(57)【要約】【課題】流量計測精度に影響する振動子と、受信回路あるいは送信回路からなる回路部の特性を簡単に行なえるようにしたものである。【解決手段】複数の振動子５０，５１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回路部５２とを備えた超音波流量計の、前記振動子間の距離５３を可変しながら、超音波の伝播時間あるいは流量を計測する構成とする。【選択図】  図１
2004279223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動子と、前記振動子に送信信号を与える送信回路、および前記振動子の受信波を検知する受信回路を含む回路部とを備えた超音波流量計において、前記振動子間距離を可変しながら超音波の伝播時間あるいは流量を計測する構成とした超音波流量計の検査装置。
【請求項２】
複数の振動子の距離は、測定対象となる流体の使用温度範囲で変化する超音波の伝播時間を任意の流体中で擬似的に実現する距離とする構成とした請求項１記載の超音波流量計の検査装置。
【請求項３】
計測時の温度は、少なくとも２温度について計測を行う構成とした請求項１記載の超音波流量計の検査装置。
【請求項４】
発信・受信を設定された回数だけ繰り返し、繰り返しに要した時間を計時するシングアランド方式の計測手段を有した超音波流量計において、振動子間の距離移動時も連続して計測を行う構成とした請求項１記載の超音波流量計の検査装置。
【請求項５】
振動子間の距離移動は、移動と停止の繰り返しで行う構成とした請求項１記載の超音波流量計の検査装置。
【請求項６】
計測データの安定性はシングアランド方式の繰り返しの回数で調整する構成とした請求項４または５記載の超音波流量計の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に超音波によって流量を測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流量計は特許文献１に記載されている。図１０は前記特許文献１に記載されている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である。
【０００３】
図１０において、流体管路４の途中に超音波を発信する第１振動子５と受信する第２振動子６を流れ方向に配置されている。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。
【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１１は前記広報に記載されている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であり、発信から受信を繰り返し手段１５によって繰り返し設定手段１６で設定された回数だけ繰り返し、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。
【０００７】
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。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。
【０００８】
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。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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。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。
【００１５】
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。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。
【００１６】
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。このような方法で検査した結果の一例を図１２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。
【００１７】
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。
このような特性になる要因は、
ａ．振動子の温度特性
ｂ．回路部の温度特性
ｃ．温度による流体音速の変化
などが考えら、また、これらの特性の組み合わせで温度によるオフセット変化が決定される。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。
【００１８】
【特許文献１】
特開平８―１２２１１７号公報（図１、図７）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波流量計は、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。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。
【００２０】
【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、複数の振動子と、回路部とを備えた超音波流量計の、前記振動子間の距離を可変しながら、超音波の伝播時間あるいは流量を計測する構成とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、複数の振動子と、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回路部とを備えた超音波流量計の前記振動子間の距離を可変しながら、超音波の伝播時間あるいは流量を計測する構成により、流量ゼロにおける計測において、計測結果のゼロ流量からのズレであるオフセットの大きさと、オフセットの波うちの大きさを測定することができる。
【００２２】
また、複数の振動子の距離を、測定対象となる流体の使用温度範囲で変化する超音波の伝播時間を任意の流体で擬似的に実現する距離とする構成により、計測結果のゼロ流量からのズレであるオフセットの大きさと、オフセットの波うちの大きさを測定することができる。
【００２３】
また、計測時の温度を少なくとも２温度について計測を行う構成にすることで、計測結果のゼロ流量からのズレであるオフセットの大きさと、オフセットの波うちの大きさの温度依存性を測定することができる。
【００２４】
また、発信から受信を設定された回数だけ繰り返し、繰り返しに要した時間を計時するシングアランド方式の計測手段を有した超音波流量計において、振動子間の距離移動時も連続して計測を行う構成とすることで、振動子間の距離移動とシングアランド方式の計測手段との同期が不要となる。
【００２５】
また、振動子間の距離移動を、移動と停止の繰り返しで行う構成とすることにより、安定した計測データを取得することができる。
【００２６】
また、計測データの安定性をシングアランド方式の繰り返しの回数（シングアランド回数）で調整する構成とすることにより、計測時間の短縮が実現できる。
【００２７】
【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。
【００２８】
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。回路部５２は、振動子５０、５１とケーブルで接続されている。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。円筒７２は水平方向に移動するステージ７０に取り付けている。ステージ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。
【００２９】
超音波流量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における音速は下記の通り、
Ｖ（ＡＩＲ）＝３３．４５＋０．６０７＊Ｔ
Ｖ（１３Ａ）＝３８３．６＋０．５５＊Ｔ
Ｖ（ＬＰ）＝２３８．０＋０．４１＊Ｔ
となる。
【００３０】
但し、空気の音速をＶ（ＡＩＲ）、天然ガス１３Ａの音速をＶ（１３Ａ）、ＬＰガスの音速をとした。
【００３１】
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。また、図２には２０℃および４０℃の空気で各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。
【００３２】
この表から、例えば流体として１３Ａを想定した場合、検査装置は空気の下で行うので、振動子間距離は２０℃では５２．７８ｍｍから５９．９０ｍｍに設定する。
【００３３】
また、４０℃では５４．６５ｍｍから６２．０２ｍｍに設定する。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。
【００３４】
次に超音波流量計による流量計測方法について従来例の図１１を参照して説明する。
【００３５】
まず、切換手段１７によって、振動子４が送信側、振動子５が受信側に選択されているとする。図３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。
【００３６】
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。
【００３７】
繰り返し手段１６はトリガ手段１３に接続されている。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。
【００３８】
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は下記の通り、
Ｔ１＝ＴＡＬＬ−（１−Ｎ）＊ＴＤ−Ｎ＊ＴＨ／Ｎ
となる。
【００３９】
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。
【００４０】
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、振動子は残響がのこるため受信波形は送信波形よりも長く残留信号が続くが、この残留信号は減衰していくので、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。
【００４１】
しかしながら、遅延時間ＴＤを長くすると、計測に要する時間が長くなり消費電力の増大という不都合が生じるので不必要に長く設定することはできない。
【００４２】
遅延時間ＴＤ後の残留信号の大きさは極めて微小で、オシロスコープなどの波形観測手段ではノイズの重畳があり測定することができないような大きさである。
【００４３】
しかしながら、伝播時間Ｔ１とＴ２の差が１０−９秒当り２（リッター／時間）に相当する計測では、このような波形観測ができないような大きさでも計測に影響を与えるようになる。従って実際の計測を行わないと振動子と回路部の検査ができない。
【００４４】
残留信号の大きさは振動子の温度に依存する傾向がある。図４（ａ）は基準となる振動子から打たれ超音波を試験用の振動子で受信したときの振動子の受信波形を示した波形図で、この波形のピークの値Ｖｐ−ｐに対して、残留信号が５分の１の値になる時間を求める。
【００４５】
同図（ｂ）は残留信号が５分の１の値になる時間の温度特性を示した特性図で、小さな黒丸は試験用振動子４５０個分のそれぞれの値で、大きな丸はこれらの平均値である。これからわかるように温度が高くなるほど、残留信号が減衰するために要する時間の平均値は長くなり、また、バラツキが大きくなっていることがわかる。特に２０℃を超えた当たりから増加が顕著になっている。
【００４６】
これは基本の特性検査である流量無しでの温度特性検査で、高温になるほど波打ちが現れやすいことを示唆している。図１２（ｂ）に示される流量無しでの温度特性結果の一例はこの傾向が現れている。しかしながら、高温になるほど残留信号が減衰するために要する時間のバラツキが大きくなるので波打ちが現れないものある。
【００４７】
図３に示される各部波形において（ｃ）の増幅手段８の出力信号を見ると、例えば流体管路中の伝播時間であるＴ（２）は、流体の温度が高温になるほど短くなるので、一つ前の出力信号の残留信号に重畳しやすくなる。
【００４８】
図２に示したように流体管路中の伝播時間は１３Ａの場合、２０℃で１６４．４８×１０−６秒、６０℃で１５３．６２×１０−６秒である。
【００４９】
従って、前述したように流体として１３Ａを想定した場合、検査装置は空気の下で行うので、伝播時間を１６４．４８×１０−６秒とする振動子間距離は２０℃で５９．９０ｍｍ、１５３．６２×１０−６秒とする振動子間距離は５２．７８ｍｍに設定する。
【００５０】
これにより増幅手段８の出力信号と、その一つ前の出力信号の残留信号との重畳を１３Ａと同等な状態にすることができる。また、４０℃の空気の下で行う場合は伝播時間を１６４．４８×１０−６秒とする振動子間距離は６２．０２ｍｍ、１５３．６２×１０−６秒とする振動子間距離は５４．６５ｍｍに設定する。
【００５１】
このような設定にして図１に示した検査装置で測定した結果を図５に示す。同図（ａ）は２０℃の空気の下での測定結果で、同図（ｂ）は４０℃の空気の下での測定結果である。同図（ａ）の２０℃ではゼロ流量でのオフセットの波打ちはないが、同図（ｂ）の４０℃では波打ちが現れている。さらに、同図（ａ）はオフセットの平均値の０（リッター／時間）（Ｌ／ｈ）からのズレＱ１があり、同図（ｂ）はＱ２（Ｌ／ｈ）のズレがある。これらのズレの差（Ｑ１−Ｑ２））が２０℃から４０℃におけるゼロ流量でのオフセットの斜めと見ることができる。
【００５２】
次に、振動子間距離の移動と計測方法について説明する。
【００５３】
前述したように図１の検査装置は振動子間距離を１ステップ当たり１×１０−６ｍずつ移動させる。移動はステッピングモーターで行う。１ステップ当たりのその動作時間は５０×１０−３秒である。また、休止時間は２００×１０−３秒に設定している。
【００５４】
従って、５２．７８ｍｍから５９．９０ｍｍの７１２０ステップを行うには１７８０秒（約３０分）となる。
【００５５】
計測については図３に示される流路管体中の伝播時間Ｔ（１）、Ｔ（２）・・・Ｔ（Ｎ）をそれぞれ約１５０×１０−６秒、第３波までの時間ＴＨと遅延時間ＴＤの１回分の和が約１５０×１０−６秒、繰り返しの回数（シングアランド回数Ｎ）を３５２回とし、シングアランド３５２回で１１計測と呼ぶことにすると、１計測に要する時間は１０５×１０−３秒となる。また、１計測から次の計測までの時間間隔を２秒とする。
【００５６】
図６はこれらのことを表したタイミングチャートで、同図（ａ）は計測のタイミングチャート、同図（ｂ）はステッピングモーター動作のタイミングチャートである。
【００５７】
計測のタイミングとステッピングモーター動作のタイミングは微小な時間のため同期をとることが困難である。このため、同図の１回目の計測に示すように、計測中にステッピングモーターが動作して距離が変化することがある。
【００５８】
このため、同図（ａ）の斜線で示した部分に相当するシングアランドのデータは誤差を含んだものとなる。
【００５９】
また、２回目の計測では計測中にステッピングモーターが動作していないので、誤差のないデータとなる。このようにデータには誤差を含んだものと含まないものとが存在する。
【００６０】
図７は図６と同様に（ａ）は計測のタイミングチャートで、同図（ｂ）はステッピングモーター動作のタイミングチャートであるが、シングアランドの回数Ｎを倍の７０４回に設定した場合を示している。
【００６１】
この場合も、１回目の計測中にステッピングモーターが動作しているが、斜線以外の部分が増加しているので、誤差の影響が小さくなるように考えられる。また、２回目の計測では計測の一部にステッピングモーターが動作する領域があるが、斜線以外の部分もあるので誤差の影響が小さくなるように考えられる。
【００６２】
図８は検査装置の計測結果を示した特性図で、（ａ）はシングアランド回数７０４回、（ｂ）は３５２回、（ｃ）は６４回で、それぞれ上段は、データのばらつきを示した特性図である。１計測に２秒で、約３０分で振動子間距離を５２．７８ｍｍから５９．９０ｍｍ移動するのでデータ数は約９００個となる。下段は横軸を振動子間距離とし縦軸は流量である。
【００６３】
但し、流量は９００個のデータの１０個毎の移動平均を取った値を用いて特性図にしている。
【００６４】
これらの特性図からわかるように、シングアランド回数を多く取るほどばらつきが少なく安定したデータとすることができる。
【００６５】
次に、ステッピングモーター動作において、休止時間を増加させて計測回数を多く取れるようにした場合の、検査装置の計測結果の特性図を図９に示す。
【００６６】
シングアランドは３５２回で、（ａ）はデータ数約９００個、（ｂ）はデータ数約１８００個、（ｃ）はデータ数約５４００個で、それぞれ上段は、データのばらつきを示した特性図である。下段は横軸を振動子間距離とし縦軸は流量である。
【００６７】
但し、流量は各データの１０個毎の移動平均を取った値を用いて特性図にしている。
【００６８】
これらの特性図からわかるように、データ数を多く取るほどばらつきが少なく安定したデータとすることができる。しかしながら、ステッピングモーターの休止時間を増加させるため、同図（ａ）の場合、振動子間距離を５２．７８ｍｍから５９．９０ｍｍ移動する時間は３０分であるが、同図（ｂ）の場合は約１時間、同図（ｃ）の場合は約３時間となるので、データ数を多く取るようにするよりかは、前述したようにシングアランド回数を多く取るようにした方が、短い時間で安定したデータとすることができることがわかる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超音波流量計の検査装置は、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し、それらを組み合わせたときの全体での特性検査が必要な超音波流量計の長時間を必要とする温度特性試験の代替手段として短時間で特性検査ができるという効果を有する。
【００７０】
これはある温度で、振動子間距離を変化させることで、流量ゼロにおける計測において、計測結果のゼロ流量からのズレであるオフセットの大きさと、オフセットの波うちの大きさを測定することができるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の超音波流量計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】図３は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４】（ａ）振動子の受信波形図
（ｂ）残留信号が５分の１の値になる時間の温度特性を示した特性図
【図５】本発明の実施例の検査装置検査装置で測定した結果を示した特性図
【図６】（ａ）計測のタイミングチャート
（ｂ）ステッピングモーター動作のタイミングチャート
【図７】（ａ）計測のタイミングチャート
（ｂ）ステッピングモーター動作のタイミングチャート
【図８】（ａ）シングアランド回数７０４回のときの特性図
（ｂ）シングアランド回数３５２回のときの特性図
（ｃ）シングアランド回数６４回のときの特性図
【図９】（ａ）データ数約９００個のときの特性図
（ｂ）データ数約１８００個のときの特性図
（ｃ）データ数約５４００個のときの特性図
【図１０】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１１】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１２】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  送信回路と受信回路を含む回路部
５３  振動子間の距離
【図１】
2004279223.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004279223.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004279223.tif 000009
【図８】
2004279223.tif 000010
【図９】
2004279223.tif 000011
【図１０】
2004279223.tif 000012
【図１１】
2004279223.tif 000013
【図１２】
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