JP2004144744A - 超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 送受波器2から超音波を順方向に送信し、送受波器3で受信する送受を連続してn回繰り返す。そして、総到達時間T11をカウンタ8で計数する。同様に逆方向の総到達時間T21を得る。このような測定をサンプリング間隔Tsで複数回(m回)繰り返す。総到達時間の順方向の総和ΣT1iと逆方向の総和ΣT2iを演算部9で求め、両総和に基づいて流速・流量を演算する。このような流量測定期間TQを時間間隔をおいて繰り返し、期間TQ毎の順方向総到達時間の最大値[T1i]maxを記憶し、期間TQ毎の変化が一定以上であると、サンプリング間隔Tsを変える。
【選択図】 図4
Description
t1=L/(C+V) ・・・(1)
t2=L/(C−V) ・・・(2)
となる。一般に音速Cに比べて流速Vは小さく、C2≧V2であるから、
t2−t1=2LV/C2 ・・・(3)
を得る。したがって、順方向と逆方向の各到達時間(伝搬時間ともいう)を直接測定し、その差である時間差Δt=t2−t1を算出し、更に、流速Vを、
V=Δt・C2/2L ・・・(4)
として演算し、この流速Vに流路断面積Sを乗じて流量(瞬間流量ともいう)を演算していた。このような流速・流量計測方法を時間差法と呼んでいる。
1/t1=(C+V)/L ・・・(5)
1/t2=(C−V)/L ・・・(6)
の関係に注目して、流速Vを、
V={(1/t1)−(1/t2)}L/2 ・・・(7)
として求め、更に流量Qを、
Q=S・V ・・・(8)
として求めるものである。この時間逆数差法では、流速Vを求める(7)式にはC項を含まず音速に無関係に流速測定ができる。
T1=nt1 ・・・(9)
T2=nt2 ・・・(10)
と表せる。したがって、順方向の総到達時間T1と、逆方向の総到達時間T2とから、順方向到達時間t1と逆方向到達時間t2とを、
t1=T1/n ・・・(11)
t2=T2/n ・・・(12)
として演算し、(11)(12)式で求めたt1,t2を前記(3)式に代入して、(4)式で流速Vを演算し、更に流路断面積Sを乗じて流量Qを求めると、測定精度の高いT1,T2に基づいて流速Vや流量Qを求めることができるため、流量計としての計測精度が向上する。例えば一定回数を整数nとすれば、計測精度はほぼn倍に向上する。
n/T1=1/t1 ・・・(13)
n/T2=1/t2 ・・・(14)
を求め、これらを前記(7)式に代入すれば、時間逆数差法での計測精度を向上し、流速Vや流量Qを高精度で計測できることになる。このとき、流速Vは、
V={(1/T1)−(1/T2)}nL/2 ・・・(15)
となる。この流速Vに流路断面積Sを乗じて流量Qを求める。
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計である。
Σt1i=t11+t12+…+t1i+…+t1m
となり、また、逆方向の到達時間の総和Σt2iは、
Σt2i=t21+t22+…+t2i+…+t2m
となるため、これらの総和Σt1iとΣt2iとを用いて流量を演算する。こうすることで、順方向と逆方向の到達時間を1回測定する都度、例えばt11とt21を測定したら直ちにt11とt21を用いて流速Vを演算する従来方式と比較して、流量演算の回数が1/mに減る。よって、演算に要する消費電流が少なくて済む。
順方向と逆方向の超音波の総到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計である。
ΣT1i=T11+T12+…+T1i+…+T1m
ΣT2i=T21+T22+…+T2i+…+T2m
である。T11〜T1mは順方向の各総到達時間、T21〜T2mは逆方向の各総到達時間で、この場合も従来技術と比較して流量演算回数が1/mに減少し、消費電流が減らせる。
各到達時間又は総到達時間の順方向最大値[t1i]max又は[T1i]max、順方向最小値[t1i]min又は[T1i]min、逆方向最大値[t2i]max又は[T2i]max、あるいは逆方向最小値[t2i]min又は[T2i]minのうち何れか1種類の値の流量測定期間毎の変化を監視し、その変化が一定以上のときには、サンプリング間隔(Ts)を変更するように構成したことを特徴とするものである。
各流量測定期間(TQ)毎の到達時間又は総到達時間の順方向あるいは逆方向の、最大値と最小値を出力できるようにし、各流量測定毎の最大値又は最小値の、前回の流量測定時からの変化が今回の(最大値−最小値)の一定分の1より大きいときに、前記サンプリング間隔(Ts)を変更するように構成したことを特徴とするものである。
各流量測定期間(TQ)内において、順方向あるいは逆方向の各到達時間又は総到達時間の増減回数を計数するとともに、計数した増減回数が一定以下のときは、前記サンプリング間隔(Ts)を変更することを特徴とするものである。
また、サンプリングと脈動の同期を防ぐことで、サンプリング間隔をそれほど小さくしないで脈動する流量の効率の良い平均化が可能である。図10にサンプリング周期が脈動周期に比べ大きいケースでの脈動に同期していない例を示す。サンプリングが脈動のいろいろな位相にばらついていて効率よく平均化ができている。(真の流量ゼロに、±1m3
/hの脈動がある場合。増減回数は、増と減の両方をカウント。平均はゼロ(真値)に近い値に平均化されている。)
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回(m回)繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和と、逆方向での超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和とに基づいて流量を演算する脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから脈動モードに移行するとともに、
前記脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差が一定以下のときに脈動モードから通常モードに戻すことを特徴とする超音波流量計である。
脈動モードでは、前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回(m回)の到達時間の総和を計測する。順方向到達時間の総和は、例えば、
Σt1i=t11+t12+…+t1i+…+t1m
であり、逆方向到達時間の総和は、例えば、
Σt2i=t21+t22+…+t2i+…+t2m
である。
また、通常モードでは、流量の脈動がない定常流のときに使用するため、所定のサンプリング間隔を長く(大きく)定めても流量計測誤差は大きくならず、そのぶん消費電流を軽減できる。
ΣT1i=T11+T12+…+T1i+…+T1m
と表され、逆方向の総到達時間の総和ΣT2iは、
ΣT2i=T21+T22+…+T2i+…+T2m
となる。
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なる第1のサンプリング間隔で一定複数回(m回)繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和とに基づいて流量を演算する第1の脈動モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔及び第1のサンプリング間隔とは異なる第2のサンプリング間隔で一定複数回(m回)繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和とに基づいて流量を演算する第2の脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから第1の脈動モードに移行するとともに、
各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めることを特徴とする超音波流量計である。
なお、各到達時間の最大値と最小値は、前記請求項5又は6の場合と同様にして求めることができ、また各到達時間の増減回数は、前記請求項7の場合と同様にして求めることができる。
そして、請求項9〜16の発明では、脈動モード時の流量演算の回数が1/mに減少するので、そのぶん流量計の消費電流が減少する。
更にまた、特に請求項5〜16の発明では、サンプリング時点から脈動と同期することを回避できるため、同期による計測誤差を軽減でき、超音波流量計をガスメータとして利用する場合に効果的である。
ΣT2i=T21+T22+T23+…+T2m−1+T2m ・・(17)
もっともカウンタ8aと8bは式(16)と(17)の演算は行わないで、直接ΣT1iとΣT2iを計測する。
図5は、図4(a)の第2のカウンタ8の構成を示す。順方向総到達時間総和カウンタ8aと、逆方向総到達時間総和カウンタ8bは、ともに測定開始信号でカウント値(総到達時間の総和の測定値)が零リセットされ、第1送信指令信号で、基準クロック発振部8cからの基準クロックのカウント(計数)を開始し、第n受信波検知信号でカウントを停止するように構成されている。基準クロックは、送信方向信号で切り換えられるスイッチS3によって、順方向測定時は順方向総到達時間総和カウンタ8aのみに、逆方向測定時は逆方向総到達時間総和カウンタ8bのみに入力される。こうして、順方向と逆方向の各総到達時間の総和ΣT1i,ΣT2iを夫々カウンタ8aと8bで別々に測定する(図4(b)(c)、図6参照)。
この(18)式を用いて時間差法に準じて流速Vを求める代わりに、次のようにして、時間逆数差法に準じて流速Vを求めることもできる。
この方法は、順逆それぞれの平均の到達時間を先ず求めて、それらを用いて流速Vを求める考え方とも言える。
即ち、
t1=ΣT1i/n・m ・・・(19)
t2=ΣT2i/n・m ・・・(20)
であり、時間逆数差法は前記(7)式のように次式であらわされる。
V={(1/t1)−(1/t2)}L/2 ・・・(7)
この(7)式に(19)(20)式を代入すれば、
V={(1/ΣT1i)−(1/ΣT2i)}n・m・L/2・・・(21)
となり、この(21)式を用いることで、到達時間の総和に相当するΣT1iとΣT2iを用いて、時間逆数差法に準じて、流速Vを求めることもできる。
Σt1i=t11+t12+…+t1i+…+t1m
Σt2i=t21+t22+…+t2i+…+t2m
として、順方向到達時間t1iの総和Σt1iと逆方向到達時間t2iの総和Σt2iに基づいて流速・流量を演算するようにすることもできる(請求項1,2)。
また、演算部9において、(順方向最大値−順方向最小値)が一定値より小さいときは、制御部6へセットするサンプリング間隔を変更することで後述する請求項9〜16の実施例5,6とできる。
回路の変更により、増をカウントするようにしても、増と減の両方をカウントするようにしても良い。
Ts1≪Ts
Ts2≒Ts
Ts1≪Ts2
に定める。
脈動のない(変動の小さい)ときは、図16の流れで、測定は通常モード(ステップ203)がセットされていて通常モードで測定を行う。
脈動もしくは流量変化により前回値との差がある範囲を超えたとき流量変化ありと判断し(ステップ205)、測定方法を通常モードから第1の脈動モードに変更する(ステップ207)。
このときの流量値は、脈動による変化の影響が考えられるため、前回値を採用することも可能である。超えない場合は流量変化無しとして、通常モードを継続する(ステップ209)。
脈動モードでは、1サンプリングであるn=4回の連続送受信の各総到達時間(実際は基準クロックのカウント値)のうち、順方向の最大値及び最小値と増減回数を記憶するようになっている。この点は実施例2と4に類似である。
第1の脈動モードでは、フロー図において図15の流れとなる(ステップ211)。はじめに最大と最小の差が一定値より小さいと判断したとき(ステップ213)は定常流、またはサンプリングによる同期と考えられ、測定モードを第2の脈動モードに変更する(ステップ215)。
差が一定値より大きい時は増減回数を確認し(ステップ215)、ある回数より多い場合は脈動をうまく捉えているものとして第1の脈動モードを継続する(ステップ217)。
少ない場合は、脈動の周期が長く収束が遅いと考えられるが、第2の脈動モードから第1の脈動モードに変更されて測定を行った場合(ステップ219でYES)は、第1の脈動モードを優先し継続する(ステップ217)。
通常のモードから変更された場合(ステップ219でNO)は第2の脈動モードに変更する。
第2の脈動モード(ステップ221)では図14の流れとなる。第1の脈動モード(図15のステップ211)と同様に最大値、最小値、増減回数が記憶されており、最大と最小の差が小さいとき(ステップ223でNO)は、第1の脈動モードで測定した最大、最小の差を確認(ステップ225)し、一定値より小さい場合は定常流と判断し、通常モードに変更する(ステップ227)。
ステップ225において、第1の脈動モードで差が一定値より大きかったが増減数が少なかったため、第2の脈動モードに移行していた場合(ステップ225)は、第2の脈動モードではサンプリングに同期しているものと判断し、第1の脈動モードに変更する(ステップ235)。
第2の脈動モードでの差が大きいとき(ステップ223でYES)は、第1の脈動モードと同様に増減回数を確認(ステップ229)し、一定回数より多いときは第2の脈動モードを継続する(ステップ231)。
回数が少ないとき(ステップ229のYES)は、第1の脈動モードで差が一定値より大きかったが増減回数が少なくて第2の脈動モードに移行していた場合(ステップ233のNO)には第1の脈動モードを優先し第1の脈動モードに変更する(ステップ235)、第1の脈動モードで差が一定値より小さくて第2の脈動モードへ移行していた場合(ステップ233のYES)は第2の脈動モードを維持する。
なお、この実施例6の場合も、前の実施例5と同様にTs1=Ts2=Ts/2に定めていて、計測精度を高めるようにしている。
また、いずれの実施例も流量を時間的に積算してガス使用量を算出し、ガスメータとして活用できる。
2,3 送受波器
4 送波器駆動部
5 受信波検知部
7 第1のカウンタ
8 第2のカウンタ
8A 総到達時間カウンタ
8a 順方向総到達時間総和カウンタ
8b 逆方向総到達時間総和カウンタ
9 演算部
10 最大値ホールダ
11 最小値ホールダ
13 比較器
14 カウンタ
Claims (16)
- 超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計。 - 前記一定のサンプリング間隔の1/2の間隔で順方向の超音波の到達時間と逆方向の超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
- まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数繰り返して、最初の送信から一定回数目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を順方向と逆方向について求める流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の総到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計。 - 前記一定のサンプリング間隔の1/2の間隔で順方向の超音波の総到達時間と逆方向の超音波の総到達時間の計測を行うことを特徴とする請求項3記載の超音波流量計。
- 1回の流量測定期間(TQ)の間に、複数回(m回)の到達時間又は総到達時間の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各到達時間又は総到達時間の順方向最大値[t1i]max又は[T1i]max、順方向最小値[t1i]min又は[T1i]min、逆方向最大値[t2i]max又は[T2i]max、あるいは逆方向最小値[t2i]min又は[T2i]minのうち何れか1種類の値の流量測定期間毎の変化を監視し、その変化が一定以上のときには、サンプリング間隔(Ts)を変更するように構成したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の超音波流量計。 - 1回の流量測定期間(TQ)の間に、複数回(m回)の到達時間(t1i,t2i)又は総到達時間(T1i,T2i)の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各流量測定期間(TQ)毎の到達時間又は総到達時間の順方向あるいは逆方向の、最大値と最小値を出力できるようにし、各流量測定毎の最大値又は最小値の、前回の流量測定時からの変化が今回の(最大値−最小値)の一定分の1より大きいときに、前記サンプリング間隔(Ts)を変更するように構成したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の超音波流量計。 - 1回の流量測定期間(TQ)の間に、複数回(m回)の到達時間(t1i,t2i)又は総到達時間(T1i,T2i)の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各流量測定期間(TQ)内において、順方向あるいは逆方向の各到達時間又は総到達時間の増減回数を計数するとともに、計数した増減回数が一定以下のときは、前記サンプリング間隔(Ts)を変更することを特徴とする請求項1乃至4又は6のいずれかに記載の超音波流量計。 - 1回の流量測定期間(TQ)における順方向あるいは逆方向の到達時間(t1i,t2i)又は総到達時間(T1i,T2i)の測定値がサンプリング毎に得られるたびに、それらの測定値の最大値と最小値及びそれらの中間値を得られるようにするとともに、取得した到達時間又は総到達時間が前記中間値を横切る回数を計数することで増減回数を検知することを特徴とする請求項7記載の超音波流量計。
- 超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回(m回)繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和と、逆方向での超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和とに基づいて流量を演算する脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから脈動モードに移行するとともに、
前記脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差が一定以下のときに脈動モードから通常モードに戻すことを特徴とする超音波流量計。 - 脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数(n回)繰り返して、最初の送信から一定回数(n回)目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とする請求項9記載の超音波流量計。
- 複数の脈動モードを具備し、各脈動モードが異なるサンプリング間隔で超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とする請求項9又は10記載の超音波流量計。
- 通常モードのサンプリング間隔よりも、脈動モードのサンプリング間隔を短く定めたことを特徴とする請求項9,10又は11記載の超音波流量計。
- 通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とする請求項9乃至12のうち何れかに記載の超音波流量計。
- 超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なる第1のサンプリング間隔で一定複数回(m回)繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和とに基づいて流量を演算する第1の脈動モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔及び第1のサンプリング間隔とは異なる第2のサンプリング間隔で一定複数回(m回)繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回(m回)での総和とに基づいて流量を演算する第2の脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから第1の脈動モードに移行するとともに、
各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めることを特徴とする超音波流量計。 - 第1と第2の各脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数(n回)繰り返して、最初の送信から一定回数(n回)目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とする請求項14記載の超音波流量計。
- 通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とする請求項14又は15記載の超音波流量計。
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