JP4889233B2 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計に関し、特にその消費電力を低減させる技術に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid using ultrasonic waves, and more particularly to a technique for reducing power consumption.
従来、流体の流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を設け、その間で相互に超音波信号を繰り返し送受信し、上流側から下流側への超音波信号の積算伝播時間と、下流側から上流側への積算伝播時間の差に基づいて流量を求める超音波流量計が知られている。この超音波流量計においては、内部回路を駆動する電源として電池が用いられる場合が多い。 Conventionally, a pair of ultrasonic transducers are provided at a certain distance on the upstream side and downstream side of the fluid flow path, and ultrasonic signals are repeatedly transmitted and received between them, and the ultrasonic signal from the upstream side to the downstream side There is known an ultrasonic flowmeter that obtains a flow rate based on the difference between the accumulated propagation time of 1 and the accumulated propagation time from the downstream side to the upstream side. In this ultrasonic flow meter, a battery is often used as a power source for driving an internal circuit.
このような電池を電源として動作する超音波流量計では、繰り返し行われる超音波の送受信および超音波の送受信に伴って行われる信号処理に電力を消費し、また、送受信が行われない待機状態でも電力を消費する。従って、電池の寿命が短くなり、短期間で電池を交換する必要がある。 In an ultrasonic flowmeter that operates using such a battery as a power source, power is consumed for repeated ultrasonic transmission / reception and signal processing performed along with ultrasonic transmission / reception, and even in a standby state where no transmission / reception is performed. Consume power. Therefore, the life of the battery is shortened, and the battery needs to be replaced in a short period of time.
そこで、ガス流路におけるガスの流れの有無を検知するスイッチを設け、このスイッチの検知結果に基づき超音波センサおよびその駆動回路への電源の供給または遮断を制御し、これにより電力消費を低減させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術では、ガス流路内のガスの流れの有無を検知するためのスイッチを設ける必要があり、このスイッチの大きさによっては、超音波流量計のサイズが大きくなりコストが高くなる。また、ガス流路内にスイッチを設けることに起因して、ガス流路内のガスの流れが乱れて、正確な計測ができないという問題がある。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, it is necessary to provide a switch for detecting the presence or absence of a gas flow in the gas flow path. Depending on the size of the switch, the size of the ultrasonic flowmeter is required. Increases and costs increase. Moreover, due to the provision of the switch in the gas flow path, there is a problem that the gas flow in the gas flow path is disturbed and accurate measurement cannot be performed.
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、長期間にわたって安定して且つ正確に流量を計測できる小型で安価な超音波流量計を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a small and inexpensive ultrasonic flow meter capable of measuring a flow rate stably and accurately over a long period of time.
上記課題を達成するために、本発明に係る超音波流量計は、気体の流路に配置された第1超音波振動子と、流路に第1超音波振動子に対向するように配置された第2超音波振動子と、第1超音波振動子から第2超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間と第2超音波振動子から第1超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間との差に基づき流路を流れる気体の流量を計測する制御回路と、第1超音波振動子と第2超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ制御回路へ電源を供給する電源制御手段とを備え、制御回路は、超音波を繰り返して送信する回数を計数する繰返し回路と、繰返し回路で計数された回数がカウントアップされる毎に駆動パルス信号を発生する送信回路と、送信回路からの駆動パルス信号を第1超音波振動子に送って第2超音波振動子からの信号を受け取るか、第2超音波振動子に送って第1超音波振動子からの信号を受け取るかを切り替える送受信切替回路と、送受信切替回路からの信号を受信する受信回路と、受信回路からの信号のノイズを除去するフィルタ回路と、フィルタ回路からの信号をデジタル信号に変換するコンパレータと、繰返し回路で所定回数が計数されたときにコンパレータから順次受け取ったデジタル信号に基づき流路を流れる気体の流量を計算する流量計測回路とを備え、電源制御手段は、繰返し回路、送信回路、送受信切替回路、受信回路、フィルタ回路、コンパレータおよび流量計測回路のうち、動作が開始される順番に電源を供給し、動作が停止される順番に電源の供給を停止させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic flowmeter according to the present invention is provided with a first ultrasonic transducer disposed in a gas flow path and a flow path facing the first ultrasonic vibrator. The second ultrasonic transducer, the propagation time measured by intermittently transmitting ultrasonic waves from the first ultrasonic transducer to the second ultrasonic transducer, and the first ultrasonic transducer from the second ultrasonic transducer Between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer, and a control circuit that measures the flow rate of the gas flowing through the flow path based on the difference from the propagation time measured by intermittently transmitting ultrasonic waves to Power supply control means for supplying power to the control circuit only during a period in which the ultrasonic wave is transmitted and the propagation time is measured , and the control circuit counts the number of times the ultrasonic waves are repeatedly transmitted, and the repetition circuit counts A transmission circuit that generates a drive pulse signal each time the number of times counted The driving pulse signal from the transmission circuit is sent to the first ultrasonic transducer and the signal from the second ultrasonic transducer is received, or the signal is sent to the second ultrasonic transducer and the signal from the first ultrasonic transducer is received. A transmission / reception switching circuit for switching between, a reception circuit for receiving a signal from the transmission / reception switching circuit, a filter circuit for removing noise of the signal from the reception circuit, a comparator for converting the signal from the filter circuit into a digital signal, and repetition And a flow rate measuring circuit for calculating the flow rate of the gas flowing through the flow path based on the digital signal sequentially received from the comparator when the predetermined number of times is counted by the circuit, and the power supply control means includes a repetition circuit, a transmission circuit, and a transmission / reception switching circuit , Receiving circuit, filter circuit, comparator, and flow measurement circuit, supply power in the order in which operation starts, power in order in which operation stops And wherein the stopping the supply.
本発明に係る超音波流量計によれば、第1超音波振動子と第2超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ制御回路へ電源を供給し、それ以外の期間では、制御回路への電源供給を停止するように構成したので、消費電力を低減させることができる。 According to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the power is supplied to the control circuit only during the period in which the ultrasonic wave is transmitted between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer and the propagation time is measured, In other periods, the power supply to the control circuit is stopped, so that power consumption can be reduced.
その結果、長期間にわたって電池を交換しなくても安定して正確に流量を計測することができる。また、特許文献1に記載されたガス流量計のように、流路内にスイッチを設ける必要がないので、超音波流量計のサイズを小さくすることができ、コストを低減することができる。 As a result, the flow rate can be measured stably and accurately without changing the battery over a long period of time. Further, unlike the gas flow meter described in Patent Document 1, it is not necessary to provide a switch in the flow path, so that the size of the ultrasonic flow meter can be reduced and the cost can be reduced.
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。この超音波流量計は、第1超音波振動子101、第2超音波振動子102、送受信切替回路103、送信回路104、繰返し回路105、受信回路106、フィルタ回路107、コンパレータ108、流量計測回路109、発振回路110、タイミング生成回路111、電源回路112および電圧監視回路113から構成されている。
FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention. The ultrasonic flowmeter includes a first
本発明の制御回路は、送受信切替回路103、送信回路104、繰返し回路105、受信回路106、フィルタ回路107、コンパレータ108および流量計測回路109から構成されている。また、本発明の電源制御手段は、発振回路110、タイミング生成回路111、電源回路112および電圧監視回路113から構成されている。制御回路を構成する各回路の電源は、電源制御手段によって制御される。また、電源制御手段の電源は常時投入されている。
The control circuit of the present invention includes a transmission /
第1超音波振動子101はガスや空気といった流体が流れる流路100の内部の上流側に配置される。第2超音波振動子102は、流路100の内部の下流側であって、第1超音波振動子101から距離Lの位置に、該第1超音波振動子101と対向するように配置される。また、これら第1超音波振動子101および第2超音波振動子102は、流路100内において同軸上に配置される。
The first
第1超音波振動子101は、送受信切替回路103から送られてくる駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第2超音波振動子102に向けて送信する。また、第1超音波振動子101は、第2超音波振動子102からの超音波を受信して電気信号に変換し、送受信切替回路103に送る。
The first
第2超音波振動子102は、送受信切替回路103からの駆動パルス信号に応じて超音波を発生し、第1超音波振動子101に向けて送信する。また、第2超音波振動子102は、第1超音波振動子101からの超音波を受信して電気信号に変換し、送受信切替回路103に送る。
The second
送受信切替回路103は、送信回路104から送られてくる駆動パルス信号を第1超音波振動子101に送って超音波を発生させるとともに、この超音波を受信した第2超音波振動子102から得られる信号を受信回路106に送るか、逆に、送信回路104から送られてくる駆動パルスを第2超音波振動子102に送って超音波を発生させるとともに、この超音波を受信した第1超音波振動子101から得られる信号を受信回路106に送るかを切り替える。
The transmission /
送信回路104は、繰返し回路105から送信信号が送られてくる毎に、第1超音波振動子101または第2超音波振動子102を駆動するための駆動パルス信号を生成する。この送信回路104で生成された駆動パルス信号は、送受信切替回路103に送られる。
The
繰返し回路105は、第1超音波振動子101または第2超音波振動子102から超音波を繰り返して送信すべき回数を計数する。具体的には、発振回路110からクロック信号を受け取る毎に繰り返し回数をカウントアップし、カウントアップする毎に、送信信号を送信回路104および流量計測回路109に送る。
The
受信回路106は、第1超音波振動子101または第2超音波振動子102から送受信切替回路103を介して送られてくる信号を受信して一定の利得で増幅する。この受信回路106で増幅された受信信号は、フィルタ回路107に送られる。
The
フィルタ回路107は、受信回路106から送られてくる信号に含まれるノイズ成分を除去する。このフィルタ回路107でノイズが除去された信号は、コンパレータ108に送られる。
The
コンパレータ108は、フィルタ回路107から送られてくるアナログの信号を所定のスレッショルド電圧でスライスすることによりデジタルの信号に変換する。このコンパレータ108における変換により得られたデジタルの受信信号は、流量計測回路109に送られる。
The
流量計測回路109は、発振回路110からのクロック信号に応じてコンパレータ108から送られてくるデジタルの受信信号を受け取って記憶する。そして、繰返し回路105から送られてくる送信信号が所定回数を示しているときに、記憶しているデジタルの受信信号に基づいて、周知のアルゴリズムを用いて、流路100の内部を流れる流体の流量を算出する。
The
発振回路110は、クロック信号を発生する。この発振回路110には、電源回路112から常時電源が供給されている。この発振回路110で発生されたクロック信号は、繰返し回路105、流量計測回路109およびタイミング生成回路111に送られる。
The
タイミング生成回路111は、発振回路110からのクロック信号をカウントしてタイミング信号を生成する。このタイミング生成回路111には、電源回路112から常時電源が供給されている。タイミング信号は、制御回路に電源を供給するタイミングでない、つまり超音波の送受信による流量の計測が行われていない待機状態ではインアクティブになり、制御回路に電源を供給するタイミングである、つまり超音波の送受信による流量の計測が行われている動作状態ではアクティブになる信号である。このタイミング生成回路111で生成されたタイミング信号は、発振回路110にフィードバックされるとともに、電源回路112に送られる。
The timing generation circuit 111 counts the clock signal from the
発振回路110は、タイミング生成回路111からフィードバックされるタイミング信号がインアクティブである場合は、タイミング信号がアクティブである場合に較べて小さい振幅のクロック信号を発生する。これにより、超音波の送受信による流量の計測が行われていない待機状態では、消費電力を低減させることができるようになっている。
When the timing signal fed back from the timing generation circuit 111 is inactive, the
電源回路112は、図示しない電池を含み、タイミング生成回路111からのタイミング信号に応じて、破線で示す送受信切替回路103、送信回路104、繰返し回路105、受信回路106、フィルタ回路107、コンパレータ108および流量計測回路109に電力を供給する。
The
電圧監視回路113は、本発明の報知手段に対応し、電源回路112の電源電圧を監視する。この電圧監視回路113には、電源回路112から常時電源が供給されている。電圧監視回路113は、電源回路112の電源電圧が所定値以下になったことを検出した場合に、その旨を外部に報知する。外部に報知する手段としては、表示器、通信機器等を用いることができる。
The
次に、上記のように構成される本発明の実施例1に係る超音波流量計の動作を説明する。なお、以下では、上流側の第1超音波振動子101を超音波の発信側、下流側の第2超音波振動子102を超音波の受信側に設定した場合を例に挙げて説明する。
Next, the operation of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described. In the following, a case where the first
送信回路104で生成された駆動パルス信号が送受信切替回路103を介して第1超音波振動子101に印加されると、第1超音波振動子101は、印加された駆動パルス信号の大きさに応じた超音波を発生し、下流側の第2超音波振動子102に向けて送信する。超音波は、その音速Vと距離Lとを乗じた伝播時間tを要して下流側の第2超音波振動子102に到達する。第2超音波振動子102は、受信した超音波を電気信号に変換して出力する。
When the drive pulse signal generated by the
第2超音波振動子102から出力された信号は、送受信切替回路103を介して受信回路106に入力され、受信回路106において一定利得で増幅されてフィルタ回路107に送られる。そして、フィルタ回路107でノイズ成分が除去されてコンパレータ108に送られる。
The signal output from the second
コンパレータ108は、フィルタ回路107から送られてくるアナログの受信信号を所定のスレッショルド電圧でスライスすることによりデジタルの受信信号に変換する。このコンパレータ108の出力は、流量計測回路109に送られる。
The
流量計測回路109は、送信回路104から駆動パルス信号が出力されから受信回路106で受信信号が得られるまでの時間を計測することにより、第1超音波振動子101から送信された超音波が第2超音波振動子102に到達するまでの伝播時間を求め、図示しないメモリに記憶する。以上の動作が、繰返し回路105から送られてくる送信信号が所定回数を示すまで繰り返される。
The flow
そして、繰返し回路105から送られてくる送信信号が所定回数を示した場合に、メモリに記憶しているデジタルの受信信号に基づいて、積算伝播時間を求める。図2(a)は、一定周期(Ta+Tb+Tu)で動作状態にされる期間Taにおいて、第1超音波振動子101から第2超音波振動子102へ伝播される超音波の積算伝播時間が求められる様子を示している。なお、図2において、期間Tuは待機状態を示している。
Then, when the transmission signal sent from the
引き続いて、流量計測回路109は、上記と同様にして、第2超音波振動子102から送信された超音波が第1超音波振動子101に到達するまでの伝播時間を求め、図示しないメモリに記憶する。
Subsequently, the
そして、繰返し回路105から送られてくる送信信号が所定回数を示しているときに、メモリに記憶しているデジタルの受信信号に基づいて、積算伝播時間を求める。図2(b)は、一定周期(Ta+Tb+Tu)で動作状態にされる期間Tbにおいて、第2超音波振動子102から第1超音波振動子101へ伝播される超音波の積算伝播時間が求められる様子を示している。
Then, when the transmission signal sent from the
以上のようにして2つの積算伝播時間が求められると、流量計測回路109は、周知のアルゴリズムを用いて、2つの積算伝播時間の差から流路100の内部を流れる流体の流量を算出する。
When the two accumulated propagation times are obtained as described above, the flow
以上説明したように、本発明の実施例1に係る超音波流量計によれば、第1超音波振動子101と第2超音波振動子102との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間Taおよび期間Tbで示される動作状態でのみ制御回路(送受信切替回路103、送信回路104、繰返し回路105、受信回路106、フィルタ回路107、コンパレータ108および流量計測回路109)へ電源を供給し、それ以外の期間Tuで示される大気状態では制御回路への電源供給を停止するように構成したので、消費電力を低減させることができる。
As described above, according to the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention, the ultrasonic wave is transmitted between the first
その結果、長期間にわたって電池を交換しなくても安定して正確に流量を計測することができる。また、特許文献1に記載されたガス流量計のように、流路内にスイッチを設ける必要がないので、超音波流量計のサイズを小さくすることができ、コストを低減することができる。 As a result, the flow rate can be measured stably and accurately without changing the battery over a long period of time. Further, unlike the gas flow meter described in Patent Document 1, it is not necessary to provide a switch in the flow path, so that the size of the ultrasonic flow meter can be reduced and the cost can be reduced.
また、上述したように、発振回路110は、期間Tuで示される待機状態では、図2(c)に示すように、クロック信号の振幅を、期間Taおよび期間Tbで示される動作状態よりも小さくするので、消費電力を抑えることができる。
Further, as described above, in the standby state indicated by the period Tu, the
なお、発振回路110とタイミング生成回路111とは、同一のパッケージに収納された集積回路に形成することができる。この構成によれば、発振回路110とタイミング生成回路111との間で送受される信号の経路長が短くなって外乱を受け難くなるので、ノイズを低減させることができる。その結果、SN比が向上するので、発振回路110とタイミング生成回路111との間で送受される信号の振幅を小さくすることができるので、消費電力を低減させることができる。
Note that the
また、電源回路112から繰返し回路105、送信回路104、送受信切替回路103、受信回路106、フィルタ回路107、コンパレータ108および流量計測回路109に個別に電源を供給するように構成し、タイミング生成回路111で生成するタイミングを制御し、図3に概念的に示すように、繰返し回路105、送信回路104、送受信切替回路103、受信回路106、フィルタ回路107、コンパレータ108および流量計測回路109のうち、動作が開始される順番に電源を供給し、動作が停止される順番に電源の供給を停止させるように構成できる。この構成によれば、各回路の電源は必要な時だけ投入されるので、全体として消費電力を抑えることができる。
Further, the
本発明の超音波流量計は、超音波ガスメータ等に適用可能である。 The ultrasonic flowmeter of the present invention can be applied to an ultrasonic gas meter or the like.
100 流路
101 第1超音波振動子
102 第2超音波振動子
103 送受信切替回路
104 送信回路
105 繰返し回路
106 受信回路
107 フィルタ回路
108 コンパレータ
109 流量計測回路
110 発振回路
111 タイミング生成回路
112 電源回路
113 電圧監視回路
100
Claims (5)
前記流路に前記第1超音波振動子に対向するように配置された第2超音波振動子と、
前記第1超音波振動子から前記第2超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間と前記第2超音波振動子から前記第1超音波振動子へ超音波を間欠的に送信して計測した伝播時間との差に基づき前記流路を流れる気体の流量を計測する制御回路と、
前記第1超音波振動子と前記第2超音波振動子との間で超音波を送信させて伝播時間を計測する期間のみ前記制御回路へ電源を供給する電源制御手段と、
を備え、
前記制御回路は、
超音波を繰り返して送信する回数を計数する繰返し回路と、
前記繰返し回路で計数された回数がカウントアップされる毎に駆動パルス信号を発生する送信回路と、
前記送信回路からの駆動パルス信号を前記第1超音波振動子に送って前記第2超音波振動子からの信号を受け取るか、前記第2超音波振動子に送って前記第1超音波振動子からの信号を受け取るかを切り替える送受信切替回路と、
前記送受信切替回路からの信号を受信する受信回路と、
前記受信回路からの信号のノイズを除去するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路からの信号をデジタル信号に変換するコンパレータと、
前記繰返し回路で所定回数が計数されたときに前記コンパレータから順次受け取ったデジタル信号に基づき前記流路を流れる気体の流量を計算する流量計測回路と、
を備え、
前記電源制御手段は、
前記繰返し回路、送信回路、送受信切替回路、受信回路、フィルタ回路、コンパレータおよび流量計測回路のうち、動作が開始される順番に電源を供給し、動作が停止される順番に電源の供給を停止させることを特徴とする超音波流量計。 A first ultrasonic transducer disposed in a gas flow path;
A second ultrasonic transducer disposed in the flow path so as to face the first ultrasonic transducer;
Propagation time measured by intermittently transmitting ultrasonic waves from the first ultrasonic transducer to the second ultrasonic transducer and intermittent ultrasonic waves from the second ultrasonic transducer to the first ultrasonic transducer A control circuit for measuring the flow rate of the gas flowing through the flow path based on the difference between the propagation time measured and transmitted automatically,
Power control means for supplying power to the control circuit only during a period in which propagation time is measured by transmitting ultrasonic waves between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer;
Equipped with a,
The control circuit includes:
A repeating circuit that counts the number of times ultrasonic waves are transmitted repeatedly;
A transmission circuit for generating a drive pulse signal each time the number of times counted by the repetition circuit is counted up,
A drive pulse signal from the transmission circuit is sent to the first ultrasonic transducer to receive a signal from the second ultrasonic transducer, or is sent to the second ultrasonic transducer and sent to the first ultrasonic transducer. A transmission / reception switching circuit for switching whether to receive a signal from,
A receiving circuit for receiving a signal from the transmission / reception switching circuit;
A filter circuit for removing noise of the signal from the receiving circuit;
A comparator that converts a signal from the filter circuit into a digital signal;
A flow rate measuring circuit for calculating a flow rate of the gas flowing through the flow path based on digital signals sequentially received from the comparator when a predetermined number of times is counted in the repetition circuit;
With
The power control means includes
Among the repetitive circuit, transmission circuit, transmission / reception switching circuit, reception circuit, filter circuit, comparator, and flow rate measurement circuit, power is supplied in the order in which the operation is started, and power supply is stopped in the order in which the operation is stopped. An ultrasonic flowmeter characterized by that.
前記制御回路を動作させるためのクロック信号を発生する発振回路と、 An oscillation circuit for generating a clock signal for operating the control circuit;
前記発振回路で発生されたクロック信号に基づき前記制御回路に電源を供給するタイミングを規定するタイミング信号を生成するタイミング生成回路と、 A timing generation circuit that generates a timing signal that defines a timing for supplying power to the control circuit based on a clock signal generated by the oscillation circuit;
前記タイミング生成回路で生成されたタイミング信号に従って前記制御回路に電源を供給する電源回路と、 A power supply circuit that supplies power to the control circuit according to a timing signal generated by the timing generation circuit;
を備えた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:
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