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【発明の名称】 流速または流量計測装置とそのプログラム
【発明者】 【氏名】芝 文一

【氏名】竹村 晃一

【氏名】別荘 大介

【要約】 【課題】超音波の伝搬時間を求める際、比較的受信振幅の大きい部分では、上流側と下流側とで受信する波形に差が発生し、伝播時間の誤差として検知されることになる。

【解決手段】受信信号は受信手段35で増幅されその信号レベルが予め定めた値(Vref)になるまで受信点記憶手段38は複数の記憶部に順次最新の受信点データを記憶する。Vrefになると記憶を停止するためトリガーレベルより前の任意の零クロス点を受信点とするができ、誤差の少ない伝播時間を計測し、計測時間短縮化で省電力動作を実現することが可能になる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一方の送信側振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段と、前記受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を記憶する少なくとも1つ以上の受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段の信号を用いて前記振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも1つを制御する制御手段とを備えた流速または流量計測装置。
【請求項2】
制御手段は、受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段を有する請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項3】
制御手段は、受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を2回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段のタイミングを調節する請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項4】
制御手段は、受信点検知手段の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段を有し電源供給手段は前記トリガ手段の出力により受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を開始する請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項5】
制御手段は、受信点記憶手段の最も古いデータから順次上書きされていくよう調節する蓄積制御手段を有する請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項6】
制御手段は、受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有する請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項7】
制御手段は、受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値と受信波判定手段の出力の差を演算する時間検定手段を有し、前記時間検定手段の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とする請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項8】
制御手段は、受信波判定手段の出力後の受信点検知手段の出力後予め定めた時間経過後に電源供給手段を介して受信点記憶手段への電源供給を停止する請求項1記載の流速または流量計測装置。
【請求項9】
請求項1から請求項8のいずれか1項記載の制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、振動子などを用い、超音波を利用して気体や液体などの流量を計測する流速または流量計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の流体の流れ計測装置を図9を参照して説明すると、流体が流れる流路101の上流側と下流側とに一対の超音波振動子102,103が配置されており、超音波が流体を斜めに横切るようにしてある(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
そして、前記一対の超音波振動子102,103間を伝搬する超音波の伝搬時間から流体の流速を計測し、これに基づき流量を演算していた。例えば、時間差から流速を求め、管路の断面積や流れの状態を考慮して流量値を計算できる。
【0004】
なお、図中の実線矢印104は流体の流れる方向を示し、破線矢印105は超音波の伝搬する方向を示している。流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。
【特許文献1】特開2002−13958号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、前記従来の流量計測装置では、上流側の超音波振動子102から下流側の超音波振動子103へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Tudを、また下流側の超音波振動子103から上流側の超音波振動子102へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Tduを交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Tud、Tduなどを用いて時間差を求め流量を演算していた。
【0006】
この際、所定の振幅が得られる受信波形の部分に参照レベルを設定してトリガーレベルとし、伝播時間を計測していた。したがって、トリガーレベルよりも前の零クロス点を用いて超音波の伝搬時間を計測することができなかった。
【0007】
このため、超音波の到達時間に不確かな時間が含まれることになり、誤差となる場合があり、高精度な流れ計測を実現することができないという課題を有していた。
【0008】
即ち、超音波の受信波形は、一般に駆動回路で駆動される周波数で立上がり、順次、超音波変換器固有の振動周波数に変化する。
【0009】
あるいは、流路の側壁などからの反射波の影響を受けるなどするため、超音波の受信波形は受信点に近い立上がり部分は周波数が安定しているが、トリガーレベルを設定するような比較的受信振幅の大きい部分では、上流側と下流側とで受信する波形に差が発生し、伝播時間の誤差として検知されることになる。
【0010】
また、流路101の側壁などで反射した超音波が受信波に若干遅れて到達し、受信波として受信されるので、受信波形がオフセット分を差し引いた場合にゼロ点を通過する零クロス点が不確かになることもあった。
【0011】
さらに本来到達時間より長時間計測することは計測装置をそれだけの間余分に動作することになるため消費電流の増大という課題も有していた。
【0012】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、受信した超音波の零クロス点の到達時間を少なくとも1つ以上計測し、トリガーレベルよりも前の零クロス点の中から1つを用いて超音波の到達時間を計測することができるようにして超音波の伝播時間に含まれる誤差を少なくし、高精度な計測を実現しつつ、省電力動作を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流速または流量計測装置は、被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一方の送信側振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段と、前記受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を記憶する少なくとも1つ以上の受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段の信号を用いて前記振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも1つを制御する制御手段とを備え、前記1つ以上の受信点記憶手段に受信した超音波の零クロス点の到達時間を順次記憶していくようにしたものである。
【0014】
この構成により、流路の上流側に取り付けられた超音波振動子と流路の下流側に取り付けられた超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間をトリガーレベルよりも前の零クロス点の中から1つを用いて計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。
【発明の効果】
【0015】
本発明の、流速または流量計測装置は、トリガーレベルよりも前の零クロス点の中から1つを用いて計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
第1の発明は、被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一方の送信側振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段と、前記受信手段の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を記憶する少なくとも1つ以上の受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段の信号を用いて前記振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも1つを制御する制御手段とを備え、1つ以上の前記受信点記憶手段に受信した超音波の零クロス点の到達時間を順次記憶していくようにしたものである。
【0017】
これにより、トリガーレベルよりも前の零クロス点の中から1つを用いて計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。
【0018】
第2の発明は、特に第1の発明の制御手段が、受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段を有することにより、最初の計測
時は本来受信波が到達するよりも前に受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえることが可能になる。
【0019】
第3の発明は、特に第1の発明の制御手段が、受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を2回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段のタイミングを調節することにより、受信波が到達する直前から受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえるとともに省電力動作が可能になる。
【0020】
第4の発明は、特に第1の発明の制御手段が、受信点検知手段の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段を有し電源供給手段は前記トリガー手段の出力により受信点検知手段の出力を記憶する受信点記憶手段への通電を開始することにより、確実に受信波が到達したことを確認してから受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで信頼性が向上するとともにさらに短時間動作による省電力動作が可能になる。
【0021】
第5の発明は、特に第1の発明の制御手段が、少なくとも1つ以上ある受信点記憶手段に書き込む零クロス点の数が多い場合に最も古いデータから順次上書きされていくよう調節する蓄積制御手段を有することにより、零クロス点が多くなるような状態でも受信波判定手段の近傍における複数の零クロス点を確実にとらえることができるとともに受信点記憶手段の数を少なくして順次上書きすることで省電力動作が可能になる。
【0022】
第6の発明は、特に第1の発明の制御手段が、受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有することにより、受信波判定手段の出力する信号よりかなり前の任意の零クロス点を用いて受信点とすることが可能になり、より計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。
【0023】
第7の発明は、特に第1の発明の制御手段が、受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段の値と受信波判定手段の出力の差を演算する時間検定手段を有し、前記時間検定手段の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とすることにより、ノイズなどによる零クロス点の誤検知を防止することができ正確な零クロス点を選定することで信頼性の向上が可能になる。
【0024】
第8の発明は、特に第1の発明の制御手段が、受信波判定手段の出力後の受信点検知手段の出力後予め定めた時間経過後に電源供給手段を介して受信点記憶手段への電源供給を停止することにより、余分な零クロス点を計測して記憶する動作を停止することができ省電力動作を実現することが可能になる。
【0025】
第9の発明は、特に第1の発明から第8の発明のいずれか1つにおける制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、これにより測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上や省電力動作を行うことができる。
【0026】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【0027】
(実施の形態1)
実施の形態1に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。
【0028】
図1は本実施の形態の構成を示す流速または流量計測装置のブロック図である。図1お
いて、本発明の超音波流量計は、被測定流体の流れる流路31と、前記流路31に配置された超音波を送受信する第1の振動子32、第2の振動子33を設置し、前記第1の振動子32と前記第2の振動子33を駆動する送信手段34と、前記第1の振動子32と前記第2の振動子33の受信信号を受け信号を増幅する受信手段35と、受信手段35の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段36と、受信手段35の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段37と、前記受信点検知手段37の出力を記憶する少なくとも1つ以上の受信点記憶手段38と、前記受信点記憶手段38の信号を用いて、振動子32,33間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段39と、前記計時手段39の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段40とを有するものである。さらに、送信手段34と第1の振動子32、および第2の振動子33と受信手段35の間に切換手段41を設け、第1の振動子32と第2の振動子33とが、超音波の送受信を切換えて動作するようにしている。
【0029】
制御手段42は、前記送信手段34と前記受信手段35と前記受信波判定手段36と、受信点検知手段37と、受信点記憶手段38と、前記計時手段39と前記流量演算手段40と前記切換手段41との少なくとも1つを制御する。
【0030】
通常の流速または流量計測の動作を説明する。制御手段42からスタート信号を受けた送信手段34が第1の振動子32を一定時間パルス駆動行うと同時に計時手段39は時間計測始める。パルス駆動された第1の振動子32からは超音波が送信される。第1の振動子32から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第2の振動子33で受信される。第2の振動子33の受信出力は、受信手段35で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。この超音波の受信を決定した時点で計時手段39の動作を停止し、その時間情報tから(式1)によって流速を求める。
【0031】
ここで、計時手段39から得た測定時間をt、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をL、確度をφ、音速をc、被測定流体の流速をvとする。
【0032】
v=(1/cosφ)*(L/t)−c・・・・(式1)
受信手段35は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっていることが多い。
【0033】
また、第1の振動子32と第2の振動子33との送信、受信方向を切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、(式2),(式3),(式4)より速度vを求めることができる。
【0034】
ここで、上流から下流への測定時間時間をt1、下流から上流への測定時間時間をt2とする。
【0035】
t1=L/(c+v*cosφ)・・・・・・・・(式2)
t2=L/(c−v*cosφ)・・・・・・・・(式3)
v=(L/2*cosφ)*((1/t1)−(1/t2))・・・(式4)
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速vが求まると、それに流路31の断面積を乗ずることにより、流量を導くことができる。
【0036】
従来の動作を図2のタイミング図と、図3の受信波形とで説明する。制御手段42による時刻t0における開始信号から計測を開始するとともに、送信手段34を介して第1の振動子32を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻t1で第1の振動子32から出た超音波は第2の振動子33に到達する。
【0037】
その受信信号は受信手段35で増幅されその信号レベルが予め定めた値(Vref)になると受信波判定手段36は、受信波が到達したことを判定して信号を出す。この信号を基に受信点検知手段37が動作を開始し、Vref後の最初の零クロス点を受信点として信号を出し、この点までの時間を計時手段39で求める。切換手段41で送受信を切換えて同様の動作を行い、計時手段39で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて、流量演算手段40が流量を算出する。
【0038】
ここで、図3のta点はVrefより後になっている。例えば、信号波を100kHz、伝搬時間を100μsec前後とすると、taのような零クロス点は5μsec毎に発生する。
【0039】
受信波は、図3でもわかるように、Vrefより前にも到達している。これが、Vrefより前の信号を利用できればできるほど、超音波の到達時間に不確かな時間が含まれにくくなる。さらに、5μsec前の信号を利用できれば、100μsecの伝搬時間を計測している場合は5%も計測時間を短縮することが可能になり、消費電流の削減を実現できる。
【0040】
そこで、Vrefより前の零クロス点を検出する方法を説明する。単純に零クロス点を受信波の到達した点、例えば図3の点aを求めることが出来ればよいが、その場合はVrefを設定できない。それに近い次の点bを受信波到達点とすると、Vrefは破線のVref−subとしなければならない。この場合は、零信号に近いため流量が流れた場合の波形の変化や少しのノイズ等で反応して、誤検知する可能性がある。このような現象を回避して、通常のtaより短時間で受信波の到達点を判定するには、Vrefより前の零クロス点を少なくとも1つ以上検知し、Vrefの到達点から前のある1点を検知点とすればよい。
【0041】
この動作を実現するには、制御手段42による時刻t0における開始信号から計測を開始するとともに、送信手段34を介して第1の振動子32を駆動する。そこで、発生した超音波信号は流路31内を伝搬し、時刻t1で第1の振動子32から出た超音波は第2の振動子33に到達する。その受信信号は受信手段35で増幅され、その信号レベルが予め定めた値(Vref)になると、受信波判定手段36は受信波が到達したことを判定して信号を出す。
【0042】
その前に零クロス点として予め定めた範囲、例えばプラス1mV、マイナス1mV以内に入ると信号を出す受信点検知手段37が、動作を開始している。そうすると図4の点aになると、受信点検知手段37が信号を出力し、その出力を受信点記憶手段38−1が記憶する。記憶する値は送信時点からの経過時間、もしくは経過時間を計測できる特定一定時間幅を有するパルス数等とすると、後の演算が容易になる。次に、点bになると、同様に受信点記憶手段37が信号を出力し、次の受信点記憶手段38−2に記憶する。同様に順次その次の点cにおける受信点データは38−3に記憶する。
【0043】
この場合、受信点データが、記憶手段38の個数より多い場合は最も古い受信点から順次上書きするように制御手段46が書き込む順番を制御するようにしてもよい。
【0044】
そして受信信号がVrefを越えると、初めて受信波判定手段36が信号を出力する。制御手段46は、この受信波判定手段36から信号が出力されると、これ以降の零クロス点で受信点検知手段37が信号を出さないようにするか、もしくは受信点記憶手段38への書き込みを禁止する。この動作を行うことによりtxまでの零クロス点を少なくとも1つ以上記憶しているため、その中から1つを用いて計時手段39で伝搬時間を求める。
【0045】
切換手段41で送受信を切換えて同様の動作を行い計時手段39で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて流量演算手段40が流量を算出する。その結果、今までは図4のtaまでかかっていた伝搬時間をtxもしくはそれ以前の点で確定することができる。具体的にはTa−Tfの時間は送信周波数の半周期Tfの整数分だけ伝搬時間の計測動作時間を短くすることができることになる。
【0046】
受信点として選択する零クロス点は、例えば点aのように、Vrefから遠ざかりより到達点として正しい値を選択すると、波形の歪みが小さく超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。しかし、この場合は伝搬時間の誤差をより小さくすることができる反面、ノイズの影響を受けやすい。またVrefに近いtxを選択すると、受信波形に歪みが発生している可能性があるが、ノイズ等の影響を受けずより再現性の高い値が得られる。高精度と高再現性を考え、計測の目的やノイズ状態などの信号状態の場合分けの状態に応じて、受信点を変えていくことがより使い勝手のよいシステムとなる。
【0047】
このように複数の零クロス点を記憶することによりVrefより予め定めた数だけ逆のぼった受信点を用いて伝搬時間を求め流れ計測を実現できる。
【0048】
すなわち、上流側の第1の振動子32と下流側の第2の波振動子33間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間をトリガーレベルであるVrefよりも前で計測することができる。このため、計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。
【0049】
また、零クロス点が多くなるような状態でも受信波判定手段36の近傍における複数の零クロス点を確実にとらえることができるとともに受信点記憶手段38の数を適度に少なくして順次上書きすることで省電力動作が可能になる。
【0050】
また受信点記憶手段37の出力を記憶する受信点記憶手段38は記憶動作を行うのに電力を消費するがどの時点から通電して良いかは前もってわかっていない場合が多い。あまり早く投入すると電力が無駄になるし、受信点を通過してから通電しても意味は無い。そこで図5に示すように制御手段42内に電源供給手段43を設けて電力制御を行う。タイミングは図6で説明する。
【0051】
一番初めに計測を開始する場合は、Taが不明である。超音波振動子32,33の物理的距離から、おおよその時間は推定できるが、確かでは無い。そこで制御手段42は、電源供給手段43を用いて、受信点記憶手段38への通電タイミングを調節する。まず、時刻t0における開始信号から計測を開始するとともに、送信手段34を介して第1の振動子32を駆動する。そこで発生した超音波信号は、流路31内を伝搬し時刻t1で第1の振動子32から出た超音波は第2の振動子33に到達する。その前時刻t2に電源供給手段43を用いて受信点記憶手段38への通電を開始する。t2はt1より十分短い時間とする。
【0052】
このように、制御手段42は受信点検知手段37の出力を記憶する受信点記憶手段38への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段43を有することにより、最初の計測時は本来受信波が到達するよりも前に受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえることが可能になる。
【0053】
また初回により受信点が確定し伝搬時間が求まる。その場合は2回目以降の通電時間を調整することが容易になる。例えば図6で最初はt2において受信点記憶手段38への通
電を開始したが、実際に超音波が伝搬して受信したのはt1である。次の計測においては伝搬時間が大幅に変化することが無いため制御手段42にある電源供給手段43はt1に近くてまだ受信信号が到達していないt2まで通電するのを待つことが可能になる。3回目は2回目の伝搬時間を用いたり、または1回目と2回目の移動平均を用いたりして伝播時間を予想し、通電時間を極力短くすることが可能になる。
【0054】
このように制御手段42で受信点検知手段37の出力を記憶する受信点記憶手段38への通電を2回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段43のタイミングを調節することにより、受信波が到達する直前から受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえるとともに省電力動作が可能になる。
【0055】
この説明では受信点記憶手段38の通電時間のみ調節するようになっているが、受信信号を増幅する受信手段35から下流の動作が電源投入時に不安定な状態が長く続かなければそれら一式もしくは特に電力を必要とする部位の通電を電源供給手段43で調整すればさらに省電力が可能になる。
【0056】
また図4の零クロス点aから点dの状態が図6のt3からt1の付近を拡大したものと同等とする。この場合、受信手段35は受信信号が到達する前から動作し、受信点判定手段37も動作し点a,点b,点c,点d毎に信号を送出している。図7において、制御手段42はこの受信点判定手段37の出力信号をカウントし予め予め定めた回数例えば2回とすると点bまで受信点が到達するとトリガ手段44が電源供給手段43を介して受信点記憶手段38への通電を開始する。受信確定するtxまでの通電時間をより短くすることができる。
【0057】
このように制御手段42は受信点検知手段37の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段44を有し電源供給手段43は前記トリガ手段の出力により受信点検知手段37の出力を記憶する受信点記憶手段38への通電を開始することにより、そこからの零クロス点を複数個Vrefまでの数もしくは予め準備している複数の受信点記憶手段38の個数だけ記憶する。このように確実に受信波が到達したことを確認してから受信波検知手段37の出力を記憶する準備をすることで信頼性が向上するとともにさらに短時間動作による省電力動作が可能になる。
【0058】
また、図4における零クロス点は受信波にノイズが重畳されていなければほぼ送信周波数の半分の周期で発生してきている。しかし実際に流路に流体が流れている場合はその流体により下流側で何かが動作している。この動作や他の外来ノイズ等により受信波にスパイク状の信号が重畳されることもある。この場合ノイズが零クロスした点を受信点とすると伝搬時間の計算が大きくずれてしまう。これを防止するため図8に示すように制御手段42に時間検定手段45を設ける。
【0059】
動作を説明する。まず図4と同様に零クロス点を受信し始めると受信点検知手段37が信号を出力し、その出力を受信点記憶手段38−1が記憶する。記憶する値は送信時点からの経過時間、もしくは経過時間を計測できる特定一定時間幅を有するパルス数等とすると後の演算が容易になる。次に点bになると同様に受信点記憶手段37が信号を出力し、受信点記憶手段38−2が受信点データを記憶する。これを点c、点dと繰返しtxの点を記憶した後、受信信号がVrefを越える。
【0060】
この時初めて受信波判定手段36が、信号を出力する。制御手段はこの受信波判定手段36から信号が出力されると、これ以降の零クロス点で受信点見地手段37が信号を出さないようにするか、もしくは受信点記憶手段38への書き込みを禁止する。そして次の零クロス点taの時間を受信点記憶手段38を介さずに直接制御手段の時間検定手段45に
送る。時間検定手段45は受信点記憶手段38にある受信点データの値とtaの値との差を順次求める。この差が予め定めた範囲内であれば点a、点b、点c、tx点のデータはノイズによるものではないと判断し、流量演算として採用できると判定する。そしてその中の1つの零クロス点を用いて流量を演算する。
【0061】
例えば送信周波数が100kHzとすると周期の1/2の周期は5μsecとなるそこでtx−taが予め定めた5μsec近傍以内であればtxは有効な受信点であると判断する。
【0062】
同様にa−taが5μsecの整数倍の近傍以内であれば有効な受信点と判断する。以下点b、点c、点dについても同様に判断していく。
【0063】
このように制御手段42は受信波判定手段36の出力後の受信点検知手段37の出力と、受信点記憶手段38の値の差を演算する時間検定手段45を有し、前記時間検定手段45の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とすることで、ノイズなどによる零クロス点の誤検知を防止することができ正確な零クロス点を選定することで信頼性の向上が可能になる。
【0064】
また受信信号が図4の零クロス点txより先Vrefを越えた後は受信手段35より後段の回路は計時手段39、流量演算手段40以外を動作する必要が無い。したがって受信波判定手段36により受信波がVrefを越えたことを検知すると制御手段42は受信点記憶手段38への通電を停止して省電力動作を行うとともに必要のない受信回路の通電動作を停止することが可能である。停止を行う時点はVrefを越えた直後でも良いし、また通電停止時の信号によりノイズが発生して計時手段39などの動作に悪影響を与えてもよくないため次の零クロス点taを検知してから通電停止してもよい。
【0065】
このように制御手段42は、受信波判定手段36の出力後の受信点検知手段37の出力後予め定めた時間経過後に、電源供給手段43を介して受信点記憶手段38への電源供給を停止することにより、余分な零クロス点を計測して記憶する動作を停止することができ省電力動作を実現することが可能になる。
【0066】
(実施の形態2)
実施の形態2に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。実施の形態1と異なるところは、振動子32,33や送信手段34、受信手段35、受信手段35の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段36、受信手段35の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段37、前記受信点検知手段37の出力を記憶する受信点記憶手段38、前記受信点記憶手段38の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段39、前記計時手段39の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段40、送受信を切換える切換手段41との少なくとも1つを制御する制御手段42の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体46を用いていることである。
【0067】
図1において実施の形態1で示した制御手段42の動作を行うには、予め実験等によりtxを求めるための受信点記憶手段の動作、通電方法を求めておいたり、経年変化、温度変化、システムの安定度に関して動作タイミングなどの相関を求めたりして、ソフトをプログラムとして記憶媒体46に格納しておく。通常マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと、利用が便利である。切換手段41の動作により送受信の方向が変化するため、条件設定などの個数が増加してくるが、これをコンピュータによる動作で調整すると容易に実現可能である。
【0068】
このように制御手段42の動作をプログラムで行うことができるようになると、流量演算の補正係数の条件設定、変更や計測間隔の調整などが容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに流速または流量計測の精度向上を行うことができる。なお本実施例において制御手段42以外の動作もマイコン等によりプログラムで行ってもよい。
【0069】
これにより制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明の流速または流量計測装置は零クロス点を上書きして記憶し続け、受信波が確実に届いたことを示す受信波判定手段に出力信号があるとその動作を停止することにより、比較的受信波形の振幅の大きい部分に受信波判定手段によるトリガ−点を設定し、安定してトリガ−を動作させるとともに、その前の零クロス点のうち最適な点を伝播時間計測に用いることができるので、誤差の少ない伝播時間を計測することができるとともに、計測時間を短縮化できることで省電力動作を実現することが可能になり、ガス漏洩に対する保安性能を長期にわたって電池電源により保証する家庭用ガスメータを始めとする流体の流速や流量を計測するシステムに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】本発明の流速または流量計測装置の全体ブロック図
【図2】(a)同計測装置における計測制御手段の動作を示すタイミング図(b)同計測装置における送信波の動作を示すタイミング図(c)同計測装置における受信波および反射波の動作を示すタイミング図
【図3】同計測装置における受信波を示すタイミング図
【図4】同計測装置における受信波を示すタイミング図
【図5】本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図
【図6】(a)同計測装置における計測制御手段の動作を示すタイミング図(b)同計測装置における送信波の動作を示すタイミング図(c)同計測装置における受信波および反射波の動作を示すタイミング図
【図7】本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図
【図8】本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図
【図9】従来の流量計測装置の断面図
【符号の説明】
【0072】
31 流路
32 第1の振動子
33 第2の振動子
34 送信手段
35 受信手段
36 受信波判定手段
37 受信点検知手段
38 受信点記憶手段
39 計時手段
40 流量演算手段
41 切換手段
42 制御手段
43 電源供給手段
44 トリガ手段
45 時間検定手段
46 記憶媒体
【出願人】 【識別番号】000005821
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成19年2月5日(2007.2.5)
【代理人】 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄

【識別番号】100109667
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 浩樹

【識別番号】100109151
【弁理士】
【氏名又は名称】永野 大介


【公開番号】 特開2008−190971(P2008−190971A)
【公開日】 平成20年8月21日(2008.8.21)
【出願番号】 特願2007−25005(P2007−25005)