JP2000035353A - 伝搬時間計測方法及び装置並びに超音波式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小流量での超音波伝搬時間の計測を安定して
正確に行うことを可能にした伝搬時間計測方法及び装置
並びに小流量の流体流量の計測を安定して正確に行うこ
とを可能にした超音波式流量計を提供する。 【解決手段】 一対の音響トランスジューサＴＤ１，Ｔ
Ｄ２を流体管路に流体の流れ方向に一定距離離間して対
向するように配置した。送信信号発生手段２は、予め定
めた位置に位相を反転したマーカの挿入されている送信
信号を発生する。受信信号処理手段３１は、送信側超音
波トランスジューサからの超音波を受信して受信側超音
波トランスジューサが発生する検出信号中の位相反転部
分を検出する。計時手段１２は、送信信号に挿入したマ
ーカの送信タイミングから検出信号から検出した位相反
転部分の受信タイミングまでの時間を伝搬時間として計
測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は伝搬時間計測方法及
び装置並びに超音波式流量計に係り、特に超音波を利用
してガスなどの流量を計測する超音波式流量計に用いら
れる伝搬時間計測方法及び装置並びに超音波式流量計に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波式流量計として、図９の概
要構成ブロック図に示すものが考えられている。同図に
おいて、流体管路２１の一部に超音波振動子２２、２３
を対向するように配置し、流体管路２１の上流側に配置
した超音波振動子２２（＝送信側振動子として機能）か
ら発せられた超音波を流体管路２１の下流側に配置した
超音波振動子２３（受信側振動子として機能）が検出す
るまでの時間ｔ１及び超音波振動子２３（送信側振動子
として機能）から発せられた超音波を超音波振動子２２
（受信側振動して機能）が検出するまでの時間ｔ２を計
測する（図１０（ａ）、（ｂ）参照）。

【０００３】この場合において、時間ｔ１及び時間ｔ２
は、超音波振動子２２と超音波振動子２３との間の距離
をＬ、音速をＣ、流体の流速をＶ、流体の流量をＱ、流
体管路の断面積をＡとすると、 ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ……（１） ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ……（２） Ｖ＝Ｌ／２・（（ｔ２−ｔ１）／（ｔ１・ｔ２）） ……（３） Ｑ＝Ｋ・Ａ・Ｖ ＝Ｋ・Ａ・｛Ｌ／２・（（ｔ２−ｔ１）／（ｔ１・ｔ２））｝ ……（４） となる。ただし、Ｋは、流体の種類などで定まる係数で
ある。

【０００４】ところで、図９には示していないが、従来
の超音波式流量計では、送信側振動子が発した超音波を
受信側振動子が受信するまでの伝搬時間ｔ１、ｔ２を計
測するため、図１１に示すように受信側振動子が超音波
を受信することで発生する検出信号を増幅回路２４によ
り増幅して増幅検出信号を得、この増幅検出信号を次の
比較部２５にて所定の基準値と比較し、比較部２５は比
較の結果を図示しない計時部に送る。又は、比較部２５
をゼロクロス比較部として構成し、増幅検出信号をゼロ
クロス比較部２５にて０値と比較し、その比較の結果を
図示しない計時部に送る。そして、計時部では、送信側
振動子に超音波を発生させる図示しないスタート部から
すでに送られている信号から比較部２５からの信号まで
の経過時間を計時し、この経過時間を伝搬時間ｔ１、ｔ
２として求める。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した超音波式流量
計では、図１０（ｂ）から明らかなように、流体の流量
が大流量である場合には時間ｔ１と時間ｔ２との時間差
Δｔが長いため、計測精度上の問題はないが、流体の流
量が小流量である場合には、時間ｔ１と時間ｔ２との時
間差Δｔが非常に短くなり、上述したような伝搬時間の
計測の仕方では、僅かなノイズが重畳しても大きな計測
誤差が生じるようになる。特に、一定の微少な流量値以
上の連続的な流量の存在によって配管の微少漏洩を監視
するような場合には、この誤差が監視結果を誤らせてし
まう致命的な問題になることがある。

【０００６】よって本発明は、小流量での超音波伝搬時
間の計測を安定して正確に行うことを可能にした伝搬時
間計測方法及び装置、並びに小流量の流体流量の計測を
安定して正確に行うことを可能にした超音波式流量計を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
なされた請求項１記載の発明は、流体管路に流体の流れ
方向に一定距離離間して対向するように配置した一対の
音響トランスジューサの一方を送信側、他方を受信側と
して使用し、送信側音響トランスジューサの発生する超
音波が受信側音響トランスジューサに到達するまでの時
間を伝搬時間として計測するようにした伝搬時間計測方
法において、予め定めた位置に位相を反転したマーカの
挿入されている送信信号により前記送信側音響トランス
ジューサを駆動して超音波を発生させ、前記送信側音響
トランスジューサからの超音波を受信して前記受信側音
響トランスジューサが発生する検出信号中の位相反転部
分を検出し、前記送信信号に挿入したマーカの送信タイ
ミングから前記検出信号から検出した位相反転部分の受
信タイミングまでの時間を前記伝搬時間として計測する
ようにしたことを特徴とする伝搬時間計測方法に存す
る。

【０００８】請求項１記載の伝搬時間計測方法によれ
ば、送信側音響トランスジューサを駆動する送信信号に
は、予め定めた位置に位相を反転したマーカの挿入され
ていて、受信側音響トランスジューサが超音波を受信し
て発生する検出信号中の位相反転部分を検出し、送信信
号に挿入したマーカの送信タイミングから検出信号から
検出した位相反転部分の受信タイミングまでの時間を伝
搬時間として計測するようにしているので、ノイズが重
畳しても影響を受けることなく、位相反転部分を確実に
検出することができる。

【０００９】請求項２記載の発明は、流体管路に流体の
流れ方向に一定距離離間して対向するように配置した一
対の音響トランスジューサと、該一対の音響トランスジ
ューサの一方を送信側とし、該送信側音響トランスジュ
ーサを駆動して超音波を発生させる送信信号を発生する
送信信号発生手段と、前記一対の音響トランスジューサ
の他方を受信側とし、該受信側音響トランスジューサが
前記送信側音響トランスジューサからの超音波を受信し
て発生する検出信号を受信処理する受信信号処理手段
と、前記送信信号と前記検出信号とに基づいて、前記送
信側音響トランスジューサによる超音波の発生から受信
側音響トランスジューサに超音波が到達するまでの時間
を伝搬時間として計測する計時手段とを備える伝搬時間
計測装置において、前記送信信号発生手段は、予め定め
た位置に位相を反転したマーカの挿入されている送信信
号を発生し、前記受信信号処理手段は、前記送信側超音
波トランスジューサからの超音波を受信して前記受信側
超音波トランスジューサが発生する検出信号中の位相反
転部分を検出し、前記計時手段は、前記送信信号に挿入
したマーカの送信タイミングから前記検出信号から検出
した位相反転部分の受信タイミングまでの時間を前記伝
搬時間として計測することを特徴とする伝搬時間計測装
置に存する。

【００１０】請求項２記載の伝搬時間計測装置によれ
ば、送信信号発生手段が発生する送信信号には、予め定
めた位置に位相を反転したマーカの挿入されており、送
信側超音波トランスジューサからの超音波を受信して受
信側超音波トランスジューサが発生する検出信号中の位
相反転部分を受信信号処理手段が検出し、計時手段が送
信信号に挿入したマーカの送信タイミングから、検出信
号から検出した位相反転部分の受信タイミングまでの時
間を伝搬時間として計測しているので、ノイズが重畳し
ても影響を受けることなく、位相反転部分を確実に検出
することができる。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項２に記載の
発明において、前記送信信号発生手段が発生する送信信
号がゼロクロス点において位相反転された予め定めた波
形の周期信号であり、前記受信信号処理手段が、前記受
信側音響トランスジューサからの検出信号をアナログ−
デジタル変換して検出デジタルデータを出力するＡ／Ｄ
変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段からの検出デジタルデー
タを１周期別に記録する記録手段と、該記録手段に記録
された１周期前の検出デジタルデータと前記Ａ／Ｄ変換
手段からの検出デジタルデータとを順次乗算して乗算デ
ジタルデータを出力する乗算手段と、該乗算手段からの
乗算デジタルデータの極性の反転を検出する反転検出手
段と、前記記録手段に記録されている検出デジタルデー
タによって得た曲線又は一定の正弦波による近似により
曲線のゼロクロス点を位相反転部分の第１の補正点とし
て算出する第１の補正点算出手段とを有し、前記計時手
段は、前記送信側音響トランスジューサによる超音波の
発生から前記反転検出手段による極性の反転の検出まで
の時間を計時し、該計時した時間を前記第１の補正点算
出手段により算出した第１の補正点によって補正して伝
搬時間を計測することを特徴とする伝搬時間計測装置に
存する。

【００１２】請求項３記載の伝搬時間計測装置によれ
ば、受信信号処理手段において、Ａ／Ｄ変換手段が受信
側音響トランスジューサからの検出信号をアナログ−デ
ジタル変換して検出デジタルデータを出力し、Ａ／Ｄ変
換手段からの検出デジタルデータを１周期別に記録手段
が記録し、記録手段に記録された１周期前の検出デジタ
ルデータとＡ／Ｄ変換手段からの検出デジタルデータと
を乗算手段が順次乗算して乗算デジタルデータを出力
し、乗算手段からの乗算デジタルデータの極性の反転を
反転検出手段が検出したとき、第１の補正点算出手段が
記録手段に記録されている検出デジタルデータによって
得た曲線又は一定の正弦波による近似により曲線のゼロ
クロス点を位相反転部分の第１の補正点として算出する
ようになっていおり、計時手段が計時した送信側音響ト
ランスジューサによる超音波の発生から反転検出手段に
よる極性の反転の検出までの時間を、第１の補正点算出
手段により算出した第１の補正点によって補正して伝搬
時間を計測しているので、ノイズが重畳しても影響を受
けることなく、位相反転部分の検出をより正確にかつ簡
単に行うことができる。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項３記載の伝
搬時間計測装置において、前記送信信号発生手段が送信
信号の送信電力を予め定めた設定データにより可変可能
であり、前記Ａ／Ｄ変換手段が検出デジタルデータの値
を予め定めた調整率で調整可能であり、前記受信信号処
理手段が、前記記録手段に記録されている検出デジタル
データに基づいて検出デジタルデータの振幅を算出する
振幅算出手段を有し、該振幅算出手段によって算出した
振幅に基づいて、前記送信信号発生手段の送信電力を可
変する設定データと、前記Ａ／Ｄ変換手段の調整率とを
設定することを特徴とする伝搬時間計測装置に存する。

【００１４】請求項４記載の伝搬時間計測装置によれ
ば、振幅算出手段によって算出した振幅に基づいて、送
信信号発生手段の送信電力を可変する設定データと、Ａ
／Ｄ変換手段の調整率とを設定しているので、記録手段
に記録されている検出デジタルデータによって得られる
曲線による近似が常に一定して、位相反転部分の第１の
補正点として求められる曲線のゼロクロス点が一定する
ようになる。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項２記載の伝
搬時間計測装置において、前記送信信号発生手段が発生
する送信信号がゼロクロス点において位相反転された予
め定めた波形の周期信号であり、前記受信信号処理手段
が、前記受信側音響トランスジューサからの検出信号を
アナログ−デジタル変換して検出デジタルデータを出力
するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段からの検出デ
ジタルデータを１周期別に記録する記録手段と、該記録
手段に記録された１周期前の検出デジタルデータと前記
Ａ／Ｄ変換手段からの検出デジタルデータとを順次乗算
して乗算デジタルデータを出力する乗算手段と、該乗算
手段からの乗算デジタルデータの極性の反転を検出して
位相反転検出信号を出力する反転検出手段と、前記記録
手段に記録されている検出デジタルデータによって得た
曲線又は一定の正弦波による近似により曲線のゼロクロ
ス点を位相反転部分の第１の補正点として算出する第１
の補正点算出手段、又は前記反転検出手段により極性の
反転を検出した乗算デジタルデータと直前の乗算デジタ
ルデータとによる直線近似により直線のゼロクロス点を
位相反転部分の第２の補正点として算出する第２の補正
点算出手段の少なくとも一方とを有し、前記計時手段
は、前記送信側音響トランスジューサによる超音波の発
生から前記反転検出手段からの位相反転検出信号の出力
までの時間を計時し、該計時した時間を前記第１の補正
点算出手段により算出した第１の補正点によって補正し
て第１の伝搬時間、又は前記第２の補正点算出手段によ
り算出した第２の補正点によって補正して第２の伝搬時
間の少なくとも一方を計測することを特徴とする請求項
２記載の伝搬時間計測装置に存する。

【００１６】請求項５記載の伝搬時間計測装置によれ
ば、受信信号処理手段において、Ａ／Ｄ変換手段が受信
側音響トランスジューサからの検出信号をアナログ−デ
ジタル変換して検出デジタルデータを出力し、Ａ／Ｄ変
換手段からの検出デジタルデータを１周期別に記録手段
が記録し、記録手段に記録された１周期前の検出デジタ
ルデータとＡ／Ｄ変換手段からの検出デジタルデータと
を乗算手段が順次乗算して乗算デジタルデータを出力
し、乗算手段からの乗算デジタルデータの極性の反転を
反転検出手段が検出したとき、第１の補正点算出手段が
記録手段に記録されている検出デジタルデータによって
得た曲線又は一定の正弦波による近似により曲線のゼロ
クロス点を位相反転部分の第１の補正点として算出する
か、第２の補正点算出手段が反転検出手段により極性の
反転を検出した乗算デジタルデータと直前の乗算デジタ
ルデータとによる直線近似により直線のゼロクロス点を
位相反転部分の第２の補正点として算出するようになっ
ており、計時手段が計時した送信側音響トランスジュー
サによる超音波の発生から反転検出手段による極性の反
転の検出までの時間を、第１の補正点算出手段により算
出した第１の補正点によって補正して第１の伝搬時間、
又は第２の補正点算出手段により算出した第２の補正点
によって補正して第２の伝搬時間を計測しているので、
ノイズが重畳しても影響を受けることなく、位相反転部
分の検出をより正確にかつ簡単に行うことができる。

【００１７】請求項６記載の発明は、請求項３〜５の何
れかに記載の伝搬時間計測装置において、前記送信信号
発生手段が発生する送信信号がゼロクロス点において位
相反転された２つのマーカが挿入された予め定めた波形
の周期信号であり、前記反転検出手段は前記２つのマー
カのそれぞれを検出して第１及び第２の位相反転検出信
号を出力し、前記Ａ／Ｄ変換手段が前記反転検出手段か
らの第１の位相反転検出信号によって検出デジタルデー
タのサンプリング周期を短くすることを特徴とする伝搬
時間計測装置に存する。

【００１８】請求項６記載の伝搬時間計測装置によれ
ば、送信信号発生手段の発生する送信信号がゼロクロス
点において位相反転された２つのマーカが挿入された予
め定めた波形の周期信号であり、この２つのマーカの各
々を反転検出手段が検出して第１及び第２の位相反転検
出信号を出力し、反転検出手段からの第１の位相反転検
出信号によってＡ／Ｄ変換手段が検出デジタルデータの
サンプリング周期を短くしているので、第２の位相反転
検出信号に応じて求められる第１又は第２の補正点がよ
り正確に求められ、位相反転部分の検出をより正確にか
つ簡単に行うことができる。

【００１９】請求項７記載の発明は、請求項３〜６の何
れかに記載の伝搬時間計測装置において、前記送信信号
発生手段は、前記予め定めた位置に対応する１／４周期
のタイミングで位相を反転した一定周期の方形波を発生
する方形波発生手段と、該方形波発生手段の発生する方
形波を正弦波に変換する方形波−正弦波変換手段とを有
し、該方形波−正弦波変換手段が前記ゼロクロス点にお
いて位相反転された正弦波を前記送信信号として出力す
ることを特徴とする伝搬時間計測装置に存する。

【００２０】請求項７記載の伝搬時間計測装置によれ
ば、前記送信信号発生手段において、方形波発生手段が
予め定めた位置に対応する１／４周期のタイミングで位
相を反転した一定周期の方形波を発生し、この方形波発
生手段の発生する方形波を方形波−正弦波変換手段が正
弦波に変換してゼロクロス点において位相反転された正
弦波を送信信号として出力するようになっているので、
方形波発生手段の発生している方形波の周期を管理する
ことによって、予め定めた位置に対応するタイミングで
位相反転した方形波を簡単に発生することができ、また
この方形波発生手段の発生した方形波を方形波−正弦波
変換手段が正弦波に変換することによって、ゼロクロス
点において位相反転された正弦波を送信信号として確実
に発生することができる。

【００２１】請求項８記載の発明は、流体管路に流体の
流れ方向に一定距離離間して対向するように配置した一
対の音響トランスジューサと、該一対の音響トランスジ
ューサの一方を送信側又は送信側に、他方を受信側又は
送信側となるように交互に切り換える切換手段と、該切
換手段によって送信側に切り換えられた前記送信側音響
トランスジューサを駆動して超音波を発生させる送信信
号を発生する送信信号発生手段と、前記切換手段によっ
て受信側に切り換えられた前記受信側音響トランスジュ
ーサが前記送信側音響トランスジューサからの超音波を
受信して発生する検出信号を受信処理する受信信号処理
手段と、前記送信信号と前記検出信号とに基づいて、前
記送信側音響トランスジューサによる超音波の発生から
受信側音響トランスジューサに超音波が到達するまでの
２つの時間を第１及び第２の伝搬時間として計測する計
時手段と、該計時手段によって計測した前記第１及び第
２の伝搬時間の差によって前記流体管路に流れる流体の
流速を求める流速計測手段と、該流速計測手段により計
測した流速に流体管路の断面積と定数を乗じて流量を求
める流量演算手段とを備える超音波式流量計において、
前記送信信号発生手段は、予め定めた位置に位相を反転
したマーカの挿入されている送信信号を発生し、前記受
信信号処理手段は、前記送信側超音波トランスジューサ
からの超音波を受信して前記受信側超音波トランスジュ
ーサが発生する検出信号中の位相反転部分を検出し、前
記計時手段は、前記送信信号に挿入したマーカの送信タ
イミングから前記検出信号から検出した位相反転部分の
受信タイミングまでの時間を前記伝搬時間として計測す
ることを特徴とする超音波式流量計に存する。

【００２２】請求項８記載の超音波式流量計によれば、
送信信号発生手段が発生する送信信号には、予め定めた
位置に位相を反転したマーカの挿入されており、送信側
超音波トランスジューサからの超音波を受信して受信側
超音波トランスジューサが発生する検出信号中の位相反
転部分を受信信号処理手段が検出し、計時手段が送信信
号に挿入したマーカの送信タイミングから、検出信号か
ら検出した位相反転部分の受信タイミングまでの時間を
第１及び第２の伝搬時間として計測し、第１及び第２の
伝搬時間の差によって流速計測手段が流体管路に流れる
流体の流速を求め、計測した流速に流体管路の断面積と
定数を乗じて流量演算手段が流量を求めているので、ノ
イズが重畳しても影響を受けることなく安定して正確に
求められた第１及び第２の伝搬時間の差によってより正
確に流量を計測することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明による超音波式流量
計の一実施の形態を示す図であり、超音波式流量計は、
図９について上述したと同様に、図示しない流体管路内
に対向するように配置され、一方が送信信号によって超
音波を発生して送出し、他方が超音波を受信して受信し
た超音波に応じた検出信号を出力することを、交互に切
り換えられて行う一対の音響トランスジューサＴＤ１及
びＴＤ２と、音響トランスジューサＴＤ１、ＴＤ２に超
音波を発生させるための送信信号を発生する送信信号発
生手段としてのデジタル周波数シンセサイザ２とを有す
る。

【００２４】デジタル周波数シンセサイザ２としては、
例えば以下のように構成されたものが使用される。ま
ず、正弦波を所定の分解能にて分解した離散値のデジタ
ルデータとして読み出し専用のメモリに格納しておき、
後述するマイクロコンピュータ（μＣＯＭ）からなる演
算制御部３からの送信要求に応じて、演算制御部３によ
り予め設定された周波数にて決定されるサンプリング周
期にてメモリに格納してあるデジタルデータを順次読み
出して出力する。この場合、予め設定された周波数によ
っては、決定されたサンプリング周期に対応するデジタ
ルデータがメモりに格納されていないことがあるが、こ
のようなときには前後のデジタルデータに基づいて補間
を行ってデジタルデータを作成して出力する。このデジ
タルデータを出力している過程において、演算制御部３
により予め設定された位相反転位置において、それまで
のものと極性を反転したデジタルデータを出力すること
によって、図２（ａ）に示すようなデジタルデータに基
づく階段状の送信信号を出力する。

【００２５】デジタル周波数シンセサイザ２が送信要求
に応じて出力する階段状の送信信号は切換手段としての
送信電力調整部４に送られ、ここで演算制御部３により
予め設定された送信電力となるようにデジタルデータの
変更が加えられる。送信電力調整部４はデジタル周波数
シンセサイザ２の発生する送信信号を演算制御部３から
の選択信号により選択された音響トランスジューサＴＤ
１又はＴＤ２に対し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５ａ
又は５ｂを介してそれぞれ供給するための切り換え動作
も行う。ＬＰＦ５ａ及び５ｂは例えば送信電力調整部４
とトランス結合するためのトランスのインダクタンス
と、抵抗と、コンデンサによって構成され、階段状送信
信号の低域成分のみを通過させて正弦波に近似した図２
（ｂ）に示すような波形の送信信号を形成する。

【００２６】送信電力調整部４によって切り換えられる
ことによって、一方の音響トランスジューサＴＤ１又は
ＴＤ２はＬＰＦ５ａ又は５ｂを介して供給される送信信
号により駆動されて超音波を発生し、他方の音響トラン
スジューサＴＤ２又はＴＤ１は一方の音響トランスジュ
ーサＴＤ１又はＴＤ２が発生する超音波を受信し、この
受信した超音波に応じた検出信号を発生する。他方の音
響トランスジューサＴＤ２又はＴＤ１の発生する検出信
号はＬＰＦ５ｂ又は５ａを介して増幅回路６に入力さ
れ、ここで適当なレベルまで増幅された後、Ａ／Ｄ変換
手段としてのアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７に
入力される。Ａ／Ｄ変換器７は、演算制御部３によって
予め設定されたサンプリング周期で検出信号をサンプリ
ングしてデジタルデータ化し、検出デジタルデータを出
力する。なお、Ａ／Ｄ変換器７は、演算制御部３によっ
て予め設定された調整率で検出デジタルデータの値を調
整するプログラマブルゲイン調整機能を有するものとな
っている。

【００２７】Ａ／Ｄ変換器７がＡ／Ｄ変換して出力する
検出デジタルデータは読み出し書き込み自在のメモリで
ある記録手段としてのサイクリングＲＡＭ８と乗算手段
としての乗算器９とに入力される。サイクリングＲＡＭ
８は演算制御部３によって予め設定されたＡ／Ｄ変換器
７のサンプリング周期にて入力されるデジタルデータを
サイクリングに、すなわち、１周期別に記録する。サイ
クリングＲＡＭ８に記録したデジタルデータはμＣＯＭ
３によって読み込まれてμＣＯＭ３に取り込まれると共
に、乗算器９に対して出力される。乗算器９は、Ａ／Ｄ
変換器７からサンプリング毎に入力される検出デジタル
データとＲＡＭ８に記録されている１周期前の対応する
検出デジタルデータとを順次乗算して出力する。

【００２８】乗算器９の出力する乗算デジタルデータは
デジタルフィルタ処理部１０に入力され、ここでデジタ
ル状態でフィルタ処理が行われる。フィルタ処理された
乗算デジタルデータは反転検出手段としての検出回路１
１とμＣＯＭ３とに入力される。検出回路１１は、デジ
タルフィルタ処理部１０によってデジタルフィルタ処理
された乗算デジタルデータを入力し、この入力したデジ
タルデータがμＣＯＭ３によって予め設定された一定レ
ベル以上となったことを検出して入力信号検出信号を発
生し、これをμＣＯＭ３に対して出力する。検出回路１
１はまた、デジタルフィルタ処理部１０からのデジタル
フィルタ処理された乗算デジタルデータの極性が負にな
ったことを検出して位相反転検出信号を発生し、これを
μＣＯＭ３と計時手段としてのカウンタ回路１２に対し
て出力する。

【００２９】カウンタ回路１２は、μＣＯＭ３がデジタ
ル周波数シンセサイザ２に対して送信要求信号を出力す
るタイミングで、μＣＯＭ３から初期化信号が入力され
て時間の計時を開始し、位相反転検出信号の入力に応じ
てカウンタ値をμＣＯＭ３に対して出力する。よって、
カウンタ回路１２のカウンタ値は、送信信号の送信から
位相反転検出までのおおよその時間を表し、このカウン
タ値を補正して正確な超音波の伝搬時間を求めることが
できる。具体的には、伝搬時間は送信信号の送信開始か
ら位相反転までの時間と１サンプリング時間とをカウン
タ値から差し引いたものに補正値を加算して求めること
ができる。

【００３０】演算制御部として働くμＣＯＭ３は、予め
定めたプログラムに従って処理を行う中央処理ユニット
（ＣＰＵ）３１と、プログラムや各種の固定データを格
納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ３２と、処理
の過程で各種のデータを格納するデータエリアや処理の
過程で使用するワークエリアなどが形成された書き込み
読み出し自在のメモリであるＲＡＭ３３とを有する。

【００３１】μＣＯＭ３のＣＰＵ３１は、電池電源の投
入によって動作を開始し、デジタル周波数シンセサイザ
２に送信信号を発生させる制御と、デジタル周波数シン
セサイザ２の発生する送信信号によって一方の音響トラ
ンスジューサの発生する超音波を他方の音響トランスジ
ューサに受信させて検出信号を発生させる制御と、検出
信号についての処理とを行う。

【００３２】具体的には、伝搬時間を計測する計測周期
がくると、デジタル周波数シンセサイザ２に対して発信
周波数の設定データと位相判定位置の設定データとを出
力する。ＣＰＵ３１はまた、送信電力調整部４に対し送
信電力の設定データと送信側音響トランスジューサの選
択データとを、Ａ／Ｄ変換器７に対しＡ／Ｄ変換したデ
ジタルデータの値を調整する調整率の設定データを、Ａ
／Ｄ変換器７とサイクリングＲＡＭ８に対してサンプリ
ング周期の設定データを、検出回路１１に対し入力信号
検出レベルの設定データを、そしてカウンタ回路１２に
対してタイムアウトの設定データをそれぞれ出力する。

【００３３】上述のように超音波の送受信の準備ができ
たところで、デジタル周波数シンセサイザ２とカウンタ
回路１２に対して送信要求信号を出力すると、デジタル
周波数シンセサイザ２が図２（ａ）に示すような階段状
の送信信号を発生し、カウンタ回路１２が時間の計時を
開始する。デジタル周波数シンセサイザ２の発生する送
信信号は、選択信号によって送信側として選択された例
えば音響トランスジューサＴＤ１に対し、ＬＰＦ５ａに
より図２（ｂ）のような波形に処理されて供給される。
送信信号が供給された送信側音響トランスジューサＴＤ
１は送信信号によって駆動されて超音波を発生する。

【００３４】送信側音響トランスジューサＴＤ１が発生
した超音波は流体管路内の流体中を伝搬して受信側音響
トランスジューサＴＤ２によって受信される。流体中を
伝搬する超音波は流体の流速の影響を受け、その伝搬速
度は流体の流れと同一方向に伝搬するときには静止流体
中よりも速い速度で伝搬し、伝搬時間は短くなり、逆方
向の場合は長くなる。

【００３５】受信側音響トランスジューサＴＤ２は超音
波を受信することによって、受信した超音波の波形に応
じた検出信号を発生し、これをＬＰＦ５ｂを介して増幅
回路６に供給する。増幅回路６は検出信号を所定レベル
に増幅した後Ａ／Ｄ変換器７に供給する。Ａ／Ｄ変換器
７は設定データによって設定されたサンプリング周期で
検出信号をサンプリングして検出デジタルデータに変換
すると共に、設定データによって設定された調整率でそ
の値を調整して検出デジタルデータを出力する。図３
（ｂ）は図３（ａ）の送信信号によって発生された超音
波を受信した音響トランスジューサが発生する検出信号
をＡ／Ｄ変換器７によってデジタルデータに変換して得
た検出デジタルデータを示し、図３（ｃ）は上記調整率
で調整され検出デジタルデータの値が全体的に増大され
た後の検出デジタルデータを示している。

【００３６】Ａ／Ｄ変換器７によってデジタルデータに
変換して得られた検出デジタルデータはＲＡＭ８に供給
されて１周期別に記録される。この記録の際、１周期の
開始点を、デジタルフィルタ処理部１０の出力値が所定
のしきい値を越えた点で認識する。同じ検出デジタルデ
ータは乗算器９に対しても供給され、サイクリングＲＡ
Ｍ８に記録された１周期前の検出デジタルデータと乗算
される。この乗算デジタルデータは図３（ｄ）に示すよ
うになり、位相反転位置を境に正から負になっている。
乗算デジタルデータはデジタルフィルタ処理部１０に供
給されてデジタルフィルタ処理された後検出回路１１に
供給される。デジタルフィルタ処理では、検出回路１１
における位相反転マークを正確に検出するために、サイ
クリングＲＡＭのデータを平滑化している。検出回路１
１はデジタルフィルタ処理された後の乗算デジタルデー
タを入力する毎に、設定データによって設定された入力
信号検出レベル以上であるかどうかを監視し、入力信号
検出レベル以上の乗算デジタルデータが入力されたとき
入力信号検出信号を発生し、これをμＣＯＭ３のＣＰＵ
３１に対して入力する。

【００３７】μＣＯＭ３のＣＰＵ３１は、デジタルフィ
ルタ処理された乗算デジタルデータが供給されており、
検出回路１１から入力信号検出信号が入力されると、後
の直線近似による補正点の算出のために、乗算デジタル
データを読み込んでＲＡＭ３３内のデータエリアに順次
格納する。

【００３８】ところで、位相反転される前の検出デジタ
ルデータが乗算器９に供給されている間は、相前後する
周期の対応する検出デジタルデータは同一の極性となっ
ているので、乗算の結果得られる乗算デジタルデータは
正となっている。しかし、相前後する検出デジタルデー
タの全体或いは一部分（位相反転前の周期が半周期分が
あるかどうかによって異なる）に位相反転部分がある
と、その位相反転位置に対応する検出デジタルデータの
乗算を境に乗算デジタルデータの極性が負となるように
なる。そこで検出回路１１はフィルタ処理された後の乗
算デジタルデータを入力する毎に、入力した乗算デジタ
ルデータの極性が負であるかどうかを監視し、負の乗算
デジタルデータが入力されたとき位相反転検出信号を発
生し、これをカウンタ回路１２とμＣＯＭ３のＣＰＵ３
１に対して入力する。

【００３９】送信要求信号の入力によって計時を開始し
ているカウンタ回路１２は位相反転検出信号の入力に応
じてそのときのカウント値をμＣＯＭ３のＣＰＵ３１に
対して出力すると共に、位相反転検出信号を入力したμ
ＣＯＭ３のＣＰＵ３１はカウンタ回路１２が出力してい
るカウンタ値を読み込みＲＡＭ３３のデータエリアの所
定のエリアに格納する。このカウンタ値は送信側におい
てマーカとして挿入された位相反転位置のおおよその位
置を表すもので、このカウンタ値を補正して実際の位相
反転位置を算出する。この実際の位相反転位置の算出の
ために、ＲＡＭ３３内のデータエリアに格納してあるフ
ィルタ処理後の乗算デジタルデータに基づいて直線近似
による補正点の算出を近似的に行う。

【００４０】この直線近似による補正点の算出は、実際
に負となった乗算デジタルデータの点と、負になる直前
の乗算デジタルデータの点とを直線にて結び、サンプリ
ング時間をその両者の大きさの比で按分して求めた時間
を負になる直前のサンプリングタイミング時間に加算す
ることで行う。

【００４１】μＣＯＭ３のＣＰＵ３１は上記位相反転検
出信号の入力に応じてサイクリングＲＡＭ８に記録して
いる検出デジタルデータに基づく曲線又は一定の正弦波
の近似によって位置検出を行う。この位置検出は、近似
して得た曲線の０クロス点とサンプリング点との位相差
を求めるもので、この位相差によってカウンタ値を補正
して乗算デジタルデータの実際の極性反転点を算出して
送信側においてマーカとして挿入された位相反転位置を
検出する。

【００４２】また、サイクリングＲＡＭ８に記録してい
る検出デジタルデータに基づいて得た余弦波の自乗値と
正弦波の自乗値との加算値の平方根によって受信データ
の振幅を求め、この求めた振幅をその後の送信電力とＡ
／Ｄ変換器７のゲイン調整率を設定するために利用す
る。なお、送信電力及びＡ／Ｄ変換値の調整率は、曲線
を求めるための検出デジタルデータが一定の条件で得ら
れたものであることを保障するためのものである。

【００４３】上述のようにして一方の音響トランスジュ
ーサＴＤ１を送信側として行った超音波の送受信によっ
て流体の流れ方向での超音波の伝搬時間を計測し終わ
り、カウンタ回路１２が設定データにより設定したタイ
ムアウト時間が経過したところで、デジタル周波数シン
セサイザ２とカウンタ回路１２に対して送信要求信号を
出力して、デジタル周波数シンセサイザ２が図２（ａ）
に示すような階段状の送信信号を発生させ、カウンタ回
路１２に時間の計時を開始させる。しかし、デジタル周
波数シンセサイザ２の発生する送信信号は、今度は、選
択信号によって送信側として選択された音響トランスジ
ューサＴＤ２に対し、ＬＰＦ５ｂにより図２（ｂ）のよ
うな波形に処理されて供給される。送信信号が供給され
た送信側音響トランスジューサＴＤ２は送信信号によっ
て駆動されて超音波を発生する。そして、この超音波を
受信側となる音響トランスジューサＴＤ１によって受信
して上述したと同様の処理を繰り返す。

【００４４】この処理が終了すると、、直線近似と曲線
近似により、流体の流れと同一の順方向と逆方向の両方
向での超音波の伝搬時間ｔ１及びｔ２の計測が行われ
る。その後両近似によって求めた伝搬時間ｔ１及びｔ２
についての２つの時間差（ｔ２−ｔ１）を求め、この２
つの時間差に基づいて１つの伝搬時間差を求める。この
求めた伝搬時間差により上記式（３）を変形した式、 Ｖ＝１／２Ｌ・Ｃ² ・（ｔ２−ｔ１） ……（３′） の計算を行って流体の流速Ｖを、この流速Ｖに基づいて
上記式（４）の計算を行って流量をＱをそれぞれ求め
る。

【００４５】なお、上記式（３′）は、以下のようにし
て求められたものである。 ｔ２・ｔ１=Ｌ² ／（Ｃ＋Ｖ）・（Ｃ−Ｖ）=Ｌ² ／（Ｃ
² −Ｖ² ）であり、流速Ｖは音速Ｃに比べて極めて小さ
な数値であるので、式中のＶ² はＣ² に比べて極めて小
さく無視でき、ｔ２・ｔ１=Ｌ² ／Ｃ²とすることで、書
き直されたものである。式中のＣは固定値を使用するこ
とができるが、温度や圧力などによって変化するので、
時事刻々変化する音速を別途測定したものを用いるよう
にしてもよい。また、時間差（ｔ２−ｔ１）によらず、 Ｖ＝Ｌ／２・（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）） ……（３″） の計算によって求めた２つの流速に基づいて１つの流速
を求めるようにしてもよい。

【００４６】以上概略説明した動作の詳細な説明をμＣ
ＯＭ３のＣＰＵ３１が行う処理を示す図４のフローチャ
ートを参照して以下説明する。

【００４７】μＣＯＭ３のＣＰＵ３１はその動作の開始
後ステップＳ１において計測周期となったか否かを判定
する。この計測周期は別途予め定められるもので、一定
或いはランダム周期とされる。ステップＳ１の判定がＹ
ＥＳになると、ステップＳ２に進んでデジタル周波数シ
ンセサイザ２に対して発信周波数の設定データを出力す
る。続いてステップＳ３に進んで検出回路１１に対する
入力信号検出レベルの設定データを出力する。その後ス
テップＳ４に進んでＡ／Ｄ変換器７に対する調整率の設
定データを出力する。また、次のステップＳ５ではデジ
タル周波数シンセサイザ２に対する位相反転位置の設定
データを出力し、続くステップＳ６においてカウンタ回
路１２に対し初期化信号を出力すると共にタイムアウト
の設定データを出力する。このタイムアウトの設定デー
タは、超音波を送信させる送信要求を出力してから、一
定時間経過しても超音波が受信されないとき、どこかに
エラーが生じたと判断し、再度送信要求を出力するため
のものである。次のステップＳ７では送信電力調整部４
に対する送信電力の設定データを出力し、次のステップ
Ｓ８では送信電力調整部４に対する送信側音響トランス
ジューサの選択データを出力し、超音波の送受信のため
の全ての準備が整ったところでステップＳ９に進んで送
信要求信号をデジタル周波数シンセサイザ２に対して出
力する。

【００４８】送信要求信号を入力したデジタル周波数シ
ンセサイザ２は、上記ステップＳ２で出力された設定デ
ータにより定められた周波数で、かつ上記ステップＳ５
で出力された設定データにより定めた位置に位相反転か
らなるマーカを挿入した階段状の正弦波を送信信号とし
て発生し、この送信信号はＬＰＦを介して上記ステップ
Ｓ８で出力された選択データにより定められた音響トラ
ンスジューサに対して供給される。送信信号が供給され
た送信側の音響トランスジューサは送信信号によって駆
動されて超音波を発生するようになる。

【００４９】ステップＳ９において送信要求信号を出力
したＣＰＵ３１はステップＳ９′に進んで上記ステップ
Ｓ６にて設定したタイムアウト時間が経過したか否かを
判定し、時間が経過せず判定がＮＯのときにはステップ
Ｓ１０に進んで検出回路１１からの入力信号検出信号が
入力されるか否かを判定し、入力信号検出信号が入力さ
れていないときには上記ステップＳ９′に戻って再度タ
イムアウト時間が経過したか否かを判定し、ステップＳ
９′又はステップＳ１０の判定がＹＥＳになるのを待
ち、入力信号検出信号が入力されてステップＳ１０の判
定がＹＥＳになるとステップＳ１１に進む。また、ステ
ップＳ９′の判定がＹＥＳになると、すなわち、どこか
にエラーが生じて一定のタイムアウト時間が経過しても
入力信号検出信号が入力されないときには、上記ステッ
プＳ６に戻って再度ステップＳ６からの処理を開始す
る。

【００５０】ステップＳ１１に進んだときには、ここで
デジタルフィルタ１０からのフィルタ出力を読み込みＲ
ＡＭ３３内のデータエリアの所定領域に格納する。その
後ステップＳ１２に進んで検出回路１１からの位相反転
検出信号が入力されるのを待ち、位相反転検出信号が入
力されてステップＳ１２の判定がＹＥＳになるとステッ
プＳ１３に進む。ステップＳ１３においてはカウンタ回
路１２のカウンタ値を読み込んでＲＡＭ３３内のデータ
エリアの所定エリアに格納する。

【００５１】その後ステップＳ１４に進んで上記ステッ
プＳ１１において読み込みＲＡＭ３３内のデータエリア
の所定領域に格納したフィルタ出力に基づいて直線近似
による補正点を算出する。続いてステップＳ１５に進ん
でサイクリングＲＡＭ８に記録されている検出デジタル
データを読み込みＲＡＭ３３内の所定領域に格納する。
その後ステップＳ１６に進んで上記ステップＳ１５にお
いて読み込みＲＡＭ３３内のデータエリアの所定領域に
格納した検出デジタルデータに基づく曲線を求め、この
曲線近似による補正点を算出してからステップＳ１７に
進み、ここで両方向の計測が終了したか否かの判定を行
う。この判定は、位相反転検出の回数をカウントするこ
とによって行う。ステップＳ１７の判定がＮＯのとき、
すなわち、流体の流れと同一方向と逆方向の両方向の計
測が終わっていないときには、上記ステップＳ６に戻っ
て上述した動作を繰り返し、上述したと逆方向の計測を
行う。

【００５２】両方向の計測が終了してステップＳ１７の
判定がＹＥＳになるとステップＳ１８に進み、ここで上
記ステップＳ１４において算出した補正点によって補正
して求めた順方向と逆方向の伝搬時間の時間差と、上記
ステップＳ１６において算出した補正点によって補正し
て求めた順方向と逆方向の伝搬時間の時間差とを求め
る。その後ステップＳ１９に進んで上記ステップＳ１８
において求めた両時間差により超音波の順方向と逆方向
の伝搬時間差と、この伝搬時間差による流速と、この流
速に流体管路の断面積と定数を乗じた流量とをそれぞれ
求める。このことによって今回の計測周期における瞬時
流量を計測することができ、これに計測周期を乗じるこ
とによって通過流量を求めることができる。その後ステ
ップＳ２０に進んで上記ステップＳ１６における検出デ
ジタルデータにより求めた曲線によって受信データの振
幅を求め、この求めた振幅によって送信電力と調整率を
求める。このステップＳ２０において求めた送信電力と
調整率は次の周期において、ステップＳ７で出力する送
信電力の設定データとステップＳ４で出力する調整率の
設定データを定めるために利用される。

【００５３】以上フローチャートに基づいて行った説明
から明らかなように、μＣＯＭ３のＣＰＵ３１は、Ａ／
Ｄ変換器７、サイクリングＲＡＭ８、乗算器９、デジタ
ルフィルタ処理部１０、検出回路１１などと共に受信信
号処理手段を構成し、特に、サイクリングＲＡＭ８に記
録されている検出デジタルデータによって得た曲線又は
一定の正弦波による近似により曲線のゼロクロス点を位
相反転部分の第１の補正点として算出する第１の補正点
算出手段と、検出回路１１により極性の反転を検出した
乗算デジタルデータと直前の乗算デジタルデータとによ
る直線近似により直線のゼロクロス点を位相反転部分の
第２の補正点として算出する第２の補正点算出手段とし
ての他、サイクリングＲＡＭ８に記録されている検出デ
ジタルデータに基づいて検出デジタルデータの振幅を算
出する振幅算出手段と、第１及び第２の伝搬時間の差に
よって流体管路に流れる流体の流速を求める流速計測手
段と、計測した流速に流体管路の断面積と定数を乗じて
流量を求める流量演算手段として働いている。

【００５４】なお、上述した実施の形態では、直線近似
により求めた時間差と曲線近似により求めた時間差の両
方を利用しているが、曲線近似或いは直線近似のみよっ
てもノイズに影響されない伝搬時間の計測が可能であ
る。

【００５５】また、上述した実施の形態では、送信信号
発生手段としてデジタル周波数シンセサイザ２を使用し
ているが、この場合、正弦波を所定の分解能にて分解し
た離散値のデジタルデータとして読み出し専用のメモリ
に格納しておき、マイクロコンピュータ（μＣＯＭ）か
らなる演算制御部３からの送信要求に応じて、演算制御
部３により予め設定された周波数にて決定されるサンプ
リング周期にてメモリに格納してあるデジタルデータを
順次読み出して出力し、このデジタルデータを出力して
いる過程において、演算制御部３により予め設定された
位相反転位置において、それまでのものと極性を反転し
たデジタルデータを出力することによって、図２（ａ）
に示すような階段状の送信信号を出力し、この階段状送
信信号の低域成分のみを通過させて正弦波に近似した図
２（ｂ）に示すような送信信号を形成している。この構
成の場合、正弦波を所定の分解能にて分解した離散値の
デジタルデータを格納する読み出し専用のメモリを必要
とする他、発生しようとする送信信号の周波数によって
は、メモりに格納されているデジタルデータに基づいて
補間を行って新しいデジタルデータを作成して出力する
ことも必要になる。

【００５６】この点、送信信号発生手段を図５に示すよ
うに構成した場合には、デジタルデータを格納するメモ
リや新たなデジタルデータの作成を必要としなくなる。
すなわち、送信信号発生手段が、デジタルシンセサイザ
に代えて、演算制御部３からの送信要求に応じて正弦波
を発生して出力する正弦波発振回路２ａと、正弦波発振
回路２ａの出力する正弦波をそのゼロクロス点において
演算制御部３から出力される位相反転指示に応じて位相
反転し、正弦波のゼロクロス点で位相反転した正弦波を
出力する位相反転回路２ｂとによって構成されている。
位相反転回路２ｂは、正弦波発振回路２ａからの正弦波
を非反転増幅し入力した正弦波と同位相の正弦波を出力
する非反転増幅器２ｂ１と、出力が非反転増幅器２ｂ１
の出力と相互接続され、正弦波発振回路２ａからの正弦
波を反転増幅しこの入力した正弦波と逆位相の正弦波を
出力する反転増幅器２ｂ２と、演算制御部３からの位相
反転指示に応じて切り替えられ、正弦波発振回路２ａか
らの正弦波を非反転増幅器２ｂ１又は反転増幅器２ｂ２
の一方に入力するように切り替えられる切替スイッチ２
ｂ３とを有し、相互接続された両増幅器の出力に位相反
転指示のタイミングで位相反転された正弦波を出力する
ように構成されている。

【００５７】この構成の送信信号発生手段では、位相反
転回路２ｂが正弦波をゼロクロス点で正確に位相反転す
るように、演算制御部３は正弦波発振回路２ａの発生す
る正弦波をサンプリングして入力し、サンプリング値が
０になるタイミング、すなわち、π／２ｎ（ｎ＝０、
１、２…）のタイミングで位相反転指示を位相反転回路
２ｂに対して出力するようになっている必要がある。位
相反転のタイミングを正確なものにするには、正弦波の
サンプリングを高速で行うことになるが、サンプリング
速度を高速にすると、これを行う演算制御部３を構成し
ているμＣＯＭの電源消費が大きくなり、電池電源を使
用した場合には、その消耗が早く電池交換が速まること
になる。また、高速サンプリングを行っても、ファーム
ウエア処理の遅延によって正確な位相反転には限度があ
る。

【００５８】図６は上述したような位相反転タイミング
制御の高精度化を容易に実現した送信信号発生手段の例
を示し、同図において、プログラムに従って動作するμ
ＣＯＭからなる演算制御部３は、予め定めた位置に対応
する１／４周期のタイミングで位相を反転した一定周期
の方形波を発生する方形波発生手段として働き、図７
（ａ）に示すように、送信信号の送信開始に応じて１／
４周期の間Ｈレベルになり、その後１／２周期毎にＬレ
ベル及びＨレベルを繰り返し、マーカを挿入するタイミ
ングである１／４周期のタイミングに相当するＬレベル
の中間点で位相が反転するように１／４周期のＬレベル
及びＨレベルを連続させ、その後１／２周期毎にＬレベ
ル及びＨレベルを繰り返す方形波を発生する。方形波発
生手段の発生する図７（ａ）の方形波は方形波−正弦波
変換回路２ｄに入力される。

【００５９】方形波−正弦波変換回路２ｄは、方形波を
正弦波に変換してゼロクロス点において位相反転された
正弦波を送信信号として出力し、具体的には、抵抗Ｒと
コンデンサＣによる充放電の時定数Ｃ・Ｒにより方形波
を正弦波に変換するＣＲ回路によって構成されており、
図７（ａ）の方形波が入力されると、同図７（ｂ）に示
すように、方形波の位相反転箇所に対応するゼロクロス
点において位相の反転した正弦波を送信信号として出力
する。

【００６０】演算制御部３を構成しているμＣＯＭは、
図８のフローチャートに示すような処理を行うことによ
って図７（ａ）に示すような方形波を出力ポートＯに発
生する。

【００６１】すなわち、μＣＯＭのＣＰＵは方形波発生
処理の最初のステップＳ１において、送信信号の予め定
められた発生タイミングが来るのを待ち、ステップＳ１
の判定がＹＥＳとなって発生タイミングがきたら、ステ
ップＳ２に進んでＣＰＵの出力ポートＯをＨレベルにす
るとともに１／４周期タイマをスタートさせ、かつ送信
開始フラグＦに１をセットしてから、１／４周期の時間
が経過して１／４タイマがタイムアウトになるのを待つ
（ステップＳ３）。その後１／４周期の時間が経過して
１／４周期タイマがタイムアウトになると（ステップＳ
３のＹＥＳ）、次にステップＳ４に進んでＣＰＵの出力
ポートＯをＬレベルにするとともに１／２周期タイマを
スタートさせ、１／２周期タイマがタイムアウトになる
のを待つ（ステップＳ５）。その後１／２周期タイマが
タイムアウトになると（ステップＳ５のＹＥＳ）、ステ
ップＳ６に進んでＣＰＵの出力ポートＯをＨレベルにす
るとともに１／２周期タイマをスタートさせ、かつ方形
波の発生周期を計数する周期カウンタＣをインクリメン
トしてから、１／２周期タイマがタイムアウトになるの
を待つ（ステップＳ７）。

【００６２】その後１／２周期タイマがタイムアウトに
なると（ステップＳ７のＹＥＳ）、ステップＳ８に進ん
で送信開始フラグＦに１がセットされているかどうかに
よって、発生している方形波が送信開始から位相反転前
のものであるかどうかを判断する。発生している方形波
が位相反転前のものであるときには（ステップＳ８のＹ
ＥＳ）、ステップＳ９に進んで周期カウンタＣの計数値
が位相反転前に発生すべき周期数ｘになっているかどう
かを判定し、位相反転前にｘ周期の方形波を発生してい
ないとき（ステップＳ９のＮＯ）には、ステップＳ４に
戻って上述した処理を繰り返し、さらに１周期の方形波
を発生する。以上の処理を繰り返し、位相反転前に予め
定めたｘ周期分の方形波を発生すると（ステップＳ９の
ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んでＣＰＵの出力ポート
ＯをＬレベルにするとともに１／４周期タイマをスター
トさせ、かつ送信開始フラグＦに０をセットするととも
に周期カウンタＣをクリアしてから、１／４周期の時間
が経過して１／４周期タイマがタイムアウトになるのを
待つ（ステップＳ１１）。

【００６３】その後１／４周期の時間が経過して１／４
周期タイマがタイムアウトになると（ステップＳ１１の
ＹＥＳ）、次にステップＳ１２に進んでＣＰＵの出力ポ
ートＯをＨレベルにするとともに１／４周期タイマをス
タートさせ、１／２周期タイマがタイムアウトになるの
を待つ（ステップＳ１３）。その後１／４周期タイマが
タイムアウトになる（ステップＳ１３のＹＥＳ）ことに
よって、方形波の位相反転処理が完了する。その後、上
述したステップＳ４に戻ってステップＳ４〜ステップＳ
７の処理を行って位相反転後の１周期分の方形波の発生
処理を行い、１周期分の方形波を発生し終わるとステッ
プＳ８に進む。

【００６４】ステップＳ８においては、送信開始フラグ
Ｆに１がセットされているかどうかによって、発生して
いる方形波が送信開始から位相反転前のものであるかど
うかを判断するが、上述したように、位相反転前のｘ周
期の方形波の発生を終わりステップＳ１０において送信
開始フラグＦに０がセットされているので、ステップＳ
８の判定はＮＯになるので、ステップＳ１４に進む。

【００６５】ステップＳ１４においては、周期カウンタ
Ｃの計数値が位相反転後に発生すべき周期数ｙになって
いるかどうかを判定し、位相反転後にｙ周期の方形波を
発生していないとき（ステップＳ１４のＮＯ）には、ス
テップＳ４に戻って上述したステップＳ４〜ステップＳ
７の処理を繰り返し、さらに１周期の方形波を発生す
る。ステップＳ４〜ステップＳ７の１周期分の方形波を
発生する処理を繰り返し、位相反転後に予め定めたｙ周
期分の方形波を発生すると（ステップＳ１４のＹＥ
Ｓ）、ステップＳに進んで出力ポートＯをＬレベルにす
るとともに周期カウンタＣをクリアしてから、上述した
ステップＳ１に戻って１送信信号分の方形波の発生を終
了し、次の送信信号の発生タイミングを待つ。

【００６６】以上フローチャートに基づいて説明したこ
とから明らかなように、演算制御部３を構成しているμ
ＣＯＭのＣＰＵは、予め定めた位置に対応する１／４周
期のタイミングで位相を反転した一定周期の方形波を発
生する方形波発生手段として働いている。

【００６７】上述した実施の形態では、ゼロクロス点に
おいて位相を反転した正弦波からなる送信信号を発生す
るために、１／４周期のタイミングで位相を反転した一
定周期の方形波を発生し、これを正弦波に変換するよう
にしているが、正弦波に変換したときゼロクロス点て位
相反転するような波形の方形波は、簡単な回路使用し、
しかも周期管理によって任意の周期のものを自在にかつ
高精度に形成できる。このことによって、正弦波発生回
路の発生する正弦波にゼロクロス点で直接に位相反転を
挿入する場合のように、発生した正弦波をサンプリング
してゼロクロス点を常時監視するような、電源消費が多
く、しかもコスト高になる高速複雑なファームウエアや
複雑な回路の使用も必要なくなる。

【００６８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、予め定め
た位置に位相を反転したマーカの挿入されている送信信
号によって発生された超音波を受信して発生する検出信
号中の位相反転部分を検出し、送信信号に挿入したマー
カの送信タイミングから検出信号から検出した位相反転
部分の受信タイミングまでの時間を伝搬時間として計測
するようにしていて、ノイズが重畳しても影響を受ける
ことなく、位相反転部分を確実に検出することができる
ので、小流量での超音波伝搬時間の計測を安定して正確
に行うことを可能にし、低流量時から高流量時にわたる
広範な伝搬時間を精度よく計測することができる伝搬時
間計測方法が得られる。ひいては、この伝搬時間計測方
法を超音波流量計に用いることにより精度の高い流量計
測を行うことが可能となる。

【００６９】請求項２記載の発明によれば、予め定めた
位置に位相を反転したマーカの挿入されている送信信号
によって発生された超音波を受信して発生する検出信号
中の位相反転部分を検出し、送信信号に挿入したマーカ
の送信タイミングから、検出信号から検出した位相反転
部分の受信タイミングまでの時間を伝搬時間として計測
するようにしていて、ノイズが重畳しても影響を受ける
ことなく、位相反転部分を確実に検出することができる
ので、小流量での超音波伝搬時間の計測を安定して正確
に行うことを可能にし、低流量時から高流量時にわたる
広範な伝搬時間を精度よく計測することができる伝搬時
間計測装置が得られる。更に、この伝搬時間計測装置を
超音波流量計に用いることにより精度の高い流量計測を
行うことが可能となる。

【００７０】請求項３記載の発明によれば、請求項２に
記載の発明の作用に加えて、検出信号をアナログ−デジ
タル変換して記録した１周期前の検出デジタルデータと
検出デジタルデータとを順次乗算して乗算デジタルデー
タを出力し、乗算デジタルデータの極性の反転を検出し
たとき、記録されている検出デジタルデータによって得
た曲線又は一定の正弦波による近似により曲線のゼロク
ロス点を位相反転部分の第１の補正点として算出し、超
音波の発生から反転検出手段による極性の反転の検出ま
での時間を、算出した第１の補正点によって補正して伝
搬時間を計測するようにしていて、ノイズが重畳しても
影響を受けることなく、位相反転部分の検出をより正確
にかつ簡単に行うことができるので、安定して精度の高
い伝搬時間計測を行うことが可能となり、ひいては、伝
搬時間計測装置を超音波流量計に用いることにより精度
の高い流量計測を行うことが可能となる。

【００７１】請求項４記載の発明によれば、請求項３に
記載の発明の作用に加えて、検出デジタルデータにより
算出した振幅に基づいて、送信電力を可変するととも
に、検出デジタルデータの値を調整するようにしてい
て、記録されている検出デジタルデータによって得られ
る曲線による近似が常に一定して、位相反転部分の第１
の補正点として求められる曲線のゼロクロス点が一定す
るようになるので、安定して精度の高い伝搬時間計測を
行うことが可能となり、精度の高い流量計測を行うこと
が可能となる。

【００７２】請求項５記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の作用に加えて、記録されている検出デジタル
データによって得た曲線又は一定の正弦波による近似に
より曲線のゼロクロス点を位相反転部分の第１の補正点
として算出するか、極性の反転を検出した乗算デジタル
データと直前の乗算デジタルデータとによる直線近似に
より直線のゼロクロス点を位相反転部分の第２の補正点
として算出するようになっていおり、超音波の発生から
極性の反転の検出までの時間を、第１の補正点によって
補正して第１の伝搬時間、又は第２の補正点によって補
正して第２の伝搬時間を計測するようにしていて、ノイ
ズが重畳しても影響を受けることなく、位相反転部分の
検出をより正確にかつ簡単に行うことができるので、安
定して精度の高い伝搬時間計測を行うことが可能となる
伝搬時間計測装置が得られ、ひいてはこの伝搬時間計測
装置を超音波流量計に用いることにより精度の高い流量
計測を行うことが可能となる。

【００７３】請求項６記載の発明によれば、請求項３〜
５記載の発明の作用に加えて、送信信号がゼロクロス点
において位相反転された２つのマーカが挿入された予め
定めた波形の周期信号であり、この２つのマーカの各々
を検出して得られる第１の位相反転検出信号によって検
出デジタルデータのサンプリング周期を短くし、第２の
位相反転検出信号に応じて求められる第１又は第２の補
正点がより正確に求められ、位相反転部分の検出をより
正確にかつ簡単に行うことができるので、安定して正確
な計測が行え、高精度の流量計測を行うことが可能とな
る。

【００７４】請求項７記載の発明によれば、請求項３〜
６記載の発明の作用に加えて、方形波の周期を管理する
ことによって、予め定めた位置に対応するタイミングで
位相反転した方形波を簡単に発生することができ、また
この発生した方形波を正弦波に変換することによって、
ゼロクロス点において位相反転された正弦波を送信信号
として確実に発生することができるので、予め定めた位
置に位相を反転したマーカの挿入されている送信信号を
発生するに当たって、大きな電力消費を伴う動作を必要
としなくなるとともに、簡単な回路やファームウエアの
使用によって低コストで高精度の流量計測を行うことが
可能となる。

【００７５】請求項８記載の発明によれば、予め定めた
位置に位相を反転したマーカの挿入された送信信号によ
り発生した超音波を受信して発生する検出信号中の位相
反転部分を検出し、送信信号に挿入したマーカの送信タ
イミングから、検出信号から検出した位相反転部分の受
信タイミングまでの時間を第１及び第２の伝搬時間とし
て計測し、第１及び第２の伝搬時間の差によって流体管
路に流れる流体の流速を求め、計測した流速に流体管路
の断面積と定数を乗じて流量を求めるようにしていて、
ノイズが重畳しても影響を受けることなく安定して正確
に求められた第１及び第２の伝搬時間の差によってより
正確に流量を計測することができるので、小流量の流体
流量の計測を安定して正確に行うことを可能にした超音
波式流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波式流量計の一実施の形態を
示す図である。

【図２】デジタル周波数シンセサイザの発生する階段状
の送信信号とＬＰＦを通過した後の送信信号とを示す波
形図である。

【図３】特定の送信信号に対応する検出デジタルデー
タ、調整後の検出デジタルデータ、及び乗算デジタルデ
ータを示す図である。

【図４】図１中のμＣＯＭのＣＰＵが行う処理を示すフ
ローチャートである。

【図５】図１中の送信信号発生手段であるデジタル周波
数シンセサイザの代替構成を示すブロック図である。。

【図６】図１中の送信信号発生手段の他の代替構成を示
すブロック図である。

【図７】図６の構成によって送信信号を発生する原理を
説明するための波形図であるである。

【図８】図６の構成によって送信信号を発生するために
利用する方形波を発生するため、図１中のμＣＯＭのＣ
ＰＵが行う方形波発生処理を示すフローチャートであ
る。

【図９】従来例の概要構成ブロック図である。

【図１０】流量検出の原理説明図である。

【図１１】従来例の伝搬時間計測装置の構成例を示す図
である。

【符号の説明】

ＴＤ１、ＴＤ２ 音響トランスジューサ ２ 送信信号発生手段（デジタル周波
数シンセサイザ） ２ｄ 方形波−正弦波変換手段（方形波
−正弦波変換回路） ３１ 受信信号処理手段、第１の補正点
算出手段、第２の補正点算出手段、振幅算出手段、方形
波発生手段、流速計測手段、流量演算手段（ＣＰＵ） ４ 切換手段（送信電力調整部） ７ Ａ／Ｄ変換手段（Ａ／Ｄ変換器） ８ 記録手段（サイクリングＲＡＭ） ９ 乗算手段（乗算器） １１ 反転検出手段（検出回路） １２ 計時手段（カウンタ回路）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体管路に流体の流れ方向に一定距離離
   間して対向するように配置した一対の音響トランスジュ
   ーサの一方を送信側、他方を受信側として使用し、送信
   側音響トランスジューサの発生する超音波が受信側音響
   トランスジューサに到達するまでの時間を伝搬時間とし
   て計測するようにした伝搬時間計測方法において、 予め定めた位置に位相を反転したマーカの挿入されてい
   る送信信号により前記送信側音響トランスジューサを駆
   動して超音波を発生させ、 前記送信側音響トランスジューサからの超音波を受信し
   て前記受信側音響トランスジューサが発生する検出信号
   中の位相反転部分を検出し、 前記送信信号に挿入したマーカの送信タイミングから前
   記検出信号から検出した位相反転部分の受信タイミング
   までの時間を前記伝搬時間として計測するようにしたこ
   とを特徴とする伝搬時間計測方法。
2. 【請求項２】 流体管路に流体の流れ方向に一定距離離
   間して対向するように配置した一対の音響トランスジュ
   ーサと、該一対の音響トランスジューサの一方を送信側
   とし、該送信側音響トランスジューサを駆動して超音波
   を発生させる送信信号を発生する送信信号発生手段と、
   前記一対の音響トランスジューサの他方を受信側とし、
   該受信側音響トランスジューサが前記送信側音響トラン
   スジューサからの超音波を受信して発生する検出信号を
   受信処理する受信信号処理手段と、前記送信信号と前記
   検出信号とに基づいて、前記送信側音響トランスジュー
   サによる超音波の発生から受信側音響トランスジューサ
   に超音波が到達するまでの時間を伝搬時間として計測す
   る計時手段とを備える伝搬時間計測装置において、 前記送信信号発生手段は、予め定めた位置に位相を反転
   したマーカの挿入されている送信信号を発生し、 前記受信信号処理手段は、前記送信側超音波トランスジ
   ューサからの超音波を受信して前記受信側超音波トラン
   スジューサが発生する検出信号中の位相反転部分を検出
   し、 前記計時手段は、前記送信信号に挿入したマーカの送信
   タイミングから前記検出信号から検出した位相反転部分
   の受信タイミングまでの時間を前記伝搬時間として計測
   することを特徴とする伝搬時間計測装置。
3. 【請求項３】 前記送信信号発生手段の発生する送信信
   号がゼロクロス点において位相反転された予め定めた波
   形の周期信号であり、 前記受信信号処理手段が、前記受信側音響トランスジュ
   ーサからの検出信号をアナログ−デジタル変換して検出
   デジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ
   変換手段からの検出デジタルデータを１周期別に記録す
   る記録手段と、該記録手段に記録された１周期前の検出
   デジタルデータと前記Ａ／Ｄ変換手段からの検出デジタ
   ルデータとを順次乗算して乗算デジタルデータを出力す
   る乗算手段と、該乗算手段からの乗算デジタルデータの
   極性の反転を検出する反転検出手段と、前記記録手段に
   記録されている検出デジタルデータによって得た曲線又
   は一定の正弦波による近似により曲線のゼロクロス点を
   位相反転部分の第１の補正点として算出する第１の補正
   点算出手段とを有し、 前記計時手段は、前記送信側音響トランスジューサによ
   る超音波の発生から前記反転検出手段による極性の反転
   の検出までの時間を計時し、該計時した時間を前記第１
   の補正点算出手段により算出した第１の補正点によって
   補正して伝搬時間を計測することを特徴とする請求項２
   記載の伝搬時間計測装置。
4. 【請求項４】 前記送信信号発生手段が送信信号の送信
   電力を予め定めた設定データにより可変可能であり、 前記Ａ／Ｄ変換手段が検出デジタルデータの値を予め定
   めた調整率で調整可能であり、 前記受信信号処理手段が、前記記録手段に記録されてい
   る検出デジタルデータに基づいて検出デジタルデータの
   振幅を算出する振幅算出手段を有し、 該振幅算出手段によって算出した振幅に基づいて、前記
   送信信号発生手段の送信電力を可変する設定データと、
   前記Ａ／Ｄ変換手段の調整率とを設定することを特徴と
   する請求項３記載の伝搬時間計測装置。
5. 【請求項５】 前記送信信号発生手段の発生する送信信
   号がゼロクロス点において位相反転された予め定めた波
   形の周期信号であり、 前記受信信号処理手段が、前記受信側音響トランスジュ
   ーサからの検出信号をアナログ−デジタル変換して検出
   デジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ
   変換手段からの検出デジタルデータを１周期別に記録す
   る記録手段と、該記録手段に記録された１周期前の検出
   デジタルデータと前記Ａ／Ｄ変換手段からの検出デジタ
   ルデータとを順次乗算して乗算デジタルデータを出力す
   る乗算手段と、該乗算手段からの乗算デジタルデータの
   極性の反転を検出して位相反転検出信号を出力する反転
   検出手段と、前記記録手段に記録されている検出デジタ
   ルデータによって得た曲線又は一定の正弦波による近似
   により曲線のゼロクロス点を位相反転部分の第１の補正
   点として算出する第１の補正点算出手段、又は前記反転
   検出手段により極性の反転を検出した乗算デジタルデー
   タと直前の乗算デジタルデータとによる直線近似により
   直線のゼロクロス点を位相反転部分の第２の補正点とし
   て算出する第２の補正点算出手段の少なくとも一方とを
   有し、 前記計時手段は、前記送信側音響トランスジューサによ
   る超音波の発生から前記反転検出手段からの位相反転検
   出信号の出力までの時間を計時し、該計時した時間を前
   記第１の補正点算出手段により算出した第１の補正点に
   よって補正して第１の伝搬時間、又は前記第２の補正点
   算出手段により算出した第２の補正点によって補正して
   第２の伝搬時間の少なくとも一方を計測することを特徴
   とする請求項２記載の伝搬時間計測装置。
6. 【請求項６】 前記送信信号発生手段の発生する送信信
   号がゼロクロス点において位相反転された２つのマーカ
   が挿入された予め定めた波形の周期信号であり、 前記反転検出手段は前記２つのマーカの各々を検出して
   第１及び第２の位相反転検出信号を出力し、 前記Ａ／Ｄ変換手段が前記反転検出手段からの第１の位
   相反転検出信号によって検出デジタルデータのサンプリ
   ング周期を短くすることを特徴とする請求項３〜５の何
   れかに記載の伝搬時間計測装置。
7. 【請求項７】 前記送信信号発生手段は、前記予め定め
   た位置に対応する１／４周期のタイミングで位相を反転
   した一定周期の方形波を発生する方形波発生手段と、該
   方形波発生手段の発生する方形波を正弦波に変換する方
   形波−正弦波変換手段とを有し、該方形波−正弦波変換
   手段が前記ゼロクロス点において位相反転された正弦波
   を前記送信信号として出力することを特徴とする請求項
   ３〜６の何れかに記載の伝搬時間計測装置。
8. 【請求項８】 流体管路に流体の流れ方向に一定距離離
   間して対向するように配置した一対の音響トランスジュ
   ーサと、該一対の音響トランスジューサの一方を送信側
   又は送信側に、他方を受信側又は送信側となるように交
   互に切り換える切換手段と、該切換手段によって送信側
   に切り換えられた前記送信側音響トランスジューサを駆
   動して超音波を発生させる送信信号を発生する送信信号
   発生手段と、前記切換手段によって受信側に切り換えら
   れた前記受信側音響トランスジューサが前記送信側音響
   トランスジューサからの超音波を受信して発生する検出
   信号を受信処理する受信信号処理手段と、前記送信信号
   と前記検出信号とに基づいて、前記送信側音響トランス
   ジューサによる超音波の発生から受信側音響トランスジ
   ューサに超音波が到達するまでの２つの時間を第１及び
   第２の伝搬時間として計測する計時手段と、該計時手段
   によって計測した前記第１及び第２の伝搬時間の差によ
   って前記流体管路に流れる流体の流速を求める流速計測
   手段と、該流速計測手段により計測した流速に流体管路
   の断面積と定数を乗じて流量を求める流量演算手段とを
   備える超音波式流量計において、 前記送信信号発生手段は、予め定めた位置に位相を反転
   したマーカの挿入されている送信信号を発生し、 前記受信信号処理手段は、前記送信側超音波トランスジ
   ューサからの超音波を受信して前記受信側超音波トラン
   スジューサが発生する検出信号中の位相反転部分を検出
   し、 前記計時手段は、前記送信信号に挿入したマーカの送信
   タイミングから前記検出信号から検出した位相反転部分
   の受信タイミングまでの時間を前記伝搬時間として計測
   することを特徴とする超音波式流量計。