JPH09133562A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基準クロック発生器の消費電力を減らして電
池駆動の超音波流量計の実用化を図る。計測精度を上げ
る。 【解決手段】 切替スイッチ５、８を図示の位置にし
て、送波器駆動部６により送受波器２をパルス駆動して
超音波を発射する。送受波器３はこの超音波を受信す
る。第１回の送信指令信号から第ｎ回の受信信号までの
時間を基準クロック発生器１２のクロックを第２のカウ
ンタ１０で計数して伝搬時間を計測する。基準クロック
発生器１２は間欠的に必要時間の間だけ発振させ、発振
の立上りの周波数が不安定なウェイト時間を除いて伝搬
時間を計測する。順方向と逆方向の両計測値から流速・
流量をコントロール部１１が算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシングアラウンド法
を用いた超音波流量計の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ただ一つのシングアラウンド系を時間的
に切替えるタイムシャリングの方式を用いた超音波流量
計が公知である。

【０００３】タイムシャリング方式を用いたシングアラ
ウンド法の原理を図６を用いて説明する。同図におい
て、１は流管、２、３は流管１の上流部と下流部に距離
Ｌだけ離れて設けた１組の送受波器である。Ｖは流体の
流れの流速を示す。

【０００４】まず送波器２から流れの順方向に超音波パ
ルスを発射し、受波器３でこれを受信する。この受信信
号に基いて受波器２に駆動パルスを加えると受波器２か
らは再び超音波パルスが発射され、以後このくり返しが
行われる。

【０００５】このくり返しの周期、つまり順方向のシン
グアラウンド周期ｔ₁ は、静止流体中の音速をＣ、流体
の流れの速さをＶとすると、 ｔ₁ ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） …（１） となり、これは超音波の順方向の伝搬時間に相当する。

【０００６】次に、超音波の向きを流れと逆方向に切替
え、送波器３から逆方向に超音波パルスを発射し、受波
器２でこれを受信する。この受信信号に基いて送波器３
に駆動パルスを加えると送波器３からは再び超音波パル
スが発射され、以後このくり返しが行われる。

【０００７】このくり返しの周期、つまり逆方向のシン
グアラウンド周期ｔ₂ は ｔ₂ ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） …（２） となり、これは超音波の逆方向の伝搬時間となる。

【０００８】（１）式と（２）式とから （１／ｔ₁ ）−（１／ｔ₂ ）＝２Ｖ／Ｌ となり、これから流体の流れの速さＶを Ｖ＝Ｌ・［（１／ｔ₁ ）−（１／ｔ₂ ）］／２ …（３） として、音速Ｃに関係なく求めることができる。

【０００９】そして、伝搬時間ｔ₁ ，ｔ₂ の測定には、
伝搬時間の間の基準クロックを計数していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】精度良く流速Ｖを求め
るためには伝搬時間ｔ₁ ，ｔ₂ の計測の分解能を上げる
必要があり、そのため高速（高周波数）の基準クロック
が必要になる。

【００１１】なお、伝搬時間ｔ₁ とかｔ₂ をそれぞれ複
数回連続して測定する方法を採用することにより、基準
クロックの周波数をそれ程高くしなくても計測の分解能
を上げることができるが、連続して測定する回数を多く
すると複数回の連続測定に時間がかかるばかりでなく、
伝搬時間ｔ₁ とｔ₂ の測定は流速Ｖが一定とみなせる短
い時間内に行う必要がある等のことから、連続して測定
する回数にも限界があり、この方法で計測の分解能を実
用上満足する値まで向上できない。そのため、ある程度
の高速の基準クロックが必要となる。

【００１２】ところが、高速の基準クロックを用いる
と、消費電流が増大して、電池駆動が困難であるという
問題点があった。そこで、本発明は、かかる問題点を解
消できる超音波流量計を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、流体の流れ中を流れと同方向あ
るいは斜め方向に超音波の送受をする一対の超音波送受
波器（２）（３）と、受信側の送受波器（３又は２）が
接続され、受信波を検知すると受信波検知信号を出力す
る受信波検知部（４）と、第１送信指令信号を入力した
時に送信側の送受波器（２又は３）を駆動し、その後は
受信波検知部（４）からの受信波検知信号ごとに送信側
の送受波器（２又は３）を駆動する送波器駆動部（６）
と、受信波検知部（４）からの受信波検知信号を受け、
ｎ番目の受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号
を出力する第１のカウンタ（９）と、第１送信指令信号
から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定する第２のカ
ウンタ（１０）と、交互に送受の切替えを行ないながら
一定のタイミングでスタート信号を出力し、第ｎ受信波
検知信号を受けると第２のカウンタ（１０）の測定値を
読取り、流速・流量等の演算を行うコントロール部（１
１）と、コントロール部（１１）よりのスタート信号を
入力すると発振を開始して基準クロックを出力し、第１
のカウンタ（９）からの第ｎ受信波検知信号を入力する
とその発振を停止する基準クロック発生器（１２）と、
コントロール部（１１）よりのスタート信号を入力する
と、その時点から基準クロック発生器（１２）の発振周
波数が安定するのに必要で充分な一定時間（Ｄ）後に第
１送信指令信号を出力するタイマ（７）とを具備し、前
記第２のカウンタ（１０）は、前記基準クロック発生器
（１２）から出力される基準クロックを計数して第１送
信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間（Ｔ）を
測定することを特徴とする超音波流量計である。

【００１４】請求項２の発明は、同じ目的を達成するた
めに、請求項１の超音波流量計において、基準クロック
発生器（１２）からの基準クロックを入力し、それが定
められた一定数入力されるまでの時間を、スタート信号
入力時点から第１送信指令信号を出力するまでの時間と
するようにタイマ（７）を構成したことを特徴とするも
のである。

【００１５】請求項３の発明は、同じ目的を達成するた
めに、請求項１又は２の超音波流量計において、基準ク
ロック発生器（１２）よりも正確な第２の基準クロック
発生器（１３）と、両基準クロック発生器（１２）（１
３）の基準クロックを一定時間毎に間けつ的に比較し
て、第２の基準クロック発生器（１３）の基準クロック
を基準として基準クロック発生器（１２）の基準クロッ
クの偏差を知り、該偏差に基いて第２のカウンタ（１
０）の計数値を修正することを特徴とするものである。

【００１６】請求項４の発明は、同じ目的を達成するた
めに、請求項３の超音波流量計において、第２の基準ク
ロック発生器（１３）が出力する基準クロックが基準ク
ロック発生器（１２）の基準クロックの１周期より比較
的長いワンショットパルスであり、両基準クロック発生
器（１２）（１３）の基準クロックを入力する第３のカ
ウンタ（１４）を設け、第２の基準クロック発生器（１
３）のワンショットパルスの間に入力される基準クロッ
ク発生器（１２）のクロック数を計数して前記偏差を知
るようにしたことを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例で、請
求項１の発明に対応する。同図において、２，３は一対
の超音波送受波器で、従来技術と同様に、流体の流れ中
を流れと同方向あるいは斜め方向に超音波の送受をす
る。

【００１８】４は受信波検知部で、信号切替器５によっ
て選択された受信側の送受波器３又は２がその入力に接
続され、受信波を検知すると受信波検知信号（図２参
照）を出力する。図２では第１、第２、第３、第ｎの各
受信波検知信号に、１、２、３、ｎの各符号をつけてい
る。

【００１９】６は後述するタイマ７からの第１送信指令
信号を入力した時に送信側の送受波器２又は３を駆動
し、その後は受信波検知部４からの受信波検知信号を受
けるごとに送信側の送受波器２又は３を駆動する送波器
駆動部である。

【００２０】８は切替スイッチで、送信側の送受波器２
又は３を選択して送波器駆動部６に接続する。９は第１
のカウンタで、受信波検知部４からの受信波検知信号を
受け、ｎ番目の受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検
知信号を出力する。

【００２１】１０は第２のカウンタで、前記第１送信指
令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間Ｔ（図２参
照）を後述する基準クロックを計数することで測定し、
そのカウント値を後述するコントロール部に伝える。

【００２２】１１はマイクロコンピュータなどからなる
コントロール部で、信号切替器５と切替スイッチ８を操
作する送受切替え信号を送出して交互に送受の切替えを
行いながら、一定のタイミングでスタート信号を出力し
てタイマ７を起動すると共に基準クロック発生器１２を
起動させ、第１のカウンタ９からの第ｎ受信波検知信号
を受けると、第２のカウンタ１０のカウント値を読取
り、流速・流量等の演算を行う。

【００２３】前記タイマ７はコントロール部１１よりの
スタート信号を入力すると起動し、その時点から基準ク
ロック発生器１２の発振周波数が安定するのに必要で充
分な一定時間Ｄ（図２参照）後に第１送信指令信号を出
力する。

【００２４】基準クロック発生器１２はコントロール部
１１よりのスタート信号を入力すると発振を開始して基
準クロックを出力し、第１のカウンタ９からの第ｎ受信
波検知信号を入力するとその発振を停止するように構成
されている。

【００２５】図２は、順方向又は逆方向の一方の場合だ
けのｎ回の超音波の伝搬時間ｎｔ＝Ｔを計測するときの
図１の実施例のタイムチャートである。上述ように、基
準クロック発生器１２はスタート信号から第ｎ受信波検
知信号の間だけ発振し、常時連続して発振することはな
い。

【００２６】そして、基準クロック発生器１２が発振を
開始してから、発振周波数が安定するまでのウェイト時
間Ｄだけ遅れて第１回送信指令信号が出力され、ｎ回の
繰り返しの伝搬時間Ｔが第２のカウンタ１０で計数さ
れ、このカウント値に基いて流速・流量等が演算され
る。

【００２７】コントロール部１１は順方向と逆方向の各
ｎ回の伝搬時間Ｔの測定を伝搬時間ｔ₁ 、ｔ₂ より大き
い一定時間毎に行う。従って、基準クロックが必要なの
は、伝搬時間を測定しているＴの間だけであるため、高
周波数の基準クロック発生器１２を用いて計測の分解能
を向上でき、しかも消費電力の増大を防止できる。

【００２８】そして、基準クロック発生器１２の発振の
立上り時点における発振周波数の不安定なときの基準ク
ロックを使用しないので、計測精度が悪くなる虞れがな
い。図３は本発明の第２実施例で、請求項２の発明に対
応する。

【００２９】同図の実施例では、タイマ７はコントロー
ル部１１からのスタート信号と基準クロック発生器１２
からの基準クロックとを入力し、スタート信号入力時点
から基準クロックが所定の一定数入力されるまでの時間
Ｄだけ遅れて第１送信指令信号を出力するようにした点
が図１の第１実施例と異なる。

【００３０】この第２実施例では、タイマ７で基準クロ
ックそのものを計数してウェイト時間Ｄをつくるように
したので、基準クロックの発振が安定したことを確実に
検知できる利点がある。

【００３１】図４は本発明の第３実施例で請求項３と４
の発明に対応する。基準クロックとして一般的に良く使
われるのは水晶発振器であるが、水晶発振器は発振が安
定するまでに時間がかかり、前記ウェイト時間Ｄを大き
くとる必要がある。

【００３２】ウェイト時間Ｄが大きくなると、発振して
いる時間の割合が大きくなって低消費電力化ができない
ばかりか、発振を停止すること自体できないという不都
合が生じる。

【００３３】そこで、考えられるのは、セラミック発振
子あるいはＣＲ発振回路を使って、発振の立上り（起
動）を短時間にすることである。ところが、これらの発
振周波数は水晶発振器のそれに比較して精度が良くな
く、温度による変動も大きい。

【００３４】そこで、図４の第３実施例は、図１の第１
実施例に、水晶発振器等の高精度の発振周波数を有する
第２の基準クロック発生器１３と、両基準クロック発生
器１２と１３の周波数を比較して基準クロック発生器１
２の周波数偏差をカウントする第３のカウンタ１４とを
追加し、第３のカウンタ１４のカウント値である前記周
波数偏差を把握して、コントロール部で第２のカウンタ
１０のカウント値を修正することで、セラミック発振子
やＣＲ発振回路の使用を可能としたものである。

【００３５】第２の基準クロック発生器としては、図５
に示すように、基準クロック発生器１０の基準クロック
の周期より比較的長い時間Ｔ₂ のワンショットパルスで
ある第２の基準パルスを発生するものを使う。そして、
ワンショットパルスの時間Ｔ ₂ の間の基準クロック発生
器１２の基準クロック数を第３のカウンタ１４で計数し
て、一定時間ごとにこの測定を行い、第２の基準クロッ
クを基準にして基準クロック発生器１２の基準クロック
の偏差を知って、第２のカウンタ１０のカウント値をコ
ントロール部１１で修正して補正する。

【００３６】例えば第２の基準クロックの時間（長さ）
Ｔ₂ を１ｍｓに設定し、基準クロック発生器１２の基準
クロックの周波数が１ＭＨ_Z が正しい値とするなら、第
３のカウンタ１４のカウント値が１０００では偏差が
零、１０１０では偏差が＋１％として把握できる。

【００３７】なお、第２の基準クロックのクロック源と
しては、マイクロコンピュータを中心とするコントロー
ル部１１で既に使われているものを使うことができる。
上記図４の実施例は、図１の第１実施例に第２の基準ク
ロック発生器を追加したものであるが、図２の第２実施
例に第２の基準クロック発生器を追加し、この第２の基
準クロックを基準にして基準クロック発生器１２の基準
クロックの偏差を把握して第２のカウンタ１０のカウン
ト値を修正することで、計測精度を向上させてもよい。

【００３８】

【発明の効果】本発明の超音波流量計は上述のように構
成されているので、高い周波数の基準クロック発生器
（１２）の発振を必要な時のみにでき、消費電力を低減
できるため、電池駆動の超音波流量計の実用化に役立
つ。

【００３９】また、請求項３，４の発明では、安価なセ
ラミック発振子またはＣＲ発振回路を基準クロック発生
器（１２）として使用できるので、流量計のコスト低減
に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のブロック図である。

【図２】図１の実施例のタイムチャートである。

【図３】本発明の第２実施例のブロック図である。

【図４】本発明の第３実施例のブロック図である。

【図５】図４の実施例のタイムチャートである。

【図６】シングアラウンド法を用いた超音波流量計の原
理を説明する略図である。

【符号の説明】

２，３…超音波送受波器 ４…受信波検知部 ７…タイマ ９…第１のカウンタ １０…第２のカウンタ １１…コントロール部 １２…基準クロック発生器 １３…第２の基準クロック発生器 １４…第３のカウンタ Ｄ，Ｔ…時間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流れ中を流れと同方向あるいは斜
   め方向に超音波の送受をする一対の超音波送受波器
   （２）（３）と、 受信側の送受波器（３又は２）が接続され、受信波を検
   知すると受信波検知信号を出力する受信波検知部（４）
   と、 第１送信指令信号を入力した時に送信側の送受波器（２
   又は３）を駆動し、その後は受信波検知部（４）からの
   受信波検知信号ごとに送信側の送受波器（２又は３）を
   駆動する送波器駆動部（６）と、 受信波検知部（４）からの受信波検知信号を受け、ｎ番
   目の受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号を出
   力する第１のカウンタ（９）と、 第１送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を
   測定する第２のカウンタ（１０）と、 交互に送受の切替えを行ないながら一定のタイミングで
   スタート信号を出力し、第ｎ受信波検知信号を受けると
   第２のカウンタ（１０）の測定値を読取り、流速・流量
   等の演算を行うコントロール部（１１）と、 コントロール部（１１）よりのスタート信号を入力する
   と発振を開始して基準クロックを出力し、第１のカウン
   タ（９）からの第ｎ受信波検知信号を入力するとその発
   振を停止する基準クロック発生器（１２）と、 コントロール部（１１）よりのスタート信号を入力する
   と、その時点から基準クロック発生器（１２）の発振周
   波数が安定するのに必要で充分な一定時間（Ｄ）後に第
   １送信指令信号を出力するタイマ（７）とを具備し、 前記第２のカウンタ（１０）は、前記基準クロック発生
   器（１２）から出力される基準クロックを計数して第１
   送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間（Ｔ）
   を測定することを特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 基準クロック発生器（１２）からの基準
   クロックを入力し、それが定められた一定数入力される
   までの時間を、スタート信号入力時点から第１送信指令
   信号を出力するまでの時間とするようにタイマ（７）を
   構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量
   計。
3. 【請求項３】 基準クロック発生器（１２）よりも正確
   な第２の基準クロック発生器（１３）と、 両基準クロック発生器（１２）（１３）の基準クロック
   を一定時間毎に間けつ的に比較して、第２の基準クロッ
   ク発生器（１３）の基準クロックを基準として基準クロ
   ック発生器（１２）の基準クロックの偏差を知り、該偏
   差に基いて第２のカウンタ（１０）の計数値を修正する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 第２の基準クロック発生器（１３）が出
   力する基準クロックが基準クロック発生器（１２）の基
   準クロックの１周期より比較的長いワンショットパルス
   であり、 両基準クロック発生器（１２）（１３）の基準クロック
   を入力する第３のカウンタ（１４）を設け、第２の基準
   クロック発生器（１３）のワンショットパルスの間に入
   力される基準クロック発生器（１２）のクロック数を計
   数して前記偏差を知るようにしたことを特徴とする請求
   項３記載の超音波流量計。