JP2008164329A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波センサの出力は微弱で、電圧１０^−３Ｖ、電流２０×１０^−６Ａのものである。従って、この出力に外部からの電気的なノイズ（コモンモードノイズ）が重畳すると高精度な測定ができなくなる。
【解決手段】流体を導く流路５０と、流路５０に設けられた超音波センサ５１，５２と、制御部５３とを備え、制御部は、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路５４と、超音波センサの受信波を検知する受信回路５６とを備え、また受信回路は定電圧源５６を有し、かつ、前記受信回路は低インピーダンスの終端５７を有し、かつ、低インピーダンスの終端５７は、超音波センサの出力の一部を受信回路の基準電位と共通にせずに低インピーダンスで終端するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に超音波によって都市ガス、ＬＰガス等流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。

従来の超音波流量計としては、例えば特許文献１に記載されている。

図４は特許文献１に記載されている従来の超音波流量計を示す制御ブロック図である。

図４において、流体管路４の途中に超音波を発信する第１振動子５と受信する第２振動子６とが流れ方向に配置されている。７は第１振動子５への発信回路、８は第２振動子６で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路９で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段１０で求め、その超音波伝幡時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１１で流量値を求め、この流量演算手段１１の値によって発信回路７のトリガ手段１３への信号送出のタイミングを調節する。

次にその動作について述べる。トリガ手段１３から発信回路７よりバースト信号を送出され第１振動子５で発信された超音波信号は、流れの中を伝幡し第２振動子６で受信され増幅回路８と比較回路９で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段１０で測定する。

静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子５と６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間Ｔは、
Ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓφ） （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／Ｔ−ｃ）／ｃｏｓφ （２）
となり、Ｌとφが既知ならＴを測定すれば流速ｖが求められる。この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳｖ （３）
となる。

図５は前記公報に記載されている従来の超音波流量計の第４の実施例を示す制御ブロック図であり、発信から受信を繰り返し手段１５によって繰り返し設定手段１６で設定された回数だけ繰り返し、さらに発振と受信の切換を切換手段１７で行なった後、同様に繰り返しを行う。すなわち発振回路７によって第１振動子４から超音波が発生し、この超音波を第２振動子５で受信し、増幅回路８を介し比較回路９に到達すると繰り返し手段１６で再びトリガ手段１３で発信回路７をトリガする。この繰り返しは繰り返し設定手段１５で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段１０で計測する。しかる後、切換手段１７により第１振動子４と第２振動子５の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子から第１振動子５に向かって超音波を発信し前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段１１で流量値を演算する。

静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。振動子７と８の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆
方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ×Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓφ） （４）
Ｔ２＝ｎ×Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓφ） （５）
となり、（４）、（５）式より
ｖ＝ｎ×Ｌ／２ｃｏｓφ×（１／Ｔ１−１／Ｔ２） （６）
となり、Ｌとφが既知ならＴ１とＴ２を測定すれば流速ｖが求められる。しかしながらＴ１とＴ２の差は流量が小さくかつ繰り返し回数が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し誤差を比較的小さくし、流量が大きくなるとＴ１−Ｔ２の差も大きくなるので測定が容易になりその場合には繰り返し設定の回数を小さくしてサンプリング間隔を速くして誤差を小さくする。

すなわち、流量演算手段１１によって繰り返し設定手段１５の回数を変更する。

特許文献１は２つの振動子を用いて、送信と受信とを切り替え、それぞれの受信波形から求められる超音波の伝播時間から流速を求めて、流量を演算する方式である。

また特許文献２には、振動子と、前記振動子で受信した信号の増幅回路（受信回路）が、受信波形の形状の決定要素となるので、流量計測精度が、これらにより大きく左右されるという課題があり、そのために複数の振動子の特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることが記載されている。具体的には、電圧源を有した送信回路と、オペアンプで構成した低インピーダンスの終端素子を有する受信回路を用いたものである。
特開平８―１２２１１７号公報 特開２００４−１４４７００号公報

流量は流速から求められ、流速は式（６）より、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２の逆数の差で表される。逆数差は（Ｔ１−Ｔ２）と近似することが出来る。

流体が流れる管路（流路とも呼ぶ）の大きさにもよるが、２０００リッター／時間から６０００リッター／時間の気体を測定する超音波流量計の大きさであれば、（Ｔ１−Ｔ２）が１×１０^−９秒であれば２リッター／時間に相当し、１リッター／時間の精度で計量しようとする場合、大変な精度で時間を計測する必要がある。

また、第１、２振動子（超音波センサとも呼ぶ）の出力は微弱で、電圧１０^−３Ｖ、電流２０×１０^−６Ａのものである。従って、この出力に外部からの電気的なノイズが重畳すると高精度な測定ができなくなる。このため従来の超音波流量計はノイズフィイルタや、超音波センサのリード線にはシールド線を用いるなどのノイズ対策を行っているが、コモンモードのノイズに対して弱いことがわかった。

図６は従来の超音波流量計における超音波センサと、低インピーダンス終端の受信回路との接続を表した模式図である。超音波センサ２０は断面構造で図示しており、上下面に電極のある圧電振動体２１を金属ケース２２内に設けた構造で、圧電振動体２１の上の面は金属ケース２２と電気的に接続されている。下面に電極は、金属ケース２２とは絶縁された端子２３と接続される。また、金属ケース２２と同電位の端子２４も設けられている。端子２３、２４はシールド線２５に接続される。シールド線２５も断面構造で示している。

端子２３はシールド線２５の芯線に接続され、端子２４はシールド線２５の外周にも設けられている網目線に接続される。シールド線２５の外周の網目線は、オペアンプで構成された低インピーダンスの終端素子を備えた受信回路２６の基準電位２７に接続される。シールド線２５の芯線は受信回路２６のオペアンプに入力される。受信回路２６の基準電位２７とシールド線２５にコモンモードで重畳してくる高周波電磁波ノイズ２８、２９のうち、高周波電磁波ノイズ２９は受信回路２６に進入しないが、高周波電磁波ノイズ２８は受信回路２６に進入し、計測誤差を生じさせるため、受信回路をコモンモードノイズに対して強くしなければならないという課題がある。

コモンモードノイズは一般的に２つの電線に同じように重畳するため、２つの電線間の信号の差を取ることとで、コモンモードノイズは除去される。

本発明の超音波センサの信号を受ける受信回路は、低インピーダンスの終端を有し、かつ、低インピーダンスの終端は、超音波センサの２本の信号線の一部を受信回路の基準電位と共通にせずに２つの線をそれぞれ低インピーダンスで終端するようにして、２つの電線間の信号の差を取るようにする。さらに、送信回路は定電圧源を有した構成として、２つの超音波センサの特性差異により生じる、２つの超音波センサの受信波形の差異を少なくするようにする。

（実施の形態１）
流体を導く流路と、前記流路に設けられた超音波センサと、制御部とを備え、前記制御部は、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、また前記送信回路は定電圧源を有し、かつ、前記受信回路は低インピーダンスの終端を有し、かつ、前記低インピーダンスの終端は、前記超音波センサの信号線の一部を前記受信回路の基準電位と共通とせずに低インピーダンスで終端するようにする。

図１は本発明の実施の形態１における超音波流量計の実施例を示す回路図である。流路５０は流体の通る管で、途中に超音波センサ５１、５２が設けてある。超音波センサ５１、５２はリード線で制御部５３が設けられているプリント基板と接続される。プリント基板には超音波センサ５１、５２への送信信号を、リード線を介して供給するための送信回路５４と、超音波センサ５１、５２からの信号がリード線を介して伝達される受信回路５５と、受信回路５５の出力を増幅する１段目の増幅回路Ａ５９と、２段目の増幅回路Ｂ６０と、増幅回路Ｂ６０の出力を電圧源６２で供給される直流電位と比較する比較回路６４からなる制御部５３が設けられている。スイッチ群６５は、超音波センサ５１、５２の送受信切換えのために設けており、同図では超音波センサ５１が送信回路５４に、超音波センサ５２が受信回路５６に接続される状態にある。

受信回路５６に接続された超音波センサ５２の２本の信号線は、それぞれ受信回路５８の低インピーダンス終端５７に接続されている。この低インピーダンス終端５７はオペアンプで構成されており、このオペアンプは出力からマイナス端子に抵抗で帰還がかけられており、プラス端子には電圧源で直流電圧が与えられている。このため、マイナス端子は電圧源の直流電圧に保たれるように、オペアンプの出力電位が変化する。これは仮想的に電圧源がマイナス端子に接続された状態と同じであり、電圧源はインピーダンスが極小であるので、低インピーダンス終端とみなされる。

このように、低インピーダンス終端５７であるオペアンプのマイナス端子は超音波センサ５２に接続され、かつ、プラス端子は電圧源に接続されるので、超音波センサ５２の一
方を受信回路の基準電位５８と共通にすることなく、超音波センサの２本の信号線両方を低インピーダンスで終端することになる。オペアンプからなる低インピーダンス終端は、超音波センサ５２の電流に比例する大きさの電圧を出力する。

送信回路５４は電圧源５６と発振回路６５で駆動されるトランジスタ群を有しており、超音波センサ５１を駆動する５００ｋＨｚ程度の矩形波を作っている。すなわち、超音波センサ５１に接続されて駆動するもとになるのは電圧源５６である。このような構成により、２つの超音波センサの特性差異により生じる、２つの超音波センサにおける受信波形の差異を少なくすることができる。

図２は超音波センサ５２と受信回路５５との接続を表した模式図で、図６の従来例の図と共通する部分には、共通の符号を用いている。超音波センサ５２と２線式のシールド線６７が接続され、２線式のシールド線６７の２線は受信回路５５に接続される。２線式のシールド線６７の外周の網目線は受信回路の基準電位５８に接続される。基準電位５８に対して、２線式シールド線６７に重畳する高周波のコモンモードノイズ６８、６９は受信回路５５に侵入するが、受信回路５５は、２線式シールド線６７の２線間に流れる電流に比例した電圧を出力するため、コモンモードノイズ６８、６９は受信回路５５の出力においてキャンセルされている。

（実施の形態２）
低インピーダンスの終端素子を備えた受信回路の出力は、差動の増幅回路で増幅できるようにする。図１は本発明の実施の形態２における超音波流量計の実施例を示す回路図である。同図において、受信回路５５の出力は、差動の増幅回路Ａ５９に接続され、かつ、増幅回路Ａ５９の出力は差動の増幅回路Ｂに接続されて信号増幅を行う。増幅回路Ａ５９と増幅回路Ｂ６０はいずれも差動増幅回路の構成を取っているため、コモンモードノイズを除去する能力を有し、耐ノイズ性の強い性能を得ることが出来る。

（実施の形態３）
増幅は少なくとも増幅度の可変できる２つの差動の増幅回路ＡおよびＢで構成され、増幅回路ＡおよびＢで合計ｎの増幅度に設定された状態から、増幅回路Ａの増幅度が変えられても増幅回路Ｂの増幅度を変えることにより元の増幅度ｎと同じにできる増幅度を含むように増幅回路Ａ、Ｂの増幅度を設定する。図１は本発明の実施の形態３における超音波流量計の実施例を示す回路図である。差動の増幅回路Ａ５９、および差動の増幅回路Ｂ６０は増幅度が変えられるように帰還抵抗を可変可能な構成としている。

増幅回路Ａ５９、および増幅回路Ｂ６０の増幅度（倍数）は、図３（ａ）に示す増幅度表のように設定している。増幅回路Ａは増幅倍数が１倍、２倍、３倍、４倍、５倍、増幅回路Ｂが１倍、２倍、３倍、４倍、５倍で合計の倍数は表に示すようになる。増幅回路Ａが２倍の欄で、合計が３倍、４倍、５倍、６倍は、増幅回路Ａが１倍の欄での合計にも含まれている。また、増幅回路Ａが２倍の欄の合計のうち４倍、５倍、６倍、７倍は、増幅回路Ａが３倍の欄の合計にも含まれている。

超音波センサの受信信号は、流量の大きさや、温度によってよってその大きさが変化する。また、超音波センサ５１を送信側、超音波センサ５２を受信側にしたときの受信信号の大きさと、超音波センサ５２を送信側、超音波センサ５１を受信側にしたときの受信信号の大きさとが流量の大きさによって異なることもある。このような特性を持つので、受信信号の信号処理を簡単にするために、増幅回路の出力は増幅回路の増幅度を変えて振幅を一定に保つようにする。このために増幅回路の増幅度は変えられることが必要である。今、増幅回路Ａの増幅度が２で増幅回路Ｂの増幅度が４、５の範囲（合計では６、７の範囲）で変化するような受信信号の大きさの変化がある場合で、さらに増幅度の増加が必要
になった場合は、増幅回路Ａの増幅度が３で増幅回路Ｂの増幅度が４、５の範囲（合計では７、８の範囲）に移る。この時点で、増幅度の減少が必要な受信信号の変化が生じた場合は、回路Ａの増幅度が３で増幅回路Ｂの増幅度が３、４の範囲（合計では６、７の範囲）に移る。また再び、増幅度の増加が必要になった場合は、増幅回路Ａの増幅度が３で増幅回路Ｂの増幅度が３、４、５の範囲（合計では６、７、８の範囲）で動作することができる。この場合、増幅回路Ａの増幅度は３のままで対応することが出来る。

同図（ｂ）のような場合で、同じようなことが生じた場合を考えると、合計で６、７の増幅度を得ようとすると、増幅回路Ａの増幅度が１で増幅回路Ｂの増幅度が５、また、増幅回路Ａの増幅度が６で増幅回路Ｂの増幅度が１の選択肢しかなく、さらに増幅度の増加が必要になった場合は、増幅回路Ａの増幅度が６で増幅回路Ｂの増幅度が１、２の範囲（合計では７、８の範囲）に移る。この時点で、増幅度の減少が必要な受信信号の変化が生じた場合は、回路Ａの増幅度が１で増幅回路Ｂの増幅度が５（合計６）、また、増幅回路Ａの増幅度が６で増幅回路Ｂの増幅度が１（合計７）に移る。また再び、増幅度の増加が必要になった場合は、増幅回路Ａの増幅度が１で増幅回路Ｂの増幅度が５、増幅回路Ａの増幅度が６で増幅回路Ｂの増幅度が１、２の範囲（合計では６、７、８の範囲）といった動きとなり、増幅回路ＡとＢの両方の増幅度が変化することになる。増幅回路は、増幅度が変わると波形の歪が変わり、それがごくわずかであっても高精度な計量には無視の出来ないものとなることがある。

このため、２つの増幅回路Ａ，Ｂの内、両方の増幅回路の増幅度がかわるよりも、増幅回路Ｂだけの増幅度の変化内で計量できることが望ましい。そこで、同図（ａ）のように、増幅は少なくとも増幅度の可変できる２つの差動の増幅回路ＡおよびＢで構成し、増幅回路ＡおよびＢで合計ｎの増幅度に設定された状態から、増幅回路Ａの増幅度が変えられても増幅回路Ｂの増幅度を変えることにより元の増幅度ｎと同じにできる増幅度を含むように増幅回路Ａ、Ｂの増幅度を設定する。

（実施の形態４）
増幅回路の最終は、増幅された超音波センサの信号が直流電位に対して変化するように出力する構成とする。図１は本発明の実施の形態４における超音波流量計の実施例を示す回路図である。同図において増幅回路の最終６１は、電圧源６２の直流電位がプラス端子に与えられるオペアンプからなる。オペアンプはプラス端子とマイナス端子に加わる信号の差を出力するが、その信号は電圧源６２の直流電位が重畳されたものとなる。このような構成とすることにより、次段の比較回路により受信検知が行えるようになる。このオペアンプの増幅度は増幅回路の最終６１内の抵抗によって決定される。

（実施の形態５）
増幅回路の最終の出力は、比較回路で定めた直流電位と比較して、超音波の伝播時間を求めるための信号を生成し、前記定めた直流電位は、前記増幅回路の最終で用いた直流電位と同じものを用いるようにする。前述したように、高精度な計量を行うためには、比較回路で比較する基準となる電圧源の電位と、増幅回路の最終で、信号に重畳される電圧源の直流電位とが温度などの影響で、個々にドリフト（変化）すると伝播時間の測定に誤差が生じるようになる。このため比較回路で比較する基準となる電圧源の電位と、増幅回路の最終で、信号に重畳される電圧源の直流電位とは同じものを用いるようにする。

図１は本発明の実施の形態４における超音波流量計の実施例を示す回路図である。同図において比較回路６４のマイナス端子には増幅回路の最終出力６３が入力され、プラス端子には電圧源６２が接続される。この電圧源６２は、増幅回路の最終６１で、超音波センサの信号に重畳される電圧源とおなじものである。従って温度により、この電圧源６２の直流電位がドリフト（変化）しても、比較回路６４のプラス端子に与えられる比較の基準
となる直流電位も同様に変化するため比較する際には誤差が発生しにくいようになる。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、外部からの電気（電磁波）ノイズが、計測に影響を与えにくいものとすることができるので、正確な計測が要求される、天然ガスや液化石油ガスの流量を測定する業務用や家庭用の超音波式ガス流量測定装置（ガスメータ）の用途に展開できる。

本発明の超音波流量計の構造を示す回路ブロック図 本発明の超音波センサと受信回路との接続構造を示す模式図 増幅器の増幅度の設定を説明する図 従来の超音波流量計の構成を示す制御ブロック図 従来の超音波流量計の構成を示す制御ブロック図 従来の超音波センサと受信回路との接続構造を示す模式図

符号の説明

５０ 流路
５１、５２ 超音波センサ
５３ 制御部
５４ 送信回路
５５ 受信回路
５６ 定電圧源
５７ 低インピーダンス終端
５８ 受信回路の基準電位
５９ 増幅回路Ａ
６０ 増幅回路Ｂ
６１ 増幅回路の最終
６２ 直流電圧
６３ 増幅回路の最終の出力
６４ 比較回路

Claims (5)

1. 流体を導く流路と、前記流路に設けられた超音波センサと、制御部とを備え、前記制御部は、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、また前記送信回路は定電圧源を有し、かつ、前記受信回路は低インピーダンスの終端を有し、かつ、前記低インピーダンスの終端は、前記超音波センサの出力の一部を前記受信回路の基準電位と共通とせずに低インピーダンスで終端するようにした超音波流量計。
2. 低インピーダンスの終端素子を備えた受信回路の出力は、差動の増幅回路で増幅できるようにした請求項１記載の超音波流量計。
3. 増幅は少なくとも増幅度の可変できる２つの差動の増幅回路ＡおよびＢで構成され、増幅回路ＡおよびＢで合計ｎの増幅度に設定された状態から、増幅回路Ａの増幅度が変えられても増幅回路Ｂの増幅度を変えることにより元の増幅度ｎと同じにできる増幅度を含むように増幅回路Ａ、Ｂの増幅度を設定した請求項２記載の超音波流量計。
4. 増幅回路の最終は、増幅された超音波センサ信号が定められた直流電位を基準にして変化するように出力にした請求項２記載の超音波流量計。
5. 増幅回路の最終の出力は、定めた直流電位と比較回路で比較して、超音波の伝播時間を求めるための信号を生成し、前記定めた直流電位は、前記増幅回路の最終で用いた直流電位と同じものを用いるようにした請求項４記載の超音波流量計。