JP4738897B2 - Ultrasonic flow meter - Google Patents

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Description

本発明は、伝播時間差法を用いた超音波流量計に関する。   The present invention relates to an ultrasonic flowmeter using a propagation time difference method.

液体の流速または流量を超音波で計測する場合、液体中に気泡が混入すると、測定精度が低下したり、出力をしなくなるという弱点がある。これは、気体の体積弾性率が、液体のそれに比べて4桁も小さいため、音圧によって気泡が収縮・膨張の振動をするため音波は散乱され、音波のエネルギーの一部が気泡によって消散されるためである。通常の使用であれば、常に気泡が混入すると想定されるライン(配管系)に超音波を利用した流量計は使われない。超音波流量計を使用するのは、気泡の混入が稀であるか、他に選択肢がないという場合といえ、多くは気泡が単体で流れてくるか、気泡群として流れてくることとなる。
前述のように、気泡が振動することにより音波のエネルギーの一部が消散するので、気泡群を含む液中では進行音波の減衰は増加し、気泡のない部分と気泡を含む部分との境界では音波を反射する。
音波の反射は一般に2つの媒質の境界で発生し、入射側の媒質の密度と音速をρi、ci、透過側の媒質の密度と音速をρo、coとすると、音圧の反射率は、
(ρo・co−ρi・ci)/(ρo・co+ρi・ci)
となる。これは密度と音速の積の差が大きいほど反射しやすいことを示している。
例えば、液体が体積比で10-4程度の微量の気泡を含むとすると、体積弾性率の平均値は1/2程度まで低下してしまい減衰し、平均の密度も低下するので反射が起きて受信側に到達する超音波は相当に小さなものになってしまう。
When measuring the flow rate or flow rate of a liquid with ultrasonic waves, if bubbles are mixed in the liquid, there is a weakness that the measurement accuracy is lowered or the output is not performed. This is because the bulk modulus of gas is four orders of magnitude smaller than that of liquid, so that the sound waves are scattered because the bubbles oscillate due to the sound pressure, and some of the energy of the sound waves is dissipated by the bubbles. Because. In normal use, a flow meter that uses ultrasonic waves is not used in a line (pipe system) that is always assumed to contain air bubbles. The ultrasonic flowmeter is used when bubbles are rarely mixed or when there are no other options, but in many cases, bubbles flow alone or as a group of bubbles.
As described above, part of the energy of the sound wave is dissipated by the vibration of the bubble, so the attenuation of the traveling sound wave increases in the liquid containing the bubble group, and at the boundary between the part without the bubble and the part containing the bubble. Reflects sound waves.
The reflection of sound waves generally occurs at the boundary between two media. If the density and sound speed of the medium on the incident side are ρi and ci, and the density and sound speed of the medium on the transmission side are ρo and co, then the reflectance of the sound pressure is
(Ρo · co−ρi · ci) / (ρo · co + ρi · ci)
It becomes. This indicates that the greater the difference between the product of density and sound speed, the easier it is to reflect.
For example, if the liquid contains a very small amount of bubbles with a volume ratio of about 10 −4, the average value of the bulk modulus decreases to about ½ and is attenuated, and the average density also decreases and reflection occurs. The ultrasonic waves that reach the receiving side are considerably small.

図7は、ある超音波流量計を組み込んだ配管における実験の一例を示す図である。ここで、配管径は約5mmで気泡の大きさは1mm以下であるが目視可能な大きさとなっている。
図7の(a)は気泡のほとんど無い状態で受信レベルを100mVに合わせたときの受信波形の一例を示す。図7の(b)は、この配管に容積比で1.7×10-3程度の気泡を含ませた流体(水)を流速約0.4m/sで流したときの受信波形の一例であり、(c)は、配管中に容積比率で10-3程度の気泡を含ませた流体を流速が約1.2m/sで流したときの受信波形の一例である。
容積比は(b)の場合の方が大きいが、(c)の場合の方が流速が早いので単位時間あたりの気泡の通過量は(c)の方が多い。したがって、(c)の場合の方が(b)の場合よりも受信信号のレベルが低下している。
FIG. 7 is a diagram showing an example of an experiment in a pipe incorporating a certain ultrasonic flow meter. Here, although the pipe diameter is about 5 mm and the size of the bubbles is 1 mm or less, the size is visible.
FIG. 7A shows an example of a reception waveform when the reception level is adjusted to 100 mV with almost no bubbles. FIG. 7B is an example of a received waveform when a fluid (water) containing bubbles of about 1.7 × 10 −3 in a volume ratio is flowed at a flow rate of about 0.4 m / s. And (c) is an example of a received waveform when a fluid containing bubbles having a volume ratio of about 10 −3 in a pipe is flowed at a flow velocity of about 1.2 m / s.
The volume ratio is larger in the case of (b), but in the case of (c), the flow rate is faster, so that the amount of passage of bubbles per unit time is larger in (c). Therefore, the level of the received signal is lower in the case of (c) than in the case of (b).

超音波流量計では発信信号の電圧に比べ、受信信号の電圧が微弱なため気泡混入により超音波が減衰すると、超音波信号を受け取ることができなかったり、到達時間を受信信号の一定の電圧レベル(検波レベル)で測定している場合にズレが生じて誤った到達時間を検出し、精度が低下することがあった。
図8は、この様子を示す図である。図中実線で示すAは、気泡が混入していないときの受信波形の一例を示し、破線で示すBは、気泡が混入してレベルが低下した受信波形を示している。この図に示すように、気泡が混入した場合には、受信波形のレベルが低下するため、信号の受信を検出するタイミングにずれが生じてしまうこととなる。
With ultrasonic flowmeters, the voltage of the received signal is weak compared to the voltage of the transmitted signal, so if the ultrasonic wave attenuates due to air bubbles mixing in, the ultrasonic signal cannot be received or the arrival time is set at a certain voltage level of the received signal. When measurement is performed at (detection level), a deviation occurs and an erroneous arrival time is detected, which may reduce accuracy.
FIG. 8 is a diagram showing this state. In the figure, A indicated by a solid line indicates an example of a reception waveform when bubbles are not mixed, and B indicated by a broken line indicates a reception waveform whose level is lowered due to bubbles being mixed. As shown in this figure, when bubbles are mixed, the level of the received waveform is lowered, so that the timing for detecting the reception of the signal is shifted.

このような気泡の混入を避けるために、超音波流量計に気泡が入らないように上流で気泡を除去する気泡除去装置が提案されている(特許文献1)。この気泡除去装置は従来のものに比べて小型で安価ではあるが、3方切換弁に比べるとまだまだ高価な部類に入る。
また、特許文献2には、気泡の混入を検知して超音波式渦流量計の出力を維持することにより、計測する流量への気泡の影響を除去することが提案されている。
さらに、特許文献3には、気泡の混入を検知したときに、受信信号のレベルを増加させて応急的に流量測定を継続することが提案されている。
特開2002−151458号公報 特開2004−117283号公報 特開平07−159213号公報 実吉純一他2名監修、「超音波技術便覧(新訂版)」、日刊工業新聞社、昭和59年12月30日、p.1285−1287
In order to avoid such mixing of bubbles, a bubble removing device that removes bubbles upstream so that bubbles do not enter the ultrasonic flowmeter has been proposed (Patent Document 1). This bubble removing device is smaller and less expensive than the conventional one, but it is still more expensive than the three-way switching valve.
Patent Document 2 proposes removing the influence of bubbles on the flow rate to be measured by detecting the mixing of bubbles and maintaining the output of the ultrasonic vortex flowmeter.
Further, Patent Document 3 proposes that when the mixing of bubbles is detected, the flow rate measurement is continued urgently by increasing the level of the received signal.
JP 2002-151458 A JP 2004-117283 A JP 07-159213 A Supervised by Junichi Miyoshi and two others, “Ultrasound Technology Handbook (new edition)”, Nikkan Kogyo Shimbun, December 30, 1984, p. 1285-1287

上述した従来技術においては、受信信号の電圧を監視することにより液体中に気泡が混入したと判断していた。
しかしながら、超音波の受信信号の電圧は流体の温度によっても変動することが知られている。これは、流体による音波吸収が温度依存性を持っているためである。
図9は、水の超音波吸収の温度変化特性を示す図である(非特許文献1)。ここで、αは吸収率、fは周波数を示している。この図に示すように、水温が高くなるほど吸収率は低下している。
したがって、従来のように、受信信号の電圧を監視するだけでは、流体温度の変化による電圧の低下か、気泡の混入による電圧の低下であるかを切り分けることが困難であり、精度よく気泡の混入を検出することができなかった。
In the prior art described above, it was determined that bubbles were mixed in the liquid by monitoring the voltage of the received signal.
However, it is known that the voltage of the ultrasonic reception signal varies depending on the temperature of the fluid. This is because sound absorption by the fluid has temperature dependence.
FIG. 9 is a diagram showing temperature change characteristics of ultrasonic absorption of water (Non-Patent Document 1). Here, α represents the absorption rate, and f represents the frequency. As shown in this figure, the absorption rate decreases as the water temperature increases.
Therefore, as in the past, it is difficult to determine whether the voltage drop is due to a change in fluid temperature or the voltage drop due to the inclusion of bubbles simply by monitoring the voltage of the received signal. Could not be detected.

そこで、本発明は、気泡混入の判断を正確に行うことができる超音波流量計を提供することを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic flow meter that can accurately determine the presence of bubbles.

上記目的を達成するために、本発明の超音波流量計は、測定管路と、該測定管路を横切るように対向して設けられた1対の超音波送受波器と、制御部と、前記超音波送受波器からの受信信号を平滑する平滑回路と、前記超音波送受波器からの受信信号のゲインを制御するゲイン制御回路と、前記ゲイン制御回路の出力を波形整形する波形整形回路と、前記制御部の制御により超音波信号を出力する発信回路と、前記1対の超音波送受波器の送信と受信を切り替える送受切替回路とを有する超音波流量計であって、前記制御部は、前記1対の超音波送受波器間の伝播時間から音速を算出し、該算出した音速に基づいて、音速と流体温度の関係から流体温度を算出し、該算出した流体温度から対応する受信信号レベルを算出し、該算出した受信信号レベルと前記平滑回路の出力とに基づいて気泡の混入を検出するようになされているものである。
また、前記音速と流体温度の関係を示す対応表と、流体温度と受信信号レベルの関係を示す対応表を記憶する記憶部を有するものである。
In order to achieve the above object, an ultrasonic flowmeter of the present invention includes a measurement pipe, a pair of ultrasonic transducers provided so as to cross the measurement pipe, a control unit, A smoothing circuit for smoothing a received signal from the ultrasonic transducer, a gain control circuit for controlling the gain of the received signal from the ultrasonic transducer, and a waveform shaping circuit for shaping the output of the gain control circuit An ultrasonic flowmeter having a transmission circuit that outputs an ultrasonic signal under the control of the control unit, and a transmission / reception switching circuit that switches between transmission and reception of the pair of ultrasonic transducers, the control unit Calculates the sound speed from the propagation time between the pair of ultrasonic transducers, calculates the fluid temperature from the relationship between the sound speed and the fluid temperature based on the calculated sound speed, and responds from the calculated fluid temperature. Calculate the received signal level and calculate the received signal level. It is what is adapted to detect the inclusion of air bubbles on the basis of the level and the output of the smoothing circuit.
The storage unit stores a correspondence table indicating a relationship between the sound speed and the fluid temperature and a correspondence table indicating a relationship between the fluid temperature and the received signal level.

このような本発明の超音波流量計によれば、流体温度による超音波の減衰量を把握することができるため、気泡の混入をより高精度に判断することが出来るようになり、システムの信頼性を上げることができる。   According to such an ultrasonic flowmeter of the present invention, since the attenuation amount of the ultrasonic wave due to the fluid temperature can be grasped, it becomes possible to judge the mixing of bubbles with higher accuracy, and the reliability of the system. Can raise the sex.

図1は、本発明の超音波流量計の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
この図において、1は被測定流体が流れる測定管路、2及び3は超音波送受波器(超音波振動子)、4はマイクロコンピュータなどからなる制御部(以下、「マイコン」と呼ぶ。)、5は超音波信号を出力する発信回路、6は前記超音波送受波器2及び3の送信/受信を切り替える送受切替回路、7は前記超音波送受波器2又は3からの受信波を平滑し、平均電圧レベルに対応する信号を出力する平滑回路、8は前記超音波送受波器2又は3からの受信波のレベルを一定の大きさに制御するゲイン制御回路、9は前記ゲイン制御回路8によって一定の大きさに制御された受信信号をマイコン4が流量を演算できる形に波形整形して出力する波形整形回路である。
非測定流体が流れる測定管路1の両端の外部のそれぞれに、又は、測定管路1と横切るように対向して、1対の超音波送受波器2及び3が設けられている。送受切替回路6を制御することにより、超音波送受波器2及び3から、交互に、超音波信号が送信及び受信される。
前記平滑回路7は、受信波の大きさを常に監視するために、1回の受信波を平滑してその平均電圧レベルに対応する信号をマイコン4に出力する。
前記マイコン4は、流体の温度変化による超音波の減衰などをキャンセルするために、ゲインを可変する制御信号を前記ゲイン制御回路8に出力し、ゲイン制御回路8は、前記超音波送受波器2又は3からの受信波形が一定の大きさに増幅されるように増幅して、波形整形回路9に出力する。前記マイコン4は、例えば、前記平滑回路7からの第1回目の出力に基づいて、ゲイン制御回路8に出力するゲイン制御信号を決定する。
前記マイコン4は、前記発信回路5から信号を発生させた時刻と、前記波形整形回路9から受け取った信号を元に、前記超音波送受波器間の伝播時間を演算し、この伝播時間から流体の流速vを求め、測定管路1の断面積を乗算することにより流量Qを算する。
この超音波流量計の出力としてはアナログ(1−5Vや4−20mA)、ディジタル(周波数や積算用パルス)、警報用のオープンコレクタなどによる出力が用意され、通信機能も付加される場合がある。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of an ultrasonic flowmeter of the present invention.
In this figure, 1 is a measurement pipe through which a fluid to be measured flows, 2 and 3 are ultrasonic transducers (ultrasonic transducers), and 4 is a control unit (hereinafter referred to as a “microcomputer”) including a microcomputer. 5 is a transmission circuit for outputting an ultrasonic signal, 6 is a transmission / reception switching circuit for switching between transmission / reception of the ultrasonic transducers 2 and 3, and 7 is a smoothing of a reception wave from the ultrasonic transducer 2 or 3 A smoothing circuit for outputting a signal corresponding to the average voltage level, 8 a gain control circuit for controlling the level of the received wave from the ultrasonic transducer 2 or 3 to a constant magnitude, and 9 for the gain control circuit. 8 is a waveform shaping circuit that shapes the waveform of the received signal controlled to a constant magnitude by 8 so that the microcomputer 4 can calculate the flow rate, and outputs the waveform.
A pair of ultrasonic transducers 2 and 3 are provided on the outside of both ends of the measurement pipe line 1 through which the non-measurement fluid flows, or facing the measurement pipe line 1 so as to cross the measurement pipe line 1. By controlling the transmission / reception switching circuit 6, ultrasonic signals are alternately transmitted and received from the ultrasonic transducers 2 and 3.
The smoothing circuit 7 smoothes one received wave and outputs a signal corresponding to the average voltage level to the microcomputer 4 in order to constantly monitor the magnitude of the received wave.
The microcomputer 4 outputs a control signal for changing the gain to the gain control circuit 8 in order to cancel the attenuation of the ultrasonic wave due to the temperature change of the fluid, and the gain control circuit 8 outputs the control signal to the ultrasonic transducer 2. Alternatively, the received waveform from 3 is amplified so as to be amplified to a certain magnitude and output to the waveform shaping circuit 9. For example, the microcomputer 4 determines a gain control signal to be output to the gain control circuit 8 based on the first output from the smoothing circuit 7.
The microcomputer 4 calculates the propagation time between the ultrasonic transducers based on the time when the signal is generated from the transmission circuit 5 and the signal received from the waveform shaping circuit 9, and the fluid is calculated from the propagation time. The flow rate Q is calculated and the flow rate Q is calculated by multiplying the cross-sectional area of the measurement pipe line 1.
As an output of this ultrasonic flowmeter, an output by analog (1-5 V or 4-20 mA), digital (frequency or integration pulse), alarm open collector, etc. is prepared, and a communication function may be added. .

このような本発明の超音波流量計において、前記マイコン4は、前記超音波送受波器2及び3間の超音波の伝播時間から流体中の音速cを求める。
流体温度と音速には流体毎に異なるが、ほとんどの液体で常温付近に一意に関係づけられる範囲がある。図2は、水の音速度cの温度変化を示す図である。この図に示すように、例えば、水の音速と温度は0.7〜73.95°Cの間で一意に決まる関係がある(0.7°Cで極小、73.95°Cで極大となるため)。
そこで、被測定流体の音速cと温度の関係を、前記マイコン4に含まれているフラッシュメモリなどに登録しておくことにより、音速を算出することで流体の温度を知ることができる。
また、前述のように、流体中を伝播する超音波の減衰は流体の温度と関係がある。減衰の原因は反射、拡散、吸収など様々な原因があるが、例えば吸収は流体温度との関連があることが知られている(非特許文献1)。
そこで、流体温度と受信信号レベルの関係を実験によって求めておく。
図3は、ある流量計における流体温度と受信信号レベルの関係の一例を示す図である。管路の材質などによっても減衰特性が変化するため、流体温度と受信信号レベルの関係を個々に求めておき、これも、前記マイコン4に含まれているフラッシュメモリなどに記憶しておく。
In the ultrasonic flowmeter of the present invention, the microcomputer 4 obtains the sound velocity c in the fluid from the ultrasonic wave propagation time between the ultrasonic transducers 2 and 3.
Although the fluid temperature and sound velocity vary from fluid to fluid, there is a range that is uniquely related to the ambient temperature for most liquids. FIG. 2 is a diagram showing a temperature change of the sound speed c of water. As shown in this figure, for example, the sound speed and temperature of water are uniquely determined between 0.7 and 73.95 ° C. (minimum at 0.7 ° C. and maximum at 73.95 ° C.). To become).
Therefore, by registering the relationship between the sound speed c of the fluid to be measured and the temperature in a flash memory included in the microcomputer 4, the temperature of the fluid can be known by calculating the sound speed.
As described above, the attenuation of the ultrasonic wave propagating in the fluid is related to the temperature of the fluid. There are various causes of attenuation such as reflection, diffusion, and absorption. For example, it is known that absorption is related to fluid temperature (Non-Patent Document 1).
Therefore, the relationship between the fluid temperature and the received signal level is obtained through experiments.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the fluid temperature and the received signal level in a certain flow meter. Since the attenuation characteristic changes depending on the material of the pipe line and the like, the relationship between the fluid temperature and the received signal level is obtained individually and also stored in the flash memory included in the microcomputer 4.

このように、本発明においては、前記マイコン4に設けられているメモリ中に、流体中の音速と流体温度の関係を示す第1の対応表と、流体温度と受信信号レベルの関係を示す第2の対応表を記憶している。なお、対応表でなくとも、それらに対応する演算式を記憶するようにしてもよい。
このように、求めた音速から流体温度を、流体温度から受信信号レベルの関係付けをしておけば、受信信号レベルが低下したときに流体温度によるものなのか、流体温度以外の要因が関与しているかがわかる。
流体温度以外の受信信号レベルの低下は流体の粘性によっても引き起こされるが、流体毎に音速と流体温度、流体温度と受信信号レベルの関係付けをしておけば、流体の状態による受信信号の低下ということになる。
流体の状態で受信信号に影響するものの筆頭は気泡の混入である。気泡の混入は前述の通り常時あるわけではなく多くは気泡が単体で流れてくるか、気泡群として流れてくるので、継続性がない。継続性がある場合は異常と判断できる。そこで、音速から導かれる受信信号レベルの低下の値よりも、受信信号のレベルが低下したときに気泡が混入したと判断する。
この判断はこのあと気泡が流れ去ったと想定される時間が経過しても受信信号のレベルが低下したままになっていた場合、気泡の継続混入か他の要因により異常が発生したと判断することができる。
Thus, in the present invention, in the memory provided in the microcomputer 4, the first correspondence table showing the relationship between the sound speed in the fluid and the fluid temperature, and the relationship between the fluid temperature and the received signal level are shown. 2 correspondence tables are stored. In addition, you may make it memorize | store the arithmetic expression corresponding to them, not a correspondence table.
As described above, if the fluid temperature is related to the calculated sound velocity and the received signal level is related to the fluid temperature, it may be due to the fluid temperature when the received signal level is lowered or a factor other than the fluid temperature is involved. You can see if
The decrease in the received signal level other than the fluid temperature is also caused by the viscosity of the fluid. However, if the relationship between the sound speed and the fluid temperature and the fluid temperature and the received signal level is related to each fluid, the received signal level will decrease depending on the fluid state. It turns out that.
Although it affects the received signal in the fluid state, the top of the head is air bubbles. As described above, there is no continuity because the bubbles are not always mixed as described above, and many bubbles flow alone or as a group of bubbles. If there is continuity, it can be judged as abnormal. Therefore, it is determined that bubbles are mixed when the level of the received signal is lower than the value of the received signal level that is derived from the sound speed.
In this judgment, if the level of the received signal remains low even after the time when it is assumed that the bubbles have flowed away, it is judged that an abnormality has occurred due to continued mixing of bubbles or other factors. Can do.

図4は、本発明の超音波流量計の動作を示すフローチャートである。
まず、前記発信回路5及び前記送受切替回路6を制御して測定処理を行う(ステップS1)。前記送受切替回路6により、例えば、前記超音波送受波器2を送信側、超音波送受波器3を受信側に設定し、前記発信回路5から所定時間幅の超音波パルス信号を所定回数発生させる。そして、前記超音波送受波器3からの受信信号を前記平滑回路7で平滑してそのレベルを検出するとともに、前記発信回路5から超音波パルス信号を出力させたタイミングと波形整形回路9から受信信号の整形出力が出力されるまでの時間の平均値を測定する。次に、前記送受切替回路6により、前記超音波送受波器3を送信側、超音波送受波器2を受信側とするように切り替え、同様に所定回数超音波パルス信号を出力し、伝播時間の平均値を測定する。
次に、ステップS2で、前記ステップS1で測定した伝播時間に基づいて、音速cと流速vを求める。
前記超音波送受波器2と3との間の距離をL、両超音波送受波器間の伝播遅延時間をT1、T2とすると、
音速c=L/2×(1/T1+1/T2)
流速v=L/2×(1/T1−1/T2)
である。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the ultrasonic flowmeter of the present invention.
First, measurement processing is performed by controlling the transmission circuit 5 and the transmission / reception switching circuit 6 (step S1). The transmission / reception switching circuit 6 sets, for example, the ultrasonic transducer 2 on the transmission side and the ultrasonic transducer 3 on the reception side, and generates an ultrasonic pulse signal of a predetermined time width from the transmission circuit 5 a predetermined number of times. Let Then, the reception signal from the ultrasonic transducer 3 is smoothed by the smoothing circuit 7 to detect the level thereof, and the timing at which the ultrasonic pulse signal is output from the transmission circuit 5 and received from the waveform shaping circuit 9. Measure the average time until the signal shaping output is output. Next, the transmission / reception switching circuit 6 switches the ultrasonic transducer 3 to the transmission side and the ultrasonic transducer 2 to the reception side, similarly outputs an ultrasonic pulse signal a predetermined number of times, and propagates the propagation time. Measure the average value of.
Next, in step S2, the speed of sound c and the flow velocity v are obtained based on the propagation time measured in step S1.
When the distance between the ultrasonic transducers 2 and 3 is L, and the propagation delay times between the ultrasonic transducers are T1 and T2,
Speed of sound c = L / 2 × (1 / T1 + 1 / T2)
Flow velocity v = L / 2 x (1 / T1-1 / T2)
It is.

次に、メモリに記憶されている前記音速と温度との関係を示す第1の対応表を参照し、算出した音速cから対応する流体の温度を求める(ステップS3)。
そして、前記メモリに記憶されている前記温度と受信レベルの関係を示す第2の対応表を参照し、その温度に対応する受信レベルを求める(ステップS4)。
そして、前記平滑回路7から出力される受信信号のレベルとステップS4で求めた受信レベルとを比較する(ステップS5)。
その結果、実際の受信信号レベルと音速から求めた温度に対応する受信レベルとの差が所定の範囲内(例えば、80%以内)であるときには、正常範囲内であるとして、前記ステップS2で算出した流速vに基づく流量データを出力する(ステップS6)
一方、正常範囲内ではないとき、例えば、平滑回路7の出力がステップS4で求めた受信レベルの80%よりも低いときには、気泡の混入があったとして、異常処理を行う。すなわち、気泡の混入があった旨の警報出力を出力する。
このように、本発明によれば、流体の音速を測定することにより、流体の温度を求め、該流体の温度による超音波の減衰量を反映させているために、精度よく気泡の混入を検出することができる。
Next, with reference to the first correspondence table showing the relationship between the sound speed and temperature stored in the memory, the temperature of the corresponding fluid is obtained from the calculated sound speed c (step S3).
Then, referring to the second correspondence table showing the relationship between the temperature and the reception level stored in the memory, the reception level corresponding to the temperature is obtained (step S4).
Then, the level of the reception signal output from the smoothing circuit 7 is compared with the reception level obtained in step S4 (step S5).
As a result, when the difference between the actual received signal level and the received level corresponding to the temperature obtained from the sound speed is within a predetermined range (for example, within 80%), it is determined that it is within the normal range and is calculated in step S2. The flow rate data based on the measured flow velocity v is output (step S6).
On the other hand, when it is not within the normal range, for example, when the output of the smoothing circuit 7 is lower than 80% of the reception level obtained in step S4, abnormal processing is performed assuming that bubbles are mixed. That is, an alarm output indicating that air bubbles are mixed is output.
As described above, according to the present invention, the temperature of the fluid is obtained by measuring the sound speed of the fluid, and the amount of ultrasonic attenuation due to the temperature of the fluid is reflected. can do.

次に、上述のようにして気泡の混入が検出された後の処理について説明する。
ここで、ユーザーの用途によって2つの方法に分けて考えることができる。
1つ目は、ユーザーとしては、少量の気泡が混入し、精度が少々低下したとしても、その気泡の量がシステムに大きな影響を与えない場合である。この場合には、直ちに警報を出力しないで、気泡が抜けるまで出力を維持して、システムを停止しないことを優先する。
例えば、冷却水の流量管理にはタービン式等の安価な流量センサを用いる場合もあるが、可動部のあるタービン式や羽根車式では寿命が短く、稼働率の高い冷却装置には渦式や超音波式の流量計が用いられる。
図5に、冷却水の流量管理を行うシステムの一例を示す。冷却水の流量管理は通常温度をフィードバック源にして流量を変化させて冷却を行う。すなわち、感温体12の出力で温度式調整弁13を制御している。この流量管理は冷却水の有無と過大、過小の判断で故障を検知する役目に用いられ、冷却水の流量を厳密に知る必要がない。また、負荷変動により冷却水の温度変化があった後に、温度式調整弁13が作動して、負荷変動に応じて流量変化が行われるが、冷却水の温度が元の温度に戻るまでは、早いもので数十秒、通常は数分といった時間を要する。従って、気泡が混入した後、すぐに流量計11より警報が出て、装置が止まってしまうことは適正な動作とは言えない。
この場合、流量計11の測定管に混入した気泡が抜けるまでの時間的猶予があるので、システムの安定性を重視して、気泡が流れ去ったと想定される時間まで流量の出力を維持することが有効となる。
ここでいう気泡が流れ去ったと想定される時間は、例えば、受信信号のレベルが低下する直前の流量値Qと流路断面積Aから超音波送受波器間距離Lを用いて気泡の通過時間Tiを、
Q=AL/Tiより、Ti=AL/Q
として計算し、Tiに多少の余裕(10〜20%程度)を持たせた時間とすることができる。
ただし、気泡がTiより早く抜けたり、気泡が何らかの理由で消滅してしまい、送受信が可能になったときには直ちに測定をして出力の維持を解除することとなる。
Next, a process after the detection of air bubbles as described above will be described.
Here, it can be divided into two methods according to the use of the user.
The first is a case where a small amount of air bubbles are mixed into the user and the amount of air bubbles does not greatly affect the system even if the accuracy is slightly reduced. In this case, priority is given not to stop the system without immediately outputting an alarm and maintaining the output until bubbles are removed.
For example, an inexpensive flow rate sensor such as a turbine type may be used for the flow rate control of the cooling water. However, a turbine type or impeller type with a moving part has a short life, and a vortex type or An ultrasonic flow meter is used.
FIG. 5 shows an example of a system for managing the flow rate of cooling water. In the cooling water flow management, cooling is performed by changing the flow rate using the normal temperature as a feedback source. That is, the temperature control valve 13 is controlled by the output of the temperature sensing element 12. This flow rate management is used to detect a failure based on the presence / absence of cooling water and whether it is too large or too small. In addition, after the temperature change of the cooling water due to the load change, the temperature control valve 13 is operated, and the flow rate change is performed according to the load change, but until the temperature of the cooling water returns to the original temperature, It takes several tens of seconds and usually several minutes. Therefore, it cannot be said that it is an appropriate operation that a warning is issued from the flow meter 11 immediately after air bubbles are mixed and the apparatus stops.
In this case, since there is a time delay until bubbles mixed in the measuring tube of the flow meter 11 are removed, importance is attached to the stability of the system, and the output of the flow rate is maintained until the time when bubbles are assumed to flow away. Becomes effective.
The time when the bubble is assumed to flow away is, for example, the passage time of the bubble using the flow rate value Q immediately before the level of the received signal decreases and the flow path cross-sectional area A and the distance L between the ultrasonic transducers. Ti,
From Q = AL / Ti, Ti = AL / Q
It can be set as the time which gave some margin (about 10-20%) to Ti.
However, when the bubbles are removed earlier than Ti or the bubbles disappear for some reason and transmission / reception becomes possible, the measurement is immediately performed and the maintenance of the output is released.

2つ目は、気泡の混入が許されない場合である。この場合には、気泡が混入したと判断したときには直ちに流量値の出力を変化させるとともに、流量値の出力とは別に気泡混入専用の出力を変化させて、気泡混入の旨を伝えることが大切である。
例えば、成膜工程などで粘度の高い流体を極微量だけ、塗布してコーティングする場合には気泡がコーティングの膜上に残ってしまうと均一な膜が出来ずに不具合を起こしてしまう。このため、気泡の無い流体を一定流量でノズルから吐出することが要求される。
The second is a case where mixing of bubbles is not allowed. In this case, when it is determined that bubbles are mixed, it is important to change the output of the flow rate value immediately and change the dedicated output for mixing the bubbles separately from the output of the flow rate value to convey the message that bubbles are mixed. is there.
For example, in the case where a very small amount of fluid having a high viscosity is applied and coated in a film forming process or the like, if bubbles remain on the coating film, a uniform film cannot be formed, causing problems. For this reason, it is required to discharge a fluid without bubbles from the nozzle at a constant flow rate.

図6はこのようなコーティングを行うシステムの一例を示す図である。この図において、21は超音波流量計、22は3方切換弁、23は遠隔操作バルブ、24はタンク、25は液面センサ、26はポンプ、27はノズルであり、図には無いが、これらをコントロールするために制御・演算機能を有するシーケンサやMPUなどの制御機器が存在する。ポンプ26の吸入側に一定量の液を供給して、ポンプ26でその一定量を吸入してノズル27へ送り出すシステムである。
このシステムにおいて、タンク24に気泡の無い液体を溜める工程を説明する。
1.遠隔操作バルブ23を開いて液体をタンク24に導く。
2.タンク24に導く流体の流量を積算してタンク24の液量を監視する。
3.超音波流量計21の測定管を気泡が通過すると、3方切換弁22を操作して気泡を含んだ液体を排出する。このとき3方切換弁22を操作して排出している間は積算を止めておく。
4.気泡が排出されたら、再び3方切換弁22を操作してタンク24へ液体を導き、積算も再開する。
5.積算の値が規定量になったときに、遠隔操作バルブ23を閉じる。
これにより、タンク24には一定量の気泡の無い液体が溜められる。ただし、ポンプ26の吸入動作中は、遠隔操作バルブ23が開くことはない。なお、タンク24へ溜める際には配管から出てくる液体が気泡を巻き込まない工夫がなされている。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a system for performing such coating. In this figure, 21 is an ultrasonic flowmeter, 22 is a three-way switching valve, 23 is a remote control valve, 24 is a tank, 25 is a liquid level sensor, 26 is a pump, and 27 is a nozzle. In order to control these, there are control devices such as sequencers and MPUs having control / calculation functions. In this system, a fixed amount of liquid is supplied to the suction side of the pump 26, the fixed amount is sucked by the pump 26 and sent to the nozzle 27.
In this system, a process of storing liquid without bubbles in the tank 24 will be described.
1. The remote control valve 23 is opened to guide the liquid to the tank 24.
2. The flow rate of the fluid guided to the tank 24 is integrated to monitor the liquid amount in the tank 24.
3. When bubbles pass through the measurement tube of the ultrasonic flowmeter 21, the three-way switching valve 22 is operated to discharge the liquid containing bubbles. At this time, the integration is stopped while the three-way switching valve 22 is operated and discharged.
4). When the bubbles are discharged, the three-way switching valve 22 is operated again to guide the liquid to the tank 24, and the integration is resumed.
5. When the integrated value reaches a specified amount, the remote control valve 23 is closed.
As a result, a certain amount of liquid without bubbles is stored in the tank 24. However, the remote control valve 23 does not open during the suction operation of the pump 26. In addition, when collecting in the tank 24, the device which the liquid which comes out of piping does not involve a bubble is made.

本発明の超音波流量計の一実施の形態の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of one Embodiment of the ultrasonic flowmeter of this invention. 水の音速度の温度変化特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature change characteristic of the sound speed of water. 受信波の温度依存性を示した実験値の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the experimental value which showed the temperature dependence of a received wave. 本発明の超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation | movement of the ultrasonic flowmeter of this invention. 本発明の超音波流量計を使用した流量管理システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the flow volume management system which uses the ultrasonic flowmeter of this invention. 本発明の超音波流量計を使用した流量管理システムの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the flow volume management system which uses the ultrasonic flowmeter of this invention. 受信波形の一例を示す図であり、(a)は気泡のほとんど無い状態で受信レベルを100mVに合わせたときの受信波形、(b)は配管中に容積比率で1.7×10-3程度の気泡を含ませて、流速が約0.4m/sのときの受信波形、(c)は配管中に容積比率で10-3程度の気泡を含ませて、流速が約1.2m/sのときの受信波形を示す図である。It is a figure which shows an example of a reception waveform, (a) is a reception waveform when a reception level is set to 100 mV in the state with almost no bubble, (b) is about 1.7 * 10 < -3 > by volume ratio in piping. The received waveform when the flow rate is about 0.4 m / s, (c) is about 10 -3 bubbles in volume ratio in the pipe, and the flow rate is about 1.2 m / s It is a figure which shows the received waveform at the time of. 受信波形の検波について説明するための図である。It is a figure for demonstrating detection of a received waveform. 水の超音波吸収の温度変化特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature change characteristic of the ultrasonic absorption of water.

符号の説明Explanation of symbols

1:測定管路、2,3:超音波送受波器(超音波振動子)、4:制御部(マイクロコンピュータ)、5:発信回路、6:送受切替回路、7:平滑回路、8:ゲイン制御回路、9:波形整形回路   1: measurement pipeline, 2, 3: ultrasonic transducer (ultrasonic transducer), 4: control unit (microcomputer), 5: transmission circuit, 6: transmission / reception switching circuit, 7: smoothing circuit, 8: gain Control circuit, 9: Waveform shaping circuit

Claims (2)

測定管路と、
該測定管路を横切るように対向して設けられた1対の超音波送受波器と、
制御部と、
前記超音波送受波器からの受信信号を平滑する平滑回路と、
前記超音波送受波器からの受信信号のゲインを制御するゲイン制御回路と、
前記ゲイン制御回路の出力を波形整形する波形整形回路と、
前記制御部の制御により超音波信号を出力する発信回路と、
前記1対の超音波送受波器の送信と受信を切り替える送受切替回路とを有する超音波流量計であって、
前記制御部は、前記1対の超音波送受波器間の伝播時間から音速を算出し、
該算出した音速に基づいて、音速と流体温度の関係から流体温度を算出し、
該算出した流体温度から対応する受信信号レベルを算出し、
該算出した受信信号レベルと前記平滑回路の出力とに基づいて気泡の混入を検出することを特徴とする超音波流量計。
A measuring line;
A pair of ultrasonic transducers provided opposite to each other across the measurement pipeline;
A control unit;
A smoothing circuit for smoothing a received signal from the ultrasonic transducer;
A gain control circuit for controlling the gain of the received signal from the ultrasonic transducer;
A waveform shaping circuit for shaping the output of the gain control circuit;
A transmission circuit that outputs an ultrasonic signal under the control of the control unit;
An ultrasonic flowmeter having a transmission / reception switching circuit for switching between transmission and reception of the pair of ultrasonic transducers,
The controller calculates a sound speed from a propagation time between the pair of ultrasonic transducers,
Based on the calculated sound speed, the fluid temperature is calculated from the relationship between the sound speed and the fluid temperature,
Calculate a corresponding received signal level from the calculated fluid temperature,
An ultrasonic flowmeter for detecting the mixing of bubbles based on the calculated received signal level and the output of the smoothing circuit.
前記音速と流体温度の関係を示す対応表と、流体温度と受信信号レベルの関係を示す対応表を記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 1, further comprising a storage unit that stores a correspondence table indicating a relationship between the sound speed and the fluid temperature, and a correspondence table indicating a relationship between the fluid temperature and the reception signal level.
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