JP4783989B2

JP4783989B2 - Flowmeter

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Publication number: JP4783989B2
Application number: JP2001075769A
Authority: JP
Inventors: 謙三黄地; 裕治中林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: JP2002277301A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測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、この種の流量計としては図１０に示すような流量計１がある。図１０は、断面図を示し、流体の流れる流路２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器３、４を対向して設置し、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、流量を演算して流量計としていた。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。
【０００３】
図１１に、上流側（もしくは下流側）の超音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形状の駆動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。なお、図中の横線９（破線）は、コンパレータの設定電圧（Ｖｒｅｆ）を示す。なお、コンパレータの設定電圧９（Ｖｒｅｆ）は、受信波形８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番目の受信電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してある。超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｐは、駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８が、コンパレータの設定電圧９を越えた次のゼロクロス点１１（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。この場合、真の伝搬時間Ｔｓは、上記の伝搬時間Ｔｐから、受信波形の３．５波分（図中のＴｉ参照）を差し引いた時間となる。即ち、超音波の真の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして、流量演算に用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計１の超音波伝搬時間Ｔｓ（＝Ｔｐ−Ｔｉ）は、例えば、一対の超音波振動子３、４間を伝搬する超音波が、流路２を流れる流体の流速分布や、発生した渦などにより、あるいは、流体の温度変化などにより、受信波形８の受信感度、即ち、受信振幅が変化したり、或いは、受信波形が変形したりしていた。このため、コンパレータの設定電圧９と受信振幅との相対関係、あるいは、超音波の真の伝搬時間Ｔｓと超音波の伝搬時間Ｔｐとの相対関係が変化し、ある時は、その差が２．５波分であったり、またある時は、その差が４．５波分、あるいは、３．０波分になったりしていた。このため、流体の流速計測に誤差が生じ、演算した流体の流量が不正確になるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、超音波の受信感度、あるいは受信波形が、渦あるいは不規則な流速分布などにより変化しても、流体の流速を正確に計測することができ、精度のよい流量計を提供することにある。
【０００６】
【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、本発明の流量計は、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して配置された一対の超音波変換器と、前記一対の超音波変換器の一方を駆動して、他方の超音波変換器へ向けて超音波を送信させて超音波の伝搬時間を測定する時間回路と、前記時間回路で測定された伝搬時間から前記流路に流れる流体の流量を演算する制御演算回路と、を備え、前記時間回路は、超音波送信時のゲート時間を予め設定された最短時間から順次長くすることで超音波を受信する構成とした。
【０００７】
この構成によって、即ち、順次ゲート時間を更新しながら、超音波の受信時間を判定する構成により、超音波の受信感度、あるいは受信波形が、渦あるいは不規則な流速分布などにより変化しても、流体の流速を正確に計測することができるので、精度のよい流量計を実現することができる。
【０００８】
例えば、超音波伝搬時間よりも短いゲート時間で受信側の超音波変換器を動作させると、コンパレータは、雑音レベル信号によりゼロクロス点を検知するため、伝搬時間をゲート時間と同じ値と判定する。従って、ゲート時間を順次大きく設定し、伝搬時間を検知すると、伝搬時間とゲート時間とは比例関係になり、真の超音波伝搬時間ではないと判定することができる。また、真の超音波伝搬時間を越えて、ゲート時間を設定し、コンパレータを動作させると、コンパレータは、受信波形に依存したゼロクロス点を検知するため、受信波形に応じた超音波伝搬時間が得られることになる。即ち、ある一定のゲート時間以上では、例えば、受信波形の周波数が、２５０［ｋＨｚ］（一波長分、４［μｓｅｃ］）であれば、ゼロクロス点が、約２［μｓｅｃ］ごとの飛び飛びの値を示すことになり、超音波が伝搬して来ていると判定することができる。
【０００９】
このようにして、例えば、超音波の受信感度、あるいは受信波形が、渦あるいは不規則な流速分布などにより変化しても、超音波の伝搬時間を正確に判定することができ、流体の流速を正確に計測することができるので、精度のよい流量計を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ゲート時間を予め設定された最短時間から順次長くし超音波伝搬時間を判定するので、効率よく短時間で判定することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、特に請求項１記載のゲート時間を予め設定された最長時間から順次短くし超音波伝搬時間を判定するので、効率よく短時間で判定することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、特に請求項１又は２記載のゲート時間を、一対の超音波変換器間の距離、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度、流体の種類と実用的な温度範囲および計測系での時間遅れなどから決定するので、効率よく短時間で決定することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、ゲート時間を、下流側の超音波変換器を送信側、上流側の超音波変換器を受信側とする場合に、予め設定された共通の設定時間から順次長くするよう設定するので、効率よく設定することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、特に請求項４記載の共通の時間を前回の受信時間判定結果から演算するようにしたので、効率よく、簡単に設定することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、流体の温度を計測し、流体の温度から、流体中を伝搬する超音波の伝搬する時間を演算し、共通の設定時間を設定するので、正確に効率よく設定することができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、特に請求項６記載の、温度検出器をサーミスタで小型に構成したので、流路内に設置することができ、流体の温度あるいは温度変化を素早く計測でき、精度のよい流量計を構成することができる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、特に請求項６記載の、温度検出器を超音波変換器で構成し、超音波の伝搬時間から流体の温度を計測するようにしたので、得られる温度が超音波的、流体的であるため、正確となり、精度のよい流量計が実現できる。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、特に請求項８記載の、超音波変換器を流体には触れるが、流体の流れに影響されない部分に設置したので、流量変化があっても正確に流体の温度を計測することができる。このため、精度のよい流量計が実現できる。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、特に請求項８記載の、超音波変換器を流体の流れる方向と垂直に設置したので、流量変化があっても正確に流体の温度を計測することができる。また、流体に温度変化が発生しても応答性よく検知できるので、精度のよい流量計が実現できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における流量計２１の断面図を示し、流体の流れる流路２２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３、２４を流体を介し対向して設置し、超音波変換器間の距離Ｌｄは、約１００［ｍｍ］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０［ｍｍ＾２］とした。なお、図中の片矢印２５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉するようにした。
【００２２】
図２は、流量計２１のブロック図を示す。この構成において、トリガー回路３０が予め設定された間隔でスタート命令を、駆動回路３１および時間回路３２に出力する。スタート命令を受けた駆動回路３１では、送信側切換ＳＷ３３で選択されている送信側超音波変換器（例えば、上流側の超音波変換器２３）に駆動信号を出力する。送信側超音波変換器が、流路の流体中に送信した超音波は、受信側切換ＳＷ３４で選択されている超音波変換器（例えば、下流側の超音波変換器２４）で受信され、その信号は増幅器３５で増幅される。一方、スタート命令を受けた時間回路３２では、一定間隔の時間パルスを生成する。
【００２３】
また、予め決められた経過時間後、検知回路３７へ、ゲート開放信号を送出する。ゲート開放信号を受けた検知回路３７は、超音波の受信波からゼロクロス点を検出し、超音波受信時間を制御・演算回路に検出時間を出力する。制御・演算回路３６では、検知回路３７からは超音波伝搬を検知したゼロクロス時間を、時間回路３２から一は定間隔の時間パルスを受け取り時間経過を認識し、超音波伝搬時間を判定する。この超音波送信・検知を、順次ゲート時間を更新しながら繰り返す。検知回路３７に出力されるゲート開放信号が、超音波伝搬時間を越えると周期的な検知時間が得られ、超音波が到達したことを検知することができる。以上のことを図３を用いて説明する。図３（ａ）に、２５０［ｋＨｚ］からなる矩形状のバースト信号で構成した駆動信号３８を示す。超音波受信信号３９は、受信側の超音波変換器で受信した信号を示す。図３（ｂ）に、図３（ａ）の○で囲んだ部分４０の拡大図を示す。なお、４１は信号のグランド（ゼロ）レベルを示す。受信信号３９は、２５０［ｋＨｚ］の周期の受信波形であるので、一波長約４［μｓｅｃ］の周期的な信号となり、ゼロクロス点は約２［μｓｅｃ］間隔となっている。なお、超音波の真の伝搬時間をＴｓ、ゲート開放時間をＴｇで示した。ゲート開放時間Ｔｇが、超音波伝搬時間Ｔｓよりも小さい時（Ｔｇ＜Ｔｓ）、検知回路３７はゲート開放時間を受けると同時に雑音レベルにある信号、図３（ｂ）参照、でゼロクロ点を検知するので、超音波の伝搬時間としてゲート開放時間と同程度の大きさの時間を検知時間Ｔｋとして出力する。一方、ゲート開放時間が順次更新され、超音波伝搬時間Ｔｓよりも大きくなると（Ｔｇ＞Ｔｓ）、同図（ａ）より、検知回路３７で検知されるゼロクロス点としての検知時間Ｔｋは、周期的な値となる。
【００２４】
この結果を図４に示す。横軸にゲート開放時間Ｔｇを、縦軸に検知時間Ｔｋを示す。４２は、ゲート開放時間Ｔｇが、ある一定値までの結果を示し、ゲート開放時間Ｔｇと検知時間Ｔｋとが、比例関係に有る部分を示す。４３は、ゲート開放時間Ｔｇが、ある一定値を越えた時の結果を示し、検知時間Ｔｋは階段状の飛び飛びの値（この場合は、約２［μｓｅｃ］）を示すようになる。この階段状を示し始めた時間が、真の超音波到達時間として判定し、認識することができる。なお、この階段状の時間（約２［μｓｅｃ］）は、送信側および受信側の超音波変換器、駆動回路などの特性に大きく依存している。
【００２５】
このようにして得られた超音波伝搬時間Ｔｓを用いて制御・演算回路３６で流体の流量を演算する。
【００２６】
具体的には、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への超音波の到達時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への超音波の到達時間をＴｄｕとし、超音波の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。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が得られたことになる。
【００２７】
さらに、流路２２の断面積Ｓｒを乗じ、流量Ｑｍとなる。
【００２８】
即ち、Ｑｍ＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量値となる。
【００２９】
このように、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への到達時間Ｔｕｄ、および下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への到達時間Ｔｄｕとから流路を流れる流体の流量Ｑｍが得られることになる。
【００３０】
なお、上記実施例において、流体の流れる方向と、超音波が伝搬する方向との交叉角を４５度としたが、流体の流れが超音波の伝搬時間に影響を与える角度であればよく、垂直方向以外であればよく、平行であってもよい。
【００３１】
また、上記実施例に示した伝搬時間判定方法は、単発計測として説明したが、シングアラウンド法などにも充分応用できるものである。
【００３２】
（実施例２）
図５に、図４の拡大図を示す。実線４４は正極性（立ち上がり）のゼロクロス検知時間を、破線４５は負極性（立ち下がり）のゼロクロス検知時間を示す。この場合、実線での検知時間が最も短い時間を示した。この最も短い時間が超音波の到達時間Ｔｓである。流体（空気）の温度および超音波変換器間の距離、Ｌｄを種々変えて実験したところ、この最も小さい時間よりも、さらに約２．０波長分短い時間を真の超音波伝搬時間とするのが妥当であることを確かめた。即ち、実施例１で示した、超音波到達時間、ＴｕｄおよびＴｄｕを用い、超音波の伝搬速度Ｖｓを評価すると以下のようになる。
【００３３】
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／（Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ））、Ｔｄｕ＝Ｌｄ／（Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ））
となる。これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ、Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕとなり、これらの両辺を加算すると、
２＊Ｖｓ＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）＋（Ｌｄ／Ｔｄｕ）＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）＋（１／Ｔｄｕ）］
となる。よって、
Ｖｓ＝（Ｌｄ／２）＊［（１／Ｔｕｄ）＋（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度、Ｖｓが得られたことになる。この値を、理科年表などに記載されている空気の音速と比較することにより、上記の結果を確認した。この時間は、送信側および受信側の超音波変換器の特性および駆動回路に大きく依存していることをも確認した。また、計測系でのＳ／Ｎおよび時間遅れなども関与していると考えられる。従って、流量演算に用いる超音波到達時間Ｔｐは検知時間Ｔｋよりも、実測・経験上得れた２．０波長分（この場合、約８．０［μｓｅｃ］）短い時間とした。このようにすることにより、より精度の高い、流量計を実現することができた。
【００３４】
（実施例３）
通常の場合、流量計として使用する時、流体および超音波変換器間の距離Ｌｄは予め決まっているので、例えば、流体を空気、超音波変換器間の距離Ｌｄを１００［ｍｍ］、実用的な温度範囲を、−３０〜＋７０［℃］とすると、超音波の伝搬速度は、理科年表によると、３１３．２〜３７３．９［ｍ／ｓｅｃ］となるので、
超音波の到達時間は、２６７．５〜３１９．４［μｓｅｃ］となる。従って、下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への超音波到達時間を検知する場合、
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］であり、Ｖｆ≧０［ｍ／ｓｅｃ］
であるから、
Ｔｄｕ≧Ｌｄ／Ｖｓ
となる。このため、ゲート開放時間、Ｔｇは最も大きい超音波伝搬速度（３７３．９［ｍ／ｓｅｃ］）で決定される時間（２６７．５［μｓｅｃ］）を下限として、順次長くすることにより、効率よく、短時間で超音波到達時間を検知することができる。
【００３５】
（実施例４）
実施例３と同様にして、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への超音波到達時間を検知する場合、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］であり、Ｖｆ≧０［ｍ／ｓｅｃ］
であるから、
Ｔｕｄ≦Ｌｄ／Ｖｓ
となる。このため、ゲート開放時間、Ｔｇは最も小さい超音波伝搬速度（３１３．２［ｍ／ｓｅｃ］）で決定される時間（３１９．４［μｓｅｃ］）を上限として、順次短くすることにより、効率よく、短時間で超音波到達時間を検知するこができる。
【００３６】
（実施例５）
流体が空気と異なり、例えば、メタン、エチレンなどの可燃性気体の場合、超音波伝搬速度Ｖｓは、温度をｔ［℃］とすると、
メタンの場合、
Ｖｓ（メタン）＝４３０．０＋０．６２＊ｔ［ｍ／ｓｅｃ］、
エチレンの場合、
Ｖｓ（エチレン）＝３１４．０＋０．５６＊ｔ［ｍ／ｓｅｃ］
となる。
【００３７】
従って、実施例３および４に記載したように、超音波変換器間の距離Ｌｄが、既知であれば、ゲート開放時間の最長時間および最短時間を予め決定することができ、超音波到達時間を効率よく短時間で検知することができる。
【００３８】
また、流体が水や石油などの液体の場合、同様に水の場合、
Ｖｓ（水）＝１５００＋０．３３＊ｔ［ｍ／ｓｅｃ］、
石油の場合、
Ｖｓ（石油）＝１３００−３．６＊ｔ［ｍ／ｓｅｃ］
となる。
【００３９】
従って、この場合も予め、ゲート開放時間の最長および最短時間を決定することができるので、効率よく音波到達時間を決定することができる。
【００４０】
なお、水の場合、実用的な温度範囲は、０〜４０［℃］なので、より素早く設定できることになる。
【００４１】
（実施例６）
超音波到達時間は、実施例１で示したように、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／（Ｖｓ＋Ｖｆ）、Ｔｄｕ＝Ｌｄ／（Ｖｓ−Ｖｆ）
であるので、
流体の流れていない時、即ち、Ｖｆ＝０の時、
Ｔｃｏｍ＝Ｔｕｄ＝Ｔｄｕ＝Ｌｄ／Ｖｓ
となるので、
例えば、流体が空気であれば、Ｖｓの実用上の最大値が３７３．９［ｍ／ｓｅｃ］であるので、共通の最小時間Ｔｃｏｍ（最小）＝２６７．５［μｓｅｃ］となり、共通の最大時間Ｔｃｏｍ（最大）＝３１９．４［μｓｅｃ］となる。
【００４２】
このため、下流側の超音波変換器を送信側、上流側の超音波変換器を受信側として用いる場合、ゲート開放時間を、２６７．５〜３１９．４［μｓｅｃ］と順次長く設定して、超音波到達時間を検知することができるので、効率よく検知することができる。また、この時間設定内に検知できない場合は、異常と判断することもできるので、より実用的な流量計を実現できる。
【００４３】
（実施例７）
超音波到達時間は、実施例１で示したように、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／（Ｖｓ＋Ｖｆ）、Ｔｄｕ＝Ｌｄ／（Ｖｓ−Ｖｆ）
であるので、
流体の流れていない時、即ち、Ｖｆ＝０の時、
Ｔｃｏｍ＝Ｔｕｄ＝Ｔｄｕ＝Ｌｄ／Ｖｓ
となるので、例えば、流体が空気であれば、Ｖｓの実用上の最大値が３７３．９［ｍ／ｓｅｃ］であるので、共通の最小時間Ｔｃｏｍ（最小）＝２６７．５［μｓｅｃ］となり、共通の最大時間Ｔｃｏｍ（最大）＝３１９．４［μｓｅｃ］となる。
【００４４】
このため、上流側の超音波変換器を送信側、下流側の超音波変換器を受信側として用いる場合、ゲート開放時間を、３１９．４〜２６７．５［μｓｅｃ］と順次短く設定して、超音波到達時間を検知することができるので、効率よく検知することができる。また、この設定時間内に検知できない場合は、異常と判断することもできるので、より実用的な流量計を実現できる。
【００４５】
（実施例８）
流路を流れる流体の温度は、熱容量などの関係から、数十［℃／ｓｅｃ］のように急激に変化することがないので、例えば、数秒〜数十秒間隔で計測する場合、前回に検知した時間（Ｔｂｅｆｏｒｅ）を参照して、前記実施例に示した共通の時間として採用することにより、例えば、空気の場合、常に実用上の時間範囲（２６７．５〜３１９．４［μｓｅｃ］）を検知することなく、Ｔｂｅｆｏｒｅ〜３１９．４［μｓｅｃ］間、もしくは、２６７．５［μｓｅｃ］〜Ｔｂｅｆｏｒｅ間を検知範囲とすることができるので、より効率よく、超音波の到達時間を検知することができる。この場合、前回の設定時間（Ｔｂｅｆｏｒｅ）に、若干余裕を持たせておくと、誤検知することが少なくなる。
【００４６】
（実施例９）
図６に、本発明の実施例９における流量計４６を示す。同図において、４７は流路２２内に設けた温度検出器を示す。この構成により、流体の温度を検出することができるので、上記実施例で記載した共通の時間を、上記に記載した温度と超音波の伝搬速度との関係を用い、簡単に計算することができる。このため、簡単に、また短時間で共通の時間Ｔｃｏｍを得ることができ、より一層効率よく超音波到達時間を検知することができる。この場合、検出した温度から演算される設定時間に、若干余裕を持たせておくと、誤検知することが少なくなる。
【００４７】
（実施例１０）
上記温度検出器をサーミスタで構成することにより、熱応答性に優れた、精度のよい温度検出器を、非常に小さく構成することができ、流体の流れを乱すことなく流路内に簡単に設置することができ、高精度な流量計を実現することができる。また、流体に温度変化が発生しても、追従性よく応答するため高精度な流量計を実現することができる。図６において、温度検出器４７は超音波が伝搬する部分よりも上流側に設置したので、流体に温度変化が発生した場合、素早く検知できるので、熱応答性に優れた流量計が実現できる。また、温度検出器４７を超音波が伝搬する部分よりも下流側に設置してもよい。この場合には、温度検出器が流体の流れを乱さないので、高精度な流量計を実現できる。
【００４８】
（実施例１１）
図７に、本発明の実施例１１における、温度検出器としての一対超音波変換器４８、４９を備えた流量計５０を示す。温度検出器としての一対超音波変換器４８、４９は、流体が細孔５１により導入されるが、流路２２を流体が流れても流れが発生しない淀み部５２に、一定の距離Ｌｔをおいて対向して設置した。この一対の超音波変換器４８、４９を伝搬する超音波の伝搬時間と、既知の距離Ｌｔから、超音波の伝搬速度が得られるので、それより流体の温度を演算できる。従って、上記実施例に記載した共通の時間、Ｔｃｏｍ、を簡単に設定することができる。流体の温度を超音波的に検出すので、精度よく検出することができる。このため、高精度な流量計を実現できる。
【００４９】
（実施例１２）
図８に、本発明の実施例１２における、温度検出器としての一対超音波変換器５３、５４を備えた流量計５５を示す。温度検出器としての一対超音波変換器５３、５４は、流路内の流体の流れ方向に対し、垂直方向に超音波が伝搬するように、一定の距離Ｌｔはなして対向して設置した。この一対の超音波変換器５３、５４間を伝搬する超音波の伝搬時間と、既知の距離Ｌｔから、流体の温度を演算できるので、上記実施例に記載した共通の時間、Ｔｃｏｍ、を簡単に設定することができる。流体の温度を、流路を流れる流体を用いて超音波的に検出すので、精度よく検出することができる。また、流体の温度が変化しても、追従性よく流体の温度を検出することができる。このため、高精度な流量計を実現できる。
【００５０】
なお、この場合、温度検出用の超音波変換器間を伝搬する超音波は、流体の流れと垂直に交叉するので、流路内を流体が流れても、超音波の伝搬時間が影響を受けることがないので、精確に温度を検出することができる。この場合、流速を計測する部分の上流側に一対の超音波変換器５３、５４を設置すると、温度変化に対する追従性が向上し、より優れた温度検出器を構成することがきるので、より高精度な流量計を実現することができる。また、下流側に設置すると、流速を計測する部分の流れを乱すことなく流体の温度を検出することができ、高精度な流量計を実現することができる。
【００５１】
なお、上記実施例１１および１２に記載した一対の超音波変換器間の距離Ｌｔを、流速を計測する一対の超音波変換器間の距離Ｌｄと同じ長さに構成しておくと、流体の温度検出用に設置した一対の超音波変換器間を伝搬する超音波伝搬時間を上記実施例に記載した共通の時間Ｔｃｏｍとして採用することができるので、超音波の到達時間から、流体の温度を演算する必要がなくなり、より一層効率よく、設定までの時間を非常に短時間にすることがきる。
【００５２】
また、温度検出用の一対の超音波変換器の片側を、超音波反射板で構成し、超音波の往復時間から流体の温度を検出しても、共通の時間、Ｔｃｏｍを設定するようにすることもできる。この場合、超音波変換器を一つ少なく構成できるので、低コストな流量計を実現することができる。この場合も、超音波が伝搬する距離を同一にしておくと、上記と同様の効果が得られる。
【００５３】
（実施例１３）
図９に、本発明の実施例１３における、流量計５６を示す。一対の超音波変換器５７、５８は、流体の流れる流路５９の上流側と下流側とに流体を介して対向して設置した。これらの超音波変換器は、ある時は温度検出用として、またある時は流体の流速検出用として用いる。温度検出用として動作する場合を説明する。超音波の伝搬時間は、上記実施例で説明したように、上流側の超音波変換器５７から下流側の超音波変換器５８への超音波の到達時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器５８から上流側の超音波変換器５７への超音波の到達時間をＴｄｕとし、超音波の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。これらより、超音波変換器間を往復する時間Ｔｔｒは、
Ｔｔｒ＝Ｔｕｄ＋Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］＝（２・Ｌｄ・Ｖｓ）／［（Ｖｓ）＾２−（Ｖｆ・ｃｏｓ（θ））＾２］
流体が空気の場合、超音波の伝搬速度Ｖｓは約３４０［ｍ／ｓｅｃ］、流体の流速Ｖｆは約１〜１０［ｍ／ｓｅｃ］程度であるので、往復する時間Ｔｔｒは以下のように近似することができ、即ち、
（Ｖｓ）＾２≫（Ｖｆ・ｃｏｓ（θ））＾２
であるので、
Ｔｔｒ≒（２・Ｌｄ・Ｖｓ）／（Ｖｓ）＾２＝（２・Ｌｄ）／Ｖｓ
となる。
【００５４】
これより、超音波変換器間を超音波が往復する時間Ｔｔｒは、流体の流速Ｖｆに依存しないことが解る。従って、流路５９を流れる流体の流速に関わらず、即ち、流量の有無に関わらず、常に安定して超音波の往復時間が計測できる。この往復の時間Ｔｔｒを用い、ゼロクロスを検出するコンパレータを動作させるゲート開放時間のための、共通のゲート時間を設定することができる。なお、この往復の時間Ｔｔｒは、流速計測の超音波変換器を共用し計測しているので、即ち、超音波が同一の距離を伝搬しているので、共通のゲート開放時間の丁度２倍となっているため、共通のゲート開放時間を、簡単に、迅速に設定することができる。
【００５５】
また、超音波の音速Ｖｓは、Ｖｓ＝（２・Ｌｄ）／Ｔｔｒとなるので、超音波の音速Ｖｓも安定して計測することができる。従って、簡単に流体の温度をも検出することができる。この温度を用い、共通のゲート開放時間を、簡単に、迅速に設定することをもできる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜１０に記載の発明によれば、流体の流速分布や、発生した渦などにより、あるいは、流体の温度変化などにより、超音波の受信波形あるいは受信振幅が変化しても、或いは、コンパレータの設定電圧と受信振幅との相対関係が変化しても、超音波の真の伝搬時間を精確に検出することができ、高精度な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１における流量計の断面図
【図２】同流量計のブロック図
【図３】（ａ）同流量計の駆動波形と受信波形を示した図
（ｂ）同流量計の受信波形の拡大図
【図４】同流量計におけるゲート開放時間と検知時間の特性図
【図５】図４の一部を拡大した特性図
【図６】本発明の実施例９における流量計の断面図
【図７】本発明の実施例１１における流量計の断面図
【図８】本発明の実施例１２における流量計の断面図
【図９】本発明の実施例１３における流量計の断面図
【図１０】従来の流量計の断面図
【図１１】従来の流量計における駆動波形と受信波形を示した図
【符号の説明】
２１超音波流量計
２２流路
２３上流側の超音波送変換器
２４下流側の超音波送変換器
３１駆動回路
３３送信側切換ＳＷ
３４受信側切換ＳＷ
３７検知回路
３８駆動波形
３９受信波形
４７温度検出器
４８、４９温度検出用超音波変換器
５３、５４温度検出用超音波変換器
５７、５８温度および流速検出用超音波変換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a flow meter 1 as shown in FIG. 10 as this type of flow meter. FIG. 10 shows a cross-sectional view, and a pair of ultrasonic transducers 3 and 4 are installed facing the upstream side and the downstream side of the flow path 2 through which the fluid flows, and the ultrasonic wave propagating between the pair of ultrasonic transducers. The flow velocity of the fluid was measured from the propagation time of the sound wave, and the flow rate was calculated to obtain a flow meter. In addition, the single arrow 5 (solid line) in a figure shows the direction through which a fluid flows, and the double arrow 6 (broken line) has shown the direction which an ultrasonic wave propagates. Note that the direction in which the fluid flows and the direction in which the ultrasonic waves propagate intersect at an angle θ.
[0003]
FIG. 11 shows a rectangular drive waveform 7 when the upstream (or downstream) ultrasonic transducer 3 (or 4) is driven, and the downstream (or upstream) ultrasonic transducer 4 (or 3). ) Shows the received waveform 8 when received. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents voltage. The horizontal line 9 (broken line) in the figure indicates the set voltage (Vref) of the comparator. The set voltage 9 (Vref) of the comparator is set to be between the third peak (V3) of the received voltage 8 and the fourth peak (V4) of the received voltage. The propagation time Tp of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic transducers 3 and 4 is from the rising point 10 of the drive waveform to the next zero cross point 11 (black circle) where the received waveform 8 exceeds the set voltage 9 of the comparator. (See Tp in the figure). In this case, the true propagation time Ts is a time obtained by subtracting 3.5 waves of the received waveform (see Ti in the figure) from the propagation time Tp. That is, the true propagation time Ts of the ultrasonic wave is used for the flow rate calculation as Ts = Tp−Ti.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the ultrasonic propagation time Ts (= Tp−Ti) of the conventional flow meter 1 is, for example, that the ultrasonic wave propagating between the pair of ultrasonic transducers 3, 4 is the flow velocity distribution of the fluid flowing through the flow path 2. The reception sensitivity of the reception waveform 8, that is, the reception amplitude, has changed or the reception waveform has been deformed due to the generated vortex or the like, or due to the temperature change of the fluid. For this reason, the relative relationship between the set voltage 9 of the comparator and the reception amplitude, or the relative relationship between the true propagation time Ts of the ultrasonic waves and the propagation time Tp of the ultrasonic waves changes. It was for 5 waves, and at some times the difference was 4.5 waves or 3.0 waves. For this reason, there has been a problem that an error occurs in the flow velocity measurement of the fluid, and the calculated flow rate of the fluid becomes inaccurate.
[0005]
The present invention solves the above-described conventional problems, and can accurately measure the flow velocity of a fluid even if the ultrasonic reception sensitivity or the reception waveform changes due to vortex or irregular flow velocity distribution. It is to provide an accurate flow meter.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the conventional problem, a flow meter of the present invention includes a flow path through which a fluid flows, a pair of ultrasonic transducers arranged to face an upstream side and a downstream side of the flow path, A time circuit that drives one of the pair of ultrasonic transducers and transmits an ultrasonic wave toward the other ultrasonic transducer to measure the propagation time of the ultrasonic wave, and the propagation time measured by the time circuit And a control arithmetic circuit that calculates the flow rate of the fluid flowing through the flow path, and the time circuit receives ultrasonic waves by sequentially increasing a gate time during ultrasonic transmission from a preset shortest time. It was.
[0007]
With this configuration, that is, with the configuration for determining the ultrasonic wave reception time while sequentially updating the gate time, even if the ultrasonic wave reception sensitivity or the received waveform changes due to vortex or irregular flow velocity distribution, Since the flow velocity of the fluid can be accurately measured, a highly accurate flow meter can be realized.
[0008]
For example, when the ultrasonic transducer on the receiving side is operated with a gate time shorter than the ultrasonic propagation time, the comparator detects the zero cross point based on the noise level signal, and thus determines the propagation time to be the same value as the gate time. Accordingly, when the gate time is set to be sequentially increased and the propagation time is detected, the propagation time and the gate time are in a proportional relationship, and it can be determined that the true ultrasonic wave propagation time is not reached. In addition, when the gate time is set beyond the true ultrasonic propagation time and the comparator is operated, the comparator detects the zero cross point depending on the received waveform, so the ultrasonic propagation time corresponding to the received waveform is obtained. Et Will be. That is, at a certain gate time or longer, for example, if the frequency of the received waveform is 250 [kHz] (for one wavelength, 4 [μsec]), the zero-cross point is a jump value every about 2 [μsec]. Therefore, it can be determined that the ultrasonic wave has propagated.
[0009]
In this way, for example, even if the ultrasonic reception sensitivity or reception waveform changes due to vortex or irregular flow velocity distribution, the ultrasonic propagation time can be accurately determined, and the flow velocity of the fluid can be determined. Since it can measure accurately, a highly accurate flow meter can be realized.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, since the ultrasonic wave propagation time is determined by sequentially increasing the gate time from the preset shortest time, it can be determined efficiently in a short time.
[0011]
In the second aspect of the invention, in particular, the ultrasonic wave propagation time is determined by sequentially shortening the gate time according to the first aspect from the preset longest time, so that it can be determined efficiently in a short time.
[0012]
The invention according to claim 3 is the gate time according to claim 1 or 2, particularly the distance between the pair of ultrasonic transducers, the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the fluid, the kind of fluid and the practical temperature. Since it is determined from the range and time delay in the measurement system, it can be determined efficiently and in a short time.
[0013]
According to the fourth aspect of the present invention, when the downstream ultrasonic transducer is set as the transmitting side and the upstream ultrasonic transducer is set as the receiving side, the gate time is sequentially increased from a preset common setting time. Therefore, it can be set efficiently.
[0014]
Claim 5 In particular, the invention described in claim 4 Since the described common time is calculated from the previous reception time determination result, it can be set efficiently and easily.
[0015]
Claim 6 Since the invention described in (1) measures the temperature of the fluid, calculates the propagation time of the ultrasonic wave propagating in the fluid from the temperature of the fluid, and sets a common set time, it can be set accurately and efficiently. it can.
[0016]
Claim 7 In particular, the invention described in claim 6 Since the described temperature detector is made compact with a thermistor, it can be installed in the flow path, the temperature of the fluid or the temperature change can be measured quickly, and an accurate flow meter can be constructed.
[0017]
Claim 8 In particular, the invention described in claim 6 Since the temperature detector described is composed of an ultrasonic transducer and the temperature of the fluid is measured from the propagation time of the ultrasonic wave, the obtained temperature is ultrasonic and fluid, so it is accurate and accurate. A good flowmeter can be realized.
[0018]
Claim 9 In particular, the invention described in claim 8 Since the ultrasonic transducer described above is in contact with the fluid but is installed in a portion that is not affected by the flow of the fluid, the temperature of the fluid can be accurately measured even if the flow rate changes. For this reason, an accurate flow meter can be realized.
[0019]
Claim 10 In particular, the invention described in claim 8 Since the described ultrasonic transducer is installed perpendicular to the fluid flow direction, the temperature of the fluid can be accurately measured even if the flow rate changes. In addition, even if a temperature change occurs in the fluid, it can be detected with high responsiveness, so that an accurate flow meter can be realized.
[0020]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, what attaches | subjects the same number in a figure has shown the same thing, Therefore It abbreviate | omits description.
[0021]
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view of a flow meter 21 according to a first embodiment of the present invention. A pair of ultrasonic transducers 23 and 24 are opposed to each other on the upstream side and the downstream side of a flow path 22 through which a fluid flows. The distance Ld between the ultrasonic transducers was about 100 [mm], and the cross-sectional area Sr of the flow path 22 was about 30 [mm ^ 2]. In addition, the single arrow 25 (solid line) in a figure shows the direction through which a fluid flows, and the double arrow 26 (broken line) has shown the direction which an ultrasonic wave propagates. The direction in which the fluid flows intersects the direction in which the ultrasonic wave propagates at an angle θ (45 degrees).
[0022]
FIG. 2 shows a block diagram of the flow meter 21. In this configuration, the trigger circuit 30 outputs a start command to the drive circuit 31 and the time circuit 32 at predetermined intervals. Upon receiving the start command, the drive circuit 31 outputs a drive signal to the transmission-side ultrasonic transducer (for example, the upstream ultrasonic transducer 23) selected by the transmission-side switching SW33. The ultrasonic wave transmitted by the transmission side ultrasonic transducer into the fluid in the flow path is received by the ultrasonic transducer selected by the reception side switching SW 34 (for example, the ultrasonic transducer 24 on the downstream side). The signal is amplified by the amplifier 35. On the other hand, the time circuit 32 that has received the start command generates time pulses at regular intervals.
[0023]
In addition, a gate opening signal is sent to the detection circuit 37 after a predetermined elapsed time. Upon receiving the gate opening signal, the detection circuit 37 detects a zero-cross point from the ultrasonic reception wave, and outputs the ultrasonic reception time to the control / arithmetic circuit. The control / arithmetic circuit 36 receives the zero-cross time at which ultrasonic propagation is detected from the detection circuit 37 and one time pulse from the time circuit 32 to recognize the passage of time, and determines the ultrasonic propagation time. This ultrasonic transmission / detection is repeated while sequentially updating the gate time. When the gate opening signal output to the detection circuit 37 exceeds the ultrasonic propagation time, a periodic detection time is obtained, and it can be detected that the ultrasonic wave has arrived. The above will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows a drive signal 38 composed of a rectangular burst signal of 250 [kHz]. The ultrasonic reception signal 39 indicates a signal received by the ultrasonic transducer on the reception side. FIG. 3B shows an enlarged view of the portion 40 surrounded by a circle in FIG. Reference numeral 41 denotes a ground (zero) level of the signal. Since the received signal 39 is a received waveform having a period of 250 [kHz], it is a periodic signal having a wavelength of about 4 [μsec], and the zero cross points are spaced at an interval of about 2 [μsec]. Note that the true propagation time of the ultrasonic wave is indicated by Ts, and the gate opening time is indicated by Tg. When the gate opening time Tg is shorter than the ultrasonic wave propagation time Ts (Tg <Ts), the detection circuit 37 detects the zero-crossing point with a signal that is in the noise level at the same time as receiving the gate opening time, see FIG. Therefore, a time as large as the gate opening time is output as the detection time Tk as the ultrasonic propagation time. On the other hand, when the gate opening time is sequentially updated and becomes longer than the ultrasonic propagation time Ts (Tg> Ts), the detection time Tk as the zero cross point detected by the detection circuit 37 is periodically determined from FIG. Value.
[0024]
The result is shown in FIG. The horizontal axis indicates the gate opening time Tg, and the vertical axis indicates the detection time Tk. Reference numeral 42 denotes a result in which the gate opening time Tg reaches a certain fixed value, and shows a portion where the gate opening time Tg and the detection time Tk are in a proportional relationship. 43 shows the result when the gate opening time Tg exceeds a certain value, and the detection time Tk shows a step-like jump value (in this case, about 2 [μsec]). The time at which this staircase shape has started can be determined and recognized as the true ultrasonic wave arrival time. The step-like time (about 2 [μsec]) greatly depends on the characteristics of the ultrasonic transducers, drive circuits, etc. on the transmission side and the reception side.
[0025]
The flow rate of the fluid is calculated by the control / arithmetic circuit 36 using the ultrasonic propagation time Ts thus obtained.
[0026]
Specifically, the arrival time of ultrasonic waves from the upstream ultrasonic transducer 23 to the downstream ultrasonic transducer 24 is Tud, and from the downstream ultrasonic transducer 24 to the upstream ultrasonic transducer 23. When the arrival time of the ultrasonic wave is Tdu, the propagation velocity of the ultrasonic wave propagating through the fluid is Vs, and the flow velocity of the fluid is Vf,
Tud = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)], Tdu = Ld / [Vs−Vf · cos (θ)]
It becomes. From these,
Vs + Vf · cos (θ) = Ld / Tud, Vs−Vf · cos (θ) = Ld / Tdu, and when these two sides are subtracted,
2 * Vf · cos (θ) = (Ld / Tud) − (Ld / Tdu) = Ld * [(1 / Tud) − (1 / Tdu)]
It becomes. Therefore,
Vf = {Ld / [2 · cos (θ)]} * [(1 / Tud) − (1 / Tdu)]
Thus, the fluid flow velocity Vf is obtained.
[0027]
Further, the flow rate Qm is obtained by multiplying the cross-sectional area Sr of the flow path 22.
[0028]
That is, Qm = Sr * Vf is the measured flow rate value.
[0029]
Thus, the arrival time Tud from the upstream ultrasonic transducer 23 to the downstream ultrasonic transducer 24 and the arrival time Tdu from the downstream ultrasonic transducer 24 to the upstream ultrasonic transducer 23 are as follows. Thus, the flow rate Qm of the fluid flowing through the flow path is obtained.
[0030]
In the above embodiment, the crossing angle between the direction in which the fluid flows and the direction in which the ultrasonic wave propagates is 45 degrees. However, any angle that affects the propagation time of the ultrasonic wave may be used as long as the fluid flow is perpendicular. It may be other than the direction and may be parallel.
[0031]
Moreover, although the propagation time determination method shown in the above embodiment has been described as a single measurement, it can be sufficiently applied to a sing-around method or the like.
[0032]
(Example 2)
FIG. 5 shows an enlarged view of FIG. A solid line 44 indicates a positive (rising) zero-cross detection time, and a broken line 45 indicates a negative (falling) zero-cross detection time. In this case, the detection time on the solid line is the shortest time. This shortest time is the ultrasonic arrival time Ts. Experiments were conducted by varying the temperature of the fluid (air), the distance between the ultrasonic transducers, and Ld, and it was found that a time shorter by about 2.0 wavelengths than this minimum time is the true ultrasonic wave propagation time. Was confirmed to be valid. That is, when the ultrasonic wave propagation speed Vs is evaluated using the ultrasonic wave arrival time, Tud and Tdu shown in the first embodiment, the result is as follows.
[0033]
Tud = Ld / (Vs + Vf · cos (θ)), Tdu = Ld / (Vs−Vf · cos (θ))
It becomes. From these,
Vs + Vf · cos (θ) = Ld / Tud, Vs−Vf · cos (θ) = Ld / Tdu, and when these two sides are added,
2 * Vs = (Ld / Tud) + (Ld / Tdu) = Ld * [(1 / Tud) + (1 / Tdu)]
It becomes. Therefore,
Vs = (Ld / 2) * [(1 / Tud) + (1 / Tdu)]
Thus, the propagation velocity Vs of the ultrasonic wave propagating in the fluid is obtained. The above result was confirmed by comparing this value with the sound velocity of air described in the science chronology. It was also confirmed that this time greatly depends on the characteristics of the ultrasonic transducers on the transmission side and the reception side and the drive circuit. It is also considered that S / N and time delay in the measurement system are also involved. Therefore, the ultrasonic wave arrival time Tp used for the flow rate calculation is set to be shorter than the detection time Tk by 2.0 wavelengths (in this case, about 8.0 [μsec]) obtained through actual measurement and experience. By doing so, it was possible to realize a flowmeter with higher accuracy.
[0034]
(Example 3)
In normal cases, when used as a flow meter, the distance Ld between the fluid and the ultrasonic transducer is determined in advance, so that, for example, the fluid is air and the distance Ld between the ultrasonic transducers is 100 [mm]. If the temperature range is −30 to +70 [° C.], the ultrasonic wave propagation speed is 313.2 to 373.9 [m / sec] according to the science chronology.
The arrival time of the ultrasonic wave is 267.5 to 319.4 [μsec]. Therefore, when detecting the ultrasonic wave arrival time from the downstream ultrasonic transducer 24 to the upstream ultrasonic transducer 23,
Tdu = Ld / [Vs−Vf · cos (θ)], and Vf ≧ 0 [m / sec].
Because
Tdu ≧ Ld / Vs
It becomes. For this reason, the gate opening time and Tg are efficiently increased by sequentially increasing the time (267.5 [μsec]) determined by the maximum ultrasonic propagation velocity (373.9 [m / sec]) as a lower limit. The ultrasonic arrival time can be detected in a short time.
[0035]
Example 4
When detecting the ultrasonic arrival time from the upstream ultrasonic transducer 23 to the downstream ultrasonic transducer 24 in the same manner as in the third embodiment,
Tud = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)], and Vf ≧ 0 [m / sec].
Because
Tud ≦ Ld / Vs
It becomes. For this reason, the gate opening time and Tg are efficiently reduced by sequentially shortening the time (319.4 [μsec]) determined by the smallest ultrasonic propagation velocity (313.2 [m / sec]) as an upper limit. The ultrasonic arrival time can be detected in a short time.
[0036]
(Example 5)
When the fluid is different from air, for example, in the case of a combustible gas such as methane or ethylene, the ultrasonic propagation velocity Vs is defined as follows.
In the case of methane,
Vs (methane) = 430.0 + 0.62 * t [m / sec],
For ethylene,
Vs (ethylene) = 314.0 + 0.56 * t [m / sec]
It becomes.
[0037]
Therefore, as described in Examples 3 and 4, if the distance Ld between the ultrasonic transducers is known, the longest time and the shortest time of the gate opening time can be determined in advance, and the ultrasonic wave arrival time can be determined. It can be detected efficiently and in a short time.
[0038]
If the fluid is a liquid such as water or petroleum,
Vs (water) = 1500 + 0.33 * t [m / sec],
For oil,
Vs (petroleum) = 1300-3.6 * t [m / sec]
It becomes.
[0039]
Therefore, also in this case, since the longest and shortest time of the gate opening time can be determined in advance, the sound wave arrival time can be determined efficiently.
[0040]
In the case of water, the practical temperature range is 0 to 40 [° C.], so that it can be set more quickly.
[0041]
(Example 6)
As shown in Example 1, the ultrasonic arrival time is
Tud = Ld / (Vs + Vf), Tdu = Ld / (Vs−Vf)
So
When no fluid is flowing, that is, when Vf = 0,
Tcom = Tud = Tdu = Ld / Vs
So,
For example, if the fluid is air, the practical maximum value of Vs is 373.9 [m / sec], so the common minimum time Tcom (minimum) = 267.5 [μsec], and the common maximum time Tcom (maximum) = 319.4 [μsec].
[0042]
For this reason, when using the ultrasonic transducer on the downstream side as the transmitting side and the ultrasonic transducer on the upstream side as the receiving side, the gate opening time is set to 267.5 to 319.4 [μsec] sequentially longer, Since the ultrasonic arrival time can be detected, it can be detected efficiently. Moreover, since it can also be judged that it is abnormal when it cannot detect within this time setting, a more practical flow meter can be realized.
[0043]
(Example 7)
As shown in Example 1, the ultrasonic arrival time is
Tud = Ld / (Vs + Vf), Tdu = Ld / (Vs−Vf)
So
When no fluid is flowing, that is, when Vf = 0,
Tcom = Tud = Tdu = Ld / Vs
Therefore, for example, if the fluid is air, the practical maximum value of Vs is 373.9 [m / sec], so the common minimum time Tcom (minimum) = 267.5 [μsec], The common maximum time Tcom (maximum) = 319.4 [μsec].
[0044]
For this reason, when using the ultrasonic transducer on the upstream side as the transmitting side and the ultrasonic transducer on the downstream side as the receiving side, the gate opening time is set to 319.4 to 267.5 [μsec] in order, Since the ultrasonic arrival time can be detected, it can be detected efficiently. Moreover, since it can also be judged that it is abnormal when it cannot detect within this set time, a more practical flow meter can be realized.
[0045]
(Example 8)
The temperature of the fluid flowing through the flow path does not change abruptly, such as several tens of degrees Celsius / sec, due to heat capacity and other factors. For example, when measuring at intervals of several seconds to several tens of seconds By referring to the measured time (Tbefore), the practical time range (267.5 to 319.4 [μsec]) is always used in the case of air, for example, by adopting it as the common time shown in the above embodiment. Without detection, the detection range can be between Tbefore and 319.4 [μsec] or between 267.5 [μsec] and Tbefore, so that the arrival time of the ultrasonic wave can be detected more efficiently. it can. In this case, if a slight margin is given to the previous set time (Tbefore), erroneous detection is reduced.
[0046]
Example 9
FIG. 6 shows a flow meter 46 according to the ninth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 47 denotes a temperature detector provided in the flow path 22. Since the temperature of the fluid can be detected by this configuration, the common time described in the above embodiment can be easily calculated using the relationship between the temperature described above and the propagation speed of the ultrasonic wave. . For this reason, the common time Tcom can be obtained easily and in a short time, and the ultrasonic wave arrival time can be detected more efficiently. In this case, if the set time calculated from the detected temperature is provided with a slight margin, erroneous detection is reduced.
[0047]
(Example 10)
By configuring the above temperature detector with a thermistor, a highly accurate temperature detector with excellent thermal response can be configured to be very small and easily installed in the flow path without disturbing the flow of fluid. And a highly accurate flow meter can be realized. In addition, even if a temperature change occurs in the fluid, a highly accurate flow meter can be realized because it responds with good followability. In FIG. 6, since the temperature detector 47 is installed on the upstream side of the portion through which the ultrasonic wave propagates, if a temperature change occurs in the fluid, it can be detected quickly, so that a flow meter with excellent thermal response can be realized. Further, the temperature detector 47 may be installed on the downstream side of the portion where the ultrasonic wave propagates. In this case, since the temperature detector does not disturb the flow of the fluid, a highly accurate flow meter can be realized.
[0048]
(Example 11)
FIG. 7 shows a flow meter 50 including a pair of ultrasonic transducers 48 and 49 as temperature detectors in Embodiment 11 of the present invention. In the pair of ultrasonic transducers 48 and 49 as temperature detectors, the fluid is introduced through the pores 51, but a certain distance Lt is set to the stagnation part 52 where no flow is generated even if the fluid flows through the flow path 22. And installed facing each other. Since the propagation speed of the ultrasonic wave is obtained from the propagation time of the ultrasonic wave propagating through the pair of ultrasonic transducers 48 and 49 and the known distance Lt, the temperature of the fluid can be calculated therefrom. Therefore, the common time Tcom described in the above embodiment can be easily set. Since the temperature of the fluid is detected ultrasonically, it can be accurately detected. For this reason, a highly accurate flow meter can be realized.
[0049]
(Example 12)
FIG. 8 shows a flow meter 55 provided with a pair of ultrasonic transducers 53 and 54 as a temperature detector in Embodiment 12 of the present invention. The pair of ultrasonic transducers 53 and 54 as temperature detectors were installed facing each other at a constant distance Lt so that the ultrasonic wave propagates in a direction perpendicular to the fluid flow direction in the flow path. Since the temperature of the fluid can be calculated from the propagation time of the ultrasonic wave propagating between the pair of ultrasonic transducers 53 and 54 and the known distance Lt, the common time Tcom described in the above embodiment can be easily obtained. Can be set. Since the temperature of the fluid is detected ultrasonically using the fluid flowing through the flow path, it can be detected with high accuracy. Even if the temperature of the fluid changes, the temperature of the fluid can be detected with good followability. For this reason, a highly accurate flow meter can be realized.
[0050]
In this case, since the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic transducers for temperature detection intersects the fluid flow perpendicularly, even if the fluid flows in the flow path, the propagation time of the ultrasonic wave is affected. Therefore, the temperature can be accurately detected. In this case, if a pair of ultrasonic transducers 53 and 54 are installed on the upstream side of the portion for measuring the flow velocity, the followability to the temperature change can be improved, and a more excellent temperature detector can be configured. An accurate flow meter can be realized. Further, when installed on the downstream side, the temperature of the fluid can be detected without disturbing the flow of the portion for measuring the flow velocity, and a highly accurate flow meter can be realized.
[0051]
If the distance Lt between the pair of ultrasonic transducers described in Examples 11 and 12 is set to the same length as the distance Ld between the pair of ultrasonic transducers for measuring the flow velocity, Since the ultrasonic propagation time propagating between the pair of ultrasonic transducers installed for temperature detection can be adopted as the common time Tcom described in the above embodiment, the temperature of the fluid can be determined from the arrival time of the ultrasonic wave. There is no need for calculation, and the time to setting can be made very short, even more efficiently.
[0052]
Further, one side of the pair of ultrasonic transducers for temperature detection is constituted by an ultrasonic reflector, and even if the temperature of the fluid is detected from the round trip time of the ultrasonic wave, a common time, Tcom, is set. You can also In this case, since one ultrasonic transducer can be configured less, a low-cost flow meter can be realized. In this case as well, the same effect as described above can be obtained by setting the same propagation distance of the ultrasonic wave.
[0053]
(Example 13)
FIG. 9 shows a flow meter 56 in Embodiment 13 of the present invention. The pair of ultrasonic transducers 57 and 58 are installed facing the upstream side and the downstream side of the fluid flow path 59 through the fluid. These ultrasonic transducers are sometimes used for temperature detection and sometimes for fluid flow velocity detection. A case of operating for temperature detection will be described. As described in the above embodiment, the ultrasonic wave propagation time is Tud, which is the arrival time of the ultrasonic wave from the upstream ultrasonic transducer 57 to the downstream ultrasonic transducer 58, and the downstream ultrasonic transducer. When the arrival time of the ultrasonic wave from 58 to the ultrasonic transducer 57 on the upstream side is Tdu, the propagation velocity of the ultrasonic wave propagating through the fluid is Vs, and the flow velocity of the fluid is Vf,
Tud = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)], Tdu = Ld / [Vs−Vf · cos (θ)]
It becomes. From these, the time Ttr for reciprocating between the ultrasonic transducers is
Ttr = Tud + Tdu = Ld / [Vs + Vf · cos (θ)] + Ld / [Vs−Vf · cos (θ)] = (2 · Ld · Vs) / [(Vs) ^ 2− (Vf · cos (θ)) ^ 2]
When the fluid is air, the ultrasonic wave propagation velocity Vs is about 340 [m / sec] and the fluid flow velocity Vf is about 1 to 10 [m / sec], so the reciprocation time Ttr is approximated as follows. That is,
(Vs) ^ 2 >> (Vf · cos (θ)) ^ 2
So
Ttr≈ (2 · Ld · Vs) / (Vs) ^ 2 = (2 · Ld) / Vs
It becomes.
[0054]
From this, it can be seen that the time Ttr for the ultrasonic wave to reciprocate between the ultrasonic transducers does not depend on the fluid flow velocity Vf. Therefore, it is possible to always measure the ultrasonic reciprocation time stably regardless of the flow rate of the fluid flowing in the flow path 59, that is, regardless of the flow rate. Using this round-trip time Ttr, a common gate time can be set for the gate opening time for operating the comparator for detecting zero crossing. This round trip time Ttr is measured by sharing an ultrasonic transducer for measuring the flow velocity, that is, since the ultrasonic waves propagate the same distance, it is exactly twice the common gate opening time. Therefore, the common gate opening time can be set easily and quickly.
[0055]
Further, since the ultrasonic sound velocity Vs is Vs = (2.Ld) / Ttr, the ultrasonic sound velocity Vs can also be stably measured. Accordingly, the temperature of the fluid can be easily detected. Using this temperature, a common gate opening time can be set easily and quickly.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, claims 1 to 10 According to the invention described in (4), even if the received waveform or received amplitude of the ultrasonic wave changes due to the flow velocity distribution of the fluid, the generated vortex, or the temperature change of the fluid, or the set voltage of the comparator Even if the relative relationship with the reception amplitude changes, the true propagation time of the ultrasonic wave can be accurately detected, and a highly accurate flow meter can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a flow meter according to a first embodiment of the present invention.
[Figure 2] Block diagram of the same flow meter
FIG. 3A is a diagram showing a drive waveform and a received waveform of the flow meter.
(B) Enlarged view of the received waveform of the flow meter
Fig. 4 Characteristics of gate opening time and detection time in the same flow meter
FIG. 5 is an enlarged characteristic diagram of a part of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a flow meter according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a flow meter according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a flow meter according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a flow meter in Example 13 of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional flow meter
FIG. 11 is a diagram showing a drive waveform and a received waveform in a conventional flow meter
[Explanation of symbols]
21 Ultrasonic flow meter
22 Flow path
23 Upstream ultrasonic transducer
24 Downstream ultrasonic transducer
31 Drive circuit
33 Transmission side switch SW
34 Receiving side switch SW
37 Detection circuit
38 Drive waveform
39 Received waveform
47 Temperature detector
48, 49 Temperature detection ultrasonic transducer
53, 54 Ultrasonic transducer for temperature detection
57, 58 Ultrasonic transducer for temperature and flow rate detection

Claims

A flow path through which fluid flows;
A pair of ultrasonic transducers disposed opposite the upstream side and the downstream side of the flow path;
A time circuit that drives one of the pair of ultrasonic transducers and transmits an ultrasonic wave toward the other ultrasonic transducer to measure the propagation time of the ultrasonic wave;
A control operation circuit for calculating the flow rate of the fluid flowing in the flow path from the propagation time measured in the time circuit,
The said time circuit is an ultrasonic flowmeter which receives an ultrasonic wave by making the gate time at the time of ultrasonic transmission long from the preset shortest time one by one.

A flow path through which fluid flows;
A pair of ultrasonic transducers disposed opposite the upstream side and the downstream side of the flow path;
A time circuit that drives one of the pair of ultrasonic transducers and transmits an ultrasonic wave toward the other ultrasonic transducer to measure the propagation time of the ultrasonic wave;
A control operation circuit for calculating the flow rate of the fluid flowing in the flow path from the propagation time measured in the time circuit,
The said time circuit is an ultrasonic flowmeter which receives an ultrasonic wave by shortening sequentially the gate time at the time of ultrasonic transmission from the preset longest time.

The preset minimum and maximum times are determined from the distance between the pair of ultrasonic transducers, the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the fluid, the type and temperature of the fluid, and the time delay in the measurement system. 2. The ultrasonic flowmeter according to 2.

A flow path through which fluid flows;
A pair of ultrasonic transducers disposed opposite the upstream side and the downstream side of the flow path;
A time circuit for driving the ultrasonic transducer downstream of the pair of ultrasonic transducers and transmitting the ultrasonic wave toward the ultrasonic transducer on the upstream side to measure the propagation time of the ultrasonic wave;
A control operation circuit for calculating the flow rate of the fluid flowing in the flow path from the propagation time measured in the time circuit,
The said time circuit is an ultrasonic flowmeter which receives an ultrasonic wave by making the gate time at the time of ultrasonic transmission longer from the preset common setting time one by one.

The ultrasonic flowmeter according to claim 4 , wherein the common set time is calculated from a previous reception time determination result.

A temperature detector that detects the temperature of the fluid flowing in the flow path is installed in the flow path, and the ultrasonic propagation time is calculated from the temperature of the fluid detected by this temperature detector. The ultrasonic flowmeter according to claim 4, wherein time is set.

The ultrasonic flowmeter according to claim 6, wherein the temperature detector is a thermistor and is installed in the flow path.

The ultrasonic flowmeter according to claim 6, wherein the temperature detector is constituted by an ultrasonic transducer.

The ultrasonic flowmeter according to claim 8, wherein the ultrasonic transducer is installed in a portion of the flow path where no fluid flows.

The ultrasonic flowmeter according to claim 8, wherein the ultrasonic transducer is installed perpendicular to the direction in which the fluid flows.