JP2001074528A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波流量計において、脈動流に対して、誤
差を少なくすることにより、測定の安定化を図ると共に
精度を向上させ、脈動流の体積流量を正確に計測するこ
とにある。 【解決手段】 測定部配管１に超音波センサＡ⁺ 、Ａ^-
と圧力計Ｐを取り付け、圧力計Ｐを介して検知された所
定の脈動圧力Ｐ１において、各超音波センサＡ⁺、Ａ^-
を同時に駆動することにより、同時に発射された超音波
パルスＳ１、Ｓ２の伝播時間ｔ１、ｔ２に基づいて測定
部配管１内を流れる脈動流の体積流量を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計、特に
超音波センサと圧力計を用いることにより脈動流の体積
流量を正確に計測するようにした超音波流量計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ガス等の流体の流量を計測す
る場合には、例えば図７に示す超音波流量計が使用され
ている。

【０００３】この超音波流量計は、図示するように、測
定部配管４０の対向する外壁４１に、一組の超音波セン
サＡ⁺ 、Ａ^- が設置され、流体の流れＦｌｏｗの上流側
の超音波センサＡ⁺ と、下流側の超音波センサＡ^- は、
それぞれ所定の角度θを以て取り付けられている。

【０００４】この構成により、超音波流量計は、超音波
センサＡ⁺ 、Ａ^- 間の流速Ｖを計測し、これに管路４４
の断面積などを乗じることにより、体積流量が計測され
る。

【０００５】即ち、流れＦｌｏｗに沿って上流側センサ
Ａ⁺ から下流側センサＡ^- へ発射される超音波パルスＳ
１の伝播時間をｔ１、流体の流れＦｌｏｗに逆らって下
流側センサＡ^- から上流側センサＡ⁺ へ発射される超音
波パルスＳ２の伝播時間をｔ２、超音波センサＡ⁺ 、Ａ
^- 間の距離をＬ、このセンサＡ⁺ 、Ａ^- 間の流体の流速
をＶ、各センサＡ⁺ 、Ａ^- の設置角度をθ、音速をＣと
すれば、これらの関係は次式で表される。

【０００６】 ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・・・・・・・・・ ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・・・・・・・・・

【０００７】式と式とから、音速Ｃを消去すれば、 Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝・・・・

【０００８】従って、この式で表される流体の流速Ｖ
を計測すれば、管４４内を（図７）流れる流体の体積流
量は、測定できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】

【００１０】上記図７において、上流側センサＡ⁺ は送
波器Ｔ１と受波器Ｒ２を、また下流側センサＡ^- は送波
器Ｔ２と受波器Ｒ１をそれぞれ組み込んだ送受波兼用の
センサである。

【００１１】また、両センサＡ⁺ とＡ^- は、演算部５０
に接続され、該演算部５０は、図８に示すように、制御
部５１と、トリガ回路５２、５３と、切替部５４と、ア
ンプ５５と、コンパレータ５６と、時間計測部５７によ
り構成されている。

【００１２】この構成により、先ず、制御部５１がトリ
ガ回路５２を起動すると共に、切替部５４を作動してア
ンプ５５を下流側センサＡ^- に接続する。

【００１３】また、このとき、時間計測部５７は、トリ
ガ回路５２が起動した時刻を記憶しておき、後述する超
音波パルスＳ１の伝播時間ｔ１を計測する場合の基準と
する。

【００１４】この状態で、上流側センサＡ⁺ の送波器Ｔ
１から発射された超音波パルスＳ１は、流れＦｌｏｗ
（図７）に沿って、下流側センサＡ^- の受波器Ｒ１に入
射し、電気信号のパルスＰＳ１に変換されて切替部５４
を通過しアンプ５５に入力する。

【００１５】アンプ５５に入力したパルスＰＳ１は、増
幅され、次段のコンパレータ５６に入力して所定の閾値
より大の場合に、時間計測部５７に入力する。

【００１６】時間計測部５７においては、トリガ回路５
２が起動した時刻を基準として、パルスＰＳ１が入力さ
れるまでの時間が計測される。

【００１７】そして、この計測時間が、流れＦｌｏｗに
（図７）沿って上流側センサＡ⁺ から下流側センサＡ^-
へ発射される超音波パルスＳ１の伝播時間ｔ１である。

【００１８】次に、制御部５１が（図８）トリガ回路５
３を起動すると共に、切替部５４を作動してアンプ５５
を上流側センサＡ⁺ に接続する。

【００１９】また、このとき、時間計測部５７は、トリ
ガ回路５３が起動した時刻を記憶しておき、後述する超
音波パルスＳ２の伝播時間ｔ２を計測する場合の基準と
する。

【００２０】この状態で、下流側センサＡ^- の送波器Ｔ
２から発射された超音波パルスＳ２は、流れＦｌｏｗ
（図７）に逆らって、上流側センサＡ⁺ の受波器Ｒ２に
入射し、電気信号ＰＳ２に変換されて切替部５４を通過
しアンプ５５に入力する。

【００２１】アンプ５５に入力したパルスＰＳ２は、増
幅され、次段のコンパレータ５６に入力して所定の閾値
より大の場合に、時間計測部５７に入力する。

【００２２】時間計測部５７においては、トリガ回路５
３が起動した時刻を基準として、パルスＰＳ２が入力さ
れるまでの時間が計測される。

【００２３】そして、この計測時間が、流れＦｌｏｗに
（図７）逆らって下流側センサＡ^-から上流側センサＡ
⁺ へ発射される超音波パルスＳ２の伝播時間ｔ２であ
る。

【００２４】しかし、従来は、既述したように、先ず、
上流側センサＡ⁺ から超音波パルスＳ１を発射し、その
後一定時間経過した後、下流側センサＡ^- から超音波パ
ルスＳ２を発射する方式により、伝播時間ｔ１とｔ２
（式）を計測していた。

【００２５】換言すれば、上流側センサＡ⁺ の送波器Ｔ
１と、下流側センサＡ^- の送波器Ｔ２は、時分割送信方
式により、超音波パルスＳ１とＳ２を送信していた。

【００２６】このため、流れＦｌｏｗが脈動流の場合に
は、図９に示すように、速度や圧力等が異なる条件の下
に、上流側センサＡ⁺ の送波器Ｔ１と、下流側センサＡ
^- の送波器Ｔ２とが、時分割で超音波パルスＳ１とＳ２
を送信し、且つそれらを受信し、伝播時間ｔ１とｔ２を
計測していた。

【００２７】従って、図９に示す各測定ポイントでは、
前記したように条件が異なり、そのため計測した伝播時
間ｔ１、ｔ２（式）に誤差が生じ、測定が不安定とな
り、精度も低下し、結局は脈動流の体積流量も正確に計
測できないことになる。

【００２８】本発明の目的は、超音波流量計において、
脈動流に対して、誤差を少なくすることにより、測定の
安定化を図ると共に精度を向上させ、脈動流の体積流量
を正確に計測することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、例えば図１〜図３に示すように、測定部
配管１に超音波センサＡ⁺ 、Ａ^- と圧力計Ｐを取り付
け、圧力計Ｐを介して検出された所定の脈動圧力Ｐ１に
おいて、各超音波センサＡ⁺ 、Ａ^- を同時に駆動するこ
とにより、同時に発射された超音波パルスＳ１、Ｓ２の
伝播時間ｔ１、ｔ２に基づいて測定部配管１内を流れる
脈動流の体積流量を計測することを特徴とする超音波流
量計という技術的手段を講じている。

【００３０】上記構成によれば、所定の脈動圧力Ｐ１
（図３）において、各超音波センサＡ ⁺ 、Ａ^- を同時に
駆動するようにしたので、同じ測定条件の元に超音波パ
ルスＳ１、Ｓ２の伝播時間ｔ１、ｔ２を計測でき、測定
の誤差が少なくなる。

【００３１】このため、超音波流量計において、脈動流
に対して、誤差を少なくすることにより、測定の安定化
を図ると共に精度を向上させ、脈動流の体積流量を正確
に計測することことが可能となる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施形態により
添付図面を参照して、説明する。図１は本発明の回路構
成図、図２は図１の超音波センサの配置を示す図、図３
は図１の作用説明図である。

【００３３】（１）構成

【００３４】図１に示す超音波センサＡ⁺ は、送波器Ｔ
１と受波器Ｒ２を、超音波センサＡ ^- は、送波器Ｔ２と
受波器Ｒ１をそれぞれ組み込んだものであり、いずれも
送受波兼用のセンサである。

【００３５】また、図２に示す測定部配管１の管路２内
には、ガス等の流体の脈動流が流れ、測定部配管１の外
壁３には、前記超音波センサＡ⁺ が上流側に、超音波セ
ンサＡ^- が下流側に、それぞれθの角度で対向して配置
されていると共に、圧力計Ｐが設置されている。

【００３６】そして、各超音波センサＡ⁺ 、Ａ^- の送波
器Ｔ１、Ｔ２からは、超音波パルスＳ１、Ｓ２が発射さ
れ、それぞれ相手の超音波センサＡ^- 、Ａ⁺ の受波器Ｒ
１、Ｒ２に入射するようになっている。

【００３７】また、上記超音波センサＡ⁺ 、Ａ^- と圧力
計Ｐは、演算部４に接続されている。

【００３８】演算部４は、制御部７と、トリガ回路８
と、アンプ９、１０と、コンパレータ１５、１６と、時
間計測部２１、２２により構成されている。

【００３９】このうち制御部７は、前記圧力計Ｐを常に
監視しており、該圧力計Ｐが所定の脈動圧力Ｐ１を検知
した場合には、圧力計Ｐを介してトリガ回路８を起動す
る。

【００４０】また、制御部７は、時間計測部２１、２２
により計測された伝播時間ｔ２、ｔ１を入力し、その伝
播時間ｔ２、ｔ１に基づいて脈動流の流速Ｖを（式）
演算すると共に、体積流量を測定する。その他、制御部
７は、図１の装置全体を制御する。

【００４１】トリガ回路８は、超音波センサＡ⁺ 、Ａ^-
の送波器Ｔ１、Ｔ２に接続され、前記したように、圧力
計Ｐが所定の脈動圧力Ｐ１を検知した場合に起動して高
周波パルスを送波器Ｔ１、Ｔ２に印加し、各送波器Ｔ
１、Ｔ２を同時に駆動することにより、超音波パルスＳ
１、Ｓ２を同時に発射させる。

【００４２】これにより、所定の脈動圧力Ｐ１（図３）
において、各超音波センサＡ⁺ 、Ａの送波器Ｔ１、Ｔ２
が同時に駆動するようになり、同じ測定条件の元に超音
波パルスＳ１、Ｓ２の伝播時間ｔ１、ｔ２を計測でき、
測定の誤差を少なくすることができる。

【００４３】アンプ９、１０は、超音波センサＡ⁺ 、Ａ
^- の受波器Ｒ２、Ｒ１に接続され、各受波器Ｒ２、Ｒ１
が超音波パルスＳ２、Ｓ１を同時に受波し、それらを電
気信号に変換したパルスＰＳ２、ＰＳ１を同時に増幅す
る。

【００４４】コンパレータ１５、１６は、前記アンプ
９、１０で増幅されたパルスＰＳ２、ＰＳ１を入力して
所定の閾値と比較し、該閾値より大である場合に、次段
の時間計測部２１、２２へパルスＰＳ２、ＰＳ１を出力
する。

【００４５】時間計測部２１、２２は、前記コンパレー
タ１５、１６からパルスＰＳ２、ＰＳ１を入力し、トリ
ガ回路８が起動した時刻を基準として、パルスＰＳ２、
ＰＳ１が入力されるまでの時間が計測することにより、
脈動流の流れＦｌｏｗ（図２）に逆らった超音波パルス
Ｓ２の伝播時間ｔ２と、流れＦｌｏｗに沿った超音波パ
ルスＳ１の伝播時間ｔ１とを計測する。

【００４６】図４は、本発明の他の回路構成図であり、
図１が１測線（図２）の場合であるのに対して、図４は
３測線（図５）の場合である。

【００４７】従って、図４においては、超音波センサＡ
⁺ 、Ａ^- の他に、超音波センサＢ^-、Ｃ⁺ 、Ｃ^- が増設
され、それに伴って、アンプ１１、１２、１３、１４
と、コンパレータ１７、１８、１９、２０と、時間計測
部２３、２４、２５、２６がそれぞれ増設されている。

【００４８】また、図５に示す測定部配管１の管路２内
には、ガス等の流体の脈動流が流れ、測定部配管１の外
壁３には、前記超音波センサＡ⁺ 、Ｂ⁺ 、Ｃ⁺ が上流側
に、超音波センサＡ^- 、Ｂ^- 、Ｃ^- が下流側に、それぞ
れθの（図２に相当）角度で対向して配置されていると
共に、圧力計Ｐが設置されている。

【００４９】そして、各超音波センサＡ⁺ 、Ａ^- と、Ｂ
⁺ 、Ｂ^- と、Ｃ⁺ 、Ｃ^- の送波器Ｔ１、Ｔ２と、Ｔ３、
Ｔ４と、Ｔ５、Ｔ６からは、超音波パルスＳ１、Ｓ２
と、Ｓ３、Ｓ４と、Ｓ５、Ｓ６が発射され、それぞれ相
手の超音波センサＡ^- 、Ａ⁺ とＢ^- 、Ｂ⁺ と、Ｃ^- 、Ｃ
⁺ の受波器Ｒ１、Ｒ２と、Ｒ３、Ｒ４と、Ｒ５、Ｒ６に
入射するようになっている。

【００５０】この構成により、図１の場合と同様に、制
御部７が圧力計Ｐを介して所定の脈動圧力Ｐ１を検知し
た場合に、トリガ回路８が起動して高周波パルスを各送
波器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６に印加する。

【００５１】これにより、所定の脈動圧力Ｐ１（図６）
において、各超音波センサＡ⁺ 〜Ｃ ^- の送波器Ｔ１〜Ｔ
６が同時に駆動するようになり、同じ測定条件の元に超
音波パルスＳ１〜Ｓ６の伝播時間ｔ１〜ｔ６を計測で
き、測定の誤差を少なくすることができる。

【００５２】また、図４は、図１の場合よりサンプリン
グするデータ数が多く、脈動流に対して、誤差が一層少
なくなり、測定の安定化を図ると共に精度を向上させ、
脈動流の体積流量をより正確に計測することが可能であ
る。

【００５３】（２）動作

【００５４】以下、上記構成を有する本発明の動作を説
明する。

【００５５】（２）−Ａ 図１〜図３の場合の動作。

【００５６】先ず、図１に示すように、制御部７は、圧
力計Ｐを常に監視し、所定の脈動圧力Ｐ１が検知された
場合には、圧力計Ｐを介してトリガ回路８を起動する。

【００５７】また、このとき、時間計測部２１、２２
は、トリガ回路８が起動した時刻を記憶しておき、超音
波パルスＳ２、Ｓ１の伝播時間ｔ２、ｔ１を計測する場
合の基準とする。

【００５８】この状態で、トリガ回路８から各超音波セ
ンサＡ⁺ 、Ａ^- の送波器Ｔ１、Ｔ２に高周波パルスが印
加されると、上記所定の脈動圧力Ｐ１（図３）におい
て、各送波器Ｔ１、Ｔ２が同時に駆動し、超音波パルス
Ｓ１、Ｓ２が同時に発射される。

【００５９】そして、超音波パルスＳ１は、脈動流の流
れＦｌｏｗ（図２）に沿って伝播し、また超音波パルス
Ｓ２は、流れＦｌｏｗに逆らって伝播し、それぞれ相手
の超音波センサＡ^- 、Ａ⁺ の受波器Ｒ１、Ｒ２に入射
し、電気信号であるパルスＰＳ１、ＰＳ２に変換され
る。

【００６０】パルスＰＳ１、ＰＳ２は、アンプ１０、９
で増幅され、コンパレータ１６、１５を経由して時間計
測部２２、２１に入力し、トリガ回路８が起動した時刻
を基準として、伝播時間ｔ１、ｔ２が計測される。

【００６１】時間計測部２２、２１で計測された伝播時
間ｔ１、ｔ２は（図１）、制御部７に入力され、該制御
部７において、脈動流の流速Ｖが（式）演算され、こ
のＶに基づいて脈動流の体積流量が測定される。

【００６２】このように、所定の脈動圧力Ｐ１において
（図３）超音波センサＡ⁺ 、Ａ^- を同時に駆動すること
により、同じ測定条件の元に各超音波センサＡ⁺ 、Ａ^-
から同時に発射された超音波パルスＳ１、Ｓ２の伝播時
間ｔ１、ｔ２を同時に計測することができるので、脈動
流に対して、誤差が少なくなる。

【００６３】（２）−Ｂ 図４〜図６の場合の動作。

【００６４】先ず、図４に示すように、制御部７は、圧
力計Ｐを常に監視し、所定の脈動圧力Ｐ１が検知された
場合には、圧力計Ｐを介してトリガ回路８を起動する。

【００６５】また、このとき、時間計測部２１、２２、
２３、２４、２５、２６は、トリガ回路８が起動した時
刻を記憶しておき、超音波パルスＳ２、Ｓ１、Ｓ４、Ｓ
３、Ｓ６、Ｓ５の伝播時間ｔ２、ｔ１、ｔ４、ｔ３、ｔ
６、ｔ５を計測する場合の基準とする。

【００６６】この状態で、トリガ回路８から各超音波セ
ンサＡ⁺ 〜Ｃ^- の送波器Ｔ１〜Ｔ６に高周波パルスが印
加されると、上記所定の脈動圧力Ｐ１（図６）におい
て、各送波器Ｔ１〜Ｔ６が同時に駆動し、超音波パルス
Ｓ１〜Ｓ６が同時に発射される。

【００６７】そして、超音波パルスＳ１、Ｓ３、Ｓ５
は、脈動流の流れＦｌｏｗ（図２に相当））に沿って伝
播し、また超音波パルスＳ２、Ｓ４、Ｓ６は、流れＦｌ
ｏｗに逆らって伝播し、それぞれ相手の超音波センサの
受波器に入射し、電気信号であるパルスＰＳ１、ＰＳ
３、ＰＳ５と、パルスＰＳ２、ＰＳ４、ＰＳ６に変換さ
れる。

【００６８】これらパルスＰＳ１などは、アンプ１０な
どで増幅され、コンパレータ１６などを経由して時間計
測部２２などに入力し、トリガ回路８が起動した時刻を
基準として、伝播時間ｔ１などが計測される。

【００６９】時間計測部２２などで計測された伝播時間
ｔ１などは（図４）、制御部７に入力され、該制御部７
において、脈動流の流速Ｖが（式）演算され、このＶ
に基づいて脈動流の体積流量が測定される。

【００７０】このように、所定の脈動圧力Ｐ１において
（図６）各超音波センサＡ⁺ 、Ａ^-、Ｂ⁺ 、Ｂ^- 、
Ｃ⁺ 、Ｃ^- の送波器Ｔ１〜Ｔ６を同時に駆動することに
より、同じ測定条件の元に各超音波センサＡ⁺ 〜Ｃ^- か
ら同時に発射された超音波パルスＳ１〜Ｓ６の伝播時間
ｔ１〜ｔ６を同時に計測することができるので、脈動流
に対して、誤差が少なくなる。

【００７１】

【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、超音波
流量計を、測定部配管に超音波センサと圧力計を取り付
け、圧力計を介して検知された所定の脈動圧力におい
て、各超音波センサを同時に駆動することにより、同時
に発射された超音波パルスの伝播時間に基づいて測定部
配管内を流れる脈動流の体積流量を計測するように構成
したことにより、脈動流に対して、誤差を少なくするこ
とにより、測定の安定化を図ると共に精度を向上させ、
脈動流の体積流量を正確に計測するという技術的効果を
奏することとなった。

【００７２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回路構成図である。

【図２】図１の超音波センサの配置を示す図である。

【図３】図１の作用説明図である。

【図４】本発明の他の回路構成図である。

【図５】図４の超音波センサの配置を示す図である。

【図６】図４の作用説明図である。

【図７】従来の超音波流量計を構成する超音波センサの
配置を示す図である。

【図８】従来の超音波流量計の回路構成図である。

【図９】従来の超音波流量計の作用説明図である。

【符号の説明】

１ 測定部配管 ２ 管路 ３ 外壁 ４ 演算部 ７ 制御部 ８ トリガ回路 ９〜１４ アンプ １５〜２０ コンパレータ ２１〜２６ 時間計測部 Ａ⁺ 〜Ｃ^- 超音波センサ Ｔ１〜Ｔ６ 送波器 Ｒ１〜Ｒ６ 受波器 Ｓ１〜Ｓ６ 超音波パルス Ｐ 圧力計

フロントページの続き (72)発明者 川野辺 滋之 東京都羽村市栄町３−１−５ 株式会社カ イジョー内 Ｆターム(参考） 2F035 DA04 DA14 DA18

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定部配管に超音波センサと圧力計を取
   り付け、圧力計を介して検知された所定の脈動圧力にお
   いて、各超音波センサを同時に駆動することにより、同
   時に発射された超音波パルスの伝播時間に基づいて測定
   部配管内を流れる脈動流の体積流量を計測することを特
   徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】 上記超音波センサは、送波器と受波器を
   組み込んだ送受波兼用のセンサにより構成されている請
   求項１記載の超音波流量計。
3. 【請求項３】 上記超音波センサと圧力計が、それぞれ
   演算部に接続されている請求項１記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 上記演算部が、トリガ回路と、アンプ
   と、コンパレータと、時間計測部により構成されている
   請求項３記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 上記トリガ回路が、各超音波センサを構
   成する送波器に、アンプが各超音波センサを構成する受
   波器にそれぞれ接続されている請求項４記載の超音波流
   量計。