JP4572547B2

JP4572547B2 - 超音波流体計測装置

Info

Publication number: JP4572547B2
Application number: JP2004066868A
Authority: JP
Inventors: 謙三黄地; 大介別荘; 晃一竹村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2005257360A

Description

本発明は、流体の流速や流量を計測する超音波流体計測装置に関するものである。

従来、この種の流体計測装置の一例としての流量計は、図１４に示すような流量計１０１が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１４は、断面図を示し、流体の流れる流路１０２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器１０３，１０４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１０５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印１０６（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角θで交叉している。
特開２００１−４４１９号公報

しかしながら、前記従来の流量計１０１の構成では、上流側の超音波変換器１０３から下流側の超音波変換器１０４へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｕｄを、また下流側の超音波変換器１０４から上流側の超音波変換器１０３へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｄｕを、シングアラウンド法などを用い交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Ｔｕｄ、Ｔｄｕなどを用いて流量を演算していた。このため、超音波の伝播時間を計測する時刻が異なることになり、その間に流体の状態が変動し、それが誤差を生じる要因となるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波伝播時間を同時に計測するもので、高精度な超音波流体計測装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体計測装置は、上流側および下流側の超音波変換器から超音波を同時に他方の超音波変換器に向かって放出し、それぞれ他方の超音波変換器で放出された超音波を受信し、受信した超音波を比較し、超音波の受信時間差を判定し、この判定した受信時間差から流速及びまたは流量を演算する構成とした。

この構成により、上流側の超音波変換器と下流側の超音波変換器間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、上流側から下流側および下流側から上流側への伝播時間を同時に計測することができ、高精度な超音波流体計測装置を実現できる。

本発明の超音波流量計は、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器への超音波伝播時間および下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器への超音波伝播時間を、ほぼ同時に計測することができる。このため、計測中に流体の状態が変化することが無くなり、高精度な超音波流量計を実現することができる。

第１の発明は、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、前記上流側および下流側の超音波変換器から超音波を同時に他方の超音波変換器に向かって放出し、それぞれ他方の超音波変換器で放出された超音波を受信し、受信した超音波を比較し、超音波の受信時間差を判定し、この判定した受信時間差から流量を演算する構成とすることにより、上流側から下流側、あるいは下流側から上流側への超音波の伝播時間を同時に計測することができ、高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の受信時間差の判定を、同時に受信した超音波の受信波形のゼロクロス点から判定する構成とした。これにより高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１に発明の受信時間差の判定を、同時に受信した超音波の受信電圧を加算し、その電圧から判定する構成とした。この構成により、簡単な構成で判定することができ、高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第４の発明は、第１の発明の受信時間差の判定を、同時に受信した超音波の受信電圧を減算し、その電圧から判定する構成とした。この構成により、簡単な構成で、より正確に超音波伝播時間の差を計測できるので、高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第５の発明は、特に、第１の発明の受信時間差の判定を、同時に受信した超音波の受信電圧をＦＦＴ変換し、その位相差から判定する構成とした。これにより高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第６の発明は、下流側の超音波変換器から超音波を上流側の超音波変換器に向かって超音波を放出後、順次遅延時間を変化させながら上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器に向かって超音波を放出し、それぞれ他方の超音波変換器で放出された超音波を受信し、受信した超音波を比較し、上記遅延時間を判定し、この判定した遅延時間から流量を演算する構成とすることにより、上流側から下流側、あるいは下流側から上流側への超音波の伝播時間を、ほぼ同時に計測することができ、高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第７の発明は、特に、第６の発明の遅延時間の判定を、同時に受信した超音波の受信電圧を加算し、その電圧から判定する構成とした。これにより高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第８の発明は、特に、第７の発明の上流側および下流側の超音波変換器から放出する超音波の位相を反転させる構成とした。この構成により、遅延時間の判定がより簡単となり、高精度な超音波計測装置を実現することができる。

第９の発明は、特に、第６の発明の受信時間差の判定を、同時に受信した超音波の受信電圧を減算し、その電圧から判定する構成とした。これにより高精度な超音波流体計測装置を実現することができる。

第１０の発明は、特に、第６の発明の遅延時間の判定を、同時に受信した超音波の受信電圧をＦＦＴ変換し、その位相差から判定する構成とした。これにより、高分解能で判定することができ、高精度な超音波流体計測装置を実現できる。

第１１の発明は、特に、第１および第６の発明の超音波変換器の駆動回路と、受信回路とをインピーダンスを等しくした対称型回路とする構成とした。この構成により、超音波の受信波形の形状が相似となり、より正確に遅延時間あるいは超音波伝播の時間差を計測できるようになるので、高精度な超音波流体計測装置を実現できる。

第１２の発明は、特に、第１１の発明のインピーダンスを超音波変換器のインピーダンスに合致させた対称型回路とする構成とした。この構成により、より高感度に超音波を受信することができ、受信波のＳ／Ｎが向上し、高精度な超音波流体計測装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流体計測装置の一例である超音波流量計１の断面図を示すものである。図１において、上流側の超音波変換器３と下流側の超音波変換器４とは、流路２内において流体を介して対向するよう設置されている。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角θで交叉している。

この構成において、上流側および下流側の超音波変換器３および４を同時に動作させ、上流側の超音波変換器３から下流側の超音波変換器４へ、および下流側の超音波変換器４から上流側の超音波変換器３へ超音波を伝播させた。図２にそのときの超音波波形を示す。図２の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。上流側の超音波変換器３に印加した駆動波形７は、３波からなる矩形波を用い、その拡大図は図３の符号８として示す。下流側の超音波変換器の受信波形９は前半部分が下流側から上流側への超音波を放出したことに伴う大振幅波形を示し、時間とともに徐々に減衰していく様子を示している。充分に減衰したあとに上流側から伝播して来た超音波による受信波形を円１０内に示す。

また、その拡大図を図３の符号１１として示す。図３において、予め決められた電圧１３を超えた受信波形１１の次に来るゼロクロス点を超音波伝播時間１４（Ｔｕｄ）として定義した。なお、伝播時間Ｔｕｄの起点は、駆動波形８の立上がり時点として定義した。このようにして上流側の超音波変換器３から下流側の超音波変換器への超音波の伝播時間Ｔｕｄを計測した。同様にして下流側の超音波変換器４から上流側の超音波変換器３への超音波伝播時間Ｔｄｕを計測した。

このようにして得られた超音波伝搬時間ＴｕｄおよびＴｄｕを用いて、流体の流量を以下のようにして演算した。

上流側の超音波変換器３から下流側の超音波変換器４への超音波の伝播時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器４から上流側の超音波変換器３への超音波の伝播時間をＴｄｕとし、超音波が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。なお、Ｌｄは超音波変換器間の距離を示す。
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。よって、
Ｖｆ＝{Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］}*［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体の流速Ｖｆが得られる。

さらに、流路２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。

以上のように、本実施の形態によれば、上流から下流あるいは下流から上流への超音波伝播時間を同時に計測するので、従来のように計測時間中に流体の状態が変化することもないので、高精度な超音波流体計測装置としての超音波流量計を実現できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における受信波形の伝播時間の判定法を示すための受信波形を加算した図を示す。図４の実線１５は上流側および下流側の超音波変換器３および４を同時に駆動し、下流側および上流側の超音波変換器４および３により受信した超音波信号を加算した結果を示す。図４の横軸は流量を、縦軸に受信電圧を示す。横軸の流量において、ゼロより右側は正流量を、左側は負流量、即ち、逆流流量を示している。破線１６および１７は、加算された受信電圧の最大値および最小値をそれぞれ示している。

このように、例えば、流量ゼロの場合には、上流から下流、下流から上流の伝播時間は同じであるので、超音波の受信電圧は、加算した場合、最大値となる。また、流量がある値になると、伝播時間が異なるので、加算した場合に、その受信電圧は最大値から減少することになる。従って、この加算された受信電圧から伝播時間のずれ、即ち流体の流速を推定することが出来る。このようにして流体の流速を推定し、流量を演算することが出来る。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における受信波形の伝播時間の判定法を示すための受信波形を減算した図を示す。図５の実線１８は上流側および下流側の超音波変換器３および４を同時に駆動し、下流側および上流側の超音波変換器４および３により受信した超音波信号を減算した結果を示す。図５の横軸は流量を、縦軸に受信電圧を示す。横軸の流量において、ゼロより右側は正流量を、左側は負流量、即ち、逆流流量を示している。破線１９および２０は、減算された受信電圧の最大値および最小値をそれぞれ示している。

このように、例えば、流量ゼロの場合には、上流から下流、下流から上流の伝播時間は同じであるので、超音波の受信電圧は、減算した場合、最小値となる。また、流量がある値になると、伝播時間が異なるので、減算した場合に、その受信電圧は最小値から増加することになる。従って、この減算された受信電圧から伝播時間のずれ、即ち流体の流速を推定することが出来る。このようにして流体の流速を推定し、流量を演算することが出来る。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４における受信波形の伝播時間の判定法を示すための受信波形のＦＦＴ結果を示す。図６は、横軸に周波数を、縦軸に振幅と位相を示す。受信波形の振幅の周波数特性を実線２１で示し、位相の周波数特性を破線２２で示す。なお、超音波の伝播時間は基準周波数、一点鎖線２３、と位相の周波数特性との交点における位相の値から計測した。即ち、上流側から下流側への位相値と、下流側から上流側への位相値との関係から演算し、求めた。なお、受信波形をＦＦＴ変換することにより、Ｓ／Ｎが大きく改善され、計測の安定性が大幅に向上した。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における受信波形の伝播時間の判定法を示すための遅延時間と受信波形の一致度との関係を示す。図７は、下流側の超音波変換器４から超音波を上流側の超音波変換器３へ向けて超音波を放出したあと、予め決められた遅延時間経過後、上流側の超音波変換器３から下流側の超音波変換器４へ向けて超音波を放出し、それぞれの超音波変換器で受信した超音波の波形一致度を演算した。このように遅延時間を順次変化させて図７を得た。なお、遅延時間は通常の場合、数ｎｓｅｃから数千ｎｓｅｃで変化させた。また、遅延時間が正の場合は、下流側から上流側への超音波の伝播時間が、上流側から下流側への伝播時間よりも大きいことを示している。

また、遅延時間が負の場合は、その逆に、下流側から上流側への超音波の伝播時間が、上流側から下流側への伝播時間よりも小さいことを示している。図７は、横軸に遅延時間を、縦軸に受信波形の一致度を示す。波形の一致度は、受信した波形を加算したり、減算したり、あるいは相関係数などで評価した。波形の一致度のもっとも大きいところ、一点鎖線２５で示す遅延時間を求め、超音波伝播時間の時間差とした。このようにして伝播時間差を計測し、流量を演算し流量計とした。

以上のように、本実施の形態によれば、上流から下流あるいは下流から上流への超音波伝播時間をほぼ同時に計測するので、従来のように計測時間中に流体の状態が変化することもないので、高精度な超音波流体計測装置としての超音波流量計を実現できる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６における受信波形の伝播時間の判定法を示すための遅延時間と上流側および下流側の超音波変換器で受信した受信波形を加算した結果を示す。図８は、横軸に遅延時間を、縦軸にほぼ同時に受信した超音波の受信電圧を加算した結果の電圧２６を示す。加算された電圧２６は、流量ゼロの場合を示し、縦線で示す流量ゼロにおいて最大値を示す。正の流量が流れた場合を破線２７で示す。この場合、ある正の流量値（縦破線２８）において最大値となる。

このように電圧曲線２６あるいは２７が最大となるところから遅延時間を判定することができる。なお、正の遅延時間の領域は流量が正常に、即ち、流体が上流側から下流側へと流れていることを示している。また、負の遅延時間の領域は、それとは逆に、下流側から上流側へと流体が流れていることを示している。

（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７における受信波形の伝播時間の判定法を示すための遅延時間と上流側および下流側の超音波変換器で受信した受信波形を減算した結果を示す。図９は、横軸に遅延時間を、縦軸にほぼ同時に受信した超音波の受信電圧を減算した結果の電圧２９を示す。

減算された電圧２９は、最大値（破線３０）と最小値（破線３１）との間を上下していることが解る。減算された受信電圧が最小値となる遅延時間が超音波の伝播時間差を示している。即ち、流量ゼロでは、遅延時間がゼロである場合に同じ波形が得られるので、受信電圧を減算した場合に最小値となる。このようにして、超音波の伝播時間差を遅延時間として計測することができる。

（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８における受信波形の伝播時間の判定法を示すための遅延時間と上流側および上流側および下流側の超音波変換器で受信した受信波形を加算した結果を示す。図１０は、横軸に遅延時間を、縦軸にほぼ同時に受信した超音波の受信電圧を加算した結果の電圧３２を示す。なお、この場合、上流側から放出される超音波と、下流側から放出される超音波とを位相が反転するように設定した。

この結果、加算された電圧３２は、最大値（破線３３）と最小値（破線３４）との間を上下し、最小値となるところの遅延時間が超音波の伝播時間差を示していることになる。即ち、ある流量が流れている場合、遅延時間が超音波伝播時間差に合致した場合に、位相が反転した波形が同時に伝播してくるので、受信電圧を加算した場合に最小値となる。このようにして、超音波の伝播時間差を遅延時間として簡単に計測することができる。即ち、急峻な最小値を示すので、判定が非常に簡単になる。

（実施の形態９）
図１１は、本発明の実施の形態９における受信波形の伝播時間の判定法を示すための遅延時間と上流側および下流側の超音波変換器で受信した受信波形のＦＦＴ結果を示す。図１1は、横軸に遅延時間を、縦軸に位相特性を示す。下流側の超音波変換器４から放出された超音波が上流側の超音波変換器３で受信され、基準周波数での位相値を破線３５で示す。

下流側の超音波変換器４から超音波が放出されてから、所定の遅延時間経過後、上流側の超音波変換器４から放出された超音波が下流側の超音波変換器４で受信され、基準周波数での位相値を実線３６で示す。所定の遅延時間を変化させると、基準周波数での位相値が変化していることが解る。破線３５と実線３６との交点にあたる遅延時間が、超音波伝播時間差に相当する。このようにして、超音波伝播の時間差をＳ／Ｎよく計測することができる。

（実施の形態１０）
図１２は、本発明の実施の形態１０における超音波変換器駆動回路と受信回路とを示す。

送信側の超音波変換器３７は、信号源３８に出力抵抗３９を介して接続されている。また、受信側の超音波変換器４０は、入力抵抗４１を介して受信回路４２に接続されている。矢印４３は、超音波が送信側超音波変換器３７から受信側超音波変換器４０へ伝播していることを示している。

このような送信、受信系において、出力抵抗３９と入力抵抗４１とを種々変化させて、例えば数オームから数百キロオームにわたって実験したところ、同じ抵抗値である場合には、受信波形が非常に似通うことが解った。また、出力抵抗３９と入力抵抗４１の値の比が異なるにつれ、波形の一致度が大きく低下することもわかった。従って、波形の相似性が要求される本発明においては、出力抵抗３９と入力抵抗４１の値を一致させることが、高精度に遅延時間あるいは超音波伝播時間差を計測するのに必要である。

以上のように、本実施の形態によれば、超音波送信側の出力抵抗３９と受信側の入力抵抗４１とを一致させて、超音波伝播時間差をほぼ同時に計測するので、より正確な時間差が得られ、高精度な超音波流体計測装置としての超音波流量計を実現できる。

（実施の形態１１）
図１３は、本発明の実施の形態１１における超音波変換器駆動回路と受信回路との出力抵抗値、入力抵抗値と超音波を受信したときの受信電圧との関係を示す。図１１は、横軸に抵抗値を、縦軸に受信電圧を示す。

抵抗値を小さい値から順次大きくしていくと、抵抗値とともに受信電圧４４は大きくなり、最大値を経過すると抵抗値とともに受信電圧４４は小さくなる。この最大値（破線４５で示す）の抵抗値は用いた超音波変換器の内部インピーダンスと一致していた。即ち、本発明の超音波の送信回路および受信回路のおける出力抵抗および入力抵抗を、用いる超音波変換器の内部インピーダンスに一致させると、比較的大きな受信電圧が得られる。このため、Ｓ／Ｎよく遅延時間および超音波伝播時間差を計測することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、超音波送信側の出力抵抗３９と受信側の入力抵抗４１とを一致させて、なおかつ超音波変換器の内部抵抗と一致させることにより、受信電圧を比較的大きくすることができ、超音波伝播時間差をＳ／Ｎよく計測できるので、より正確な時間差が得られ、高精度な超音波流体計測装置としての超音波流量計を実現できる。

本発明に係る流体計測装置は、流体の流速，流量等を高精度に計測できるので、ガスメータ、水道メータ等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における流量計の断面図本発明の実施の形態１における超音波波形図本発明の実施の形態１における超音波波形図の拡大図本発明の実施の形態２における受信電圧の特性図本発明の実施の形態３における受信電圧の特性図本発明の実施の形態４における位相特性図本発明の実施の形態５における波形一致度を示す特性図本発明の実施の形態６における流量特性図本発明の実施の形態７における遅延時間特性図本発明の実施の形態８における遅延時間特性図本発明の実施の形態９における遅延時間位相特性図本発明の実施の形態１０における回路図本発明の実施の形態１１における抵抗と電圧との関係図従来の流量計の断面図

符号の説明

１超音波流量計
２流路
３上流側の超音波送変換器
４下流側の超音波送変換器

Claims

流体が流れる流路と、
前記流路の上流側と下流側とに対向配置した一対の超音波変換器とを有し、
前記上流側および下流側の前記超音波変換器から超音波をそれぞれ同時に他方の前記超音波変換器に向かって放出し、
それぞれ他方の前記超音波変換器で放出された超音波を受信し、
受信した超音波を比較し、
超音波の受信時間差を判定し、
この判定した受信時間差から流速及びまたは流量を演算し、
前記受信時間差の判定は、前記上流側および下流側の前記超音波変換器で受信した超音波の受信電圧を加算または減算し、その電圧から判定する
超音波流体計測装置。