JP4774618B2 - 流量計測装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【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計測する流量計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の流量計測装置としては、例えば特開平11−108718号公報に記載されているようなものがあった。図6は、前記公報に記載された従来の流量計測装置を示すものである。図6において、第1振動子1と第2振動子2はともに流体管路3に含まれる。送信部4が第1振動子1を駆動し、超音波が流体管路3を伝播する。超音波信号は第2振動子2を介して受信部5で受信される。繰り返し部6は受信部5から信号入力があると、遅延手段7を動作させ、所定の遅延時間後に送信部4、第1振動子1を介して再び超音波が流体管路3内に発射されるものであった。遅延手段7では非同期発振回路の発振出力を遅延カウンタで計数し、所定の遅延時間を設定する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の流量計測装置では流量計測の分解能を高くするため、非同期発振回路の発振周波数を高くすることが必要であったため、消費電力の点で不利であった。また、非同期発振回路に用いる遅延素子としてL及びRを用いたものを使用するため、温度特性が悪く、精度確保が困難であ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、消費電力を小さくし、精度も確保した流量計測装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第1振動子及び第2振動子と、前記第1振動子あるいは第2振動子の駆動を行う送信手段と、前記第1振動子あるいは第2振動子の信号を受信する受信手段と、前記第1振動子あるいは第2振動子の送受信の切換を行う切換手段と、前記第1振動子あるいは第2振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、前記繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、所定の周波数パルスを発生する第1基準クロックと、それぞれの複数回繰り返し時間の間前記第1基準クロックを計数する第1計数手段からなり、前記遅延手段は、所定の周波数パルスを発生する第2基準クロックと、この第2基準クロックのクロックを計数する第2計数手段と、所定の周波数パルスを発生する第3基準クロックと、この第3基準クロックのクロックを計数する第3計数手段を有し、前記第2計数手段と前記第3計数手段とから演算された時間を遅延時間とするようにしたものである。
【0005】
これによって、遅延時間の大部分は周波数の低い第2基準クロックを用い、端数の部分を周波数の高い第3基準クロックを用いるようにすることにより、精度を確保しながら、消費電力を小さくするものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第1振動子及び第2振動子と、前記第1振動子あるいは第2振動子の駆動を行う送信手段と、前記第1振動子あるいは第2振動子からの信号を受信する受信手段と、前記第1振動子あるいは第2振動子の送受信を切換える切換手段と、前記第1振動子あるいは第2振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、前記繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、所定の周波数パルスを発生する第1基準クロックと、前記超音波の送信時から受信時までの間、前記第1基準クロックを計数する第1計数手段と、所定の周波数パルスを発生する第2基準クロックと、この第2基準クロックの出力パルスを計数する第2計数手段と、前記第2基準クロックより高い周波数パルスを発生する第3基準クロックと、この第3基準クロックの出力パルスを計数する第3計数手段と、備え前記超音波の受信時に立ち上がる前記第2計数手段と前記第3計数手段とを用いて、前記遅延手段で遅らせる遅延時間を計数するものとし、前記第3計数手段は、遅延動作開始時から前記第2基準クロックの出力パルスが立ち上がるまでを計数し、前記第2計数手段は、残りの遅延時間を計数する構成としたもので、この構成によれば、遅延時間の大部分は周波数の低い第2基準クロックを用い、端数の部分を周波数の高い第3基準クロックを用いるようにすることにより、精度を確保しながら、消費電力を小さくするものである。
【0008】
本発明の請求項記載の発明は、請求項1に記載した前記遅延手段を、前記第1基準クロックの出力パルスを計数する第4計数手段と、前記第1基準クロックより高い周波数パルスを発生する第3基準クロックを有し、この第3基準クロックの出力パルスを計数する第3計数手段を有し、前記第3計数手段と前記第4計数手段とから演算された時間を遅延時間とするようにしたもので、周波数の低いクロックとして、繰り返し時間を計数する第1クロックを兼用することにより、構成を簡略化し、計測精度は維持しながら、低価格を実現するものである。
【0009】
本発明の請求項記載の発明は、請求項または請求項に記載した前記第1基準クロックあるいは前記第2基準クロックの出力パルスの1周期を前記第3基準クロックで測定し、全体の遅延時間を補正するようにしたもので、高精度の遅延時間を得ることができるものである。
【0010】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0011】
(実施例1)
図1は本発明の実施例1における流量計測装置のブロック図を示すものである。図1において、流体管路10の途中に超音波を送受信する第1振動子11及び第2振動子12が流れ方向に配置されている。13は送信手段で、第1振動子11あるいは第2振動子12へ超音波を出力する。14はトリガ手段で、送信手段13を経て、第1振動子11あるいは第2振動子12を駆動させる。15は受信手段で、第1振動子11あるいは第2振動子12で受信した信号を増幅する。16は切換手段で、第1振動子11あるいは第2振動子12と送信手段13あるいは受信手段15の接続を切り換える。17は比較手段で、内蔵する基準値と受信手段15の出力を比較し、受信信号が基準値以上の場合に信号を出力する。18は繰り返し手段で、比較手段17から出力があると繰り返し信号をトリガ手段14に送る。19は遅延回路で、トリガ手段14から信号があると、内蔵する第2基準クロック19a、第2計数手段19b、第3基準クロック19c、第3計数手段19dにより所定の遅延時間を設定する。20は第1計数手段で、スタート手段21から測定開始信号が出力されると第1基準クロック22の出力を計時する。23は流量演算手段で、第1計数手段20の計数値と遅延手段19の遅延時間により流量演算を行う。以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。
【0012】
図2は本発明の実施例1における流量計測装置の動作を示すフローチャート、図3は同タイミングを示すものである。まず、スタート手段21が計測を開始させると、繰り返し手段18は切換手段16を動作させて、第1振動子11を送信に、第2振動子12を受信にする。すなわち、第1振動子11を送信手段13に接続し、第2振動子12を受信手段15に接続することになり、流れの方向に対して、上流側から下流側に超音波が伝搬されることになる(図2のステップ1)。
【0013】
同時に、第1計数手段20、第2計数手段19b及び第3計数手段19dを初期化する(ステップ2)。
【0014】
そして、繰り返し手段18の値を初期値にし、第1計数手段20は第1基準クロック22の出力パルスの計数を始める(ステップ3)。また、繰り返し手段18はトリガ手段14を動作させ、送信手段13はトリガ手段14のトリガ信号によって、所定の周波数で第1振動子11を駆動し、流体管路10内に超音波を発射させる(ステップ4)。
【0015】
流体管路10内を超音波が伝搬し、第2振動子12に所定の伝搬時間後(流体管路10中の気体の温度と第1振動子11と第2振動子12の距離で決まる)に到達する。受信手段15は、第2振動子12で受信した超音波信号を所定の値に増幅し、比較手段17に出力する。比較手段17では、内蔵する基準値を比較し、増幅された受信信号が基準値以上の場合に繰り返し手段18に信号を出力する(ステップ5)。
【0016】
繰り返し手段18は再びトリガ手段14を動作させるが、同時に遅延手段19を動作させる。これは、トリガ手段14が送信手段13をすぐに動作させ、流体管路10内に超音波を発射すると、第2振動子12において、前に発射された超音波の多重反射成分と受信波が重なってしまい、受信レベルが減衰する。そのため、多重反射成分を避ける必要があり、所定の遅延時間をおいてから、超音波を発射させねばならない。
【0017】
トリガ手段14から信号を受けた遅延手段19は、内蔵する第3計数手段19dを動作させ、第3基準クロック19cの計数を開始すると同時に内蔵する第2計数手段19bを動作させ、第2基準クロック19aの計数を開始させる。このとき、第2基準クロック19aの発振を開始させており、遅延手段19が動作を開始する時には安定な発振となっている。第2基準クロック19aの発振周波数は第3基準クロック19cの発振周波数よりも低く、安定な発振まで時間がかかり、周波数によっては、遅延手段19の動作開始と同時に発振を開始させても十分に発振が安定しない場合がある。第2基準クロック19aの発振を開始させるタイミングは消費電力の点から、受信手段15が超音波信号を受信させる直前が望ましく、しかも安定に発信するのに十分な時間をとる必要がある。しかしながら、第2基準クロック19aは受信手段15とは非同期に動作しているので、遅延時間の計数に誤差が出る場合がある。遅延時間は、流量算出の精度を決める要因の1つであるため精度を要する。
【0018】
図3に遅延手段19の計時のタイミングを示す。遅延手段19が動作を開始してから(図3のA点)、第2基準クロック19aの出力パルスの立ち上がり時点(図3のB点)までを、第3基準クロック19cを第3計数手段19dで計時し、その後、第2基準クロック19aを第2計数手段19bで所定の回数計数する。(図3のC点)例えば、第2基準クロック19aの発振周波数を1MHz、第3基準クロック19cの発振周波数を20MHzとし、遅延時間として150μsを設定したい場合、図3において、遅延手段19の動作開始時点から第2基準クロック19aまでの立ち上がりまでは、第2基準クロック19aの半周期分、すなわち、0.5μsを20MHzで計測すると第3計数手段19dで50周期計数することになり、第2基準クロック19aの発振周波数1MHzで残りの149.5μsを計数すると149周期分となり、遅延時間としては149.5μsとなる。設定値の150μsに比べて0.5μsの差がでるが、この程度の差は、前述した多重反射成分を回避するには十分な精度で、149.5μsの計数を20MHzの精度、すなわち0.05μsの精度で遅延時間を設定することができる。また、遅延時間の大部分を周波数の低い第2基準クロック19aで設定し、第2基準クロック19aの端数の部分をより周波数の高い第3基準クロック19cで設定できるので、低消費電力化を図ることができる(ステップ6、7、8)。
【0019】
遅延手段19の遅延時間設定終了でトリガ手段14は送信手段13を動作させ、所定の周波数で第1振動子11を駆動し、流体管路10内に再び超音波信号を発射させる。以降、繰り返し手段18の繰り返し回数は設定値に達するまで、送信〜受信〜遅延を繰り返す(ステップ9、10)。
【0020】
繰り返し手段18の計数が終了すると、第1計数手段20の計時を停止する。流量演算手段23は第1計数手段20、第2計数手段19b、第3計数手段19dの値を読み込む。次に、第2基準クロック19aの1周期を第3基準クロック19cで測定する。このときの計数値がK2となり、また、第3計数手段19dの計数値がK1になったとする。K1を第2基準クロック19aの1周期に正規化すると、K1/K2となる。第2計数手段19bの計数値がLとすると、遅延時間を第2基準クロック19aの発振周波数で合わせると、L+K1/K2となる。さらに、第2基準クロック19aの発振周波数を第1基準クロック22の発振周波数に合わせるための補正値をαとし、第1計数手段20の計数値をTとすると、上流側から下流側すなわち、第1振動子11から第2振動子12に伝搬するのに要する時間T1は、繰り返し回数をNとするとT1=(T−α(L+K1/K2))/Nとなる。この値を流量演算手段23に記憶する(ステップ11)。
【0021】
次に、再び、スタート手段21が計測を開始させると、繰り返し手段18の値を初期値にし、第1計数手段20の計数を開始させる。また、第2計数手段19b及び第3計数手段19dを初期化される。第1計数手段20は第1基準クロック22の出力パルスの計数を始める。同時に、繰り返し手段18は切換手段16を動作させて、第1振動子11を受信側に、第2振動子12を送信側に設定する。すなわち、第1振動子11を受信手段15に接続し、第2振動子12を送信手段13に接続し、流れの方向に対して、下流側から上流側に超音波が伝搬されることになる。(ステップ13)以降は、上流から下流に超音波を伝搬させる場合と同様であるので、説明を割愛する。繰り返しが終了し、下流側から上流側すなわち、第2振動子12から第1振動子11に伝搬するのに要する時間はT2となる。両方向の計測が終了すれば(ステップ12)流量演算を行うが、このとき、流体管路10に流れがあれば下流から上流への超音波の伝搬時間は遅れるのでT1>T2となる。T1とT2の逆数差を流量演算手段23で求め、さらに流体管路10の断面積や流れの状態などを考慮して流量値を演算する(ステップ14)。
【0022】
(実施例2)
図4は本発明の実施例2における流量計測装置のブロック図を示すものである。図4において、流体管路10の途中に超音波を送受信する第1振動子11及び第2振動子12が流れ方向に配置されている。13は送信手段で、第1振動子11あるいは第2振動子12へ超音波を出力する。14はトリガ手段で、送信手段13を経て、第1振動子11あるいは第2振動子12を駆動させる。15は受信手段で、第1振動子11あるいは第2振動子12で受信した信号を増幅する。16は切換手段で、第1振動子11あるいは第2振動子12と送信手段13あるいは受信手段15の接続を切り換える。17は比較手段で、内蔵する基準値と受信手段15の出力を比較し、受信信号が基準値以上の場合に信号を出力する。18は繰り返し手段で、比較手段17から出力があると繰り返し信号をトリガ手段14に送る。19は遅延回路で、トリガ手段14から信号があると、第1基準クロック22と内蔵する第4計数手段19e、第3基準クロック19c、第3計数手段19dにより所定の遅延時間を設定する。20は第1計数手段で、スタート手段21から信号から測定開始信号が出力されると第1基準クロック22の出力を計数する。23は流量演算手段で、第1計数手段20の計数値と遅延手段19の遅延時間により流量演算を行う。実施例1と異なるところは、遅延時間の設定に第1基準クロック22を用いたところにある。
【0023】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。遅延時間の設定以外のところは実施例1と同様であるのでここでは説明を割愛する。トリガ手段14から信号を受けた遅延手段19は、内蔵する第3計数手段19dを動作させ、第3基準クロック19cの計数を開始すると同時に内蔵する第4計数手段19eを動作させ、第1基準クロック22の計数を開始させる。第1基準クロック22はスタート手段21が計測を開始してから計数を開始している第1計数手段20に入力されているが、同じクロックを第4計数手段19eでも計数する。図5に遅延手段19の計時のタイミングを示す。遅延手段19が動作を開始してから(図5のD点)、第1基準クロック22の出力パルスの立ち上がり時点(図5のE点)までを、第3基準クロック19cを第3計数手段19dで計時し、その後、第1基準クロック22を第4計数手段19eで計数する(図5のF点)。遅延時間の設定に伝搬時間全体の計数を行うために第1基準クロック22を兼用するため、精度を損なうことなく、構成が単純になり、安価に実現できる。
【0024】
【発明の効果】
以上のように、請求項1、2、4に記載の発明によれば、遅延時間の設定に周波数の高いクロックと低いクロックの2つを使用するため、遅延時間の精度は周波数の高いクロックで得ることができ、遅延時間の大部分を周波数の低いクロックで計数するため、低省電力を実現できる。また、非同期の発振手段を実現するためLやRを用いないため、温特やばらつきの影響を少なくすることができる。
【0025】
また請求項3記載の発明によれば、遅延時間の設定に用いるクロックを伝搬時間の計数に用いるクロックを兼用するため、構成が簡単で低コストを実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における流量計測装置の構成を示すブロック図
【図2】同装置の動作を示すフローチャート
【図3】同装置の遅延手段の計数のタイミングを示す図
【図4】本発明の実施例2における流量計測装置の構成を示すブロック図
【図5】同装置の遅延手段の計数のタイミングを示す図
【図6】従来の流量計測装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
10 流体管路
11 第1振動子
12 第2振動子
13 送信手段
14 トリガ手段
15 受信手段
16 切換手段
17 比較手段
18 繰り返し手段
19 遅延手段
19a 第2基準クロック
19b 第2計数手段
19c 第3基準クロック
19d 第3計数手段
19e 第4計数手段
20 第1計数手段
21 スタート手段
22 第1基準クロック
23 流量演算手段

Claims (3)

  1. 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第1振動子及び第2振動子と、
    前記第1振動子あるいは第2振動子の駆動を行う送信手段と、
    前記第1振動子あるいは第2振動子からの信号を受信する受信手段と、
    前記第1振動子あるいは第2振動子の送受信を切換える切換手段と、
    前記第1振動子あるいは第2振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、
    前記繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、
    所定の周波数パルスを発生する第1基準クロックと、
    前記超音波の送信時から受信時までの間、前記第1基準クロックを計数する第1計数手段と
    所定の周波数パルスを発生する第2基準クロックと、
    この第2基準クロックの出力パルスを計数する第2計数手段と、
    前記第2基準クロックより高い周波数パルスを発生する第3基準クロックと、
    この第3基準クロックの出力パルスを計数する第3計数手段と、備え
    前記超音波の受信時に立ち上がる前記第2計数手段と前記第3計数手段とを用いて、前記遅延手段で遅らせる遅延時間を計数するものとし、
    前記第3計数手段は、遅延動作開始時から前記第2基準クロックの出力パルスが立ち上がるまでを計数し、前記第2計数手段は、残りの遅延時間を計数する構成とした流量計測装置。
  2. 遅延手段は、第1基準クロックの出力パルスを計数する第4計数手段と、前記第1基準クロックより高い周波数パルスを発生する第3基準クロックを有し、この第3基準クロックの出力パルスを計数する第3計数手段を有し、この第3計数手段と前記第4計数手段とから演算された時間を遅延時間とするようにした請求項1記載の流量計測装置。
  3. 第1基準クロックあるいは第2基準クロックの出力パルスの1周期を第3基準クロックで測定し、全体の遅延時間を補正するようにした請求項または請求項記載の流量計測装置。
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