JPH11211527A - 超音波流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 いわゆる禁止時間内にノイズが発生する三角
波でも超音波の伝播時間を精度よく測定することがで
き、ひいては高精度な流速測定を可能とする超音波流速
測定方法の提供を目的とする。 【解決手段】 超音波受信時Ｃと同期して三角波Ｐを出
力する。クロック波Ｗａの立上がり時Ｄが三角波Ｐの立
上がり時から一定時間後の場合は、その立上がり時Ｄに
おける三角波Ｐの電位差Ｖを測定する。そして、その電
位差Ｖを三角波Ｐの斜辺部を表す比例直線式に代入し、
前記超音波受信前の最終クロック波Ｗｆ立上がり時Ｂか
ら該超音波受信時Ｃまでの端数時間ｔを求める。また、
前記クロック波Ｗａの立上がりが前記禁止時間内の場合
は、次回のクロック波Ｗｂの立上がり時Ｄ´における三
角波Ｐの電位差Ｖを測定し、同様に前記端数時間ｔを求
める

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を利用し
てガスその他の流体を測定する超音波流速測定方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ガスその他の流体の流量を求めるに際
し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、こ
れに基いて流量を演算することが行われている。このよ
うな流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用し
た方法が知られている。

【０００３】かかる超音波流速測定方法の原理を、図５
にて説明すると次のとおりである。図５において、
（１）は内部を矢印方向にガス等の流体が流れる管路で
ある。この管路（１）内には、流れ方向の上流側及び下
流側に、所定距離を隔てて送受波器（２）（３）が配置
されている。

【０００４】前記の各送受波器（２）（３）は送波器と
受波器を兼ねるもので、振動子からなる超音波発信兼受
信素子（図示略）を備えており、この超音波発信兼受信
素子がパルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆
動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信され
てきた超音波を受信して超音波発信兼受信素子が振動し
たときの受信波が受信回路（５）から電気信号として出
力されるものとなされている。

【０００５】そして、図２（ａ）（ｂ）に示すように、
超音波の発信と同期して別途クロック回路からクロック
波（Ｗ）を出力し、超音波の発信時（Ａ）から受信時
（Ｃ）までに出力されたクロック波（Ｗ）の波数をカウ
ントすることによって、超音波の伝播時間τを求める。
例えば図２（ａ）（ｂ）では、周期Ｔ0 のクロック波
（Ｗ）が３波出力されているので、超音波の伝播時間τ
は３Ｔ0 と求められる。

【０００６】このようにして求められた上流側送受波器
（２）から流れに対して順方向に送信された超音波が下
流側送受波器（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下
流側送受波器（３）から流れに対して逆方向に送信され
た超音波が上流側送受波器（２）で受波されるまでの伝
搬時間との差は、流速に関係することから、この伝搬時
間差を求めることにより流体の流速を測定するものとな
されている。なお、図５において、（６）は各送受波器
（２）（３）とパルス発生回路（４）及び受信回路
（５）の接続を切替える切替回路であり、まずパルス発
生回路（４）と上流側の送受波器（２）、下流側の送受
波器（３）と受信回路（５）を接続して、上流側から下
流側への伝搬時間をクロック波を利用して求めたのち、
該切替回路（６）の作動によりパルス発生回路（４）と
下流側の送受波器（３）、上流側の送受波器（２）と受
信回路（５）とが接続されるように切替えて、下流側か
ら上流側への伝搬時間を同じくクロック波を利用して求
めるものとなされている。

【０００７】ところが、上述のように超音波の伝播時間
τを出力されたクロック波（Ｗ）の波数をカウントする
ことだけで求めるのでは、超音波の発信時（Ａ）から受
信前の最終クロック波（Ｗｆ）の立ち上がり時（Ｂ）ま
での時間Ｔを求めることができても、前記超音波受信前
の最終クロック波（Ｗｆ）の立上がり時（Ａ）から該超
音波受信時（Ｃ）までの端数時間ｔは求めることができ
ず、そのために伝播時間τは端数時間ｔの分だけ誤差が
生じる難点があった。

【０００８】そこで、本願に先だって出願された特願平
８−３３３４０７号に示されるように、三角波（Ｐ）を
利用して前記端数時間ｔを求める方法が提案されてい
る。即ち、図２（ｃ）に示すように、超音波受信時
（Ｃ）と同期して三角波（Ｐ）を出力し、該三角波
（Ｐ）の出力直後のクロック波（Ｗａ）の立上がり時
（Ｄ）における電位差と、三角波（Ｐ）の比例直線部に
おける電位差および時間の比例関係とから、前記超音波
受信前の最終クロック波（Ｗｆ）の立上がり時（Ｂ）か
ら該超音波受信時（Ｃ）までの端数時間ｔを求める。そ
して、前記端数時間ｔと前記超音波の発信時（Ａ）から
前記最終クロック波出力時（Ｂ）までの時間Ｔをクロッ
ク波（Ｗ）の波数をカウントすることにより求め、その
時間Ｔと前記端数時間ｔを加算することによって超音波
の伝播時間τを求める方法が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記三
角波は一般にその立上がり時から一定時間（以下、禁止
時間という）ノイズが発生し、禁止時間内における該三
角波の斜辺部は比例直線とならず細かいのこぎり波状と
なる。そのため、三角波出力直後のクロック波が前記禁
止時間内に立上がると測定される電位差に誤差が生じ、
端数時間さらには伝播時間を精度よく求めることができ
ないという欠点がある。

【００１０】この発明はこのような技術的背景に鑑みて
なされたものであって、いわゆる禁止時間内にノイズが
発生する三角波でも超音波の伝播時間を精度よく求める
ことができ、ひいては高精度な流速測定を可能とする超
音波流速測定方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明に係る超音波流速測定方法は、計測流体の
上流側と下流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、
前記各送波器の超音波発信素子に駆動パルスを印加して
相互に超音波を発生送信し、その送信と同期してクロッ
ク波を別途出力すると共に、送信された超音波を相互に
受波器で受信し、各超音波の伝播時間を超音波の発信か
ら受信までに出力されたクロック波をカウントすること
によって求め、それら伝播時間の差に基づいて流速を測
定する超音波流速測定方法において、前記超音波受信時
と同期して三角波を出力し、その直後のクロック波の立
上がりまたは立下がりによって決定される電位差測定用
タイミングが、三角波の立上がり時から一定の禁止時間
経過後に到来した場合は、前記電位差測定用タイミング
における三角波の電位差を該三角波の斜辺部を表す比例
直線式に代入することにより、前記超音波受信前の最終
クロック波の立上がり時または立下がり時から超音波受
信時までの端数時間を求め、三角波出力直後の前記クロ
ック波の前記電位差測定用タイミングが前記禁止時間内
に到来した場合は、次のクロック波の電位差測定用タイ
ミングにおける三角波の電位差を該三角波の斜辺部を表
す比例直線式に代入して求めた値とクロック波の周期と
を加算することにより前記端数時間を求め、出力された
クロック波のカウントよって求めた超音波の送信時から
前記最終クロック波の立ち上がり時または立ち下がり時
までの時間と、前記端数時間とを加算することによって
超音波の伝播時間を求めることを特徴とするものであ
る。

【００１２】この方法によれば、前記三角波発生直後の
クロック波の立ち上がりまたは立ち下がりによって決定
される電位差測定用タイミングが前記禁止時間後に到来
した場合は、該タイミングにおける電位差を測定すると
共に、前記伝差測定用タイミングが前記禁止時間内に到
来した場合は、次のクロック波の立ち上がりまたは立ち
下がりによって決定される電位差測定用タイミングにお
ける三角波の電位差を測定するので、禁止時間の内外で
電位差の測定タイミングを自動的に切り替えることがで
き、前記端数時間を精度よく求めることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明を実施するための
超音波流速測定装置を示すものである。図１において、
（１）は管路、（２）（３）は流れ方向の上流側及び下
流側に所定距離を隔てて配置された送受波器、（４）は
駆動パルスを発生するパルス発生回路、（５）は送受波
器（２）（３）で超音波を受信したときに受信信号を出
力する受信回路、（６）は各送受波器（２）（３）とパ
ルス発生回路（４）及び受信回路（５）の接続を切替え
る切替回路であり、これらは図５に示したものと同じで
ある。

【００１４】この実施形態では、送信側において、クロ
ック回路（７）が設けられており、このクロック回路
（７）は、図２（ｂ）に示すように、送受波器（２）
（３）から超音波が送信される時刻（Ａ）と同期して、
周期Ｔ0 のクロック波（Ｗ）を出力するものである。

【００１５】そして、クロック回路（７）の出力側には
カウンタ（９）が設けられている。このカウンタ（９）
は、クロック回路（７）からクロック波（Ｗ）が出力さ
れ始めた時刻（Ａ）から、前記超音波を送受波器（２）
（３）で受信して受信回路（５）から受信信号が出力さ
れる時刻（Ｃ）までの時間内、即ち超音波の伝搬時間
（τ）内において、クロック回路（７）から出力された
クロック波（Ｗ）の個数をカウントするものである。

【００１６】そして、このカウンタ（９）でカウントさ
れたクロック波（Ｗ）の個数は、カウンタ（９）の出力
側に設けられているマイコン（Ｉ）の演算回路（１０）
に送信される。この演算回路（１０）はそのクロック波
（Ｗ）の個数に基づいて、クロック回路（７）からクロ
ック波が出力され始めた時刻（Ａ）から前記受信信号出
力直前の最終クロック波（Ｗｆ）が出力される時刻
（Ｂ）までの時間（Ｔ）を計算し加算回路（１４）に出
力するもので、具体的には以下の演算を実行する。

【００１７】 （時間Ｔ）＝（クロック波（Ｗ）の周期Ｔ0 ） ×（カウントされたクロック波（Ｗ）の波数）・・・［１］ 一方、受信側において、受信回路（５）の出力側には三
角波発生回路（８）が設けられている。この三角波発生
回路（８）は、図２（ｃ）に示すように、受信回路
（５）から受信信号を受信するのに同期して、立上がり
が急峻で立ち下がりが穏やかな三角波（Ｐ）を出力する
もので、その三角波は立上がってから基準電圧値Ｅ0 に
達する間での時間（ＣＥ）はクロック波（Ｗ）の周期と
同様にＴ0 に設定されている。この三角波発生回路
（８）の出力値は回路内のコンデンサの電位差を示すも
のであり、コンデンサの充電時ないし放電時はコンデン
サの電位差と時間とが比例関係をなすことから、三角波
の立下がり部は比例直線の一部となされているが、立ち
下がりから一定時間のいわゆる禁止時間ｕはノイズが発
生して細かいのこぎり状となっている。

【００１８】また、三角波発生回路（８）の出力側には
ホールド回路（１１）が設けられている。このホールド
回路（１１）は、図３（ａ）に示すように三角波発生直
後のクロック波（Ｗａ）の立上がり時（Ｄ）が禁止時間
ｕ経過後の場合は、三角波発生回路（８）からの出力信
号とクロック回路（７）からの出力信号が入力されたＡ
ＮＤ回路（１５）からホールド信号を受信して、そのま
ま三角波の電位差Ｖを保持する。一方、図３（ｂ）に示
すようにクロック波（Ｗａ）の立上がり時（Ｄ）が禁止
時間ｕ内の場合は、遅延回路（１６）によって禁止時間
ｕ内における三角波（Ｐ）の電位差の保持が禁止されて
いるため、次のクロック波（Ｗｂ）が立上がり次にＡＮ
Ｄ回路（１５）からホールド信号を受信する時刻（Ｄ
´）において初めて三角波の電位差Ｖを保持する。この
遅延回路（１６）は、図１に示すように受信回路（５）
の出力側に設けられており、ホールド回路（１１）によ
る三角波（Ｐ）の電位差保持を三角波発生時（Ｃ）から
ある一定時間の禁止時間ｕ分遅らせる働きをする回路で
ある。そのためホールド回路（１１）は、禁止時間ｕ内
にクロック波（Ｗａ）が立上がると三角波（Ｐ）の電位
差を保持できず、次のクロック波（Ｗｂ）の立上がり時
（Ｄ´）において初めて三角波の電位差を保持すること
ができる。

【００１９】さらに、ホールド回路（１１）の出力側に
はホールド回路（１１）で保持された電位差Ｖをデジタ
ル変換するＡ／Ｄ変換回路（１２）が設けられ、さらに
その出力側にはマイコン（Ｉ）の演算回路（１３）が設
けられている。この演算回路（１３）は、Ａ／Ｄ変換に
より正確に測定された電位差Ｖに基づいて、最終クロッ
ク波の立上がり時（Ｂ）から超音波受信時（Ｃ）までの
端数時間ｔ（ＢＣ）を算出するものである。

【００２０】具体的に説明すると、演算回路（１３）
は、ホールド回路（１１）によって保持された三角波の
電位差Ｖを以下の比例直線式［２］のＸ値に代入しＹ値
を計算する。

【００２１】 Ｙ＝ａＸ−ｂ（ａ＝９／８、ｂ＝５１１）・・・［２］ Ｘ：代入する電位差Ｖ この比例直線式［２］は、便宜上、図４に示すように電
圧軸に平行かつ点Ｅを通る軸をＸ軸とし、時間軸をＹ軸
とした場合の式であり、この補正式の係数ａ，ｂは基準
三角波の形状を決定するものである。この実施形態では
係数ａ，ｂの値式比例直線式［２］のかっこ内に数値に
設定してあるが、これら値に限定されるものでなく、こ
の三角波と異なる形状を有する三角波を用いて端数時間
を求めたい場合にはそれにあわせて係数ａ、ｂの値を設
定するとよい。特に比例直線式［２］によるＹ値の計算
はマイコンによって行われるので、係数ａの値はａ＝３
／２、５／４、９／８、１７／１６等とシフト処理しや
すい値にするのが好ましい。

【００２２】そして、演算回路（１３）は、この計算さ
れたＹ値に基づいて、三角波発生直後のクロック波の立
上がり時（Ｄ）が禁止時間ｕ経過後である場合には下式
［３］により、禁止時間ｕ内の場合には下式［４］によ
りそれぞれ端数時間ｔを求める。

【００２３】＜クロック波の立上がりが禁止時間ｕ経過
後である場合＞ 端数時間ｔ＝Ｙ・・・［３］ ＜クロック波の立上がりが禁止時間ｕ内である場合＞ 端数時間ｔ＝周期Ｔ0 ＋Ｙ・・・［４］ すなわち、三角波発生直後のクロック波（Ｗａ）の立上
がり時（Ｄ）が禁止時間ｕ経過後である場合には、Ｙ値
は正値となり且つ図３（ａ）に示すように端数時間ｔと
同値であるので、演算回路（１３）はＹ値が正値である
と認識すると上式［３］から端数時間ｔを求める。一
方、三角波発生直後のクロック波（Ｗａ）の立上がり時
（Ｄ）が禁止時間ｕ内である場合には、次のクロック波
（Ｗａ）の立上がり時（Ｄ´）におけるＹ値は負値とな
り且つ図３（ｂ）に示すようにクロック波の周期からＹ
値の絶対値分小さい値が端数時間ｔを表すので、演算回
路（１３）はＹ値を負値であると認識すると上式［４］
から端数時間ｔを求める。

【００２４】さらに、演算回路（１０）（１３）の出力
側で同じくマイコン（Ｉ）内には加算回路（１４）が設
けられており、この加算回路（１４）は、演算回路（１
０）によって計算された超音波発信時（Ａ）から最終ク
ロック波の立上がり時（Ｂ）までの時間Ｔと、演算回路
（１３）によって計算された前記端数時間ｔとを加算し
て超音波の伝播時間τを求めるものである。

【００２５】次に、図１に示した装置を用いた超音波測
定方法を説明すると、パルス発生回路（４）から駆動パ
ルスを駆動し上流側の送受波器（２）から超音波を送信
すると共に、それと同期してクロック回路（７）からク
ロック波（Ｗ）を出力する。

【００２６】その後、その送信された超音波が下流側の
送受波器（３）で受信されると、受信回路（５）からは
受信信号が出力される。このとき、クロック回路（７）
からは図２（ｂ）に示すような最終クロック波（Ｗｆ）
が出力されているから、カウンタ（９）によって、クロ
ック波（Ｗ）が出力され始めた時刻（Ａ）から受信信号
が出力される時刻（Ｂ）までのクロック波（Ｗ）の波数
をカウントする。そして、演算回路（１３）によって、
このクロック波（Ｗ）の波数に基づいて、クロック波
（Ｗ）が出力され始めた時刻（Ａ）から最終クロック波
（Ｗｆ）が出力される時刻（Ｂ）までの時間Ｔを計算す
る。この実施形態では、図２に示すように、受信信号が
出力されるまでにクロック回路（７）から出力されたク
ロック波（Ｗ）の波数は３個であるから、それが演算回
路（１３）に入力されると演算回路（１３）では式
［１］の演算が行われ、前記時間Ｔは３Ｔ0 と出力され
る。なお、最終クロック波（Ｗｆ）はその途中において
超音波が受信されているので、クロック波（Ｗ）の個数
として数えられない。

【００２７】一方、送受波器（２）が超音波を受信し
て、受信回路（５）から受信信号が出力された時刻
（Ｃ）と同期して、三角波発生回路（８）から図２に示
すような三角波（Ｐ）が出力される。この三角波（Ｐ）
はその立上がり時（Ｃ）から一定時間の禁止時間ｕ内に
おいてはノイズが発生し比例直線部が細かいのこぎり状
となっている。

【００２８】その後、クロック波（Ｗａ）が最初に立上
がった時刻（Ｄ）においてホールド回路はＡＮＤ回路か
らホールド信号を受信するが、図３（ａ）に示すよう
に、そのクロック波（Ｗａ）の立上がり時（Ｄ）が禁止
時間ｕ経過後である場合には、その時刻（Ｄ）における
三角波（Ｐ）の電位差Ｖを保持し、この保持された電位
差ＶはＡ／Ｄ変換回路（１２）に入力された後、演算回
路（１３）に入力される。そして、演算回路（１３）は
この電位差Ｖに基づいて上式［２］によりＹ値を計算
し、このＹ値は正値であるので、それを認識した演算回
路（１３）は上式［３］により端数時間ｔを求める。

【００２９】一方、クロック波（Ｗａ）の立上がり時
（Ｄ）が禁止時間ｕ内である場合には、ホールド回路
（１１）は、遅延回路（１６）によって禁止時間ｕ内に
おける三角波（Ｐ）の電位差の測定を禁止されているた
め、次のクロック波（Ｗｂ）が立上がり次にＡＮＤ回路
からホールド信号を受信した時刻（Ｄ´）において、三
角波の電位差Ｖを保持し、この保持された電位差ＶはＡ
／Ｄ変換回路（１２）に入力された後、演算回路（１
３）に入力される。そして、演算回路（１３）はこの電
位差Ｖに基づいて上式［２］によりＹ値を計算し、この
Ｙ値は負値であるので、それを認識した演算回路（１
３）は上式［４］により端数時間ｔを求める。

【００３０】そして、演算回路（１０）からの出力値Ｔ
と演算回路（１３）の出力値ｔはともに加算回路（１
４）に入力され、それらの加算が実行されて伝播時間τ
が求められる。

【００３１】次に、切替回路（６）により、送受波器
（３）を送信側に、送受波器（２）を受信側に接続を切
替え、上述と同様にして受信信号の出力時に測定された
三角波の出力値Ｖ´に基づいて端数時間ｔ´を求めると
共に、逆方向の超音波の伝搬時間τ´を求める。する
と、２つの伝搬時間は流体流速に応じて変化する伝搬時
間差（τ´−τ）を生じているから、これに基づいて流
体流速を求め、さらに必要に応じて流量を求める。

【００３２】この方法によれば、三角波発生直後のクロ
ック波の立上がり時が前記禁止時間ｕ経過後の場合は、
クロック波（Ｗａ）の立上がり時における電位差を測定
する一方、クロック波（Ｗａ）の立上がり時（Ｄ）が前
記禁止時間ｕ内の場合は、次回のクロック波（Ｗｂ）の
立上がり時の三角波の電位差を測定するので、禁止時間
ｕの内外で電位差の測定タイミングを自動的に切り替え
ることができ、前記端数時間を精度よく求めることがで
きる。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、前記超音波受信時と同期し
て三角波を出力し、その直後のクロック波の立上がりま
たは立下がりによって決定される電位差測定用タイミン
グが、三角波の立上がり時から一定の禁止時間経過後に
到来した場合は、前記電位差測定用タイミングにおける
三角波の電位差を該三角波の斜辺部を表す比例直線式に
代入することにより、前記超音波受信前の最終クロック
波の立上がり時または立下がり時から超音波受信時まで
の端数時間を求め、三角波出力直後の前記クロック波の
前記電位差測定用タイミングが前記禁止時間内に到来し
た場合は、次のクロック波の電位差測定用タイミングに
おける三角波の電位差を該三角波の斜辺部を表す比例直
線式に代入して求めた値とクロック波の周期とを加算す
ることにより前記端数時間を求め、出力されたクロック
波のカウントよって求めた超音波の送信時から前記最終
クロック波の立ち上がり時または立ち下がり時までの時
間と、前記端数時間とを加算することによって超音波の
伝播時間を求めることを特徴とするものであるから、禁
止時間の内外で電位差の測定タイミングを自動的に切り
換えることができ、前記端数時間を精度よく求めること
ができる。そのため、超音波の伝播時間を精度よく求め
ることができ、ひいては高精度な流速測定が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施するための超音波流速測定装置
を示すブロック図である。

【図２】図１の三角波発生回路から出力される三角波
（Ｐ）とクロック回路から出力されるクロック波（Ｗ）
の相対関係図である。

【図３】禁止時間内外における三角波（Ｐ）の電位差測
定用タイミングを示す図である。

【図４】三角波（Ｐ）を座標変換した図である。

【図５】従来方法を実施するための超音波流速測定装置
の一例を示すブロック図である。

【符号の説明】 １・・・管路 ２、３・・・送受波器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 明夫 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 中村 英司 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内 (72)発明者 保田 哲也 大阪市東成区東小橋２丁目10番16号 関西 ガスメータ株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送
   波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発信素
   子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信し、
   その送信と同期してクロック波を別途出力すると共に、
   送信された超音波を相互に受波器で受信し、各超音波の
   伝播時間を超音波の発信から受信までに出力されたクロ
   ック波の波数をカウントすることによって求め、それら
   伝播時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定
   方法において、 前記超音波受信時と同期して三角波を出力し、その直後
   のクロック波の立上がりまたは立下がりによって決定さ
   れる電位差測定用タイミングが、三角波の立上がり時か
   ら一定の禁止時間経過後に到来した場合は、前記電位差
   測定用タイミングにおける三角波の電位差を該三角波の
   斜辺部を表す比例直線式に代入することにより、前記超
   音波受信前の最終クロック波の立上がり時または立下が
   り時から超音波受信時までの端数時間を求め、 三角波出力直後の前記クロック波の前記電位差測定用タ
   イミングが前記禁止時間内に到来した場合は、次のクロ
   ック波の電位差測定用タイミングにおける三角波の電位
   差を該三角波の斜辺部を表す比例直線式に代入して求め
   た値とクロック波の周期とを加算することにより前記端
   数時間を求め、 出力されたクロック波の波数のカウントよって求めた超
   音波の送信時から前記最終クロック波の立ち上がり時ま
   たは立ち下がり時までの時間と、前記端数時間とを加算
   することによって超音波の伝播時間を求めることを特徴
   とする超音波流速測定方法。