JP2000258214A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝播時間の分解能を向上させたままで、受信
波の検知ポイントの間違いによる流量計の誤差をなく
す。計測精度を上げる。 【解決手段】 流体中に送信にも受信にも使える送受波
器を距離Ｌをおいて上流と下流に配置する。順方向と逆
方向にそれぞれ複数個、即ちｎ個の送受信を繰り返し、
それぞれ第１回目の送信から第ｎ回目の受信までの到達
時間をまとめて測定する。第１回目は、Ｖ_THを越えた第
３波のゼロクロスポイントを検知ポイントとし、これま
での到達時間ｔ１１を測定する。２回目はｔ１１から一
定値α少ない時点の直後のゼロクロスポイントを検知し
ｔ１２を測定する。以後同様にｔ１３・・・を測定し、
前の測定値から大幅に変化した値は使用しないで伝播時
間を求め、流速さらに流量を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体中の超音波の伝
播方向を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆
方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流
量を求める超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定原理の一例として、図５に示すよう
に、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） ・・・（１） となる。

【０００３】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） ・・・（２） となる。

【０００４】伝播時間ｔ₁ とｔ₂ とから流速Ｖを、 Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ₁ ）−（１／ｔ₂ ）｝ として求めていた。

【０００５】上述の測定原理において、送信側の送受波
器からの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
定波のゼロクロスポイントを検知するようにしたものが
ある。

【０００６】図６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。

【０００７】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小さくなる。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。

【０００８】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
知とする方法である。

【０００９】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、実際の伝播時間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、測定した到達時
間ｔ＋τから時間τを減算することにより求めている。

【００１０】送信から受信までの順方向伝播時間や逆方
向伝播時間を求めるのに、単純に測定した到達時間をｔ
＋τから時間τを減するのではなく、伝播時間計測の分
解能を上げるために、受信と同時に次の送信を行うこと
を複数回（ｎ−１回）繰り返すことにより、一方向例え
ば順方向の送受信をｎ回連続して繰り返して、最初（第
１回目）の順方向送信から最後（第ｎ回目）の受信まで
の時間ｎｔ₁ （厳密には到達時間のｎ倍のｎｔ₁ ＋ｎ
τ）を測定し、次に他方向例えば逆方向への送受信を同
様にしてｎ回連続して繰り返して、最初の逆方向送信か
ら最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔ₂ （厳密には
到達時間のｎ倍のｎｔ₂ ＋ｎτ）を測定し、これらの各
方向の複数回の送受信で得た測定値から各方向の伝播時
間を計算して流速さらに流量を求める超音波流量計も特
開平１０−３３２４５２号公報で公知である。

【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６のようなきれいな波形とはならない。常にノ
イズが混入したり、また流体の流れによって波形が変動
することもある。そのために、狙った特定波（例えば第
３波）ではなく、その前或いはその後ろの波のゼロクロ
スポイントを間違って検出してしまうと、測定した到達
時間は送受波器を構成している超音波振動子の共振周波
数の１周期分の時間だけ違う値となり、この測定値をそ
のまま使用すると誤った流速さらに流量を導くことにな
る。

【００１２】そこで、狙った特定波を正確に捉えたかど
うかを検知するエラー検知が求められている。各方向に
つき、それぞれ１回の送受信で測定する従来技術の前者
では、波を間違って検出すると、正確に検出した場合に
比較して、大きな割合の誤差が生じるため、その前回の
測定値と比較する等の方法でエラー検知を容易に実現で
きる可能性がある。

【００１３】ところが、前記従来技術の後者では、例え
ばｎ回のうち狙った波を１回外した場合の測定値は、ｎ
回のすべてを正確に検知した場合の測定値と比較してそ
の差が比率的にみて少ないため、エラー検知が容易でな
く、流量計の測定精度を損なう大きな要因となってい
た。

【００１４】そこで、本発明は、前記従来技術の後者に
おいて、狙った特定波を正しく捉えられなかったことを
検出し、そのときの測定値を不採用とすることで、流量
計の測定精度の低下を防止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、本発明は、送信側にも受信側にもはたらく超音波送
受波器を少なくとも一対設け、流体の流れの中を上流か
ら下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送
受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに流量
を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に、先ず一方
の送受波器を送信側として送信し、他方の受信側送受波
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
と再び送信側送受波器を発信させて送信し、これを複数
回繰り返すように構成し、各方向毎に最初の送信から複
数回目の受信までの時間、つまり到達時間の複数倍をま
とめて測定し、その測定結果から順方向と逆方向の伝播
時間を求める超音波流量計において、受信波検知部は、
各方向毎に、第１回目の受信は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のゼロクロスポイン
トを到達ポイントとして受信波を検知し、第２回目以後
前記複数回目までは、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だけその回の送信時か
ら経過した時以後の最初のゼロクロスポイントを到達ポ
イントとして受信波を検知する機能を有し、順方向につ
いて得た伝播時間と逆方向について得た伝播時間の和あ
るいは逆数和を演算する演算機能と、この演算結果を記
憶する記憶機能と、最新の和あるいは逆数和の値をそれ
以前の記憶していた和あるいは逆数和の値と比較する比
較機能とを具備し、前記両値の差がほとんど変動しない
ときは、測定成功として到達時間の測定値を用いて流速
さらに流量を求めることを特徴とする超音波流量計であ
る。

【００１６】第１回目の送信からその受信までの時間が
ｔ１１であった場合、２回目の受信波が到達するのは２
回目の送信（第１の受信とともに行われる）後、およそ
ｔ１１たったところである。したがって、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。３回
目の送受信に関しても同様で、２回目の送受信の到達時
間ｔ１２を用いて３回目の受信点を予想すればよい。以
下同じである。

【００１７】本発明によれば第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。

【００１８】こうすることで、１回目の受信で狙った波
を捉えることができれば、その後のｎ−１回の受信でも
正しく狙った波を捉えることができる。本発明では、狙
った波を正しく捉えた測定と正しく捉えられなかった測
定で１到達時間に対し１周期の差が生じることから、簡
単に間違った測定を判断して、間違った測定結果を不採
用とすることにより誤差要因としないようにする。

【００１９】順方向と逆方向のそれぞれの場合について
複数回分の到達時間をまとめて測定した測定値から順方
向と逆方向の各伝播時間ｔ₁ ，ｔ₂ を算出する。これら
の伝播時間ｔ₁ ，ｔ₂ は、距離Ｌ、音速Ｃ及び流速Ｖと
前記（１）（２）式の関係があるので、両伝播時間ｔ₁
とｔ₂ の和は、 ｔ₁ ＋ｔ₂ ＝２ＬＣ／（Ｃ² −Ｖ² ） となる。そして、Ｃ≫Ｖであるから、上式は、 ｔ₁ ＋ｔ₂ ≒２Ｌ／Ｃ ・・・（３） となる。

【００２０】また、両伝播時間の逆数和は、 １／ｔ₁ ＋１／ｔ₂ ＝（Ｃ＋Ｖ）／Ｌ＋（Ｃ−Ｖ）／Ｌ ＝２Ｃ／Ｌ ・・・（４） となる。

【００２１】（３）（４）式で示すように、両伝播時間
の和と、逆数和は流速Ｖの影響を受けない。温度変化が
小さくて静止流体中の音速Ｃが殆ど変化しない短時間の
間では一定となる。

【００２２】したがって、流速が変わらない比較的短時
間の間に行った順・逆方向の測定から得た順方向と逆方
向の伝播時間ｔ₁ ，ｔ₂ の和あるいは逆数の和を監視す
ることで受信波の特定波のエラー検知を行う。

【００２３】

【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いて説明する。図１は実施例の全体
構成である。受信波検知部について図２に詳しく示して
説明する。

【００２４】送受波器１，２は超音波振動子で、送信に
も受信にも使用できる。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、例えば２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、例えば１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。但し、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。

【００２５】第１のカウンタ７は受信波検知部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。
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。実施例では第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。

【００２６】コントロール部６は一定間隔で送受切替え
信号を反転させて切替スイッチ９，１０を切り替えるこ
とにより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受信波検知信号を入力すると、カウンタ８の測
定値（カウント値）を読み取り、直前に行った反対向き
での測定値とを用いて、その間の流速さらに流量を演算
する。

【００２７】図２は、前記受信波検知部４の、接続され
た送信側送受波器からの信号を増幅後の構成である。第
１送信指令信号が受信波検知部に入力されている。実施
例の場合、最初に基準電圧Ｖ_THを越えた波のゼロクロス
ポイントを到達ポイントとするよう構成されていて、な
おかつ第３波が最初にＶ_THを越えるように設定されてい
る。

【００２８】比較部１１が第３波を捉え、その出力がＨ
igh となると、この出力信号はスイッチ１２を介してＲ
Ｓフリップフロップ（RSFF）１３のＲに入力され、その
出力ＱはＬowになる。

【００２９】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１４より出力される信号がＳ入力に
入力され出力ＱはＨigh となり、立ち上がりがエッジ検
知部１５で検知され、受信波検知信号として出力され
る。この信号はRSFF１６のＳ入力となっていてRSFF１６
の出力ＱはＨigh となり、スイッチ１２はＨ側に切り替
わり、RSFF１３のＲ入力へはデジタル比較記１７のＡ＝
Ｂ出力が入力されるようになる。

【００３０】また、前記受信波検知信号は記憶器１８の
ラッチ入力となっていて、この瞬間のカウント値ｔ１１
を記憶する（図３参照）。更に、受信波検知信号はＯＲ
ゲート１９を介してカウンタ２０をリセットするよう構
成されていて（ラッチ後リセットする）、到達時間を記
憶器１８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。

【００３１】減算器２１は記憶器１８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
方に一定値αが入力されている。そして、Ｃ−α、即ち
ｔ１１−αがデジタル比較器１７のＢ入力に出力されて
いる。

【００３２】また、カウンタ２０の出力がＡ入力として
デジタル比較器に入力されていて、そのＡＢの入力が等
しくなると、Ａ＝Ｂ出力がＨigh となる。カウンタ２０
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、RSFF１３の出力ＱはＬowとなり次
のゼロクロスを待つ状態になる。

【００３３】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１４の出力によりRSFF１３の出力Ｑ
がＨigh となり再び受信波検知信号が出力される。ここ
で、再びカウンタ２０のカウント値ｔ１２が記憶器１８
に記憶される。以下は同じである。

【００３４】一定値αは超音波振動の約半周期弱の時間
とした。クロック発振器２２はこの約半周期分を検知で
きる周波数でよく、精度もそれほど要求されない。ま
た、前記第２のカウンタ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。

【００３５】実施例は順・逆方向の伝播時間の逆数和を
監視するもので、コントロール部６の構成要素であるマ
イクロコンピュータがそれを行っている。その作用を図
４のフロー図で説明する。

【００３６】コントロール部６は第１のカウンタ７より
第ｎ受信波検知信号が入力されるとカウンタ８のカウン
ト値より順逆の到達時間を得て、その逆数和Ｘを計算す
る（ステップ１００）。

【００３７】この値は、正しい逆数和として記憶されて
いるＸｐと比較され（ステップ１０２）、その差が一定
値Ｆ_THより小さければ今回の順逆の測定は正しかったと
判定され、Ｘｐは新たなＸとして記憶される（ステップ
１０４）。こうすることにより温度変化による音速のゆ
っくりした変化に追従できる。

【００３８】測定が正しかったと判定された場合、この
後、流速の演算が行われる。また、差が大きかった場合
は測定は失敗とする。この場合、測定をやり直しても良
いし、何回も測定するのが消費電流的に問題があれば再
測定は行わず前回値を採用することもできる。

【００３９】本実施例（図４）では本ルーチンで測定が
成功だったかエラー（失敗）だったかをセットし（ステ
ップ１０６，１０８）、続くルーチンでその判定結果に
基づき処理を実行するようにしている。

【００４０】実施例よりＬ＝０．１５ｍ、Ｃ＝４００ｍ
／sec を想定すると伝播時間はｔ＝Ｌ／Ｃ＝３７５usec
となり、また送受波器１，２の固有周波数（共振周波
数）を２５０ｋＨｚとしたので１周期間違えると４usec
到達時間に差が出ることになり、よって伝播時間の逆数
和は１周期間違えることにより、 １／（０．０００３７５−０．０００００４）−１／
０．０００３７５＝２８，７５Ｈｚ の差が生じることになる。

【００４１】これらより実施例では一定値Ｆthは１０Ｈ
ｚに設定した。順方向と逆方向の測定の各場合につい
て、第２回目以後の送受信時の到達時間に間違いがある
かないかを、上述のようにしてコントロール部６のマイ
クロコンピュータで判断し、測定エラーのときは到達時
間の測定値を捨て、測定成功のときは到達時間の測定値
を用いて流速さらに流量を算出する。

【００４２】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で、測定時の分解能向上の利点を生かしたまま、到達時
点検知の間違い（エラー）を検出して、エラー検知のと
きは、到達時間の測定値を捨てて使わないようにしたた
め、到達時点の検知間違いによる誤差が、流速や流量の
計測値に入り込むことがなく、流量計の精度が向上す
る。

【００４３】また、各方向について、ｎ回の測定全てが
狙った特定波を捉えるようにするために、Ｓ／Ｎの高い
低ノイズの高価な増幅器を使う必要がなく、受信波を大
きくするため送信電力を上げるなど消費電力の面からの
不利な構成を使う必要もない。従って、低コスト化で
き、電力消費の面から電池駆動の超音波流量計の実現が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体構成を示すブロック図で
ある。

【図２】図１の実施例における受信波検知部の構成を示
す電気回路図である。

【図３】実施例のタイミング図である。

【図４】実施例のフロー図である。

【図５】超音波流量計の原理を説明する略図である。

【図６】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を示す図である。

【符号の説明】

１，２ 送受波器 ４ 受信波検知部 ５ 送波器駆動部 ６ コントロール部 ７，８，２０ カウンタ １７ 比較器 １８ 記憶器 １３，１６ ＲＳフリップフロップ

フロントページの続き (72)発明者 廣山 徹 愛知県東海市新宝町507−２ 東邦瓦斯株 式会社総合技術研究所内 (72)発明者 鍋島 徳行 愛知県名古屋市熱田区千年一丁目２番70号 愛知時計電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA19 DA23

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信側にも受信側にもはたらく超音波送
   受波器を少なくとも一対設け、流体の流れの中を上流か
   ら下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送
   受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに流量
   を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に、先ず一方
   の送受波器を送信側として送信し、他方の受信側送受波
   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
   と再び送信側送受波器を発信させて送信し、これを複数
   回繰り返すように構成し、各方向毎に最初の送信から複
   数回目の受信までの時間、つまり到達時間の複数倍をま
   とめて測定し、その測定結果から順方向と逆方向の伝播
   時間を求める超音波流量計において、 受信波検知部は、各方向毎に、第１回目の受信は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の
   ゼロクロスポイントを到達ポイントとして受信波を検知
   し、第２回目以後前記複数回目までは、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だけ
   その回の送信時から経過した時以後の最初のゼロクロス
   ポイントを到達ポイントとして受信波を検知する機能を
   有し、 順方向について得た伝播時間と逆方向について得た伝播
   時間の和あるいは逆数和を演算する演算機能と、この演
   算結果を記憶する記憶機能と、最新の和あるいは逆数和
   の値をそれ以前の記憶していた和あるいは逆数和の値と
   比較する比較機能とを具備し、 前記両値の差がほとんど変動しないときは、測定成功と
   して到達時間の測定値を用いて流速さらに流量を求める
   ことを特徴とする超音波流量計。