JP2008164330A - 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が重畳すると高精度な測定ができなくなる。このためノイズフィルタを用いるが、ノイズフィルタが大型化してしまう。
【解決手段】端子台５８、ノイズフィルタ部５７をシールドする構成とする。また、輻射されたノイズは超音波センサ５２、５３のリード線６５や、プリント基板上５５のラインに重畳することが計測に影響を与えているため、これらのラインやリード線にノイズが重畳しにくいような構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に超音波によって都市ガス、プロパン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５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５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６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り換えを切換手段１７で行った後、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。また、特開平１０−３０９４７号公報には、超音波を用いて高精度な超音波伝播時間の測定を短時間で、かつ、低消費電力で行う計測方法が記載されている。

これは図７に示されるように、超音波信号を送受信する振動子２５と振動子２５の交流受信信号を複数周期にわたって閾値と比較する比較手段２９と、振動子２５の送信から比較手段２９による検出ごとの複数の伝播時間を計測する計時手段３１と、計時手段３１の計時値の平均値より伝播時間を算出する時間演算手段３２とを備えたものである。これによって１回の超音波送受信によって何度も比較手段で比較を行った計測値が得られるので、その平均値を求めることによって高精度な伝播時間の測定値が短時間で得られ、低消費電力で計測を行うことができるように記載されている。

特許文献１および、特許文献２はいずれも、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。
特開平８―１２２１１７号公報 特開平１０−３０９４７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秒であれば約２リッター／時間に相当し、１リッター／時間の分解能を得ようとすると、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、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、前記超音波センサの信号処理部と、前記信号処理部を制御する制御部と、前記制御部に外部からの信号を受信するために設けた端子台とを備え、前記端子台と前記制御部の間にノイズフィルタ部とを設けるようにしている。さらに、十分なノイズ除去を行うため、端子台と外部機器とを接続するコードにもノイズフィルタ部を設ける構成としており、ノイズフィルタの構成が大規模になっているという課題がある。

ノイズがどのように計測に影響を与えるか、そのメカニズムを解析した。その結果以下のことが明確になった。端子台に取り付けられた外部機器との接続用のコードがアンテナとなり、ノイズとなる高周波の電磁波が重畳し、コードを伝播して端子台から超音波流量計の筐体内部に侵入する。このノイズをノイズフィルタ部で減衰させてはいるが、ノイズフィルタ部でさらに電磁波の放射が行われ、それが制御部、信号処理部に放射されて影響を与えている。このため、ある強度以上のノイズがノイズフィルタに侵入した場合は、ノイズフィルタの減衰能力を高めてもさほど効果が上がらない。そこで、ノイズフィルタ部からの輻射を低減する必要がある。さらに、端子台からある強度以上のノイズが侵入すると、そこからの輻射が制御部、信号処理部に放射されるのでノイズフィルタの効果がなくなる。

このため、本発明の超音波流量計は、端子台、ノイズフィルタ部をシールドする構成とする。また、輻射されたノイズは超音波センサのリード線や、プリント基板上のラインに重畳することが計測に影響を与えているため、これらのラインやリード線をノイズが重畳しにくい構成とする。

本発明によれば、大規模なノイズフィルタの構成を取らずに３０Ｖ／ｍ程度の強電界ノイズに耐えることができるようになる。当然、端子台と外部機器とを接続するコードに必要であったノイズフィルタ部は削減できる。

（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、前記超音波センサからの信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部を制御する制御部と、前記制御部に外部からの信号を受信するために設けた部端子台と前記端子台と前記制御部の間に設けられたノイズフィルタ部とを備え、前記端子台はシールド部材で複数の面を覆うようにし、シールド部材は直接またはコンデンサを介して筐体と電気的に接続する。

図１は本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成を示す断面模式図である。流路５１は流体の通る管で、途中に超音波センサ５２、５３が設けてある。超音波センサ５２、５３はリード線で信号処理部５４が設けられているプリント基板５５と接続される。また、プリント基板５５には制御部５６、ノイズフィルタ部５７、端子台５８も設けられている。端子台５８はシールド部材５９で複数の面を覆うようにしている。シールド部材５９は金属製の筐体６０と電気的に直接または、コンデンサを介して接続される。コンデンサは問題となるノイズが高周波であるため、ある程度の容量を持っていれば、高周波でのコンデンサのインピーダンスは小さくなり、実質上直接接続と同じような効果が得られる。端子台５８にはコード６１が接続され外部機器との電気信号のやり取りを行う。

外部からの高周波電磁波ノイズは、コード６１がアンテナとなって超音波流量計へ侵入する。しかしながら、端子台５８がシールド部材５９で囲まれているので筐体６１と端子台５８との間の高周波におけるインピーダンスは小さくなっている。このためコード６１から侵入する高周波電磁波ノイズは低減される。

図２は概観斜視図で、同図（ａ）は端子台５８、同図（ｂ）はシールド部材５９であり、端子台５８はプリント基板５５に半田付けされるピン７０を有する。シールド部材５９は上蓋のない箱形状で金属製である。端子台５８はシールド部材５９にはめ込みプリント基板５５に半田付けされる。

図３は同じく、端子台５８とシールド部材５９を示しており、同図（ａ）は端子台５８の側面図、同図（ｂ）はシールド部材５９の上面図である。シールド部材５９には端子台のピン７０が通る穴７１を設けている。このように端子台５８はシールド部材５９により、側面と底面を囲まれている。端子台５８を囲む面が多いほど、筐体６０と端子台５８との間の高周波におけるインピーダンスは小さくなるので有利である。とりわけ、端子台５８底面のシールド部材５９部分は、プリント基板５５のパターンが近いため重要である。

（実施の形態２）
ノイズフィルタ部はシールド部材で複数の面を覆うようにし、シールド部材は直接またはコンデンサを介して筐体と電気的に接続する。
図１において、ノイズフィルタ部５７はシールド部材Ｂ６２で複数の面を覆うようにしている。

これは、ノイズフィルタ部５７から輻射される高周波電磁波ノイズを遮蔽するためであり、シールド部材Ｂ６２を直接またはコンデンサを介して筐体６０と電気的に接続することで、シールド部材Ｂ６２と筐体６０との間の高周波におけるインピーダンスを低減し高周波電磁波ノイズを低減する。

（実施の形態３）
ノイズフィルタ部と制御部と端子台は一枚のプリント基板上に設けられ、ノイズフィルタ部は前記プリント基板の上下からシールド部材でシールドされ、前記シールド部材は前記プリント基板に設けられた基準電位のパターンと複数の箇所で電気的に接続する。

図４はノイズフィルタ部５７、制御部５６、端子台５８を一枚のプリント基板５５に設け、ノイズフィルタ部５７はプリント基板５５の上下から金属製のシールド部材Ｂ６２で覆い、シールド部材Ｂ６２はプリント基板５５に設けられた基準電位のパターンと複数の箇所で電気的に結合する。さらに、基準電位のパターンと筐体６０とは電気的に直接またはコンデンサを介して接続される。

このためシールド部材Ｂ６２と筐体６０との間の高周波におけるインピーダンスが低減されるので、高周波電磁波ノイズが低減する。この場合、プリント基板５５は薄いことが望ましい。

（実施の形態４）
信号処理部はプリント基板上に構成され、前記信号処理部の基準電位のパターンは前記信号処理部の近い箇所から筐体へ電気的に直接またはコンデンサを介して接続するようにする。

図１おいて信号処理部５４はプリント基板５５に構成され、信号処理部５４の基準電位のパターン６３は信号処理部５４に近い箇所６４から筐体６０へ電気的に直接またはコンデンサを介して接続するようにする。信号処理部５４に遠い箇所から筐体６０へ電気的に直接またはコンデンサを介して接続するようにすると、その箇所の基準電位パターンの電位と、信号処理部５４に近い箇所の基準電位パターンの電位とが、高周波ノイズの影響で異なるようになり計測精度の悪化を招くことになる。

（実施の形態５）
超音波センサと、プリント基板上に設けられた信号処理部とは、シールドされたリード線で接続され、前記シールドは前記プリント基板上の基準電位のパターンに接続され、かつ前記プリント基板上で信号処理部に導かれるラインの近傍には基準電位のパターンを設けるようにする。

図１において、超音波センサ５２，５３とプリント基板５５との接続に用いているリード線はシールドされたリード線６５を用い、シールドとなるリード線外周に設けられたシールド（網線を用いる）はプリント基板上５５の基準電位のパターン６３に接続している。高周波の電磁界ノイズが微小信号である超音波センサの信号を導くリード線に重畳して、信号処理部５４に侵入することがあるため、リード線の筐体との間のインピーダンスを下げる必要がある。そのための手段としてリード線をシールドする。さらに、シールドされたリード線のシールドはプリント基板上５５の基準電位のパターン６３に接続して、筐体との同電位になるようにしている。

（実施の形態６）
超音波センサと、電池と、流路への流体の出入りを止める遮断弁と、圧力や温度などを検知するセンサとなど要素部品を備え、これらの要素部品はリード線で制御部と信号処理部が設けられたプリント基盤に電気的にリード線で接続され、前記超音波センサとプリント基盤とを接続するリード線は、遮断弁と、圧力や温度などを検知するセンサとプリント基盤とを接続するリード線とは分離するようにする。

図１において、遮断弁６６は、それを制御する制御部５６が設けられているプリント基板５５と電気的に接続するためにリード線６７を用いている。また、圧力センサ６８も同様にリード線６９を用いている。さらに、電池４０はプリント基板５５に電力供給をおこなうためにリード線で接続されている。遮断弁６６や圧力センサ６８は比較的インピーダンスが高いので、それらのリード線６７、６９はアンテナとなりやすく、高周波の電磁波ノイズが重畳しやすくなる。このため、超音波センサ５２，５３のリード線６５と、リード線６７、６９とは分離して配置するようにすることで、ノイズの伝播を阻止するようにしている。電池は比較的インピーダンスが低いので、そのリード線はアンテナとなりにくく、従ってこのリード線に超音波センサの５２，５３のリード線６５が接近することは許容されやすい。

（実施の形態７）
端子台と前記端子台のシールド部材との間で放電ギャップを設ける構成とする。シールド部材は端子台のピンの近傍まで存在することが望ましいが、その両者の距離により雷サージ電圧発生時に放電するか、またはしないかが決まる。雷サージ電圧発生時に放電が行われるように距離を設定することにより、放電により雷サージのエネルギーが減少し、ノイズフィルタ部に構成される雷サージのエネルギーを吸収するサージアブソーバや抵抗、コイルの部品のエネルギー容量を低減することができる。すなわち小型化や削減することができる。

図３において、ピン７０の直径と、シールド部材５９の孔の直径７１との関係で放電する電圧が決まる。なぜなら、シールド部材５９は筐体６０と電気的に直接またはコンデンサを介して接続されており、雷サージ電圧は筐体と端子台５８のピン７０の間に印加するためである。この部分で、雷サージ電圧が発生した場合、放電するようにしておくと、雷サージエネルギーが放電により消費されるので、イズフィルタ部に構成される雷サージのエネルギーを吸収するサージアブソーバや抵抗、コイルの部品のエネルギー耐量を低減することができる。

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断面模式図 （ａ）端子台の構造を示す断面模式図（ｂ）本発明のシールド部材の構造を示す断面模式図 （ａ）端子台の側面図（ｂ）本発明のシールド部材の上面図 本発明のプリント基板の構成を示す断面模式図 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 従来の超音波流量計の構成を示す制御ブロック図

符号の説明

５１ 流路
５２ 超音波センサＡ
５３ 超音波センサＢ
５４ 信号処理部
５５ プリント基板
５６ 制御部
５７ ノイズフィルタ部
５８ 端子台
５９ シールド部材
６０ 筐体
６２ シールド部材Ｂ
６３ 基準電位のパターン
６５ シールドされたリード線
６６ 遮断弁
６７ 遮断弁のリード線
６８ 圧力センサ
６９ 圧力センサのリード線

Claims (7)

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、前記超音波センサからの信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部を制御する制御部と、前記制御部に外部からの信号を受信するために設けた端子台と前記端子台と前記制御部の間に設けられたノイズフィルタ部とを備え、前記端子台はシールド部材で複数の面を覆うようにした超音波流量計。
2. ノイズフィルタ部はシールド部材で複数の面を覆うようにした請求項１記載の超音波流量計。
3. ノイズフィルタ部と制御部と端子台は一枚のプリント基板上に設けられ、ノイズフィルタ部は前記プリント基板の上下からシールド部材でシールドされ、前記シールド部材は前記プリント基板に設けられた基準電位のパターンと複数の箇所で電気的に接続した請求項２記載の超音波流量計。
4. 信号処理部はプリント基板上に構成され、前記信号処理部の基準電位のパターンは前記信号処理部の近い箇所から筐体へ電気的に直接またはコンデンサを介して接続するようにした請求行１記載の超音波流量計。
5. 超音波センサと、プリント基板上に設けられた信号処理部とは、シールドされたリード線で接続され、前記シールドは前記プリント基板上の基準電位のパターンに接続され、かつ前記プリント基板上で信号処理部に導かれるラインの近傍には基準電位のパターンを設けるようにした請求項１記載の超音波流量計。
6. 超音波センサと、電池と、流路への流体の出入りを止める遮断弁と、圧力や温度などを検知するセンサとなど要素部品を備え、これらの要素部品はリード線で制御部と信号処理部が設けられたプリント基盤に電気的にリード線で接続され、前記超音波センサとプリント基盤とを接続するリード線は、遮断弁と、圧力や温度などを検知するセンサとプリント基盤とを接続するリード線とは分離するようにした請求項１記載の超音波流量計。
7. 端子台と前記端子台のシールド部材との間で放電ギャップを設ける構成とした請求項１記載の超音波流量計。