JPH11101675A

JPH11101675A - 流量計

Info

Publication number: JPH11101675A
Application number: JP28147497A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshikura; 博史吉倉
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】管を介した地絡を防止できる簡易な構成の流
量計を提供する。【解決手段】演算回路６と送・受信器３，４の間に絶
縁トランス１１Ａ，１１Ｂを介装した。計測器７に設け
る電源２２からの電流が管１を介して接地側に流れるよ
うなことが防止され、演算回路６から流量電流Ｂを確実
に計測器７に出力できる。管１を介した接地側への通電
防止を、絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂを用いて達成する
ので、従来技術で必要とされたホトカプラが省略され、
構成を簡略化できる。絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂは送
・受信器３，４と共に共振系を構成するので、そのイン
ピーダンス値を変えて所望の共振周波数を得、必要とす
る信号を効率よく抽出することが可能となり、これによ
りノイズ分の除去が図れ、従来技術で必要とされたフィ
ルタ回路を省略でき、ホトカプラの省略に加えて、回路
全体の構成をさらに簡略化することができると共に、消
費電流を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を計測
する流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流量計の一例として、図４に示す
超音波渦流量計がある。図４において、流体が流れる管
１内には、渦発生柱２が設けられており、両側に交番的
にカルマン渦を発生させるようになっている。管１に
は、超音波を送受信するＰＺＴ等の圧電セラミックス製
の送・受信器３，４からなる超音波センサ５が設けられ
ている。送・受信器３，４は、管１内のカルマン渦発生
領域を間にして相対向して管１の壁に取り付けられてい
る。管１は金属製とされていて、接地されている。送・
受信器３，４はそれぞれ２つの電極（それぞれ第１の電
極３ａ，４ａ、第２の電極３ｂ，４ｂという。）を有し
ている。送・受信器３，４のそれぞれの第１の電極３
ａ，４ａは図示しないシリコン樹脂等の絶縁部材を介し
て管１に接続されている。

【０００３】送・受信器３，４のそれぞれの第２の電極
３ｂ，４ｂには、演算回路６が接続されている。演算回
路６は、送・受信器３，４側に設けられる主演算部６ａ
と、図示しないディスプレイやレコーダを有する計測器
７が接続される副演算部６ｂとからなり、後述する発振
信号Ａ及び超音波受信信号Ｂ（ひいては送・受信器３，
４の送・受信信号）に基づいて管１を流れる流体の流量
を示すように電源電圧供給ライン（例えば図４では、マ
イナス極が接地された電源２２、電源供給ライン２３、
スイッチング回路１８、アナログ出力回路１７、電流検
出側ライン２４、及び一端側が接地された電圧変換用抵
抗２５で形成される閉回路のライン）に流れる電流値を
調節し、この電流を計測器７に出力する。

【０００４】主演算部６ａは、所定周波数の発振信号Ａ
を発生し、この発振信号Ａを送信器３に入力して超音波
を送信させる発振回路８と、この発振回路８が発生する
発振信号Ａ及び受信器４が受信する信号（超音波受信信
号Ｂ）の位相差を比較して超音波が流体から受けた変調
分を抽出し流体変化信号Ｈとして出力する位相比較回路
９と、流体変化信号Ｈを流体の流量を示す流量信号Ｄに
変換するマイコン回路１０とを備えている。

【０００５】マイコン回路１０には、絶縁トランス１１
を有したＤＣ／ＤＣコンバータ１２（４Ｖ／５Ｖ変換）
の二次側回路１２ｂから電力を供給される出力制御回路
１３が接続されており、流量信号Ｄに基づいて流体の流
量を示すパルス信号Ｅを発生し、出力制御回路１３に接
続されたホトカプラ４０の発光素子４０ａに出力する。
受信器４と位相比較回路９との間には、フィルタ回路１
４、アンプ回路１５、波形整形回路１６がこの順に介装
されている。フィルタ回路１４は、バンドパス機能を有
し、送・受信器３，４への衝撃等により生ずるノイズ分
を除去して流体情報のみを含む超音波受信信号Ｂを通過
させる。

【０００６】副演算部６ｂは、発光素子４０ａが出力す
る、パルス信号Ｅに応じた光信号を受光するホトカプラ
４０の受光素子４０ｂと、受光素子４０ｂからの信号を
入力して流体の流量を示す電流（以下、適宜、流量電流
という。）Ｆを発生するアナログ出力回路１７と、アナ
ログ出力回路１７に電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータ
１２の一次側回路１２ａとからなっている。

【０００７】ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一次側回路１
２ａは、絶縁トランス１１の一次側コイル１１ａと、一
次側コイル１１ａに接続したスイッチング回路１８とか
らなっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の二次側回路
１２ｂは、絶縁トランス１１の二次側コイル１１ｂと、
二次側コイル１１ｂに接続した整流回路１９とからなっ
ている。ここで、絶縁トランス１１は、一次側コイル１
１ａが発生する磁界変化により二次側コイル１１ｂに電
流が流れる一方、一次側コイル１１ａ及び二次側コイル
１１ｂは電気的に絶縁されたものになっている。なお、
整流回路１９には出力制御回路１３と共に、発振回路
８、位相比較回路９、及びマイコン回路１０が接続され
ており、電力供給されるようになっている。

【０００８】副演算部６ｂは、スイッチング回路１８に
接続した電源用端子２０、及びアナログ出力回路１７に
接続した共用端子２１を備えている。電源用端子２０
は、計測器７に備えられる所定電圧（例えば２４Ｖ）の
電源２２のプラス極に電源供給ライン２３を介して接続
される。電源２２のマイナス極は接地されている。共用
端子２１は、電流検出側ライン２４及び計測器７に備え
られた所定抵抗値（例えば２５０Ω）の電圧変換用抵抗
２５を介して接地される。そして、電流検出側ライン２
４には、４〜２０ｍＡ（例えば流量が０のとき４ｍＡ、
最大流量のとき２０ｍＡ）の電流（流量電流Ｆ）が流
れ、電圧変換用抵抗２５にこの流量電流Ｆに応じた大き
さの電圧（流量電圧）を発生するようにしており、流量
電圧を計測することにより管１を流れる流体の流量が求
められるようにしている。

【０００９】この従来技術では、電源供給ライン２３及
び電流検出側ライン２４を介して、演算回路６への電力
供給を行うと共に、電流検出側ライン２４で流体の流量
を示す流量電流Ｆ（流量電圧）を求めるようにしてお
り、いわゆる２線式の流量計を構成している。

【００１０】ところで、流量計では、一般に金属製の管
１に送・受信器３，４を接続している（例えば、上述し
た従来技術では管１と送・受信器３，４の各第１の電極
３ａ，４ａとを接続している）。このため、流量計を２
線式として構成した場合、演算回路６に接続された送・
受信器３，４の第１の電極３ａ，４ａが管１に導通状態
になっていると、例えば図５に示すように、計測器７に
設ける電源２２からの電流が電源供給ライン２３、演算
回路６、送・受信器３，４及び管１を介してグランド
（接地）側に流れ（いわゆる地絡状態になり）、これに
より電源２２からの電流が電流検出側ライン２４に流れ
なくなって適正に流量計測することができなくなる。

【００１１】流量計を２線式として構成する場合、上述
した問題点を惹起する虞があることに対して、上述した
図４の従来技術は、主演算部６ａと副演算部６ｂを絶縁
するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びホトカプラ４
０を設け、電流検出側ライン２４に流体の流量を示す流
量電流Ｆの通電を確保するようにしている。

【発明が解決しようとする課題】

【００１２】しかしながら、上述した従来技術では、演
算回路６に直流を供給するためにスイッチング回路１８
を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びホトカプラ４０
を用い、さらに上述した管１を介した地絡を防止して電
流検出側ライン２４への流量電流Ｆの通電を確保するた
めにＤＣ／ＤＣコンバータ１２に絶縁トランス１１を一
体的に設け、かつ、受信器４から出力される超音波受信
信号Ｂのノイズを除去するためにフィルタ回路１４を設
けているので、回路構成が複雑になり、そのため、消費
電力も増大してしまうという問題がある。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、管を介した地絡を防止できる簡易な構成の流量計を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、流体の流れる
管と、該管に取り付けられ該管内の流体を通して超音波
の授受を行う送・受信器と、電源を有する計測器に２つ
の端子を介して接続し、該電源から電力供給されかつ前
記送・受信器の送・受信信号に基づいて前記流体の流量
を示す電流を発生して前記計測器に出力する演算回路
と、該演算回路と前記送・受信器のそれぞれとの間に介
装された絶縁トランスと、を備えたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態の流
量計を図１ないし図３に基づいて説明する。なお、図４
に示す部材、部分と同等の部材、部分は同等の符号を付
し、その説明は適宜、省略する。

【００１６】図１及び図２において、演算回路６は、発
振回路８と、位相比較回路９と、マイコン回路１０と、
マイコン回路１０からの流量信号Ｄを受信して流体の流
量を示す電流（流量電流Ｆ）を発生するアナログ出力回
路１７と、計測器７に設けた電源２２の電圧（２４Ｖ）
を所定の電圧（５Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ
１２と、受信器４と位相比較回路９との間に介装された
波形整形回路１６と、発振回路８と送信器３との間、波
形整形回路１６と受信器４との間にそれぞれ介装された
絶縁トランス１１（それぞれ送信側、受信側の絶縁トラ
ンス１１Ａ，１１Ｂという。）とから大略構成されてい
る。アナログ出力回路１７にはＤＣ／ＤＣコンバータ１
２が接続されており、電力供給されるようになってい
る。位相比較回路９はＤＣ／ＤＣコンバータ１２と閉回
路をなすように接続されている。マイコン回路１０もＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ１２と閉回路をなすように接続され
ている。

【００１７】送信側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１
１Ｂは、一次側コイル１１ａが発生する磁界変化により
二次側コイル１１ｂに電流が流れる一方、一次側コイル
１１ａ及び二次側コイル１１ｂは電気的に絶縁されたも
のになっている。送信側、受信側の絶縁トランス１１
Ａ，１１Ｂは、「１」を越える値の巻数比を有し昇圧機
能を有している。

【００１８】送信側の絶縁トランス１１Ａの一次側コイ
ル１１ａの一方の端子Ｔ_Aa1 は発振回路８に接続され、
他方の端子Ｔ_Aa2 はＤＣ／ＤＣコンバータ１２のコモン
端子１２Ｔ（演算回路６全体のコモン電位）に接続され
ている。送信側の絶縁トランス１１Ａの二次側コイル１
１ｂの一方の端子Ｔ_Ab1 は送信器３の第１の電極３ａに
接続され、他方の端子Ｔ_Ab2 は送信器３の第２の電極３
ｂに接続されている。

【００１９】受信側の絶縁トランス１１Ｂの一次側コイ
ル１１ａの一方の端子Ｔ_Ba1 は受信器４の第１の電極４
ａに接続され、他方の端子Ｔ_Ba2 は受信器４の第２の電
極４ｂに接続されている。受信側の絶縁トランス１１Ｂ
の二次側コイル１１ｂの一方の端子Ｔ_Bb1 は波形整形回
路１６の入力端子に接続され、他方の端子Ｔ_Bb2 はＤＣ
／ＤＣコンバータ１２のコモン端子１２Ｔに接続されて
いる。

【００２０】送信側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１
１Ｂのインピーダンスは所定の値に設定されている。そ
して、送信側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂと
超音波センサ５（送・受信器３，４）とにより共振系を
構成し、送信側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂ
のインピーダンス値により所望の共振周波数を得、必要
とする信号を効率よく抽出するようになっている。ここ
で、送・受信器３，４のうち送信器３を例にして電気的
等価回路で表現すると、図３に示すようになる。すなわ
ち、コンデンサＣ₁ 、抵抗Ｒ及びコイルＬを直列に接続
し、この直列接続体に対してコンデンサＣ₂ を並列に接
続した回路（等価回路）３０で示される。そして、この
回路３０に送信側の絶縁トランス１１Ａの二次側コイル
１１ｂが接続されることになる。また、受信器４につい
ては、受信側の絶縁トランス１１Ｂの一次側コイル１１
ａが接続される。そして、送・受信器３，４及び送信
側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂにより共振系
を構成し、上述したように各コイル１１ａ，１１ｂをイ
ンダクタンス（インピーダンス）の異なるコイルに変え
ることにより共振周波数を調整することができる。

【００２１】また、送・受信器３，４のインピーダンス
特性は温度により変化する。そして、流量計を広い温度
範囲にわたって使用する場合、ある温度領域で超音波透
過伝達特性が低下することがある。特に、常温で超音波
の伝達効率が良い状態に設定すると、使用温度範囲内の
高温領域あるいは低温領域で透過伝達特性が低下するこ
とが起こり得る。本実施の形態では、上述した共振周波
数の設定は、使用温度範囲内で変化する送・受信器３，
４のインピーダンス特性のインピーダンス変化幅の中心
値で行う。

【００２２】本実施の形態では、温度により超音波セン
サ（送・受信器３，４）の共振周波数が変化するのに合
わせてトランス（１１Ａ，１１Ｂ）のインピーダンスが
追従するようなもの（即ち、超音波センサ及びトランス
のインピーダンス〔共振系〕は温度により変化するが、
超音波センサのインピーダンス−温度特性と同等にイン
ピーダンスが変化するトランス）を選んでおり、これに
より超音波センサのインピーダンスとトランスのインピ
ーダンスのずれからくる効率の低下を抑えることがで
き、任意の温度範囲で安定した超音波の送受信が図れる
ものになっている。

【００２３】上述したように構成した流量計では、発振
回路８と送信器３との間、波形整形回路１６と受信器４
との間にそれぞれ送信側、受信側の絶縁トランス１１
Ａ，１１Ｂを介装しているので、図２に示すように計測
器７に設ける電源２２からの電流は、電流検出側ライン
２４に流れる。このため、図５の流量計で生じる地絡
〔電源２２からの電流が電源供給ライン２３、演算回路
６、送・受信器３，４及び管１を介してグランド（接
地）側に流れる現象〕を招くことがない。

【００２４】上述した図４の従来技術では、管１を介し
た地絡防止を図り電流検出側ライン２４への流量電流Ｆ
の通電を確保する上で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は絶
縁トランス１１を一体的に設け、かつ、受信器４から出
力される超音波受信信号Ｂのノイズを除去するためにフ
ィルタ回路１４を設け、さらにホトカプラ４０を設けて
いるので、回路構成が複雑になり、そのため、消費電力
も増大してしまうが、これに対し、本実施の形態では、
上述した地絡防止を絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂで行
い、また、送信側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１１
Ｂのインピーダンスを所定の値に設定して、送信側、受
信側の絶縁トランス１１Ａ，１１Ｂのインピーダンス値
により所望の共振周波数を得、必要とする信号を効率よ
く抽出し、送・受信器３，４への衝撃等により生ずるノ
イズ分の除去を図ることで、図４の流量計に必要とされ
たフィルタ回路１４を省略でき、この結果、回路全体の
構成を簡略化することができると共に、消費電流を抑制
できる。

【００２５】さらに、使用温度範囲内で変化する送・受
信器３，４のインピーダンス特性のインピーダンス変化
幅の中心値で、共振周波数を設定するので、使用温度範
囲内で広範囲にわたって安定した超音波透過伝達特性を
得ることができる。

【００２６】送信側、受信側の絶縁トランス１１Ａ，１
１Ｂは、「１」を越える値の巻数比を有し昇圧機能を有
しているので、図４の従来技術で必要とされたアンプ回
路１５の省略が図れ、この分、装置構成を簡略化でき
る。

【００２７】上述したように、本実施の形態では、発振
回路８と送信器３との間、波形整形回路１６と受信器４
との間にそれぞれ送信側、受信側の絶縁トランス１１
Ａ，１１Ｂを介装することにより、絶縁機能を発揮し
て、図５の流量計で生じる管１を介した地絡現象の発生
を防止すると共に、図４の流量計で必要とされた絶縁ト
ランス１１を有する複雑なＤＣ／ＤＣコンバータ１２及
びホトカプラ４０の省略が図れる一方、絶縁トランス１
１がフィルタ機能、アンプ機能を発揮して、図４の流量
計で必要とされたフィルタ回路１４及びアンプ回路１５
が省略されるので、大幅に装置構成を簡略化できる。

【００２８】上記実施の形態では、流量計が超音波渦流
量計である場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、
超音波センサを有する流量計であれば、カルマン渦を用
いないような他のタイプの流量計であってもよい。

【００２９】上記実施の形態では、絶縁トランス１１
Ａ，１１Ｂが昇圧機能を有する場合を例にしたが、巻数
比を「１」にして昇圧機能を有していない絶縁トランス
を用いてもよい。

【００３０】また、上述した図４の従来技術では、絶縁
トランス１１を電源２２近傍に設けており、絶縁部分の
電流が大きく、その分、絶縁トランスによる電流ロスが
大きくなり、場合によっては電圧変換用抵抗２５への通
電を確保できなくなる問題が起こり得たのに対し、実施
の形態では、電源２２に対して流れる電流の小さい、演
算回路６と送・受信器３，４のそれぞれとの間に絶縁ト
ランス１１Ａ，１１Ｂを設けているので、絶縁トランス
による電流ロスを必要最小限に抑えることができ、上述
のような問題の惹起を確実に防止できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、演算回路と送・受信器のそれ
ぞれとの間に絶縁トランスを介装しており、絶縁トラン
スが絶縁機能を発揮し、送・受信器が管を介して地絡す
るようなことが防止され、さらに、絶縁トランス及び送
・受信器により共振系が構成され、この共振系の共振周
波数が絶縁トランスのインピーダンス設定で調整可能で
あるので、これにより所望の共振周波数を得、必要とす
る信号を効率よく抽出し、送・受信器への衝撃等により
生ずるノイズ分の除去が図れる（すなわち、絶縁トラン
スがフィルタ機能をも発揮する）こととなる。従って、
従来技術で地絡防止のために必要であった絶縁トランス
及びホトカプラと、ノイズ除去のために必要であったフ
ィルタ回路とを、演算回路と送・受信器との間に設けた
絶縁トランスのみに置き換えることができ、この結果、
回路全体の構成をさらに簡略化することができると共
に、消費電流を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の流量計を模式的に示す
図である。

【図２】図１の流量計の作用を説明するための模式図で
ある。

【図３】送信器（受信器）の電気的等価回路を示す図で
ある。

【図４】従来の流量計の一例を模式的に示す図である。

【図５】絶縁を施さない流量計が生じ得る地絡を示す模
式図である。

【符号の説明】

３送信器４受信器６演算回路１１Ａ送信側の絶縁トランス１１Ｂ受信側の絶縁トランス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流れる管と、該管に取り付けられ該管内の流体を通して超音波の授受
を行う送・受信器と、電源を有する計測器に２つの端子を介して接続し、該電
源から電力供給されかつ前記送・受信器の送・受信信号
に基づいて前記流体の流量を示す電流を発生して前記計
測器に出力する演算回路と、該演算回路と前記送・受信器のそれぞれとの間に介装さ
れた絶縁トランスと、を備えたことを特徴とする流量計。