WO2014006881A1 - 流量計測装置 - Google Patents

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flow rate
vibrator
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後藤　尋一
中林　裕治
足立　明久
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パナソニック株式会社
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    • 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
    • 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
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Definitions

  • the present invention relates to a flow rate measuring device that measures the flow rate of a fluid to be measured such as gas or water using ultrasonic waves.
  • FIG. 5 is a block diagram of a conventional flow rate measuring device.
  • the conventional flow rate measuring device includes a flow channel 21 through which a fluid to be measured flows, a first ultrasonic transducer 22 and a second ultrasonic transducer 23 installed in the flow channel 21, and a switching unit 24. And a transmission unit 25, an amplification unit 26, a reference comparison unit 27, a determination unit 28, a time measuring unit 29, and a control unit 30.
  • the switching unit 24 switches transmission / reception between the first ultrasonic transducer 22 and the second ultrasonic transducer 23.
  • the transmission unit 25 drives the first ultrasonic transducer 22 and the second ultrasonic transducer 23.
  • the amplifying unit 26 receives either the first ultrasonic transducer 22 or the second ultrasonic transducer 23 on the receiving side, and amplifies the received signal that has passed through the switching unit 24 to a predetermined amplitude.
  • the reference comparison unit 27 compares the voltage of the reception signal amplified by the amplification unit 26 with the reference voltage.
  • the determination unit 28 compares the received signal A after being amplified by the amplifying unit 26 with the reference voltage, which will be described below with reference to FIG. 6, and the reference comparing unit 27 compares the received signal A with the reference voltage. The zero cross point a of the subsequent received signal A is detected.
  • the timer 29 measures the propagation time of ultrasonic transmission / reception from the timing detected by the determination unit 28.
  • the control unit 30 controls the transmission unit 25 and the amplification unit 26 and calculates the flow velocity v and / or the flow rate Q of the fluid to be measured based on the time measured by the time measuring unit 29.
  • the flow rate measuring device first operates the transmission unit 25 by the control unit 30 and drives the first ultrasonic transducer 22 switched to the transmission side by the switching unit 24.
  • the ultrasonic signal transmitted from the first ultrasonic transducer 22 by driving propagates through the flow of the fluid to be measured flowing through the flow path 21 and is received by the second ultrasonic transducer 23.
  • the ultrasonic signal received by the second ultrasonic transducer 23 is amplified by the amplifying unit 26 and then subjected to signal processing by the reference comparing unit 27 and the determining unit 28.
  • the signal-processed ultrasonic signal is input to the timer unit 29.
  • the time measurement unit 29 measures the propagation time from upstream to downstream (this direction is a normal flow) and downstream to upstream (this direction is a reverse flow) of the fluid to be measured.
  • the effective distance in the flow direction between the first ultrasonic transducer 22 and the second ultrasonic transducer 23 is L
  • the propagation time from upstream to downstream is t1
  • the propagation time from downstream to upstream is t2
  • the flow velocity of the measurement fluid is v
  • the cross-sectional area of the flow path 21 is S
  • the sensor angle is ⁇
  • the flow rate is Q.
  • the sensor angle ⁇ is a propagation path (arrow) of ultrasonic waves transmitted and received from the first ultrasonic transducer 22 and the second ultrasonic transducer 23 as shown in FIG. It is an angle formed with the flow direction indicated by the white arrow of the fluid.
  • the gain (amplification degree) of the amplifying unit 26 is set so that the signal received by either the first ultrasonic transducer 22 or the second ultrasonic transducer 23 on the receiving side has a constant amplitude.
  • the degree of amplification is adjusted with.
  • the maximum voltage value of the received signal is adjusted to fall within a predetermined voltage range.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method of adjusting the degree of amplification generally performed in the flow rate measuring device.
  • the received signal is measured at the next flow rate measurement.
  • the gain (amplification degree) is adjusted so that the maximum voltage value of the signal falls within a predetermined voltage range.
  • the gain is set so that the maximum voltage value of the reception signal falls within the predetermined voltage range at the next flow rate measurement. Adjust (amplification).
  • the amplification degree is increased and adjusted so that it falls within the upper and lower limits of the voltage range as shown by the received signal a shown by the solid line in FIG. To do.
  • the amplification degree is lowered and adjusted so as to fall within the upper and lower limits of the voltage range as in the received signal a.
  • the amplification of the detected ultrasonic signal is adjusted by the above method.
  • the reference voltage of the reference comparison unit 27 to be compared with the received signal amplified by the amplification unit 26 is set to determine the position of the zero cross point detected by the determination unit 28.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the operation of determining the zero cross point a from the received signal in the conventional flow rate measuring device.
  • the reference voltage is the third wave of the received signal propagating in the air flowing in the flow path 21.
  • the voltage is set to the midpoint voltage between the positive peak voltage value and the fourth peak positive peak voltage value.
  • the conventional flow rate measuring device has a fixed reference voltage. That is, as shown in FIG. 6, in order to stably detect the zero-cross point a, the peak voltage value of the third wave and the peak of the fourth wave having the widest peak voltage interval of the received wave propagating in the air It is a fixed value with a reference voltage set at the midpoint of the voltage value. Therefore, when the fluid to be measured, which is a measurement target, is changed from air to a gas other than air, the received waveform may change greatly from the air received waveform shown in FIG. 6 depending on the type of gas.
  • the zero cross point of the third wave is erroneously detected as the zero cross point a.
  • the peak voltage value of the fourth wave of the received signal is greatly reduced and becomes smaller than the reference voltage, the zero cross point of the fifth wave is erroneously detected as the zero cross point a.
  • the reference voltage is set in advance at the midpoint between the peak voltage value of the third wave and the peak voltage value of the fourth wave of the received wave when propagating in the air. Therefore, when measuring the flow rate of air, or when measuring the flow rate of gas with a small change relative to the received waveform in the flow rate of air, the zero-cross point of the fourth wave is detected stably, Measurement is possible.
  • the detection point for detecting the propagation time is the third wave zero cross point or the fifth wave zero cross point as described above. Since it varies from point to point, the measurement accuracy of the propagation time decreases. As a result, there is a problem that the accuracy of the calculated value of the flow rate of the fluid to be measured also decreases.
  • a flow rate measuring device includes a first vibrator and a second vibrator that are provided in a flow path through which a fluid to be measured flows and transmits and receives an ultrasonic signal, and a first vibrator and a second vibrator.
  • a transmission unit that drives the transducer, a switching unit that switches between transmission and reception of the first transducer and the second transducer, an amplification unit that amplifies the reception signal of the first transducer and the second transducer, and an output of the amplification unit
  • a reference comparison unit for comparing with a reference voltage.
  • a reference voltage setting unit that sets a reference voltage to be compared by the reference comparison unit, a determination unit that determines the arrival time of the ultrasonic signal from the outputs of the reference comparison unit and the amplification unit, and the ultrasonic signal that is determined by the determination unit Set by the timekeeping unit that measures the propagation time of transmission and reception of ultrasonic signals from the arrival time, the control unit that calculates the flow rate and / or flow rate of the fluid to be measured based on the time measured by the timekeeping unit, and the reference voltage setting unit A reference voltage changing unit that changes the reference voltage to be changed.
  • the reference voltage changing unit has a configuration for changing the reference voltage according to the amplification degree in the amplifying unit.
  • a predetermined zero cross point for example, the zero cross point of the fourth wave
  • the propagation time of the ultrasonic signal it is possible to realize a flow rate measurement device that prevents a decrease in measurement accuracy of the flow velocity and flow rate of the fluid to be measured.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a flow rate measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 shows the degree of amplification when various gases are measured using a plurality of flow rate measuring devices, the peak voltage value of the third wave after amplification, the peak voltage value of the fourth wave, and a reference point that is the middle point thereof. It is a figure which shows an example of the measurement result of distribution of a voltage value.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an operation for determining the zero-cross point a from the received signal in the flow rate measurement device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a flow rate measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a conventional flow rate measuring device.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the operation for determining the zero-cross point a from the received signal in the conventional flow rate measuring device.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method of adjusting the amplification generally performed in the flow rate measuring apparatus.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a flow rate measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 shows the degree of amplification when measuring various gases in the flow rate measuring apparatus of the embodiment, the peak voltage value of the third wave, the peak voltage value of the fourth wave, and the reference voltage value that is the middle point thereof.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an operation for determining the zero-cross point a from the received signal in the flow rate measurement device according to the embodiment.
  • the flow rate measurement device includes at least a measurement unit 100 and a measurement unit 200.
  • the measurement unit 100 of the flow rate measuring device includes a flow path 1 through which a fluid to be measured flows, a first ultrasonic transducer 2 (hereinafter referred to as “first vibrator 2”) installed in the flow path 1 and a second ultrasonic wave.
  • a vibrator 3 (hereinafter referred to as “second vibrator 3”) is provided.
  • the first transducer 2 that transmits and receives the ultrasonic signal and the second transducer 3 that receives and transmits the ultrasonic signal are arranged at a distance from each other at a predetermined angle ⁇ in the flow path 1. .
  • the measurement unit 200 of the flow rate measuring device includes at least a switching unit 4, a transmission unit 5, an amplification unit 6, a reference comparison unit 7, a determination unit 8, a timing unit 9, a control unit 10, and a reference voltage.
  • a change unit 11 and a reference voltage setting unit 12 are included.
  • the transmission unit 5 drives the first vibrator 2 or the second vibrator 3 set on the transmission side.
  • the switching unit 4 switches transmission / reception between the first vibrator 2 and the second vibrator 3.
  • the amplifying unit 6 amplifies the ultrasonic signal received by either the first transducer 2 or the second transducer 3 on the receiving side with an amplification degree according to an instruction from the control unit 10.
  • the reference comparison unit 7 compares the reception signal amplified by the amplification unit 6 with the reference voltage, and outputs a signal to the determination unit 8 based on the comparison result.
  • the determination unit 8 determines the arrival time of the ultrasonic signal based on the signal output from the reference comparison unit 7 and the reception signal amplified by the amplification unit 6.
  • the timer 9 measures the propagation time of transmission / reception of the ultrasonic signal from the arrival time of the ultrasonic signal determined by the determination unit 8.
  • the control unit 10 calculates the flow velocity v and the flow rate Q of the fluid to be measured based on the propagation time measured by the time measuring unit 9. Further, the control unit 10 controls the transmission unit 5 and the amplification unit 6.
  • the reference voltage changing unit 11 changes the reference voltage to be a linear function of the amplification degree according to the amplification degree instructed from the control unit 10 to the amplification unit 6.
  • the reference voltage setting unit 12 sets the reference voltage changed by the reference voltage changing unit 11 in the reference comparison unit 7.
  • the flow rate measuring device of the present embodiment is configured.
  • the control unit 10 adjusts the amplification degree of the amplification unit 6 to make the amplitude of the received waveform after amplification constant. At this time, the amplification degree is adjusted by the adjustment method described above with reference to FIG.
  • the control unit 10 When the flow measurement of the fluid to be measured flowing in the flow path 1 is started, the control unit 10 operates the transmission unit 5 to drive the first vibrator 2 switched to the transmission side by the switching unit 4, for example. A sound wave signal is transmitted toward the second vibrator 3. At this time, from the time when the ultrasonic signal is transmitted from the first transducer 2, the timer unit 9 starts measuring time.
  • the ultrasonic signal received by the second transducer 3 is amplified by the amplification unit 6 based on the amplification degree adjusted by the control unit 10, and is output to the reference comparison unit 7 and the determination unit 8.
  • the reference comparison unit 7 compares the received signal with the reference voltage (the voltage value at the middle point of the third wave peak voltage value and the fourth wave peak voltage value shown in FIG. 3), and the comparison result The signal is output to the determination unit 8.
  • the determination unit 8 becomes effective (operation) from the time (timing c in FIG. 3) when the signal (see the output signal C) of the reference comparison unit 7 is output.
  • time measuring part 9 is ultrasonic until it detects the first zero cross point (zero cross point a in FIG. 3) from which the sign of the output of the amplification part 6 changes from positive to negative after the determination part 8 becomes effective. Times signal propagation.
  • transmission / reception between the first vibrator 2 and the second vibrator 3 is switched by the switching unit 4. Specifically, the second vibrator 3 is switched to the transmission side, and the first vibrator 2 is switched to the reception side.
  • the above series of operations is repeated a predetermined number of times.
  • the number of repetitions is not particularly limited.
  • the propagation time of the ultrasonic signal transmitted from the first vibrator 2 and the propagation time of the ultrasonic signal transmitted from the second vibrator 3 are accumulated for a predetermined number of times (repetition times), respectively. And timed.
  • the control unit 10 determines the accumulated time when transmitted from the first transducer 2 and the accumulated time when transmitted from the second transducer 3. Thus, the propagation time when transmitted from the first vibrator 2 and the second vibrator 3 is calculated. Based on the calculated propagation time, the flow velocity v of the fluid to be measured is calculated, and the flow rate Q is calculated.
  • the reference voltage changing unit 11 calculates the reference voltage to be compared by the reference comparison unit 7 so as to be a linear function of the amplification degree according to the amplification degree by the amplification unit 6. Then, the reference voltage setting unit 12 sets and stores the calculated reference voltage in the reference comparison unit 7 as a new reference voltage at the next flow rate measurement.
  • the flow velocity v and the flow rate Q of the fluid to be measured can be measured using the flow rate measuring device of the present embodiment.
  • FIG. 2 shows the degree of amplification when various gases are measured using a plurality of flow rate measuring devices, the peak voltage value of the third wave after amplification, the peak voltage value of the fourth wave, and a reference point that is the middle point thereof. It is a figure which shows an example of the measurement result of distribution of a voltage value. In addition, FIG. 2 has shown the result measured using the flow volume measuring apparatus of this Embodiment.
  • the degree of attenuation of the received waveform of the ultrasonic signal varies depending on the type of gas. Therefore, the amplitude of the reception signal output from the first vibrator 2 or the second vibrator 3 set on the receiving side varies depending on the type of gas to be measured. Thereby, the amplification degree in the amplification unit 6 varies depending on the type of gas to be measured.
  • the maximum amplitude of the received waveform of the ultrasonic signal is amplified so as to be constant.
  • the reception waveform of the ultrasonic signal changes little by little according to the amplification degree. That is, as the degree of amplification increases, the peak voltage value of the third wave, the peak voltage value of the fourth wave, and the reference voltage at the midpoint thereof are approximately linear (including linear) as a linear function. It can be read from FIG.
  • the distribution of the peak voltage value of the third wave, the peak voltage value of the fourth wave, and the reference voltage value at the midpoint thereof according to the degree of amplification due to individual variation of the flow rate measuring device. It can be seen that there is variation in.
  • the reference voltage changing unit 11 changes the reference voltage so as to be a linear function of the amplification degree. Therefore, the position of the reference voltage can always be stably set between the peak voltage value of the third wave and the peak voltage value of the fourth wave with respect to gases having various amplification degrees.
  • the propagation time of the ultrasonic signal is measured from the zero-cross point a that is the zero-cross point of the fourth wave shown in FIG. 3 is described, but the present invention is not limited to this.
  • the propagation time may be measured at the zero cross point b which is the zero cross point of the fifth wave shown in FIG. 3, and the same effect can be obtained.
  • the propagation time of the ultrasonic signal is measured from only one zero cross point a
  • the propagation time of an ultrasonic signal may be measured from a plurality of zero cross points such as the zero cross point a, the zero cross point b, the zero cross point c, and the zero cross point d shown in FIG. 3, and the same effect can be obtained.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a flow rate measuring device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the flow measurement device of the present embodiment is different from the flow measurement device of the first embodiment in that it further includes a learning information storage unit 13. Since other configurations, operations and actions are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • a standard gas such as air is used as a specific fluid to be measured, and a reference voltage is obtained from a received waveform of an ultrasonic signal. learn. Then, the learned learning information (for example, learning amplification degree, learning reference voltage, etc.) is stored in the learning information storage unit 13.
  • the reference voltage changing unit 11 determines the reference voltage of the gas to be measured according to the amplification degree of the gas to be measured with reference to the learning amplification level and the learning reference voltage which are learning information stored in the learning information storage unit 13.
  • the reference voltage is changed so as to be a linear function of the amplification degree. Specifically, first, the learning amplification degree and the learning reference voltage are obtained using the standard gas. Then, when the amplification degree is set with the gas actually measured, the reference voltage at that time is obtained based on the linear function. Therefore, if the characteristic (learning amplification degree and learning reference voltage) unique to a certain flow rate measuring device is obtained with the standard gas, the relationship between the amplification degree and the reference voltage is expressed by a linear function. As a result, even with another gas, the reference voltage can be set according to the amplification degree.
  • the reference voltage changing unit 11 changes the reference voltage so as to be a linear function of the amplification degree. Therefore, it is possible to set by simple calculation so that the position of the reference voltage is always in the middle between the peak voltage value of the third wave and the peak voltage value of the fourth wave for gases with various amplification degrees. Thereby, the zero-cross point of the 4th wave is always measured for various gases, and the propagation time of the ultrasonic signal can be measured stably. As a result, it is possible to realize a flow rate measuring device that does not cause a decrease in measurement accuracy such as the flow rate and flow rate of the fluid to be measured.
  • the flow rate measuring device of the present embodiment learns the reference voltage with the standard gas in advance for each flow rate measuring device, and changes the reference voltage based on the learned amplification degree and the learned reference voltage. Thereby, the individual dispersion
  • the first vibrator and the second vibrator which are provided in the flow path through which the fluid to be measured flows, transmit and receive ultrasonic signals, the first vibrator, and the first vibrator
  • a transmission unit that drives two transducers, a switching unit that switches between transmission and reception of the first transducer and the second transducer, an amplification unit that amplifies reception signals of the first transducer and the second transducer, and an output of the amplification unit
  • a reference comparison unit that compares the reference voltage with each other.
  • a reference voltage setting unit that sets a reference voltage to be compared by the reference comparison unit, a determination unit that determines the arrival time of the ultrasonic signal from the outputs of the reference comparison unit and the amplification unit, and the ultrasonic signal that is determined by the determination unit Set by the timekeeping unit that measures the propagation time of transmission and reception of ultrasonic signals from the arrival time, the control unit that calculates the flow rate and / or flow rate of the fluid to be measured based on the time measured by the timekeeping unit, and the reference voltage setting unit A reference voltage changing unit that changes the reference voltage to be changed.
  • a reference voltage change part is good also as a structure which changes a reference voltage according to the amplification degree in an amplifier.
  • a predetermined zero cross point (for example, the zero cross point of the fourth wave) can be measured stably for various gases.
  • a flow rate measurement apparatus that prevents a decrease in measurement accuracy of the flow velocity and flow rate of the fluid to be measured by stably measuring the ultrasonic propagation time.
  • the reference voltage changing unit may change the reference voltage so as to be a linear function of the amplification degree.
  • the reference voltage can be easily calculated for various gases. Therefore, it is possible to stably measure the zero-cross point of the fourth wave and measure the propagation time of the ultrasonic signal. As a result, a flow rate measuring device that does not cause a decrease in measurement accuracy can be realized.
  • the reference voltage changing unit learns the reference voltage in advance using a specific fluid to be measured, and stores the learned amplification degree and learning reference voltage that are learned. Is further provided. Then, the reference voltage may be changed based on the learning amplification level and the learning reference voltage at the time of learning. Thereby, the reference voltage can be easily calculated for various gases. As a result, it is possible to stably measure a predetermined zero cross point (for example, the zero cross point of the fourth wave) and measure the propagation time of the ultrasonic signal. Further, the reference voltage is learned in advance for each flow rate measuring device, and the reference voltage at the time of measurement is changed based on the learned amplification degree and the learned reference voltage. Therefore, individual variation for each flow measuring device can be reduced. As a result, it is possible to realize a flow rate measuring device that does not cause a decrease in measurement accuracy such as the flow rate and flow rate of the fluid to be measured.
  • the present invention can stably measure the propagation time of an ultrasonic signal with respect to a fluid to be measured such as various gases to ensure measurement accuracy of a flow velocity and a flow rate. Therefore, it can be applied to the use of various gas measuring instruments and flow measuring devices such as large gas meters ranging from home use to business use.

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Abstract

本発明の流量計測装置は、超音波信号の伝搬時間を測定するため、受信信号を増幅する増幅部（６）と、基準電圧変更部（１１）と、基準電圧設定部（１２）と、受信波形と基準電圧を比較する基準比較部（７）を有している。基準電圧変更部（１１）は、基準電圧を増幅部（６）で増幅した受信波形の増幅度に応じて変更し、変更した基準電圧と受信波形を比較することで安定して伝搬時間を計測する。これにより、被測定流体の流速や流量などの計測精度の低下を防ぐことができる。

Description

流量計測装置
　本発明は、超音波を利用してガス、水などの被測定流体の流量を計測する流量計測装置に関する。
　従来、この種の流体の流量計測装置としては、以下に図５を用いて説明する流量計測装置が一般的である（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の流量計測装置の構成図である。
　図５に示すように、従来の流量計測装置は、被測定流体が流れる流路２１と、流路２１に設置した第１超音波振動子２２および第２超音波振動子２３と、切換部２４と、送信部２５と、増幅部２６と、基準比較部２７と、判定部２８と、計時部２９と、制御部３０とから構成されている。
　切換部２４は、第１超音波振動子２２および第２超音波振動子２３の送受信を切り換える。送信部２５は、第１超音波振動子２２および第２超音波振動子２３を駆動する。増幅部２６は、受信側となる第１超音波振動子２２または第２超音波振動子２３のいずれかで受信し、切換部２４を通過した受信信号を所定の振幅まで増幅する。基準比較部２７は、増幅部２６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する。
　判定部２８は、以下で図６を用いて説明する、増幅部２６で増幅された後の受信信号Ａと基準電圧を基準比較部２７で比較して、基準電圧より受信信号Ａが大きくなった後の受信信号Ａのゼロクロス点ａを検知する。計時部２９は、判定部２８で検知したタイミングから超音波の送受信の伝搬時間を計時する。制御部３０は、送信部２５や増幅部２６の制御を行うとともに、計時部２９の計時した時間に基づいて、被測定流体の流速ｖおよび／または流量Ｑを算出する。
　以下に、従来の流量計測装置を用いて、被測定流体の流量Ｑを計測する動作について、図５を参照しながら説明する。
　流量計測装置は、まず、制御部３０により送信部２５を動作させ、切換部２４で送信側に切り換えられた第１超音波振動子２２を駆動する。駆動により第１超音波振動子２２から送信された超音波信号は、流路２１を流れる被測定流体の流れの中を伝搬して第２超音波振動子２３で受信される。第２超音波振動子２３で受信された超音波信号は、増幅部２６で増幅された後、基準比較部２７と判定部２８で信号処理される。信号処理された超音波信号は、計時部２９に入力される。
　つぎに、第１超音波振動子２２と第２超音波振動子２３の送受信を切換部２４で切り替えて、同様な動作を行う。
　そして、上記の動作により、被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と、下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝搬時間を計時部２９で測定する。
　以上により、被測定流体の流速ｖを求め、以下の（式１）を用いて流量Ｑを求める。
　Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（ｎ／ｔ１－ｎ／ｔ２）・・・（式１）
　ここで、第１超音波振動子２２と第２超音波振動子２３と間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流への伝搬時間をｔ１、下流から上流への伝搬時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路２１の断面積をＳ、センサ角度をφ、流量をＱとする。ここで、センサ角度φとは、図５に示すように第１超音波振動子２２と第２超音波振動子２３とから送受信される超音波の伝播路（矢印）と、流路２１内の流体の白抜き矢印で示す流れ方向とのなす角度である。
　なお、実際には、（式１）において、流量Ｑに応じた係数をさらに乗じて流量Ｑを算出する。
　このとき、増幅部２６のゲイン（増幅度）は、受信側となる第１超音波振動子２２または第２超音波振動子２３のいずれかで受信した信号が一定振幅となるように制御部３０で増幅度を調整している。これにより、受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。
　以下に、一般的な、超音波信号の増幅度の調整方法について、図７を用いて説明する。
　図７は、流量計測装置において、一般的に行われる増幅度の調整方法を説明する図である。
　まず、図７の点線に示すように、超音波信号を計測中に、受信信号ｂで示す受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲の下限値より下回る場合、次回の流量計測時に、受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲に入るようにゲイン（増幅度）を調整する。
　同様に、図７の点線で示す受信信号ｃの最大電圧値が所定の電圧範囲の上限値より上回る場合、次回の流量計測時に、受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲に入るようにゲイン（増幅度）を調整する。
　具体的には、受信信号の最大電圧値が下限値より下回る場合、増幅度を上げて、図７の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の範囲内に入るように調整する。同様に、受信信号の最大電圧値が上限値より上回る場合、増幅度を下げて、受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の範囲内に入るように調整する。
　以上の方法により、検知される超音波信号の増幅度の調整が行われる。
　また、増幅部２６により増幅された受信信号と比較する基準比較部２７の基準電圧は、判定部２８により検知するゼロクロス点の位置を決めるために設定される。
　そこで、以下に、ゼロクロス点の位置を決める基準電圧について、図６を用いて説明する。
　図６は、従来の流量計測装置における受信信号からゼロクロス点ａを判定する動作の一例を説明する図である。
　図６に示すように、例えば受信信号の４波目のゼロクロス点ａを判定部２８で検知するために、基準電圧は、流路２１内を流れる空気中を伝搬する受信信号の３波目の正のピーク電圧値と４波目の正のピーク電圧値の差の中点の電圧に設定している。これにより、何らかの原因で受信信号の３波目のピーク電圧値が上昇、または４波目のピーク電圧値が減少しても双方に対してマージンをとることができる。その結果、判定部２８で、４波目のゼロクロス点ａを安定して検知できる。
　しかしながら、従来の流量計測装置は、基準電圧が固定値であった。つまり、図６に示すように、安定してゼロクロス点ａを検知するために、空気中を伝搬する受信波のピーク電圧の間隔が一番広い３波目のピーク電圧値と４波目のピーク電圧値の中点に基準電圧を設定した固定値である。そのため、計測対象である被測定流体が、空気から空気以外のガスに変わった場合、ガスの種類によって、受信波形が、図６に示す空気の受信波形から大きく変化する場合がある。
　その結果、受信信号の３波目のピーク電圧値が大きく上昇して基準電圧を超え場合、３波目のゼロクロス点をゼロクロス点ａと誤検知してしまう。また、受信信号の４波目のピーク電圧値が大きく減少して基準電圧より小さくなった場合、５波目のゼロクロス点をゼロクロス点ａと誤検知する。
　つまり、従来の流量計測装置は、予め、空気中を伝搬するときの受信波の３波目のピーク電圧値と４波目のピーク電圧値との中点に基準電圧を設定している。そのため、空気の流量を測定する場合や、空気の流量における受信波形に対して変化が小さいガスの流量を測定する場合、４波目のゼロクロス点を安定して検知して、高精度な流量の計測が可能である。
　しかし、空気の流量における受信波形に対して、受信波形の変化が大きいガスの流量を測定する場合、上述したように伝播時間を検知する検知ポイントが３波目のゼロクロス点や５波目のゼロクロス点とばらつくため、伝播時間の計測精度が低下する。その結果、被測定流体の流量の算出値の精度も低下するという課題があった。
特開２００３－１０６８８２号公報
　上記課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、被測定流体が流れる流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、第１振動子および第２振動子を駆動する送信部と、第１振動子および第２振動子の送受信を切り換える切換部と、第１振動子および第２振動子の受信信号を増幅する増幅部と、増幅部の出力と基準電圧とを比較する基準比較部とを備える。また、基準比較部で比較する基準電圧を設定する基準電圧設定部と、基準比較部と増幅部の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定部と、判定部で判定した超音波信号の到達時期から超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時部と、計時部の計時した時間に基づいて被測定流体の流速および／または流量を算出する制御部と、基準電圧設定部で設定する基準電圧を変更する基準電圧変更部とを備える。そして、基準電圧変更部は、増幅部での増幅度に応じて基準電圧を変更する構成を有する。
　これにより、増幅部での増幅度に応じて基準電圧を変化させて、様々なガスに対し安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波目のゼロクロス点）を測定できる。その結果、超音波信号の伝搬時間を安定して測定することにより、被測定流体の流速や流量の計測精度の低下を防止した流量計測装置を実現できる。
図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図である。 図２は、複数の流量計測装置を用いて様々なガスを計測した場合の増幅度と、増幅後の３波目のピーク電圧値、４波目のピーク電圧値およびそれらの中点である基準電圧値の分布の測定結果の一例を示す図である。 図３は、同実施の形態の流量計測装置における受信信号からゼロクロス点ａを判定する動作の一例を説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態２における流量計測装置の構成図である。 図５は、従来の流量計測装置の構成図である。 図６は、従来の流量計測装置における受信信号からゼロクロス点ａを判定する動作の一例を説明する図である。 図７は、流量計測装置において、一般的に行われる増幅度の調整方法を説明する図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態１における流量計測装置について、図１から図３を用いて説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図である。図２は、同実施の形態の流量計測装置における様々なガスを計測した場合の増幅度と、３波目のピーク電圧値、４波目のピーク電圧値およびそれらの中点である基準電圧値の分布を示す図である。図３は、同実施の形態の流量計測装置における受信信号からゼロクロス点ａを判定する動作の一例を説明する図である。
　図１に示すように、本実施の形態の流量計測装置は、少なくとも測定部１００と、計測部２００とから構成されている。
　流量計測装置の測定部１００は、被測定流体が流れる流路１と、流路１に設置した第１超音波振動子２（以下、「第１振動子２」と記す）および第２超音波振動子３（以下、「第２振動子３」と記す）を備えている。そして、超音波信号を送信・受信する第１振動子２と、受信・送信する第２振動子３は、所定の角度φで流路１内で対向する位置に距離を置いて配置されている。
　また、流量計測装置の計測部２００は、少なくとも切換部４と、送信部５と、増幅部６と、基準比較部７と、判定部８と、計時部９と、制御部１０と、基準電圧変更部１１と、基準電圧設定部１２などから構成されている。
　送信部５は、送信側に設定される第１振動子２または第２振動子３を駆動する。切換部４は、第１振動子２および第２振動子３の送受信を切り換える。増幅部６は、受信側となる第１振動子２または第２振動子３のいずれかで受信した超音波信号を制御部１０からの指示による増幅度で増幅する。基準比較部７は、増幅部６で増幅された受信信号と基準電圧とを比較し、比較した結果に基づいて信号を、判定部８に出力する。
　判定部８は、基準比較部７から出力された信号と増幅部６で増幅された受信信号とに基づいて超音波信号の到達時期を判定する。計時部９は、判定部８で判定された超音波信号の到達時期から超音波信号の送受信の伝播時間を計時する。制御部１０は、計時部９の計時した伝搬時間に基づいて、被測定流体の流速ｖや流量Ｑを算出する。さらに、制御部１０は、送信部５や増幅部６を制御する。
　また、基準電圧変更部１１は、制御部１０から増幅部６へ指示している増幅度に応じて基準電圧を増幅度の一次関数となるように変更する。基準電圧設定部１２は、基準電圧変更部１１で変更された基準電圧を基準比較部７に設定する。
　以上のように、本実施の形態の流量計測装置が構成されている。
　以下に、本実施の形態の流量計測装置において、被測定流体の流速ｖや流量Ｑを計測する動作および作用について、図１を参照しながら図３を用いて説明する。
　本実施の形態の流量計測装置は、まず、制御部１０により、増幅部６の増幅度を調整して、増幅後の受信波形の振幅を一定にする。このとき、増幅度は、上記で図７を用いて説明した調整方法により調整される。
　そして、流路１内を流れる被測定流体の流量計測を開始すると、制御部１０は送信部５を動作させ、例えば切換部４で送信側に切り換えられた第１振動子２を駆動して超音波信号を第２振動子３に向けて送信する。このとき、第１振動子２から超音波信号が送信された時点から、計時部９は計時を開始する。
　つぎに、第２振動子３で受信された超音波信号は、制御部１０で調整された増幅度に基づいて増幅部６で増幅され、基準比較部７、判定部８へ出力される。このとき、基準比較部７は、受信信号と基準電圧（図３に示す３波目のピーク電圧値と４波目のピーク電圧値の中点の電圧値）とを比較し、比較した結果の信号を判定部８へ出力する。
　なお、図３に示すように、判定部８は、基準比較部７の信号（出力信号Ｃ参照）が出力された時点（図３でのタイミングｃ）から有効（動作）になる。
　そして、計時部９は、判定部８が有効になってから、増幅部６の出力の符号が正から負に変わる最初のゼロクロス点（図３でのゼロクロス点ａ）を検知するまでの超音波信号の伝播時間を計時する。
　つぎに、判定部８でゼロクロス点ａを検知（出力信号Ｄ参照）した後、第１振動子２と第２振動子３の送受信を切換部４で切り換える。具体的には、第２振動子３を送信側に、第１振動子２を受信側に切り換える。
　そして、同様に第２振動子３から送信し第１振動子２で受信したときの超音波信号の伝播時間の計時を行う。
　これにより、流路１内を流れる被測定流体の流速や流量を計測する一連の動作の１回目が終了する。
　その後、さらに、上記一連の動作を、予め設定された回数繰り返し行う。これにより、計測精度を向上させることができるが、繰り返し回数は特に限定されない。
　このとき、第１振動子２から送信したときの超音波信号の伝播時間と、第２振動子３から送信したときの超音波信号の伝播時間は、それぞれ所定の回数（繰り返し回数）分、累積して計時される。
　つぎに、所定の繰り返し回数で超音波信号の伝播時間を計測した後、制御部１０は、第１振動子２から送信したときの累積時間と第２振動子３から送信したときの累積時間とから、第１振動子２および第２振動子３から送信した場合の伝播時間を算出する。そして、算出した伝播時間に基づいて、被測定流体の流速ｖを算出し、流量Ｑを算出する。
　このとき、本実施の形態において、基準電圧変更部１１は、基準比較部７で比較する基準電圧を、増幅部６での増幅度に応じて増幅度の一次関数となるように算出する。そして、基準電圧設定部１２は、算出された基準電圧を、次回の流量計測時における新たな基準電圧として基準比較部７に設定して記憶する。
　以上により、本実施の形態の流量計測装置を用いて、被測定流体の流速ｖや流量Ｑが計測できる。
　　以下に、複数の流量計測装置において、種々のガスの被測定流体に対する超音波信号の受信波形と増幅度との関係について、図２を用いて説明する。
　　図２は、複数の流量計測装置を用いて種々のガスを計測した場合の増幅度と、増幅後の３波目のピーク電圧値、４波目のピーク電圧値およびそれらの中点である基準電圧値の分布の測定結果の一例を示す図である。なお、図２は、本実施の形態の流量計測装置を用いて計測した結果を示している。
　図２に示すように、ガスの種類によって、超音波信号の受信波形の減衰の度合いが異なる。そのため、受信側に設定された第１振動子２または第２振動子３から出力される受信信号の振幅は、測定対象のガスの種類によって異なる。これにより、増幅部６での増幅度は、計測対象のガスの種類によって異なることになる。
　また、上述したように、従来の流量計測装置では、超音波信号の受信波形の最大振幅が一定になるように増幅している。しかし、図２に示すように、増幅度に応じて、超音波信号の受信波形は少しずつ変化している。つまり、増幅度が大きくなるにしたがって、３波目のピーク電圧値、４波目のピーク電圧値およびそれらの中点の基準電圧が、一次関数的に、略直線状（直線状を含む）に徐々に高くなっていくことが、図２から読み取ることができる。
　また、図２に示すように、流量計測装置の個体ばらつきなどにより、増幅度に応じて、３波目のピーク電圧値、４波目のピーク電圧値およびそれらの中点の基準電圧値の分布にばらつきが存在することがわかる。
　しかし、本実施の形態の流量計測装置は、基準電圧変更部１１で、基準電圧を増幅度の一次関数になるように変更する。そのため、様々な増幅度のガスに対し、基準電圧の位置を常に３波目のピーク電圧値と４波目のピーク電圧値の中間に安定して設定できる。
　これにより、様々なガスに対し、常に、４波目のゼロクロス点を測定して、安定して超音波信号の伝搬時間を計測できる。その結果、被測定流体の流速や流量などの計測精度の低下を生じない流量計測装置を実現できる。
　なお、本実施の形態では、図３に示す４波目のゼロクロス点であるゼロクロス点ａから超音波信号の伝搬時間を計測する例で説明したが、これに限られない。例えば、図３で示す５波目のゼロクロス点であるゼロクロス点ｂで伝搬時間を計測してもよく、同様の効果が得られる。
　また、本実施の形態では、１つのゼロクロス点ａだけから超音波信号の伝搬時間を計測する例で説明したが、これに限られない。例えば、図３に示すゼロクロス点ａ、ゼロクロス点ｂ、ゼロクロス点ｃ、ゼロクロス点ｄなど、複数のゼロクロス点から超音波信号の伝搬時間を計測してもよく、同様の効果を得ることができる。
　（実施の形態２）
　以下に、本発明の実施の形態２の流量計測装置の構成について、図４を用いて説明する。
　図４は、本発明の実施の形態２における流量計測装置の構成図である。
　図４に示すように、本実施の形態の流量計測装置は、学習情報記憶部１３をさらに備えている点で、実施の形態１の流量計測装置とは、異なる。なお、それ以外の構成や、動作・作用は、実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
　すなわち、図４に示すように、本実施の形態では、まず、流量計測装置ごとに、特定の被測定流体として、例えば空気などの標準ガスを用いて、超音波信号の受信波形から基準電圧を学習する。そして、学習した学習情報（例えば、学習増幅度や学習基準電圧など）を学習情報記憶部１３に記憶する。
　つぎに、基準電圧変更部１１は、学習情報記憶部１３に記憶した学習情報である学習増幅度と学習基準電圧を基準に、計測するガスの増幅度に応じて、計測するガスの基準電圧が増幅度の一次関数となるように基準電圧を変更するものである。具体的には、まず、標準ガスで学習増幅度と学習基準電圧を求める。そして、実際に計測するガスで増幅度が設定された場合に、一次関数に基づいて、その時の基準電圧を求める。そのため、ある流量計測装置固有の特性（学習増幅度と学習基準電圧）を標準ガスで求めておけば、増幅度と基準電圧の関係が一次関数で表される。その結果、別のガスであっても、増幅度に応じて基準電圧を設定できる。
　つまり、本実施の形態の流量計測装置は、基準電圧変更部１１で基準電圧を増幅度の一次関数になるように変更する。そのため、様々な増幅度のガスに対して、基準電圧の位置が、常に３波目のピーク電圧値と４波目のピーク電圧値の中間にくるように、簡単な算出で設定できる。これにより、様々なガスに対し、常に４波目のゼロクロス点を測定して、安定して超音波信号の伝搬時間を計測できる。その結果、被測定流体の流速や流量などの計測精度の低下を生じない流量計測装置を実現できる。
　また、本実施の形態の流量計測装置は、流量計測装置ごとに、予め標準ガスで基準電圧を学習し、学習した学習増幅度と学習基準電圧を基準にして、基準電圧を変更する。これにより、流量計測装置ごとの個体ばらつきを小さくできる。その結果、被測定流体の流速や流量などの計測精度の低下を生じない流量計測装置を実現できる。
　以上で説明したように、本発明の流量計測装置によれば、被測定流体が流れる流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、第１振動子および第２振動子を駆動する送信部と、第１振動子および第２振動子の送受信を切り換える切換部と、第１振動子および第２振動子の受信信号を増幅する増幅部と、増幅部の出力と基準電圧とを比較する基準比較部とを備える。また、基準比較部で比較する基準電圧を設定する基準電圧設定部と、基準比較部と増幅部の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定部と、判定部で判定した超音波信号の到達時期から超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時部と、計時部の計時した時間に基づいて被測定流体の流速および／または流量を算出する制御部と、基準電圧設定部で設定する基準電圧を変更する基準電圧変更部とを備える。そして、基準電圧変更部は、増幅部での増幅度に応じて基準電圧を変更する構成としてもよい。これにより、様々なガスに対し安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波目のゼロクロス点）を測定できる。その結果、安定して超音波の伝搬時間を計測することにより、被測定流体の流速や流量の計測精度の低下を防止した流量計測装置を実現できる。
　また、本発明の流量計測装置によれば、基準電圧変更部は、基準電圧を増幅度の一次関数となるように変更してもよい。これにより、様々なガスに対し簡単に基準電圧を算出できる。そのため、安定して４波目のゼロクロス点を測定し、超音波信号の伝搬時間を計測できる。その結果、計測精度の低下を生じない流量計測装置を実現できる。
　また、本発明の流量計測装置によれば、基準電圧変更部は、予め、特定の被測定流体を用いて基準電圧を学習し、学習した学習増幅度および学習基準電圧を記憶する学習情報記憶部を、さらに備える。そして、学習時の学習増幅度および学習基準電圧を基準として基準電圧を変更してもよい。これにより、様々なガスに対して、簡単に基準電圧を算出できる。その結果、安定して所定のゼロクロス点（例えば、４波目のゼロクロス点）を測定し、超音波信号の伝搬時間を計測できる。さらに、予め、流量計測装置ごとに基準電圧の学習を行い、学習した学習増幅度と学習基準電圧を基準に、計測時の基準電圧を変更する。そのため、流量計測装置ごとの個体ばらつきを小さくできる。その結果、さらに被測定流体の流速や流量などの計測精度の低下を生じない流量計測装置を実現できる。
　本発明は、様々なガスなどの被測定流体に対して安定して超音波信号の伝搬時間を計測して、流速や流量の計測精度を確保することができる。そのため、様々な気体の計測器や家庭用から業務用に至る大型のガスメータなどの流量計測装置の用途に適用できる。
　１，２１　　流路
　２，２２　　第１超音波振動子（第１振動子）
　３，２３　　第２超音波振動子（第２振動子）
　４，２４　　切換部
　５，２５　　送信部
　６，２６　　増幅部
　７，２７　　基準比較部
　８，２８　　判定部
　９，２９　　計時部
　１０，３０　　制御部
　１１　　基準電圧変更部
　１２　　基準電圧設定部
　１３　　学習情報記憶部
　１００　　測定部
　２００　　計測部

Claims (3)

  1. 被測定流体が流れる流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子および第２振動子と、
    前記第１振動子および第２振動子を駆動する送信部と、
    前記第１振動子および第２振動子の送受信を切り換える切換部と、
    前記第１振動子および第２振動子の受信信号を増幅する増幅部と、
    前記増幅部の出力と基準電圧とを比較する基準比較部と、
    前記基準比較部で比較する前記基準電圧を設定する基準電圧設定部と、
    前記基準比較部と前記増幅部の出力とから前記超音波信号の到達時期を判定する判定部と、
    前記判定部で判定した前記超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時部と、
    前記計時部の計時した前記伝播時間に基づいて前記被測定流体の流速および／または流量を算出する制御部と、
    前記基準電圧設定部で設定する前記基準電圧を変更する基準電圧変更部とを備え、
    前記基準電圧変更部は、前記増幅部での増幅度に応じて前記基準電圧を変更する流量計測装置。
  2. 前記基準電圧変更部は、前記基準電圧を前記増幅度の一次関数となるように変更する請求項１に記載の流量計測装置。
  3. 前記基準電圧変更部は、予め、特定の被測定流体を用いて基準電圧を学習し、学習した学習増幅度および学習基準電圧を記憶する学習情報記憶部を、さらに備え、
    学習時の前記学習増幅度および前記学習基準電圧を基準として前記基準電圧を変更する請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の流量計測装置。
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