JP4284738B2

JP4284738B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP4284738B2
Application number: JP05408299A
Authority: JP
Inventors: 裕治中林; 秀二安倍; 明久足立
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: JP2000249582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波流量計は図１１に示されているように、流体の中に配置し超音波を送信する送信器１と、受信する受信器２と、送信器１を駆動する送信回路３と、被測定流体を伝搬した超音波を受信する受信機２の出力信号から受信判定し送信回路１に出力する受信検知回路４と、測定開始信号を送信回路３に出力する制御部５と、超音波の送信から受信、そして帰還までの繰り返しの回数を計測するカウンタ６と、１回目の超音波の送信開始から繰り返しの回数が所定回数に達するまでの時間を計測するタイマ７と、タイマ７の値から流量を求める演算部８とを備えていた。
【０００３】
つぎに動作を説明する。まず制御部５が測定開始信号を送信回路３に出力する。測定開始信号を受けた送信回路３は送信器１を駆動し、送信器１は超音波を送信する。受信器２は被測定流体を伝搬してきた超音波を受信し受信信号を受信検知回路４に出力する。受信検知回路４は受信判定を行い超音波の受信を確認し送信回路３に出力を行う。受信検知回路４の出力を受けた送信回路３は再度超音波振動子１を駆動する。カウンタ６はこの超音波の送信から受信の回数を数え、この回数がカウンタ６の設定値（Ｎ回）に達した場合タイマ７を停止させる。タイマ７は測定開始からの時間を計測しており、この時のタイマ７の値ｔ１は超音波の伝搬時間のＮ倍となる。この値をもとに演算部８は次の計算によって流量を求める。
【０００４】
超音波の伝搬距離をＬ、被測定流体の流れる断面積をＳ、被測定流体の静止時の音速をＣ、被測定流体の流速をＶ、上流から下流方向への伝搬時間をｔ１、カウンタ７の設定値とした場合の流量Ｑを求める計算式を（式１）に示す。
【０００５】
Ｑ＝Ｓ［｛Ｌ／（ｔ／Ｎ）｝−Ｃ］（式１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の超音波流量計では、超音波の送信を一定周期毎におこなっており、受信器２は超音波の伝搬経路で反射した超音波や、以前の周期に送信した超音波の残響と重なり合ったものを受信するため、測定誤差が生じていた。
【０００７】
またこの現象は伝搬時間によって程度が変化し伝搬時間は温度、ガス成分によって変動するため補正を行うことは不可能であり、この測定誤差を低減するという課題があった。
【０００８】
また送信までの時間を遅延させる遅延回路を付加し、遅延量を時間的に変更することによって測定誤差を低減するという方法も考えられていたが、演算のために必要な遅延時間を正確に求めることができないため、測定精度を大幅に向上させることはできなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、駆動周波数変更部が駆動回路の駆動周波数を時間的に変更するものである。
【００１０】
上記発明によれば駆動周波数変更部が時間的に超音波振動子の駆動周波数を変更するため、残響、反射波が受信信号に与える影響が一定でなく、分散平均化するため測定誤差を偏らせることがなく測定精度が向上する。
【００１３】
本発明の請求項１に係る超音波流量計は、超音波信号を送信する送信器と、前記送信器を駆動する駆動回路と、前記送信器から送信され流体を伝搬した超音波信号を受信する受信器と、前記受信器の出力を受け超音波信号を検知する受信検知回路と、前記受信検知回路の出力を受け前記送信器へ出力し再度超音波の送信を行わせる帰還回路と、前記帰還回路の帰還回数を測定するカウンタと、前記送信器による超音波発信開始から前記カウンタがあらかじめ設定した終了回数に達するまでの時間を測定するタイマと、前記タイマの出力信号より流量を演算によって求める演算部と、前記駆動回路の駆動周波数を変更する駆動周波数変更部とを有する。
【００１４】
そして、複数回の超音波の伝搬を連続して行いその総時間をタイマで計測しているので伝搬時間１回あたりの測定分解能が良くなると同時に、駆動周波数変更部が帰還動作毎に前記駆動回路の駆動周波数を変更するため、超音波の伝搬経路にくり返し送信によって発生する定在波が発生せず、残響、反射波が受信信号に与える影響が分散平均化するため測定誤差の偏りをなくすことができる。
【００１５】
本発明の請求項２に係る超音波流量計は駆動周波数変更部が周波数を変更するパターン数の整数倍を帰還回数とするため、それぞれの駆動周波数で発生する誤差を常に均一に演算に使用するので、帰還回数の変更時に演算結果が変動することがなく安定した測定結果を得ることができる。
【００１６】
本発明の請求項３に係る超音波流量計は駆動回路が送信器を駆動中に駆動周波数変更部が駆動周波数を変更するため、単一の周波数で送信器を駆動した場合と比較し送受信の感度に大きな変化がなく、周波数の変更によって補正を行う必要がなくなり、回路構成が簡単となると同時に、補正によって生じる誤差が発生しない。
【００１７】
本発明の請求項４に係る超音波流量計は駆動周波数変更部の変更する周波数が、送・受信器間の超音波送受信感度がほぼ同じ周波数に変更するので、周波数の変更時に送受信の感度を送信出力あるいは受信感度によって補正する必要がなく、回路構成が簡単となると同時に、補正によって生じる誤差が発生しない。
【００１８】
本発明の請求項５に係る超音波流量計は周波数を不規則に変更するため、送信信号の規則性を完全になくすことができる。
【００１９】
【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。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の超音波流量計を示すブロック図、図２は同超音波流量計の送信器の駆動周波数の変化を表す図である。
【００２１】
図１において１は超音波信号を送信する送信器、２は送信器１から送信され流体を伝搬した超音波信号を受信する受信器、９は送信器１を駆動する駆動回路、１０は受信器２の出力を受け超音波信号を検知する受信検知回路、１１は超音波信号の伝搬時間を測定するタイマ、１２はタイマ１１の出力より流量を演算によって求める演算部、１３は駆動回路９の駆動周波数を変更する駆動周波数変更部、１４は駆動周波数変更部と駆動回路９とタイマに信号を出力する制御部である。
【００２２】
次に動作、作用について説明すると、まず制御部１４が駆動周波数を決定する信号を駆動周波数変更部１３に出力し送信器１を駆動する周波数を決定する。次に制御部１４が駆動回路９に送信開始信号を出力すると同時にタイマ１１の時間計測をスタートさせる。駆動回路９は送信開始信号を受けると駆動周波数変更部によって決まる駆動周波数によって送信器１を駆動し超音波を送信させる。送信された超音波は流体中を伝搬し受信器２で受信され電気信号に変換され受信検知回路１０に出力される。受信検知回路１０では受信信号の受信タイミングを決定しタイマ１１を停止させる。
【００２３】
そして演算部１２ではタイマ１１で計測した伝搬時間より流量を演算によって求める。くり返し同じ動作を行うが、その都度制御部１４は駆動周波数変更部１３へ出力する信号を変化させ駆動回路９の駆動周波数を変更する。図２に駆動周波数の変動のよう子を示し、横軸は測定回数、縦軸に駆動周波数を示す。このように駆動周波数変更部１３が送信器１の駆動周波数を時間的に変更し送信を行うため、残響、反射波が受信信号に与える影響が分散平均化するため測定誤差の偏りをなくすことができる。
【００２４】
なお、この例では駆動周波数を不規則に変更しているが、一定のパターンで変更してもよい。また、一方向のみ超音波を送信して流量を求めているが、両方向へ超音波を送信してその逆数差より流量を求める方法においても同ように駆動周波数を変更する手法は有効である。
【００２５】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の超音波流量計を示すブロック図、図４は同超音波流量計の送受信のタイミングと送信周波数を示す図である。
【００２６】
本実施例２において、実施例１と異なる点は受信検知回路の出力を帰還信号として駆動回路１５に帰還しその帰還回数をカウンタ１６で計測している点と、カウンタ１６の出力によって駆動周波数変更部１３が駆動回路１５の駆動周波数を変更している点である。
【００２７】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００２８】
動作、作用について説明すると、まづに制御部１４が駆動回路１５に送信開始信号を出力すると同時にタイマ１１の時間計測をスタートさせる。駆動回路１５は送信開始信号を受けると駆動周波数変更部の初期値によって決まる駆動周波数によって送信器１を駆動し超音波を送信させる。送信された超音波は流体中を伝搬し受信器２で受信され電気信号に変換され受信検知回路１０に出力される。受信検知回路１０では受信信号の受信タイミングを決定し受信検知信号を駆動回路１５に出力する。駆動周波数変更部１３はカウンタ１６の出力を受け駆動周波数を変更するよう駆動回路へ信号を出力する。駆動回路１５は受信検知信号を受けると再度駆動周波数変更部１３で決まる駆動周波数で送信器１を駆動する。図２にカウンタの値と駆動周波数の変化を示す。カウンタ１６にはあらかじめ終了帰還回数が設定してあり、その回数に達し駆動回路１５への帰還信号出力を停止すると同時にタイマ１１を停止させ時間計測を終了させる。演算部１２ではタイマ１１で測定した時間より終了帰還回数を考慮し演算によって流量を求める。このように駆動周波数変更部１３が送信器１の駆動周波数を帰還回数に応じて変更し送信を行うため、超音波の伝搬経路の残響、反射波が受信信号に与える影響が分散平均化するため測定誤差の偏りをなくすことができる。
【００２９】
また、終了帰還回数を周波数の変更パターン数（たとえば変更する駆動周波数を９０ＫＨｚ、１００ＫＨｚ、１１０ＫＨｚとするとパターン数は３となる）の整数倍とすることによって、それぞれの周波数で生じる誤差を均一に演算に用いるため誤差が平均、分散化するので測定誤差が偏ることない。
【００３０】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３の超音波流量計を示すブロック図、図６は同超音波流量計の駆動波形を示す図、図７は同超音波流量計の送受信器間の信号感度を示す図である。本実施例３において、実施例１と異なる点は測定毎に駆動回路９の駆動周波数を変更するのではなく、駆動回路出力を駆動周波数変更部１３に入力し駆動中に周波数を変更している点である。
【００３１】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００３２】
動作、作用について説明すると、駆動回路９が送信器１を駆動する信号を駆動周波数変更部１３にも入力し、送信器１を駆動する駆動周波数をその都度変更する。
【００３３】
図６に駆動周波数の変化の様子を示す。図６のように駆動周波数は駆動周期毎に変化する。また図７に駆動周波数の変更範囲と送受器間の感度を示す。図７で示すｆ１からｆ２の間を均一に駆動周波数を変更するように設定しているので、単独周波数ｆａとｆｂで駆動した場合の差と比較して測定毎の差が小さくなるので、送受信の感度に大きな変化がなく、周波数の変更によって感度補正を行う必要がなくなり、回路構成が簡単となると同時に、補正によって生じる誤差が発生しない。
【００３４】
（実施例４）
図８は本発明の実施例４の超音波流量計のブロック図、図９は同超音波流量計の駆動周波数と送受信器間の感度を示す図である。
【００３５】
本実施例２において、実施例１と異なる点は駆動周波数変更部１３が周波数設定部Ａ１７、周波数設定部Ｂ１８、周波数設定部Ｃ１９、周波数設定部Ｄ２０、と周波数設定部Ａ１７−Ｄ２０の出力を選択し駆動回路９に出力する周波数選定回路２１によって構成されており、周波数設定部Ａ１７−Ｄ２０が設定している駆動周波数のすべてが送受信器間の感度がほぼ等しい周波数であることである。
【００３６】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００３７】
図９に送受信器間の感度と駆動周波数の関係を示す。このように周波数設定部Ａ１７−Ｄ２０の設定している周波数がそれぞれｆ１−ｆ４にあたり、駆動周波数を変更しても送受信器間の感度が変わらないので、周波数を変更した時に送受信の感度を送信出力あるいは受信感度によって補正する必要がなく、回路構成が簡単となると同時に、補正によって生じる誤差が発生しない。
【００３８】
ここでは送受信器間の感度を既知のものとして周波数設定部の周波数をあらかじめ設定していたが、駆動周波数を変更し送受信を行い送受信器間の感度を調べ、送受信器間の感度がほぼ同じ駆動周波数を選択することもできる。この場合、周波数設定部はメモリーなどの書き換え可能なものを使用すればその都度最適な周波数を書き込むことができるので、簡単に本発明の構成を実現することができる。
【００３９】
（実施例５）
図１０は本発明の実施例５の超音波流量計を示すブロック図である。
【００４０】
本実施例５において、実施例１と異なる点は周波数変更部の入力が乱数テーブル２１となっている点である。
【００４１】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００４２】
次に動作、作用を説明すると、乱数テーブル２１は制御部１４の出力を受け、不規則な周波数信号を周波数変更部へ出力する。このように周波数を完全に不規則に変更するため、送信信号の規則性を完全になくすことができる。このため誤差が平均、分散化するので測定誤差が偏ることない。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかのように本発明の超音波流量計によれば次の効果が得られる。
【００４４】
請求項１に係る超音波流量計は駆動周波数変更部が送信器の駆動周波数を時間的に変更し送信を行うため、残響、反射波が受信信号に与える影響が分散平均化するため測定誤差の偏りがなくなり、高精度の超音波流量計が実現できる。
【００４５】
また、請求項２に係る超音波流量計は複数回の超音波の伝搬を連続して行いその総時間をタイマで計測しているので伝搬時間１回あたりの測定分解能が良くなると同時に、駆動周波数変更部が帰還動作毎に前記駆動回路の駆動周波数を変更するため、超音波の伝搬経路にくり返し送信によって発生する定在波が発生せず、残響、反射波が受信信号に与える影響が分散平均化するため測定誤差の偏りがなくなり高精度の超音波流量計が実現できる。
【００４６】
また、請求項３に係る超音波流量計は駆動周波数変更部が周波数を変更するパターン数の整数倍を帰還回数とするため、それぞれの駆動周波数で発生する誤差を常に均一に演算に使用するので、帰還回数の変更時に演算結果が変動することがなく安定した測定結果を得、高精度の超音波流量計が実現できる。
【００４７】
また、請求項４に係る超音波流量計は駆動回路が送信器を駆動中に駆動周波数変更部が駆動周波数を変更するため、単一の周波数で送信器を駆動した場合と比較し送受信の感度に大きな変化がなく、周波数の変更によって補正を行う必要がなくなり、回路構成が簡単となると同時に、補正によって生じる誤差が発生せず高精度の超音波流量計が実現できる。
【００４８】
また、請求項５に係る超音波流量計は駆動周波数変更部の変更する周波数が、送・受信器間の超音波送受信感度がほぼ同じ周波数に変更するので、周波数の変更時に送受信の感度を送信出力あるいは受信感度によって補正する必要がなく、回路構成が簡単となると同時に、補正によって生じる誤差が発生せず高精度の超音波流量計が実現できる。
【００４９】
また、請求項６に係る超音波流量計は周波数を不規則に変更するため、送信信号の規則性を完全になくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波流量計のブロック図
【図２】同超音波流量計の送信器における駆動周波数の変化を表す図
【図３】本発明の実施例２における超音波流量計のブロック図
【図４】同超音波流量計の送受信のタイミングと送信周波数を示す図
【図５】本発明の実施例３における超音波流量計のブロック図
【図６】同超音波流量計の駆動波形を示す図
【図７】同超音波流量計の送受信器間の信号感度特性図
【図８】本発明の実施例４における超音波流量計のブロック図
【図９】同超音波流量計の駆動周波数と送受信器間の感度特性図
【図１０】本発明の実施例５における超音波流量計のブロック図
【図１１】従来の超音波流量計のブロック図
【符号の説明】
１送信器
２受信器
９駆動回路
１０受信検知回路
１１タイマ
１２演算部
１３駆動周波数変更部
１４制御部
１５駆動回路
１６カウンタ

Claims

超音波信号を送信する送信器と、前記送信器を駆動する駆動回路と、前記送信器から送信され流体を伝搬した超音波信号を受信する受信器と、前記受信器の出力を受け超音波信号を検知する受信検知回路と、前記受信検知回路の出力を受け前記送信器へ出力し再度超音波の送信を行わせる帰還回路と、前記帰還回路の帰還回数を測定するカウンタと、前記送信器による超音波発信開始から前記カウンタがあらかじめ設定した終了回数に達するまでの時間を測定するタイマと、前記タイマの出力より流量を演算によって求める演算部とを有し、前記駆動回路の駆動周波数を変更する駆動周波数変更部とを有し、帰還動作毎に前記駆動回路の駆動周波数を変更する超音波流量計。
駆動周波数変更部が周波数を変更するパターン数の整数倍を帰還回数とした請求項１記載の超音波流量計。
駆動回路が送信器を駆動中に駆動周波数変更部が駆動周波数を変更する請求項１記載の超音波流量計。
駆動周波数変更部の変更する周波数が、送信器と受信器間の超音波送受信感度がほぼ同じ周波数に変更する請求項１記載の超音波流量計。
周波数を不規則に変更する請求項１記載の超音波流量計。