(57)【要約】【課題】  低消費電力化と流量計測の高精度化をさらに一層向上させることができる流量計測装置を提供する。【解決手段】  流量計測装置の計時部は、伝搬時間を計測する起点でカウントを開始する第一カウンタと、伝搬時間を計測する終点でカウントを開始し、かつ、第一カウンタよりも高速でカウントを行う第二カウンタと、を有している。そして、第一カウンタで計測される、起点から終点の後にカウントアップするまでの時間Ｔから、第二カウンタで計測される、終点から第一カウンタがカウントアップするまでの時間Δｔを減算することにより、最終的に伝搬時間Ｔ０を取得する。流量演算部は、この伝搬時間Ｔ０を用いて高精度に流量を演算する。【選択図】  図２
2012127663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測流路の上流側および下流側に配置される一対の超音波送受信器と、
当該超音波送受信器の送受信を切り替える送受信切替部と、
送信側となる前記超音波送受信器を、超音波の発信を行わせるように駆動する送信部と、
受信側となる前記超音波送受信器で受信した前記超音波を検出する受信部と、
前記一対の超音波送受信器の間で送受信される超音波の伝搬時間を計測する計時部と、
前記伝搬時間から前記流体の流量値を演算する流量演算部と、を備え、
前記計時部は、
前記伝搬時間を計測する起点でカウントを開始する第一カウンタと、前記伝搬時間を計測する終点でカウントを開始し、かつ、前記第一カウンタよりも高速でカウントを行う第二カウンタと、を有するとともに、
前記第一カウンタで計測される、前記起点から前記終点の後にカウントアップするまでの時間から、前記第二カウンタで計測される、前記終点から前記第一カウンタがカウントアップするまでの時間を減算することにより、前記伝搬時間を計測するよう構成されていることを特徴とする、流量計測装置。
【請求項２】
前記第二カウンタは、前記終点の後に、前記第一カウンタがカウントアップした直後に停止するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項３】
前記終点を、受信側となる前記超音波送受信器での受信波形のゼロクロス点としたときに、
前記計時部は、複数の前記ゼロクロス点までの時間をそれぞれ計測して複数の伝搬時間を取得し、
前記流量演算部は、前記計時部が取得した複数の前記伝搬時間を平均した平均伝搬時間を用いて、前記流量を演算するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流量計測装置。
【請求項４】
前記計時部は、複数の前記ゼロクロス点として、正から負へのゼロクロス点と負から正へのゼロクロス点とをそれぞれ同数とした上で、複数の前記伝搬時間を取得するよう構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の流量計測装置。
【請求項５】
前記第一カウンタのカウントの周波数は、前記超音波送受信器から発信される超音波の周波数の２倍以上に設定されていることを特徴とする、請求項４に記載の流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用してガス等の流体の流量を計測する流量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いてガス等の流体の流量を計測する流量計測装置が種々提案され、実用化されている。この種の流量計測装置の典型的な構成は、計測流路に一対の超音波送受信器を設け、パルス状の超音波を交互に送受信させる。これにより、順方向および逆方向それぞれの伝搬時間の差から流体の流速を測定することができるので、当該流速と計測流路の管径とを利用して流体の流量を計測することができる。
【０００３】
このような流量計測装置では、低消費電力でありながら高精度の流量値を得ることが従来から課題とされている。例えば、特許文献１には、超音波送受信器の交互送受信を繰り返す回数を変更する回数設定手段と、繰り返し開始時に低周波発振器の信号をカウントする第１計時手段と、前記第１計時手段の設定時間後に高周波発振器から信号のカウントを開始し繰り返し終了時に停止する第２計時手段と、前記第１計時手段と前記第２計時手段から総時間を算出し、それぞれの総時間の差から流量を求める流量演算手段とを備え、前記第１計時手段の設定時間は回数設定手段の値に応じて変更するようにした構成の流量計測装置が開示されている。
【０００４】
前記構成によれば、計測に要する時間のうち、大半は周波数の低い第１計時手段が用いられ、精度が必要な時のみ高い周波数の第２計時手段が起動するので、低消費電力でありながら高い分解能を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６８９９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで近年では、流量計測装置で計測した流量の検針に通信ネットワークが利用されたり、例えば流量計測装置がガスメータであれば、ガス漏れ警報機等と連係させたりする等、流量計測装置の多機能化が進んでいる。しかしながら、流量計測装置は、電源として内部電池を備え、ほとんどメンテナンスがない状態で何年も使用されるため、前記多機能化に伴って、低消費電力で高精度の流量計測を実現する要求が従来よりもさらに一層強くなっている。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、低消費電力化と流量計測の高精度化をさらに一層向上させることができる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】
本発明に係る流量計測装置は、上記の課題を解決するために、計測流路の上流側および下流側に配置される一対の超音波送受信器と、当該超音波送受信器の送受信を切り替える送受信切替部と、送信側となる前記超音波送受信器を、超音波の発信を行わせるように駆動する送信部と、受信側となる前記超音波送受信器で受信した前記超音波を検出する受信部と、前記一対の超音波送受信器の間で送受信される超音波の伝搬時間を計測する計時部と、前記伝搬時間から前記流体の流量値を演算する流量演算部と、を備え、前記計時部は、前記伝搬時間を計測する起点でカウントを開始する第一カウンタと、前記伝搬時間を計測する終点でカウントを開始し、かつ、前記第一カウンタよりも高速でカウントを行う第二カウンタと、を有するとともに、前記第一カウンタで計測される、前記起点から前記終点の後にカウントアップするまでの時間から、前記第二カウンタで計測される、前記終点から前記第一カウンタがカウントアップするまでの時間を減算することにより、前記伝搬時間を計測するよう構成されている。
【０００９】
前記構成においては、前記第二カウンタは、前記終点の後に、前記第一カウンタがカウントアップした直後に停止するよう構成されていればよい。
【００１０】
前記構成においては、前記終点を、受信側となる前記超音波送受信器での受信波形のゼロクロス点としたときに、前記計時部は、複数の前記ゼロクロス点までの時間をそれぞれ計測して複数の伝搬時間を取得し、前記流量演算部は、前記計時部が取得した複数の前記伝搬時間を平均した平均伝搬時間を用いて、前記流量を演算するよう構成されていればよい。
【００１１】
前記構成においては、前記計時部は、複数の前記ゼロクロス点として、正から負へのゼロクロス点と負から正へのゼロクロス点とをそれぞれ同数とした上で、複数の前記伝搬時間を取得するよう構成されていればよい。
【００１２】
前記構成においては、前記第一カウンタのカウントの周波数は、前記超音波送受信器から発信される超音波の周波数の２倍以上に設定されている構成であればよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明では、低消費電力化と流量計測の高精度化をさらに一層向上させることができる流量計測装置を提供することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る流量計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す流量計測装置における超音波の送信波形、受信波形、およびカウンタのカウント動作の関係に基づく、超音波の伝搬時間計測の一例を示すタイムチャートである。
【図３】図１に示す流量計測装置において、ゼロクロス点を複数設定して、それぞれの伝搬時間の計測を行う例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１６】
［流量計測装置の構成］
本発明の実施の形態に係る流量計測装置の構成について、図１を参照して具体的に説明する。図１に示すように、本実施の形態に係る流量計測装置１０は、一対の超音波送受信器１１，１２、送信部１３、切替部１４、受信部１５、計時部１６、流量演算部１７および計測制御部１８を備えている。一対の超音波送受信器１１，１２は、計測対象のガスが図中矢印Ｆ方向に流れる計測流路２０に交差して対向配置される。本実施の形態では、図１に示すように、計測流路２０に傾斜して交差するように、第一超音波送受信器１１および第二超音波送受信器１２が対向して配置されている。なお、計測流路２０内のガスの流れる方向を図中矢印Ｆとすると、第一超音波送受信器１１および第二超音波送受信器１２の対向方向は角度φで傾斜している。
【００１７】
第一超音波送受信器１１および第二超音波送受信器１２は、図中矢印Ｓで示すように、互いに超音波の送信および受信を行う。切替部１４は、計測制御部１８の制御により一定の周期で一対の超音波送受信器１１，１２の送受信を切り替える。送信部１３は、送信側に設定された超音波送受信器１１，１２の一方を駆動することにより、他方に向けて超音波を発信させる。受信部１５は、受信側に設定された超音波送受信器１１，１２の一方で受信した超音波を検出する。
【００１８】
計時部１６は、受信部１５で検出された超音波の伝搬時間を計測する。本実施の形態では、計時部１６は、伝搬時間を計測する起点でカウントを開始する第一カウンタ１６１と、伝搬時間を計測する終点でカウントを開始し、かつ、第一カウンタ１６１よりも高速でカウントを行う第二カウンタ１６２と、を有している。流量演算部１７は、計時部１６により検出された伝搬時間から、ガスの流量値を算出する。計測制御部１８は、
送信部１３、切替部１４、受信部１５、計時部１６、第一カウンタ１６１、第二カウンタ１６２、流量演算部１７、計測制御部１８の具体的な構成は特に限定されず、超音波を用いた流量計測装置の分野で公知の各種回路、素子、演算器等を好適に用いることができる。
【００１９】
［流量計測装置の動作］
次に、本実施の形態に係る流量計測装置の動作について、図２および図３を参照して具体的に説明する。なお、図２および図３においては、送信波形および受信波形においては横軸が時間であり、縦軸が電圧となっている。
【００２０】
例えば、第一超音波送受信器１１が送信側で第二超音波送受信器１２が受信側であるとすれば、送信側の第一超音波送受信器１１から、図２に示す３パルスの駆動波形で超音波が発信され、当該超音波を第二超音波送受信器１２が図２に示す受信波形で受信したとする。このとき、駆動波形の開始時点を伝搬時間の計測の起点とし、３パルスの駆動波形に対応する受信波形の第３波の終了時点すなわちゼロクロス点を伝搬時間の計測の終点とする。
【００２１】
相対的に低速でカウントする第一カウンタ１６１は、前記起点からカウントを開始し、前記終点が終了してカウントアップするまでの時間Ｔ１を計測する。相対的に高速でカウントする第二カウンタ１６２は、前記終点からカウントを開始し、第一カウンタ１６１がカウントアップするまでの時間Δｔを計測する。そして、計時部１６は、時間Ｔ１からΔｔを減算することで基準伝搬時間Ｔを算出し（Ｔ＝Ｔ１−Δｔ）、当該基準伝搬時間から、駆動波形に対応する第１〜３波までの受信波形の長さＴａを減算して、超音波の伝搬時間Ｔ０を取得する（Ｔ０＝Ｔ−Ｔａ）。
【００２２】
流量演算部１７は、このようにして取得された伝搬時間を用いてガス等の流体の流量を演算する。具体的には、図１において、音速をＣ、流体の流速をｖ、超音波送受信器１１，１２の間の距離をＬ、第一超音波送受信器１１から超音波を送信し第二超音波送受信器１２で受信した場合の伝搬時間をｔ１、逆方向の伝搬時間をｔ２とした場合、超音波の伝搬方向（図１の矢印Ｓ）と流体の流れる方向（図１の矢印Ｆ）とは角度φをなしているので、伝搬時間ｔ１およびｔ２は次の式１および式２で求めることができる。
【００２３】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓφ）  ・・・（式１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓφ）  ・・・（式２）
そして、これら式１および式２から導き出される次の式３から、流体の流速ｖを求めることができる。得られる流速ｖに計測流路２０の断面積を乗算すれば、流体の流量を求めることができる。
【００２４】
ｖ＝Ｌ・（１／ｔ１  −１／ｔ２）／２ｃｏｓφ  ・・・（式３）
本実施の形態では、前述のとおり、第一カウンタ１６１および第二カウンタ１６２を用いて伝搬時間を計測している。それゆえ、伝搬時間の計測に要する時間のうち大半は第一カウンタ１６１を用い、精度が必要なときのみ第二カウンタ１６２を用いることになる。しかも、第二カウンタ１６２は、終点である受信波形のゼロクロス点からカウントを開始するので、特許文献１に開示の技術よりも第二カウンタ１６２のカウント開始時間を最適化することができる。それゆえ、低消費電力化と流量計測の高精度化を向上させることができる。
【００２５】
加えて、第二カウンタ１６２は、前記終点以降に第一カウンタ１６１がカウントアップした直後にカウントを停止するようを構成すれば、第一カウンタ１６１も第二カウンタ１６２も必要最低限に近い期間でのみ作動することになる。それゆえ、低消費電力化と流量計測の高精度化をさらに向上させることができる。
【００２６】
さらに、図３に示すように、計時部１６は、駆動波形のパルス数に対応する受信波形の波数が終了するゼロクロス点のみを基準として、第二カウンタ１６２で伝搬時間を計測するのではなく、受信波形の複数のゼロクロス点を基準として複数の伝搬時間を計測することができる。これにより、流量演算部１７では、計時部１６が取得した複数の伝搬時間を平均した平均伝搬時間を用いて、流量を演算することができるので、流量の計測精度をさらに一層向上させることができる。
【００２７】
ここで、複数の伝搬時間を取得する方法は特に限定されないが、図３に示すように、複数の前記ゼロクロス点として、正から負へのゼロクロス点と負から正へのゼロクロス点とをそれぞれ同数とすることが好ましい。図３に示す例では、ゼロクロス点ａおよびｃが、正から負へのゼロクロス点であり、ゼロクロス点ｂおよびｄが負から正へのゼロクロス点である。
【００２８】
この例では、第二カウンタ１６２は、正から負へのゼロクロス点を基準とするΔｔａおよびΔｔｃを計測し、第一カウンタ１６１はこれらに対応する時間ＴａおよびＴｃを計測し、これらから２つの伝搬時間を取得する。また、負から正へのゼロクロス点を基準とするΔｔｂおよびΔｔｄを計測し、第一カウンタ１６１はこれらに対応する時間ＴｂおよびＴｄを計測し、これらから２つの伝搬時間を取得する。これにより合計４つの伝搬時間が得られ、流量演算部１７は、これら４つの伝搬時間の平均値から流量を演算することになる。
【００２９】
このように、複数のゼロクロス点を基準とする場合、正から負へのゼロクロス点と負から正へのゼロクロス点とをそれぞれ同数とすれば、ゼロクロス基準電位の変動に影響されない高精度の計測を実現することができる。例えば、図３に示す例では、基準電位が上方にシフトした場合、時間ＴａおよびＴｃは減少するが、時間ＴｂおよびＴｄは増加する。それゆえ、これら４つの時間の平均値として伝搬時間を取得すれば、基準電位がシフトしない場合とほぼ同じ伝搬時間を得ることができるので、計測精度をより一層向上させることができる。なお、逆の場合（基準電位が下方にシフトする場合）も同様である。
【００３０】
なお、前記構成において、第一カウンタ１６１のカウントの周波数は、超音波送受信器１１，１２から発信される超音波の周波数の２倍以上に設定されていることが特に好ましい。第一カウンタ１６１のカウントの周波数が超音波の周波数の２倍未満であると、第二カウンタ１６２の休止期間を確保できなくなる。したがって、第一カウンタ１６１の周波数を上記のとおりに設定することで、第一カウンタ１６１および第二カウンタ１６２を効率よく稼働させることができ、流量の計測精度をさらに一層向上させることができる。
【００３１】
なお、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、ガスメータ等の超音波を利用した流量計測装置の分野に広く好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０    流量計測装置
１１    第一超音波送受信器
１２    第二超音波送受信器
１３    送信部
１４    切替部
１５    受信部
１６    計時部
１７    流量演算部
１８    計測制御部
２０    計測流路
１６１    第一カウンタ
１６２    第二カウンタ
【図１】
2012127663.tif 000003
【図２】
2012127663.tif 000004
【図３】
2012127663.tif 000005