(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる管と、
該管を挟んで配置される二組の超音波送信器及び超音波受信器と、
前記超音波送信器に超音波を送信させる駆動部と、
前記超音波送信器及び超音波受信器のそれぞれに接続され該超音波送信器及び超音波受信器で受信される超音波の振幅を検出して予め定められた基準値と比較する振幅検出回路と、
前記超音波送信器の接続先を前記駆動部と前記振幅検出回路とに切り換える切換器と、
前記超音波送信器及び超音波受信器により受信した超音波に基づいて流量を演算する演算手段と、からなり、
前記演算手段は、一組の超音波送信器及び超音波受信器のうち超音波送信器が振幅検出回路に接続されるよう前記切換器を切り換えるとともに他の組の超音波送信器及び超音波受信器のうち何れかを判定用送信器として使用して当該判定用送信器より超音波を送信させ、前記振幅検出回路で該判定用送信器から送信され前記一組の超音波送信器及び超音波受信器で受信されるそれぞれの超音波の振幅が前記基準値以下であると判断されたときに当該受信した超音波の振幅が前記基準値以下である超音波送信器または超音波受信器が故障したと判定する故障判定手段を有することを特徴とする流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流量計の一例として、特開平１−２９２２１２号公報に示すものがある。この流量計は、被測定流体が流れる管内にカルマン渦を発生させる渦発生体を設け、前記カルマン渦発生領域を間にして前記管に一対の超音波送・受信器（超音波センサ）を２組設け、２つの受信器の超音波受信信号を位相比較することによりカルマン渦の発生周波数を検出して被測定流体の流量を求めるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、流量計では、超音波送・受信器の故障検出を行なうことが望まれているが、上記従来技術では、このような対策が施されておらず不便であった。
【０００４】
なお、この対策として、超音波受信器からの超音波受信信号の振幅（信号レベル）が一定値以下になった場合、超音波送・受信器が異常状態になったと判定する異常検出回路を設けることが考えられる。しかしながら、この対策案では、例えば管内が非満水になって管内に気体部分が生じ、液体との界面により超音波が反射され、超音波の伝搬が阻害され超音波受信信号の振幅が低下した場合のように超音波受信信号の振幅が一時的に小さくなった場合にも、超音波送・受信器が異常状態になったと判定することとなり、上記要望を適切には果たすことができないというのが実情であった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、超音波センサの故障判定を精度高く行なえる流量計を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る流量計の発明は、被測定流体が流れる管と、該管を挟んで配置される二組の超音波送信器及び超音波受信器と、前記超音波送信器に超音波を送信させる駆動部と、前記超音波送信器及び超音波受信器のそれぞれに接続され該超音波送信器及び超音波受信器で受信される超音波の振幅を検出して予め定められた基準値と比較する振幅検出回路と、前記超音波送信器の接続先を前記駆動部と前記振幅検出回路とに切り換える切換器と、前記超音波送信器及び超音波受信器により受信した超音波に基づいて流量を演算する演算手段と、からなり、前記演算手段は、一組の超音波送信器及び超音波受信器のうち超音波送信器が振幅検出回路に接続されるよう前記切換器を切り換えるとともに他の組の超音波送信器及び超音波受信器のうち何れかを判定用送信器として使用して当該判定用送信器より超音波を送信させ、前記振幅検出回路で該判定用送信器から送信され前記一組の超音波送信器及び超音波受信器で受信されるそれぞれの超音波の振幅が前記基準値以下であると判断されたときに当該受信した超音波の振幅が前記基準値以下である超音波送信器または超音波受信器が故障したと判定する故障判定手段を有することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態の流量計を図１に基づいて説明する。図１において、流量計１は、被測定流体が流れる管２と、この管２内に設けたカルマン渦発生用の渦発生体３とを有している。管２には、カルマン渦の発生領域に臨むようにして相対向する一対の送受信機能を有する超音波センサが２組、計４つの超音波センサ４（以下、適宜、第１、第２、第３、第４超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄという。）が固定されている。超音波センサ４は、電圧を印加されれば超音波を送信し（送信器として機能）し、また、振動させられれば超音波を受信する（受信器として機能する）ようになっている。
【０００８】
前記第１、第２超音波センサ４ａ，４ｂが相対向し、第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄが相対向するものになっており、通常使用状態で第１超音波センサ４ａ及び第３超音波センサ４ｃが送信器とされ、また、第２超音波センサ４ｂ及び第４超音波センサ４ｄが受信器とされている。第１、第２超音波センサ４ａ，４ｂの中心部を結ぶ線分Ａと第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄの中心部を結ぶ線分Ｂとは管２の中央部で直交するように第１、第２、第３、第４超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが配置されている。
なお、以下、適宜、第１、第２超音波センサ４ａ，４ｂをセンサ第１組４１といい、第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄをセンサ第２組４２という。
【０００９】
第１、第２、第３、第４超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄには、それぞれ第１、第２、第３、第４切換器５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ（以下、適宜、切換器５と総称する。）を介して超音波駆動部６（駆動部）が接続されている。超音波駆動部６は第１、第２、第３、第４超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと接続されることにより、接続された超音波センサ４を駆動して当該超音波センサ４から超音波を送信させるようにしている。
切換器５は、後述する演算部７に制御されて、第１、第２、第３、第４超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと超音波駆動部６との接続を選択的に行なえ、超音波駆動部６に接続された超音波センサ４を送信器として使用させると共に超音波駆動部６に接続されない超音波センサ４を受信器として使用させるようにしている。
【００１０】
切換器５及び超音波駆動部６には演算部７（演算手段、故障判定手段）が接続されており、第２超音波センサ４ｂ（センサ第１組４１の受信器）の超音波受信信号及び第４超音波センサ４４ｄ（センサ第２組４２の受信器）の超音波受信信号を位相比較することによりカルマン渦の発生周波数を検出して被測定流体の流量を求めるようにしている。また、演算部７は、第１、第２、第３、第４切換器５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを介して第１、第２、第３、第４超音波センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにそれぞれ接続した第１、第２、第３、第４振幅検出部（振幅検出回路を構成している。）８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ（以下、適宜、振幅検出部８と総称する。）を有し、受信器とされた超音波センサ４からの超音波受信信号を入力してその振幅を検出するようにしている。
【００１１】
さらに、演算部７は、第２超音波センサ４ｂ（センサ第１組４１の受信器）の超音波受信信号及び第４超音波センサ４ｄ（センサ第２組４２の受信器）の超音波受信信号をあらかじめ設定した第１基準値と比較し、前記超音波受信信号が第１基準値以下になったとき、次のような故障演算処理を行うようになっている。この故障演算処理内容を、第１基準値以下になった超音波受信信号が１つの場合と、２つの場合とに分けて、以下に説明する。
【００１２】
（１）演算部７は、第１基準値以下になった超音波受信信号が１つの場合、次のように故障演算を行う。上記第１基準値以下になった超音波受信信号が１つの場合は、センサ第１組４１及びセンサ第２組４２のうち一方の組に故障している超音波センサ４があるか、あるいは気相の発生があると推定される。以下、説明の便宜上、第１基準値以下になった超音波受信信号に対応する方の組を故障推定組といい、他方の組を非故障組という。
この場合、故障推定組の２つの超音波センサ４を、切換器５を制御して受信器に設定すると共に、非故障組の２つの超音波センサ４のうち一方の超音波センサ４（例えば通常時、送信器とされている超音波センサ４。本発明の判定用送信器を構成する。）から故障推定組の２つの超音波センサ４及び当該非故障組の他方の超音波センサ４（例えば通常時、受信器とされている超音波センサ４）の計３つの超音波センサ４へ超音波を送信させる。なお、非故障組の受信器に対しても超音波を送信しているが、これにより、故障検出時に送信器から良好な超音波が送信されているかの確認を行え故障検出の精度の向上を図るようにしている。
【００１３】
この際、非故障組の送信器からの超音波は、管２を伝搬して故障推定組の２つの超音波センサ４に受信されることになり、この故障推定組の２つの超音波センサ４に受信される超音波受信信号の振幅値をあらかじめ設定した第２基準値（基準値）と個々に比較する。
そして、この比較結果が、故障推定組の２つの超音波センサ４の超音波受信信号の振幅値が共に第２基準値以上であることを示している場合、故障推定組の２つの超音波センサ４は故障しておらず、上述したように超音波受信信号が第１基準値以下になった原因が、気体などによるものであると判定する。
一方、前記比較結果が、故障推定組の２つの超音波センサ４の超音波受信信号の振幅値が第２基準値未満であることを示している（２つの超音波受信信号の振幅値の一方または両方が第２基準値未満のことがあるが、このことは個々に示される）場合、第２基準値未満の超音波受信信号に対応する超音波センサ４が故障していると判定する。本実施の形態では、演算部７は、上述したように故障推定組の２つの超音波センサ４の超音波受信信号の振幅値が第２基準値未満であることを示している場合、第２基準値未満の超音波受信信号に対応する超音波センサ４が故障していると判定するようにしており、本実施の形態では、演算部７が故障判定手段を兼ねたものになっている。
【００１４】
（２）また、演算部７は、第１基準値以下になった超音波受信信号が２つの場合、次のように故障演算を行う。第１基準値以下になった超音波受信信号が２つの場合は、センサ第１組４１及びセンサ第２組４２の両方の組にそれぞれ故障した超音波センサ４があるか、あるいは気相の発生があると推定される。
この場合、４つの超音波センサ４のうち１つの超音波センサ４のみを送信器に設定し（送信器に設定した超音波センサ４を含む方の組を以下、便宜上、送信設定組といい、他の組を送信非設定組という。）、他の３つの超音波センサ４を受信器に設定し、送信非設定組の２つの超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値を前記第２基準値と個々に比較する。また、送信設定組の超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値は前記第１基準値と再比較する。
【００１５】
なお、送信設定組の超音波センサ４（受信器）にも超音波を送信しているが、この送信設定組の超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値は上述したように前記第１基準値以下を示す可能性が高い。しかし、この段階（超音波受信信号の振幅値が第１基準値以下を示したときから時間が経過し、気相の消滅の可能性がある段階）では、送信設定組の超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値が第１基準値以上になることも起こり得、再確認して故障検出精度の向上を図るようにしている。
【００１６】
送信非設定組の２つの超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値と第２基準値との比較結果が、超音波受信信号の振幅値が第２基準値以上であることを示している場合、当該２つの超音波センサ４は故障していないと判定する。一方、前記比較結果が、送信非設定組の２つの超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値のうち一方の振幅値が第２基準値未満で、他方の振幅値が第２基準値であることを示している場合、第２基準値未満の超音波受信信号に対応する超音波センサ４が故障していると判定する。
【００１７】
また、前記比較結果が、送信非設定組の２つの超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値の両者が第２基準値未満であることを示している場合、送信器として設定した超音波センサ４が故障している虞が大きいことから、他の超音波センサ４を送信器に設定して、上述したのと同様に超音波受信号の比較判定を行い、先に超音波受信信号の振幅値が第１基準値以下になった原因が、どの超音波センサ４にあるのか、または気相の発生にあるのかを特定するようにしている。
【００１８】
ここで、上述したように構成した流量計１の作用を、センサ第２組４２の受信器（第４超音波センサ４ｄ）の超音波受信信号の振幅値が第１基準値以下になった場合を例にして、以下に説明する。
【００１９】
（１Ａ）第１基準値以下になった超音波受信信号が１つの場合〔例えば図２（ａ）に示すようにセンサ第１組４１の超音波受信信号の振幅値は第１基準値以上である一方、図２（ｂ）に示すようにセンサ第２組４２の超音波受信信号の振幅値は第１基準値以下である場合〕、センサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）を、切換器５を制御して受信器に設定すると共に、センサ第１組４１（非故障組）の超音波センサ４（送信器、第１超音波センサ４ａ、本発明の判定用送信器を構成する。）からセンサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）及びセンサ第１組４１（非故障組）の受信器（第２超音波センサ４ｂ）、計３つの超音波センサ４へ超音波を送信させる。
【００２０】
この際、センサ第１組４１（非故障組）の送信器（第１超音波センサ４ａ）からの超音波は、管２を伝搬してセンサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）に受信されることになり、このセンサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）に受信される超音波受信信号の振幅値を第２基準値（本発明の基準値）と個々に比較する。
【００２１】
そして、この比較結果が、センサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）の超音波受信信号の振幅値が共に第２基準値以上であることを示している場合、センサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）は故障しておらず、上述したように超音波受信信号が第１基準値以下になった原因が、気体などによるものであると判定する。
一方、前記比較結果が、センサ第２組４２（故障推定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）の超音波受信信号の振幅値が第２基準値未満であることを示している（２つの超音波受信信号の振幅値の一方または両方が第２基準値未満のことがあり、このことは個々に示される）場合、第２基準値未満の超音波受信信号に対応する超音波センサ４が故障していると判定する。例えば図３（ａ）に示すように第３超音波センサ４ｃの超音波受信信号の振幅値は第２基準値以上である一方、図３（ｂ）に示すように第４超音波センサ４ｄの超音波受信信号の振幅値が第２基準値未満であることを示している場合、第２基準値未満の超音波受信信号に対応する第４超音波センサ４ｄが故障していると判定する。
【００２２】
（２Ａ）また、センサ第１組４１の受信器（第２超音波センサ４ｂ）の超音波受信信号の振幅値及びセンサ第２組４２の受信器（第４超音波センサ４ｄ）の超音波受信信号の振幅値が共に第１基準値以下になった場合、この流量計１は次のように作用することになる。
【００２３】
この場合、４つの超音波センサ４のうち１つの超音波センサ４〔例えばセンサ第１組４１（送信設定組）の第１超音波センサ４ａ〕のみを送信器に設定し、他の３つの超音波センサ４（第２、第３、第４超音波センサ４ｂ，４ｃ，４ｄ）を受信器に設定し、センサ第２組４２（送信非設定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）（受信器）の超音波受信信号の振幅値を前記第２基準値と個々に比較する。また、センサ第１組４１（送信設定組）の超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅値は前記第１基準値と再比較する。
【００２４】
センサ第２組４２（送信非設定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）（受信器）の超音波受信信号の振幅値と第２基準値との比較結果が、超音波受信信号の振幅値が第２基準値以上であることを示している場合、当該２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）は故障していないと判定する。
一方、前記比較結果が、センサ第２組４２（送信非設定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）（受信器）の超音波受信信号の振幅値のうち一方の振幅値が第２基準値未満で、他方の振幅値が第２基準値であることを示している場合、第２基準値未満の超音波受信信号に対応する超音波センサ４（第３超音波センサ４ｃまたは第４超音波センサ４ｄ）が故障していると判定する。
【００２５】
また、前記比較結果が、センサ第２組４２（送信非設定組）の２つの超音波センサ４（第３、第４超音波センサ４ｃ，４ｄ）（受信器）の超音波受信信号の振幅値の両者が第２基準値未満であることを示している場合、他の超音波センサ４を送信器に設定して、上述したのと同様に超音波受信信号の比較判定を行い、先に超音波受信信号の振幅値が第１基準値以下になった原因が、どの超音波センサ４にあるのか、または気相の発生にあるのか、を特定するようにしている。
【００２６】
上述したように、本実施の形態では、４つの超音波センサ４からの超音波受信信号の振幅が第１基準値以下になったとき、第１基準値以下になった超音波受信信号に対応する超音波センサ４を含む組（故障推定組）の２つの超音波センサ４を受信器に設定すると共に、第１基準値以下になった超音波受信信号に対応する超音波センサ４を含まない方の組（非故障組）の一方を送信器に設定し、故障推定組の２つの超音波センサ４（受信器）の超音波受信信号の振幅を第２基準値と比較するようにしており、故障推定組の２つの超音波センサ４が故障したのか、あるいは気体などにより超音波受信信号の振幅値が一時的に低下したものであるのか、また、故障推定組の超音波センサ４の故障の場合いずれの超音波センサ４が故障したのか、を判定することができる。
【００２７】
上記実施の形態では、流量計１が渦発生体３を設けたいわゆる超音波式渦流量計である場合を例にしたが、本発明はこれに限らず、渦発生体３を設けないタイプの流量計に適用することができる。
また、本実施の形態では、対をなす超音波センサ４が管２の長手方向と直交して対向した流量計１を例にしたが、本発明はこれに限らず渦発生体３を省略すると共に、超音波センサ４を管２の長手方向に離間して斜めに対向させて配置し、被測定流体の流れの向きにより被測定流体中を伝搬する超音波の速度が変わることを利用して流量を計測するようにした流量計に本発明を適用してもよい。
【００２８】
なお、上述したように故障と判定した場合、（ａ）故障したことを報知するように構成したり、あるいは（ｂ）２組の超音波センサを設けていた場合、故障していない超音波センサを用いて流量計測を継続して行うように構成してもよい。このように故障していない超音波センサを用いて流量計測を継続して行う場合、２つの受信器の超音波受信信号の位相比較のみならず、１つの送信器に対する駆動信号と１つの受信器の超音波受信信号との位相比較により流量を求めるように構成してもよい。
【００２９】
また、上記実施の形態では、第１、第２基準値を持っている場合を例にしたが、第２基準値（本発明の基準値）のみを持ち、メンテナンス時あるいは流量計起動時等に、適宜スイッチなどを入れるなどして、故障判定を行うように構成してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、故障判定手段が、一組の超音波送信器及び超音波受信器のうち超音波送信器が振幅検出回路に接続されるよう前記切換器を切り換えるとともに他の組の超音波送信器及び超音波受信器のうち何れかを判定用送信器として使用して当該判定用送信器より超音波を送信させ、前記振幅検出回路で該判定用送信器から送信され前記一組の超音波送信器及び超音波受信器で受信されるそれぞれの超音波の振幅が前記基準値以下であると判断されたときに当該受信した超音波の振幅が前記基準値以下である超音波送信器または超音波受信器が故障したと判定するので、超音波送信器または超音波受信器の故障検出を確実かつ精度高く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の流量計を模式的に示すブロック図である。
【図２】図１の超音波センサの超音波受信信号の振幅値と第１基準値との比較例の一例を示す波形図である。
【図３】図１の超音波センサの超音波受信信号の振幅値と第２基準値との比較例の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
４    超音波センサ（超音波送信器、超音波受信器、判定用送信器）
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ  第１、第２、第３、第４超音波センサ
４１  センサ第１組
４２  センサ第２組
６    超音波駆動部（駆動部）
７    演算部（演算手段、故障判定手段）
８    振幅検出部（振幅検出回路）
【図１】
0004178341.tif 000002
【図２】
0004178341.tif 000003
【図３】
0004178341.tif 000004