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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023010248
(43)【公開日】2023-01-20
(54)【発明の名称】超音波流量計及び流量演算方法
(51)【国際特許分類】
   G01F 1/66 20220101AFI20230113BHJP
【FI】
G01F1/66 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021114240
(22)【出願日】2021-07-09
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003166
【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小原 太輔
(72)【発明者】
【氏名】夏 園
【テーマコード(参考)】
2F035
【Fターム(参考)】
2F035DA13
2F035DA14
2F035DA19
(57)【要約】
【課題】従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能とする。
【解決手段】超音波センサ2により受信された受信信号を取得する受信信号取得部401と、超音波センサ3により受信された受信信号を取得する受信信号取得部402と、受信信号取得部401及び受信信号取得部402による取得結果に基づいて、一対の超音波センサ2,3における超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部407とを備え、ゼロクロス点計測部403は、駆動波数制御部407により超音波センサ3における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、ゼロクロス点計測部404は、駆動波数制御部407により超音波センサ2における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第1の受信信号取得部と、
前記超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第2の受信信号取得部と、
前記第1の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第1のゼロクロス点計測部と、
前記第2の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第2のゼロクロス点計測部と、
前記第1のゼロクロス点計測部による計測結果と前記第2のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出する時間差算出部と、
前記時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する流量演算部と、
前記第1の受信信号取得部及び前記第2の受信信号取得部による取得結果に基づいて、前記一対の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部とを備え、
前記第1のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、
前記第2のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う
をことを特徴とする超音波流量計。
【請求項2】
前記駆動波数制御部は、前記第1の受信信号取得部により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、前記他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を増やし、前記第2の受信信号取得部により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、前記一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を増やす
ことを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。
【請求項3】
前記時間差算出部による算出結果に基づいて、前半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する第1の平均値算出部と、
前記時間差算出部による算出結果に基づいて、後半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する第2の平均値算出部と、
前記第1の平均値算出部による算出結果と前記第2の平均値算出部による算出結果との差分を、補正値として算出する差分算出部とを備え、
前記流量演算部は、前記時間差算出部による算出結果及び前記差分算出部により算出された補正値に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の超音波流量計。
【請求項4】
第1の受信信号取得部が、超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得するステップと、
第2の受信信号取得部が、前記超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得するステップと、
第1のゼロクロス点計測部が、前記第1の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するステップと、
第2のゼロクロス点計測部が、前記第2の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するステップと、
時間差算出部が、前記第1のゼロクロス点計測部による計測結果と前記第2のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出するステップと、
流量演算部が、前記時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算するステップと、
駆動波数制御部が、前記第1の受信信号取得部及び前記第2の受信信号取得部による取得結果に基づいて、前記一対の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を制御するステップとを有し、
前記第1のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、
前記第2のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う
ことを特徴とする超音波流量計による流量演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、超音波を用いて流量の計測を行う超音波流量計及び流量演算方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、一対の超音波センサにより送受信される超音波の伝播時間差に基づいて、測定対象である流体の流量を計測する超音波流量計が知られている。
この超音波流量計として、ゼロクロス方式の超音波流量計が知られている。ゼロクロス方式の超音波流量計では、受信信号が閾値を超えた後、受信信号のゼロクロス点を予め定められた数だけ検出し、検出したゼロクロス点までの超音波の伝搬時間を計時し、計測した伝搬時間に基づいて流体の流量を求める。
【0003】
このような超音波流量計では、伝搬時間差の計測の際に、受信信号の強度又は受信回路が受ける電気的雑音(ノイズ)の影響により、計測誤差が生じる場合がある。
【0004】
実際の超音波流量計の使用環境では、電源電圧の変動、装置の劣化、周囲温度、又は、計測対象である流体の組成の変化等が想定され、これらの外部要因に応じて超音波の送受信号の強度が変化する。また、設置環境によっては、計測信号に電気的雑音の影響が生じる場合があり、信号対ノイズ比は一定ではない。
【0005】
特に、電池で長期間動作させる必要がある場合等に、計測精度を維持すること、及び、省電力であることの両立が要求される。
【0006】
これに対し、特許文献1には、上流から下流への送信若しくは下流から上流への送信の伝搬時間を計測する計測回路と、流路内の流体の種類を判定する流体判別手段と、計測回路の定数を流体判別手段の値によって変更する回路定数補正手段とを有する超音波流量計が示されている。この超音波流量計では、流体の変化に伴って計測装置の状態を適切に保って流量を高精度で計測することができる。
【0007】
また、特許文献2には、超音波の受信後に再度送信する繰り返し手段と、上流から下流への送信若しくは下流から上流への送信の繰り返し中の積算時間を計測する計時手段と、受信器の信号レベルに応じて繰り返し手段の回数を変更する回数設定手段とを備えた超音波流量計が示されている。この超音波流量計では、超音波の受信感度に応じて繰り返し回数を変化させ流量を高精度で計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第4292620号
【特許文献2】特許第4362890号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献1に開示された超音波流量計では、受信感度が小さい流体と予想される状況において、超音波送信の駆動波数を多くすることにより受信感度を高くし、流量の計測精度を高めている。しかしながら、この超音波流量計では、超音波送信の駆動波数の増加に伴って受信時間及び消費電流が増加することに対する対処方法は考慮されていない。また、この超音波流量計では、駆動波数を増やすことによるセンサ特性差による伝搬時間差の計測誤差の増大についても考慮されていない。
【0010】
また、特許文献2に開示された超音波流量計では、受信信号の強度を指標として、信号レベル低下時に送受信回数を増やすことで精度向上を図っている。しかしながら、この超音波流量計では、送受信回数を増やすことによる計測回路の立上げ、及び、データ送信の回数に比例した消費電流の増加が問題となる。
【0011】
ここで、省電力を目指す場合には、特に、時間当たりの超音波の送受信回数の低減、及び、一回毎の送受信動作における受信回路の動作時間の短縮が、重要となる。
また、計測精度を高めたい場合には、信号雑音比の高い状態で受信を行う、又は、送受信回数を増やす等の方式が考えられる。しかしながら、受信回路の動作時間及び動作回数の増加は、消費電流の増加につながる。
また、超音波送信の駆動波数を増やすと、受信信号の後半部分の振幅が増大するので、信号雑音比は改善する反面、超音波センサの特性差、個体差の影響が大きく出る傾向があり、温度又は超音波センサの個体差に依存した計測誤差の発生が問題となる。
【0012】
なお、超音波流量計における信号雑音比とノイズとの関係の一例について、図10を参照しながら説明する。図10では、3点のゼロクロス点の時間計測(ZC1~ZC3)を行った場合を示している。
図10Aは信号雑音比が高い場合でのゼロクロス点の時間計測を示している。この図10Aに示すように、信号雑音比が高い場合、ノイズが小さく、超音波の送受信強度は高くなる。すなわち、この場合、計測値に含まれるノイズ由来のランダムなばらつき(偶然誤差)は小さくなる。
一方、図10Bは信号雑音比が低い場合でのゼロクロス点の時間計測を示している。この図10Bに示すように、信号雑音比が低い場合、ノイズが大きく、超音波の送受信強度が低くなる。すなわち、この場合、計測値に含まれるノイズ由来のランダムなばらつき(偶然誤差)は大きくなる。よって、図10Bの場合には、ゼロクロス点の時間の計測値が、ノイズの影響でランダムにばらついてしまう。
【0013】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能である超音波流量計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0014】
この発明に係る超音波流量計は、超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第1の受信信号取得部と、超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第2の受信信号取得部と、第1の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第1のゼロクロス点計測部と、第2の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第2のゼロクロス点計測部と、第1のゼロクロス点計測部による計測結果と第2のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出する時間差算出部と、時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する流量演算部と、第1の受信信号取得部及び第2の受信信号取得部による取得結果に基づいて、一対の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部とを備え、第1のゼロクロス点計測部は、駆動波数制御部により他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、第2のゼロクロス点計測部は、駆動波数制御部により一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】実施の形態1に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
図2】実施の形態1における演算部の構成例を示す図である。
図3】実施の形態1における演算部による駆動波数制御例を示すフローチャートである。
図4】実施の形態1における演算部による流量演算動作例を示すフローチャートである。
図5図5A図5Bは、実施の形態1における演算部の動作の具体例(駆動波数制御前の状態)を示す図であり、図5Aは超音波の受信波形を示し、図5Bは超音波の送信波形を示している。
図6図6A図6Bは、実施の形態1における演算部の動作の具体例(駆動波数制御後の状態)を示す図であり、図6Aは超音波の受信波形を示し、図6Bは超音波の送信波形を示している。
図7】実施の形態2における演算部の構成例を示す図である。
図8】実施の形態2における演算部による流量演算動作例を示すフローチャートである。
図9】ゼロクロス点毎の時間差におけるゼロ点のドリフトを説明するための図である。
図10図10A図10Bは、超音波流量計における信号雑音比とノイズとの関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
超音波流量計は、超音波を用いて流体に対する計測を行う。この超音波流量計は、図1に示すように、測定管1、超音波センサ2、超音波センサ3及び演算部4を備えている。
【0018】
測定管1は、内部に測定対象である流体が流れる円筒状部材である。
【0019】
超音波センサ2は、測定管1の側壁における上流側に取付けられ、測定管1内で超音波センサ3との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波センサ2は、測定管1内で下流側(超音波センサ3)に対して超音波を送信し、下流側(超音波センサ3)からの超音波を受信信号として受信する。
【0020】
超音波センサ3は、測定管1の側壁における下流側に取付けられ、測定管1内で超音波センサ2との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波センサ3は、測定管1内で上流側(超音波センサ2)に対して超音波を送信し、上流側(超音波センサ2)からの超音波を受信信号として受信する。
【0021】
なお、超音波センサ2及び超音波センサ3の位置関係は、超音波センサ2及び超音波センサ3で用いられる超音波の伝搬経路に応じて設計される。
【0022】
演算部4は、超音波センサ2による送受信結果及び超音波センサ3による送受信結果に基づいて、測定管1内における流体の流量を演算する。
【0023】
この演算部4は、図2に示すように、受信信号取得部(第1の受信信号取得部)401、受信信号取得部(第2の受信信号取得部)402、ゼロクロス点計測部(第1のゼロクロス点計測部)403、ゼロクロス点計測部(第2のゼロクロス点計測部)404、時間差算出部405、流量演算部406及び駆動波数制御部407を備えている。
【0024】
なお、演算部4は、IC(Integrated Circuit)、システムLSI(Large Scale Integration)等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等により実現される。
【0025】
受信信号取得部401は、超音波センサ2により受信された受信信号を取得する。なお、受信信号取得部401は、超音波センサ2から取得した受信信号を増幅する機能(アンプ)を有している。
【0026】
受信信号取得部402は、超音波センサ3により受信された受信信号を取得する。なお、受信信号取得部402は、超音波センサ3から取得した受信信号を増幅する機能(アンプ)を有している。
【0027】
ゼロクロス点計測部403は、受信信号取得部401による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。ゼロクロス点計測部403は、上記の処理を、複数の受信信号毎(単位計測工程毎)に実施する。
なお、例えば図5に示すように、ゼロクロス点は、受信の開始後、受信信号の強度が閾値(閾値電圧)を超えた後に当該受信信号の強度がゼロとなる点である。なお、このゼロクロス点は、通常、受信信号の受信開始点から当該受信信号が最大振幅となる点までに生じた点が計測対象とされる。図5において、図5Bは超音波の送信波形を示し、図5Aは超音波の受信波形(受信信号の波形)を示している。また、図5において、符号51はゼロクロス点を示している。また、ゼロクロス点計測部403が1回の単位計測工程において、時間の計測を行うゼロクロス点の数は、事前に設定される。また、単位計測工程の回数は、事前に設定される。
なお、ゼロクロス点計測部403は、受信信号取得部401により取得された受信信号(増幅後の受信信号)を閾値と比較する機能(コンパレータ)を有している。
【0028】
また、ゼロクロス点計測部403は、駆動波数制御部407により超音波センサ3における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点(前半ゼロクロス点)の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点(後半ゼロクロス点)の時間計測を行う。休止時間は、超音波センサ3により送信される超音波の周波数及び駆動波数に基づいて設定される。
【0029】
なお、前半ゼロクロス点は、受信信号の受信開始点から当該受信信号が最大振幅となる点までに生じた複数個のゼロクロス点を時間順に並べた際に、受信開始点に近い1つ以上のゼロクロス点を指す。
また、後半ゼロクロス点は、受信信号の受信開始点から当該受信信号が最大振幅となる点までに生じた複数個のゼロクロス点を時間順に並べた際に、受信開始点から遠い1つ以上のゼロクロス点を指し、前半ゼロクロス点より後に生じたゼロクロス点である。
【0030】
ゼロクロス点計測部404は、受信信号取得部402による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。ゼロクロス点計測部404は、上記の処理を、複数の受信信号毎(単位計測工程毎)に実施する。
なお、ゼロクロス点計測部404が1回の単位計測工程において、時間の計測を行うゼロクロス点の数は、事前に設定される。また、単位計測工程の回数は、事前に設定される。
なお、ゼロクロス点計測部404は、受信信号取得部402により取得された受信信号(増幅後の受信信号)を閾値と比較する機能(コンパレータ)を有している。
【0031】
また、ゼロクロス点計測部404は、駆動波数制御部407により超音波センサ2における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点(前半ゼロクロス点)の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点(後半ゼロクロス点)の時間計測を行う。休止時間は、超音波センサ2により送信される超音波の周波数及び駆動波数に基づいて設定される。
【0032】
なお、受信信号取得部401,402及びゼロクロス点計測部403,404による動作は、1系統の回路で実現可能である。すなわち、順方向の送受信と逆方向の送受信とに応じて、上記回路と超音波センサ2,3の接続が切替えられることで、上記の動作を実現可能である。
【0033】
時間差算出部405は、ゼロクロス点計測部403による計測結果とゼロクロス点計測部404による計測結果との時間差を算出する。この際、まず、時間差算出部405は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部403による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。同様に、時間差算出部405は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部404による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。そして、時間差算出部405は、ゼロクロス点毎に上記2つの平均値の差分を算出することで、各ゼロクロス点での時間差を算出する。
【0034】
流量演算部406は、時間差算出部405による算出結果に基づいて、測定管1内における流体の流量を算出する。流量演算部406の動作原理は、従来の流量演算の原理を採用可能であり、その説明を省略する。
【0035】
駆動波数制御部407は、超音波センサ2及び超音波センサ3における超音波送信の駆動波数を制御する。この駆動波数制御部407は、受信信号取得部401により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、超音波センサ3における超音波送信の駆動波数を増やすように超音波センサ3を制御する。また、駆動波数制御部407は、受信信号取得部402により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、超音波センサ2における超音波送信の駆動波数を増やすように超音波センサ2を制御する。
【0036】
次に、図2に示す実施の形態1における演算部4の動作例について説明する。
まず、図2に示す実施の形態1における演算部4による駆動波数制御例について、図3を参照しながら説明する。
【0037】
図2に示す実施の形態1における演算部4による駆動波数制御例では、図3に示すように、まず、受信信号取得部401は、超音波センサ2により受信された受信信号を取得する(ステップST301)。
【0038】
次いで、駆動波数制御部407は、受信信号取得部401により取得された受信信号について、強度が閾値以下であるか又はノイズが閾値以上であるかを判定する(ステップST302)。
【0039】
このステップST302において、駆動波数制御部407が、強度が閾値より大きく且つノイズが閾値未満であると判定した場合、シーケンスはステップST301に戻る。
一方、ステップST302において、駆動波数制御部407は、強度が閾値以下であると判定した場合又はノイズが閾値以上であると判定した場合、超音波センサ3における超音波送信の駆動波数を増やすように超音波センサ3を制御する(ステップST303)。
【0040】
なお上記では、駆動波数制御部407が、超音波センサ3における超音波送信の駆動波数を制御する場合の動作例について説明したが、超音波センサ2における超音波送信の駆動波数を制御する場合の動作例についても、受信信号取得部402により取得された受信信号を用いる点以外は上記と同様である。
【0041】
次に、図2に示す実施の形態1における演算部4による流量演算動作例について、図4を参照しながら説明する。
【0042】
図2に示す実施の形態1における演算部4による流量演算動作例では、図4に示すように、まず、受信信号取得部401及び受信信号取得部402は、受信信号を取得する(ステップST401)。
すなわち、受信信号取得部401は、超音波センサ2により受信された受信信号を取得する。
同様に、受信信号取得部402は、超音波センサ3により受信された受信信号を取得する。
【0043】
次いで、ゼロクロス点計測部403及びゼロクロス点計測部404は、単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する(ステップST402)。
すなわち、ゼロクロス点計測部403は、単位計測工程毎に、受信信号取得部401による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。なお、ゼロクロス点計測部403は、駆動波数制御部407により超音波センサ3における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半ゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。このように、超音波送信の駆動波数が増加された場合、ゼロクロス点計測部404は、後半ゼロクロス点については、受信信号における振幅の大きい部分のものを使用することで、信号雑音比を高めることができる。
同様に、ゼロクロス点計測部404は、単位計測工程毎に、受信信号取得部402による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。なお、ゼロクロス点計測部404は、駆動波数制御部407により超音波センサ2における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半ゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。このように、超音波送信の駆動波数が増加された場合、ゼロクロス点計測部404は、後半ゼロクロス点については、受信信号における振幅の大きい部分のものを使用することで、信号雑音比を高めることができる。
【0044】
なお、ゼロクロス点計測部403及びゼロクロス点計測部404は、休止の有無に関わらず、時間計測の起点となる位置及び前半ゼロクロス点は同じ位置のものを使用することが望ましい。時間計測の起点となる位置及び前半ゼロクロス点として同じ位置のものを指定する方法としては、例えば特許文献3に開示された方法が挙げられるが、これに限らない。
【特許文献3】特開2020-63972号公報
【0045】
図5では、ゼロクロス点計測部403及びゼロクロス点計測部404が、1回の単位計測工程において、10点のゼロクロス点の時間を計測した場合を示している。また、単位計測工程の回数は、例えば31回である。
【0046】
なお、ゼロクロス点計測部403により計測された、k回目の単位計測工程におけるm番目のゼロクロス点の時間を順ZCm(k)と表す。
また、ゼロクロス点計測部404により計測された、k回目の単位計測工程におけるm番目のゼロクロス点の時間を逆ZCm(k)と表す。
【0047】
次いで、時間差算出部405は、下式(1)に示すように、ゼロクロス点計測部403による計測結果とゼロクロス点計測部404による計測結果との時間差(ZCmΔt)を算出する(ステップST403)。この際、まず、時間差算出部405は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部403による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。同様に、時間差算出部405は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部404による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。そして、時間差算出部405は、ゼロクロス点毎に上記2つの平均値の差分を算出することで、各ゼロクロス点での時間差を算出する。
ZCmΔt=(Σ逆ZCm(k)/k)-(Σ順ZCm(k)/k) (1)
【0048】
次いで、流量演算部406は、時間差算出部405による算出結果に基づいて、測定管1内における流体の流量を算出する(ステップST404)。この際、流量演算部406は、例えば従来手法を用いる場合、下式(2)に従って算出した時間差(Δt)に基づいて、流体の流量を算出可能である。
Δt=ΣZCmΔt/m (2)
【0049】
このように、実施の形態1に係る超音波流量計では、受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、超音波センサ2,3のうちの送信側の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を増やす。そして、実施の形態1に係る超音波流量計では、受信の際に、前半ゼロクロス点の時間計測が終了した後、計測を一旦休止して所定の周期が経過した後に、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。
【0050】
そして、実施の形態1に係る超音波流量計は、上記の計測休止中において、メモリ(不図示)へのゼロクロス点の時間を示すデータの記録を停止し、また、受信回路(アンプ、コンパレータ及び電源回路等)への電流供給を停止することで、消費電流を低減可能となる。
【0051】
次に、図2に示す実施の形態1における演算部4の動作の具体例について、図5,6を参照しながら説明する。なお図5,6では、演算部4が、前半ゼロクロス点を4点計測し、後半ゼロクロス点を6点計測する場合を示している。図5,6において、符号52は前半ゼロクロス点の計測期間を示し、符号53は後半ゼロクロス点の計測期間を示している。なお、図5,6におけるゼロクロス点の数及び波数は一例である。
【0052】
図5は、駆動波数制御前の状態(通常の計測動作の場合)を示している。図5Aは超音波の受信波形(受信信号の波形)を示し、図5Bは超音波の送信波形を示している。図5Bに示すように、超音波は、波数が5波の矩形波とされている。
この場合、図5Aに示すように、演算部4は、途中で計測を休止することなく、前半ゼロクロス点の時間計測及び後半ゼロクロス点の時間計測を行う。
【0053】
図5に対し、図6は、駆動波数制御後の状態(低信号状態での計測動作の場合)を示している。図6Aは超音波の受信波形(受信信号の波形)を示し、図6Bは超音波の送信波形を示している。図6Bに示すように、超音波は、駆動波数制御前の5波に対して6波追加されて、波数が11波の矩形波とされている。
この場合、図6Aに示すように、演算部4は、まず、駆動波数制御前の場合と同様に、前半ゼロクロス点の時間計測を行う。その直後、演算部4は、所定の時間、計測を休止する。この際の休止時間は、例えば、駆動波数の増加数に応じた周期とする。図6では、波数が6波追加されているため、休止時間は6周期となる。その後、演算部4は、計測を再開し、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。図6において、符号61は休止期間を示している。
【0054】
このように、実施の形態1に係る超音波流量計では、信号雑音比が低下して誤差が大きい状態が生じた際に、超音波送信の駆動波数を増やすことで計測精度を改善させ、系統誤差の影響が少ない超音波受信直後のゼロクロス点の時間を計測した後、計測を所定の時間休止し、信号雑音比が高く偶然誤差の影響を受け難い大振幅の信号が到達してからゼロクロス点の時間の計測を再開する。これにより、実施の形態1に係る超音波流量計では、消費電流の低減と計測精度の向上を両立可能となる。
【0055】
以上のように、この実施の形態1によれば、超音波流量計は、超音波の送受信を行う一対の超音波センサ2,3のうちの超音波センサ2により受信された受信信号を取得する受信信号取得部401と、超音波センサ3により受信された受信信号を取得する受信信号取得部402と、受信信号取得部401による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するゼロクロス点計測部403と、受信信号取得部402による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するゼロクロス点計測部404と、ゼロクロス点計測部403による計測結果とゼロクロス点計測部404による計測結果との時間差を算出する時間差算出部405と、時間差算出部405による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する流量演算部406と、受信信号取得部401及び受信信号取得部402による取得結果に基づいて、一対の超音波センサ2,3における超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部407とを備え、ゼロクロス点計測部403は、駆動波数制御部407により超音波センサ3における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、ゼロクロス点計測部404は、駆動波数制御部407により超音波センサ2における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う。これにより、実施の形態1に係る超音波流量計は、従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能となる。
【0056】
実施の形態2.
実施の形態2に係る超音波流量計では、超音波センサ2,3における超音波送信の駆動波数を増やした際に生じ易い温度又は超音波センサ2,3の個体差による誤差を低減するための方法について説明する。
【0057】
図7は実施の形態2における演算部4の構成例を示す図である。この図7に示す実施の形態2における演算部4では、図2に示す実施の形態1における演算部4に対し、平均値算出部(第1の平均値算出部)408、平均値算出部(第2の平均値算出部)409及び差分算出部410が追加され、流量演算部406の処理が変更されている。図7に示す実施の形態2における演算部4のその他の構成例は、図2に示す実施の形態1における演算部4の構成例と同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
【0058】
平均値算出部408は、時間差算出部405による算出結果に基づいて、前半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する。
【0059】
平均値算出部409は、時間差算出部405による算出結果に基づいて、後半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する。
【0060】
差分算出部410は、平均値算出部408により算出された平均値と、平均値算出部409により算出された平均値との差分を、補正値として算出する。
【0061】
流量演算部406は、時間差算出部405による算出結果及び差分算出部410による算出結果に基づいて、測定管1内における流体の流量を算出する。この際、まず、流量演算部406は、時間差算出部405により算出された時間差を、差分算出部410により算出された補正値で補正する。そして、流量演算部406は、補正値で補正した時間差(補正後の時間差)に基づいて、流体の流量を算出する。流量演算部406の動作原理は、補正後の時間差を用いる点以外は、従来の流量演算の原理を採用可能であり、その説明を省略する。
【0062】
次に、図7に示す実施の形態2における演算部4による流量演算動作例について、図8を参照しながら説明する。
ここで、一対の超音波センサ2,3は、センサ特性の差により、温度に伴って、流体計測で用いられる時間差(伝播時間差)のゼロ点がドリフトする現象がある。このドリフトの変動幅が所定の範囲内であれば、超音波流量計の計測精度は満たされる。一方、図9に示すように、上記流量計測で用いられる時間差をゼロクロス点毎に分解すると、時間軸における後ろのゼロクロス点になる程、温度変化による影響がより大きくなっていることがわかる。
【0063】
そして、超音波流量計による流量計測において、前半ゼロクロス点の時間差だけを用いると、系統誤差(温度変化に伴うゼロ点のドリフト等)は小さくなるが、SNが悪く、平均算出に使えるゼロクロス点の数も少なくなり、偶然誤差が大きくなってしまう。
一方、超音波流量計による流量計測において、後半ゼロクロス点の時間差を用いると、SNはよく、偶然誤差は小さくなるが、系統誤差が大きくなってしまう。
【0064】
そこで、実施の形態2に係る超音波流量計では、前半ゼロクロス点での時間差から系統誤差を定量し、その値を補正値として後半ゼロクロス点での時間差を補正した上で、流量計測を行う。これにより、実施の形態2に係る超音波流量計では、偶然誤差を低く抑えたまま、系統誤差を低減可能となる。
【0065】
なお、図8に示すフローチャートのうち、ステップST801~803までの処理は、図4に示すステップST401~403までの処理と同様であり、その説明を省略する。
【0066】
図7に示す実施の形態2における演算部4による流量演算動作例では、図8に示すように、平均値算出部408は、時間差算出部405による算出結果に基づいて、前半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する(ステップST804)。この際、例えば、平均値算出部408は、下式(3)に示すように、1番目から4番目のゼロクロス点での時間差の平均値(Δt_forward)を算出する。なお、平均値算出部408は、標準偏差を維持するため、上記の平均値の算出を複数回繰返して平均化することで、最終的な平均値(Δt_forward_N)を算出してもよい。Nは、偶然誤差の影響を低減するのに十分な数とされる。
Δt_forward=(ZC1Δt+ZC2Δt+ZC3Δt+ZC4Δt)/4 (3)
【0067】
次いで、平均値算出部409は、時間差算出部405による算出結果に基づいて、後半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する(ステップST805)。この際、例えば、平均値算出部409は、下式(4)に示すように、5番目から10番目のゼロクロス点での時間差の平均値(Δt_backward)を算出する。なお、平均値算出部409は、標準偏差を維持するため、上記の平均値の算出を複数回繰返して平均化することで、最終的な平均値(Δt_backward_N)を算出してもよい。Nは、偶然誤差の影響を低減するのに十分な数とされる。
Δt_backward=(ZC5Δt+ZC6Δt+ZC7Δt+ZC8Δt+ZC9Δt+ZC10Δt)/6 (4)
【0068】
次いで、差分算出部410は、平均値算出部408により算出された平均値と、平均値算出部409により算出された平均値との差分を、補正値として算出する(ステップST806)。この際、上記の例では、下式(5)のように、差分算出部410は、5番目から10番目のゼロクロス点での時間差の平均値から、1番目から4番目のゼロクロス点での時間差の平均値を差し引くことで、差分値(補正値)を算出する。この補正値は、後半ゼロクロス点での時間差における系統誤差を低減するための補正値である。
補正値=Δt_backward_N-Δt_forward_N (5)
【0069】
次いで、流量演算部406は、時間差算出部405による算出結果及び差分算出部410による算出結果に基づいて、測定管1内における流体の流量を算出する(ステップST807)。この際、上記の例では、まず、流量演算部406は、下式(6)に示すように、5番目から10番目のゼロクロス点での時間差の平均値から補正値を差し引くことで、補正後の5番目から10番目のゼロクロス点での時間差の平均値(補正後Δt_backward)を算出する。これにより、流量演算部406は、ZC5Δt~ZC10Δtの標準偏差を維持しつつ、ZC5Δt~ZC10Δtの温度特性をZC1Δt~ZC4Δtの温度特性に近づくように補正することができる。そして、流量演算部406は、下式(7)に示すように、1番目から4番目のゼロクロス点での時間差の平均値、及び、補正後の5番目から10番目のゼロクロス点での時間差の平均値の平均値を算出することで、補正後の時間差(補正後Δt)を算出する。そして、流量演算部406は、この補正後の時間差を用いて、流体の流量を演算する。
補正後Δt_backward=Δt_backward-補正値 (6)
補正後Δt=(Δt_forward+補正後Δt_backward)/2 (7)
【0070】
なお上記では、一例として、演算部4が、5番目から10番目のゼロクロス点での時間差と1番目から4番目のゼロクロス点での時間差との差を用いて補正値を得る場合を示した。しかしながら、これに限らず、演算部4は、他の前半ゼロクロス点での時間差と後半ゼロクロス点での時間差を用いて補正値を得てもよい。すなわち、演算部4が用いるゼロクロス点の数、前半ゼロクロス点に含めるゼロクロス点の数、及び、後半ゼロクロス点に含めるゼロクロス点の数は、上記の例に限らない。また、演算部4は、Rise-Fallペア(偶数個のゼロクロス点)の平均をとることで、基準電位(0点)のずれ及び信号強度(傾き)の変化に伴うゼロクロス点の誤差を緩和できる。
【0071】
また、実施の形態2に係る超音波流量計は、上記に示した補正処理の有効又は無効を、測定管1を流れる流体の流量に応じて切替えるように構成されていてもよい。
【0072】
このように、実施の形態2に係る超音波流量計では、前半ゼロクロス点での時間差と後半ゼロクロス点での時間差とを比較し、後半ゼロクロス点での系統誤差が前半ゼロクロス点での系統誤差と同じ水準になるように補正を行う。これにより、実施の形態2に係る超音波流量計では、全体の系統誤差を低減することが可能となる。その結果、実施の形態2に係る超音波流量計では、超音波センサ2,3における超音波の駆動波数を増やした際に生じ易い温度又は超音波センサ2,3の個体差による誤差を低減可能となる。
【0073】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【0074】
1 測定管
2 超音波センサ
3 超音波センサ
4 演算部
401 受信信号取得部(第1の受信信号取得部)
402 受信信号取得部(第2の受信信号取得部)
403 ゼロクロス点計測部(第1のゼロクロス点計測部)
404 ゼロクロス点計測部(第2のゼロクロス点計測部)
405 時間差算出部
406 流量演算部
407 駆動波数制御部
408 平均値算出部(第1の平均値算出部)
409 平均値算出部(第2の平均値算出部)
410 差分算出部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10