KR20090086446A - 초음파 유량계 - Google Patents

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KR20090086446A
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Abstract

초음파 유량계에 있어서 초음파의 전파시간을 계측하기 위하여 이용되는 진동자의 동작은 성전력화를 위하여 간헐 동작이 바람직하다. 하지만, 진동자의 펄스 안정성에는 시간을 요하기 때문에 간헐 동작할 수 없는 과제가 있다. 진동자(60)와, 상기 진동자의 진동을 재촉하는 진동개시수단(61)을 구비하고, 상기 진동개시수단(61)에서 진동된 상기 진동자의 펄스를 초음파의 전파시간 계측에 이용하도록 한 초음파 유량계.

Description

초음파 유량계{ULTRASONIC FLOW METER}
본 발명은 특히 초음파에 의해 유량을 측정하는 초음파 유량계에 관한 것이다.
종래의 초음파 유량계는 예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있다. 도 6은 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 종래의 초음파 유량계의 제1 실시예를 나타낸 제어 블록도이다.
도 6의 초음파 유량계는 유체관로(4)의 도중에 초음파를 발신하는 제1 진동자(5)와 수신하는 제2 진동자(6)가 흐름 방향으로 배치되어 있다. 또한, 제1 진동자(5)로의 발신회로(7), 제2 진동자(6)에서 수신한 신호의 증폭회로(8)를 구비한다. 그리고, 증폭회로(8)에서 증폭된 신호를 비교회로(9)에서 기준신호와 비교하고, 발신에서 수신까지의 시간을 타이머 카운터와 같은 계시수단(10)으로 구하고, 그 초음파 전파시간에 따라 관로의 크기나 흐름의 상태를 고려하여 유량계산수단(11)에서 유량값을 구하고, 이 유량연산수단(11)의 값에 의해 발신회로(7)의 트리거 수단(13)에의 신호 송출의 타이밍을 조절하는 구성을 갖는다.
다음에 그 동작에 대하여 설명한다. 트리거 수단(13)으로부터의 지시에 근거하여 발신회로(7)에서 버스트 신호가 송출되고, 이 버스트 신호에 따라 제1 진동 자(5)에서 발신된 초음파 신호는 흐름의 가운데를 전파하여 제2 진동자(6)에서 수신된다. 그리고, 수신신호가 증폭회로(8)와 비교회로(9)에서 수신처리되고, 발신부터 수신까지의 시간이 계시수단(10)에서 측정된다.
정지유체중의 음을 c, 유체중의 흐름의 속도를 v로 하면, 흐름의 순방향의 초음파의 전파속도는 (c+v)가 된다. 진동자(5 및 6)의 사이의 거리를 L, 초음파 전파축과 관로의 중심축이 이루는 각도를 Φ로 하면, 초음파가 도달하는 시간 T는,
T = L/(c+vCOSΦ) (1)
가 되고, (1)식에서,
v = (L/T-c)/COSΦ (2)
가 되고, L과 Φ가 기지로부터 T를 측정하면 유속 v가 구해진다. 이 유속에서 유량 Q는 통과면적을 S, 보정계수를 K로 하면,
Q = KSv (3)
가 된다.
도 7은 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 종래의 초음파 유량계의 제4 실시예를 나타낸 제어블록도이다. 도 7의 초음파 유량계는 발신부터 수신을 반복하는 수단(15)에 의해 반복 설정수단(16)에서 설정된 회수만큼 반복하고, 또한 발신과 수신의 절환을 절환수단(17)에서 행한 후, 마찬가지로 반복을 행한다. 즉, 발신회로(7)에 의해 제1 진동자(4)로부터 초음파가 발생하고, 이 초음파를 제2 진동자(5)에서 수신하고, 수신신호가 증폭회로(8)를 통하여 비교회로(9)에 도달하면, 반복 수단(16)의 지시에 의해 다시 트리거 수단(13)에서 발신회로(7)를 트리거한다. 이 반복은 반복 설정수단(15)에서 설정된 회수만큼 행하고, 설정회수에 도달하면 반복에 필요한 시간을 계시수단(10)에서 계측한다. 그 후, 절환수단(17)에 의해 제1 진동자(4)와 제2 진동자(5)의 발신수신을 역으로 접속하고, 이번에는 제2 진동자에서 제1 진동자(5)로 향하여 초음파를 발신하여 전술한 것과 동일하게 도달시간을 구하고, 이 차를 유량연산수단(11)에서 유량값을 연산한다.
정지유체중의 음을 c, 유체의 흐름의 속도를 v로 하면, 흐름의 순방향의 초음파의 전파속도는 (c+v), 역방향의 전파속도는 (c-v)가 된다. 진동자(7 및 8) 사이의 거리를 L, 초음파 전파축과 관로의 중심축이 이루는 각도를 Φ, 반복 회수를 n으로 하면, 순방향과 역방향의 각각의 반복 시간 T1과 T2는,
T1 = n×L/(c+vCOSΦ) (4)
T2 = n×L/(c-vCOSΦ) (5)
가 되고, (4),(5)식에서,
v = n×L/2COSΦ×(1/T1-1/T2) (6)
가 되고, L과 Φ가 기지로부터 T1과 T2를 측정하면 유속 v가 구해진다.
하지만, T1과 T2의 차는 유량이 작고 또한 반복 회수가 작을 때에는 극히 미소하며, 정확히 재는 것이 어렵기 때문에, 측정회수를 많게 설정하여 오차를 비교적 작게 한다. 또한, 유량이 커지면 T1-T2의 차도 커지기 때문에 측정이 용이해지고, 그 경우에는 반복 설정의 회수를 작게 하여 샘플링 간격을 빠르게 하여 오차를 작게 한다. 즉, 유량연산수단(11)에 의해 반복 설정수단(15)의 회수를 변경한다.
이 특허문헌 1의 초음파 유량계는 2개의 진동을 이용하여 송신과 수신을 절 환하고, 각각의 수신파형으로부터 구해지는 초음파의 전파시간으로부터 유속을 구하여 유량을 연산하는 방식이다.
특허문헌 1: 특개평 8-122117호 공보
초음파의 전파시간의 계측은 발진소자로서의 진동자로 만들어지는 펄스의 수를 카운트함으로써 구해진다. 예를 들면, 진동자로서 4×106㎐(주기는 주파수의 역수로 0.25×10-6초)의 수정발진자를 이용한 경우, 전파시간중에 720개의 펄스가 있으면 전파시간은 180×10-6초가 된다. 수정발진자는 그것이 접속된 회로의 동작개시부터 진동하여 진동의 진폭이 증대하여 뚜렷한 펄스 파형이 얻어지고, 또한 이 펄스 주기 또는 듀티가 설정되기까지의 시간이 경과한 후, 계측이 가능한 상태가 된다.
이 점에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 8의 진동회로에서 진동자(70)에 주식회사 다이신쿠제의 수정발진자의 품번 SMD49TA4M(4×106㎐용)을 이용하여, 파형을 계측하면 도 9의 파형도가 얻어진다. 도 9의 횡축은 시간(초)이고, 도 9(a)는 회로에 공급하는 전원전압을 나타내고, 전압 안정화를 위하여 삽압되는 콘덴서를 충전하기 위하여 완만하게 상승하고 있다. 회로의 버퍼(71)(주식회사 도시바제TC74HC04)와 언버퍼(72)(주식회사 도시바제TC74HCU04)가 동작가능한 전압이 되면, 도 9(b)의 언버퍼(72)(TC74HCU04)의 출력전압 V1이 나타나고, 그 진동의 진폭이 점점 증대된다. 이 전압V1은 버퍼(71)(TC74HCU04)에 입력되고, V1이 이 버퍼(71)의 임계값 전압을 넘으면, 시간TCR1 = 4 ×10-3초로 버퍼(71)에서 도 9(c)와 같이 구형파의 출력전압 V2가 출력된다. 구형파의 출력전압 V2가 출력되기부터 이 구형파의 주기가 안정되기까지 약간의 시간 TCR2가 필요해진다.
도 10은 구형파의 출력전압 V2가 출력되기부터 이 구형파의 주기의 변화를 나타낸 그래프이며, 횡축은 시간(초), 종축은 펄스 주기(초)이다. 이 도 10을 보면 주기가 0.25 × 10-6초로 안정되기까지에 시간 TCR2로 하여 대략 1 × 10-3초 필요해진다.
이 때문에, 초음파의 전파시간의 계측을 시작하기 전에 수정진동자를 미리 시동하는 것이 필요하다. 이 시간은 TCR1 + TCR2 에서, 대략 5×10-3초 필요해진다. 전지를 전력원으로 이용하는 초음파 유량계에서는 성전력으로 하는 것이 강하게 요구된다. 이 때문에, 초음파의 전파시간 계측은 예를 들어 4 ×10-3초마다의 간헐적인 계측으로 행하는 제어를 하고 있다.
하지만, 초음파의 전파시간의 계측에 수정진동자를 사용하면, 전술한 바와 같이, 계측에 사용가능한 5×10-3초 전에 수정진동자를 시동하지 않으면 계측에 사용가능한 펄스의 안정성이 얻어지지 않는다. 따라서, 계측간격이 4 ×10-3 초마다이면, 수정진동자는 정지할 수 없고 연속하여 동작시키는 것이 필요해진다. 수정진동 자를 동작시키는 회로에 의한 전력소비는 크기 때문에, 수정진동자의 연속 동작은 성전력화를 행하는 경우에 과제가 된다.
진동자에는 수정진동자 외에, 세라믹 진동자가 있다. 세라믹 진동자는 수정진동자에 비하여 기동이 빠르다. 도 11의 진동회로에서 진동자(73)에 마쯔시타 전기산업사제 세라믹 진동자의 품번 EFOMC400AR(4×106㎐용)을 이용하여 파형을 계측하면 도 12의 파형도가 얻어진다. 도 12의 횡축은 시간(초)이고, 도 12(a)는 회로에 공급하는 전원전압을 나타내고, 전압안정화를 위하여 삽입되는 콘덴서를 충전하기 위하여 완만하게 상승하고 있다. 회로의 버퍼(71)와 언버퍼(72)가 동작가능한 전압이 되면, 도 12(b)의 언버퍼(72)의 출력 전압 V1에 진동이 나타나고, 그 진동의 진폭이 점점 증대된다. 이 전압 V1은 버퍼(71)에 입력되고, V1이 이 버퍼(71)의 임계전압을 넘으면, 시간 TCE1 = 44 ×10-6초로 버퍼(71)로부터 도 12(c)와 같이 구형파의 출력전압 V2이 출력된다. 구형파의 출력전압 V2가 출력되기부터 이 구형파의 주기가 안정되기까지 약간의 시간 TCE2가 필요해진다.
도 13은 구형파의 출력전압 V2가 출력되기부터 이 구형파의 주기의 변화를 나타낸 그래프이며, 횡축은 시간(초), 종축은 주기(초)이다. 이 도 13을 보면, 주기가 0.25×10-6초로 안정되기까지 TCE2로서 대략 5×10-5초를 요하고 있다.
이 때문에, 초음파의 전파시간의 계측을 시작하기 전에 세라믹 진동자를 미 리 시동하는 것이 필요하다. 이 시간은 TCE1 + TCE2 로, 대략 9.4 ×10-5초 필요해진다. 이 안정 정도는 동 실험에 있어서 주기의 계측을 행하는 계측기나 주기환경으로부터 결정되는 안정 정도이다. 세라믹 진동자를 이용하여 실제 초음파의 전파시간 계측을 행하고, 거기부터 유량계산을 행한 경우, 유량의 표준편차는 세라믹 진동자의 진동회로의 전원을 투입한 후, 계측을 개시하기까지의 대기시간을 파라미터로 하여 구하면, 도 14와 같이 된다. 도 14로부터 알 수 있듯이, 유량의 표준편차는 약 200×10-6초 이상으로 작아져 안정되게 할 수 있다.
이와 같이, 진동자로서 세라믹 진동자를 이용하면, 수정진동자에 비하여 진동자의 기동이 극히 빨라지지만, 그래도 약 200×10-6 초 이상 필요하기 때문에, 성전력화를 위해서는 더욱 세라믹 진동자의 기동과 안정진동을 빠르게 하는 것이 과제이다.
또한, 수정진동자의 진동 주파수 정밀도는 개체간 편차, 사용온도 범위의 변화를 고려하여 ±0.001% 이지만, 세라믹 진동자는 ±0.5%로 되어 있고, 세라믹 진동자를 사용하는 경우에는 절대적인 시간정밀도에 과제가 있다.
본 발명의 초음파 유량계는 초음파의 전파 시간 계측에 이용되는 진동자의 진동개시를 빠르게 하고, 또한, 진동 펄스의 안정성을 높이기 위하여 진동개시수단을 이용한다. 진동개시수단은 계측에 이용되는 진동자의 진동주파수에 가까운 주파수의 펄스를 만드는 진동회로를 구비하고, 그 진동회로로 만든 펄스로 초음파의 전파시간 계측에 이용하는 진동자를 부세하도록 한다.
우리는 이러한 진동개시수단이 진동자의 진동 개시를 빠르게 할 뿐만 아니라, 진동한 펄스의 주파수(주기)가 안정되는 시간도 빨라지는 것을 확인하고, 이것을 초음파 유량계에 응용하여 유량을 계측하면, 충분한 유량계측 정밀도와, 성전력화가 실현가능하다는 것을 확인하였다.
또한, 우리는 초음파의 전파시간 계측에 이용되는 진동자에 세라믹 진동자를 이용하고, 세라믹 진동자의 진동 주파수 정밀도가 나쁜 것을 해결하기 위하여, 전파시간 계측에 이용되는 세라믹 진동자보다도 낮은 주파수로 진동하는 수정 진동자를 설치하여 세라믹 진동자의 펄스 주기는 낮은 주파수로 진동하는 수정진동자의 펄스로 검정하여 전파시간의 교정을 행하는 구성으로 한다. 구체적으로는, 실제 초음파 유량계는 초음파 계측을 행하기 위한 회로와, 이것을 제어하고, 또한 유량표시 등을 제어하는 마이크로컴퓨터가 탑재되어 있지만, 마이크로컴퓨터는 항상 동작하고, 이것을 움직이기 위한 진동자는 예를 들어 32×103㎐의 수정진동자가 이용되고 있다. 그래서, 이 32×103㎐의 수정 진동자를 이용하여 초음파 계측을 행하기 위한 4×106㎐의 세라믹 진동자를 검정하여 전파시간의 교정을 행하도록 한다.
도 1은 본 발명의 초음파 유량계의 구조를 나타낸 회로블록도.
도 2는 본 발명의 초음파 유량계의 타이밍도.
도 3은 본 발명의 초음파 유량계의 구조를 나타낸 회로블록도.
도 4는 본 발명의 초음파 유량계의 타이밍도.
도 5는 본 발명의 초음파 유량계의 타이밍도.
도 6은 종래의 초음파 유량계의 구성을 나타낸 제어블록도.
도 7은 종래의 초음파 유량계의 구성을 나타낸 제어블록도.
도 8은 종래의 수정진동자의 진동회로.
도 9는 종래의 수정진동자의 진동회로의 특성도.
도 10은 종래의 수정진동자의 진동회로의 특성도.
도 11은 종래의 세라믹 진동자의 진동회로.
도 12는 종래의 세라믹 진동자의 진동회로의 특성도.
도 13은 종래의 세라믹 진동자의 진동회로의 특성도.
도 14는 종래의 세라믹 진동자의 진동회로를 이용하여 측정한 유량특성도.
[부호의 설명]
60 진동자(진동자 A)
61 진동개시수단
63 진동자(진동자 B)
(실시예 1)
본 발명의 실시예 1에서의 초음파 유량계는 진동자와, 상기 진동자의 진동을 재촉하는 진동개시수단을 구비하고, 상기 진동개시수단에서 진동된 상기 진동자의 펄스를 초음파의 전파시간계측에 이용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서의 초음파 유량계의 구성을 나타낸 회로블록도이다.
도 1에서, 유로(50)는 유체가 지나는 관으로, 도중에 초음파 센서(51,52)가 설치되어 있다. 초음파 센서(51,52)는 리드선으로 제어부(53)가 설치되어 있는 프린트 기판과 접속된다. 프린트 기판에는 초음파 센서(51,52)에의 송신신호를 공급하기 위한 송신회로(54)와, 초음파 센서(51,52)로부터의 신호가 전달되는 수신회로(55)와, 수신회로(55)의 출력을 증폭하는 증폭회로(56)와, 증폭회로(56)의 출력을 직류전압과 비교하는 비교회로(57)를 가져 이루어진 제어부(53)가 설치되어 있다.
스위치군(58)은 초음파 센서(51,52)의 송신과 수신의 절환을 위하여 설치되어 있고, 도 1에서는 초음파 센서(51)가 송신회로(54)에, 초음파 센서(52)가 수신회로(56)에 접속되어 있는 상태로 있다. 연산처리회로(59)는 송신회로(54)로 송신지령을 전달하여 초음파 센서(51)를 구동시킨다. 초음파 센서(51)로부터 송신된 초음파를 초음파 센서(52)가 수신하면, 그 수신신호는 수신회로(55), 증폭회로(56)에서 처리되고, 비교회로(57)로부터 신호가 출력된다.
비교회로(57)로부터의 신호는 연산처리회로(59)로 전달되고, 연산처리회로(59)는 초음파 센서(51)의 송신부터, 비교회로(57)로부터 신호가 전달되기까지의 사이의 시간을 계측한다. 이 시간계측에는 진동자(60)에서 만들어지는 펄스를 사용하고, 초음파의 전파기간중의 펄스수를 카운트하여 시간을 연산한다. 여기에서는, 진동자(60)의 진동주파수는 예를 들면 4×106㎐(0.25×10-6초)의 것을 선택하고 있다. 진동자(60)는 진동개시수단(61)에서 부세된다. 진동개시수단(61)은 다른 진동수단(62)과, 이 진동수단(62)의 펄스를 일정기간 진동자(60)에 부세하는 회로를 가져 구성된다.
다른 진동수단(62)은 진동수단(60)의 주파수와 거의 동등한 주파수의 펄스를 발생함으로써, 순시에 펄스를 발생하는 것이 바람직하기 때문에 링 오실레이터로 구성하고 있다. 링 오실레이터는 주파수 정밀도가 좋지 않기 때문에 계측에 이용될 수 없지만, 진동자(60)를 부세하여 진동자(60)의 진동개시를 재촉하고, 또한, 진동주파수 또는 듀티의 안정성을 빠르게 하는 목적이면 충분히 활용할 수 있다.
이러한 링 오실레이터를 이용하여 진동자의 동작개시를 빠르게 하는 방법은 예를 들면 미국특허 US6819195B1에 기재되어 있다. 동 특허는 링 오실레이터의 주파수를 조정하면서 진동자를 부세하는 방법으로, 우리는 이러한 방법이면 펄스 주기의 안정성도 빠르게 하는 효과가 있다는 것을 확인하였다.
이와 관련하여 진동자의 기동부터 그 펄스가 사용가능하게 되기까지의 시간을 단축하는 방법은 다른 곳에도 소개되어 있다. 예를 들면, 일본국 특허의 특개평11-163632호 공보는 진동자를 부세하는 방법이 아니기 때문에, 펄스 출력까지의 시간이 단축되어도 펄스 주기의 안정성이 빨라지는 효과는 기대할 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
이렇게 실시예 1에 따르면, 진동개시수단(61)을 설치함으로써, 초음파 센 서(51,52)에 의한 초음파의 전파시간 계측에 이용되는 진동자(60)의 진동개시를 빠르게 하고, 또한, 진동펄스의 안정성을 높일 수 있다. 이것에 의해, 초음파의 전파시간의 안정적인 계측을 순시로 개시할 수 있기 때문에, 고정밀도의 계측을 간헐적으로 행하는 것이 가능하여 초음파 유량계의 성전력화를 도모할 수 있다.
(실시예 2)
본 발명의 실시예 2에서의 초음파 유량계는 진동개시수단에서 진동한 진동자의 펄스에 동기하여 초음파 센서에 구동신호를 제공하고, 또한, 상기 진동개시수단에서 진동하기부터 상기 초음파 센서에 구동신호를 제공하기까지의 사이에 대기시간을 설정하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서의 초음파 유량계의 타이밍도이고, 도 1에 기술한 A,B,C,D,E,F의 개소의 신호를 나타내고 있다. 도 2의 B는 연산처리회로(59)로부터의 신호로, 진동자(60)의 동작/정지를 위한 신호이다. 도 2의 C는 동일하게 연산처리회로(59)로부터의 신호로, 진동자(60)를 다른 진동수단(링 오실레이터)(62)의 펄스로 부세하는 기간을 정하는 신호이다. 도 2의 A는 다른 진동수단(링 오실레이터)의 펄스 신호이다. 도 2의 D는 진동자(60)의 펄스신호로서, 다른 진동수단(링 오실레이터)으로부터의 부세가 정지한 순간에 약간 펄스 파형이 흐트러지지만, 곧바로 정상적인 펄스를 출력하고 있다.
도 2의 E는 초음파 센서(51)의 구동신호로, 도 2의 D의 진동자(60)의 펄스신호 D에 동기하여 발생된다. 도 2의 F는 초음파 센서(52)에서 수신한 신호를 바탕으 로 비교회로(57)가 출력한 신호이다. 도 2D의 진동자(60)의 펄스 신호에서, 다른 진동수단(링 오실레이터)으로부터 부세가 정지한 순간에 약간 펄스 파형이 흐트러지기 때문에, 펄스 주파수가 안정되기 위하여 약간 시간이 필요하다. 이 때문에, 도2D의 진동자(60)의 펄스 신호D에 동기하여 출력되는, 도 2E의 초음파 센서(51)의 구동신호와의 사이에는 대기시간 T를 설정하고 있다.
진동자에 세라믹 진동자를 이용하도록 하면, 대기시간은 약 30×10-6초이다. 도 2에서 시간 TT은 초음파의 전파시간을 나타내며, 또한 시간 TF는 진동자(60)가 부세되는 시간을 나타낸다. 진동자(60)를 부세하여 구동신호를 내기까지의 시간 TF+TT는 약 50×10-6초이기 때문에, 상기 [배경기술]의 란에서 설명한 바와 같이, 「세라믹 진동자를 이용하면, 수정진동자에 비하여 진동자의 기동이 극히 빨라지지만, 그래도 약 200×10-6초 이상 필요하기 때문에, 성전력화를 위해서는 더욱 세라믹 진동자의 기동을 빠르게 하는 것이 과제이다.」라는 것에 대하여 더욱 1/4 정도로 시간 단축이 가능하다.
이렇게 실시예 2에 따르면, 진동개시수단(61)에서 진동하기부터 초음파 센서(51,52)에 구동신호를 제공하기까지의 사이에 대기시간 T을 설정함으로써, 다른 진동수단(62)의 부세에 의해 진동자(60)의 진동개시를 빠르게 할 시에 가능한 한 빠르게 안정동작시키는 것이 가능하다.
(실시예 3)
본 발명의 실시예 3에서의 초음파 유량계는 초음파의 전파시간 계측에 이용하는 진동자 A 이외에, 다른 진동자 B를 설치하고, 진동자 A의 펄스 주기는 진동자 B의 펄스로 검정하여 전파시간의 교정을 행하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에서의 초음파 유량계의 구성을 나타낸 회로블록도로서, 도 1에 나타낸 초음파 유량계의 회로블록도를 간략화하고, 일부 추가한 것이다. 도 3에서, 제1 진동자 A인 진동자(60)는 초음파의 전파시간을 계측하기 위하여 이용되고, 그 진동 주파수는 예를 들어 4×106㎐의 것을 선택한다. 이 진동자(60)는 간헐 동작을 행하기 때문에, 진동개시시는 진동개시수단(61)에서 부세된다. 제2 진동자 B인 진동자(63)는 연산처리회로(59)의 동작의 기본이 되는 펄스를 발생하는 진동자로서, 그 진동주파수는 예를 들어 32×103㎐의 것이 선택된다. 이 진동자(63)는 연속동작을 행한다.
이 진동자(63)는 연산처리회로(59)를 구성하는 마이크로컴퓨터용의 것으로, 주파수가 낮기 때문에 소비전력은 작지만, 이러한 주파수에서는 주기가 너무 길어 직접적으로는 초음파의 전파시간 계측에 이용되지는 않는다.
진동자 A인 진동자(60)는 세라믹 진동자를 이용한다. 진동자 B인 진동자(63)는 수정진동자를 이용한다. 전술한 바와 같이, 주파수 정밀도가 수정진동자 ±0.001%에 대하여, 세라믹 진동자 ±0.5%인 것으로, 세라믹 진동자는 고정밀도 계측에는 주파수 정밀도가 충분하지 않다. 이 때문에 세라믹 진동자(진동자 A)를 수정진동자(진동자 B)로 검정한다. 검정으로서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 도 4(a)의 수정진동자(진동자 B)의 1 주기 TA 또는 복수 주기당 도 4(b)의 세라믹 진동자(진동자 A)의 펄스가 몇 개 들어가는지를 카운트하여, 세라믹 진동자(진동자 A)의 1주기 부근의 시간을 구하고, 그 값에서 세라믹 진동자(진동자 A)의 펄스수로 구한 초음파의 전파시간의 보정을 행하도록 하고 있다.
이렇게 실시예 3에 따르면, 초음파의 전파시간 계측용의 진동자 A에 기동이 빠른 세라믹 진동자를 이용하고, 진동자 B로서 진동주파수 정밀도가 높은 수정진동자를 이용하여 진동자 A의 펄스 주기를 진동자 B의 펄스로 검정함으로써, 순시로 안정된 초음파의 전파시간 계측을 실행할 수 있다.
(실시예 4)
실시예 4에서는 세라믹 진동자(진동자 A)의 수정진동자(진동자 B)에 의한 검정을 초음파의 전파시간 측정후에 연속하여 행하도록 하고 있다. 도 5는 본 발명의 실시예 4에서의 초음파 유량계의 타이밍도로서, 도 5(a)는 초음파 센서 A의 동작을 나타내고, 도 5(b)는 초음파 센서 B의 동작을 나타내고, 도 5(c)는 진동자 A의 동작을 나타내고 있다.
세라믹 진동자(진동자 A)가 부세되는 시간 TF의 후, 펄스 안정성을 얻기 위하여 대기시간 T을 걸러, 초음파 센서 A부터 송신(64)을 하고 있다. 초음파 센서 A의 신호는 초음파 센서 B에서 수신(65)이 이루어져 초음파의 전파시간 TT이 계측된다. 그 후, 세라믹 진동자(진동자 A)는 시간 TS의 사이 정지된다.
다시, 세라믹 진동자(진동자 A)가 시간 TF의 사이 부세되고, 대기시간 T 후, 초음파 센서 B로부터 송신(66)을 하고 있다. 초음파 센서 B의 신호는 초음파 센서 A에서 수신(67)이 이루어져, 초음파의 전파시간 TT'이 계측된다. 그 후, 세라믹 진동자(진동자 A)의 수정진동자(진동자 B)에 의한 검정을 행하기 때문에 시간 TC의 사이 세라믹 진동자(진동자 A)가 연속하여 동작한다.
이렇게 실시예 4에서는 세라믹 진동자(진동자 A)를 정지시키지 않고 연속하여 검정을 행함으로써, 다시 세라믹 진동자(진동자 A)를 부세하여 대기시간을 가질 필요가 없기 때문에 성전력화로 할 수 있다.
(실시예 5)
실시예 5에서는 전술한 세라믹 진동자(진동자 A)를 부세한 후, 펄스 안정성이 얻어지기까지의 대기시간은 일정시간으로 하여 제공하도록 한다. 펄스 안정성이 얻어지기까지의 시간은 온도, 세라믹 진동자의 개체간의 특성편차에 의해 변화하기 때문에, 미리 이들 요인을 포함하여 안정에 요하는 시간을 측정하고, 대기시간으로서 이러한 요인을 충분히 망라할 수 있는 범위에서 고정된 값으로 제공하도록 한다.
이 구성에 의해, 가장 단순하게 대기시간을 설정할 수 있기 때문에, 연산처리회로의 회로요소 규모 또는 소프트 규격을 작게 할 수 있다.
(실시예 6)
실시예 6에서는 대기시간은 진동자의 펄스 주기의 검정에 의해 결정하도록 한다. 즉, 세라믹 진동자(진동자 A)를 부세한 후, 펄스 안정성을 기다리는 대기시간의 사이, 세라믹 진동자(진동자 A)의 주기를 수정진동자(진동자 B)로 검정을 행하고, 검정결과에 근거하여 검정오차가 있는 범위내에 있으면, 세라믹 진동자(진동자 A)의 펄스 안정성이 얻어진 것으로 판단한다.
이 구성에 따르면, 대기시간을 설정하기 위한 연산처리 회로의 회로요소 규모 또는 소프트 규모는 커지지만, 대기시간을 적절히 설정할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명을 상세히 특정 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
본 출원은 2006년 12월 27일 출원한 일본특허출원(특원2006-351251)에 기초한 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 초음파 유량계는 정확한 계측이 요구되는 천연가스나 액화석유가스 등의 유량을 측정하는 업무용이나 가정용의 초음파식 가스 유량측정장치(가스미터)의 용도에 전개할 수 있다.

Claims (8)

  1. 유로중에서 초음파를 송수신하는 초음파 센서와, 소정의 주파수의 진동을 발생하는 진동자와, 상기 진동자의 안정을 재촉하는 진동개시수단을 구비하고, 상기 진동개시수단에서 진동된 상기 진동자의 펄스를 상기 초음파의 전파시간 계측에 이용한 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동개시수단에서 진동된 상기 진동자의 펄스에 동기하여 상기 초음파 센서에 구동신호를 제공하고, 또한, 상기 진동개시수단에서 진동시키고 나서 상기 초음파 센서에 구동신호를 제공하기까지의 사이에 대기시간을 설정하도록 한 초음파 유량계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진동개시수단은 다른 진동수단과, 이 진동수단의 펄스를 일정기간 상기 진동자에 부세하는 회로를 구비한 초음파 유량계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동자는 세라믹 진동자를 이용하도록 한 초음파 유량계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진동자는 초음파의 전파시간 계측에 이용되는 진동자 A 이외에, 다른 진동자 B를 설치하고, 상기 진동자 A의 펄스 주기를 상기 진동자 B의 펄스로 검정하여 전파시간의 보정을 행하는 구성으로 한 초음파 유량계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진동자 A의 펄스 주기 검정은 전파시간의 계측에 이어서 연속하여 행하도록 한 초음파 유량계.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 대기시간은 일정시간으로 한 초음파 유량계.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 대기시간은 상기 진동자의 펄스 주기의 검정을 행한 결과에 근거하여 결정하도록 한 초음파 유량계.
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