JP4075526B2

JP4075526B2 - Ultrasonic flow meter

Info

Publication number: JP4075526B2
Application number: JP2002248248A
Authority: JP
Inventors: 謙三黄地; 裕治中林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004085421A

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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計として、図８に示すような超音波流量計１がある。図８は、断面図を示し、流体の流れる流路２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器３、４を流体を介し、対向して設置し、一対の超音波変換器間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、流量を演算し、流量計としていた。なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは、図に示すように交差角θで交叉している。
【０００３】
図９に、上流側（もしくは下流側）の超音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形波状の駆動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。横軸に時間を、縦軸に受信電圧を示す。なお、図中の横線９（破線）は、コンパレ−タの設定電圧（Ｖｒｅｆ）を示す。なお、コンパレ−タの設定電圧９（Ｖｒｅｆ）は、受信波形８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番目の受信電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してある。超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｐは、駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８が、コンパレ−タの設定電圧９を越えた次のゼロクロス点１１（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。この場合、真の伝搬時間Ｔｓは、上記の伝搬時間Ｔｐから、受信波形の３．５波分（図中のＴｉ参照）を差し引いた時間となる。即ち、超音波の真の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして、流量演算に用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計１の超音波伝搬時間Ｔｓ（＝Ｔｐ−Ｔｉ）は、例えば、一対の超音波振動子３、４間を伝搬する超音波が、流路２を流れる流体の流速分布や、発生した渦などにより、あるいは、流体の温度変化などにより、受信波形８の受信感度、即ち、受信振幅が変化したりし、或いは、受信波形が変形したりしていたため、コンパレ−タの設定電圧９と受信振幅との相対関係、あるいは、超音波の真の伝搬時間Ｔｓと超音波の伝搬時間Ｔｐとの相対関係が変化し、ある時は、その差が２．５波分であったり、またある時は、その差が４．５波分、あるいは、３．０波分になったりしていた。このため、流体の流速計測に誤差が生じ、演算した流体の流量が不正確になるという課題を有していた。また、上流側あるいは下流側の超音波変換器が、温度変化などで、その特性が変化し、例えば、超音波到達時点からゼロクロス点１１までの時間、Ｔｉ、が変化したりした場合には、超音波伝播時間に誤差が発生し、誤計測することがあるという課題も有していた。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、超音波の受信感度、あるいは受信波形が、渦あるいは不規則な流速分布などにより変化・変形しても、流体の流速を正確に計測することができ、精度のよい流量計を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、一対の超音波変換器を流体が流れる流路の上流側と下流側とに、流体を介して対向配置し、一方の超音波変換器を複数の駆動周波数で駆動し、超音波を他方の超音波変換器へ向かって送信するとともに、他方の超音波変換器で受信した受信波の複数のゼロクロス点までの伝搬時間から超音波の真の到着時間を判定し、この判定時間を用いて流量を演算する構成とした。この構成により、流体の温度変化や、流体の流速分布などにより、超音波の受信波形が変形したりしても、複数の駆動周波数で、送信側の超音波変換器を駆動し、受信側の超音波変換器で受信した受信波形の複数のゼロクロス点までの時間を計測し、それらの時間から真の超音波伝播時間を判定するので、超音波の伝搬時間を正確に計測することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、流体が流れる流路と、前記流路の上流側と下流側とに流体を介して対向配置した一対の超音波変換器と、前記超音波変換器の一方を複数の駆動周波数で駆動し、もう一方の超音波変換器へ向けて超音波を送信する駆動回路と、前記もう一方の超音波変換器が受信した超音波信号のゼロクロス点を検知する検知回路とを備え、前記検知回路で検知した駆動周波数毎の複数のゼロクロス点から得られる近似直線同士の交点を求め、かつ、この交点から超音波の真の伝搬時間を判定し、かつ、この判定された真の伝播時間を用いて流量を演算する制御・演算回路を有し、流量を測定する構成とした。この構成により、複数の駆動周波数および複数のゼロクロス点までの伝搬時間から、真の超音波伝播時間を計測することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、特に請求項１記載の駆動周波数を、相互に５［％］以上異なるよう構成した。この構成により、複数のゼロクロス点までの超音波伝搬時間から計測する真の超音波伝播時間を、安定して、容易に演算するこができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、特に請求項１記載の駆動周波数の数を３以上とする構成とした。この構成により、真の伝搬時間が複数個得られるので、誤判定を防止することができ、高精度に真の伝搬時間を判定することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、特に請求項１記載の送信側の超音波変換器を駆動する駆動波数を、超音波到着時点を起点として検出するゼロクロス点を含む波数以上とする構成とした。この構成により、ゼロクロス点までの時間が安定するので、超音波の真の伝搬時間を安定して、Ｓ／Ｎよく検出することができるため、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、特に請求項１記載の複数のゼロクロス点が、超音波変換器固有の立上がり波数に含まれる数よりも小さく設定する構成とした。この構成により、受信波形内のゼロクロス点を含む領域において、受信波形の位相が大きく乱れることがないので、正確に真の超音波伝播時間を判定することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、特に請求項２記載の超音波変換器を、感度特性が、最大感度の７５［％］以上の周波数帯域（ｄＦｒ／Ｆｃ）が、２０［％］以上のとする構成とした。この構成により、複数の駆動周波数間の差を大きくとることができ、真の超音波伝播時間を、Ｓ／Ｎ良く判定することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、特に請求項５記載の複数のゼロクロス点を、受信感度の大きい方から順次トリガレベルを低下させて検出する構成とした。この構成により、受信感度の大きく、時間分解能の大きなゼロクロス点を優先して採用することができ、真の超音波伝播時間を、Ｓ／Ｎ良く判定することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、特に請求項１記載の超音波の真の伝搬時間から超音波の平均音速を演算する構成とした。この構成により、得られた音速から真の超音波伝播時間の妥当性を判定することができ、誤動作を防止できる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における流量計２１の断面図を示し、流体の流れる流路２２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３、２４を流体を介し対向して設置し、超音波変換器間の距離Ｌｄは、約１００［ｍｍ］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０［ｍｍ＾２］とした。なお、図中の片矢印２５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは交叉角θ（４５度）で交叉するようにした。図２は、流量計２１のブロック図を示す。この構成において、トリガ−回路３０が予め設定された間隔でスタ−ト命令を、駆動回路３１および時間回路３２に出力する。スタ−ト命令を受けた駆動回路３１では、送信側切換ＳＷ３３で選択されている送信側超音波変換器（例えば、上流側の超音波変換器２３）に駆動信号を出力する。送信側超音波変換器が、流路の流体中に送信した超音波は、受信側切換ＳＷ３４で選択されている超音波変換器（例えば、下流側の超音波変換器２４）で受信され、その信号は増幅器３５で増幅される。一方、スタ−ト命令を受けた時間回路３２では、一定間隔の時間パルスを発生する。また、予め決められた経過時間後、検知回路３７へ、ゲ−ト開放信号を送出する。ゲ−ト開放信号を受けた検知回路３７は、超音波の受信波からゼロクロス点を検出し、超音波受信時間を制御・演算回路に出力する。制御・演算回路３６では、検知回路３７からは超音波伝搬を検知したゼロクロス時間を、時間回路３２から一は定間隔の時間パルスを受け取り時間経過を認識し、超音波伝搬時間を判定する。この超音波送信・検知を、順次ゼロクロス点を更新しながら繰り返す。
【００１７】
以上のことを図３を用いて説明する。図３（ａ）に、２５０［ｋＨｚ］からなる矩形状のバ−スト信号で構成した駆動信号３８を示す。超音波受信信号３９は、受信側の超音波変換器で受信した信号を示す。破線４０、４１は、検知回路３７へゲ−ト開放信号を送出するトリガ−レベルを示す。例えば、トリガ−レベルが破線４０で示したように設定されていると、すなわち破線４０が受信波形３９の３番目と４番目のピ−クＶ３、Ｖ４間に設定されていると、検知回路が計測するゼロクロス点は４２で示す位置となる。また、トリガ−レベルが破線４１で示したように設定されていると、すなわち破線４１が受信波形３９の１番目と２番目のピ−クＶ１、Ｖ２間に設定されていると、検知回路が計測するゼロクロス点は４３で示す位置となる。順次トリガ−レベルを変更することにより、そらぞれ異なった位置のゼロクロス点を計測することができる。この場合、超音波の真の伝播時間、すなわち、駆動信号３８の立上がり時点から超音波信号得られる時点までの時間、Ｔｓに変化はない。しかし、駆動信号３８の立上がり時点からゼロクロス点までの時間、Ｔｐに変化することになる。
【００１８】
異なったゼロクロス点までの時間、Ｔｉが各ゼロクロス点に対して得られる。
【００１９】
図４に異なった周波数で駆動した場合の受信波形を示す。受信波形４４（破線）は、受信波形４５（実線）に比べ低い周波数で駆動した場合を示す。それぞれの受信波形４４、４５において真の超音波伝播時間、Ｔｓは一定であるが、ゼロクロス点までの時間、すなわち受信波形４４（破線）のゼロクロス点までの時間Ｔｉ（２）は、受信波形４５（実線）のゼロクロス点までの時間、Ｔｉ（１）に比べ大きくなっている。より低い周波数で駆動すると、ゼロクロス点までの時間は伸張し、より高い周波数で駆動すると、ゼロクロス点までの時間は短縮する。
【００２０】
このように、ともに、お互いに周波数の異なる駆動信号で超音波変換器を駆動し、順次トリガ−レベルを変更し、複数のゼロクロス点を計測すると、図５に示しすような結果が得られる。図５の横軸は、受信波形の仮想的なゼロクロス点の番号を、縦軸に駆動信号からゼロクロス点までの超音波伝播時間、Ｔｐを示す。図中の黒丸（●）は、ある高い周波数で超音波変換器を駆動した場合の仮想的なゼロクロス点番号と超音波伝播時間、Ｔｐ、との関係を示し、実線４６はそれらの関係から最小二乗近似で得られた近似直線を示す。また、白丸（○）は、ある低い周波数で超音波変換器を駆動した場合の仮想的なゼロクロス点番号と超音波伝播時間、Ｔｐ、との関係を示し、破線４７はそれらの関係から最小二乗近似で得られた近似直線を示す。この二直線、実線４６と破線４７との交点４８（大きい黒丸印で示す）が真の超音波伝播時間、Ｔｓを示している。
【００２１】
このようにして得られた超音波伝搬時間Ｔｓを用いて制御・演算回路３６で流体の流量を演算する。
【００２２】
具体的には、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への超音波の到達時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への真の超音波伝播時間をＴｄｕとし、超音波の流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとすると、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］、
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］となる。
これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ、
Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕとなり、
これらの両辺を引き算すると、
２＊Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）−（Ｌｄ／Ｔｄｕ）
＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］となる。
【００２３】
よって、Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］となり、流体の流速Ｖｆが得られたことになる。
さらに、流路２２の断面積Ｓｒを乗じ、流量Ｑｍとなる。
即ち、Ｑｍ＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量値となる。
【００２４】
このように、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への真の超音波伝播時間Ｔｕｄ、および下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への真の超音波伝播時間Ｔｄｕとから流路を流れる流体の流量Ｑｍが得られることになる。以上説明したように、流体の温度が変化したり、あるいは流れる流体の流速分布が変化したりして受信波形が変動しても、複数のゼロクロス点、および複数の駆動周波数で得られるゼロクロス点と超音波の伝播時間Ｔｐとの関係から真の超音波伝播時間、Ｔｓを計測するので、非常に安定して真の超音波伝播時間、Ｔｓを得ることができる。
【００２５】
なお、上記実施例において、流体の流れる方向と、超音波が伝搬する方向との交叉角を約４５度としたが、流体の流れが超音波の伝搬時間に影響を与える角度であればよく、垂直方向以外であればよく、平行であってもよい。
【００２６】
（実施例２）
請求項２について、図５を用いて説明する。すなわち、超音波変換器を駆動する周波数は、その差が大きいほど、実線４６と破線４７との交叉角が大きくなり、交点の位置、すなわち、真の超音波伝播時間、Ｔｓが明確となる。従って、簡単に精度よく、真の超音波伝播時間、Ｔｓを判定することができる。
【００２７】
（実施例３）
請求項３について、図６を用いて説明する。図６は駆動周波数が３つの場合の結果を示す。実線４９はある周波数で駆動した場合の仮想的なゼロクロス番号と超音波伝播時間、Ｔｐとの近似直線を、破線５０はより低い周波数で駆動した場合の近似９直線を、２点鎖線５１はさらに低い周波数で駆動した場合の近似直線を示す。このように、３つ以上駆動周波数で駆動し、仮想的なゼロクロス点の番号と超音波伝播時間、Ｔｐとの関係を計測すると、例えば、この場合には、実線４９と破線５０との関係から交点５２が得られる。同様に、実線４９と２点鎖線５１との関係から交点が得られる。また、破線５０と２点鎖線５１との関係からも交点が得られる。駆動周波数が２つの場合であれば、交点はただ一つしか得られないが、駆動周波数が３つ以上になれば、それぞれの関係から複数の交点が得られる。これらの複数の交点、すなわち、真の超音波伝播時間を、相互に比較することにより、誤ることなく、正確の真の超音波伝播時間、Ｔｓを得ることができる。従って、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００２８】
（実施例４）
請求項４について、図３を用いて説明する。図３の駆動波形３８は波数３．０の矩形波を示している。この場合のは、安定しているゼコクロス点は、４３で示したゼロクロス点の次のゼロクロス点までが安定している。すなわち、受信波形のピ−ク３つまで、あるいは３つ目までの谷（３つ目の谷は、ピ−クＶ３とＶ４の間の谷）のゼロクロス点が安定している。駆動波数に含まれるゼロクロス点までが安定して計測することができる。この意味するところは、図５に示した、仮想的なゼロクロス番号と超音波伝播時間、Ｔｐとの関係が、仮想的なゼロクロス点の番号が大きいところでは、徐々に直線から外れて来ることを意味している。駆動波数以内のゼロクロス点が安定していることは、経験的に見出した。
【００２９】
（実施例５）
請求項５について、以下に説明する。一般的に、超音波変換器は、超音波信号を受信した場合、超音波変換器固有の立上がり特性で立上がる。すなわち、超高周波の矩形波で駆動しても、階段状のステップ波形で駆動しても、受信波形の立上がり形状は同じであるといわれている。種々の波数の駆動波数で駆動し、受信波形のゼロクロス点を計測した結果、超音波変換器固有の立上がり波数以内のゼロクロス点であれば、安定して計測することができた。なお、立上がり波数を超えてゼロクロス点を計測すると、位相関係が乱れるため、実施例４で説明したように、直線性が徐々に悪くなるという結果が得られた。
【００３０】
（実施例６）
請求項６について、図７を用いて説明する。図７は用いた超音波変換器の周波数特性５３を示す。図３に示した駆動波数３．０の矩形波を用い、種々の周波数で超音波変換器を駆動し、受信した電圧と駆動周波数との関係を示す。横軸に周波数を、縦軸に受信電圧を示す。破線５４は最大受信電圧の７５［％］のレベルを示す。最大受信電圧が得られた周波数をＦｐ、最大受信電圧の７５［％］以上得られる周波数幅をｄＦｒとすると、その比、すなわち周波数帯域（ｄＦｒ／Ｆｐ）は、２０［％］以上で有った。このように帯域の大きい超音波変換器を用いると、複数の駆動周波数の周波数差を、例えば５［％］、あるいは１０［％］というように大きくとっても、受信電圧が大きく減少することがないので、Ｓ／Ｎよくゼロｋクロス点を計測することができる。
【００３１】
（実施例７）
請求項７について、図３を用いて説明する。例えば、Ｖ４とＶ３のピ−クを比較すると、ゼロクロス点に時間分解能、すなわち電圧の不確かさと時間の不確かさとを比較すると、例えば、ゼロクロス点検出時のゼロ安定度が、例えば、受信波形の最大振幅の（１／１０００）の約１［ｍＶ］であったとし、またＶ３の次のゼロクロス点の電圧／時間の傾きが、例えば、１［Ｖ］／［μｓｅｃ］、Ｖ４の次のゼロクロス点での傾きが、例えば、２［Ｖ］／［μｓｅｃ］で有ったとすると、それぞれ時間の不確かさは、１［ｎｓｅｃ］および０．５［ｎｓｅｃ］となる。このように受信振幅が大きいほど、ゼロクロス点での時間の不確かさが小さくなり、それだけ安定してゼロクロス点を計測することができることになる。従って、受信振幅の大きいところのゼロクロス点から順次計測するほうが、比較的少ない数のゼロクロス点からでも、より精度も高い、真の超音波伝播時間が得られる。
【００３２】
（実施例８）
請求項８について説明する。上記において、超音波が超音波変換器間を伝播する時間として、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］および
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］を用いたが、
これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ、
Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕとなり、
これらの両辺を足し算すると、
２＊Ｖｓ＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）＋（Ｌｄ／Ｔｄｕ）
＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）＋（１／Ｔｄｕ）］となる。
【００３３】
よって、Ｖｓ＝（Ｌｄ／２）＊［（１／Ｔｕｄ）＋（１／Ｔｄｕ）］より、
超音波の音速が得られることになる。このように、真の超音波伝播時間の平均値から超音波の音速を流体の流速に関わらず演算することができる。
【００３４】
例えば、理科年表には空気の音速値、Ｖｓ（Ａｉｒ）が掲載されている。すなわち、
Ｖｓ（Ａｉｒ）＝３３１．４５＋０．６０７＊Ｔ［℃］［ｍ／ｓｅｃ］
例えば、気温が−３０［℃］であれば、Ｖｓ（−３０）＝３１３．２４［ｍ／ｓｅｃ］であるし、また、気温が＋６０［℃］であれば、Ｖｓ（＋６０）＝３６７．８７［ｍ／ｓｅｃ］である。
【００３５】
従って、例えば、空気の場合、上記の演算により、超音波の音速が得られ、その値が、３１３．２４〜３６７．８７［ｍ／ｓｅｃ］以内であれば、正常であると判定できる。もし、その値が、上記の範囲外であれば、ありえない通常ありえない気温と判断することができる。このように、音速を演算することにより、超音波流量計が正常に動作しているか、あるいは異常動作であるかを判断することができる。なお、流体の種類が異なっても、あらかじめその音速範囲を記憶しておくことにより、超音波流量計んｐ正常動作、異常動作を簡単に判定することができる。
【００３６】
（実施例９）
請求項９について説明する。超音波流量計における寸法を上記のように設定すると、超音波が超音波変換器間、Ｌｄ、を往復する超音波の伝播時間は、
Ｔｕｄ＋Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
≒（Ｌｄ／Ｖｓ）＊［１−（Ｖｆ／Ｖｓ）・ｃｏｓ（θ）］
＋（Ｌｄ／Ｖｓ）＊［１＋（Ｖｆ／Ｖｓ）・ｃｏｓ（θ）］
＝２＊（Ｌｄ／Ｖｓ）となる。
【００３７】
このように、上流側（もしくは下流側）の超音波変換器を駆動し、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器で反射してきた超音波を上流側（もしくは下流側）の超音波変換器でゼロクロス点を上記の実施例で示したように、複数の駆動周波数、複数のゼロクロス点から、真の超音波往復伝搬時間を計測することにより、伝搬距離が２倍（２＊Ｌｄ＝約２００［ｍｍ］）となり、また更に、計測時間が、ほぼ超音波の往復時間、例えば、空気の場合、常温で、約２００［ｍｍ］／約３４０［ｍ／ｓｅｃ］として、約５９０［μｓｅｃ］が得られ、このような短時間で計測することができるので、上流から下流および下流から上流との平均の伝搬時間計測（実施例８）に比べ、非常に高精度に超音波の音速を計測することができ、超音波流量計の正常動作、異常動作を、高精度に判定することができる。
【００３８】
（実施例１０）
請求項１０について説明する。実施例８および９において、超音波流量計内を伝搬する超音波の音速を簡単に、高精度に計測できることを示した。ここでは、例えば、超音波流量計を流れる流体の超音波音速の温度依存性が予め既知であれば、例えば、空気であれば上記で示した温度から音速を演算する関係式を、逆算することにより、容易に流体の温度を知ることができる。この場合も、流体の温度が、例えば、−３０〜＋６０［℃］以内であれば、超音波流量計が正常に動作していると判定することができる。また、範囲外であれば、異常動作であると判定するこもできる。
【００３９】
（実施例１１）
請求項１１について説明する。実施例１０で説明したように、本発明の超音波流量計では、流体の温度を容易に演算することができるので、例えば、流量値を、常温（例えば、２０［℃］）、１気圧に換算して流量を算出することができる。また、例えば、流体の密度が予め既知であると、質量流量として演算することもできる。
【００４０】
従って、周囲温度に関わらず、正確な流量値、あるいは、常に標準状態での流量値として表示することのできる、賢い超音波流量計を実現できる。
【００４１】
（実施例１２）
請求項１２について説明する。実施例１１において、本発明の超音波流量計は、標準状態での流量値あるいは質量流量値を演算できるので、例えば、質量流量値あるいは標準状態で流量値を、容易に積算することができる。従って、例えば、ボンベなどで供給される流体などの場合、例えば、体積流量値を積算している場合には、使用量が周囲の温度により大きく変動するので、ボンベ残量の算出に大きな誤差が発生することになるが、質量流量積算、あるいは、標準状態の流量値積算であれば、誤動作することがなくなる。
【００４２】
以上のように上記各実施例によれば、流体の流速分布や、あるいは渦などにより、あるいは、流体の温度変化などにより、超音波の受信波形が変化しても、超音波の真の伝搬時間を正確に検出することができ、高精度な流量計を実現できる。
【００４３】
また、超音波の音速を知ることができるので、流体の温度なども間単に得られ、超音波流量計の正常動作、異常動作を簡単に判定できる。また、質量流量表示などのできる、高精度な超音波流量計をも実現できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、超音波の真の伝搬時間を正確に検出することができ、高精度な流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における波流量計の断面図
【図２】本発明の実施例１における計測のブロック図
【図３】本発明の実施例１における駆動波形と受信波形図
【図４】本発明の実施例１における駆動周波数と受信波形との関係図
【図５】本発明の実施例１におけるゼロクロス点と伝搬時間との関係図
【図６】本発明の実施例３におけるゼロクロスと伝搬時間との関係図
【図７】本発明の実施例６における周波数特性図
【図８】従来の流量計の断面図
【図９】従来の流量計における駆動波形と受信波形を示す図
【符号の説明】
２１超音波流量計
２２流路
２３上流側の超音波送変換器
２４下流側の超音波送変換器
３１駆動回路
３３送信側切換ＳＷ
３４受信側切換ＳＷ
３７検知回路
３８駆動波形
３９受信波形[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of flow meter, there is an ultrasonic flow meter 1 as shown in FIG. FIG. 8 shows a cross-sectional view, and a pair of ultrasonic transducers 3 and 4 are installed facing each other through the fluid on the upstream side and the downstream side of the flow path 2 through which the fluid flows. The flow rate of the fluid was measured from the propagation time of the ultrasonic wave propagating, and the flow rate was calculated to provide a flow meter. In addition, the single arrow 5 (solid line) in a figure shows the direction through which a fluid flows, and the double arrow 6 (broken line) has shown the direction through which an ultrasonic wave propagates. Note that the direction in which the fluid flows and the direction in which the ultrasonic waves propagate intersect at an intersection angle θ as shown in the figure.
[0003]
FIG. 9 shows a rectangular waveform drive waveform 7 when the upstream (or downstream) ultrasonic transducer 3 (or 4) is driven, and a downstream (or upstream) ultrasonic transducer 4 (or 3). ) Shows the received waveform 8 when received. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents received voltage. The horizontal line 9 (broken line) in the figure indicates the set voltage (Vref) of the comparator. The comparator setting voltage 9 (Vref) is set to be between the third reception voltage peak (V3) and the fourth reception voltage peak (V4) of the reception waveform 8. is there. The propagation time Tp of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic transducers 3 and 4 is the zero cross point 11 (black circle) from the rising point 10 of the drive waveform to the next zero cross point 11 when the received waveform 8 exceeds the set voltage 9 of the comparator. (See Tp in the figure). In this case, the true propagation time Ts is a time obtained by subtracting 3.5 waves of the received waveform (see Ti in the figure) from the propagation time Tp. That is, the true propagation time Ts of the ultrasonic wave is used for the flow rate calculation as Ts = Tp−Ti.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the ultrasonic propagation time Ts (= Tp−Ti) of the conventional flow meter 1 is, for example, that the ultrasonic wave propagating between the pair of ultrasonic transducers 3, 4 is the flow velocity distribution of the fluid flowing through the flow path 2. Since the reception sensitivity of the reception waveform 8, that is, the reception amplitude has changed or the reception waveform has been deformed due to the generated vortex or the temperature change of the fluid, the setting of the comparator The relative relationship between the voltage 9 and the reception amplitude, or the relative relationship between the ultrasonic propagation time Ts and the ultrasonic propagation time Tp changes, and in some cases, the difference is 2.5 waves. In some cases, the difference was 4.5 waves or 3.0 waves. For this reason, there has been a problem that an error occurs in the flow velocity measurement of the fluid, and the calculated flow rate of the fluid becomes inaccurate. In addition, when the characteristics of the ultrasonic transducer on the upstream side or the downstream side change due to a temperature change or the like, for example, when the time from the ultrasonic arrival time to the zero cross point 11 changes, Ti, There was also a problem that an error occurred in the ultrasonic propagation time, which sometimes caused erroneous measurement.
[0005]
The present invention solves the above-described conventional problems, and accurately measures the flow velocity of a fluid even if the ultrasonic reception sensitivity or the received waveform changes or deforms due to vortex or irregular flow velocity distribution. It is possible to provide a flow meter with high accuracy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described conventional problems, an ultrasonic flowmeter of the present invention has a pair of ultrasonic transducers disposed opposite to each other on the upstream side and the downstream side of a flow path through which a fluid flows. The ultrasonic transducer is driven at a plurality of drive frequencies, and the ultrasonic wave is transmitted toward the other ultrasonic transducer. From the propagation time to the plurality of zero cross points of the received wave received by the other ultrasonic transducer The true arrival time of the ultrasonic wave was determined, and the flow rate was calculated using this determination time. With this configuration, even if the received waveform of the ultrasonic wave is deformed due to the temperature change of the fluid or the flow velocity distribution of the fluid, the ultrasonic transducer on the transmission side is driven at a plurality of drive frequencies to Measure the time to multiple zero cross points of the received waveform received by the ultrasonic transducer, and determine the true ultrasonic propagation time from those times, so you can accurately measure the ultrasonic propagation time, A highly accurate ultrasonic flowmeter can be realized.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, there is provided a flow path through which a fluid flows, a pair of ultrasonic transducers disposed opposite to the upstream side and the downstream side of the flow path via the fluid, and one of the ultrasonic transducers. A driving circuit that drives at a plurality of driving frequencies and transmits ultrasonic waves toward the other ultrasonic transducer; and a detection circuit that detects a zero-cross point of the ultrasonic signal received by the other ultrasonic transducer; An intersection of approximate straight lines obtained from a plurality of zero cross points for each drive frequency detected by the detection circuit, and determining the true propagation time of the ultrasonic wave from the intersection , and the determination A control / arithmetic circuit that calculates the flow rate using the true propagation time is used to measure the flow rate . With this configuration, a true ultrasonic propagation time can be measured from a plurality of drive frequencies and propagation times to a plurality of zero cross points, and a highly accurate ultrasonic flowmeter can be realized.
[0008]
The invention described in claim 2 is configured such that the drive frequencies described in claim 1 are different from each other by 5% or more. With this configuration, the true ultrasonic propagation time measured from the ultrasonic propagation times to a plurality of zero cross points can be calculated stably and easily, and a highly accurate ultrasonic flowmeter can be realized.
[0009]
The invention described in claim 3 has a configuration in which the number of drive frequencies described in claim 1 is three or more. With this configuration, a plurality of true propagation times can be obtained, so that erroneous determination can be prevented, the true propagation time can be determined with high accuracy, and a highly accurate ultrasonic flowmeter can be realized.
[0010]
The invention described in claim 4 has a configuration in which the drive wave number for driving the ultrasonic transducer on the transmission side described in claim 1 is set to be equal to or higher than the wave number including the zero cross point that is detected from the arrival point of the ultrasonic wave. With this configuration, since the time to the zero cross point is stabilized, the true propagation time of the ultrasonic wave can be stably detected with good S / N, and thus a highly accurate ultrasonic flow meter can be realized.
[0011]
The invention according to claim 5 is configured such that the plurality of zero cross points according to claim 1 are set to be smaller than the number included in the rising wave number specific to the ultrasonic transducer. With this configuration, the phase of the received waveform is not greatly disturbed in the region including the zero-cross point in the received waveform, so the true ultrasonic propagation time can be accurately determined, and a high-accuracy ultrasonic flowmeter can be used. realizable.
[0012]
The invention according to claim 6 is the ultrasonic transducer according to claim 2, in which the sensitivity characteristic has a maximum sensitivity of 75 [%] or higher frequency band (dFr / Fc) of 20 [%] or higher. It was set as the structure to do. With this configuration, a difference between a plurality of drive frequencies can be increased, the true ultrasonic propagation time can be determined with good S / N, and a highly accurate ultrasonic flow meter can be realized.
[0013]
The invention according to claim 7 is configured to detect the plurality of zero cross points according to claim 5 by decreasing the trigger level sequentially from the one having the higher reception sensitivity. With this configuration, it is possible to preferentially adopt a zero-crossing point with high reception sensitivity and large time resolution, and to determine the true ultrasonic propagation time with a good S / N, and a high-accuracy ultrasonic flowmeter. Can be realized.
[0014]
The invention described in claim 8 is configured to calculate the average sound velocity of the ultrasonic wave from the true propagation time of the ultrasonic wave described in claim 1 in particular. With this configuration, it is possible to determine the validity of the true ultrasonic wave propagation time from the obtained sound speed, and to prevent malfunction.
[0015]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, what attaches | subjects the same number in a figure has shown the same thing, Therefore It abbreviate | omits description.
[0016]
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view of a flow meter 21 according to a first embodiment of the present invention. A pair of ultrasonic transducers 23 and 24 are opposed to each other on the upstream side and the downstream side of a flow path 22 through which a fluid flows. The distance Ld between the ultrasonic transducers was about 100 [mm], and the cross-sectional area Sr of the flow path 22 was about 30 [mm ^ 2]. In addition, the single arrow 25 (solid line) in a figure shows the direction through which a fluid flows, and the double arrow 26 (broken line) has shown the direction through which an ultrasonic wave propagates. The direction in which the fluid flows intersects the direction in which the ultrasonic wave propagates at an intersection angle θ (45 degrees). FIG. 2 shows a block diagram of the flow meter 21. In this configuration, the trigger circuit 30 outputs a start command to the drive circuit 31 and the time circuit 32 at predetermined intervals. Upon receiving the start command, the drive circuit 31 outputs a drive signal to the transmission-side ultrasonic transducer (for example, the upstream ultrasonic transducer 23) selected by the transmission-side switching SW33. The ultrasonic wave transmitted by the transmission side ultrasonic transducer into the fluid in the flow path is received by the ultrasonic transducer selected by the reception side switching SW 34 (for example, the ultrasonic transducer 24 on the downstream side). The signal is amplified by the amplifier 35. On the other hand, the time circuit 32 receiving the start command generates time pulses at regular intervals. In addition, a gate open signal is sent to the detection circuit 37 after a predetermined elapsed time. Upon receiving the gate opening signal, the detection circuit 37 detects a zero cross point from the ultrasonic wave received and outputs the ultrasonic wave reception time to the control / arithmetic circuit. The control / arithmetic circuit 36 receives the zero-cross time at which ultrasonic propagation is detected from the detection circuit 37 and one time pulse from the time circuit 32 to recognize the passage of time, and determines the ultrasonic propagation time. This ultrasonic transmission / detection is repeated while sequentially updating the zero cross point.
[0017]
The above will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows a drive signal 38 composed of a rectangular burst signal of 250 [kHz]. The ultrasonic reception signal 39 indicates a signal received by the ultrasonic transducer on the reception side. Dashed lines 40 and 41 indicate trigger levels for sending a gate open signal to the detection circuit 37. For example, when the trigger level is set as indicated by the broken line 40, that is, when the broken line 40 is set between the third and fourth peaks V3 and V4 of the received waveform 39, the detection circuit is The zero cross point to be measured is a position indicated by 42. When the trigger level is set as indicated by the broken line 41, that is, when the broken line 41 is set between the first and second peaks V1 and V2 of the received waveform 39, the detection circuit is activated. The zero cross point to be measured is a position indicated by 43. By sequentially changing the trigger level, zero cross points at different positions can be measured. In this case, there is no change in the true propagation time of the ultrasonic wave, that is, the time Ts from when the drive signal 38 rises to when the ultrasonic signal is obtained. However, the time from the rising point of the drive signal 38 to the zero cross point changes to Tp.
[0018]
The time to different zero cross points, Ti, is obtained for each zero cross point.
[0019]
FIG. 4 shows received waveforms when driven at different frequencies. A received waveform 44 (broken line) shows a case where the received waveform is driven at a lower frequency than the received waveform 45 (solid line). Although the true ultrasonic wave propagation time and Ts are constant in the respective reception waveforms 44 and 45, the time to the zero cross point, that is, the time Ti (2) to the zero cross point of the reception waveform 44 (broken line) is the reception waveform 45. The time to the zero cross point (solid line) is larger than Ti (1). When driving at a lower frequency, the time to the zero cross point is extended, and when driving at a higher frequency, the time to the zero cross point is shortened.
[0020]
In this way, when the ultrasonic transducers are driven with drive signals having different frequencies from each other, the trigger level is sequentially changed, and a plurality of zero cross points are measured, the result shown in FIG. 5 is obtained. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the virtual zero cross point number of the received waveform, and the vertical axis indicates the ultrasonic propagation time Tp from the drive signal to the zero cross point. The black circle (●) in the figure indicates the relationship between the virtual zero-cross point number and the ultrasonic propagation time, Tp when the ultrasonic transducer is driven at a certain high frequency, and the solid line 46 is the minimum from the relationship. An approximate straight line obtained by the square approximation is shown. A white circle (◯) indicates a relationship between a virtual zero cross point number and an ultrasonic propagation time, Tp when the ultrasonic transducer is driven at a certain low frequency, and a broken line 47 indicates a least square from the relationship. An approximate straight line obtained by approximation is shown. An intersection 48 (indicated by a large black circle) of the two straight lines, the solid line 46 and the broken line 47, indicates the true ultrasonic wave propagation time, Ts.
[0021]
The flow rate of the fluid is calculated by the control / arithmetic circuit 36 using the ultrasonic propagation time Ts thus obtained.
[0022]
Specifically, the arrival time of ultrasonic waves from the upstream ultrasonic transducer 23 to the downstream ultrasonic transducer 24 is Tud, and from the downstream ultrasonic transducer 24 to the upstream ultrasonic transducer 23. If the true ultrasonic wave propagation time is Tdu, the propagation velocity of ultrasonic waves in the fluid is Vs, and the fluid flow velocity is Vf,
Tud = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)],
Tdu = Ld / [Vs−Vf · cos (θ)].
From these,
Vs + Vf · cos (θ) = Ld / Tud,
Vs−Vf · cos (θ) = Ld / Tdu,
If you subtract these two sides,
2 * Vf · cos (θ) = (Ld / Tud) − (Ld / Tdu)
= Ld * [(1 / Tud)-(1 / Tdu)].
[0023]
Therefore, Vf = {Ld / [2 · cos (θ)]} * [(1 / Tud) − (1 / Tdu)], and the fluid flow velocity Vf is obtained.
Further, the flow rate Qm is obtained by multiplying the cross-sectional area Sr of the flow path 22.
That is, Qm = Sr * Vf is the measured flow rate value.
[0024]
Thus, the true ultrasonic wave propagation time Tud from the upstream ultrasonic transducer 23 to the downstream ultrasonic transducer 24, and from the downstream ultrasonic transducer 24 to the upstream ultrasonic transducer 23. From the true ultrasonic wave propagation time Tdu, the flow rate Qm of the fluid flowing through the flow path can be obtained. As described above, even if the received waveform fluctuates due to changes in the fluid temperature or the flow velocity distribution of the flowing fluid, a plurality of zero cross points and zero cross points obtained at a plurality of drive frequencies Since the true ultrasonic wave propagation time Ts is measured from the relationship with the ultrasonic wave propagation time Tp, the true ultrasonic wave propagation time Ts can be obtained very stably.
[0025]
In the above embodiment, the crossing angle between the direction in which the fluid flows and the direction in which the ultrasonic wave propagates is about 45 degrees, but any angle that affects the propagation time of the ultrasonic wave may be used. It may be other than the vertical direction and may be parallel.
[0026]
(Example 2)
Claim 2 will be described with reference to FIG. That is, as the frequency for driving the ultrasonic transducer increases, the crossing angle between the solid line 46 and the broken line 47 increases, and the position of the intersection, that is, the true ultrasonic wave propagation time, Ts becomes clear. Therefore, the true ultrasonic wave propagation time Ts can be determined easily and accurately.
[0027]
(Example 3)
Claim 3 will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the results when there are three drive frequencies. A solid line 49 indicates an approximate straight line between a virtual zero cross number and an ultrasonic wave propagation time and Tp when driven at a certain frequency, a broken line 50 indicates an approximate 9 straight line when driven at a lower frequency, and a two-dot chain line 51 further indicates An approximate straight line when driven at a low frequency is shown. In this way, when driving at three or more drive frequencies and measuring the relationship between the virtual zero-cross point number and the ultrasonic propagation time, Tp, for example, in this case, from the relationship between the solid line 49 and the broken line 50 An intersection point 52 is obtained. Similarly, an intersection is obtained from the relationship between the solid line 49 and the two-dot chain line 51. Further, the intersection point is obtained from the relationship between the broken line 50 and the two-dot chain line 51. If there are two drive frequencies, only one intersection can be obtained, but if there are three or more drive frequencies, a plurality of intersections can be obtained from each relationship. By comparing these intersections, that is, the true ultrasonic propagation time with each other, the true true ultrasonic propagation time, Ts, can be obtained without error. Therefore, a highly accurate ultrasonic flow meter can be realized.
[0028]
Example 4
Claim 4 will be described with reference to FIG. The drive waveform 38 in FIG. 3 represents a rectangular wave having a wave number of 3.0. In this case, the stable zero cross point is stable up to the zero cross point next to the zero cross point indicated by 43. That is, the zero-cross point of the peak of the received waveform is stable up to three or up to the third valley (the third valley is the valley between the peaks V3 and V4). Up to the zero crossing point included in the driving wave number can be stably measured. This means that the relationship between the virtual zero-cross number and the ultrasonic propagation time and Tp shown in FIG. 5 gradually deviates from the straight line when the virtual zero-cross point number is large. I mean. It has been empirically found that the zero cross point within the driving wave number is stable.
[0029]
(Example 5)
Claim 5 will be described below. In general, when an ultrasonic signal is received, the ultrasonic transducer rises with a rise characteristic unique to the ultrasonic transducer. That is, it is said that the rising shape of the received waveform is the same whether it is driven by a super-high frequency rectangular wave or a stepped step waveform. As a result of driving with various driving wave numbers and measuring the zero cross point of the received waveform, it was possible to measure stably if the zero cross point was within the rising wave number unique to the ultrasonic transducer. When the zero cross point was measured beyond the rising wave number, the phase relationship was disturbed, and as described in Example 4, the result that the linearity gradually deteriorated was obtained.
[0030]
(Example 6)
Claim 6 will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the frequency characteristic 53 of the used ultrasonic transducer. The relationship between the received voltage and the driving frequency is shown by driving the ultrasonic transducer at various frequencies using the rectangular wave having the driving wave number of 3.0 shown in FIG. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents received voltage. A broken line 54 indicates a level of 75 [%] of the maximum reception voltage. Assuming that the frequency at which the maximum reception voltage is obtained is Fp and the frequency width at which 75% or more of the maximum reception voltage is obtained is dFr, the ratio, that is, the frequency band (dFr / Fp) is 20 [%] or more. It was. When an ultrasonic transducer having such a large band is used, even if the frequency difference between a plurality of drive frequencies is increased to, for example, 5 [%] or 10 [%], the received voltage does not greatly decrease. The zero-k cross point can be measured with good S / N.
[0031]
(Example 7)
Claim 7 will be described with reference to FIG. For example, comparing the peaks of V4 and V3, comparing the time resolution to the zero cross point, that is, comparing the voltage uncertainty and the time uncertainty, for example, the zero stability when detecting the zero cross point is, for example, the maximum of the received waveform. It is assumed that the amplitude is about 1 [mV] of (1/1000) of the amplitude, and the slope of the voltage / time of the next zero crossing point of V3 is, for example, 1 [V] / [μsec], and the next zero crossing point of V4 If the slope at 2 is, for example, 2 [V] / [μsec], the time uncertainty is 1 [nsec] and 0.5 [nsec], respectively. Thus, the larger the reception amplitude, the smaller the time uncertainty at the zero cross point and the more stable the zero cross point can be measured. Therefore, if the measurement is performed sequentially from the zero cross points where the reception amplitude is large, a true ultrasonic wave propagation time with higher accuracy can be obtained even from a relatively small number of zero cross points.
[0032]
(Example 8)
Claim 8 will be described. In the above, as the time for the ultrasonic wave to propagate between the ultrasonic transducers,
Tud = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)] and Tdu = Ld / [Vs−Vf · cos (θ)] were used.
From these,
Vs + Vf · cos (θ) = Ld / Tud,
Vs−Vf · cos (θ) = Ld / Tdu,
When these two sides are added,
2 * Vs = (Ld / Tud) + (Ld / Tdu)
= Ld * [(1 / Tud) + (1 / Tdu)].
[0033]
Therefore, from Vs = (Ld / 2) * [(1 / Tud) + (1 / Tdu)],
Ultrasonic speed of sound can be obtained. In this manner, the ultrasonic sound velocity can be calculated from the average value of the true ultrasonic propagation time regardless of the fluid flow velocity.
[0034]
For example, the scientific chronology lists the sound velocity value of air, Vs (Air). That is,
Vs (Air) = 331.45 + 0.607 * T [° C.] [m / sec]
For example, when the temperature is −30 [° C.], Vs (−30) = 313.24 [m / sec], and when the temperature is +60 [° C.], Vs (+60) = 367. 87 [m / sec].
[0035]
Therefore, for example, in the case of air, the sound speed of the ultrasonic wave is obtained by the above calculation, and if the value is within 313.24 to 367.87 [m / sec], it can be determined that it is normal. If the value is out of the above range, it can be determined that the air temperature is not possible. Thus, by calculating the speed of sound, it can be determined whether the ultrasonic flowmeter is operating normally or operating abnormally. Even if the type of fluid is different, it is possible to easily determine the normal operation or abnormal operation of the ultrasonic flowmeter by storing the sound velocity range in advance.
[0036]
Example 9
Claim 9 will be described. When the dimensions of the ultrasonic flowmeter are set as described above, the propagation time of the ultrasonic wave that reciprocates between the ultrasonic transducers and Ld is as follows.
Tud + Tdu = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)] + Ld / [Vs−Vf · cos (θ)]
≈ (Ld / Vs) * [1- (Vf / Vs) · cos (θ)]
+ (Ld / Vs) * [1+ (Vf / Vs) · cos (θ)]
= 2 * (Ld / Vs).
[0037]
As described above, the upstream (or downstream) ultrasonic transducer is driven, and the ultrasonic wave reflected by the downstream (or upstream) ultrasonic transducer is converted to the upstream (or downstream) ultrasonic transducer. As shown in the above embodiment, the zero-cross point is measured by measuring the true ultrasonic round-trip propagation time from a plurality of drive frequencies and a plurality of zero-cross points, so that the propagation distance is doubled (2 * Ld = about 200 [mm]), and further, the measurement time is about 590 [μsec] when the round trip time of the ultrasonic wave is approximately 200 [mm] / about 340 [m / sec] at room temperature in the case of air. Can be measured in such a short time, so the ultrasonic velocity of sound is measured with very high accuracy compared to the average propagation time measurement from upstream to downstream and from downstream to upstream (Example 8). Can ultrasonic flow meter Normal operation, the abnormal operation can be determined with high accuracy.
[0038]
(Example 10)
Claim 10 will be described. In Examples 8 and 9, it was shown that the speed of sound of the ultrasonic wave propagating through the ultrasonic flowmeter can be easily measured with high accuracy. Here, for example, if the temperature dependence of the ultrasonic sound velocity of the fluid flowing through the ultrasonic flowmeter is known in advance, for example, if it is air, the relational expression for calculating the sound velocity from the temperature shown above is calculated backward. Thus, the temperature of the fluid can be easily known. Also in this case, for example, if the temperature of the fluid is within −30 to +60 [° C.], it can be determined that the ultrasonic flowmeter is operating normally. If it is out of the range, it can be determined that the operation is abnormal.
[0039]
(Example 11)
Claim 11 will be described. As described in the tenth embodiment, in the ultrasonic flowmeter of the present invention, the temperature of the fluid can be easily calculated. For example, the flow value is set to room temperature (for example, 20 [° C.]) and 1 atm. The flow rate can be calculated by conversion. For example, if the density of the fluid is known in advance, it can be calculated as a mass flow rate.
[0040]
Therefore, it is possible to realize a smart ultrasonic flowmeter that can always display an accurate flow rate value or a flow rate value in a standard state regardless of the ambient temperature.
[0041]
(Example 12)
Claim 12 will be described. In Example 11, since the ultrasonic flowmeter of the present invention can calculate the flow rate value or the mass flow value in the standard state, for example, the flow value can be easily integrated in the mass flow value or the standard state. Therefore, for example, in the case of a fluid supplied in a cylinder or the like, for example, when the volume flow rate value is integrated, the amount of use varies greatly depending on the ambient temperature, so that there is a large error in calculating the remaining amount of the cylinder. Although it will occur, malfunction will not occur if mass flow integration or standard flow rate integration.
[0042]
As described above, according to each of the above embodiments, even if the ultrasonic reception waveform changes due to the fluid flow velocity distribution, vortex, or the fluid temperature change, the true propagation time of the ultrasonic waves. Can be detected accurately, and a highly accurate flow meter can be realized.
[0043]
In addition, since the sound speed of the ultrasonic wave can be known, the temperature of the fluid can be easily obtained, and the normal operation and abnormal operation of the ultrasonic flowmeter can be easily determined. In addition, a high-accuracy ultrasonic flow meter capable of displaying a mass flow rate can be realized.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the true propagation time of ultrasonic waves can be detected accurately, and a highly accurate flow meter can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a wave flow meter according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a measurement block diagram according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a relationship diagram between a drive frequency and a received waveform in Embodiment 1 of the present invention. FIG. 5 is a relationship diagram of a zero cross point and a propagation time in Embodiment 1 of the present invention. FIG. 7 is a frequency characteristic diagram in Example 6 of the present invention. FIG. 8 is a sectional view of a conventional flow meter. FIG. 9 is a diagram showing a drive waveform and a received waveform in a conventional flow meter. [Explanation of symbols]
21 Ultrasonic flow meter 22 Flow path 23 Upstream ultrasonic transducer 24 Downstream ultrasonic transducer 31 Drive circuit 33 Transmission switch SW
34 Receiving side switch SW
37 Detection circuit 38 Drive waveform 39 Received waveform

Claims

A flow path through which fluid flows;
A pair of ultrasonic transducers arranged opposite to each other via fluid on the upstream side and downstream side of the flow path;
A driving circuit for driving one of the ultrasonic transducers at a plurality of driving frequencies and transmitting ultrasonic waves to the other ultrasonic transducer;
A detection circuit for detecting a zero cross point of the ultrasonic signal received by the other ultrasonic transducer;
The intersection of approximate lines obtained from a plurality of zero cross points for each drive frequency detected by the detection circuit is obtained, and the true propagation time of the ultrasonic wave is determined from the intersection , and the determined true propagation An ultrasonic flowmeter that has a control / arithmetic circuit that calculates flow using time and measures the flow.

The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the plurality of frequencies differ from each other by 5% or more.

The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the number of drive frequencies is 3 or more.

The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the driving wave number is equal to or higher than a wave number including a zero cross point that is detected from an ultrasonic arrival time as a starting point.

The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the plurality of zero cross points are set to be smaller than a number included in a rising wave number unique to the ultrasonic transducer.

The ultrasonic flowmeter according to claim 2, wherein a frequency band (dFr / Fc) having a sensitivity of 75% or more of the ultrasonic transducer is 20% or more.

The ultrasonic flowmeter according to claim 5, wherein the plurality of zero cross points are detected by decreasing the trigger level sequentially from the one having the higher reception sensitivity.

The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein an average sound velocity of the ultrasonic wave is calculated from a true propagation time of the ultrasonic wave.