JP3585476B2 - 流量計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は図６に示すように流体管路１に設けられ超音波信号を送受信する第１の振動子２及び第２の振動子３とを流れの方向に相対して設け、駆動手段４によって第１の振動子２を駆動し超音波を送信する。この超音波を第２の振動子３で受信し、受信した信号から受信検知手段７で受信タイミングを決定する。計時手段８は駆動手段４が第１の振動子２を駆動してから受信検知手段７が受信タイミングを決定するまでの時間を計測することによって伝搬時間を測定する。また切替手段６によって超音波を送受する方向を変え逆方向の超音波の伝搬時間を測定し、両方向の伝搬時間の逆数差より流量を流量演算手段９によって演算し求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置の受信側振動子は、等価回路を示す図２のように、超音波振動を電気信号に変換する信号源１１と、振動子の内部インピーダンス１２（値をＺｏとする。）と、振動子の電極間容量１３（値をＣとする）からなっており、前記振動子から出力される信号は超音波の振動に対し、内部インピーダンス１２と電極間容量１３で決まるタイミングだけ遅れて電気信号として出力される。つまり遅延時間は（Ｃ×Ｚｏ）の値に比例した値となり、その遅延量はＣやＺｏが大きいほど大きくなる。
【０００４】
そして、温度変動があると電極間容量１３の値が大きく変化し、出力信号の遅延量が変わるので正確な時間測定ができない。このため温度が変化した場合であっても精度良く伝搬時間を測定し、正確な流量測定値を得ることが課題であった。
【０００５】
また、受信検知手段７の入力インピーダンスは、大きくしたほうが信号電圧を大きくとることができるので、一般的には大きなインピーダンスの回路で振動子の出力を受けるのが普通であった。また振動子の電極間容量１３、電極間容量１３の温度変動等による変化と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係と、測定精度の向上を明確にしたものはなかった。
【０００６】
さらに一対の振動子の特性が揃っていれば、いずれが受信側になっても（Ｃ×Ｚｏ）の値も同じでタイミング遅延量が同じになるので、流量計測のための重要な要素である伝搬時間に誤差が生じない。ところが一対の振動子の特性が揃っていなかった場合、第１の振動子２と第２の振動子３とで（Ｃ×Ｚｏ）が異なり、第１の振動子２が受信側になる場合と第２の振動子３が受信側になる場合とで、振動子の出力信号のタイミング遅延量が異なってしまい、計時手段８によって受信側、送信側を逆にして測定される伝搬時間を正確に測定できなくなるため、流量演算手段１９で求める流量計測値にも誤差が生じてしまう。
【０００７】
このような事情から、従来の流量計測装置では、超音波振動子は特性の揃ったものを用いないと計測精度を確保できないという問題があり、しかも図３に示すように、温度変動による電極間容量の変化が振動子によって一様ではないため、温度変化を与えてその内部インピーダンスの変化や電極間容量の変化を測定し同特性のものを揃えるベアリング作業が必要であり、手間どるという問題があった。
【０００８】
本発明は、振動子の電極間容量１３と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係または振動子の電極間容量１３の温度変動等による変化と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係を明確に規定し流量測定精度の向上を実現することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、特性の異なる振動子をペアにして用いても、計測精度を確保することができる流量計測装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、受信側振動子の出力を低入力部で受け、その入力インピーダンスを振動子の内部インピーダンスよりも低く設定している。この構成により、低入力部の低い入力インピーダンスが受信信号のタイミング遅延量を支配するようになる。その結果、振動子の電極間容量の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の流量計測装置は、受信側振動子のインピーダンスに対し十分に小さい入力インピーダンスで前記振動子の受信出力を受ける低入力部を有する。
【００１２】
この構成により、低入力部の低い入力インピーダンスが受信信号のタイミング遅延量を支配するようになる。その結果、振動子の電極間容量の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。そして伝搬時間測定の精度が向上し、振動子のインピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、あるいは特性の異なる振動子をペアとして用いている場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００１３】
本発明の流量計測装置は、また、受信側振動子のインピーダンスの１／２以下の入力インピーダンスで前記振動子の受信出力を受ける低入力部を有するものであり、具体的な低い入力値で受信信号のタイミング遅延をより支配でき、振動子の電極間容量の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響をより低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。そして伝搬時間測定の精度が向上し、振動子のインピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００１４】
本発明の流量計測装置は、また、必要な時間精度をｔ、振動子の電極間容量の変化量、例えば装置使用温度範囲の最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ１、低入力部の入力インピーダンスをＺとしたとき、それぞれの関係がｔ＞ΔＣ１×ＺとなるようＺを設定したものである。こうすることにより、遅延時間変動がほぼΔＣ１×Ｚとなり、振動子のインピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、遅延時間の変化が許容精度内となり、時間を正確に測定することができるので、高精度量計測装置を実現できる。
【００１５】
本発明の流量計測装置は、また、必要な時間精度をｔ、一対の振動子間の電極間容量の差の変化量、例えば装置使用温度範囲の最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ２、低入力部の入力インピーダンスをＺとし、ｔ、ΔＣ２、Ｚの関係を、ｔ＞ΔＣ２×Ｚとなるよう設定したものである。そして、Ｚをこのように設定すると、２つの振動子間のインピーダンス差が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間差の変動は最大でΔＣ２×Ｚとなる。このため、段落００１４で述べたＺと比べ、本段落記載でのＺを大きな値とすることができ、より容易に測定精度を満足する入力インピーダンスを設定することができる。流量演算は伝搬時間の逆数差より求めているため、高精度量計測装置を実現できる。
【００１６】
本発明の流量計測装置は、また、低入力部を、低抵抗器と増幅器によって構成するので、簡単な構成で容易に精度の高い低入力部を実現することができる。
【００１７】
本発明の流量計測装置は、また、低入力部を、インピーダンス変換器によって構成するので、簡単な構成で容易に精度の高い低入力部を実現することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例の流量計測装置を示す全体のブロック図である。図２は本発明の振動子の等価回路である。図３は本発明の第１および第２の振動子の電極間容量の温度特性を示すグラフである。
【００２０】
図１において、１は流体管路であり内部を測定流体が流れる。２、３は第１の振動子及び第２の振動子であり超音波信号を送受信する。４は駆動手段であり、前記振動子を駆動する。５は低入力部であり、振動子２、３の出力信号を低インピーダンスで受ける。６は切替え手段であり振動子２、３と駆動手段４、低入力部５との接続を切替える。７は受信検知手段であり低入力部５の出力信号から、受信タイミングを検知し出力する。８は計時手段であり、スタート信号が入力されてから受信検知手段７の出力を受けるまでの時間を測定する。９は流量演算手段であり、計時手段８の出力より演算によって流量を求める。１０は制御部であり、切替手段６を設定した後に駆動手段４と計時手段８にスタート信号を出力する。
【００２１】
以下動作を説明する。まず制御部１０が伝搬時間を測定する方向に切替手段６を制御する。ここでは第１の振動子２から第２の振動子３への伝搬時間を測定するので、第１の振動子２と駆動手段４とを、第２の振動子３と低入力部５とをそれぞれ接続する。次に制御部１０から駆動手段４と計時手段８とにスタート信号を出力し、駆動手段４は第１の振動子２を駆動する信号を出力し、計時手段８は計時を開始する。駆動された第１の振動子２からは超音波が送信される。そして第２の振動子３によって受信した受信信号を低入力部５で受け、受信検知手段７によって受信検知し、計時手段８の計時を停止させる。計時手段８は流量演算手段９に計時結果を出力する。次に制御部１０は切り替え手段６を制御し逆方向の伝搬時間を測定するよう切替手段６の接続を設定する。以下同様に逆方向の測定を実施し、測定結果を演算手段９に出力する。流量演算手段９では、両方向の伝搬時間の逆数差に定数を乗ずることによって流量を求める。
【００２２】
図２は振動子の等価回路であり、受信した信号を電気信号に変換し出力する信号源１１と、内部インピーダンス１２（値をＺｏとする）と、電極間容量１３（値をＣとする）よりなる。出力する信号はインピーダンス１２と電極間容量１３で決まる時間遅延して出力され、インピーダンス１２と電極間容量１３が大きいほど遅延量は大きくなる。なお、振動子は周知のように、一対の電極間に圧電素子を配し、一方の電極に振動板を固着して、一対の電極間に電圧を印加することにより圧電素子を振動させて超音波を送信できるように構成され、また前記振動板に超音波を受信したとき、これを圧電素子により電圧に変換できるように構成されている。
【００２３】
図３に示すように電極間容量１３および、電極間容量１３の温度による変化は一般的に振動子によって個体差があり、その個体差によって、前述したように振動子が出力する信号の遅延時間が異なり測定誤差となる。
【００２４】
本発明では、受信側振動子の出力信号を、受信側振動子の電極間容量１３がもつインピーダンス１２に比べ小さな値の低入力部５で受けている。そして振動子が出力する信号の遅延時間は、電極間容量１３と低入力部５の値で決まるが、低入力部５のインピーダンスを、小さくすることによって、電極間容量１３のばらつきや変動の影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上し、振動子の電極間容量１３が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００２５】
また、低入力部５の入力インピーダンスを受信側振動子の内部インピーダンス１２と電極間容量１３の並列接続から成るインピーダンスの１／２以下の入力インピーダンスとすることによって、受信側振動子が出力する信号の遅延量が、振動子の電極間容量１３のによる変化に比べ振動子の出力を受ける低入力部５のほうがより支配的となり、電極間容量１３の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減する。そして、伝搬時間測定の精度が向上し、振動子の電極間容量１３が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００２６】
図２に仮想線で示すように、受信側の振動子にインピーダンスＺの低入力部５が接続され、例えば前記Ｚが振動子のインピーダンスＺｏの１／１０の場合には、ＺとＺｏとが並列関係にあるため、接続後の全体としてのインピーダンスＺ’は次式に示される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
従って、低入力部５を備えない従来例の遅延時間に対し、低入力部５を備えた本発明の遅延時間は１／１１となるので、この場合、第１の振動子２と第２の振動子３との間に電極間容量１３の差があっても、これが伝搬時間測定の精度に及ぼす悪影響を、従来例に比較し１／１１に低下させることができる。
【００２９】
また必要な時間精度（計測時間に対して許容される時間精度）をｔ、第１の振動子あるいは第２の振動子２、３の電極間容量の変化量をΔＣ１、低入力部５の入力インピーダンスをＺｉ１とし、ｔ、ΔＣ１、Ｚｉ１の関係を、ｔ＞ΔＣ１×Ｚｉ１となるようＺを設定することによって、遅延時間変動はほぼΔＣ・Ｚｉ１となり、振動子の電極間容量１３が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、必要な時間精度内の遅延時間で超音波の伝搬時間を測定することができ、高精度量計測装置を実現できる。
【００３０】
上記ΔＣ１を図３を参照してより詳細に説明すると、例えば第２の振動子３の電極間容量が図３に示すような温度特性を有しているので、装置の使用が予定されている所定温度範囲Ｔ１〜Ｔ２（一般に使用可能最低温度Ｔ１を−２５℃、使用可能最高温度Ｔ２を６０℃としていることが多い。）における最高使用温度Ｔ２と最低使用温度Ｔ１とでは、電極間容量において図３にΔＣ１に示すような差が生じる。この電極間容量の変化量ΔＣ１と、遅延時間の変化に対して許容される時間精度ｔとから、上記の関係式を満足するように低入力部５のインピーダンスＺｉ１を定めている。
【００３１】
また、流量を求める演算では、伝搬時間の逆数差に定数を乗じているため、両方向への振動子出力信号の遅延時間の絶対値の変動に対し、遅延時間の差の変動が精度に与える影響が支配的である。そのため必要な時間精度をｔ、第１の振動子と第２の振動子間の電極間容量差の変化量をΔＣ２、低入力部１２の入力インピーダンスをＺｉ２とし、ｔ、ΔＣ２、Ｚｉ２の関係を、ｔ＞ΔＣ２×Ｚｉ２となるよう設定することによって、２つの振動子間の電極間インピーダンス１３のインピーダンス差が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、遅延時間変動差はほぼΔＣ２・Ｚｉ２となる。ここで、ΔＣ２とΔＣ１の関係はΔＣ２＜ΔＣ１、許容遅延時間は同じなので、Ｚ２＞Ｚ１とすることができ、より容易に低入力部５を実現することができる。また必要な時間精度内の遅延時間で伝搬時間を正確に測定することができ、高精度量計測装置を実現できる。
【００３２】
上記ΔＣ２を図３を参照してより詳細に説明すると、図３に示す例の場合、温度Ｔｘにおいて、第１の振動子２の電極間容量と第２の振動子３の電極間容量との間には電極間容量差ΔＣｘがある。このΔＣｘは温度によって変化しており、最高使用温度Ｔ２のときΔＣ’２、最低使用温度Ｔ１のときΔＣ’１とすると、前記ΔＣ２は、ΔＣ２＝ΔＣ’２−ΔＣ’１で表わされる。この電極間容量差の変化量ΔＣ２と、遅延時間の変化に対して許容される時間精度ｔとから、上記の関係式を満足するように低入力部５のインピーダンスＺｉ２を定めている。
【００３３】
また図４（ａ）、図４（ｂ）は、低入力部の詳細な構成を示す図である。図４（ａ）は低入力部５を、低抵抗器１４と増幅器１５によって構成し、入力信号を低抵抗器１４で受けるので、入力インピーダンスＺはほぼ低抵抗器１４の抵抗値で決まる。その電圧信号を増幅器１５で必要な一定レベルの電圧に増幅し出力するので、簡単な構成で必要な入出力特性をもつ低入力部を実現することができる。
【００３４】
また、図４（ｂ）は低入力部５を、インピーダンス変換器であるトランス１６によって実現している。そのため、入力インピーダンスは入力側の巻き線１７と、出力側巻き線１８の巻き数比と、出力側巻き線１８に接続された抵抗１９とで決めることができるので、出力簡単な構成で容易に低入力部５を実現することができる。
【００３５】
図５に示す本発明の実施例は、繰り返し手段２０、遅延手段２２を備えている外は、図１に示す実施例と同様に構成されている。従って、図１に示す各要素と同一符号の要素についての説明は原則として省略する。
【００３６】
前記繰り返し手段２０は、受信検知手段７の比較手段７ａから出力があると繰り返し信号をトリガ手段２１に出力する。前記遅延手段２２は、トリガ手段２１から出力があると、所定の遅延時間を設定する。
【００３７】
駆動手段４は、トリガ手段２１から出力があり、遅延手段２２の遅延時間終了の信号を受けてから、切替手段６を介して振動子を駆動する。計時手段８は、スタート手段２４から計測開始信号が出力されてから、低入力部５からの受信タイミング信号を受けるまでの時間を測定する。流量演算手段９は、計時手段８の測定時間と遅延手段２２の遅延時間により流量演算を行う。
【００３８】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００３９】
まずスタート手段２４から計測開始信号を出力すると、繰り返し手段２０は切替手段６を動作させて、第１の振動子２を送信に、第２の振動子３を受信にする。すなわち、第１の振動子２を駆動手段４に、第２の振動子３を低入力部５の低インピーダンス受信手段１４にそれぞれ接続することになり、流れの方向に対して上流側から下流側に超音波信号が伝搬されることになる。
【００４０】
次に、繰り返し手段２０の値を初期値にして計時手段８が時間計測を開始する。また、繰り返し手段２０はトリガ手段２１を動作させ、遅延手段２２はトリガ手段２１のトリガ信号によって、遅延時間を計測開始する。駆動手段４は、トリガ手段２１から出力があり、遅延手段２２の計時終了時に第１の振動子２を駆動し、流路１内に超音波信号を送信させる。
【００４１】
流体管路１内を超音波信号が伝搬し、第２の振動子３に所定の伝搬時間後に到達する。受信信号は前記低入力部５に出力され、低入力部５は低インピーダンス受信手段１４で入力し、低入力部５からの出力信号を受信検知手段７で受信タイミング検知する。
【００４２】
なお、受信信号は増幅器１５で所定のレベルまで増幅された後に、受信検知手段７の比較手段７ａに出力され、内蔵する基準値と比較され、それ以上であると増幅信号は繰り返し手段２０に出力される。
【００４３】
繰り返し手段２０は再びトリガ手段２１を動作させると共に、遅延手段２２を動作させる。遅延手段２２で所定の時間計時すると、トリガ手段２１は駆動手段４を動作させて第１の振動子２を駆動し、再度超音波信号を送信させる。以降、繰り返し手段２０の繰り返し回数が設定値に達するまで、送信⇒受信⇒遅延を繰り返す。
【００４４】
繰り返しが終了すると、計時手段８の計時を停止し、流量演算手段９は計時手段８の値を読み込む。測定時間をＴ、遅延手段２２の設定値をＴｄとすると、第１の振動子２から第２の振動子３へ超音波信号を伝搬する伝搬時間Ｔ１は、繰り返し回数をＮとするとＴ１＝（Ｔ−Ｔｄ×Ｎ）／Ｎとなり、この値を流量演算手段９に記憶する。
【００４５】
次に再びスタート手段１４が計測を開始させ、繰り返し手段２０と計時手段８の値を初期値にする。そして切替手段６を動作させて、第１の振動子２を低入力部５に接続し、第２の振動子３を駆動手段４に接続する。上記と同様にして今度は下流側から上流側に超音波信号が伝搬されることになる。
【００４６】
第２の振動子３から第１の振動子２への超音波信号の伝搬時間はＴ２となるが、流体管路１に流れがあれば下流側から上流側への伝搬時間は長くなるのでＴ１＞Ｔ２となり、Ｔ１とＴ２の逆数差を流量演算手段９で求め、さらに流路１の断面積や流れの状態等を考慮して流量値を演算する。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の流量計測装置は振動子の内部インピーダンスに比べ、小さなインピーダンスで振動子の出力を受けているので、振動子の電極間容量が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、あるいは特性の異なる振動子をペアとして用いる場合であっても、振動子出力信号の遅延時間変化が小さく、超音波の伝搬時間を正確に測定することができ、高精度量計測装置を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における流量計測装置のブロック図。
【図２】同流量計測装置の振動子部分の等価回路図。
【図３】同流量計測装置の振動子の振動子の電極間容量の温度特性図。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の低入力部の詳細な構成を示す一例図。
【図５】本発明の他の実施例における流量計測装置のブロック図。
【図６】従来の流量計測装置のブロック図。
【符号の説明】
１ 流体管路
２ 振動子
３ 振動子
４ 駆動手段
５ 低入力部
６ 切替手段
７ 受信検知手段
８ 計時手段
９ 流量演算手段
１３ 電極間容量
１４ 低抵抗器
１５ 増幅器
１６ インピーダンス変換機
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は図６に示すように流体管路１に設けられ超音波信号を送受信する第１の振動子２及び第２の振動子３とを流れの方向に相対して設け、駆動手段４によって第１の振動子２を駆動し超音波を送信する。この超音波を第２の振動子３で受信し、受信した信号から受信検知手段７で受信タイミングを決定する。計時手段８は駆動手段４が第１の振動子２を駆動してから受信検知手段７が受信タイミングを決定するまでの時間を計測することによって伝搬時間を測定する。また切替手段６によって超音波を送受する方向を変え逆方向の超音波の伝搬時間を測定し、両方向の伝搬時間の逆数差より流量を流量演算手段９によって演算し求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置の受信側振動子は、等価回路を示す図２のように、超音波振動を電気信号に変換する信号源１１と、振動子の内部インピーダンス１２（値をＺｏとする。）と、振動子の電極間容量１３（値をＣとする）からなっており、前記振動子から出力される信号は超音波の振動に対し、内部インピーダンス１２と電極間容量１３で決まるタイミングだけ遅れて電気信号として出力される。つまり遅延時間は（Ｃ×Ｚｏ）の値に比例した値となり、その遅延量はＣやＺｏが大きいほど大きくなる。
【０００４】
そして、温度変動があると電極間容量１３の値が大きく変化し、出力信号の遅延量が変わるので正確な時間測定ができない。このため温度が変化した場合であっても精度良く伝搬時間を測定し、正確な流量測定値を得ることが課題であった。
【０００５】
また、受信検知手段７の入力インピーダンスは、大きくしたほうが信号電圧を大きくとることができるので、一般的には大きなインピーダンスの回路で振動子の出力を受けるのが普通であった。また振動子の電極間容量１３、電極間容量１３の温度変動等による変化と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係と、測定精度の向上を明確にしたものはなかった。
【０００６】
さらに一対の振動子の特性が揃っていれば、いずれが受信側になっても（Ｃ×Ｚｏ）の値も同じでタイミング遅延量が同じになるので、流量計測のための重要な要素である伝搬時間に誤差が生じない。ところが一対の振動子の特性が揃っていなかった場合、第１の振動子２と第２の振動子３とで（Ｃ×Ｚｏ）が異なり、第１の振動子２が受信側になる場合と第２の振動子３が受信側になる場合とで、振動子の出力信号のタイミング遅延量が異なってしまい、計時手段８によって受信側、送信側を逆にして測定される伝搬時間を正確に測定できなくなるため、流量演算手段１９で求める流量計測値にも誤差が生じてしまう。
【０００７】
このような事情から、従来の流量計測装置では、超音波振動子は特性の揃ったものを用いないと計測精度を確保できないという問題があり、しかも図３に示すように、温度変動による電極間容量の変化が振動子によって一様ではないため、温度変化を与えてその内部インピーダンスの変化や電極間容量の変化を測定し同特性のものを揃えるベアリング作業が必要であり、手間どるという問題があった。
【０００８】
本発明は、振動子の電極間容量１３と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係または振動子の電極間容量１３の温度変動等による変化と振動子の出力を受ける回路のインピーダンスとの関係を明確に規定し流量測定精度の向上を実現することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、特性の異なる振動子をペアにして用いても、計測精度を確保することができる流量計測装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、受信側振動子の出力を低入力部で受け、その入力インピーダンスを振動子の内部インピーダンスよりも低く設定している。この構成により、低入力部の低い入力インピーダンスが受信信号のタイミング遅延量を支配するようになる。その結果、振動子の電極間容量の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の流量計測装置は、受信側振動子のインピーダンスに対し十分に小さい入力インピーダンスで前記振動子の受信出力を受ける低入力部を有する。
【００１２】
この構成により、低入力部の低い入力インピーダンスが受信信号のタイミング遅延量を支配するようになる。その結果、振動子の電極間容量の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。そして伝搬時間測定の精度が向上し、振動子のインピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、あるいは特性の異なる振動子をペアとして用いている場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００１３】
本発明の流量計測装置は、また、受信側振動子のインピーダンスの１／２以下の入力インピーダンスで前記振動子の受信出力を受ける低入力部を有するものであり、具体的な低い入力値で受信信号のタイミング遅延をより支配でき、振動子の電極間容量の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響をより低減し、伝搬時間測定の精度が向上するものである。そして伝搬時間測定の精度が向上し、振動子のインピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００１４】
本発明の流量計測装置は、また、必要な時間精度をｔ、振動子の電極間容量の変化量、例えば装置使用温度範囲の最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ１、低入力部の入力インピーダンスをＺとしたとき、それぞれの関係がｔ＞ΔＣ１×ＺとなるようＺを設定したものである。こうすることにより、遅延時間変動がほぼΔＣ１×Ｚとなり、振動子のインピーダンスが温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、遅延時間の変化が許容精度内となり、時間を正確に測定することができるので、高精度量計測装置を実現できる。
【００１５】
本発明の流量計測装置は、また、必要な時間精度をｔ、一対の振動子間の電極間容量の差の変化量、例えば装置使用温度範囲の最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ２、低入力部の入力インピーダンスをＺとし、ｔ、ΔＣ２、Ｚの関係を、ｔ＞ΔＣ２×Ｚとなるよう設定したものである。そして、Ｚをこのように設定すると、２つの振動子間のインピーダンス差が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間差の変動は最大でΔＣ２×Ｚとなる。このため、段落００１４で述べたＺと比べ、本段落記載でのＺを大きな値とすることができ、より容易に測定精度を満足する入力インピーダンスを設定することができる。流量演算は伝搬時間の逆数差より求めているため、高精度量計測装置を実現できる。
【００１６】
本発明の流量計測装置は、また、低入力部を、低抵抗器と増幅器によって構成するので、簡単な構成で容易に精度の高い低入力部を実現することができる。
【００１７】
本発明の流量計測装置は、また、低入力部を、インピーダンス変換器によって構成するので、簡単な構成で容易に精度の高い低入力部を実現することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例の流量計測装置を示す全体のブロック図である。図２は本発明の振動子の等価回路である。図３は本発明の第１および第２の振動子の電極間容量の温度特性を示すグラフである。
【００２０】
図１において、１は流体管路であり内部を測定流体が流れる。２、３は第１の振動子及び第２の振動子であり超音波信号を送受信する。４は駆動手段であり、前記振動子を駆動する。５は低入力部であり、振動子２、３の出力信号を低インピーダンスで受ける。６は切替え手段であり振動子２、３と駆動手段４、低入力部５との接続を切替える。７は受信検知手段であり低入力部５の出力信号から、受信タイミングを検知し出力する。８は計時手段であり、スタート信号が入力されてから受信検知手段７の出力を受けるまでの時間を測定する。９は流量演算手段であり、計時手段８の出力より演算によって流量を求める。１０は制御部であり、切替手段６を設定した後に駆動手段４と計時手段８にスタート信号を出力する。
【００２１】
以下動作を説明する。まず制御部１０が伝搬時間を測定する方向に切替手段６を制御する。ここでは第１の振動子２から第２の振動子３への伝搬時間を測定するので、第１の振動子２と駆動手段４とを、第２の振動子３と低入力部５とをそれぞれ接続する。次に制御部１０から駆動手段４と計時手段８とにスタート信号を出力し、駆動手段４は第１の振動子２を駆動する信号を出力し、計時手段８は計時を開始する。駆動された第１の振動子２からは超音波が送信される。そして第２の振動子３によって受信した受信信号を低入力部５で受け、受信検知手段７によって受信検知し、計時手段８の計時を停止させる。計時手段８は流量演算手段９に計時結果を出力する。次に制御部１０は切り替え手段６を制御し逆方向の伝搬時間を測定するよう切替手段６の接続を設定する。以下同様に逆方向の測定を実施し、測定結果を演算手段９に出力する。流量演算手段９では、両方向の伝搬時間の逆数差に定数を乗ずることによって流量を求める。
【００２２】
図２は振動子の等価回路であり、受信した信号を電気信号に変換し出力する信号源１１と、内部インピーダンス１２（値をＺｏとする）と、電極間容量１３（値をＣとする）よりなる。出力する信号はインピーダンス１２と電極間容量１３で決まる時間遅延して出力され、インピーダンス１２と電極間容量１３が大きいほど遅延量は大きくなる。なお、振動子は周知のように、一対の電極間に圧電素子を配し、一方の電極に振動板を固着して、一対の電極間に電圧を印加することにより圧電素子を振動させて超音波を送信できるように構成され、また前記振動板に超音波を受信したとき、これを圧電素子により電圧に変換できるように構成されている。
【００２３】
図３に示すように電極間容量１３および、電極間容量１３の温度による変化は一般的に振動子によって個体差があり、その個体差によって、前述したように振動子が出力する信号の遅延時間が異なり測定誤差となる。
【００２４】
本発明では、受信側振動子の出力信号を、受信側振動子の電極間容量１３がもつインピーダンス１２に比べ小さな値の低入力部５で受けている。そして振動子が出力する信号の遅延時間は、電極間容量１３と低入力部５の値で決まるが、低入力部５のインピーダンスを、小さくすることによって、電極間容量１３のばらつきや変動の影響を低減し、伝搬時間測定の精度が向上し、振動子の電極間容量１３が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００２５】
また、低入力部５の入力インピーダンスを受信側振動子の内部インピーダンス１２と電極間容量１３の並列接続から成るインピーダンスの１／２以下の入力インピーダンスとすることによって、受信側振動子が出力する信号の遅延量が、振動子の電極間容量１３のによる変化に比べ振動子の出力を受ける低入力部５のほうがより支配的となり、電極間容量１３の変化が受信信号のタイミング遅延へ及ぼす影響を低減する。そして、伝搬時間測定の精度が向上し、振動子の電極間容量１３が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、時間を正確に測定することができ、高精度の流量計測装置を実現できる。
【００２６】
図２に仮想線で示すように、受信側の振動子にインピーダンスＺの低入力部５が接続され、例えば前記Ｚが振動子のインピーダンスＺｏの１／１０の場合には、ＺとＺｏとが並列関係にあるため、接続後の全体としてのインピーダンスＺ’は次式に示される。
【００２７】
【数１】
従って、低入力部５を備えない従来例の遅延時間に対し、低入力部５を備えた本発明の遅延時間は１／１１となるので、この場合、第１の振動子２と第２の振動子３との間に電極間容量１３の差があっても、これが伝搬時間測定の精度に及ぼす悪影響を、従来例に比較し１／１１に低下させることができる。
【００２９】
また必要な時間精度（計測時間に対して許容される時間精度）をｔ、第１の振動子あるいは第２の振動子２、３の電極間容量の変化量をΔＣ１、低入力部５の入力インピーダンスをＺｉ１とし、ｔ、ΔＣ１、Ｚｉ１の関係を、ｔ＞ΔＣ１×Ｚｉ１となるようＺを設定することによって、遅延時間変動はほぼΔＣ・Ｚｉ１となり、振動子の電極間容量１３が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、必要な時間精度内の遅延時間で超音波の伝搬時間を測定することができ、高精度量計測装置を実現できる。
【００３０】
上記ΔＣ１を図３を参照してより詳細に説明すると、例えば第２の振動子３の電極間容量が図３に示すような温度特性を有しているので、装置の使用が予定されている所定温度範囲Ｔ１〜Ｔ２（一般に使用可能最低温度Ｔ１を−２５℃、使用可能最高温度Ｔ２を６０℃としていることが多い。）における最高使用温度Ｔ２と最低使用温度Ｔ１とでは、電極間容量において図３にΔＣ１に示すような差が生じる。この電極間容量の変化量ΔＣ１と、遅延時間の変化に対して許容される時間精度ｔとから、上記の関係式を満足するように低入力部５のインピーダンスＺｉ１を定めている。
【００３１】
また、流量を求める演算では、伝搬時間の逆数差に定数を乗じているため、両方向への振動子出力信号の遅延時間の絶対値の変動に対し、遅延時間の差の変動が精度に与える影響が支配的である。そのため必要な時間精度をｔ、第１の振動子と第２の振動子間の電極間容量差の変化量をΔＣ２、低入力部１２の入力インピーダンスをＺｉ２とし、ｔ、ΔＣ２、Ｚｉ２の関係を、ｔ＞ΔＣ２×Ｚｉ２となるよう設定することによって、２つの振動子間の電極間インピーダンス１３のインピーダンス差が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、遅延時間変動差はほぼΔＣ２・Ｚｉ２となる。ここで、ΔＣ２とΔＣ１の関係はΔＣ２＜ΔＣ１、許容遅延時間は同じなので、Ｚ２＞Ｚ１とすることができ、より容易に低入力部５を実現することができる。また必要な時間精度内の遅延時間で伝搬時間を正確に測定することができ、高精度量計測装置を実現できる。
【００３２】
上記ΔＣ２を図３を参照してより詳細に説明すると、図３に示す例の場合、温度Ｔｘにおいて、第１の振動子２の電極間容量と第２の振動子３の電極間容量との間には電極間容量差ΔＣｘがある。このΔＣｘは温度によって変化しており、最高使用温度Ｔ２のときΔＣ’２、最低使用温度Ｔ１のときΔＣ’１とすると、前記ΔＣ２は、ΔＣ２＝ΔＣ’２−ΔＣ’１で表わされる。この電極間容量差の変化量ΔＣ２と、遅延時間の変化に対して許容される時間精度ｔとから、上記の関係式を満足するように低入力部５のインピーダンスＺｉ２を定めている。
【００３３】
また図４（ａ）、図４（ｂ）は、低入力部の詳細な構成を示す図である。図４（ａ）は低入力部５を、低抵抗器１４と増幅器１５によって構成し、入力信号を低抵抗器１４で受けるので、入力インピーダンスＺはほぼ低抵抗器１４の抵抗値で決まる。その電圧信号を増幅器１５で必要な一定レベルの電圧に増幅し出力するので、簡単な構成で必要な入出力特性をもつ低入力部を実現することができる。
【００３４】
また、図４（ｂ）は低入力部５を、インピーダンス変換器であるトランス１６によって実現している。そのため、入力インピーダンスは入力側の巻き線１７と、出力側巻き線１８の巻き数比と、出力側巻き線１８に接続された抵抗１９とで決めることができるので、出力簡単な構成で容易に低入力部５を実現することができる。
【００３５】
図５に示す本発明の実施例は、繰り返し手段２０、遅延手段２２を備えている外は、図１に示す実施例と同様に構成されている。従って、図１に示す各要素と同一符号の要素についての説明は原則として省略する。
【００３６】
前記繰り返し手段２０は、受信検知手段７の比較手段７ａから出力があると繰り返し信号をトリガ手段２１に出力する。前記遅延手段２２は、トリガ手段２１から出力があると、所定の遅延時間を設定する。
【００３７】
駆動手段４は、トリガ手段２１から出力があり、遅延手段２２の遅延時間終了の信号を受けてから、切替手段６を介して振動子を駆動する。計時手段８は、スタート手段２４から計測開始信号が出力されてから、低入力部５からの受信タイミング信号を受けるまでの時間を測定する。流量演算手段９は、計時手段８の測定時間と遅延手段２２の遅延時間により流量演算を行う。
【００３８】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００３９】
まずスタート手段２４から計測開始信号を出力すると、繰り返し手段２０は切替手段６を動作させて、第１の振動子２を送信に、第２の振動子３を受信にする。すなわち、第１の振動子２を駆動手段４に、第２の振動子３を低入力部５の低インピーダンス受信手段１４にそれぞれ接続することになり、流れの方向に対して上流側から下流側に超音波信号が伝搬されることになる。
【００４０】
次に、繰り返し手段２０の値を初期値にして計時手段８が時間計測を開始する。また、繰り返し手段２０はトリガ手段２１を動作させ、遅延手段２２はトリガ手段２１のトリガ信号によって、遅延時間を計測開始する。駆動手段４は、トリガ手段２１から出力があり、遅延手段２２の計時終了時に第１の振動子２を駆動し、流路１内に超音波信号を送信させる。
【００４１】
流体管路１内を超音波信号が伝搬し、第２の振動子３に所定の伝搬時間後に到達する。受信信号は前記低入力部５に出力され、低入力部５は低インピーダンス受信手段１４で入力し、低入力部５からの出力信号を受信検知手段７で受信タイミング検知する。
【００４２】
なお、受信信号は増幅器１５で所定のレベルまで増幅された後に、受信検知手段７の比較手段７ａに出力され、内蔵する基準値と比較され、それ以上であると増幅信号は繰り返し手段２０に出力される。
【００４３】
繰り返し手段２０は再びトリガ手段２１を動作させると共に、遅延手段２２を動作させる。遅延手段２２で所定の時間計時すると、トリガ手段２１は駆動手段４を動作させて第１の振動子２を駆動し、再度超音波信号を送信させる。以降、繰り返し手段２０の繰り返し回数が設定値に達するまで、送信⇒受信⇒遅延を繰り返す。
【００４４】
繰り返しが終了すると、計時手段８の計時を停止し、流量演算手段９は計時手段８の値を読み込む。測定時間をＴ、遅延手段２２の設定値をＴｄとすると、第１の振動子２から第２の振動子３へ超音波信号を伝搬する伝搬時間Ｔ１は、繰り返し回数をＮとするとＴ１＝（Ｔ−Ｔｄ×Ｎ）／Ｎとなり、この値を流量演算手段９に記憶する。
【００４５】
次に再びスタート手段１４が計測を開始させ、繰り返し手段２０と計時手段８の値を初期値にする。そして切替手段６を動作させて、第１の振動子２を低入力部５に接続し、第２の振動子３を駆動手段４に接続する。上記と同様にして今度は下流側から上流側に超音波信号が伝搬されることになる。
【００４６】
第２の振動子３から第１の振動子２への超音波信号の伝搬時間はＴ２となるが、流体管路１に流れがあれば下流側から上流側への伝搬時間は長くなるのでＴ１＞Ｔ２となり、Ｔ１とＴ２の逆数差を流量演算手段９で求め、さらに流路１の断面積や流れの状態等を考慮して流量値を演算する。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の流量計測装置は振動子の内部インピーダンスに比べ、小さなインピーダンスで振動子の出力を受けているので、振動子の電極間容量が温度、経過時間、湿度などの影響によって変化した場合であっても、あるいは特性の異なる振動子をペアとして用いる場合であっても、振動子出力信号の遅延時間変化が小さく、超音波の伝搬時間を正確に測定することができ、高精度量計測装置を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における流量計測装置のブロック図。
【図２】同流量計測装置の振動子部分の等価回路図。
【図３】同流量計測装置の振動子の振動子の電極間容量の温度特性図。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の低入力部の詳細な構成を示す一例図。
【図５】本発明の他の実施例における流量計測装置のブロック図。
【図６】従来の流量計測装置のブロック図。
【符号の説明】
１ 流体管路
２ 振動子
３ 振動子
４ 駆動手段
５ 低入力部
６ 切替手段
７ 受信検知手段
８ 計時手段
９ 流量演算手段
１３ 電極間容量
１４ 低抵抗器
１５ 増幅器
１６ インピーダンス変換機
Claims (10)
- 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の送受信の切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記低入力部が、前記振動子のインピーダンスよりも低い入力インピーダンスであり、必要な時間精度をｔ、振動子の電極間容量の変化量をΔＣ１、低入力部の入力インピーダンスをＺとし、ｔ、ΔＣ１、Ｚの関係が、
ｔ＞ΔＣ１×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の送受信の切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記低入力部が、前記振動子のインピーダンスよりも低い入力インピーダンスであり、この入力インピーダンスが入信側振動子の１／２以下のインピーダンスであり、必要な時間精度をｔ、振動子の電極間容量の変化量をΔＣ１、低入力部の入力インピーダンスをＺとし、ｔ、ΔＣ１、Ｚの関係が、
ｔ＞ΔＣ１×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の送受信の切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記低入力部が、前記振動子のインピーダンスよりも低い入力インピーダンスであり、必要な時間精度をｔ、一対の振動子の電極間容量差の変化量をΔＣ２、低入力部の入力インピーダンスをＺとし、ｔ、ΔＣ２、Ｚの関係が、
ｔ＞ΔＣ２×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の送受信の切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備え、前記低入力部が、前記振動子のインピーダンスよりも低い入力インピーダンスであり、この入力インピーダンスが入信側振動子の１／２以下のインピーダンスであり、必要な時間精度をｔ、一対の振動子の電極間容量差の変化量をΔＣ２、低入力部の入力インピーダンスをＺとし、ｔ、ΔＣ２、Ｚの関係が、
ｔ＞ΔＣ２×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 低入力部を、低抵抗器と増幅器によって構成する請求項１から４のいずれかに記載の流量計測装置。
- 低入力部を、インピーダンス変換器によって構成する請求項１から４のいずれかに記載の流量計測装置。
- 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、一方の振動子を送信側の前記駆動手段に、他方の振動子を受信側の前記低入力部にそれぞれ接続すると共に送受信を切替える切替え手段とを備え、前記低入力部が前記振動子のインピーダンスに対し、並列でかつ低いインピーダンスを有するものであり、一対の振動子のい ずれかの電極間容量の所定範囲温度における最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ１、計時時間に対して許容される時間精度をｔとしたとき、低入力部の入力インピーダンスＺが、
ｔ＞ΔＣ１×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、一方の振動子を送信側の前記駆動手段に、他方の振動子を受信側の前記低入力部にそれぞれ接続すると共に送受信を切替える切替え手段とを備え、前記低入力部が前記振動子のインピーダンスに対し、並列でかつ低いインピーダンスを有するものであり、一対の振動子として、特性が異なる第１の振動子と第２の振動子とを用い、一対の振動子のいずれかの電極間容量の所定範囲温度における最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ１、計時時間に対して許容される時間精度をｔとしたとき、低入力部の入力インピーダンスＺが、
ｔ＞ΔＣ１×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、一方の振動子を送信側の前記駆動手段に、他方の振動子を受信側の前記低入力部にそれぞれ接続すると共に送受信を切替える切替え手段とを備え、前記低入力部が前記振動子のインピーダンスに対し、並列でかつ低いインピーダンスを有するものであり、一対の振動子の電極間容量の差の所定範囲温度における最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ２、計時時間に対して許容される時間精度をｔとしたとき、低入力部の入力インピーダンスＺが、
ｔ＞ΔＣ２×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。 - 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子の受信出力を受ける低入力部と、前記低入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、一方の振動子を送信側の前記駆動手段に、他方の振動子を受信側の前記低入力部にそれぞれ接続すると共に送受信を切替える切替え手段とを備え、前記低入力部が前記振動子のインピーダンスに対し、並列でかつ低いインピーダンスを有するものであり、一対の振動子として、特性が異なる第１の振動子と第２の振動子とを用い、一対の振動子の電極間容量の差の所定範囲温度における最高温度と最低温度との間における変化量をΔＣ２、計時時間に対して許容される時間精度をｔとしたとき、低入力部の入力インピーダンスＺが、
ｔ＞ΔＣ２×Ｚ
の関係となるように設定されている流量計測装置。
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