JP3883093B2

JP3883093B2 - 超音波流量計

Info

Publication number: JP3883093B2
Application number: JP31900299A
Authority: JP
Inventors: 徳行鍋島; 昭治宮島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JP2001141537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体中の超音波の伝播時間を、上流から下流への順方向と、下流から上流への逆方向の両方について測定して流体の流速を算出し、更に流量を求める超音波流量計が周知である（例えば特開平１０−３３２４５２号参照）。
その測定原理を図４で説明する。
【０００３】
流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方の送受波器２への順方向伝播時間ｔ₁は、静止流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、
ｔ₁＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）
となる。
【０００４】
また、送受波器２から送受波器１への逆方向伝播時間ｔ₂は、
ｔ₂＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）
となる。
【０００５】
順方向伝播時間ｔ₁と逆方向伝播時間ｔ₂とから流速Ｖを、
Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ₁）−（１／ｔ₂）｝
として求めている。
【０００６】
上述の測定原理において、超音波が受信側の送受波器に到達する時期、つまり到達ポイントを特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロス点を検知するようにしている。
【０００７】
図５は発信のタイミングを示す発信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示している。ａが到達点で、徐々に振幅が大きくなる。その後最大振幅となり徐々に振幅が小さくなる。
【０００８】
ところが到達点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次のような方法が行われている。
【０００９】
ノイズより十分大きな基準電圧レベルとしてのしきい値Ｖ_THを決め、このしきい値レベルに最初に達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値Ｖ_THに達した後ゼロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検知（到達ポイント）とする方法である。
【００１０】
しきい値Ｖ_THは常に何番目かのある特定の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するように定めてあり、実際の到達時間ｔは、ａ点からｃ点までの時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ＋τに相当する値から時間τを減算することにより求めている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、受信波は必ずしも図５のようなきれいな波形にならない。常に一定のノイズがのっている。また気体の流れによっては波形が変動することもある。狙った波（例えば第３波）ではなく、仮にその前（の第１波）或いはその後ろの波（第５波）のゼロクロスポイントを検出してしまうと、到達時間は超音波の１周期分の時間だけ間違った値となり、この測定値をそのまま使用すると当然誤った流速更には流量を導くことになる。従って、狙った波を確実に捉えるように、狙った波が常に最初にしきい値Ｖ_THに達するように、増幅器の増幅度の自動調整を行っている。
【００１２】
受信波は、超音波を順方向に伝播させた場合と、逆方向に伝播させた場合とでは、大きさに違いがあると考えて良い。従って、前述の自動調整する増幅度は、順方向の場合と逆方向の場合とで異なっている。また、前述の時間τには増幅器の遅れも含まれている。増幅器の遅れは入力と出力の位相差とも表現できるが、この遅れは増幅器の増幅度に応じて異なるものである。
【００１３】
よって、順方向のときと、逆方向のときとで時間τが異なることになり、特に小流量領域では、流量計の大きな誤差の要因となっていた。対策として各増幅器毎の遅れ時間を全て把握しておく方法が考えられるが、増幅器毎あるいは温度等でも遅れ時間が異なるため合理的でない。しかも、高性能の増幅器でも増幅度の遅れの差を零にはできないため、微小流量域の性能向上の妨げになるという問題点があり、結局、遅れの小さい高性能の高価な増幅器を使用するしかなく、コストアップの原因となっていた。
【００１４】
そこで本発明はかかる問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、増幅器と比較部で構成され、１回目の受信は前記増幅器に増幅度自動調整機能を持たせて１つの発信による一群の受信波のうち特定番目と判断した波がゼロクロスする点を到達ポイントとし、
第２回目以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにし、
前記第２回目以降の受信は前記増幅器の増幅度を順方向時も逆方向時も決められた同じ増幅度で行うようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００１６】
請求項２の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、増幅器と比較部で構成され、最初の受信は前記増幅器に増幅度自動調整機能を持たせて１つの発信による一群の受信波のうち特定番目と判断した波がゼロクロスする点を到達ポイントとし、
第２回目以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにし、
最初の受信波を検知すると行われる送信を第１の送信としたもので、
前記第２回目以降の受信は前記増幅器の増幅度を順方向時も逆方向時も決められた同じ増幅度で行うようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
請求項３の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、増幅器と比較部で構成され、最初の受信は前記増幅器に増幅度自動調整機能を持たせて１つの発信による一群の受信波のうち特定番目と判断した波がゼロクロスする点を到達ポイントとし、
最初の受信波を検知すると行われる送信を第１の送信としたもので、
以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにし、
前記以降の受信は前記増幅器の増幅度を順方向時も逆方向時も決められた同じ増幅度で行うようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
そして、請求項４の発明は、請求項１、２又は３の超音波流量計において、一定時間を超音波の約半周期分の時間としたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に基づいて説明する。
【００１８】
〔実施例１〕
図１は超音波流量計全体のブロック図、図２は受信波検知部の要部電気回路図、図３は作用を説明するタイミング図である。
【００１９】
図１乃至図３は請求項１に対応する。送受波器１と２はそれぞれ超音波振動子で構成されていて、送信にも受信にも使用できる。
【００２０】
両送受波器は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。受信波検知部４は受信側の送受波器が接続され受信波を検知すると受信波検知信号を出力する。送波器駆動部５はコントロール部６より第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器をまず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知信号を受ける度に駆動する。ただし第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。ｎは前記一定回数の回数である。
【００２１】
カウンタ７は受信検知部４からの受信波検知信号をカウントし、ｎ番目の受信波検知信号を出力する。このカウンタ７はコントロール部６よりの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。
【００２２】
第２のカウンタ８は第１送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定する。その時間（カウント値）はコントロール部６が読み取る。この例では第１送信指令信号でカウント値がゼロクリアされ、カウントを開始するように構成されている。
【００２３】
コントロール部６は一定間隔で送受切替信号を反転させて２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。各切り替え後、毎回、切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力する。そして、第ｎ受信波検知信号が入力されると、カウンタ８の測定（カウント値）を読み取り、これと直前に行った逆向きでの測定値とを用いて、その間の流速と流量を演算する。
【００２４】
図２は、受信波検知部４の構成である。第１送信指令信号が受信波検知部に入力されている。
【００２５】
この実施例の場合、受信側の送受波器からの信号を増幅器９で増幅する。このとき、後述するＲＳＦＦ１０より増幅度自動調整ＯＮ、ＯＦＦ信号として入力されているＱ出力が、“Ｌｏｗ”のときは第３波が最初に後述のしきい値Ｖ_THを越えるよう増幅度が自動的に調整されるようになっていて、“Ｈｉｇｈ”のときはあらかじめ設定された増幅度に固定されるようになっている。
【００２６】
増幅器９の出力は比較部１１に入力され基準電圧であるしきい値Ｖ_THと比較されるようになっている。
【００２７】
比較部１１が第３波を捉え、出力が“Ｈｉｇｈ”となるとこの信号はスイッチＳＷを介してＲＳＦＦ１２のＲ入力に入力され出力Ｑは“Ｌｏｗ”になる。
【００２８】
更に受信波がゼロクロスしたところでゼロクロス検知用比較器１３より出力される信号がＲＳＦＦ１２のＳ入力に入力され出力Ｑは“Ｈｉｇｈ”となり、立ち上がりエッジが立ち上がりエッジ検知回路１４で検知され受信波検知信号として出力される。
【００２９】
この信号はＲＳＦＦ１０のＳ入力となっていてＲＳＦＦ１０の出力Ｑは“Ｈｉｇｈ”となり、スイッチＳＷは切り替わり、ＲＳＦＦ１２のＲ入力へはデジタル比較器１５のＡ＝Ｂ出力が入力されるようになる。
【００３０】
よってこれ以後、基準電圧であるしきい値Ｖ_THとの比較はなく、ゼロレベルとの比較のみの状態となり、増幅器９の増幅度には影響されない。そして、前述のように増幅度はあらかじめ設定された値に固定される。また前記受信波検知信号は記憶器１６のラッチ入力となっていて、この瞬間のカウンタ１７のカウント値ｔ₁₁を記憶する（図３参照）。
【００３１】
更に、受信波検知信号はＯＲゲート１８を介してカウンタ１７をリセットするように構成されていて（ラッチ後リセットする）、到達時間ｔ₁₁を記憶器１６が記憶するとリセットされ次の到達時間の測定に移るようになっている。１９はクロック発信器である。
【００３２】
減算器２０は記憶器１６で記憶された値（カウント値）がＣ入力として入力されていて、もう一方の入力にαが入力されている。そして、Ｃ−αすなわち（ｔ₁₁−α）がデジタル比較器１５のＢ入力に入力されている。またカウンタ１７の出力がＡ入力としてデジタル比較器１５に入力されていて、そのＡＢの入力が等しくなると、Ａ＝Ｂ出力が“Ｈｉｇｈ”となる。
【００３３】
カウンタ１７のカウントが進み、ｔ₁₁−αと等しくなるとＡ＝Ｂ出力が“Ｈｉｇｈ”となりＲＳＦＦ１２の出力Ｑは“Ｌｏｗ”となり次のゼロクロスを待つ状態になる。そして実際にゼロクロスするとき、ゼロクロス検知用比較器１３の出力によりＲＳＦＦ１２の出力Ｑが“Ｈｉｇｈ”となり再び受信波検知信号が出力される。
【００３４】
ここで、再びカウント値ｔ₁₂が記憶される。以下は同じ繰り返しである。αは超音波の約半周期分の時間とした。
【００３５】
発信器１９はこの半周期分を検知できる周波数でよく、また精度もそれほど要求されない。また、前記カウンタ８用の基準クロック或いはその分周したものも使用可能である。
【００３６】
この実施例によれば２回目以降の受信時は増幅器９の増幅度を順逆同じにすることができ、１回目の受信の遅れ差を１／ｎに小さくでき、従って精度の良い測定が可能になる。
【００３７】
〔実施例２〕
実施例１のカウンタ７と８の動作を変えることにより、順方向測定と逆方向測定の各場合について、２回目の送信からｎ＋１回目の受信までのトータル時間を測定するように構成することが可能で、この場合は増幅器９による順方向測定時と逆方向測定時の遅れ差を完全に零にすることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
伝播時間計測の精度を上げるために、単純に送信から受信までの１回の時間ｔを測るのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを一定の複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間ｔをｎ回連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔを測定するようにした場合、１回の送受の到達時間ｔはきわめて短い時間である。従って、連続した送受の到達時間の差はほとんどないと考えて良い。
【００３９】
よって、第１の送信からその受信までの時間がｔ₁₁であった場合、第２の受信波が到達するのは第２の送信（第１の受信とともに行われる）後、およそｔ₁₁経ったところである。従って、その点に最も近いゼロクロスポイントを受信検知点として良い。
【００４０】
第３の送受に関しても同様で、第２の送受の到達時間ｔ₁₂を用いて第３の受信点を予想すればよい。以下同じである。
【００４１】
本発明では、第２回目以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとしていて、以後の受信も直前の到達時間から一定時間を引いた時間が送信より経過後の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにしている。
【００４２】
従って、第１の受信でねらった波を捉えることができればその後のｎ−１回の受信でも正しくねらった波を捉えることができる。しかも、このときゼロクロスポイントのみで到達ポイントを特定しているので増幅器の増幅度は到達時間に影響を与えない（ゼロクロスポイントを特定できるだけの増幅度が必要のみ）。従って、増幅度は自由に設定でき、順逆の測定を特定の決められた増幅度で行うことが可能となり、増幅による順逆の遅れ時間の差を最小にできる。
【００４３】
また、請求項２の発明では、遅れ時間の差を殆ど零にできる。
こうして本発明では、流量計測の誤差を小さくでき、しかも高価な増幅器を必要とせず、流量計のローコスト化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のブロック図である。
【図２】図１の実施例の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図３】図１の実施例のタイミング図である。
【図４】超音波流量計の原理を説明する略図である。
【図５】従来の超音波流量計の受信波検知部の動作を説明する電気信号波形の図である。
【符号の説明】
１，２超音波送受波器
３流管
４受信波検知部
９増幅器
１１比較部

Claims

送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、増幅器と比較部で構成され、１回目の受信は前記増幅器に増幅度自動調整機能を持たせて１つの発信による一群の受信波のうち特定番目と判断した波がゼロクロスする点を到達ポイントとし、
第２回目以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにし、
前記第２回目以降の受信は前記増幅器の増幅度を順方向時も逆方向時も決められた同じ増幅度で行うようにしたことを特徴とする超音波流量計。
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、増幅器と比較部で構成され、最初の受信は前記増幅器に増幅度自動調整機能を持たせて１つの発信による一群の受信波のうち特定番目と判断した波がゼロクロスする点を到達ポイントとし、
第２回目以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにし、
最初の受信波を検知すると行われる送信を第１の送信としたもので、
前記第２回目以降の受信は前記増幅器の増幅度を順方向時も逆方向時も決められた同じ増幅度で行うようにしたことを特徴とする超音波流量計。
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、増幅器と比較部で構成され、最初の受信は前記増幅器に増幅度自動調整機能を持たせて１つの発信による一群の受信波のうち特定番目と判断した波がゼロクロスする点を到達ポイントとし、
最初の受信波を検知すると行われる送信を第１の送信としたもので、
以降の受信は前回の送信から到達ポイントまでの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを到達ポイントとするようにし、
前記以降の受信は前記増幅器の増幅度を順方向時も逆方向時も決められた同じ増幅度で行うようにしたことを特徴とする超音波流量計。
一定時間を超音波の約半周期分の時間としたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の超音波流量計。