JPS6242015A - 超音波流量計の温度補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 この発明は超音波流量計の温度補正方法に係り、特に流
れの上下流に超音波振動子を配設して相互に送信、受信
を行い、流体の流速によって送信から受信までの各々の
伝搬時間に差が生ずることな利用して流量を測定するよ
うにした非挿入式透過型超音波流量計の温度補正方法に
関する。

〔従来技術とその問題点〕

この種の非挿入式透過型超音波流量計を第４図に示す。

流体を導く配管（１）に流体の進行方向に互いに位置を
ずらせて超音波送受波器（２ａ）　、　（２ｂ）を配置
し、超音波送受波器（２ａ）から放射された超音波が超
音波送受波器（２ｂ）に到達する時間と、超音波送受波
器（２ｂ）から放射された超音波が超音波送受波器（２
ａ）に到達する時間との時間差に基すいて配管（１）内
の流体の速度から配管（１）内の流体の流量を求めるも
のである。このようにして使用される超音波送受波器と
して第２図に示す構造のものが知られている。図中符号
（３）は超音波振動子である。この超音波振動子（３）
は例えばジルコン・チタン酸鉛系のセラミックスなどの
圧電素子を円板上に成形し、その両面に銀電極を蒸着し
たもので、クサビ（４）は超音波振動子（３）から発生
する超音波を配管（１）に伝達するためのもので、エポ
キシ樹脂、アクリル樹脂、金属などの超音波伝搬部材に
よ多構成されている。またクサビ（４）の底面（５）は
超音波送受波器の使用に際して、配管（１）に音響的マ
ツチングを取るために介装材（６）を倉口て密着される
。このクサビ（４）の超音波振動子取付面（力は底面（
５）に対して角度θをもって斜めに形成されており、こ
れにより超音波振動子（３）から発生する超音波が底面
（５）に対して斜めに放射されるようになっている０ しかして、リード線（８１、（９）を介して超音波振動
子（３）に所定の周波数の交流を印加すると、超音波振
動子（３）が同周波数で振動して超音波パルス信号Ｐを
発生する。この超音波パルス信号Ｐはクサビ（４）を通
り、介装材（６）、配管（１）を介して、測定対象の流
体００）に入射し、配管（１）の対向面で反射して、再
び配管（１）、介装材（６）を介してクサビ（４）を通
り、超音波振動子（３）に到達すると、超音波振動子（
３）とリード線（８）　、　（９）に接続された電気回
路で測定信号に変換される。このようにして第５図に示
す超音波送受波器は超音波の送受信を行うのである。

このような構成の非挿入式透過型超音波流量計において
、流体の温度の変化、周囲温度の変化により、超音波振
動子の温度が変化すると以下に示す欠点を示す。超音波
振動子の共振周波数は温度依存性を有している０第６図
は振動子メーカーより提供された振動子別の共振周波数
の温度特性データである。第６図かられかるように、振
動子の振動周波数を２０℃でＩＭＨｚとし、温度特性を
３００ｐｐｍ／ｌとすると、Ｉ℃では１．０１５ＭＨｚ
１ｔｏｏ℃では１．０３０ＭＨｚとなる〇一方振動子の
共振周波数は振動子の材料によって定まる周波数定数と
振動子の厚みの積によって決まる〇一般に、振動子の厚
みを所定寸法に対して、１μｍの精度で合致させること
は困難であるし、コスト高の原因ともなる０第７図に納
入された超音波振動子の共振周波数のバラツキを示す。

しかし、これをいくら精度良く所定寸法に仕上げたとし
ても、振動子単体で使用出来ず、流量計の場合は振動子
をクサビに接着するので、もはやこの場合の共振周波数
は振動子単体のときの共振周波数と異なるのである。表
１に振動子単体の場合とクサビに増シ付けた場合の共振
周波数の相違を示す。

表　１ 以上のことから、超音波流量計に用いられる２個以上の
超音波振動子には必ず共振周波数の数％程度の周波数の
ずれがある。一方、超音波流量計を小口径管に適用する
と、管の厚み、内径、被測定流体によって異なるが、例
えば管の厚み３．２ｍ、内径：２５震、被測定流体が水
の場合、一方の超音波振動子から音波が送信され、超音
波振動子に受信されるまでの音波の伝搬時間はＶ法の場
合約５μ向、Ｚ法の場合１２．５μ冠で、流体の流速が
１ｍ／Ｓのときの超音波振動子（２ａ）の送信から超音
波振動子（２ｂ）の受信までの伝搬時間と超音波振動子
（２ｂ）の送信から超音波振動子（２ａ）の受信までの
伝搬時間との伝搬時間差はＶ法の場合約２５ｎｓｌ！ｃ
、Ｚ法の場合約１２．５１ｓｅｃとなる。市販の超音波
流量計の流速１ｍ／Ｓの時の測定精度が１％であること
から、この伝搬時間差を少なくとも０．１ｎｓｅｃで測
定する必要がある。伝搬時間の計測は以下のように行な
われる。送信状態になっている超音波振動子（２ａ）が
送信された瞬間、時間測定を開始し、超音波振動子（２
ｂ）での受信波が所望の闇値に達すると時間測定を終了
する０超音波流量計の場合受信状態になっている超音波
振動子（２ｂ）は流体中を伝搬してくる音波以外に、例
えば配管の周囲を伝搬してくる回り込み波などのノイズ
音波も受信する０従って、この闇値はノイズによって、
誤って伝搬時間を測定しないように、ノイズ音波レベル
よりも大きく設定されている。即ち、闇値を越える地点
での受信波は超音波振動子（２ａ）が送信された瞬間の
音波が伝搬して来た音波ではなく、それより数波分、後
で送信された音波である０言い換えれば、計測している
伝搬時間（送信された瞬間から、受信波が闇値を越える
までの時間）は、真の伝搬時間（送信された瞬間から、
送信された瞬間の音波が受信用の超音波振動子（２ｂ）
で受信されるまでの時間）と音波の数波分の周期に相当
する時間の和からなる。上流→下流、下流→上流への計
測伝搬時間は、流速が真の伝搬時間が同一であっても、
２個の振動子の共振周波数差による音波の数波分の周期
差に相当する時間分だけ異なることになり、流速が零で
あるにも関わらず、流れがあるかのように指示する。温
度が変化すると、振動子の共振周波数差が温度によって
変化し、音波の数波分の周期差に相当する時間分差が変
り、流速が変化したかのように指示を行う。第８図に流
速が零の時超音波振動子の共振周波数差による伝搬時間
差の発生の様子を示す０上流側振動子より上流側送信波
αυを送出し、下流側振動子で配管を伝搬して来た回り
込み波（１９と配管と流体を伝搬して来た配管内水中伝
搬波（イ）とからなる音波を受信し、下流側受信波０３
を得る。この下流側受信波０３）が予め定められた閾値
（１５）を越えた時に下流側受波有り°信号ＱＯを出す
。この上流側送信から下流側受波有シ信号までの時間が
送信からＡ点までの寞の伝搬時間と図中の３周期子宝か
ら闇値αωまで時間の和となる。下流側振動子より上流
側振動子への送信の場合も同様な波形となる。送信から
Ａ点までの時間は上下流側とも同一であるので、Ａ点か
ら闇値（１５）まで時間について、検討を行う。下流側
振動子は上流側振動子の送信周波数ｆｌの音波を受信し
、上流側振動子は下流側振動子の送信周波数ｆ２の音波
を受信するので、上下流の受信波のＡ点から閾値（１５
）までの時間（Ａ点からＢ点、Ａ点から０点）は当然具
なる０ 即ち、（１／　ｆ＋　　ｉ、／ｒｚ　）　＊　（３周期
子宝から闇値）の時間差分具なる０従って、流速が零で
あるにもかかわらす伝搬時間差（Ｂ点から０点）が生じ
、流速が零でないかの様に表示し、流体の温度が変化す
れば、上流側振動子の共振周波数差も変化するので、指
示値も変化し、流速が変化したかのように誤認させる〇
一方、この闇値（１９を低いレベルにすれば、振動子の
共振周波数の変化の影響は少ないが、Ａ点に近いところ
の受信波０階は回り込み波（１鴎と配管と流体を伝搬し
て来た配管内水中伝搬波側の重畳波となＩＩ）　、　Ｓ
／Ｎ比が悪いため、伝搬時間測定の精度が悪いといった
問題が生じ、ジレンマに陥る。このように従来の超音波
流量計は適用温度範囲が狭く、０〜４０℃程度であり、
この適用温度範囲外では流量指示値のオフセットが生じ
十分な測定精度が得られないという問題があった０ 〔発明の目的〕 そこで、本発明の目的は、広範囲の温度にわたって振動
子の共振周波数差による流量指示値のオフセットを少な
くし精度の良い流量測定が可能な非挿入式透過型超音波
流量計の温度補正方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

上記目的を達成するため、本発明は送信から受信波が最
大となった後の零クロス点までの時間（１″））を計測
し、受信波の回り込み波のレベルよりも若干大きく設定
された闇値と受信波レベルと比較］−１受信波における
送信の瞬間に対応する時間Ｅ　ｋ求め、受信波における
送信の瞬間に対応する時間（Ｅ）から零のロス点までの
時間（ＤＪまでに含まれる音波の波数を計算し、別途測
定した受信波の最大付近での一周期とこの音波の波数と
の積■を求め、零クロス点までの時間ｐ）から周期と音
波の波数との積（Ｆ′）を引算し、受信波の送信の瞬間
に対応する時間ｆＧ）を計算する。これを上流→下流、
下流→上流についてそれぞれ実施し、測定された伝搬時
間に含まれる振動子の共振周波数の差の影響外を補正す
ることによって真の伝搬時間を求め、精度良く流量を求
めるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明による超音波流量計の温度補正方法の実施例
を第１図乃至第３図を参照して説明する。

第１図において、符号２１は測定条件入力部を示し、こ
の測定条件入力部２１には管径、管厚、超音波送受波器
などの配設位置が入力されている。この測定条件入力部
２１から第１ゲートオフ幅設定部２２に第１ゲートオフ
幅信号が入力され、第１ゲート部四へ第１ゲートオフ幅
信号が入力される。また、測定条件入力部２１から第１
閾値設定部５へ送られた信号は第１閥値すを示す信号と
して第１コンバレーヌ３０へ入力される。上記第１ゲー
トオフ幅ａは、送信子ｎよシ送信され、配管内水中伝搬
波が受信子２４に受信されるまでの時間（伝播時間予想
値）を求め、この伝搬時間予想値から５〜８μｓ程度引
くことによって設定される。一方、前記第１閾値すは、
第１１初値設定部５で入力された管径、管厚、超音波送
受波器の配設位置などと関係のある回り込み波の値より
も若干大きい値に設定される。また、音波を送信する時
は送信タイミング回路がよシ送信パルスＣが送信回路ｎ
へ入力され、送信＋５が励振される。この音波を受信子
２４で受信し、受信信号ｄが受信アンプ路へ入力されて
増幅されたのち第１ゲート部四へ入力される。

受信信号ｄを受けた第１ゲート部四は、第１ゲートオフ
幅ａの信号よシ選択し、回り込み波が若干生じた付近か
ら受信信号第１ゲート化受信信号ｅ’ａ’得、第１コン
パレータＩへ入力スル。第１　”：’７パレータ加は第
１ゲート化受信信号ｅと第１ａり値すとを比較し、第１
ゲート化受信信号ｅが第１ｆＡ値すを越えたとき第１時
間計測終了信号ｆを送出し、第１時間計測回路３１へ入
力する。第１時間計測回路３１は、送信タイミング回路
２６からの送信パルスＣと第１時間計測終了信号ｆとか
ら第１伝搬時間ｇを計測し、その結果を演算部４０に入
力する。

一方、第１ゲート化受信信号ｅの最大値は最大値検出回
路３２によって検出され、この検出回路３２は第１ゲー
ト化受信信号ｅが最大値となったときに第２時間計測終
了信号りを送出し、第２時間計測回路３３に入力する。

第２時間計測回路３３は、送信タイミング回路２６から
の送信パルスＣと第２時間計測終了信号りとから第２伝
搬時間ｉを計測し第２ゲートオフ幅設定部別に入力する
。第２ゲートオフ幅設定部詞から出力された第２ゲート
オフ幅Ｊは第２ゲート部あに入力され第１ゲート化受信
信号ｅが選択され第２ゲート化受信信号ｋが出され、こ
の出力信号は第２コンパレータ３７に入力され、ここで
第２＃ｌ値設定部あからの第２閣値ｔと比較され、第２
ゲート化受信信号ｋが第２閾値を越えたとき、第３時間
計測終了信号ｍを送出し、第３時間計測回路詔に入力す
る。この第３時間計測回路は、送信パルスＣと第３時間
計測終了信号ｍより第３伝搬時間ｎを算出し前記演算部
４０へ入力する。

さらに、周期測定回路３９は受信信号ｄが最大値となっ
た以降の数波の周期を測定し、周期信号Ｏを送出し前記
演算部４０へ入力する０この演算部４０では、第１伝搬
時間ｇと第２伝搬時間１と周期より真の伝搬時間ｐを求
める０すなわち、この真の伝搬時間の算出は第１伝搬時
間をＸ１第２伝搬時間をＹ１周期をＺ、真の伝搬時間を
Ｗとすると、次の式で求められる０ Ｗ＝Ｙ−ｎ（Ｚ−２） 但しく　Ｙ−Ｘ　）　／　（Ｚ／　２　）　＝　ｎ　の
場合　ｎ＝ｎ（Ｙ−Ｘ）／（Ｚ／２）＝ｎ＋ｃの場合ｎ
＝ｎ＋１０は整数 第２図は本発明による伝搬時間補正の動作を示したフロ
ーチャートであり、第３図は流速が零の時の超音波振動
子の共振周波数の変化による伝搬時間の補正を行う各信
号のタイミングを示しており、受信信号ｆｄ）は第一ゲ
ート四で第一ゲートオフ幅（ａｔにより、ゲート化され
、第一ゲート化受信信号（ｅ）を得て、第一閾値（ｂ）
と比較し、第一時間計測終了信号げ）を得る。これによ
り第一伝搬時間（ｇ）を計測する。第一ゲート化受信信
号が最大となった時に第二時間計測終了信号（ｈ）を送
出し、これより第二伝搬時間（ｉ）を計測し、第二ゲー
トオフ幅（ｊ）を設定し、第二ゲート化受信信号（ｋ）
を得る。第二ゲート化受信信号（ｋ）の最初の零クロス
ポイントから第三時間計測終了信号ｈ−＋）を得て、第
三伝搬時間（ｎ）を計測する。この零クロスポイントか
ら数周期に相当する次の零クロスポイントまでの時間計
測を行い、それに含まれる波数で割り、周期信号（ｏ）
を得る。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば送信か
ら受信子による受信信号の最大の次の零クロス点までの
時間計測を行い、受信信号の最大以降の数波の周期を測
定し、前記時間計測値に対して、受信信号の立ち上がり
から最大の次の零クロス点までの波数分の時間を差し引
き、真の伝搬時間計測を行う方式において、 （１１第三伝搬時間の計測するポイントを受信信号の最
大付近としたため、時間計測に対する回り込み波の影響
が少なくなり、伝搬時間計測精度が向上した〇 （２）第三伝搬時間から、受信信号の立ち上がりから最
大の次の零クロス点までの波数分の時間差し引き、伝搬
時間を求める方式としたため、振動子の共振周波数が温
度とともに変化しても、温度補正された常に正しい伝搬
時間を求めることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波流量計による伝搬時間補正
回路を示したブロック線図、第２図は本発明による伝搬
時間補正動作を示したフローチャート、第３図は本発明
による流速が零の時の超音波振動子の共振周波数変化に
よる伝播時間の補正を示したタイムチャート、第４図は
非挿入式透過形超音波流量計の配置状態を示した概略図
、第５図は超音波送受波器の構成を示した横断面図、第
６図は超音波振動子の共振周波数の温度特性を示した線
図、第７図は超音波振動子のバラツキ状況を示した線図
、第８図は流速が零の時の超音波振動子の共振周波数差
による伝搬時間差の発生の様子を示した線図である。 １・・・配置ｓ　　２ａ、２ｂ・・・超音波送受波器、
３川超音波振動子、４・・・クサビ、１０・・・流体、
１１・・・上流側送信波、１２・・・下流側送信波、１
３・・・下流側受信波、１４・・・上流側受信波、　１
５・・・閾値、１８・・・伝搬時間差、１９・・・回り
込み波、加・・・水中伝搬波、２１・・・測定条件入力
部、ｎ・・・第１ゲートオフ幅設定部、田・・・送信子
、２４・・・受信子、５・・・第１閾値設定部、２６・
・・送信タイミング回路、四・・・第１ゲート部、３１
・・・第１時間計測回路、３３・・・第２時間計測回路
、３４・・・第２ゲートオフ幅設定部、あ・・・第２ゲ
ート部、３６・・・第２闇値設定部、羽・・・第３時間
計測回路、３９・・・周期測定回路、４０・・・演算部 蕩２目 答ｇ目 算５謂 ノＶ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流れに対して音波が斜めに伝搬するように配管の外
   側に一対の超音波振動子を対向して配設し、上流側から
   下流側へ下流側から上流側へ交互に音波を送受信し、こ
   の両方向に伝搬する音波の伝搬時間を測定し、この伝搬
   時間の差より流速を求め流量を算出するようにした超音
   波流量計において、送信から受信波が最大となつた後の
   零クロス点までの時間を計測し、受信波の回り込み波の
   レベルよりも若干大きく設定された閾値と受信波レベル
   とを比較し、受信波における送信の瞬間に対応する時間
   を求め、この時間から零クロス点までの時間に含まれる
   音波の波数を計算し、別途測定した受信波の最大付近で
   の一周期とこの音波の波数との積を求め、零クロス点ま
   での時間から周期と音波の波数との積を引算し、受信波
   の送信の瞬間に対応する時間を計算し、真の伝搬時間を
   求めるようにしたことを特徴とする超音波流量計の温度
   補正方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の超音波流量計の温度
   補正方法において、受信波の一周期測定個所を受信波の
   最大付近とし、伝搬時間測定間隔を送信から受信波が最
   大となつた後の零クロス点までとしたことを特徴とする
   温度補正方法。 ３、特許請求の範囲第１項に記載の超音波流量計の温度
   補正方法において、伝搬時間に含まれる波数を受信波が
   回り込み波よりも若干大きいレベルに達した時から受信
   波が最大となつた後の零クロス点までに含まれる波数と
   したことを特徴とする温度補正方法。