JP5948566B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波を利用してガス、水などの流体の流れを計測する流量計測装置に関するものである。

従来のこの種の流体の流量計測装置は、図５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）。

この装置は流体の流れる流路２１に設置した第１超音波振動子２２および第２超音波振動子２３と、第１超音波振動子２２、第２超音波振動子２３の送受信を切り換える切換手段２４と、第１超音波振動子２２及び第２超音波振動子２３を駆動する送信手段２５と、受信側の超音波振動子で受信し切換手段２４を通過した受信信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段２６と、増幅手段２６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段２７と、図６に示すように基準比較手段２７で増幅後の受信信号Ａと基準電圧を比較し基準電圧より受信信号が大きくなった後の受信信号のゼロクロス点ａを検知する判定手段２８と、この判定手段２８で検知したタイミングから超音波の送受信の伝搬時間を計時する計時手段２９と、送信手段２５や増幅手段２６の制御を行い、計時手段２９の計時した時間に基づいて流速及びまたは流量を算出する制御手段３０、から構成されている。

この装置は制御手段３０により送信手段２５を動作させ第１超音波振動子２２で発信された超音波信号が、流れの中を伝搬し第２超音波振動子２３で受信され、増幅手段２６で増幅後、基準比較手段２７と判定手段２８で信号処理され、計時手段２９に入力される。そして、第１超音波振動子２２と第２超音波振動子２３とを切換手段２４により切り替えて、同様な動作を行う。そして被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝搬時間を計時手段２９により測定する。そして、被測定流体の流速を求め、式１より流量Ｑを求めていた。

ここで、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流への伝搬時間をｔ１、下流から上流への伝搬時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφ、流量をＱとする。

Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（ｎ／ｔ１−ｎ／ｔ２） ・・・（式１）
実際には、（式１）に流量に応じた係数をさらに乗じて流量を算出する。

また、増幅手段２６のゲインは、受信側の超音波振動子で受信した信号が一定振幅となるよう制御手段３０が増幅度を調整しており、受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。計測中に、図７の点線で示す受信信号ｂに示すように受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲の下限より下回ったり、同じく図７の点線で示す受信信号ｃに示すように所定の電圧範囲の上限より上回った場合、次回の流量計測時のゲインを調整する。例えば、下限より下回った場合は増幅度をアップして、図７の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の内に入るようにする。

また、増幅手段２６により増幅された受信信号と比較する基準比較手段２７の基準電圧は判定手段２８により検知するゼロクロス点の位置を決めるもので図６を例にすると受信信号の４波目のゼロクロス点ａを判定手段２８により検知するよう、空気中を伝搬するときの受信信号の３波と４波のピーク電圧の中点の電圧に設定される。そうすることにより
何らかの原因で受信信号の３波のピーク電圧が上昇、または４波のピーク電圧が減少しても双方に対してマージンをとれ、安定して判定手段２８により４波目のゼロクロス点ａが検知できるものである。

特開２００３−１０６８８２号公報

しかしながら、上記従来の流量計測装置において、基準電圧は常時固定値であった。例えば、安定してゼロクロス点を検知するために図６に示すように、空気中を伝搬するときの受信波のピーク電圧の間隔が一番広い３波ピークと４波ピークの中点に基準電圧を設定しており、計測対象が空気から空気以外のガスに変わった場合、ガスによっては受信波形が空気の場合から大きく変化する場合がある。

その結果、受信信号の３波のピークが大きく上昇した場合は３波目のゼロクロス点を誤検知してしまう。また、受信信号の４波のピークが大きく減少した場合は５波目のゼロクロス点を誤検知してしまうことになっていた。

従って、空気中を伝搬するときの受信波の３波ピークと４波ピークの中点に基準電圧を設定している従来の流量計測装置では、空気を測定する場合や空気での受信波形から変化が小さいガスを測定する場合は４波のゼロクロス点を安定して検知することで、高精度な流量の計測が可能であったが、空気での受信波形から変化が大きいガスを測定する場合は検知ポイントが３波のゼロクロス点や５波のゼロクロス点とばらつくことで伝播時間の計測精度が悪化し、結果流量の算出値の精度も悪化するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、増幅手段での増幅度に応じて基準電圧を変化させることで、様々なガスに対し安定して４波のゼロクロス点を測定できるようにして、計測精度の低下をきたすことのない流量計測装置の提供を目的とするものである。

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、被測定流体が流れる流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記第１、第２振動子を駆動する送信手段と、前記第１、第２振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記第１、第２振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段で比較する基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記判定手段で判定した超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時手段と、前記送信手段や前記増幅手段の制御を行い前記計時手段の計時した時間に基づいて被測定流体流速及びまたは流量を算出する制御手段と、前記基準電圧設定手段で設定する基準電圧を変更する基準電圧変更手段とを備え、前記制御手段は、前記増幅手段の増幅度を調整し、増幅後の受信波形の振幅を一定にし、前記基準電圧変更手段は、前記増幅手段での増幅度に応じて前記基準電圧を変更するようにしたものである。

これによって、増幅手段での増幅度に応じて基準電圧を変化させることで、様々なガスに対し安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波のゼロクロス点）のを測定できるため、超音波の伝搬時間を安定して測定でき、計測精度の低下をきたすことがない。

本発明の流量計測装置は、増幅手段での増幅度に応じて基準電圧を変化させることで、様々なガスに対し安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波のゼロクロス点）を測定できるようになる。従って様々なガスに対し安定して超音波の伝搬時間を測定できるようになるため、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがない。

本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図 様々なガスを計測した場合の増幅度と３波ピーク、４波ピーク及び中点の分布を示す図 本発明の実施の形態における受信信号からゼロクロス点ａの判定の動作説明図 本発明の実施の形態２における流量計測装置の構成図 従来の流量計測装置の構成図 従来の受信信号からゼロクロス点ａの判定の動作説明図 増幅度調整の動作説明図

第１の発明は、被測定流体が流れる流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記第１、第２振動子を駆動する送信手段と、前記第１、第２振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記第１、第２振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段で比較する基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記判定手段で判定した超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時手段と、前記送信手段や前記増幅手段の制御を行い前記計時手段の計時した時間に基づいて被測定流体流速及びまたは流量を算出する制御手段と、前記基準電圧設定手段で設定する基準電圧を変更する基準電圧変更手段とを備え、前記制御手段は、前記増幅手段の増幅度を調整し、増幅後の受信波形の振幅を一定にし、前記基準電圧変更手段は、前記増幅手段での増幅度に応じて前記基準電圧を変更することにより、様々なガスに対し安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波のゼロクロス点）を測定できるようになり、安定して超音波の伝搬時間を計測できるため、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがないものである。

第２の発明は、特に、第１の発明の流量計測装置において、前記基準電圧変更手段は、前記基準電圧を増幅度の一次関数となるように変更するものである。

これにより、様々なガスに対し簡単に基準電圧を算出でき、安定して４波のゼロクロス点を測定できるようになり、安定して超音波の伝搬時間を計測できるため、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがないものである。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の流量計測装置において、前記基準電圧変更手段は、特定の被計測流体を用いて事前に基準電圧を学習し、学習したときの増幅度Ｇ０及び基準電圧Ｖ０を記憶する学習情報記憶手段を備え、学習時の増幅度Ｇ０及び基準電圧Ｖ０を基準として前記基準電圧を変更するものである。

これにより、様々なガスに対し簡単に基準電圧を算出でき、安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波のゼロクロス点）を測定でき、安定して超音波の伝搬時間を計測できるため、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがないものである。また、流量計測装置ごとに基準電圧の学習を行い、その学習時の増幅度と基準電圧を基準に、計測時の基準電圧を変更するため、流量計測装置の個体バラつき小さくすることができ、更に流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがないものである。

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）
実施の形態１について、図１〜３を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１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、様々なガスを計測した場合の増幅度と、３波ピーク、４波ピーク及びそれらの中点の分布を示すものである。図３は、受信信号からゼロクロス点の判定の動作説明図である。

図１において、本発明の流量計測装置は、被測定流体が流れる流路１の途中に超音波を送信する第１超音波振動子２（第１振動子）と受信する第２超音波振動子３（第２振動子）が距離を置いて配置されている。

５は送信側の超音波振動子への送信手段であり、４は第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段、６は受信側の超音波振動子で受信した信号を制御手段１０からの指示による増幅度で増幅する増幅手段、７は前記増幅手段６で増幅された受信信号と基準電圧とを比較し信号を出力する基準比較手段である。

８は基準比較手段７の出力と前記増幅手段６で増幅された受信信号とから超音波の到達時期を判定する判定手段、９は判定手段８で判定された超音波の到達時期から超音波の送受信の伝播時間を計時する計時手段である。１０は計時手段９の計時した伝搬時間に応じて流体の流速や流量を算出し、また送信手段５や増幅手段６を制御する制御手段である。

また、１１は制御手段１０から増幅手段６へ指示している増幅度に応じて基準電圧を増幅度の一次関数となるように変更する基準電圧変更手段である。１２は基準電圧変更手段１１で変更された基準電圧を基準比較手段７に設定する基準電圧設定手段である。

以上のように構成された流量計測装置について以下その動作、作用を説明する。

まず、制御手段１０は、増幅手段６の増幅度を調整し、増幅後の受信波形の振幅を一定にする。増幅度の調整方法は従来例と同じなので省略する。流量計測を開始すると制御手段１０は送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する。この時から計時手段９は計時を開始する。

第２超音波振動子３で受信された超音波信号は増幅手段６で増幅され、基準比較手段７、判定手段８へ出力される。基準比較手段７は受信信号と基準電圧（図３では３波ピークと４波ピークの中点を基準電圧にしている）とを比較し判定手段８へ信号を出力する。

判定手段８は基準比較手段７の信号が出力された時点（図３でのタイミングｃ）から有効になる。判定手段８が有効になってから増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点（図３でのゼロクロス点ａ）を検知するまで計時手段９は計時を行う。

判定手段８によりゼロクロス点（図３でのゼロクロス点ａ）の検知後、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３の送受信を切換手段４で切り換え、同様に第２超音波振動子３から送信し第１超音波振動子２で受信したときの計時を行う。

そして、この一連の動作を予め設定された回数繰り返し行う。

第１超音波振動子２から送信したときの時間と第２超音波振動子３から送信したときの時間は、それぞれ所定の回数分累積して計時される。所定の繰り返し回数終了後、制御手段１０は、第１超音波振動子２から送信したときの累積時間と第２超音波振動子３から送信したときの累積時間からそれぞれの超音波振動子から送信した場合の伝播時間を算出し、流速を算出して流量を算出する。

基準電圧変更手段１１は、基準比較手段７で比較する基準電圧を増幅手段６での増幅度に応じて増幅度の一次関数となるように算出する。基準電圧設定手段１２は算出された基準電圧を新たな基準電圧として基準比較手段７に設定する。

図２は、複数の流量計測装置で種々のガスを測定した場合の増幅度と増幅後の３波頂点、４波頂点及びそれらの中点の分布の測定結果の一例を示す図である。

ガス種によって超音波の減衰の度合いは異なるため、受信側の超音波振動子から出力される受信信号の振幅は、測定対象のガスによって異なる。従って、増幅手段６での増幅度は、計測対象のガスによって異なることになる。

受信波形の最大振幅は一定になるように増幅しているが、増幅度に応じて受信波形が少しずつ変化し、結果、増幅度が大きくなるにつれ３波頂点、４波頂点及びそれらの中点の電圧が直線状に徐々に高くなっていくことがグラフから読み取ることができる。また、流量計測装置の個体バラつき等のため増幅度に対し、３波ピーク、４波ピーク、中点の分布にバラつきが存在することがわかる。

ここで、本発明の流量計測装置は、基準電圧変更手段１１で、基準電圧を増幅度の一次関数になるように変更するので、様々な増幅度のガスに対し、基準電圧の位置が常に３波頂点と４波頂点の中間に安定して設定することができる。

その結果、様々なガスに対し常に安定して４波のゼロクロス点を測定でき、安定して超音波の伝搬時間を計測できるため、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがない。

また、本発明の実施の形態１では、図３での４波のゼロクロス点であるゼロクロス点ａから超音波の伝搬時間を計測する形態で説明しているが、例えば、５波のゼロクロス点であるゼロクロス点ｂで伝搬時間を計測しても同じ効果がある。また、ゼロクロス点ａだけから伝搬時間を計測するのではなく、例えばゼロクロス点ａ、ゼロクロス点ｂ、ゼロクロス点ｃ、ゼロクロス点ｄと複数のゼロクロス点から伝搬時間を計測しても同じ効果を得ることが出来る。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について、図４を用いて説明する。

本実施の形態と実施の形態１の流量計測装置との相違点は、流量計測装置ごとに、ある標準ガス（例えば空気）で基準電圧を学習し、その時の学習情報（増幅度、基準電圧）を学習情報記憶手段１３に記憶させ、この学習情報の増幅度と基準電圧を基準に増幅度に応じて、基準電圧が増幅度の一次関数となるように基準電圧を変更するものである。

従って、本発明の流量計測装置は、基準電圧変更手段１１で基準電圧を増幅度の一次関数になるように変更するので、様々な増幅度のガスに対し、基準電圧の位置が常に３波頂点と４波頂点の中間にくるように、簡単な算出で設定することができる。その結果、様々なガスに対し、常に安定して４波のゼロクロス点を測定でき、安定して超音波の伝搬時間
を計測できるため、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがない。

更に、流量計測装置ごとに、標準ガスで基準電圧を学習し、その時の増幅度と基準電圧を基準にして基準電圧を変更するので、流量計測装置の個体バラつきを小さくすることができ、流量計測装置として計測精度の低下をきたすことがない。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、様々なガスに対して安定して超音波の伝搬時間を計測できるので、流速や流量の計測精度を確保することができ、様々な気体の計測器や家庭用から業務用に至る大型のガスメータ等の幅広い用途に適用できる。

１ 流路
２ 第１超音波振動子（第１振動子）
３ 第２超音波振動子（第２振動子）
４ 切換手段
５ 送信手段
６ 増幅手段
７ 基準比較手段
８ 判定手段
９ 計時手段
１０ 制御手段
１１ 基準電圧変更手段
１２ 基準電圧設定手段
１３ 学習情報記憶手段

Claims (3)

1. 被測定流体が流れる流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、
   前記第１、第２振動子を駆動する送信手段と、
   前記第１、第２振動子の送受信を切り換える切換手段と、
   前記第１、第２振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段の出力と基準電圧とを比較する基準比較手段と、
   前記基準比較手段で比較する基準電圧を設定する基準電圧設定手段と、
   前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、
   前記判定手段で判定した超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時手段と、
   前記送信手段や前記増幅手段の制御を行い前記計時手段の計時した時間に基づいて被測定流体流速及びまたは流量を算出する制御手段と、前記基準電圧設定手段で設定する基準電圧を変更する基準電圧変更手段とを備え、
   前記制御手段は、前記増幅手段の増幅度を調整し、増幅後の受信波形の振幅を一定にし、前記基準電圧変更手段は、前記増幅手段での増幅度に応じて前記基準電圧を変更する流量計測装置。
2. 前記基準電圧変更手段は、前記基準電圧を増幅度の一次関数となるように変更する請求項１記載の流量計測装置。
3. 前記基準電圧変更手段は、特定の被計測流体を用いて事前に基準電圧を学習し、学習したときの増幅度Ｇ０及び基準電圧Ｖ０を記憶する学習情報記憶手段を備え、学習時の増幅度Ｇ０及び基準電圧Ｖ０を基準として前記基準電圧を変更する請求項１または２記載の流量計測装置。