JPS61274221A - 超音波流量計 - 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】 く産業上の利用分野〉 本発明は、マイクロコンビーータを用いた超音波流量計
に係り、特に超音波パルスを受波した時点倉合理的に決
定することのできる超音波流量計に関する。

〈従来技術〉 超音波流量計は超音波パルスを被測定流体に送信した時
点から受波した時点までの時間差などを利用して流量を
計測するものであるので、超音波パルスの受波時点を正
確に決めることが必要である。

このために各種の出願がなされているが、その−例であ
る特願昭５９−１４２５６９号「超音波流量計」を第５
図に掲げ、この要点を説明する。

管路１に被測定流体２が矢印Ｆの方向に流され、被測定
流体２の流量Ｑを測定する。このために管路１に送受波
器３，４が流れの方向ＦｉｌＣ対して斜めに対向して設
置されている。送受波器３，４のいずれか一方にはクロ
、り発振器を有する同期回路５よりトリガパルスＴｐが
駆動回路６に印加されこれに伴いその出力Ｋ例えばピー
ク値が２００Ｖ程度の値を持つ微分状の駆動パルスＤ、
が切換スイッチ７を介して印加される。送受波器３，４
の他方には被測定流体２を介して受波された超音波パル
スが切換スイッチ７を介して増幅器８に受信される。

増幅器８の出力の超音波パルスＨは比較器９の入力端の
一端に印加され、他端にはデジタル／アナログ変換器（
以下、Ｄ／Ａ変換器と略称する）１０より比較電圧ｖ０
が印加されている。比較器９の出力端には振動波状の超
音波パルスのうち比較電圧ｖｃを越えた波形の最初のゼ
ロクロス部分がパルス化されて出力パルスＰとして出力
される。

演算回路１１の入力端工１には比較器９の出力のパルス
電圧が印加され、入力端工２には同期回路５からトリガ
パルスＴ、の送出と同時に発信されるスタート信号Ｓが
印加され、これ等の時間差を演算回路１１が演算し、こ
の結果を用いて流量を計算して出力端１２に出力する。

比較器９の出力パルスＰはカウンタ１３に入力されてい
る。カウンタ１３にはクロ、り発振器１４から一定の周
波数のクロ、りｆｏが入力されている。カウンタ１３は
同期回路５から送出されたスタート信号Ｓによりクロ、
りｆｏを計数し始め比較器９の比較電圧ｖｃを越えた最
初の出力パルスによりカウントを停止する。

制御回路１５の中のランダムアクセスメモリ（以下、Ｒ
ＡＭと略称する）１６には闇値時間テーブル１７を形成
する領域が設けられている。この閾値時間テーブル１７
を形成するためのプログラムはり−ドオンメモリ（以下
、ＲＯＭと略称する）１８にあらかじめ書き込まれてお
り、このプログラムに従ってマイクロプロセ、す（以下
、ＣＰＵと略称する）１９はカウンタ１３の内容を読込
みこのカウント値を処理してぷス２０を介してＤ／Ａ変
換器１０へ出力する。

次に、制御回路１５でのカウント値の処理に関して第６
図に示すフローチャート図に基づき更に詳細に説明する
。

先ずＣＰＵ１９の制御のもとにＲＯＭ１８中の所定のプ
ログラムにしたがい比較器９の比較電圧Ｖ。としてＤ／
Ａ変換器１０を介して基準電圧ｔ１を読出す（ステ、プ
■）。この後カウンタ１３はリセット信号Ｒによりリセ
ットされ、カウンター３の内容はゼロとされる（ステッ
プ■）。次に同期回路５からのトリガパルスＴ、により
駆動回路６を介して駆動パルスＤ、が被測定流体２に送
出嘔れると同時にカウンタ１３はスタート信号Ｓを受は
クロックｆＱの計数が開始される。一方、受信された超
音波パルスＨは基準電圧ｔ１と比較器９で比較され（ス
テップ■）、基準電圧ｔ１を越えた出力パルスＰを受信
した時点でカウンター３の計数が終了する（ステップ■
）。

従ってカウンター３の計数値ｎＴは超音波パルスＨの伝
播時間Ｔの概略値を与え、（ｘ）をＸを越えない最大の
整数を表わす記号とすれば、次式の如くなる。

ｎ　　＝（ｆｏ　Ｔ）　　　　　　　　　　　　　　（
１）この基準電圧ｔ１に対するカウンター３の計数値ｎ
ＴはＲＡＭ　１６中に閾値時間テーブル１７を形成する
ために格納される（ステップ■）。

以上のステップ■から■までの手順を、短かい時間の間
では各回の超音波パルスの波形と伝播時間に変化がない
という前提で、あらかじめ決められた所定の基準電圧（
ｔｌ、　ｔ２．〜ｔｉ、〜ｔＮ）に対して実行する（ス
テップ■）と閾値時間テーブル１７が完成する。この様
にして作られた闇値時間テーブル１７の内容は第７図に
示す様に受信された超音波パルスのエンベロープを与え
る平均的な波形情報となる。第７図は横軸に超音波パル
スの伝播時間Ｔ、縦軸に基準電圧ｔｉがとってあり、点
線の波形が超音波パルスの波形で実線が基準電圧ｔｉに
対する超音波パルスの伝播時間Ｔを示している。伝播時
間Ｔはカウンター３の計数値ｎＴとして測定される。閾
値時間テーブル１７には各基準電圧（ｔ１＋　Ｌ２’〜
ＬＩ、〜ｔＮ）に対応する伝播時間Ｔを与える概略の計
数値ｎＴが記憶されているので、第７図に示す様にこの
中から計数値１１Ｔがほぼ一定となる基準電圧ｔｉの幅
（閾値幅）のうちで最大幅Ｒを与える基準電圧ｔＩの中
央値ｔｉおよび対応する計数値ｎＴをＲＯＭ１８に書き
込まれた手順にしたがいＣＰＵ　１９により求め、ＲＡ
Ｍ　１６に格納する（ステップ■）。

次に、この中央値ｔ、をＤ／Ａ変換器１０を介して比り 較器１０の比較電圧ｖｃとして設定する（ステップ■）
。

この後、中央値Ｌ”；′を閾値とした流量計測を演算回
路１１により実行する（ステップ■）。流量計測に当っ
て超音波パルスの振幅が大きく変化して検出ピークが変
わると、ｆを超音波パルスの周波数としてそのときの伝
播時間Ｔは ＩＴ　−’ｒｏｌ）ｔ／ｒ　　　　　　　　　　　　　
（２）となるので、次式が成立する。

１ｎＴ−ｎＴｌ　−ｆ□／　ｆ≧０（３）この圧式の演
算をＣＰＵ　１９により演算しくステップ０）、その正
負をステップ０で判断する。ここでｆ（ｙ’ｆを１より
大きくしておくことにより検出ピークの変動を判定でき
る。なお、ｆ（ｙ’ｆを１より大きいが、１に近い整数
にするほど厳しい判断ができる。実際には超音波パルス
の周波数ｆは高々ＩＭ）（Ｚであり、クロックｆｏは数
ＭＨ！で良く、例えばマイクロコ／ピ、−夕のクロック
信号（４〜６ＭＨｚ　）が使用できる。

ステップＯでの判断の結果、（３）式の左辺が正ならば
超音波パルスの検出ピークが大幅に変化したものと判断
し演算回路１１にＷ−Ｏとして指令し演算回路１１での
流量計測の結果を棄却しくステップＯ）、（３）式の左
辺が負ならば検出ピークの大幅な変化はなく正常と判断
しｗ＝ｉとして演算回路１１に指令し演算回路１１での
流量計測の結果を出力する（ステップＯ）。

この後、ステップ０に移り、測定開始より所定時間を経
過したかどうかが判断され、所定時間を経過しない場合
は、決定された中央値ｔｌとこれに対応した計数値ｎＴ
を変更する必要がないものとしてステップ■に戻り再度
流量測定が繰り返される。

所定時間を経過した場合はステップ■に戻り再度中央値
Ｌｌと計数値ｎ７を決める平頭を実行する。この様にし
て中央値ｔ１と計数値ｎ７が適当な値か否かが決定され
る。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の超音波流量計には以下に
説明する問題点がある。

第８図は管路１に取付けられた振動子の附近を拡大した
拡大図である。振動子３ａには第５図に示す切替スイッ
チ７を介して駆動パルスＤ、が印加される。駆動パルス
Ｄ、の振動子３ａへの印加により振動子３ａがその厚み
方向に共振し、発生する超音波パルスは第９図に示す様
に振動する波形となる。

この超音波パルスは管路１を経由して反対側の振動子４
ａを振動させ、これに電圧を発生させるが。

この電圧は管路１の肉厚に起因する共振により後方に尾
を引くエンベロープを持つ超音波パルスとなる。

ここで管路１の肉厚が大きい場合を想定する。

第８図に示す伝播経路Ａによる超音波パルスａと伝播経
路Ｂに示す如く反射した超音波パルスｂとは、時間的に
離れて振動子４ａに到達するので、伝播時間ＴａとＴｂ
が分離され相互に干渉がなく（第１０図）したがって超
音波パルスの各波形も正弦波状で伝播時間の測定に際し
誤差要因とはならない。

なお、　８１０図に示す超音波パルスＣは図示しない別
の伝播経路Ｃを反射してたどった超音波パルスであり、
超音波パルスｓ、ｂとは分離された状態となっている。

これに対して、管路１の肉厚が小さい場合には、第１１
図に示す様にその肉厚の程度に応じて（イ）、←）の如
く超音波パルスａの波形に対して超音波ノくルスｂ％Ｃ
の波形が相互に近づき、超音波ノくルスａの波形に歪を
生じさせる。したがって伝播時間の測定点である受信波
形のゼロクロス点の値が変動してスパン誤差となる。

ところで、例えば超音波パルスのキャリヤ周波数（１／
Ｔ、）をＩ　ＭＨ２Ｋ選定し、通常用いられる配管では
薄い値である４、６ｍｍ程度の肉厚の管路を採用すると
、超音波パルスａに対するｂまでの時間差Δｒ（＝Ｔｂ
−Ｔａ）はほぼ１．７　）Ｉｇとなるので、第１２図に
示すように超音波パルスａの４山以降は多重反射の影響
を受ける。

従って１通常用いられる管路では多かれ少なかれ多重反
射の影響を受けていることになる。

ところで、第５図、第６図に示す従来の超音波流量計で
は第７図に示す様に計数値ｎＴがほぼ一定となる基準電
圧ｔ１の幅（閾値幅）のうちで最大幅几を与える基準電
圧ｔＨの中央値ｔｉを求めてこれをｉ３ 伝播時間差を横顔γきの閾値としている。この尼め、超
音波パルスの波形によりては多重反射波の影響を受けた
後方の波形部分に闇値が設定されこのためスパン誤差を
生じる欠点がある。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するため、超音波パル
スの送信から被測定流体を介して受信するまでの超音波
パルスの伝播時間を測定する時間測定手段と、超音波パ
ルスの検出レベルを変える閾値設定手段と、検出レベル
を変えながらこの検出レベルに対応した伝播時間を測定
し闇値時間テーブルを作成するテーブル作成手段と、こ
の闇値時間テーブルから伝播時間がほぼ一定となる超音
波パルスのうち最小の伝播時間を持つ第１若しくは第２
の受信波を選定する受信波選定手段と、選定された受信
波の検出レベルを決定するレベル決定手段と、このレベ
ル決定手段で決定された検出レベルを基準レベルとして
被測定流体の流量を測定する構成としたものである。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づき説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図であり、第
２図は第１図に示す実施例の動作を説明するフローチャ
ート図である。尚、従来技の 術と同一機能を有する部分には同４号を付し説明を適宜
省略する。

第１図に示す実施例では、多重反射の影響を除くため多
重反射波が到着する前の超音波パルスの第１波若しくは
第２波にレベル検出の基準を置くようにしたものである
。

第１図においてＤ／Ａ変換器１ｏより送出される各基準
電圧ｔｉＫ対応する伝播時間Ｔを第５図に示す場合と同
様にして測定し、ＣＰＵ　１９の制御のもとにＲＯＭ２
１のプログラムにしたがって第２図のステップ■〜■で
示す様にしてバッテリバックアップされたＲＡＭ　２２
０所定領域に闇値時間テーブル２３を作る０この闇値時
間テーブル２３は各基準電圧ｔｉに対してに回繰り返し
て測定される。この場合に、種種の管路ｌを用いての超
音波パルスの波形観測の結果から超音波パルスの第２波
のピーク電圧は受波した超音波パルスのピーク電圧Ｖ、
の２０％以上の値を持つことが判っているので、ｍ１図
に示す実施例では基準電圧１（の可変範囲の上限値ＬＨ
をピーク電圧Ｖの２５４程度に設定する。また、下限値
化は内部あるいは外部ノイズのレベル程度に設定すれば
良いがＬＬ　＝　Ｏに設定しても良い。以上の如くして
基準電圧ｔ１の可変範囲をｔＬ≦ｔｉ≦ＬＨに設定して
闇値時間テーブル２３を作成し、ステップＯに移行する
。

ステップＯでは以上のサーチ動作が終了したかどうかを
ＣＰＵ　１９により判断し、終了していれば次のステッ
プ■に移行する。

ステップ■では閾値時間テーブル２３に形成されたデー
タのうち基準電圧ｔｉの変化に対して伝播時間Ｔが所定
のバラツキσの中におるか否かの判断をＲＡＭ　２２の
所定額ｔｉｎ形成されたσ判断プログラム２４に従って
判断し、バラツキσを越えている伝播時間Ｔは棄却し、
ステップＯＫ移行する。

ステップＯではバラツキσの中にある伝播時間のうち最
小の伝播時間Ｔｍ１ｎを示すものをＲＡＭ　２２中の読
込まれた選択プログラム２５により探す。そしてその最
大の基準電圧’ｍａｘと最小の基準電圧ｔｎｉｉ’−ｎ
を確定し、レベル差Δｖ１（”　’、１ｏａｘ　−’ｍ
１ｎ）とΔＶ２（＝’Ｈ−’ｍａｘ）’を演算する。・ ステップ０％Ｏで示すデータを図示すれば第３図に示す
様になグている。’ｍｉｎ以下の基準電圧に対応する伝
播時間はに回の測定においてσ値を越えて分散している
。σ値の中で最小の伝播時間Ｔｍ１ｏを示す本のはＴ１
で示され、Ｔ２は次の波に対応する第２波の伝播時間で
ある。

ステップ＠、Ｏで受信波選択手段を構成している。

ステップ［株］はステップＯで求めた最小の伝播時間Ｔ
ｍｌ。における基準電圧ｔｆｆｌａｘと上限値ＬＨとを
比較し、ｔｍａｘがＬＨに等しいかＬＨよりも小さいか
を判断する。

ｔｍａｘ　＜　ｔＨのときはステップ■に移行し、Δｖ
１とΔｖ２とを比較する。この結果、ΔＶｌ　）Δｖ２
であれば、受信した超音波パルスの第１波に対して閾値
を設定すべくステップ＠に移行する。Δｖ１〉Δｖ２の
条件を満さないときは、第２波に対して閾値を設定すべ
くステップＯに移行する。

ｔｍａＸ　＝’Ｈのときは伝播時間としてで１とＴ２の
いずれの値もとり得るが、この場合はステップ＠に移行
するようＫする。

ステップ＠では（ｔｍｉ。＋Ｌｍａｚ）／２　　の演算
を、ステップＯでは（ＬＨ”　ｔｍａｘ）／　２の演算
をそれぞれ実行してステップ■に移行する。

以上のステップＯ〜＠に至る実行プログラムはＲＡＭ　
２２０所定領域にレベル決定プログラム２６として格納
され、ＣＰｏ　１９の制御のもとに実行される。

これ郷のプログラムを格納したＲＡＭ　２２．　ＲＯＭ
　２１゜ＣＰＵ　１９、パス２０などで制御回路２７を
構成している。

ステップ■〜０までは第６図に示すステップと同じ手順
で信号が処理される。

以上の如き信号処理により多重反射波の影響が信号波に
及ばない超音波パルスの第１波あるいは第２波をとらえ
伝播時間を計測するのでスパン誤差を生じない良好な流
量計測ができる。

第４図は超音波パルスの第１波あるいは第２波を検出す
る他の実施例のレベルを決定する波形図である。

超音波パルスの第１波のピーク電圧がｖｌで第２波のピ
ーク電圧がｖ２のときの各々の伝播時間がＴ１　、　Ｔ
２の場合に、ピーク電圧の差である所定のマージンΔｖ
（＝　Ｖｌ　−０，Ｖ２−　Ｖｌ　、・・・）として例
えハ０．２ボルトの幅を設け、このマージンΔマ以上の
レベルを持つ伝播時間Ｔのうち最も小さい値を示す波を
、例えば第４図の例ではΔｖ　）　Ｖｌ　として第２波
を、求めその中間値をツを閾値として比較器９に設定す
る。

これを実行するプログラムはＲＡＭ２２に格納され。

ＣＰｏ　１９の制御のもとＫこのプログラムを実行する
。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に異体的に説明した様に本発明によれ
ば、管路での多重反射の影響を受ける前の受信された超
音波パルス波形部分にレベル検出の闇値を設定する様に
したので、従来の如きスパンエラーを生ずることがなく
高精度の流量計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図に示す実施例の動作を説明するフローチャ
ート図、第３図は闇値時間テーブルの内容を示すデータ
分布図、第４図は超音波パルスの第１波あるいは第２波
を検出する他の実施例のレベルを決定する波形図、第５
図は従来の超音波流量計の構成を示すブロック図、第６
図は第５図に示す超音波流量計の動作を説明するフロー
チャート図、第７図は第５図に示す超音波流量計丁の伝
播時間対基準電圧の関係を示す波形図、第８図は管路に
取付けられた振動子の附近を拡大した拡大図、第９図は
振動子単独で発生する超音波パルスの波形を示す波形図
、第１０図は管路の肉厚が大きいときの受信波を示す超
音波パルスの波形図、第１１図は管路の肉厚が小さいと
きの受信波を示す超音波パルスの波形図、第１２図は管
路の肉厚が小さいときの受信波を示す超音波パルスを拡
大した拡大波形図である。 １・・・管路、３．４・・・送受波器、９・・−比較器
、１Ｇ・・・Ｄ／ム変換器、１１・・・演算回路、１３
・・・カウンタ、１４・・・クロック発振器、１５．２
７・・・制御回路、１６．２２・・・ＲＡＭ　、　１７
．２３・・・閾値時間テーブル、１８．２１・・・８０
Ｍ％１９・・・ＣＰＵ　、２４・・・σ判断プログラム
、２５・・・選択プログラム、２６・・・レベル決定プ
ログラム、Ｓ・・・スタートパルス、Ｔｐ・・・トリガ
パルス、Ｄｐ・・・駆動パルス。 Ｊｌｉ 第４図 第７図 第Ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波パルスの送信から被測定流体を介して受信するま
   での前記超音波パルスの伝播時間を測定する時間測定手
   段と、前記超音波パルスの検出レベルを変える閾値設定
   手段と、前記検出レベルを変えながら前記検出レベルに
   対応した前記伝播時間を測定し閾値時間テーブルを作成
   するテーブル作成手段と、前記閾値時間テーブルから前
   記伝播時間がほぼ一定となる前記超音波パルスのうち最
   小の伝播時間を持つ第１若しくは第２の受信波を選定す
   る受信波選定手段と、選定された受信波の検出レベルを
   決定するレベル決定手段と、前記レベル決定手段で決定
   された検出レベルを基準レベルとして前記被測定流体の
   流量を測定することを特徴とする超音波流量計。