JP2007322194A - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくして高精度な流れ計測を実現することを目的とする。
【解決手段】一対の超音波変換器２３，２４を流体が流れる流路の上流側と下流側とに対向して配置し、一方の超音波変換器を駆動して、他方の超音波変換器へ向けて超音波を送信するとともに、多数個の零クロスメモリを順次零クロスメモリ値を判定しながら動作させるとともに、所定時間後に前記零クロスメモリ値の有効性を判別し、有効な零クロスメモリ値から超音波伝播時間を演算するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を利用して流体の流速およびまたは流量などを計測するガス、水などの流体の流れ計測装置に関するものである。

従来の流体の流れ計測装置を図８を参照して説明すると、流体が流れる流路１０１の上流側と下流側とに一対の超音波変換器１０２，１０３が配置されており、超音波が流体を斜めに横切るようにしてある。

そして、前記一対の超音波変換器１０２，１０３間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、これにもとづき流量を演算していた。

なお、図中の実線矢印１０４は流体の流れる方向を示し、破線矢印１０５は超音波の伝搬する方向を示している。流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１３９５８号公報

しかしながら、前記従来の計測装置では、上流側の超音波変換器１０２から下流側の超音波変換器１０３へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔudを、また下流側の超音波変換器１０３から上流側の超音波変換器１０２へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔduを交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Ｔud、Ｔduなどを用いて時間差を求め流量を演算していた。

この際、所定の振幅が得られる受信波形の部分に参照レベルを設定してトリガーレベルとし、伝播時間を計測していた。したがって、トリガ−レベルよりも前の零クロス点を用いて超音波の伝搬時間を計測することができなかった。

このため、超音波の到達時間に不確かな時間が含まれることになり、誤差となる場合があり、高精度な流れ計測を実現することができないという課題を有していた。

即ち、超音波の受信波形は、一般に駆動回路で駆動される周波数で立上がり、順次、超音波変換器固有の振動周波数に変化する。

あるいは、流路の側壁などからの反射波の影響を受けるなどするため、超音波の受信波形は受信点に近い立上がり部分は周波数が安定しているが、トリガ−レベルを設定するような比較的受信振幅の大きい部分では、上流側と下流側とで受信する波形に差が発生し、伝播時間の誤差として検知されることになる。

また、流路１０１の側壁などで反射した超音波が受信波に若干遅れて到達し、受信波として受信されるので、零クロス点が不確かになることもあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、受信した超音波の零クロス点の到達時間を計測し、順次零クロス点の有効性を判別することにより、トリガ−レベルよりも前の零クロス点を用いて超音波の到達時間を計測することができるようにして超音波の伝播時間に含まれる誤差を少なくし、高精度なけ計測を実現することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ計測装置は、一対の超音波変換器を流体が流れる流路の上流側と下流側とに対向して配置し、一方の超音波変換器を駆動して、他方の超音波変換器へ向けて超音波を送信するとともに、多数個の零クロスメモリを順次零クロスメモリ値を判定しながら動作させるとともに、所定時間後に前記零クロスメモリ値の有効性を判別し、有効な零クロスメモリ値から超音波伝播時間を演算するようにしたものである。

この構成により、上流側の超音波変換器と下流側の超音波変換器間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間をトリガ−レベルよりも前で計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測が実現できる。

本発明の超音波流量計は、トリガ−レベルよりも前の零クロス点を用いて超音波の伝搬時間あるいは超音波の到達時間を計測することができるので、超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができる。

第１の発明は、一対の超音波変換器を流体が流れる流路の上流側と下流側とに対向して配置し、一方の超音波変換器を駆動して、他方の超音波変換器へ向けて超音波を送信するとともに、多数個の零クロスメモリを順次零クロスメモリ値を判定しながら動作させるとともに、所定時間後に前記零クロスメモリ値の有効性を判別し、有効な零クロスメモリ値から超音波伝播時間を演算するようにした。

この構成により、比較的受信波形の振幅の大きい部分にトリガ−点を設定し、安定してトリガ−を動作させるとともに、比較的受信振幅の小さい受信点近くの零クロス点を伝播時間計測に用いることができるので、誤差の少ない伝播時間を計測することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、順次得られた零クロスメモリ値が超音波変換器を駆動する周波数によって決まる所定の間隔以上離れ、且つ、所定の間隔の２倍以内である場合にのみ零クロスメモリを有効と判定し動作させるようにした。

この構成により、簡単に、且つ、短時間に、得られた零クロス点を判定することができる。従って、零クロス判定を省電力構成とすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、予め決められたゲ−ト時間とする構成とした。即ち、流体の温度および超音波の伝播時間から、最適なゲート時間を設定し、ゲ−ト時間経過後から、零クロスの有効性を判定するように構成した。従って、零クロスの有効性を判定する無駄な時間を削除でき、省電力構成とすることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明の零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、受信した超音波波形のピ−ク値の時間とする構成とした。この構成により、安定した所定の時間が得られ、伝播時間の計測が安定する。

第５の発明は、特に、第１の発明の零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、受信した超音波波形をパケット状に整形した後、微分した時の零クロスの時間とする構成とした。この構成により、有効性を判別する所定の時間が安定し、伝播時間の計測が安
定する。

第６の発明は、特に、第１の発明の零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、受信した超音波波形の予め決められた参照レベルを超えた零クロス時間とする構成とした。この構成により、受信波形の比較的受信振幅の大きいところに参照レベルを設定することができ、安定した零クロス判定が実現することができ、伝播時間の計測が安定する。

第７の発明は、特に、第１の発明の零クロスメモリを複数個有する構成とした。複数個の零クロスから伝搬時間を計測することができるので、計測値が安定する。

第８の発明は、特に、第７の発明の複数個の零クロスから超音波の伝搬時間を計測するようにしたので、高精度な超音波計測が実現できる。また、偶数個の零クロスから伝搬時間を計測する場合には、雑音に強い、Ｓ／Ｎの大きい計測が可能となり、より一層高精度な計側が可能となる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか一つの計測装置で得られた計測結果を流体供給側のホストコンピュータに入力するようにして流体供給管理システムとしたものである。

従って、例えば、対象流体がガスの場合には、各家庭に設置した計測装置の所定期間の積算値をネットワークを利用してホストコンピューに取り込むか、或いは検針員が個々に取り込んだ所定期間の積算値をホストコンピューに入力することで課金作業を一括して処理することができ、またネットワークで結んだものに合っては、各家庭のガス漏れなども監視可能である。これは高精度計測がそれを可能にした。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。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。また、図中の同一番号を付けているものは、同一構成を示しており、具体的な説明は最初のものを援用した。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置２１を示し、流体の流れる流路２２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３，２４を斜めに対向して設置し、流路２２を流れる流体を超音波が斜めに横切るように設定してある。

超音波変換器２３，２４間の距離Ｌｄは、約１００ｍｍ、流路２２の断面積Ｓｒは約３０ｍｍ^２とした。

図中の実線矢印２５は流体の流れる方向を、破線矢印２６は超音波の伝搬する方向をそれぞれ示しており、また、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉するようにした。

図２は、流体の流れ計測装置２１のブロック図を示し、トリガー回路３０が予め設定された間隔でスタート命令を駆動回路３１および時間回路３２に出力するようにしている。スタート命令を受けた駆動回路３１では、送信側切換ＳＷ３３で選択されている送信側超音波変換器（例えば、上流側の超音波変換器２３）に駆動信号を出力する。

送信側超音波変換器が流路の流体中に送信した超音波は、受信側切換ＳＷ３４で選択されている超音波変換器（例えば、下流側の超音波変換器２４）で受信され、その信号は増幅器３５で増幅される。一方、スタート命令を受けた時間回路３２では、一定間隔の時間パルスを生成する。

また、予め決められた経過時間後、検知回路３７へゲート開放信号を送出する。ゲート開放信号を受けた検知回路３７は、超音波の受信波からゼロクロス点を検出し、超音波受信時間を制御・演算回路３６に検出時間を出力する。

制御・演算回路３６では、検知回路３７からは超音波伝搬を検知したゼロクロス時間を、時間回路３２から一は定間隔の時間パルスを受取り時間経過を認識し、超音波伝搬時間を判定する。

この超音波送信・検知を順次ゲート時間を更新しながら繰り返す。検知回路３７に出力されるゲート開放信号が超音波伝搬時間を越えると周期的な検知時間が得られ、超音波が到達したことを検知することができる。

以上のことを図３を用いて説明する。図３（ａ）に５００［ｋＨｚ］からなる矩形状のバースト信号で構成した駆動信号３８を示す。超音波受信信号３９は受信側の超音波変換器で受信した信号を示す。図３（ｂ）に図３（ａ）の○で囲んだ部分４０の拡大図を示す。なお、４１は信号のグランド（ゼロ）レベルを示す。

受信信号３９は、５００［ｋＨｚ］の周期の受信波形であるので、一波長約２［μｓｅｃ］の周期的な信号となり、ゼロクロス点は約１［μsec］間隔となっている。なお、超音波の真の伝搬時間をＴｓ、ゲート開放時間をＴｇで示した。

ゲート開放時間Ｔｇが、超音波伝搬時間Ｔｓよりも小さい時（Ｔｇ＜Ｔｓ）、検知回路３７はゲート開放時間を受けると同時に雑音レベルにある信号（図３ｂ参照）でゼロクロ点を検知するので、超音波の伝搬時間としてゲート開放時間と同程度の大きさの時間を検知時間Ｔｋとして出力する。

一方、ゲート開放時間が順次更新され、超音波伝搬時間Ｔｓよりも大きくなると（Ｔｇ＞Ｔｓ）、同図（ａ）より検知回路３７で検知されるゼロクロス点としての検知時間Ｔｋは周期的な値となる。

以上、説明したように第１の零クロス点の時間Ｔc1と第２の零クロス点Ｔｃ２とを比較し、例えば、駆動波形３８の周波数で決まる所定の間隔程度時間差があれば、第１の零クロス点と、第２の零クロス点は受信波形の正しいゼロクロス点であると判定する。

このように、零クロス点の判定には複数個の零クロス点が必要となるが、第１の零クロス点を超音波の伝播時間とし、受信波形の立上がり直後の零クロス点を超音波伝播時間とすることにより、流路内での反射波などに影響されないで、超音波の伝播時間を正確に検知することができる。

従って、高精度な超音波計測を実現できる。また、零クロス点が有効であると判定した後、零クロス動作を停止させることができるので、省電力構成とすることができる。

このようにして得られた超音波伝搬時間Ｔｓを用いて制御・演算回路３６で流体の流速、流量などを演算する。

具体的には、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への超音波の到達時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への超音波の到達時間をＴｄｕとし、超音波の流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとすると、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓθ］、Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓθ］となる。これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓθ＝Ｌｄ／Ｔｕｄ、Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓθ＝Ｌｄ／Ｔｄｕとなり、これらの両辺を引き算すると、
２＊Ｖｆ・ｃｏｓθ＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）−（Ｌｄ／Ｔｄｕ）＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となる。よって、
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓθ］｝＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体の流速Ｖｆが得られたことになる。
さらに、流路２２の断面積Ｓｒを乗じ、流量Ｑmとなる。即ち、Ｑm＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量値となる。

このように、上流側の超音波変換器２３から下流側の超音波変換器２４への到達時間Ｔｕｄ、および下流側の超音波変換器２４から上流側の超音波変換器２３への到達時間Ｔｄｕとから流路を流れる流体の流量Ｑmが得られることになる。このようにして高精度な超音波流速・流量計を実現する。

なお、上記実施例の形態において、流体の流れる方向と、超音波が伝搬する方向との交叉角を４５度としたが、流体の流れが超音波の伝搬時間に影響を与える角度であればよく、垂直方向以外であればよく、平行であってもよい。

また、伝搬時間判定方法は、単発計測として説明したが、シングアラウンド法などにも充分応用できるものである。

（実施の形態２）
前記の実施の形態１において、零クロス点の有効性を判定する時間差を駆動波形３８の周波数で決まる所定の時間間隔としたが、より有効なのは駆動波形３８の周波数で決まる所定の時間間隔の０．４倍から１．６倍離れている場合とした。

このようにすることにより、誤動作が著しく軽減した。零クロスの判定に幅を持たせたので、受信波形に若干の変形があっても、零クロス点と判定できるようになった。なお、第１と第２の零クロス点から超音波の受信時間を判定することができるので、この時間以降は時間回路３２の動作を停止することができるので、超音波流速・流量計を省電力構成とすることができる。

（実施の形態３）
零クロス点の有効性を判定する時間を予め決められたゲ−ト時間とした。なお、ゲ−ト時間は以下のようにして決めた。

上記で示したように、超音波到達時間、ＴｕｄおよびＴｄｕを用い、超音波の伝搬速度Ｖｓを求め、ゲ−ト時間Ｔgを設定した。

Ｔｕｄ＝Ｌｄ／（Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓθ）、Ｔｄｕ＝Ｌｄ/（Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓθ）
となる。これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓθ＝Ｌｄ／Ｔｕｄ、Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓθ＝Ｌｄ／Ｔｄｕとなり、これらの両辺を加算すると、
２＊Ｖｓ＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）＋（Ｌｄ／Ｔｄｕ）＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）＋（１／Ｔｄｕ）］
となる。よって、
Ｖｓ＝（Ｌｄ／２）＊［（１／Ｔｕｄ）＋（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度、Ｖｓが得られたことになる。上流側および下流側の超音波変換器間の距離Ｌは予めわかっているので、ゲ−ト時間は、
Ｔg =（Ｌ／Ｖｓ）― α とした。

なお、αは最大の流速により超音波が速く到達することを考慮して適切に設定した。通常は、数〜数十マイクロ秒程度である。このように零クロス点を、ゲ−ト時間Ｔｇ以降に動作させるように構成したので、効率よく動作させることができ、省電力構成とすることができる。

（実施の形態４）
零クロス点の有効性を判定する時間を、受信波形のピ−ク値が到達する時間とした。このようにすることにより、受信波形の振幅が大きいので、安定して動作させることができる。

図３に示した受信波形の場合、受信波形のピ−ク値までに、６個程度のピ−ク波があるので、零クロス点は、約１０〜１１個程度となる。このように多くの零クロス点を持つことになるので、これらの多くの零クロス点からも最も速く検知された零クロス点の有効性を判別することができるので、超音波の到達時間を正確に判定することができ、安定に動作する超音波流速・流量計を実現することができる。

（実施の形態５）
零クロス点の有効性を判定する時間を、受信波形をパケット状に整形し、微分した時の零クロス点とした。具体的には、図４に示すようにした。

即ち、図４において、細い実線４２は超音波の受信波形を、細い点線４３は受信波形４２の上下反転した波形をそれぞれ示す。太い実線４４は受信波形４２と反転した受信波形４３との包絡線を示す。

次に、図5に示すように、包絡線４４を微分し、破線４５を得、零クロス点４６を求めた。この零クロ点４６は、上記の実施の形態４に示した受信波形のピ−ク値の時間とほぼ一致する。即ち、ピ−ク値の時間を一意的に決めることができ、時間が安定し、確定することになる。従って、安定に動作する超音波流速・流量計を実現することができる。

（実施の形態６）
零クロス点の有効性を判定する時間を、超音波受信波形の予め決められた参照レベルを超えた直後の零クロス点とした。具体的には、図６に示すようにした。

４７は超音波の受信波形を示し、破線４８は予め決められた参照レベル（Ｖｒｅｆ）を示す。同図において、参照レベル４８は、超音波の受信波形４７のピ−クＶ３とＶ４との間に設定されている。この設定された参照レベル４８を超えた次の零クロス点４９を零クロス点の有効性を判定する時間とした。

このように比較的振幅が大きく、かつ、受信波形の前半部にあるピ−クＶ３、Ｖ４を選択することにより、受信波形が流体の温度や反射などの影響により変形しても、安定して零クロス点を判定する時間を得ることができる。

この場合、零クロス点の判定時間までに５〜６個の零クロス点を有することになる。この５〜６個の零クロス点から超音波の伝播時間を判定することができるので、安定に動作する超音波流速・流量計を実現することができる。

（実施の形態７）
上記実施の形態において、最も早く検知された零クロス点を超音波の伝播時間であると判定するようにしたが、多くの零クロス点から平均値を超音波の伝播時間とすることもできる。例えば、複数個の零クロス点から超音波の伝播時間を得る場合、安定した雑音に強い超音波流速・流量計測が実現できる。

例えば、受信波形の零電位が電磁的な雑音などにより変化した場合にも安定することになる。図７に超音波の受信波形と零電位との関係を示す。

図７において、５０は受信波形を、太い実線５１は真の零電位を、破線５２は何らかの電磁的雑音により正（+）の方向に変動した零電位を示す。この場合、受信波形の立上がり時の零クロス点５３は真の零クロス点に比べ遅くなる。

また、受信波形の立下がり時の零クロス点５４は真の零クロス点に比べ早くなる。このため、超音波流速・流量計は誤差を含むことになるが、平均値を超音波の伝播時間として判定することにより、速い、遅いが相殺され精度が向上することになる。このように複数個の零クロス点から超音波の伝播時間を求めるようにすることにより、電磁的雑音に強い超音波流速・流量計を実現することができる。

そして、前記各実施の形態の計測装置で得られた計測結果を流体供給側のホストコンピュータに入力して流体供給管理システムにかつようすることができる。

例えば、対象流体がガスの場合には、各家庭に設置した計測装置の所定期間の積算値をネットワークを利用してホストコンピューに取り込むか、或いは検針員が個々に取り込んだ所定期間の積算値をホストコンピューに入力することで課金作業を一括して処理することができ、またネットワークで結んだものに合っては、各家庭のガス漏れなども監視可能である。

以上のように本発明の超音波流速・流量計は、超音波伝播直後の零クロス点を超音波伝播時間として判定するので、高精度な超音波流速・流量計を実現できる。また、零クロス点の動作を必要最小限の時間に限定することができるので、省電力構成とすることができる。また、複数個の零クロス点を用いて超音波の伝播時間を判定することもできるため、電磁的な雑音に強い超音波流速・流量計を実現できる。また、超音波の伝播時間を計測するあらゆる分野の計測器に応用展開することができる。

本発明の実施の形態における流れ計測装置の断面図 同ブロック図 （ａ）同計測装置の駆動波形と受信波形を示した図、（ｂ）受信波形の拡大図 本発明の他の実施の形態における超音波受信波形の合成を説明する図 本発明のさらに他の実施の形態における超音波受信波形の合成を説明する図 本発明のさらに他の実施の形態における超音波の受信波形図 本発明のさらに他の実施の形態における超音波の受信波形図 従来の計測装置の断面図

符号の説明

２１ 超音波流量計
２２ 流路
２３ 上流側の超音波送変換器
２４ 下流側の超音波送変換器
３１ 駆動回路
３３ 送信側切換ＳＷ
３４ 受信側切換ＳＷ
３７ 検知回路
３８ 駆動波形
３９ 受信波形

Claims (9)

1. 一対の超音波変換器を流体が流れる流路の上流側と下流側とに対向して配置し、一方の超音波変換器を駆動して、他方の超音波変換器へ向けて超音波を送信するとともに、多数個の零クロスメモリを順次零クロスメモリ値を判定しながら動作させるとともに、所定時間後に前記零クロスメモリ値の有効性を判別し、有効な零クロスメモリ値から超音波伝播時間を演算するようにした流体の流れ計測装置。
2. 順次得られた零クロスメモリ値が超音波変換器を駆動する周波数によって決まる所定の間隔以上離れ、且つ、所定の間隔の２倍以内である場合にのみ零クロスメモリを有効と判定し動作させる請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、予め決められたゲ−ト時間とする請求項１記載の流体の流れ計測装置。
4. 零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、受信した超音波波形のピ−ク値の時間とする請求項１記載の流体の流れ計測装置。
5. 零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、受信した超音波波形をパケット状に整形した後、微分した時の零クロスの時間とする請求項１記載の流体の流れ計測装置。
6. 零クロスメモリ値の有効性を判別する所定の時間を、受信した超音波波形の予め決められた参照レベルを超えた零クロス時間とする請求項１記載の流体の流れ計測装置。
7. 複数個の零クロスメモリを有する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
8. 超音波が伝搬する平均伝播時間を複数個の零クロスメモリ−から求める請求項７記載の流体の流れ計測装置。
9. 請求項１〜８いずれか１項記載の流体の流れ計測装置で得られた計測結果を流体供給側のホストコンピュータに入力するようにした流体供給管理システム。

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