【手続補正書】
【提出日】平成16年4月9日(2004.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】流量計測装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】流体管路に設けられ超音波信号を送受信する少なくとも１対の振動子と、前記送信側の振動子を駆動して超音波信号を送信させる送信手段と、受信側の振動子の出力信号を受信する受信手段と、前記振動子間を伝搬する超音波信号の伝搬時間を計測し、流量を求める流量演算手段とを備え、前記受信手段は、前記受信側の振動子の内部インピーダンスよりも低いインピーダンスで前記出力信号を入力し検知する低インピーダンス検知手段と、前記出力信号に含まれるノイズ成分を吸収するノイズ吸収手段とを有する流量計測装置。
【請求項２】ノイズ吸収手段は、信号の高周波成分を除去するフィルターとした請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】送信側の振動子の発振周波数をｆ１、フィルターの遮断周波数をｆ２としたとき、
ｆ１＜ｆ２
の関係となるように設定されている請求項１または２に記載の流量計測装置。
【請求項４】ノイズ吸収手段は、送信側の振動子の駆動パルスによる漏れ電流を制限する抵抗を備えた請求項１記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波信号を用いてＬＰガスや天然ガス等の流体の流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計測装置としては、図１３に示されるように、１ａ及び１ｂは振動子でともに流体管路３に含まれる。送信部４が振動子１ａを駆動し、超音波が流体管路３を伝播する。超音波信号は振動子１ｂ介して受信部５で受信される。受信部５では、受信した超音波信号を所定のレベルまで増幅する。計測部６では、送信部４が超音波を送信してから、受信部５が信号を出力するまでの時間すなわち伝搬時間を計測する。次に切替部７によって超音波信号を送受信する方向を変えて逆方向の伝搬時間を測定し、両方向の伝搬時間差より流量を演算して求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では次のような課題があった。通常この種の流量計測装置では、測定する気体が可燃性の場合もあり、防爆構造が必要であった。そのため、流体管路３は金属でできており、振動子１ａ、１ｂの外殻も金属でできていた。また、振動子１ａ、１ｂの外殻が信号線の一方と接続されていた。そして、流体管路１と振動子１ａ、振動子１ｂはゴムなどのパッキンを用いて、気密を保っていた。このため、流体管路３と振動子１ａ及び受信側の振動子１ｂの間で容量による結合が存在し、図９に示すように、送信側に設定された振動子１ａの駆動パルスが前述した容量を通じて、受信部５にスパイク上のノイズが飛び込み、誤って受信してしまったり、このスパイク上ノイズが受信側に設定された振動子１ｂを振動させ、その残響が正規の受信波が到達する時点まで残り、流量計測の精度を落としていた。
【０００４】
本発明は、従来の課題を解決するもので、誤動作をなくし、流量計測の精度を向上させた流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
従来の課題を解決するために、本願発明の流量測定装置は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する少なくとも１対の振動子と、前記送信側の振動子を駆動して超音波信号を送信させる送信手段と、受信側の振動子の出力信号を受信する受信手段と、前記振動子間を伝搬する超音波信号の伝搬時間を計測し、流量を求める流量演算手段とを備え、前記受信手段は、前記受信側の振動子の内部インピーダンスよりも低いインピーダンスで前記出力信号を入力検知する低インピーダンス検知手段と、前記出力信号に含まれるノイズ成分を吸収するノイズ吸収手段を設けたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する少なくとも１対の振動子と、前記送信側の振動子を駆動して超音波信号を送信させる送信手段と、受信側の振動子の出力信号を受信する受信手段と、前記振動子間を伝搬する超音波信号の伝搬時間を計測し、流量を求める流量演算手段とを備え、前記受信手段は、前記受信側の振動子の内部インピーダンスよりも低いインピーダンスで前記出力信号を入力検知する低インピーダンス検知手段と、前記出力信号に含まれるノイズ成分を吸収するノイズ吸収手段を設けることにより、送信側に設定された振動子を駆動するときに流体管路から容量結合で漏れてきた駆動パルスをノイズ吸収手段によって吸収し、誤動作をなくし、流量計測の精度を向上させたものである。
【０００７】
これによって、送信側に設定された振動子を駆動するときに流体管路と振動子の間の容量結合によって駆動パルスが漏れてきても、ノイズ吸収手段により駆動パルスの高周波成分を除去し後段の低インピーダンス検知手段、アンプには駆動パルスの漏れ成分を入力させないようにして、誤動作をなくし、流量計測の精度を向上させることが可能となる。
【０００８】
好ましくは上記流量計測装置において、ノイズ吸収手段は、信号の高周波域をカットするフィルターを有することにより、送信側に設定された振動子を駆動するときに流体管路から容量結合で漏れてきた高周波の駆動パルスをフィルターによって吸収し、誤動作をなくし、流量計測の精度を向上させたものである。
【０００９】
好ましくは上記流量計測装置において、送信側の振動子の発振周波数をｆ１、フィルターの遮断周波数をｆ２とするとき、
ｆ１＜ｆ２
の関係となるように設定することにより、正規の受信信号は遮断することなく、ノイズ成分のみを遮断することにより、誤動作をなくし、流量計測の精度を向上させたものである。
【００１０】
好ましくは上記流量計測装置において、ノイズ吸収手段は、送信側の振動子の駆動パルスによる漏れ電流を制限する抵抗を備ることにより送信側に設定された振動子を駆動するときに流体管路から容量結合で漏れてくる駆動パルス電流を制限するようにし、誤動作をなくし、流量計測の精度を向上させたものである。
【００１１】
本実施形態は、上記いずれかに記載の流量計測装置の少なくとも一つの手段をコンピュータに実行させるためのプログラムとすることにより、この構成によれば、送信側に設定された振動子を駆動するときに流体管路から容量結合で漏れてくる駆動パルスを遮断することができ、計測精度を向上させたものである。また、プログラムであるのでマイコンなどを用いて本発明の流量計測装置の一部あるいは全てを容易に実現することができる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布が簡単にできる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例における流量計測装置の動作を示すブロック図、図２は同回路図と流体管路１０の断面を示す図、図３は動作を説明するフローチャート、図４はパルス状ノイズとセンサ励振の様子を示す図である。
【００１４】
図１及び図２において、流体管路１０の途中に超音波を送受信する振動子１１ａ及び振動子１１ｂが流体の流れ方向に配置されている。１３は送信手段で、振動子１１ａあるいは振動子１１ｂを駆動して、流体管路１０へ超音波を出力する。１６は受信手段で、振動子１１ａあるいは振動子１１ｂからの受信信号を受信し、また、受信信号に含まれているノイズ成分を吸収するノイズ吸収手段１９及び受信信号を低インピーダンスで入力する低インピーダンス検知手段２０を含んでいる。１８はアンプで、受信手段１６の信号を所定のレベルに増幅する。２１は繰り返し手段で、アンプ１８から信号が出力された時に繰り返し信号をトリガ手段１４に送る。２２は遅延手段で、トリガ手段１４から信号があると、所定の遅延時間の計時を開始する。トリガ手段１４は、遅延手段２２の遅延時間の計時終了の信号を受けて、送信手段１３を動作させる。送信手段１３は、切換手段１２を介して振動子１１ａあるいは振動子１１ｂを駆動する。
【００１５】
２４は計数手段で、スタート手段２３から測定開始信号が出力されると基準クロック２５の出力を計時し、振動子１１ａあるいは振動子１１ｂから、受信手段１６及びアンプ１８が超音波信号を受信するまで、計時を継続する。２６は流量演算手段で、振動子１１ａで送信して振動子１１ｂで受信する場合の計数手段２４の計数値と、振動子１１ｂで送信して振動子１１ａで受信する場合の計数手段２４の計数値のそれぞれから遅延手段２２の遅延時間を減算し、おのおのの減算された値の差と、流体管路１０の諸定数により流量演算を行う。３０はプリント基板で、切換手段１２、送信手段１３、受信手段１６を内蔵する。２９はコネクタで、振動子１１ａ及び振動子１１ｂとプリント基板３０上の切換手段１２とを接続する。３１はリード線で、振動子１１ａ及び振動子１１ｂとコネクタ２９を接続する。
【００１６】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００１７】
まず、スタート手段２３は切換手段１２により振動子１１ａを送信側に、振動子１１ｂを受信側に設定する。すなわち、図２において、切換手段１２に内蔵される第１切換スイッチ１２１をオンにして送信手段１３とリード線３１を介して振動子１１ａを接続させる。第２切換スイッチ１２２はオフである。また、第４切換スイッチ１２４をオンにして振動子１１ｂとリード線３１を介して受信手段１６を接続する。第３切換スイッチ１２３はオフである（図３ステップ７０）。次に、スタート手段２３は計数手段２４及び繰り返し手段２１を初期化し、計数手段２４は基準クロック２５の出力パルスの計数を始める（ステップ７１）。また、繰り返し手段２１はトリガ手段１４を動作させる。遅延手段２２はトリガ手段１４のトリガ信号によって、遅延時間の計数を開始する。遅延手段２２の遅延時間の計数が終了すると、トリガ手段１４は送信手段１３を動作させ、所定の周波数ｆ１（例えば５００ｋＨｚ）で振動子１１ａを駆動し、流体管路１０内に超音波を発射させる（ステップ７２〜７４）。
【００１８】
振動子１１ａと振動子１１ｂの外殻と流体管路１０は金属で出来ており、かつ、流体管路１０中の気体が漏れないようにゴムパッキンなどでシールされている。流体管路１０と振動子１１ａ、振動子１１ｂの外殻の間には浮遊容量である流路容量２７が存在する。図４の（ａ）に示すように振動子１１ａを駆動したパルスは、振動子１１ａの流路容量２７を通り、同図（ｂ）のように微分状のパルスになって、流体管路１０、流路容量２７、振動子１１ｂを通り、第４切換スイッチ１２４を通って受信手段１６まで到達する。後述するが、受信手段１６は振動子１１ｂからの信号を低インピーダンスで受信するために、低インピーダンス検知手段２０を内蔵している。この、低インピーダンス検知手段２０は、低インピーダンスを実現するために、オペアンプ２０１に帰還抵抗２０２によって帰還をかけることにより実現している。図４の（ｂ）に示すような微分状のパルスは振動子１１ａの駆動パルスの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジに同期して発生するため、振動子１１ａの駆動周波数をｆ１とすると、微分状のパルスの周波数はｆ１の１０倍程度になる。例えば、振動子１１ａの駆動周波数を５００ｋＨｚとすると微分パルスの周波数は５ＭＨｚ程度になる。
【００１９】
この場合、オペアンプ２０１に周波数の高い信号が入力されれば、もし、ノイズ吸収手段１９がないと、オペアンプ２０１は動作速度が間にあわず、誤動作を起こしてしまう。その誤動作波形が帰還抵抗２０２を介して、第４切換スイッチ１２４を通って、図４の（ｃ）に示すように受信側に設定された振動子１１ｂを誤って振動させてしまう。この不要振動が正規の受信時点まで残響として残り、正規の受信波形をひずませ、精度を落とすことになる、しかしながら、本発明では、ノイズ吸収手段１９を帰還抵抗２０２の内側とオペアンプ２０１のマイナス入力部に挿入し、抵抗１９１及び第２コンデンサ１９２による高域カットフィルター構成としている。
【００２０】
その遮断周波数をｆ２とし、振動子１１ａの駆動周波数をｆ１とすると
ｆ１＜ｆ２
なる関係にしている。図５にノイズ吸収手段１９すなわち高域カットフィルターの周波数と減衰特性を示す。同図からわかるように、振動子１１ｂから入力される受信波には影響せず、流路容量２７を通って入ってくる微分状のパルスは減衰させることになり、図４の（ｄ）に示すように、正規の受信点付近の不要振動は問題のないレベルに減衰し、受信波形を歪ませることもなく、精度を落とすこともない。
【００２１】
振動子１１ａから発射された超音波は流体管路１０内を伝搬し、振動子１１ｂに所定の時間後に振動子１１ｂ及び受信回路１６に到達するが、その時間は、流体管路１０中の被測定物の温度と種類、一対の振動子１１間の距離、振動子１１ｂの内部インピーダンスと低インピーダンス検知手段２０の入力インピーダンスで決まる遅延タイミングに依存する。これらの内、被測定物の温度と種類、一対の振動子１１間の距離できまる時間は差がでないが、前記遅延タイミングは振動子１１ａと振動子１１ｂの特性が違えば、遅延タイミングが異なり誤差として残る。
【００２２】
図６は、振動子１１の等価回路と低インピーダンス検知手段２０を示している。図６において、受信側の振動子１１ｂでは送信側の振動子１１ａから送信された信号を、信号源１０２にて電気信号に変換し受信手段１６に含まれる低インピーダンス検知手段２０に出力している。出力信号は内部インピーダンス１０１（値をＺｏｕｔとする。）と電極間容量１０３（値をＣとする。）で決まる時間だけ遅延して出力される。つまり遅延時間は、（Ｃ×Ｚｏｕｔ）の値に比例した値となり、遅延量はＣに対しＺｏｕｔが大きいほど大きくなる。
【００２３】
そこで１対の超音波振動子の特性が揃っていれば、いずれが受信側になっても（Ｃ×Ｚｏｕｔ）の値も同じで遅延タイミングが同じになるので、流量計測のための重要な要素である伝搬時間に誤差が生じない。ところが１対の超音波振動子の特性が揃っていなかった場合、例えば、温度変化による電極間容量１０３やその変化の度合が、振動子１１ａと振動子１１ｂとで異なっていれば、振動子１１ａが受信側になる場合と振動子１１ｂが受信側になる場合とで、出力信号の遅延タイミングが異なって変化し、計時手段２４によって受信側、送信側を逆にして測定される伝搬時間を正確に測定できなくなるため、流量演算手段２６で求める流量計測値にも誤差が生じてしまう。
【００２４】
本実施例では、受信側の振動子１１ｂの出力信号を、その振動子１１ｂの内部インピーダンス１０１のインピーダンス値Ｚｏｕｔに比べ、十分に低い入力インピーダンス値の低インピーダンス検知手段２０で受けている。この低インピーダンス検知手段２０はオペアンプ２０１及び帰還抵抗２０２によって構成されている。例えば、振動子１１ａから発射される超音波信号の周波数を５００ｋＨｚとすると、その周波数におけるオペアンプのゲインを１００倍とし、帰還抵抗２０２の値を５００Ωとすると、低インピーダンス検知手段２０の入力インピーダンスＺｉｎは次式で表される。
【００２５】
Ｚｉｎ＝（帰還抵抗２０２の値）／（オペアンプのゲイン）＝５００／１００＝５Ω
となる。
【００２６】
この場合、図６に示すようにＺｏｕｔとＺｉｎとは並列に接続されるので、遅延時間は（Ｃ×（Ｚｏｕｔ×Ｚｉｎ）／（Ｚｏｕｔ＋Ｚｉｎ））と比例した値となるが、Ｚｉｎの値が５Ω、Ｚｏｕｔが１ｋΩ程度となり、Ｚｏｕｔ＞＞Ｚｉｎが成り立ち、（Ｃ×（Ｚｏｕｔ×Ｚｉｎ）／（Ｚｏｕｔ＋Ｚｉｎ））は計算上、ほぼＺｉｎの値と等しく、遅延時間はＺｏｕｔの影響を受けずＺｉｎの値で決まるようになる。
【００２７】
すなわち受信側の振動子１１ｂに出力する信号の遅延時間は、内部インピーダンス１０１に対する低インピーダンス検知手段２０のインピーダンス比でほぼ決まるようになり、入力インピーダンス値Ｚｉｎが、流量計測の上で重要な要素である伝搬時間の測定に影響するタイミング遅延を支配するようになり、１対で用いる振動子１１ａと振動子１１ｂの特性が異なっていても、その違いや変化を吸収することができる。
【００２８】
振動子１１ｂに生じた受信電流は、ＤＣ成分をカットするためのコンデンサ１６１を介して、受信手段１６に内蔵される帰還抵抗２０２によって、所定の倍率で電圧に変換される。ノイズ吸収手段１９の構成要素である抵抗１９１と第２コンデンサ１９２は帰還抵抗２０２とオペアンプ２０１のマイナス入力端子間に入っているので電圧に変換される時の倍率には影響ない。
【００２９】
そして、アンプ１８にて所定のレベルまで増幅される。受信後にアンプ１８は繰り返し手段２１に信号を出力する。繰り返し手段２１は繰り返し回数を１つ増やすとともに、再びトリガ手段１４を動作させ、同時に遅延手段２２を動作させる。トリガ手段１４から信号を受けた遅延手段２２は、所定の遅延時間を計時し、遅延時間計時終了でトリガ手段１４は送信手段１３を動作させ、所定の周波数で振動子１１ａを駆動し、流体管路１０内に再び超音波信号を発射させる。以降、繰り返し手段２１の繰り返し回数が設定値に達するまで、振動子１１ａから、流体管路１０内に超音波信号を送信し、所定時間後に振動１１ｂ及び受信手段１６により、超音波信号を受信し、そして遅延手段２２で所定の遅延時間計時後に再び送信を行うという動作を繰り返す（ステップ７２〜７７）。
【００３０】
繰り返し手段２１の計数が終了すると、計数手段２４の計時を停止する。流量演算手段２６は計数手段２４の値を読み込む。この計数値は、前述したように不要震動による誤差の影響はなくなっている。計数手段２４の計数値をＴ、遅延手段２２の計数値をＴｄとすると、上流側から下流側すなわち、振動子１１ａから振動子１１ｂに伝搬するのに要する時間Ｔ１は、繰り返し手段２１の繰り返し回数をＮとするとＴ１＝（Ｔ−Ｔｄ×Ｎ）／Ｎとなる。この値を流量演算手段２６に記憶する（ステップ７８）。
【００３１】
次に、再び、スタート手段２３は切換手段１２を動作させて、振動子１１ａを受信側に、振動子１１ｂを送信側に設定する。図２において、切換手段１２に内蔵される第２切換スイッチ１２２をオンにして送信手段１３とリード線３１を介して振動子１１ｂを接続させる。第１切換スイッチ１２１はオフである。また、第３切換スイッチ１２３をオンにして振動子１１ａとリード線３１を介して受信手段１６を接続される。第４切換スイッチ１２４はオフである。すなわち、振動子１１ａを受信手段１５に接続し、振動子１１ｂを送信手段１３に接続し、流体の流れの方向に対して、下流側から上流側に超音波が伝搬されることになる（ステップ８０）。次に、繰り返し手段２１及び計数手段２４の値を初期値にし、計数手段２４は基準クロック２５の出力パルスの計数を始める。以降は、上流から下流に超音波を伝搬させる場合と同様であるので、説明を割愛する。
【００３２】
繰り返しが終了し、下流側から上流側すなわち、振動子１１ｂから振動子１１ａに伝搬するのに要する時間はＴ２となる。両方向の計測が終了すれば（ステップ７９）流量演算を行うが、このとき、流体管路１０に矢印の方向に流れがあれば下流から上流への超音波の伝搬時間は遅れるのでＴ１＜Ｔ２となる。Ｔ１とＴ２の逆数差を流量演算手段２６で求め、さらに流体管路１０の断面積や流れの状態などを考慮して流量値を演算する（ステップ８１）。
【００３３】
以上のように、受信手段１６に内蔵されたノイズ吸収手段１９を抵抗１９１、第２コンデンサ１９２によりフィルターを構成し、その遮断周波数を振動子１１の駆動周波数よりも高くすることにより、正規の超音波受信信号は除去せずに、振動子１１を駆動したときに生じるパルス状のノイズのみをを吸収するので、送信時に、低インピーダンス検知手段２０を誤動作させることがなく、流量計測の精度を向上させたものである。
【００３４】
なお、本実施例ではノイズ吸収手段１９の構成として、抵抗１９１と第２コンデンサ１９２による高域を遮断するフィルターとしたが、例えば、コンデンサとしてオペアンプ２０１の入力の浮遊容量を利用してもよく、また、帰還抵抗２０２部分に高域カットのフィルターを構成してもよく、要は、受信手段１６の内部インピーダンスを増加させることなく、入力される高周波成分がカットできればよい。また、低インピーダンス検地手段２０をオペアンプ２０１で構成したが、複数のトランジスタでアンプを構成してもよく、要は、振動子１１から流れてくる電流を帰還抵抗を有するアンプ構成であればよい。
【００３５】
（実施例２）
図７は本発明の第２の実施例における流量計測装置の動作を示す回路図と流体管路１０の断面を示す図である。構成及び作用、動作が実施例１と重複するところは説明を簡略、割愛する。
【００３６】
ノイズ吸収手段１９は第２抵抗１９３により構成されている。振動子１１ａを送信側、振動子１１ｂを受信側に設定されているときに、送信手段１３により駆動された振動子１１ａの外殻、流体管路１０と振動子１１の外殻の間に存在する流路容量２７、振動子１１ｂ外殻を通じて、第４切換スイッチ１２４を通って、送信時の振動子１１ａの駆動パルスによる漏れ電流は受信手段１６に入力される。ＤＣ成分をカットするコンデンサ１６１を通過して、ノイズ吸収手段１９に入力される。ノイズ吸収手段１９に内蔵される第２抵抗１９３によって、前述した漏れ電流は制限され減衰されて、低インピーダンス検知手段２０に入力される。すなわち、駆動パルスが漏れても、過大電流が後段の低インピーダンス検知手段２０、アンプ１８に流れ込むことはない。
【００３７】
以上のように、受信手段１６に内蔵されたノイズ吸収手段２９を第２抵抗１９３で構成することにより、簡単な構成で、パルス状のノイズによる電流を制限するので、送信時に振動子１１を駆動したときの駆動パルスが、低インピーダンス検知手段２０を誤動作させることがなく、流量計測の精度を向上させたものである。
【００３８】
以上説明したように本実施形態によれば、ノイズ吸収手段により、パルス状のノイズを吸収するので、送信時に振動子を駆動したときに流路から漏れてきたり、振動子のリード線に誘起されるような高い周波数パルス状ノイズが、低インピーダンス検知手段を誤動作させることがないので、流量計測装置の計測精度を確保することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の流量計測装置によれば、計測精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における流量計測装置のブロック図
【図２】同実施例における流量計測装置の構成図
【図３】同実施例における動作を説明するフローチャート
【図４】同実施例におけるパルス状ノイズとセンサ励振の様子を示す図
【図５】同実施例におけるノイズ吸収手段の周波数特性を示す図
【図６】同実施例における振動子の内部インピーダンスを示した図
【図７】本発明の第２の実施例における流量計測装置の構成図
【図８】従来の流量計測装置のブロック図
【図９】従来例におけるパルス状ノイズとセンサ励振の様子を示す図
【符号の説明】
１０  流体管路
１１ａ  振動子
１１ｂ  振動子
１３  送信手段
１４  トリガ手段
１６  受信手段
１９  ノイズ吸収手段
２０  低インピーダンス検知手段