JP4249546B2 - Ultrasonic flow meter and control method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計およびガスメータに関する。
【0002】
【従来の技術】
超音波流量計は、構造が簡単である、機械的可動部分が少ない、流量の測定可能な範囲が広い、流量計による圧力損失がないなどの特徴を備えている。また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波流量計の計測精度を向上させることも可能になってきた。このため、ガスメータをはじめ、気体や液体の流量の計測が必要なさまざまな分野において超音波流量計を用いる研究がなされている。
【0003】
以下、従来の超音波流量計の構造および測定原理を説明する。図15は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図である。図15に示す超音波流量計は、たとえば非特許文献1に開示されている。図15に示すように、流体が流れる流路13を挟むように超音波振動子1および2が配置される。超音波振動子1および2は、それぞれ、送信器および受信器として機能する。具体的には、超音波振動子1を送信器として用いる場合には超音波振動子2を受信器として用い、超音波振動子2を送信器として用いる場合には超音波振動子1を受信器として用いる。図15に示すように、超音波振動子1および2の間に形成される超音波の伝搬路は流体の流れる方向に対して角度θだけ傾いている。
【0004】
図16は、超音波振動子1、2に用いられる超音波振動子20の構造を模式的に示している。超音波振動子20は、圧電素子21およびケース25を含み、圧電素子21はケース25内に収納されている。ケース25内には不活性ガスが封止されている。圧電素子21は第1および第2の主面を有する圧電体26とだい1および第2の主面全体にそれぞれ設けられた一対の電極22、23を有する。電極22、23には配線27、28がそれぞれ接続されており、ケース25の外部へ引き出されている。圧電素子21は電極22がケース25の内側面に接触するようにケース25の面25aに取り付けられている。
【0005】
配線27、28および電極22、23を介して圧電体26に電圧を印加することにより、圧電体26が超音波領域の波長で振動し、ケース25を介して超音波が出射する。また、ケース25の面25aが超音波を受けると、圧電体26が振動し、振動に応じた起電力が、電極22、23の間に生じる。
【0006】
面25aと流体との間で効率よく超音波の伝達が行えるよう、一層もしくは二層以上の複合層からなる音響整合層24を設けられていることもある。
【0007】
超音波振動子1から超音波振動子2へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、超音波振動子2から超音波振動子1へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、超音波振動子1から超音波振動子2へ超音波が伝搬する時間と超音波振動子2から超音波振動子1へ超音波が伝搬する時間との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路13の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【0008】
この原理に従って流体の流量を求める具体的な方法として、シングアラウンド法による計測方法を具体的に説明する。
【0009】
図15に示すように、超音波流量計は送信部3および受信部4を備え、超音波振動子1は切り替え部5によって送信部3または受信部4の一方と選択的に接続される。この時、超音波振動子2は、超音波振動子1が接続されなかった送信部3または受信部4の他方と接続される。
【0010】
送信部3と超音波振動子1とが接続される場合、送信部3が超音波振動子1を駆動し、発生した超音波は流体の流れを横切って超音波振動子2に到達する。超音波振動子2によって受信された超音波は、電気信号に変換され、受信信号が受信部4によって増幅される。
【0011】
図17は、従来の超音波流量計におけるゼロクロス検知の一例を示している。ピークホールド部6は、受信信号30からピークホールド信号31を生成する。レベル検知部7は、ピークホールド信号31が所定のレベル32に達したことを検知し、検知信号33を生成する。ゼロクロス検知部8は、検知信号33が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号34を生成する。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅が正から負または負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを超音波振動子2において超音波が到達した時刻としている。ゼロクロス検知信号34に基づいて、遅延部9にて所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、繰り返し部10にて繰り返すかどうかを判断し、繰り返す場合には送信部3へ入力する。ゼロクロス検知信号34の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。
【0012】
送信部3はトリガ信号に基づいて超音波振動子1を駆動し、次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−増幅・遅延−送信のループを繰り返すことをシングアラウンドと呼び、ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ。
【0013】
計時部11では、所定の回数、ループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果が流量算出部12へ送られる。次に、切り替え部5を切り換えて、超音波振動子2を送信器として用い、超音波振動子1を受信器として用いて、同様に計測を行う。
【0014】
上述の方法によって計測した時間から遅延時間とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、さらにシングアラウンド回数で除した値が超音波の伝搬時間となる。
【0015】
超音波振動子1を送信側にしたときの伝搬時間をt1とし、超音波振動子2を送信側にしたときの伝搬時間をt2とする。また、図15に示すように、超音波振動子1と超音波振動子2との間の距離をLとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれVおよびCとする。この時、t1およびt2は以下の式で表される。
【0016】
【数1】
【0017】
これらの式から流速Vは以下の式で表される。
【0018】
【数2】
【0019】
流体の流速Vが求まれば、流路13における流体の進行方向に垂直な断面積と流速Vとの積から流量Qが求まる。
【0020】
流体の流れが理想的である場合、上述した方法により、流体の流量を正しく求めることができる。しかし、実際の流量計測において、流体は粘性を有するため、流体の壁面近傍では流速が小さくなり、流路を流れる流体の流速は流路13の断面において一定ではなくなる。
【0021】
図18は、超音波振動子1および超音波振動子2間を伝播する超音波の伝播方向(以下超音波伝播方向と呼ぶ)および流体の移動方向(以下、流体移動方向と呼ぶ)に対して平行な面(y-z面)における流路13を流れる流体の速度分布を模式的に示している。流路13に一様の速度で流体35が流入する場合、流路13の壁面において流体35の速度はゼロとなるが、壁面から離れると、速度は著しく大きくなる。このため、速度勾配の非常に大きな境界層と呼ばれる領域が壁面に沿って形成される。流入直後では、境界層は壁面近傍にのみ存在するため、流体は矢印で表される速度分布36を持つ。境界層は流体の移動に伴って流路13の中心に向かって発達する。境界層が流路13の中心まで達すると、流体は矢印37で示される速度分布を持ち、速度分布37は一定となる。流体の速度分布が一定となるまでの距離は助走距離と呼ばれ、流体の速度分布が安定した位置において超音波振動子1および2の伝播経路が形成されるよう、超音波振動子1および2は配置される。
【0022】
このとき、図18に示すように、超音波の伝播経路は流路13の全体を横切る。このため、超音波振動子1および2によって計測される流速は、矢印で表される速度分布37の平均の値となり、流体の速度分布の全体を反映し、ほぼ正確な流速が求めることができる。
【0023】
図18の矢印で示される速度分布37は、図19(a)に示すように、流体移動方向に平行であり、図18に示す面と直行する面(x−y面)においても同様に生じている。図に示すように超音波伝播方向と直交する方向(x方向)において、超音波の伝播路の幅L1より流路13の幅L2のほうが大きい場合、計測のための超音波が伝播しない領域13aが生じる。つまり、領域13aを流れる流体は流量の計測に寄与しない。このような場合には、速度分布37を仮定し、速度分布37に基づいて、計測により求められる流速から領域13aの流速を推定して、流路13を移動する流体の流量を求める。具体的には、計測値と実際の流量とを整合させるための補正係数を導入し、計測値に補正係数をかけ合わせたものを用いて流量を求める。
【0024】
補正係数は、速度分布37に依存する。このため、流量によって速度分布37が変化する場合には、流量ごとに補正係数を求めておく必要がある。また、補正係数は流路13の形状に依存するため、器差をなくすために、流路13ごとに補正係数を用意する必要がある。
【0025】
このような問題を解決するため、特許文献1は、図19(b)に示すように、超音波伝播方向と直交する方向(x方向)において、超音波の伝播路の幅L1を流路13の幅L2と等しくした流路13’を用いることを開示している。この流路13’はx方向の幅がz方向の幅に比べて小さくなった扁平形状を備える。流路13’によれば、超音波振動子1および2の間に形成される超音波の伝播経路はz−y平面においてもx−y平面においても流路13を完全に横切るため、流体に流速分布がある場合でも、流速分布の全体を反映した計測が可能となる。このため、流速分布が変化しても、正しく流量を求めることが可能となる。また助走期間を短くすることができ、また、超音波流量計の外形を小さくすることが可能となる。
【0026】
【特許文献1】
特開平8−233628号公報
【非特許文献1】
日本電気計測器工業会規格、JEMIS 5032「超音波による流量測定法」(社)日本電気計測工業会、1987年
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に示す流路13’を用いても、なお、超音波流量計により計測した流量と実際に流路13’を移動する流体の流量は完全には一致しない。本願発明者の検討によれば、超音波振動子1、2の送受波面における受信感度はその位置により変化し、送受波面の周辺部に比べて中心部における受信感度が高くなっている。図19(b)に示すように、流速分布37をもつ流体が流れる場合、中央付近の流速37aを持つ部分が、壁面に近い流速37bの流速を持つ部分に比べて高い感度で計測される。このため、超音波の伝播経路が流路13を完全に横切っていても流速分布37の真の平均流速を求めることができず、計測誤差が生じでしまう。
【0028】
本発明はこのような従来の超音波流量計の問題を解決し、精度の高い計測を行うことができる超音波流量計およびガスメータを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような超音波流量計を制御する方法を提供することを目的とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、超音波を送信し、流体の流路中に前記超音波が伝播する経路を形成するよう配置される第1の超音波振動子と、対向する第1および第2の主面を有する圧電体、前記第1の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第2の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含み、前記第1の超音波振動子から送信される超音波を受信するように配置される第2の超音波振動子と、前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部とを備え、前記加算部で得られた信号に基づいて流路を移動する流体の流量を計測する。
【0030】
ある好ましい実施形態において、前記複数の分割電極は、前記第1の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられている。
【0031】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅部を含む。
【0032】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅部を含み、前記分割電極の位置が前記第1の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなっている。
【0033】
ある好ましい実施形態において、前記複数の増幅部は、オートゲインコントロールを備える。
【0034】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号のうち少なくとも1つを減衰させる減衰部を含む。
【0035】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号を異なる減衰率で減衰させる少なくとも2つの減衰部を含み、前記分割電極の位置が前記第1の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなっている。
【0036】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記加算部で得られた信号を増幅する増幅部をさらに備える。
【0037】
ある好ましい実施形態において、前記超音波の伝播経路における前記超音波の伝播方向と直交する方向の流路の最大幅は、その方向における前記第1または第2の超音波振動子の送受波面の幅より小さいかまたはほぼ等しくなっている。
【0038】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の分割電極の単位面積あたりの受信信号の強度が互いに等しくなるよう前記複数の受信信号を増幅または減衰する。
【0039】
また、本発明の超音波流量計は、対向する第1および第2の主面を有する圧電体、前記第1の主面に設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第2の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子をそれぞれ含む第1および第2の超音波振動子と、前記第1または第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、前記第1または第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動電圧を印加する送信部と、前記第1の超音波振動子および前記第2の超音波振動子を前記信号強度変換部および前記送信部と選択的に接続する切り替え部と、前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部とを備え、前記第1および第2の超音波振動子間で超音波が双方向に伝播する経路を流体の流路中に形成するように配置し、前記加算部で得られた信号に基づいて超音波の双方向の伝播時間を求め、前記伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を求める。
【0040】
ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記第1または第2の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間に駆動信号を印加する。
【0041】
本発明のガスメータは、ガスが流れる流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁とを備える。
【0042】
本発明の超音波流量計の制御方法は、第1の超音波振動子と、対向する第1および第2の主面を有する圧電体、前記第1の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第2の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含む第2の超音波振動子とを用いて流体の流量を計測する、超音波流量計の制御方法であって、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第1の超音波振動子から第2の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ(A)と、前記第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ(B)と、前記複数の受信信号を加算するステップ(C)と、前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ(D)とを包含する。
【0043】
ある好ましい実施形態において、前記複数の分割電極は、前記第1の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられており、前記ステップ(B)において、前記分割電極の位置が前記第1の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなるよう、前記複数の信号を増幅する。
【0044】
ある好ましい実施形態において、前記複数の分割電極は、前記第1の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられており、前記ステップ(B)において、前記分割電極の位置が前記第1の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなるよう、前記複数の受信信号を減衰させる。
【0045】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ(B)において、前記複数の分割電極の単位面積あたりの受信信号の強度が互いに等しくなるよう前記複数の受信信号を増幅または減衰する。
【0046】
また本発明の超音波流量計の制御方法は、対向する第1および第2の主面を有する圧電体、前記第1の主面に設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第2の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子をそれぞれ含む第1および第2の超音波振動子を用いて流体の流量を計測する超音波流量計の制御方法であって、前記第1または第2の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動信号を印加することにより、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第1または第2の超音波振動子から第2または第1の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ(A)と、前記第2または第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ(B)と、前記複数の受信信号を加算するステップ(C)と、前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ(D)とを包含する。
【0047】
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかの超音波流量計の制御方法に規定した各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録している。
【0048】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
まず、図1および図2を参照しながら、本発明による超音波流量計の第1の実施形態で用いる超音波振動子41を説明する。超音波振動子41は、圧電素子42と圧電素子42を収納するケース43を含む。図2に示すように、圧電素子42は、対向する第1の主面44aおよび第2の主面44bを備えた圧電体44と、共通電極45と、分割電極46、47、48とを有する。本実施形態では、第1の主面44aおよび第2の主面44bはたとえば、円形を有しており、共通電極45は、第2の主面44bのほぼ全体を覆うように形成されている。一方、分割電極46、47、48は、第1の主面の中心44cからの距離に応じて確定された3つの領域にそれぞれ形成されている。具体的には、分割電極46は3つの分割電極46、47、48のうち、最も中心に近い領域に形成されており、分割電極48は最も外周側に形成されている。図2に示すように本実施形態では、分割電極46は円形を有し、分割電極47、48はリング状に形成されている。これらの分割電極の中心は中心44cと一致する。
【0049】
図1に示すように、圧電素子42は、共通電極45がケース43の面43aの内側に接触するようにケース43に収納されており、ケース43が作る空間43cは封止されている。共通電極45および分割電極46、47、48には配線49、50、51、52が接続され、ケース43の外部へ引き出されている。空間43cには窒素などの不活性ガスが充填されている。
【0050】
面43aを介して流体と圧電素子42との間で効率よく超音波の伝達が行えるよう、一層もしくは二層以上の複合層からなる音響整合層53を面43aの外側に設けてもよい。また、ケース43が導電性を備えている場合には、共通電極45を省略し、圧電体44の第2の主面44bを直接ケース43の面43aに接合し、ケース43に配線49を接続してもよい。
【0051】
以下において詳述するように、圧電素子42において、第2の主面44bに形成される電極は3つの分割電極46、47、48に分割されている。これは、超音波振動子41を用いて超音波を受信する際、超音波を受ける領域を複数に分割し、分割した領域ごとに受信した信号の増幅率を異ならせるためである。一方、超音波振動子41を用いて超音波を送信する場合には、圧電体44に均一な駆動電圧が印加されるよう共通電極45と分割電極46、47、48との間に駆動信号を印加する。これにより、圧電体44の形状で定まる振動モードで圧電素子42を振動させることができる。
【0052】
次に、本発明による超音波流量計の第1の実施形態の構造を説明する。図3は流路73に設けられた超音波流量計61の構成を示すブロック図である。図4は、流路73近傍の断面を拡大して示している。超音波流量計61は、流体の流路73中に超音波が双方向に伝搬する経路を形成するように配置される第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72を備えている。第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72はそれぞれの送受波面が互いに平行となり、送受波面の中心が同一線上に位置するよう配置されている。
【0053】
第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第1の超音波振動子71から送信された超音波は第2の超音波振動子62により受信され、第2の超音波振動子72から送信された超音波は第1の超音波振動子71により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路73を流れる流体の流れる方向35に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、10〜40度の範囲内から選択される。
【0054】
図4に示すように、超音波の伝播経路における前記超音波の伝播方向と直交する方向(x方向)の流路の最大幅L2は、その方向における前記第1または第2の超音波振動子の送受波面の幅L1より小さいかまたはほぼ等しくなっている。このため、超音波の伝播経路はz−y平面においてもx−y平面においても流路73を完全に横切る。
【0055】
第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72には、図1および図2に示した超音波振動子41を用いる。たとえば、第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72は、厚み振動モード、横すべり振動モード、縦振動モード等の振動モードにより、おおよそ20kHz以上の周波数で駆動される。測定すべき流体の状態や種類、また予想される流速に応じて最適な周波数が適宜選択される。本実施形態では、たとえば、厚み振動モードで振動し、500kHzの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。
【0056】
超音波流量計61は、切り替え部74、送信部3、信号強度変換部75、および加算部76をさらに備える。切り替え部74は、送信部3および信号強度変換部75を選択的に第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72に接続する。送信部3と第1の超音波振動子71とが接続される場合には、信号強度変換部75と第2の超音波振動子72とが接続され、送信部3と第2の超音波振動子72とが接続される場合には、信号強度変換部75と第1の超音波振動子71とが接続される。
【0057】
送信部3は、第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72の3つの分割電極46、47、48へそれぞれ独立した信号を印加することができるよう、3本の配線により切り替え部74と接続される。信号強度変換部75も3つの分割電極46、47、48からそれぞれ独立した信号を受け取ることができるよう、3本の配線により切り替え部74と接続される。送信部3から分割電極46、47、48に印加される駆動信号は、圧電体44に印加される駆動電圧が均一になるよう設定されている。
【0058】
切り替え部74が、送信部3と第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72の分割電極46、47、48のそれぞれと共通に接続するように構成されている場合には、送信部3と切り替え部74とは1本の配線により接続されていてもよい。この場合には、送信部3から出力される駆動信号が、分割電極46、47、48に共通に印加される。
【0059】
信号強度変換部75は、第1の増幅部75a、第2の増幅部75bおよび第3の増幅部75cを含み、切り替え部74を介して、第1の増幅部75a、第2の増幅部75bおよび第3の増幅部75cは、分割電極46、47、48にそれぞれ接続される。第1の増幅部75a、第2の増幅部75bおよび第3の増幅部75cは、分割電極46、47、48と共通電極45とによってそれぞれ受信した受信信号を異なる割合で増幅する。具体的には、第3の増幅部75cの増幅率が一番大きく、第1の増幅部75aが一番小さくなっている。第2の増幅部75bの増幅率は、第3の増幅部75cの増幅率と第1の増幅部53aの増幅率との間の値になっている。つまり、分割電極の位置が第1の主面の中心から離れるにつれて分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率は大きくなっている。増幅率の具体的な設定値については以下において詳述する。第1の増幅部75a、第2の増幅部75bおよび第3の増幅部75cにおいて増幅された受信信号は加算部76において加算される。
【0060】
超音波流量計61は、加算部76で得られた受信信号に基づいて流体の流量を求める。たとえば、従来と同様、受信信号をゼロクロス検知法により検知し、シングアラウンド法によって超音波の伝播時間を累積することによって計測精度を向上させて超音波の伝播時間を計測する。具体的には、超音波流量計61は、ピークホールド部6、レベル検知部7、ゼロクロス検知部8、遅延部9、繰り返し部10、計時部11、および流量算出部12をさらに備える。図17を参照して説明すると、加算部76によって加算された受信信号30は、ゼロクロス検知部8とピークホールド部6とへ送られる。ピークホールド部6は、受信信号30のピーク値を保持しその値をピークホールド信号31として出力を生成する。レベル検知部7は、ピークホールド信号31が所定のレベル32に達したことを検知し、ゼロクロス指令信号33を生成する。ゼロクロス検知部7は、ゼロクロス指令信号33が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号34を遅延部9へ出力する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とし、この時点で受信信号を検知したとする。ゼロクロス検知信号34はピークホールド部6にも入力される。ピークホールド部6は、ゼロクロス検知信号に基づいてピークホールド信号31をリセットする。
【0061】
遅延部9は、ゼロクロス検知信号34に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングで出力信号を生成する。繰り返し部10は、遅延部9の出力信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部9の出力信号をトリガ信号として送信部3へ出力する。送信部3は、トリガ信号に基づいて、第1の超音波振動子71または第2の超音波振動子72を駆動する。
【0062】
計時部11は、所定の回数だけシングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出部12へ送る。流量算出部12は、計時部11から出力されるシングアラウンドを繰り返すのに要した時間に関するデータ、遅延時間およびシングアラウンド回数から、流速および流量を求める。
【0063】
上述の各部は、電子部品等を用いたハードウエアにより構成することもソフトウエアにより構成することもできる。超音波流量計61は、これら各部を制御するマイコン77を備えている。
【0064】
次に、信号強度変換部75の各増幅部における増幅率について説明する。
【0065】
図5は、超音波流量計61の第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72間に形成される超音波の伝播経路付近における流体の流速分布と、超音波の信号強度分布を模式的に示している。図5に示すように、流路73を流れる流体のx−y平面における流量の分布は矢印37で示すようになっており、流路73を構成する壁面近傍37a、37cの流速は中央近傍37bに比べて小さくなっている。
【0066】
一方、一般に超音波が圧電素子から送信される場合、送信位置に近い近距離音場では、その信号は周波数に依存する複雑な強度分布を示すが、所定距離を伝播すると、強度分布が一定となる。流体の流量を測定する場合には、誤差が少なく、安定して計測を行うことができるように、伝播する超音波の強度分布が一定となる距離を隔てて超音波の送受信が行われる。たとえば第1の超音波振動子71から送信した超音波が第2の超音波振動子72に到達する際には、図5中、Iで示される強度分布を持つ。このため、第2の超音波振動子72が受信する超音波のうち、流体37の流速が大きい中央部近傍37cを通過した成分は信号強度が強く、流体37の流速が小さい壁面近傍37aおよび37bを通過した成分は信号強度が弱い。このような受信信号を超音波の信号強度Iを考慮せずに増幅した場合、相対的に信号強度が強い流体37の流速が大きい中央部近傍37cの影響がより大きくなり、相対的に信号強度が弱い流体37の流速が小さい壁面近傍37a、37bの影響がより小さくなる。つまり、流体37の流速が大きい中央部近傍37cの影響を過大に評価することとなり、平均の流量あるいは流路73を移動する流量が真の値よりも大きくなってしまう。
【0067】
超音波流量計61はこの問題を解決するため、受信した超音波信号の強度分布を補正するように受信信号を増幅する。図6は、第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72の圧電振動子の半径方向の位置に対する、受信信号の強度、信号強度変換部73の各増幅部の増幅率および増幅後の受信信号の強度を示している。図6において、横軸は、圧電振動子の第1の主面の一端から半径方向における距離を示している。第1の主面の中心44cは横軸の中央に位置している。図に示すように、横軸中央付近に分割電極46が形成されて領域が位置し、分割電極46の外側に分割電極47および分割電極48が形成された領域がそれぞれ位置する。
【0068】
図6の上部に示すように、受信する超音波の信号は第1の主面の中心44cを通り第1の主面に対して垂直な線に対して回転対称となる強度分布を持つのに対して、分割電極46、47、48は、第1の主面の中心44cを中心として同心円状に配置されている。このため、各分割電極で受ける超音波の信号の強度分布は全体を1つの電極で受信する場合に比べて小さくなっている。
【0069】
各分割電極で受信した信号を増幅する場合の増幅率は、図6の中央部に示すように設定する。具体的には、受信信号の信号強度がもっとも強い成分を受ける分割電極46による受信信号を増幅する増幅率a1を小さくし、受信信号の信号強度がもっとも弱い成分を受ける分割電極48による受信信号を増幅する増幅率a3を大きくする。分割電極47による受信信号を増幅する増幅率はa1とa3の間の値に設定する。
【0070】
このように、1つの電極で受ける受信信号の信号強度の分布を小さくし、電極ごとに増幅率を変化させることによって、図6の下部に示すように、増幅後の受信信号の強度分布は増幅前に比べて小さくなる。増幅前の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれImaxおよびIminとし、増幅後の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれI’maxおよびI’minとした場合、少なくともImax/Imin>I’max/I’minであり、好ましくは、1≦I’max/I’min≦2を満たすことが好ましい。より好ましくは、図6の下部において、破線で示すように各分割電極による受信信号の平均の信号強度がおおよそ一致するよう、増幅率a1、a2、a3が定められている。受信信号の強度分布は送信部3から出力する駆動信号が一定である限り、ほとんど変化しないため、一度、増幅率a1、a2、a3を決定すれば、測定ごとにこれらの値を調整する必要はない。しかし、超音波流量計71を設置する環境(温度など)が大きく変化し、受信信号の強度分布に変化が生じる場合には、第1の増幅部75a、第2の増幅部75bおよび第3の増幅部75cにそれぞれオートゲインコントロールを設け、増幅後の受信信号が上述の関係を満たすように増幅率a1、a2、a3を自動調整してもよい。
【0071】
このように、受信した超音波の信号強度の分布が小さくなるよう信号強度変換部75における各増幅部の増幅率を分割電極ごとに異ならせることにより、流体中の流速が遅い部分の流速を正しく評価することができる。このため、流路73を移動する流体に速度分布が生じている場合や、速度分布が流量によって変化する場合でも、速度分布を反映した正確な平均の流速を求めることが可能となる。
【0072】
本実施形態で用いる第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72の圧電素子は3つの分割電極を備えているが、図6の上部に示すように、受信する超音波信号の強度分布が大きい場合には、3つ以上に分割された電極を用いて信号を検出し、それぞれ異なる増幅率で信号を増幅してもよい。
【0073】
各増幅部において異なる増幅率で増幅された信号は加算部76において加算される。加算部76から出力される受信信号は、従来の超音波流量計における受信信号と同様に扱うことができる。
【0074】
次に、超音波流量計61を用いて流体の流量を計測する手順を説明する。以下に説明する手順はマイコン77により、各構成要素を順次制御することによって行われ、その手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが、ROMやRAM、ハードディスク、磁気記録媒体などの情報記録媒体に保存されている。
【0075】
図3に示すように、切り替え部74を用いて、送信部3を第1の超音波振動子71へ接続し、信号強度変換部35を第2の超音波振動子72に接続する。
【0076】
図7に示すように、トリガ信号78を送信部3に入力し、駆動信号を生成させ、第1の超音波振動子71から超音波を発生させる。このとき、第1の超音波振動子71の圧電体全体に均一な電圧が印加されるよう分割電極46、47、48に印加する駆動信号が設定される。上述したように、分割電極46、47、48が共通に送信部3と接続されるようにしてもよい。
【0077】
流路73を横切って第2の超音波振動子72に到達した超音波は、共通電極45と分割電極46、47、48とを用いてそれぞれ受信され、信号強度変換部75によって上述したように分割電極ごとに異なる増幅率で増幅される。信号強度変換部75から出力される増幅された各受信信号は、加算部76によって加算され、図7に示す受信信号79となる。
【0078】
加算部76の出力である受信信号79は、ピークホールド部6およびゼロクロス検知部8へ入力され、受信信号79が所定のレベルを超えた直後のゼロクロスポイントがゼロクロス検知部8で検知される。遅延部9は、ゼロクロス検知部8から出力されるゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間80を経た後に、送信部3へトリガ信号78’を出力する。これにより、シングアラウンドの1ループを構成する。所定の回数(例えば50〜1000回)、シングアラウンドを繰り返した後、計時部11は、ループを繰り返すのに要した全時間81を計測し、測定結果を流量算出部12へ送る。流量算出部において、全時間81をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間80を引いた値が、式(1)に示すt1となる。
【0079】
次に、切り替え部74を用いて、送信部3を第2の超音波振動子72へ接続し、信号強度変換部75を第1の超音波振動子71へ接続する。そして上述の手順と同様の手順により、第2の超音波振動子72から超音波を発生させ、第1の超音波振動子71で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時部11では、ループを繰り返すのに要した全時間81を計測し、測定結果を流量算出部12へ送る。流量算出部において、全時間81をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間80を引いた値が、式(1)に示すt2となる。
【0080】
式(2)に、t1およびt2の値と角度θを代入することによって、流体の流速Vが求まる。さらに流路73の断面積をSとすれば、流量QはV×Sによって求めることができる。この流量Qは、単位時間あたりに流量が移動する量であり、流量Qを積分することによって流体の量を求めることができる。
【0081】
このように本実施形態によれば、受信側超音波振動子の圧電振動子の電極を分割し、到達する超音波信号のうち信号強度が弱くなる部分に対応する電極によって検出される信号をより大きな増幅度で増幅する。このため、受信信号の強度分布が小さくなるよう補償して受信信号を増幅することができ、流体に流速分布が生じている場合でも、分布が生じている流速のいずれの成分の寄与も正しく評価した真の平均流速を求めることが可能となる。したがって、流体の流速分布がある場合でも、正確に流量を計測できる超音波流量計が実現する。
【0082】
また、本実施形態の超音波流量計によれば、流体に流速分布があっても、真の平均流速を求めることができるため、流量を補正するための流量係数を用いる必要がなく、さらに、流量の変動により、流速分布が変化しても、流量係数を用いることなく正確な平均流速および流量を求めることができる。
【0083】
(第2の実施形態)
本発明による超音波流量計の第2の実施形態の構造を説明する。図8は流路73に設けられた超音波流量計62の構成を示すブロック図である。図8において第1の実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。超音波流量計62は、第1の実施形態の信号強度変換部75に換えて信号強度変換部82を備え、信号強度変換部82によって強度が変換された各受信信号を加算部76で加算した後、増幅部83において加算された受信信号を増幅する点で、第1の実施形態の超音波流量計61とは異なる。
【0084】
図8に示すように、信号強度変換部82は、第1の減衰部82aおよび第2の減衰部82bを含む。切り替え部72によって信号強度変換部82が受信側の超音波振動子として用いられる第1の超音波振動子71または第2の超音波振動子72と接続された場合、第1の減衰部82aおよび第2の減衰部82bは図1および図2に示す圧電素子41の分割電極46および分割電極47とそれぞれ電気的に接続される。第1の減衰部82aおよび第2の減衰部82bは、分割電極46、47と共通電極45とによってそれぞれ受信した受信信号を異なる割合で減衰させる。具体的には、第1の減衰部82aの減衰率は第2の減衰部82bの減衰率より大きくなっている。分割電極48と共通電極45とによって受信した受信信号は減衰されることなく加算部76へ入力される。このため、分割電極の位置が第1の主面の中心から離れるにつれて分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率は小さくなっている。
【0085】
信号強度変換部82は、受信した超音波信号の強度分布を補正するように受信信号を減衰させる。図9は、第1の実施形態と同様、第1の超音波振動子71および第2の超音波振動子72の圧電振動子の半径方向の位置に対する、受信信号の強度、信号強度変換部73の各増幅部の増幅率および増幅後の受信信号の強度を示している。
【0086】
図9の上部に示すように、受信する超音波の信号強度が分布している場合、図9の中央部に示すように、分割電極によって受信信号を減衰させる減衰部の減衰率を変化させる。受信信号の信号強度がもっとも強い成分を受ける分割電極46による受信信号を減衰させる減衰率d1を大きくし、次に受信信号の信号強度が強い部分を受ける分割電極47による受信信号を減衰させる減衰率d2を小さくする。受信信号の信号強度がもっとも弱い部分を受ける分割電極48による受信信号は減衰させない。
【0087】
このように減衰率を変化させることによって、図9の下部に示すように、減衰後の受信信号の強度分布は減衰前に比べて小さくなる。第1の実施形態と同様、減衰前の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれImaxおよびIminとし、減衰後の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれI’maxおよびI’minとした場合、少なくともImax/Imin>I’max/I’minであり、好ましくは、1≦I’max/I’min≦2を満たすことが好ましい。より好ましくは、図9の下部において、破線で示すように各分割電極による受信信号の平均の信号強度がおおよそ一致するよう、減衰率d1、d2が定められている。受信信号の強度分布は送信部3から出力する駆動信号が一定である限り、ほとんど変化しないため、一度、減衰率d1、d2、a3を決定すれば、測定ごとにこれらの値を調整する必要はない。しかし、第1の実施形態で説明したように、第1の減衰部82aおよび第2の増幅部82bにそれぞれオートアッテネートコントロールを設け、減衰後の受信信号が上述の関係を満たすように減衰率d1、d2、を自動調整してもよい。
【0088】
信号強度変換部82によって強度が変換された各受信信号を加算部76で加算した後、増幅部83において加算された受信信号は、第1の実施形態と同様にしてゼロクロス検知部8により検知され、流速が求められる。
【0089】
本実施形態によれば、受信側超音波振動子の圧電振動子の電極を分割し、到達する超音波信号のうち信号強度が大きくなる部分に対応する電極によって検出される信号をより大きな減衰率でいったん減衰させる。その後、分割した電極によりそれぞれ受信された信号を加算することにより、信号強度の分布が小さくなるよう信号の強度分布が補償された受信信号が得られる。この受信信号を増幅して、超音波の伝播時間を求めることにより、受信信号を増幅することができ、流体に流速分布が生じている場合でも、分布が生じている流速のいずれの成分の寄与も正しく評価した真の平均流速を求めることが可能となる。したがって、流体の流速分布がある場合でも、正確に流量を計測できる超音波流量計が実現する。
(第5の実施形態)
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
【0090】
図10は、配管90内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ63のブロック図を示している。配管90内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【0091】
ガスメータ63は、配管90内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計91と、緊急時に配管90を流れるガスを遮断する遮断弁92と、超音波流量計91および遮断弁92を制御するマイコン93と、超音波流量計63を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部94とを備える。超音波流量計91には、第1および第2の実施形態の超音波流量計を用いることができる。マイコン93は超音波流量計91のマイコン(図3等のマイコン77)を用いてもよい。図に示すように、ガスメータ63は、ガス会社などへ計測した流量に関するデータを送信したり、ガス会社からガスメータ63を制御するための通信ユニット95を備えていてもよい。
【0092】
マイコン93は超音波流量計63によって計測される流量に関するデータを表示部94に表示するとともに、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁92を動作させ、ガスの供給を停止する。
【0093】
第1のおよび第2の実施形態で説明したように超音波流量計63は、流体に流速分布が生じている場合でも、分布が生じている流速のいずれの成分の寄与も正しく評価した真の平均流速を求めることができる。このため、ガスメータ63によれば、気温の変化等によって配管90を流れるガスの流速分布が大きく変化することがあっても、高い精度で流量を計測することが可能である。
【0094】
本発明は上記各実施形態で説明した超音波流量計およびガスメータに限定されるものではなく、各実施形態で説明した超音波流量計およびガスメータに種々の改変を加えてもよい。具体的には上記各実施形態で用いる超音波振動子の圧電素子は円柱状の圧電体と同心円により分割される分割電極を備えていたが圧電素子は他の構造を備えていてもよい。たとえば図11に示す圧電素子142は、正方形の共通電極145と、圧電体144と、分割電極146、147とを備える。圧電体144は、複数の溝144eおよび溝144dによって分割され、マトリクス状に配置された複数の圧電部144aを含む。各圧電部144aの第1の主面144a側に分割電極144、147が設けられ、第2の主面144b側には共通電極145が設けられている。溝144eおよび溝144dの位置および数は圧電体144の振動モード、不要な振動モードの影響、取り扱いの容易性などを考慮して決定される。
【0095】
分割電極146は中央の4つの圧電部144aの第1の主面144aを覆うように設けられ、分割電極147は、その周囲に設けられた圧電部144aの第1の主面144aを覆うように設けられている。
【0096】
圧電素子142を有する超音波振動子を用いて超音波の送受信を行う場合、分割電極147の領域の受信信号の強度は分割電極146の領域の受信信号の強度に比べて小さくなる。このため、分割電極147による受信信号を増幅する場合の増幅度を分割電極146の場合に比べて大きくすることによって、受信信号の強度分布を小さくすることができる。圧電素子142によれば、外形が正方形であるため、複数の圧電素子142を母基板から一度に複数製造することが可能となる。このため圧電素子142は量産性に優れ、製造コストを低減することができる。また、溝144eおよび溝144dによって圧電体144を分割することにより、不要な振動モードを減少させることができる。
【0097】
また、図12に示す圧電体素子142’を有する超音波振動子を本発明の超音波流量計に採用してもよい。圧電素子142’の圧電体144’は、図11に示す圧電素子142の圧電体144において、矢印Dで示す四隅の圧電部144aが取り去られている。四隅に圧電部が形成されていないため、分割電極146の外側には4つに分断された分割電極147aが形成される。圧電体素子142’を有する超音波振動子を用いる場合には、4つの分割電極147aを他の配線などにおり共通に接続することが好ましい。
【0098】
また、図13に示す圧電体素子242を有する超音波振動子を本発明の超音波流量計に採用してもよい。圧電体素子242は、正方形の共通電極245と、圧電体244と、分割電極246、247とを備える。圧電体244の第1の主面244aには互いに平行な複数の溝244dが設けられており、溝244dは第2の主面244bには達していない。このため、圧電体244をひとつの部品として取り扱うことが可能であり、圧電体244の取り扱いが容易になる。第1の主面244aには分割電極分割電極246、247が設けられており、第2の主面244bには共通電極245が設けられている。
【0099】
また、図14に示すように、上記各実施形態において、超音波流量計を設ける流路73を規定する壁面に拡散板96を設けてもよい。拡散板96は、送信側の超音波振動子から送信された超音波が壁面にあたる場合に、壁面で反射した超音波が受信側の超音波振動子に入射しないよう、超音波を拡散させる。このような拡散板を設けることにより、送信側の超音波振動子から受信側の超音波振動子へ到達する超音波は壁面において反射せず、直接流路を横切って伝播するものだけとなり、より高い精度で流体の流速および流量を計測することが可能となる。
【0100】
第1の実施形態の信号強度変換部は、増幅部のみを含み、第2の実施形態の信号強度変換部は減衰部のみを含んでいたが、超音波振動子に到達する超音波の信号強度分布が小さくなるよう、信号を変換することができる限り、信号強度変換部は増幅部および減衰部を含んでいてもよい。
【0101】
上記第1から第3の実施形態では第1の超音波振動子および第2の超音波振動子を用いて双方向に超音波を伝播させ、その伝播時間差により、流体の流速および流量を求めていた。しかし、式(1)から明らかなように、流体中の超音波の音速Cがわかっている場合には、第1の超音波振動子から第2の超音波振動子への伝播時間t1または第2の超音波振動子から第1の超音波振動子への伝播時間t2を計測することにより、流体の流速Vを求めることができる。つまり、第1から第5の実施形態において、第1の超音波振動子および第2の超音波振動子間の一方向の超音波の伝播時間を計測することにより、流体の流速および流量を求めもよい。
【0102】
また、本発明によれば、流路に生じた流速分布全体を正しく評価した平均流速および流量を求めることができるため、計測値と真の値との差異を補正するための流量係数を用いる必要はない。しかし、流路が特殊な形状をしていたり、流速が著しく変化する場合には、本発明の流量計を用いた上で、必要に応じて流量係数を設定してもよい。
【0103】
また、上記各実施形態では、流路を移動する流体が層流となっている場合を例示しているが、流体が乱流となっていても、同様に高い精度で流速および流量を求めることができる。流体が乱流になっている場合、流体中の速度分布は均一となる。このため、分割電極の1つで検出した受信信号のみを用いても、流体の流速および流量を正確に求めることができる。たとえば、図1および図2に示す分割電極46と共通電極45とを用いて検出される受信信号のみを用い、流体の流速および流量を求めてもよい。
【0104】
【発明の効果】
本発明によれば、受信した超音波の信号強度の分布が小さくなるよう信号強度変換部における各増幅部の増幅率を分割電極ごとに異ならせることにより、流体中の流速が遅い部分の流速を正しく評価することができる。このため、流路を移動する流体に速度分布が生じている場合や、速度分布が流量によって変化する場合でも、速度分布を反映した正確な平均の流速を求めることが可能となる。
【0105】
したがって、流体に速度分布が生じていたり、速度分布が変化する場合であっても高い制度で流量を求めることのできる超音波流量計およびガスメータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超音波流量計の第1の実施形態で用いる超音波振動子41の断面図である。
【図2】図1に示す超音波振動子の圧電素子を示す斜視図である。
【図3】本発明による超音波流量計の第1の実施形態を示すブロック図である。
【図4】図3に示す超音波流量計が設けられる流路の断面を示す模式図である。
【図5】図4に示す領域における流体の流速分布と超音波の信号強度分布との関係を示す図である。
【図6】図3に示す超音波流量計において、受信信号の強度分布、各分割電極で受信した信号を増幅するときの増幅率および増幅後の受信信号を説明する図である。
【図7】シングアラウンド法による流量の計測を説明する図である。
【図8】本発明による超音波流量計の第2の実施形態を示すブロック図である。
【図9】図8に示す超音波流量計において、受信信号の強度分布、各分割電極で受信した信号を増幅するときの増幅率および増幅後の受信信号を説明する図である。
【図10】本発明によるガスメータの実施形態を示すブロック図である。
【図11】本発明で用いる超音波振動子に用いられる圧電素子の他の形態を示す斜視図である。
【図12】本発明で用いる超音波振動子に用いられる圧電素子の他の形態を示す斜視図である。
【図13】本発明で用いる超音波振動子に用いられる圧電素子の他の形態を示す斜視図である。
【図14】本発明の超音波流量計を設置する流路に拡散板を設ける例を示す図である。
【図15】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図16】従来の超音波流量計に用いられる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図17】ゼロクロス検知法による受信信号の検知を説明する図である。
【図18】流路を移動する流体の流速分布を説明する図である。
【図19】(a)および(b)は、従来の超音波流量計が設けられた流路の断面を示す模式図である。
【符号の説明】
1、2、41 超音波振動子
3 送信部
4 受信部
5、74 切り替え部
6 ピークホールド部
7 レベル検知部
8 ゼロクロス検知部
9 遅延部
10 繰り返し部
11 計時部
12 流量算出部
13、73 流路
42 圧電振動子
43 ケース
44 圧電体
45 共通電極
46、47、48 分割電極
61、62 超音波流量計
63 ガスメータ
71 第1の超音波振動子
72 第2の超音波振動子
75、82 信号強度変換部
76 加算部
77 マイコン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flowmeter and a gas meter that measure the flow rate of a fluid using ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
The ultrasonic flow meter has features such as a simple structure, a small number of mechanically movable parts, a wide range in which the flow rate can be measured, and no pressure loss due to the flow meter. In addition, recent advances in electronics technology have made it possible to improve the measurement accuracy of ultrasonic flowmeters. For this reason, studies using ultrasonic flowmeters have been made in various fields that require measurement of gas and liquid flow rates, including gas meters.
[0003]
Hereinafter, the structure and measurement principle of a conventional ultrasonic flowmeter will be described. FIG. 15 is a block diagram showing an example of a conventional ultrasonic flowmeter. The ultrasonic flow meter shown in FIG. 15 is disclosed in
[0004]
FIG. 16 schematically shows the structure of the
[0005]
By applying a voltage to the
[0006]
An acoustic
[0007]
When the ultrasonic wave is propagated from the
[0008]
As a specific method for obtaining the fluid flow rate in accordance with this principle, a measurement method based on the single-around method will be specifically described.
[0009]
As shown in FIG. 15, the ultrasonic flowmeter includes a
[0010]
When the
[0011]
FIG. 17 shows an example of zero cross detection in a conventional ultrasonic flowmeter. The
[0012]
The
[0013]
The
[0014]
A value obtained by subtracting a value obtained by multiplying the delay time and the number of sing-around times from the time measured by the above-described method, and further dividing the value by the number of sing-around times is the ultrasonic wave propagation time.
[0015]
The propagation time when the
[0016]
[Expression 1]
[0017]
From these equations, the flow velocity V is expressed by the following equation.
[0018]
[Expression 2]
[0019]
If the flow velocity V of the fluid is obtained, the flow rate Q is obtained from the product of the cross-sectional area perpendicular to the fluid traveling direction in the
[0020]
When the flow of the fluid is ideal, the flow rate of the fluid can be correctly obtained by the method described above. However, in actual flow measurement, since the fluid has viscosity, the flow velocity decreases near the wall surface of the fluid, and the flow velocity of the fluid flowing through the flow path is not constant in the cross section of the
[0021]
FIG. 18 shows the propagation direction of ultrasonic waves (hereinafter referred to as ultrasonic propagation direction) and the movement direction of fluid (hereinafter referred to as fluid movement direction) propagating between the
[0022]
At this time, as shown in FIG. 18, the propagation path of the ultrasonic wave crosses the
[0023]
As shown in FIG. 19A, the
[0024]
The correction coefficient depends on the
[0025]
In order to solve such a problem, as shown in FIG. 19 (b),
[0026]
[Patent Document 1]
JP-A-8-233628
[Non-Patent Document 1]
Japan Electrical Measuring Instruments Manufacturers Association Standard, JEMIS 5032 "Flow Measurement Method Using Ultrasonic Wave" (Nippon Electric Measuring Manufacturers Association, 1987)
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
However, even when the
[0028]
An object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter and a gas meter that can solve the problems of the conventional ultrasonic flowmeter and can perform highly accurate measurement. It is another object of the present invention to provide a method for controlling such an ultrasonic flow meter.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The ultrasonic flowmeter of the present invention transmits first ultrasonic waves and is opposed to a first ultrasonic transducer disposed so as to form a path through which the ultrasonic waves propagate in a fluid flow path. A piezoelectric element having a piezoelectric body having two main surfaces, a plurality of divided electrodes provided on the first main surface, and a common electrode provided on the second main surface, Amplifying a plurality of reception signals respectively received by the second ultrasonic transducer arranged to receive ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transducer, and the common electrode and the plurality of divided electrodes at different rates Alternatively, the flow rate of the fluid moving through the flow path based on the signal obtained by the addition unit, the signal strength conversion unit to be attenuated, and an addition unit that adds a plurality of reception signals converted by the signal strength conversion unit Measure.
[0030]
In a preferred embodiment, the plurality of divided electrodes are respectively provided in a plurality of regions defined corresponding to the distance from the center of the first main surface.
[0031]
In a preferred embodiment, the signal intensity conversion unit includes a plurality of amplification units that amplify the plurality of received signals at different amplification rates.
[0032]
In a preferred embodiment, the signal intensity converting unit includes a plurality of amplifying units for amplifying the plurality of received signals at different amplification rates, and the position of the divided electrode is separated from the center of the first main surface. The amplification factor for amplifying the reception signal obtained from the divided electrode is large.
[0033]
In a preferred embodiment, the plurality of amplifying units include auto gain control.
[0034]
In a preferred embodiment, the signal strength conversion unit includes an attenuation unit that attenuates at least one of the plurality of received signals.
[0035]
In a preferred embodiment, the signal strength conversion unit includes at least two attenuation units for attenuating the plurality of received signals at different attenuation rates, and the position of the divided electrode is separated from the center of the first main surface. The attenuation factor for attenuating the received signal obtained from the divided electrodes is small.
[0036]
In a preferred embodiment, the ultrasonic flowmeter further includes an amplifying unit that amplifies the signal obtained by the adding unit.
[0037]
In a preferred embodiment, the maximum width of the flow path in the direction orthogonal to the ultrasonic propagation direction in the ultrasonic propagation path is the width of the transmission / reception surface of the first or second ultrasonic transducer in that direction. Smaller or nearly equal.
[0038]
In a preferred embodiment, the signal intensity conversion unit amplifies or attenuates the plurality of reception signals so that the reception signals per unit area of the plurality of divided electrodes are equal to each other.
[0039]
The ultrasonic flowmeter of the present invention includes a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other, a plurality of divided electrodes provided on the first main surface, and a second main surface. Received by the first and second ultrasonic transducers each including a piezoelectric element having a common electrode provided, and by the common electrode and the plurality of divided electrodes of the first or second ultrasonic transducer, respectively. A signal intensity converter that amplifies or attenuates a plurality of received signals at different rates, and a transmission that applies a drive voltage between the common electrode and the plurality of divided electrodes of the first or second ultrasonic transducer, respectively. A switching unit that selectively connects the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer to the signal intensity conversion unit and the transmission unit, and a plurality of units converted by the signal intensity conversion unit. The received signals of A signal obtained by the adder, wherein the signal obtained by the adder is arranged so as to form a path in the fluid flow path between the first and second ultrasonic transducers. The two-way propagation time of the ultrasonic wave is obtained based on the above, and the flow rate of the fluid is obtained based on the difference in the propagation time.
[0040]
In a preferred embodiment, the transmitting unit is arranged between the common electrode and the plurality of divided electrodes so that a uniform drive voltage is applied to the piezoelectric body of the first or second ultrasonic transducer. Apply drive signal.
[0041]
A gas meter of the present invention includes any one of the above ultrasonic flow meters provided in a flow path through which a gas flows, and a shut-off valve that blocks the gas flowing through the flow path.
[0042]
The method for controlling an ultrasonic flowmeter according to the present invention includes a first ultrasonic transducer, a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other, and a plurality of divisions provided on the first main surface, respectively. An ultrasonic flowmeter control method for measuring a flow rate of a fluid using an electrode and a second ultrasonic transducer including a piezoelectric element having a common electrode provided on the second main surface. (A) transmitting ultrasonic waves from the first ultrasonic transducer toward the second ultrasonic transducer so as to form a path for ultrasonic waves to propagate in the fluid flow path; and A step (B) of amplifying or attenuating a plurality of received signals respectively received by the common electrode and the plurality of divided electrodes of the ultrasonic transducer at different rates; and a step (C) of adding the plurality of received signals And the flow based on the signal obtained by the addition. Comprising the steps (D) to obtain the flow rate of the fluid to move.
[0043]
In a preferred embodiment, the plurality of divided electrodes are respectively provided in a plurality of regions defined corresponding to the distance from the center of the first main surface. In the step (B), the divided electrodes are provided. The plurality of signals are amplified so that the amplification factor for amplifying the reception signal obtained from the divided electrode increases as the position of the electrode moves away from the center of the first main surface.
[0044]
In a preferred embodiment, the plurality of divided electrodes are respectively provided in a plurality of regions defined corresponding to the distance from the center of the first main surface. In the step (B), the divided electrodes are provided. The plurality of reception signals are attenuated so that the attenuation rate for attenuating the reception signals obtained from the divided electrodes decreases as the position of the electrode moves away from the center of the first main surface.
[0045]
In a preferred embodiment, in the step (B), the received signals are amplified or attenuated so that received signal strengths per unit area of the divided electrodes are equal to each other.
[0046]
The ultrasonic flowmeter control method of the present invention includes a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other, a plurality of divided electrodes provided on the first main surface, and the second main surface. A method for controlling an ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid using first and second ultrasonic transducers each including a piezoelectric element having a common electrode provided on a surface, the first or second By applying a drive signal between the common electrode and the plurality of divided electrodes so that a uniform drive voltage is applied to the piezoelectric body of the ultrasonic transducer of (A) transmitting an ultrasonic wave from the first or second ultrasonic transducer toward the second or first ultrasonic transducer so as to form a path for propagation, and the second or second By the common electrode and the plurality of divided electrodes of the ultrasonic vibrator. A step (B) of amplifying or attenuating a plurality of received signals received at different rates; a step (C) of adding the plurality of received signals; and the flow path based on the signal obtained by the addition. And (D) determining the flow rate of the moving fluid.
[0047]
The computer-readable recording medium of the present invention records a program for causing a computer to execute each step defined in any of the above-described ultrasonic flowmeter control methods.
[0048]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
First, an
[0049]
As shown in FIG. 1, the
[0050]
An
[0051]
As will be described in detail below, in the
[0052]
Next, the structure of the first embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the
[0053]
The first
[0054]
As shown in FIG. 4, the maximum width L2 of the flow path in the direction (x direction) orthogonal to the ultrasonic propagation direction in the ultrasonic propagation path is the first or second ultrasonic transducer in that direction. Is smaller than or substantially equal to the width L1 of the transmission / reception wave surface. For this reason, the propagation path of the ultrasonic wave completely crosses the
[0055]
As the first
[0056]
The
[0057]
The
[0058]
In the case where the switching
[0059]
The signal
[0060]
The
[0061]
The
[0062]
The
[0063]
Each unit described above can be configured by hardware using electronic components or the like, or can be configured by software. The
[0064]
Next, the amplification factor in each amplification unit of the signal
[0065]
FIG. 5 shows the flow velocity distribution of the fluid in the vicinity of the ultrasonic wave propagation path formed between the first
[0066]
On the other hand, in general, when ultrasonic waves are transmitted from a piezoelectric element, in a short-distance sound field close to the transmission position, the signal shows a complex intensity distribution that depends on the frequency. Become. When measuring the flow rate of the fluid, ultrasonic waves are transmitted and received at a distance where the intensity distribution of the propagating ultrasonic waves is constant so that there is little error and measurement can be performed stably. For example, when the ultrasonic wave transmitted from the first
[0067]
In order to solve this problem, the
[0068]
As shown in the upper part of FIG. 6, the received ultrasonic signal has an intensity distribution that is rotationally symmetric with respect to a line that passes through the
[0069]
The amplification factor when a signal received by each divided electrode is amplified is set as shown in the center portion of FIG. Specifically, the amplification factor a1 for amplifying the received signal by the divided
[0070]
Thus, by reducing the signal intensity distribution of the received signal received by one electrode and changing the amplification factor for each electrode, the intensity distribution of the amplified received signal is amplified as shown in the lower part of FIG. Smaller than before. The maximum and minimum strengths of the received signal before amplification are expressed as I max And I min And the maximum and minimum intensities of the amplified received signal are I ′ max And I ' min If at least I max / I min > I ' max / I ' min And preferably 1 ≦ I ′ max / I ' min It is preferable to satisfy ≦ 2. More preferably, in the lower part of FIG. 6, the amplification factors a1, a2, and a3 are determined so that the average signal intensities of the received signals from the respective divided electrodes substantially match as shown by the broken lines. Since the intensity distribution of the received signal hardly changes as long as the drive signal output from the
[0071]
In this way, by changing the amplification factor of each amplification unit in the signal
[0072]
The piezoelectric elements of the first
[0073]
Signals amplified at different amplification factors in the respective amplification units are added in the
[0074]
Next, a procedure for measuring the fluid flow rate using the
[0075]
As shown in FIG. 3, using the
[0076]
As shown in FIG. 7, a
[0077]
The ultrasonic waves that have crossed the
[0078]
The
[0079]
Next, using the
[0080]
By substituting the values of t1 and t2 and the angle θ into the equation (2), the flow velocity V of the fluid is obtained. Further, if the cross-sectional area of the
[0081]
As described above, according to the present embodiment, the electrodes of the piezoelectric transducer of the reception-side ultrasonic transducer are divided, and the signal detected by the electrode corresponding to the portion where the signal intensity becomes weaker among the reaching ultrasonic signals is further increased. Amplifies with large amplification. Therefore, it is possible to amplify the received signal by compensating so that the intensity distribution of the received signal becomes small, and even when the flow velocity distribution is generated in the fluid, the contribution of any component of the generated flow velocity is correctly evaluated. It is possible to determine the true average flow velocity. Therefore, an ultrasonic flowmeter capable of accurately measuring the flow rate even when there is a fluid flow velocity distribution is realized.
[0082]
Further, according to the ultrasonic flowmeter of the present embodiment, even if the fluid has a flow velocity distribution, the true average flow velocity can be obtained, so there is no need to use a flow coefficient for correcting the flow rate. Even if the flow velocity distribution changes due to fluctuations in the flow rate, an accurate average flow velocity and flow rate can be obtained without using a flow coefficient.
[0083]
(Second Embodiment)
The structure of the second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the
[0084]
As shown in FIG. 8, the signal
[0085]
The signal
[0086]
As shown in the upper part of FIG. 9, when the signal intensity of the received ultrasonic wave is distributed, the attenuation rate of the attenuation unit that attenuates the received signal is changed by the divided electrodes as shown in the central part of FIG. 9. The attenuation rate d1 for attenuating the received signal by the divided
[0087]
By changing the attenuation rate in this way, the intensity distribution of the received signal after attenuation becomes smaller than that before attenuation, as shown in the lower part of FIG. As in the first embodiment, when the maximum and minimum strengths of the reception signal before attenuation are Imax and Imin, respectively, and the maximum and minimum strengths of the reception signal after attenuation are I′max and I′min, respectively, At least Imax / Imin> I′max / I′min, and preferably 1 ≦ I′max / I′min ≦ 2. More preferably, in the lower part of FIG. 9, the attenuation factors d1 and d2 are determined so that the average signal strengths of the received signals from the respective divided electrodes substantially coincide as indicated by broken lines. Since the intensity distribution of the received signal hardly changes as long as the drive signal output from the
[0088]
After the reception signals whose strengths have been converted by the signal
[0089]
According to this embodiment, the piezoelectric transducer electrode of the reception-side ultrasonic transducer is divided, and the signal detected by the electrode corresponding to the portion of the reaching ultrasonic signal where the signal intensity is increased is greater in attenuation rate. To attenuate once. Thereafter, by adding the signals received by the divided electrodes, a received signal in which the signal intensity distribution is compensated so as to reduce the signal intensity distribution is obtained. The received signal can be amplified by amplifying the received signal to obtain the propagation time of the ultrasonic wave. Even when a flow velocity distribution is generated in the fluid, any component of the flow velocity at which the distribution is generated contributes. It is possible to obtain a true average flow velocity that is correctly evaluated. Therefore, an ultrasonic flowmeter capable of accurately measuring the flow rate even when there is a fluid flow velocity distribution is realized.
(Fifth embodiment)
Hereinafter, the gas meter provided with the ultrasonic flowmeter of the present invention will be described.
[0090]
FIG. 10 shows a block diagram of a
[0091]
The
[0092]
The
[0093]
As described in the first and second embodiments, the
[0094]
The present invention is not limited to the ultrasonic flowmeters and gas meters described in the above embodiments, and various modifications may be made to the ultrasonic flowmeters and gas meters described in the embodiments. Specifically, the piezoelectric element of the ultrasonic transducer used in each of the above embodiments includes a divided electrode divided by a cylindrical piezoelectric body and a concentric circle, but the piezoelectric element may have another structure. For example, the
[0095]
The
[0096]
When ultrasonic waves are transmitted and received using an ultrasonic transducer having the
[0097]
Further, an ultrasonic vibrator having the
[0098]
Moreover, you may employ | adopt the ultrasonic transducer | vibrator which has the
[0099]
Further, as shown in FIG. 14, in each of the above embodiments, a
[0100]
The signal intensity conversion unit of the first embodiment includes only the amplification unit, and the signal intensity conversion unit of the second embodiment includes only the attenuation unit. However, the signal intensity of the ultrasonic wave reaching the ultrasonic transducer is not included. As long as the signal can be converted so as to reduce the distribution, the signal intensity conversion unit may include an amplification unit and an attenuation unit.
[0101]
In the first to third embodiments, ultrasonic waves are propagated in both directions using the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer, and the flow velocity and flow rate of the fluid are obtained from the propagation time difference. It was. However, as is clear from the equation (1), when the sound velocity C of the ultrasonic wave in the fluid is known, the propagation time t1 from the first ultrasonic vibrator to the second ultrasonic vibrator or the first By measuring the propagation time t2 from the second ultrasonic transducer to the first ultrasonic transducer, the flow velocity V of the fluid can be obtained. That is, in the first to fifth embodiments, the flow velocity and flow rate of the fluid are obtained by measuring the propagation time of the ultrasonic wave in one direction between the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer. Also good.
[0102]
Further, according to the present invention, it is possible to obtain the average flow velocity and flow rate that correctly evaluate the entire flow velocity distribution generated in the flow path, and therefore it is necessary to use a flow coefficient for correcting the difference between the measured value and the true value. There is no. However, when the flow path has a special shape or the flow velocity changes remarkably, the flow coefficient may be set as necessary after using the flowmeter of the present invention.
[0103]
Further, in each of the above embodiments, the case where the fluid moving in the flow path is a laminar flow is illustrated, but the flow velocity and flow rate are similarly determined with high accuracy even if the fluid is turbulent. Can do. When the fluid is turbulent, the velocity distribution in the fluid is uniform. For this reason, even if only the received signal detected by one of the divided electrodes is used, the flow velocity and flow rate of the fluid can be accurately obtained. For example, the flow velocity and flow rate of the fluid may be obtained using only the reception signal detected using the divided
[0104]
【The invention's effect】
According to the present invention, by changing the amplification factor of each amplification unit in the signal intensity conversion unit for each divided electrode so that the distribution of the signal intensity of the received ultrasonic wave becomes small, the flow rate of the slow flow rate in the fluid is reduced. Can be evaluated correctly. For this reason, even when a velocity distribution is generated in the fluid moving in the flow path, or even when the velocity distribution changes depending on the flow rate, an accurate average flow velocity reflecting the velocity distribution can be obtained.
[0105]
Therefore, it is possible to obtain an ultrasonic flowmeter and a gas meter capable of obtaining a flow rate with a high system even when a velocity distribution occurs in the fluid or the velocity distribution changes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an
2 is a perspective view showing a piezoelectric element of the ultrasonic transducer shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention.
4 is a schematic view showing a cross section of a flow path in which the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 3 is provided.
5 is a diagram showing a relationship between a fluid flow velocity distribution and an ultrasonic signal intensity distribution in the region shown in FIG. 4; FIG.
6 is a diagram for explaining the intensity distribution of a received signal, the amplification factor when a signal received by each divided electrode is amplified, and the received signal after amplification in the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating flow rate measurement by a sing-around method.
FIG. 8 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention.
9 is a diagram for explaining the intensity distribution of a received signal, the amplification factor when a signal received by each divided electrode is amplified, and the received signal after amplification in the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 8. FIG.
FIG. 10 is a block diagram showing an embodiment of a gas meter according to the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing another embodiment of the piezoelectric element used in the ultrasonic transducer used in the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing another embodiment of the piezoelectric element used in the ultrasonic transducer used in the present invention.
FIG. 13 is a perspective view showing another embodiment of the piezoelectric element used in the ultrasonic transducer used in the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an example in which a diffusion plate is provided in a flow path in which the ultrasonic flowmeter of the present invention is installed.
FIG. 15 is a block diagram showing a conventional ultrasonic flowmeter.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of an ultrasonic transducer used in a conventional ultrasonic flowmeter.
FIG. 17 is a diagram illustrating detection of a received signal by a zero cross detection method.
FIG. 18 is a diagram illustrating a flow velocity distribution of a fluid moving through a flow path.
FIGS. 19A and 19B are schematic views showing a cross section of a flow path provided with a conventional ultrasonic flow meter. FIGS.
[Explanation of symbols]
1, 2, 41 Ultrasonic transducer
3 Transmitter
4 receiver
5, 74 switching part
6 Peak hold section
7 Level detector
8 Zero cross detector
9 Delay part
10 Repeating part
11 Timekeeping Department
12 Flow rate calculation unit
13, 73 flow path
42 Piezoelectric vibrator
43 cases
44 Piezoelectric body
45 Common electrode
46, 47, 48 Split electrode
61, 62 Ultrasonic flow meter
63 Gas meter
71 First ultrasonic transducer
72 Second ultrasonic transducer
75, 82 Signal strength converter
76 Adder
77 Microcomputer
Claims (19)
対向する第1および第2の主面を有する圧電体、前記第1の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第2の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含み、前記第1の超音波振動子から送信される超音波を受信するように配置される第2の超音波振動子と、
前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、
前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部と、
を備え、前記加算部で得られた信号に基づいて流路を移動する流体の流量を計測する超音波流量計。A first ultrasonic transducer that transmits ultrasonic waves and is arranged to form a path through which the ultrasonic waves propagate in a fluid flow path;
A piezoelectric element having first and second main surfaces facing each other, a plurality of divided electrodes respectively provided on the first main surface, and a piezoelectric element having a common electrode provided on the second main surface A second ultrasonic transducer that is arranged to receive ultrasonic waves transmitted from the first ultrasonic transducer;
A signal intensity converter that amplifies or attenuates a plurality of received signals respectively received by the common electrode and the plurality of divided electrodes at different rates;
An adder for adding a plurality of received signals converted by the signal strength converter;
An ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of the fluid that moves through the flow path based on the signal obtained by the adding unit.
前記第1または第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、
前記第1または第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動電圧を印加する送信部と、
前記第1の超音波振動子および前記第2の超音波振動子を前記信号強度変換部および前記送信部と選択的に接続する切り替え部と、
前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部と、
を備え、
前記第1および第2の超音波振動子間で超音波が双方向に伝播する経路を流体の流路中に形成するように配置し、前記加算部で得られた信号に基づいて超音波の双方向の伝播時間を求め、前記伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を求める超音波流量計。A piezoelectric element having first and second main surfaces facing each other, a plurality of divided electrodes provided on the first main surface, and a piezoelectric element having a common electrode provided on the second main surface, respectively Including first and second ultrasonic transducers;
A signal intensity converter that amplifies or attenuates a plurality of received signals respectively received by the common electrode and the plurality of divided electrodes of the first or second ultrasonic transducer at different rates;
A transmitter for applying a driving voltage between the common electrode and the plurality of divided electrodes of the first or second ultrasonic transducer;
A switching unit that selectively connects the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer to the signal intensity conversion unit and the transmission unit;
An adder for adding a plurality of received signals converted by the signal strength converter;
With
A path through which the ultrasonic wave propagates bidirectionally between the first and second ultrasonic transducers is formed in the fluid flow path, and the ultrasonic wave is generated based on the signal obtained by the adding unit. An ultrasonic flowmeter for obtaining a bidirectional propagation time and obtaining a flow rate of the fluid based on a difference in the propagation time.
前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、
を備えたガスメータ。The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 12, which is provided in a flow path through which gas flows;
A shutoff valve for shutting off a gas flowing through the flow path;
Gas meter equipped with.
流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第1の超音波振動子から第2の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ(A)と、
前記第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ(B)と、
前記複数の受信信号を加算するステップ(C)と、
前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ(D)と、
を包含する超音波流量計の制御方法。A first ultrasonic transducer, a piezoelectric body having first and second main surfaces facing each other, a plurality of divided electrodes respectively provided on the first main surface, and provided on the second main surface A method for controlling an ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid using a second ultrasonic transducer including a piezoelectric element having a common electrode formed,
Transmitting ultrasonic waves from the first ultrasonic transducer toward the second ultrasonic transducer so as to form a path for ultrasonic waves to propagate in the fluid flow path;
Amplifying or attenuating a plurality of received signals respectively received by the common electrode and the plurality of divided electrodes of the second ultrasonic transducer at different rates;
Adding the plurality of received signals (C);
A step (D) of obtaining a flow rate of the fluid moving through the flow path based on the signal obtained by the addition; and
A method for controlling an ultrasonic flowmeter including:
前記ステップ(B)において、前記分割電極の位置が前記第1の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなるよう、前記複数の信号を増幅する請求項14に記載の超音波流量計の制御方法。The plurality of divided electrodes are respectively provided in a plurality of regions defined corresponding to the distance from the center of the first main surface,
In the step (B), the plurality of signals are amplified so that the amplification factor for amplifying the reception signal obtained from the division electrode increases as the position of the division electrode moves away from the center of the first main surface. The method for controlling an ultrasonic flowmeter according to claim 14.
前記ステップ(B)において、前記分割電極の位置が前記第1の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなるよう、前記複数の受信信号を減衰させる請求項14に記載の超音波流量計の制御方法。The plurality of divided electrodes are respectively provided in a plurality of regions defined corresponding to the distance from the center of the first main surface,
In the step (B), the plurality of received signals are attenuated so that the attenuation rate for attenuating the received signals obtained from the divided electrodes decreases as the position of the divided electrodes moves away from the center of the first main surface. The method for controlling an ultrasonic flowmeter according to claim 14.
前記第1または第2の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動信号を印加することにより、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第1または第2の超音波振動子から第2または第1の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ(A)と、
前記第2または第2の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ(B)と、
前記複数の受信信号を加算するステップ(C)と、
前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ(D)と、
を包含する超音波流量計の制御方法。A piezoelectric element having first and second main surfaces facing each other, a plurality of divided electrodes provided on the first main surface, and a piezoelectric element having a common electrode provided on the second main surface, respectively A control method for an ultrasonic flowmeter that measures a flow rate of a fluid using first and second ultrasonic transducers including:
By applying a drive signal between the common electrode and the plurality of divided electrodes so that a uniform drive voltage is applied to the piezoelectric body of the first or second ultrasonic transducer, Transmitting ultrasonic waves from the first or second ultrasonic transducer toward the second or first ultrasonic transducer so as to form a path through which the ultrasonic waves propagate in the flow path;
Amplifying or attenuating a plurality of received signals respectively received by the common electrode and the plurality of divided electrodes of the second or second ultrasonic transducer at different rates;
Adding the plurality of received signals (C);
A step (D) of obtaining a flow rate of the fluid moving through the flow path based on the signal obtained by the addition; and
A method for controlling an ultrasonic flowmeter including:
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