JP2015132488A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測流体や、温度の変化がある場合にも、計測誤差等の異常を高精度に検知しうる超音波流量計を提供すること。
【解決手段】第１の超音波送受波器１ａから第２の超音波送受波器１ｂへの超音波の伝播時間ｔ１と、第２の超音波送受波器１ｂから第１の超音波送受波器１ａへの伝播時間ｔ２とから、Ａ＝１／ｔ１＋１／ｔ２によって算出される値Ａを特性値とする特性値算出部６と、超音波信号の強度を検知する信号強度検知部７および／または流体温度を検知する温度検知部８を有し、信号強度検知部７の検知する信号強度および／または温度検知部８の検知する流体温度と、特性値算出部６により算出される特性値を保存するメモリ部９と、メモリ部９に格納されたデータから異常判定条件を生成する判定条件生成部１０と、異常判定条件とメモリ部９に格納された特性値から異常判定を行う異常判定部１１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用してガス等の流体の流量を計測する超音波流量計に関するものであり、特に計測機能の異常判定機能を有する超音波流量計に関する。

近年、超音波が伝播路を伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流体の流量を計測する超音波流計がガスメータ等に利用されつつある。

図８は、このようなタイプの超音波流量計の主要部断面図構成を示している。

図８に示す超音波流量計では、流量を測定すべき被測定対象である流体が管内を流れるように配置されている。管壁１０２には、一対の超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂが相対して設置されている。超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂは、電気機械変換素子として圧電セラミック等の圧電体を用いて構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。

図８の例では、最初に、超音波送受波器１０１ａが超音波送波器として用いられ、超音波送受波器１０１ｂが超音波受波器として用いられる。この段階においては、超音波送受波器１０１ａの共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１ａ内の圧電体に印加する。すると、超音波送受波器１０１ａは超音波送波器として機能し、流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、経路Ｌ１に伝播して、超音波受波器として機能する超音波送受波器１０１ｂに到達する。このとき、超音波送受波器１０１ｂは超音波受波器として機能し、超音波を受けて電圧に変換する。

次に、超音波送受波器１０１ｂが超音波送波器として機能し、超音波送受波器１０１ａが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受波器１０１ｂの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１ｂ内の圧電体に印加することにより、超音波送受波器１０１ｂから流体中に超音波を放射させる。放射された超音波は、経路Ｌ２を伝播して、超音波送受波器１０１ａに到達する。超音波送受波器１０１ａは伝播してきた超音波を受けて電圧に変換する。

このように、超音波送受波器１０１ａおよび１０１ｂは、送波器としての機能と受波器としての機能を交互に果たすために、一般に「超音波送受波器」と総称される。

図８に示す超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると、超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝播時間を測定することが困難になるので、通常は一定時間のみ超音波を送波するようバースト電圧信号が駆動電圧として用いられる。

以下、上記超音波流量計の測定原理を、より詳細に説明する。まず、駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１０１ａに印加することにより、超音波送受波器１０１ａから超音波バースト信号を放射する。これにより、超音波バースト信号は経路Ｌ１を伝播してｔ１時間後に超音波送受波器１０１ｂに到達する。経路Ｌ１の距離は、経路Ｌ２の距離と等しく、Ｌである。超音波送受波器１０１ｂは、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳＮ比で電気バースト信号に変換することができる。

図８において、管内を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝播方向の角度をθとする。超音波送受波器１０１ａを超音波送
波器、超音波送受波器１０１ｂを超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器１０１ａからの超音波パルスが超音波送受波器１０１ｂに到達する時間をｔ１とすれば、（数式１）の関係が成立する。

ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） ・・・数式１

超音波送受波器１０１ｂを超音波送波器として用いたときに、超音波送受波器１０１ｂからの超音波パルスが超音波受波器となる超音波送受波器１０１ａに到達する時間をｔ２とすれば、（数式２）の関係が成立する。

ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） ・・・数式２

ここで伝播時間ｔ１，ｔ２の逆数の差は、（数式３）で示される。

１／ｔ１−１／ｔ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・数式３

また（数式３）を変形すると（数式４）が得られる。

Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／ｔ１−１／ｔ２） ・・・数式４

（数式４）によれば、超音波の伝播経路の距離Ｌと、伝播時間ｔ１、ｔ２とから、流体の平均流速Ｖを求めることができる。そして流速Ｖと、流路の断面積Ｓから（数式５）によって流量Ｑを算出することができる。

Ｑ＝ＳＶ ・・・数式５

このように超音波の伝播時間と、流路の断面積から流量を算出するため、超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂや、流路等の経年変化によって計測誤差等の異常を生じる場合がある。計測誤差のある超音波流量計をガスメータ等に適用した場合、正しい計測値を得られず、また使用者が専門知識を持っていないため、各家庭で誤差等の異常を検知出来ない課題があった。

このような課題に対して、超音波の伝播時間より算出した流体中の超音波音速と、温度より算出した音速の２つを比較することで異常診断を行う方法が開示されている（特許文献１）。

特開平８−３０４１３５号公報

特許文献１の方法は、温度センサが必須であり、コスト高となる。また、異なる特性の流体を計測する場合や、僅かな計測誤差には対応が困難であるという課題があった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的とするもので、異なる特性の流体を計測する場合にも対応でき、僅かな計測誤差等の異常も検知できる超音波流量計を提供することにある。

本発明の超音波流量計は、流体の流れる流路と、流路に配置された第１の超音波送受波器、および第２の超音波送受波器と、前記第１および第２の超音波送受波器からの超音波信号を送受信する送受信部と、前記第１および第２の超音波送受波器間の超音波信号の伝播時間を計測する伝播時間計測部と、前記超音波信号の伝播時間から流体の流量を算出する流量算出部を有する超音波流量計であって、
前記第１の超音波送受波器から前記第２の超音波送受波器への超音波の伝播時間ｔ１と、前記第２の超音波送受波器から前記第１の超音波送受波器への超音波の伝播時間ｔ２とから、
Ａ＝１／ｔ１＋１／ｔ２
によって算出される値Ａを特性値とする特性値算出部と、超音波信号の強度を検知する信号強度検知部および／または流体温度を検知する温度検知部を有し、前記信号強度検知部の検知する信号強度および／または前記温度検知部の検知する流体温度と、前記特性値算出部により算出される特性値を保存するメモリ部と、前記メモリ部に格納されたデータから異常判定条件を生成する判定条件生成部と、異常判定条件と前記メモリ部に格納された特性値から異常判定を行う異常判定部とを備えるものである。

本発明において、超音波信号の強度および／または温度を用いて、特性値から補正特性値を生成する特性値補正部を有し、補正特性値により異常判定を行うことが好ましい。

本発明において、標準時を検知する標準時検知部を有し、前記標準時検知部の出力値に基づいて異常判定を行うことが好ましい。

本発明において、異常判定情報を表示する表示装置および／または異常判定情報を通信する通信装置を備えることが好ましい。

本発明の超音波流量計は、流体の変化や、僅かな計測誤差等を検知し、異常に対して早期に対応でき、専門知識を持たない利用者等の場合にも異常を検知しうる超音波流量計を提供できる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態１におけるメモリ部に格納された計測データを示す図 本発明の実施の形態１におけるメモリ部に格納された判定条件を示す図 本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図 本発明の実施の形態２におけるメモリ部に格納された計測データを示す図 本発明の実施の形態２におけるメモリ部に格納された判定条件を示す図 本発明の実施の形態３における超音波流量計の構成図 従来の超音波流量計の構成図

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。本発明は、計測流体の特性が変わる、あるいは計測環境が変化するなど、異常判定条件を予め設定することが困難な場合や、経年的に発生する計測誤差等の異常を判定できる超音波流量計を提供すことを目的としたものである。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における超音波流量計の構成図である。図１において、１ａおよび１ｂは超音波送受波器、２は流路、３は送受信部、４は伝播時間計測部、５は流量算出部、６は特性値算出部、７は信号強度検知部、８は温度検知部、９はメモリ部、１０は判
定条件生成部、１１は異常判定部である。

超音波送受波器１ａおよび１ｂは、流路２の途中に流体の流れＶに対して、角度θをもって距離Ｌで対向するように設けられており、送受信部３により送信信号を受け、一方の超音波送受波器より超音波を送信し、他方の超音波送受波器で超音波を受信し、受信した超音波信号を送受信部３に送信する。送受信部３からの超音波信号を受けた伝播時間計測部４では、一方の超音波送受波器１ａから他方の超音波送受波器１ｂへの伝播時間ｔ１と、他方の超音波送受波器１ｂから一方の超音波送受波器１ａへの伝播時間ｔ２をそれぞれ算出する。流量算出部５では、（数式１）から（数式５）を用いて流量を算出する。

特性値算出部６は、伝播時間計測部４からの伝播時間ｔ１、ｔ２から（数式６）に基づいて算出した値Ａを特性値とする。

Ａ＝１／ｔ１＋１／ｔ２ ・・・数式６

信号強度検知部７は、送受信部３からの超音波信号の信号強度を検知し、メモリ部９に転送する。

温度検知部８では、図示していない温度センサからの流体の温度情報を検知し、メモリ部９に転送する。メモリ部９では、特性値算出部６、信号強度検知部７、および温度検知部８からの（特性値、信号強度、流体温度）の情報セットを、図２に示すように対応付けて保存する。

判定条件生成部１０では、メモリ部９に保存された各情報に基づいて異常判定するための異常判定条件を生成し、メモリ部９に送信する。メモリ部９では、（特性値、信号強度、流体温度）の情報セットとは異なる場所に、異常判定条件を保存する。

異常判定部１１では、メモリ部９に保存された異常判定条件と、（特性値、信号強度、流体温度）の情報セットとを比較し、正常状態、異常状態を判定する。異常状態と判定した場合には、表示装置（図示せず）にて異常判定情報を表示し、通信装置（図示せず）からガス事業者等に異常判定情報を通信する。本実施の形態では、異常判定情報を表示装置（図示せず）と通信装置（図示せず）により報知するよう構成しているが、表示装置と通信装置の一方のみを備えた構成としてもよい。

ここで、判定条件生成部１０の動作について詳しく説明する。異常判定条件は、例えば、次のように決定する。超音波流量計は、工場等で計測性能が担保された状態で出荷されるため、初期的には計測誤差等の異常は生じていない。初期状態における超音波流量計の特性値を正常状態の基準値として設定し、基準値と、新たに取得された特性値に差が生じた場合に、異常と判定する。一例として、基準値を中央値とし、図３に示すように、基準値の−５％〜＋５％までを正常範囲とし、それを外れた場合を異常と判断する条件等を設定することが出来る。

この時、異常判定条件は、超音波の信号強度、流体温度と合わせて保存されており、異常判定の際には、信号強度、流体温度が同一の特性値を比較して、異常判定を行う。これは次のような理由による。

特性値を算出する（数式６）を、（数式１）および（数式２）を用いて書き直すと、（数式７）のように記述できる。

Ａ＝２Ｃ／Ｌ ・・・数式７

（数式７）に示すように、特性値は、流体の音速Ｃと、超音波送受波器１ａ、１ｂ間の距離Ｌによって記述される。すなわち、流体の音速が変化すると、特性値が変化するため、同一音速における特性値で比較する必要がある。

流体の音速は、流体の種類と、流体温度によって変化する。このため、流体の種類と、流体温度が同一の場合での特性値を比較する事が必要である。

以上のように、初期状態の特性値から異常判定条件を設定し、流体の種類と、流体温度が同一の条件で得られた特性値を比較する事により、被測定対象の流体が未知で、計測環境が変動する場合でも、高精度に計測上の異常判定を行うことが出来る。

同一条件における特性値が変動している場合は、流体に通常存在しないミスト、ダスト等の混入、超音波送受波器１ａ、１ｂの電気的特性の変化よる伝播時間ｔ１、ｔ２の変動、流路変形や、超音波送受波器１ａ、１ｂの取付け部の異常による距離Ｌの変動等の異常が発生していることが想定される。このような異常が生じると、流量計測ができない、あるいは計測誤差が発生するといった事象が発生する。

本実施の形態では、温度、信号強度のいずれもが一致した特性値を比較する方法について説明したが、利用環境によっては、温度、あるいは信号強度の一方のみを比較する方法で利用ことも可能である。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２における超音波流量計の構成図である。本実施の形態２における超音波流量計は、特性値補正部１３を設けた他は、実施の形態１における超音波流量計と同様に構成している。

本実施の形態２の超音波流量計は、特性値補正部１３によって異常判定条件を補正することにより、環境温度や流体の種類の変動が大きく、同一条件での特性値が得られ難く、異常判定が困難な場合に対応できる。具体的には、取得した特性値を信号強度、流体温度により補正した補正特性値を用い、異なる温度、異なる種類の流体で得られた特性値と比較して異常判定を行う。

本実施の形態２における超音波流量計では、流体温度、信号強度に関わらず異常判定を行うことが可能となるため、流体の種類や、流体温度が大きく、頻繁に変動する環境下でも安定して異常判定を行うことが出来る。

次に、具体的な特性値の補正方法について説明する。特性値は、（数式７）に示すように流体の音速Ｃが変動すると変動するため、流体の音速を、超音波の信号強度、流体温度より、仮想的に同一条件における音速値へと補正する。

流体種による補正は、超音波の信号強度を用いる。流体が気体の場合には、超音波信号の強度と、気体の平均分子量との間に相関があり、平均分子量と音速は相関がある。すなわち、超音波の信号強度と音速は相関があり、超音波信号の強度を用いて音速を補正することが可能である。具体的には、超音波の信号強度が標準条件より高い場合には、仮想的な標準条件より音速が高くなっているため、音速がより低くなるように補正し、補正特性値を導出する。超音波の信号強度が仮想的な標準条件より低い場合には、標準条件より音速が低くなっているため、音速がより高くなるように補正し、補正特性値を導出する。

流体温度による補正の場合には、流体が気体の場合には、流体温度が上昇すると、音速
が高くなり、流体温度が低下すると、音速が低くなる。この特性を利用して標準条件における補正特性値を導出する。このようにして導出した補正特性値を図５に示すように、流体温度、信号強度、特性値と共にメモリ部９に保存する。

また、実施の形態１と同様に補正特性値の初期値を用いて、図６に示す判定条件を設定する。本実施の形態２においては、補正特性値を用いるため、流体温度、信号強度の情報に関わらず、全てのデータを用いて異常判定が可能であるため、判定条件を一条件だけ設定すればよく、計測環境が変動し続ける場合にも、適切なタイミングで異常を検知することが出来る。

（実施の形態３）
図７は、実施の形態３における超音波流量計の構成を示す図である。本実施の形態３における超音波流量計は、標準時検知部１４を設け、温度検知部、信号強度検知部を除去した他は、実施の形態１における超音波流量計と同様に構成した。

流体温度の変動は、燃料用ガスメータなどにおいては、季節による周期性が大きく、そのため流体の音速Ｃの変動も一年ごとに周期的に変動する傾向がある。よって、異なる年度の同一月日における特性値を比較する、あるいは一年の特性値の変動パターンを異なる年度で比較することにより、異常判定を行うことが可能である。

本実施の形態３における標準時検知部１４は、超音波流量計を設置した最初の一年間、毎日所定の時間に、日付情報と共に特性値算出部６にて算出する値Ａと特性値としてメモリ部９に保存し、一年経過後は、所定の時間に算出する特性値とメモリ部９に保存した同一月日の特性値とを比較し、−５％〜＋５％までを正常範囲とし、それを外れた場合を異常と判断する条件等を設定することが出来る。

超音波流量計は、工場等で計測性能が担保された状態で出荷されるため、初期的には計測誤差等の異常は生じていない。超音波流量計を設置した最初の一年間に算出した値Ａに基づく特性値を初期状態における超音波流量計の正常状態の基準値として設定し、基準値と、新たに取得された特性値に差が生じた場合に、異常と判定する。

なお、この異常判定は、年度ごとの気候変動等の誤差を考慮して、異常判定が一定期間、例えば一週間連続して継続する場合に、異常を報知する構成とすることが好ましい。

本実施の形態３における異常判定方法では、年度ごとの異なる気候変動等の誤差要因はあるものの、信号強度検知部、温度検知部が不要のため、簡便に、低コストで異常判定を実現することが出来る。

以上、実施の形態１〜３のいずれの場合にも、異常判定部で検知した異常判定を、流量計に搭載された液晶等の表示部に表示して、利用者に分かりやすく通知する、あるいは通信機器等により、流量計の管理者等に通知して、早期に異常認知して、対応することが出来る超音波流量系システムを提供できる。

本発明の超音波流量計、および超音波流量計システムは、使用中に発生する計測誤差等の異常を高精度に検知することが出来る異常検知機能を持つものであり、長期に利用される、あるいは利用者が専門知識を有しない環境で利用される超音波流量計に特に有効に利用し得る。

１ａ、１ｂ 超音波送受波器
２ 流路
３ 送受信部
４ 伝播時間計測部
５ 流量算出部
６ 特性値算出部
７ 信号強度検知部
８ 温度検知部
９ メモリ部
１０ 判定条件生成部
１１ 異常判定部
１３ 特性値補正部
１４ 標準時検知部
１０１ａ、１０１ｂ 超音波送受波器
１０２ 管壁

Claims (4)

1. 流体の流れる流路と、流路に配置された第１の超音波送受波器、および第２の超音波送受波器と、前記第１および第２の超音波送受波器からの超音波信号を送受信する送受信部と、前記第１および第２の超音波送受波器間の超音波信号の伝播時間を計測する伝播時間計測部と、前記超音波信号の伝播時間から流体の流量を算出する流量算出部を有する超音波流量計であって、
   前記第１の超音波送受波器から前記第２の超音波送受波器への超音波の伝播時間ｔ１と、前記第２の超音波送受波器から前記第１の超音波送受波器への超音波の伝播時間ｔ２とから、
   Ａ＝１／ｔ１＋１／ｔ２
   によって算出される値Ａを特性値とする特性値算出部と、
   超音波信号の強度を検知する信号強度検知部および／または流体温度を検知する温度検知部を有し、
   前記信号強度検知部の検知する信号強度および／または前記温度検知部の検知する流体温度と、前記特性値算出部により算出される特性値を保存するメモリ部と、
   前記メモリ部に格納されたデータから異常判定条件を生成する判定条件生成部と、
   異常判定条件と前記メモリ部に格納された特性値から異常判定を行う異常判定部と、
   を備える超音波流量計。
2. 超音波信号の強度および／または温度を用いて、特性値から補正特性値を生成する特性値補正部を有し、補正特性値により異常判定を行う請求項１記載の超音波流量計。
3. 標準時を検知する標準時検知部を有し、前記標準時検知部の出力値に基づいて異常判定を行うための特性値を選択する請求項１記載の超音波流量計。
4. 異常判定情報を表示する表示装置および／または異常判定情報を通信する通信装置を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波流量計。

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