JP3781485B2

JP3781485B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP3781485B2
Application number: JP22236996A
Authority: JP
Inventors: 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: JPH1062219A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４において、静止流体中の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、音波の伝搬方向が流れに沿った方向（以下順方向と言う）と一致すればその伝搬速度はＣ＋Ｖとなり、流れに逆らった方向（以下逆方向と言う）の場合にはＣ−Ｖとなる。
【０００３】
距離Ｌを隔てて１対の送受波器１，２を流管３の上流と下流に離して配設し、一方の送受波器１から順方向に超音波を発信したとき、他方の送受波器２に超音波が到達するに要する到達時間をｔ、送受波器２から逆方向に超音波を発信したときに、送受波器１に超音波が到達するに要する到達時間をｔ′とすれば、
ｔ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）・・・（１）
ｔ′＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）・・・（２）
となる。
【０００４】
順方向と逆方向の超音波の各到達時間ｔ，ｔ′を測定し、これから流速Ｖを演算し、さらに流速、流量や積算流量（流体の体積）を演算していた。
流速Ｖは上記（１）（２）式から、
Ｖ＝Ｌ｛（１／ｔ）−（１／ｔ′）｝／２・・・（３）
として求めていた。
【０００５】
到達時間ｔ，ｔ′等を測定するには、図５に示すように、送信側の送受波器を励振する発信駆動信号Ｐから受信側の送受波器に受信波が到達するまでの時間ｔを直接測定すれば良いのであるが、現実にはこれができない。
【０００６】
というのは、受信波は、次第に振幅が増大し、その後に減衰する。図５では振幅が増大する間の一部の受信波形しか描いてないが、受信波の到達時点である受信波の先頭「イ」を検知することは不可能だからである。
【０００７】
そこで、受信波到達時点を知る方法として、先ず受信の基準レベルとしてしきい値Ｖ_THを定め、このレベルに最初に達した波がゼロレベルを通るゼロクロスポイントを検知し、受信波を検知するようにしている。
【０００８】
しきい値Ｖ_THは受信波の何番目かの特定の波のゼロクロスポイントを検知するように定めておき、実際の到達時間ｔは、図５における発信波駆動信号Ｐからゼロクロスポイント「ハ」までの測定時間から、予め求めて記憶しておいた時間τを引くことで求めていた。
【０００９】
図５では、受信波の第３波が点「ロ」でしきい値Ｖ_THに達しており、この第３波がゼロレベルを通るゼロクロスポイント「ハ」を検知し、受信波を検知している。
【００１０】
ところで、上述のように順方向の到達時間ｔと逆方向の到達時間ｔ′の測定精度は、これらの到達時間を測定するときに使う基準クロックの分解能で決まるため、到達時間ｔ，ｔ′に基づいて演算する流速、流量等の精度も前記基準クロックの分解能で決まる。
【００１１】
そこで、同じ分解能の基準クロックを用いて、流速、流量等の精度を向上する方法として、到達時間ｔやｔ′を測定するのに、単純に発信（送信）から受信までの１回の到達時間を測るのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを一定の複数（ｎ）回繰り返すことにより、到達時間ｔやｔ′をそれぞれ複数（ｎ）個連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔやｎｔ′を測定するようにしたシングアラウンド式の超音波流量計が周知である。
【００１２】
こうすると、基準クロックの分解能が同じでも、到達時間の測定精度がｎ倍に向上するから、流速、流量等の精度もｎ倍に向上する。従って、例えばｎを１００とすれば、精度は１００倍に向上する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術では、受信波は必ずしも図５のように奇麗な波形にはならないで常に一定レベルのノイズが乗っている。当然、通常のノイズについては問題無いように受信信号を増幅する増幅部の利得や基準レベルのしきい値Ｖ_THを決めている。
【００１４】
しかし、予想以上のノイズや流路の振動等により、受信波が大きく歪み、狙った特定の波（例えば図５のような第３波）ではなく、その前の第１波あるいは後の第５波のゼロクロスポイントを間違って検出してしまうことがある。
【００１５】
この場合、到達時間は超音波の１周期分の時間まちがった値となるため、この間違った測定値をそのまま使用すると、当然誤った流速や流量を導くことになり、大きな誤差の要因となる。
【００１６】
特に到達時間の測定精度を上げるため、同一方向の送受を複数（ｎ）回連続して繰り返し、到達時間ｔやｔ′の複数（ｎ）倍の時間ｎｔやｎｔ′をまとめて測定するようにしたシングアラウンド式の超音波流量計では、複数（ｎ）回の受信波検知が全て、狙った特定の波を捕らえたものでなければならない。
【００１７】
複数（ｎ）回のうち１回でも狙った特定の波を外せば誤差となるため、ノイズの悪影響を受け易いと言える。そこで、狙った特定の波を捕らえられなくて外した時とか、あるいは外したと推定できる時には、そのときの順方向又は逆方向の複数（ｎ）回のまとめて測定した到達時間のｎｔとかｎｔ′を流速や流量等の演算に採用しないで、そのときの測定値ｎｔとかｎｔ′を御破算にすることが行われていた。
【００１８】
そして、御破算にした測定値ｎｔとかｎｔ′の代わりに、前回に測定した正常な測定値ｎｔやｎｔ′を使うようにしていた。ところが、このような方法では、実際に流速・流量が変化していても、前回の測定値ｎｔ，ｎｔ′を使うので、当然変化分だけの測定誤差を生じるという問題点があった。
【００１９】
そして、ｎ回のうち１回でも狙った特定の波を外す度にそのときの測定値ｎｔを御破算にしていては効率が良くない。狙った特定の波を捕らえられなくて外したと判断したときには、再測定するようにして、再測定したときのまとめての到達時間ｎｔとかｎｔ′を使用する方法も考えられるが、複数（ｎ）回の送受を再度又は再再度やり直すことにもなり、その分消費電流が大きくなるという問題点があった。
【００２０】
しかも、ｎ回連続して狙った特定の波をすべて確実に捕らえる確率は、測定精度を上げるためにｎを大きくする程低くなるという矛盾がある。
そこで、本発明はこのような問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、
送信側にも受信側にも働く１対の超音波送受波器（１）（２）を流管（３）の上流と下流に離して設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流速・流量を求める超音波流量計であって、
先ず送信側の送受波器（１又は２）を発信させ、受信側の送受波器（２又は１）の信号を入力する受信波検知部（４）が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器（１又は２）を発信させることを一定の複数（ｎ）回繰り返すように構成し、
基準クロックを用いて最初の送信から一定の複数（ｎ）回目の受信までの時間、つまり到達時間の複数（ｎ）倍の時間をまとめて測定し、その結果から流速・流量を求めるようにしたもので、
最初の発信からその受信までの到達時間（ｔ₁）、続いてその受信と同時に行われる送信からその受信までの到達時間（ｔ₂）というように、各々の到達時間の複数（ｎ）個を、前記到達時間の複数（ｎ）倍の時間とは別に毎回測定して記憶するようにし、
各到達時間（ｔ₁），（ｔ₂），…，（ｔｎ）をチェックし、到達時間（ｔｍ）が直前と直後の到達時間より一定以上大きく違うものがあれば、その到達時間は受信波を正しく捕らえることが出来なかった間違った値と判断して、直前と直後の到達時間（ｔ_m-1）（ｔ_m+1）から正しい値を推定し、推定した正しい値と間違っている値との差分だけ前記まとめて測定した到達時間の複数（ｎ）倍の時間（ｎｔ）を修正して、その後の流速・流量等の演算に使用するようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、
正しい値を直前と直後の到達時間（ｔ_m-1）（ｔ_m+1）の平均値｛（ｔ_m-1＋ｔ_m+1）／２｝とするようにしたことを特徴とするものである。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の超音波流量計において、前記受信波検知部（４）は、受信波の特定の波のゼロクロスポイントを検知して受信波を検知するようにしたことを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項１、２又は３記載の超音波流量計において、前記一定以上を超音波の周期より定めたことを特徴とするものである。
請求項５の発明は、請求項１、２、３又は４記載の超音波流量計において、前記一定以上を超音波の半周期（α）以上と定めたことを特徴とするものである。
そして、請求項６の発明は、請求項１、２、３、４又は５記載の超音波流量計において、前記受信波検知部（４）は、受信の基準レベルとして一定のしきい値Ｖ _TH を定め、このレベルに最初に達した波がゼロレベルを通るゼロクロスポイントを検知して受信波を検知するようにしたことを特徴とするものである。
【００２３】
【作用】
受信波を検知する毎に記憶した各到達時間をｔ₁，ｔ₂，…，ｔ_m-1，ｔ_m，ｔ_m+1，…ｔ_n-1，ｔ_nとする。複数（ｎ）回の超音波の送受による順方向又は逆方向の測定は短時間のうちに連続的に繰り返される。その短時間の間での流速変化は小さくて、ｔ₁，ｔ₂，…，ｔ_nは本来殆ど同じ値であり、特に連続して隣り合う二つの値は殆ど差がない。
【００２４】
ところが、予想以上のノイズのため、狙っていた特定の波のゼロクロスポイントを検知できなくて、特定の波の一つ前あるいは一つ後の波のゼロクロスポイントを間違って検知した場合には、そのときの一つの到達時間の測定値例えばｔ_mは、その値の直前の値ｔ_m-1や直後の値ｔ_m+1と比べて超音波の１周期分あるいはその整数倍異なった値となる。
【００２５】
そこで、測定値ｔ_mでは、狙った特定の波を外したと判断し、狙った特定の波を正しく捕らえていたら得られたであろう値を推定し、測定値ｔ_mと正しいと思われる推定値との差分だけ測定した時間ｎｔを修正し、修正した値に基づいて流速・流量等の演算を行う。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
図１において、１，２は１対の超音波送受波器で、従来技術と同様に流体の流れ中を流れと同方向あるいは斜め方向に超音波の送受をする。
【００２７】
４は受信波検知部で、信号切替器５によって選択された受信側の送受波器２又は１がその入力に接続され、受信波の特定の波のゼロクロスポイントを検知すると受信波検知信号（図２参照）を出力する。
【００２８】
図２では第１，第２，…，第_m-1，第_m，…，第_n-1及び第_nの各受信波検知信号にそれぞれ１，２，…，_m-1，_m，_m+1，…，_n-1及び_nの各符号を付けている。
【００２９】
６は後述するコントロール部７からの測定オン・オフ信号がオン側になる毎に送信側の送受波器１又は２を駆動し、その後は受信波検知部４からの受信波検知信号毎に送信側の送受波器１又は２を駆動し、第ｎ受信波検知信号が入力されるか測定オン・オフ信号がオフ側になると駆動を停止する送波器駆動部である。
【００３０】
８は第１のカウンタで、受信波検知部４から受信波検知信号が入力されていて、測定オン・オフ信号がオン側になる毎に零から受信波検知信号の数を計数し始め、順方向測定時と逆方向測定時のそれぞれの期間において、第ｎの受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号を出力する。
【００３１】
９は第２のカウンタで、順方向測定時と逆方向測定時のそれぞれの期間において、測定オン・オフ信号がオン側になってから第ｎ受信波検知信号までの時間ｎｔを測定する。なお、この時間ｎｔの測定は第２のカウンタ９に内蔵されている図示されてない基準クロック発生器からの基準クロックを計数することで行う。
【００３２】
７はコントロール部で、信号切替器５と切替スイッチ１０を周期して切り替えることで一定のタイミングで順方向測定と逆方向測定の切り替えを行う送受切替信号を出力すると共に、その都度オン・オフ信号をオフ側からオン側にすることで順方向測定と逆方向測定の第１回の超音波の送信（発信）を指令する。そして、第１のカウンタ８からの第ｎ受信波検知信号を受けると第２のカウンタ９のカウント値（測定値）を読み取って流速・流量及び積算流量の演算を行う。
【００３３】
１１は第３のカウンタで、コントロール部７からの測定オン・オフ信号がオン側になると、その時から第１の受信波検知信号までの到達時間ｔ₁を、その後は受信波検知信号から次の受信波検知信号までの到達時間ｔ₂，…，ｔ_m-1，ｔ_m，ｔ_m+1，…，ｔ_n-1，ｔ_nをその都度測定して出力する。
【００３４】
前記コントロール部７はマイクロコンピュータで構成されていて、受信波検知部４からの受信波検知信号が入力される毎に、第３のカウンタ１１の測定値ｔ₁，ｔ₂，…，ｔ_m-1，ｔ_m，ｔ_m+1，…，ｔ_n-1，ｔ_nを読み取り、順に記憶する。そして、第１のカウンタ８から第ｎ受信波検知信号を受けると、第２のカウンタ９の測定値を読み取り、測定オン・オフ信号をオフ側にすると共に記憶した第３のカウンタ１１の前記測定値ｔ₁，ｔ₂，…，ｔ_m-1，ｔ_m，ｔ_m+1，…，ｔ_n-1，ｔ_nの相互関係を順にチェックする。
【００３５】
即ち、超音波の半周期αに対して、隣接する測定値同士の差がαより小さいことを確認する。つまり、
｜ｔ₂−ｔ₁｜＜α
｜ｔ₃−ｔ₂｜＜α
｜ｔ₄−ｔ₃｜＜α
・・・・・
｜ｔ_m−ｔ_m-1｜＜α
｜ｔ_m+1−ｔ_m｜＜α
・・・・・
｜ｔ_n−ｔ_n-1｜＜α
のすべてが成立するかどうかを確認する。
【００３６】
仮に、
｜ｔ_m−ｔ_m-1｜＜α
が成立しなくて、
｜ｔ_m+1−ｔ_m-1｜＜α
のときには、測定値ｔ_mが真値ではなくて間違っていると判断し、第２のカウンタ９のカウント値（測定値）ｎｔに対して次の（４）式のように修正を行う。
【００３７】
〔ｎｔ〕＝ｎｔ＋｛（ｔ_m-1＋ｔ_m+1）／２｝−ｔ_m ・・・（４）
なお、（４）式で、左辺の〔ｎｔ〕は誤差を修正した測定値（第２のカウンタのカウント値を修正した値）、右辺の第２項は、間違って測定した第ｍ回目の到達時間の直前と直後の到達時間の測定値ｔ_m-1とｔ_m+1の平均値である。また、（４）式の右辺のうち、
｛（ｔ_m-1＋ｔ_m+1）／２｝−ｔ_m
は、推定した正しい値である前記平均値と、間違っているとした値ｔ_mとの差分である。
【００３８】
図３は第３のカウンタ１１の電気回路の具体例で、ＯＲゲート１２と、リセット可能なカウンタ１３と、カウンタ１３のクロック入力ＣＫに基準クロックを入力する基準クロック発生器１４と、カウンタ１３の時計計数値を一時的に記憶してコントロール部７へ出力するラッチ回路１５が図示のように接続されている。受信波検知信号がラッチ回路１５のラッチ入力に入力されてカウンタ１３の時計計数値を先ずラッチ記憶してからＯＲゲート１２を介して受信波検知信号がカウンタ１３の時計計数値を零にリセットするようにタイミングが定めてある。
【００３９】
なお、図３では基準クロック発生器１４を特別に設けているが、図１の第２カウンタ９に内蔵された前記基準クロック発生器を利用し、その基準クロックを図３のカウンタ１３のクロック入力ＣＫに入力するようにしても良い。
【００４０】
上述のように、１回毎の到達時間の測定値が、間違ったゼロクロスポイントの検知のために誤差が生じた場合には、順方向又は逆方向の複数回のまとめた到達時間ｎｔ≒Ｔ（図２参照）を、誤差分に相当する値だけ即座に修正し、修正した値に基づいて流速・流量及び積算流量をコントロール部７で演算する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、順方向測定時と逆方向測定時に多数回（ｎ回）の超音波の送受を連続的に繰り返して行うことで流量計の測定精度を向上する流量計で多数回（ｎ回）のうち、１回や２回狙った波の正しいゼロクロスポイントを捕らえぞこなっても、まとめて到達時間（ｎｔ）を真値に近い値に即座に修正して流量計の誤差への悪影響を防止するため、精度のよい測定ができる。
【００４２】
また、特定の波のゼロクロスポイントを捕らえぞこなっても複数（ｎ）回の測定を再度やり直す必要がないため、消費電力を浪費する虞れがない。
更にまた、少数回の個々の到達時間の測定ミスはまとめての到達時間（ｎｔ）で修正できるため、ある程度のノイズを許容できる。その結果受信波検知回路に低ノイズの高性能アンプを使う必要がなく、この面からも消費電力が小さくなり、電源電池を小さくでき、コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態のブロック図である。
【図２】図１の実施形態のタイムチャートである。
【図３】図１の実施形態の第３カウンタ１１の具体的電気回路の実施例である。
【図４】超音波流量計の原理を説明する略図である。
【図５】超音波流量計の受信波検知部の動作を説明するための電気信号波形を示す線図である。
【符号の説明】
１，２超音波送受波器
３流管
４受信波検知部
ｔ₁，ｔ₂，…，ｔ_m-1，ｔ_m，ｔ_m+1，…，ｔ_n-1，ｔ_n 到達時間

Claims

送信側にも受信側にも働く１対の超音波送受波器（１）（２）を流管（３）の上流と下流に離して設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流速・流量を求める超音波流量計であって、
先ず送信側の送受波器（１又は２）を発信させ、受信側の送受波器（２又は１）の信号を入力する受信波検知部（４）が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器（１又は２）を発信させることを一定の複数（ｎ）回繰り返すように構成し、
基準クロックを用いて最初の送信から一定の複数（ｎ）回目の受信までの時間、つまり到達時間の複数（ｎ）倍の時間をまとめて測定し、その結果から流速・流量を求めるようにしたもので、
最初の発信からその受信までの到達時間（ｔ₁）、続いてその受信と同時に行われる送信からその受信までの到達時間（ｔ₂）というように、各々の到達時間の複数（ｎ）個を、前記到達時間の複数（ｎ）倍の時間とは別に毎回測定して記憶するようにし、
各到達時間（ｔ₁），（ｔ₂），…，（ｔｎ）をチェックし、到達時間（ｔｍ）が直前と直後の到達時間より一定以上大きく違うものがあれば、その到達時間は受信波を正しく捕らえることが出来なかった間違った値と判断して、直前と直後の到達時間（ｔ_m-1）（ｔ_m+1）から正しい値を推定し、推定した正しい値と間違っている値との差分だけ前記まとめて測定した到達時間の複数（ｎ）倍の時間（ｎｔ）を修正して、その後の流速・流量等の演算に使用するようにしたことを特徴とする超音波流量計。
正しい値を直前と直後の到達時間（ｔ_m-1）（ｔ_m+1）の平均値｛（ｔ_m-1＋ｔ_m+1）／２｝とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
前記受信波検知部（４）は、受信波の特定の波のゼロクロスポイントを検知して受信波を検知するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
前記一定以上を超音波の周期より定めたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の超音波流量計。
前記一定以上を超音波の半周期（α）以上と定めたことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の超音波流量計。
前記受信波検知部（４）は、受信の基準レベルとして一定のしきい値Ｖ _TH を定め、このレベルに最初に達した波がゼロレベルを通るゼロクロスポイントを検知して受信波を検知するようにしたことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の超音波流量計。