JP4746203B2

JP4746203B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP4746203B2
Application number: JP2001138028A
Authority: JP
Inventors: 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002333356A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体中の超音波の伝播時間を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流量を求める超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定原理の一例として、図４に示すように、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方の送受波器２への順方向伝播時間ｔ₁は、静止流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、
ｔ₁＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）
となる。
【０００３】
また、送受波器２から送受波器１への逆方向伝播時間ｔ₂は、
ｔ₂＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）
となる。伝播時間ｔ₁とｔ₂とから流速Ｖを、
Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ₁）−（１／ｔ₂）｝
として求めていた。
【０００４】
上述の測定原理において、超音波が受信側の送受波器に到達する時期、つまり到達時点を特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロス点を検知するようにしたものがある。図５は発信のタイミングを示す発信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示している。
【０００５】
ａが到達時点で、徐々に振幅が大きくなる。その後最大振幅となり徐々に小さくなる。ところが到達時点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次のような方法が行われている。
【０００６】
ノイズより十分大きな基準電圧レベルとしてのしきい値Ｖ_THを決め、このレベルに最初に達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検知とする方法である。
【０００７】
しきい値Ｖ_THは常に何番目かのある特定の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するように定めてあり、実際の到達時間ｔは、ａ点からｃ点までの時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ＋τに相当する値から時間τを減算することにより求めている。
【０００８】
送信から受信までの順方向伝播時間や逆方向伝播時間を求めるのに、単純に測定した到達時間ｔ＋τから時間τを減ずるのではなく、伝播時間計測の精度を向上するために、受信すると同時に次の送信を同じ方向に行うことを複数回（ｎ−１回）繰り返すことにより、一方向、例えば順方向の送受信をｎ回連続して繰り返して、最初（第１回目）の順方向送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎ（ｔ₁＋τ）を測定し、次に他方向、例えば逆方向への送受信を同様にしてｎ回連続して繰り返して、最初の逆方向送信から最後の受信までの時間ｎ（ｔ₂＋τ）を測定し、これらの各方向の複数回の送受信で得た測定値からｎτを減じ、各方向の伝播時間ｔ₁とｔ₂とを計算して流速更に流量を求める超音波流量計も公知である。
【０００９】
ところが、受信波の大きさは測定する気体の圧力や、或いは超音波送受波器を構成する振動子の個々の特性によって異なる。その結果、個々のしきい値Ｖ_THの調整はもちろん、場合によっては流量計の設置場所毎に現地でしきい値Ｖ_THや、受信側の送受波器で得た信号を増幅する増幅器の増幅率の調整が必要となる。
【００１０】
そこで、自動的に最適なしきい値Ｖ_THにできるいくつかの方法が模索されている。その１つは、ピーク値ホールド回路やオートマチックゲインコントロール回路（ＡＧＣ）を用いて受信波のピーク値が常に一定の大きさになるよう増幅器のゲイン（前記増幅率）を調整して、狙った波をしきい値Ｖ_THで捉えるようにすることで、受信波の方をしきい値Ｖ_THに合わせる方法である。もう１つは、直前の受信波のピーク値をホールドし、そのピーク値の電圧に一定値を掛けた値をしきい値Ｖ_THとして使う方法である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法は、消費電流の大きいアナログ回路部が大掛かりになってコスト高になる。また、ある特定電圧を一定時間ホールドしている必要があるとか、或いはしきい値Ｖ_THを決めるために、測定とは別の超音波の送受信を行う必要があるため、低消費電流にすることが難しいなどの問題点があった。
【００１２】
特にピーク値等のホールド回路は低消費電力化の妨げとなる。１対の送受波器間の距離が２００ｍｍ程度の気体流量計では伝播時間ｔが０．５ｍｓ程度であるが、繰り返し送受信を行う複数回（ｎ回）が１００回程度になるとｎｔが５０ｍｓにもなり、この長い時間の間、一定の電圧をホールドするのに大きな電力を消費するからである。
【００１３】
そこで、本発明はこれらの問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると再び送信側送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求める超音波流量計において、
前記受信波検知部は、先ず受信側送受波器の信号を増幅度可変の増幅部で増幅するように構成されていて、増幅部の後段では、電圧の異なる３つの基準電圧レベルが用意されていて、各方向毎の複数回の送受信のうち、第１回目の受信は、１つの発信による増幅後の一群の受信波のうち、ある波が最初に前記３つの基準電圧レベルのうち最も低い基準電圧レベルを越え、更にそのまま、最も高い基準電圧レベルも一気に越えた時は、その波のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとし、
第２回目以降の受信は、前記３つの基準電圧レベルのうち、真ん中の基準電圧レベルを初めて越えた波のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとすると共に、
第１回目の受信で、最も低い基準電圧レベルを越えた波が最も高い基準電圧レベルを一気に越えなかったときは、測定を中止して、増幅部の増幅度を変えて第１回目の送信からやり直すように構成したことを特徴とする超音波流量計である。
【００１５】
【作用】
１つの発信による増幅後の一群の受信波は、その先頭から第１波、第２波、第３波、第４波、第５波、第６波、第７波と次第にそのピークが大きくなる。このピークの電圧の大きくなる度合いは最初ほど大きくだんだん小さくなる傾向がある。つまり、ピークの大きさを比較すると、第１波側なら、第３波／第１波が最大で第５波／第３波、第７波／第５波と段々小さくなる。第２波側なら第４波／第２波が最大で第６波／第４波、第８波／第６波と小さくなる。
【００１６】
なお、第３波／第１波と表現した比率は厳密には第３波のピーク値と第１波のピーク値との比率である（第３波のピーク／第１波のピーク）を簡略化して表現したもので、他の比率についても同様に簡略化した表現で示している。
【００１７】
上記各比率は流体の圧力等で全体の振幅が変化してもほとんど変化しないことが実験等で確認されている。特に第３波／第１波および第４波／第２波は他の比率に比べ十分大きいため区別が容易である。
【００１８】
仮に３つの基準電圧レベルを２００ｍＶ、３５０ｍＶ、５００ｍＶとすると、ある波が初めて２００ｍＶを越えてそのまま一気に５００ｍＶも越えたとき、その波は直前の波の２．５倍以上あることになる。仮に第３波だけがこの条件を満たすなら、この時点で、この波が第３波と判断できる（図３（ａ）参照）。
【００１９】
２００ｍＶを初めて越える波が５００ｍＶを越えなかったときは増幅度が適当でないと判断でき、その時点で測定を中止して、増幅度を変化させ最初の発信からやり直す。これを繰り返すことで最終的に増幅度の最適化が可能である。
【００２０】
第２回目以降の受信は、２００ｍＶと５００ｍＶの中間値である３５０ｍＶを初めて越えた波のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとすることで、以後の繰り返し測定中に多少波高値が変化しても第３波を捉え続けることが可能である。
【００２１】
第１波が大きくなると２００ｍＶと５００ｍＶを一気越えする可能性があるが増幅度を制限することで第１波を間違えて検知することは防ぐことができる。
【００２２】
この説明では第１波側を正とし正側に基準電圧レベルを設置し第３波を捉えるようにしたが、負側に基準レベルを設置し第４波を捉えるようにすることもできるし、受信波の極性を逆にして正側で第４波或いは負側で第３波を捉えるようにすることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に基づいて説明する。
【００２４】
図１は実施例の全体構成である。受信波検知部について図２に詳しく示して説明する。
【００２５】
送受波器１，２は超音波振動子で、送信にも受信にも使用できる。両送受波器は流体中を上流から下流又は下流から上流への超音波の送受を行う。
【００２６】
受信波検知部４は受信側の送受波器、例えば２が接続され受信波を検知すると受信波検知信号を出力する。送波器駆動部５はコントロール部６より第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器、例えば１をまず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知信号を受ける度に駆動する。但し、第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。本実施例では無意味なｎ＋１回目の駆動を行ってしまうようになっているが、受信側で無視するので問題はない。
【００２７】
第１のカウンタ７は受信波検知部４からの受信波検知信号をカウントし、ｎ番目の受信波検知信号（第ｎ受信波検知信号）を出力する。このカウンタ７はコントロール部６よりの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。第２のカウンタ８は第１送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間ｎ（ｔ₁＋τ）を測定する。その時間（カウント値）はコントロール部６が読み取る。実施例では第１送信指令信号でカウント値がゼロクリアされ、カウントを開始するように構成されている。
【００２８】
コントロール部６は一定間隔で送受切替信号を反転させて切替スイッチ９，１０を切り替えることにより２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。
【００２９】
各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力する。そして、第ｎ受信波検知信号が入力されると、カウンタ８の測定値（カウント値）、例えばｎ（ｔ₂＋τ）を読み取り、直前に行った反対向きでの測定値とを用いて、その間の流速更に流量を演算する。なお、この超音波流量計は電池電源で作動する。
【００３０】
図２は受信波検知部の電気回路図で、切替スイッチ１０を介して受信側の送受波器から入力される信号Ｖｉｎは増幅度可変の増幅部１１で増幅される。オペアンプ１２に接続されたフィードバック抵抗Ｒ₂₀〜Ｒ₂₇をアナログスイッチ１３で選択的に接続することで増幅度を変える。アナログスイッチ１３はラインＳ１０，Ｓ１１及びＳ１２に印加されるコントロール部６からの増幅度選択信号で８個のうちの１つのスイッチが選択的に閉じる。図示の場合、フィードバック抵抗Ｒ₂₄と直列のスイッチが閉じているため、増幅部１１の増幅度はＲ₂₄／Ｒ₁である。なお、フィードバック抵抗Ｒ₂₀〜Ｒ₂₇の抵抗値はＲ₂₀＜Ｒ₂₁＜Ｒ₂₂＜…＜Ｒ₂₇と、順に大きく定めてある。
【００３１】
増幅部１１で増幅された受信波は、第１の比較器１４、第２の比較器１５及び第３の比較器１６のプラス入力に印加される。各比較器１４，１５及び１６のマイナス入力には、それぞれレベルが２００ｍＶ、３５０ｍＶ及び５００ｍＶの基準電圧が入力されている。
【００３２】
１７はゼロクロス検知用比較器で、これら４個の比較器１４，１５，１６，１７の出力は、図示のように、ＯＲゲート１８、バイナリカウンタ１９、ＡＮＤゲート２０、第１のＲＳＦＦ２１、立ち上がりエッジ検知回路２２、第２のＲＳＦＦ２３及び切替スイッチ２４と図示のように接続されている。また、バイナリカウンタ１９と第２のＲＳＦＦ２３の各Ｒ入力には前記図１のコントロール部からの第１送信指令信号が入力される。
【００３３】
図３に増幅度が適切で第３波を捉えることができた場合（ａ）と、増幅度が不適切で第３波を捉えることができなかった場合（ｂ）のタイミングを示す。
【００３４】
バイナリカウンタ１９の出力Ｑ１は、２００ｍＶを越える波があったとき、最初の１回だけ“Ｈｉｇｈ”になり、２回目からは“Ｌｏｗ”となる。その信号と比較器１６の出力のＡＮＤが切替スイッチ２４を介してＲＳＦＦ２１のＲ入力に入力されている。
【００３５】
比較器１６は波が５００ｍＶを越えたとき“Ｈｉｇｈ”となる。よって１回目に２００ｍＶを越えた波がそのまま５００ｍＶも越えたときのみＲＳＦＦ２１のＲ入力に“Ｈｉｇｈ”が入力され、ＲＳＦＦ２１の出力Ｑは“Ｌｏｗ”となり、その後Ｓ入力であるゼロクロス検知用比較器１７の出力が“Ｈｉｇｈ”になると再びＲＳＦＦ２１の出力は“Ｈｉｇｈ”となり、その立ち上がりエッジを検知した信号が受信波検知信号となる。つまり、２００ｍＶを最初に越えた波がそのまま一気に５００ｍＶも越えたとき、その波のゼロクロスポイントで受信波検知信号が出力される。
【００３６】
一旦、受信波検知信号が出力されるとＲＳＦＦ２３の出力Ｑは反転して“Ｌｏｗ”となり、切替スイッチ２４は図示の状態から切り替わり、比較器１５の出力がＲＳＦＦ２１のＲ入力となる。よって以後は３５０ｍＶを最初に越えた波のゼロクロスポイントで受信波検知信号が出力される。
【００３７】
また、２００ｍＶを越えた波が５００ｍＶを越えない場合、次の波が５００ｍＶを越えても受信波検知信号は出力されない（図３（ｂ）参照）。この場合は第１送信指令信号出力から一定時間たっても受信波検知信号がないことにより、増幅度不適合とコントロール部６が判断して増幅度を変更し、再び第１送信指令信号を出力するように構成されていて、この繰り返しにより最適増幅度を見つけることができる。バイナリカウンタ１９と２つのＲＳＦＦ２１，２３はコントロール部６からの第１送信指令信号で毎回リセットされるようになっている。
【００３８】
上記実施例では、基準電圧レベルを２００，３５０，５００ｍＶの１組だけとしたが、前記２００，３５０，５００ｍＶの組だけでなく、例えば３００，５２５，７５０ｍＶのように同じ比率で複数組もち、２００，５００ｍＶを一気越え、あるいは３００，７５０ｍＶを一気越えを第３波検知の条件とし、２００，５００ｍＶの一気越えの時は以降は３５０ｍＶを最初に越えた波のゼロクロスポイント、３００，７５０ｍＶの一気越えの時は以降は５２５ｍＶを最初に越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントすることも可能で、この場合、増幅度の適合範囲が広くなり最適増幅度を見つけやすくなる利点がある。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、従来技術のような消費電流の多い長時間作動のピーク値ホールド回路を用いなくて良く、受信波検知部のアナログ回路が増幅部と比較器のみで構成でき、しかも受信時の一瞬だけ機能させればよいため、容易に低消費電力化できる。また、受信波検知部のデジタル回路の構成が簡単で低コストの流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の全体のブロック図。
【図２】本発明の実施例の受信波検知部の電気回路図。
【図３】本発明の実施例のタイミング図で、（ａ）は増幅部の増幅度が適切で、第３波を捉えて受信波検知信号を出力するときの図、（ｂ）は増幅度が不適合で、受信波検知信号が出力されないときの図。
【図４】超音波流量計の原理を説明する略図。
【図５】従来の超音波流量計の受信波検知部の動作を説明する電気信号波形を示す図。
【符号の説明】
１，２超音波送受波器
３流管
４受信波検知部
５送波器駆動部
６コントロール部
７第１のカウンタ
８第２のカウンタ
１１増幅部
１２オペアンプ
１３アナログスイッチ
１４，１５，１6 比較器
１７ゼロクロス検知用比較器
１９バイナリカウンタ
２１，２３ＲＳＦＦ
２２立ち上がりエッジ検知回路

Claims

送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると再び送信側送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求める超音波流量計において、
前記受信波検知部は、先ず受信側送受波器の信号を増幅度可変の増幅部で増幅するように構成されていて、増幅部の後段では、電圧の異なる３つの基準電圧レベルが用意されていて、各方向毎の複数回の送受信のうち、第１回目の受信は、１つの発信による増幅後の一群の受信波のうち、ある波が最初に前記３つの基準電圧レベルのうち最も低い基準電圧レベルを越え、更にそのまま、最も高い基準電圧レベルも一気に越えた時は、その波のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとし、
第２回目以降の受信は、前記３つの基準電圧レベルのうち、真ん中の基準電圧レベルを初めて越えた波のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとすると共に、
第１回目の受信で、最も低い基準電圧レベルを越えた波が最も高い基準電圧レベルを一気に越えなかったときは、測定を中止して、増幅部の増幅度を変えて第１回目の送信からやり直すように構成したことを特徴とする超音波流量計。