JP4973035B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
tb=L/(C−v・cosθ) (式2)
(式1)および(式2)を変形し、(式3)で流速vが求まる。
(式3)で求めた値に流体管路の断面積Sと補正係数Kを掛ければ流体の瞬時流量Q、すなわち単位時間あたりの流量を求めることができる。
ここで、(式4)のtaとtbの差は流速が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し平均化することで、誤差を比較的小さくするとともに分解能を高めている。すなわち、上流側から下流側へ向けての超音波の伝搬をn回繰り返し、このn回の繰り返し送受信の所要時間をTaとし、下流側から上流側へ向けての超音波の伝搬をn回繰り返し、このn回の繰り返し送受信の所要時間をTbとすれば、Ta、Tbをnで割ることによって、1回当たりの伝搬時間taおよびtbが求められるので、この値を(式4)に代入することにより正確な流量を求めることができる。そして、このような繰り返し計測を間欠的に一定の周期τ(例えば2秒)で行い、(式4)で求めた瞬時流量Qと間欠周期τの積求めることによって、間欠周期τの間に流体管路1を通過した流体流量が求められるので、この値を積算することにより流体流量の積算値を求めることができる。
間τa1において、まず、流れの上流側の第1振動子2を送信側、下流側の第2振動子3を受信側として繰り返し計測を4回行った後、計測制御手段4が第1振動子2、第2振動子3の役割を切替えた後、時間τb1において繰り返し計測を4回実行する。
図1は、本発明の第1の実施の形態における流量計側装置のブロック図である。図1において、流体管路1の途中に超音波を送信する第1振動子2が流れの上流側に配置され、第1振動子2から送信された超音波を受信する第2振動子3が流れの下流側に配置されている。計測制御手段4は、第1振動子2と第2振動子3の間の超音波信号伝達の制御を司る電子回路でありデジタル回路とアナログ回路により構成されている。同期設定手段5は、計測制御手段4の処理タイミングを制御している。
理が施された後、時間τ3でクロック制御手段18が、CR発振回路16の動作を停止する。その後、水晶発振回路15から供給される低速クロックに基づいて、CR発振回路16の休止時間や、送信手段6による矩形電圧の印加開始時間が制御される。
この方法を用いることにより、計時手段11の時間精度は補助クロックによって保証されることになるので、高速クロック周波数は、送信手段6の矩形波出力などのその他の処理タイミングに必要とされる時間精度に基づいて決定できる。よって、高速クロックの発振周波数を不必要に高める必要がなくなり、また、超高速の補助クロックの方も動作時間が非常に短いので、消費電力の増大もわずかなものとなる。したがって、計測精度を維持したまま、高速クロックと補助クロックの周波数の関係を適当に定めることにより更なる低消費電力化が可能である。
ここで、T1は高精度の低速クロックの周期であるため、既知の値と判断できる。また、T2とT3の比が既知の値M(T2とT3の関係式については後述する。)であれば、T1とT2の関係式は(式7)のように求められる。
ここで、T1は非常に高精度の値であるので、T2も同様に高精度の値として信頼性の高い値と認識できる。なお、ここでは、補助クロックを検定手段12の検定動作に用いる構成としているが、高速クロックと低速クロックの周波数の比が十分大きければ(例えば1000倍以上)であれば補助クロックを用いなくても、十分精度の高い検定値が得られることは言うまでもない。
本発明の第2の実施の形態について説明する。超音波の伝搬速度(音速)は、伝搬する媒質の物性に依存する固有の値である。計測対象の流体が特定されている場合には、音速Cと流体温度Tは、K1およびK2を定数として、(式8)のような近似式で関係付けられる。
なお、(式8)におけるK1、K2は流体固有の定数である。よって、計測対象の流体が定まり、更に使用温度範囲が特定されれば、(式8)の音速の取り得る範囲が定まることになる。したがって、計測対象の流体に応じて、図3におけるCR発振回路16の起動時間τ2を変更することにより、無駄な消費電力を低減することが可能となる。
≒(L/C)・{1−(v/C)・cosθ} (式9)
同様に、(式2)は(式10)のように変形できる。
≒(L/C)・{1+(v/C)・cosθ} (式10)
したがって、(式9)および(式10)により(式11)が導き出せる。
(式11)より、往復の伝搬時間の合計値は流速に関わらず一定の値となる。ここで、音速Cは流体温度により定まる値であるが、流体温度は急激に変化することがないと考えられるので、短時間では大きな変化がないと考えて良い。よって、直前に計測したt1とt2の和、あるいは、定められた回数の過去t1とt2の和の平均値を求めるなどのように、伝搬時間の過去の履歴を知ることにより、音速を知ることができる。よって、CR発振回路16による高速クロックの供給開始時間τ2の最適値を設定することが可能となる。
2 第1振動子
3 第2振動子
4 計測制御手段
11 計時手段
12 検定手段
13 補正手段
14 流量演算手段
15 水晶発振回路
16 CR発振回路
18 クロック制御手段
19 リングオシレータ
Claims (13)
- 流体管路に設けられ超音波信号を送信する第1振動子と、
前記第1振動子から送信された超音波信号を受信する第2振動子と、
前記振動子間の超音波の伝搬時間を求める計時手段とを備え、
前記計時手段は、
低速クロックと同期して動作する低速カウンタと、
高速クロックと同期して動作する高速カウンタと、
前記高速クロックよりも更に高速な補助クロックに同期して動作する補助カウンタとを備え、
前記低速カウンタの値と前記高速カウンタの値の和と、前記補助カウンタで求めた前記高速クロックと前記低速クロックの同期のずれとを用いて前記伝播時間を求める超音波流量計。 - 前記低速クロックの発振周期を基に求めた前記高速クロックの発振周期を用いて、前記計時手段で求めた伝搬時間を補正する請求項1に記載の超音波流量計。
- 更に前記補助クロックの発振周期を基に前記高速クロックの発振周期を求める請求項2に記載の超音波流量計。
- 前記高速クロックの発振周期を基に前記補助クロックの発振周期を求める請求項1に記載の超音流量計。
- 前記低速クロックの発振周期を基に前記補助クロックの発振周期を求める請求項1に記載の超音波流量計。
- 前記高速クロックをCR発振回路を用いて発生する請求項1から5いずれか1項に記載の超音波流量計。
- 前記低速クロックを水晶発振回路を用いて発生する請求項1から6いずれか1項に記載の超音波流量計。
- 前記補助クロックをリングオシレータを用いて発生する請求項1から7いずれか1項に記載の超音波流量計。
- 前記計時手段の動作と並行して前記高速クロックの発振周期を求める請求項2または3に記載の超音波流量計。
- 前記計時手段の動作と並行して前記補助クロックの発振周期を求める請求項4または5に記載の超音波流量計。
- 前記計時手段に対する前記高速クロックの供給開始時間を計測対象の流体に応じて変更する請求項1から10いずれか1項に記載の超音波流量計。
- 前記計時手段に対する前記高速クロックの供給開始時間を計測対象の流体温度に応じて変更する請求項1から10いずれか1項に記載の超音波流量計。
- 前記計時手段に対する前記高速クロックの供給開始時間を過去の伝搬時間の履歴に応じて変更する請求項1から10いずれか1項に記載の超音波流量計。
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