JPH0926341A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送波器から発射された超音波が受波器に到達
するまでの伝搬時間の計測誤差を少なくして、流量計の
計測精度を向上する。 【構成】 切替スイッチ５を図示の位置にして、送波器
駆動回路４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２は送波器として作動すると同時に
その振動に応じた電気信号を出力する。この電気信号は
信号切替器６を介して第ｍ波検知回路７に入力されてそ
の第３波が検出される。超音波が受波器３に達するまで
に信号切替器６が切り替わり、受信波の第３波が第ｍ波
検知回路７で検出される。タイマ８は伝搬時間を計測す
る。この伝搬時間に基いて演算制御回路９が流量を算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体中の超音波伝搬
時間に基いて流速を求める超音波流量計の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３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（順方向）と一致すればその搬速度は（Ｃ
＋Ｖ）となり、流れに逆らった方向（逆方向）の場合に
は（Ｃ−Ｖ）となる。

【０００３】距離Ｌを隔て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
超音波を発射したとき、受波器３に超音波が到達するに
要する時間をｔ₁ 、送波器３から逆方向に超音波を発射
したとき、受波器２に超音波が到達するに要する時間を
ｔ₂ とすれば、 ｔ₁ ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１） ｔ₂ ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２） となる。

【０００４】（１），（２）式より、 （１／ｔ₁ ）−（１／ｔ₂ ）＝２Ｖ／Ｌ を得る。よって、流速Ｖを、 Ｖ＝Ｌ〔（１／ｔ₁ ）−（１／ｔ₂ ）〕／２ として音速Ｃと無関係に求めることができる。

【０００５】従来は、このようにして伝搬時間をｔ₁ ，
ｔ₂ の逆数から流速Ｖを求めて、流体の流量を計測して
いた。伝搬時間ｔ₁ やｔ₂ を測定するには図４に示すよ
うにしていた。

【０００６】先ず送波器を駆動パルスＰで励振する。駆
動パルスＰはパルス巾が送波器の固有周期の１／２以下
の半波の電気パルスであるが、１周期の電気パルスを用
いることもある。

【０００７】駆動パルスＰで励振された送波器は超音波
を送信し、それを受信した受波器には図４に示すような
受信波が生じる。駆動パルスＰの始まりと受信波の始ま
り（先頭）イとの間の時間が超音波の伝搬時間ｔ₁ 又は
ｔ₂ になる。

【０００８】ところが受信波にはノイズが含まれてお
り、しかも第１波は振幅が小さいため符号イで示す点を
正確に計測することが不可能であるため、信号が大きく
なる第３波（或いは第５波等）の終了時点のゼロクロス
ポイント ロを検知し、この検知した時間から３波分の
時間τを減算して伝搬時間ｔ₁ やｔ₂ を求めていた。

【０００９】受信波の先頭イから第３波のゼロクロスポ
イント ロまでの時間τは、受波器の固有振動数をｆと
すると、ほぼ（３／２）・（１／ｆ）となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術では、
送波器と受波器の固有振動数が一定でなく製作上のばら
つきがあり、しかも、温度や、送波器の駆動方法等によ
っても時間τが一定ではない。

【００１１】また、受信波は非常に小さな信号であるた
め、これを増幅する増幅回路が必要であるし、ゼロクロ
スポイント ロを検出する比較器も必要とする。その結
果、これらの増幅回路や比較器を構成する電子回路での
信号の遅れがあり、この遅れも一定ではないため、前記
時間τの変化の要因となる。つまり、ゼロクスポイント
ロの検知に誤差を生じる原因となる。

【００１２】超音波流量計の精度を確保するには、伝搬
時間のｔ₁ 、ｔ₂ を精度良く計測しなければならない
が、時間τに種々の原因による誤差が入るため、従来技
術では実際に種々の条件で時間τを測定し、これを記憶
しておいて、流量計測時にその値を使用して補正する方
式を用いて流量計測の精度を向上するようにしていた。

【００１３】そのため、流量計の構成が複雑になるばか
りでなく、このような補正をしたとしても、実用上問題
になる程度の計測誤差が残されていた。また、時間τの
誤差の悪影響を小さくして流量計の精度を向上しようと
すると、伝搬時間ｔ₁ やｔ₂ を大きくした、大形の流量
計になってしまうという問題点があり、小形で高精度の
超音波流量計の実用が困難であった。

【００１４】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。

【００１５】

【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の超音波流量計は、流体の流れ中を流れと
平行あるいは斜め方向に超音波の送受をする１組の送受
波器（２）（３）を有し、該送受波器（２）（３）は送
信をつかさどるときは自身の振動を電気信号として出力
すると共に受信をつかさどるときは受信した超音波の振
動を電気信号として出力するよう構成されており、送受
波器（２）の信号を受け、それらの第ｍ番目の振動を検
知する第ｍ波検知回路（７）と、該第ｍ波検知回路
（７）で検知した送信をつかさどる送受波器（２）
（３）の第ｍ波と受信をつかさどる送受波器（３）
（２）の第ｍ波との間隔（ｔ）を測定するタイマ（８）
と、該タイマ（８）の計数値を入力して流量を演算する
とともに、送受波器（２）（３）の送信、受信の役割の
切替えを行なう演算制御回路（９）と、送信をつかさど
る送受波器（２又は３）を駆動する送波器駆動回路
（４）と、送信時には送信をつかさどる送受波器（２又
は３）からの電気信号を第ｍ波検知回路（７）に入力
し、送信をつかさどる送受波器（２又は３）からの超音
波が受信をつかさどる送受波器（３又は２）に到達する
までに受信をつかさどる送受波器（３又は２）の出力を
第ｍ波検知回路（７）に入力するように切替わる信号切
換器（６）とを具備したことを特徴とするものである。

【００１６】請求項２の発明は、請求項１の超音波流量
計において、第ｍ波検知回路（７）は、ｍが３又は５で
あることを特徴とするものである。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、第ｍ波検知回
路７）は、第ｍ番目の振動の終了時点のゼロクロスポイ
ントを検知することを特徴とするものである。

【００１７】

【作用】演算制御回路（９）は、１組の送受波器
（２），（３）のうち一方の送受波器（２）を送波器駆
動回路（４）に切替接続して送波器として作動させる。
他方の送受波器（３）は受波器として作動する。

【００１８】送受波器（２）が送波器として作動すると
きは、信号切替器（６）は一方の送受波器（２）の電気
信号を第ｍ波検知回路（７）に入力する。演算制御回路
（９）からの起動信号を受けて送信器駆動回路（４）が
一方の送受波器（２）（送波器）を駆動して超音波を他
方の送受波器（３）（受波器）に向けて発射する。

【００１９】送波器として作動する送受波器（２）の振
動は電気信号にもなり、信号切替器（６）を通じて第ｍ
波検出回路（７）に入力され、その第ｍ番目の振動
（波）を検知し、タイマ（８）に入力する。

【００２０】タイマ（８）は時間を計測し始める。送受
波器（２）から発射された超音波が他方の送受波器
（３）に到達するまでに、信号切替器（６）が切替られ
て、送受波器（３）の信号が第ｍ波検知回路（７）に入
力されるようになる。

【００２１】超音波が送受波器（３）に到達すると、受
信波の第ｍ番目の波（信号）が第ｍ波検知回路（７）で
検知されて、検知信号をタイマ（８）に入力する。タイ
マ（８）は前記一方の送受波器（２）つまり送波器の第
ｍ波検知信号と、他方の送受波器（３）つまり受波器の
第ｍ波検知信号との間隔（伝搬時間）を計測する。

【００２２】このタイマ（８）の計測値は演算制御回路
（９）に入力され、演算制御回路（９）は送受波器を切
り替える。つまり送受波器（３）を送波器として、送受
波器（２）を受波器として使うようにして、超音波の発
射方向を前回と逆にして伝搬時間をタイマ（８）で計測
する。

【００２３】こうして、流体の流れに対して順方向と逆
方向の超音波の伝搬時間を求め、これらの伝搬時間に基
いて演算制御回路（９）が流速や流量を演算する。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例で、２，３
は１組の送受波器で、互に流路の上流と下流に間隔をお
いて対向配置されている。送受波器２と３は、図３の従
来技術で示したように、超音波が流れの流速Ｖに平行に
発射されるように配置してもよく、また、超音波が流れ
に対して斜め方向に発射される周知の配置にしてもよ
い。

【００２５】４は送波器駆動回路で、送受波器２，３の
うち、送波器として作動するように切替スイッチ５で選
択された一方の送受波器２又は３を駆動する。図１では
切替スイッチ５は送受波器２を送波器駆動回路４に接続
している状態を示す。

【００２６】６は信号切替器で、送信時には送波器例え
ば送受波器２からの電気信号を第ｍ波検知回路７に入力
し、送波器２からの超音波が受波器例えば送受波器３に
到達するまでに受波器３の出力を第ｍ波検知回路７に入
力するように、図示の状態から切替られる。

【００２７】第ｍ波検知回路７は、送波器２の電気信号
や受波器３の受信波の第３波の終了時のゼロクロスポイ
ントを検出する。この第ｍ波検知回路７は、増幅回路７
ａと、比較回路７ｂとで構成されている。

【００２８】８はタイマで、送波器２の第３波終了時の
ゼロクロスポイントと、受波器３の第３波終了時のゼロ
クロスポイントとの間の時間を超音波の伝搬時間ｔとし
て計測する。

【００２９】９は演算制御回路で、タイマ８の計測時間
ｔを入力して流体の流速や流量を演算すると共に、切替
スイッチ４，５を切替制御して超音波の向きを順方向と
逆方向に替える。また、この演算制御回路９は、送波器
駆動回路４に制御信号を出して、送受波器２又は３を駆
動パルスＰで励振する時期を定める。

【００３０】なお信号切替器６は、必ずしも図１に示す
ように第ｍ波検知回路７の出力で切替操作する必要はな
い。要するに、超音波を送信する送信時には送波器であ
る送受波器（例えば）２を第ｍ波検知回路７に接続し、
送波器２からの超音波が受波器である送受波器（例え
ば）３に到達するまでに受波器３を第ｍ波検知回路７に
接続するように切り替える機能をもっておれば良い。

【００３１】図２は、順方向又は逆方向の一方向の場合
だけの超音波の伝搬時間ｔを計測するときの図１の実施
例のタイムチャートで、切替スイッチ５を図１の状態に
して一方の送受波器２を送波器として用い、他方の送受
波器３を受波器として用いた場合を示す。

【００３２】なお、図２のＡ，Ｂ，Ｃは、図１で符号
Ａ，Ｂ，Ｃで示す部分の電気信号波形を示す。送波器２
を駆動パルスＰで励振すると、送波器２は振動して超音
波を受波器３に向けて発射するとともに、図２のＢで示
す送信波（電気信号）を出力して信号切替器６を介して
第ｍ波検知回路７に入力する。送波器２は圧電振動子か
らなり、自身の振動により電気信号を発生する。

【００３３】第ｍ波検知回路７は、駆動パルスＰの立上
り時点から、第ｍ波（この場合第３波）までの遅れτ₁
と第ｍ波検知回路７を構成する増幅回路８や比較回路９
等による信号の遅れτ₂ の和（τ₁ ＋τ₂ ）だけ遅れて
Ｃ点に信号ハを出力する。

【００３４】その後、信号切替器６が図１の状態から切
り替えられ、受波器３の受信波（図２のＢ参照）の第３
波のゼロクロスポイントが図２の信号ニとして検出され
る。このときの遅れは送信波の場合と同じ（τ₁ ＋
τ₂ ）となる。その理由は送信波器２と３が同じ固有振
動数の振動子であり、しかも、送信波と受信波の第３波
のゼロクロスポイントを検知するのに一つの検知回路７
を用いているからである。

【００３５】従って、従来技術の図４で説明した時間τ
による誤差が本発明では打ち消されて、流量計測誤差へ
の悪影響がなくなる。こうして、伝搬時間ｔを精度良く
計測することで、流量計の精度を向上する。

【００３６】なお、送波器と受波器を切り替えて、順方
向と逆方向の伝搬時間を求め、これらから音速の影響を
除いて流速や流量を演算することは従来技術と同様であ
る。

【００３７】

【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、受信波の第ｍ波を検知するための遅
れ（τ₁ ＋τ₂ ）が、送信波の第ｍ波を検知するための
遅れ（τ₁ ＋τ₂ ）で打ち消されるため、超音波の伝搬
時間（ｔ）を正確に計測でき、流量計の計測精度の向上
に寄与する。

【００３８】そして、遅れ時間（τ₁ やτ₂ ）の影響が
打ち消されて伝搬時間（ｔ）を精度良く計測できるた
め、小形で高精度の超音波流量計を実現できる。更に、
第ｍ波検知回路の遅れ（τ₂ ）が打ち消されるので、検
知回路を消費電流が大きい高性能、高速の増幅回路や比
較回路で構成する必要なくなり、そのぶん低消費電流で
かつ安価な電子部品で構成でき、流量計の省電力化とコ
スト低減にも寄与する。

【００３９】また、請求項２の発明では、受信波が比較
的大きな信号になった時点で超音波の到達時間を計測す
るので、時間の計測誤差が少なく、その面からも流量計
の計測精度が向上する。

【００４０】更にまた、請求項３の発明では、送信波と
受信波のゼロクロスポイントで伝搬時間を計測するの
で、時間の計測精度が向上し、その面からも流量計の計
測精度の向上に役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の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】 超音波流量計の送受波器の配置を説明する略
図である。

【図４】 従来技術のタイムチャートである。

【符号の説明】

２，３…送受波器（送波器、受波器） ４…送波器
駆動回路 ５…切替スイッチ ６… 信号
切替器 ７…第ｍ波検知回路 ８…タイマ ９…演算制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流れ中を流れと平行あるいは斜め
   方向に超音波の送受をする１組の送受波器（２）（３）
   を有し、 該送受波器（２）（３）は送信をつかさどるときは自身
   の振動を電気信号として出力すると共に受信をつかさど
   るときは受信した超音波の振動を電気信号として出力す
   るよう構成されており、 送受波器（２）の信号を受け、それらの第ｍ番目の振動
   を検知する第ｍ波検知回路（７）と、 該第ｍ波検知回路（７）で検知した送信をつかさどる送
   受波器（２）（３）の第ｍ波と受信をつかさどる送受波
   器（３）（２）の第ｍ波との間隔（ｔ）を測定するタイ
   マ（８）と、 該タイマ（８）の計数値を入力して流量を演算するとと
   もに、送受波器（２）（３）の送信、受信の役割の切替
   えを行なう演算制御回路（９）と、 送信をつかさどる送受波器（２又は３）を駆動する送波
   器駆動回路（４）と、送信時には送信をつかさどる送受
   波器（２又は３）からの電気信号を第ｍ波検知回路
   （７）に入力し、送信をつかさどる送受波器（２又は
   ３）からの超音波が受信をつかさどる送受波器（３又は
   ２）に到達するまでに受信をつかさどる送受波器（３又
   は２）の出力を第ｍ波検知回路（７）に入力するように
   切替わる信号切換器（６）とを具備したことを特徴とす
   る超音波流量計。
2. 【請求項２】 第ｍ波検知回路（７）は、ｍが３又は５
   である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】 第ｍ波検知回路（７）は、第ｍ番目の振
   動の終了時点のゼロクロスポイントを検知することを特
   徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。