JP5398377B2 - Ultrasonic flow meter - Google Patents

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Description

本発明は、測定管内を流れる流体の流速を求める超音波流量計に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for obtaining a flow velocity of a fluid flowing in a measurement tube.

従来の超音波流量計においては、例えば、測定管の上流側と下流側に2つの超音波振動子を設け、送信波と受信波の伝搬時間を計測することで流速を求めるものが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。   In conventional ultrasonic flowmeters, for example, there have been proposed ones that provide two ultrasonic transducers on the upstream side and the downstream side of a measurement tube and obtain the flow velocity by measuring the propagation time of the transmission wave and the reception wave. (For example, refer to Patent Documents 1 to 3).

この種の超音波流量計においては、まず、上流側から超音波を送信し下流側で受信する。この時の伝搬時間をtuとする。次に、送受信方向を切り換えて、下流側から超音波を送信し上流側で受信する。この時の伝搬時間をtdとする。
この時、2つの超音波振動子の距離をL、音速をC、媒質の流速をvとすると次式が成立する。
In this type of ultrasonic flowmeter, first, ultrasonic waves are transmitted from the upstream side and received at the downstream side. The propagation time at this time is assumed to be tu. Next, the transmission / reception direction is switched, ultrasonic waves are transmitted from the downstream side, and received at the upstream side. The propagation time at this time is assumed to be td.
At this time, if the distance between the two ultrasonic transducers is L, the sound velocity is C, and the flow velocity of the medium is v, the following equation is established.

tu=L/C+v …(1)
td=L/C−v …(2)
(1)式、(2)式の逆数をとって差をとると、次式が得られる。
v=L/2((tu−td)/tu・td) …(3)
=L/2(Δt/tu・td) …(4)
ここで、伝搬時間差Δt=(tu−td)である。
tu = L / C + v (1)
td = L / Cv (2)
If the difference is obtained by taking the reciprocal of the equations (1) and (2), the following equation is obtained.
v = L / 2 ((tu-td) / tu · td) (3)
= L / 2 (Δt / tu · td) (4)
Here, the propagation time difference Δt = (tu−td).

したがって、流速vは伝搬時間差Δtに依存する。これより送信波と受信波との伝搬時間差Δtから流速を検知する。そして、この流速に断面積を乗じる等の処理をして、測定管内を流れる媒質の流量を計測するものである。   Therefore, the flow velocity v depends on the propagation time difference Δt. Thus, the flow velocity is detected from the propagation time difference Δt between the transmission wave and the reception wave. Then, the flow rate of the medium flowing through the measuring tube is measured by processing such as multiplying the flow velocity by the cross-sectional area.

特開平10−9914号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-9914 特開平10−122923号公報JP-A-10-122923 特開2000−180228号公報JP 2000-180228 A

ここで、上記(4)式より、流速vは受信波の伝搬時間差Δtにより得られるものであるから、実際に測定管(以下「管体」ともいう。)内を流れる媒質(流体)の流速が「ゼロ」である場合、理論上はtuとtdは同じ値になる筈である。   Here, since the flow velocity v is obtained from the propagation time difference Δt of the received wave from the above equation (4), the flow velocity of the medium (fluid) that actually flows in the measurement tube (hereinafter also referred to as “tube”). In theory, tu and td should be the same value.

しかしながら、現実には、超音波振動子は上流側と下流側とが別個のものであり、これらの超音波振動子の送波特性及び受波特性は同一にならない。
また、上記(1)式より求まる伝搬時間tuと、上記(2)式により求める伝搬時間tdは、それぞれ別の時刻における計測値である。
さらに、管体(パイプ又はチューブ等)や、超音波振動子を管体に接合する音響結合材の伝搬特性などのフィールドを含め、温度、圧力等多くの不確定要素を含んでいる。
即ち、実際の場面においては、tuの計測時とtdの計測時とでは、送信側の超音波振動子及び受信側の超音波振動子、これらの音響結合材とが、信号伝達経路に複雑に介在して、その送信時と受信時の可逆性がいつも等しいとは限らないことが現実である。
このため、実際に管体内を流れる媒質の流速が「ゼロ」である場合に、伝搬時間tuとtdとが全く同一となるとは限らない。
However, in reality, the ultrasonic transducers are separate on the upstream side and the downstream side, and the transmission characteristics and reception characteristics of these ultrasonic transducers are not the same.
The propagation time tu obtained from the above equation (1) and the propagation time td obtained from the above equation (2) are measured values at different times.
Furthermore, it includes many uncertain factors such as temperature and pressure, including fields such as the propagation characteristics of a tube (pipe or tube) and an acoustic coupling material that joins an ultrasonic transducer to the tube.
That is, in an actual situation, when measuring tu and measuring td, the transmitting-side ultrasonic transducer, the receiving-side ultrasonic transducer, and their acoustic coupling materials are complicated in the signal transmission path. In reality, the reversibility at the time of transmission and reception is not always the same.
For this reason, when the flow velocity of the medium that actually flows through the tube is “zero”, the propagation times tu and td are not always exactly the same.

また、このような可逆性が定まらないとみるべき送信・受信の関係を、理論上の演算式を用いて求めても、長期に亘り環境の変化を伴う現実の場においては、実際の流速「ゼロ」における、測定流速の「ゼロ点」を定めることは至難な事象と考えられる。   In addition, even if the relationship between transmission and reception that should be considered that reversibility is not determined is obtained by using a theoretical calculation formula, the actual flow rate “ Determining the “zero point” of the measured flow velocity at “zero” is considered a difficult event.

このように、従来の超音波流量計においては、環境条件等による「揺らぎ」が計測値のゼロ点変動(以下「ゼロ・ドリフト」と称する。)を生じさせ、長時間における「ゼロ点」の安定度を悪化させる、という問題点があった。
このため超音波流量計の計測値の「ゼロ」が「相対ゼロ」として表現され、「絶対ゼロ」として得られず計測精度が低下する、という問題点があった。
As described above, in the conventional ultrasonic flowmeter, “fluctuation” due to environmental conditions or the like causes a zero point fluctuation (hereinafter referred to as “zero drift”) of a measured value, and the “zero point” in a long time. There was a problem of deteriorating stability.
For this reason, “zero” of the measurement value of the ultrasonic flowmeter is expressed as “relative zero” and cannot be obtained as “absolute zero”, resulting in a problem that the measurement accuracy is lowered.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ゼロ・ドリフトを減少させることができる超音波流量計を得るものである。
また、流速の計測精度を向上させることができる超音波流量計を得るものである。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an ultrasonic flowmeter capable of reducing zero drift.
Moreover, the ultrasonic flowmeter which can improve the measurement precision of the flow velocity is obtained.

本発明に係る超音波流量計は、測定管内を流れる流体の流速を求める超音波流量計において、円環状に形成され、前記流体の流れに沿って所定の距離を隔てて、前記測定管の外周面にその内周面が音響的に接触するように取り付けられる複数の振動子と、上流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を下流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間と、下流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を上流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間との時間差に基づいて流体の流速を求める演算手段とを備え、前記演算手段は、前記振動子が受信したトーンバースト波の形態の受信波のうち、前記測定管に応じて予め定めた第1の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第1の時間差を、前記流体の流速がゼロのときの時間差として求め、前記測定管に応じて予め定めた第2の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第2の時間差と、前記第1の時間差とに基づき、前記流体の流速を求めるものである。 An ultrasonic flowmeter according to the present invention is an ultrasonic flowmeter for obtaining a flow velocity of a fluid flowing in a measurement tube, is formed in an annular shape, and is separated from the outer circumference of the measurement tube by a predetermined distance along the flow of the fluid. A plurality of transducers attached so that the inner peripheral surface thereof is in acoustic contact with the surface, and the transducers on the downstream side receive ultrasonic waves transmitted in the form of tone burst waves from the transducers on the upstream side To obtain the flow velocity of the fluid based on the time difference between the propagation time until the transducer on the upstream side receives the ultrasonic wave transmitted from the transducer on the downstream side in the form of a tone burst wave. And the computing means at the rising or falling timing of the first predetermined period predetermined according to the measurement tube among the received waves in the form of tone burst waves received by the vibrator. Propagation time The first time difference is obtained as the time difference when the fluid flow velocity is zero, and the second time difference of the propagation time at the rising or falling timing of the second predetermined period determined in advance according to the measurement tube is The flow velocity of the fluid is obtained based on the first time difference.

また、本発明に係る超音波流量計においては、前記演算手段は、前記振動子により受信される一つの受信波のうち、前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最小となる周期が、前記第1の所定周期として設定され、前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最大となる周期が、前記第2の所定周期として設定されるものである。 Moreover, in the ultrasonic flowmeter according to the present invention, the calculation means is determined according to the material and size of the measurement tube and the frequency of the ultrasonic wave among one received wave received by the vibrator. A cycle in which the flow velocity sensitivity, which is the amount of occurrence of the time difference in the propagation time, is set as the first predetermined cycle , and depends on the material and dimensions of the measuring tube and the frequency of the ultrasonic wave The period in which the flow velocity sensitivity that is the amount of occurrence of the time difference of the propagation time is maximized is set as the second predetermined period.

また、本発明に係る超音波流量計においては、前記振動子は、前記測定管の上流側及び下流側の2箇所に設けられ、一方の振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、他方の振動子によって受信し、発信側と受信側の振動子を交互に切り換えるものである。   Further, in the ultrasonic flowmeter according to the present invention, the vibrator is provided at two locations on the upstream side and the downstream side of the measurement tube, and the ultrasonic wave transmitted by applying alternating electrical energy to one vibrator is provided. The sound wave is received by the other vibrator, and the vibrator on the transmitting side and the receiving side are switched alternately.

また、本発明に係る超音波流量計においては、前記振動子は、前記測定管の上流側、中央及び下流側の3箇所に設けられ、中央に設けられた振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、上流及び下流に位置する2つの前記振動子によって受信するものである。   In the ultrasonic flowmeter according to the present invention, the vibrator is provided at three locations on the upstream side, the center, and the downstream side of the measurement tube, and alternating electrical energy is applied to the vibrator provided at the center. The ultrasonic wave transmitted by this is received by the two vibrators located upstream and downstream.

また、本発明に係る超音波流量計は、前記測定管の外周面に付設されるフランジにより構成され、前記測定管を伝搬する超音波の高域波成分をカットする音響フィルタを備えたものである。   Moreover, the ultrasonic flowmeter according to the present invention is configured by a flange attached to the outer peripheral surface of the measurement tube, and includes an acoustic filter that cuts a high-frequency component of the ultrasonic wave propagating through the measurement tube. is there.

本発明は、振動子が受信した受信波のうち、測定管に応じて予め定めた第1の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第1の時間差を、流体の流速がゼロのときの時間差として求め、測定管に応じて予め定めた第2の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第2の時間差と、第1の時間差とに基づき、流体の流速を求める。
このため、ゼロ・ドリフトを減少させることができる超音波流量計を得ることができる。
また、流速の計測精度を向上させることができる超音波流量計を得ることができる。
The present invention relates to the first time difference in propagation time at the rising or falling timing of the first predetermined period, which is predetermined according to the measurement tube, among the received waves received by the vibrator, and the fluid flow velocity is zero. The flow rate of the fluid is determined based on the second time difference of the propagation time at the rising or falling timing of the second predetermined period determined in advance according to the measurement tube and the first time difference. Ask.
For this reason, the ultrasonic flowmeter which can reduce a zero drift can be obtained.
Moreover, the ultrasonic flowmeter which can improve the measurement precision of the flow velocity can be obtained.

実施の形態1に係る超音波流量計の作動原理系統図である。FIG. 3 is a system diagram of the operation principle of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment. 実施の形態1に係る超音波振動子の配置を示す斜視図である。3 is a perspective view showing the arrangement of ultrasonic transducers according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る送信波及び受信波の波形、並びに受信波の検出位置を説明する図である。It is a figure explaining the waveform of the transmission wave and reception wave which concern on Embodiment 1, and the detection position of a reception wave. 実施の形態1に係る送信波及び受信波の波形、並びに受信波の検出位置を説明する図である。It is a figure explaining the waveform of the transmission wave and reception wave which concern on Embodiment 1, and the detection position of a reception wave. 実施の形態1に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the detection position of the received wave which concerns on Embodiment 1, and a flow velocity coefficient. 実施の形態1に係る受信波の検出位置別の伝搬時間を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a propagation time for each detection position of a received wave according to the first embodiment. 図6の縦軸を拡大した図である。It is the figure which expanded the vertical axis | shaft of FIG. 実施の形態1に係る受信波の検出位置と伝搬時間差Δtの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the detection position of the received wave which concerns on Embodiment 1, and propagation time difference (DELTA) t. 実施の形態1に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the detection position of the received wave which concerns on Embodiment 1, and a flow velocity coefficient. 実施の形態1に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the detection position of the received wave which concerns on Embodiment 1, and a flow velocity coefficient. 実施の形態1に係る超音波流量計の流量計測結果を示す図である。It is a figure which shows the flow measurement result of the ultrasonic flowmeter which concerns on Embodiment 1. FIG. 従来の超音波流量計の流量計測結果を示す図である。It is a figure which shows the flow measurement result of the conventional ultrasonic flowmeter. 実施の形態2に係る超音波流量計の作動原理系統図である。FIG. 5 is an operation principle system diagram of the ultrasonic flowmeter according to the second embodiment. 実施の形態3に係る超音波流量計の作動原理系統図である。FIG. 6 is an operation principle system diagram of the ultrasonic flowmeter according to the third embodiment.

実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
図2は実施の形態1に係る超音波振動子の配置を示す斜視図である。
図1及び図2に示すように、本実施の形態に係る超音波流量計は、超音波振動子2Aと、超音波振動子2Bと、電源4と、増幅器5と、比較回路6と、演算回路7とを備える。
この超音波流量計は、測定管1の管内を流れる媒質の流速vを求めるものである。
なお、本実施の形態1では、流速vを計測値として出力する場合を説明するが、本発明はこれに限るものではない。流速vに管内断面積等を乗じることで流量を求めることが可能である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an operation principle system diagram of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing the arrangement of the ultrasonic transducers according to the first embodiment.
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic flowmeter according to the present embodiment includes an ultrasonic transducer 2A, an ultrasonic transducer 2B, a power supply 4, an amplifier 5, a comparison circuit 6, and a calculation. A circuit 7.
This ultrasonic flow meter is for obtaining the flow velocity v of the medium flowing in the measuring tube 1.
In the first embodiment, a case where the flow velocity v is output as a measured value will be described, but the present invention is not limited to this. The flow rate can be obtained by multiplying the flow velocity v by the cross-sectional area in the pipe.

なお、「超音波振動子2A」及び「超音波振動子2B」は、本発明における「振動子」に相当する。
なお、「比較回路6」及び「演算回路7」は、本発明における「演算手段」に相当する。
The “ultrasonic transducer 2A” and the “ultrasonic transducer 2B” correspond to the “vibrator” in the present invention.
The “comparison circuit 6” and the “arithmetic circuit 7” correspond to “arithmetic means” in the present invention.

測定管1は、パイプ又はチューブ等により構成され、例えば全長に亘って外径が均一な直管である。   The measurement tube 1 is constituted by a pipe, a tube, or the like, and is, for example, a straight tube having a uniform outer diameter over the entire length.

超音波振動子2A及び2B(以下、区別しないときは「超音波振動子2」という。)は、測定管1の外径よりわずかに径の大きい内径を有する円環状又は円筒状に形成される。
この超音波振動子2は、測定管1の流体の流れに沿って所定の距離を隔てて配置される。
また、超音波振動子2の内周面と、測定管1の外周面との隙間には、グリース等の半流動体や半固形物よりなり、超音波が伝播しやすい音響結合材3を充填する。これにより、超音波振動子2と測定管1とを音響的に接触又は接合して、いわゆる音響結合状態とする。
また、超音波振動子2A及び2Bは、それぞれ、スイッチSW1を介して電源4と接続され、スイッチSW2を介して増幅器5と接続される。
The ultrasonic transducers 2A and 2B (hereinafter referred to as “ultrasonic transducer 2” when not distinguished from each other) are formed in an annular shape or a cylindrical shape having an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the measurement tube 1. .
The ultrasonic transducer 2 is arranged at a predetermined distance along the fluid flow in the measurement tube 1.
In addition, the gap between the inner peripheral surface of the ultrasonic transducer 2 and the outer peripheral surface of the measuring tube 1 is filled with an acoustic coupling material 3 that is made of a semi-fluid or a semi-solid material such as grease and easily transmits ultrasonic waves. To do. As a result, the ultrasonic transducer 2 and the measuring tube 1 are brought into acoustic contact or joined to form a so-called acoustic coupling state.
The ultrasonic transducers 2A and 2B are connected to the power source 4 via the switch SW1 and to the amplifier 5 via the switch SW2.

比較回路6は、増幅器5で増幅された受信波形信号が入力される。この比較回路6は、受信波形のゼロクロス点を検出するためのコンパレータである。   The comparison circuit 6 receives the received waveform signal amplified by the amplifier 5. The comparison circuit 6 is a comparator for detecting the zero cross point of the received waveform.

演算回路7は、比較回路6から、入力された受信波の複数のゼロクロス点に基づいて、流速を求める。詳細は後述する。   The arithmetic circuit 7 obtains the flow velocity from the comparison circuit 6 based on a plurality of zero cross points of the received wave input. Details will be described later.

このような構成において、スイッチSW1及びSW2をa側に切り換えることにより、超音波振動子2Aを電源4と接続して発信器とし、超音波振動子2Bを増幅器5と接続して受信器とする。
上流側の超音波振動子2Aは、電源4から交番電気エネルギーを与えられると、縮径、拡径して半径方向に振動する。測定管1内部が媒質(流体)で満たされているとき、超音波振動子2Aから発生する超音波は、音響結合材3及び測定管1の管壁を経て流体に伝えられ、一旦振動子の中心(直管の中心)位置に向かって伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後両方向に伝播する。このとき、超音波は圧力振動の一種であるため伝播の際には管の半径方向にも圧力変化が生じる。
下流側の超音波振動子2Bは、測定管1の管壁及び音響結合材3を経て半径方向の圧力変化(振動)が加えられると、振動波形と相似の電気信号を発生する。
そして、超音波振動子2Bで発生した振動波形と相似の電気信号(以下「受信波」という。)は、増幅器5により増幅され、比較回路6を介して演算回路7に入力される。
演算回路7は、入力された受信波に基づき、上流側の超音波振動子2Aから発信された超音波を下流側の超音波振動子2Bが受信するまでの順流れの伝搬時間tuを計測する。
In such a configuration, by switching the switches SW1 and SW2 to the a side, the ultrasonic transducer 2A is connected to the power source 4 to be a transmitter, and the ultrasonic transducer 2B is connected to the amplifier 5 to be a receiver. .
The upstream ultrasonic transducer 2A, when supplied with alternating electrical energy from the power source 4, vibrates in the radial direction with a reduced diameter and a larger diameter. When the inside of the measurement tube 1 is filled with a medium (fluid), the ultrasonic waves generated from the ultrasonic transducer 2A are transmitted to the fluid through the acoustic coupling material 3 and the tube wall of the measurement tube 1, and once the transducer After propagating toward the center (the center of the straight pipe), the direction is changed to a right angle and propagates in both the front and rear directions in parallel with the pipe. At this time, since ultrasonic waves are a kind of pressure vibration, pressure changes also occur in the radial direction of the tube during propagation.
The ultrasonic transducer 2B on the downstream side generates an electrical signal similar to the vibration waveform when a pressure change (vibration) in the radial direction is applied through the tube wall of the measurement tube 1 and the acoustic coupling material 3.
An electrical signal similar to the vibration waveform generated by the ultrasonic transducer 2B (hereinafter referred to as “received wave”) is amplified by the amplifier 5 and input to the arithmetic circuit 7 via the comparison circuit 6.
The arithmetic circuit 7 measures the forward flow propagation time tu until the downstream ultrasonic transducer 2B receives the ultrasonic wave transmitted from the upstream ultrasonic transducer 2A based on the input received wave. .

また、スイッチSW1及びSW2をb側に切り換えることにより、超音波振動子2Aを増幅器5と接続して受信器とし、超音波振動子2Bを電源4と接続して発信器とする。
これにより、同様に、演算回路7は、入力された受信波に基づき、下流側の超音波振動子2Bから発信された超音波を上流側の超音波振動子2Aが受信するまでの逆流れの伝搬時間tdを計測する。
そして、演算回路7は、伝搬時間tuと伝搬時間tdとの時間差Δtに基づいて流体の流速を求める。
Further, by switching the switches SW1 and SW2 to the b side, the ultrasonic transducer 2A is connected to the amplifier 5 to be a receiver, and the ultrasonic transducer 2B is connected to the power source 4 to be a transmitter.
Accordingly, similarly, the arithmetic circuit 7 performs the reverse flow until the upstream ultrasonic transducer 2A receives the ultrasonic wave transmitted from the downstream ultrasonic transducer 2B based on the input received wave. The propagation time td is measured.
Then, the arithmetic circuit 7 obtains the flow velocity of the fluid based on the time difference Δt between the propagation time tu and the propagation time td.

次に、受信波の検出位置(以下「山位置」ともいう。)と流速感度(媒質の流速に対応した時間差Δtの発生量)の関係について説明する。
上述した受信波の山位置に着目して流速感度を計測すると、その受信波の山位置により値が異なる。即ち、受信波の山位置により流速感度に差が生じている現象が存在する。
本実施の形態では、受信波の山位置を定量化するために、受信波を比較回路6に通して「ゼロクロス点」を得る。
以下、本実施の形態における送信波及び受信波の波形並びに受信波の検出位置について、図3及び図4により説明する。
Next, the relationship between the detection position of the received wave (hereinafter also referred to as “mountain position”) and the flow velocity sensitivity (the amount of time difference Δt corresponding to the flow velocity of the medium) will be described.
When the flow velocity sensitivity is measured by paying attention to the above-described peak position of the received wave, the value varies depending on the peak position of the received wave. That is, there is a phenomenon in which the flow velocity sensitivity varies depending on the peak position of the received wave.
In this embodiment, in order to quantify the peak position of the received wave, the received wave is passed through the comparison circuit 6 to obtain a “zero cross point”.
Hereinafter, the waveforms of the transmission wave and the reception wave and the detection position of the reception wave in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図3及び図4は実施の形態1に係る送信波及び受信波の波形、並びに受信波の検出位置を説明する図である。
図3(a)は、超音波振動子2Aの送信信号の波形を示す図である。
図3(b)は、超音波振動子2Bの受信信号の波形を示す図である。
図3(c)は、受信波のゼロクロスを抽出したコンパレータ出力波形を示す図である。
図3(d)は、受信波の検出位置と順流れの伝搬時間tuとの関係を示す図である。
図4(a)は、超音波振動子2Bの送信信号の波形を示す図である。
図4(b)は、超音波振動子2Aの受信信号の波形を示す図である。
図4(c)は、受信波のゼロクロスを抽出したコンパレータ出力波形を示す図である。
図4(d)は、受信波の検出位置と逆流れの伝搬時間tdとの関係を示す図である。
3 and 4 are diagrams for explaining the waveforms of the transmission wave and the reception wave and the detection position of the reception wave according to the first embodiment.
FIG. 3A is a diagram illustrating a waveform of a transmission signal of the ultrasonic transducer 2A.
FIG. 3B is a diagram illustrating a waveform of a reception signal of the ultrasonic transducer 2B.
FIG. 3C is a diagram illustrating a comparator output waveform obtained by extracting the zero cross of the received wave.
FIG. 3D is a diagram showing the relationship between the detection position of the received wave and the forward flow propagation time tu.
FIG. 4A is a diagram illustrating a waveform of a transmission signal of the ultrasonic transducer 2B.
FIG. 4B is a diagram illustrating a waveform of a reception signal of the ultrasonic transducer 2A.
FIG. 4C is a diagram showing a comparator output waveform obtained by extracting the zero cross of the received wave.
FIG. 4D is a diagram showing the relationship between the detection position of the received wave and the reverse flow propagation time td.

図3(a)及び図4(a)に示すように、送信側の超音波振動子2により、例えばSin波の5山分の送信信号(トーンバースト)を電気的に送信する。
図3(b)及び図4(b)に示すように、受信側の超音波振動子2により、送信側と受信側の超音波振動子2間の距離Lを伝搬した受信波形(Sin波)を得る。
そして、比較回路6を介してゼロクロス点を検出すると、図3(c)及び図4(c)に示すような矩形波信号を得る。
これにより、受信波の各周期の立ち上がり又は立ち下がりタイミングを得ることができる。
As shown in FIGS. 3A and 4A, transmission signals (tone bursts) of, for example, five peaks of Sin waves are electrically transmitted by the ultrasonic transducer 2 on the transmission side.
As shown in FIG. 3B and FIG. 4B, a reception waveform (Sin wave) propagated by a distance L between the transmission side and the reception side ultrasonic transducer 2 by the reception side ultrasonic transducer 2. Get.
When the zero cross point is detected via the comparison circuit 6, a rectangular wave signal as shown in FIGS. 3C and 4C is obtained.
Thereby, the rising or falling timing of each period of the received wave can be obtained.

受信波の受信位置を定量化するために、受信波を比較回路6に通して「ゼロクロス点」をみると多くの受信位置が得られることになる。
例えば、図3(d)に示す順流れの伝搬時間として、図3(c)の(1)に示す1周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間tu1が得られる。また、図3(c)の(2)に示す例えば7周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間tu2が得られる。
同様に、例えば、図4(d)に示す逆流れの伝搬時間として、図4(c)の(1)に示す1周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間td1が得られる。また、図4(c)の(2)に示す例えば7周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間td2が得られる。
In order to quantify the reception position of the received wave, when the received wave is passed through the comparison circuit 6 and the “zero cross point” is viewed, many reception positions are obtained.
For example, as the forward propagation time shown in FIG. 3D, the propagation time tu1 is obtained at the timing of the zero-cross point in the first cycle shown in FIG. 3C. In addition, for example, at the timing of the zero-cross point in the seventh cycle shown in (2) of FIG. 3C, the propagation time tu2 is obtained.
Similarly, for example, as the reverse flow propagation time shown in FIG. 4D, the propagation time td1 is obtained at the timing of the zero-cross point in the first cycle shown in FIG. 4C. Further, for example, at the timing of the zero-cross point in the seventh cycle shown in (2) of FIG. 4C, the propagation time td2 is obtained.

このような受信波の山位置に着目して流速感度(媒質の流速に対応した時間差Δtの発生量)を計測すると、その受信波の山位置により値が異なることが分かった。即ち、受信波の山位置により流速感度に差が生じている現象が存在する。
次に、この受信波の検出位置と流速感度の関係について図5により説明する。
When the flow velocity sensitivity (the amount of occurrence of the time difference Δt corresponding to the flow velocity of the medium) is measured by paying attention to such a peak position of the received wave, it has been found that the value varies depending on the peak position of the received wave. That is, there is a phenomenon in which the flow velocity sensitivity varies depending on the peak position of the received wave.
Next, the relationship between the received wave detection position and the flow velocity sensitivity will be described with reference to FIG.

図5は実施の形態1に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
図5では、測定管1内の媒質に所定の流速を与えた場合において、一つの受信波における受信波の山位置を横軸に示し、流速係数の相対値を縦軸に示している。即ち、一つの受信波の山位置のうち、流速感度(伝搬時間の時間差Δtの発生量)の最大値を「1」とし、その相対値を示している。
なお、図5は、測定管1内の材質としてPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)を用いて、所定の寸法(内径及び外径)とした場合の実測値である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the detection position of the received wave and the flow velocity coefficient according to the first embodiment.
In FIG. 5, when a predetermined flow velocity is given to the medium in the measuring tube 1, the peak position of the received wave in one received wave is shown on the horizontal axis, and the relative value of the flow velocity coefficient is shown on the vertical axis. That is, of the peak positions of one received wave, the maximum value of the flow velocity sensitivity (the amount of propagation time difference Δt) is set to “1”, and the relative value is indicated.
FIG. 5 shows measured values when PEEK (polyetheretherketone) is used as a material in the measuring tube 1 and predetermined dimensions (inner diameter and outer diameter) are obtained.

例えば、図5の例においては、(1)に示す第1周期目のゼロクロス点のタイミングでは、流速感度がほぼ「ゼロ」である。また、(2)に示す第7周期目のゼロクロス点のタイミングでは、流速感度が最大値となる。
このように、一つの受信波のうち、伝搬時間を検出する検出位置により、流速感度がほぼ「ゼロ」の検出位置と、流速感度が「最大」の検出位置とを同時に検出することにより、伝搬時間の時間差Δtの「ゼロ点」を確定しつつ、流速感度が「最大」となる検出位置により、流速を求めることができる。
For example, in the example of FIG. 5, the flow velocity sensitivity is substantially “zero” at the timing of the zero-cross point in the first period shown in (1). In addition, at the timing of the zero cross point of the seventh cycle shown in (2), the flow velocity sensitivity becomes the maximum value.
In this way, by detecting simultaneously the detection position where the flow velocity sensitivity is almost “zero” and the detection position where the flow velocity sensitivity is “maximum” by the detection position that detects the propagation time in one received wave, The flow velocity can be obtained from the detection position where the flow velocity sensitivity is “maximum” while the “zero point” of the time difference Δt is determined.

次に、このような受信波の検出位置による流速係数の相違について、図6〜図8によりさらに説明する。   Next, the difference in flow velocity coefficient depending on the detection position of the received wave will be further described with reference to FIGS.

図6は実施の形態1に係る受信波の検出位置別の伝搬時間を示す図である。
図6において、縦軸に超音波の伝搬時間を示し、横軸に経過時間を示す。
図6においては、横軸の10番目辺りから18番目辺りまでの間に、測定管1内の媒質に所定の流速v(例えば約10[cm/sec])の速度を与えた。その他の時間では流速は「ゼロ」である。そして、上記図4及び図5の送信時(波形(a)のスタート時)から、各検出位置における受信時(矩形波波形(c))までの伝搬時間を計測したものである。
また、図6において、受信波のゼロクロス点のタイミングのうち、流速感度がほぼ「ゼロ」となる検出位置として、例えば図4(c)及び図5(c)の第1周期目のゼロクロス点のタイミングを「1」に示す。また、流速感度が大きくなる検出位置として、例えば図4(c)及び図5(c)の第7、8、9周期目のゼロクロス点のタイミングを、それぞれ「2」「3」「4」に示す。
FIG. 6 is a diagram showing the propagation time for each detected position of the received wave according to the first embodiment.
In FIG. 6, the vertical axis represents the propagation time of the ultrasonic wave, and the horizontal axis represents the elapsed time.
In FIG. 6, a predetermined flow velocity v (for example, about 10 [cm / sec]) is given to the medium in the measuring tube 1 from around the 10th to around the 18th axis of the horizontal axis. At other times, the flow rate is “zero”. Then, the propagation time from the time of transmission in FIG. 4 and FIG. 5 (at the start of the waveform (a)) to the time of reception at each detection position (rectangular wave waveform (c)) is measured.
Further, in FIG. 6, as the detection position where the flow velocity sensitivity is substantially “zero” in the timing of the zero-cross point of the received wave, for example, the zero-cross point of the first period in FIGS. 4C and 5C is used. The timing is indicated by “1”. Further, as detection positions where the flow velocity sensitivity is increased, for example, the timings of the zero cross points in the seventh, eighth, and ninth cycles in FIGS. 4C and 5C are respectively “2”, “3”, and “4”. Show.

図6に示すように、流速感度が「ゼロ」となるタイミング「1」では、流速を与えた横軸の10〜18においても、順流れの伝搬時間tu及び逆流れの伝搬時間tdの何れも変化が生じず一定(重複)している。
一方、流速感度が大きいタイミング「2」「3」「4」では、流速vを与えた横軸の10〜18辺りで、伝搬時間が2つに分かれて表示されている。
例えば、図6の「2」に注目して、その付近の時間軸(縦軸)を拡大して表現したものを図7に示す。
As shown in FIG. 6, at the timing “1” when the flow velocity sensitivity becomes “zero”, both the forward flow propagation time tu and the reverse flow propagation time td are obtained at the horizontal axis 10 to 18 where the flow velocity is given. There is no change and it is constant (overlapping).
On the other hand, at the timings “2”, “3”, and “4” where the flow velocity sensitivity is high, the propagation time is divided into two parts around 10 to 18 on the horizontal axis to which the flow velocity v is given.
For example, FIG. 7 shows an enlarged representation of the time axis (vertical axis) in the vicinity, focusing on “2” in FIG.

図7は図6の縦軸を拡大した図である。
図7に示すように、測定管1内の媒質の流速が「ゼロ」である、横軸の0〜10及び18以降においては、順流れの伝搬時間tu及び逆流れの伝搬時間tdとも、ほぼ同時刻に到達している。
一方、測定管1内の媒質に流速vを与えた横軸の10〜18付近においては、順流れの伝搬時間tuは少し早く到達(縦軸の時間が少ない方へ移動)し、逆流れの伝搬時間tdは、流速分だけ遅く到達(縦軸の時間が遅い方向)している。
次に、上記図6のタイミング「1」「2」について、伝搬時間tuとtdの差、即ち時間差Δtに着目して表現したものを図8に示す。
FIG. 7 is an enlarged view of the vertical axis of FIG.
As shown in FIG. 7, the forward flow propagation time tu and the reverse flow propagation time td are almost equal after 0 to 10 and 18 on the horizontal axis where the flow velocity of the medium in the measuring tube 1 is “zero”. It has reached the same time.
On the other hand, in the vicinity of 10 to 18 on the horizontal axis where the flow velocity v is given to the medium in the measuring tube 1, the forward flow propagation time tu arrives a little earlier (moves toward the time on the vertical axis less), and the reverse flow The propagation time td reaches later by the flow velocity (the direction of the time on the vertical axis is slower).
Next, FIG. 8 shows the timings “1” and “2” in FIG. 6 expressed by paying attention to the difference between the propagation times tu and td, that is, the time difference Δt.

図8は実施の形態1に係る受信波の検出位置と伝搬時間差Δtの関係を示す図である。
図8に示すように、流速感度が大きいタイミング「2」では、流速vを与えた横軸の10〜18において、伝搬時間tuとtdとに時間差の相違が生じ、流速に大きく反応して大きなΔt2の値が得られる。
一方、流速感度がほぼ「ゼロ」であるタイミング「1」では、流速vを与えた横軸10〜18において、伝搬時間tuとtdとに時間差がほとんど生じず、同じ流速vにおいても時間差Δt1の値は、極めて小さい反応であり、流速に対してほぼ「ゼロ」の反応である。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the detection position of the received wave and the propagation time difference Δt according to the first embodiment.
As shown in FIG. 8, at timing “2” where the flow velocity sensitivity is large, a difference in time occurs between the propagation times tu and td at the horizontal axis 10 to 18 where the flow velocity v is given, and the reaction time greatly reacts and is large. The value of Δt2 is obtained.
On the other hand, at the timing “1” when the flow velocity sensitivity is almost “zero”, there is almost no time difference between the propagation times tu and td on the horizontal axes 10 to 18 to which the flow velocity v is given. The value is a very small reaction and is almost “zero” for the flow rate.

このようなことから、一つの受信波のうち、流速感度が大きい検出位置において得られた伝搬時間tu及びtdの時間差Δt2を用いて、上述した(4)式を適用して流速vを得ることができる。
また、同じ受信波のうち、流速感度がほぼ「ゼロ」となる検出位置において得られた伝搬時間tu及びtdの時間差Δt1を用いて、時間差Δtの「ゼロ点」を確定することができる。
Therefore, using the time difference Δt2 between the propagation times tu and td obtained at the detection position where the flow velocity sensitivity is high in one received wave, the flow velocity v is obtained by applying the above-described equation (4). Can do.
Further, among the same received waves, the “zero point” of the time difference Δt can be determined using the time difference Δt1 between the propagation times tu and td obtained at the detection position where the flow velocity sensitivity is substantially “zero”.

次に、測定管1の材質等の条件による流速感度の相違について説明する。   Next, the difference in flow velocity sensitivity depending on conditions such as the material of the measuring tube 1 will be described.

図9及び図10は実施の形態1に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
図9は、測定管1の材質として、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン:四ふっ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂)を用いて、所定の寸法(内径及び外径)とした場合の実測値である。
図10は、上記図5と同様に、測定管1の材質としてPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)を用いて、図5とは異なる所定の寸法(内径及び外径)とした場合の実測値である。
図9及び図10に示すように、受信波の各検出山位置の流速感度は、パイプ又はチューブからなる測定管1の材質や寸法等により異なることが分かる。
9 and 10 are diagrams showing the relationship between the detection position of the received wave and the flow velocity coefficient according to the first embodiment.
FIG. 9 shows measured values when PFA (perfluoroalkoxyalkane: tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin) is used as the material of the measuring tube 1 and given dimensions (inner diameter and outer diameter). is there.
FIG. 10 shows measured values when PEEK (polyetheretherketone) is used as the material of the measuring tube 1 and the predetermined dimensions (inner diameter and outer diameter) are different from those in FIG. .
As shown in FIGS. 9 and 10, it can be seen that the flow velocity sensitivity at each detection peak position of the received wave varies depending on the material and size of the measuring tube 1 made of a pipe or a tube.

このようなことから測定管1の材質等の条件に応じて、受信波の各検出位置のうち、流速感度が最小(ほぼゼロ)となる検出位置と、流速感度が最大となる検出位置とを予め定めることにより、一つの受信波から流体の流速がゼロのときの時間差と、流体の流速を求める時間差とを得ることができる。   Therefore, according to the conditions such as the material of the measuring tube 1, the detection position where the flow velocity sensitivity is minimum (almost zero) and the detection position where the flow velocity sensitivity is maximum among the detection positions of the received wave. By determining in advance, it is possible to obtain a time difference when the fluid flow velocity is zero and a time difference for obtaining the fluid flow velocity from one received wave.

このため、本実施の形態において演算回路7は、予め、測定管1に応じて、超音波振動子2により受信される一つの受信波のうち、流速感度が最小(ほぼゼロ)となる周期を第1の所定周期として設定され、流速感度が最大となる周期を第2の所定周期として設定される。
例えば図3〜図5に示した例では、流速感度が最小(流速係数がほぼ「ゼロ」)である、第1周期目のゼロクロス点のタイミングが、第1の所定周期として設定される。また、流速感度が最大(流速係数が「1」)となる第7周期目のゼロクロス点のタイミングが、第2の所定周期として設定される。
そして、演算回路7は、上流側の超音波振動子2A及び下流側の超音波振動子2Bが受信した受信波のうち、第1の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第1の時間差Δt1を、流体の流速が「ゼロ」のときの時間差として求める。また、第2の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第2の時間差Δt2と、第1の時間差Δt1とに基づき、媒質(流体)の流速vを求める。例えば、上記(4)式に第2の時間差Δt2を適用して、流速vを求めることができる。
なお、流速vの算出は、これに限らず、例えば所定の演算処理等により、第2の時間差Δt2を第1の時間差Δt1により補正して、当該補正後の第2の時間差Δt2を上記(4)式に適用しても良い。
For this reason, in the present embodiment, the arithmetic circuit 7 preliminarily determines a cycle in which the flow velocity sensitivity is minimum (substantially zero) among one received wave received by the ultrasonic transducer 2 according to the measurement tube 1. The first predetermined cycle is set, and the cycle in which the flow velocity sensitivity is maximized is set as the second predetermined cycle.
For example, in the example shown in FIGS. 3 to 5, the timing of the zero cross point in the first cycle where the flow velocity sensitivity is minimum (the flow velocity coefficient is substantially “zero”) is set as the first predetermined cycle. Further, the timing of the zero-cross point in the seventh cycle at which the flow velocity sensitivity is maximized (the flow velocity coefficient is “1”) is set as the second predetermined cycle.
Then, the arithmetic circuit 7 calculates the first propagation time at the rising or falling timing of the first predetermined period among the received waves received by the upstream ultrasonic transducer 2A and the downstream ultrasonic transducer 2B. A time difference Δt1 of 1 is obtained as a time difference when the fluid flow velocity is “zero”. Further, the flow velocity v of the medium (fluid) is obtained based on the second time difference Δt2 of the propagation time at the rising or falling timing of the second predetermined period and the first time difference Δt1. For example, the flow velocity v can be obtained by applying the second time difference Δt2 to the above equation (4).
The calculation of the flow velocity v is not limited to this. For example, the second time difference Δt2 is corrected by the first time difference Δt1 by a predetermined calculation process or the like, and the corrected second time difference Δt2 is calculated as (4 ) May be applied to the equation.

なお、媒質の流量を得る場合には、演算回路7により求めた流速vに測定管1の内断面積を乗じる等の処理をして流量を得ることができる。   When the flow rate of the medium is obtained, the flow rate can be obtained by processing such as multiplying the flow velocity v obtained by the arithmetic circuit 7 by the inner cross-sectional area of the measuring tube 1.

このような動作による本実施の形態における流量計測結果を図11に示す。また、従来技術における流量計測結果を図12に示す。   FIG. 11 shows the flow rate measurement result in the present embodiment by such an operation. Moreover, the flow measurement result in a prior art is shown in FIG.

図11は実施の形態1に係る超音波流量計の流量計測結果を示す図である。
図11において、縦軸に流量を示し、横軸に経過時間を示す。また、図11においては、横軸の2800目盛り辺りから3300目盛り辺りまでの間(5分間)に、測定管1内の媒質に所定の流量(例えば約20[mL/min])を与えた。その他の時間では流量は「ゼロ」である。
FIG. 11 is a diagram showing a flow measurement result of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment.
In FIG. 11, the flow rate is shown on the vertical axis, and the elapsed time is shown on the horizontal axis. In FIG. 11, a predetermined flow rate (for example, about 20 [mL / min]) was applied to the medium in the measuring tube 1 from about 2800 scales to about 3300 scales (5 minutes) on the horizontal axis. At other times, the flow rate is “zero”.

図12は従来の超音波流量計の流量計測結果を示す図である。
図12において、縦軸に流量を示し、横軸に経過時間を示す。また、図12においては、横軸の17000目盛り辺りの10分間に、測定管内の媒質に所定の流量(例えば約15[mL/min])を与えた。その他の時間では流量は「ゼロ」である。
FIG. 12 is a diagram showing a flow measurement result of a conventional ultrasonic flow meter.
In FIG. 12, the vertical axis represents the flow rate, and the horizontal axis represents the elapsed time. In FIG. 12, a predetermined flow rate (for example, about 15 [mL / min]) was given to the medium in the measuring tube for 10 minutes around the 17000 scale on the horizontal axis. At other times, the flow rate is “zero”.

図11に示すように、本実施の形態1における超音波流量計の流量計測結果では、媒質の流量が「ゼロ」のとき、流量計測値も「ゼロ」で安定している。また、媒質に所定の流量が与えられた場合には、当該媒質の流量を計測することができる。
一方、図12に示すように、従来技術における超音波流量計の流量計測結果では、媒質の流量が「ゼロ」のときであっても、時間の経過とともに、流量計測値が変動してゼロ・ドリフトが生じている。
As shown in FIG. 11, in the flow rate measurement result of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment, when the flow rate of the medium is “zero”, the flow rate measurement value is also “zero” and stable. Further, when a predetermined flow rate is given to the medium, the flow rate of the medium can be measured.
On the other hand, as shown in FIG. 12, in the flow rate measurement result of the ultrasonic flowmeter in the prior art, even when the flow rate of the medium is “zero”, the flow rate measurement value fluctuates as time passes. Drift has occurred.

以上のように本実施の形態においては、超音波振動子2が受信した受信波のうち、測定管1に応じて予め定めた第1の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第1の時間差Δt1を、流体の流速が「ゼロ」のときの時間差として求める。また、測定管1に応じて予め定めた第2の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第2の時間差Δt2と、第1の時間差Δt1とに基づき、流体の流速vを求める。このため、ゼロ・ドリフトを減少させることができる。また、流速の計測精度を向上させることができる。   As described above, in the present embodiment, the propagation time of the rising or falling timing of the first predetermined period that is predetermined according to the measurement tube 1 among the received waves received by the ultrasonic transducer 2 is determined. The first time difference Δt1 is obtained as the time difference when the fluid flow velocity is “zero”. Further, the flow velocity v of the fluid is obtained based on the second time difference Δt2 of the propagation time at the rising or falling timing of the second predetermined period that is predetermined according to the measuring tube 1, and the first time difference Δt1. . For this reason, zero drift can be reduced. Moreover, the measurement accuracy of the flow velocity can be improved.

このように本実施の形態においては、一つの受信波において、流速係数が最大となる検出位置と、流速係数がほぼ「ゼロ」となる検出位置での伝搬時間の時間差を同時に検出する。つまり、同一条件(物理的に同じ信号伝達経路)における受信波において、流体の流速vと、流速「ゼロ」とを同一条件において同時に得ている。
このため、同一条件となる信号伝達経路を形成させることになり、流速vを検知することに極めて好ましい条件ができ、常に「ゼロ点」を参照した流速vを定めることができる。このため、流速の計測精度を向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, in one received wave, the time difference between the propagation times at the detection position where the flow velocity coefficient is maximum and the detection position where the flow velocity coefficient is substantially “zero” is detected simultaneously. That is, in the received wave under the same condition (physically the same signal transmission path), the fluid flow velocity v and the flow velocity “zero” are obtained simultaneously under the same condition.
For this reason, a signal transmission path having the same condition is formed, a condition that is extremely preferable for detecting the flow velocity v can be established, and the flow velocity v that always refers to the “zero point” can be determined. For this reason, the measurement accuracy of the flow velocity can be improved.

また、同一の信号伝達経路での同一の受信波内で、流体に与えられた流速vの計測と「ゼロ点」の計測とが同時にできることから、環境変化、特に温度、長時間における揺らぎを排除して、ゼロ・ドリフトを低減させることができる。このため、流速vの計測精度を向上させることができる。
また、常時「ゼロ点」を参照(認識)しながら流速vを計測していることになるから、流速を停止して「ゼロ点」を定める校正を行う必要性がない。このことは、長期に亘り環境の変化を伴う場合において、連続的に流速計測を行うときであっても、測定流速の「ゼロ点」を定めることができ、流速を精度良く計測できることを物語るものである。
In addition, measurement of the flow velocity v given to the fluid and measurement of the “zero point” can be performed simultaneously within the same received wave on the same signal transmission path, eliminating environmental changes, especially temperature and fluctuations over time. Thus, zero drift can be reduced. For this reason, the measurement accuracy of the flow velocity v can be improved.
In addition, since the flow velocity v is measured while constantly referring to (recognizing) the “zero point”, there is no need to calibrate to determine the “zero point” by stopping the flow velocity. This means that even in the case of environmental changes over a long period of time, even if the flow velocity is continuously measured, the “zero point” of the measured flow velocity can be determined, and the flow velocity can be accurately measured. It is.

なお、本発明は、円環状の超音波振動子2を用いた流量計に限らず、一般的な超音波流量計に適用できることであるが、実際の適用に当たっては、受信点の山位置と、流速係数を計測して、演算式に「ゼロ点」を定める手法を取り入れることが重要である。このことは、測定管1(パイプ又はチューブ)の材質、寸法、使用周波数等により、流速係数と受信信号の山位置の関係が異なることを念頭に設計する必要がある。
受信波の山位置によって、流速係数(流速依存性)が強く出る山位置と、極端に「ゼロ」になる山位置が存在することは、測定管1表面付近の流速「ゼロ」(極限的に)の位置と、流速が最大になる流速分布の位置を伝搬する超音波の伝搬モードがいくつも存在し、それぞれの周波数、伝搬速度も異なるために、パイプ又はチューブの材質、寸法、周波数により種々の形態が存在するためである。
The present invention is not limited to the flow meter using the annular ultrasonic transducer 2, but can be applied to a general ultrasonic flow meter. In actual application, the peak position of the reception point, It is important to measure the flow velocity coefficient and adopt a method for determining the “zero point” in the calculation formula. This needs to be designed in consideration that the relationship between the flow velocity coefficient and the peak position of the received signal differs depending on the material, dimensions, operating frequency, etc. of the measuring tube 1 (pipe or tube).
Depending on the peak position of the received wave, there is a peak position where the flow coefficient (flow speed dependency) is strong and a peak position that is extremely “zero”. ) And a number of ultrasonic wave propagation modes that propagate through the position of the flow velocity distribution where the flow velocity is maximized, and the frequency and propagation speed are different. Therefore, it varies depending on the material, dimensions, and frequency of the pipe or tube. This is because there exists a form.

実施の形態2.
図13は実施の形態2に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
図13に示すように、本実施の形態2においては、測定管1の上流側、中央及び下流側の3箇所に超音波振動子2A、2B、及び2Cを設ける。
超音波振動子2A、2B、及び2Cは、上記実施の形態1と同様に、円環状に形成され、音響結合材3により、測定管1と音響結合される。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 13 is an operation principle system diagram of the ultrasonic flowmeter according to the second embodiment.
As shown in FIG. 13, in the second embodiment, ultrasonic transducers 2A, 2B, and 2C are provided at three locations on the upstream side, the center, and the downstream side of the measurement tube 1.
The ultrasonic transducers 2 </ b> A, 2 </ b> B, and 2 </ b> C are formed in an annular shape as in the first embodiment, and are acoustically coupled to the measurement tube 1 by the acoustic coupling material 3.

超音波振動子2Bは、電源4と接続される。そして、電源4から交番電気エネルギーが与えられると、縮径、拡径して半径方向に振動する。測定管1内部が媒質(流体)で満たされているとき、超音波振動子2Bから発生する超音波は、音響結合材3及び測定管1の管壁を経て流体に伝えられ、一旦振動子の中心(直管の中心)位置に向かって伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後両方向に伝播する。このとき、超音波は圧力振動の一種であるため伝播の際には管の半径方向にも圧力変化が生じる。   The ultrasonic transducer 2B is connected to the power source 4. And when alternating electrical energy is given from the power supply 4, it will reduce in diameter and expand and vibrate in the radial direction. When the inside of the measurement tube 1 is filled with a medium (fluid), the ultrasonic waves generated from the ultrasonic transducer 2B are transmitted to the fluid through the acoustic coupling material 3 and the tube wall of the measurement tube 1, and once the transducer After propagating toward the center (the center of the straight pipe), the direction is changed to a right angle and propagates in both the front and rear directions in parallel with the pipe. At this time, since ultrasonic waves are a kind of pressure vibration, pressure changes also occur in the radial direction of the tube during propagation.

上流側の超音波振動子2A、及び下流側の超音波振動子2Cは、測定管1の管壁及び音響結合材3を経て半径方向の圧力変化(振動)が加えられると、振動波形と相似の電気信号を発生する。
そして、超音波振動子2A及び2Bで発生した振動波形と相似の電気信号(受信波)は、それぞれ増幅器5A及び5Cにより増幅され、比較回路6A及び6Cを介して演算回路7に入力される。
演算回路7は、比較回路6Aから入力された受信波に基づき、中央に設けられた超音波振動子2Bから発信された超音波を上流側の超音波振動子2Aが受信するまでの逆流れの伝搬時間tdを計測する。
また、比較回路6Cから入力された受信波に基づき、中央に設けられた超音波振動子2Bから発信された超音波を下流側の超音波振動子2Cが受信するまでの順流れの伝搬時間tuを計測する。
そして、演算回路7は、上記実施の形態1と同様に、一つの受信波のうち、予め設定された所定周期目のタイミングでの第1の時間差Δt1及び第2の時間差Δt2とに基づいて、流体の流速「ゼロ」及び流体の流速vを求める。
The ultrasonic transducer 2A on the upstream side and the ultrasonic transducer 2C on the downstream side are similar to the vibration waveform when a pressure change (vibration) in the radial direction is applied through the tube wall of the measurement tube 1 and the acoustic coupling material 3. The electrical signal is generated.
Electric signals (received waves) similar to the vibration waveforms generated by the ultrasonic transducers 2A and 2B are amplified by the amplifiers 5A and 5C, respectively, and input to the arithmetic circuit 7 via the comparison circuits 6A and 6C.
Based on the received wave input from the comparison circuit 6A, the arithmetic circuit 7 performs a reverse flow until the upstream ultrasonic transducer 2A receives the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 2B provided at the center. The propagation time td is measured.
Further, based on the received wave input from the comparison circuit 6C, the forward flow propagation time tu until the ultrasonic transducer 2C on the downstream side receives the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 2B provided in the center. Measure.
Then, similarly to the first embodiment, the arithmetic circuit 7 is based on the first time difference Δt1 and the second time difference Δt2 at a predetermined timing set in advance in one received wave. The fluid flow velocity “zero” and the fluid flow velocity v are obtained.

以上のように本実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態2では、スイッチにより送信側と受信側の超音波振動子2を切り換える必要がない。即ち、順流れの伝搬遅延時間tuと、逆流れの伝搬遅延時間tdとを同時に得ることができる。
このため、計測時刻の差異による伝搬特性などの環境の変化による伝搬時間への影響をさらに減少させることができる。これにより、流速の計測精度を向上させることができる。
As described above, also in the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
Furthermore, in the second embodiment, it is not necessary to switch between the ultrasonic transducers 2 on the transmission side and the reception side by a switch. That is, the forward flow propagation delay time tu and the reverse flow propagation delay time td can be obtained simultaneously.
For this reason, it is possible to further reduce the influence on the propagation time due to environmental changes such as propagation characteristics due to differences in measurement time. Thereby, the measurement accuracy of the flow velocity can be improved.

実施の形態3.
図14は実施の形態3に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
図14に示すように、本実施の形態3においては、測定管1の外周面に音響フィルタ21及び22を備えている。
なお、その他の構成は、上記実施の形態1と同様であり同一部分には同一の符号を付する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 14 is an operation principle system diagram of the ultrasonic flowmeter according to the third embodiment.
As shown in FIG. 14, in the third embodiment, acoustic filters 21 and 22 are provided on the outer peripheral surface of the measuring tube 1.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same portions.

音響フィルタ21及び22は、測定管1の外周面に付設されるフランジにより構成され、測定管1を伝搬する超音波の高域波成分をカットするものである。
つまり、測定管1を超音波の伝搬路と考えれば、音響フィルタ21及び22は、低域通過形フィルタ、即ち高域カット形フィルタとなる。このとき、音響フィルタ21及び22の形状等により、所定の遮断角周波数より高い周波数を減衰する。
なお、このような音響フィルタを備えるものは公知(例えば、特許文献3参照)であるので、詳細の説明は省略する。
The acoustic filters 21 and 22 are configured by flanges attached to the outer peripheral surface of the measurement tube 1, and cut high frequency components of ultrasonic waves propagating through the measurement tube 1.
That is, if the measurement tube 1 is considered as an ultrasonic wave propagation path, the acoustic filters 21 and 22 are low-pass filters, that is, high-frequency cut filters. At this time, a frequency higher than a predetermined cutoff angular frequency is attenuated by the shape of the acoustic filters 21 and 22 and the like.
In addition, since what is equipped with such an acoustic filter is well-known (for example, refer patent document 3), detailed description is abbreviate | omitted.

以上のように本実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態3では、音響フィルタ21及び22を備えるので、測定管1自体を伝搬する超音波の高域波成分を減衰するので、測定管1自体を伝搬する超音波によるノイズ等を低減させることができる。よって、流速(流量)の計測精度を向上させることができる。
As described above, also in the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
Furthermore, in the third embodiment, since the acoustic filters 21 and 22 are provided, the high frequency component of the ultrasonic wave propagating through the measurement tube 1 itself is attenuated, so that noise caused by the ultrasonic wave propagating through the measurement tube 1 itself is reduced. Can be reduced. Therefore, the measurement accuracy of the flow velocity (flow rate) can be improved.

1 測定管、2A 超音波振動子、2B 超音波振動子、2C 超音波振動子、3 音響結合材、4 電源、5 増幅器、5A 増幅器、5C 増幅器、6 比較回路、6A 比較回路、6C 比較回路、7 演算回路、21 音響フィルタ、22 音響フィルタ、SW1 スイッチ、SW2 スイッチ。   1 measurement tube, 2A ultrasonic transducer, 2B ultrasonic transducer, 2C ultrasonic transducer, 3 acoustic coupling material, 4 power supply, 5 amplifier, 5A amplifier, 5C amplifier, 6 comparison circuit, 6A comparison circuit, 6C comparison circuit 7 arithmetic circuit, 21 acoustic filter, 22 acoustic filter, SW1 switch, SW2 switch.

Claims (5)

測定管内を流れる流体の流速を求める超音波流量計において、
円環状に形成され、前記流体の流れに沿って所定の距離を隔てて、前記測定管の外周面にその内周面が音響的に接触するように取り付けられる複数の振動子と、
上流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を下流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間と、下流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を上流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間との時間差に基づいて流体の流速を求める演算手段と
を備え、
前記演算手段は、
前記振動子が受信したトーンバースト波の形態の受信波のうち、
前記測定管に応じて予め定めた第1の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第1の時間差を、前記流体の流速がゼロのときの時間差として求め、
前記測定管に応じて予め定めた第2の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第2の時間差と、前記第1の時間差とに基づき、前記流体の流速を求める
ことを特徴とする超音波流量計。
In an ultrasonic flowmeter that calculates the flow velocity of fluid flowing in a measurement tube,
A plurality of transducers formed in an annular shape and attached to the outer peripheral surface of the measurement tube so that the inner peripheral surface thereof is in acoustic contact with the predetermined distance along the flow of the fluid;
And propagation time from the upstream side of the transducer until the outgoing ultrasound in the form of a tone-burst wave received by the transducer on the downstream side, originating in the form of a tone-burst wave from the vibrator downstream Computation means for obtaining the flow velocity of the fluid based on the time difference from the propagation time until the transducer on the upstream side receives the ultrasonic wave,
The computing means is
Of the received waves in the form of tone burst waves received by the vibrator,
A first time difference in propagation time at a rising or falling timing of a first predetermined period that is predetermined according to the measurement tube is obtained as a time difference when the fluid flow velocity is zero,
The flow velocity of the fluid is obtained based on the second time difference of the propagation time at the rising or falling timing of the second predetermined period that is predetermined according to the measuring tube, and the first time difference. Ultrasonic flow meter.
前記演算手段は、
前記振動子により受信される一つの受信波のうち、
前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最小となる周期が、前記第1の所定周期として設定され、
前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最大となる周期が、前記第2の所定周期として設定される
ことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
The computing means is
Of one received wave received by the vibrator,
The period determined according to the material and size of the measurement tube and the frequency of the ultrasonic wave, and the period at which the flow velocity sensitivity, which is the amount of time difference between the propagation times, is minimized is set as the first predetermined period. And
The period determined according to the material and size of the measuring tube and the frequency of the ultrasonic wave, and the period at which the flow velocity sensitivity, which is the amount of time difference of the propagation time, is maximized is set as the second predetermined period. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein:
前記振動子は、前記測定管の上流側及び下流側の2箇所に設けられ、
一方の振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、他方の振動子によって受信し、発信側と受信側の振動子を交互に切り換える
ことを特徴とする請求項1又は2記載の超音波流量計。
The vibrator is provided at two locations on the upstream side and the downstream side of the measurement tube,
3. The ultrasonic wave transmitted by applying alternating electrical energy to one vibrator is received by the other vibrator, and the vibrator on the transmitting side and the receiving side are alternately switched. Ultrasonic flow meter.
前記振動子は、前記測定管の上流側、中央及び下流側の3箇所に設けられ、
中央に設けられた振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、上流及び下流に位置する2つの前記振動子によって受信する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の超音波流量計。
The vibrator is provided at three locations on the upstream side, the center, and the downstream side of the measurement tube,
The ultrasonic wave according to claim 1 or 2, wherein ultrasonic waves transmitted by applying alternating electrical energy to a vibrator provided in the center are received by the two vibrators located upstream and downstream. Flowmeter.
前記測定管の外周面に付設されるフランジにより構成され、前記測定管を伝搬する超音波の高域波成分をカットする音響フィルタを備えた
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の超音波流量計。
5. The acoustic filter according to claim 1, further comprising: an acoustic filter configured by a flange attached to an outer peripheral surface of the measurement tube, wherein the acoustic filter cuts a high-frequency component of the ultrasonic wave propagating through the measurement tube. The described ultrasonic flowmeter.
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