JP6500243B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波を利用してガスなどの流体の流れを計測する流量計測装置に関するものである。

従来のこの種の流体の流量計測装置は、図５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）。

この流量計測装置は、流体の流れる流路１２１に設置した第１超音波振動子１２２および第２超音波振動子１２３と、第１超音波振動子１２２、第２超音波振動子１２３の送受信を切り換える切換手段１２４と、第１超音波振動子１２２及び第２超音波振動子１２３を駆動する送信手段１２５と、受信側の超音波振動子で受信し切換手段１２４を通過した受信信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段１２６と、増幅手段１２６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段１２７とを備えている。

そして、図６に示すように基準比較手段１２７で増幅後の受信信号Ａと基準電圧Ｖｒを比較し基準電圧Ｖｒより受信信号が大きくなった後の受信信号のゼロクロス点ａを検知する判定手段１２８と、この判定手段１２８で検知したタイミングから超音波の送受信の伝播時間を計時する計時手段１２９と、送信手段１２５や増幅手段１２６の制御を行い、計時手段１２９の計時した時間に基づいて流速及びまたは流量を算出する制御手段１３０、から構成されている。

そして、制御手段１３０により送信手段１２５を動作させ第１超音波振動子１２２で発信された超音波信号が、流れの中を伝播し第２超音波振動子１２３で受信され、増幅手段１２６で増幅後、基準比較手段１２７と判定手段１２８で信号処理され、計時手段１２９に入力される。

次に、第１超音波振動子１２２と第２超音波振動子１２３とを切換手段１２４により切り替えて、同様な動作を行うことで、被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝播時間を計時手段１２９により測定する。

ここで、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流への伝播時間をｔ１、下流から上流への伝播時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφとすると、流量Ｑは次式で求めることが出来る。

Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（ｎ／ｔ１−ｎ／ｔ２） ・・・（式１）
実際には、（式１）に流量に応じた係数をさらに乗じて流量を算出する。

また、増幅手段１２６の増幅率は、受信側の超音波振動子で受信した信号が一定の振幅となるよう制御手段１３０が増幅度を調整しており、受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。

計測中に、図７の点線で示す受信信号ｂに示すように受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲の下限より下回ったり、同じく図７の点線で示す受信信号ｃに示すように所定の電圧範囲の上限より上回った場合、次回の流量計測時の増幅率を調整する。例えば、下限より下回った場合は増幅度をアップして、図７の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の
上限、下限の内に入るようにする。

また、増幅手段１２６により増幅された受信信号と比較する基準比較手段１２７の基準電圧は判定手段１２８により検知するゼロクロス点の位置を決めるもので図６を例にすると受信信号の４波目のゼロクロス点ａを判定手段１２８により検知するよう、空気中を伝播するときの受信信号の３波と４波のピーク電圧の中点の電圧に設定される。

そうすることにより何らかの原因で受信信号の３波のピーク電圧が上昇、または４波のピーク電圧が減少しても双方に対してマージンをとれ、安定して判定手段１０により４波目のゼロクロス点ａが検知できるものである。

なお、上記の特許文献１の記載のものでは、基準電圧が常時固定値であった為、例えば、安定してゼロクロス点を検知するために図６に示すように、空気中を伝播するときの受信波のピーク電圧の間隔が一番広い３波ピークと４波ピークの中点に基準電圧を設定しているが、計測対象が空気から空気以外のガスに変わった場合、ガスによっては受信波形が空気の場合から大きく変化する場合があり、その結果、受信信号の３波のピークが大きく上昇した場合は３波目のゼロクロス点を誤検知してしまう、或いは、受信信号の４波のピークが大きく減少した場合は５波目のゼロクロス点を誤検知してしまうといった課題を有していた。

この対策として、増幅手段１２６での増幅度に応じて基準電圧を変化させることで、様々なガスに対し安定して４波のゼロクロス点を測定できるようにする方法もあった（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１０６８８２号公報 特開２０１４−１６１９２号公報

上記のような超音波の伝播時間を利用して流量を計測する方式として、流路の同一面に一対の超音波振動子を設け、一方の超音波振動子から送信した超音波信号を流路の内面に反射させて他方の超音波振動子で受信することで伝播距離を長くして計測精度を向上する伝播方式（Ｖパス或いはＷパス等と称される）がある。

しかしながら、この様なＶパス或いはＷパス方式に上記従来の流量計測装置の計測方法を用いた場合、計測対象が空気から空気以外のガスに変わった場合などでは問題なく計測できるものの、流路内に結露が発生し、この結露が超音波の反射面に付着した場合には、反射波の波形が大きく変化し検知対象の波（特許文献１，２における４波）のゼロクロスを検出できなくなるという課題が有った。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波の反射面に水滴の付着を推定できる現象が発生した場合に基準電圧の調整を行うことで安定して検知対象の波のゼロクロス点を測定できるようにして、計測精度の低下をきたすことのない流量計測装置の提供を目的とするものである。

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、被測定流体が流れる流路に設けられ前記流路内壁に少なくとも１回反射させて超音波信号を送受信するように配置
された一対の超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動する送信手段と、前記超音波振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記超音波振動子の受信信号を振幅まで増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準電圧を調整して設定する基準電圧設定手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記判定手段で判定した超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時手段と、前記計時手段で計時した伝播時間に基づいて前記被測定流体の瞬時流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記増幅手段により定期的に増幅率の調整を行い、前回と今回の増幅率が所定値以上変化し、且つ、前記流量演算手段で演算された瞬時流量が所定流量以下の場合、前記基準電圧設定手段で前記基準電圧を調整するものである。

これによって、水滴の付着を推定できる現象が発生した場合に基準電圧の調整を行うことで安定して検知対象の波のゼロクロス点を測定できるようにして、計測精度の低下をきたすことがない。

本発明の流量計測装置は、水滴の付着を推定できる現象が発生した場合に基準電圧の調整を行うことで安定して検知対象の波のゼロクロス点を測定できるようにして、計測精度の低下をきたすことがない。

本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図 基準電圧の設定方法を説明するための説明図 基準電圧設定手段における仮の基準電圧の設定方法を説明するフローチャート 仮の基準電圧を正式の基準電圧とする判定方法を説明するフローチャート 従来の流量計測装置の構成図 従来の受信信号からゼロクロス点ａの判定の動作説明図 増幅度調整の動作説明図

第１の発明は、被測定流体が流れる流路に設けられ前記流路内壁に少なくとも１回反射させて超音波信号を送受信するように配置された一対の超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動する送信手段と、前記超音波振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記超音波振動子の受信信号を振幅まで増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準電圧を調整して設定する基準電圧設定手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記判定手段で判定した超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時手段と、前記計時手段で計時した伝播時間に基づいて前記被測定流体の瞬時流量を演算する流量演算手段と、を備え、前記増幅手段により定期的に増幅率の調整を行い、前回と今回の増幅率が所定値以上変化し、且つ、前記流量演算手段で演算された瞬時流量が所定流量以下の場合、前記基準電圧設定手段で前記基準電圧を調整するものである。

これによって、水滴の付着を推定できる現象が発生した場合に基準電圧の調整を行うことで安定して４波のゼロクロス点を測定できるようにして、計測精度の低下をきたすことがない。

第２の発明は、特に、第１の発明の流量計測装置において、前記基準電圧設定手段による前記基準電圧の調整後、前記流量演算手段で演算された瞬時流量が前記所定流量を超えた場合、前記基準電圧を調整前の基準電圧に再設定することを特徴とするものである。

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限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜４を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置の構成図を示すものである。図２は、水滴の有無による受信信号の増幅後の波形と受信信号からゼロクロス点の判定の動作説明図であり、図において、実線が水滴無し、点線が水滴有りの場合の受信波形を示している。図３、図４は、基準電圧設定手段における基準電圧の設定を説明するフローチャートである。

図１において、本発明の流量計測装置１４は、被測定流体が流れる流路１の途中に超音波を送受信する第１超音波振動子２と第２超音波振動子３が距離を置いて流路１の同じ面１ｂ(図では上面)に配置されている。

第１超音波振動子２と第２超音波振動子３は共に超音波の送信と受信の機能を備えており、切換手段４によりその機能が選択され、送信側に選択された超音波振動子（第１超音波振動子２又は第２超音波振動子３）には、送信手段５の出力信号が供給され、受信側に選択された超音波振動子（第１超音波振動子２又は第２超音波振動子３）で受信された超音波は超音波信号として受信手段６に供給される。

第１超音波振動子２が送信側、第２超音波振動子３が受信側に設定された場合には超音波は図の矢印Ａ、Ｂで示すように、第１超音波振動子２で送信された超音波は流路１の内壁１ａに反射して第２超音波振動子３に到達する伝播経路をたどる。第１超音波振動子２が受信側、第２超音波振動子３が送信側に設定された場合にはこの逆の伝播経路をたどることになる。

受信手段６で供給された超音波信号は受信信号として、次の増幅手段７に送られ、増幅手段７で受信信号の最大電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。なお、増幅手段７における増幅率の調整方法は従来と同様であり説明は省略する。

基準比較手段８は、増幅手段７で増幅された受信信号と基準電圧設定手段９で設定された基準電圧とを比較し信号を出力する。

基準電圧設定手段９は、受信信号の検知対象の波を検知できるように適切に基準電圧を設定するものであり、本実施の形態では検知対象の波を４波としており、従来と同様に増幅後の受信信号の３波のピークと４波のピークの中間の電圧に基準電圧を設定する。

次に、基準比較手段８の出力と増幅手段７で増幅された受信信号とから超音波の到達時期が判定手段１０で判定され、計時手段１１は、判定手段１０で判定された超音波の到達時期から超音波の送受信の伝播時間を計時する。

そして、流量演算手段１２は、計時手段１１の計時した伝播時間に応じて流体の流速や瞬時流量あるいは、所定期間ごとの平均流量を算出する。

なお、これら図１の点線で囲まれた各手段は、制御手段１３としてのマイクロコンピュータ等によって制御される。

以上のように構成された流量計測装置１４について以下その動作、作用を説明する。

まず、流量計測を開始すると制御手段１３は切換手段４で第１超音波振動子２を送信側、第２超音波振動子３を受信側に設定した後、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する。この時から計時手段１１は計時を開始する。

次に、超音波信号は前述の伝播経路ＡからＢをたどり、受信側に設定された第２超音波振動子３で受信された超音波信号は受信信号として増幅手段７で増幅され、基準比較手段８、判定手段１０へ出力される。

基準比較手段８は、増幅手段７による増幅後の受信信号と基準電圧Ｖｒ（図２では実線で示す受信信号のＡの３波ピークと４波ピークの中点を基準電圧にしている）とを比較し判定手段１０へ信号を出力する。

判定手段１０は、基準比較手段８の信号が出力された時点（図２でのタイミングｃ）から有効になる。判定手段１０が有効になってから増幅手段７出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点（図２でのゼロクロス点ａ）を検知する出力信号Ｄの出力タイミングまで計時手段１１は計時を行う。

判定手段１０によりゼロクロス点（図２でのゼロクロス点ａ）の検知後、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３の送受信を切換手段４で切り換え、同様に第２超音波振動子３から送信し第１超音波振動子２で受信したときの伝播時間の計時を計時手段１１で行う。

そして、この一連の動作を予め設定された回数繰り返し行い、求められた伝播時間に基づいて、流量演算手段１２で被測定流体の流量を演算する。

以上は、流路１の内壁１ａの超音波の反射面に水滴が付着していない場合であるが、次に、反射面に水滴が付着した場合の動作について説明する。

超音波の反射面に水滴が無い場合に比べ、反射面に水滴が付着すると超音波信号の反射角度が一方向にならない等の影響で受信側の第２超音波振動子３に到達する超音波信号の減衰が大きくなると同時に波形そのものが変化する。

例えば、超音波信号の１波〜３波に比べてそれ以降の大きな振幅の４波〜６波の減衰が大きかった場合、増幅手段７は減衰の大きい最大振幅である６波が所定の振幅になるように増幅することになる。即ち、水滴が無い場合に比べ増幅率は大きくなる。従って、減衰の小さかった１波〜３波の増幅後の振幅は水滴が無い場合に比べ相対的に大きくなり、図２の点線で示す受信信号Ｂのような波形となる。

従って、図２に示す事例では、基準電圧Ｖｒがそのままであった場合には、３波を検知してしまい、基準比較手段８の出力はタイミングｃ’となりゼロクロス点ａ’で判定手段１０から信号が出力される。

つまり、本来４波を検知すべきところ、３波を検知してしまうために、計時手段１１で計時される伝播時間は超音波信号の１波長分短い時間となり、流量演算手段１２で演算される流量はその分少ない流量として求められることになる。

そこで、本実施の形態においては、制御手段１３が、所定の条件を満たす場合に反射面に水滴が付着したと判断して、基準電圧設定手段９が設定する基準電圧を調整することで
、４波を正しく検出できるようにしている。以下、図３に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、制御手段１３は、増幅手段７で定期的（例えば、１分毎）に増幅率を調整して、受信信号の最大振幅を所定の振幅に増幅し（Ｓ１０１）、前回の増幅率と今回の増幅率の差（増幅率差）を求め、この増幅率差が所定の判定値以上であり（Ｓ１０２のＹｅｓ）、更に、その時に流量演算手段１２で演算された瞬時流量Ｑｉが所定流量以下であれば（Ｓ１０３のＹｅｓ）、基準電圧の調整を行う（Ｓ１０４）。

ここでの基準電圧設定手段９が設定する基準電圧の調整方法は、水滴の付着の無い場合と同様であり、点線で示す受信信号Ｂの３波のピーク電圧と４波のピーク電圧の中間に基準電圧Ｖｒ’を設定する。この調整で得られた基準電圧Ｖｒ’を仮の基準電圧と設定して次回の流量計測における基準電圧とする。

次に、仮の基準電圧の設定後に、この仮の基準電圧を正式に採用するかどうかの判定方法を図４に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、現在設定されている基準電圧が仮の基準電圧かどうかを判定し（Ｓ２０１）、仮の基準電圧で有れば、瞬時流量Ｑｉを求めて、この瞬時流量Ｑｉが所定流量以下であるかどうかを判定し（Ｓ２０２）、所定流量以下であれば、現在仮の基準電圧を正式な基準電圧として採用する。

もしも、所定流量を超えていれば、仮の基準電圧を破棄し、調整前の基準電圧を正式な基準電圧として維持する。

なお、ここでの所定流量は、計測系の異常が発生することで正常に流量が計測できない状態を判別するための流量であり、通常の計測範囲を超えた値に設定される。

以上のように、本実施の形態によると、超音波の反射面に水滴の付着が発生しても、基準電圧の調整を行うことで安定して４波（検知対象の波）のゼロクロス点を測定でき、計測精度の低下をきたすことのない流量計測装置を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、超音波を用いて、所謂Ｖパス、Ｗパスと称されるような流路内壁に反射させて伝播時間を計測して流量を演算する場合に、反射面に水滴が付着した場合でも正確な流量を計測することが可能であり、様々な気体の計測器や家庭用から業務用に至る大型のガスメータ等の幅広い用途に適用できる。

１ 流路
２ 第１超音波振動子
３ 第２超音波振動子
４ 切換手段
５ 送信手段
６ 受信手段
７ 増幅手段
８ 基準比較手段
９ 基準電圧設定手段
１０ 判定手段
１１ 計時手段
１２ 流量演算手段
１３ 制御手段
１４ 流量計測装置

Claims (1)

1. 被測定流体が流れる流路に設けられ前記流路内壁に少なくとも１回反射させて超音波信号を送受信するように配置された一対の超音波振動子と、
   前記超音波振動子を駆動する送信手段と、
   前記超音波振動子の送受信を切り換える切換手段と、
   前記超音波振動子の受信信号を振幅まで増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段の出力と基準電圧とを比較する基準比較手段と、
   前記基準電圧を調整して設定する基準電圧設定手段と、
   前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、
   前記判定手段で判定した超音波信号の到達時期から前記超音波信号の送受信の伝播時間を計時する計時手段と、
   前記計時手段で計時した伝播時間に基づいて前記被測定流体の瞬時流量を演算する流量演算手段と、を備え、
   前記増幅手段により定期的に増幅率の調整を行い、前回と今回の増幅率が所定値以上変化し、且つ、前記流量演算手段で演算された瞬時流量が所定流量以下の場合、前記基準電圧設定手段で前記基準電圧を調整し、前記基準電圧の調整後、前記流量演算手段で演算された瞬時流量が前記所定流量を超えた場合、前記基準電圧を調整前の基準電圧に再設定することを特徴とする流量計測装置。

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