JPH09236463A

JPH09236463A - 超音波流量計

Info

Publication number: JPH09236463A
Application number: JP4275996A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Nabeshima; 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1997-09-09
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JP3727097B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シングアラウンド式超音波流量計の省電力化
をする。送受波器の経年変化に対応して、送受波器の交
換時期を知らせたり、寿命を延ばして長時間使えるよう
にする。【解決手段】コントロール部７からの測定オン・オフ
信号がオン側になると送波器駆動部６が送受波器２を励
振して流体中へ超音波を発射する。送受波器３がこれを
受け、受信波検知部４が受信波検知信号を出力する。こ
の出力を受けて駆動部６が２回目の励振をする。これを
繰り返しｎ回目の受信波までの時間を第２のカウンタ９
で計測する。次に超音波の方向を逆にして同様の計測を
し、両計測値から流量を求める。１回毎の伝搬時間に急
変があると、第３のカウンタ１１の計測値に基づいて計
測にエラーありと判断して、その回の計測値を使用しな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５において、静止流体中の音速をＣ、
流体の流れの速さをＶとすると、音波の伝搬方向が流れ
に沿った方向（以下順方向と言う）と一致すればその伝
搬速度は（Ｃ＋Ｖ）となり、流れに逆らった方向（以下
逆方向と言う）の場合には（Ｃ−Ｖ）となる。

【０００３】距離Ｌを隔てて１組の送受波器２，３を流
管１の上流と下流に離して配設し、送波器２から順方向
に超音波を送信したとき、受波器３に超音波が到達する
に要する時間をｔ、送波器３から逆方向に超音波を送信
したときに、受波器２に超音波が到達するに要する時間
をｔ′とすれば、ｔ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）・・・（１）ｔ′＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）・・・（２）となる。

【０００４】順方向と逆方向の超音波の上記伝搬時間
ｔ，ｔ′を測定し、これから流速Ｖを算出して、さらに
流量や積算流量（体積）を求めていた。流速Ｖは上記
（１），（２）式からＶ＝Ｌ〔（１／ｔ）−（１／ｔ′）〕／２・・・（３）として求めていた。

【０００５】なお、実際には、伝搬時間計測の分解能を
上げるために、順方向又は逆方向の伝搬時間を計測する
のに、１回の送受信ではなく、受信と同時に次の送信を
行い、同一方向の送受信を複数回（ｎ回）連続して繰り
返し、第１回目の送信から第ｎ回目の受信までの時間
を、順方向と逆方向についてそれぞれ求め、それらの複
数回毎の各伝搬時間の総和に基づいて流速や流量又は積
算流量を求めていた。

【０００６】伝搬時間ｔ，ｔ′等を測定するには、図６
に示すように、送波器を励振する発信駆動信号Ｐ₁から
受信器に受信波が到達するまでの時間ｔを計測すればよ
いのであるが、現実にはこれができない。

【０００７】というのは、受信波は図７に示すように、
次第に振幅が増大して、その後に減衰する。図６では振
幅が増大する間の一部の期間の受信波形しか描いてない
が、超音波の到達時期である受信波の先頭「イ」を検知
することは不可能である。

【０００８】受信波は必ずしも図６のような奇麗な波形
とはならなく、常に一定のレベルのノイズが乗ってい
る。そこで、常時乗っている程度のノイズレベルを考慮
したうえで、一定のしきい値Ｖ_THを定めておき、このし
きい値のレベルに最初に達した波がゼロレベルを通る
点、即ち図６のゼロクロスポイント「ハ」を検知する方
法がある。

【０００９】図６では、しきい値Ｖ_THに符号「ロ」で示
す時点で受信波の第３波が最初に達しており、この第３
波のゼロクロスポイント「ハ」を検知し、発信駆動信号
Ｐ₁から受信波の第３波のゼロクロスポイント「ハ」ま
での時間を計測し、この計測値から、点「イ」から
「ハ」までの時間τを減算することで到達時間ｔを求め
ている。

【００１０】点「イ」から「ハ」までの時間τは超音波
の周期のほぼ１．５倍であり、この値τは予め実験的に
求めて記憶しておいた値を活用している。なお、図６で
は超音波の到達時間を計測するのに受信波の第３波のゼ
ロクロスポイント「ハ」を計測しているが、第３波に限
ることはなく、例えば第５波のゼロクロスポイントを計
測するようにシステムを構成することもある。

【００１１】ところで、受信波には前述のように常に一
定レベルのノイズが乗っているため、このノイズを考慮
して受波器の受信信号を増幅する増幅部の利得やしきい
値Ｖ _THを決めている。

【００１２】しかし、予想以上のノイズや流路の振動等
によって受信波が大きく歪み、狙った波、例えば図５の
第３波ではなく、その前（の第１波）或いは後の（第
５）波のゼロクロスポイントを間違って検知してしまう
ことがある。

【００１３】こうなると、超音波の伝搬時間は超音波の
１周期分の時間だけ間違った値となり、この測定値を使
用して流速や流量を求めると、誤った流速や流量を導く
ことになり、大きな測定誤差の要因となる。

【００１４】そのため、間違った波のゼロクロスポイン
トを検知した時や、そのような虞れのあるときには、エ
ラーとして検出し、そのときの測定値を採用しないよう
にする必要があり、次のような方法があった。

【００１５】（１）．図６のように第３波を検知すべき
ところ、受信波が異常に大きくなれば第１波を検知して
しまうかも知れないし、受信波が異常に小さくなれば第
５波を検知する可能性もあるという考えから、図７に示
すような受信波のピーク値を監視し、ピーク値が矢印で
示す一定範囲を外れた場合には、受信波のレベルが何ら
かのトラブルで通常と異なる異常値であると見做してエ
ラーを検出する。

【００１６】（２）．順方向と逆方向の伝搬時間に基づ
いて演算した流速が、あり得ない値となったり、前回の
流速値と大きく異なる値となった場合にはエラーとす
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、（１）につい
ては、先ず、受信波が常に相似形とは考えにくく、ピー
ク値が所定の一定範囲内に入っているからといっても、
狙った波が検知できているとは限らないし、また、ピー
ク値をホールドしたり、比較するためにアナログ回路が
大きくなって消費電流が増大するという問題点がある。

【００１８】（２）の方式は、シングアラウンド方式で
は実現が困難である。例えばｎ＝１００とすると、１０
０回のうち１回が狙った波を検知できないでエラーだっ
た場合、全体の時間ｎｔでは、１回のエラーによる誤差
が平均化されてしまって、大きな流速の変化として検出
されなくなってしまう。しかし、１回のエラーのための
測定誤差は歴然として存在する。このように、エラーの
検出が難しいという問題点があった。

【００１９】従ってシングアラウンド方式の超音波流量
計では、エラー検出が難しく、誤った計測値を出力する
危険性があるという問題点があった。更にまた、流量計
を長期間に亘って使用する場合、超音波を送信したり受
信したりする送受波器が経年的に劣化して送信信号や受
信信号が経年的に次第に小さくなる。

【００２０】そこで、できるだけ経年変化が少ない送受
波器を使用すると共に、送受波器の経年変化の量を数値
的に予想し、その分を見込んで増幅器の利得や、しきい
値Ｖ _THを決めている。

【００２１】しかし、これは受信信号を大きくして余裕
度を大きくすることであり、そのためには、送信側では
大きな電圧、電力で駆動し、受信側では低ノイズで利得
の大きい増幅器を用いる必要がある。

【００２２】その結果、大きな電源電圧が必要になり、
また消費電流の大きな高性能の増幅器も必要となり、低
電圧化、低消費電流化には大きな障害になるばかりでな
く、コストも高くなるという問題点もあった。

【００２３】そこで、本発明はこれらの問題点を解消で
きる超音波流量計を提供することを目的とする。

【００２４】

【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、流体の流れの中を流れと同方向
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、測定オン・オフ信号がオフ
側からオン側になる毎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信号毎に送信側の送受波
器（２又は３）を駆動し、第ｎ受信波検知信号が入力さ
れるか測定オン・オフ信号がオフ側になると駆動を停止
する送波器駆動部（６）と、受信波検知部（４）よりの
受信波検知信号が入力されていて、測定オン・オフ信号
がオン側になる毎に零から計数を開始し、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（８）と、測定オン・オフ信号がオン側に
なってから、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（９）と、一定のタイミングで順方向計
測と逆方向計測の切替えを行い、その都度測定オン・オ
フ信号をオフ側からオン側にし、第ｎ波検知信号を受け
ると第２のカウンタ（９）の測定値を読み取って流速・
流量等の演算を行うコントロール部（７）と、測定オン
・オフ信号がオン側となると、その時から第１の受信波
検知信号までの時間を、その後は受信波検知信号から次
の受信波検知信号までの時間をその都度測定して出力す
る第３のカウンタ（１１）とを具備し、前記コントロー
ル部（７）は、受信波検知信号が入力される毎に第３の
カウンタ（１１）の測定値を読み取り、連続して読み取
った二つの隣接する測定値の差が決められた値より大き
いことがあれば、測定オン・オフ信号のオンから始まっ
たその回の測定は不成功として第２のカウンタ（９）の
測定値を放棄するようにしたことを特徴とする超音波流
量計である。

【００２５】請求項２の発明は、請求項１の超音波流量
計において、コントロール部（７）は測定が不成功と判
断すると、測定オン・オフ信号を一旦オフ側にして測定
を中止し、超音波の向きはそのままで測定オン・オフ信
号をオン側にして測定を再開することを特徴とするもの
である。

【００２６】請求項３の発明は、請求項１又は２の超音
波流量計において、測定不成功の割合が一定値を越える
とアラーム表示をすることを特徴とするものである。

【００２７】請求項４の発明は、請求項１，２又は３の
超音波流量計において、コントロール部（７）は受信波
検知部（４）のしきい値（Ｖ_TH）を制御或いは選択でき
るように構成し、測定の不成功の割合が一定値を越える
と受信波検知部（４）のしきい値（Ｖ_TH）を変化させる
ようにしたことを特徴とするものである。

【００２８】請求項５の発明は、請求項４の超音波流量
計において、受信波検知部（４）のしきい値（Ｖ_TH）を
変化させるに当り、しきい値（Ｖ_TH）を一定量小さくす
るようにしたことを特徴とするものである。

【００２９】そして、請求項６の発明は、請求項１，２
又は３の超音波流量計において、測定が不成功と判断し
た場合、コントロール部（７）は前回の同方向の時間測
定値（Ｔ）を使用して流速、流量又は積算流量を演算す
ることを特徴とするものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の好ましい実施の
形態で、図２はそのタイムチャートである。図１におい
て、２，３は１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。

【００３１】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-1及び第ｎの各受信波検知信号にそれぞれ１，２，
３，…，ｎ−１及びｎの各符号を付けている。

【００３２】６は後述するコントロール部７からの測定
オン・オフ信号がオン側になる毎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
検知信号毎に送信側の送受波器２又は３を駆動し、第ｎ
受信波検知信号が入力されるか測定オン・オフ信号がオ
フ側になると駆動を停止する送波器駆動部である。

【００３３】８は受信波検知部４よりの受信波検知信号
が入力されていて、測定オン・オフ信号がオン側になる
毎に零から受信波検知信号の数を計数し、順方向測定時
と逆方向測定時のそれぞれの間において、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のカウンタである。

【００３４】９は順方向測定時と逆方向測定時のそれぞ
れのときに、測定オン・オフ信号がオン側になってから
第ｎ受信波検知信号までの時間Τを測定する（図２参
照）。７はコントロール部で、信号切替器５と切替スイ
ッチ１０を同期して切り替えることで一定のタイミング
で順方向計測と逆方向計測の切り替えを行い送受切替信
号を出力すると共に、その都度オン・オフ信号をオフ側
からオン側にすることで順方向計測と逆方向計測の第１
回の超音波の送信を指令する。そして、第１のカウンタ
８からの第ｎ受信波検知信号を受けると第２のカウンタ
９の測定値Τを読み取って流速・流量及び積算流量の演
算を行う。

【００３５】１１は第３のカウンタで、コントロール部
７からの測定オン・オフ信号がオン側となると、その時
から第１の受信波検知信号までの時間ｔ₁を、その後は
受信波検知信号からの次の受信波検知信号までの時間ｔ
₂，ｔ₃，…，ｔｎをその都度測定して出力する。

【００３６】コントロール部７は測定オン・オフ信号を
オン側にすると、受信波検知部４からの受信波検知信号
が入力される毎に、第３のカウンタ１１の測定値ｔ₁，
ｔ₂，ｔ₃，…，ｔｎを読み取り、連続して読み取った
二つの隣接する測定値の差が予め決められた一定値より
大きいことがあれば、その回の測定は不成功（エラー）
として第２のカウンタ９の測定値を放棄する。

【００３７】これらの動作で、受信波検知部４は、決め
られた波、例えば第３波の後のゼロクロスポイントを検
知するように作用し、また１組のｎ回の超音波の送受は
連続して短時間のうちに行われる。

【００３８】よって、第３のカウンタ１１で測定した時
間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，…ｔｎはそれぞれが殆ど同じ値と
なる。特に隣接する二つの測定値同士は同じ値といって
も良い程数値が似ている。

【００３９】ところが、予期せぬ異常なノイズ等で決め
られた第３波ゼロクロスポイントを検知できずに、その
前或いは後の波のゼロクロスポイントを検知した場合、
第３のカウンタ１１から読み取った測定値は直前の測定
値と比べて超音波の１周期分或いはその整数倍異なった
値となる。

【００４０】なお第３のカウンタ１１の時間計測の分解
能は超音波の１周期分の時間が識別できれば良い。従っ
て、前述のように、第３のカウンタ１１の計測値の隣接
する値同士の差が一定値、例えば超音波の１／２周期分
の時間より大きい場合には、そのまま順方向又は逆方向
の測定を継続しても正しい時間Ｔ（≒ｎｔ）を得られな
いと判断できるので、この段階でコントロール部７は今
回の測定が不成功（つまりエラー）と判断して、測定オ
ン・オフ信号をオフ側として、一旦測定を中止したあと
再びオン側としてそれまでと同じ超音波の向きで再測定
を行う（請求項２）。

【００４１】こうすることで、第３のカウンタ１１に異
常値が出たときに、その回の測定を以後あきらめてしま
う場合に比べて測定精度が良くなる。図３は第３のカウ
ンタ１１の電気回路の具体例で、ＯＲゲート１２と、リ
セット可能なカウンタ１３と、カウンタ１３のクロック
入力ＣＫにクロック信号を入力する一定周波数のクロッ
ク発振器１４とカウンタ１３の時間計数値を一時的に記
憶してコントロール部７へ出力するラッチ回路１５が図
示のように接続されている。受信波検知信号がラッチ回
路１５のラッチ入力に入力されてカウンタ１３の時間計
数値を先ずラッチ記憶してからＯＲゲート１２を介して
受信波検知信号がカウンタ１３の時間計数値をリセット
するようにタイミングが定めてある。

【００４２】なお、図３では、クロック発振器１４を特
別に設けているが、図１の第２のカウンタ９を構成する
基準クロック発生器を用い、その基準クロックを図３の
カウンタ１３のクロック入力ＣＫに入力しても良い。

【００４３】上述のように正しいｔ（≒ｎｔ）が得られ
なかった場合、コントロール部７が前回の同方向の測定
値を使用して流速・流量等を算出するか、或いは流速の
計算は行わず、前回の計算した流速と同じ流速が継続し
ていると見做して流量積算等を行うことで、積算流量へ
の悪影響を小さくすることができる（請求項６）。

【００４４】また、超音波の送受波器２，３は経年劣化
する傾向があるため、受信波が経年的に小さくなること
がある。従って、図４に実線で示した受信波の第３波ゼ
ロクロスポイントまでの時間（ｔ＋τ）を計測するよう
にしきい値Ｖ_THを定めていたとしても、経年変化（エー
ジング）で受信波が破線のように小さくなると第３波の
クロスポイントが検知できず、第５波のゼロクロスポイ
ントを間違って検知し、時間（ｔ″＋τ）を計測してし
まうという誤りを生じる。つまり、超音波の１周期分の
時間だけ計測値が異常に大きくなる。

【００４５】この現象は、ある時から急に全ての計測値
が第３波から第５波に変わってしまうわけではない。受
信信号には常にノイズが乗っている。ノイズの極性は正
負両方であり、振幅が小さいもの程数が多く、振幅が大
きいもの程数が少ないと一般的に言える。

【００４６】従ってしきい値Ｖ_THに第３波がとらえられ
ない不具合現象は先ず第３波のピーク付近に負の振幅の
大きいノイズが乗った時に起こるようになる。このよう
な頻度はかなり小さい。

【００４７】更に経年変化が進んで、受信信号が小さく
なると、小さな振幅のノイズが乗るだけでも、このよう
な不具合現象が頻繁に起きるようになり、測定の不成功
（エラー）発生の割合が次第に高くなっていく。

【００４８】そこでエラー発生の割合が一定値を越える
とアラーム表示をして流量計の保守や交換等の時期を知
らせることができる（請求項３）。請求項４の発明のよ
うに、エラーの割合が一定値を越えると、しきい値Ｖ_TH
を変えることによって、エラーの発生を少なくするもの
で、しきい値を複数用意しておき、測定不具合（エラ
ー）が起きる割合の小さいものを選択して使うようにす
ることもできる。

【００４９】しきい値をどれだけ変えるかは、受信信号
に乗るノイズの大きさ、初期の受信信号の大きさ、測定
不具合（エラー）の起こる割合等から決めることができ
るが、送受波器の経年劣化（エージング）によるエラー
の場合には、請求項５のように、しきい値を一定量小さ
くするのが効果的である。

【００５０】

【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、狙った波を検知できなかったことが
確実に判り、間違った測定値を採用しないため、流量計
の計測精度が向上する。

【００５１】また狙った波が検知できなかった場合、そ
の場でそのことが判り、その後の無駄な測定を自動的に
中止できる。そして、受信波検知部に消費電流の大きな
アナログ回路を必要としないし、経年劣化分を必要以上
に大きく見越して大きな駆動電力で送波器を励振すると
か、受信信号の増幅器にローノイズ化による高性能増幅
器を必要とする等の要求がなくなるため、低消費電力で
低電圧駆動の超音波流量計が実現できる。

【００５２】更にまた、送受波器の経年変化を検知して
表示したり、経年変化に対応してしきい値（Ｖ_TH）を変
更することにより、送受波器としてのトランスデューサ
の交換時期（寿命）がわかるとか、寿命を延ばすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施形態のブロック図であ
る。

【図２】図１の実施形態のタイムチャートである。

【図３】図１の実施形態の第３カウンタ１１の具体的回
路の実施例である。

【図４】送受波器の経年変化による受信波検知部の動作
の変化を説明する図である。

【図５】従来技術の原理を説明する略図である。

【図６】従来技術の受信波検知部の動作を説明するため
の電気信号波形を示す線図である。

【図７】従来技術の受信波形のピーク値検知動作を説明
する図である。

【符号の説明】

２，３超音波送受波器４受信波検知部６送波器駆動部７コントロール部８第１のカウンタ９第２のカウンタ１１第３のカウンタＴ時間測定値Ｖ_TH しきい値

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れの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、測定オン・オフ信号がオフ側からオン側になる毎に送信
側の送受波器（２又は３）を駆動し、その後は受信波検
知信号毎に送信側の送受波器（２又は３）を駆動し、第
ｎ受信波検知信号が入力されるか測定オン・オフ信号が
オフ側になると駆動を停止する送波器駆動部（６）と、受信波検知部（４）よりの受信波検知信号が入力されて
いて、測定オン・オフ信号がオン側になる毎に零から計
数を開始し、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（８）と、測定オン・オフ信号がオン側になってから、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（９）
と、一定のタイミングで順方向計測と逆方向計測の切替えを
行い、その都度測定オン・オフ信号をオフ側からオン側
にし、第ｎ波検知信号を受けると第２のカウンタ（９）
の測定値を読み取って流速・流量等の演算を行うコント
ロール部（７）と、測定オン・オフ信号がオン側となると、その時から第１
の受信波検知信号までの時間を、その後は受信波検知信
号から次の受信波検知信号までの時間をその都度測定し
て出力する第３のカウンタ（１１）とを具備し、前記コントロール部（７）は、受信波検知信号が入力さ
れる毎に第３のカウンタ（１１）の測定値を読み取り、
連続して読み取った二つの隣接する測定値の差が決めら
れた値より大きいことがあれば、測定オン・オフ信号の
オンから始まったその回の測定は不成功として第２のカ
ウンタ（９）の測定値を放棄するようにしたことを特徴
とする超音波流量計。
【請求項２】コントロール部（７）は測定が不成功と
判断すると、測定オン・オフ信号を一旦オフ側にして測
定を中止し、超音波の向きはそのままで測定オン・オフ
信号をオン側にして測定を再開することを特徴とする請
求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】測定不成功の割合が一定値を越えるとア
ラーム表示を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。
【請求項４】コントロール部（７）は受信波検知部
（４）のしきい値（Ｖ _TH）を制御或いは選択できるよう
に構成し、測定の不成功の割合が一定値を越えると受信
波検知部（４）のしきい値（Ｖ_TH）を変化させるように
したことを特徴とする請求項１，２又は３記載の超音波
流量計。
【請求項５】受信波検知部（４）のしきい値（Ｖ_TH）
を変化させるに当り、しきい値（Ｖ_TH）を一定量小さく
するようにしたことを特徴とする請求項４記載の超音波
流量計。
【請求項６】測定が不成功と判断した場合、コントロ
ール部（７）は前回の同方向の時間測定値（Ｔ）を使用
して流速、流量又は積算流量を演算することを特徴とす
る請求項１，２又は３記載の超音波流量計。