JP4836176B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関するものである。

特開２００４−２３９８６８号公報

従来から、都市ガスや水などの流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用する超音波流量計が知られている。流量の計測には、例えば以下の方法が採用される。すなわち、流路の流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波素子を設け、一方の超音波素子（送信側超音波素子）から他方の超音波素子（受信側超音波素子）へ超音波（直接波）が到達する直接伝搬波時間を測定し、更にその直接波が受信側超音波素子の表面で反射して戻るまでの反射伝搬波時間を測定して、これらの伝播時間を用いて流量計測を行うのである。

超音波素子は圧電素子を用いる場合が多い。圧電素子は駆動信号を入力すると超音波を発信する素子であり、長期にわたって正確に流量計測をするためには、駆動信号を入力してから超音波を発信するまでの時間（発信遅延時間）が経年劣化等せず、一定であることが理想的である。

しかし、超音波素子にはそれぞれ固有の電気的負荷（例えばインピーダンス）があり、この電気的負荷によって発信遅延時間が変化することが分かってきた。電気的負荷は経年劣化するので、超音波流量計を長年使用していると発信遅延時間が変化してしまう。そのため、長期にわたって精度よく流量測定を行うことが困難だという問題があった。

図８を用いてより詳細に説明すると、従来の超音波流量計１０１は、流体が流れる流路１０２の上手および下手に超音波トランスジューサ１０３，１０４が設けられ、これに駆動信号を送信する送信部１０５が設けられている。そして、送信側スイッチ１０８および受信側スイッチ１０９を交互に切り替えることにより、一方の超音波トランスジューサから超音波を送信し、他方の超音波トランスジューサで超音波を受信する。すなわち、上手側から下手側への超音波の送信（順方向）と、下手側から上手側への超音波の送信（逆方向）を交互に行うのである。そして、超音波が到達した時間によって流体の流量を計測する。このように、超音波トランスジューサ１０３，１０４を交互に切り替えて超音波の発信・受信を行うと、それぞれの超音波トランスジューサ１０３，１０４の電気的負荷が経時変化した場合に、超音波の発射遅延時間が変化し、伝搬時間を正確に測定できなくなる問題があった。その結果、流量を正確に測定できなくなっていた。

一方、超音波流量計に限らず、超音波の発信・受信を行う超音波発受信装置として、長期にわたって精度よく使用できるものが望まれていた。

本発明は上述のような事情を背景になされたもので、特に、長期にわたって精度よく使用できる超音波流量計を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

また、本発明は、
流体が通過する流路と、その流路の上手と下手に配置され、それぞれ所定の電気的負荷を有し、超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備える一対の超音波素子と、その一対の超音波素子と電気的に接続され、該超音波素子に超音波を発信させるための駆動信号を送信する送信部と、
超音波素子が超音波を受信した際に生じる受信信号を検知するための受信部と、超音波を発信する際に、一対の超音波素子を同時に駆動させ、発信された超音波が伝播している間に電気接続を切り替えて、超音波素子が超音波を受信した際に出力する受信信号が受信部に入力されるようにする切替制御手段と、流路の上手に配置された上手側超音波素子に駆動信号が入力されてから、流路の下手に配置された下手側超音波素子が、上手側超音波素子が発信した超音波の直接波を受信したことを受信部が検知するまでの時間である順方向直接伝搬波到達時間と、下手側超音波素子に駆動信号が入力されてから、上手側超音波素子が、下手側超音波素子が発信した超音波の直接波を受信したことを受信部が検知するまでの時間である逆方向直接伝搬波到達時間と、上手側超音波素子に駆動信号が入力されてから、上手側超音波素子が発信した超音波の直接波のうち、下手側超音波素子が反射した反射波を上手側超音波素子が受信したことを受信部が検知するまでの時間である順方向反射伝搬波到達時間と、下手側超音波素子に駆動信号が入力されてから、下手側超音波素子が発信した超音波の直接波のうち、上手側超音波素子が反射した反射波を下手側超音波素子が受信したことを受信部が検知するまでの時間である逆方向反射伝搬波到達時間と、を計測する時間計測手段と、時間計測手段が計測した逆方向直接伝搬波到達時間および順方向反射伝搬波到達時間に基づいて、上手側超音波素子の表面から下手側超音波素子の表面まで超音波が到達する時間である上手側超音波到達時間を算出するともに、時間計測手段が計測した順方向直接伝搬波到達時間および逆方向反射伝搬波到達時間に基づいて、下手側超音波素子の表面から上手側超音波素子の表面まで超音波が到達する時間である下手側超音波到達時間算出する超音波到達時間算出手段と、超音波到達時間算出手段が算出した２つの超音波到達時間に基づいて、流路を流れる流体の流量を算出する演算手段と、を備えることを前提とする。

さらに本発明は、
一対の超音波素子は、並列接続されている超音波流量計
とすることができる。超音波素子を並列接続することにより、超音波素子を直列接続した場合と比較して、超音波を発信する為に必要な駆動電圧を低電圧にすることができる。

また、上記本発明は、
超音波素子が超音波を受信した際に生じる受信信号を検知するための受信部が、上手側超音波素子用と、下手側超音波素子用とにそれぞれ分けて設けられている超音波流量計
とすることができる。このように、上手用の受信部と下手用の受信部とを分けて設けることにより、それぞれの超音波素子において超音波を別々に、ほぼ同時に受信できるようになる。これにより、上手側計測時と下手側計測時との間に起こる流量変動や温度変化等の影響を受けなくなり、計測精度をさらに向上させることが可能となる。

さらに本発明は、
超音波素子が超音波を受信した際に生じる受信信号を検知するための受信部が、上手側超音波素子用と、下手側超音波素子用とで共通して設けられている超音波流量計
としてもよい。このように受信部を共有することで、余分な回路構成等を設けずに同時駆動受信が可能となり、低価格化が可能となる。また、受信部は消費電流が大きいため、上述のように受信部を共有にすることで低電流化が可能となり、例えばガスメータ等で使用する電池でも長期間使用することができる。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係る超音波流量計１の一実施形態を示す概略ブロック図である。このように、ガス等の被計測媒体が流れる流路２内の上手側に超音波トランスジューサ（本発明の超音波素子）３が設けられ、下手側に超音波トランスジューサ４が設けられている。これら超音波トランスジューサ３，４は例えば圧電素子などから構成されるもので、駆動信号が印加された時に超音波を発信する超音波発信機能と、超音波を受信した時に電気信号（受信信号）を発生する超音波受信機能とを複合して備えるものである。

また、超音波流量計１は、制御部７と、その制御部７の制御によって超音波を発射するための駆動信号を超音波トランスジューサ３，４に対して送信する送信部５を備える。また、送信部５は受信部６に対して信号を送り、超音波トランスジューサ３，４が駆動されるタイミングを知らせる。

一方、超音波流量計１は、制御部７の制御によってＯＮ・ＯＦＦが切り替えられるスイッチ８〜１０を備える。スイッチ８がＯＮとなり、スイッチ９，１０がＯＦＦになると超音波トランスジューサ３，４が並列接続される。その後、送信部５から駆動信号が入力され、超音波トランスジューサ３，４から同時に超音波が発信される。その超音波は流路２を伝播して相手側の超音波トランスジューサに到達する。超音波を受信した超音波トランスジューサ３，４は受信信号を発生し、その受信信号はスイッチ９，１０を通って受信部６に受信される。制御部７がスイッチ８をＯＦＦし、スイッチ９又は１０をＯＮすることで、受信部６は、順方向・逆方向の直接伝搬波または反射伝搬波を検知する。

このように、超音波を発信する際には超音波トランスジューサ３，４を並列接続し、超音波が流路２を伝搬している間にスイッチ８〜１０を切り替えて、相手側の超音波素子がその超音波を受信した際に生じる受信信号が受信部６へ入力されるようにしている。このようなスイッチ制御は、本発明の切替制御手段（制御部７）によって行われる。

また、図１の実施形態では、受信部６を一つのみ備えている。そして、この一つの受信部６が、上手側超音波トランスジューサ３からの受信信号と、下手側超音波トランスジューサ４からの受信信号とを検知する。すなわち、受信部６は上手用と下手用を兼用しているのである。受信部６は、例えば電圧検出回路から構成されるものであり、比較的消費電力が大きい回路なので、このように搭載数を１つのみとすることで、超音波流量計１全体の消費電力を低くすることができる。

なお、ここで順方向とは、上手側超音波トランスジューサ３から下手側超音波トランスジューサ４へ向かう方向であり、逆方向とは下手側超音波トランスジューサ４から上手側超音波トランスジューサ３へ向かう方向である。また、直接伝搬波（以下、直接波とも記す）とは、発射された超音波が反射せずに直接、相手の超音波トランスジューサに伝達する超音波であり、反射伝搬波（以下、反射波とも記す）とは相手の超音波トランスジューサで反射して戻ってくる超音波である。

一方、受信部６には時間計測手段（図示しない）が接続され、直接伝搬波が到達するまでの時間と、反射伝搬波が到達するまでの時間を計測する。超音波が発信される時のタイミングは、送信部５から受信部６へ送られる信号を基準としている。そして、順方向の直接伝搬時間および反射伝搬時間と、逆方向の直接伝搬時間および反射伝搬時間とを使って、流路２を流れる流体の流量を演算する。この演算は、本発明の演算手段（制御部７）が行っている。演算方法についての詳細は後述する。

このように本発明の超音波流量計１は、超音波を発信する際に、各超音波トランスジューサ３，４の電気的負荷（例えばインピーダンス）を合成する形で送信部５に接続する（並列接続する）ので、超音波を同時に発信することができる。また、超音波流量計１を長年使用していると、各超音波トランスジューサ３，４の電気的負荷が経時変化するが、上述のようにすることで、電気的負荷が変化したとしても同時に超音波を発信することができる。これにより、正確な流量計測を行えるようになる。

図７を使って、制御部７について説明する。制御部７は、例えばマイコンによって構成されるもので、ＣＰＵ１６と、ＲＡＭ１７と、ＲＯＭ１８と、Ｉ／Ｏと、これらを繋ぐバスライン１９とを備える。そして、ＲＯＭ１８には送信部制御プログラム１８ａ，切替制御プログラム１８ｂ，演算プログラム１８ｃが記憶されている。ＣＰＵ１６が送信部制御プログラム１８ａを実行することにより、送信部５を制御している。また、切替制御プログラム１８ｂ，演算プログラム１８ｃを実行することにより、本発明の切替制御手段および演算手段が実現されている。

次に、図２を用いて、超音波を送受信する際のタイミングについて説明する。まず、上述したように超音波トランスジューサ３，４を並列接続し、送信部５から駆動信号を送る。これにより超音波トランスジューサ３，４に電圧が印加され、超音波が同時に発信される。相手側の超音波トランスジューサがその超音波を受信すると受信信号が発し、その受信信号を受信部６が検知して、図２に示すタイミングで波形が現れる。図２の例では、流路２に流体が流れていため、上手側から送信された超音波が下手側に先に到達し、その後、下手側から送信された超音波が上手側へ到達する。

上述した時間計測手段は、上手側超音波トランスジューサ３に駆動信号が入力されてから、直接伝搬波（１）を検知するまでの時間を、順方向直接伝搬波到達時間として計測する。次に、下手側超音波トランスジューサ４に駆動信号が入力されてから、直接伝搬波（２）を検知するまでの時間を、逆方向直接伝搬波到達時間として計測する。各直接伝搬波は、超音波トランスジューサ３，４の表面に反射して反射伝搬波となり、上手側超音波トランスジューサ３，下手側超音波トランスジューサ４にそれぞれ到達する。時間計測手段は、上手側超音波トランスジューサ３に駆動信号が入力されてから、反射波（３）を検知するまでの時間を、順方向反射伝搬波到達時間として計測する。また、下手側超音波トランスジューサ４に駆動信号が入力されてから、反射波（４）を検知するまでの時間を、逆方向反射伝搬波到達時間として計測する。

次に、流量を演算するための方法について説明する。まず、図３に示す各記号を以下に定義する。
ｔ１ 上手側超音波トランスジューサ３の表面から下手側超音波トランスジューサ４の表面まで超音波が到達する時間
ｔ２ 下手側超音波トランスジューサ４の表面から上手側超音波トランスジューサ３の表面まで超音波が到達する時間
ｔＴ１ 上手側超音波トランスジューサ３に駆動信号が入力されてから、その上手側超音波トランスジューサ３の表面から超音波が発信されるまでの発信遅延時間
ｔＲ１ 上手側超音波トランスジューサ３の表面に超音波が到達してから受信信号が検知されるまでの受信遅延時間
ｔＴ２ 下手側超音波トランスジューサ４に駆動信号が入力されてから、その下手側超音波トランスジューサ４の表面から超音波が発信されるまでの発信遅延時間
ｔＲ２ 下手側超音波トランスジューサ４の表面に超音波が到達してから受信信号が検知されるまでの受信遅延時間
Ｔ１ 上手側超音波トランスジューサ３に駆動信号が入力されてから、下手側超音波トランスジューサ４が直接波を受信したことを受信部６が検知するまでの順方向直接伝搬波到達時間
Ｔ２ 下手側超音波トランスジューサ４に駆動信号が入力されてから、上手側超音波トランスジューサ３が直接波を受信したことを受信部６が検知するまでの逆方向直接伝搬波到達時間
τ１ 上手側超音波トランスジューサ３に駆動信号が入力されてから、反射波を上手側超音波トランスジューサ３が受信したことを受信部６が検知するまでの順方向反射伝搬波到達時間
τ２ 下手側超音波トランスジューサ４に駆動信号が入力されてから、反射波を下手側超音波トランスジューサ４が受信したことを受信部６が検知するまでの逆方向反射伝搬波到達時間
Ｌ 超音波トランスジューサ３，４間の距離（伝搬距離）
Ｓ 流路２の断面積

各計測時間は、
Ｔ１＝ｔＴ１＋ｔ１＋ｔＲ２ （１）
Ｔ２＝ｔＴ２＋ｔ２＋ｔＲ１ （２）
τ１＝ｔＴ１＋ｔ１＋ｔ２＋ｔＲ１ （３）
τ２＝ｔＴ２＋ｔ１＋ｔ２＋ｔＲ２ （４）
と表せ、実際に流量を算出する為に必要な真の伝播時間ｔ１、ｔ２は、（３）−（２）より
ｔ１＝τ１−Ｔ２−（ｔＴ１−ｔＴ２） （５）
（４）−（１）より
ｔ２＝τ２−Ｔ１＋（ｔＴ１−ｔＴ２） （６）
と表される。上述したように、超音波トランスジューサ３，４は、それぞれの電気的負荷を合成する形で接続（並列接続）しており、同時駆動される。そのため、（５）式および（６）式における発信遅延時間ｔＴ１およびｔＴ２は同じ値となる。この値をｔＴ３と表すと、（５）式および（６）式は、以下のようになる。
ｔ１＝τ１−Ｔ２−（ｔＴ３−ｔＴ３）＝τ１−Ｔ２ （７）
ｔ２＝τ２−Ｔ１＋（ｔＴ３−ｔＴ３）＝τ２−Ｔ１ （８）
ｔ１、ｔ２を求めた後、
流速Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔ１−１／ｔ２） となり、
流量Ｑ＝Ｓ×Ｖ として求めることができる。

このように、（７）式および（８）式を用いることで、超音波トランスジューサ３，４の発信遅延時間ｔＴ１，ｔＴ２の影響を全く受けずに、ｔ１，ｔ２を求めることができる。

即ち、超音波トランスジューサ３，４を並列接続して同時駆動することにより、（５）式および（６）式における遅延項の影響が無くなるのである。超音波トランスジューサ３，４は、長期間使用することにより、その電気的負荷（インピーダンス等）が経時変化する。そのため、発信遅延時間ｔＴ１，ｔＴ２が変化するが、上述のように同時駆動することにより、仮にｔＴ３がｔＴ３’へと変化してもその影響を受けることが無くなる。そのため、長期にわたって精度の高い流量計測を行うことが可能となる。

ここで従来の超音波流量計との比較をする。従来の超音波流量計１０１は、図８に示すように、送信側スイッチ１０８及び受信側スイッチ１０９を切り替えることにより、超音波トランスジューサ１０３，１０４の一方を送信用にし、他方を受信用にし、これを交互に切り替えて使用していた。そのため、超音波トランスジューサ１０３，１０４の発信遅延時間ｔＴ１およびｔＴ２は同じ値にならず、ｔ１及びｔ２を求める際に、上記（５）式および（６）式を使用せざるを得なかった。発信遅延時間ｔＴ１及びｔＴ２は制御手段７に予め初期値として記憶していたが、超音波トランスジューサ１０３，１０４の電気的負荷が経年劣化すると、発信遅延時間ｔＴ１およびｔＴ２が変わってしまうので、ｔ１，ｔ２を正確に求めることができなかった。それに対して本発明は、超音波トランスジューサ１０３，１０４を同時駆動するため上記（７）式および（８）式を使用でき、電気的負荷が経時変化することにより発信遅延時間ｔＴ１およびｔＴ２が変化したとしても、その影響を受けることなく正確にｔ１，ｔ２を求めることができる。

次に図４を用いて、超音波が流路２を伝搬する時間を測定するための別の方法について説明する。図４の実施形態では先ず、一回目の同時駆動により、上手側超音波トランスジューサ３と下手側超音波トランスジューサ４の双方から超音波を発射する。そして、上手側超音波トランスジューサ３から発射された超音波を下手側超音波トランスジューサ４にて（５）として受信し、更に、下手側超音波トランスジューサ４の表面にて反射した超音波を上手側超音波トランスジューサ３にて（７）として受信することで、順方向直接伝搬波到達時間Ｔ１および順方向反射伝搬波到達時間τ１を計測する。なお、１回目の同時駆動では、下手側超音波トランスジューサ４からの直接波（６）及びその反射波（８）は測定しない。

その後、二回目の同時駆動により、再度、上手側超音波トランスジューサ３と下手側超音波トランスジューサ４の双方から超音波を同時発射する。そして、下手側超音波トランスジューサ４から発射された超音波を上手側超音波トランスジューサ３にて（９）として受信し、更に、上手側超音波トランスジューサ３の表面にて反射した超音波を下手側超音波トランスジューサ４にて（１１）として受信することで、逆方向直接伝搬波到達時間Ｔ２および逆方向反射伝搬波到達時間τ２を計測する。

このように２回に分けて測定すると、受信部を１つ設けるだけですみ、受信部を２個設けた場合と比較して、消費電流を低くすることができる。特に、超音波トランスジューサ３，４からの受信信号を検出する時の瞬間的な消費電流を抑えることが可能になる。

次に、本発明の別の実施形態を図５に示す。この実施形態では、上手側計測用受信部６ａと、下手側計測用受信部６ｂをそれぞれ設ける構成としている。このようにすると、同時に受信できるため、上手側計測時と下手側計測時の間に起こる、温度変化や流量変化等の影響を受けなくなり、計測精度をより向上させることができる。

また、本発明は図６に示すように、超音波トランスジューサ３，４を直列に接続することもできる。この実施形態では、スイッチ１１〜１５を設けており、これらのスイッチは制御部７によって切替制御される。超音波を発信する際には、スイッチ１１，１２，１３を１側へ切り替えることにより超音波トランスジューサ３，４が直列接続され、送信部５から駆動信号が入力されて、超音波トランスジューサ３，４から同時に超音波が発信される。その後、超音波が流路２を伝搬している間にスイッチ１１，１２，１３を２側へと切り替える。これにより、上手側超音波トランスジューサ３は受信部６ａと接続され、下手側超音波トランスジューサ４は受信部６ｂと接続される。そして、これら受信部６ａ，６ｂによって超音波を受信したことを検知する。受信部６ａ，６ｂには、図示しない時間計測部が接続されている。また、超音波トランスジューサ３，４から発射された直接伝搬波を受信する時には、スイッチ１４，１５を１側へと切り替え、その後、反射伝搬波を受信する時には、スイッチ１４，１５を２側へと切り替える。これにより、順方向および逆方向の、直接伝搬波および反射伝搬波の到達時間をそれぞれ計測することができる。

図６のように超音波トランスジューサ３，４を直列に接続した場合も、各超音波トランスジューサ３，４の発信遅延時間を共通にすることができる。そのため、上記（７）式および（８）式を用いることができ、長期にわたって精度の高い流量計測を行うことが可能となる。

本発明に係る超音波流量計１のブロック図 超音波を発信・受信する時のタイミングチャート 流量測定を算出する方法を説明するための図 図２とは別のタイミングチャート 上手側計測用受信部６ａおよび下手側計測用受信部６ｂを設けた実施形態 超音波トランスジューサ３，４を直列接続する実施形態 制御部７の例 従来例

符号の説明

１ 超音波流量計
２ 流路
３ 上手側超音波トランスジューサ（超音波素子）
４ 下手側超音波トランスジューサ（超音波素子）
５ 送信部
６ 受信部
７ 制御部（切替制御手段、演算手段）
８ スイッチ

Claims (3)

1. 流体が通過する流路と、
   その流路の上手と下手に配置され、それぞれ所定の電気的負荷を有し、超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備える一対の超音波素子と、
   その一対の超音波素子と電気的に接続され、該超音波素子に超音波を発信させるための駆動信号を送信する送信部と、を備え、
   前記一対の超音波素子は、並列接続された状態で前記送信部に電気的に接続され、
   前記超音波素子が超音波を受信した際に生じる受信信号を検知するための受信部と、
   前記超音波を発信する際に、前記一対の超音波素子を同時に駆動させ、発信された前記超音波が伝播している間に電気接続を切り替えて、前記超音波素子が前記超音波を受信した際に出力する前記受信信号が前記受信部に入力されるようにする切替制御手段と、
   前記流路の上手に配置された上手側超音波素子に前記駆動信号が入力されてから、前記流路の下手に配置された下手側超音波素子が、前記上手側超音波素子が発信した前記超音波の直接波を受信したことを前記受信部が検知するまでの時間である順方向直接伝搬波到達時間と、
   前記下手側超音波素子に前記駆動信号が入力されてから、前記上手側超音波素子が、前記下手側超音波素子が発信した前記超音波の直接波を受信したことを前記受信部が検知するまでの時間である逆方向直接伝搬波到達時間と、
   前記上手側超音波素子に前記駆動信号が入力されてから、前記上手側超音波素子が発信した前記超音波の直接波のうち、前記下手側超音波素子が反射した反射波を前記上手側超音波素子が受信したことを前記受信部が検知するまでの時間である順方向反射伝搬波到達時間と、
   前記下手側超音波素子に前記駆動信号が入力されてから、前記下手側超音波素子が発信した前記超音波の直接波のうち、前記上手側超音波素子が反射した反射波を前記下手側超音波素子が受信したことを前記受信部が検知するまでの時間である逆方向反射伝搬波到達時間と、
   を計測する時間計測手段と、
   前記時間計測手段が計測した前記逆方向直接伝搬波到達時間および前記順方向反射伝搬波到達時間に基づいて、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面まで前記超音波が到達する時間である上手側超音波到達時間を算出するともに、
   前記時間計測手段が計測した前記順方向直接伝搬波到達時間および前記逆方向反射伝搬波到達時間に基づいて、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面まで前記超音波が到達する時間である下手側超音波到達時間を算出する超音波到達時間算出手段と、
   前記超音波到達時間算出手段が算出した２つの前記超音波到達時間に基づいて、前記流路を流れる前記流体の流量を算出する演算手段と、
   をさらに備えることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記超音波素子が前記超音波を受信した際に生じる受信信号を検知するための受信部が、前記上手側超音波素子用と、前記下手側超音波素子用とにそれぞれ分けて設けられている請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記超音波素子が前記超音波を受信した際に生じる受信信号を検知するための受信部が、前記上手側超音波素子用と、前記下手側超音波素子用とで共通して設けられている請求項１に記載の超音波流量計。

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