(57)【要約】【課題】本発明は流量計に関するものであり、その目的は精度のよい流量計を提供することにある。【解決手段】超音波変換器３、４で受信した信号を、パケット状の整形し、この整形されたパケット状の受信波から受信点を求め、超音波の伝播時間を計測し、流体の流量を演算するようにした。これにより、受信波形が流体の状態変化により多少変形しても、パケット状の整形された受信波形には殆ど影響することなく、安定して超音波の伝播時間を計測することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信する一対の超音波振動子を有し、前記一方の超音波振動子から超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信し、受信した超音波信号の高周波成分をカットしパケット状に受信波形を整形する整形部と、前記パケット状に整形された受信波形から受信点を検知する受信点検知部と、超音波の送信から前記受信点までの超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測部とを備え、前記超音波の伝播時間から流量を演算する超音波流量計。
【請求項２】
ローパスフィルタを用いて受信波形を整形する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
受信波形を全波整形した後に、整形する請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
受信波形を全波整形した後に、受信波形の各ピーク値からパケット状に受信波形を整形する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項５】
パケット状に整形された受信波形のピークから受信点を検知する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項６】
パケット状に整形された受信波形が所定の参照レベルと交差する２点から受信点を検知する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項７】
パケット状に整形された受信波形を微分し、前記微分波形のゼロクロス点から受信点を検知する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項８】
超音波変換器の駆動回路と、受信回路とをインピ−ダンスを等しくした対称型回路とする請求項１または７記載の超音波流量計。
【請求項９】
インピ−ダンスを超音波変換器のインピ−ダンスに合致させた対称型回路とする請求項８記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の流量計として、図１２に示すような超音波流量計１０１がある。図１２は、断面図を示し、流体の流れる流路１０２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器１０３、１０４を流体を介し、対向して設置し、一対の超音波変換器間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、流量を演算し、流量計としていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
なお、図中の片矢印１０５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印１０６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。
【特許文献１】特開２００２−１３９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の流量計１０１では、上流側の超音波変換器１０３から下流側の超音波変換器１０４へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｕｄを、また下流側の超音波変換器１０４から上流側の超音波変換器１０３へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｄｕを交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Ｔｕｄ、Ｔｄｕなどを用いて時間差を求め流量を演算していた。この際所定の参照レベルをトリガーレベルとして設定し、伝播時間を計測していた。このため、超音波の受信波形が、流体の状態が変動したり、あるいは流体の温度が変化したりするなどにより、トリガーレベルが変動する場合があるため、非常に複雑な処理をし、超音波の受信波形の同一性を確保していた。また、複雑な演算処理をするため、誤差を生じる要因となるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、受信した超音波の波形をパケット状に整形することにより、簡単な構成で、高精度な超音波流量計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、超音波を送受信する一対の超音波振動子からなり、前記一方の超音波振動子から超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信し、受信した超音波信号の高周波成分をカットしパケット状に受信波形を整形する整形部と、前記パケット状に整形された受信波形から受信点を検知する受信点検知部と、超音波の送信から前記受信点までの超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測部とを備え、前記超音波の伝播時間から流量を演算する構成とした。
【０００７】
この構成により、上流側の超音波変換器と下流側の超音波変換器間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、上流側から下流側および下流側から上流側への伝播時間を同時に計測することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【０００８】
また、本発明の超音波流量計は、受信波形をパケット状の１つの大きな受信波形として受信するので、受信波形が多少変形しても安定して受信することができ、簡単な構成で高精度な超音波流量計を実現できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波流量計は、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器への超音波伝播時間および下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器への超音波伝播時間を、受信波形が多少変形しても正確に計測することができる。このため、計測中に流体の状態が変動、あるいは流体の温度変化などにより受信波形が変形しても、超音波の伝播時間を正確に計測でき、高精度な超音波流量計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、超音波流量計を、超音波を送受信する一対の超音波振動子からなり、前記一方の超音波振動子から超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信し、受信した超音波信号の高周波成分をカットしパケット状に受信波形を整形する整形部と、前記パケット状に整形された受信波形から受信点を検知する受信点検知部と、超音波の送信から前記受信点までの超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測部とを備え、前記超音波の伝播時間から流量を演算する構成とした。この構成により、流体の状態により受信波形が多少変形してもパケット状の整形された波形には殆ど影響がなく、超音波の伝播時間を正確に計測することができ、高精度な超音波流量計を実現することができる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明の受信波形の整形部をローパスフィルタで構成とした。これにより、簡単な回路で構成することができ、受信波形を安定にパケット状に整形することができる。このため高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１２】
第３の発明は、特に第２の発明の受信波形の整形部分を、受信波形を全波整形した後にパケット状に整形する構成とした。このため更に安定したパケット状の受信波形を得ることができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１３】
第４の発明は、特に第１の発明の受信波形の整形部を、受信波形を全波整形した後に、受信波形の各ピーク値からパケット状に受信波形を整形する構成とした。この構成により、受信波形が多少変形しても、パケット状の受信波形が、殆ど変形することがなくなり高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１４】
第５の発明は、特に第１の発明の受信点を、パケット状に整形された受信波形のピークから検知する構成とした。この構成により、受信波形が多少変形しても、パケット状に整形された受信波形は殆ど変化することがないので、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１５】
第６の発明は、特に第１の発明の受信点を、パケット状に整形された受信波形が所定の参照レベルと交差する２点の平均値から受信点を検知する構成とした。この構成により、受信波形が多少変形しても、パケット状に整形された受信波形は殆ど変化することがないので、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１６】
第７の発明は、特に第１の発明の受信点を、パケット状に整形された受信波形を微分し、前記微分波形のゼロクロス点から受信点を検知する構成とした。この構成により、受信波形が多少変形しても、パケット状に整形された受信波形はＳ／Ｎが大きく改善されているので、受信波形が多少変形しても受信点が安定するので、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１７】
第８の発明は、特に第１から７の発明のいずれかにおいて、超音波変換器の駆動回路と、受信回路とをインピ−ダンスを等しくした対称型回路とする構成とした。この構成により、上流側および下流側で受信する受信波形の対称性が向上するし、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１８】
第９の発明は、特に第８の発明のインピ−ダンスを超音波変換器のインピ−ダンスに合致させた対称型回路とする構成とした。この構成により、受信波形が大きく、Ｓ／Ｎも大きくなり、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計１のブロック図を示すものである。
【００２１】
図１において、上流側の超音波変換器３と下流側の超音波変換器４とは、流路２内において流体を介して対向するよう設置されている。なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。７は送信側超音波変換器を駆動するバ−スト信号を発生する送信部、８は送信部７からの信号を上流側超音波変換器３あるいは下流側超音波変換器４に切換える切換部を示す。
【００２２】
なお、切換部は送信信号を切換えるとともに、上流側超音波変換器３あるいは下流側超音波変換器４からの受信信号を増幅器などで構成される受信部９へと切換える動作もおこなう。１０は受信波形をパケット状に整形する受信波形整形部を、１１は送信部からの信号と受信波形整形部からの信号とを用い超音波の伝播時間を計測する時間計測部、１２は超音波の伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算部を示す。
【００２３】
この構成において、従来の超音波流量計では、例えば、上流側の超音波変換器３から超音波を送信し、下流側の超音波変換器４で受信していた。このときの送信波と受信波の電圧波形を図２に示す。１３が送信部７からの送信波を示し、矩形３波で構成されている。１４は受信波を示し、正弦波状を示している。１５は受信波のゼロ点を示し、１６は所定レベルの参照電圧を示している。
【００２４】
受信波が参照レベルと交差する点１７の次に来るゼロクロス点１８を受信時点とし、送信波の開始時点１９からこのゼロクロス点までの時間を超音波の伝播時間Ｔｕｄとしていた。切換部８を動作させ、同様にして、下流側の超音波変換器４から上流側の超音波変換器３への超音波の伝播時間Ｔｄｕを計測する。このようにして得られた超音波伝搬時間ＴｕｄおよびＴｄｕを用いて、流体の流量を以下のようにして流量演算部１２で演算した。
【００２５】
上流側の超音波変換器３から下流側の超音波変換器４への超音波の伝播時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器４から上流側の超音波変換器３への超音波の伝播時間をＴｄｕとし、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとすると、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］、
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
となる。なお、Ｌｄは超音波変換器間の距離を示す。
【００２６】
これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ、
Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕ
となり、これらの両辺を引き算すると、
２＊Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）−（Ｌｄ／Ｔｄｕ）
＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となる。
【００２７】
よって、
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体の流速Ｖｆが得れる。さらに、流路２の断面積Ｓｒを乗じ、流量Ｑｍとなる。即ち、Ｑｍ＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量値となる。
【００２８】
この場合、流体の流れの状態、流路の壁などからの反射波との干渉、あるいは流体の温度変化などにより、受信波１４の大きさが変動したり、形状が変化したりすると、例えば、図２の場合、参照レベルが２つ目と３つ目のピ−クの間に設定されているが、１つ目と２つ目との間、あるいは３つ目と４つ目との間に設定される場合もありうる。この場合には、超音波の伝播時間Ｔｕｄが不正確になることがあった。
【００２９】
図３は本発明の実施の形態１における超音波流量計のパケット状の受信波１９を示した波形図である。図３において、従来の受信波を破線１４で示す。
【００３０】
この場合、電圧の大きな波の塊、パケット状として受信波を整形部１０で整形しているので、受信波１４の大きさ、あるいは形状が多少変形しても、電圧の大きなパケット状の受信波１９には殆ど影響することがなく、例えば、ゼロ点からやや高い位置、すなわち余裕を持って参照レベル１６を設定することができ、参照レベルとの交差点を超音波の伝播時間Ｔｕｄとすることもできる。したがって、受信波１４が多少変動しても、安定したパケット状の受信波１９として整形部１０で整形されるので、伝播時間が安定し、伝搬時間計測部１１で、高精度な伝播時間計測が可能となる。
【００３１】
以上のように、本発明によれば、上流から下流あるいは下流から上流への超音波の受信波形を受信波形整形部１０で、振幅の大きなパケット状に整形し、整形された受信波を用いて超音波の伝搬時間を伝搬時間計測部１１で計測するので、従来のように計測時間が流体の状態によりが変化することもなく、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００３２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における受信波形をパケット状に整形する整形部１０の機能を示したブロック図である。２０は受信波形を、２１はＬ（コイル）とＣ（容量）からなるローパスフィルタを、２２は高周波成分がカットされ、整形されたパケット状の波形を示す。
【００３３】
このように簡単な回路構成のローパスフィルタを通過させるだけで、受信波形を安定な形状のパケット状に整形することができる。従って、安定な、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００３４】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における受信波形をパケット状に整形する整形部１０の機能を示したブロック図である。２０は受信波形を、２３は全波整流部を、２４は全波整流された受信波を示す。すなわち、受信波２０を、まず全波整流した後、実施の形態２に示したローパスフィルタを通過させ、パッケット状に整形した。なお、全波整流された受信波２４の実線２５はそのまま通過した受信波を、２５は正負反転した受信波をそれぞれ示す。このように受信波を全波整流することにより、より安定した滑らかなパケット状の受信波がローパスフィルタにより得られる。したがって、安定で高精度な超音波流量計を実現できる。
【００３５】
（実施の形態４）
図６（ａ）において、本発明の実施の形態４における受信波形をパケット状に整形する整形部１０を示す。実線２７および破線２８は全波整流された受信波を示す。図６（ｂ）においては、この全波整流された波形を位相反転し、加え合わせ、正負にピ−クを有するパケット状の受信波形２９を合成した。
【００３６】
この合成されたパケット状の受信波形２９の各ピークを用いて正弦波状の受信波形を整形し、パケット状の受信波３０を得た。このように受信波形を全波整流し、正負反転後重ね合わせることにより、より滑らかなパケット状の受信波形を合成することができる。これにより、安安定で高精度な超音波流量計を実現できる。
【００３７】
なお、この場合にパケット状の受信波が正弦波状であると仮定して、近似曲線をフィットさせると、より滑らかで、より安定したパケット状の受信波が得られる。
【００３８】
（実施の形態５）
以下に、超音波伝播時間計測部１１を説明する。
【００３９】
時間計測部１１内で、受信点を検知する受信点検知部を図７に示す。３１はパケット状に整形された受信波、３２はパケット状に整形された受信波３１のピ−ク点を示す。このピーク点３２までの時間を超音波の伝播時間Ｔｕｄとして検知するようにした。
【００４０】
これにより、受信波形が流体の状態などにより多少変形しても、安定したパケット状の受信波形３１から受信点、すなわち超音波の伝播時間を計測するようにしたので、安定で高精度な超音波流量計を実現できる。
【００４１】
（実施の形態６）
図８に実施の形態６における受信点を検知する受信点検知部を示す。
【００４２】
３１はパケット状に整形された受信波、３３は所定のレベルに設定された参照レベル。３４、３５はパケット状に整形された受信波３１と参照レベル３３との２つの交差点を示す。この２つの交差点から平均値３６を求め受信点とし、超音波の伝播時間Ｔｕｄとして検知するようにした。
【００４３】
これにより、受信波形が流体の状態などにより多少変形しても、安定したパケット状の受信波形の２点の平均値から求めた受信点３６、すなわち超音波の伝播時間がより一層安定するようになり、安定で高精度な超音波流量計を実現できる。
【００４４】
（実施の形態７）
図９において、実施の形態７における受信点を検知する受信点検知部を示す。３１はパケット状に整形された受信波を示し、３７はその受信波３１を微分した微分波形を示す。この微分波形３７のゼロクロス点３８を受信点とし、超音波の伝播時間Ｔｕｄを計測するようにした。
【００４５】
これにより、伝播時間Ｔｕｄの安定性がさらに向上し、安定で高精度な超音波流量計が実現できる。
【００４６】
（実施の形態８）
図１０において、本発明の実施の形態８における送信部７における超音波変換器駆動回路部３９と、受信部９における受信回路部４０とを示す。
【００４７】
送信側の超音波変換器４１は、信号源４２に出力抵抗４３を介して接続されている。また、受信側の超音波変換器４４は、入力抵抗４５を介して受信回路４６に接続されている。矢印４７は超音波が送信側超音波変換器４１から受信側超音波変換器４４へ伝播していることを示している。このような送信、受信系において、出力抵抗４３と入力抵抗４４とを種々変化させて、例えば数オ−ムから数百キロオ−ムにわたって実験したところ、同じ抵抗値である場合には、すなわち送信側の超音波変換器を４１とし、受信側の超音波変換器を４４とした場合と、送信側の超音波変換器を４４とし、受信側の超音波変換器を４１とした場合でのそれぞれの受信波形が非常に似通うことが解った。
【００４８】
また、出力抵抗４５と入力抵抗４３の値の比が異なるにつれ、波形の一致度が大きく低下することもわかった。従って、波形の相似性が要求される本発明のような超音波流量計においては、出力抵抗４３と入力抵抗４５の値を一致させることが、高精度に超音波伝播時間を計測するのに必要である。このように、超音波送信側の出力抵抗４３と受信側の入力抵抗４５とを一致させて、受信波の相似性を向上させ、超音波伝播時間を計測するので、より正確な超音波伝播時間が得られ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【００４９】
（実施の形態９）
図１１において、本発明の実施の形態９における超音波変換器駆動回路と受信回路との出力抵抗値、入力抵抗値と超音波を受信したときの受信電圧との関係を示す。なお、出力抵抗値４３と入力抵抗値４５とは同じ抵抗値とした。また図１１においては、横軸に抵抗値の対数を、縦軸に受信電圧４８を示している。ここで、抵抗値を小さい値から順次大きくしていくと、抵抗値とともに受信電圧４８は大きくなり、最大値を通過すると抵抗値とともに受信電圧４８は小さくなる。
【００５０】
この最大値（破線４９で示す）の抵抗値は用いた超音波変換器の内部インピ−ダンスと一致していた。即ち、本発明の超音波の送信回路部３９および受信回路部４０のおける出力抵抗値および入力抵抗値を、用いる超音波変換器の内部インピ−ダンスに一致させると、比較的大きな受信電圧が得られる。このため、Ｓ／Ｎよく超音波伝播時間を計測することができる。
【００５１】
以上のように、本発明によれば、超音波送信側の出力抵抗４３と受信側の入力抵抗４５とを一致させて、なおかつ超音波変換器の内部抵抗と一致させることにより、受信電圧を比較的大きくすることができ、超音波伝播時間をＳ／Ｎよく計測できるので、より正確な超音波の伝播時間が得られ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明による超音波流量計は受信波形が流体の状態により多少変動しても、安定したパケット状に整形し、その整形された受信波形から超音波の伝搬時間を計測するので、家庭用あるいは産業用などの流体流量計としての用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波波形図
【図３】本発明の実施の形態１における超音波のパケット状波形図
【図４】本発明の実施の形態２における整形部の機能を示したブロック図
【図５】本発明の実施の形態３における整形部の機能を示したブロック図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態４における全波整流波形図（ｂ）本発明の実施の形態４におけるパケット波形図
【図７】本発明の実施の形態５における受信点検知部の波形図
【図８】本発明の実施の形態６における受信点検知部の波形図
【図９】本発明の実施の形態７におけるパケット状受信波形の微分波形図
【図１０】本発明の実施の形態８における超音波流量計の回路図
【図１１】本発明の実施の形態９における抵抗と電圧との関係図
【図１２】従来の超音波流量計の断面図
【符号の説明】
【００５４】
１  超音波流量計
２  流路
３  上流側の超音波送変換器
４  下流側の超音波送変換器
７  送信波
８  受信波
１０  整形部
１１  時間計測部
１２  流量演算部
１３  送信波
１４  受信波
１６  参照レベル
１９  パケット状に整形された受信波
２１  ローパスフィルタ
２３  全波整流
３９  駆動回路部
４０  受信回路部
【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】
2006220583.tif 000011
【図１０】
2006220583.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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