JPH054004B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、マイクロコンピユータを用いた超音
波流量計に係り、特に超音波パルスを受波した時
点を合理的に決定することのできる超音波流量計
に関する。

＜従来技術＞ 超音波流量計は超音波パルスを被測定流体に送
信した時点から受波した時点までの時間差などを
利用して流量を計測するものであるので、超音波
パルスの受波時点を正確に決めることが必要であ
る。

このために各種の出願がなされているが、その
一例である特願昭59−142569号「超音波流量計」
を第５図に掲げ、この要点を説明する。

管路１に被測定流体２が矢印Ｆの方向に流さ
れ、被測定流体２の流量Ｑを測定する。このため
に管路１に送受波器３，４が流れの方向Ｆに対し
て斜めに対向して設置されている。送受波器３，
４のいずれか一方にはクロツク発振器を有する同
期回路５よりトリガパルスT_pが駆動回路６に印
加されこれに伴いその出力に例えばピーク値が
200V程度の値を持つ微分状の駆動パルスD_pが切
換スイツチ７を介して印加される。送受波器３，
４の他方には被測定流体２を介して受波された超
音波パルスが切換スイツチ７を介して増幅器８に
受信される。

増幅器８の出力の超音波パルスＨは比較器９の
入力端の一端に印加され、他端にはデジタル／ア
ナログ変換器（以下、Ｄ／Ａ変換器と略称する）
１０より比較電圧V_cが印加されている。比較器
９の出力端には振動波状の超音波パルスのうち比
較電圧V_cを越えた波形の最初のゼロツクス部分
がパルス化されて出力パルスＰとして出力され
る。

演算回路１１の入力端I₁には比較器９の出力の
パルス電圧が印加され、入力端I₂には同期回路５
からトリガパルスT_pの送出と同時に発信される
スタート信号Ｓが印加され、これ等の時間差を演
算回路１１が演算し、この結果を用いて流量を計
算して出力端１２に出力する。

比較器９の出力パルスＰはカウンタ１３に入力
されている。カウンタ１３にはクロツク発振器１
４から一定の周波数のクロツクf₀が入力されてい
る。カウンタ１３は同期回路５から送出されたス
タート信号Ｓによりクロツクf₀を計数し始め比較
器９の比較電圧V_cを越えた最初の出力パルスに
よりカウントを停止する。

制御回路１５の中のランダムアクセスメモリ
（以下、RAMと略称する）１６には閾値時間テ
ーブル１７を形成する領域が設けられている。こ
の閾値時間テーブル１７を形成するためのプログ
ラムはリードオンメモリ（以下、ROMと略称す
る）１８にあらかじめ書き込まれており、このプ
ログラムに従つてマイクロプロセツサ（以下、
CPUと略称する）１９はカウンタ１３の内容を
読込みこのカウント値を処理してパス２０を介し
てＤ／Ａ変換器１０へ出力する。

次に、制御回路１５でのカウント値の処理に関
して第６図に示すフローチヤート図に基づき更に
詳細に説明する。

先ずCPU１９の制御のもとにROM１８中の所
定のプログラムにしたがい比較器９の比較電圧
V_cとしてＤ／Ａ変換器１０を介して基準電圧l₁を
読出す（ステツプ）。この後カウンタ１３はリ
セツト信号Ｒによりリセツトされ、カウンタ１３
の内容はゼロとされる（ステツプ）。次に同期
回路５からのトリガパルスT_pにより駆動回路６
を介して駆動パルスD_pが被測定流体２に送出さ
れると同時にカウンタ１３はスタート信号Ｓを受
けクロツクf₀の計数が開始される。一方、受信さ
れた超音波パルスＨは基準電圧l₁と比較器９で比
較され（ステツプ）、基準電圧l₁を越えた出力
パルスＰを受信した時点でカウンタ１３の計算が
終了する（ステツプ）。従つてカウンタ１３の
計数値n_Tは超音波パルスＨの伝播時間Ｔの概略値
を与え、〔ｘ〕をｘを越えない最大の整数を表わ
す記号とすれば、次式の如くなる。

n_T〔f₀T〕 (1) この基準電圧l₁に対するカウンタ１３の計数値
n_TはRAM１６中に閾値時間テーブル１７を形成
するために格納される（ステツプ）。

以上のステツプからまでの手順を、短かい
時間の間では各回の超音波パルスの波形と伝播時
間に変化がないという前提で、あらかじめ決めら
れた所定の基準電圧（l₁、l₂、〜l_i、〜l_N）に対し
て実行する（ステツプ）と閾値時間テーブル１
７が完成する。この様にして作られた閾値時間テ
ーブル１７の内容は第７図に示す様に受信された
超音波パルスのエンベロープを与える平均的な波
形情報となる。第７図は横軸に超音波パルスの伝
播時間Ｔ、縦軸に基準電圧l_iがとつてあり、点線
の波形が超音波パルスの波形で実線が基準電圧l_i
に対する超音波パルスの伝播時間Ｔを示してい
る。伝播時間Ｔはカウンタ１３の計数値n_Tとして
測定される。閾値時間テーブル１７には各基準電
圧（l₁、l₂、〜l_i、l_N）に対応する伝播時間Ｔを与
える概略の計数値n_Tが記憶されているので、第７
図に示す様にこの中から計数値n_Tがほぼ一定とな
る基準電圧l_iの幅（閾値幅）のうちで最大幅Ｒを
与える基準電圧l_iの中央値l^o _iおよび対応する計数
値n^o _TをROM１８に書き込まれた手順にしたがい
CPU１９により求め、RAM１６に格納する（ス
テツプ）。

次に、この中央値^o _iをＤ／Ａ変換器１０を介し
て比較器１０の比較電圧V_cとして設定する（ス
テツプ）。

この後、中央値l^o _iを閾値とした流量計測を演算
回路１１により実行する（ステツプ）。流量計
測に当つて超音波パルスの振幅が大きく変化して
検出ピークが変わると、ｆを超音波パルスの周波
数としてそのときの伝播時間Ｔは ｜Ｔ−T₀｜＞１／ｆ (2) となるので、次式が成立する。

｜n_T−n^o _T｜−f₀／ｆ≧０ (3) この左式の演算をCPU１９により演算し（ス
テツプ）、その正負をステツプで判断する。
ここでf₀／ｆを１より大きくしておくことにより
検出ピークの変動を判定できる。なお、f₀／ｆを
１より大きいが、１に近い整数にするほど厳しい
判断ができる。実際には超音波パルスの周波数ｆ
は高々1MHzであり、クロツクf₀は数ＭHzで良く、
例えばマイクロコンピユータのクロツク信号（４
〜6MHz）が使用できる。

ステツプでの判断の結果、(3)式の左辺が正な
らば超音波パルスの検出ピークが大幅に変化した
ものと判断し演算回路１１にＷ＝０として指令し
演算回路１１での流量計測の結果を棄却し（ステ
ツプ）、(3)式の左辺が負ならば検出ピークの大
幅な変化はなく正常と判断しＷ＝１として演算回
路１１に指令し演算回路１１での流量計測の結果
を出力する（ステツプ）。

この後、ステツプに移り、測定開始より所定
時間を経過したかどうかが判断され、所定時間を
経過しない場合は、決定された中央値l^o _iとこれに
対応した計数値n^o _Tを変更する必要がないものとし
てステツプに戻り再度流量測定が繰り返され
る。所定時間を経過した場合はステツプに戻り
再度中央値l^o _iと計数値n^o _Tを決める手順を実行す
る。この様にして中央値l^o _iと計数値n^o _Tが適当な値
か否かが決定される。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、この様な従来の超音波流量計に
は以下に説明する問題点がある。

第８図は管路１に取付けられた振動子の附近を
拡大した拡大図である。振動子３ａには第５図に
示す切替スイツチ７を介して駆動パルスD_pが印
加される。駆動パルスD^o _pの振動子３ａへの印加
により振動子３ａがその厚み方向に共振し、発生
する超音波パルスは第９図に示す様に振動する波
形となる。

この超音波パルスは管路１を経由して反対側の
振動子４ａを振動させ、これに電圧を発生させる
が、この電圧は管路１の肉厚に起因する共振によ
り後方に尾を引くエンベロープを持つ超音波パル
スとなる。

ここで管路１の肉厚が大きい場合を測定する。
第８図に示す伝播経路Ａによる超音波パルスａと
伝播経路Ｂに示す如く反射した超音波パルスｂと
は、時間的に離れて振動子４ａに到達するので、
伝播時間T_aとT_bが分離され相互に干渉がなく
（第１０図）したがつて超音波パルスの各波形も
正弦波状で伝播時間の測定に際し誤差要因とはな
らない。なお、第１０図に示す超音波パルスｃは
図示しない別の伝播経路Ｃを反射してたどつた超
音波パルスであり、超音波パルスａ，ｂとは分離
された状態となつている。

これに対して、管路１の肉厚が小さい場合に
は、第１１図に示す様にその肉厚の程度に応じて
イ，ロの如く超音波パルスａの波形に対して超音
波パルスｂ，ｃの波形が相互に近づき、超音波パ
ルスａの波形に歪を生じさせる。したがつて伝播
時間の測定点である受信波形のゼロクロ点の値が
変動してスパン誤差となる。

ところで、例えば超音波パルスのキヤリヤ周波
数（１／T_a）を1MHzに選定し、通常用いられる
配管では薄い値である4.6mm程度の肉厚の管路を
採用すると、超音波パルスａに対するｂまでの時
間差Δτ（＝T_b−T_a）はほぼ1.7μsとなるので、第
１２図に示すように超音波パルスａの４山以降は
多重反射の影響を受ける。

従つて、通常用いられる管路では多かれ少なか
れ多重反射の影響を受けていることになる。

ところで、第５図、第６図に示す従来の超音波
流量計では第７図に示す様に計数値n_Tがほぼ一定
となる基準電圧l₁の幅（閾値幅）のうちで最大幅
Ｒを与える基準電圧l_iの中央値l^o _iを求めてこれを
伝播時間差を検出するときの閾値としている。こ
のため、超音波パルスの波形によつては多重反射
波の影響を受けた後方の波形部分に閾値が設定さ
れこのためスバン誤差を生じる欠点がある。

＜問題点を解決するための手段＞ この発明は、以上の問題点を解決するため、超
音波パルスの送信から被測定流体を介して受信す
るまでの超音波パルスの伝播時間を測定する時間
測定手段と、超音波パルスの検出レベルを変える
閾値設定手段と、検出レベルを変えながら検出レ
ベルに対応した伝播時間を測定し閾値時間テーブ
ルを作成するテーブル作成手段と、この閾値時間
テーブルから伝播時間がほぼ一定となる超音波パ
ルスのうち最小の伝播時間を持つ第１若しくは第
２の受信波を選定する受信波選定手段と、選定さ
れた受信波の検出レベルを決定するレベル決定手
段と、前記レベル決定手段で決定された検出レベ
ルを基準レベルとして被測定流体の流量を測定す
る構成としたものである。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例について図面に基づき説
明する。第１図は本発明の一実施例を示すブロツ
ク図であり、第２図は第１図に示す実施例の動作
を説明するフローチヤート図である。尚、従来技
術と同一機能を有する部分には同一の符号を付し
説明を適宜省略する。

第１図に示す実施例では、多重反射の影響を除
くため多重反射波が到着する前の超音波パルスの
第１波若しくは第２波にレベル検出の基準を置く
ようにしたものである。

第１図においてＤ／Ａ変換器１０より送出され
る各基準電圧l_iに対応する伝播時間Ｔを第５図に
示す場合と同様にして測定し、CPU１９の制御
のもとにROM２１のプログラムにしたがつて第
２図のステツプ〜で示す様にしてバツテリバ
ツクアツプされたRAM２２の所定領域に閾値時
間テーブル２３を作る。この閾値時間テーブル２
３は各基準電圧l_iに対してＫ回繰り返して測定さ
れる。この場合に、種種の管路１を用いての超音
波パルスの波形観測の結果から超音波パルスの第
２波のピーク電圧は受波した超音波パルスのピー
ク電圧V_pの20％以上の値を持つことが判つてい
るので、第１図に示す実施例では基準電圧l_iの可
変範囲の上限値l_Hをピーク電圧V_pの25％程度に設
定する。また、下限値l_Lは内部あるいは外部ノイ
ズのレベル程度に設定すれば良いがl_L＝０に設定
しても良い。以上の如くして基準電圧l_iの可変範
囲をl_L≦l_i≦l_Hに設定して閾値時間テーブル２３を
作成し、ステツプに移行する。

ステツプでは以上のサーチ動作が終了したか
どうかをCPU１９により判断し、終了していれ
ば次のステツプに移行する。

ステツプでは閾値時間テーブル２３に形成さ
れたデータのうち基準電圧l_iの変化に対して伝播
時間Ｔが所定のバラツキσの中にあるか否かの判
断をRAM２２の所定領域に形成されたσ判断プ
ログラム２４に従つて判断し、バラツキσを越え
ている伝播時間Ｔは棄却し、ステツプに移行す
る。

ステツプではバラツキσの中にある伝播時間
のうち最小の伝播時間T_nioを示すものをRAM２
２中の読込まれた選択プロログラム２５により探
す。そしてその最大の基準電圧l_naxと最小の基準
電圧l_nioを確定し、レベル差Δv₁（＝l_nax−l_nio）と
Δv₂（l_H−l_nax）を演算する。

ステツプ、で示すデータを図示すれば第３
図に示す様になつている。l_nio以下の基準電圧に
対応する伝播時間はＫ回の測定においてσ値を越
えて分散している。σ値の中で最小の伝播時間
T_nioを示すものはT₁で示され、T₂は次の波に対
応する第２波の伝播時間である。

ステツプ、で受信波選択手段を構成してい
る。

ステツプはステツプで求めた最小の伝播時
間T_nioにおける基準電圧l_naxと上限値l_Hとを比較
し、l_nioがl_Hに等しいかl_Hよりも小さいかを判断す
る。

l_nax＜l_Hのときはステツプに移行し、Δv₁と
Δv₂とを比較する。この結果、Δv₁＞Δv₂であれ
ば、受信した超音波パルスの第１波に対して閾値
を設定すべくステツプに移行する。Δv₁＞Δv₂
の条件を満さないときは、第２波に対して閾値を
設定すべくステツプに移行する。

l_nax＝l_Hのときは伝播時間としてT₁とT₂のいず
れの値もとり得るが、この場合はステツプに移
行するようにする。

ステツプでは（l_nio＋l_nax）／２の演算を、ス
テツプでは（l_H＋l_nax）／２の演算をそれぞれ
実行してステツプに移行する。

以上のステツプ〜に至る実行プログラムは
RAM２２の所定領域にレベル決定プログラム２
６として格納され、CPU１９の制御のもとに実
行される。

これ等のプログラムを格納したRAM２２，
ROM２１，CPU１９、バス２０などで制御回路
２７を構成している。

ステツプ〜までは第６図に示すステツプと
同じ手順で信号が処理される。

以上の如き信号処理により多重反射波の影響が
信号波に及ばない超音波パルスの第１波あるいは
第２波をとらえ伝播時間を計測するのでスパン誤
差を生じない良好な流量計測ができる。

第４図は超音波パルスの第１波あるいは第２波
を検出する他の実施例のレベルを決定する波形図
である。

超音波パルスの第１波のピーク電圧がV₁で第
２波のピーク電圧がV₂のときの各々の伝播時間
がT₁′、T₂′の場合に、ピーク電圧の差である所定
のマージンΔv（＝V₁−０、V₂−V₁、…）として
例えば0.2ボルトの幅を設け、このマージンΔv以
上のレベルを持つ伝播時間Ｔのうち最も小さい値
を示す波を、例えば第４図の例えばΔv＞V₁とし
て第２波を、求めその中間値V₁＋V₂／２を閾値とし て比較器９に設定する。

これを実行するプログラムはRAM２２に格納
され、CPU１９の制御のもとにこのプログラム
を実行する。

＜発明の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明した様に本発
明によれば、管路での多重反射の影響を受ける前
の受信された超音波パルス波形部分にレベル検出
の閾値を設定する様にしたので、従来の如きスパ
ンエラーを生ずることがなく高精度の流量計測が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロツ
ク図、第２図は第１図に示す実施例の動作を説明
するフローチヤート図、第３図は閾値時間テーブ
ルの内容を示すデータ分布図、第４図は超音波パ
ルスの第１波あるいは第２波を検出する他の実施
例のレベルを決定する波形図、第５図は従来の超
音波流量計の構成を示すブロツク図、第６図は第
５図に示す超音波流量計の動作を説明するフロー
チヤート図、第７図は第５図に示す超音波流量計
での伝播時間対基準電圧の関係を示す波形図、第
８図は管路に取付けられた振動子の附近を拡大し
た拡大図、第９図は振動子単独で発生する超音波
パルスの波形を示す波形図、第１０図は管路の肉
厚が大きいときの受信波を示す超音波パルスの波
形図、第１１図は管路の肉厚が小さいときの受信
波を示す超音波パルスの波形図、第１２図は管路
の肉厚が小さいときの受信波を示す超音波パルス
を拡大した拡大波形図である。 １……管路、３，４……送受波器、９……比較
器、１０……Ｄ／Ａ変換器、１１……演算回路、
１３……カウンタ、１４……クロツク発振器、１
５，２７……制御回路、１６，２２……RAM、
１７，２３……閾値時間テーブル、１８，２１…
…ROM、１９……CPU、２４……σ判断プログ
ラム、２５……選択プログラム、２６……レベル
決定プログラム、Ｓ……スタートパルス、T_p…
…トリガパルス、D_p……駆動パルス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波パルスの送信から被測定流体を介して
   受信するまでの前記超音波パルスの伝播時間を測
   定する時間測定手段と、前記超音波パルスの検出
   レベルを変える閾値設定手段と、前記検出レベル
   を変えながら前記検出レベルに対応した前記伝播
   時間を測定し閾値時間テーブルを作成するテーブ
   ル作成手段と、前記閾値時間テーブルから前記伝
   播時間がほぼ一定となる前記超音波パルスのうち
   最小の伝播時間を持つ第１若しくは第２の受信波
   を選定する受信波選定手段と、選定された受信波
   の検出レベルを決定するレベル決定手段と、前記
   レベル決定手段で決定された検出レベルを基準レ
   ベルとして前記被測定流体の流量を測定すること
   を特徴とする超音波流量計。