JP2016156665A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、電子部品の特性のバラツキに影響されずに超音波信号の伝搬速度を高精度に測定できる超音波流量計を実現すること。【解決手段】被測定象流体が流れる測定管の外壁の上流側と下流側に超音波信号を送受する超音波変換素子が取り付けられた超音波流量計において、超音波信号の送信部と、この送信部と前記超音波変換素子を切り替え接続する第１の切替部と、超音波信号の受信部と、この受信部と前記超音波変換素子を相補的に切り替え接続する第２の切替部と、前記第１の切替部を介して前記超音波変換素子に入力される送信波形の立ち上がり部分を微分して前記受信部に入力するコンデンサと、前記受信部に入力される前記超音波変換素子で受信された超音波信号に基づき前記被測定象流体の上流と下流の伝搬時間差および流量を算出するデータ処理部と、これら送信部、第１の切替部、受信部、第２の切替部およびデータ処理部の動作を統括的に制御する制御部、を設けたことを特徴とするもの。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、透過法における送受信部回路の電子部品特性のバラツキによる遅延時間測定への影響の除去に関する。

図４は、従来から用いられている透過法に基づく超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図４において、制御部１は、データ処理部２、送信部３、受信部４、第１の切替部５および第２の切替部６の動作を所定のプログラムにしたがって統括的に制御するとともに、これらの制御の他に、送信波形データを生成して送信部３に出力し、適切なゲイン設定信号を生成して受信部４に出力し、データ処理部２には送信部３の動作をスタートさせたことを通知する。

データ処理部２は、送信部３の動作スタート信号を制御部１から受信して伝搬時間測定の起点とし、伝搬経路Ａ，Ｂを通って受信部４に到達した測定信号に基づいて伝搬時間を算出するとともに流量測定に必要なパラメータを保持し、測定した伝搬時間から流速を算出し最終的に流量を算出する。

送信部３は、制御部１から入力される制御信号によりイネーブルにされるとともに、制御部１から入力される送信波形データに従って超音波送信波形を生成出力する。この超音波送信波形は、切替部５、６とたとえば同軸ケ-ブルよりなる信号線７、８を介して、超音波変換素子９、１０へ送信される。

受信部４は、制御部１から入力されるゲイン設定信号によりゲインを設定し、超音波変換素子９、１０から変換出力される信号を増幅する。

切替部５、６は連動して切替駆動され、送信部３、受信部４と超音波変換素子９、１０とを接続する信号線７、８を相補的に交互に切り替える。

信号線７の一端は切替部５の一方の固定接点ａに接続されて他端は超音波変換素子９に接続され、信号線８の一端は切替部６の一方の固定接点ｅに接続されて他端は超音波変換素子１０に接続されている。そして、信号線７は切替部５の他方の固定接点ｂにも接続され、信号線８は切替部６の他方の固定接点ｆにも接続されている。

超音波変換素子９、１０は、たとえば圧電素子で構成されたものであり、被測定流体が流れる測定管１１を挟むようにして測定管１１の外壁に、それぞれの超音波信号の伝搬経路Ａ、Ｂが測定管１１の管軸に対して所定の角度で斜め方向に交わる位置関係で上流側と下流側に対向配置されている。

これら制御部１、データ処理部２、送信部３、受信部４、第１の切替部５および第２の切替部６により、信号変換部１２が構成されている。

超音波変換素子９、１０の一方（たとえば超音波変換素子９）が圧電効果による超音波発生器として機能しているときには他方（たとえば超音波変換素子１０）が圧電効果による超音波検出器として機能するように、それらの機能は交互に相補的に切り替わる。

たとえば送信部３から生成出力される超音波送信波形が超音波変換素子９に入力されると、超音波変換素子９は超音波信号を生成する。超音波変換素子９で生成された超音波信号は測定管１１の内部の伝搬経路Ａを通って超音波変換素子１０で受信され、電気信号に変換されて受信部４に出力される。

図５は送信部３の一例を示す回路図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。送信部３は、基本的には矩形波を発生するハーフブリッジ回路として構成されている。図５において、波形発生部３ａは、制御部１の制御に基づき、超音波変換素子９、１０に送信する送信波形データの元波形(パルス波形)信号を生成する。

ドライバ３ｂは２系統のＭＯＳＦＥＴ３ｅ、３ｆのゲートに接続されていて、波形発生部３ａから入力される送信波形データの元波形(パルス波形)信号にしたがって、ＭＯＳＦＥＴ３ｅ、３ｆを駆動する。

ＭＯＳＦＥＴ３ｅのソースには正電圧＋Ｖ１の送信波形電圧を供給する可変直流電源３ｃの正極端子が接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｆのソースには負電圧−Ｖ２の送信波形電圧を供給する可変直流電源３ｄの負極端子が接続されている。なお、可変直流電源３ｃの負極端子および可変直流電源３ｄの正極端子は共通電位点に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ３ｅのドレインには保護用のダイオード３ｇのアノードが接続され、ＭＯＳＦＥＴ３ｆのドレインには保護用のダイオード３ｈのカソードが接続されている。

ダイオード３ｇのカソードとダイオード３ｈのアノードは共通に接続されて、切替部５の可動接点ａに接続されるとともに、超音波変換素子９、１０の圧電素子に蓄積された電荷を放出するためのダンピング時の保護用の抵抗３ｉの一端に接続されている。

保護用の抵抗３ｉの他端は、ダンピング用のスイッチ３ｊを介して共通電位点に接続されている。

図６は受信部４の一例を示す回路図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図６において、受信部４は、コンデンサ４ａと、バンドパスフィルタ４ｂと、可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）４ｃと、Ｄ/Ａ変換器４ｄと、Ａ/Ｄ変換器４ｅとで構成されている。

可変ゲインアンプ４ｃの入力端子は、コンデンサ４ａとバンドパスフィルタ４ｂの直列回路を介して切替部６の可動接点ｄに接続されている。

可変ゲインアンプ４ｃのゲインは、制御部１からＤ/Ａ変換器４ｄを介して設定される電圧に応じて所望の値に設定される。

可変ゲインアンプ４ｃの出力信号は、Ａ/Ｄ変換器４ｅでデジタル信号に変換された後、データ処理部２に入力される。

図４の動作を説明する。なお、流量測定にあたり、超音波変換素子９、１０を測定管１１の外壁に取り付けた状態における信号線７、８、管材、ライニングなどの超音波信号の伝搬時間に関係するパラメータτ(後述)を信号変換部１２に設定する。

初期状態において、切替部５の可動接点ａは固定接点ｂに接続され、切替部６の可動接点ｄは固定接点ｅに接続されている。

＜伝搬時間”td”の計測＞
伝搬時間”td”は、超音波変換素子９から伝搬経路Ａを伝搬して超音波変換素子１０に至る流れ方向に沿った伝搬時間である。

制御部１は、送信部３の可変直流電源３ｃ、３ｄの出力電圧を適切な値に設定し、波形発生部３ａに超音波波形の送信波形データを送る。また、受信部４のＤ/Ａ変換器４ｄには可変ゲインアンプ４ｃのゲインを適切な所望の値に設定するための設定値を送り、可変ゲインアンプ４ｃのゲインを所望の値に設定する。

制御部１は、超音波発生のスタート信号を送信部３およびデータ処理部２に出力する。超音波を送信するための波形電圧は、送信部３から切替部５を介して超音波変換素子９に送信される。

超音波変換素子９で生成された超音波信号は測定管１１の内部の伝搬経路Ａを通って超音波変換素子１０で受信されて電気信号に変換され、切替部６を介して受信部４に入力されて適切な値に増幅された後、デジタル信号に変換されてデータ処理部２に入力される。

データ処理部２は、送信部３から受信部４までの超音波信号の伝搬時間”td”を保持する。この伝搬時間”td”の起点は、前述のように、制御部１からデータ処理部２に送った超音波発生のスタート信号を元としている。

送信部３の内部では、波形発生部３ａで送信波形データを適当な駆動波形信号にし、制御部１から入力されるスタート信号にしたがって、ドライバ３ｂを介してＭＯＳＦＥＴ３ｅ、３ｆを駆動して矩形波を発生させ、ダイオード３ｇ、３ｈを介して切替部５の可動接点ａに出力する。この送信部３の動作は、次に説明する伝搬時間”tu”の計測でも同様となる。

＜伝搬時間”tu”の計測＞
伝搬時間”tu”は、超音波変換素子１０から伝搬経路Ｂを伝搬して超音波変換素子９に至る流れ方向と逆の方向の伝搬時間である。

伝搬時間”tu”の計測にあたっては、制御部１は、切替部５の可動接点ａを固定接点ｃ側に切り替え、切替部６の可動接点ｄを固定接点ｆ側に切り替えるための制御信号を出力する。これら切替部５の可動接点ａと切替部６の可動接点ｄが切り替わった状態で、伝搬時間”td”の計測と同様の動作をする。

制御部１から送信部３およびデータ処理部２に超音波発生のスタート信号を出力し、超音波信号は伝搬時間”td”の計測時の伝搬経路とは逆の方向まわり、つまり送信部３から切替部５の固定接点ｃを経て超音波変換素子１０に至り、測定管１１の内部の伝搬経路Ｂを通って超音波変換素子９で受信されて電気信号に変換され、切替部６を介して受信部４に入力されて適切な値に増幅された後、デジタル信号に変換されてデータ処理部２に入力される。データ処理部２は、送信部３から受信部４までの超音波信号の伝搬時間”tu”を保持する。

伝搬時間”td”は、（１）式で表すことができ、
td＝{L/(C+V×cosθ)}+τ1 （１）

伝搬時間”tu”は、（２）式で表すことができる。
tu＝{L/(C-V×cosθ)}+τ2 （２）

（１）式および（２）式において、
L:管内を伝搬する距離
C:音速
V:管内の流速
θ:管内の流速と超音波の伝搬方向との角度
τ1,τ2:送信部３のスタート信号からの遅れ(主に送信部３内の半導体による立ち上がり時間のバラツキ)とする。
これらのうち、L,C,θは流量計の設置時に判明して設定できる数値である。

tdとtuの伝搬時間差をΔt＝tu-tdとして計算すると、（３）式で流速Vが求まる。これにより、測定管１１の流量が流れる断面積がわかっているので流量が求まる。
V＝C²×(Δt-Δτ)/(2×L×cosθ) （３）
ただしΔt＝tu-td、Δτ＝τ2-τ1

Δτは原理的な動作を説明するときは無視できるが、現実問題としては数十nsec程度発生し、流速Vの測定誤差となる。

非特許文献１には、本発明と同様な透過法に基づく伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。

福原 聡、外３名、「超音波流量計 ＵＳ３５０」、横河技報、横河電機株式会社、２００４年１月２０日、Ｖｏｌ．４８ Ｎｏ．１（２００４） ｐ．２９−３２

τ1,τ2は主に送信部３に起因する遅れであるが、ドライバ、MOSFET、ダイオードなどで構成されており、使用される半導体素子は比較的低速な中高耐圧品のため、各素子の遅延は数十nsecをもち、合計の遅延は数百nsec以上となってくる。

実際に送信波形を発生させると、毎回、これらの遅延は１０％以上はバラツキとして発生するためτ１＝τ２とはならず、△τの値は流速Vの測定に影響するレベルとなってしまう。

また、図４の構成例では送信部３は１つしかないが、マルチチャンネルで使用する場合には送信部３が少なくとも２つは必要となり、その間の電子部品のバラツキによる影響も加わって遅延のばらつきはさらに大きくなる。

この遅延の影響を取り除くため、たとえば送信波形を複数回発生させてその平均値で補正する方法や、送信波形の信号線から適当な抵抗分割で実際の波形の立ち上がり波形をフィードバックし、そこを伝搬時間測定の起点とするなどが考えられる。

平均値による補正では全体のtyp値の遅延分程度は補正できるが、流速Vに影響する都度波形発生時のばらつき△τは完全に取り除くことができず、流速Vの精度をあげることができない。またフィードバックする方法は、測定する管の材質や大きさ、内部の流体の種類などで送信波形の波高値が大きく変化するためフィードバック信号のレベルをロジックに入力するため一定にする機構が必要となる。

フィードバックの機構の回路例として、フィードバックを一定にする機構は、超音波流量計に常備される可変ゲインアンプを使用し、送信波形信号をフィードバックするため、例えば抵抗で分割する方法があるが、送信信号線は、受信信号と兼用されている送受信信号ラインであり、抵抗の追加はインピーダンス不整合の影響が小さくように値を適切に選択する必要がある。

また、送信受信信号線に、抵抗を追加することは受信時の高周波のノイズ信号も拾う可能性が大きくなり、耐ノイズ性能の劣化などの影響も考慮した設計が必要となり、かなり煩雑なものとなる。

また、このような補正回路が追加ができたとしても、前述のように複数の送信部を有するマルチチャンネルの場合には各送信信号線に取り付けることとなるため、各信号ラインへの影響の考慮と回路規模を小さくする設計が必要となる。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、超音波流量計の変換器に簡単なコンデンサを接続するだけで、電子部品の特性のバラツキに影響されずに超音波信号の伝搬速度を高精度に測定できる超音波流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定象流体が流れる測定管の外壁の上流側と下流側に超音波信号を送受する超音波変換素子が取り付けられた超音波流量計において、
超音波信号の送信部と、
この送信部と前記超音波変換素子を切り替え接続する第１の切替部と、
超音波信号の受信部と、
この受信部と前記超音波変換素子を相補的に切り替え接続する第２の切替部と、
前記第１の切替部を介して前記超音波変換素子に入力される送信波形の立ち上がり部分を微分して前記受信部に入力するコンデンサと、
前記受信部に入力される前記超音波変換素子で受信された超音波信号に基づき前記被測定象流体の上流と下流の伝搬時間差および流量を算出するデータ処理部と、
これら送信部、第１の切替部、受信部、第２の切替部およびデータ処理部の動作を統括的に制御する制御部、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、
前記受信部は、前記コンデンサを介して入力される信号をロジックレベルまで増幅することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の超音波流量計において、
前記ロジック信号をラッチして前記超音波変換素子の受信信号に基づき前記被測定象流体の流量を演算するデータ処理部に出力するラッチ手段を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の超音波流量計において、
前記データ処理部は、前記ラッチ手段の出力信号に基づき送信波形のスタート時刻情報を算出することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載の超音波流量計において、
前記制御部は、送信波形のスタート時刻情報を算出保持した後、前記ラッチ手段のラッチを解除するリセット信号を出力することを特徴とする。

これらにより、電気回路素子やケーブルのばらつきなどに起因するオフセット分の影響を軽減でき、高精度の測定が行える超音波流量計を実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。 従来から用いられている透過法に基づく超音波流量計の一例を示す構成説明図である。 図４における送信部３の一例を示す回路図である。 図４における受信部４の一例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１が図４と異なる点は、受信部４と信号線７の間にはコンデンサ１３が接続され、受信部４と信号線８の間にはコンデンサ１４が接続されていることである。

図２は図１における受信部４の具体例を示す回路図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図２が図６と異なる点は、データ処理部２と受信部４の可変ゲインアンプ４ｃとの間に、ラッチ回路１５を設けていることである。

図１の動作を説明する。基本的な測定動作は図４に示した従来の構成と同じであるが、伝搬経路Ａの送信波形を発生した時にその波形の一部がコンデンサ１３に入力されて立ち上がりの微分波形として受信部４の可変ゲインアンプ４ｃに入力される点が異なる。

この時、可変ゲインアンプ４ｃのゲインはその出力がロジックレベルの電圧に達するように設定されていて、可変ゲインアンプ４ｃの出力波形はラッチ回路１５によりホールドされる。

データ処理部２は、そのラッチ回路１５の出力から送信部３の半導体の遅延がないスタート時刻情報を把握でき、この時刻情報を起点として伝搬時間を測定できる。

また、データ処理部２は、スタート時刻情報がわかったら、ラッチ回路１５にリセット信号を送り、ラッチ回路１５のデータホールドを解除する。また、可変ゲインアンプ４ｃのゲインは、受信信号に備えて制御部１からのゲイン設定信号により適切なゲインに設定される。

伝搬経路Ｂについても、伝搬経路Ａと同様に送信波形を発生させることにより、送信波形のスタート起点がわかる。このように、伝搬波形のスタートの起点を、従来のような制御部１からではなく、送信部３の半導体素子の遅延が除かれた信号とすることができる。

図１のコンデンサ１３、１４については、送信部３の負荷となる超音波変換素子９、１０を構成する圧電素子の容量よりも十分小さくすることにより、送信波形が高電圧であっても十分減衰された波高値を可変ゲインアンプ４ｃに安全に入力できる。

また、送信波形の立ち上がり時間の周波数成分のみが必要であることから、超音波変換素子９、１０の送信、受信波形の周波数帯域に影響しない高周波成分は通過させることができる。

また、この時の可変ゲインアンプ４ｃのゲイン設定値は、測定管１１の材質、内部付着物による汚染、コーティングによる影響、測定対象流体による変化などに対応して変化する送信波の波高値に応じた値となるが、波高値は事前に把握できることから、コンデンサ１３、１４などの回路定数から事前に容易に計算して設定でき、かつその変化に自動で対応できる。

従来の超音波流量計の構成において、送信部３の電子部品の特性や動作条件のバラツキなどにより発生する伝搬測定時間のバラツキ誤差を、既存の機能を活用して簡単なコンデンサ１３、１４を付加するだけで除去できる。

具体的には、図１に示すようにコンデンサ１３、１４の接続先を工夫し、たとえばFPGAなどで作成されるデータ処理部２の一部にラッチ回路１５を設けて接続するだけで、遅延時間測定の起点となる送信波形の起点を、波形発生部の電子部品のバラツキの影響を受けることなく測定できる。

このような構成によれば、以下のような効果が期待できる。
電子部品によるバラツキに影響しない伝搬時間の起点が測定できる。つまり各半導体素子の遅延時間を気にしなくても部品選定ができることから、送信回路内の部品、構成の選択において安価な低速品や多段構成になっても影響が出ないため設計の自由度が広がる。

マルチチャンネルの場合には、特に遅延時間ずれによる経路の切替などによる補正が不要になり、この補正のためだけに切替機能が設けられていたならそれを除去できる。

既存の超音波流量計に簡単な部品と機能を付加することで実現でき、その設計も容易であることから、設計自由度があり精度の高い超音波流量計が提供できる。

なお、上記実施例では、透過型の超音波流量計について説明したが、本発明は透過型に限るものではなく、図３に示すような透過・反射型超音波流量計にも適用できる。

図３において、伝搬経路Ａにおける伝搬時間の測定にあたっては一方の送信部１７を用い、伝搬経路Ｂにおける伝搬時間の測定にあたっては他方の送信部１８を用いる。ところが、図３の場合は、図１のように送信部３が共通ではなく、送信部１７と１８の部品のバラツキはさらに多くなる可能性があり、伝搬時間測定のスタートの起点に影響する。

この影響を小さくするために、たとえば一方の送信部１７を用いて伝搬経路Ａの伝搬時間を測定した後に切替部２１、２２を切り替えて同じ送信部１７で伝搬経路Ｂの伝搬時間を測定し、同様に他方の送信部１８を用いて伝搬経路Ａの伝搬時間と伝搬経路Ｂの伝搬時間を測定し、これら４つの伝搬時間の測定データから差分、平均の演算をすることで送信部１７、１８の遅延バラツキの影響を小さくできる。

このような場合も、図１と同様に各信号線７、８と受信部１９か２０のどちらかの間にコンデンサ２３、２４を接続し、データ処理部１６とコンデンサ２３、２４が接続された受信部１９か２０のどちらかとの間に図２と同様なラッチ回路１５を設けてスタートの起点を測定する機能を追加すれば、送信部１７、１８の電子部品のバラツキに影響のない測定ができる。

以上説明したように、本発明によれば、電子部品の特性のバラツキに影響されることなく超音波信号の伝搬速度を高精度に測定できる超音波流量計を実現できる。

１ 制御部
２ データ処理部
３ 送信部
４ 受信部
５ 第１の切替部
６ 第２の切替部
７、８ 信号線
９,１０ 超音波変換素子
１１ 測定管
１２ 信号変換部
１３、１４ コンデンサ
１５ ラッチ回路

Claims (5)

1. 被測定象流体が流れる測定管の外壁の上流側と下流側に超音波信号を送受する超音波変換素子が取り付けられた超音波流量計において、
   超音波信号の送信部と、
   この送信部と前記超音波変換素子を切り替え接続する第１の切替部と、
   超音波信号の受信部と、
   この受信部と前記超音波変換素子を相補的に切り替え接続する第２の切替部と、
   前記第１の切替部を介して前記超音波変換素子に入力される送信波形の立ち上がり部分を微分して前記受信部に入力するコンデンサと、
   前記受信部に入力される前記超音波変換素子で受信された超音波信号に基づき前記被測定象流体の上流と下流の伝搬時間差および流量を算出するデータ処理部と、
   これら送信部、第１の切替部、受信部、第２の切替部およびデータ処理部の動作を統括的に制御する制御部、
   を設けたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記受信部は、前記コンデンサを介して入力される信号をロジックレベルまで増幅することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記ロジック信号をラッチして前記超音波変換素子の受信信号に基づき前記被測定象流体の流量を演算するデータ処理部に出力するラッチ手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
4. 前記データ処理部は、前記ラッチ手段の出力信号に基づき送信波形のスタート時刻情報を算出することを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
5. 前記制御部は、送信波形のスタート時刻情報を算出保持した後、前記ラッチ手段のラッチを解除するリセット信号を出力することを特徴とする請求項３または請求項４記載の超音波流量計。

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