ１で測定回数Ｎを「０」にし、次のステップＳ２で測定回数Ｎに「１」を加える。続くステップＳ３で、測定回数Ｎが１（Ｎ＝１？）であるか否かを判定する。
【００３１】
ステップＳ３でＹＥＳと判定すると、ステップＳ４に進み、ＮＯと判定する（２回目以降の測定ではＮＯと判定される。）とステップＳ５に進んで処理を行う。
ステップＳ４では、前回測定時の温度ｔ_{（ｎ−１）} ＝２０℃に設定し、後述するステップＳ１１における温度ｔ_（ｎ）（以下、前回測定時の温度ｔ_{（ｎ−１）} に対比して、便宜上、適宜、前回測定時における今回測定時の温度ｔ_（ｎ）という。）算出に対処すると共に、前回測定時の共振周波数ｆ_{（ｎ−１）} ＝ｆ_２０に設定し、次のステップＳ６でのパルス発信に用いてステップＳ１２における共振周波数ｆ_（ｎ）（以下、前回測定時の共振周波数ｆ_{（ｎ−１）} に対比して、便宜上、適宜、前回測定時における今回の共振周波数ｆ_（ｎ）という。）算出に対処するようにしている。
【００３２】
ステップＳ５では、前回測定時の「今回」を今回測定時の「前回」とするように、今回の測定時における前回測定時の温度ｔ_{（ｎ−１）} 及び前回測定時の共振周波数ｆ_{（ｎ−１）} を設定し、後述するステップＳ１１及びステップＳ６の処理に対処する。
ステップＳ４またはステップＳ５の処理に続いて、前回〔（Ｎ−１）回〕測定時の共振周波数ｆ_{（ｎ−１）} でパルスを発信する（ステップＳ６）。なお、ステップＳ４処理の後のステップＳ６では、前回測定時の共振周波数ｆ_{（ｎ−１）} は前述したようにｆ_２０である。
【００３３】
次に、インピーダンス計測器９が計測する超音波センサ５のインピーダンスＺ_（ｎ）を入力する（ステップＳ７）。ステップＳ７に続くステップＳ８で、インピーダンス変化量ΔＺを次式（１）により求める。
ΔＺ＝Ｚ_（ｎ） −Ｚ_{（ｎ−１）} … （１）
Ｚ_（ｎ）；今回測定時のインピーダンス
Ｚ_{（ｎ−１）} ；前回測定時のインピーダンス
【００３４】
次のステップＳ９で、今回測定時のインピーダンスＺ_（ｎ）が飽和インピーダンスＺ_Ｓ以上であるか否か判定する。ステップＳ９でＹＥＳと判定すると、ステップＳ１０ないしステップＳ１３の処理を行う一方、ＮＯと判定すると、ステップＳ１４に進んで処理を行う。
ステップＳ１０では、ステップＳ８で求めたインピーダンス変化量ΔＺを対応データ格納回路１４のΔＺ−Δｔ対応データに照合し、対応する温度変化量Δｔを読出す。
【００３５】
そして、ステップＳ１１（第１の温度算出手段）で、前記温度変化量Δｔを前回測定時の温度ｔ_{（ｎ−１）} （ステップＳ４またはステップＳ５）に加えて今回測定時の温度ｔ_（ｎ）を求める。
次のステップＳ１２で、今回測定時の温度ｔ_（ｎ）に対応する共振周波数ｆ_（ｎ）（図５参照）をインピーダンス−周波数格納回路１２から読出す。ステップＳ１１に続くステップＳ１３で、パルス発生器６のパルス発生周波数をｆ_（ｎ）に補正し、補正したｆ_（ｎ）で超音波パルスを発信させ、流量計測を行えるようにする。
ステップＳ１３を終了すると、ステップＳ２に戻って、新たな温度変化に対処し得るようにしている。
【００３６】
前記ステップＳ９でＮＯと判定すると、上述したようにステップＳ１４に進むが、ＮＯと判定するのは、次のような状況になっている。
すなわち、インピーダンスＺ_（ｎ）が飽和インピーダンスＺ_Ｓ未満の際には、インピーダンス−周波数曲線のうち、共振点−反共振点間部分（例えばＫ_１０ｂ）のみならず共振周波数以下部分（例えばＫ_１０ａ）が対象になっており、図５の特性（インピーダンス−周波数特性）のみからではステップＳ１０の温度変化量Δｔを求めることができない。そして、ステップＳ１０の温度変化量Δｔを得るために、次のステップＳ１４ないしステップＳ２２の処理を行う。
図３に示すように、ステップＳ１４では、ステップＳ８で求めたインピーダンス変化量ΔＺを対応データ格納回路１４に格納されたΔＺ−Δｔ_ｕ、Δｔ_ｄ対応データに照合し、対応するΔｔ_ｕ、Δｔ_ｄを読出す。
【００３７】
続いて、ステップＳ１４で読み出されたΔｔ_ｕ、Δｔ_ｄを対応データ格納回路１４のΔｔ_ｕ，Δｔ_ｄ −ΔＧ_ｕ，ΔＧ_ｄ対応データに照合して、対応する温度低下方向の利得変化量ΔＧ_ｄ及び温度上昇方向の利得変化量ΔＧ_ｕを読出す。
次のステップＳ１６で、利得計測器１０が計測した利得Ｇを入力する。
続いて、利得変化量ΔＧを次式（２）により求める（ステップＳ１７）。
【００３８】
ΔＧ＝Ｇ_（ｎ） −Ｇ_{（ｎ−１）} … （２）
Ｇ_（ｎ）；今回測定時の利得
Ｇ_{（ｎ−１）} ；前回測定時の利得
【００３９】
ステップＳ１７に続くステップＳ１８で、利得変化量ΔＧが前記温度上昇方向の利得変化量ΔＧ_ｕに一致しているか否かの判定を行い、ＮＯと判定すると、利得変化量ΔＧが前記温度低下方向の利得変化量ΔＧ_ｄに一致しているか否かの判定を行う（ステップＳ１９）。ステップＳ１８でＹＥＳと判定すると、ステップＳ２０で温度低下方向の温度変化量Δｔ_ｄを温度変化量Δｔに設定して処理を図２のステップＳ１１に戻って行う。また、ステップＳ１９でＹＥＳと判定すると、ステップＳ２１で温度上昇方向の温度変化量Δｔ_ｕを温度変化量Δｔに設定して処理を図２のステップＳ１１に戻って行う。また、ステップＳ１９でＮＯと判定すると、エラーとして図示しない警報機によりエラー状態になったことを報知する（ステップＳ２２）。
本実施の形態では、ステップＳ１４ないしＳ２１及びステップＳ１１から第２の温度算出手段を構成し、ステップＳ１３からパルス調整手段を構成している。
【００４０】
上述したように構成した超音波流量計では、インピーダンス計測器９及び利得計測器１０の計測データを、あらかじめ求められる図５のインピーダンス−周波数データ及び図６の利得−周波数データにそれぞれ照合して、前回計測された温度との差分に相当する温度変化量Δｔを求め、この温度変化量Δｔを前回測定時の温度ｔ_{（ｎ−１）} に加えて今回測定時の温度ｔ_（ｎ）を得（ステップＳ１１）、今回測定時の温度ｔ_（ｎ）に対応する共振周波数等しい周波数でパルスを発生させるようにパルス発生器６のパルス発生周波数をｆ_（ｎ）に補正する（ステップＳ１３）。このため、超音波送信器３を確実に共振させて良好な超音波を発信することができる。
また、上記実施の形態では、ステップＳ２２でエラー状態となったことが報知されることで、超音波送・受信器３，４間で正常な超音波の送・受信が行われていないことが判断できるため、超音波センサ５の故障や、管１内への気泡の混入等の異常があることがわかる。
【００４１】
このように超音波センサ５が従来技術で用いられた温度センサの機能を果たすので、前記温度センサを別個に設けなくて済むことになる。このため、管１内に温度センサを設けることで起こり得た流体の流れの変化を招くことがなく、計測精度の向上を図ることができる。また、部品数が少なくなること及び管１内に温度センサを設けなくて済むことにより、装置の構造が簡素化され、ひいては、装置の低廉化を図ることができる。
【００４２】
上記実施の形態では、渦発生体を設けて流体の流量を計測する超音波流量計を例にしたが、本発明は、これに限らず、超音波の伝搬速度が、上流から下流に向かう場合と、下流から上流に向かう場合で異なることを利用し、渦発生体を設けずに流体の流量を計測するように構成した超音波流量計であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、超音波センサが従来技術で用いられた温度センサの機能を果たすので、前記温度センサを別個に設けなくて済むことになる。このため、管内に温度センサを設けることで起こり得た流体の流れの変化を招くことがなく、計測精度の向上を図ることができる。また、部品数が少なくなること及び管内に温度センサを設けなくて済むことにより、装置の構造が簡素化され、ひいては、装置の低廉化を図ることができる。
【００４４】
流体温度の変化に伴って変化する超音波センサの温度を測定し、この超音波センサの温度に対応する共振周波数を求めることが可能であり、これにより、温度変化による共振周波数の変化に対して、パルス発生手段のパルス発生周波数を最適化することができ、ひいては受信レベルを大きくして流量測定精度を向上できる。
【００４５】
超音波センサの温度測定値から流体温度を求め、この流体の温度をディスプレイに表示したり、あるいはプリントアウトすることが可能であり、計測者は、流体の温度を目視して流体温度の大きな変化時等に迅速に対処することが可能となる。
【００４６】
また、超音波流量計は、体積流量計であるため、流体温度に応じた流量換算が必要となるが、この流量換算に超音波センサの温度測定値から求められる流体温度を用いることによって新たに流量換算のための流体温度を測定する手段を設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の超音波流量計を模式的に示す図である。
【図２】同超音波流量計の演算装置の処理内容を示すフローチャートの一部である。
【図３】図２のフローチャートのステップＳ９に続くフローチャートである。
【図４】同超音波流量計の超音波センサのインピーダンス−周波数特性を示す図である。
【図５】温度をパラメータとした複数のインピーダンス−周波数特性を示す図である。
【図６】同超音波流量計の超音波センサの伝達利得−周波数特性を示す図である。
【図７】従来の超音波流量計の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１管
３超音波送信器
４超音波受信器
５超音波センサ
９インピーダンス計測器
１０利得計測器
１１演算装置
１２インピーダンス−周波数データ格納回路
１３利得−周波数データ格納回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for measuring a flow rate of a fluid.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 shows an example of a conventional ultrasonic flowmeter.
In the figure, a vortex generating column 2 is provided in a pipe 1 through which a fluid flows, and alternately generates Karman vortices on both sides. The tube 1 is provided with an ultrasonic sensor 5 composed of ultrasonic transmitters / receivers 3 and 4. The ultrasonic transmitters / receivers 3 and 4 are attached to the wall of the tube 1 so as to face each other with a vortex generating region in the tube 1 therebetween.
[0003]
The ultrasonic transmitter 3 is connected to a pulse generator 6 for applying a pulse of a predetermined frequency to the ultrasonic transmitter 3 and transmitting an ultrasonic wave.
A flow detection circuit (not shown) is provided so as to be connected to the pulse signal output side of the pulse generator 6 and the ultrasonic receiver 4. The flow rate detection circuit obtains the generation cycle of the Karman vortex, and thus the flow rate of the fluid, based on the change in the ultrasonic wave propagation characteristics between the ultrasonic wave transmitter / receivers 3 and 4.
[0004]
When the temperature of the fluid changes, the volume of the fluid, the ultrasonic wave propagation speed, and the like change. For this reason, in order to perform accurate flow rate measurement, it is necessary to perform correction in consideration of a change in fluid volume and a change in ultrasonic wave propagation velocity due to a temperature change.
[0005]
The ultrasonic flow meter of FIG. 7 is provided with a temperature sensor 7 on the inner peripheral side of the tube 1 and connected to the temperature sensor 7 and the pulse generator 6 in order to achieve the above-described correction in consideration of the temperature change. A circuit 8 is provided. The output signal of the temperature sensor 7 is supplied to a temperature correction circuit 8, and the temperature correction circuit 8 obtains fluid temperature data from the supplied signal. The temperature correction circuit 8 obtains a correction signal based on the temperature data, outputs the correction signal to the pulse generator 6, adjusts the frequency of the pulse applied to the ultrasonic transmitter 3, and adjusts the reception level of the ultrasonic receiver 4 to a desired value. In this way, good measurement data is obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned prior art, since the temperature sensor 7 is provided on the inner peripheral side of the pipe 1, the flow of the fluid is disturbed by the temperature sensor 7, thereby affecting the generation of Karman vortex. There was a risk of an error in flow measurement.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter capable of performing temperature correction and improving measurement accuracy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an ultrasonic sensor comprising an ultrasonic transmitter / receiver arranged in a pipe through which a fluid to be measured flows and transmitting and receiving ultrasonic waves through the fluid to be measured,
Pulse generating means for generating an ultrasonic wave by exciting the ultrasonic wave transmitter by applying a pulse of a predetermined frequency set in advance to the ultrasonic wave transmitter,
Flow rate detection means for detecting the flow rate of the fluid to be measured based on the propagation characteristics of the ultrasonic waves received by the ultrasonic receiver,
Impedance measuring means for measuring the impedance of the ultrasonic sensor,
Transmission gain measuring means for measuring the transmission gain of the ultrasonic sensor,
Impedance-frequency data storage means for storing impedance-frequency data of the ultrasonic sensor with temperature as a parameter,
Gain-frequency data storage means for storing transmission gain-frequency data of the ultrasonic sensor with temperature as a parameter,
First temperature calculating means for obtaining a temperature from the impedance-frequency data based on the impedance measured by the impedance measuring means;
A second temperature calculation unit that obtains a temperature from the calculation result of the first temperature calculation unit and the transmission gain-frequency data based on the transmission gain measured by the transmission gain measurement unit;
Pulse adjusting means for adjusting a frequency of a pulse generated by the pulse generating means based on the temperature obtained by the first or second temperature calculating means;
It is characterized by having.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0010]
In FIG. 1, a vortex generating column 2 is provided in a pipe 1 through which a fluid flows, and a Karman vortex is generated alternately on both sides. The tube 1 is provided with an ultrasonic sensor 5 composed of ultrasonic transmitters / receivers 3 and 4. The ultrasonic transmitters / receivers 3 and 4 are attached to the tube 1 so as to face each other with a vortex generating region in the tube 1 therebetween.
[0011]
The ultrasonic transmitter 3 is connected to a pulse generator 6 for applying a pulse of a predetermined frequency to the ultrasonic transmitter 3 and transmitting an ultrasonic wave.
A flow rate detection circuit (not shown) as flow rate detection means is connected to the pulse signal output side of the pulse generator 6 and the ultrasonic receiver 4. The flow rate detection circuit obtains the generation cycle of the Karman vortex, and thus the flow rate of the fluid, based on the change in the ultrasonic wave propagation characteristics between the ultrasonic wave transmitter / receivers 3 and 4.
An impedance measuring device 9 (impedance measuring device) is provided between the pulse generator 6 (pulse generating device) and the ultrasonic transmitter 3 so that the pulse signal from the pulse generator 6 can be supplied to the ultrasonic transmitter 3. Is equipped. The impedance measuring device 9 calculates the voltage value and the current value of the pulse signal from the pulse generator 6 and measures the impedance of the ultrasonic sensor 5.
[0012]
The pulse generator 6 excites the ultrasonic transmitter 3 by applying a pulse of a predetermined frequency to the ultrasonic transmitter 3 to emit ultrasonic waves.
A gain measuring device (transmission gain measuring means) 10 is provided connected to the pulse output side of the impedance measuring device 9 and the ultrasonic receiver 4. The gain measuring device 10 compares the amplitude of the pulse applied to the ultrasonic transmitter 3 with the amplitude of the ultrasonic wave (pulse) received by the ultrasonic receiver 4, and determines the transmission gain of the ultrasonic wave transmitted through the fluid. Is measured.
[0013]
An arithmetic unit 11 is provided so as to be connected to the pulse generator 6, the impedance measuring device 9 and the gain measuring device 10. The arithmetic unit 11 is connected to the ultrasonic transmitters / receivers 3 and 4 and generates a Karman vortex generation cycle based on a change in the ultrasonic wave propagation characteristics between the ultrasonic transmitters / receivers 3 and 4 and thus the flow rate of the fluid. Is obtained, and constitutes a flow rate detecting means. The arithmetic unit 11 further includes an impedance-frequency data storage circuit (impedance-frequency data storage means) 12, a gain-frequency data storage circuit (gain-frequency data storage means) 13, a corresponding data storage circuit 14, and an output circuit 15. Is connected.
[0014]
The impedance-frequency data storage circuit 12 stores a plurality of impedance-frequency data (a curve K described later) using temperature as a parameter. ₁₀ , K ₂₀ , K ₂₂ , K ₂₉ … Etc.) are stored.
The gain-frequency data storage circuit 13 stores a plurality of transmission gain-frequency data (a curve J described later) using temperature as a parameter. _Fifteen , J ₂₀ , J ₂₄ … Etc.) are stored.
The output circuit 15 obtains the temperature of the fluid from the input measured temperature t and outputs the temperature data of the fluid to a display or a printer (not shown).
[0015]
Here, the impedance-frequency data and the transmission gain-frequency data of the ultrasonic sensor 5 will be described.
First, the impedance-frequency data of the ultrasonic sensor 5 will be described with reference to FIGS.
For example, temperature t ₂₀ The relationship between the impedance and the frequency of the ultrasonic sensor 5 in FIG. 4 is represented by a curve K as shown in FIG. ₂₀ It becomes. This curve K ₂₀ Is the resonance frequency f ₂₀ At the part (resonance point) corresponding to _r ) And the resonance frequency f ₂₀ Becomes maximum at a frequency portion (anti-resonance point) having a larger value than that of
[0016]
Curve K ₂₀ Resonance frequency f ₂₀ The following frequency portion (hereinafter referred to as a portion below resonance frequency) K ₂₀ a is an impedance (hereinafter, appropriately referred to as a saturation impedance) Z as the frequency decreases. _S To be saturated.
Curve K ₂₀ From the resonance point to the anti-resonance point (part between the resonance point and the anti-resonance point) K ₂₀ b rapidly increases with an increase in frequency, and the impedance at the anti-resonance point is _S Is greatly exceeded. In addition, a portion K equal to or higher than the frequency of the anti-resonance point ₂₀ c is the impedance Z as the frequency increases. _S Is gradually reduced so as to converge to a predetermined value that greatly exceeds the predetermined value.
Note that the saturation impedance Z _S From the impedance Z at the resonance point _r (Hereinafter referred to as impedance reference change amount) ΔZ _H Is a constant value (for example, 500Ω).
[0017]
The shape of the curve of the impedance-frequency data of the ultrasonic sensor 5 is constant irrespective of the temperature change, drifts (transitions) with respect to the frequency in accordance with the temperature change, and the drift rate is constant ([frequency change amount ] / [Temperature change] = constant).
For example, as shown in FIG. ₂₀ Temperature t lower than ₁₀ (T ₁₀ <T ₂₀ Curve K of the impedance-frequency data in ₁₀ Is the curve K ₂₀ To the right (in the direction in which the frequency increases).
That is, the curve K ₂₀ Below the resonance frequency of K ₂₀ a, K between resonance point and anti-resonance point ₂₀ b, the portion K above the frequency of the anti-resonance point ₂₀ Curve K corresponding to c ₁₀ Below the resonance frequency of K ₁₀ a, K between resonance point and anti-resonance point ₁₀ b, the portion K above the frequency of the anti-resonance point ₁₀ c is drifting to a higher frequency. Similarly, the minimum point (resonance point) drifts and the temperature t ₁₀ Ultrasonic sensor 5 (curve K) ₁₀ ) Resonance frequency f ₁₀ Is the temperature t ₂₀ Ultrasonic sensor 5 (curve K) ₂₀ ) Resonance frequency f ₂₀ (F ₁₀ > F ₂₀ ). And the curve K ₁₀ Is the curve K ₂₀ To the right, the curve K ₁₀ The value of the impedance at the minimum point (resonance point) of _r It has become.
Also, the temperature t ₂₀ Temperature t higher than ₂₂ (T ₂₂ > T ₂₀ Curve K) ₂₂ Or t ₂₉ (T ₂₉ > T ₂₂ Curve K) ₂₉ Is the temperature curve K ₂₀ Is drifted to the left.
[0018]
As described above, the temperature is t ₂₉ , T ₂₂ , T ₂₀ , T ₁₀ , The corresponding curve K ₂₉ , K ₂₂ , K ₂₀ , K ₁₀ Is drifted to the right as shown in FIG. 5 and is indicated by a rightward arrow as the “temperature decreasing direction”. Also, if the temperature is t ₁₀ , T ₂₀ , T ₂₂ , T ₂₉ , The corresponding curve K ₁₀ , K ₂₀ , K ₂₂ , K ₂₉ Is drifted to the left as shown in FIG. 5, and is indicated by a leftward arrow as the “temperature increasing direction”.
[0019]
The curve of the impedance-frequency data is shown as drifting rightward or leftward as shown in FIG. 5 with the temperature change, and the drift ratio ([frequency change amount] / [temperature change amount]) is It is constant. For example, each curve K ₂₉ , K ₂₂ , K ₂₀ , K ₁₀ Common value Z _r Resonance frequency f corresponding to ₂₉ , F ₂₂ , F ₂₀ , F ₁₀ For example, [f ₂₉ −f ₂₂ ] / [T ₂₉ -T ₂₂ ] = [F ₂₂ −f ₂₀ ] / [T ₂₂ -T ₂₀ ] = [F ₂₀ −f ₁₀ ] / [T ₂₀ -T ₁₀ ] = Constant. Impedance Z _r The drift ratio ([frequency change amount] / [temperature change amount]) is constant at frequencies corresponding to other impedance values other than the above.
[0020]
Since the impedance Z and the frequency f have a correspondence relationship as shown in FIG. 5 using temperature as a parameter, the impedance change amount ΔZ and the temperature change amount Δt have a certain correspondence relationship. Then, ΔZ-Δt correspondence data indicating this correspondence relationship is stored in the correspondence data storage circuit 14. Here, the impedance change amount ΔZ is the impedance Z at the time of this measurement. _n And the impedance Z of the previous measurement _n-1 And the difference (Z _n -Z _n-1 ).
As will be described later, a pulse is transmitted at the resonance frequency at the temperature determined by the previous measurement to determine the impedance at that time. _S If it is less than two, the corresponding curves are two on the temperature rising direction side and the temperature decreasing direction side (one curve corresponds to the portion below the resonance frequency and the other curve is between the resonance point and the anti-resonance point) The parts correspond. ], A curve corresponding to the resonance frequency cannot be specified only with FIG. In order to cope with this, the impedance change ΔZ and the temperature change Δt in the temperature decreasing direction are taken. _d , The temperature change amount Δt in the temperature rising direction _u ΔZ-Δt indicating the correspondence with each _u , Δt _d Corresponding data is obtained in advance, and the corresponding data is stored in the corresponding data storage circuit 14.
[0021]
Note that Δt used in step S15 described later _u , Δt _d −ΔG _u , ΔG _d The corresponding data is the temperature change amount Δt in the temperature decreasing direction. _d , The temperature change amount Δt in the temperature rising direction _u , The gain change amount ΔG in the temperature decreasing direction which is obtained in advance corresponding to _d , The amount of gain change ΔG in the temperature rising direction _u The corresponding data is ΔZ-Δt corresponding data and ΔZ-Δt _u , Δt _d It is stored in the correspondence data storage circuit 14 together with the correspondence data.
[0022]
Next, transmission gain-frequency data of the ultrasonic sensor 5 will be described with reference to FIG.
For example, temperature t ₂₀ The relationship between the transmission gain and the frequency of the ultrasonic sensor 5 in FIG. 6 is expressed by plotting the frequency f on the horizontal axis and the gain G [dB] on the vertical axis, as shown in FIG. ₂₀ It becomes. This curve J ₂₀ Is the resonance frequency f ₂₀ (Maximum gain) at the portion (resonance point) corresponding to. Also, curve J ₂₀ Differs greatly in the way of change with the resonance point as a boundary.
[0023]
That is, the resonance frequency f ₂₀ A portion having a lower frequency (hereinafter, referred to as a small frequency portion) J ₂₀ In a, the gain G tends to rapidly decrease as the frequency decreases. Also, the resonance frequency f ₂₀ A portion having a higher frequency (hereinafter, referred to as a large frequency portion) J ₂₀ In b, the gain G gradually decreases as the frequency increases near the resonance point, and the gain G sharply decreases as the frequency increases at a higher frequency.
[0024]
The shape of the curve of the transmission gain-frequency data of the ultrasonic sensor 5 is constant irrespective of the temperature change, drifts (transitions) with respect to the frequency in accordance with the temperature change, and the drift ratio is constant ([frequency Change amount / [temperature change amount] = constant).
[0025]
For example, as shown in FIG. ₂₀ Temperature t lower than _Fifteen (T _Fifteen <T ₂₀ Curve J of the transfer gain-frequency data in ()) _Fifteen Is the curve J ₂₀ To the right (in the direction in which the frequency increases).
That is, the curve J ₂₀ Small frequency part J of ₂₀ a, large frequency part J ₂₀ Curve J corresponding to b _Fifteen Small frequency part J of _Fifteen a, large frequency part J _Fifteen b drifts toward the higher frequency (right side in FIG. 6) and the temperature t _Fifteen Ultrasonic sensor 5 (curve J _Fifteen ) Resonance frequency f _Fifteen Is the temperature t ₂₀ Ultrasonic sensor 5 (curve J ₂₀ ) Resonance frequency f ₂₀ (F _Fifteen > F ₂₀ ). Similarly, curve J ₂₀ 6 also drifts rightward in FIG. ₂₀ , Curve J _Fifteen Each gain has the same gain value G _r It has become.
[0026]
Also, the temperature t ₂₀ Temperature t higher than ₂₄ (T ₂₄ > T ₂₀ Curve J of the transfer gain-frequency data in ()) ₂₄ Is the curve J ₂₀ Is drifted to the left (in the direction of decreasing frequency).
That is, the curve J ₂₀ Small frequency part J of ₂₀ a, large frequency part J ₂₀ Curve J corresponding to b ₂₄ Small frequency part J of ₂₄ a, large frequency part J ₂₄ b drifts to the lower frequency (right side in FIG. 6) and the temperature t ₂₄ Ultrasonic sensor 5 (curve J ₂₄ ) Resonance frequency f ₂₄ Is the temperature t ₂₀ Ultrasonic sensor 5 (curve J ₂₀ ) Resonance frequency f ₂₀ (F ₂₄ <F ₂₀ ). Similarly, curve J ₂₄ 6 also drifts to the left in FIG. ₂₄ The gain of curve J ₂₀ , Curve J _Fifteen Gain value G equivalent to each gain _r It has become.
[0027]
As described above, the temperature is t ₂₄ , T ₂₀ , T _Fifteen And the corresponding curve J ₂₄ , J ₂₀ , J _Fifteen Are drifted to the right as shown in FIG. Also, if the temperature is t _Fifteen , T ₂₀ , T ₂₄ And the corresponding curve J _Fifteen , J ₂₀ , J ₂₄ Is drifted to the left as shown in FIG.
[0028]
The curve of the transmission gain-frequency data is shown as drifting rightward or leftward as shown in FIG. 6 with the temperature change, and the drift ratio ([frequency change amount] / [temperature change amount]) Is constant. For example, each curve J ₂₄ , J ₂₀ , J _Fifteen Value G common to _r Resonance frequency f corresponding to ₂₄ , F ₂₀ , F _Fifteen For example, [f ₂₄ −f ₂₀ ] / [T ₂₄ -T ₂₀ ] = [F ₂₀ −f _Fifteen ] / [T ₂₀ -T _Fifteen ] = Constant. Transmission gain G _r The drift rate ([frequency change amount] / [temperature change amount]) is constant for frequencies corresponding to other transfer gain values other than the above, as described above.
[0029]
The arithmetic unit 11 uses the measurement data of the impedance measurement device 9, the measurement data of the gain measurement device 10, the data stored in the corresponding data storage circuit 14, and the data of FIGS. 3) to determine the temperature of the ultrasonic sensor 5 affected by the temperature of the fluid. Further, the arithmetic unit 11 adjusts the frequency of the pulse applied to the ultrasonic transmitter 3 based on the temperature data (Step S13). In this case, the frequency of the pulse is set to the same magnitude as the resonance frequency of the ultrasonic sensor 5 at the determined temperature, so that the ultrasonic transmitter 3 is reliably resonated and emits ultrasonic waves well. I have to.
[0030]
Next, the content of the arithmetic processing of the arithmetic device 11 will be described based on the flowcharts of FIGS.
First, the number of measurements N is set to "0" in step S1, and "1" is added to the number of measurements N in the next step S2. In a succeeding step S3, it is determined whether or not the number of measurements N is 1 (N = 1?).
[0031]
If YES is determined in step S3, the process proceeds to step S4, and if NO is determined (NO is determined in the second and subsequent measurements), the process proceeds to step S5 to perform processing.
In step S4, the temperature t at the previous measurement _(N-1) = 20 ° C., and the temperature t in step S11 described later _(N) (Hereafter, the temperature t at the last measurement _(N-1) For convenience, the temperature t at the time of the current measurement at the time of the previous measurement is appropriately _(N) That. ) In addition to coping with the calculation, the resonance frequency f in the previous measurement _(N-1) = F ₂₀ , And is used for pulse transmission in the next step S6, and is used for the resonance frequency f in the step S12. _(N) (Hereinafter, the resonance frequency f at the last measurement _(N-1) For convenience, the present resonance frequency f at the time of the previous measurement is appropriately _(N) That. ) We are trying to deal with the calculation.
[0032]
In step S5, the temperature t of the previous measurement at the time of the current measurement is set so that the "current" at the time of the previous measurement is set as the "last time" of the current measurement. _(N-1) And the resonance frequency f from the previous measurement _(N-1) Is set, and the processing in steps S11 and S6 described below is dealt with.
Subsequent to the processing in step S4 or step S5, the resonance frequency f at the time of the previous ((N-1) times) measurement is _(N-1) To transmit a pulse (step S6). In step S6 after the process in step S4, the resonance frequency f at the time of the previous measurement is determined. _(N-1) Is f as described above. ₂₀ It is.
[0033]
Next, the impedance Z of the ultrasonic sensor 5 measured by the impedance measuring device 9 _(N) Is input (step S7). In step S8 following step S7, the impedance change amount ΔZ is obtained by the following equation (1).
ΔZ = Z _(N) -Z _(N-1) … (1)
Z _(N) ; Impedance at the time of this measurement
Z _(N-1) ; Impedance at previous measurement
[0034]
In the next step S9, the impedance Z at the time of this measurement is determined. _(N) Is the saturation impedance Z _S It is determined whether or not this is the case. If “YES” is determined in the step S9, the processes in the steps S10 to S13 are performed. If “NO” is determined, the process proceeds to the step S14 to perform the processes.
In step S10, the impedance change amount ΔZ obtained in step S8 is checked against the ΔZ-Δt corresponding data in the corresponding data storage circuit 14, and the corresponding temperature change amount Δt is read.
[0035]
Then, in step S11 (first temperature calculating means), the temperature change amount Δt is determined by the temperature t at the time of the previous measurement. _(N-1) (Step S4 or Step S5) and the temperature t at the time of the current measurement _(N) Ask for.
In the next step S12, the temperature t at the time of the current measurement _(N) Resonance frequency f corresponding to _(N) (See FIG. 5) from the impedance-frequency storage circuit 12. In step S13 following step S11, the pulse generation frequency of the pulse generator 6 is set to f. _(N) And the corrected f _(N) Transmits an ultrasonic pulse so that the flow rate can be measured.
When step S13 is completed, the process returns to step S2 so that a new temperature change can be dealt with.
[0036]
If the determination in step S9 is NO, the process proceeds to step S14 as described above, but the determination in step S9 is as follows.
That is, the impedance Z _(N) Is the saturation impedance Z _S If it is less than the portion between the resonance point and the anti-resonance point in the impedance-frequency curve (for example, K ₁₀ b) as well as the portion below the resonance frequency (for example, K ₁₀ a) is the target, and the temperature change Δt in step S10 cannot be obtained only from the characteristic (impedance-frequency characteristic) in FIG. Then, in order to obtain the temperature change amount Δt in step S10, the processing in the following steps S14 to S22 is performed.
As shown in FIG. 3, in step S14, the impedance change amount ΔZ obtained in step S8 is stored in the corresponding data storage circuit 14 by ΔZ−Δt _u , Δt _d Check against the corresponding data and _u , Δt _d Is read.
[0037]
Subsequently, Δt read in step S14 _u , Δt _d In the corresponding data storage circuit 14 _u , Δt _d −ΔG _u , ΔG _d The corresponding gain change ΔG in the temperature decreasing direction is compared with the corresponding data. _d And the gain change ΔG in the temperature rising direction _u Is read.
In the next step S16, the gain G measured by the gain measuring device 10 is input.
Subsequently, a gain change amount ΔG is obtained by the following equation (2) (step S17).
[0038]
ΔG = G _(N) -G _(N-1) … (2)
G _(N) ; Gain at the time of this measurement
G _(N-1) ; Gain from previous measurement
[0039]
In step S18 following step S17, the gain change ΔG is equal to the gain change ΔG in the temperature increasing direction. _u Is determined, and if NO is determined, the gain change ΔG is the gain change ΔG in the temperature decreasing direction. _d Is determined (step S19). If YES is determined in the step S18, the temperature change amount Δt in the temperature decreasing direction is determined in a step S20. _d Is set to the temperature change amount Δt, and the process returns to step S11 in FIG. If YES is determined in the step S19, the temperature change amount Δt in the temperature rising direction is determined in a step S21. _u Is set to the temperature change amount Δt, and the process returns to step S11 in FIG. Also, if NO is determined in the step S19, an alarm (not shown) is notified that an error has occurred as an error (step S22).
In the present embodiment, steps S14 to S21 and step S11 constitute a second temperature calculating means, and step S13 constitutes a pulse adjusting means.
[0040]
In the ultrasonic flowmeter configured as described above, the measurement data of the impedance measuring device 9 and the gain measuring device 10 are compared with the impedance-frequency data of FIG. 5 and the gain-frequency data of FIG. A temperature change Δt corresponding to the difference from the temperature measured last time is obtained, and this temperature change Δt is calculated as the temperature t at the time of the previous measurement. _(N-1) In addition to the temperature t _(N) (Step S11), and the temperature t at the time of the current measurement _(N) The pulse generation frequency of the pulse generator 6 is set to f so that a pulse is generated at a frequency equal to the resonance frequency corresponding to _(N) (Step S13). For this reason, it is possible to reliably resonate the ultrasonic transmitter 3 and transmit an excellent ultrasonic wave.
Further, in the above-described embodiment, the fact that an error state has occurred in step S22 is notified, so that normal transmission / reception of ultrasonic waves between the ultrasonic transmitter / receivers 3 and 4 is not performed. Since it can be determined, it can be seen that there is an abnormality such as a failure of the ultrasonic sensor 5 or mixing of air bubbles into the tube 1.
[0041]
As described above, since the ultrasonic sensor 5 performs the function of the temperature sensor used in the conventional technology, it is not necessary to separately provide the temperature sensor. For this reason, a change in the flow of the fluid which may occur by providing the temperature sensor in the pipe 1 does not occur, and the measurement accuracy can be improved. In addition, since the number of parts is reduced and the temperature sensor is not required in the pipe 1, the structure of the device is simplified, and the cost of the device can be reduced.
[0042]
In the above-described embodiment, the ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of the fluid by providing the vortex generator is described as an example.However, the present invention is not limited to this. An ultrasonic flowmeter configured to measure the flow rate of a fluid without providing a vortex generator may be used by utilizing the difference between the case of going from the downstream and the case of going to the upstream.
[0043]
【The invention's effect】
In the present invention, since the ultrasonic sensor performs the function of the temperature sensor used in the related art, the temperature sensor does not need to be provided separately. For this reason, it is possible to improve the measurement accuracy without causing a change in the flow of the fluid that may occur by providing the temperature sensor in the pipe. In addition, since the number of parts is reduced and the temperature sensor is not provided in the pipe, the structure of the device is simplified, and the cost of the device can be reduced.
[0044]
It is possible to measure the temperature of the ultrasonic sensor that changes with a change in the fluid temperature, and to determine the resonance frequency corresponding to the temperature of the ultrasonic sensor. In addition, the pulse generation frequency of the pulse generation means can be optimized, and the reception level can be increased to improve the flow measurement accuracy.
[0045]
The fluid temperature can be obtained from the temperature measurement value of the ultrasonic sensor, and the temperature of the fluid can be displayed on a display or printed out. It is possible to deal with the situation promptly.
[0046]
In addition, since the ultrasonic flowmeter is a volume flowmeter, it is necessary to convert the flow rate according to the fluid temperature.However, by using the fluid temperature obtained from the temperature measurement value of the ultrasonic sensor for the flow rate conversion, it is newly added. There is no need to provide a means for measuring the fluid temperature for flow rate conversion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a part of a flowchart showing processing contents of an arithmetic unit of the ultrasonic flowmeter.
FIG. 3 is a flowchart that follows step S9 of the flowchart in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing impedance-frequency characteristics of an ultrasonic sensor of the ultrasonic flow meter.
FIG. 5 is a diagram showing a plurality of impedance-frequency characteristics using temperature as a parameter.
FIG. 6 is a diagram showing a transmission gain-frequency characteristic of an ultrasonic sensor of the ultrasonic flowmeter.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of a conventional ultrasonic flowmeter.
[Explanation of symbols]
1 tube
3 Ultrasonic transmitter
4 Ultrasonic receiver
5 Ultrasonic sensor
9 Impedance measuring instrument
10 Gain measuring instrument
11 arithmetic unit
12 Impedance-frequency data storage circuit
13 Gain-frequency data storage circuit

Claims

An ultrasonic sensor including an ultrasonic transmitter / receiver arranged in a pipe through which the fluid to be measured flows and transmitting and receiving ultrasonic waves through the fluid to be measured,
Pulse generating means for generating an ultrasonic wave by exciting the ultrasonic wave transmitter by applying a pulse of a predetermined frequency set in advance to the ultrasonic wave transmitter,
Flow rate detection means for detecting the flow rate of the fluid to be measured based on the propagation characteristics of the ultrasonic waves received by the ultrasonic receiver,
Impedance measuring means for measuring the impedance of the ultrasonic sensor,
Transmission gain measuring means for measuring the transmission gain of the ultrasonic sensor,
Impedance-frequency data storage means for storing impedance-frequency data of the ultrasonic sensor with temperature as a parameter,
Gain-frequency data storage means for storing transmission gain-frequency data of the ultrasonic sensor with temperature as a parameter,
First temperature calculating means for obtaining a temperature from the impedance-frequency data based on the impedance measured by the impedance measuring means;
A second temperature calculation unit that obtains a temperature from the calculation result of the first temperature calculation unit and the transmission gain-frequency data based on the transmission gain measured by the transmission gain measurement unit;
Pulse adjusting means for adjusting a frequency of a pulse generated by the pulse generating means based on the temperature obtained by the first or second temperature calculating means;
An ultrasonic flowmeter comprising: