(57)【要約】【課題】流れ測定装置にあって、振動子と、受信回路あるいは送信回路からなる回路部の特性が流量計測精度に影響するので、それらを組み合わせたときの全体での特性検査を速やかに、かつ正確に行うことを目的とする。【解決手段】超音波を用いた流れ測定装置を構成する複数の振動子５０、５１と、回路部５２との検査装置として、前記振動子５０、５１の前方に超音波の減衰手段５５、５６を設け、前記振動子５０、５１間の距離５３を移動部７０で移動しながら、超音波の伝播時間を計測する構成とした。したがって、流れ測定装置の特性検査を速やかに、かつ正確に行うことができるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の供試用の振動子が取り付けられ、前記複数の振動子間距離を可変する移動部と、前記振動子に送信信号を与える送信回路と、前記振動子の受信波を検知する受信回路とを含む供試用の回路部からのデータを処理する演算部と、前記振動子の前方に配置された超音波の減衰手段とを備え、前記振動子間距離を可変しながら超音波の伝播時間を計測する構成とした流体の流れ計測装置の検査装置。
【請求項２】
超音波の減衰手段は、振動子の正面に配置された格子で構成した請求項１記載の流体の流れ計測装置の検査装置。
【請求項３】
格子は、振動子に対して角度を持って配置した請求項２記載の流体の流れ計測装置の検査装置。
【請求項４】
超音波の減衰手段は、振動子の前方に配置された平板で構成した請求項１記載の流体の流れ計測装置の検査装置。
【請求項５】
平板は、その断面が振動子に対して角度を持って配置した請求項４記載の流体の流れ計測装置の検査装置。
【請求項６】
演算部は取り込んだデータの前後の比較を行いデータの連続性から外乱ノイズの重畳を判断する判断手段を備えた請求項１記載の流体の流れ計測装置の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波によって流速およびまたは流量を測定する流体の流れ計測装置の検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、例えば超音波流量計測装置は図９に示すように、流体管路４の途中に超音波を発信する第１振動子５とこの超音波を受信する第２振動子６とを流れ方向に配置している。
【０００３】
７は第１振動子５への発信回路、８は第２振動子６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９で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段１０で求め、その超音波伝幡時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１１で流量値を求め、この流量演算手段１１の値によって発信回路７のトリガ手段１３への信号送出のタイミングを調節する（特許文献１）。
【０００４】
次にその動作について述べる。トリガ手段１３から発信回路７よりバースト信号を送出され第１振動子５で発信された超音波信号は、流体中を伝幡し第２振動子６で受信され増幅回路８と比較回路９で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段１０で測定する。
【０００５】
静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子５と６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間ｔは、
ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ）  （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／ｔ−ｃ）／ＣＯＳφ  （２）
となり、Ｌとφが既知ならｔを測定すれば流速ｖが求められる。この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳｖ  （３）
となる。
【０００６】
図１０は別の従来例を示すものであり、発信から受信を繰り返し手段１５によって繰り返すようにしてある。
【０００７】
繰り返しは設定手段１６で設定された回数だけ行われる。さらに発振と受信の切り換えを切換手段１７で行なった後、同様に繰り返しを行う。
【０００８】
すなわち発振回路７によって第１振動子４から超音波が発生し、この超音波を第２振動子５で受信し、増幅回路８を介し比較回路９に到達すると繰り返し手段１６で再びトリガ手段１３で発信回路７をトリガする。
【０００９】
この繰り返しは、繰り返し設定手段１５で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段１０で計測する。このような繰り返しにより時間を計時する手段をシングアラウンドの計測手段と呼ぶ。
【００１０】
しかる後、切換手段１７により第１振動子４と第２振動子５の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子から第１振動子５に向かって超音波を発信し前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段１１で流量値を演算する。
【００１１】
静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。
【００１２】
振動子７と８の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ＊Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ）  （４）
Ｔ２＝ｎ＊Ｌ／（ｃ−ｖＣＯＳφ）  （５）
となり、（４）、（５）式より
ｖ＝ｎ＊Ｌ／２ＣＯＳφ（１／Ｔ１−１／Ｔ２）（６）
となり、Ｌとφが既知ならＴ１とＴ２を測定すれば流速ｖが求められる。
【００１３】
このようなシングアランドによる計測手段によれば次のような利点がある。
【００１４】
例えば、Ｔ１とＴ２との差が１（ナノセカンド）当り２（リッター／時間）に相当し、±３（リッター／時間）以下をゼロ流量とみなす許容値であるとする。許容される伝播時間差は±１．５（ナノセカンド）となるので、計時手段１０は１０分の１（ナノセカンド）、すなわち１０（ギガヘルツ）程度以上のカウンタ機能が必要となる。
【００１５】
シングアランドの回数を１０００回とした場合は、許容伝播時間は１．５（マイクロセカンド）となるので、計時手段１０は１０分の１（マイクロセカンド）、すなわち１０（メガヘルツ）程度以上のカウンタ機能があればよく、カウンタ機能の能力低減が可能となる。
【００１６】
超音波流量計は、振動子と、受信回路あるいは送信回路からなる回路部の特性が流量計測精度に影響するので、それらを組み合わせたときの全体での特性検査が必要となる。
【００１７】
基本の特性検査は流量無しでの温度特性検査で、これは出入り口を閉じた流体管路４と回路部分１８とを恒温槽内に配置して流量計測を行う。
【００１８】
流量無しでの状態であるので、本来ゼロ流量を常に表示するべきであるが、振動子と回路部の特性の温度依存性により、ゼロ流量からのズレ（オフセット）が発生する。このオフセットが許容範囲内にあるかどうかを検査することが必要になる。
【００１９】
通常使用される温度範囲は−３０℃から６０℃とされるので、恒温槽の温度もこの範囲で変化するように設定する。また、流体管路４内には実際に使用される流体を封入しておく必要がある。
【００２０】
急激な温度変化は流体管路４内での対流（流体の動き）を発生させるので好ましくない。このため温度変化は１℃あたり８分で、−３０℃から６０℃を１２時間かけて行っている。
【００２１】
このような方法で検査した結果の一例を図１１に示す。同図（ａ）は温度によってオフセットが変化して流量が斜めの特性となっているものを示しており、同図（ｂ）はオフセットが波打ちをしている特性を示したものである。
【００２２】
これらから、オフセットの変化は、斜めの大きさと波打ちの大きさとで表すことができる。斜めと波打ちは複合して発生する場合もある。
【００２３】
このような特性になる要因は、温度による流体音速の変化による超音波の伝播時間変化が考えられる。前述したようにこのような検査方法は１２時間の時間を要するので、検査時間を短縮することが課題となる。
【００２４】
【特許文献１】
特開平８−１２２１１７号公報（図１、図７）
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波流量装置は、振動子と、受信回路あるいは送信回路からなる回路部の特性が流量計測精度に影響するので、それらを組み合わせたときの全体での特性検査が必要となる。しかしながら、この特性検査の検査時間が非常に長いという課題がある。
【００２６】
本発明はこのような従来の課題を解決したもので、合理的な検査を可能にしたことを目的とする。
【００２７】
【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、複数の供試用の振動子が取り付けられ、前記複数の振動子間距離を可変する移動部と、前記振動子に送信信号を与える送信回路と、前記振動子の受信波を検知する受信回路とを含む供試用の回路部からのデータを処理する演算部と、前記振動子の前方に配置された超音波の減衰手段とを備え、前記振動子間距離を可変しながら超音波の伝播時間を計測する構成とした。
【００２８】
これにより温度上昇で、流体音速が早くなり超音波の伝達時間が短くなるのを、振動子間距離を短くすることで擬似的に同じ伝播時間にすることができ、振動子の残留振動の影響などを測定することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、複数の供試用の振動子が取り付けられ、前記複数の振動子間距離を可変する移動部と、前記振動子に送信信号を与える送信回路と、前記振動子の受信波を検知する受信回路とを含む供試用の回路部からのデータを処理する演算部と、前記振動子の前方に配置された超音波の減衰手段とを備え、前記振動子間距離を可変しながら超音波の伝播時間を計測する構成とすることにより、温度上昇で流体音速が早くなり超音波の伝達時間が短くなるのを、振動子間距離を短くすることで擬似的に同じ伝播時間にすることができ、振動子の残留振動の影響などを測定することができる。
【００３０】
減衰手段は、振動子の正面に格子を配置することが考えられる。こうすれば、受信する超音波を任意の強さに調整することができる。そして、この格子を振動子に対して角度を持って配置すれば、格子で反射した超音波が振動子に戻ることを防ぐことができる。
【００３１】
また、超音波の減衰手段として振動子の前方に平板を配置することも考えられ、受信する超音波を任意の強さに調整することができる。この平板を、その断面が振動子に対して角度を持って配置すると、平板の断面で反射した超音波が振動子に戻ることを防ぐことができる。
【００３２】
また、演算部が取り込んだデータの前後の比較を行いデータの連続性から外乱ノイズの重畳を判断する判断手段を備えることで、外乱ノイズの影響を受けたデータを除けるので精度を向上することができる。
【００３３】
【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。
【００３４】
図１において、５０、５１は振動子、５２は送信回路と受信回路の回路部である。前記回路部５２は、振動子５０、５１とケーブルで接続されている。５４は回路部５２からのデータを処理する演算部である。
【００３５】
７１はアルミ製のドラムで、一端には振動子５０がゴムブッシングを介して取り付けている。ドラム７１の多端には円形の穴が開けられており、この穴に振動子５１が取り付けられた円筒７２が挿入される。
【００３６】
円筒７２は水平方向に移動する移動部７０に取り付けている。移動部７０により振動子５０と振動子５１との距離５３が任意に設定される。
【００３７】
流れ計測計に用いられる流体管路における２つの振動子間距離は６５ｍｍである。また、測定対象となる流体は空気（ＡＩＲ）、都市ガス（１３Ａ）、ＬＰガス（ＬＰ）などが上げられる。これらの流体の温度Ｔにおける音速は、空気の音速Ｖ（ＡＩＲ）、都市ガス１３Ａの音速Ｖ（１３Ａ）、ＬＰガスの音速Ｖ（ＬＰ）としたとき、
Ｖ（ＡＩＲ）＝３３．４５＋０．６０７×Ｔ
Ｖ（１３Ａ）＝３８３．６＋０．５５×Ｔ
Ｖ（ＬＰ）＝２３８．０＋０．４１×Ｔ
となる。
【００３８】
この式から、各流体種の各温度における音速で、振動子間距離６４ｍｍを超音波が伝播するのに要する時間は図２に示される表のようになる。
【００３９】
また、図２には２０℃および４０℃の空気で各流体種での超音波の伝播時間を実現するための伝播距離も記載している。
【００４０】
図２に示されるように、例えば使用する流体は１３Ａで、これに相当する検査を空気の下で行う場合、超音波の伝播距離を１３Ａと等しくする振動子間距離は空気２０℃では５２．７８ｍｍから５９．９０ｍｍに設定すればよい。
【００４１】
また、４０℃では５４．６５ｍｍから６２．０２ｍｍに設定すればよい。振動子の移動は流体の動きを起こさせないようにするため１ステップ当たり１×１０−６ｍずつ移動させる。５２．７８ｍｍから５９．９０ｍｍであれば７１２０ステップとなる。７１２０ステップを約３０分で移動させる。
【００４２】
振動子から流体中へ出る超音波の大きさは、流体と振動子との音響インピーダンスの整合で変化する。これは、超音波が流体から振動子へ入るときも同様である。音響インピーダンスＺは物体の密度ρと音速ｃの積で表わされる。
【００４３】
流体である空気や都市ガス、ＬＰガスはそれぞれ音速と密度がことなるので、送受信される超音波の大きさは異なる。空気は１３Ａに比べ振動子との音響インピーダンスの整合がよいので、送受信される超音波が大きくなる。
【００４４】
この場合、超音波の受信信号を処理する回路部５２内に設けられている、受信信号用の増幅回路の増幅度が低くなってしまい、１３Ａで使用される増幅度での回路特性を検査することができないという不都合が生じる。
【００４５】
そこで本実施例は、図１に示されるように超音波の減衰手段５５、５６を振動子前方に配置する。
【００４６】
図３は振動子と減衰手段５５の部分を示し、減衰手段５５はステンレス線を格子状に編んだものを用いている。
【００４７】
このような構成とすることで、格子の部分に当たった超音波は反射し、格子の隙間を通り抜けた超音波のみ前進して、受信側の振動子に到達するので、受信する超音波を弱めることができる。
【００４８】
格子は振動子５０、５１の両方に設けている。減衰手段５５である格子と振動子とを並行に配置すると格子で反射した超音波が振動子にもどり、再び振動子を励振させてしまい正確な伝播時間を求めることに不都合が生じる。
【００４９】
このため、減衰手段５５である格子は振動子と角度αを持って配置し、格子で反射した超音波は振動子に入射しない角度に反射するようにしている。角度αは約４０度に設定している。
【００５０】
超音波の減衰の大きさは、格子を形成するステンレス線の太さで格子の隙間を変えて調整することができる。
【００５１】
図４は減衰手段５５として平板を用い、これを振動子の前方に配置した構成を示し、平板は同図（ａ）のように、振動子５０、５１に対して角度αを持つような形状としている。
【００５２】
これは平板の断面で反射した超音波が振動子にもどり、再び振動子を励振させてしまう不都合を解消するためで、角度αは約４０度に設定される。超音波の減衰の大きさは、平板の厚さと挿入枚数で調整することができ、例えば厚さは０．３ｍｍで５枚を直径１０．８ｍｍの振動子前方に配置している。
【００５３】
複数の検査装置を作成する場合、前述した格子では隙間の状態を管理しておく必要があるが、平板の場合は板厚と平板間距離の管理となるので、管理が容易であるという利点がある。
【００５４】
回路部５２には従来例の図９または図１０に示したような要素から構成される。検査装置の演算部５４は回路部５２の流量演算１１からの信号を受けている。図５はこの構成を示した回路ブロック図である。
【００５５】
回路部５２から演算部５４に与えられる信号について説明する。まず、切換手段１７によって、振動子４が送信側に振動子５が受信側に選択されているとする。
【００５６】
図６は各部の波形を示したもので、（ａ）はトリガ手段１３の出力信号、（ｂ）は切り換え手段１７を通って振動子５に与えられる発振手段７の出力信号、（ｃ）は振動子５の受信信号を増幅した増幅手段８の出力信号、（ｄ）は繰り返し手段１６の出力信号である。
【００５７】
発振手段７はトリガ手段１３の出力信号を受けて連続した３つのパルスを出力する。比較手段９は増幅手段８の出力信号の第３波を検知する。比較手段９は繰り返し手段１６に接続されている。繰り返し手段１６はトリガ手段１３に接続されている。
【００５８】
トリガ手段１３は比較手段９からのパルスを検知してから遅延時間ＴＤ後に発振手段７に動作指令を出力する。この一連の動作は繰り返し設定手段１５で設定された回数を行うように繰り返し手段１６で制御される。計時手段１０は最初のトリガ手段１３の出力から、最後の繰り返し手段１６の出力信号までの時間を計測する。繰り返し回数をＮとすると平均の流体管路中の伝播時間Ｔ１は下記の数式で表される。
【００５９】
Ｔ１＝ＴＡＬＬ−（１−Ｎ）×ＴＤ−Ｎ×ＴＨ／Ｎ
次に切り換え手段１７によって振動子４が受信側、振動子５が送信側に選択されて、同様にして平均の流体管路中の伝播時間Ｔ２を求める。
【００６０】
遅延時間ＴＤを設ける理由は、同図（ｃ）に示される波形のように、振動子は残響のため受信波形は減衰しながら残留信号が続くが、次の受信波形に残留信号が重畳しないようにするためである。
【００６１】
流量演算１１は従来例で示した方法で伝播時間Ｔ１、Ｔ２の値から流量を求める。伝播時間の測定は設定された時間間隔で行われる。
【００６２】
図７は流量演算１１から演算手段５４に与えられる流量データを示した表で、条件は流量なし、測定の時間間隔は２秒である。
【００６３】
流量データはある程度のばらつきを含むが、Ｎｏ５７、５８のように−９９．９９を示すような値は外乱ノイズの影響を受けていると考えられる。
【００６４】
流量なしの状態で測定しているので急激な流量変化は、振動子特性、回路特性から生じることはない。
【００６５】
そこで、このような流量データを取り除くために、演算手段５４にはソフトで図８に示すような機能を持たせている。
【００６６】
図８は、初期値ＡをＹ０に入れた後、流量データの取り込みをＹに行い、ＹとＹ０との差が判定値Ｂ以上であれば、そのデータを削除するアルゴリズムである。
流量ゼロでの測定を行うので、例えば初期値Ａには０（リッター毎時間）を、判定値Ｂには５（リッター毎時間）を入れるようにしている。このようなアルゴリズムにより外乱ノイズの影響を受けた急激な変化をしたデータを削除でき正確な判定ができるようになる。
【００６７】
このように各実施例によれば、振動子と、受信回路あるいは送信回路からなる回路部の長時間を必要とする温度特性試験特性検査の代替手段となる短時間でできる特性検査において、超音波の減衰手段を設けることにより、振動子間距離を近づけたときにでも適正な超音波の強さを実現することができ、受信信号を増幅する回路部の増幅度を実使用の増幅度に等しい値とすることができ正確な検査ができるようになる効果が得られる。
【００６８】
また、減衰手段は振動子の前方に配置する格子構造のものや、平板とすることで超音波の減衰度合いを任意に調整することができるという効果ある。
【００６９】
また、前記した減衰手段は振動子に対して、角度を持って取り付ける構成とすることにより、減衰手段で反射した超音波が直接振動子戻ることを防げるので、超音波の受信波形を歪ますことなく正確な検査ができるという効果を有する。
【００７０】
また、演算手段に取り込んだデータの前後の比較を行いデータの連続性から外乱ノイズの重畳を判断する判断手段をもうけることにより、耐ノイズ性を高めて正確な検査ができるという効果が得られる。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように本発明の流体の流れ計測装置の検査装置によれば、計測計の正確な検査が速やかにできるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す流れ計測装置の検査装置を示す構成図
【図２】振動子間距離６４ｍｍを超音波が伝播するのに要する時間を示した一覧表を示す図
【図３】（ａ）は振動子と格子を用いた減衰手段を示した側面図
（ｂ）は同正面図
【図４】（ａ）は振動子と平板を用いた減衰手段を示した上面図
（ｂ）は同側面図
【図５】本発明の実施例の流れ計測装置の検査装置を示す回路ブロック図
【図６】各部の波形とタイミングを示したタイミングチャート
【図７】回路部から取り出した流量データの一例を示すデータ表を示す図
【図８】検査装置の演算部の一部のアルゴリズムを示すフローチャート
【図９】従来の超音波流量計の第１の実施例を示す制御ブロック図
【図１０】従来の超音波流量計の第４の実施例を示す制御ブロック図
【図１１】従来の温度特性検査の結果を示す温度特性図
【符号の説明】
５０、５１  振動子
５２  回路部
５３  振動子間の距離
５４  演算部
５５、５６  減衰手段
７０  移動部
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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