JP2003075218A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 精度のよい流量計を提供すること。 【解決手段】 自己送受信特性の相関係数が大きい一対
の超音波変換器２３、２４を用いて超音波流量計２１を
構成している。これによって一対の超音波変換器間に発
生するオフセット値が小さく、高精度な流量計を実現す
ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を計測
する超音波流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の流量計として、図１０に
示すような流量計１がある。図１０は、断面図を示し、
流体の流れる流路２の上流側と下流側とに一対の超音波
変換器３、４を流体を介し、対向して設置し、一対の超
音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間の時間
差から流体の流速を計測し、流量を演算し、流量計とし
ていた。

【０００３】なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流
れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する
方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波
の伝搬する方向とは角θで交叉している。

【０００４】図１１に、上流側（もしくは下流側）の超
音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形状の駆
動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器
４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。
横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。なお、図中の横線９
（破線）は、コンパレータの設定電圧（Ｖref）を示
す。なお、コンパレータの設定電圧９（Ｖref）は、雑
音信号でコンパレータが誤動作しないように、受信波形
８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番目の受信
電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してある。超音
波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｐは、
駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８が、コン
パレータの設定電圧９を越えた次のゼロクロス点１１
（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。この場
合、超音波が流体中を伝搬する真の伝搬時間Ｔｓは、上
記の伝搬時間Ｔｐから、受信波形の３．５波分（図中の
Ｔｉ参照）を差し引いた時間となる。即ち、超音波の真
の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして、流量演算
に用いていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
流量計１の計測される超音波伝搬時間Ｔｐ（＝Ｔｓ＋Ｔ
ｉ）には、超音波が受信側の超音波変換器の表面に到達
した後、検知されるまでの時間（Ｔｉ）が含まれている
ため、一対の超音波変換器３、４の特性差により誤差が
発生することがあった。即ち、超音波変換器の温度特性
や経時変化などにより、例えば、受信周波数が変化した
り、あるいは、受信感度が変化したりし、検知される間
での時間（Ｔｉ）が一対の超音波変換器間で異なること
があった。この差異が、超音波流量計の誤差となり、流
量値が不正確となるという課題を有していた。

【０００６】即ち、上流側の超音波変換器から下流側の
超音波変換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ
（ｕｄ）、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変
換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ（ｄｕ）、
流体中を伝搬する超音波の伝搬速度をＶｓ、流体の流速
をＶｆ、上流側と下流側の超音波変換器間の距離をＬｄ
とすると、以下のようになる。

【０００７】Ｔｐ（ｕｄ）＝Ｔｓ（ｕｄ）＋Ｔｉ
（ｄ）、＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×cos（θ）］＋Ｔｉ
（ｄ）、 Ｔｐ（ｄｕ）＝Ｔｓ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／［Ｖ
ｓ−Ｖｆ×cos（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）となる。

【０００８】ここで、Ｔｉ（ｄ）は超音波が上流側の超
音波変換器から超音波が伝搬してきて下流側の超音波変
換器の表面に到着後検知されるまでの時間を、Ｔｉ
（ｕ）は超音波が下流側の超音波変換器から伝搬してき
て上流側の超音波変換器の表面に到着後検知されるまで
の時間を、それぞれ示す。なお、Ｔｓ（ｕｄ）およびＴ
ｓ（ｄｕ）は、それぞれ超音波が流体中を上流側の超音
波変換器から下流側の超音波変換器へ伝搬する時の真の
伝搬時間、および下流側の超音波変換器から上流側の超
音波変換器へ伝搬する時の真の伝搬時間を示す。このよ
うに計測される超音波の伝搬時間Ｔｐは、超音波が伝搬
する真の伝搬時間Ｔｓと、超音波変換器の表面に到着後
検知されるまでの時間Ｔｉとの和となる。

【０００９】これらより、Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）＝
Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×cos（θ）］ であるから、 Ｖｓ＋Ｖｆ×cos（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ
（ｄ）］、また、Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／
［Ｖｓ−Ｖｆ×cos（θ）］ であるから、 Ｖｓ−Ｖｆ×cos（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ
（ｕ）］ となり、 両辺を引き算すると、流体中の超音波伝搬速
度Ｖｓはキャンセルされ、 ２×Ｖｆ×cos（θ）＝｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ
（ｄ）］｝−｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ
（ｕ）］｝。

【００１０】よって、（右辺の分子）＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ
（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］−［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ
（ｄ）］｝ ＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ
（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］｝（右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕ
ｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］と
なる。

【００１１】通常の場合、Ｔｐ（ｕｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）
＞＞Ｔｉ（ｄ）、Ｔｉ（ｕ）、また、流体の流速に比べ
超音波の伝搬速度は充分大きいので、 Ｔｐ（ｕｄ）≒Ｔｐ（ｄｕ）であり、 （右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ ）］ ＝Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）×［Ｔｉ（ｄ）＋Ｔｉ（ｄ）］ ＋Ｔｉ（ｄ）×Ｔｉ（ｕ） ≒Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）とすることができ、 Ｖｆ＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ） ］｝／［２×cos（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］となる。

【００１２】 ここで、Ｖmeas＝Ｌｄ×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］／［２×cos（θ） ×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］、 Ｖerr＝Ｌｄ×［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］／［２×cos（θ）×Ｔｐ（ｕｄ） ×Ｔｐ（ｄｕ）］、 とすると、Ｖｆ＝Ｖmeas＋Ｖerrとなり、Ｖmeasが真の
流速値、Ｖerr が流速計測の誤差項となる。

【００１３】よって、流量は、流速Ｖｆに流路２２の断
面積Ｓｒを乗じ、以下のようになる。

【００１４】Ｑmeas＝Ｖmeas×Ｓｒ Ｑerr＝Ｖerr×Ｓｒとなる。

【００１５】真の流量値Ｑmeasおよび誤差項Ｑerrが得
られることになる。

【００１６】なお、この流速の誤差項Ｖerrあるいは流
量の誤差項Ｑerrは、流速が小さい時ほど、その真の流
速値Ｖmeasに対する影響度は大きくなる。即ち、流体の
流速が遅い時は、［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］の値
が、非常に小さくなるためである。

【００１７】このように、計測される超音波の伝搬時間
Ｔｐ（ｕｄ）、あるいはＴｐ（ｄｕ）は、それぞれ真の
超音波伝搬時間Ｔｓと検知されるまでの時間Ｔｉとを含
んでいるので、上流側の超音波変換器および下流側の超
音波変換器での検知されるまでの時間Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ
（ｄ）に差異が発生すると、流速の計測に誤差を含むこ
とになり、流量計測精度が悪くなることになる。即ち、
流速計測における誤差分、Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）、が
含まれる。なお、この流速の誤差項、Ｖerr（＝Ｔｉ
（ｄ）−Ｔｉ（ｕ））、あるいは、流量の誤差項Ｑerr
（＝Ｖerr×Ｓｒ）は通常オフセット値と言われること
が多い。

【００１８】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、オフセット値の小さい超音波流量計を提供するとと
もに、温度変化に対しても安定な超音波流量計を提供す
ることを目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために、本発明の超音波流量計は、相関係数の大きい
な一対の超音波変換器を流体の流れる流路の上流側と下
流側とに、流体を介し、対向して配設したものである。

【００２０】この構成により、本発明の超音波流量計
は、超音波変換器の特性が一致するので、オフセット値
の小さい流量計を構成することができ、正確な流量値を
計測することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、相関係数
の大きいな一対の超音波変換器を流体の流れる流路の上
流側と下流側とに、流体を介し、対向して配置する構成
としたので、超音波変換器の特性が一致しているのでオ
フセット値を小さくすることができ、流量計測が正確な
超音波流量計を実現できる。

【００２２】請求項２記載の発明は、特に請求項１記載
の相関係数を自己送受信特性の周波数と受信強度からな
る相関係数を用いる構成としたので、特性評価が簡単で
あり、また相関係数の算出時間も短縮できる。

【００２３】請求項３記載の発明は、特に請求項１記載
の相関係数を、最大受信強度とその周波数との一致度を
加えた相関係数を用いる構成としたので、効率よくオフ
セット値の小さい超音波流量計を実現できる。

【００２４】請求項４記載の発明は、特に請求項１記載
の相関係数を、超音波変換器の静電容量差を加えた相関
係数を用いる構成としたので、効率よくオフセット値の
小さい超音波流量計を実現できる。

【００２５】請求項５記載の発明は、特に請求項１記載
の相関係数が使用温度範囲内の複数の温度で大きい超音
波変換器組を用いるので、使用温度範囲においてオフセ
ット値の小さい超音波流量計を実現できる。

【００２６】請求項６記載の発明は、特に請求項５記載
の相関係数を使用温度範囲内の高温側の温度と、低温側
の温度とで算出するので、使用温度範囲において、オフ
セット値の小さく超音波流量計を実現できる。

【００２７】請求項７記載の発明は、特に請求項５記載
の相関係数を使用温度範囲内の上限温度、下限温度およ
び中間温度とで算出するので、使用温度において、オフ
セット値が小さく、温度変化の少ない安定な超音波流量
計を実現できる。

【００２８】請求項８記載の発明は、特に請求項１記載
の相関係数を超音波変換器の送受信特性の範囲内の周波
数範囲としたので、送受信特性のそろった超音波変換器
対となり、オフセット値を小さく構成することができ、
正確な超音波流量計を実現できる。

【００２９】請求項９記載の発明は、特に請求項８記載
の相関係数を超音波変換器の共振周波数と反共振周波数
とを含む周波数範囲としたので、送受信特性のそろった
一対の超音波変換器となり、オフセット値を小さく構成
することができ、正確な超音波流量計を実現できる。

【００３０】請求項１０記載の発明は、特に請求項８記
載の相関係数を、送受信最大感度の（１／３）以上なる
周波数範囲としたので、送受信特性のそろった一対の超
音波変換器となり、オフセット値を小さく構成でき、正
確な超音波流量計を実現できる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは同
一構成要素とし、説明を省略する。

【００３２】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おける流量計２１の断面図を示し、流体の流れる流路２
２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３、２４
を流体を介し対向して設置し、超音波変換器間の距離Ｌ
ｄは、約１００［mm］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０
［mm＾２］とした。なお、図中の片矢印２５（実線）は
流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波
の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向
は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉す
るようにした。

【００３３】本発明の実施例１の構成において、上流側
および下流側の超音波変換器として、自己送受信特性を
計測し、その相関係数の大きい対を選び出して用いた。
図２に、計測した自己送受信特性を示す。同図におい
て、２７は自己送受信特性を示し、２８は最大受信感度
（Ｖｐ）を、２９はそのときの周波数（Ｆｐ）を、３０
は有効周波数範囲を示す。

【００３４】図３に、上記の自己送受信特性、即ち、単
一の超音波変換器で送信し、同一の超音波変換器で受信
する、回路ブロック図を示す。３１は超音波変換器を駆
動する駆動部で、バースト信号を発生する。３２、３３
はダイオードブロックを、３４は超音波変換器を示す。
３５は負荷抵抗を、３６は信号抵抗を示し、それぞれ２
および１［kohm］とした。３７は受信信号を増幅する増
幅器を示す。この構成において、駆動部３１からの数Ｖ
〜数十Ｖのバースト駆動信号が、ダイオードブロック３
２を介して、超音波変換器３４と負荷抵抗３５とに印加
される。超音波変換器の共振周波数近傍では、超音波変
換器のインピーダンスは負荷抵抗３５に比べ充分低いの
で、駆動信号はすべて超音波変換器に印加されると考え
ることができ、超音波変換器からバースト状の超音波３
８が放出される。放出された超音波は前方に設置された
超音波反射板３９で反射される。反射された超音波４０
は超音波変換器３４で受信される。

【００３５】なお、駆動部３１からの信号は、信号抵抗
３６を介して、ダイオードブロック３３と増幅器３７に
も印加される。この場合、大電圧の駆動信号は、ダイオ
ードブロック３３を介して接地ラインに接続されている
ので、増幅器にはダイオードで決定される閾値、約０．
９Ｖ程度の信号しか入力されないので、増幅器３７が破
壊されることはない。超音波反射板３９で反射された超
音波は、同一の超音波変換器３４で受信される。受信さ
れた超音波は、超音波変換器３４に電荷を発生させる。
この発生した電荷は、負荷抵抗３５の両端に受信電圧を
発生させる。この受信電圧は充分小さく、通常は１００
［mＶ］程度以下である場合が多い。ダイオードブロッ
ク３２を介して駆動部と、信号抵抗３６を介して増幅器
３７とに伝達される。充分小さい受信電圧は、ダイオー
ドブロック３３で接地されても、その受信電圧は、ダイ
オードで決定される閾値以下であるため減衰することな
く増幅器３７に伝達される。

【００３６】また、駆動部３１から超音波変換器へ供給
された駆動信号は、超音波が超音波変換器３４と超音波
反射板３９との間約１００［mm］を往復する間に、充分
減衰するので、受信信号に対する雑音とはならない。例
えば、流体が空気である場合、超音波が往復する時間は
約５９０［μsec］程度となり、駆動信号が減衰するの
に充分な時間となる。

【００３７】このようにして、図２に示した自己送受信
特性が得られる。同図は、横軸（Ｘ）に周波数を、縦軸
（Ｙ）に受信感度を示す。領域を示す実線２９は、超音
波変換器の超音波出力が有効な周波数範囲を示す。相関
係数Ｒｘｙは、次式を用いて算出した。

【００３８】Ｒｘｙ＝Ｃｏｖ（Ｘ，Ｙ）／（σｘ×σ
ｙ）、ここで、Ｃｏｖ（Ｘ，Ｙ）＝（１／ｎ）×Ｓｕｍ
［（ＸｉーＸａ）×（Ｙｉ−Ｙａ）］ σｘ、σｙは、Ｘｉ、Ｙｉの標準偏差を、Ｘａ、Ｙａ
は、Ｘｉ、Ｙｉの平均値を示す。

【００３９】なお、Ｓｕｍはｉをパラメータ（周波数）
とした場合の、ｉ＝１〜ｎまでを加算することを示す。
即ち、自己送受信特性において超音波出力が有効な周波
数範囲にある相関係数を算出することを意味する。オフ
セット値の発生要因である、超音波が超音波変換器の表
面に到達した後検知されるまでの時間Ｔｉは、送信側と
受信側との超音波変換器の両者の特性の差異に大きく依
存するので、両者の特性が非常に似通っている一対の超
音波変換器を用いると、そのオフセット値は小さくな
る。

【００４０】即ち、全く特性が同じ超音波変換器を用い
ると、原理的には、送信特性も、受信特性も全く同じと
なり、オフセット値は発生しなくなる。従って、超音波
変換器の特性を示す自己送受信特性のそろった、即ち、
相関係数の大きな一対の超音波変換器を用いて流量計を
構成すると、オフセット値の小さい超音波流量計を実現
することができる。全く特性が同じである超音波変換器
の対は、実際上は実現不可能であるので、超音波変換器
の送信特性、受信特性を示すインピーダンス特性が似て
いる対、即ち、相関係数の大きな対を用いることによ
り、オフセット値の小さい超音波流量計を実現すること
ができる。

【００４１】（実施例２）実施例２の説明を図面に基づ
き説明する。図４に、Ｘを上流側と下流側の超音波変換
器の自己送受信特性から算出した相関係数とし、Ｙをオ
フセット値とした時の関係を示す。横軸に相関係数を、
縦軸にオフセット値の流量計測範囲のフルスケールに対
する割合（［％］）を示す。図４より、相関係数Ｒｘｙ
が０．９５０以上であれば、オフセット値がフルスケー
ルの±０．５［％］以内となり、相関係数Ｒｘｙが０．
９７５以上であれば、オフセット値がフルスケールの±
０．３０［％］以内となる。この意味するところは、フ
ルスケールが６０００［L/h］の超音波流量計であれ
ば、Ｒｘｙが０．９５０以上の時はオフセット値が±３
０［L/h］以内となり、Ｒｘｙが０．９７５以上の時は
±１８［L/h］以内となることを示している。さらに
は、より相関係数の大きい対を用いて超音波流量計を構
成すると、より小さいオフセット値が得られることを示
している。このように、超音波流量計に自己送受信特性
からなる相関係数が大きい一対の超音波変換器を用いる
と、オフセット値の小さい超音波流量計を実現できる。

【００４２】（実施例３）次に、実施例１に示した相関
係数Ｒｘｙが、０．９００以上の一対の超音波変換器に
対し、自己送受信特性における最大感度と、その時の周
波数とからなる一致度を用いオフセット値を評価した結
果を図５に示す。横軸に一致度を、縦軸に流量計測範囲
のフルスケールに対するオフセット値の割合（［％］）
を示す。なお、一致度は以下のようにして算出した。即
ち、上流側および下流側の超音波変換器の最大感度をＶ
ｐ（１）およびＶｐ（２）、そのときの周波数をＦｐ
（１）およびＦｐ（２）とした場合に、一致度、Ｒ（１
２）は、 Ｒ（１２）＝｛［Ｖｐ（１）−Ｖｐ（２）］／［Ｖｐ
（１）＋Ｖｐ（２）］｝＾２＋｛［Ｆｐ（１）−Ｆｐ
（２）］／［Ｆｐ（１）＋Ｆｐ（２）］｝＾２とした。

【００４３】一致度が最良の場合には、Ｖｐ（１）−Ｖ
ｐ（２）＝０．０およびＦｐ（１）−Ｆｐ（２）＝０．
０となるので、Ｒ（１２）＝０．０となる。

【００４４】図５より、一致度Ｒ（１２）が０．０５以
下の良い一致を示す一対の超音波変換器であれば、オフ
セット値がフルスケールの±０．５［％］以内となり、
更に０．０２以下のより良い一致を示す一対の超音波変
換器であれば、オフセット値がフルスケールの±０．３
［％］以内となる。このように、超音波流量計に自己送
受信特性の最大感度と、その時の周波数とからなる一致
度Ｒ（１２）の大きい一対の超音波変換器を用いて超音
波流量計を構成すると、オフセット値の小さい超音波流
量計を実現できる。

【００４５】（実施例４）次に、実施例１に示した相関
係数Ｒｘｙが、０．９００以上の一対の超音波変換器に
対し、それぞれの超音波変換器の静電容量の一致度を用
いオフセット値を評価した結果を図６に示す。横軸に静
電容量の一致度Ｒcap（１２）を、縦軸に流量計測範囲
のフルスケールに対するオフセット値の割合（［％］）
を示す。なお、超音波変換器の静電容量は、ＬＣＲメー
タを用い、超音波変換器の共振周波数からはなれた約１
［ｋＨｚ］の周波数で計測した値を用いた。また、一致
度Ｒcap（１２）は以下のようにして算出した。即ち、
上流側および下流側の超音波変換器の静電容量をＣｐ
（１）およびＣｐ（２）とした時、一致度、Ｒcap（１
２）は、 Ｒcap（１２）＝｛［Ｃｐ（１）−Ｃｐ（２）］／［Ｖ
ｐ（１）＋Ｖｐ（２）］｝＾２とした。一致度が最良の
場合には、Ｃｐ（１）−Ｃｐ（２）＝０．０となるの
で、Ｒcap（１２）＝０．０となる。

【００４６】図６より、一致度Ｒcap（１２）が０．０
２５以下の良い一致度を示す一対の超音波変換器であれ
ば、オフセット値がフルスケールの±０．５［％］以内
となり、更に０．０１０以下のより良い一致度を示す一
対の超音波変換器であれば、オフセット値がフルスケー
ルの±０．３［％］以内とさらによくなるなる。このよ
うに、超音波流量計にそれぞれの超音波変換器の静電容
量の一致度Ｒcap（１２）の大きい一対の超音波変換器
を用いて超音波流量計を構成すると、オフセット値の小
さい超音波流量計を実現できる。

【００４７】（実施例５）次に、使用温度範囲でのオフ
セット値と相関係数との関係について説明する。一般
に、オフセット値と雰囲気温度との関係は単調変化であ
る場合が多い。従って、使用温度範囲が、例えば、−３
０［℃］〜＋６０［℃］である場合、例えば、１０
［℃］刻みの各温度（温度レベル：１０点）で、超音波
流量計に用いる一対の超音波変換器の相関係数が大きい
時には、上記実施例より、その温度でのオフセット値は
非常の小さくなるので、各温度で小さいオフセット値を
実現でき、その結果、全温度範囲、−３０［℃］〜＋６
０［℃］、において、小さいオフセット値の超音波流量
計を実現することができる。

【００４８】（実施例６）次に、実施例６について、図
面を用いて具体的に説明する。図７に使用温度範囲（−
３０［℃］〜＋６０［℃］）の高温部（＋６０［℃］）
での相関係数と低温部（−３０［℃］）での相関係数と
の差（ｄCorr）とオフセット値の差との関係を示す。横
軸に相関係数の差（ｄCorr）を、縦軸にオフセット値の
差を示す。同図より両温度間での相関係数の差（ｄCor
r）が小さいほどオフセット値の差が小さいことが解
る。相関係数の差（ｄCorr）が０．０５以下であれば、
オフセット値の変化が０．２［％］以内となることがわ
かる。このように高温部と低温部とでの相関係数の差が
小さい一対の超音波変換器で超音波流量計を構成する
と、使用温度範囲でのオフセット値を小さくできること
がわかる。

【００４９】（実施例７）次に、実施例７について、図
面を用いて具体的に説明する。図８に使用温度範囲（−
３０［℃］〜＋６０［℃］）での、高温部（＋６０
［℃］）の相関係数と中間温度（＋２０［℃］）の相関
係数との差（ｄＣｈｉｇｈ）と、低温部（−３０
［℃］）の相関係数と中間温度（＋２０［℃］）の相関
係数との差（ｄClow）とオフセット値の差（ｄOffset）
との関係を示す。横軸に相関係数の差（ｄＣｈｉｇｈお
よびｄClow）の平均値（ｄCaver）を、縦軸に使用温度
範囲でのオフセット値の最大値と最小値との差（ｄOffs
et）を示す。同図より両温度間での相関係数の差（ｄCo
rr）が小さいほどオフセット値の差（ｄOffset）が小さ
いことが解る。相関係数の差（ｄCorr）が０．０５以下
であれば、オフセット値の変化が０．２［％］以内とな
ることがわかる。

【００５０】このように高温部と中間温度および中間温
度と低温部とでの相関係数の差の小さい一対の超音波変
換器で超音波流量計を構成すると、使用温度範囲でのオ
フセット値の変化を小さくでき、高精度な流量計が実現
できることがわかる。なお、この場合には、例えば、室
温（中間温度）でオフセット値をゼロとなるように調整
しておけば、使用温度範囲においてオフセット値の変化
が小さいため、温度に対して安定な超音波流量計を実現
できることになる。

【００５１】（実施例８）前記実施例の図２に、超音波
変換器の自己送受信特性の周波数依存性を示した。送受
信特性が最大となる周波数Ｆｐ（２９）から周波数が離
れるほど、その自己送受信特性における受信電圧は、最
大値Ｖｐ（２８）から急激に小さくなる。

【００５２】本発明の相関係数算出に用いた周波数範囲
は自己送受信特性における自己送受信電圧の大きい範囲
とし、図２に両矢印の破線３０で示し、最大電圧Ｖｐの
（１／５）以上となる範囲とした。このように、自己送
受信の受信電圧の大きい範囲を用いたので、相関係数に
より超音波特性の揃った超音波変換器を抽出することが
でき、オフセットの小さい流量計を実現することができ
た。

【００５３】（実施例９）図９を用いて、実施例９を説
明する。図８は、超音波変換器のインピーダンス特性を
示す。横軸に周波数を、左縦軸にインピーダンスの抵抗
成分を対数表示し、右縦軸にインピーダンスの位相成分
を示す。実線４１はインピーダンスの抵抗成分を、破線
４２はインピーダンスの位相成分を示す。両矢印の実線
４３で示す周波数範囲は、超音波変換器の共振周波数と
反共振周波数とを含む範囲を示し、前記実施例で示した
自己送受信における周波数範囲２９を一致する。従っ
て、相関係数を算出する周波数範囲は、超音波変換器の
共振周波数と反共振周波数とを含む範囲であれば良いこ
とになる。

【００５４】（実施例１０）実施例８で示した自己送受
信特性の周波数範囲を種々変更して相関係数とオフセッ
ト値との関係を調べた結果、相関係数を算出する周波数
範囲は、自己送受信特性の受信電圧が最大電圧の（１／
３）以上の範囲であれば、相関係数からオフセット値を
より一層推定できることが解った。従って、相関係数を
算出する周波数範囲は、自己送受信特性における受信電
圧が最大電圧の（１／３）以上となる周波数範囲であれ
ば良い。このように、相関係数算出の領域を狭めること
ができ、算出効率が向上する。これは、受信電圧が小さ
いと雑音レベルとの差が小さくなり、Ｓ／Ｎが悪くなる
ためと考えられる。

【００５５】

【発明の効果】以上のように請求項１〜１０に記載の発
明によれば、超音波変換器間の相関係数の大きいな組で
超音波流量計を構成するとオフセット値を小さくするこ
とができ、高精度な超音波流量計を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における超音波流量計の断面
図

【図２】同流量計における超音波変換器の特性図

【図３】同実施例における回路ブロック図

【図４】本発明の実施例２における超音波流量計の相関
係数とオフセット値との関係を示す特性図

【図５】本発明の実施例３における超音波流量計の一致
度とオフセット値との関係を示す特性図

【図６】本発明の実施例４における超音波流量計の一致
度とオフセット値との関係を示す特性図

【図７】本発明の実施例６における超音波流量計の相関
係数とオフセット値との関係を示す特性図

【図８】本発明の実施例７における超音波変換器の相関
係数とオフセット値との関係を示す特性図

【図９】本発明の実施例９における超音波変換器の特性
図

【図１０】従来の流量計の断面図

【図１１】同流量計における超音波伝搬時間を説明する
図

【符号の説明】

２１ 流量計 ２２ 流路 ２３ 上流側の超音波変換器 ２４ 下流側の超音波変換器 ３１ 駆動部 ３２、３３ ダイオードブロック ３４ 超音波変換器 ３７ 増幅部 ３９ 超音波反射板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 足立 明久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 佐藤 真人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA14 DA19 5D019 AA22 BB17 FF02 GG11

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相関係数の大きい一対の超音波変換器を
   流体の流れる流路の上流側と下流側とに、それぞれ対向
   して配設した超音波流量計。
2. 【請求項２】 相関係数は自己送受信の周波数と受信強
   度からなる請求項１記載の超音波流量計。
3. 【請求項３】 相関係数は最大受信強度とその周波数と
   の一致度を加えてなる請求項１記載の超音波流量計。
4. 【請求項４】 相関係数は超音波変換器の静電容量差を
   加えてなる請求項１記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】 使用温度範囲内の複数の温度での相関係
   数が大きい一対の超音波変換器を用いる請求項１記載の
   超音波流量計。
6. 【請求項６】 複数の温度が、使用温度範囲内の高温側
   温度と低温側温度とからなる請求項５記載の超音波流量
   計。
7. 【請求項７】 複数の温度が、使用温度範囲内の高温側
   温度、低温側温度および中間の温度からなる請求項５記
   載の超音波流量計。
8. 【請求項８】 相関係数の周波数範囲を超音波変換器の
   送受信特性の範囲内とする請求項１記載の超音波流量
   計。
9. 【請求項９】 周波数範囲は共振周波数と反共振周波数
   とを含む請求項８記載の超音波流量計。
10. 【請求項１０】 周波数範囲は自己送受信最大感度の３
    分の１以上とした請求項８記載の超音波流量計。