JP3731898B2 - 流量測定方法及び超音波流量計 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、超音波を用いたガスや流体の流量測定方法、及びその測定方法を実行する超音波流量計に関する。
技術背景
米国特許第４，４８３，２０２号に超音波流量計が開示されている。この流量計は、流体の流れる導管と、流体の流れる方向と斜めに交差する線上において上記導管に設けた一対の超音波変換器を備えている。操作の際には、まず流れの方向に関して上流側に配置された超音波変換器から下流側に向けて超音波が発信され、これが下流側の超音波変換器で受信される。そして、発信から受信までの伝播時間が求められる。次に、流れの方向に関して下流側に配置された超音波変換器から上流側に向けて超音波が発信され、これが上流側の超音波変換器で受信され、発信から受信までの伝播時間が求められる。そして、これら２つの伝播時間を公知の式に代入すると流体の流速が求められ、さらにその流速を用いて流量が求められる。
しかし、上述のような公知の超音波流量計では、流量に拘わらず一定の時間間隔を置いて超音波を発信して流速、流量を測定している。また、そのために従来の超音波流量計では、電力消費量が大きく、電池で駆動するとその電池が短期間で消耗するという問題があった。
発明の概要
本発明は、流量に適した時間間隔を置いて流量を測定し、それにより電力消費を最小限に抑えることができる超音波流量測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するために、本発明の超音波流量計は、
流体が流れる導管に、一方が他方に対して前記流体の流れ方向に関して上流側にあるように設けられ、超音波を発信又は受信することが可能な一対の超音波振動子と、
一方の超音波振動子から前記超音波を発信して他方の超音波振動子により前記超音波を受信する第１状態と、前記他方の超音波振動子から超音波を発信して前記一方の超音波振動子により前記超音波を受信する第２状態とを所定回数繰り返す繰り返し制御部と、
前記一方の前記超音波振動子から他方の前記超音波振動子までの超音波伝達時間と他方の前記超音波振動子から一方の前記超音波振動子までの超音波伝達時間とから前記流体の流量を求める流量演算部と、
流量の増加に従って繰り返し回数が全体的に減少傾向を示す流量と繰り返し回数との関係に基づいて、前記流量演算部により求めた流量から繰り返し回数を再設定する繰り返し回数設定部と、
を備えていることを特徴とする。
この超音波流量計において、流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が減少するものである。または、流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が直線的に又は段階的に減少する。
本発明の流量測定方法は、
一方の超音波振動子から超音波を発信して他方の超音波振動子により前記超音波を受信する第１状態と、前記他方の超音波振動子から超音波を発信して前記一方の超音波振動子により前記超音波を受信する第２状態とを所定回数繰り返し、
前記所定回数の繰り返しにより、前記一方の超音波振動子から前記他方の超音波振動子までの超音波伝達時間と前記他方の超音波振動子から前記一方の超音波振動子までの超音波伝達時間とから流体の流量を演算し、
流量の増加に従って繰り返し回数が全体的に減少傾向に示す流量と繰り返し回数との関係に基づいて、前記流量から繰り返し回数を再設定することを特徴とする。
この流量測定方法において、流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が減少する。また、流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が直線的又は段階的に減少する。
好適な実施例の詳細な説明
図面を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。図１は第１実施例にかかる超音波流量計の制御ブロック図で、超音波流量計の全体が符号１で示してある。この流量計１において、符号２は図示しないガス燃焼装置に接続された断面円形の導管を示し、この導管２の中を燃焼装置に供給する流体すなわちガスが矢印４方向に流れるようになっている。符号６は超音波を発信する振動子（発信器）、符号８は振動子６から発信された超音波を発信する超音波振動子（受信器）を示し、これらの振動子６と８は、導管２の中心軸１０と所定の角度φをもって交差する線１２上で対向するように導管２にそれぞれ取り付けてある。符号１４はトリガ部を示し、このトリガ部１４は後述する方法により決定されるタイミングでトリガ信号を出力する。符号１６は発信部を示し、この発信部１６は上記トリガ信号を受信すると、振動子６を駆動するバースト信号を出力する。符号１８は増幅部を示し、振動子８が超音波を検出したときに発信する信号を増幅する。符号２０は比較部を示し、振動子６が超音波を発信してから振動子８がその超音波を受信するまでの時間（伝播時間）に対応した信号を作成して出力する。符号２２は計時部を示し、この計時部２２は比較部２０の出力信号から上記伝播時間を演算して求める。符号２４は流量演算部で、この流量演算部２４は後に説明する計算に基づいて上記伝播時間から導管２内を流れる流体の流量を演算する。符号２６はタイミング制御部で、このタイミング制御部２６は、流量からトリガ部１４がトリガ信号を出力するタイミングを決定する。
本実施例では、上記タイミングは、図２に示す流量と計測時間間隔との関係（特性曲線）から計測時間間隔として求められ、流量が大きくなるにしたがって計測時間間隔が短くなるように設定される。
流量計１の動作を説明する。トリガ部１４からトリガ信号が出力されると、その信号に基づいて発信部１６がバースト信号を作成しこれを出力する。振動子６は上記バースト信号により駆動され、振動子８に向けて超音波を発信する。この超音波は振動子８で受信され、その受信信号が増幅器１８で増幅される。次に、比較部２０は超音波伝播時間に対応する信号を作成してこれを計時部２２に出力する。計時部２２は上記伝播時間を演算し、流量演算部２４が上記伝播時間から流量を演算する。続いて、タイミング制御部２６は、図２の関係から求めた流量をもとにこれに対応する計測時間間隔を求める。具体的に、今回計測した流量が前回測定した流量よりも増加していれば計測時間間隔は短く設定され、逆に減少していれば計測時間間隔は長く設定される。続いて、トリガ部１４は新たに設定された計測時間間隔を置いてトリガ信号を出力して振動子６を駆動し、この振動子６から発信された超音波を振動子８で検出して流量が測定される。以後、同様の処理が繰り返される。
以上のように、ガスメータのように流量積算値を正確に求める必要がある装置では流量が大きいときの測定誤差は積算値に大きな影響を与えるが、本発明では流量計測は流量が大きくなるにしたがって頻繁に行われて正確な積算値が求められる。
計時部２２における伝播時間の演算について説明する。静止している流体中を超音波が伝達する速度をｃ、流体の流れの速度をｖとすると、流れの方向に沿った超音波の伝播速度は（ｃ＋ｖ）となる。また、振動子６から振動子８までの超音波伝播時間ｔは以下の式（１）で与えられる。
ｔ＝Ｌ（ｃ＋ｖ・ｃｏｓφ） （１）
なお、式（１）中、Ｌは振動子６と８との間隔である。
式（１）は以下の式（２）ように変形できる。
ｖ＝（Ｌ／ｔ−ｃ）／ｃｏｓφ （２）
ここでＬ、ｃ、φは既知であるから、伝播時間ｔを計測すれば、流速が求められる。また、流量Ｑは以下の式（３）で与えられる。
Ｑ＝Ｋ・Ｓ・ｖ （３）
なお、式（３）中、導管２の断面積をＳ、補正係数をＫである。
ところで、流量と計測時間間隔との関係は、図３に示すように流量の増加とともに計測時間間隔を段階的に減少するものであってもよいし、図４に示すように計測時間間隔が流量に反比例するものでもよい。
第１実施例では、予め設定された流量と計測時間間隔との関係に基づいて、計測された流量から計測時間間隔をタイミング制御部２６で決定したが、計測流量からトリガ部１４が出力するトリガ信号の遅延時間を求め、この遅延時間の経過後にトリガ部１４を駆動するようにしてもよい。
なお、流量と遅延時間との関係は、流量の増加と共に遅延時間が全体的に減少するものであれば、直線的関係（図５）、段階的関係（図６）、又は反比例関係（図７）のいずれでもよい。
第２実施例：
図８は第２実施例の超音波流量計１Ａを示し、図１の超音波流量計と多くの共通した構成要素を有し、これら共通の構成要素は同様の機能を達成するので共通の符号で記してある。しかし、この超音波流量計１Ａは流量データを格納する記憶部２８が付加されている。この記憶部２８では、流量演算部２４で演算された所定個数の複数の流量値が順次流量データとして格納され、最新の流量データを最古の流量データと置き換えてデータを更新する。また、格納されている複数の流量データの平均値をもとに、タイミング制御部３０で計測時間間隔又は遅延時間がそれぞれ図２から４、図５から７の関係から設定される。
流量と計測時間間隔又は遅延時間との関係は、現在流量が増加傾向にあるか減少傾向にあるかを考慮して補正するのが好ましい。例えば、タイミング制御部３０では、図９のフローチャートに示すように、記憶部２８に格納されている流量データから流量が現在増加傾向にあるか減少傾向にあるかを判定する。そして、流量が増加傾向にあるときは、流量が安定しているときの同一流量に対する計測時間間隔又は遅延時間よりも短く補正し、流量が減少傾向にあるときは遅延時間を長く補正し、補正された計測時間間隔又は遅延時間に基づいてトリガ信号が出力される。このようにして補正された流量と計測時間間隔又は遅延時間との関係が図１０に示してある。このような流量補正によれば、例えば流量が急激に増加する場合に、流量の増加量を正確に計測できるという利点がある。
第３実施例：
図１１は第３実施例の超音波流量計１Ｂを示し、図１の超音波流量計と多くの共通した構成要素を有し、これら共通の構成要素は同様の機能を達成するので共通の符号で記してある。この超音波流量計１Ｂでは、一般にガスが消費される時間帯とそうでない時間帯によって計測時間間隔又は遅延時間を変更する機能が付加されている。具体的に、超音波流量計１Ｂはクロック３２を備えており、このクロック３２から出力された現在時刻がタイミング制御部３４に出力される。タイミング制御部３４では、図１２のフローチャートに示すように、時刻情報から現在がガスの大量消費時間帯か否か判定する。例えば、午前零時から午前５時までの深夜時間帯がガス低消費時間帯、その他の時間帯がガス高消費時間帯と設定されており、現在時刻がいずれの時間帯に属するかを判定する。また、現在時刻やガス低消費時間帯と判定すると、計測時間間隔（又は遅延時間）を所定の長い時間に設定する。ここで設定される計測間隔時間又は遅延時間は、図２から４（又は図５から７）の関係に基づいて流量から求められる時間と違って独自のものである。次に、流量が変化したか否かを判定し、流量に変更があれば、新たに求めた流量から図２から４の関係に基づいて計測時間間隔、又は図５から７の関係に基づいては遅延時間を新たに設定する。
この実施例によれば、ガスが使用されていない深夜の時間帯には計測時間間隔又は遅延時間をより長く設定して不要な電気の消費が抑えられる。また、たとえ深夜であってもガスが消費されたときには流量に応じた計測時間間隔又は遅延時間を置いて流量が測定される。
また、季節により流体例えばガスの消費量が異なる地域では、時刻に代えて、又は時刻と共に月日の情報をクロックから出力し、これらの情報を参考にして流量計測を制御してもよい。
第４実施例：
図１３は第４実施例の超音波流量計１Ｃを示し、図１の超音波流量計と多くの共通した構成要素を有し、これら共通の構成要素は同様の機能を達成するので共通の符号で記してある。この超音波流量計１Ｃでは、ガスが消費される機器、例えばストーブ３６、コンロ３８、給湯器４０の作動状態がタイミング制御部４２に入力されるようになっている。上記タイミング制御部４２では、図１４のフローチャートに示すように、ガス消費機器３６、３８、又は４０が停止しているか否かを判定する。そして、いずれのガス消費機器も停止中と判定すると、計測時間間隔（又は遅延時間）を所定の長い時間に設定する。ここで設定される計測間隔時間（又は遅延時間）は、図２から４（図５から７）の関係に基づいて流量から求められる時間と違って独自のものである。次に、流量が変化したか否かを判定し、流量に変更があれば、新たに求めた流量から図２から４の関係に基づいて計測時間間隔、又は図５から７の関係に基づいては遅延時間を新たに設定する。
この実施例によれば、ガスが消費されていないときは計測時間間隔又は遅延時間がより長く設定され、不要な電気の消費が抑えられる。
第５実施例：
図１５は第５実施例の超音波流量計１Ｄを示し、図１の超音波流量計と多くの共通した構成要素を有し、これら共通の構成要素は同様の機能を達成するので共通の符号で記してある。この超音波流量計１Ｄでは、超音波の発信と受信の両方の機能を有する振動子４４と４６が、導管２の中心軸１０と所定の角度φをもって交差する線１２上で対向するように導管２に取り付けてある。振動子切換部４８は、振動子を超音波発信状態と超音波受信状態に交互に切り替える。繰り返し回数設定部５０は、振動子４４、４６で超音波を発信する繰り返し回数を設定する。繰り返し制御部５２は、一方の振動子４４から流量に対応する回数だけ超音波を発信して他方の振動子４６で超音波を受信する第１状態から、他方の振動子４６で同一回数超音波を発信して一方の振動子４４で超音波を受信する第２状態へ、またその逆に切り替える。流量と繰り返し回数との関係は、流量が大きくなるにしたがって繰り返し回数が全体的に小さくなるように設定されている。
上記流量計１Ｄの動作を、図１６のフローチャートを参照して具体的に説明する。いま、繰り返し設定部５０で繰り返し回数がｎに設定されているとすると、切換部４８で第１状態に設定される。次に、トリガ部１４からトリガ信号を出力し、発信部１６からバースト信号をする。これにより、振動子４４から他方の振動子４６に向けて超音波が所定の遅延時間を置いて発信される。振動子４６で受信された信号は増幅部１８で増幅され、比較部２０で基準信号と比較される。また、計時部２２で超音波伝播時間が演算される。続いて、振動子４４からｎ回超音波が発信されたか否か判定される。そして、すでにｎ回超音波が発信されていれば計時部でｎ回の超音波伝播時間が累計される。一方、超音波発信回数がｎ回未満の場合には、再びトリガ部１４からトリガ信号を出力して超音波の発信と受信を実行する。
第１状態での計測が終了すると、振動子切替部４８が第２状態に切り替えられる。これにより、振動子４６から超音波を発信して他方の振動子４４でその超音波を受信する操作がｎ回数繰り返され、ｎ回の超音波伝播時間が累計される。
続いて、第１状態と第２状態における伝播時間累計値又はそれぞれの平均値から流量が求められる。次に、新たに求めた流量と前回求めた流量とを比較して流量が増加しているか減少しているかを判定し、繰り返し設定部５０で新たに求めた流量に応じた繰り返し回数が設定される。ここで設定される繰り返し回数は、流量が大きくなるにしたがって繰り返し回数が全体的に小さくなるようにしてあり、流量が小さくても正確に流量が測定される。
本実施例における流速及び流量演算について説明する。静止流体中の超音波の速度ｃ、流体の流速をｖとすると、流れに順方向の超音波伝播速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の超音波伝播速度は（ｃ−ｖ）で与えられる。順方向の累積伝播時間Ｔ１と逆方向の累積伝播時間Ｔ２はそれぞれ式（４）、（５）で与えられる。

これらの式（４）、（５）中、φは導管の中心線と振動子を結ぶ線との交角、ｎは繰り返し回数である。また、これらの式（４）と（５）から流速測定値の累計が以下の式（６）で与えられる。
(ｖ₁＋・・＋ｖ_n)＝Ｌ・ｎ・(１/Ｔ１−１/Ｔ２)/２・ｃｏｓφ （６）
さらに、式（６）から流速値の累計が以下の式（７）で与えられる。
ΣＱｎ＝Ｋ・Ｓ・(ｖ₁＋・・＋ｖ_n) （７）
この式（７）中、ΣＱｎは流速値の累計、Ｋは補正係数、Ｓは導管の断面積である。
これらの式（６）、（７）から明らかなように、計測回数が多くなれば流量値の累積値は大きくなる。換言すれば、流速が小さくても、計測回数を多くすれば流速値と流量値の累計は大きくなり、各計測に含まれる誤差は小さくなる。逆に、流速が大きいときはＴ１とＴ２との差が大きいので、測定回数を少なくしても相対的な計測誤差は小さい。かかる理由から、本発明では、繰り返し回数設定部５０で、流量が小さい場合は繰り返し回数を大きくし、流量が大きい場合は繰り返し回数を小さくしている。なお、流量と繰り返し回数との関係は、流量が大きくなると繰り返し回数が全体的に小さくなる関係にあればよく、流量に対して繰り返し回数が、直線的、段階的、又は反比例的に減少するように設定する。
以上の説明では、振動子からｎ回超音波を発信した後に振動子でｎ回超音波を発信するものとしたが、振動子から１回超音波を発信した後に他方の振動子で１回超音波を発信する操作を繰り返し回数だけ実行するようにしてもよい。
第６実施例：
図１７は第６実施例の超音波流量計１Ｅを示し、図１の超音波流量計と多くの共通した構成要素を有し、これら共通の構成要素は同様の機能を達成するので共通の符号で記してある。この流量計１Ｅは電源遮断部５４を備えており、図１８のフローチャートに示すように、流量演算部２４で求めた複数の流量値が流量データとして記憶部５６に格納される。また、記憶部５６の流量データから、流量がゼロと判定されると、そのように連続的に判定された回数が記憶される。また、流量ゼロの判定が所定回数連続すると、電源遮断部５４を駆動し、トリガ部、発信部１６、増幅部１８、比較部２０、計時部２２、又は流量演算部２４の少なくとも一つの電源が所定時間遮断される。したがって、流体が流れていないときは計測間隔が長くなり、消費電力が節約できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、第１実施例の超音波流量計の制御ブロック図である。
図２は、流量と計測時間間隔との関係（特性曲線）を示し、計測時間間隔は流量の増加に従って直線的に減少している。
図３は、流量と計測時間間隔との別の関係（特性曲線）を示し、計測時間間隔は流量の増加に従って段階的に減少している。
図４は、流量と計測時間間隔とのその他の関係（特性曲線）を示し、計測時間間隔は流量の増加に従って反比例的に減少している。
図５は、流量と遅延時間との関係（特性曲線）を示し、遅延時間は流量の増加に従って直線的に減少している。
図６は、流量と遅延時間との別の関係（特性曲線）を示し、遅延時間は流量の増加に従って段階的に減少している。
図７は、流量と遅延時間とのその他の関係（特性曲線）を示し、遅延時間は流量の増加に従って反比例的に減少している。
図８は、第２実施例の超音波流量計の制御ブロック図である。
図９は、図８の超音波流量計の制御フローチャートの一部である。
図１０は、流量と流量の増減状態に応じて補正された計測時間間隔（及び遅延時間）との関係（特性曲線）を示す。
図１１は、第３実施例の超音波流量計の制御ブロック図である。
図１２は、図１１の超音波流量計の制御フローチャートの一部である。
図１３は、第４実施例の超音波流量計の制御ブロック図である。
図１４は、図１３の超音波流量計の制御フローチャートの一部である。
図１５は、第５実施例の超音波流量計の制御ブロック図である。
図１６は、図１５の超音波流量計の制御フローチャートである。
図１７は、第６実施例の超音波流量計の制御ブロック図である。
図１８は、図１７の超音波流量計の制御フローチャートである。

Claims (8)

1. 流体が流れる導管に、一方が他方に対して前記流体の流れ方向に関して上流側にあるように設けられ、超音波を発信又は受信することが可能な一対の超音波振動子と、
   一方の超音波振動子から前記超音波を発信して他方の超音波振動子により前記超音波を受信する第１状態と、前記他方の超音波振動子から超音波を発信して前記一方の超音波振動子により前記超音波を受信する第２状態とを所定回数繰り返す繰り返し制御部と、
   前記一方の前記超音波振動子から他方の前記超音波振動子までの超音波伝達時間と他方の前記超音波振動子から一方の前記超音波振動子までの超音波伝達時間とから前記流体の流量を求める流量演算部と、
   流量の増加に従って繰り返し回数が全体的に減少傾向を示す流量と繰り返し回数との関係に基づいて、前記流量演算部により求めた流量から繰り返し回数を再設定する繰り返し回数設定部と
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が減少することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が直線的に減少することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
4. 流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が段階的に減少することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
5. 一方の超音波振動子から超音波を発信して他方の超音波振動子により前記超音波を受信する第１状態と、前記他方の超音波振動子から超音波を発信して前記一方の超音波振動子により前記超音波を受信する第２状態とを所定回数繰り返し、
   前記所定回数の繰り返しにより、前記一方の超音波振動子から前記他方の超音波振動子までの超音波伝達時間と前記他方の超音波振動子から前記一方の超音波振動子までの超音波伝達時間とから流体の流量を演算し、
   流量の増加に従って繰り返し回数が全体的に減少傾向に示す流量と繰り返し回数との関係に基づいて、前記流量から繰り返し回数を再設定することを特徴とする流量測定方法。
6. 流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が減少することを特徴とする請求項５に記載の流量測定方法。
7. 流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が直線的に減少することを特徴とする請求項５に記載の流量測定方法。
8. 流量と繰り返し回数の関係は、流量が増加した場合に繰り返し回数が段階的に減少することを特徴とする請求項５に記載の流量測定方法。

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