【手続補正書】
【提出日】平成16年5月10日(2004.5.10)
【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】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  流量計測装置及び流量計測方法
【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一対の振動子と、前記振動子の送受信を切替える切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける入力部と、前記入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記送信側の振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計測値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、入力部のインピーダンスを変更するインピーダンス制御手段を有した流量計測装置。
【請求項２】  インピーダンス制御手段は、超音波の伝搬時間に応じて入力インピーダンスを変更する請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】  インピーダンス制御手段は、超音波の伝搬時間が長くなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変更する請求項２記載の流量計測装置。
【請求項４】  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一対の振動子と、前記振動子の送受信を切替える切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける入力部と、前記入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記送信側の振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計測値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた流量計測装置において、超音波の伝搬時間に応じて入力インピーダンスを変更して、流量を算出する流量計測方法。
【請求項５】  インピーダンス制御手段は、流量に応じて入力インピーダンスを変更する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項６】  インピーダンス制御手段は、流量が多くなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変更する請求項５記載の流量計測装置。
【請求項７】  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一対の振動子と、前記振動子の送受信を切替える切替え手段と、前記振動子の受信出力を受ける入力部と、前記入力部の出力から超音波の受信を検知する受信検知手段と、前記送信側の振動子を駆動する駆動手段と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段の計測値に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた流量計測装置において、流量に応じて入力インピーダンスを変更して、流量を算出する流量計測方法。
【請求項８】  駆動手段が振動子を駆動するタイミングを検知する駆動タイミング検知手段を備え、駆動タイミング検知手段により検知した振動子駆動時に入力部の入力インピーダンスを変更する請求項１記載の流量測定装置。
【請求項９】 切り替え手段が動作するタイミングを検知する切り替えタイミング検知手段を備え、切り替え手段動作時に入力部の入力インピーダンスを変更する請求項１記載の流量測定装置。
【請求項１０】  制御部に電源を供給する電源と、電源が動作したタイミングを検知する電源タイミング検知手段を備え、電源投入後時、入力部の入力インピーダンスを変更する請求項１記載の流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量計測装置及び流量計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は図４に示すように流体管路１に設けられ超音波信号を送受信する第１の振動子２及び第２の振動子３とを流れの方向に相対して設け、駆動手段４によって第１の振動子２を駆動し超音波を送信する。この超音波を第２の振動子３で受信し、受信した信号から受信検知手段５で受信タイミングを決定する。計時手段６は駆動手段４が第１の振動子２を駆動してから受信検知手段５が受信タイミングを決定するまでの時間を計測することによって伝搬時間を測定する。また切替手段７によって超音波を送受する方向を変え逆方向の超音波の伝搬時間を測定し、両方向の伝搬時間より流量を流量演算手段８によって演算し求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置の受信側振動子の等価回路は図２で示す等価回路のように、超音波振動を電気信号に変換する信号源９と、信号源９のインピーダンス１０と、振動子の電極間容量１１からなっており、前記振動子から出力される信号は超音波の振動に対し、インピーダンス１０と電極間容量１１で決まるタイミングだけ遅れて電気信号として出力される。
【０００４】
この場合、温度変動があると電極間容量１１の値が大きく変化し、出力信号のタイミング遅れが変わるので正確な時間測定ができない。この遅延の変動を小さな値にするために、内部インピーダンスより低いインピーダンスの回路によって振動子の出力信号を受け、遅延時間を短くする方法があった。しかし、振動子の出力を受ける回路の入力インピーダンスを小さくするほど消費電流が必要である上、小さなインピーダンスで振動子の出力を受けるので振動子の出力信号が小さくなり、信号検出のため出力信号を大きく増幅する為の消費電流が増えていた。このため測定精度を落とすことなく装置全体の消費電流を小さくするという課題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、入力部のインピーダンスを変更するインピーダンス制御手段を備える。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態１にかかる流量計測装置は、入力部のインピーダンスを変更するインピーダンス制御手段を有する。そして、測定条件に応じて精度を満足する入力インピーダンスに設定する。これにより振動子の出力信号から信号検出のために必要な増幅率を必要最低とすることができる。その結果、精度を満足しなおかつ消費電流を小さくする設定とすることができるので消費電流を小さくすることができる。
【０００７】
本発明の実施形態２にかかる流量計測装置は、インピーダンス制御手段は、超音波の伝搬時間に応じて入力インピーダンスを変更する。好ましい形態は、超音波の伝搬時間が長くなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変更する。流量測定における誤差は、伝搬時間に対する時間測定誤差の比率が問題となる。そのため、伝搬時間が長い場合は時間計測誤差も相対的に許容値が大きくなり、同じ受信条件では必要以上に測定精度がよくなる。
【０００８】
この場合、測定精度を満足する範囲で入力部のインピーダンスを高くすることにより、超音波信号の電気信号振幅が大きくなる。また、超音波信号のＳ／Ｎが改善され測定値のばらつきを小さくすることができる。また入力信号振幅が大きくなるので、信号を増幅度を小さくすることができるので消費電流を少なくすることができる。
【０００９】
本発明の実施形態３にかかる流量計測装置は、インピーダンス制御手段は、前回測定時の計時部による計時が長くなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変える。そして、計時部出力は伝搬時間と比例しているので、この値を伝搬時間とすることによって、伝搬時間を測定する必要がなく、伝搬時間測定のための電力消費を削減できるとともに、測定時間を短くすることができる。
【００１０】
本発明の実施形態４にかかる流量計測装置は、インピーダンス制御手段は、測定方向を切り替え超音波の伝搬時間を測定した２つの計時部出力の逆数和が大きくなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変える。そして測定した伝搬時間は流体そのものの音速に流体の流速を加減した伝搬時間を測定しているため、流体本来の伝搬時間ではない。そこで測定方向を切り替えて測定した２つの計時部出力の逆数和を求めることによって、流体の流速を除去した伝搬時間を求めることができ、より正確に伝搬時間に応じて入力部インピーダンスを設定することができる。
【００１１】
本発明の実施形態５にかかる流量計測装置は、流量に応じて入力インピーダンスを変更する。好ましい形態は、流量が多くなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変更する。流量測定における誤差は、ほとんどの場合測定流量値に対する誤差比率を基準としている。つまり、時間測定誤差が一定の場合、相対的に測定流量が多い場合は必要以上に測定精度がよくなる。この場合、入力部のインピーダンスを高くすることにより、超音波信号の電気信号振幅が大きくなるので、超音波信号のＳ／Ｎが改善され測定値のばらつきを小さくすることができる。
【００１２】
本発明の実施形態６にかかる流量計測装置は、流量検知手段が流量演算手段の出力を流量検知手段に受け記憶する。
【００１３】
そして前記流量記憶部に前回の流量演算手段の出力を記憶した値に基づき、入力部の入力インピーダンスを制御するため、別途流量測定をする必要がなく、流量測定のための電力消費を削減できるとともに、測定時間を短くすることができる。
【００１４】
本発明の実施形態７にかかる流量検知手段は、インピーダンス制御手段に超音波を受信するタイミングを予測する予測手段を備え、前記予測手段が予測したタイミングのみ入力部の入力インピーダンスを振動子のインピーダンスに比べ小さな値に変更する。受信信号を受信する必要なタイミングのみ、入力部のインピーダンスを小さくするので、前記入力部のインピーダンスを小さくするための消費電流を小さくすることができると同時に、受信信号を受信しないタイミングでは、入力部のインピーダンスは高くなるので電気的なロスが大きく、振動子に発生した震動を早く減衰させることができるので消費電流が少なくかつ高精度の流量測定装置を実現できる。
【００１５】
本発明の実施形態８にかかる流量計測装置は、駆動手段が振動子を駆動するタイミングを検知する駆動タイミング検知手段を備え、駆動タイミング検知手段により検知した振動子駆動時に入力部の入力インピーダンスを変更する。好ましい形態は、振動子駆動時は入力部の入力インピーダンスを振動子のインピーダンスに比べ小さな値に変更する。このため送信側振動子を駆動する駆動信号が原因であるノイズあるいは漏れ信号が、受信側振動子を震動させるよう発生した場合であっても、入力部を低インピーダンスとしない場合と比較し、入力部の方にも多くのエネルギーが流れるので、受信側振動子が震動しにくくなる。その結果、受信側振動子に超音波信号が伝搬し受信されるまで残る残留震動を低減できるので、消費電流が少ない高精度の流量測定装置を実現できる。
【００１６】
本発明の実施形態９にかかる流量計測装置は、切り替え手段が動作するタイミングを検知する切り替えタイミング検知手段を備え、切り替え手段動作時に入力部の入力インピーダンスを変更する。好ましい形態は、切り替え手段動作時に入力部の入力インピーダンスを振動子のインピーダンスに比べ小さな値に変更する。このため切り替え手段の動作が原因であるノイズあるいは漏れ信号が、受信側振動子を震動させるよう発生した場合であっても、入力部を低インピーダンスとしない場合と比較し、入力部の方にも多くのエネルギーが流れるので、受信側振動子が震動しにくくなる。その結果、受信側振動子に超音波信号が伝搬し受信されるまで残る残留震動を低減できるので、消費電流が少ない高精度の流量測定装置を実現できる。
【００１７】
本発明の実施形態１０にかかる流量計測装置は、制御部に電源を供給する電源と、電源が動作したタイミングを検知する電源タイミング検知手段を備え、電源投入後時、入力部の入力インピーダンスを変更する。好ましい形態は、電源投入時に入力部の入力インピーダンスを振動子のインピーダンスとほぼ同等の値とする。電源投入時に受信側振動子が震動した場合であっても、入力部の方に最も効率よくエネルギーを流すことができるので、受信側振動子発生した震動を早く低減でき、流量計測開始までの時間を短くすることができ消費電流を実現できる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の流量計測装置を示す全体のブロック図である。図２は本発明の振動子の等価回路である。
【００２０】
図１において、１は流体管路であり内部を測定流体が流れる。２、３は第１の振動子及び第２の振動子であり超音波信号を送受信する。４は駆動手段であり、前記振動子を駆動する信号を出力する。１１は入力部であり、振動子２，３の出力信号を低インピーダンスで受ける。７は切替え手段であり振動子２、３と駆動手段４、入力部１１との接続を切替る。５は受信検知手段であり入力部１２の出力信号から、受信タイミングを検知し出力する。６は計時手段であり、スタート信号が入力されてから受信検知手段５の出力を受けるまでの時間を測定する。８は流量演算手段であり、計時手段６の出力から演算によって流量を求める。１３は伝搬時間検知手段であり、伝搬時間を出力する。１４は流速検知手段であり流速を出力する。１５はインピーダンス制御手段であり、出力信号によって入力部１２の入力インピーダンスを変化させる。１６は制御部であり、切替手段７を動作させ、送信受信の切り替え設定した後に駆動手段４と計時手段６にスタート信号を出力する。１７は受信タイミング検知手段であり、駆動手段４が駆動するタイミングを検知した後伝搬時間よりわずかに短い時間後インピーダンス制御手段１５へ出力する。１８は駆動タイミング検知手段であり駆動手段４への制御信号から駆動手段４の検知し、インピーダンス制御手段へ出力する。１９は切り替えタイミング検知手段であり制御部１６が出力した切り替え手段への制御信号から切り替えタイミングを検知し、インピーダンス制御手段１５へ出力する。２０は電源タイミング検知手段であり、電源がＯＮされることを検知しインピーダンス制御手段１５へ出力する。
【００２１】
以下動作を説明する。まず制御部１６が伝搬時間を測定する方向に切替手段７を制御する。ここでは第１の振動子２から第２の振動子３への伝搬時間を測定するので、第１の振動子２と駆動手段４とを、第２の振動子３と入力部１２とをそれぞれ接続する。次にインピーダンス制御手段１５が伝搬時間検知手段１３と流量検知手段１４の出力に基づいて、伝搬時間が長い場合、あるいは流量が多い場合は入力部１２の入力インピーダンスが高くなるよう入力部１２のインピーダンスを設定する。次に制御部１６から駆動手段４と計時手段６とにスタート信号を出力し、駆動手段４は第１の振動子２を駆動する信号を出力し、計時手段８は計時を開始する。駆動された第１の振動子２からは超音波が送信される。そして第２の振動子３によって受信した受信信号を入力部１２で受け、受信検知手段５によって受信検知し、計時手段６の計時を停止させる。計時手段６は演算手段８に計時結果を出力する。
【００２２】
次に制御部１６は切り替え手段７を制御し逆方向の伝搬時間を測定するよう切替手段７の接続を設定する。以下同様に逆方向の測定を実施し、測定結果を演算手段８に出力する。演算手段８では、両方向の伝搬時間の逆数差に定数を乗ずることによって流量を求める。
【００２３】
以上のように、本実施例においては、伝搬時間が長い場合、あるいは流量が大きい場合、など測定条件に応じてインピーダンス制御手段１５が精度を満足する入力インピーダンスに設定する。これにより振動子の出力信号から信号検出のために必要な増幅率を必要最低とすることができる。その結果、精度を満足しなおかつ消費電流を小さくする設定とすることができるので消費電流を小さくすることができる。
【００２４】
また、インピーダンス制御手段１５が伝搬時間を検知する伝搬時間検知手段１３を備え、前記伝搬時間検知手段１３が検知した伝搬時間が長くなると入力部の入力インピーダンスが高くなるよう変える。流量測定における誤差は、伝搬時間に対する時間測定誤差の比率が問題となる。そのため、伝搬時間が長い場合は時間計測誤差も相対的に許容値が大きくなり、同じ受信条件では必要以上に測定精度がよくなる。この場合、測定精度を満足する範囲で入力部のインピーダンスを高くすることにより、超音波信号の電気信号振幅が大きくなる。また、超音波信号のＳ／Ｎが改善され測定値のばらつきを小さくすることができる。また入力信号振幅が大きくなるので、信号を増幅度を小さくすることができるので消費電流を少なくすることができる。
【００２５】
また、インピーダンス制御手段１５は、流量を検知する流量検知手段１４を備え、流量検知手段１４が検知した流量が多くなると入力部１２の入力インピーダンスが高くなるよう変える流量測定における誤差は、ほとんどの場合測定流量値に対する誤差比率を基準としている。つまり、時間測定誤差が一定の場合、相対的に測定流量が多い場合は必要以上に測定精度がよくなる。この場合、入力部のインピーダンスを高くすることにより、超音波信号の電気信号振幅が大きくなるので、超音波信号のＳ／Ｎが改善され測定値のばらつきを小さくすることができる。
【００２６】
また、受信タイミング検知手段１７はスタート信号を受けた後、伝搬時間よりわずかに短い時間経過後、インピーダンス制御手段１５の出力によって、入力部のインピーダンスを小さな値とするので、受信信号を受信する必要なタイミングのみ、入力部１２のインピーダンスを小さくするので、入力部１２のインピーダンスを小さくするための消費電流を小さくすることができると同時に、受信信号を受信しないタイミングでは、入力部のインピーダンスは高くなるので電気的なロスが大きく、振動子に発生した震動を早く減衰させることができるので消費電流が少なくかつ高精度の流量測定装置を実現できる。
【００２７】
さらに、駆動タイミング検知手段１８はスタート信号を受け、駆動タイミングを検知し、インピーダンス制御手段１５の出力によって、駆動手段４が動作しているタイミングは入力部１２のインピーダンスを小さな値とするので、振動子駆動時は入力部の入力インピーダンスを振動子のインピーダンスに比べ小さな値となっている。このため送信側振動子を駆動する駆動信号が原因であるノイズあるいは漏れ信号が、受信側振動子を震動させるよう発生した場合であっても、入力部を低インピーダンスとしない場合と比較し、入力部の方にも多くのエネルギーが流れるので、受信側振動子が震動しにくくなる。その結果、受信側振動子に超音波信号が伝搬し受信されるまで残る残留震動を低減できるので、消費電流が少ない高精度の流量測定装置を実現できる。
【００２８】
切り替えタイミング検知手段１９は、切り替え手段７の動作を制御部１６から切り替え手段７への制御信号から検知し、インピーダンス制御手段１５の出力によって、切り替え手段７が動作しているタイミングは入力部のインピーダンスを小さな値とするので、切り替え手段７の動作が原因であるノイズあるいは漏れ信号が、受信側振動子を震動させるよう発生した場合であっても、入力部を低インピーダンスとしない場合と比較し、入力部の方にも多くのエネルギーが流れるので、受信側振動子が震動しにくくなる。その結果、受信側振動子に超音波信号が伝搬し受信されるまで残る残留震動を低減できるので、消費電流が少ない高精度の流量測定装置を実現できる。
【００２９】
電源タイミング検知手段２０は、電源投入時に入力部１２の入力インピーダンスを振動子のインピーダンスとほぼ同等の値とする。電源投入時に受信側振動子が震動した場合であっても、入力部の方に最も効率よくエネルギーを流すことができるので、受信側振動子発生した震動を早く低減でき、流量計測開始までの時間を短くすることができ消費電流を実現できる。
【００３０】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の流量計測装置の全体のブロックを示す図である。
【００３１】
本実施例２において、実施例１と異なる点はインピーダンス制御手段１５が伝搬時間検知手段の代わりに計時手段６の出力を受けている点と、流量検知手段１４が流量演算手段８の出力とを記憶し次回測定時にインピーダンス制御手段１５に出力する点であり、その他のブロックに関しては実施例１と同じでるので説明は省略する。
【００３２】
インピーダンス制御手段１５は計時手段６の出力を受け、計時部による計時が長くなるとインピーダンス制御手段１５によって、次回測定時の入力部１２のインピーダンスを、入力部１２の入力インピーダンスが高くなるよう変える。
【００３３】
このようにすることによって、伝搬時間検知手段１３を別途設けることなく、入力部１２のインピーダンスを伝搬時間に応じた値とすることができ、消費電力を少なくする子ができる。
【００３４】
また、インピーダンス制御手段１５は測定方向を切り替え超音波の伝搬時間を測定した２つの計時手段６の出力を受ける。そして前記２つの計時手段６の出力の逆数和が大きくなると入力部１２の入力インピーダンスが高くなるよう変える。
【００３５】
測定した伝搬時間は、超音波が流体そのものの音速に流体の流速を加減して伝搬した伝搬時間を測定しているため、流体本来の伝搬時間ではない。そこで測定方向を切り替えて測定した２つの計時手段６の出力の逆数和を求めることによって、流体の流速を除去した伝搬時間を求めることができ、より正確に伝搬時間に応じて入力部１２を設定することができる。
【００３６】
また、流量検知手段１４が、前回の流量演算手段８の出力を記憶し、インピーダンス制御手段１５が、流量検知手段１４に記憶された流量値に基づき、入力部１２の入力インピーダンスを制御するため、別途流量検知手段を設ける必要がなく、流量測定のための電力消費を削減できるとともに、測定時間を短くすることがである。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の流量計測装置は、入力部のインピーダンスを変更するインピーダンス制御手段を備え、測定条件に応じて精度を満足する入力インピーダンスに設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図
【図２】
同流量計測装置の振動子部分の等価回路図
【図３】
本発明の実施例２における流量計測装置のブロック図
【図４】
従来の流量計測装置のブロック図
【符号の説明】
１  測定管路
２  第１の振動子
３  第２の振動子
４  駆動手段
５  受信検知手段
６  計時手段
７  切替手段
８  流量演算手段
１２  入力部
１３  伝搬時間検知手段
１４  流量検知手段
１５  インピーダンス検知手段
１７  受信タイミング検知手段
１８  駆動タイミング検知手段
１９  切り替えタイミング検知手段
２０  電源タイミング検知手段