JP5906388B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は時間計測を利用してガス、水などの流体の流を計測する流量計測装置に関するものである。

従来この種の流体の流量計測装置は、図９に示すようなものが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。

この装置は、流路１の上流側と下流側とに第１振動子２、第２振動子３を設けて構成されている。流路１内の白抜き矢印４は流体の流れ方向（一点鎖線６）を示し、超音波の伝播路５（破線）とは角度θで交叉している。

この構成において、送信手段７から送信信号が切換手段８を介して上流側の第１振動子２に伝達され、超音波が流路１内に送信され、下流側の第２振動子３で受信される。受信された超音波信号は切換手段８を介して受信手段９に伝達される。この時、時間計測手段１０において送信から受信までの時間が計測される。

次に、送信手段７から送信信号が切換手段８を介して下流側の第２振動子３に伝達され、超音波が流路１内に送信され、上流側の第１振動子２で受信される。受信された超音波信号は切換手段８を介して受信手段９に伝達される。この時、時間計測手段１０において送信から受信までの時間が計測される。

なお、時間分解能を上げたい場合には、受信手段９で超音波信号を受信したら、時間計測手段１０を素通りし、送信手段７に信号を伝達し、２〜２５６回もの多数回繰り返し送信、受信をする方法がある（シングアラウンド計測方法）。この場合には、時間計測手段１０では、繰り返し回数とト−タル時間とが計測される。

ここで、第１振動子２、第２振動子３間の有効距離をＬ、流体の流速をＶ、流体中を伝播する超音波の音速をＣ、流体の流れ方向と超音波の伝播方向の交差角をθとすると、上流側の第１振動子２から下流側の第２振動子３への超音波の伝播時間Ｔａおよび下流側の第２振動子３から上流側の第１振動子２への超音波伝播時間Ｔｂは、以下のように示される。

Ｔａ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
Ｔｂ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
これより、
Ｃ＋Ｖｃｏｓθ＝Ｌ／Ｔａ
Ｃ−Ｖｃｏｓθ＝Ｌ／Ｔｂ
よって、２×Ｃ＝Ｌ（１／Ｔａ＋１／Ｔｂ）
これより、超音波の音速は、上記２式を足し算し、
Ｃ＝（Ｌ／２）×（１／Ｔａ＋１／Ｔｂ）となる。
また、流体の流速Ｖは、上記２式を引き算し、
２×Ｖｃｏｓ（θ）＝Ｌ（１／Ｔａ−１／Ｔｂ）となる。
これより、流体の流速Ｖは、
Ｖ＝Ｌ／２×ｃｏｓθ×（１／Ｔａ−１／Ｔｂ）
と演算される。

ここで、超音波送受信器間の有効距離Ｌおよび交差角θは、予め決められた定数であるから、超音波の伝播時間ＴａおよびＴｂを時間計測手段１０で計測することにより、流体の流速Ｖが得られる。また、予め決められた流路１の断面積を乗算することにより、流体の流量Ｑが演算される。以上の演算処理は流量演算手段１１で実施される。

図１０に、第１振動子２、第２振動子３で送信、受信される信号を示す。矩形波１３は、第１振動子２あるいは第２振動子３に印加される送信信号を示す。正弦波状の受信信号１４は、第１振動子２あるいは第２振動子３で受信、増幅された受信信号を示す。

一般的に時間計測の受信点は、受信信号がある閾値（破線１５）を越えた次のゼロクロス点１６を用いることが多い。この場合、送信信号の矩形波の立上がり時点Ｔｓｔが送信開始時刻であり、ゼロクロス点１６が受信時刻Ｔａｒなる。

したがって、計測される超音波の伝播時間Ｔｐｒは、時刻Ｔａｒと時刻Ｔｓｔ間の時間となる。すなわち、Ｔｐｒ＝Ｔａｒ−Ｔｓｔとなる。

しかしながら、図１０の受信信号１４から明らかなように、伝播してきた超音波が第１振動子２あるいは第２振動子３によって受信される時刻は、受信信号１４の先頭である時刻Ｔｒｅである。時刻Ｔｒｅと時刻Ｔａｒとの間の時間遅れＴｄは、受信側の第１振動子２または第２振動子３に超音波が到着したあと、受信手段９で受信されるまでの時間遅れＴｄと考えることができる。

この時間遅れＴｄは、第１振動子２あるいは第２振動子３の個々の特性に大きく依存している。したがって、上流側の第１振動子２から下流側の第２振動子３への超音波の伝播時間Ｔａの中には、受信側の超音波送受信器である下流側の第２振動子３の特性で決まる時間遅れ（Ｔｄ９とする）が含まれる。また、下流側の第２振動子３から上流側の第１振動子２へ超音波伝播時間Ｔｂの中には、受信側の超音波送受信器である上流側の第１振動子２の特性で決まる時間遅れ（Ｔｄ８とする）が含まれる。

このように、超音波送受信器の特性で決まる固有の時間遅れＴｄ８およびＴｄ９を、オフセット値として予めオフセット値記憶手段１２に記憶させておき、上記で説明した流量演算時に、それぞれ計測された超音波の伝播時間ＴａおよびＴｂから、それぞれのオフセット値Ｔｄ８およびＴｄ９を引き算処理することにより、より正確な超音波伝播時間が得られることになり、より正確な流量値が演算される。

この場合、上流側および下流側のオフセット値は、それぞれの第１振動子２および第２振動子３で受信された受信波形の周期の２．５倍である。このように受信側の超音波送受信器のオフセット値を計測された超音波伝播時間から差し引くことにより、流量値を高精度に演算することができ、精度の高い流量計測装置が実現できる。

特開平１１−３０４５５９号公報

しかしながら、第１振動子２，第２振動子３の特性から生じるオフセット量を補正する流量計測だけでは温度変化がある場合に対応できない課題を有していた。すなわち、従来の流量計測装置では、微小な温度変化がある場合に受信部分の電気回路を含めた温度変化に伴う温度オフセットを補正する対応ができないという課題がを有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、基準クロックの温度特性を利用して温度変化に起因するオフセット流量の補正を行う流量計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流路を流れる被測定流体の流量信号を検出する流量信号検出手段と、前記流量信号検出手段で検出された流量信号から流量を算出する流量演算手段と、前記流量信号検出手段と前記流量演算手段を実現する電子回路と同一の半導体上、もしくは同一のプリント基板上に構成され、前記流量信号検出手段の計測に用いる基準クロックを発生する発振回路と、前記発振回路における温度変化に起因する周波数変化から前記電子回路の温度を求める温度演算手段と、前記温度演算手段で算出した温度と、予め求めておいた温度とオフセット流量との関係に基づいて、前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度でのオフセット流量を求めて補正する流量補正手段と、を備えたものである。

これによって、算出された流量を所望の温度におけるオフセット流量で補正することが可能になる。

本発明の流量計測装置によれば、基準クロックの温度特性による変化から温度を求めることで、該温度に対するオフセット流量で流量を補正することができ、流量計測の精度向上が実現できる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 同計測装置における送信受信波を示すタイミングチャート 同計測装置における受信波を示す図 同計測装置における基準クロックと送信波のタイミングチャート 同計測装置における基準クロックと受信波のタイミングチャート 同計測装置における基準クロックと基準クロックＢの動作を示すタイミングチャート 同計測装置における基準クロックＢの周波数と温度の関係を示すグラフ 同計測装置におけるオフセットを示すタイミングチャート 従来の流量計測装置のブロック図 従来の流量計測装置の受信波を示すタイミングチャート

第１の発明は、流路を流れる被測定流体の流量信号を検出する流量信号検出手段と、前記流量信号検出手段で検出された流量信号から流量を算出する流量演算手段と、前記流量信号検出手段と前記流量演算手段を実現する電子回路と同一の半導体上、もしくは同一のプリント基板上に構成され、前記流量信号検出手段の計測に用いる基準クロックを発生する発振回路と、前記発振回路における温度変化に起因する周波数変化から前記電子回路の温度を求める温度演算手段と、前記温度演算手段で算出した温度と、予め求めておいた温度とオフセット流量との関係に基づいて、前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度でのオフセット流量を求めて補正する流量補正手段と、を備えたものである。

そして、温度を高精度で求めることにより算出された流量を所望の温度におけるオフセット流量を求めて、計測された流量を補正することが可能になる。

第２の発明は、流路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子からの信号を受信する受信手段と、一方の前記振動子を駆動し超音波信号の送受信の伝播時間を計時する時間計測手段と、前記時間計測手段により計測した伝播時間から流体の流速を計測し、該流速から体積流量を算出する流量演算手段と、前記時間計測手段と前記流量演算手段を実現する電子回路と同一の半導体上、もしくは同一のプリント基板上に構成され、前記時間計測手段において伝播時間を計測するための基準クロックを発生する発振回路と、前記発振回路における温度変化に起因する周波数変化から前記電子回路の温度を求める温度演算手段と、前記温度演算手段で算出した温度と、予め求めておいた温度とオフセット流量との関係に基づいて、前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度でのオフセット流量を求めて補正する流量補正手段と、を備
えたものである。

そして、温度に基づいて流量演算手段で算出された流量を所望の温度におけるオフセット流量を求めて、計測された流量を補正することが可能になる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記流量補正手段は、前記時間計測手段で計時された伝播時間と前記温度演算手段で求めた温度から特定されるオフセット量の補正値を学習する補正学習手段を有すること、を特徴とするものである。

そして、温度によるオフセット量を学習することにより補正の精度を向上することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が特定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置のブロック図を示すものである。図２は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置の送受信動作のタイミングチャートである。

図１において、流路１の途中に超音波を送受信する第１振動子２と第２振動子３が配置されている。そして、第１振動子２または第２振動子３を駆動する送信手段７、第１振動子２または第２振動子３からの超音波信号を受信する受信手段９、超音波信号の送受信の伝播時間を計時する時間計測手段１０、時間計測手段１０により計測した伝播時間から流体の流速を計測し、該流速から体積流量を算出する流量演算手段１１を有している。

更に、時間計測手段１０における時間計測の為の基準クロックを発生する発振回路２１、発振回路２１における温度変化に起因する周波数変化から温度を求める温度演算手段２２、温度演算手段２２で算出した温度に基づいて、流量演算手段１１で算出された流量を所望の温度におけるオフセット流量を求めて補正する流量補正手段２３を有するものである。

なお、送信手段７と第１振動子２、および第２振動子３と受信手段９の間に切換手段８を設け、第１振動子２と第２振動子３が超音波の送受信を切換えて動作するようにしている。

次に、超音波の伝播時間を求める方法について、通常の流速または流量計測の動作を説明する。

制御手段２０からスタート信号（図２（ａ）のＨ→Ｌ）を受けた送信手段７が第１振動子２を一定時間パルス駆動行う（図２（ｂ））と同時に時間計測手段１０は発振回路２１の基準クロックを用いて時間計測を始める。

そして、パルス駆動された第１振動子２からは超音波が送信され、第１振動子２から送信した超音波は被測定流体中を伝播し、第２振動子３で受信される。第２振動子３の受信出力は、受信手段９で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。この超音波の受信を決定した時点で時間計測手段１０の
動作を停止し、その時間情報ｔから次式（式１）によって流速を求める。

なお、受信手段９は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっている。

時間計測手段１０から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、流体の流れ方向と超音波の伝播方向の交差角をθ、音速をＣ、被測定流体の流速をＶとする。）
Ｖ＝（１／ｃｏｓθ）×（Ｌ／ｔ）−Ｃ ・・・（式１）
また、第１振動子２と第２振動子３との送信、受信方向を切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝播時間を測定し、次式（式２、３、４）より流速Ｖを求めることができる。

ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ×ｃｏｓθ）・・・・・・・・（式２）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ×ｃｏｓθ）・・・・・・・・（式３）
Ｖ＝（Ｌ／２×ｃｏｓθ）×（１／ｔ１−１／ｔ２）・・・（式４）
ここで、ｔ１は上流から下流への測定時間、ｔ２は下流から上流への測定時間である。

この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速Ｖが求まると、それに流路１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

従来の動作を図２のタイミングチャートと図３の受信波形で説明する。制御手段２０による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始する（図２（ａ））と共に送信手段７を介して第１振動子２を駆動する（図２（ｂ））。

そして、第１振動子２で発生した超音波信号は流路１内を伝播し時刻ｔ１で第２振動子３に到達したと検知される（図２（ｃ））。具体的には、受信信号が受信手段９で増幅されその信号レベルが予め定めた値（Ｖｒｅｆ）になると受信波が到達したことを判定し、Ｖｒｅｆを超えた後の最初の零クロス点（ｔａ）を受信点とする。この点ｔａまでの時間を時間計測手段１０で求める。

次に、切換手段８で送受信を切換えて同様の動作を行い時間計測手段１０で求めた時間と前述で求めた時間に基づいて流量演算手段１１が流量を算出する。

ここで、発振回路２１で生成されている基準クロックの動作を、図４及び図２の受信時刻ｔ１付近を拡大した図５を用いて説明する。

まず、図４に示すように、振動子への駆動信号（送信波）の開始時刻ｔ０で基準クロックが動作を始め伝播時間計測の基準となるクロック波形を発生する。

そして、受信点（ｔａ）での動作は図５に示ように、受信手段９で入力した信号である受信波（ｃ）が基準電圧である零点を通過する点、零クロス点（ＺＣ）に達した時を受信点としている。ここで、時間計測手段１０は、伝播時間として送信波を出した時刻ｔ０からｔ１までを基準クロック（ｄ）で測定する。

しかし、基準クロックの分解能を上げるため高速発振すると多大な電力が必要となり、ガスメータのような電池で動作する機器においては実現が難しい。このため本発明では基準クロックは基本的に制御手段が利用しているマイコン等の動作周波数である数ＭＨｚの発振と、受信点近傍のみ動作する高速の基準クロックＢ（ｅ）を用いて、次に示す方法で
高精度の時間計測を行っている。

つまり、ｔ０から連続に動作している基準クロックがｔ１までにカウントしたクロック数と、零クロス点を通過すると動作する基準クロックよりも高速の基準クロックＢがパルスを発生し、ｔ１から次の基準クロックの立ち上がりｔ２までの時間をそのパルス数をカウントすることで計測する。

これにより、伝播時間は、ｔ２までの基準クロック数でカウントした時間からｔ１−ｔ２間でカウントした基準クロックＢでカウントした時間を差し引くことで高精度で、しかも省電力で計測することが可能になる。

ここで、基準クロックＢはｔ１になった時点で発振を開始しなければならないため通常の水晶振動子のようなものでは立ち上がりが遅く実現不可能であり、また非同期で発振を開始する必要があるためリングオシレータを用いている。

しかしながら、リングオシレータのような半導体で実現する発振回路は温度依存性があるため、その発振周波数は動作温度域内で一定とすることは難しい。このため本実施の形態で示す発振回路２１では図６に示すように温度依存性が非常に小さい基準クロックの単位周期（例えば、ｔａからｔｂの１周期）内の基準クロックＢのカウント数を定期的に測定することで基準クロックＢの発振周波数すなわちパルス幅を測定している。このためリングオシレータの１パルスの時間間隔を正確に把握することができる。

そして、このリングオシレータの発振周波数を定期的に測定することでリングオシレータの温度依存性を用いて温度演算手段２２で温度を求めることができる。

即ち、図７に示すように半導体内部の発振動作は温度依存性があるためリングオシレータの発振周波数すなわち基準クロックＢの周波数を図６のような方法で測定することで周波数から温度を演算で求める。

例えば、図７に示すように基準クロックＢの発振周波数がｆ１の場合の温度はＴ１，ｆ２の場合はＴ２のように事前に求めておけば、内挿などにより任意の発振周波数ｆｘにおける温度Ｔｘを推定できる。同様にすれば、ｆ１より高い周波数やｆ２より低い周波数の場合でも外挿などにより補間して温度を求めることができる。

この周波数と温度の関係は、例えばリングオシレータを内蔵した半導体を検査する際などにあらかじめ求めて不揮発性の記憶手段にその関係を保存することで温度演算手段２２の演算を容易にすることができる。

このように発振回路２１の温度特性を用いて温度演算手段２２で温度を求める。

次に、この温度を用いてオフセット流量を補正する方法を説明する。

基準クロックＢに用いるリングオシレータなどの半導体は温度依存性がある。同様に計測部を実現している電子回路も温度依存性があり零点となる基準電圧も温度によって変動する可能性がある。

例えば、図８に示すように通常室温と呼ばれる温度２５℃での零点電圧を零基準ｐとすると回路によっては低温になると零基準ｑとなり伝播時間となる零クロス点通過時間はｔ１ｑと早くなる。反対に高温では零基準ｒとなり伝播時間となる零クロス点通過時間はｔ１ｒと遅くなる。

この零クロス点の特性が上流側の第１振動子２が送信側の場合と、下流側の第２振動子３が送信側の場合で使用する送信手段７から受信手段９までの経路による温度特性が異なると零基準が異なるだけでなく、伝播時間そのものに差を発生することがあり、伝播時間に差があると上述しているように流量演算において流量のオフセットが発生する。

このオフセットを温度演算手段２２で求めた温度と流量演算手段１１で求めた流量を用いて流量補正手段２３で補正して再度、流量演算手段１１に返して流量を求めることが可能である。

例えば、ガスメータでは昼間直射日光が当たる場合には５０℃近くまで温度が上昇することがある。そして、その温度はほぼ一定になる。また、夜中は１０℃近辺、寒冷地の冬場などは−１０℃以下でほぼ一定になる場合がある。

このような時間帯は通常ガスは使用していないことが多く、流量は０が続くことが多い。そこで、流量演算手段１１で求めた流量が０でない値で継続する場合は実際の流量は０であると見做して、この時計測された流量を振動子や計測回路で発生したオフセット流量として流量補正手段でその温度とオフセット流量を記憶しておく。

昼間の高温と夜中の低温での２点での温度−オフセット流量を記憶するとそれ以外の温度でのオフセット流量は発振回路２１の基準クロックＢを用いて温度演算手段２２で算出した温度を用い、例えばその高温、低温の流量２点の内挿で、オフセット流量を推定して補正することが可能になる。なお、温度測定は計測中に定期的に図６のような周波数測定で求めることができ、ほぼ同時刻での温度を求めることが可能である。

また、流量０が継続する時間が利用者によって異なるが、上述した昼間、夜中のように予め定めた流量以下である一定した流量が連続して継続している場合には０流量でオフセット成分であると判断して温度−オフセット流量を流量補正手段２３に記憶して学習することが可能である。

このように、０流量でのオフセット量を温度で補正することにより流量演算を精度よく実現することが可能になる。

また、高温低温の２点だけでなく、室温を加えた３点での温度におけるオフセット流量を流量計測装置を製造する過程や計測部の製造過程において予め測定して記憶させておくことも可能である。

さらに、本実施の形態の温度を求める方法によると、サーミスタや熱電対のような専用の温度検出手段を別途設ける必要が無く実施が容易である。また、リングオシレータ等の基準クロックＢは送信手段７から流量演算手段１１を実現する電子回路と同一半導体上に構成が可能であり半導体の温度そのものを検出することが可能になり計測回路部の温度特性の補正が精度よく実現できる。更に、同一半導体に実現できなくても同一プリント基板には実現できるため近傍の温度を精度よく検出できることは変わりない。

なお、本実新形態においては、流量計測の方法として超音波を用いた例で示したが、これに限定されるものでは無く、熱式の流量計測装置など他の方式による流量計測でも時間を管理するクロックは搭載されているものであれば応用可能であることは言うまでもない。特にデジタル式の場合は基本的にクロックを有しおり、このクロックの温度特性を用いることにより同様のオフセット調整が可能であり、精密時間測定のためリングオシレータを用いる場合は、同様の効果が期待できる。

本発明の流量計測装置は、超音波伝播時間の計測に用いる基準クロックを発生する発振回路における温度変化に起因する周波数変化から温度を求める、その温度に基づいて流量演算手段で算出された流量を所望の温度でオフセット流量を補正する。

これにより、部品点数を増加することなく温度を検出するとともに、発振回路を用いるため微小な温度変化を検出でき、該温度に対する流量オフセット量を学習していくことでオフセット補正の精度向上が可能になる。

１ 流路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
７ 送信手段
９ 受信手段（流量信号検出手段）
１０ 時間計測手段
１１ 流量演算手段
２１ 発振回路
２２ 温度演算手段
２３ 流量補正手段

Claims (3)

1. 流路を流れる被測定流体の流量信号を検出する流量信号検出手段と、
   前記流量信号検出手段で検出された流量信号から流量を算出する流量演算手段と、
   前記流量信号検出手段と前記流量演算手段を実現する電子回路と同一の半導体上、もしくは同一のプリント基板上に構成され、前記流量信号検出手段の計測に用いる基準クロックを発生する発振回路と、
   前記発振回路における温度変化に起因する周波数変化から前記電子回路の温度を求める温度演算手段と、
   前記温度演算手段で算出した温度と、予め求めておいた温度とオフセット流量との関係に基づいて、前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度でのオフセット流量を求めて補正する流量補正手段と、
   を備えた流量計測装置。
2. 流路に設けられ超音波信号を送受信する一対の振動子と、
   前記振動子を駆動する送信手段と、
   前記振動子からの信号を受信する受信手段と、
   一方の前記振動子を駆動し超音波信号の送受信の伝播時間を計時する時間計測手段と、
   前記時間計測手段により計測した伝播時間から流体の流速を計測し、該流速から体積流量を算出する流量演算手段と、
   前記時間計測手段と前記流量演算手段を実現する電子回路と同一の半導体上、もしくは同一のプリント基板上に構成され、
   前記時間計測手段において伝播時間を計測するための基準クロックを発生する発振回路と、
   前記発振回路における温度変化に起因する周波数変化から前記電子回路の温度を求める温度演算手段と、前記温度演算手段で算出した温度と、予め求めておいた温度とオフセット流量との関係に基づいて、前記流量演算手段で算出された流量を所望の温度でのオフセット流量を求めて補正する流量補正手段と、
   を備えた流量計測装置。
3. 前記流量補正手段は、前記時間計測手段で計時された伝播時間と前記温度演算手段で求め
   た温度から特定されるオフセット流量の補正値を学習する補正学習手段を有する２記載の流量計測装置。
   

Images