(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの開口を有し、流体を一方の開口端から他方の開口端に通す配管と、超音波送受信器と、一方の超音波送受信器を励起し流体の流れに対して上流側または下流側から超音波信号を切り換えて送信する送信手段と、他方の超音波送受信器で流体中を伝播する超音波信号を検出し、受信部で受信処理し流体中を伝播する超音波信号の伝播時間を検出し、下流方向または上流方向への超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段と、これらの伝播時間から流体の流速または流量を演算する流量演算手段とからなる変換器とを備えた超音波流量計において、
送信手段から送信する送信信号の周波数を、前記超音波送受信器に固有の共振周波数の１／２とすることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記送信手段は昇圧回路からなり、この昇圧回路を構成する一次側コイルとコンデンサの少なくとも一方を調整することにより、超音波送受信器の共振周波数の１／２にすることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を用いて流体の流速度，流量を測定する超音波流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３にこの種の従来例を示す。
すなわち、超音波流量計は大きくは測定管１と、変換器４と、ケーブル５とから構成される。測定管１は、両端にフランジ２ａを有する円筒状の配管２と、その配管２の中心線ｓを挟み、かつ、その中心線ｓに対して所定の角度θをもって対向して配置され、相互に超音波信号の送受を行なう一対の超音波送受信器（以下、送受波器ともいう）３ａ，３ｂとを有している。この一対の送受波器３ａ，３ｂはケーブル５を介して、送受波器３ａ，３ｂの信号を流体の速度，流量に換算する変換器４に接続されている。
【０００３】
送受波器３ａ，３ｂの断面図を図４に示す。
符号１１が整合層で、接着剤１８によって圧電素子１２に接着され、フタ１３によりケース１６に固定されている。１２は圧電素子で、Ｏリング１４を介してケース１６に保持されている。圧電素子１２の電極面にハンダ付けされたリード線１５は、電極１７にネジ１９にて接続され、電圧信号が伝達される。
【０００４】
図５は動作説明図で、同（ａ）は送受波器３ａから３ｂへ、同（ｂ）はその逆方向への送信動作を示す。
超音波流量計では、同（ａ）のように例えば一方の送受波器３ａから超音波信号を送信し、他方の送受波器（３ｂ）でこの送信された超音波信号を受信する。このとき、送信開始時のパルス１から受信終了のパルス２までの伝播時間ｔ１を測定するが、安定したトリガーを掛け測定精度を維持するために、Ｓ／Ｎ比が良く立ち上がりの良い受信波を得ることが必要になる。この超音波信号の送受信を交互に切り替えて、上流側への伝搬時間ｔ２と下流側への伝搬時間ｔ１との伝搬時間差を測定することにより、管路内の流体の流速を測定することができ、この流速に配管２の断面積を乗じることにより、流量を測定することができる。流量を求める関係式を示すと、以下のようになる。
【０００５】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                                …（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                                …（２）
（１），（２）式より、
Ｖ＝Ｌ（１／ｔ１−１／ｔ２）／２ｃｏｓθ                    …（３）
Ｑ＝（π／４）×Ｄ2 ×Ｖ×Ｋ                                …（４）
なお、上記各記号の意味は次のとおりである。
ｔ１：送受波器３ａから３ｂに送波される超音波の伝播時間
ｔ２：送受波器３ｂから３ａに送波される超音波の伝播時間
Ｃ  ：流体の音速            Ｌ  ：送受波器３ａと３ｂ間の距離
Ｖ  ：測定流速              Ｋ  ：流速分布係数
Ｄ  ：配管２の内径          Ｑ  ：流量
θ  ：配管軸と送受波器の設置軸とのなす角度
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６に、一例として送受波器３ａから送信し、送受波器３ｂで受信する場合の変換器の内部構成例を示す。２０は送信タイミングパルス生成回路、２１は昇圧回路、２５は増幅器、２６は時間測定・流量計算回路である。空気のような気体中で超音波を送信する場合は減衰が大きいため、十分な発信音圧を得る必要があり、ここでは昇圧回路２１で昇圧するようにしている。
送信タイミングパルス生成回路２０から送信されたパルスは昇圧回路２１で昇圧され、送受波器３ａに電圧信号として与えられる。供給された電圧は、送受波器３ａ内の圧電素子により超音波を発生させる。超音波は送受波器３ａの整合層に伝播され、例えば空気のような流体を伝播した後、もう一方の送受波器３ｂの整合層を通って圧電素子に達する。送受波器３ｂからの出力電圧は増幅器２５で増幅され、時間測定・流量計算回路２６より計測結果が出力される。
【０００７】
ところで、従来、送信信号周波数は昇圧回路２１により決定しており、その周波数を送受波器３ａ，３ｂの固有の共振周波数に合わせるようにしている。しかしながら、このようにすると、例えば図７に示すように、立ち下がりの悪い波形となり、超音波の残響が長いことから送信と受信を交互に切り換える時間間隔が長くなり、伝搬時間の測定間隔を十分に短くすることができないため、流量計の応答性を高めることができない。その結果、流動変動の大きな流量を測定する場合、応答性が悪いために測定精度が低下するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、送受波器の共振周波数と昇圧回路の共振周波数とを揃えていることから発生する問題点を解決することで、送信波形の測定間隔を短くし、流動変動の大きな流量を測定する場合でも高精度に流量測定を可能にすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、少なくとも２つの開口を有し、流体を一方の開口端から他方の開口端に通す配管と、超音波送受信器と、一方の超音波送受信器を励起し流体の流れに対して上流側または下流側から超音波信号を切り換えて送信する送信手段と、他方の超音波送受信器で流体中を伝播する超音波信号を検出し、受信部で受信処理し流体中を伝播する超音波信号の伝播時間を検出し、下流方向または上流方向への超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段と、これらの伝播時間から流体の流速または流量を演算する流量演算手段とからなる変換器とを備えた超音波流量計において、
前記送信手段から送信する送信信号の周波数を、前記超音波送受信器に固有の共振周波数の１／２とすることを特徴とする。この請求項１の発明においては、前記送手段は昇圧回路からなり、この昇圧回路を構成する一次側コイルとコンデンサの少なくとも一方を調整することにより、超音波送受信器の共振周波数の１／２にすることができる（請求項２の発明）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態説明図で、昇圧回路２１の具体例を示すものである。なお、この回路構成自体は従来からある公知のものと同様である。
すなわち、昇圧用トランスＴの一次側はコンデンサＣを介して電源Ｖｓに接続され、その結果、コンデンサＣには常に電荷が蓄えられている。この回路において、先の図６と同様の送信タイミングパルス生成回路から、送信タイミングパルスがＦＥＴトランジスタＴｒのゲートに入力されると、ＦＥＴトランジスタＴｒがオンし、コンデンサＣに蓄えられた電荷が放電を始める。このとき、昇圧トランスＴの一次側のＬとコンデンサＣとによる共振周波数が、送受波器３ａ，３ｂの固有の共振周波数の１／２となるように、上記Ｌ値，Ｃ値の少なくとも一方を調整する点が特徴である。１２は送受波器内の圧電素子を示す。
昇圧回路２１から送受波器３ａ，３ｂの共振周波数の１／２の周波数で送信された送信電圧は、送受波器３ａ，３ｂの圧電素子１２に伝達され、この圧電素子１２を含む送受波器３ａ，３ｂの機械的系のもつ共振周波数にて振動する。
図１では昇圧回路を用いたが、一般的には送信信号の周波数が可変の送信回路を用いることができる。
【００１０】
図２（ａ）に送受波器３ａ，３ｂの圧電素子に入力される矩形波に単純化した送信電圧と、各矩形波の送信電圧ＶＰ１，ＶＰ２，ＶＰ３，ＶＰ４により励起される圧電素子の表面変位波形Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４の関係を示す。ここでは、説明の簡単化のため昇圧された送信電圧を、送受波器３ａ，３ｂの共振周波数の１／２の周波数の矩形波に単純化し、その矩形波の応答波形で説明している。
つまり、ＶＰ１〜ＶＰ４の送信電圧の周波数は送受波器３ａ，３ｂの共振周波数の１／２であり、送受波器３ａ，３ｂ全体の機械的系の共振周波数により励起される圧電素子の表面変位波形はＨ１〜Ｈ４のように、送受波器３ａ，３ｂの共振周波数を持つ減衰波形となり、各入力電圧に対応する振幅となる。
【００１１】
図２（ａ）で、送信電圧ＶＰ１により励起された圧電素子の変位波形Ｈ１と、送信電圧ＶＰ２により励起された圧電素子の変位波形Ｈ２とは時間が１周期ずれ、しかも位相が１８０度ずれた波形のため、２つの波形を合成すると打ち消しあい振幅値の差だけ残る。同様に、変位波形Ｈ３とＨ４も打ち消しあって振幅値の差だけ残る。圧電素子の表面変位波形の合成結果を、送信電圧波形とともに図２（ｂ）に示す。この波形から、第３波以降の変位が小さくなって残響時間の短い波形が得られ、送信と受信を交互に切り換える時間間隔を短くできることが分かる。その結果、応答性が良くなり、流量変動時の測定精度を向上させることができる。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、送信信号を送受波器に送信するに当たり、送信信号の周波数を送受波器の共振周波数の１／２とすることにより、送信信号波形の残響時間の短い波形が得られ、応答性が改善され測定精度を向上させることが可能となる利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を説明するための昇圧回路図である。
【図２】この発明の作用，効果を説明するための説明図である。
【図３】従来の超音波流量計を示す構成図である。
【図４】図３で用いられる送受波器を示す断面図である。
【図５】送受信動作の説明図である。
【図６】変換器の内部構成を示すブロック図である。
【図７】受信波形例を示す波形図である。
【符号の説明】
１…測定管、２…配管、２ａ…フランジ、３ａ，３ｂ…超音波送受信器（送受波器）、４…変換器、５…ケーブル、６…センサ固定部、１１…整合層、１２…圧電素子、１３…フタ、１４…Ｏリング、１５…リード線、１６…ケース、１７…電極、１８…接着剤、１９…ネジ、２０…送信タイミングパルス生成回路、２１…昇圧回路、２５…増幅器、２６…時間測定・流量計算回路。
【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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