(57)【要約】【課題】脈動による影響を抑制して高精度な流量計測が可能な超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波流量計内で気体が流れる流路１０の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子１１、１２を対向して設置し、その間で相互に超音波信号を複数回繰り返して発信及び受信を行い、上流側の超音波振動子１１と下流側の超音波振動子１２との間の超音波の伝播時間を計測し、該伝播時間差に基づいて流量値を算出する超音波流量計において、少なくとも、伝播時間から伝播時間の周波数成分を判別する周波数判別回路１９と、周波数判別回路の出力に応じて上流側の超音波振動子１１及び下流側の超音波振動子１２の発信の駆動パルス信号のタイミングを決定するタイミング生成回路２０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波流量計内で気体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を対向して設置し、その間で相互に超音波信号を複数回繰り返して発信及び受信を行い、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子との間の超音波の伝播時間を計測し、該伝播時間差に基づいて流量値を算出する超音波流量計において、少なくとも、
前記伝播時間から伝播時間の周波数成分を判別する周波数判別回路と、
前記周波数判別回路の出力に応じて前記上流側の超音波振動子及び前記下流側の超音波振動子の発信の駆動パルス信号のタイミングを決定するタイミング生成回路と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記周波数判別回路は、前記伝播時間に関する複数のデータを用いて高速フーリェ変換を行うことにより脈動の周波数成分を抽出することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記タイミング生成回路は、前記抽出した脈動の周波数成分の２倍以上の周波数になるように、前記上流側の超音波振動子及び前記下流側の超音波振動子の発信の駆動パルス信号のタイミングを決定することを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記伝播時間の計測値が前回の計測値と比較して所定の値を超えた場合に、前記周波数判別回路が前記伝播時間から伝播時間の周波数成分を判別し、前記タイミング生成回路が前記周波数判別回路の出力に応じて前記上流側の超音波振動子及び前記下流側の超音波振動子の発信の駆動パルス信号のタイミングを決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波流量計。
【請求項５】
さらに、前記伝播時間と前記流路の断面積を乗じてガス流量を算出する流量計測回路を備え、前記流量計測回路で算出したガス流量の計測値が前回の計測値と比較して所定の値を超えた場合に、前記周波数判別回路が前記伝播時間から伝播時間の周波数成分を判別し、前記タイミング生成回路が前記周波数判別回路の出力に応じて前記上流側の超音波振動子及び前記下流側の超音波振動子の発信の駆動パルス信号のタイミングを決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、脈動による影響を抑制して高精度な流量計測が可能な超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計として、都市ガスなどの気体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を対向して設置し、その間で相互に超音波信号を複数回繰り返して送受信を行ない、上流側から下流側への超音波信号の伝播時間の積算時間と、下流側から上流側への超音波信号の伝播時間の積算時間との差から流速を求め、流速に流路の断面積を乗じて流体の瞬時流量を算出し、さらに瞬時流量値を積算して積算流量値を求めるものがある。
【０００３】
このような超音波流量計においては、例えば同一のガス配管に接続する隣家にガスエンジンヒートポンプが設置されている場合、ガスヒートポンプが使用されると供給ガス圧に圧力変動の繰り返し動作が生じ、これによってガス配管内を流れるガスに数Ｈｚから２０Ｈｚ程度の脈動が発生する。この脈動は、超音波流量計の流路内を流れるガスに伝わり、瞬時流量として計測され、実際に使用しているガス流量に対して誤計測をしてしまうという問題がある。
【０００４】
この問題に対して、超音波流量検出手段で計測した瞬時流量Ｑ（ｉ）と前回に計測した瞬時流量Ｑ（ｉ−１）との差を取り、その差が所定値以上の場合に脈動ありと判別し、脈動ありの場合にはフィルター処理を介して安定流量算出手段によって流量を算出する技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２９８０４２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、上述の従来技術では、瞬時流量の差のみで脈動の有無を判定しているため、脈動の繰返し周期と瞬時流量の計測サンプリング周期が一致した場合、脈動波形の同一箇所を毎回サンプリングするため脈動による瞬時流量の差を検出できないといった問題が考えられるため、結果的に脈動が発生しているのにも関わらず、発生無しの判定をしてしまう可能性があった。
【０００７】
本発明の実施形態は、脈動による影響を抑制して高精度な流量計測が可能な超音波流量計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】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の超音波流量計は、気体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を対向して設置し、その間で相互に超音波信号を複数回繰り返して発信及び受信を行い、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子との間の超音波の伝播時間を計測し、該伝播時間差に基づいて流量値を算出する超音波流量計において、少なくとも、前記伝播時間から伝播時間の周波数成分を判別する周波数判別回路と、前記周波数判別回路の出力に応じて前記上流側の超音波振動子及び前記下流側の超音波振動子の発信の駆動パルス信号のタイミングを決定するタイミング生成回路と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波流量計の断面図を含むブロック図。
【図２】図１の伝播時間計測回路の動作を説明する図であり、（ａ）はガスがほぼ一定流量で流れている時の上流側超音波振動子から下流側超音波振動子への超音波の伝播時間、（ｂ）は（ａ）で示した一定流量で流れているガスに周期τ、振幅Ｄの脈動が重畳した時の上流側超音波振動子から下流側超音波振動子への超音波の伝播時間。
【図３】本発明の一実施形態に係る超音波流量計を用いた計測方法を説明する図であり、（ａ）はτの１／２の周期で送受信を行い伝達時間計測回路で伝播時間を求める方法、（ｂ）は（ａ）から抽出した脈動の周波数成分のスペクトルの一例。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１１】
（構成）
図１は本発明の一実施形態に係る超音波流量計の断面図を含むブロック図である。
図１に示すように、超音波流量計１は、都市ガスなどの気体が流れるガス流路１０の上流側と下流側に一定の距離（Ｌ）をおいて対向して設置された一対の超音波振動子１１、１２と、超音波振動子１１と１２に印加して超音波を出力させる駆動パルス信号を生成する発信回路１３と、超音波振動子１１、１２の送信と受信を切替える送受信切替回路１４と、超音波振動子１１と１２から出力する受信信号を増幅する受信回路１５と、受信回路１５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するコンパレータ回路１６と、コンパレータ回路１６の出力信号と送信信号から超音波振動子１１と１２間の超音波の伝播時間を計測する伝播時間計測回路１７と、伝播時間計測回路１７で求めた伝播時間と流路１０の断面積を乗じてガスの流量を算出する流量計測回路１８と、伝播時間計測回路１７で求めた伝播時間から伝播時間の周波数成分を判別する周波数判別回路１９と、発信回路１３で生成する駆動パルス信号のタイミングを周波数判別回路１９の出力を基に生成するタイミング生成回路２０と、伝播時間計測回路１７及びタイミング生成回路２０で用いるクロック信号を発生する発振回路２１と、を備えて構成されている。
【００１２】
（作用）
図１において、タイミング生成回路２０で生成した信号は発信回路１３で増幅され、送受信切替回路１４を通して超音波振動子１１または１２に駆動パルスとして加えられる。これにより、超音波振動子１１または１２は、パルスの信号レベルに応じた超音波を他方の超音波振動子１２または１１に向けて出力する。超音波は、その音速Ｖと超音波振動子１１、１２間の距離Ｌおよび流体の流速に応じた伝播時間を要して他方の超音波振動子１１、１２に受信される。受信した超音波は電気信号に変換して出力される。
【００１３】
超音波振動子１１または１２からの受信信号は、送受信切替回路１４を通して受信回路１５に入力され、受信回路１５に内蔵する一定利得を持った増幅器で増幅される。その後、コンパレータ１６でデジタル信号に変換され、伝播時間計測回路１７で送信信号の出力から受信信号が到達するまでに要した伝播時間が算出される。具体的には、超音波振動子１１、１２での送信と受信動作を送受信切替回路１４で切替えて、上流の超音波振動子１１から超音波振動子１２への伝播時間Ｔｄと、超音波振動子１２から超音波振動子１１への伝播時間Ｔｕを複数回繰返して求め、その積算した伝播時間の差から流体の流速を求める。
【００１４】
（脈動が重畳したガスの伝播時間の計測方法）
図２（ａ）は、ガスがほぼ一定流量で流れている時の上流側超音波振動子１１から下流側超音波振動子１２への超音波の伝播時間を示すもので、その伝播時間Ｔｄはほぼ一定である。図２（ｂ）は、（ａ）で示した一定流量で流れているガスに周期τ、振幅Ｄの脈動が重畳した時の上流側超音波振動子１１から下流側超音波振動子１２への超音波の伝播時間である。図２（ｂ）のガス流量を計測する場合に、脈動の周期τと同等の図中に示す●印の周期で送受信を行うと、使用しているガス流量による伝播時間Ｔｄと異なる伝播時間の極大値Ｔｈが毎回計測され、誤計測となる。同様に、超音波振動子１２から超音波振動１１への超音波の伝播時間の計測でも上述の誤計測がなされることになる。
【００１５】
以下に、脈動が重畳したガスの伝播時間を正確に計測する方法を説明する。
まず、発生が考えられる脈動の最大周波数の約２倍の周波数で、超音波の送受信を行い脈動の周波数を特定する（標本化定理）。例えば、図３（ａ）で◇印で示すように、図２（ｂ）で示したτの１／２の周期で送受信を行い、伝達時間計測回路１７で伝播時間を求める。求めた伝播時間は、周波数判別回路１９で図示しないメモリ回路に保存を行い、保存された複数のデータを用いて高速フーリェ変換（以下、「ＦＦＴ」と記す）を行い、脈動の周波数成分を抽出する。抽出した周波数成分のスペクトルの一例を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）では、図３（ａ）の脈動周波数が１０Ｈｚであることを示している。
【００１６】
本実施形態では、図３（ｂ）から、図３（ａ）の脈動周波数を特定し、特定した周波数を基に送受信を行う周期を決定する。例えば、脈動が発生しうる最大周波数が２０Ｈｚの場合、２倍の周波数４０Ｈｚで送受信を繰返し伝播時間の計測を行い、ＦＦＴによる抽出で実際に発生している脈動の周波数を特定する。
【００１７】
特定した脈動周波数が図３（ｂ）に示す１０Ｈｚであった場合、４０Ｈｚの繰返し周期で計測を継続すると、計測で消費する電力が大きく超音波式ガスメータに搭載している電池の消耗が多くなり、予定していた電池寿命が早まることになる。よって、消費電力を少なくし、電池寿命を延ばすためには、脈動周波数に見合った周波数で超音波の送受信の繰返しを行う必要がある。
【００１８】
上述の脈動周波数が１０Ｈｚの場合、標本化定理から超音波の送受信を２倍の周波数２０Ｈｚで行うようにタイミング生成回路２０で作成し、発信回路１３を介して駆動パルスを超音波振動子１１と１２に印加する。２０Ｈｚの送受信で求めた複数の伝播時間計測値を平均化することによって、脈動で変動する極大値Ｔｈを伝播時間とすることなく伝播時間Ｔｄを得ることが可能となる。これにより、脈動の変動周期の検出と消費電力の低減を図ることができる。
【００１９】
（脈動の周波数が変化し、または脈動が無くなった場合）
上述の方法で脈動の周波数を特定し、それに基づいて送受信の周波数を決定して伝播時間の計測中に、脈動の周波数が変化し、または脈動が無くなった場合に、同一の周波数で伝播時間の計測を継続すると、伝播時間の誤計測となる。
【００２０】
この誤計測を防止するため、計測した伝播時間を前回値との差分を求め、差分値が所定の設定値（例えば、±５％）以上に変化した場合には、上述した脈動の最大周波数の約２倍の周波数で超音波の送受信を行い、ＦＦＴにより脈動の周波数の特定を行った後、特定した周波数の２倍の周波数（標本化定理）で送受信を行う。また、周波数が特定できない場合は、上記差分判別回路が脈動が無いとの判断を行い、送受信の周波数を１Ｈｚなどの低周波で変更を行う。これにより、誤計測の防止と消費電力の抑制が可能となる。
【００２１】
（効果）
本実施形態によれば、脈動の周波数をＦＦＴにより検知し、脈動周波数に見合った周期で超音波の送受信を繰返し行い、その伝播時間を平均化することにより、脈動による影響を抑制し、高精度な流量計測が可能となる。
【００２２】
[他の実施形態]
（１）上記実施形態では、脈動が発生しうる最大周波数が２０Ｈｚの場合、２倍の周波数４０Ｈｚで送受信を繰返し伝播時間の計測を行ったが、正確に２倍とすることはなく、２倍以上であれば、５０Ｈｚや１００Ｈｚで伝播時間の計測を行っても良い。
【００２３】
（２）上記実施形態では、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）を行うことによって脈動の周波数成分を抽出したが、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）だけでなく、他の方法によって脈動の周波数成分を抽出しても良い。
【００２４】
（３）上記実施形態では、計測した伝播時間を前回値との差分を求め、差分値が所定の設定値以上に変化した場合には、上述した脈動の最大周波数の約２倍の周波数で超音波の送受信を行い、ＦＦＴにより脈動の周波数の特定を行ったが、伝播時間の差分ではなく、例えば、流量が±５％以上変化した場合等、流量の差分が所定の設定値以上に変化した場合に、上記処理を行うこともできる。
【００２５】
（４）以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００２６】
１…超音波流量計
１０…流路
１１…上流側超音波振動子
１２…下流側超音波振動子
１３…発信回路
１４…送受信切替回路
１５…受信回路
１６…コンパレータ回路
１７…伝播時間計測回路
１８…流量計測回路
１９…周波数判別回路
２０…タイミング生成回路
２１…発振回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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