JP5903584B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、特に超音波によって流速または流量を計測する装置に関するものである。

従来の超音波流量計は、図５に示すように、流路１に超音波センサＡ２および超音波センサＢ３を流れの方向に相対して設置しており、制御部４はタイマ５をスタートさせると同時に駆動回路６を動作させる。そして、まず、方向切り替え回路８により、超音波センサＡ２を送信側、超音波センサＢ３を受信側に設定し、駆動回路６により駆動された超音波センサＡ２から送信された超音波は、超音波センサＢ３で受信され、超音波センサＢ３の出力を受けた受信検知回路７により受信検知される。この際、タイマ５は超音波が送信されてから受信検知されるまでの伝搬時間ＴＡを計測する。

次に、制御部４は方向切り替え回路８を動作させ超音波の伝搬方向を切り替える。つまり駆動回路６は超音波センサＢ３に接続され、超音波センサＡ２の受信出力は受信検知回路７に接続される。あとは前述した方法と同様に逆方向への超音波の伝搬時間ＴＢを測定する。

そして、被計測流体の流速をＶ、被計測流体の流れ方向と超音波の伝搬経路の交差角をθ、２つの超音波センサ間の距離をＬとすると、流速Ｖは次式で求めることができる。

Ｖ＝Ｌ／２・ｃｏｓθ・（１／ＴＢ−１／ＴＡ）
従って、流路の断面積をＳとすると、被計測流体の流量Ｑは、
Ｑ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓθ・（１／ＴＢ−１／ＴＡ）
となる。

ここで、流路の断面積Ｓ、交差角θ、２つの超音波センサ間の距離Ｌは既知であるので、定数Ｃ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓθとすると
Ｑ＝Ｃ・（１／ＴＡ−１／ＴＢ）＝Ｃ・（ＴＢ−ＴＢ）／ＴＡ・ＴＢ・・・（式１）
と表すことができる。

しかしながら、実際には伝搬時間を測定する回路内の伝搬時間ＴＡを測定している経路と伝搬時間ＴＢを測定している経路とは異なる経路であり時間差が存在している。この時間差が流量測定時の誤差として発生するので、この誤差を解消するため流量がゼロのときのＴＡとＴＢとが同じ値となる補正値を保存手段９で保存し補正に使用している。

そして、回路内における経路の違いによる生じる時間差をΔＴとして、次式で流量Ｑを求めることができる。

なお、次式では、回路の経路の違いによりＴＡよりもＴＢの方がより時間を要するものとして、式１のＴＡについては、ΔＴ／２加算し、ＴＢについてΔＴ／２減算することで、誤差を解消するようにしている。

Ｑ＝Ｃ×［（ＴＢ−ΔＴ／２）−（ＴＡ＋ΔＴ／２）］／［（ＴＡ＋ΔＴ／２）×（ＴＢ−ΔＴ／２）］

特開平１１−３０４５５９号公報

しかしながら前記従来の構成では、保存手段９に保存された補正値は定数であるため、温度や電源電圧、経年変化等により回路の動作が変化し、異なる計測経路間の時間差が変動した場合、正確な補正ができず測定誤差が発生していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、誤差の少ない超音波流量計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、本発明の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路と、前記流路の上流側に設置された超音波センサＡ及び下流側に設置された超音波センサＢと、前記超音波センサＡから発信された超音波が前記被計測流体を伝搬し前記超音波センサＢで受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＡを測定する伝搬時間測定手段Ａと、前記超音波センサＢから発信された超音波が前記被計測流体を伝搬し前記超音波センサＡで受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＢを測定する伝搬時間測定手段Ｂと、前記伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂと同一半導体内で構成し前記半導体の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、調整時における前記伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂの測定時間の時間差ＴｄＡ、及び、前記遅延時間測定手段で計測された半導体の遅延時間ＴｄＢを保存する保存手段と、流量計測時における前記伝搬時間ＴＡと前記伝搬時間ＴＢとの時間差を、前記保存手段で保存した前記時間差ＴｄＡと前記遅延時間ＴｄＢと前記遅延時間測定手段で測定された遅延時間とで補正して流量を算出する演算手段を備えたもので、保存手段に保存した補正値を遅延時間測定手段の出力で補正するので、回路の遅延時間が変動した場合であっても適正な補正値を得ることができるものである。

本発明の超音波流量計は、伝搬時間測定手段における回路の経路の違いによる時間差を適正な補正値により補正することで正確な流量を計測することができる。

本発明の実施の形態１における全体のブロック図 本発明の伝搬時間測定手段Ａの接続を示すブロック図 本発明の伝搬時間測定手段Ｂの接続を示すブロック図 本発明の遅延時間測定手段の回路を示す回路図 従来の超音波流量計の全体のブロック図

第１の発明は、被計測流体が流れる流路と、前記流路の上流側に設置された超音波センサＡ及び下流側に設置された超音波センサＢと、前記超音波センサＡから発信された超音波が前記被計測流体を伝搬し前記超音波センサＢで受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＡを測定する伝搬時間測定手段Ａと、前記超音波センサＢから発信された超音波が前記被計測流体を伝搬し前記超音波センサＡで受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＢを測定する伝搬時間測定手段Ｂと、前記伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂと同一半導体内で構成し前記半導体の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、調整時における前記伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂの測定時間の時間差ＴｄＡ、及び、前記遅延時間測定手段で計測された半導体の遅延時間ＴｄＢを保存する保存手段と、流量計測時における前記伝搬時間ＴＡと前記伝搬時間ＴＢとの時間差を、前記保存手段で保存した前記時間差ＴｄＡと前記遅延時間ＴｄＢと前記遅延時間測定手段で測定された遅延時間とで
補正して流量を算出する演算手段を備えたものである。

そして、調整時に保存手段に保存した値は、伝搬時間測定手段Ａ、Ｂの温度や動作電圧、経時変化により実際の値がずれるが、同様に遅延時間測定手段の値も変化するので、その変化量に応じて保存手段に保存した値を補正し、ほぼ実動時の伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂとのずれを補正するので、正確な測定結果を得ることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記遅延時間測定手段がリングオシレータと発振周波数測定手段により構成されているもので、半導体の遅延時間が遅くなると前記リングオシレータの発振周波数は遅くなる。そして、この発振周波数を前記発振周波数測定手段により測定することで、演算手段はこの発振周波数の変化量で半導体の遅延時間を得ることができもので、容易な構成で半導体内に遅延時間測定手段が実現できる。

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限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、超音波流量計の全体のブロック図を示すものである。図に示すように、本実施の形態の超音波流量計は、被計測流体が流れる流路１の上流側に設置された超音波センサＡ２と、下流側に設置された超音波センサＢ３と、超音波センサＡ２から発信された超音波が流路１内を満たしている被計測流体を伝搬し超音波センサＢ３で受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＡを測定する伝搬時間測定手段Ａ１１と、逆に、超音波センサＢ３から発信された超音波が流路１内を満たしている被計測流体を伝搬し超音波センサＡ２で受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＢを測定する伝搬時間測定手段Ｂ１２と、伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２と同一半導体１３内で構成し前記半導体の遅延時間を測定する遅延時間測定手段１４を有している。

また、調整時に伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２とのとの時間差ＴｄＡ、及び、遅延時間測定手段１４で計測された半導体の遅延時間ＴｄＢを保存する保存手段１５と、実際の流量計測時に測定された伝搬時間ＴＡ’と伝搬時間ＴＢ’との時間差ＴｄＡ’を、保存手段１５で保存した時間差ＴｄＡと遅延時間ＴｄＢ及び遅延時間測定手段１４で測定されたこの時の半導体の遅延時間ＴｄＢ’で補正して流量を算出する演算手段１６とを備える。

ここで、調整時には、流量をゼロとして、伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２で計測された伝搬時間ＴＡと伝搬時間ＴＢの時間差ＴｄＡを補正値として保存手段１５で保存する。また、この時の時間差ＴｄＡは、半導体における伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２の経路の違いで生じるものであり、時間や温度によって変動を生じるものである。

図２および図３は本発明の第１の実施の形態における、超音波センサＡ２、超音波センサＢ３と伝搬時間測定手段Ａ１１および伝搬時間測定手段Ｂ１２の接続経路の違いを示すブロック図であり、以下、本実施の形態について、図１〜３を用いて説明する。

まず、図２に示すように、方向切り替え回路８により、超音波センサＡ２が駆動回路６に、超音波センサＢ３が受信検知回路７に接続される。この状態において、制御部４はタイマ５をスタートさせると同時に駆動回路６を動作させる。そして、駆動回路６により駆動された超音波センサＡ２から送信された超音波は、流路内の被計測流体を伝搬して超音波センサＢ３で受信され、超音波センサＢ３の出力を受けた受信検知回路７により受信検知される。この際、タイマ５は超音波が送信されてから受信検知されるまでの順方向の伝
搬時間ＴＡを計測する。

次に、図３に示すように、制御部４は方向切り替え回路８を動作させ超音波の伝搬方向を切り替える。つまり駆動回路６は超音波センサＢ３に接続され、超音波センサＡ２の受信出力は受信検知回路７に接続される。そして、伝搬時間ＴＡの計測と同様に逆方向の伝搬時間ＴＢを測定する。

ここで調整時に保存手段１５に保存した時間差ＴｄＡは、伝搬時間測定手段Ａ１１、Ｂ１２の温度や動作電圧、経時変化により実際の値とのずれが発生する。同様に遅延時間測定手段１４で計測される半導体の遅延時間ＴｄＢの値も変化し、その変化は、伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２と遅延時間測定手段１４とがいずれも同一半導体内で構成されているため、増減の値は相関のあるものとなる。

従って、流量計測時における伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２の経路の違いで生じる測定時間の時間差ＴｄＡ’は、ＴｄＡ’＝ＴｄＡ×（ＴｄＢ’／ＴｄＢ）として求めることができる。

演算手段１６では、求めた時間差ＴｄＡ’が実際の計測における伝搬時間測定手段Ａ１１と伝搬時間測定手段Ｂ１２との経路により生じるとみなし補正値として流量を演算により算出する。

以上により、伝搬時間測定手段における回路の経路の違いによる時間差を適正な補正値により補正することで正確な流量を計測することができる。

図４は本発明の第１の実施の形態における遅延時間測定手段１４を示す回路図であり、遅延時間測定手段１４をリングオシレータ１７とカウンタ１８とで構成している。リングオシレータはＮＡＮＤ１９と複数のインバータ２０とでリング状に構成され、入力信号ＡがＨＩでＮＡＮＤ回路の入力に入っている期間リングオシレータ１７は発振をし、その発振数をカウンタ１８でカウントする。

ここで、入力信号ＡをＬｏとする期間を電圧変動や温度変化による影響を受けにくい発振子を利用し一定の時間に制御することで、この時間内のリングオシレータ１７の発振数をカウントする。この発振数は遅延時間に反比例することになる。このようにして遅延時間を簡易な回路構成で半導体内部に実現することができる。

本発明の超音波流量計によると、伝搬時間測定手段における回路の経路の違いによる時間差を適正な補正値により補正することで正確な流量を計測することができる。

１ 流路
２ 超音波センサＡ
３ 超音波センサＢ
１１ 伝搬時間測定手段Ａ
１２ 伝搬時間測定手段Ｂ
１４ 遅延時間測定手段
１５ 保存手段
１６ 演算手段

Claims (2)

1. 被計測流体が流れる流路と、
   前記流路の上流側に設置された超音波センサＡ及び下流側に設置された超音波センサＢと、
   前記超音波センサＡから発信された超音波が前記被計測流体を伝搬し前記超音波センサＢで受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＡを測定する伝搬時間測定手段Ａと、
   前記超音波センサＢから発信された超音波が前記被計測流体を伝搬し前記超音波センサＡで受信されるまでの超音波の伝搬時間ＴＢを測定する伝搬時間測定手段Ｂと、
   前記伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂと同一半導体内で構成し前記半導体の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、
   調整時における前記伝搬時間測定手段Ａと前記伝搬時間測定手段Ｂの測定時間の時間差ＴｄＡ、及び、前記遅延時間測定手段で計測された半導体の遅延時間ＴｄＢを保存する保存手段と、
   流量計測時における前記伝搬時間ＴＡと前記伝搬時間ＴＢとの時間差を、前記保存手段で保存した前記時間差ＴｄＡと前記遅延時間ＴｄＢと前記遅延時間測定手段で測定された遅延時間とで補正して流量を算出する演算手段を備えた超音波流量計。
2. 前記遅延時間測定手段がリングオシレータと発振周波数測定手段からなる請求項１記載の超音波流量計。

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