JP4366753B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してガスなどの流量を測定する超音波流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の超音波流量計(特開平8−313317号公報)は、図6に示すように、流体管路1の一部に超音波振動子2と超音波振動子3を流れの方向に相対して設け、トリガ回路4、発振回路5を介し超音波振動子2から流れ方向に超音波を発生させ、超音波振動子3及び受信回路6により超音波を受信する。繰り返し手段7でこの繰り返しを行ってその伝搬時間を計時手段8で計測し、逆に切り替え手段10で超音波振動子3から流れに逆らって超音波を発生し、同様の繰り返しの伝搬時間を計測し、この時間の差から流量演算手段9で流体の流量を演算していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の超音波流量計は、繰り返し手段7により、発振回路5を介して繰り返し超音波振動子2あるいは超音波振動子3が発振を行うが、超音波振動子2あるいは超音波振動子3は発振回路5により発振を開始し、停止させてもその機械的な振動はすぐには停止せず、いわゆる残響が残る。そして、新たな発振と、残響が重なり合うことにより共振状態となり、受信信号が増幅されてしまう。この共振現象は超音波振動子2及び超音波振動子3の構成、保持の仕方、気温などにより、その程度が異なる。すなわち、種々の条件により受信信号が強められたい弱められたりすることにより伝搬時間が変化する。そのため、正確な流量が測定できないものであった。
【0004】
本発明は、超音波振動子の残響による共振現象をなくし、正確な流量測定をすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにしたもので、この構成によれば、第1超音波振動子及び第2超音波振動子の隣接する発振駆動の駆動位相を変化させ、第1超音波振動子及び第2超音波振動子の残響による共振現象をなくし、正確な流量を測定することができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
請求項1記載の発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにしたもので、この構成によれば、第1超音波振動子及び第2超音波振動子の隣接する発振駆動の駆動位相を変化させ、第1超音波振動子及び第2超音波振動子の残響による共振現象をなくすようにしたものである。
【0007】
請求項2記載の発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、複数の比較電圧を発生する比較電圧発生手段と、前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号と前記比較電圧発生手段の出力と比較することにより超音波信号の受信を行う受信手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記比較電圧発生手段は前記カウント手段の計数値に従って、異なった比較電圧を出力するようにしたもので、この構成によれば、受信を行うための比較電圧を発振の駆動位相にあわせて変えることにより、安定した受信を行えるようにしたものである。
【0008】
請求項3記載の発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号を設定された増幅率で増幅を行う可変利得アンプと、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記可変利得アンプの増幅率は前記カウント手段の計数値に従って設定されるようにしたもので、この構成によれば、可変利得アンプの増幅率を変えることにより、いかなる駆動位相でも、受信信号のレベルを同じになるようにしたものである。
【0009】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0010】
(実施例1)
本発明の実施例1を図1、図2及び図3をもとに説明する。図1において、20は流体管路で、被測定物である流体が流れる。21は第1超音波振動子で、超音波を発信あるいは受信を行う。22は第2超音波振動子で、超音波の発信あるいは受信を行う。26は切り替え手段で、第1超音波振動子21及び第2超音波振動子22を発信あるいは受信に切り替える。23は駆動手段で、切り替え手段26を介して、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22を駆動する。25は位相決定手段で、カウント手段24の計数値に従って、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22の駆動位相を決定する。27はトリガ手段で、カウント手段24の信号に従って駆動手段23を動作させる。28aは増幅手段で、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22からの受信信号を所定のレベルまで増幅する。28bは比較手段で、増幅手段28aの出力と比較電圧発生手段29に内蔵された比較電圧を比較して、増幅手段28aの出力が比較電圧発生手段29に内蔵された比較電圧以上になると、カウント手段24に信号を出力する。
【0011】
また、比較電圧発生手段29は複数の比較電圧を内蔵しており、カウント手段24の計数値に応じた比較電圧を出力するようになっている。カウント手段24は比較手段28bから信号を受けると再びトリガ手段27を動作させ、位相決定手段25にて決定された駆動位相にて駆動手段23、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22を駆動して超音波を発信させる。これら一連の動作は所定の回数繰り返させる。30は計数手段で、計数を開始してから、カウント手段24が所定の回数、超音波の発信、受信の一連の動作を繰り返す間は計時を継続しており、カウント手段24が所定の回数の計測を終えると、流量演算手段31に計数値を出力する。
【0012】
次に、上記超音波流量計の動作について説明する。流体管路20中に流れる流体の計測を開始する時、カウント手段24は切り替え手段26を動作させ、流体の流れ方向に超音波を発射させるように第1超音波振動子21を送信側に第2超音波振動子22を受信側に設定する。同時に、計数手段30を初期化し、トリガ手段27を動作させ、位相決定手段25で位相を決定する。計数手段30は計数を開始する。位相決定手段25では、図2に示すように、カウント手段24の計数値により、超音波の発振の駆動位相を決定する。例えば、計数値が1であれば、図2の(a)の駆動位相になり、計数値が2であれば、同図の(b)の位相、すなわち1/4位相がずれた駆動位相になる。
【0013】
この例では、計数値が4毎に同じ駆動位相を繰り返すようになっている。トリガ手段27からのトリガ信号により、駆動手段23は位相決定手段25で決定された駆動位相を入力し、切り替え手段10を介して、第1超音波振動子21を発振させる。第1超音波振動子21から発射された超音波は流体管路20内を伝搬して、第2超音波振動子22にて受信される。受信された信号は、切り替え手段26を介して、受信手段28に含まれる増幅手段28aにより受信信号を所定のレベルに増幅され、比較電圧発生手段29に内蔵される比較電圧と、増幅手段28aから出力された受信信号を比較手段28bと比較する。比較手段28bは、受信信号が比較電圧より大きくなるとカウント手段24に信号を出力する。
【0014】
このとき、第2超音波振動子22の出力信号のレベルは、駆動位相、すなわち、カウント手段24の計数値によって異なる。比較電圧発生手段29は複数の比較電圧を有しており、カウント手段24の計数値に応じた比較電圧を出力する。図3は、増幅手段28aの出力を示している。図3(a)は図2(a)に、図3(b)は図2(b)に、図3(c)は図2(c)に、図3(d)は図2(d)にそれぞれ対応する。図3(a)は駆動位相が0度の場合の増幅手段28aの出力を示し、比較電圧はVaになる。図3(b)の実線は駆動位相が90度の場合の増幅手段28aの出力を示し、破線で示した駆動位相が0度の場合に比べて、波形のレベルが異なり、比較電圧はVaよりも低いVbになる。図3(c)の実線は駆動位相が180度の場合の増幅手段28aの出力を示し、破線で示した駆動位相が0度の場合に比べて、波形のレベルが異なり、比較電圧はVaよりも低いVcになる。図3(d)の実線は駆動位相が270度の場合の増幅手段28aの出力を示し、破線でしめした駆動位相が0度の場合に比べて、波形のレベルが異なり、比較電圧はVaよりも低いVdになる。
【0015】
カウント手段24では、比較手段28bからの出力があると、計数値を1つ増やし、再びトリガ手段27及び位相決定手段25を動作させ、以上述べてきたことを繰り返す。計数値に応じて毎回駆動位相を変えることにより、共振現象を起こすこともなく、安定に伝搬時間を測定できる。カウント手段24が所定の回数繰り返すと、計数手段30の計数を停止し、流量演算手段31はその値(T1)を記憶する。
【0016】
次に、流体の流れに逆らう方向に超音波を発射させるように、切り替え手段10は、第1超音波振動子21を受信側に第2超音波振動子22を送信側に設定する。同時に、計数手段30を初期化し、トリガ手段27を動作させ、位相決定手段25で位相を決定する。計数手段30は計数を開始する。以降は先に述べた、流体の流れ方向へ超音波を発射する場合と同じであるので、説明を割愛する。そして、カウント手段24が所定の回数繰り返すと、計数手段30の計数を停止し、流量演算手段31はその値(T2)を記憶する。流量演算手段31では、記憶してあるT1とT2とから ΔT=T1−T2 が演算され、この値に流体管路20の大きさや管内の流速分布の流速分布に応じた補正係数が乗じられて流速値が求められる。
【0017】
(実施例2)
次に、本発明の実施例2を図2、図4及び図5をもとに説明する。図4において、20は流体管路で、被測定物である流体が流れる。21は第1超音波振動子で、超音波を発信あるいは受信を行う。22は第2超音波振動子で、超音波を発信あるいは受信を行う。26は切り替え手段で、第1超音波振動子21及び第2超音波振動子22を発信あるいは受信に切り替える。23は駆動手段で、切り替え手段26を介して、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22を駆動する。25は位相決定手段で、カウント手段24の計数値に従って、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22の駆動位相を決定する。27はトリガ手段で、カウント手段24の信号に従って駆動手段23を動作させる。
【0018】
また、28cは可変利得アンプで、カウント手段24の計数値に従って増幅率を変化させながら、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22からの受信信号を所定のレベルまで増幅する。28bは比較手段で、可変利得アンプ28cの出力と比較電圧発生手段29の比較電圧を比較して、可変利得アンプ28cの出力が比較電圧発生手段29の比較電圧以上になると、カウント手段24に信号を出力する。繰り返し手段24は比較手段28bから信号を受けると再びトリガ手段27を動作させ、位相決定手段25にて決定された駆動位相にて駆動手段23、第1超音波振動子21あるいは第2超音波振動子22を介して超音波を発信させる。これら一連の動作は所定の回数繰り返させる。30は計数手段で、計測開始時に計数を開始し、カウント手段24が所定の回数、超音波の発信、受信の一連の動作を繰り返す間は計時を継続しており、カウント手段24が所定の回数の計測を終えると、流量演算手段31に計数値を出力する。
【0019】
次に、上記超音波流量計の動作について説明する。流体管路20中に流れる流体の計測を開始する時、カウント手段24は切り替え手段26を動作させ、流体の流れ方向に超音波を発射させるように第1超音波振動子21を送信側に第2超音波振動子22を受信側に設定する。同時に、計数手段30を初期化し、トリガ手段27を動作させ、位相決定手段25で位相を決定する。計数手段30は計数を開始する。位相決定手段25では、図2に示すように、カウント手段24の計数値により、超音波の発振の駆動位相を決定する。例えば、計数値が1であれば、図2の(a)の駆動位相になり、計数値が2であれば、同図の(b)の位相、すなわち1/4位相がずれた駆動位相になる。この例では、計数値が4毎に同じ駆動位相を繰り返すようになっている。トリガ手段27からのトリガ信号により、駆動手段23は位相決定手段25で決定された駆動位相を入力し、切り替え手段10を介して、第1超音波振動子21を発振させる。第1超音波振動子21から発射された超音波は流体管路20内を伝搬して、第2超音波振動子22にて受信される。受信された信号は、切り替え手段26を介して、受信手段28に含まれる可変利得アンプ28cにより受信信号を所定のレベルに増幅されるが、可変利得アンプ28cの増幅率はカウント手段24の計数値によって、可変され、前述した異なる駆動位相による受信信号もすべて同じレベルに増幅される。
【0020】
比較手段28bは、比較電圧発生手段29に内蔵される比較電圧と、可変利得アンプ28cから出力される増幅された受信信号を比較手段28bと比較する。、受信信号が比較電圧より大きくなるとカウント手段24に信号を出力する。図5に、駆動位相の異なる第2超音波振動子22の受信信号とそれに対応した可変利得アンプ28cの出力を示す。図5(a)は図2(a)に、図5(b)は図2(b)に、図5(c)は図2(c)に、図5(d)は図2(d)に各々対応する。図5(a)の実線は駆動位相が0度の場合の第2超音波振動子22の信号出力を示し、図5(a)の破線が可変利得アンプ28cの増幅出力になる。V0は比較電圧である。図5(b)の実線は駆動位相が90度の場合、同図(c)の実線は駆動位相が180度の場合、同図(d)の実線は駆動位相が270度の場合の第2超音波振動子22の信号出力を示し、それぞれ可変利得アンプ28cの増幅率を変えて、可変利得アンプ28cの増幅出力が同じようになるようにする。
【0021】
これにより、駆動位相を変えることによって、第2超音波振動子22の出力が変動しても、安定にする受信信号を認識できる。カウント手段24では、比較手段28bからの出力があると、計数値を1つ増やし、再びトリガ手段27及び位相決定手段25を動作させ、以上述べてきたことを繰り返す。計数値に応じて毎回駆動位相を変えることにより、共振現象を起こすこともなく、安定に伝搬時間を測定できる。カウント手段24が所定の回数繰り返すと、計数手段30の計数を停止し、流量演算手段31はその値(T1)を記憶する。次に、流体の流れに逆らう方向に超音波を発射させるように、切り替え手段10は、第1超音波振動子21を受信側に第2超音波振動子22を送信側に設定する。
【0022】
同時に、計数手段30を初期化し、トリガ手段27を動作させ、位相決定手段25で位相を決定する。計数手段30は計数を開始する。以降は先に述べた、流体の流れ方向へ超音波を発射する場合と同じであるので、説明を割愛する。そして、カウント手段24が所定の回数繰り返すと、計数手段30の計数を停止し、流量演算手段31はその値(T2)を記憶する。流量演算手段31では、記憶してあるT1とT2とからΔT=T1−T2 が演算され、この値に流体管路20の大きさや管内の流速分布の流速分布に応じた補正係数が乗じられて流速値が求められる。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の超音波流量計によれば、次の効果を奏する。
【0024】
請求項1記載の発明によれば、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達を複数回行うカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにしたもので、この構成によれば、第1超音波振動子あるいは第2超音波振動子の隣接する発振の駆動位相を変化させ、第1超音波振動子及び第2超音波振動子の残響による共振の影響をなくすことにより簡単な構成で精度よく流量を測定することができる。
【0025】
また、請求項2記載の発明によれば、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、複数の比較電圧を発生する比較電圧発生手段と、前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号と前記比較電圧発生手段の出力と比較することにより超音波信号の受信を行う受信手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達を複数回行うカウント手段を有し、前記受信手段は前記カウント手段の計数値に従って、異なった比較電圧と前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号を比較するようにしたもので、この構成によれば、受信を行うための比較電圧を第1超音波振動子あるいは第2超音波振動子の隣接する発振の駆動位相にあわせて変えることにより、安定した受信を行えしかも残響による共振もなく、精度よく流量を測定することができる。
【0026】
また、請求項3記載の発明によれば、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号を設定された増幅率で増幅を行う可変利得アンプと、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達を複数回行うカウント手段を有し、前記可変利得アンプの増幅率は前記カウント手段の計数値に従って設定されるようにしたもので、この構成によれば、可変利得アンプの増幅率を第1超音波振動子あるいは第2超音波振動子の隣接する発振の駆動位相にあわせて変えることにより、いかなる駆動位相でも、受信信号のレベルを同じになり、安定した受信を行えしかも残響による共振もなく、精度よく流量を測定することができる。
【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全体を示すブロック図
【図2】(a)同流量計における位相遅れのない駆動波形図
(b)同流量計における位相が1/4位相遅れた駆動波形図
(c)同流量計における位相が1/2位相遅れた駆動波形図
(d)同流量計における位相が3/4位相遅れた駆動波形図
【図3】(a)同流量計における位相遅れのない駆動による受信信号波形図
(b)同流量計における位相が1/4位相遅れた駆動による受信信号波形図
(c)同流量計における位相が1/2位相遅れた駆動による受信信号波形図
(d)同流量計における位相が3/4位相遅れた駆動による受信信号波形図
【図4】本発明の実施例2における超音波流量計の全体を示すブロック図
【図5】(a)同流量計における位相遅れのない駆動による受信信号波形図
(b)同流量計における位相が1/4位相遅れた駆動による受信信号波形図
(c)同流量計における位相が1/2位相遅れた駆動による受信信号波形図
(d)同流量計における位相が3/4位相遅れた駆動による受信信号波形図
【図6】従来の超音波流量計を示すブロック図
【符号の説明】
20 流体管路
21 第1超音波振動子
22 第2超音波振動子
23 駆動手段
24 カウント手段
25 位相決定手段
Claims (3)
- 流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにした超音波流量計。
- 流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、複数の比較電圧を発生する比較電圧発生手段と、前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号と前記比較電圧発生手段の出力と比較することにより超音波信号の受信を行う受信手段と、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記比較電圧発生手段は前記カウント手段の計数値に従って、異なった比較電圧を出力するようにした超音波流量計。
- 流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第1超音波振動子及び第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子及び第2超音波振動子を駆動する駆動手段と、前記第1超音波振動子あるいは前記第2超音波振動子の出力信号を設定された増幅率で増幅を行う可変利得アンプと、前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記可変利得アンプの増幅率は前記カウント手段の計数値に従って設定されるようにした超音波流量計。
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