JP5895148B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は時間計測を利用してガス、水などの流体の流を計測する流量計測装置に関するものである。

従来この種の流体の流量計測装置は、図６に示すようなものが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。

この装置は、流路１の上流側と下流側とに第１振動子２、第２振動子３を設けて構成されている。流路１内の白抜き矢印４は流体の流れ方向を示し、超音波の伝播路５とは角度θで交差している。

この構成において、送信手段７から送信信号が切換手段８を介して上流側の第１振動子２に伝達され、超音波が流路１内に送信され、流体を伝播して下流側の第２振動子３で受信される。受信された超音波信号は切換手段８を介して受信手段９に伝達される。この時、時間計測手段１０において送信から受信までの時間が計測される。

次に、送信手段７から送信信号が切換手段８を介して下流側の第２振動子３に伝達され、超音波が流路１内に送信され、流体を伝播して上流側の第１振動子２で受信される。受信された超音波信号は切換手段８を介して受信手段９に伝達される。この時、時間計測手段１０において送信から受信までの時間が計測される。

なお、時間分解能を上げたい場合には、受信手段９で超音波信号を受信したら、時間計測手段１０を素通りし、送信手段７に信号を伝達し、２〜２５６回もの多数回繰り返し送信、受信をする方法がある（シングアラウンド計測方法）。この場合には、時間計測手段１０では、繰り返し回数とト−タル時間とが計測される。

ここで、第１振動子２、第２振動子３間の有効距離をＬ、流体の流速をＶ、流体中を伝播する超音波の音速をＣ、流体の流れ方向と超音波の伝播方向の交差角をθとすると、上流側の第１振動子２から下流側の第２振動子３への超音波伝播時間Ｔａおよび 、下流側の第２振動子３から上流側の第１振動子２への超音波伝播時間Ｔｂは、以下のように示される。

Ｔａ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
Ｔｂ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
これより、
Ｃ＋Ｖｃｏｓθ＝ Ｌ／Ｔａ
Ｃ−Ｖｃｏｓθ＝ Ｌ／Ｔｂ
よって、
２×Ｃ＝Ｌ（１／Ｔａ＋ １／Ｔｂ）
これより、超音波の音速は、上記２式を足し算し、
Ｃ＝Ｌ／２×（１／Ｔａ＋ １／Ｔｂ）
となる。

また、流体の流速Ｖは、上記２式を引き算し、
２×Ｖｃｏｓθ＝Ｌ（１／Ｔａ−１／Ｔｂ）
となる。
これより、流体の流速Ｖは、
Ｖ＝Ｌ／２×ｃｏｓθ×（１／Ｔａ− １／Ｔｂ）
と演算される。

ここで、超音波送受信器間の有効距離Ｌおよび交差角θは、予め決められた定数であるから、超音波伝播時間ＴａおよびＴｂを時間計測手段１０で計測することにより、流体の流速Ｖが得られる。また、予め決められた流路１の断面積を乗算することにより、流体の流量Ｑが演算される。以上の演算処理は流量演算手段１１で実施される。

図７に、第１振動子２、第２振動子３で送信、受信される信号を示す。矩形波１３は、第１振動子２あるいは第２振動子３に印加される送信信号を示す。正弦波状の受信信号１４は、第１振動子２あるいは第２振動子３で受信、増幅された受信信号を示す。

一般的に時間計測の受信点は、受信信号がある閾値（破線１５）を越えた次のゼロクロス点１６を用いることが多い。この場合、送信信号の矩形波の立上がり時刻Ｔｓｔが送信開始時刻であり、ゼロクロス点１６が受信時刻Ｔａｒなる。

したがって、時間計測手段１０で計測される超音波の伝播時間Ｔｐｒは、時刻Ｔａｒと時刻Ｔｓｔ間の時間となる。すなわち、Ｔｐｒ＝Ｔａｒ−Ｔｓｔとなる。

しかしながら、図７に示す受信信号１４から明らかなように、伝播してきた超音波が第１振動子２あるいは第２振動子３によって受信される時刻は、受信信号１４の先頭であるＴｒｅである。時刻Ｔｒｅと時刻Ｔａｒとの間の時間遅れＴｄは、受信側の第１振動子２または第２振動子３に超音波が到着したあと、受信手段９で受信されるまでの時間遅れＴｄと考えることができる。そして、この時間遅れＴｄは、第１振動子２あるいは第２振動子３の個々の特性に大きく依存している。

したがって、上流側の第１振動子２から下流側の第２振動子３への超音波伝播時間Ｔａの中には、受信側の超音波送受信器である下流側の第２振動子３の特性で決まる時間遅れ（Ｔｄ３とする）が含まれる。また、下流側の第２振動子３から上流側の第１振動子２へ超音波伝播時間Ｔｂの中には、受信側の超音波送受信器である上流側の第１振動子２の特性で決まる時間遅れ（Ｔｄ２とする）が含まれる。

このように、超音波送受信器の特性で決まる固有の時間Ｔｄ２およびＴｄ３を、オフセット値として予めオフセット値記憶手段１２に記憶させておき、上記で説明した流量演算時に、それぞれ計測された超音波伝播時間ＴａおよびＴｂから、それぞれのオフセット値Ｔｄ２およびＴｄ３を引き算処理することにより、より正確な超音波伝播時間が得られることになり、より正確な流量値が演算される。

この場合、上流側および下流側のオフセット値は、それぞれの第１振動子２および第２振動子３で受信された受信波形の周期の２．５倍である。このように受信側の超音波送受信器のオフセット値を計測された超音波伝播時間から差し引くことにより、流量値を高精度に演算することができ、精度の高い流量計測装置が実現できる。

さらに、温度変化や経時変化などにより、流量計の誤差項（オフセット値）が変動する場合がある。このため、例えば、一日毎に、あるいは一週間毎に、あるいは一ヶ月毎に、のように定期的にオフセット値を計測し、更新することにより、より安定した流量計を実現することができる。また、外部ＳＷなどを設け流量計を移動させた時や、あるいは設置した場合、あるいは周囲の環境が大きく変化した時などにオフセット値を計測し、更新するようにすれば、より安定した、環境変化に強い流量計を実現することができる。

また、外部から遠隔操作などにより、オフセット値を計測し、更新するようにすれば、より安定した流量計を実現することができる。これらの場合、計測される流量値を監視し、計測される最低流量値の変動と連動して、オフセット値を計測・更新するようにしてもよい。即ち、最低流量値が負と表示される場合などオフセット値を計測・更新するようにするとよい。この構成により、数年〜数十年の長期間にわたって安定した、信頼性の高い流量計が実現できる。

また、流量計にオフセット記憶部を設け、オフセット値の更新時刻と更新前後のオフセット値を記憶するようにした。この構成により、例えば、出荷時のオフセット値からある一定の幅を越えてオフセット値が更新された場合に、流量計異常であると判定することも可能となる。

特許第４７９２６５３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、第１振動子２，第２振動子３の特性から生じるオフセット量を補正する流量計測だけでは流量計測部の電圧変化がある場合に対応できない課題を有していた。

すなわち、従来の流量計測装置では、微小な電圧変化がある場合に受信部分の電気回路を含めた供給電圧に依存する電圧オフセットを補正する対応ができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、初期ゲインと現在のゲインの差に基づいて計測系への供給電圧を推定し、電圧変動のオフセット流量の補正を行う流量計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流路を流れる被測定流体の流量信号を入力する受信手段と、所定の供給電圧で計測した時の前記受信手段のゲインを記憶するゲイン記憶手段と、前記受信手段の出力信号を用いて流量を算出する流量演算手段と、前記ゲイン記憶手段に記憶されたゲインと現在のゲインに基づいて、供給電圧を推定する供給電圧推定手段と、前記流量演算手段で算出された流量を前記供給電圧推定手段で推定された供給電圧に基づいて算出したオフセット流量で補正する流量補正手段と、を備えたものである。

これによって、算出された流量を所望の電圧でオフセット流量を補正することが可能になる。

本発明の流量計測装置によれば、計測系への供給電圧を高精度で求めることにより、算出された流量を求めた供給電圧に基づいたオフセット流量で補正することが可能になる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 同計測装置における送信受信波を示すタイミングチャート 同計測装置における受信波を示す図 同計測装置における受信手段のゲインと供給電圧の関係を示すグラフ 同計測装置におけるゼロクロス点のオフセットの状態を示す図 従来の流量計測装置のブロック図 従来の流量計測装置の受信波を示すタイミングチャート

第１の発明は、流路を流れる被測定流体の流量信号を入力する受信手段と、所定の供給電圧で計測した時の前記受信手段のゲインを記憶するゲイン記憶手段と、前記受信手段の出力信号を用いて流量を算出する流量演算手段と、前記ゲイン記憶手段に記憶されたゲインと現在のゲインに基づいて、供給電圧を推定する供給電圧推定手段と、前記流量演算手段で算出された流量を前記供給電圧推定手段で推定された供給電圧に基づいて算出したオフセット流量で補正する流量補正手段と、を備えたものである。

そして、計測系への供給電圧を高精度で求めることにより、算出された流量を求めた供給電圧に基づいたオフセット流量で補正することが可能になる。

第２の発明は、流路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子からの信号を受信する受信手段と、一方の前記振動子から発信された超音波信号を前記受信手段が受信するまでの伝播時間を計時する時間計測手段と、前記時間計測手段により計測した伝播時間から流体の流速を計測し、該流速から体積流量を算出する流量演算手段と、所定の供給電圧で計測した時の前記受信手段のゲインを記憶するゲイン記憶手段と、前記ゲイン記憶手段に記憶されたゲインと現在のゲインに基づいて、供給電圧を推定する供給電圧推定手段と、前記流量演算手段で算出された流量を前記供給電圧推定手段で推定された供給電圧に基づいて算出したオフセット流量で補正する流量補正手段と、を備えたものである。

そして、計測系への供給電圧に基づいて流量演算手段で算出された流量を所望の供給電圧でオフセット流量を補正する流量補正が可能になる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記流量補正手段は、前記時間計測手段で計時された伝播時間と前記供給電圧推定手段で求めた電圧から特定されるオフセット量の補正値を学習する補正学習手段を有すること、を特徴とするものである。

そして、供給電圧によるオフセット量を学習することによりより補正の精度を向上することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が特定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置の構成図を示すものである。図２は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置の送信受信波を示すタイミングチャートである。

図１において、流路１の途中に超音波を送受信する第１振動子２と第２振動子３が配置されている。そして、第１振動子２を駆動し超音波信号の送受信の伝播時間を計時する時間計測手段１０と、時間計測手段１０により計測した伝播時間から流体の流速を計測し、該流速から体積流量を算出する流量演算手段１１と、計測系全体６に電力を供給する電源手段１９と、受信手段９の増幅度（ゲイン）を記憶するゲイン記憶手段２１、ゲイン記憶
手段２１の値と受信手段９のゲインを比較して電源手段１９からの供給電圧を推定する供給電圧推定手段２２、供給電圧推定手段２２で推定した供給電圧に基づいて、流量演算手段１１で算出された流量を所望の電圧でオフセット流量を補正する流量補正手段２３を有するものである。さらに、送信手段７と第１振動子２、および第２振動子３と受信手段９の間に切換手段８を設け、第１振動子２と第２振動子３が超音波の送受信を切換えて動作するようにしている。

次に、上記の構成において、超音波の伝播時間を求める方法を説明する。

まず、通常の流速または流量計測の動作を説明する。

制御手段２０からスタート信号を受けた送信手段７が第１振動子２を一定時間パルス駆動行うと同時に時間計測手段１０は発振手段２４の基準クロックを用いて時間計測を始める。パルス駆動された第１振動子２からは超音波が送信される。

第１振動子２から送信した超音波は被測定流体を伝播し、第２振動子３で受信される。第２振動子３の受信出力は、受信手段９で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。この超音波の受信を決定した時点で時間計測手段１０の動作を停止し、その時間情報から流速を求める。

なお、受信手段９はコンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっている。

ここで、第１振動子２と第２振動子３間の超音波の伝播時間をｔ、第１振動子２と第２振動子３間の有効距離をＬ、被測定流体の流れ方向と超音波の伝播方向の交差角をθ、音速をＣとすると、この被測定流体の流速Ｖは、次式で求めることができる。

Ｖ＝（１／ｃｏｓθ）×（Ｌ／ｔ）−Ｃ ・・・（式１）
また、第１振動子２と第２振動子３との送信、受信方向を切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝播時間を測定することで、次式（式２、３，４）より流速Ｖを求めることができる。

ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ×ｃｏｓθ）・・・・・・・・（式２）
ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ×ｃｏｓθ）・・・・・・・・（式３）
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）×（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（式４）
ここで、ｔ１は上流から下流への測定時間、ｔ２は下流から上流への測定時間である。

この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速Ｖが求まると、それに流路１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

この動作を図２のタイミングチャートと図３の受信波形で説明する。制御手段２０による時刻ｔ０における開始信号（図２（ａ）のＨ→Ｌ）から計測を開始すると同時に送信手段７を介して第１振動子２を駆動する（図２（ｂ））。そこで発生した超音波信号は流路内の被測定流体を伝播し超音波は第２振動子３に到達して受信される（図２（ｃ））。

そして、第２振動子３で受信された受信信号は受信手段９で増幅され、図３に示すように、その信号レベルが予め定めた値（Ｖｒｅｆ）になると受信波が到達したことを判定し、Ｖｒｅｆ後の最初の零クロス点を受信点（ｔａ）として、この受信点（ｔａ）までの時間Ｔａを時間計測手段１０で求める。なお、図２における時刻ｔ１は、この受信点（ｔａ
）の時刻を示す。

次に、切換手段８で送受信を切換えて同様の動作を行い時間計測手段１０で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて流量演算手段１１が流量を算出する。

ここで、ゲイン記憶手段２１を用いる動作を説明する。図３に示すように受信信号はＶｒｅｆの後にピーク電圧に達し、その後減衰していく。受信手段９はこの受信信号のピーク値が一定以内に入るよう受信信号の増幅度（ゲイン）を調整している。この調整を行わないと受信信号が飽和してしまったり、反対に受信波が微弱なのにゲインが不足してＶｒｅｆまで受信信号が大きくならず伝播時間を測定できなくなってしまう。

これを避けるため受信手段９には通常ピーク値を一定値に設定するため、例えば、図３のＶＨ，ＶＬにピーク値が入るようなオートゲイン機能が備わっている。

計測系の回路は通常安定な電源供給を行っているが、微小な電圧変動は避けられない。また、計測系を組み立てた初期は供給電圧も高く回路も経年変化が無い状態である。

ここで振動子間の伝播時間を最初に測定し、受信手段９の初期ゲインをゲイン記憶手段２１で記憶しておく。供給電圧が高いと送信手段７の駆動信号も大きく、その結果受信信号の波形も大きいためゲインは小さくてよい。その後、流量計測装置が設置されて稼働し始めると電源手段の電圧は例えば電池を電源として用いている場合では低下する一方である。

そして、供給電圧が低下すると送信手段７の駆動信号も小さくなり、その結果、受信信号の波形が小さくなるため受信手段９はピーク電圧をＶＨ，ＶＬ間に保つためゲインを大きくしなければならない。

以上のようにゲインと電圧には相関関係があり、例えば、図４に示すようにゲインが高い状態Ｇ１では電圧が低くＶ１のようになる。反対にゲインが低い状態Ｇ２では電圧が高くＶ２のようになる。

そして、出荷時に電圧をＶ１，Ｖ２としてそれぞれ電圧でのゲインを測定することで、設置後のゲインがＧｘとなれば供給電圧を内挿などによりＶｘと推定できる。

Ｇ１より高いゲインやＧ２より低いゲインにおける電圧は同様に外挿などにより補間して求めることができる。

このゲインと電圧の関係は、例えば計測系を内臓した半導体を検査する際などにあらかじめ求めて不揮発性の記憶手段にその関係を保存することで供給電圧推定手段２２の演算を容易にすることができる。このように受信手段９のゲインの電圧特性を用いて供給電圧推定手段２２で供給電圧を求める（推定する）。

次に、この供給電圧推定手段２２で求めた供給電圧を用いてオフセット流量を補正する方法を説明する。

受信手段などを実現する半導体は電圧依存性がある。同様に計測部を実現している電子回路も電圧依存性があり零点となる基準電圧も供給電圧によって変動する可能性がある。まず、この点について、図３の受信点ｔａ付近を拡大して説明する。

図５は、この受信点ｔａ付近の拡大図で、図に示すように通常出荷時の電圧での零点電
圧を零基準ｐとすると回路によっては供給電圧が上昇することにより零基準ｑとなり伝播時間となる零クロス点通過時間はｔ１ｑと早くなる。反対に供給電圧が低下すると零基準ｒとなり伝播時間となる零クロス点通過時間はｔ１ｒと遅くなる。なお、計測回路の電圧特性によってはこの逆の場合もある。

この零クロス点の特性が上流側の第１振動子２が送信側の場合と、下流側の第２振動子３が送信側の場合で使用する送信手段７から受信手段９までの経路による電圧特性が異なると零基準が異なるだけでなく、伝播時間そのものに差を発生することになる。

伝播時間に差があると上述しているように流量演算において流量のオフセットが発生することになる。

例えば、零基準が零基準ｐから零基準ｑ方向へずれた場合、上流側の第１振動子２が送信側に設定された場合の零クロス点通過時間ｔ１ｑ（２→３）と下流側の第２振動子３が送信側に設定された場合の零クロス点通過時間ｔ１ｑ（３→２）との時間差によりオフセット流量が生じる。同様に零基準がｔ１からｔ１ｒ方向へずれた場合、上流側の超音波振動子が送信側に設定された場合のｔ１ｒ（２→３）と下流側の超音波振動子が送信側に設定された場合のｔ１ｒ（３→２）との時間差によりオフセット流量が生じる。
このオフセット流量を供給電圧推定手段２２で求めた電圧と流量演算手段１１で求めた流量を用いて流量補正手段で補正して求め、再度、流量演算手段１１に返して流量を求めることが可能である。

例えば、ガスメータでは設置初期の電源電圧は容易に測定可能である。この時に電源電圧を例えば可変可能な安定電源などで電圧と受信ゲインの関係を把握して、ゲイン記憶手段２１にゲインと電圧の関係を記憶しておく。

一方、流量を０として、所定の電圧において流量演算手段１１で計測された流量をオフセット流量として求めておき、このオフセット流量を流量補正手段２３でその電圧とオフセット流量の関係として記憶しておく。

そして、２つのゲインによる供給電圧推定手段２２で推定した電圧を用い、その途中の電圧によるオフセット流量を流量補正手段２３で電圧の高い場合のオフセット流量と電圧が低い場合のオフセット流量から内挿してオフセット流量を補正することが可能となる。

つまり、ゲインから供給電圧を推定し、記憶している電圧とオフセットの関係より流量補正手段２３でオフセット流量を求め流量演算手段１１で求めた流量値の補正を行う。

なお、ゲイン記憶手段には、ゲインと電圧、電圧とオフセット流量の関係を個々に記憶しておきその関係を演算で推定しても良いし、ゲインと電圧とオフセットの３つの関係をテーブルとして記憶しておいても良い。

また、初期ゲインのみを記憶し、初期ゲインから高くなっていく場合に供給電圧推定手段２２で初期ゲインからの上がったゲイン分に予め設定しておいた係数を乗じることで電圧を推定し、初期ゲインからの変化量のみで電圧を推定することで、オフセット量をゲインから簡単に演算するだけでもある程度の補正が可能である。

また、ゲインの調整は受信時に必ず行うため受信時の電圧は、ほぼ同時刻での推定することが可能である。なお、流量０が継続する時間が利用者によって異なるが、予め定めた流量以下である一定した流量が連続して継続している場合には０流量であると見做し、この時の流量がオフセット成分であると判断して電圧とオフセット流量を流量補正手段２３
に記憶して学習することが可能である。

このように０流量でのオフセット流量を供給電圧で補正することにより流量演算を精度よく実現することが可能になる。

また、ゲインの分解能を高めての２点だけでなく、３点以上でのゲインから求めた供給電圧におけるオフセット流量を流量計測装置を製造する過程や計測部の製造過程において予め測定して記憶させておくことも可能である。さらに、本発明の電圧を求める方法では電圧測定用のＡＤ変換器のような回路を別途設ける必要が無く実施が容易である。

流量計測の説明を超音波を用いた例で示したが、これに限定されるものでは無い。
熱式の流量計測装置など他の方式による流量計測でも流量信号を受信する回路の増幅率（ゲイン）を制御する機能は搭載されていることが多い。これらの受信手段のゲイン特性を用いることにより供給電圧を推定することは可能になり、同様の効果が期待できる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は流路の流量信号を入力する受信手段の信号増幅度（以下ゲイン）を記憶し、ゲインを比較して供給電圧を推定し、その推定した供給電圧に基づいて流量演算手段で算出された流量を所望の電圧でオフセット流量を補正する。

これにより、部品点数を増加することなく供給電圧を検出することができ、該電圧に対する流量オフセット量を学習していくことでオフセット補正の精度向上が可能になる。

１ 流路
２ 第１振動子（振動子）
３ 第２振動子（振動子）
７ 送信手段
９ 受信手段
１０ 時間計測手段
１１ 流量演算手段
１９ 電源手段
２１ ゲイン記憶手段
２２ 供給電圧推定手段
２３ 流量補正手段

Claims (3)

1. 流路を流れる被測定流体の流量信号を入力する受信手段と、
   所定の供給電圧で計測した時の前記受信手段のゲインを記憶するゲイン記憶手段と、
   前記受信手段の出力信号を用いて流量を算出する流量演算手段と、
   前記ゲイン記憶手段に記憶されたゲインと現在のゲインに基づいて、供給電圧を推定する供給電圧推定手段と、
   前記流量演算手段で算出された流量を前記供給電圧推定手段で推定された供給電圧に基づいて算出したオフセット流量で補正する流量補正手段と、
   を備えた流量計測装置。
2. 流路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、
   前記振動子を駆動する送信手段と、
   前記振動子からの信号を受信する受信手段と、
   一方の前記振動子から発信された超音波信号を前記受信手段が受信するまでの伝播時間を計時する時間計測手段と、
   前記時間計測手段により計測した伝播時間から流体の流速を計測し、該流速から体積流量を算出する流量演算手段と、
   所定の供給電圧で計測した時の前記受信手段のゲインを記憶するゲイン記憶手段と、
   前記ゲイン記憶手段に記憶されたゲインと現在のゲインに基づいて、供給電圧を推定する供給電圧推定手段と、
   前記流量演算手段で算出された流量を前記供給電圧推定手段で推定された供給電圧に基づいて算出したオフセット流量で補正する流量補正手段と、
   を備えた流量計測装置。
3. 前記流量補正手段は、前記時間計測手段で計時された伝播時間と、前記供給電圧推定手段で求めた電圧から特定されるオフセット量の補正値を学習する補正学習手段を有する請求項１または２記載の流量計測装置。