JP2019211267A - 超音波気体流量計 - Google Patents
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Abstract
【課題】実装面積および消費電流を低減し、調整の分解能を細かくする。【解決手段】超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れる流路1と、1対のトランスデューサ2,3と、一方のトランスデューサから超音波を送信させる送信部4と、他方のトランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅する受信部5と、受信部5によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較する比較部8と、超音波受信信号がレベル増大中に閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測する計時部9と、時間幅が予め指定された範囲内になるように受信部5のゲイン設定値を調整する制御部11とを備える。【選択図】 図1
Description
本発明は、超音波気体流量計に関するものである。
超音波気体流量計は、図8(A)または図8(B)に示すように、測定対象の気体が流れる流路1に対し1組のトランスデューサ(超音波圧電素子)2,3を配置する。上流側のトランスデューサ2を例えば500kHzの共振周波数で駆動し、トランスデューサ2から超音波を送信させる。超音波が流路1内の気体中を伝搬して下流側のトランスデューサ3を励起する。このトランスデューサ3の出力を増幅することで受信信号が得られる。超音波の送信タイミングから受信信号の到達タイミングの時間計測を行なうことで、超音波の伝搬時間を計測できる。同様に、下流側のトランスデューサ3から超音波を送信し、上流側のトランスデューサ2で受信して、超音波の伝播時間を計測する。
トランスデューサ2からトランスデューサ3までの順方向(気体が流れる方向)の超音波の伝搬時間とトランスデューサ3からトランスデューサ2までの逆方向の超音波の伝搬時間とを比較することで、伝搬時間差が求められる。気体の流量がゼロの場合、原理的には伝搬時間差がゼロになるが、気体が流れている場合、流量に応じて伝搬時間差が生じる。したがって、伝搬時間差から気体の流量を算出することができる。
受信側のトランスデューサの出力には、個体差による変化、流量による変化、温度による変化、継時的な変化などが生じるため、トランスデューサの出力を増幅する際のゲイン、あるいは信号の受信を判定するための閾値を調整する必要がある。例えば特許文献1に開示された超音波気体流量計では、受信側のトランスデューサの出力を増幅した後の受信信号Sのピークレベルが、図9に示す第2閾値TH2と第3閾値TH3との間に入るようにゲインを調整する。
従来の超音波気体流量計では、ゲイン調整された受信信号Sが図9中の第1閾値TH1を超えて以降のゼロクロス点Xを検出することで、伝播時間を算出していた。つまり、一般的な超音波気体流量計では、受信信号Sの常に同じ波形の山のゼロクロス点を時間計測に使うようにしている。なお、ゲインを調整する代わりに、閾値自体を調整することでも、受信信号Sのピークレベルが、第2閾値TH2と第3閾値TH3との間に入るように調整することが可能である。
以上のような超音波気体流量計では、調整のために2つの閾値TH2,TH3を使うため、コンパレータを2つ用意する必要があり、実装面積および消費電流が増大し、また2つの閾値TH2,TH3の差の分だけ調整の分解能が粗くなるという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、実装面積および消費電流を低減し、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能な超音波気体流量計を提供することを目的とする。
本発明の超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れるように構成された流路と、この流路の上流と下流に配置された1対のトランスデューサと、一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、この受信部のゲイン設定値を調整するように構成された制御部と、前記受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記受信部のゲイン設定値を調整することを特徴とするものである。
また、本発明の超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れるように構成された流路と、この流路の上流と下流に配置された1対のトランスデューサと、一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、この受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、前記閾値を調整するように構成された制御部と、一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記閾値を調整することを特徴とするものである。
また、本発明の超音波気体流量計の1構成例は、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが予め設定された同一の値であることを特徴とするものである。
また、本発明の超音波気体流量計の1構成例は、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが予め設定された同一の値であることを特徴とするものである。
また、本発明の超音波気体流量計の1構成例は、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが予め設定された同一の値であることを特徴とするものである。
本発明によれば、時間幅が予め指定された範囲内になるように受信部のゲイン設定値を調整するか、あるいは時間幅が予め指定された範囲内になるように閾値を調整することにより、1つのコンパレータ(比較部)で調整を実現することができる。その結果、本発明では、従来のように複数の閾値を用いる場合と比較してコンパレータの数を削減することができ、実装面積および消費電流を低減できると共に、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能である。
[第1の実施例]
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図である。超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れる流路1と、流路1の上流と下流に配置された1対のトランスデューサ(超音波圧電素子)2,3と、送信部4と、受信部5と、切替部6と、閾値記憶部7と、比較部8と、計時部9と、演算部10と、制御部11とを備えている。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図である。超音波気体流量計は、測定対象の気体が流れる流路1と、流路1の上流と下流に配置された1対のトランスデューサ(超音波圧電素子)2,3と、送信部4と、受信部5と、切替部6と、閾値記憶部7と、比較部8と、計時部9と、演算部10と、制御部11とを備えている。
本実施例では、1対のトランスデューサ2,3を、流路1の円形断面の円周上の位置が同じで、かつ気体の流れる方向の位置が異なる箇所に配置する。このため、超音波の送受信の伝播経路は図1に示すように流路1の内壁で反射させたV字型の伝播路となる。
なお、図8(A)に示すように、1対のトランスデューサ2,3を、互いに向かい合うように流路1の上流と下流に配置してもよい。
なお、図8(A)に示すように、1対のトランスデューサ2,3を、互いに向かい合うように流路1の上流と下流に配置してもよい。
上流側のトランスデューサ2から超音波を送信して、下流側のトランスデューサ3で受信する順方向のとき、制御部11は、送信部4とトランスデューサ2とが接続され、トランスデューサ3と受信部5とが接続されるように切替部6を制御する。このとき、送信部4は、トランスデューサ2に対して駆動用の送信パルスを供給する。これにより、トランスデューサ2は、送信部4からの送信パルスに応じて、流路1内を流れる気体に対して斜め方向に超音波を送信する。トランスデューサ3は、トランスデューサ2から送出された超音波の反射波を受信する。受信部5は、トランスデューサ3の出力信号を増幅する。
比較部8は、受信部5によって増幅された超音波受信信号と閾値記憶部7に記憶されている閾値TH1とを比較する。
計時部9は、トランスデューサ2から超音波を送信したときから、トランスデューサ3で受信され受信部5で増幅された超音波受信信号が閾値TH1を超えて以降に最初に超音波受信信号のゼロクロス点(図9のX)が検出されるまでの伝播時間t1を計測する。
計時部9は、トランスデューサ2から超音波を送信したときから、トランスデューサ3で受信され受信部5で増幅された超音波受信信号が閾値TH1を超えて以降に最初に超音波受信信号のゼロクロス点(図9のX)が検出されるまでの伝播時間t1を計測する。
反対に、下流側のトランスデューサ3から超音波を送信して、上流側のトランスデューサ2で受信する逆方向のとき、制御部11は、送信部4とトランスデューサ3とが接続され、トランスデューサ2と受信部5とが接続されるように切替部6を制御する。このとき、送信部4は、トランスデューサ3に対して駆動用の送信パルスを供給する。これにより、トランスデューサ3は、送信部4からの送信パルスに応じて、流路1内を流れる気体に対して斜め方向に超音波を送信する。トランスデューサ2は、トランスデューサ3から送出された超音波の反射波を受信する。受信部5は、トランスデューサ2の出力信号を増幅する。
なお、本実施例では、順方向のときの受信部5のゲイン設定値と逆方向のときの受信部5のゲイン設定値とが個別に設定されている。一方、順方向のときの閾値TH1と逆方向のときの閾値TH1とは、予め設定された同一の値でよい。
比較部8の動作は上記のとおりである。計時部9は、トランスデューサ3から超音波を送信したときから、トランスデューサ2で受信され受信部5で増幅された超音波受信信号が閾値TH1を超えて以降に最初に超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間t2を計測する。
演算部10は、伝播時間t1と伝播時間t2との差である伝搬時間差(t1−t2)を基に例えば次式により気体の流速Vと流量Qと算出する。
V=(t1−t2)×L/(2×t1×t2) ・・・(1)
Q=A×V/k ・・・(2)
V=(t1−t2)×L/(2×t1×t2) ・・・(1)
Q=A×V/k ・・・(2)
式(4)におけるAは流路1の断面積、kは所定の流量補正係数である。なお、式(1)、式(2)の求め方は1例であることは言うまでもない。
次に、以上のような流量計測中に行われる本実施例のゲイン(利得)調整について説明する。図2は本実施例のゲイン調整の動作を説明するフローチャート、図3は本実施例のゲイン調整の動作を説明する波形図である。
図2の超音波送信(ステップS100)と超音波受信(ステップS101)の動作は上記のとおりである。
図2の超音波送信(ステップS100)と超音波受信(ステップS101)の動作は上記のとおりである。
計時部9は、上記のような伝播時間t1,t2の計時とは別に、比較部8での比較結果を基に、受信部5で増幅された超音波受信信号Sが図3に示すようにレベル増大中に閾値TH1を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に閾値TH1を最後に過ぎて下回るまでの時間幅t3を計測する(図2ステップS102)。
制御部11は、計時部9によって計測された時間幅t3が予め指定された基準時間幅の最小値tminと最大値tmaxの範囲内かどうかを判定し(図2ステップS103)、時間幅t3が最小値tmin以上最大値tmax以下の場合には、調整処理を終了する。
また、制御部11は、時間幅t3が予め指定された基準時間幅の最小値tminよりも短い場合、受信部5のゲイン設定値を所定幅だけ上げる(図2ステップS104)。また、制御部11は、時間幅t3が予め指定された基準時間幅の最大値tmaxよりも長い場合、受信部5のゲイン設定値を所定幅だけ下げる(図2ステップS105)。こうして、時間幅t3が指定された範囲内になるまで、ステップS100〜S105の処理を繰り返し実行する。
以上のようなゲイン調整を、順方向と逆方向の各々について例えば所定時間毎に行い、受信部5の順方向のゲイン設定値と逆方向のゲイン設定値とを個別に調整すればよい。
こうして、本実施例では、時間幅t3が一定の範囲内になるように受信部5のゲイン設定値を調整することで、1つのコンパレータ(比較部8)で調整を実現することができる。その結果、本実施例では、従来のように複数の閾値を用いる場合と比較してコンパレータの数を削減することができ、実装面積および消費電流を低減できると共に、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能である。
こうして、本実施例では、時間幅t3が一定の範囲内になるように受信部5のゲイン設定値を調整することで、1つのコンパレータ(比較部8)で調整を実現することができる。その結果、本実施例では、従来のように複数の閾値を用いる場合と比較してコンパレータの数を削減することができ、実装面積および消費電流を低減できると共に、従来よりも調整の分解能を細かくすることが可能である。
[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図4は本発明の第2の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の超音波気体流量計は、流路1と、トランスデューサ2,3と、送信部4と、受信部5と、切替部6と、閾値記憶部7と、比較部8と、計時部9と、演算部10と、制御部11aとを備えている。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図4は本発明の第2の実施例に係る超音波気体流量計の構成を示すブロック図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の超音波気体流量計は、流路1と、トランスデューサ2,3と、送信部4と、受信部5と、切替部6と、閾値記憶部7と、比較部8と、計時部9と、演算部10と、制御部11aとを備えている。
測定対象の気体の流速Vと流量Qとを求める流量計測の動作は、第1の実施例と同様である。ただし、本実施例では、順方向のときの閾値TH1と逆方向のときの閾値TH1とが個別に設定されている。一方、順方向のときの受信部5のゲイン設定値と逆方向のときの受信部5のゲイン設定値とは、予め設定された同一の値でよい。
次に、流量計測中に行われる本実施例の閾値調整について説明する。図5は本実施例の閾値調整の動作を説明するフローチャート、図6は本実施例の閾値調整の動作を説明する波形図である。
図5のステップS200,S201の動作は、それぞれ図2のステップS100,S101と同じである。
図5のステップS200,S201の動作は、それぞれ図2のステップS100,S101と同じである。
計時部9は、ステップS202と同様に、受信部5で増幅された超音波受信信号Sが図6に示すようにレベル増大中に閾値TH1を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に閾値TH1を最後に過ぎて下回るまでの時間幅t3を計測する(図5ステップS202)。
制御部11aは、計時部9によって計測された時間幅t3が予め指定された基準時間幅の最小値tminと最大値tmaxの範囲内かどうかを判定し(図5ステップS203)、時間幅t3が最小値tmin以上最大値tmax以下の場合には、調整処理を終了する。
また、制御部11aは、時間幅t3が予め指定された基準時間幅の最小値tminよりも短い場合、閾値記憶部7に記憶されている閾値TH1を所定幅だけ下げる(図5ステップS204)。図6に示すように閾値TH1をTH1’に下げると、受信部5のゲイン設定値を上げた場合と同様の状態となり、時間幅t3が増える方向に変更される。
また、制御部11aは、時間幅t3が予め指定された基準時間幅の最大値tmaxよりも長い場合、受信部5のゲイン設定値を所定幅だけ上げる(図5ステップS205)。図6に示すように閾値TH1をTH1”に上げると、受信部5のゲイン設定値を下げた場合と同様の状態となり、時間幅t3が減る方向に変更される。こうして、時間幅t3が指定された範囲内になるまで、ステップS200〜S205の処理を繰り返し実行する。
以上のような閾値調整を、順方向と逆方向の各々について例えば所定時間毎に行い、順方向の閾値TH1と逆方向の閾値TH1とを個別に調整すればよい。
こうして、本実施例では、時間幅t3が一定の範囲内になるように閾値TH1を調整することで、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
こうして、本実施例では、時間幅t3が一定の範囲内になるように閾値TH1を調整することで、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
なお、第1、第2の実施例において時間幅t3の計測のための超音波受信信号Sを全波整流しローパスフィルタ処理を施した上で、時間幅t3を計測するようにしてもよい。
第1、第2の実施例の超音波気体流量計のうち少なくとも閾値記憶部7と計時部9と演算部10と制御部11,11aとは、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
このコンピュータの構成例を図7に示す。コンピュータは、CPU100と、記憶装置101と、インターフェース装置(以下、I/Fと略する)102とを備えている。I/F102には、超音波気体流量計の送信部4と受信部5と切替部6とが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の調整方法を実現させるためのプログラムは記憶装置101に格納される。CPU100は、記憶装置101に格納されたプログラムに従って第1、第2の実施例で説明した処理を実行する。
本発明は、超音波を用いて気体の流量を計測する技術に適用することができる。
1…流路、2,3…トランスデューサ、4…送信部、5…受信部、6…切替部、7…閾値記憶部、8…比較部、9…計時部、10…演算部、11,11a…制御部。
Claims (4)
- 測定対象の気体が流れるように構成された流路と、
この流路の上流と下流に配置された1対のトランスデューサと、
一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、
他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、
この受信部のゲイン設定値を調整するように構成された制御部と、
前記受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、
一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、
上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、
前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、
前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記受信部のゲイン設定値を調整することを特徴とする超音波気体流量計。 - 測定対象の気体が流れるように構成された流路と、
この流路の上流と下流に配置された1対のトランスデューサと、
一方の前記トランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信部と、
他方の前記トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅するように構成された受信部と、
この受信部によって増幅された超音波受信信号と閾値とを比較するように構成された比較部と、
前記閾値を調整するように構成された制御部と、
一方の前記トランスデューサから超音波を送信したときから、他方の前記トランスデューサで受信され前記受信部によって増幅された超音波受信信号が前記閾値を超えて以降に前記超音波受信信号のゼロクロス点が検出されるまでの伝播時間を計測するように構成された計時部と、
上流側の前記トランスデューサから超音波を送信して下流側の前記トランスデューサで受信する順方向のときの前記伝播時間と下流側の前記トランスデューサから超音波を送信して上流側の前記トランスデューサで受信する逆方向のときの前記伝播時間との差に基づいて、前記気体の流量を算出するように構成された演算部とを備え、
前記計時部は、前記伝播時間の計時とは別に、前記受信部によって増幅された超音波受信信号がレベル増大中に前記閾値を最初に過ぎて上回ったときから、レベル減少中に前記閾値を最後に過ぎて下回るまでの時間幅を計測し、
前記制御部は、前記時間幅が予め指定された範囲内になるように前記閾値を調整することを特徴とする超音波気体流量計。 - 請求項1記載の超音波気体流量計において、
前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが予め設定された同一の値であることを特徴とする超音波気体流量計。 - 請求項1記載の超音波気体流量計において、
前記順方向のときの前記閾値と前記逆方向のときの前記閾値とが個別に設定され、前記順方向のときの前記受信部のゲイン設定値と前記逆方向のときの前記受信部のゲイン設定値とが予め設定された同一の値であることを特徴とする超音波気体流量計。
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