JPH11271119A - 音波流量計 - Google Patents

音波流量計

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JPH11271119A
JPH11271119A JP11007934A JP793499A JPH11271119A JP H11271119 A JPH11271119 A JP H11271119A JP 11007934 A JP11007934 A JP 11007934A JP 793499 A JP793499 A JP 793499A JP H11271119 A JPH11271119 A JP H11271119A
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JP
Japan
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flow
value
error signal
flowmeter
propagation time
Prior art date
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Pending
Application number
JP11007934A
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English (en)
Inventor
Lars Wallen
ヴァレン ラース
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Siemens Elema AB
Original Assignee
Siemens Elema AB
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Publication date
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 上述の問題を回避し、流量の誤差を自動的に
識別できる音波流量計を提供することである。 【解決手段】 付加的にエラー信号表示器が設けられて
おり、このエラー信号表示器は、求められた伝播時間の
値Ｔｄ、Ｔｕを受け取り、これらの値から導出された量
Ｔｓｕｍ、Ｔｄｉｆｆが相応の制御値Ｔｃから所定の大
きさだけ異なる場合に、誤った流量読み取りを示すエラ
ー信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、タイミング手段
と、音波信号発生器および音波信号受信器とを有してお
り、タイミング手段は、音波信号発生器と音波信号受信
器の間で流体の流れの下流方向に対して送信された音波
パルスの下流方向伝播時間の値と、音波信号発生器と音
波信号受信器の間で流体の流れの上流方向に対して送信
された音波パルスの上流方向伝播時間の値とを求める音
波流量計に関する。本発明はまた、流体の流れる管と、
この管を流れる流体の流量測定に使用される流量計とを
有する、流量システムに関する。本発明は特に、呼吸補
助装置例えば換気装置またはレスピレータなどの人工呼
吸器におけるガス流のモニタリングに用いられる超音波
流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】流体中に送信される音波パルス（通常は
超音波パルス）の走行時間を用いて流体の速度（ひいて
は流量）を求める形の流量計がこの技術分野で知られて
いる。例えば国際公開第９４／２８７９０号明細書およ
び米国特許第５２４７８２６号明細書に記載されている
装置は、このような基本的な手法にしたがって、流体の
下流方向での超音波の伝播時間Ｔｄおよび上流方向での
超音波の伝播時間Ｔｕの両方を測定するように構成され
ている。これらの伝播時間はマイクロプロセッサに供給
され、マイクロプロセッサは標準のアルゴリズムを用い
て流体の流量を計算する。またこれらの装置には温度計
も設けられており、この温度計は流体の周囲温度を測定
する。媒体中の音速は温度に応じて変化するので、周囲
温度が既知であれば伝播時間をより正確に導出すること
ができる。
【０００３】国際公開第９４／２８７９０号明細書に記
載の装置には、それぞれ圧電形の送受信器を有するセル
対が設けられている。このセル対は、超音波パルスがセ
ルの間を流体の流れ方向に対して所定の角度で伝播する
ように配置されている。各セルがそれぞれ超音波パルス
を送信し、かつそれぞれ他方のパルスを受信することに
より、２つの伝播時間Ｔｄ、Ｔｕが測定できる。米国特
許第５２４７８２６号明細書に記載の装置では１組の超
音波送受信器が設けられており、同様の効果が得られ
る。この１組の超音波送受信器は、ガスが流れる伸長さ
れたコイル管内に間隔を置いて配置されており、交互に
送信器または受信器として動作する。
【０００４】圧電結晶は１つの電気パルスを印加された
場合、１つのパルスしか発生しないわけではない。むし
ろ圧電結晶は特徴的な共振周波数で発振し、一連のパル
スを含む“パケット”を発生する。送信信号の包絡線は
時間が経つにつれて迅速に減衰するが、その際に通常は
６個程度の一連のサイクルのパルスを形成する。このた
めパケット内の異なる種々のパルスを用いて測定が行わ
れる場合、流量測定において小さな誤差が生ずることが
ある。
【０００５】したがって、従来技術による装置が、誤差
を微小に抑えて流れを維持することが重要な状況で使用
される場合に問題が生じる。例えば医療分野での適用、
つまり換気装置やレスピレータなどにおける呼吸用ガス
の流量をモニタリングする場合である。これらの適用分
野では、流量計はガス流量の小さな変化を正確に高い信
頼性で検出できなくてはならない。しかし従来技術によ
る装置では、一見正しく見える小さな変化を、それがた
とえ実質的に流量の変化によって生じたのではなく、特
定のパケット内の誤った音波パルスの到達時間から算出
されたものであってもそのまま記録してしまうことがあ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
の問題を回避し、流量の誤差を自動的に識別できる音波
流量計を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題は、付加的にエ
ラー信号表示器が設けられており、このエラー信号表示
器は、求められた伝播時間の値Ｔｄ、Ｔｕを受け取り、
これらの値から導出された量Ｔｓｕｍ、Ｔｄｉｆｆが相
応の制御値Ｔｃから所定の大きさだけ異なる場合に、誤
った流量読み取りを示すエラー信号を出力する構成によ
り解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明によれば流量計にエラー信
号表示器が設けられている。このエラー信号表示器は測
定された伝播時間Ｔｕ、Ｔｄを受け取り、これらの値か
ら導出された量（すなわちＴｕ、Ｔｄの和または差）と
相応の制御値とを比較し、比較結果が相応の所定の閾値
を超過した場合にエラー信号を出力する。このエラー信
号は例えば流量計の動作パラメータを変化させてエラー
を回避したり、を無視するように回路に指示したり、ま
た操作者に警報を認識させ正確な測定を手動で行わせた
りするのに用いられる。
【０００９】特に流量計が持続的な流れを測定する場
合、有利にはエラー信号表示器は次のような回路手段を
有する。すなわち伝播時間の値Ｔｕ、Ｔｄの和を形成す
る手段（流体の流量は伝播時間に対して同じ大きさでは
あるが反対方向の作用を与えるので、和は流量がどんな
値でも一定である）と、測定値または計算値として予測
される和に依存する制御値と前出の和とを比較する手段
（計算値は例えばガスの温度および組成が既知である理
想ガス中の音速に対する既知の式を用いて計算される）
と、エラー信号を出力する手段とである。エラー信号
は、形成された値と制御値の間の差が所定の閾値、例え
ば０を超過した場合に発生される。このようにして流量
計は連続的にエラー信号をモニタリングできる。
【００１０】回路手段として例えば、形成された和と、
予め形成されていた値から成る制御値との間の差を求め
る手段を設けることができる。また付加的に、比較の結
果が所定の閾値を超過しない場合には制御値を形成され
た和で置き換えて制御値を更新するように適合させるこ
ともできる。
【００１１】有利には、エラー信号表示器が実質的に層
流の流れ条件（例えば流量が０またはごく小さい場合）
において測定された伝播時間から制御値を形成する。こ
れにより流量計は自動較正を行えるようになる。
【００１２】さらに有利にはこの自動較正は流量計の動
作中周期的に行うことができ、周囲条件（例えば温度）
の変化によって生じる超音波の速度の変化、またはタイ
ミング手段の条件の変化に対する自動補償が可能とな
る。これにより、周囲条件のモニタリングに用いられる
付加的な構成ユニット（温度計など）を流量計内に設け
る必要がなくなるので、流量計の構造が簡単化される利
点が得られる。
【００１３】これに加えてまたはこれと選択的に、エラ
ー信号表示器は回路手段として、伝播時間の値Ｔｕ、Ｔ
ｄの差を形成する手段と、予測される差または測定され
た差に依存する制御値と前出の差とを比較する手段と、
エラー信号を出力する手段とを有する。エラー信号は、
形成された値と制御値との間の差が所定の閾値を超過し
た場合に発生される。
【００１４】形成された差の値は形成された和の値の場
合とは異なって、流量の変化に依存して値が変化するこ
とは当業者には明らかである。しかしこの種のエラーモ
ニタリングは、流れが既知または０である場合、または
予め形成された差の値を制御値として使用する回路手段
が設けられている場合に使用され、制御値は新たに形成
された制御値と置き換えられる。このため制御値を求め
てから値を形成するまでの時間は、測定可能な流量変化
の時間よりも短い。
【００１５】
【実施例】本発明を以下に実施例に基づき、図に関連し
て説明する。
【００１６】本発明をより良く理解してもらうために、
公知の流量計についてまず説明する。図１には流量計１
が示されており、この流量計は流体が流れる管２を有し
ている。流体は例えば図の矢印の方向に流れる。管２に
液密な端部５、６を有する分岐３、４が形成されてい
る。圧電形の送受信器７、８は分岐３、４のそれぞれに
配置されており、これにより一方の送受信器７から送信
された音波パルスは流体の流路を所定の角度で横断して
他方の送受信器８で受信される（逆も同様である）。電
気パルス発生器９およびタイミング手段１０が設けられ
ており、これらは一方では相互に接続され、他方ではそ
れぞれ圧電素子７、８に接続されている。タイミング手
段は適切にプログラムされた、公知の内部クロック周波
数で作動するマイクロプロセッサを有している。これに
より各送受信器７、８を交互に送信器および受信器とし
て作動させることができる。パルス発生器９、タイミン
グ手段１０、各送受信器７、８の間の接続は切換可能で
あり、パルス発生器９が送受信器７へ電気パルスを供給
するように切り換えられた場合、タイミング手段１０は
送受信器８からの電気信号のみを受け取るように切り換
えられる（逆も同様である）。
【００１７】流量計１の動作をさらに説明するにあたり
理解を簡単にするために、送受信器７が送信器として動
作し、送受信器８が受信器として動作する場合を例とし
て説明する。
【００１８】パルス発生器９は図２に示す１つの電気パ
ルス１４を圧電形の送信器７に供給し、かつ信号をタイ
ミング手段１０のマイクロプロセッサ１１に供給し、内
部クロックからのパルスの計数を開始させる。電気パル
ス１４により送信器７は、振幅のゼロ交差点Ｐ１〜Ｐ５
を有する波列１５を出力する。このことは図２に示され
ている。この波列１５は流れに対して所定の角度で管２
の流体を通過し、圧電形の受信器８で受信される。この
受信器でアナログ電圧の振幅変化を有する電気的な波列
が形成される。この電気信号はタイミング手段１０へ入
力される。
【００１９】タイミング手段１０は従来技術から公知の
電圧のゼロ交差点を検出する回路１２を有しており、こ
の回路は電気パルス１４に関連する同じ電圧ゼロ交差点
（例えばＰ３）をつねに検出するように構成されてい
る。１つのゼロ交差点が検出されると、信号がマイクロ
プロセッサ１１へ送出され、このマイクロプロセッサ１
１がクロックパルスの計数を中断する。マイクロプロセ
ッサ１１の内部クロック周波数と、超音波信号の発生か
ら受信までに計数されたクロックの数が既知であること
から、マイクロプロセッサ１１は超音波パルスの伝播時
間を計算するようにプログラムされている。流体が管２
を図１に示されている方向で流れている場合、送受信器
７は送信器として動作し、送受信器８は受信器として動
作する。この場合、タイミング手段１０により下流方向
伝播時間Ｔｄが求められる。
【００２０】送受信器７、８の機能が逆になった場合、
下流方向伝播時間より遅い上流方向伝播時間Ｔｕが同様
に求められる。タイミング手段１０のマイクロプロセッ
サ１１は伝播時間Ｔｄ、Ｔｕから流体の流量を求めるよ
うにプログラムされている。これには音の伝播の物理学
分野でよく知られた式（米国特許第５２４７８２６号明
細書にも記載されている）を用いる。すなわち、 Ｖ＝Ｋ（Ｔｕ−Ｔｄ）／（Ｔｕ＋Ｔｄ）2 （１） ここでＶは体積流の流量、Ｋは特に流量計１の物理的デ
ィメンションに依存する定数である。この定数は簡単に
計算でき、また実験的に求めることもできる。
【００２１】各電気パルス１４が複数の電圧ゼロ交差点
Ｐ１〜Ｐ５を有する受信信号１５を形成することは明ら
かである。使用されるのは１つのゼロ交差点例えばＰ３
のみである。１つの電気パルスに対してどのゼロ交差点
Ｐ１〜Ｐ５が記録されてもよいようにすると、伝播時間
の値Ｔｄ、Ｔｕを求める際にエラーが生じ、求められた
流量に誤差が生じることがある。
【００２２】この問題を解決するために、流量計１内の
例えばタイミング手段１０の入力側に識別回路１３を設
けて、１つのゼロ交差点例えばＰ３以外のゼロ交差点を
記録しないようにすることが知られている。識別回路１
３は一般的に図２において、信号１５がプリセットされ
た閾値電圧Ｖを下回った後に負から正へ上昇する際の１
つのゼロ交差点（または信号１５がプリセットされた閾
値電圧Ｖを上回った後に正から負へ下降する際の１つの
ゼロ交差点）のみを検索するように動作する。このよう
にしてゼロ交差点Ｐ３のみを検出することができる。し
かし測定エラーは発生することがある。例えば閾値電圧
Ｖ’があまりにも小さくセットされた場合、複数のゼロ
交差点Ｐ２、Ｐ３を取り出してしまう可能性がある。ま
た、電圧が適切なレベル（例えばＶ''）にセットされて
いたとしても、ノイズまたは送受信器７、８の動作特性
の経時変化により信号１５の振幅変動１５'が生じたよ
うな場合には複数のゼロ交差点が検出されてしまうこと
がある。
【００２３】本発明による流量計１は図３に示されてい
るが、本発明の流量計も実質的に図１に示された公知の
流量計と同様であり、共通の構成素子には図１と同じ参
照番号が付されている。下流方向伝播時間Ｔｄおよび上
流方向伝播時間Ｔｕはそれぞれ前述のようにして求めら
れ、タイミング手段１０のマイクロプロセッサ１１に入
力される。前述の公知の流量計とは異なって、エラー信
号表示器１６がタイミング手段１０内に、プログラムさ
れたマイクロプロセッサ１１の一部分として設けられて
いる。このマイクロプロセッサ１１の動作を図４のフロ
ーチャートを用いて説明する。
【００２４】エラー信号表示器１６を使用することによ
り、ＴｄおよびＴｕの和Ｔｓｕｍに基づいて伝播時間の
誤った測定を判別することができる。マイクロプロセッ
サはメモリ内に、流れゼロ（または層流を形成するごく
わずかな流れ）で形成された伝播時間の値の和としての
制御値Ｔｃを保持している。この値は流体が流量計１を
通過するより前の開始時か、または流量計１へ流体が流
れ込むのを防止するために流れ制御弁１７（ここでは流
量計１の一部として示されているが、流体システムの一
部として流量計の外部に設けることもできる）が閉鎖さ
れている際に得ることができる。この値はまた、流体が
流量計１内を全く流れていないことが既知である期間中
に得ることもでき、これは例えば流量計１が呼吸補助装
置（例えば公知の換気装置の吸気側または呼気側）で使
用されており、呼吸のプロセスの性質によって一方の側
には全く流体が流れない期間が存在する場合に有利であ
る。付加的に、制御値Ｔｃを流れゼロの状態で形成され
た新たな和によって、またはエラー信号表示器１６が正
確な伝播時間の値が収集されたことを示した際に得られ
たＴｓｕｍの測定値によって更新することができる。
【００２５】流量計１は、ＴｄおよびＴｕの瞬時値を得
るためには前述のように図１に示した流量計に関連して
いる。エラー信号表示器１６はＴｄおよびＴｕの瞬時値
を用いてＴｓｕｍの値を形成し、このＴｓｕｍの値を制
御値Ｔｃと比較してＴｃ−Ｔ ｓｕｍの絶対値を求める。
この絶対値がゼロに設定されたプリセット閾値Ｔｔより
も大きい場合、エラー信号がマイクロプロセッサ１１の
エラー信号表示器１６によって発生される。この信号は
当業者には既知の手段で、例えば流量の読み取りが行わ
れるのを阻止するか、または流量計に接続された装置の
動作パラメータを変化させて流量を調整するために用い
られる。この信号はまた、初期補正アルゴリズムのため
に、予め計算された“良好な”流量測定からの流量の傾
向に基づいて予測流量値を形成するために用いることが
できる。エラー信号が発生されなかった場合にはプロセ
ッサ１１は式（１）を用いて流量を計算する。この流量
を認識できるように、例えばコンピュータスクリーンま
たは目盛盤へ出力して表示することもできる。
【００２６】当業者には本発明による上述の流量計を図
４に関連して、ＴｄおよびＴｕの差Ｔｄｉｆｆに基づく
エラー識別を行うように簡単に変更できることは明らか
である。この場合Ｔｃは例えばＴｄ−Ｔｕであり、エラ
ー信号表示器１６は｜Ｔｃ−Ｔｄｉｆｆ｜がセット値を
超過しているか否かを判別するように動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の流量計を示す概略図である。
【図２】図１の流量計の動作モードを説明するための波
形図である。
【図３】本発明による流量計を示す図である。
【図４】本発明による流量計の動作モードの実施例を示
すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 流量計 ２ 管 ３、４ 分岐 ５、６ 液密の端部 ７、８ 圧電形送受信器 ９ 電気パルス発生器 １０ タイミング手段 １１ マイクロプロセッサ １２ ゼロ交差点検出回路 １３ 識別回路 １４ 電気パルス １５ 信号 １６ エラー信号表示器 １７ 流れ制御弁

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 タイミング手段（１０）と、音波信号発
    生器（７、８）および音波信号受信器（８、７）とを有
    しており、 前記タイミング手段は、音波信号発生器（７、８）と音
    波信号受信器（８、７）の間で流体の流れの下流方向に
    対して送信された音波パルスの下流方向伝播時間の値
    （Ｔｄ）と、音波信号発生器（７、８）と音波信号受信
    器（８、７）の間で流体の流れの上流方向に対して送信
    された音波パルスの上流方向伝播時間の値（Ｔｕ）とを
    求める、音波流量計において、 付加的にエラー信号表示器（１６）が設けられており、 該エラー信号表示器は、求められた伝播時間の値
    （Ｔｄ、Ｔｕ）を受け取り、該値から導出された量（Ｔ
    ｓｕｍ、Ｔｄｉｆｆ）が相応の制御値（Ｔｃ）から所定
    の大きさだけ異なる場合に、誤った流量読み取りを示す
    エラー信号を出力する、ことを特徴とする音波流量計。
  2. 【請求項２】 前記エラー信号表示器（１６）は、下流
    方向伝播時間の値（Ｔｄ）と上流方向伝播時間の値（Ｔ
    ｕ）との和（Ｔｓｕｍ）が相応の制御値（Ｔ ｃ）と異な
    っていることに依存してエラー信号を出力するように構
    成されている、請求項１記載の流量計。
  3. 【請求項３】 前記相応の制御値（Ｔｃ）は、実質的に
    層流状態において求められた伝播時間の和から形成され
    ている、請求項２記載の流量計。
  4. 【請求項４】 前記制御値（Ｔｃ）は流量が実質的に０
    である際に得られる、請求項３記載の流量計。
  5. 【請求項５】 前記エラー信号表示器（１６）は、既知
    の流量で動作し、下流方向伝播時間の値（Ｔｄ）と上流
    方向伝播時間の値（Ｔｕ）との間の差（Ｔｄ ｉｆｆ）が
    相応の制御値（Ｔｃ）を超過したことに依存してエラー
    信号を出力するように構成されている、請求項１記載の
    流量計。
  6. 【請求項６】 エラー信号表示器は流量０で動作するよ
    うに構成されている、請求項５記載の流量計。
  7. 【請求項７】 弁（１７）が設けられており、該弁は、
    音波信号発生器（７、８）および音波信号受信器（８、
    ７）を通過した流体の流れを制御するように構成されて
    いる、請求項１から６までのいずれか１項記載の流量
    計。
  8. 【請求項８】 前記相応の制御値（Ｔｃ）は求められた
    伝播時間の値（Ｔｄ、Ｔｕ）を用いて周期的に更新され
    る、請求項１から７までのいずれか１項記載の流量計。
  9. 【請求項９】 流体の流れる管と、該管を流れる流体の
    流量測定に使用される流量計とを有する、流量システム
    において、 該流量システムに請求項１から８までのいずれか１項に
    記載の流量計（１）が設けられている、ことを特徴とす
    る流量システム。
JP11007934A 1998-01-15 1999-01-14 音波流量計 Pending JPH11271119A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE9800074-8 1998-01-15
SE9800074A SE9800074D0 (sv) 1998-01-15 1998-01-15 Acoustic flow meter

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JPH11271119A true JPH11271119A (ja) 1999-10-05

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ID=20409859

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JP11007934A Pending JPH11271119A (ja) 1998-01-15 1999-01-14 音波流量計

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US (1) US6098467A (ja)
EP (1) EP0932029B1 (ja)
JP (1) JPH11271119A (ja)
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