(57)【要約】【課題】  流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置を提供する。【解決手段】  超音波式流量計測装置１は、測定流路２に配設された一対の超音波振動子３，４、切換部５、送信部６、受信部７、伝搬時間計測部８、流量算出部９、及びインピーダンス変更部７ａを備え、インピーダンス変更部７ａは、算出した流量に対する誤差の割合が所定の許容値に含まれる範囲で、受信部７の入力インピーダンスＺを増加させるように変更すべく構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる流路において上流側と下流側とに配設され、前記被計測流体の流量を計測するための一対の超音波振動子、
前記一対の超音波振動子を、送信側と受信側とに切り換える切換部と、
送信側の超音波振動子を駆動して超音波を発生させる送信部、
受信側の超音波振動子にて受信した超音波を増幅する受信部、
送信側の超音波振動子からの超音波を受信側の超音波振動子にて受信するまでの、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部、
計測した伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を算出する流量算出部、及び
前記受信部の入力インピーダンスを可変にするインピーダンス変更部、を備え、
前記インピーダンス変更部は、算出した流量に対する誤差の割合が所定の許容値に含まれる範囲で、前記受信部の入力インピーダンスを増加させるように変更すべく構成されていることを特徴とする超音波式流量計測装置。
【請求項２】
前記インピーダンス変更部は、前記被計測流体の種類に応じて前記入力インピーダンスを変更すべく構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波式流量計測装置。
【請求項３】
前記インピーダンス変更部は、前記被計測流体内での音速が小さいほど、前記入力インピーダンスを大きくすべく構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波式流量計測装置。
【請求項４】
前記インピーダンス変更部は、前記流量算出部にて算出される流量が大きいほど、前記入力インピーダンスを大きくすべく構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の超音波式流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給源から流路を通じて供給される流体の流量を、超音波振動子を用いて計測する超音波式流量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばガス管内を流れるガスなどの流体の流量を計測するに際し、超音波振動子を用いた計測装置が使用されている。この計測装置では、ガス管における上流側と下流側とに、対を成すようにして超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子から発せられた超音波を他方の超音波振動子にて受信させる。また、この一対の超音波振動子を、受信側と送信側とを切り換えることにより、ガスの流れに対して順方向（上流側から下流側への方向）と、逆方向とで、それぞれ超音波の伝搬時間を計測し、その計測値から流量を計測している。
【０００３】
ところで、このような超音波式の流量計測装置の場合、一般に、受信側の超音波振動子が受信した超音波を増幅すべく受信部が備えられているが、この受信部には、これを構成する回路に固有の入力インピーダンスが存在する。また、上記一対の超音波振動子間には電極間容量が必然的に存在する。従って、従来の超音波式流量計測装置には、これら入力インピーダンス及び電極間容量に依存する計測誤差が発生する。そして、この計測誤差にかかわらず、流量の計測精度を向上させようとする技術思想が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に開示された計測装置では、受信側の超音波振動子の出力を受け付ける低入力部を設け、該低入力部の入力インピーダンスと、超音波振動子の内部インピーダンスとの関係から、低入力部の入力インピーダンスを最適化している。具体的には、低入力部の入力インピーダンスを、超音波振動子の内部インピーダンスよりも小さくなるように設定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５８５４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、流量の計測精度は、ガス等の被計測流体の種類によっても変動するものであるため、低入力部の入力インピーダンスと、超音波振動子の内部インピーダンスとの関係から、必ずしも一義的に最適値が求まるものでもない。また、入力インピーダンスは消費電力の決定要因にもなるため、現実問題として、入力インピーダンスを決定するに際しては、省エネルギー化という観点も無視することはできない。
【０００７】
そこで本発明は、上述したような事情に鑑みて、流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超音波式流量計測装置は、被計測流体が流れる流路において上流側と下流側とに配設され、前記被計測流体の流量を計測するための一対の超音波振動子、前記一対の超音波振動子を、送信側と受信側とに切り換える切換部と、送信側の超音波振動子を駆動して超音波を発生させる送信部、受信側の超音波振動子にて受信した超音波を増幅する受信部、送信側の超音波振動子からの超音波を受信側の超音波振動子にて受信するまでの、超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部、計測した伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を算出する流量算出部、及び前記受信部の入力インピーダンスを可変にするインピーダンス変更部、を備え、前記インピーダンス変更部は、算出した流量に対する誤差の割合が所定の許容値に含まれる範囲で、前記受信部の入力インピーダンスを増加させるように変更すべく構成されている。
【０００９】
このような構成とすることにより、流量の計測精度を一定以上に保ちつつ、入力インピーダンスを増加させることで省エネルギー化を図ることができる。なお、超音波式流量計測装置では、一般に、入力インピーダンスが大きくなるに従って、流量の計測誤差（換言すれば、超音波の伝搬時間の計測誤差）は大きくなる一方、消費電力は小さくなる傾向にある。
【００１０】
また、前記インピーダンス変更部は、前記被計測流体の種類に応じて前記入力インピーダンスを変更すべく構成されていてもよい。このような構成とすることにより、被計測流体の種類によって異なってくる計測精度（計測した流量に対する誤差の割合）を、入力インピーダンスの変更によって一定以上に保ちつつ、省エネルギー化を図ることができる。
【００１１】
また、前記インピーダンス変更部は、前記被計測流体内での音速が小さいほど、前記入力インピーダンスを大きくすべく構成されていてもよい。一般に、音速が小さくなる被計測流体ほど、流量の計測誤差が小さくなる傾向にある。従って、このような場合は、入力インピーダンスを大きくすることで、計測精度を許容範囲内で多少低くしつつも、更なる省エネルギー化を図ることができる。
【００１２】
また、前記インピーダンス変更部は、前記流量算出部にて算出される流量が大きいほど、前記入力インピーダンスを大きくすべく構成されていてもよい。一般に、被計測流体の流量が大きくなるほど、計測誤差の影響は小さくなる傾向にある。従って、このような場合には、入力インピーダンスを大きくすることで、計測精度を許容範囲内で多少低くしつつも、更なる省エネルギー化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態に係る流量計測装置を示す模式図である。
【図２】入力インピーダンスＺを変更する処理を説明するための模式的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る超音波式流量計測装置（以下、単に「流量計測装置」という）について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施の形態に係る流量計測装置を示す模式図である。この図１に示すように、流量計測装置１は、測定流路２に備えられた一対の超音波振動子３，４を備えており、一方の超音波振動子３は、測定流路２内を流れる被測定流体の通流方向に対し、他方の超音波振動子４よりも上流側に配設されている。なお、図１に示す例では、一対の超音波振動子３，４を、測定流路２を挟むようにして配設したものを示しているが、これに限られない。例えば、超音波振動子３，４を、測定流路２に対して同じ側に配設し、一方の超音波振動子からの超音波を、測定流路２の内壁に反射させて他方の超音波振動子にて受信するように構成してもよい。
【００１６】
また、流量計測装置１は、切換部５、送信部６、及び受信部７を備えている。このうち切換部５は、各超音波振動子３，４を、所定のタイミングで送信側と受信側とで切り換えるものである。また、送信部６は、切換部５を介して超音波振動子３，４のうち送信側となる超音波振動子に接続され、該超音波振動子を駆動し、超音波を発生させる。受信部７は、切換部５を介して受信側の超音波振動子に接続され、該超音波振動子から切換部５を介して入力された信号を増幅する。
【００１７】
ここで、上述した受信部７内には、インピーダンス変更部７ａが備えられている。該インピーダンス変更部７ａは、コイル及び抵抗器などで構成することができ、受信部７の入力インピーダンス（Ｚ）を可変にするものである。
【００１８】
また、受信部７には伝搬時間計測部８が接続され、該伝搬時間計測部８には流量算出部９が接続されている。伝搬時間計測部８は、受信部７での受信信号に基づき、超音波振動子３，４の間での超音波の伝搬時間を計測する。そして、流量算出部９は、計測された伝搬時間に基づき、超音波振動子３，４間の距離、測定流路２内の温度など、他のパラメータを考慮した演算を行い、被測定流体の流量を算出する。
【００１９】
更に、流量計測装置１は制御部１０を備えている。該制御部１０はプロセッサ又は論理回路等で構成することができ、上述した切換部５、送信部６、受信部７（及びインピーダンス変更部７ａ）、伝搬時間計測部８、及び流量算出部９の各動作を制御する。
【００２０】
このような、本実施の形態に係る流量計測装置１では、被計測流体の種類、音速、計測される流量等に応じて、インピーダンス変更部７ａにより受信部７の入力インピーダンスＺを変更することとしている。以下では、この入力インピーダンスＺを変更する処理の原理を説明する。なお、このような処理は、制御部１０がインピーダンス変更部７ａを制御することによって実現される。
【００２１】
図２は、入力インピーダンスＺを変更する処理を説明するための模式的なグラフである。この図２において横軸は入力インピーダンスＺを表し、該横軸に交差する上向きに正の縦軸は、計測される流量誤差ΔＱを表し、下向きに正の縦軸は、流量計測装置１での消費電流Ｉを示している。まず、流量計測装置１において計測される被計測流体の流量は、下記の式（１）によって算出することができる。
【００２２】
【数１】
2012127677.tif 000003
【００２３】
ここで、式（１）中のＱは計測流量、Ｔ１は逆方向に進む超音波（超音波振動子４から超音波振動子３へ向かう超音波）の伝搬時間、Ｔ２は順方向に進む超音波の伝搬時間、αは伝搬時間の計測誤差、Ｃは定数、である。
【００２４】
この式（１）から分かるように、実際に測定流路２に流した被測定流体の流量がゼロの場合、理論的にはＴ１，Ｔ２は同じ値になるため流量Ｑもゼロとなるはずである。しかしながら、超音波振動子３，４の電極間容量、及び受信部７の入力インピーダンスＺに起因して、式（１）中にαで示す計測誤差が生じる。従って、ゼロ流量時であっても、一定の流量誤差ΔＱが計測されることとなる。そこで、本実施の形態に係る流量計測装置１では、この流量誤差ΔＱの許容上限値として、所定の閾値ΔＱｍａｘが設定されている（図２参照）。
【００２５】
図２の上側のグラフには、入力インピーダンスＺと流量誤差ΔＱとの関係を示すグラフとして、ガスＡに関する関数ｆＡと、ガスＡよりも音速が低いガスＢに関する関数ｆＢとを例示している。関数ｆＡ，ｆＢから分かるように、入力インピーダンスＺと流量誤差ΔＱとの関係は、入力インピーダンスＺが大きくなるほど、流量誤差ΔＱも大きくなる傾向を有している。従って、流量誤差ΔＱを小さくするためには、入力インピーダンスＺをなるべく小さくすることが好ましい。
【００２６】
なお、図２では、ガスＡについて、流量誤差ΔＱが上限値ΔＱｍａｘになるときの入力インピーダンスはＺ１となっており、ガスＢについて、流量誤差ΔＱが上限値ΔＱｍａｘになるときの入力インピーダンスはＺ２（＞Ｚ１）となっている。更に、入力インピーダンスがＺ１のとき、ガスＢを被計測流体として計測した場合の流量誤差はΔＱ１（＜ΔＱｍａｘ）となっている。これを音速の大小関係から見ると、音速が小さくなるほど（伝搬時間が長くなる被計測流体であるほど）、流量誤差ΔＱが小さくなることが分かる。これは、式（１）において、伝搬時間が長くなるほどＴ１，Ｔ２の値が大きくなる結果、分子の誤差αの流量Ｑに対する影響力が相対的に小さくなることからも理解される。
【００２７】
一方、図２の下側のグラフには、入力インピーダンスＺと消費電流Ｉとの関係を示している。図２に示すように、この関係は被測定流体の種類（ガスＡ，Ｂ）に関係なく、入力インピーダンスＺが大きくなるほど、消費電流Ｉは小さくなる傾向を有している。従って、省エネルギーの観点からすれば、消費電流Ｉをなるべく小さくするべく、入力インピーダンスＺを大きくすることが好ましい。
【００２８】
従って、仮に入力インピーダンスＺがＺ１に固定されており、測定流路２内を流れる被測定流体がガスＡからガスＢに変更された場合、流路誤差はΔＱ１となり、流量誤差の上限値ΔＱｍａｘに対して（ΔＱｍａｘ−ΔＱ１）だけの余裕があることになる。そこで、本実施の形態に係る流量計測装置１は、ガスＢに変更された場合には、流量誤差ΔＱが許容上限値ΔＱｍａｘを超えない範囲で大きくすることにより、消費電流Ｉを小さくさせ、省エネルギー化を図ることとしている。例えば、上記の場合でいえば、入力インピーダンスをＺ１からＺ２に増加させることができる。
【００２９】
以上に説明したように、本実施の形態に係る流量計測装置１は、被測定流体の種類に応じて、入力インピーダンスＺを所定の許容値に含まれる範囲内で、なるべく大きい値となるように変更することにより、流量の計測精度（計測流量に対する流量誤差の割合）を保ちつつも、省エネルギー化を図ることができるようになっている。なお、被測定流体の種類としては、上述したガスＡ，Ｂのように、当該被測定流体内を伝搬する音速の違いに着目することができる。即ち、音の伝搬速度が早い被測定流体（例：ガスＡ）よりも、伝搬速度が遅い被測定流体（例：ガスＢ）の方が、入力インピーダンスＺを大きくするように変更することができる。
【００３０】
ところで、上記の説明は、被測定流体の流量がゼロの場合（式（１）中のＴ１＝Ｔ２）を想定して、被測定流体の種類に応じた入力インピーダンスＺの変更処理について説明した。即ち、図２に示すグラフのうち、上側の流量誤差ΔＱに関するグラフは、流量がゼロの場合の傾向を示したものとなっている。しかしながら、上述したように、流量の計測精度は、計測流量に対する流量誤差の割合で表される。従って、あるゼロではない流量を測定したときの流量誤差が、ゼロ流量時の流量誤差ΔＱｍａｘを超える場合であっても、結果的に計測精度が許容範囲内であれば計測精度の観点からは問題がない。
【００３１】
即ち、式（１）において、流量が大きくなるほど、逆方向の伝搬時間Ｔ１と順方向の伝搬時間Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）は大きくなる。そのため、伝搬時間の計測誤差αの流量Ｑに対する影響力は小さくなる。従って、流量がより大きくなった場合には計測精度として要望される所定の許容範囲内で、伝搬時間の計測誤差αを大きくすることができる。これを、換言すれば、流量誤差ΔＱｍａｘを大きくすることができるということであり、更にこれは、入力インピーダンスＺを大きくすることができるということと同義である。
【００３２】
そこで本実施の形態に係る流量計測装置１は、流量Ｑの測定結果に基づき、流量Ｑが大きくなればなるほど、入力インピーダンスＺを大きくなるように変更することによって、流量の計測精度を保ちつつ、更なる省エネルギー化を図ることとしている。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、流量計測精度を保ちつつ、省エネルギー化を図ることのできる超音波式流量計測装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１      超音波式流量計測装置
２      測定流路
３      超音波振動子
４      超音波振動子
５      切換部
６      送信部
７      受信部
７ａ    インピーダンス変更部
８      伝搬時間計測部
９      流量算出部
１０    制御部
【図１】
2012127677.tif 000004
【図２】
2012127677.tif 000005