JP4889253B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を、超音波を用いて計測する超音波流量計に関する。

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置し、その間で相互に超音波を繰り返し送受信し、上流側から下流側への超音波の伝播積算時間と、下流側から上流側への伝播積算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。

このような超音波流量計においては、超音波の送受信は、流量の状態に関わらず定められた回数だけ行われるため、電池で駆動する流量計では電力消費が激しく、電池が短期間で消耗するという不具合が発生していた。

このような不具合に対応するために、超音波の伝播時間の累計値または平均値を求め、この累計値または平均値から流体の流量を求め、流量に応じて超音波の送信と受信の繰返し回数を設定することにより電力消費を抑える超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。この超音波流量計によれば、流量に適した時間間隔をおいて流量を測定することにより電力消費を抑えることができる。
特開２００３―１２１２２０号公報

しかしながら、上述した従来の超音波流量計では、流量の大小または流量の増減傾向に基づいて繰返し回数が設定されるため、電力消費の抑制はできるが、超音波の伝播時間の測定精度が流量の状況で変化するという問題が考えられる。

そこで、本発明の課題は、流量の大小や増減傾向に拘わらずに超音波の伝播時間の測定精度を高く維持しつつ電力消費を抑制できる超音波流量計を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波流量計は、流路の上流側と下流側とに一定の距離をおいて設置された一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子の間で相互に超音波の送受信を繰り返して伝播時間を測定し、該測定により得られた上流側から下流側への超音波の伝播時間と下流側から上流側への超音波の伝播時間との差に基づいて前記流路を流れる流体の流量値を算出する流量計測回路とを備えた超音波流量計において、第１の繰り返し回路に設定された繰り返し回数分だけ繰り返し測定された、前記流量計測回路から送られてくる流量値を記憶し、記憶された流量値から標準偏差値を算出し、算出された標準偏差値に基づき前記伝播時間を測定する繰返し回数を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、基準となる標準偏差値である基準標準偏差値を保持する基準標準偏差値保持回路と、第１の繰り返し回路に設定された繰り返し回数分だけ繰り返し測定された、前記流量計測回路から送られてくる流量値を記憶し、記憶された流量値から標準偏差値を算出する標準偏差値算出回路と、前記標準偏差値算出回路で算出された標準偏差値と前記基準標準偏差値保持回路に保持されている基準標準偏差値とを比較する比較回路と、前記比較回路による比較結果に基づき前記伝播時間を測定する回数を制御する測定回数制御回路とを備え、前記測定回数制御回路は、伝播時間の測定が所定回数だけ行われた後に、前記比較回路による比較結果に基づいて測定継続の要否を判断し、測定継続が必要であると判断した場合に、追加して行うべき測定の回数を決定し、追加して行うべき測定の回数を、前記標準偏差値算出回路で算出された標準偏差値と前記基準標準偏差値との差に応じて決定することを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計によれば、測定された流量値の標準偏差値に基づき超音波の伝播時間の繰返し回数を決定するようにしたので、測定された流量値のバラツキが少ない場合は繰返し回数を小さくすることができ、その結果、電力消費を抑制できる。また、流量値のバラツキが少ない状態で超音波の伝播時間を測定できるので、測定精度を向上させることができる。

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。

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、上流側超音波振動子１０１、下流側超音波振動子１０２、送受信切替回路１０３、第１の繰返し回路１０４、発信回路１０５、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８、到達時間測定回路１０９、流量計測回路１１０、標準偏差値算出回路１１１、基準標準偏差値保持回路１１２、比較回路１１３および第２の繰返し回路１１４を備えている。本発明の制御回路は、標準偏差値算出回路１１１、基準標準偏差値保持回路１１２、比較回路１１３および第２の繰返し回路１１４から構成されている。また、本発明の測定回数制御回路は、第２の繰返し回路１１４に対応している。

上流側超音波振動子１０１は、ガスや空気といった流体が流れる流路１００の上流側に配置されている。下流側超音波振動子１０２は、流路１００の下流側であって、上流側超音波振動子１０１から距離Ｌだけ離れた位置に、上流側超音波振動子１０１と対向するように配置されている。これら上流側超音波振動子１０１および下流側超音波振動子１０２は、流路１００内において同軸上に配置されている。

上流側超音波振動子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、下流側超音波振動子１０２に向けて送信する。また、上流側超音波振動子１０１は、下流側超音波振動子１０２からの超音波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信切替回路１０３に送る。

下流側超音波振動子１０２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、上流側超音波振動子１０１に向けて送信する。また、下流側超音波振動子１０２は、上流側超音波振動子１０１からの超音波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信切替回路１０３に送る。

送受信切替回路１０３は、発信回路１０５から送られてくる駆動パルス信号を、上流側超音波振動子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下流側超音波振動子１０２から得られる受信信号を受信回路１０６に送るか、逆に、発信回路１０５から送られてくる駆動パルス信号を、下流側超音波振動子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上流側超音波振動子１０１から得られる受信信号を受信回路１０６に送るかを切り替える。

第１の繰返し回路１０４は、上流側超音波振動子１０１または下流側超音波振動子１０２から超音波を発生すべき繰返し回数を内部に記憶している。この第１の繰返し回路１０４は、コンパレータ１０８から受信信号が送られてくる毎に、送信信号を発信回路１０５に送るという動作を、内部に記憶している繰返し回数分だけ実行する。

発信回路１０５は、第１の繰返し回路１０４から送られてくる送信信号に応答して、上流側超音波振動子１０１または下流側超音波振動子１０２を駆動するための駆動パルス信号を生成する。この発信回路１０５で生成された駆動パルス信号は、送受信切替回路１０３に送られるとともに、到達時間測定回路１０９に送られる。

受信回路１０６は、上流側超音波振動子１０１または下流側超音波振動子１０２から送受信切替回路１０３を介して送られてくる受信信号を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。

フィルタ回路１０７は、受信回路１０６から送られてくる受信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受信信号は、コンパレータ１０８に送られる。

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で変換することにより得られたデジタルの受信信号は、到達時間測定回路１０９に送られるとともに、第１の繰返し回路１０４に送られる。

到達時間測定回路１０９は、発信回路１０５から駆動パルス信号が出力されてから、コンパレータ１０８から受信信号が得られるまでの時間を計測することにより、上流側超音波振動子１０１と下流側超音波振動子１０２との間の超音波の伝播時間を測定する。この到達時間測定回路１０９によって測定された伝播時間は、流量計測回路１１０に送られる。

流量計測回路１１０は、到達時間測定回路１０９から送られてくる伝播時間に基づいて、周知のアルゴリズムを用いて、流路１００を流れる流体の流量を算出する。具体的には、流量計測回路１１０は、上流側超音波振動子１０１から下流側超音波振動子１０２に超音波が到達する伝搬時間と下流側超音波振動子１０２から上流側超音波振動子１０１に超音波が到達する伝搬時間との差に基づいて流体の流量を計測する。この流量計測回路１１０で計測された流量は、流量値として標準偏差値算出回路１１１に送られる。

標準偏差値算出回路１１１は、流量計測回路１１０から送られてくる流量値を順次記憶を行ない、記憶された複数の流量値を用いて、流量値の標準偏差値σを算出する。この標準偏差値算出回路１１１で算出された標準偏差値σは、比較回路１１３に送られる。

基準標準偏差値保持回路１１２は、基準となる標準偏差値である基準標準偏差値σＴＨを保持する。基準標準偏差値σＴＨは、流量計測回路１１０から送られてくる流量値が所定のバラツキの範囲内に収まっている場合の標準偏差値であり、あらかじめ基準標準偏差値保持回路１１２に格納されて保持される。基準標準偏差値保持回路１１２に保持されている基準標準偏差値σＴＨは、比較回路１１３に送られる。

比較回路１１３は、標準偏差値算出回路１１１から送られてくる標準偏差値σと基準標準偏差値保持回路１１２から送られてくる基準標準偏差値σＴＨとを比較し、比較結果を第２の繰返し回路１１４に送る。

第２の繰返し回路１１４は、比較回路１１３から送られてくる比較結果に基づいて継続測定の要否を判断する。そして、測定を継続する必要があると判断した場合には、標準偏差値σと基準標準偏差値σＴＨとの差Δσに対応する繰返し回数Ｎだけ送信信号を発信回路１０５に送る。差Δσと繰返し回数Ｎとの関係は、例えば図２に示すようなテーブルとして、あらかじめ第２の繰返し回路１１４の内部に記憶されている。

次に、上記のように構成された本発明の実施例１に係る超音波流量計の動作を説明する。この超音波流量計では、流量測定は間欠的に行われる。以下では、１回の流量測定の動作を説明する。

発信回路１０５で生成された駆動パルス信号が送受信切替回路１０３を介して上流側超音波振動子１０１に印加されると、上流側超音波振動子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とによって求められる伝播時間ｔを要して下流側超音波振動子１０２に到達する。下流側超音波振動子１０２は、受信した超音波を電気信号に変換し、受信信号として出力する。

下流側超音波振動子１０２から出力された受信信号は、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。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デジタル信号に変換し、第１の繰返し回路１０４および到達時間測定回路１０９に送る。

到達時間測定回路１０９は、上流側超音波振動子１０１から送信された超音波が下流側超音波振動子１０２で受信されるまでの伝播時間を、発信回路１０５から駆動パルスが出力されてからコンパレータ１０８から受信信号が得られるまでの時間を計測することによって求め、流量計測回路１１０に送る。

引き続いて、到達時間測定回路１０９は、下流側超音波振動子１０２から送信された超音波が上流側超音波振動子１０１で受信されるまでの伝播時間を、発信回路１０５から駆動パルスが出力されてからコンパレータ１０８から受信信号が得られるまでの時間を計測することによって求め、求めた伝播時間を流量計測回路１１０に送る。

流量計測回路１１０は、上流側超音波振動子１０１から下流側超音波振動子１０２への超音波の伝播時間と下流側超音波振動子１０２から上流側超音波振動子１０１への超音波の伝播時間との差から流体の流速を算出し、さらに、算出した流速に基づいて流路１００に流れる流量を求め、流量値として標準偏差値算出回路１１１に送る。

標準偏差値算出回路１１１は、流量計測回路１１０から送られてくる流量値を順次記憶するとともに、この記憶した複数の流量値を用いて、流量値の標準偏差値σを算出して記憶する。そして、第１の繰返し回路１０４に記憶されている繰返し回数の測定が終了すると、最後に算出した標準偏差値σを比較回路１１３に送る。比較回路１１３は、標準偏差値算出回路１１１から送られてくる標準偏差値σと基準標準偏差値保持回路１１２から送られてくる基準標準偏差値σＴＨとを比較し、比較結果を第２の繰返し回路１１４に送る。

第２の繰返し回路１１４は、比較回路１１３から送られてくる比較結果が、標準偏差値σが基準標準偏差値σＴＨより小さいことを示している場合には、追加の測定は不要であると判断して、発信回路１０５に送信信号を送らない。これにより、流量の測定は終了する。

一方、比較回路１１３から送られてくる比較結果が、標準偏差値σが基準標準偏差値σＴＨ以上であることを示している場合には、第２の繰返し回路１１４は、追加の測定が必要であると判断して、標準偏差値σと基準標準偏差値σＴＨとの差Δσを求める。そして、求めた差Δσに対応する繰返し回数Ｎをテーブルから取得し、取得した繰返し回数Ｎだけ送信信号を発信回路１０５に送る。これにより、第２の繰返し回路１１４で算出された繰返し回数だけ追加して伝播時間の測定が実行される。

上述した動作を、図３に示すタイミングチャートを参照しながら、さらに詳細に説明する。なお、図３は、２回の流量測定が行われる場合を示している。図３において、Ｔ１およびＴ２は、第１の繰返し回路１０４に記憶されている繰返し回数による測定期間である。測定期間Ｔ１およびＴ２の各々では、上流側超音波振動子１０１と下流側超音波振動子１０２との間で相互に超音波の送受信が行われ、その都度、流量計測回路１１０において流量値が算出され、算出された流量値に対する標準偏差値σが標準偏差値算出回路１１１において求められる。

測定期間Ｔ１の終了時Ｓ１−２においては、標準偏差値σ１が基準標準偏差値σＴＨより小さいので、第２の繰返し回路１１４による追加の測定は行われない。次に、測定期間Ｔ２の終了時Ｓ２−２においては、標準偏差値σ２が基準標準偏差値σＴＨよりΔσだけ大きいので、上述したように、差Δσに応じた繰返し回数がテーブルから取得され、追加の測定期間Ｔ２−１において、取得された繰返し回数Ｎ分だけ送信信号が発信回路１０５に送られる。そして、測定期間Ｔ２−１の測定終了時において、標準偏差値σ２−１と基準標準偏差値σＴＨとの比較が行われ、上述した測定期間と同様の動作が繰り返される。

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、測定された流量値の標準偏差値に基づき超音波の伝播時間の繰返し回数を決定するように構成したので、測定された流量値のバラツキが少ない場合には、繰返し回数を小さくすることができる。その結果、電力消費を抑制できる。また、流量値のバラツキが少ない状態で超音波の伝播時間を測定できるので、測定精度を向上させることができる。

なお、実施例１に係る超音波流量計では、測定期間Ｔ２の終了時Ｓ２−２において、標準偏差値σ２が基準標準偏差値σＴＨより大きい場合は、測定を自動的に継続するように構成したが、測定を継続するか終了するかを第２の繰返し回路１１４に設定し、この設定に従って動作するように構成できる。この構成によれば、標準偏差値σ２が基準標準偏差値σＴＨより小さくならなくて、換言すれば、測定された流量値のバラツキが収束しなくて、測定が終了しないという事態の発生を防止できる。

また、実施例１に係る超音波流量計では、第２の繰返し回路１１４による測定期間Ｔ２−１では必ず測定が行われるように構成したが、測定期間Ｔ２−１の途中であっても標準偏差値σ２−１が基準標準偏差値σＴＨより小さくなった時点で測定を終了するように構成できる。この構成によれば、追加の測定を行う時間を短縮できるので、消費電力を低減させることができる。

図４は、本発明の実施例２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、流量計測回路１１０で計測された流量値が、標準偏差値算出回路１１１の他に、基準標準偏差値保持回路１１２ａおよび第２の繰返し回路１１４ａにも送られる点が、実施例１に係る超音波流量計と異なる。

基準標準偏差値保持回路１１２ａは、流量計測回路１１０から送られてくる流量値を基に基準標準偏差値σＴＨを変更する。例えば、流量値が小さい場合は基準標準偏差値を小さい値に変更し、流量値が大きい場合は基準標準偏差値を大きい値に変更する。

また、第２の繰返し回路１１４ａは、流量計測回路１１０から送られてくる流量値を基に繰返し回数を変更する。例えば、上述した基準標準偏差値と同様に、流量値が小さい場合は繰返し回数Ｎを少なくし、流量値が大きい場合は繰返し回数Ｎを大きくする。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る超音波流量計によれば、流量に応じて基準標準偏差値および追加の測定の繰返し回数を制御できるように構成したので、流量に応じた最適な測定が可能になる。

なお、この実施例２に係る超音波流量計においては、流量値に応じて基準標準偏差値σＴＨおよび繰返し回数Ｎを変更するように構成したが、流量の増減の変化に応じて基準標準偏差値σＴＨおよび繰返し回数Ｎを変更するように構成することもできる。この場合も、上述した作用および効果を奏する。

以上説明した実施例１および実施例２に係る超音波流量計は、流路１００に流れる流体の流量を測定する本測定の前に予備測定を行い、この予備測定において検出された流量を基に基準標準偏差値σＴＨおよび第２の繰返し回数Ｎを決定しておき、その基準標準偏差値σＴＨおよび第２の繰返し回数Ｎを用いて本測定を行うように変形できる。

予備測定は、間欠的に実施される測定（本測定）の前の空き時間で実行するように構成できる。この構成によれば、予備測定は空き時間で実施されるので、高速で処理する必要がなく、また、本測定を実施する際の負荷は軽減されるので、高性能な部品を使用して処理回路を構成する必要がない。その結果、安価な超音波流量計を提供できる。

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。

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。 本発明の実施例１に係る超音波流量計で使用されるテーブルを説明するための図である。 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ためのタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００ 流路
１０１ 上流側超音波振動子
１０２ 下流側超音波振動子
１０３ 送受信切替回路
１０４ 第１の繰返し回路
１０５ 発信回路
１０６ 受信回路
１０７ フィルタ回路
１０８ コンパレータ
１０９ 到達時間測定回路
１１０ 流量計測回路
１１１ 標準偏差値算出回路
１１２，１１２ａ 基準標準偏差値保持回路
１１３ 比較回路
１１４，１１４ａ 第２の繰返し回路

Claims (3)

1. 流路の上流側と下流側とに一定の距離をおいて設置された一対の超音波振動子と、
   前記一対の超音波振動子の間で相互に超音波の送受信を繰り返して伝播時間を測定し、該測定により得られた上流側から下流側への超音波の伝播時間と下流側から上流側への超音波の伝播時間との差に基づいて前記流路を流れる流体の流量値を算出する流量計測回路とを備えた超音波流量計において、
   第１の繰り返し回路に設定された繰り返し回数分だけ繰り返し測定された、前記流量計測回路から送られてくる流量値を記憶し、記憶された流量値から標準偏差値を算出し、算出された標準偏差値に基づき前記伝播時間を測定する繰返し回数を制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、
   基準となる標準偏差値である基準標準偏差値を保持する基準標準偏差値保持回路と、
   第１の繰り返し回路に設定された繰り返し回数分だけ繰り返し測定された、前記流量計測回路から送られてくる流量値を記憶し、記憶された流量値から標準偏差値を算出する標準偏差値算出回路と、
   前記標準偏差値算出回路で算出された標準偏差値と前記基準標準偏差値保持回路に保持されている基準標準偏差値とを比較する比較回路と、
   前記比較回路による比較結果に基づき前記伝播時間を測定する回数を制御する測定回数制御回路と、
   を備え、
   前記測定回数制御回路は、
   伝播時間の測定が所定回数だけ行われた後に、前記比較回路による比較結果に基づいて測定継続の要否を判断し、測定継続が必要であると判断した場合に、追加して行うべき測定の回数を決定し、追加して行うべき測定の回数を、前記標準偏差値算出回路で算出された標準偏差値と前記基準標準偏差値との差に応じて決定することを特徴とする超音波流量計。
2. 前記測定回数制御回路は、
   伝播時間の測定が、追加して行うべき測定の回数だけ行われた後に、前記比較回路による比較結果に基づき測定継続の要否を判断し、さらに測定継続が必要であると判断した場合に、さらに追加して行うべき測定の回数を決定することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記測定回数制御回路は、
   前記比較回路からの比較結果に基づき、前記標準偏差値算出回路で算出された標準偏差値が前記基準標準偏差値より小さい場合には、測定継続は不要であると判断して伝播時間の測定を終了し、前記標準偏差値算出回路で算出された標準偏差値が前記基準標準偏差値より大きい場合は、追加して行うべき測定の回数を決定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。

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