(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れる流路の上流側と下流側とに対向するようにして配設した超音波振動子の一方を駆動して超音波を送信する送信ステップと、
前記一方の超音波振動子から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信する受信ステップと、
前記一方の超音波振動子が超音波を送信してから前記他方の超音波振動子で受信するまでの時間を計測する計測ステップと、
前記計測ステップで計測された時間から前記流路を流れる流体の流量を演算する演算ステップとからなる流量演算方法であって、
前記送信ステップにおいて前記超音波振動子を駆動させるときに、主周波数と、不要振動周波数である副周波数とを合成する流量演算方法。
【請求項２】
副周波数を超音波振動子のパッケージに起因する共振周波数とする請求項１記載の流量演算方法。
【請求項３】
副周波数を超音波振動子の圧電体に起因する共振周波数とする請求項１記載の流量演算方法。
【請求項４】
副周波数を、超音波流量計の計測システムに起因する共振周波数とする請求項１記載の流量演算方法。
【請求項５】
超音波が伝搬する時間差をシングアラウンド法を用いて計測する請求項１から４のいずれか１項に記載の流量演算方法。
【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演算方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、流体の流れる流路の上流側と下流側とに一対の超音波振動子を設け、上流側の超音波振動子から下流側の超音波振動子への、あるいは、下流側の超音波振動子から上流側の超音波振動子への超音波の伝搬時間を計測し、その時間差から流体の流速を演算し、流量を計測していた（特開平９−３３３０８号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の流量計測装置では、次のような課題があった。
【０００４】
すなわち超音波の伝搬時間を計測するのに、受信した超音波波形の第ｎ番目のゼロクロス点を用いるため、超音波の送信波形もしくは受信波形に雑音、たとえば超音波振動子などの不要振動が含まれていると、伝搬時間の計測に誤差が発生することになるという課題があった。即ち、この不要振動成分が、受信波形に含まれると伝播時間を計測する第ｎ番目のゼロクロス点が時間的に変動するジッター成分を含むことになり、その分不安定になり、時間計測における雑音となって、計測精度が低下することになる。
【０００５】
例えば、単一周波数からなるパルス波形あるいは正弦波形で超音波振動子を駆動しても、送信された超音波波形、もしくは受信された超音波波形には、超音波振動子を構成する圧電体、あるいはパッケージ、あるいは固定方法などに起因する駆動周波数以外のいわゆる不要振動成分が含まれることになり、ゼロクロス点が時間的に変動し、ジッター成分を含むことになり誤差が発生することになるという課題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、本発明の流量演算方法は、流体の流れる流路の上流側と下流側とに対向するようにして配設した超音波振動子の一方を駆動して超音波を送信する送信ステップと、前記一方の超音波振動子から送信された超音波を他方の超音波振動子で受信する受信ステップと、前記一方の超音波振動子が超音波を送信してから前記他方の超音波振動子で受信するまでの時間を計測する計測ステップと、前記計測ステップで計測された時間から前記流路を流れる流体の流量を演算する演算ステップとからなる流量演算方法であって、前記送信ステップにおいて前記超音波振動子を駆動させるときに、主周波数と、前記超音波振動子の不要振動周波数である副周波数を合成するものである。これにより、超音波振動子を主周波数で駆動するとともに、超音波振動子を構成する圧電体、あるいはパッケージ、あるいは固定方法などに起因する駆動周波数以外のいわゆる不要振動成分からなる種々の周波数からなる副周波数成分でも同時に駆動し、この副周波数成分を主周波数成分に対し、その振幅を正負に変えたり、また、その位相を駆動のたびに変化させたり、例えば、進めたり遅らせたりすることにより、ゼロクロス点による伝搬時間計測を実施すると、不要振動成分によるゼロクロス点の時間的変動、即ちジッター成分が平均化され、その結果、誤差の含まない精度の高い流量計測ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、流体の流れる流路の上流側と下流側とに超音波振動子を対向して配設し、複数の周波数で合成された駆動周波数で前記超音波振動子を駆動し、前記振動子間を超音波が伝搬する時間差から流量を演算してなる構成としたものである。この構成により、超音波振動子を駆動する周波数に、主周波数成分に加えて、単一の周波数で駆動した場合に発生する種々の不要振動成分を含めることが可能となり、その結果、この不要振動成分を大きくしたり、小さく抑えたりすることができ、ゼロクロス点がより安定し、流量計測の精度が向上する。
【０００８】
また、前記駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構成し、副周波数を超音波振動子の不要振動周波数とする構成とし、前記副周波数の振幅を主周波数の振幅に対し、種々変化させる構成とした。この構成により、超音波振動子を駆動する主周波数成分に対し、不要振動成分からなる副周波数成分の振幅を変えて含めることができ、この不要振動成分を抑えることができ、ゼロクロス点が安定し、流量計測の精度が向上する。
【０００９】
また、前記駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構成し、副周波数の位相を主周波数に対し、交互に１８０度反転し駆動する構成とした。この構成により、超音波振動子を駆動する主周波数成分に対し、不要振動成分からなる副周波数成分の位相を変えて含めることができ、この不要振動成分を抑えることができ、ゼロクロス点が安定し、流量計測の精度が向上する。なお、複数回計測する場合には、駆動ごとに位相を反転させるので、計測結果を平均化処理することにより、ゼロクロス点がより一層安定し、計測精度が向上する。
【００１０】
また、前記駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構成し、副周波数の位相を主周波数に対し、複数回の計測中に順次変化させ駆動する構成とした。この構成により、複数回計測する場合には、その計測回数全数にわたって位相が一回転するように、駆動ごとに位相を順次変化させるので、不要振動によるゼロクロス点の変動が平均化され、より一層安定し、計測精度が向上する。
【００１１】
また、前記副周波数を、超音波振動子のパッケージに起因する共振周波数とする構成とした。この構成により、パッケージに起因する共振周波数によるゼロクロス点の変動が抑制され、計測精度が向上する。
【００１２】
また、前記副振動周波数を、超音波振動子の圧電体に起因する共振周波数とする構成とした。この構成により、超音波振動子の圧電体に起因する共振周波数によるゼロクロス点の変動が抑制され、計測精度が向上する。
【００１３】
また、前記副振動周波数を、超音波流量計の計測システムに起因する共振周波数とする構成とした。この構成により、超音波流量計の計測システムに起因する共振周波数によるゼロクロス点の変動が抑制され、計測精度が向上する。
【００１４】
また、前記超音波が伝搬する時間差をシングアラウンド法を用いて計測する構成とした。この構成により、複数回計測するシングアラウンド法を用いる超音波流量計に対して特に有効に作用し、ゼロクロス点が複数回の計測により平均化処理される結果となり、計測精度が大幅に向上する。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例１の流量計測装置の断面図である。図１（ａ）は、流路１の断面図を示し、流体の流れる部分２の上流側と下流側とに一対の超音波振動子３、４を対向して設けた。流体の流れる方向６（矢印５で示す）と振動子３、４間を超音波が伝搬する方向７とは、交叉角Anで交叉するようにした。図１（ｂ）は、流路１の側面図を示し、Ｗは流路１の幅を、Ｈは流路１の高さをそれぞれ示す。図２に、超音波振動子の送信波形８と受信波形９とを示す。図２中のＴt、Ｔrはそれぞれ送信開始時間、受信時間を示す。通常の場合、受信時間Ｔrは、雑音レベル内に埋もれていることが多く、正確に特定することができないので、第ｎ番目のＴr'示すゼロクロス点を受信時間とし、受信時間と送信時間との差、Ｔr'−Ｔtを超音波の伝搬時間としている。例えば、超音波振動子３，４間の距離をＬ、超音波の伝搬速度をＶs、流体の流れる速度をＶf、上流側の超音波振動子３から下流側の超音波振動子４への超音波の伝搬時間をＴud、下流側の超音波振動子４から上流側の超音波振動子３への超音波の伝搬時間をＴdu、とすると次式が成り立つ。
【００１７】
Ｔud＝Ｌ／[Ｖs＋Ｖf*COS(Ａn)］
Ｔdu＝Ｌ／[Ｖs−Ｖf*COS(Ａn)］
これより、[Ｖs＋Ｖf*COS(Ａn)］＝Ｌ／Ｔud
[Ｖs−Ｖf*COS(Ａn)］＝Ｌ／Ｔdu
よって、２*Ｖf*COS(Ａn)＝[(Ｌ／Ｔud)−(Ｌ／Ｔdu)］
また、Ｖf＝[(Ｌ／Ｔud)−(Ｌ／Ｔdu)］／[２*COS(Ａn)]
このよう演算して求めた流体の流速、Ｖfに、流路１の断面積（Ｗ*Ｈ）を乗じ、流量としている。従って、上流側から下流側への、あるいは下流側から上流側への伝搬時間を正確に計測できればできるほど、流量計測の精度が向上することになる。
【００１８】
図３に、超音波の受信波形９をスペクトルアナライザで観測した結果を示す。図３において、横軸は周波数を、縦軸にその周波数成分の強度を示す。最も大きいピーク１０は受信波形９の主周波数成分を示し、サイドローブの１１、１２、１３などの小さいピークは複数個の不要振動成分を示す。このように受信波形９には、種々の不要振動成分が含まれている。この受信波形９に含まれる不要振動成分１１、１２、１３は、伝搬時間を計測するゼロクロス点、Ｔr'にも大きく影響を及ぼし、ゼロクロス点Ｔr’が、これらの不要振動成分で振動している、即ちジッター成分を含むことを意味している。従って、これらの不要振動成分が小さいほど、ジッター成分が少ないほど、安定して伝搬時間を計測できることになる。
【００１９】
なお、これらの不要振動成分は、超音波振動子を構成する圧電振動子の主周波数としてどの振動モードを用いるかによって変化する。例えば、主周波数として縦振動を用いる場合、より低周波数側に、横振動モード、厚みすべりモードあるいは輪郭モードなどが該当する。また、圧電振動子のどの部分を接着あるいは固定するかなどのパッケージによっても種々の不要振動成分が発生する。また、シングアラウンド法などの計測システムなどによっても不要振動成分が発生する。
【００２０】
図４に、不要振動を抑えるための送信波形を示す。８は、主周波数を示し、１４は副周波数を示す。図４中のＴmは主周波数８の周期を、Ｔdは主周波数８と副周波数１４との開始時間差を、Ａmpは主周波数成分の振幅に対する副周波数成分の振幅比をそれぞれ示す。主周波数は矩形波３波からなるバースト波を用い、副周波数は矩形波２波からなるバースト波を用いた。
【００２１】
また、流量計測の安定性評価は、流量計測を１００回繰り返し、その計測値のばらつきから判定した。Ｔdを、（０．７５〜１．５０）*Ｔmの範囲で、また、振幅Ａmpを、（０．１〜０．４）の範囲で変化させたところ、送信波形が、主周波数のみの単一周波数からなる場合に比べ、流量計測の安定度が、約５〜２０％改善された。すなわち、送信波形が主周波数のみの単一周波数からなる場合の流量計測結果がＱmeas±dＱであったのが、主周波数と副周波数とからなる送信波形を用いた場合には、Ｑmeas±dＱ*（０．９５〜０．８０）に改善されたことを意味する。
【００２２】
このように、超音波振動子を主周波数のみで駆動するのではなく、種々の周波数からなる副周波数成分を含ませることにより、この副周波数成分の振幅あるいは位相を変化させることにより、受信波形に含まれる不要振動成分を小さくすることができ、時間計測におけるジッター成分を減少させ、時間計測の精度を向上させることができる。
【００２３】
（実施例２）
超音波振動子を駆動する周波数を、図４に示した主周波数８で構成するとともに、副周波数成分１４として、図３に示した不要振動成分を構成する周波数とした。即ち、超音波の受信波形を図３に示したようにスペクトルアナライザで分析し、１１、１２、１３などの不要振動成分の周波数を求め、副周波数とした。このように超音波の受信波形をスペクトル分析することにより、簡単に副周波数を決定することができた。このようにして、副周波数成分を簡単に設定することができるとともに、効率よく受信波形のゼロクロス点のジッターを抑えることができた。
【００２４】
（実施例３）
図５に、偶数回の伝播時間計測の用いる主周波数と副周波数との位相関係を示す。
【００２５】
副周波数は、実施例２で示したようにして求めた。１５は主周波数成分からなる３波の矩形波からなる駆動波形を、１６は不要振動成分で構成される副周波数成分からなる２波の矩形波を、１７は１６と同じ周波数からなり、１６よりも位相が１８０度遅れた２波の矩形波を示す。例えば、上流側の超音波振動子３から超音波を送信し、下流側の超音波振動子４で受信し、その時の超音波伝播時間を計測し、また逆に、下流側の超音波振動子４から超音波を送信し、上流側の超音波振動子３で受信し、その時の超音波伝播時間、およびその時間差を計測する。通常の場合、このような計測を偶数回、あるいは複数回計測し、計測した伝播時間を平均化処理することにより精度を上げている。
【００２６】
偶数回計測する場合には、例えば、奇数回目の超音波伝播時間計測には、１５と１６からなる駆動波形を用い、超音波振動子を駆動し、超音波伝播時間を計測し、偶数回目の超音波伝播時間計測には、１５と１７とからなる駆動波形を用いて超音波振動子を駆動し、超音波伝播時間を計測し、これらの計測結果を、平均化処理することにより、さらに一段と超音波伝播時間計測における第ｎ番目のゼロクロス点のジッターを少なくすることができる。例えば、奇数回目の計測において、正のジッターが発生したとすると、偶数回目の計測においては、負のジッターが発生することになる。従って、平均化処理することにより、これら正負のジッタ成分を解消することができ、計測精度が一段と向上することになる。
【００２７】
（実施例４）
図６に、複数回の伝播時間計測の用いる主周波数と副周波数との位相関係を示す。
【００２８】
副周波数は、実施例２で示したようにして求めた。１８は主周波数成分からなる３波の矩形波からなる駆動波形を、１９は不要振動成分で構成される副周波数成分からなる２波の矩形波を、２０は、１９と同じ周波数からなり、１９よりも位相がφ度遅れた２波の矩形波を示す。予め超音波伝播時間の計測回数が決められている場合、例えば、１０回計測する場合、１回目の計測には、１８と１９とからなる駆動波形を用いて超音波伝播時間を計測する。２回目の計測には、１８と位相（φ）が３６度遅れた波形１９とからなる駆動波形を用いて超音波伝播時間を計測する。
【００２９】
このように第ｋ回目の計測には、１８と位相（φ）が３６*（ｋー１）度遅れた波形１９とからなる駆動波形を用いて超音波伝播時間を計測する。このようにして１０回計測すると、１０回の計測中の駆動波形には、位相が０度から順次遅れ、３２４度まで遅れた波形２０が含まれることになる。従って、これらの駆動波形を用いて超音波伝播時間を計測し、これらの結果を平均化処理することにより、超音波伝播時間を計測するゼロクロス点でのジッターが、これらの位相遅れにより解消することができ、計測精度が一段と向上することになる。
【００３０】
（実施例５）
超音波振動子を駆動する周波数を、図４に示した主周波数８で構成するとともに、副周波数成分１４として、超音波振動子のパッケージに起因する不要振動成分で構成するようにした。図７に超音波振動子の概観図を、図８にその断面図を示す。２１は金属パッケージ２２の上面に接着された樹脂材料で構成された音響整合層を、２３は金属製端子台を示す。２４は圧電セラミックを示し、金属パッケージ２２の内面に接着されている。２５、２６は圧電セラミック２４の上下両面に形成された電極を示し、電極２６は金属パッケージ２２を介して、金属製端子台２３の端子２７に電気的に接続されている。
【００３１】
一方、電極２６は、リード線２８を介して、端子台２３に絶縁ガラス２９によりハーメチック固定された端子３０に電気的に接続されている。このような構成の超音波振動子の端子２７、３０に駆動信号を入力すると、圧電セラミック２４が縦振動したり、あるいは広がり振動したりし、音響整合層２１を介して、超音波が放出される。この時、金属パッケージ２２に付随する各種の共振振動が、不要振動として発生する。即ち、円筒状の金属製パッケージ２２が輪郭振動を起こしたり、あるいは撓み振動を起こしたりして低周波の不要振動を発生する。このパッケージに付随する低周波の不要振動は、送信側の振動子からは超音波振動として放出されたり、あるいは受信側振動子では受信した超音波振動子により誘因されたりして発生する。
【００３２】
これらの不要振動は、周波数が低いためなかなか減衰することなく、長く残響するため、超音波時間計測の第ｎ番目のゼロクロス点のジッターとして計測され、精度低下の一因であった。従って、これらの金属パッケージに起因する共振周波数を副周波数成分として、主周波数成分とともに駆動波形として用いることにより超音波伝播時間計測の精度を大幅に向上することができる。
【００３３】
（実施例６）
図９に超音波振動子のインピーダンス特性を示す。３１の部分が、超音波振動として放出する超音波振動子の共振部分を示し、３２が反共振部分を、３３が他の振動モード部分を示す。例えば、超音波振動として放出する振動が縦振動である場合、他の振動モード３３は、撓み振動であったり、横振動であったり、輪郭振動であったりする不要振動成分である。従って、これらの不要振動を副周波数成分として、主周波数成分とともに駆動波形として用いることにより、これらの不要振動を小さく抑えることができ、超音波伝播時間計測の精度が大幅に向上する。
【００３４】
（実施例７）
シングアラウンド計測法の場合について、図１を用いて以下に説明する。シングアラウンド計測法の場合、例えば、上流側の超音波振動子３から超音波が下流側の超音波振動子４に向かって放出され、例えば、約２００μsec後に、下流側の超音波振動子４で、超音波が受信される。超音波が受信されると遅延回路が動作し約１５０μsec後に、下流側の超音波振動子から上流側の超音波振動子に超音波を受信したと、信号が伝達される。この信号伝達をカウンタ回路でカウントし、例えば１００回繰り返す時間を計測するのがシングアラウンド法である。この方法を用いると１０MHzの時計であっても、１０００MHz相当の時間分解能で時間を計測することができる。
【００３５】
このようなシングアラウンド計測においては、受信側の超音波振動子は、計測の間中、約３５０μsecごとに超音波を受信することになる。このため、受信側の超音波振動子では、約３５０μsec分の１、即ち、２．８６kHzで、強制振動を受けることになる。この強制振動がゼロクロス点のジッターの要因となり、計測精度が低下する結果となる。従って、これらの強制振動を副周波数成分として、即ち、計測システムに起因する共振周波数を副周波数として、主周波数成分とともに駆動波形として用いることにより超音波伝播時間計測の精度が大幅に向上する。
【００３６】
（実施例８）
時間計測する第ｎ番目のゼロクロス点にジッターを含ませない様にする本発明は、低周波数成分のジッターに対して特に有効である。即ち、周波数の低いジッター成分は一度発生すると、減衰までの数十周期間にわたって継続するので、その間時間計測の精度が著しく低下することになる。従って、実施例７で説明したように、約２．８６kHzの低周波成分を含むシングアラウンド計測法に対して特に有効である。即ち、本発明の複数の周波数成分からなる駆動波形を用いないでシングアラウンド法を用いて超音波伝播時間を高精度に計測することは、非常に困難である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の流量演算方法によれば次の効果が得られる。
【００３８】
（１）流路の上流側と下流側とに一対の超音波振動子を対向して設置し、複数の周波数で合成された駆動周波数で超音波振動子を駆動する構成としたので、超音波の伝播時間を計測するゼロクロス点でのジッターを抑えることができ、計測精度が向上する。
【００３９】
（２）駆動周波数を、主周波数と副周波数とで構成し、副周波数を超音波振動子の不要振動周波数とする構成としたので、超音波の受信波形をスペクトル解析することにより、簡単に副周波数を決定することができる。
【００４０】
（３）偶数回の計測中において、副周波数の位相を主周波数に対し、交互に１８０度反転し、計測結果を平均化処理することで、計測精度を向上することができる。
【００４１】
（４）複数回の計測中に副周波数の位相を主周波数に対し、順次変化させて、計測結果を複数回で平均化処理することで、計測精度を向上することができる。
【００４２】
（５）副振動周波数を、超音波振動子のパッケージに起因する共振周波数とする構成としたので、パッケージに起因する共振周波数のジッター成分を抑えることができ、計測精度を向上することができる。
【００４３】
（６）副振動周波数を、超音波振動子の圧電体に起因する共振周波数とする構成としたので、圧電体に起因する共振周波数のジッター成分を抑えることができ、計測精度を向上することができる。
【００４４】
（７）副振動周波数を、超音波流量計の計測システムに起因する共振周波数とする構成としたので、計測システムに起因する共振周波数のジッター成分を抑えることができ、計測精度を向上することができる。
【００４５】
（８）低周波のジッターを取り除くことができるので、シングアラウンド法を用いて計測する流量計測に対して特に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１の流量計測装置の平面断面図
（ｂ）同装置の側面図
【図２】同装置における送信波形と受信波形を示す図
【図３】同装置における受信波形のスペクトル図
【図４】同装置における駆動波形を構成する主・副周波数成分を示す図
【図５】本発明の実施例３の流量計測装置における駆動波形を説明する図
【図６】本発明の実施例４の流量計測装置における駆動波形の位相変化を説明する図
【図７】本発明の実施例５の流量計測装置における超音波振動子の外観斜視図
【図８】本発明の実施例５の流量計測装置における超音波振動子の断面図
【図９】本発明の実施例６の流量計測装置における超音波振動子のインピーダンス特性図
【符号の説明】
１  流路
３  上流側の超音波振動子
４  下流側の超音波振動子
８  駆動波形
９  受信波形
１０  主周波数
１１、１２、１３  不要振動波形
２２  金属製パッケージ
２４  圧電セラミック
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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