(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにした超音波流量計。
【請求項２】
流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、複数の比較電圧を発生する比較電圧発生手段と、前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号と前記比較電圧発生手段の出力と比較することにより超音波信号の受信を行う受信手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記比較電圧発生手段は前記カウント手段の計数値に従って、異なった比較電圧を出力するようにした超音波流量計。
【請求項３】
流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号を設定された増幅率で増幅を行う可変利得アンプと、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記可変利得アンプの増幅率は前記カウント手段の計数値に従って設定されるようにした超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してガスなどの流量を測定する超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の超音波流量計（特開平８−３１３３１７号公報）は、図６に示すように、流体管路１の一部に超音波振動子２と超音波振動子３を流れの方向に相対して設け、トリガ回路４、発振回路５を介し超音波振動子２から流れ方向に超音波を発生させ、超音波振動子３及び受信回路６により超音波を受信する。繰り返し手段７でこの繰り返しを行ってその伝搬時間を計時手段８で計測し、逆に切り替え手段１０で超音波振動子３から流れに逆らって超音波を発生し、同様の繰り返しの伝搬時間を計測し、この時間の差から流量演算手段９で流体の流量を演算していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の超音波流量計は、繰り返し手段７により、発振回路５を介して繰り返し超音波振動子２あるいは超音波振動子３が発振を行うが、超音波振動子２あるいは超音波振動子３は発振回路５により発振を開始し、停止させてもその機械的な振動はすぐには停止せず、いわゆる残響が残る。そして、新たな発振と、残響が重なり合うことにより共振状態となり、受信信号が増幅されてしまう。この共振現象は超音波振動子２及び超音波振動子３の構成、保持の仕方、気温などにより、その程度が異なる。すなわち、種々の条件により受信信号が強められたい弱められたりすることにより伝搬時間が変化する。そのため、正確な流量が測定できないものであった。
【０００４】
本発明は、超音波振動子の残響による共振現象をなくし、正確な流量測定をすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにしたもので、この構成によれば、第１超音波振動子及び第２超音波振動子の隣接する発振駆動の駆動位相を変化させ、第１超音波振動子及び第２超音波振動子の残響による共振現象をなくし、正確な流量を測定することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにしたもので、この構成によれば、第１超音波振動子及び第２超音波振動子の隣接する発振駆動の駆動位相を変化させ、第１超音波振動子及び第２超音波振動子の残響による共振現象をなくすようにしたものである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、複数の比較電圧を発生する比較電圧発生手段と、前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号と前記比較電圧発生手段の出力と比較することにより超音波信号の受信を行う受信手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記比較電圧発生手段は前記カウント手段の計数値に従って、異なった比較電圧を出力するようにしたもので、この構成によれば、受信を行うための比較電圧を発振の駆動位相にあわせて変えることにより、安定した受信を行えるようにしたものである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号を設定された増幅率で増幅を行う可変利得アンプと、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達の回数を数えるカウント手段を有し、前記可変利得アンプの増幅率は前記カウント手段の計数値に従って設定されるようにしたもので、この構成によれば、可変利得アンプの増幅率を変えることにより、いかなる駆動位相でも、受信信号のレベルを同じになるようにしたものである。
【０００９】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（実施例１）
本発明の実施例１を図１、図２及び図３をもとに説明する。図１において、２０は流体管路で、被測定物である流体が流れる。２１は第１超音波振動子で、超音波を発信あるいは受信を行う。２２は第２超音波振動子で、超音波の発信あるいは受信を行う。２６は切り替え手段で、第１超音波振動子２１及び第２超音波振動子２２を発信あるいは受信に切り替える。２３は駆動手段で、切り替え手段２６を介して、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２を駆動する。２５は位相決定手段で、カウント手段２４の計数値に従って、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２の駆動位相を決定する。２７はトリガ手段で、カウント手段２４の信号に従って駆動手段２３を動作させる。２８ａは増幅手段で、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２からの受信信号を所定のレベルまで増幅する。２８ｂは比較手段で、増幅手段２８ａの出力と比較電圧発生手段２９に内蔵された比較電圧を比較して、増幅手段２８ａの出力が比較電圧発生手段２９に内蔵された比較電圧以上になると、カウント手段２４に信号を出力する。
【００１１】
また、比較電圧発生手段２９は複数の比較電圧を内蔵しており、カウント手段２４の計数値に応じた比較電圧を出力するようになっている。カウント手段２４は比較手段２８ｂから信号を受けると再びトリガ手段２７を動作させ、位相決定手段２５にて決定された駆動位相にて駆動手段２３、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２を駆動して超音波を発信させる。これら一連の動作は所定の回数繰り返させる。３０は計数手段で、計数を開始してから、カウント手段２４が所定の回数、超音波の発信、受信の一連の動作を繰り返す間は計時を継続しており、カウント手段２４が所定の回数の計測を終えると、流量演算手段３１に計数値を出力する。
【００１２】
次に、上記超音波流量計の動作について説明する。流体管路２０中に流れる流体の計測を開始する時、カウント手段２４は切り替え手段２６を動作させ、流体の流れ方向に超音波を発射させるように第１超音波振動子２１を送信側に第２超音波振動子２２を受信側に設定する。同時に、計数手段３０を初期化し、トリガ手段２７を動作させ、位相決定手段２５で位相を決定する。計数手段３０は計数を開始する。位相決定手段２５では、図２に示すように、カウント手段２４の計数値により、超音波の発振の駆動位相を決定する。例えば、計数値が１であれば、図２の（ａ）の駆動位相になり、計数値が２であれば、同図の（ｂ）の位相、すなわち１／４位相がずれた駆動位相になる。
【００１３】
この例では、計数値が４毎に同じ駆動位相を繰り返すようになっている。トリガ手段２７からのトリガ信号により、駆動手段２３は位相決定手段２５で決定された駆動位相を入力し、切り替え手段１０を介して、第１超音波振動子２１を発振させる。第１超音波振動子２１から発射された超音波は流体管路２０内を伝搬して、第２超音波振動子２２にて受信される。受信された信号は、切り替え手段２６を介して、受信手段２８に含まれる増幅手段２８ａにより受信信号を所定のレベルに増幅され、比較電圧発生手段２９に内蔵される比較電圧と、増幅手段２８ａから出力された受信信号を比較手段２８ｂと比較する。比較手段２８ｂは、受信信号が比較電圧より大きくなるとカウント手段２４に信号を出力する。
【００１４】
このとき、第２超音波振動子２２の出力信号のレベルは、駆動位相、すなわち、カウント手段２４の計数値によって異なる。比較電圧発生手段２９は複数の比較電圧を有しており、カウント手段２４の計数値に応じた比較電圧を出力する。図３は、増幅手段２８ａの出力を示している。図３（ａ）は図２（ａ）に、図３（ｂ）は図２（ｂ）に、図３（ｃ）は図２（ｃ）に、図３（ｄ）は図２（ｄ）にそれぞれ対応する。図３（ａ）は駆動位相が０度の場合の増幅手段２８ａの出力を示し、比較電圧はＶａになる。図３（ｂ）の実線は駆動位相が９０度の場合の増幅手段２８ａの出力を示し、破線で示した駆動位相が０度の場合に比べて、波形のレベルが異なり、比較電圧はＶａよりも低いＶｂになる。図３（ｃ）の実線は駆動位相が１８０度の場合の増幅手段２８ａの出力を示し、破線で示した駆動位相が０度の場合に比べて、波形のレベルが異なり、比較電圧はＶａよりも低いＶｃになる。図３（ｄ）の実線は駆動位相が２７０度の場合の増幅手段２８ａの出力を示し、破線でしめした駆動位相が０度の場合に比べて、波形のレベルが異なり、比較電圧はＶａよりも低いＶｄになる。
【００１５】
カウント手段２４では、比較手段２８ｂからの出力があると、計数値を１つ増やし、再びトリガ手段２７及び位相決定手段２５を動作させ、以上述べてきたことを繰り返す。計数値に応じて毎回駆動位相を変えることにより、共振現象を起こすこともなく、安定に伝搬時間を測定できる。カウント手段２４が所定の回数繰り返すと、計数手段３０の計数を停止し、流量演算手段３１はその値（Ｔ１）を記憶する。
【００１６】
次に、流体の流れに逆らう方向に超音波を発射させるように、切り替え手段１０は、第１超音波振動子２１を受信側に第２超音波振動子２２を送信側に設定する。同時に、計数手段３０を初期化し、トリガ手段２７を動作させ、位相決定手段２５で位相を決定する。計数手段３０は計数を開始する。以降は先に述べた、流体の流れ方向へ超音波を発射する場合と同じであるので、説明を割愛する。そして、カウント手段２４が所定の回数繰り返すと、計数手段３０の計数を停止し、流量演算手段３１はその値（Ｔ２）を記憶する。流量演算手段３１では、記憶してあるＴ１とＴ２とから  ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２  が演算され、この値に流体管路２０の大きさや管内の流速分布の流速分布に応じた補正係数が乗じられて流速値が求められる。
【００１７】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２を図２、図４及び図５をもとに説明する。図４において、２０は流体管路で、被測定物である流体が流れる。２１は第１超音波振動子で、超音波を発信あるいは受信を行う。２２は第２超音波振動子で、超音波を発信あるいは受信を行う。２６は切り替え手段で、第１超音波振動子２１及び第２超音波振動子２２を発信あるいは受信に切り替える。２３は駆動手段で、切り替え手段２６を介して、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２を駆動する。２５は位相決定手段で、カウント手段２４の計数値に従って、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２の駆動位相を決定する。２７はトリガ手段で、カウント手段２４の信号に従って駆動手段２３を動作させる。
【００１８】
また、２８ｃは可変利得アンプで、カウント手段２４の計数値に従って増幅率を変化させながら、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２からの受信信号を所定のレベルまで増幅する。２８ｂは比較手段で、可変利得アンプ２８ｃの出力と比較電圧発生手段２９の比較電圧を比較して、可変利得アンプ２８ｃの出力が比較電圧発生手段２９の比較電圧以上になると、カウント手段２４に信号を出力する。繰り返し手段２４は比較手段２８ｂから信号を受けると再びトリガ手段２７を動作させ、位相決定手段２５にて決定された駆動位相にて駆動手段２３、第１超音波振動子２１あるいは第２超音波振動子２２を介して超音波を発信させる。これら一連の動作は所定の回数繰り返させる。３０は計数手段で、計測開始時に計数を開始し、カウント手段２４が所定の回数、超音波の発信、受信の一連の動作を繰り返す間は計時を継続しており、カウント手段２４が所定の回数の計測を終えると、流量演算手段３１に計数値を出力する。
【００１９】
次に、上記超音波流量計の動作について説明する。流体管路２０中に流れる流体の計測を開始する時、カウント手段２４は切り替え手段２６を動作させ、流体の流れ方向に超音波を発射させるように第１超音波振動子２１を送信側に第２超音波振動子２２を受信側に設定する。同時に、計数手段３０を初期化し、トリガ手段２７を動作させ、位相決定手段２５で位相を決定する。計数手段３０は計数を開始する。位相決定手段２５では、図２に示すように、カウント手段２４の計数値により、超音波の発振の駆動位相を決定する。例えば、計数値が１であれば、図２の（ａ）の駆動位相になり、計数値が２であれば、同図の（ｂ）の位相、すなわち１／４位相がずれた駆動位相になる。この例では、計数値が４毎に同じ駆動位相を繰り返すようになっている。トリガ手段２７からのトリガ信号により、駆動手段２３は位相決定手段２５で決定された駆動位相を入力し、切り替え手段１０を介して、第１超音波振動子２１を発振させる。第１超音波振動子２１から発射された超音波は流体管路２０内を伝搬して、第２超音波振動子２２にて受信される。受信された信号は、切り替え手段２６を介して、受信手段２８に含まれる可変利得アンプ２８ｃにより受信信号を所定のレベルに増幅されるが、可変利得アンプ２８ｃの増幅率はカウント手段２４の計数値によって、可変され、前述した異なる駆動位相による受信信号もすべて同じレベルに増幅される。
【００２０】
比較手段２８ｂは、比較電圧発生手段２９に内蔵される比較電圧と、可変利得アンプ２８ｃから出力される増幅された受信信号を比較手段２８ｂと比較する。、受信信号が比較電圧より大きくなるとカウント手段２４に信号を出力する。図５に、駆動位相の異なる第２超音波振動子２２の受信信号とそれに対応した可変利得アンプ２８ｃの出力を示す。図５（ａ）は図２（ａ）に、図５（ｂ）は図２（ｂ）に、図５（ｃ）は図２（ｃ）に、図５（ｄ）は図２（ｄ）に各々対応する。図５（ａ）の実線は駆動位相が０度の場合の第２超音波振動子２２の信号出力を示し、図５（ａ）の破線が可変利得アンプ２８ｃの増幅出力になる。Ｖ０は比較電圧である。図５（ｂ）の実線は駆動位相が９０度の場合、同図（ｃ）の実線は駆動位相が１８０度の場合、同図（ｄ）の実線は駆動位相が２７０度の場合の第２超音波振動子２２の信号出力を示し、それぞれ可変利得アンプ２８ｃの増幅率を変えて、可変利得アンプ２８ｃの増幅出力が同じようになるようにする。
【００２１】
これにより、駆動位相を変えることによって、第２超音波振動子２２の出力が変動しても、安定にする受信信号を認識できる。カウント手段２４では、比較手段２８ｂからの出力があると、計数値を１つ増やし、再びトリガ手段２７及び位相決定手段２５を動作させ、以上述べてきたことを繰り返す。計数値に応じて毎回駆動位相を変えることにより、共振現象を起こすこともなく、安定に伝搬時間を測定できる。カウント手段２４が所定の回数繰り返すと、計数手段３０の計数を停止し、流量演算手段３１はその値（Ｔ１）を記憶する。次に、流体の流れに逆らう方向に超音波を発射させるように、切り替え手段１０は、第１超音波振動子２１を受信側に第２超音波振動子２２を送信側に設定する。
【００２２】
同時に、計数手段３０を初期化し、トリガ手段２７を動作させ、位相決定手段２５で位相を決定する。計数手段３０は計数を開始する。以降は先に述べた、流体の流れ方向へ超音波を発射する場合と同じであるので、説明を割愛する。そして、カウント手段２４が所定の回数繰り返すと、計数手段３０の計数を停止し、流量演算手段３１はその値（Ｔ２）を記憶する。流量演算手段３１では、記憶してあるＴ１とＴ２とからΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２  が演算され、この値に流体管路２０の大きさや管内の流速分布の流速分布に応じた補正係数が乗じられて流速値が求められる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の超音波流量計によれば、次の効果を奏する。
【００２４】
請求項１記載の発明によれば、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達を複数回行うカウント手段を有し、前記位相決定手段は前記カウント手段の計数値に従って、駆動位相を可変するようにしたもので、この構成によれば、第１超音波振動子あるいは第２超音波振動子の隣接する発振の駆動位相を変化させ、第１超音波振動子及び第２超音波振動子の残響による共振の影響をなくすことにより簡単な構成で精度よく流量を測定することができる。
【００２５】
また、請求項２記載の発明によれば、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、複数の比較電圧を発生する比較電圧発生手段と、前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号と前記比較電圧発生手段の出力と比較することにより超音波信号の受信を行う受信手段と、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達を複数回行うカウント手段を有し、前記受信手段は前記カウント手段の計数値に従って、異なった比較電圧と前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号を比較するようにしたもので、この構成によれば、受信を行うための比較電圧を第１超音波振動子あるいは第２超音波振動子の隣接する発振の駆動位相にあわせて変えることにより、安定した受信を行えしかも残響による共振もなく、精度よく流量を測定することができる。
【００２６】
また、請求項３記載の発明によれば、流体管路の上流と下流に設けられ超音波信号を受発信する第１超音波振動子及び第２超音波振動子と、前記第１超音波振動子及び第２超音波振動子を駆動する駆動手段と、この駆動手段の駆動位相を決定する位相決定手段と、前記第１超音波振動子あるいは前記第２超音波振動子の出力信号を設定された増幅率で増幅を行う可変利得アンプと、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子間相互の超音波伝達を複数回行うカウント手段を有し、前記可変利得アンプの増幅率は前記カウント手段の計数値に従って設定されるようにしたもので、この構成によれば、可変利得アンプの増幅率を第１超音波振動子あるいは第２超音波振動子の隣接する発振の駆動位相にあわせて変えることにより、いかなる駆動位相でも、受信信号のレベルを同じになり、安定した受信を行えしかも残響による共振もなく、精度よく流量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波流量計の全体を示すブロック図
【図２】（ａ）同流量計における位相遅れのない駆動波形図
（ｂ）同流量計における位相が１／４位相遅れた駆動波形図
（ｃ）同流量計における位相が１／２位相遅れた駆動波形図
（ｄ）同流量計における位相が３／４位相遅れた駆動波形図
【図３】（ａ）同流量計における位相遅れのない駆動による受信信号波形図
（ｂ）同流量計における位相が１／４位相遅れた駆動による受信信号波形図
（ｃ）同流量計における位相が１／２位相遅れた駆動による受信信号波形図
（ｄ）同流量計における位相が３／４位相遅れた駆動による受信信号波形図
【図４】本発明の実施例２における超音波流量計の全体を示すブロック図
【図５】（ａ）同流量計における位相遅れのない駆動による受信信号波形図
（ｂ）同流量計における位相が１／４位相遅れた駆動による受信信号波形図
（ｃ）同流量計における位相が１／２位相遅れた駆動による受信信号波形図
（ｄ）同流量計における位相が３／４位相遅れた駆動による受信信号波形図
【図６】従来の超音波流量計を示すブロック図
【符号の説明】
２０  流体管路
２１  第１超音波振動子
２２  第２超音波振動子
２３  駆動手段
２４  カウント手段
２５  位相決定手段
【図１】
0004366753.tif 000002
【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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