(57)【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第１振動子及び第２振動子と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、この繰り返し手段の回数を変更する回数設定手段と、繰り返し開始時に低周波発振器の信号をカウントする第１計時手段と、前記第１計時手段の設定時間後に高周波発振器から信号のカウントを開始し繰り返し終了時に停止する第２計時手段と、前記第１計時手段と前記第２計時手段から総時間を算出し、それぞれの総時間の差から流量を求める流量演算手段とを備え、前記第１計時手段の設定時間は回数設定手段の値に応じて変更するようにした流量計測装置。
【請求項２】
流量演算手段の測定値によって回数設定手段の値を変更する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】
第２計時手段は、カウント開始直前に発振を開始する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項４】
流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の値によって、第１計時手段の設定時間を変更する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項５】
第１計時手段と第２計時手段とが同一のカウンタで構成され、低周波発振器のカウント終了後にリセットされ、高周波発振器のカウントを開始する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項６】
前回の第２計時手段の値に基づいて第１計時手段の設定時間を設定する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項７】
第２計時手段のオーバーフローを検出するオーバーフロー検出手段により、計測値を無効にする請求項１記載の流量計測装置。
【請求項８】
オーバーフロー検出手段で検出した信号により、第１計時手段により再計測する請求項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、超音波を利用してガスなど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】
従来のこの種の流量計測装置は、図１４に示すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と３を流れの方向に相対して設け、スタート手段４で計時手段５の計時を開始するとともに、トリガ手段６から送信手段７でバースト信号送出し、振動子１から流れ方向に超音波を発生させ、この超音波を振動子２で受信し、増幅手段８と比較手段９で検出すると繰り返し手段１０を介して遅延手段１１で遅延時間を設けて再び振動子１から超音波を発生させ、この繰り返しを所定回数行ったときに計時手段を停止させ時間を計測する。また逆に切換手段１２で振動子を切り換え、振動子２から流れに逆らって超音波を発生し振動子１で受信させ、この繰り返し時間をカウンタで計測し、このカウンタの差から時間を求め流量演算手段１３で流量を演算していた。計時手段５は、一定の周波数の発振器の信号をカウンタで計測し時間を求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計測装置では計時中にクロックとカウンタが常時作動しており、超音波の伝搬時間差が小さいので時間の分解能を上げるためにはメガヘルツ以上の高速クロックを使用するために周波数に比例する消費電力が大きくなっていた。このため低消費電力で高精度な計測値を得ることが課題になっていた。
【０００４】
【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に、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、この繰り返し手段の回数を変更する回数設定手段と、繰り返し開始時に低周波発振器の信号をカウントする第１計時手段と、前記第１計時手段の設定時間後に高周波発振器から信号のカウントを開始し繰り返し終了時に停止する第２計時手段と、前記第１計時手段と前記第２計時手段から総時間を算出し、それぞれの総時間の差から流量を求める流量演算手段とを備え、前記第１計時手段の設定時間は回数設定手段の値に応じて変更するようにしたものである。上記発明によれば、低消費電力でありながら高精度の流量値を得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、この繰り返し手段の回数を変更する回数設定手段と、繰り返し開始時に低周波発振器の信号をカウントする第１計時手段と、前記第１計時手段の設定時間後に高周波発振器から信号のカウントを開始し繰り返し終了時に停止する第２計時手段と、前記第１計時手段と前記第２計時手段から総時間を算出し、それぞれの総時間の差から流量を求める流量演算手段とを備え、前記第１計時手段の設定時間は回数設定手段の値に応じて変更するようにしたものである。そして、計測に要する時間のうち大半は周波数の低い第１計時手段であり、精度が必要な時のみ高い周波数の第２計時手段が起動するので、低消費電力でありながら高い分解能を得ることができる。
【０００６】
また、回数設定手段の値に応じて、第１計時手段の設定時間を変更しているので、高い精度が必要になって繰り返し回数を変更しても、それに応じて最適なカウンタの設定が行われるので消費電力は大きくならない。
【０００７】
また、流量演算手段の測定値によって回数設定手段の値を変更したものである。そして、分解能が必要な小流量の時に繰り返し回数を多く、それに伴って第２計時手段の起動のタイミングを切り換えるので、高精度な流量計測を自動的設定することができる。
【０００８】
また、第２計時手段は、カウント開始直前に発振を開始するように構成したものである。そして発信器が必要なときのみ作動するのでより一層の低消費電力化が可能である。
【０００９】
また流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の値によって、第１計時手段の設定時間を変更するものである。そして温度による超音波伝搬時間に対応して第２計時手段の作動を変更するので、計時が可能な範囲で低消費電力化が達成される。
【００１０】
また、第１計時手段と第２計時手段とが同一のカウンタで構成され、低周波発振器のカウント終了後にリセットされ、高周波発振器のカウントを開始するものである。そして１つのカウンタで２つの計時手段のカウントを切り換えて行うので構成部品が少なくできる。
【００１１】
また、前回の第２計時手段の値に基づいて第１計時手段の設定時間を設定するものである。そして前回の計測実績に基づいて設定するので誤動作がなくかつ低消費電力になるタイミングが設定される。
【００１２】
また、第２計時手段のオーバーフローを検出するオーバーフロー検出手段により、計測値を無効にするものである。そしてオーバーフローによって誤動作を検出するため誤った計測値を排除することができる。
【００１３】
また、オーバーフロー検出手段の検出信号で、第１計時手段により再計測するものである。そして誤動作時には直ちに第１計時手段で正常な値を求めることができる。
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の流量計測装置のブロック図である。また図２は流量計測装置のフローチャートである。
【００１６】
図１において、流体管路１４の途中に超音波を送信する第１振動子１５と受信する第２振動子１６が流れ方向に配置されている。１７は第１振動子１５への送信回路、１８は第２振動子１６で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路１９で比較され、基準信号以上の信号が検出されたとき繰り返し手段２０により繰り返されてトリガ回路２１で超音波信号を繰り返し送信する。まず、振動子１５から送信され振動子１６で受信され、すなわち上流から下流へと超音波が伝搬される。
【００１７】
スタート回路２２によりトリガ回路２１で繰り返しが始まったときに低周波発振器を有する第１計時手段２３を起動し、カウンタがカウントを始める。第１計時手段２３ではあらかじめ設定された値があり、この値を過ぎると高周波数発振器を有する第２計時手段２４がカウントを始める。所定回数の繰り返しが終了すると第２計時手段２４および第１計時手段２３のカウンタを停止する。この値はマイクロコンピュータ（図示せず）に読み込まれる。
【００１８】
次に切換手段２５で第１振動子１５と第２振動子１６の送受信を切り換えて、第２振動子１６から第１振動子１５すなわち下流から上流に向かって超音波信号を送信し、この送信を前述のように第１計時手段２３で設定された値で第２計時手段２４を作動させる。繰り返しが終了すると第１及び第２計時手段のカウンタを停止させ値を読み込む。このとき、流体管路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カウンタの値は大きくなる。第２計時手段２５の下流から上流と上流から下流へのカウンタの差を流量演算手段２６で求め、さらに流体管路１４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。
【００１９】
次に図２のフローチャートを用いて動作を説明する。スタート２７により計測が開始すると、スイッチ切換２８で第１振動子１５から第２振動子１６へ超音波を送信可能な状態にする。第１計時手段２９のカウンタがスタートすると同時にトリガ３０によってバースト送信が開始され、前述のように超音波の受信と送信が連続的に繰り返される。そして第１計時手段が設定値に達したか否かの判断を第１計時設定判断３１で行い、設定値を超えた場合には第２計時手段開始３２で第２計時手段のカウントを開始する。
【００２０】
そして繰り返し回数が設定に達すると回数判定３３によって繰り返しを停止するとともに、カウンタを停止させ計時３４で第１計時手段と第２計時手段のカウンタ値を計測し、このカウンタ値から計測開始から終了までの時間Ｔ１を求める。次にスイッチ切換２８で第２振動子１６から第１振動子１５へ超音波を送信可能な状態にする。そして超音波の送受信の繰り返しを行い、同様に第１計時手段と第２計時手段のカウンタ値を計測し時間Ｔ２を求め計測終了判定３５で計測を終了の判断を行い、時間Ｔ１とＴ２から流量演算手段３６で次の演算を行い、流量Ｑを求める。
【００２１】
Ｑ＝Ｋ＊（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２））
Ｋは流体の音速や、流路の通過断面積などから決まる定数である。
【００２２】
流体の音速（空気の場合３４０m/sec）に比べ測定する流速の変化は１０m/secであるので発生する時間差は繰り返しを行っても短い。したがって計測時間のうち第２計時手段２４が作動している時間は短い。
【００２３】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の流量計測装置のブロック図である。実施例１と異なるところは、繰り返し手段２０の設定回数を回数設定手段３７変更させるとともに、この回数設定手段３７の値に応じて第１計時手段２３の設定値を変更させる。例えば、高精度の計測を行う場合には繰り返し回数を大きく設定するが、繰り返し回数が大きくなるほど設定値を大きくして第２計測手段２４の計時開始を遅らせるものである。
【００２４】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、回数設定手段３７の値を流量演算手段２６の値によって変更し、さらに回数設定手段３７の値に応じて第１計時手段２３の設定値を変更する。例えば流量精度が要求されるところでは回数設定手段の値を大きくすなわち繰り返しを多くするとともに、計測時間が長くなるので第２計時手段のスタートを遅らせるものである。
【００２５】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、第２計時手段２４の発振器を第１計時手段２３の発振器のてい倍回路２４Ａから構成した点にある。てい倍回路２４Ａは入力周波数の整数倍の発振を得ることのできるもので、例えばＰＬＬ（フェイズ・ロックト・ループ）回路を使用して構成できる。
【００２６】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、第２計時手段２４を積分回路で構成した点にある。積分回路２４Ｂは第１計時手段２３から設定時間の信号を受けると一定の電圧源からの信号の積分を開始し、繰り返しが終了した時点で積分を停止し、この積分回路の電圧をＡ／Ｄコンバータなどの手段で読みとる。
【００２７】
（実施例６）
図７は本発明の実施例６の流量計測装置のブロック線図であり、実施例１と異なるところは、第２計時手段２４の発振回路２４Ｃが通常は停止しており、第１計時手段２３の設定値によって発振を開始する点にある。すなわち第１計時手段２３に２つの設定値があってまず第１の設定値で第２計時手段２４の発振回路２４Ｃの発振が開始され、第１計時手段２３の第２の設定値でカウンタが作動して計時を始める。第１計時手段２３の第１の設定値と第２の設定値との時間差は振動子が発振を始めてから安定な周波数を得ることのできように設定してある。
【００２８】
（実施例７）
図８は本発明の実施例７の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、流体の温度検出手段を周した点にある。すなわち流体の温度を検出する温度検出手段３８により音速を計算し、その値によって超音波の伝搬時間の変化によって第２計時手段２４をスタートさせる第１計時手段２３の設定値の変更を設定変更２３Ａで行うものである。温度検出手段３８としてたとえば抵抗値変化や熱起電力を利用するものがあるが、超音波の伝搬時間から求めることもできる。
【００２９】
（実施例８）
図９は本発明の実施例８の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、カウンタ２３Ｂを第１計時手段２３と第２計時手段２４とで共用したことにある。第１計時手段２３によって設定時間が第２計時手段２４に伝達されると同時にカウンタをリセットし、直ちに第２計時手段２４からの信号をカウントさせるものである。実施例５で述べたように第１計時手段２３が２つの設定値を有し、第２計時手段２４の発振をあらかじめ立ち上げた後にカウンタ２３Ｂをリセットさせるとさらに精度が良好になる。
【００３０】
（実施例９）
図１０は本発明の実施例９の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、第２計時手段２４の値によって第１計時手段２３の設定値を変更した点にある。第２計時手段２４はなるべく短い時間でカウントを終了させる方が消費電力の点から有利であるが、超音波の伝搬時間が温度によって変化するので注意が必要である。例えばマイコンのメモリのような記憶手段３９によって第２計時手段２４のカウンタ値を保存する。
【００３１】
このカウンタ値は過去の複数の値を平均したものが使用され、そしてそのカウンタ値に応じて第２計時手段２４を起動させる第１計時手段２４の設定時間を変更することができる。例えば、カウンタ値が多く用意したカウンタの値を超えてオーバーフローする危険がある場合には第２計時手段２４の起動を遅らせ、また逆に第２計時手段２４の起動よりも早く測定終了になる危険性がある場合には起動を早めることができる。
【００３２】
（実施例１０）
図１１は本発明の実施例１０の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、第２計時手段２４のカウンタのオーバーフローを検出することにより計測値を無効にする点にある。例えば設計範囲を超えたような大流量が流れた場合や異常な温度になった場合など、第２計測手段２４の値が大きすぎてカウンタ値がオーバーフローして正常な値を示さない場合が考えられる。本実施例ではこの場合、第二計測手段２４のカウンタの異常をオーバーフロー検出手段４０により検出し、この信号を流量演算手段２６に伝達し計測値を無効にするような演算を行う。
【００３３】
（実施例１１）
図１２は本発明の実施例１１の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、第２計時手段２４のカウンタのオーバーフローを検出することにより第１計時手段２３のみで計測を行う点にある。オーバーフローが発生するのは前述のように設計範囲を超えた大流量が流れた場合がであり、この場合、前述の時間計測値Ｔ１とＴ２の差は大きく、低周波の第１計時手段２３でも多少精度が低下しても計測を行うことができる。本実施例ではオーバーフロー検出手段４０で検出した信号により、第２計時手段２４の値を参照せず第１計時手段２３の値により流量を演算するものである。
【００３４】
（実施例１２）
図１３は本発明の実施例１２の流量計測装置のブロック図であり、実施例１と異なるところは、切換手段とを有しない点にある。切換手段を有しないために流量精度の低下はあるものの簡便な手段で大まかな流量計測値を得ることができる。
【００３５】
以上の説明から明らかなように本発明の実施例における流量計測装置によれば次の効果が得られる。
【００３６】
（１）流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、繰り返し開始時に低周波発振器の信号をカウントする第１計時手段と、前記第１計時手段の設定時間後に高周波発振器の信号をカウントを開始し、繰り返し終了時に停止する第２計時手段と、前記第１計時手段と前記第２計時手段から総時間を算出し、それぞれの総時間の差から流量を求める流量演算手段とを備えたので、低消費電力でありながら高い分解能を得ることができる。
【００３７】
（２）繰り返し手段の回数を変更する回数設定手段と、前記回数設定手段の値に応じて、第１計時手段の設定時間を変更したので、より高い精度が必要になって繰り返し回数を変更しても、それに応じて最適なカウンタの設定が行われるので小さな消費電力でより一層の高精度な計測ができる。
【００３８】
（３）流量演算手段の測定値によって回数設定手段の値を変更したので、分解能が必要な小流量の時に繰り返し回数を多く、それに伴って第２計時手段の起動のタイミングを切り換えるので、高精度な流量計測を自動的設定することができる。
【００３９】
（４）第２計時手段が第１計時手段のてい倍回路から構成したので、第２計時手段が第１計時手段と同一の発信源から整数倍の高い周波数によって計時するので、第２計時手段の計時が第１計時手段と同期して行われ再現性の高い計時が可能となり、かつ発信源が１つで構成できる。
【００４０】
（５）第２計時手段が第１計時手段の設定時間より積算する積分回路から構成したので、積分時間が比較的短くできるので分解能の高い計測が可能である。
【００４１】
（６）第２計時手段は、カウント開始直前に発振を開始するように構成したので、発信器が必要なときのみ作動しより一層の低消費電力化が可能である。
【００４２】
（７）流体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の値によって、第１計時手段の設定時間を変更するので、温度による超音波伝搬時間に対応して第２計時手段の作動を変更し、計時が可能な範囲で低消費電力化が達成される。
【００４３】
（８）第１計時手段と第２計時手段とが同一のカウンタで構成され、低周波発振器のカウント終了後にリセットされ、高周波発振器のカウントを開始するので、１つのカウンタで２つの計時手段のカウントを切り換えて行ない構成部品が少なくできる。
【００４４】
（９）前回の第２計時手段の値に基づいて第１計時手段の設定時間を設定するのでので誤動作がなくかつ低消費電力になるタイミングが設定される。
【００４５】
（１０）第２計時手段のオーバーフローを検出するオーバーフロー検出手段により、計測値を無効にするので、オーバーフローによって誤動作を検出でき誤った計測値を排除することができる。
【００４６】
（１１）オーバーフロー検出手段により、第１計時手段により再計測するので、第２計測手段の誤動作時にも第１計時手段で大まかな正常な値を求めることができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、繰り返し開始時に低周波発振器の信号をカウントする第１計時手段と、前記第１計時手段の設定時間後に高周波発振器の信号をカウントを開始し、繰り返し終了時に停止する第２計時手段と、前記第１計時手段と前記第２計時手段から総時間を算出し、それぞれの総時間の差から流量を求める流量演算手段とを備えたので、低消費電力でありながら高い分解能を得ることができるものである。また、回数設定手段の値に応じて、第１計時手段の設定時間を変更するようにしたので、より高い精度が必要になって繰り返し回数を変更しても、それに応じて最適なカウンタの設定が行われ、その結果、小さな消費電力でより一層の高精度計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の流量計測装置の制御ブロック図
【図２】  同装置のフローチャート
【図３】  本発明の実施例２の流量計測装置のブロック図
【図４】  本発明の実施例３の流量計測装置のブロック図
【図５】  本発明の実施例４の流量計測装置のブロック図
【図６】  本発明の実施例５の流量計測装置のブロック図
【図７】  本発明の実施例６の流量計測装置のブロック図
【図８】  本発明の実施例７の流量計測装置のブロック図
【図９】  本発明の実施例８の流量計測装置のブロック図
【図１０】  本発明の実施例９の流量計測装置のブロック図
【図１１】  本発明の実施例１０の流量計測装置のブロック図
【図１２】  本発明の実施例１１の流量計測装置のブロック図
【図１３】  本発明の実施例１２の流量計測装置のブロック図
【図１４】  従来の流量計測装置のブロック図
【符号の説明】
１４  流体管路
１５  第１振動子
１６  第２振動子
２０  繰り返し手段
２３  第１計時手段
２３Ｂ  カウンタ
２４  第２計時手段
２４Ａ  てい倍回路
２４Ｂ  積分回路
２５  切換手段
２６  流量演算手段
３７  回数設定手段
３８  温度検出手段
４０  オーバーフロー検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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