(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に音波を送信または受信する送受信器と、前記送受信器間の音波伝搬時間を計測する計時手段と、前記の音波伝搬計測を一つの計測セットとして複数の計測セットを実施する計測制御手段と、前記計測セットの計測開始から終了までのいずれかに設けられた遅延時間を調節する位相遅延手段と、それぞれの音波伝搬時間の値を積算し流量を算出する流量演算手段とを備えた流量計測装置。
【請求項２】
位相遅延手段は計測セットによって遅延時間を調節する請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】
位相遅延手段の遅延時間は、音波伝搬時間を計測する計時手段の基準クロックの周期よりも１／２以下の値である請求項１記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、図６に示すように、流体管路１の一部に超音波送受信器２ａ、２ｂを備え、計測開始手段３の信号によって流量計測を開始し、超音波送受信器２ａから２ｂまでの伝搬時間を計時手段４で計測しする。流れに周期的な変動がある場合には、計測のタイミングによって流量測定値にバラツキが生じる。例えば家庭用ガス消費量を計量をするガスメータでは、近くでガスエンジンが運転されると圧力変動が発生し、その影響で流量が変動する。図７はこのときの流量の波形を示した図で、実際にはＡで示す流量が流れている。デジタル式計測では間欠的にサンプリングするので、時間ｔ１（流量Ｑ１）、時間ｔ２（流量Ｑ２）、時間ｔ３（流量Ｑ３）のような値が得られマイコンで平均して流量を算出していた。
【０００３】
また、脈動の有無を検出して、脈動流がある場合には計測を頻繁に行い、その平均値から流量を算出していた。そして、さまざまな脈動周期に対応するためにはデータの入出力回数の増加とそれに伴う消費電力の増加アナログ式の場合時間ｔ０からｔ４まで連続した信号を積分器を介して平均していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計測装置では、次のような課題があった。すなわちデジタル式では間欠的なサンプリングなので、正確な流量を求めるには測定回数を増やして測定値を平均する必要があるため長い時間が必要であった。また、入出力データの処理が煩雑になり、時間ばかりでなく消費電力も大きくなるという傾向にあり、このため、ガスメータのような異常使用時の遮断などの保安機能を兼ねた流量計測装置では、電池駆動でかつ安全性のために短時間で正確な流量の計測を行うことが課題となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流体中に音波を送信または受信する送受信器と、送受信器間の送受信動作を複数回行う繰り返し手段と、繰り返し手段による複数回の音波伝搬時間の計測を１計測セットとして複数の計測セットを実施する計測制御手段と、それぞれの音波伝搬時間の値を積算し流量を算出する流量演算手段を備え、計測制御手段は計測セットの回数を調節して計測したもので、これによって流れが脈動している場合にも追従性がよく、また安定した定常流れの場合も平均流量を正しく計測できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、送受信器間の音波伝搬時間を計測する計時手段と、音波伝搬計測を一つの計測セットとして複数の計測セットを実施する計測制御手段と、計測セットの計測開始から終了までのいずれかに設けられた遅延時間を調節可能な位相遅延手段と、それぞれの音波伝搬時間の値を積算し流量を算出する流量演算手段を備えたので、計時手段の分解能が低くても高精度の流量分解能が得られる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、位相遅延手段は計測セットによって遅延を調節可能なので、流量分解能を向上できて低消費電力で高精度な流量計測ができる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、位相遅延手段の遅延時間は、音波伝搬時間を計測する計時手段の基準クロックの周期よりも１／２以下にしたので、流量分解能は確実に向上する。
【０００９】
【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。
【００１０】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１において、流体管路５の途中に超音波を発信する送受信器６ａと受信する送受信器６ｂが流れ方向に配置されている。７は送受信器６ａへの発信回路、８は送受信器６ｂ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、基準信号以上の信号が検出されたとき繰り返し回数設定手段１０で設定された回数だけ繰り返し手段１１により遅延回路１２で信号を遅延させた後、トリガ回路１３で超音波信号を繰り返し発信する。繰り返し回数設定手段１０で設定された回数が繰り返されたときの時間を計時手段１４で求め、マイクロコンピュータに内蔵されている記憶手段１５に値を記憶させる。このようにして送受信器６ａから送受信器６ｂへすなわち上流から下流（以下、上流送信という）へ超音波を送信する。
【００１１】
次に切換手段１６で送受信器６ａと送受信器６ｂの発信受信を切り換えて、送受信器６ｂから送受信器６ａへ、すなわち下流から上流（以下、下流送信という）に向かって超音波信号を発信し、この発信を前述のように繰り返し、その時間を計時する。そしてその時間差から管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１７で流量値を求める。１８は計測制御手段で、繰り返し手段の繰り返し回数を設定する繰り返し回数設定手段１８ａと、繰り返し回数による計測を１計測セットとしてこの計測セットを何回計測するかを設定する計測回数手段１８ｂから構成されている。
【００１２】
次に計測のサンプリングの方法について述べる。図２は脈動がある場合の計測サンプリングの状態を示したもので、時間Ｔ１の間は、前述の上流送信を繰り返し回数４回で行いその伝搬時間は計時手段１４でカウントされ記憶手段１５でその伝搬時間ｔ１を記憶される。この４回の計測を１計測セットとする。
【００１３】
次に送受信器６ａ・６ｂを切り換えて時間Ｔ２の間、下流送信を４回行ないその伝搬時間ｔ２が記憶される。さらに所定時間経過後、時間Ｔ３の間に上流送信、時間Ｔ４の間に下流送信が行われて、伝搬時間ｔ３とｔ４がそれぞれ記憶される。
【００１４】
このように間欠的に上流送信と下流送信が一対で行われ、本実施例ではＴ８０まで合計８０計測セットでの計測が行われ、その伝搬時間は記憶手段１５にそれぞれ蓄えられる。そして記憶手段１５のデータは流量演算手段１７で演算し流量を算出する。この演算は例えば、上流送信の総和を求め、繰り返し回数の総和から１回あたりの伝搬時間の平均値を算出し、同様に下流送信の１回あたり伝搬時間の平均値を算出し、それぞれの伝搬時間の時間差、または時間の逆数の差から算出することができる。Ｔ１・Ｔ２とＴ３・Ｔ４とＴ７９・Ｔ８０のそれぞれの計測間隔は均一になるように計測制御手段１８でタイミングを調節する。
【００１５】
図２は流れが変化している場合であるが、図３は流れが流れが小さく安定している場合例えば停止している場合である。このとき微小流量を検出しなければならないので、流量検出には高い分解能が要求される。繰り返し回数を増加させることにより微小な伝搬時間差を積分して、流量分解能を高めることができる。図３では繰り返し回数を１２回を１計測セットとした場合であり４回の時に比べて流量分解能は３倍になる。このようにしてＴ１０まで１０計測セットまで計測する。前述の繰り返し回数４回で８０計測セットの場合は音波の伝搬の合計は３２０回で、繰り返し回数１２回で２６計測セットの場合には１２０回であり、消費電力は低減できる。
【００１６】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２の計時手段１４を示すブロック図で、計時手段１４には水晶発信器のような基準クロック１４ａと上流カウンタ１４ｂ・下流カウンタ１４ｃがある。上流カウンタ１４ｂは上流送信での伝搬時間を計測するためのものであり、切換手段１６が切り換えられると基準クロック１４ａから上流カウンタ１４ｂへ結線され、計測の開始でカウントが開始され、所定の繰り返しが終了するとカウントが停止する。
【００１７】
次に切換手段１６によって下流送信に切り換えられると、基準クロック１４ａは下流カウンタ１４ｃ側に切り換えられる。
【００１８】
このとき上流カウンタの値は停止した値を保持している。前述と同様に下流側の送受信が所定回数行われて、下流カウンタがカウントして停止する。次に再び切換手段１６によって送受信器１６ａ・１６ｂが上流送信に切り換えられる、基準クロック１４ａは上流カウンタ側へ結線され、送信の開始とともに上流カウンタが先ほどのカウンタ値から継続して累積のカウンタ値をカウントする。以降この動作を繰り返し、計測回数手段１８ａで設定された回数の計測セットの測定が終了するまでカウンタ値を積算する。上流と下流のカウンタの積算値はそれぞれ記憶手段１５へ読み込まれ流量演算手段１７で流量値に換算される。
【００１９】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３の要部を示すブロック図である。繰り返し送信が終了した後に位相遅延手段１９を通過する。すなわちカウンタはこの遅延時間の分だけ遅れて停止する。この遅延時間は基準クロック１４ａの１周期をＴｃとするとＴｃ／ｎ（ｎは整数）単位で調節が可能で、遅延設定手段２０で計測セット毎に変更することができる。
【００２０】
次に位相遅延手段１９の動作について述べる。先ず１回目の計測セットで上流送信されるときには遅延時間Ｔｄ１＝０に設定され、２回目の計測セットで下流送信では同様にＴｄ２＝０に設定される。次に３回目の計測セット（上流送信）では遅延時間Ｔｄ３＝Ｔｃ／ｎに設定され、４回目の計測セット（下流送信）も同様にＴｄ４＝Ｔｃ／ｎである。５回目と６回目の計測セットでは遅延時間Ｔｄ５＝Ｔｄ６＝２＊Ｔｃ／ｎに設定され、以降Ｔｃ／ｎずつ遅延時間が増加する。そして２＊Ｎ回以降になると初期値のゼロになる。
【００２１】
この結果、伝搬時間がわずかな変化であってもカウンタ値の差となってあらわれることになり、基準クロックの周期以下の微小な伝搬時間の差が検出できるので、微小な流量の計測される。理論的には基準クロックの周期を１／Ｎにしたと同等の分解能が得られる。遅延時間のの切換は、ディレイライン素子のタップを切り換えたり、デジタル回路ゲート遅延を切り換えることで達成される。
【００２２】
なお、遅延時間の位置は計測セットが開始から停止までのどの位置に入れてもよい。この遅延時間はわずかな値なので伝搬時間の絶対値への影響はきわめて小さいが、既知の値であるので必要であれば流量演算の際に補正することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１〜２に記載の発明によれば、定常流や脈動流に関わらず平均流量を高精度に計測できる。また請求項３〜８に記載の発明によれば消費電力を増加させることなく脈動流を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の流量計測装置のブロック図
【図２】同装置の流量波形図
【図３】同装置の他の流量波形図
【図４】本発明の実施例２の流量計測装置の要部ブロック図
【図５】本発明の実施例３の流量計測装置の要部ブロック図
【図６】従来の流量計測装置のブロック図
【図７】同装置の流量波形図
【符号の説明】
５  流体管路
６ａ、６ｂ  送受信器（第１送受信器、第２送受信器）
１０  繰り返し回数設定手段
１１  繰り返し手段
１４  計時手段
１４ａ  基準クロック
１４ｂ  上流カウンタ
１４ｃ  下流カウンタ
１５  切換手段
１７  流量演算手段
１８  計測制御手段
１９  位相遅延手段
【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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