(57)【要約】【課題】簡単な構成で、電気回路素子やケーブルのばらつきなどに起因するオフセット分の影響を低減でき、高精度の測定が行える超音波流量計を実現すること。【解決手段】被測定象流体が流れる測定管の外壁の上流側と下流側に超音波信号を送受する超音波変換器が取り付けられた超音波流量計において、  前記上流側と下流側の超音波変換器は相互間で時間情報を授受するためにケーブルを介して接続されていることを特徴とするもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定象流体が流れる測定管の外壁の上流側と下流側に超音波信号を送受する超音波変換器が取り付けられた超音波流量計において、
前記上流側と下流側の超音波変換器は相互間で時間情報を授受するためにケーブルを介して接続されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記ケーブルは、一方の超音波変換器に入力される超音波駆動信号のレベルの１/１００程度を他方の超音波変換器に分岐して伝送するための比較的高インピーダンスの回路素子を介して接続されることを特徴とする請求項１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、超音波流量計に関し、詳しくは、超音波信号の伝搬時間のばらつきに起因するオフセット分の影響の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来から用いられている透過法に基づく超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図３において、被測定流体が流れる測定管１の外壁には、測定管１を挟むようにして、切り替えに応じて超音波信号の送受を行う２個の超音波変換器２ａ、２ｂが、それぞれの超音波信号の伝搬経路Ａ、Ｂが測定管１の管軸に対して所定の角度で斜め方向に交わる位置関係で上流側と下流側に対向配置されている。
【０００３】
超音波変換器２ａ、２ｂはそれぞれ圧電効果を有する圧電素子で構成されている。超音波変換器２ａはケーブル３を介して切り替え部ＳＷａの一方の固定接点ｂに接続されるとともにケーブル４を介して切り替え部ＳＷｂの一方の固定接点ｂに接続され、超音波変換器２ｂはケーブル５を介して切り替え部ＳＷａの他方の固定接点ｃに接続されるとともにケーブル６を介して切り替え部ＳＷｂの他方の固定接点ｃに接続されている。
【０００４】
切り替え部ＳＷａの可動接点ａには一方の送信部７と一方の受信部８が接続されて、切り替え部ＳＷｂの可動接点ａには他方の送信部９と他方の受信部１０が接続されている。受信部８、１０の出力信号はデータ処理部１１に入力されている。これら切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂと送信部７、９と受信部８、１０とデータ処理部１１は、制御部１２により統括的に制御される。
【０００５】
切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂは、超音波変換器２ａ、２ｂが相補的に超音波信号の送受を行うように制御部１２により切り替え制御される。図３に実線で示すように切り替え部ＳＷａの可動接点ａが一方の固定接点ｂに接続されて切り替え部ＳＷｂの可動接点ａが他方の固定接点ｃに接続されている状態では、たとえば超音波変換器２ａは送信部７から切り替え部ＳＷａを介して入力される超音波駆動信号に基づいて圧電効果により測定管１の内部に超音波信号を発生出力し、他方の超音波変換器２ｂは測定管１の内部を伝搬した超音波信号を受信して圧電効果により変換された電気信号を切り替え部ＳＷｂを介して受信部１０へ出力する。
【０００６】
超音波変換器２ａ、２ｂで受信され変換された超音波信号に基づく電気信号は、切り替え部ＳＷａを介して受信部８に取り込まれて増幅されてデータ処理部１１に出力されるとともに、切り替え部ＳＷｂを介して受信部１０に取り込まれて増幅されてデータ処理部１１に出力される。
【０００７】
データ処理部１１は、制御部１２から入力される送信部７、９の送信時刻信号と受信部８、１０で受信された超音波信号の受信時刻信号に基づいて伝搬経路Ａ、Ｂにおけるそれぞれの伝搬時間を算出するとともに被測定流体の流速を算出し、最終的に被測定流体の流量を算出する。
【０００８】
具体的には、被測定流体の流速Ｖは、伝搬経路Ａにおける伝搬時間Ｔusと伝搬経路Ｂにおける伝搬時間Ｔdsとの時間差ΔＴ（＝Ｔus−Ｔds）と、伝搬時間ＴusあるいはＴdsおよびあらかじめ想定したケーブル長による伝搬時間や電気回路の遅延時間などを考慮して算出された測定管１内の伝搬時間Ｔに基づいて、次式により求められる。
流速Ｖ∝△Ｔ/Ｔ
【０００９】
ところが、電気回路素子やケーブルのばらつきによる遅延、特に切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂを構成するスイッチ素子の各オン抵抗のばらつきによって伝搬時間が大きな影響を受けることになり、あらかじめ想定していた時間（固定値）では除去できず、これらのばらつきはオフセット分として計測されて流量値の誤差として現れてしまう。
【００１０】
そこで、このようなオフセット分の影響を除去するために、以下のような測定および演算処理が行われている。
【００１１】
＜１．伝搬時間Ｔusの測定＞
伝搬時間Ｔusの測定にあたり、制御部１２は、受信部８をディセーブルに制御して受信部１０をイネーブルに制御し、切り替え部ＳＷａの可動接点ａを固定接点ｂ側に切り替えて切り替え部ＳＷｂの可動接点ａを固定接点ｃ側に切り替え、送信部７が超音波駆動信号を出力するように制御する。
【００１２】
送信部７から出力される超音波駆動信号は切り替え部ＳＷａの固定接点ｂからケーブル３を介して超音波変換器２ａに入力されて、超音波変換器２ａは超音波信号を発生出力する。超音波変換器２ａから発生出力される超音波信号は、測定管１内の伝搬経路Ａを伝搬して超音波変換器２ｂに受信され、電気信号に変換される。
【００１３】
超音波変換器２ｂから変換出力される電気信号は、ケーブル５および切り替え部ＳＷｂの固定接点ｃを介して受信部１０に入力されて増幅された後、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部７から受信部１０までの伝搬時間Ｔusを測定し保持する。
【００１４】
＜２．伝搬時間Ｔdsの測定＞
伝搬時間Ｔusとは逆方向の伝搬時間Ｔdsの測定にあたり、制御部１２は、受信部１０をディセーブルに制御して受信部８をイネーブルに制御し、切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂの可動接点ａは伝搬時間Ｔusの測定と同じ状態とし、送信部９が超音波駆動信号を出力するように制御する。
【００１５】
送信部９から出力される超音波駆動信号は切り替え部ＳＷｂの固定接点ｃおよびケーブル５を介して超音波変換器２ｂに入力され、超音波変換器２ｂは超音波信号を発生出力する。超音波変換器２ｂから発生出力される超音波信号は、測定管１内の伝搬経路Ｂを伝搬して超音波変換器２ａに受信され、電気信号に変換される。
【００１６】
超音波変換器２ａから変換出力される電気信号は、ケーブル３および切り替え部６ａの固定接点ｂを通って受信部８に入力されて増幅され、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部９から受信部８までの伝搬時間Ｔdsを測定して保持する。
【００１７】
＜３．伝搬時間Ｔurの測定＞
伝搬時間Ｔurの測定にあたり、制御部１２は、受信部８をディセーブルに制御して受信部１０をイネーブルに制御し、切り替え部ＳＷａの可動接点ａを固定接点ｃ側に切り替えて切り替え部ＳＷｂの可動接点ａを固定接点ｂ側に切り替え、送信部７が超音波駆動信号を出力するように制御する。
【００１８】
送信部７から出力される超音波駆動信号は切り替え部ＳＷａの固定接点ｃおよびケーブル６を介して超音波変換器２ｂに入力され、超音波変換器２ｂは超音波信号を発生出力する。超音波変換器２ｂから発生出力される超音波信号は、測定管１内の伝搬経路Ｂを伝搬して超音波変換器２ａに受信され、電気信号に変換される。
【００１９】
超音波変換器２ａから変換出力される電気信号は、ケーブル３と４および切り替え部６ｂの固定接点ｂを通って受信部１０に入力されて増幅され、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部７から受信部１０までの伝搬時間Ｔurを測定して保持する。
【００２０】
＜４．伝搬時間Ｔdrの測定＞
伝搬時間Ｔurとは逆方向の伝搬時間Ｔdrの測定にあたり、制御部１２は、受信部１０をディセーブルに制御して受信部８をイネーブルに制御し、切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂの可動接点ａは伝搬時間Ｔurの測定と同じ状態とし、送信部９が超音波駆動信号を出力するように制御する。
【００２１】
送信部９から出力される超音波駆動信号は切り替え部ＳＷｂの固定接点ｂおよびケーブル４、３を介して超音波変換器２ａに入力され、超音波変換器２ａは超音波信号を発生出力する。超音波変換器２ａから発生出力される超音波信号は、測定管１内の伝搬経路Ａを伝搬して超音波変換器２ｂに受信され、電気信号に変換される。
【００２２】
超音波変換器２ｂから変換出力される電気信号は、ケーブル５、６および切り替え部６ａの固定接点ｃを通って受信部８に入力されて増幅された後、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部９から受信部８までの伝搬時間Ｔdrを測定して保持する。
【００２３】
＜５．演算処理＞
伝搬経路Ａにおける伝搬時間ＴusとＴurの平均値Ｔuaと、伝搬経路Ｂにおける伝搬時間ＴdsとＴdrの平均値Ｔｄａを用いて、これら伝搬時間の平均値の差△Ｔ（＝Ｔua−Ｔｄａ）を算出することにより、回路関連の誤差をより小さくして流量測定値に対する電気回路素子やケーブルのばらつきなどに起因するオフセット分の影響を小さくしている。
【００２４】
非特許文献１には、本発明と同様な透過法に基づく伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】福原  聡、外３名、「超音波流量計  ＵＳ３５０」、横河技報、横河電機株式会社、２００４年１月２０日、Ｖｏｌ．４８  Ｎｏ．１（２００４）  ｐ．２９−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
しかし、このような従来の構成によれば、回路のばらつきによる誤差をある程度は除去できるものの、切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂを構成するスイッチ素子の各オン抵抗のばらつきによる影響が大きく出やすい。
【００２７】
切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂを構成するスイッチ素子の選定にあたり、切り替え回数や信頼性の観点からみると半導体スイッチが望ましいが、オン抵抗の大きさやパッケージの大きさやオン抵抗の温度による変化なども加味して総合的に判断すると、現状では機械的接点を有するメカニカルリレーの使用が有利である。
【００２８】
ところが、スイッチ素子としてメカニカルリレーを使用した場合には、機械的接点の経時変化に伴う劣化と寿命の制限は不可避であり、切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂの切り替え頻度やフィールド機器としての超音波流量計の使用環境についての注意も必要になる。
【００２９】
本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、補助的なケーブルを追加するだけの簡単な構成で、電気回路素子やケーブルのばらつきなどに起因するオフセット分の影響を低減でき、高精度の測定が行える超音波流量計を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定象流体が流れる測定管の外壁の上流側と下流側に超音波信号を送受する超音波変換器が取り付けられた超音波流量計において、
前記上流側と下流側の超音波変換器は相互間で時間情報を授受するためにケーブルを介して接続されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項１記載の超音波流量計において、前記ケーブルは、一方の超音波変換器に入力される超音波駆動信号のレベルの１/１００程度を他方の超音波変換器に分岐して伝送するための比較的高インピーダンスの回路素子を介して接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
これらにより、電気回路素子やケーブルのばらつきなどに起因するオフセット分の影響を軽減でき、高精度の測定が行える超音波流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図３】従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、２個の超音波変換器２ａ、２ｂは、比較的高インピーダンスを有する図示しない回路素子が直列接続されたケーブル１３を介して相互に接続されている。
【００３５】
ここで、ケーブル１３と直列接続される回路素子のインピーダンスの値は、一方の超音波変換器（たとえば２ａ）から出力される超音波信号の一部（たとえば出力レベルの１／１００程度）が他方の超音波変換器（たとえば２ｂ）に分岐して入力される程度とする。
【００３６】
図１の動作を説明する。
＜１．伝搬時間Ｔusの測定＞
伝搬経路Ａにおける伝搬時間Ｔusの測定にあたっては、制御部１２は、受信部８をディセーブルに制御して受信部１０をイネーブルに制御し、送信部７が超音波駆動信号を出力するように制御する。
【００３７】
送信部７からケーブル３を介して超音波変換器２ａに超音波駆動信号が送信され、超音波変換器２ａは超音波信号を発生出力する。超音波変換器２ａから発生出力される超音波信号は、測定管１内の伝搬経路Ａを伝搬して超音波変換器２ｂに受信され、電気信号に変換される。
【００３８】
一方、超音波変換器２ａに入力される超音波駆動信号の一部は、前述のようにケーブル１３によりたとえば出力レベルの１／１００程度に減衰されて分岐され、超音波変換器２ｂに入力される。分岐された超音波駆動信号は、さらにケーブル５を介して受信部１０に入力されて増幅され、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部７からケーブル３、１３を経て受信部１０に至るまでの伝搬時間Ｔusｃを測定し保持する。
【００３９】
測定管１内の伝搬経路Ａを伝搬した超音波信号は超音波変換器２ｂで受信され、電気信号に変換される。超音波変換器２ｂから変換出力される電気信号は、ケーブル５を介して受信部１０に入力されて増幅された後、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部７から測定管１内の伝搬経路Ａを経て受信部１０に至るまでの伝搬時間Ｔusｍを測定し保持する。
【００４０】
＜２．伝搬時間Ｔdsの測定＞
伝搬時間Ｔusとは逆方向の伝搬経路Ｂにおける伝搬時間Ｔdsの測定にあたっては、制御部１２は、受信部１０をディセーブルに制御して受信部８をイネーブルに制御し、送信部９が超音波駆動信号を出力するように制御する。
【００４１】
送信部９から出力される超音波駆動信号はケーブル５を介して超音波変換器２ｂに入力され、超音波変換器２ｂは超音波信号を発生出力する。超音波変換器２ｂから発生出力される超音波信号は、測定管１内の伝搬経路Ｂを伝搬して超音波変換器２ａに受信され、電気信号に変換される。
【００４２】
一方、超音波変換器２ｂに入力される超音波駆動信号の一部は、ケーブル１３によりたとえば出力レベルの１／１００程度に分岐され、超音波変換器２ａに入力される。分岐された超音波駆動信号は、さらにケーブル３を介して受信部８に入力されて増幅され、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部９からケーブル５、１３を経て受信部８に至るまでの伝搬時間Ｔdscを測定し保持する。
【００４３】
測定管１内の伝搬経路Ｂを伝搬した超音波信号は超音波変換器２ａで受信され、電気信号に変換される。超音波変換器２ａから変換出力される電気信号は、ケーブル３を介して受信部８に入力されて増幅された後、データ処理部１１に入力される。データ処理部１１は、送信部９から測定管１内の伝搬経路Ｂを経て受信部８に至るまでの伝搬時間Ｔdsmを測定し保持する。
【００４４】
＜３．時間差ΔＴの計算＞
伝搬経路Ａにおける伝搬時間Ｔusと伝搬経路Ｂにおける伝搬時間Ｔdsとの時間差ΔＴ（＝Ｔus−Ｔds）は、以下のように計算する。
伝搬経路Ａでケーブル１３を経由した伝搬時間Ｔuscは、次式で表すことができる。
Ｔusc＝Ｔt1＋Ｔcable1＋Ｔcable_c＋Ｔcable2＋Ｔr2
Ｔt1      :送信部１の回路による遅延時間
Ｔcable1  :ケーブル1の伝搬時間
Ｔcable_c :ケーブルcの伝搬時間
Ｔcable2  :ケーブル2の伝搬時間
Ｔr2      :受信2の回路による遅延時間
【００４５】
伝搬経路Ａのときの測定管１内を経由した伝搬時間Ｔusmは、次式で表すことができる。
Ｔusm＝Ｔt1＋Ｔcable1＋Ｔusm_m＋Ｔcable2＋Ｔr2
Ｔusm_m: 測定管１内における伝搬経路Ａの伝搬時間
ここで、ΔＴusmc＝Ｔusm−Ｔuscを計算すると、
△Ｔusmc＝Ｔusm_m−Ｔcable_c となることから、測定管１内の伝搬時間とケーブル１３の伝搬時間との和となり、回路の遅延時間は除去される。
【００４６】
同様に、伝搬経路Ｂのときのケーブル１３を経由した伝搬時間Ｔdscは、次式で表すことができる。
Ｔdsc＝Ｔt2＋Ｔcable2＋Ｔcable_c＋Ｔcable1＋Ｔr1
【００４７】
そして、伝搬経路Ｂのときの測定管１内を経由した伝搬時間Ｔdsmは、次式で表すことができる。
Ｔdsm＝Ｔt2＋Ｔcable1＋Ｔdsm_m＋Ｔcable1＋Ｔr1
Ｔdsm_m:測定管１内における伝搬経路Ｂの伝搬時間
ここでΔＴdsmc＝Ｔdsm−Ｔdscを計算すると、
△Ｔdsmc＝Ｔdsm_m−Ｔcable_c となることから、測定管１内の伝搬時間とケーブル１３の伝搬時間との和となり、回路の遅延時間は除去される。
【００４８】
流量を求めるための伝搬経路Ａと伝搬経路Ｂの時間差Δtは、
Δt＝ΔＴusmc−ΔＴdsmc＝Ｔusm_m−Ｔdsm_m
となり、ケーブル１３の伝搬時間も除去される。
【００４９】
従来、この時間差Δtが数十nsecなので、ここに回路などの遅延のばらつきが入ると流量誤差に影響することになる。測定管１内の伝搬時間Ｔは、測定管１における経路Ａ,Ｂの伝搬時間Ｔusm_m、Ｔdsm_mがＴusm_m＝Ｔ＋ΔＴ、Ｔdsm_m＝Ｔ−ΔＴである。この平均をとれば伝搬時間Ｔが算出できる。
【００５０】
ここでΔＴusmc、ΔＴdsmcの平均を計算すると、
(ΔＴusmc＋ΔＴdsmc)÷2
＝(Ｔusm_m−Ｔcable_c＋Ｔdsm_m−Ｔcable_c)÷2
＝(Ｔ+ΔＴ＋Ｔ−ΔＴ−2×Ｔcable_c)÷2
＝Ｔ−Ｔcable_c
となり、Ｔcable_cがわかれば伝搬時間Ｔが算出できる。
【００５１】
Ｔcable_cの値はケーブル１３の長さで決まるが、ケーブル１３の長さはケーブル３、５に比べて非常に短く測定管１内の伝搬時間数十〜数百μsecに比べて数nsecであるため、このまま補正しなくてもほとんど影響しない。もし精度上補正の必要がある場合でも、ケーブル１３の長さは測定管１の径できまり、管径自体は規格値で大きさも限られるためケーブル３、５のように現場の設置状況で長さが大幅に変わるものではない。従って、１つか２つの固定値をあらかじめ用意しておき事前に設定して補正しておけば問題ない。
【００５２】
以上のように、従来のような切り替え部ＳＷａ、ＳＷｂを設けることなく、また、補正を行うための特別な測定もすることなく、回路遅延部分を除去した伝搬経路Ａにおける伝搬時間Ｔusと伝搬経路Ｂにおける伝搬時間Ｔdsとの時間差ΔＴの正確な測定が行える。
【００５３】
なお、上記実施例では、超音波変換器２ａと２ｂを直接ケーブル１３を介して接続する例について説明したが、送信部７と９や、受信部８と１０を直接分岐して接続するようにしてもよい。
【００５４】
また、図２のような端子台形の場合には、端子台１４で接続してもよい。ただし、この場合、端子台１４から送信部や受信部までのケーブルによる遅延の項がＴdsm＋Ｔusmに入るので、それらケーブルの長さの影響と必要精度との兼ね合わせを検討する必要がある。
【００５５】
以上説明したように、本発明によれば、電気回路素子やケーブルのばらつきなどに起因するオフセット分の影響を軽減でき、高精度の測定が行える超音波流量計を実現することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  測定管
２ａ、２ｂ  超音波変換器
３、５、１３  ケーブル
７、９  送信部
８、１０  受信部
１１  データ処理部
１２  制御部
【図１】
2015068671.tif 000003
【図２】
2015068671.tif 000004
【図３】
2015068671.tif 000005