JP7203353B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、一対の送受信可能な超音波振動子を用いて超音波の伝搬時間を測定し、被測定流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来の超音波流量計に用いられている超音波伝搬時間の測定方法は、一対の送受信可能な超音波振動子を対向して配置し、一方の超音波振動子をバースト信号で駆動し、超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信して測定していた。図５は、伝搬時間の測定方法を説明する為の受信波形のイメージ図で、横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。図中の起点Ｔ０は駆動波１３の開始時点を、終点Ｔ１は駆動開始後、第ｍ（図ではｍ＝３）波終了時点を示す。受信波１４の起点Ｒ０は受信開始時点を、終点Ｒ１は受信開始後、第ｍ波終了時点を示す。

このように、駆動波１３の第１波目のゼロクロス点を起点Ｔ０とし、他方の超音波送受信器で受信した受信波１４の第ｍ波目を終点Ｒ１として、起点Ｔ０と終点Ｒ１との間の伝搬時間ＴＰを測定し、駆動波数から想定される受信遅れ時間ＴＲを予め設定しておき、伝搬時間ＴＰから受信遅れ時間ＴＲを引いて流量計測用の伝搬時間ＴＰ０を求め、この伝搬時間ＴＰ０を用いて流体の流速を計測し、流量を演算していた。

図６は、特許文献１に記載された超音波流量計の構成を示すものである。この超音波流量計は流体の流れる測定流路１０１に設置した超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２を駆動する駆動回路１０３と、駆動回路１０３にスタート信号を出力する制御部１０４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部１０５と、超音波振動子１０２から送信した超音波を受ける超音波振動子１０７と、超音波振動子１０７の出力を増幅するアンプ１０６と、アンプ１０６の出力と検知基準電圧１５とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部１０５を停止させる受信検知回路１０８から構成されている。また、音速に対する温度の影響を無視できるように伝搬時間逆数差法を用いるために、測定流路１０１の上流側から下流側への超音波の伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間が測定できるように、切り替えスイッチ１０９を備えている。

特開２００５－１７２５５６号公報

しかしながら、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響によって、被測定気体を伝わる超音波の伝搬時間以外の遅れ時間に差が発生し、実際には流量が無い状態でも微少の流量があると検知してしまう課題があった。

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、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、受信側の前記超音波振動子に超音波が到達して前記受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを用いて前記伝搬時間測
定部で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段と、前記伝搬時間補正手段で補正された伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、送信側の前記超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の前記超音波振動子と送信側の前記超音波振動子で１回づつ反射して受信側の前記超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記伝搬時間ＴＰと伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を演算する方法で、上流側から下流側への真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと下流側から上流側への真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕを求め、前記真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと前記真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕの差より流量の有無を判定する流量無判定手段と、を備えたことを特徴としたものである。

これによって、流量が無い場合の超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく、流量が無いことを正確に判定できる。

本発明の超音波流量計は、超音波振動子や送受信回路の特性の影響を受けることなく流量が無いことを判定できるため、微少流量の判定が困難な大型流量計においても微少流量漏れの検知が可能になる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態１における超音波の受信波形のイメージ図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図 （ａ）本発明の実施の形態２における上流側から下流側への超音波信号のイメージ図、（ｂ）同下流側から上流側への超音波信号のイメージ図 超音波の伝搬時間の測定方法を説明する為の受信波形のイメージ図 従来例の超音波流量計の構成図

第１の発明は、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、受信側の前記超音波振動子に超音波が到達して前記受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを用いて前記伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段と、前記伝搬時間補正手段で補正された伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、送信側の前記超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の前記超音波振動子と送信側の前記超音波振動子で１回づつ反射して受信側の前記超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記伝搬時間ＴＰと伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を演算する方法で、上流側から下流側への真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと下流側から上流側への真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕを求め、前記真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと前記真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕの差より流量の有無を判定する流量無判定手段と、を備えたことによって、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく正方向と逆方向の真の伝搬時間の差が確認できるため、流量の有無判定の精度を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明の構成に加えて、前記流量無判定手段で求めた前記真の下流
側伝搬時間ＴＰ０ｄと、前記真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕを用いて、上流側から下流側への伝搬時間を測定した時の下流側受信遅れ時間ＴＲｄと下流側から上流側への伝搬時間を測定した時の上流側受信遅れ時間ＴＲｕを求め保存する受信遅れ時間保存手段を備え、
前記伝搬時間補正手段は、前記受信遅れ時間保存手段に保存された下流側受信遅れ時間ＴＲｄと上流側受信遅れ時間ＴＲｕを用いて前記伝搬時間測定部で測定された１回目の受信波の伝搬時間を補正することによって、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく流量計測精度を向上できる。

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、本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態の超音波流量計２０は、流体の流れる測定流路１の上流と下流に設置した超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子２、７と、一対の超音波振動子２、７の送受信の設定切り替えを行う切り替えスイッチ９と、送信側に設定された超音波振動子を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、受信側に設定された超音波振動子で受信した超音波信号を所定の振幅に増幅するアンプ６と、アンプ６で増幅された受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路８と、送信側に設定された超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を受信側に設定された超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間ＴＰを測定する伝搬時間測定部５と、伝搬時間ＴＰから演算によって超音波振動子２，７間を満たす流体の流量を求める制御部４と、受信側の超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路８で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを用いて伝搬時間測定部５で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段１０、流量有無判定手段１２を備えている。

ここで、受信検知回路８は、図５に示すように、予め設定された検知基準電圧１５とアンプ６で増幅された受信波１４を比較し、大小関係が反転したことで第ｍ波目を検知（タイミングＰ）し、その後の最初のゼロクロス点である終点Ｒ１を受信タイミングとし、伝搬時間測定部５は、送信開始（起点Ｔ０）から終点Ｒ１までの時間を伝搬時間ＴＰとして測定する構成である。

図２は本実施例の受信波と伝搬時間の関係を表したイメージ図である。図に示すように、送信側の超音波振動子は、駆動波１３で駆動されて超音波信号を送信し、受信側の超音波振動子は１回目の受信波１４として受信する。同時に、反射波が発生して送信側の超音波振動子に波形２１として到達して反射される。更に、この反射波を受信側の超音波振動子が２回目の受信波２２として受信する。そして、受信検知回路８は、この２回目の受信波２２を検知する為の第２受信波検知手段１１を備えている。

伝搬時間測定部５は、送信側の超音波振動子２から超音波を送信して１回目の受信波１４の第ｍ波目を受信検知回路８で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子７と送信側の超音波振動子２で１回づつ反射して受信側の超音波振動子７に達した２回目の受信波２２の第ｍ波目を第２受信波検知手段１１で受信したと判定するタイミングである終点Ｒ２までの伝搬時間ＴＰ２を測定する。

図２から分かるように、超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０は次式（１）で求めることができる。

ＴＰ０＝（ＴＰ２－ＴＰ）／２ ・・・・・・（１）
本実施の形態では、第２受信波検知手段１１を用いて、第２伝搬時間ＴＰ２を測定できるようにしたことで、予め定めた所定のタイミングにおいて、伝搬時間測定部５で上流側から下流側への下流側第２伝搬時間ＴＰ２ｄと下流側から上流側への上流側第２伝搬時間ＴＰ２ｕを測定し、流量有無判定手段１２は、式（１）と同様に、下記の式（２）、（３）で下流側から上流側への真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと下流側から上流側への真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕを計算し、２つの伝搬時間の差が所定の値以下だった場合に流量無と判定している。

ＴＰ０ｄ＝（ＴＰ２ｄ－ＴＰｄ）／２ ・・・・・・（２）
ＴＰ０ｕ＝（ＴＰ２ｕ－ＴＰｕ）／２ ・・・・・・（３）
ここで、ＴＰｄとＴＰｕは、通常の流量計測時（１回目の受信波の伝搬時間の測定のみで流量を計測する時）に測定している上流側から下流側への伝搬時間（下流側伝搬時間）と下流側から上流側への伝搬時間（上流側伝搬時間）である。

以上のように、本実施の形態によると、第２受信波検知手段１１を用いて、２回目の受信波を検知できるようにしたことで、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく流れの正方向と逆方向の真の伝搬時間の差が確認できるため、流量の有無判定の精度を向上させることができる。

また、本発明の実施の形態では、超音波流量計が設置されている環境での微小漏れを確認することを想定しており、数時間毎に流量有無判定手段１２を動作させている。これによって、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく、超音波流量計が設置されている配管システムに漏れがあるかどうかの判定が可能になる。

なお、第２受信波検知手段１１は、１回目の受信波１４が受信側の超音波振動子に到着した時点では受信検知動作を行わずに、２回目の受信波２２が到着した時点で受信検知動作を行ことで、第２伝搬時間ＴＰ２を測定する。図２中の受信遅れ時間ＴＲは超音波振動子の特性で決まるため、１回目の受信波でも２回目の受信波でも同じ値となる。

（実施の形態２）
図３は実施の形態２による超音波流量計の構成図を示す。基本的な構成、動作は実施の形態１と同じである。本実施の形態の超音波流量計３０と実施の形態１の超音波流量計２０との差異は、制御部４に受信遅れ時間保存手段１６と受信遅れ時間更新手段１７を設けたことである。

受信遅れ時間保存手段１６は、伝搬時間測定部５で測定された下流側伝搬時間ＴＰｄと上流側伝搬時間ＴＰｕ、流量有無判定手段１２で求めた真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと、真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕより上流側から下流側への伝搬時間を測定した時の下流側受信遅れ時間ＴＲｄと下流側から上流側への伝搬時間を測定した時の上流側受信遅れ時間ＴＲｕを求めて保存する。

図４（ａ）は上流側から下流側への超音波の伝搬、図４（ｂ）は下流側から上流側への超音波の伝搬を示すイメージ図で、伝搬時間測定部５で測定された下流側伝搬時間ＴＰｄと上流側伝搬時間ＴＰｕ、流量有無判定手段１２で求めた真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕ、受信遅れ時間保存手段１６で求めて保存された下流側受信遅れ時間ＴＲｄと流側受信遅れ時間ＴＲｕを示す。

図４から分かるように、下流側受信遅れ時間ＴＲｄと上流側受信遅れ時間ＴＲｕは、次式（４）、（５）で求めることができる。

ＴＲｄ＝ＴＰｄ－ＴＰ０ｄ ・・・・・・（４）
ＴＲｕ＝ＴＰｕ－ＴＰ０ｕ ・・・・・・（５）
また、受信遅れ時間保存手段１６に保存された受信遅れ時間ＴＲｄとＴＲｕは、受信遅れ時間更新手段１７により、伝搬時間測定部５で新しく受信遅れ時間ＴＲｄとＴＲｕを測定する度に更新される。

そして、伝搬時間補正手段１０は、通常の流量測定時（第２受信波検知手段１１による２回目の受信波の受信を行ず、１回目の受信波のみで伝搬時間を測定して流量を求める時）は、伝搬時間測定部５で測定された上流側から下流側への下流側伝搬時間ＴＰｄと下流側から上流側への上流側伝搬時間ＴＰｕから受信遅れ時間保存手段１６に保存された下流側受信遅れ時間ＴＲｄ、上流側受信遅れ時間ＴＲｕをそれぞれ引くことで補正し、制御部４は、伝搬時間補正手段１０で補正された伝搬時間を利用して流量を計算する。

以上の構成により、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく流量計測精度を向上できる。また、本実施の形態によれば、周囲環境や流量の有無に関係なくゼロ点補正を実施した状態と同じになるため、超音波流量計の製造時に実施されるゼロ点調整工程を省略でき、製造コストの低減も可能になる。

なお、本実施の形態では、超音波の伝搬経路が測定流路１の流れ方向に一致するように上流と下流に一対の超音波振動子２，７を対向して配置した構成で説明したが、一対の超音波振動子２，７と超音波の伝搬経路はこれに限らず、（１）超音波の伝搬経路が測定流路１の流れ方向に対して斜めに横切るように上流と下流に一対の超音波振動子２，７を対向して配置したもの、（２）測定流路１の上流と下流の同一面に一対の超音波振動子２，７を配置し、超音波の伝搬経路が測定流路１の対向する面に１回反射するようにしたもの、（３）測定流路１の上流と下流の同一面に一対の超音波振動子２，７を配置し、超音波の伝搬経路が測定流路１の対向する面に２回反射するようにしたものなど、種々の形態を採用できる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波振動子や送受信回路の温度特性や経年劣化の影響を受けることなく、常に正確な流量無判定が可能となるため、配管の漏洩検知が必要なガスメータ等の用途にも適用できる。

１ 測定流路
２、７ 超音波振動子
３ 駆動回路
４ 制御部
５ 伝搬時間測定部
６ アンプ
８ 受信検知回路
９ 切り替えスイッチ
１０ 伝搬時間補正手段
１１ 第２受信波検知手段
１２ 流量有無判定手段
１６ 受信遅れ時間保存手段
１７ 受信遅れ時間更新手段

Claims (2)

1. 超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、
   一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、
   受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、
   受信側の前記超音波振動子に超音波が到達して前記受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを用いて前記伝搬時間測定部で測定した伝搬時間を補正する伝搬時間補正手段と、
   前記伝搬時間補正手段で補正された伝搬時間から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量を求める制御部と、
   送信側の前記超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の前記超音波振動子と送信側の前記超音波振動子で１回づつ反射して受信側の前記超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記伝搬時間ＴＰと伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０を演算する方法で、上流側から下流側への真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと下流側から上流側への真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕを求め、前記真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと前記真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕの差より流量の有無を判定する流量無判定手段と、を備えた超音波流量計。
2. 前記流量無判定手段で求めた前記真の下流側伝搬時間ＴＰ０ｄと、前記真の上流側伝搬時間ＴＰ０ｕを用いて、上流側から下流側への伝搬時間を測定した時の下流側受信遅れ時間ＴＲｄと下流側から上流側への伝搬時間を測定した時の上流側受信遅れ時間ＴＲｕを求め保存する受信遅れ時間保存手段を備え、
   前記伝搬時間補正手段は、前記受信遅れ時間保存手段に保存された下流側受信遅れ時間ＴＲｄと上流側受信遅れ時間ＴＲｕを用いて前記伝搬時間測定部で測定された１回目の受信波の伝搬時間を補正することを特長とした請求項１に記載の超音波流量計。

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