(57)【要約】【課題】温度センサを用いることなく、流体の流量を精度良く測定可能な超音波流量計を得る。【解決手段】所定の温度の水溶液に対する受信波形Ｗの自由振動部分Ｗｂのゼロクロス点から振動の平均周期を求めると、平均周期は温度のみに依存するので温度を求めることができる。流体である水溶液に対し上流と下流から超音波ビームを発し、得られた受信波形Ｗを基に水溶液中を伝播する伝播時間から水溶液の流速を求める。この流速を前記温度によって温度補正をして正確な流量を算出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる管体に距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に対し超音波ビームをそれぞれ送信、受信し、得られた受信波形を基に前記超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する伝播時間検出手段と、超音波ビームの受信波形の前半の強制振動部分と後半と自由振動部分のうち、前記後半の自由振動部分の受信パルスの周期を基に流体の温度を算出する温度算出手段と、前記伝播時間検出手段で得られた前記２つの伝播時間から流体の流速を算出する流速算出手段と、該流速算出手段により得られた流速から流体の流量を算出する流量算出手段と、前記流速又は前記流量を前記温度算出手段で得られた温度により補正する温度補正手段とを有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記伝播時間検出手段は前記受信波形を基にゼロクロス法により検出することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記伝播時間検出手段は前記受信波形を基に相関法により検出することを特徴とする請求項１又は２に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、温度補正により流量測定精度を向上させ得る超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
時間差式の超音波流量計は図５に示すように、例えば流体が矢印方向に流れるコ字型の管路１の両側に、超音波振動子である圧電素子２、３を取り付けた構造とされている。一方の圧電素子２に電圧を印加して発振させることにより、流体中に超音波ビームを伝播させることができる。他方の圧電素子３はこの超音波ビームを受信すると、その応力から圧電効果を生じ、誘起された電荷を読み取ることで、超音波ビームの受信信号を得ることができる。圧電素子２、３による超音波ビームの送信、受信を交互に行って、流体中の超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する。
【０００３】
このようにして、超音波ビームを上流の圧電素子２から流体を経て下流の圧電素子３に伝播させたときの伝播時間Ｔｄと、下流の圧電素子３から上流の圧電素子２に伝播させたときの伝播時間Ｔｕの時間差を基に、流量を測定することは例えば特許文献１等において公知である。
【０００４】
即ち、管路１の長さをＬ、流体の音速をＣ、管路１内の流体の流速をＶとすると、伝播時間Ｔｄ、Ｔｕは次式のようになる。
Ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）                        ・・・（１）
Ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）                        ・・・（２）
【０００５】
これらの式（１）、（２）から流速Ｖを消去すると、流速Ｖに関する式（３）が得られる。逆に、流速Ｖを消去することで、音速Ｃに関する式（４）を得ることができる。これらの式（３）、（４）は超音波ビームの伝播時間Ｔｕ、Ｔｄを求めれば、流速Ｖ、音速Ｃを得ることができることを示している。
Ｖ＝Ｌ（Ｔｕ−Ｔｄ）／（２・Ｔｄ・Ｔｕ）    ・・・（３）
Ｃ＝（Ｌ／２）（１／Ｔｄ＋１／Ｔｕ）        ・・・（４）
【０００６】
超音波流量計では、式（３）を用いて流速Ｖを求め、これに次式（５）のように、管路１の断面積Ｓを乗ずることにより流体の流量Ｆを算出できる。
Ｆ＝Ｖ・Ｓ                                  ・・・（５）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６２２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
超音波ビームを流体中を伝播させるために、圧電素子の駆動信号を単一パルスとしても、圧電素子の共振による共振振動が発生し、受信側の圧電素子に到達する受信信号は、図６に示すような複数サイクルの受信パルスとなるのが普通である。
【０００９】
本来、超音波ビームの伝播時間とは、図６に示すように正確には送信側の圧電素子にパルスを印加した時間から、受信側の圧電素子による受信波形Ｗの最初の受信パルスの立ち上がり時間ｔ０までのことである。しかし、ノイズ等の影響や測定技術上の問題から、この最初の立ち上がり時間ｔ０の検出が困難なため、一般には近似的な方法として、ゼロクロス法が用いられている。
【００１０】
ゼロクロス法とは、受信波形Ｗの電圧レベルが０Ｖとなる点をゼロクロス点とし、例えば特許文献1のように、パルス印加時間から何番目かの指定した受信パルスのゼロクロス点までの時間、或いは幾つかの受信パルスのゼロクロス点の平均時間を求めて超音波ビームの伝播時間としている。
【００１１】
時間差により流量を測定する超音波流量計は、式（３）から明らかなように、音速Ｃは消去されているので、流体温度が変化し音速Ｃが変わっても、測定原理上、音速変化の補償は行われている。
【００１２】
しかし、現実には測定中に流体の温度変化が生ずると、測定誤差が生ずることがあり、その原因はゼロクロス法による伝播時間の検出の近似法に問題がある。流体の温度が変化しても、受信波形Ｗの最初の受信パルスの立ち上がり時間ｔ０は変動することはないが、それ以降の受信パルスの受信波形は変化する。例えば、図６の実線で示す超音波ビームの受信波形が、温度により点線で示すように変化し、時間軸に沿って伸縮することが発明者により確かめられた。この温度変化による波形の伸縮が生ずると、従来のゼロクロス法による検出時間が変化するため、超音波ビームの伝播時間は正しく得られない。
【００１３】
例えば実験においては、図７に示すように、１受信波形ごとにドット間隔５０ｎｓ（クロック周波数２０ＭＨｚ）で１００点の波形データを取り込む。各波形について取り込んだデータの中で、最も大きい電圧の点を１００ｍＶとし、最も小さい電圧の点を−１００ｍＶとして規格化し、０Ｖ近傍の４点（正の点２、負の点２）を最小二乗法で線形近似し、その直線と時間軸の交点を求めるべきゼロクロス点とした。
【００１４】
一定の流速で、１５、２０、２５、３０℃の水の超音波ビームの受信波形を各１６０波形ずつ、つまり圧電素子１２から圧電素子１３に伝播させた８０個の受信波形Ｗ、圧電素子１３から圧電素子１２に伝播させた８０個の受信波形Ｗを使用した。このようなゼロクロス法から求めた伝播時間Ｔｄ、Ｔｕを８０波形分平均し、式（３）から流速Ｖを求めたところ、温度の順に０．６４７、０．６５４、０．６３１、０．６２４（ｍ／ｓ）となった。図８の実線はこれをグラフ図で示したものであるが、実際の流速は一定であるにも拘らず、得られた流速Ｖは温度の影響を十分に受けている。
【００１５】
一方、図８の点線は受信波形Ｗから推測して立ち上がり時間ｔ０を求め、この立ち上がり時間ｔ０を基に流速Ｖを算出したものであり、この場合は流速Ｖは温度の順に０．６４７、０．６５０、０．６５０、０．６４９（ｍ／ｓ）となり、温度に殆ど影響されていないことが明らかであった。
【００１６】
ゼロクロス法以外にも伝播時間を検出するために、例えば受信波形Ｗを用いた相関法が知られているが、同様に温度による影響は避けられない。
【００１７】
本発明の目的は、上述の課題を解決し、温度センサを用いることなく、温度補正を行い流量を精度良く測定し得る超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計は、流体が流れる管体に距離を隔てて一対の超音波送受信素子を配置し、これらの超音波送受信素子間で前記管体中の流体に対し超音波ビームをそれぞれ送信、受信し、得られた受信波形を基に前記超音波ビームの上流から下流へ、下流から上流への伝播時間をそれぞれ検出する伝播時間検出手段と、超音波ビームの受信波形の前半の強制振動部分と後半と自由振動部分のうち、前記後半の自由振動部分の受信パルスの周期を基に流体の温度を算出する温度算出手段と、前記伝播時間検出手段で得られた前記２つの伝播時間から流体の流速を算出する流速算出手段と、該流速算出手段により得られた流速から流体の流量を算出する流量算出手段と、前記流速又は前記流量を前記温度算出手段で得られた温度により補正する温度補正手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る超音波流量計によれば、たとえゼロクロス法により伝播時間を検出しても、温度補正がなされ測定精度の良好な流量を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例の超音波流量計のブロック回路構成図である。
【図２】超音波ビームの発信及び受信波形図である。
【図３】自由振動部分の平均周期を求める方法の説明図である。
【図４】自由振動部分における温度と平均周期のグラフ図である。
【図５】超音波流量計の構成図である。
【図６】超音波ビームの受信波形図である。
【図７】ゼロクロス法による伝播時間の求め方の説明図である。
【図８】ゼロクロス法による時間と最初の立ち上がり点の時間ｔ０による温度に対する流速の関係のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の超音波流量計のブロック回路構成図である。例えば、合成樹脂製の円管から成る管体１１に対して、上流及び下流の２個所の所定位置に、超音波送受信素子として超音波ビームを送信、受信するための圧電素子１２、１３が
固定されている。圧電素子１２、１３は管体１１と一体に射出成型された合成樹脂製の取付ベース１４、１５に固定されている。
【００２２】
圧電素子１２、１３には送受信切換スイッチ１６を介して、送信部１７、受信部１８がそれぞれ択一的に接続されている。送信部１７、受信部１８は制御演算部１９に接続され、更に制御演算部１９にはメモリ部２０、表示部２１が接続されている。制御演算部１９は例えばＣＰＵであり、送受信切換スイッチ１６、送信部１７、受信部１８、メモリ部２０、表示部２１を制御すると共に、内蔵のメモリに記憶したプログラムに従って所定の演算を行う。
【００２３】
流量Ｖの測定に際しては、制御演算部１９の指令で送受信切換スイッチ１６により送信部１７に圧電素子１２を切換え、受信部１８を圧電素子１３に切換える。送信部１７から圧電素子１２に駆動用のパルス電圧を加え、圧電素子１２から発生した超音波ビームを流体中に伝達する。超音波ビームは流体中を伝播し、図２に示すように圧電素子１３において超音波ビームの受信波形Ｗが得られ、この受信波形Ｗは受信部１８、制御演算部１９を経てメモリ部２０に記憶される。制御演算部１９はメモリ部２０に記憶した受信波形Ｗから例えばゼロクロス法により超音波ビームの伝播時間Ｔｄを検出する。
【００２４】
次に、送受信切換スイッチ１６を切換えて、圧電素子１３から超音波ビームを送信し、圧電素子１２で得られた受信波形Ｗから同様にして伝播速度Ｔｕを検出する。本実施例においては、これらの伝播速度Ｔｄ、Ｔｕを基に、前述の式（３）により流速Ｖを求める。
【００２５】
復元力のあるばねモデルとして運動方程式を解くと、得られた変位は圧電素子による超音波ビームの受信波形Ｗと同様と考えられる。図２に示す受信波形Ｗのうち、前半の４周期は入力パルス由来の力による強制振動部分Ｗａで、後半は外力が働かない周波数の復元力による自由振動部分Ｗｂである。
【００２６】
受信波形Ｗの前半の強制振動部分Ｗａの周波数は、入力された超音波ビームの共振周波数に支配されているため温度依存性が比較的少ない。一方、５周期目以降は自由振動部分Ｗｂであり、その共振周波数は弾性スティフネスの影響を受けるため温度変化によって変化する。そこで本実施例においては、温度情報を後半の自由振動部分Ｗｂから求める。
【００２７】
超音波ビームの受信波形Ｗの自由振動部分Ｗｂは、流体の温度変化の影響を受け、例えば温度が上昇すると共振周波数が下がるため、自由振動部分Ｗｂの周期が長くなる。制御演算部１９によってこの自由振動部分Ｗｂの周波数を算出し、その変化から流体の温度情報を得ることができる。
【００２８】
メタノールを水で希釈して作製した流量０、５、１０、１５、２０％の水溶液について、温度を１５、２０、２５、３０℃と変化させ、自由振動部分Ｗｂの平均周期を求めたところ、表１のデータが得られた。
【００２９】
表１  自由振動部分の平均周期（ｎｓ）
０％        ５％      １０％      １５％        ２０％
１５℃  ４７２．９  ４７２．９  ４７２．９  ４７２．９    ４７３．０
２０℃  ４７３．６  ４７３．６  ４７３．６  ４７３．６    ４７３．５
２５℃  ４７４．２  ４７４．３  ４７４．３  ４７４．３    ４７４．２
３０℃  ４７４．８  ４７４．７  ４７４．７  ４７４．８    ４７４．８
【００３０】
表１は所定の流量、温度の水溶液に関し、図３に示すように自由振動部分Ｗｂの１１番目〜１９番目までのゼロクロス点から求めた振動の平均周期を示している。これを図４に示すと、何れの水溶液の濃度においても平均周期は温度に対しほぼ一定値であり、自由振動部分Ｗｂの平均周期は濃度によらず、温度によって定まるパラメータであることが分かる。
【００３１】
このように、超音波ビームの自由振動部分Ｗｂの平均周期は、温度変化のみに依存することが実験により確認できた。従って、自由振動部分Ｗｂの平均周期が得られれば、図４から温度を求めることができる。
【００３２】
自由振動部分Ｗｂの平均周期を得るためには、制御演算部１９は自由振動部分Ｗｂのゼロクロス点を適当に２つ選択し、その差から求めればよい。しかし本実施例では、約２ＭＨｚの受信波形Ｗに対し５０ｎｓの間隔で波形を取り込んでいるため、単純に差を求めると分散が大きく、明確な温度依存性が得られない。
【００３３】
そこで、本実施例では図３に示すように、各受信パルスのゼロクロス点を番号順にプロットし、自由振動部分Ｗｂの平均周期を求めている。この方法はゼロクロス点まで時間をプロットしているので、その直線の傾きが、用いたゼロクロス点に関する平均周期となっており、直線の傾きが大きいほど温度が高くなっている。
【００３４】
このように、平均周期から流体の温度を求め、受信波形Ｗから求めた流速Ｖを補正し、正確な流量を求めることができる。流量Ｆの温度補正の演算については、数多くのデータから温度に対する補正テーブルを作成し、この補正テーブルを基に補正を行えばよい。なお、この補正は流速Ｖに対し、又は流量に対して行っても何れでもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１１  管体
１２、１３  圧電素子
１６  送受信切換スイッチ
１７  送信部
１８  受信部
１９  制御演算部
２０  メモリ部
２１  表示部
【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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