JP2004239868A - 超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定スピードを低下させたり測定用電池を著しく消耗させたりすることなく、測定精度の大幅な向上を図ることのできる超音波流量計を提供する。
【解決手段】受信側振動子出力として送受信振動子２１の出力Ｖ０ｄ（反射受信信号）が選択され、反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）の計測が行われる。このようにして到達時間検出信号Ｖｆで得られた反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）は、実際の（真の）到達時間と等価なものとなっている。
【選択図】 図３
【解決手段】受信側振動子出力として送受信振動子２１の出力Ｖ０ｄ（反射受信信号）が選択され、反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）の計測が行われる。このようにして到達時間検出信号Ｖｆで得られた反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）は、実際の（真の）到達時間と等価なものとなっている。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用して流速を測定する超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波送受信部を設け、超音波信号の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波送信部（送信側振動子）から流れ方向下手側の超音波受信部（受信側振動子）に到達するまでの時間（以下、順方向到達時間という）と、流れ方向下手側の超音波送信部（送信側振動子）から流れ方向上手側の超音波受信部（受信側振動子）に到達するまでの時間（以下、逆方向到達時間という）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速及び流量を求める方法である。
【０００３】
そして、超音波受信信号波形は受信初期においてはノイズ混入等の影響により十分な振幅レベルを有しない不規則波形部分を有するので、順方向到達時間（又は逆方向到達時間）を計測するためのトリガー波（例えば第３波）を適切に定め、測定精度を向上させるための種々の試みがなされている。例えば、特許文献１には、トリガーレベル（比較レベル）の最適化を行うことにより、測定精度を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３９５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１等に開示された改良は与えられた超音波受信信号波形に対する信号処理に留まり、受信開始からトリガー波までに経過した時間（トリガー波が第３波の場合には１．５周期分）は、以前と同様に計測された順方向到達時間（又は逆方向到達時間）から減算補正しなければならない。ところが、超音波振動子の発振周波数（固有振動数）は温度依存性を有するため、周囲の環境温度変化に伴って補正値を修正し直す必要があり、根本的な測定精度の向上には至っていなかった。また、信号処理の複雑化に伴って、測定スピードが遅くなったり測定用電池の消耗が激しくなったりするおそれもあった。
【０００６】
そこで本発明の課題は、測定スピードを低下させたり測定用電池を著しく消耗させたりすることなく、測定精度の大幅な向上を図ることのできる超音波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及び発明の効果】
上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計は、
流体を通過させるための流路と、
その流路に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
その超音波送受信部の流れ方向上手側又は下手側の前記流路に、前記送受信振動子から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この超音波流量計によれば、反射到達時間は、受信反射振動子に超音波が到達して受信した時点から受信反射振動子で反射された超音波を送受信振動子が受信するまでの時間であるから、受信開始からトリガー波までに経過した時間を減算補正する必要がなくなり、測定精度の大幅な向上を図ることができる。また、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないので、測定スピードが遅くなったり測定用電池が消耗したりすることを防止できる。
【０００９】
なお、従来の超音波流量計（例えば上記特許文献１参照）においても、超音波受信部において超音波を受信する際、受信側振動子では超音波送信部（送信側振動子）へ向けて超音波の反射が必然的に発生している。しかしながら、これまで反射波はノイズ成分として取り扱われ、測定精度を向上させるためには除外すべきものと考えられるのが一般的であった。これに対して、本発明では、超音波受信信号波形そのものから誤差・補正の要素を取り除き、時間計測手段での反射到達時間の測定精度を向上させるために、超音波流量計において反射超音波を積極的に活用することとしている。
【００１０】
また、上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計を反射型Ｖ字配列に適用した場合、
流体を通過させるための流路と、
その流路の壁に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
流体の流れ方向軸線と前記送受信振動子とを含む流路断面において、流れ方向上手側又は下手側の前記流路の壁に、前記送受信振動子から発振され当該流路の内壁面で少なくとも１回反射された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
反射型Ｖ字配列の超音波流量計に用いた場合にも、上記と同様に反射到達時間に減算補正する必要がないので、測定精度の大幅な向上を図ることができる。しかも、送受信振動子から超音波を発振するのみで、受信反射振動子からは超音波を発振しなくてすむので、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないこととあわせて、コストの低減、測定スピードの向上及び測定用電池の消耗防止に効果を発揮する。加えて、反射型Ｖ字配列では相対的に伝搬距離を長くできるので、時間計測手段での反射到達時間の測定精度をさらに向上させることができる。
【００１２】
したがって、流路が流体の流れ方向に直交する断面において矩形状に形成されるとともに、流路の流れ方向直交断面のうち短辺の一方を形成する壁面に送受信振動子及び受信反射振動子が流れ方向に所定距離を隔てて取り付けられ、かつ他方の短辺を形成する壁面を反射面とすることにより、流路に配置される超音波測線が反射型Ｖ字配列に構成される。このように、矩形断面流路の短辺側壁面を振動子取付面及び反射面に形成することによって、薄型の小型コンパクトな計測部を有する超音波流量計とすることができる。
【００１３】
さらに、上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計を透過型Ｚ配列に適用した場合、
流体を通過させるための流路と、
その流路の壁に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
流体の流れ方向軸線と前記送受信振動子とを含む流路断面において、流れ方向上手側又は下手側の前記超音波送受信部の設置側と対向する前記流路の壁に、前記超音波送受信部から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
透過型Ｚ配列の超音波流量計に用いた場合にも、反射型Ｖ字配列と同様に反射到達時間に減算補正する必要がないので、測定精度の大幅な向上を図ることができる。しかも、送受信振動子から超音波を発振するのみで、受信反射振動子からは超音波を発振しなくてすむので、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないこととあわせて、コストの低減、測定スピードの向上及び測定用電池の消耗防止に効果を発揮する。加えて、透過型Ｚ配列では相対的に伝搬距離を短くできるので、反射波での減衰を気にせずに実施することができる。
【００１５】
そして、これらの超音波流量計において、超音波送受信部が超音波受信反射部よりも流れ方向下手側に配置され、送受信振動子は流れ方向上手側に配置された受信反射振動子に向け超音波を発振するように構成するのが好ましい。一般に、流路内に流体の流れがある場合に、流れに沿う方向（流れ方向下手側）に超音波が発振されると超音波出力が減少し、流れに逆らう方向（流れ方向上手側）に超音波が発振されると超音波出力が増加することが知られている。そこで、上記のように送受信振動子が受信反射振動子に向け超音波を発振することによって超音波出力が増加するので、受信反射振動子から送受信振動子に向う反射波の出力減少分を補って受信レベルの低下及び測定精度の低下を抑制することができる。
【００１６】
さらに、これらの超音波流量計において、時間計測手段により直接到達時間及び反射到達時間を計測するために、送受信振動子から発振され受信反射振動子で受信された直接受信信号、及び受信反射振動子で反射され送受信振動子で受信された反射受信信号を増幅する増幅手段を設け、増幅手段では、直接受信信号の増幅率よりも反射受信信号の増幅率を大に設定するとよい。送受信振動子を流れ方向下手側、受信反射振動子を流れ方向上手側に配置した場合でも、通常、反射受信信号のレベルは直接受信信号のレベルより低下する傾向にある。そこで、到達時間の計測を実行する前に反射受信信号を相対的に大なる増幅率で信号増幅しておくことにより、反射受信信号のレベル低下及び測定精度の低下をさらに抑制することができる。
【００１７】
そのために、超音波送受信部及び超音波受信反射部と増幅手段との間には、増幅手段に対して直接受信信号又は反射受信信号を切り替えて供給するための受信信号切替手段を設け、受信信号切替手段は、直接受信信号と反射受信信号との信号切替に伴い増幅手段に対して増幅率の変更指令を発するように構成することができる。これにより、反射受信信号に対して相対的に大なる増幅率で安定した信号増幅が実行される。
【００１８】
また、流路を流れる流体の流れ方向を検出する流れ検出手段を設け、流れ検出手段が、流体流れ方向の変化を検出したときに受信信号切替手段に対して直接受信信号と反射受信信号との信号切替のタイミング変更指令を発するように構成してもよい。これにより、流路内を流体が逆流する事態が発生したときにも、素早く検知して受信信号レベルの調整が行われるので、信号レベルや測定精度が低下したりするのを抑制できる。なお、流れ検出手段として、本発明の構成要件である時間計測手段（の計測データ）を用いたり、超音波流量計とは別個に差圧式、面積式、渦式等の周知の流量計（又は流速計）を用いたりしてもよい。また、逆流を検出したときに、受信信号切替手段を用いて直接受信信号と反射受信信号とを切り替える手法（第一手法）に代えてあるいは加えて、計測切替手段を用いて超音波送受信部と超音波受信反射部とを切り替える手法（第二手法）を採用してもよい。その際、逆流流量小のときには第一手法を実施しつつ警告表示、逆流流量大のときにはまず第二手法の実施、さらに流量増加で遮断弁作動、のように使い分けることもできる。
【００１９】
次に、上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計は、
流体を通過させるための流路と、
流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向上手側又は下手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子を具備し、相互に超音波の発振・受信・反射が行えるように、前記流路の流れ方向上手側と下手側とに配置された一対の超音波送受信反射部と、
前記一対の送受信反射振動子のうち一方の前記送受信反射振動子（以下、第一振動子という）を発振・受信側とし他方の前記送受信反射振動子（以下、第二振動子という）を受信・反射側とする第一回計測と、前記第二振動子を発振・受信側とし前記第一振動子を受信・反射側とする第二回計測とを切り替える計測切替手段と、
前記第一回計測において、前記第二振動子に超音波が到達した時点から当該第二振動子で反射された超音波を前記第一振動子が受信するまでの第一回反射到達時間を計測するとともに、前記第二回計測において、前記第一振動子に超音波が到達した時点から当該第一振動子で反射された超音波を前記第二振動子が受信するまでの第二回反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２０】
この超音波流量計によれば、第一回計測において第一回反射到達時間は、第二振動子に超音波が到達して受信した時点から第二振動子で反射された超音波を第一振動子が受信するまでの時間である。一方、第二回計測において第二回反射到達時間は、第一振動子に超音波が到達して受信した時点から第一振動子で反射された超音波を第二振動子が受信するまでの時間である。したがって、順方向到達時間と逆方向到達時間とに第一回反射到達時間及び第二回反射到達時間を当てはめれば、順方向到達時間と逆方向到達時間の計測値のいずれにおいても、受信開始からトリガー波までに経過した時間を減算補正する必要がなくなり、測定精度はさらに大幅に向上する。また、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないので、測定スピードが遅くなったり測定用電池が消耗したりすることを防止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成を示す。この超音波流量計１００の流量測定用の流路１には、流量測定用ガス（流体）が流れ方向軸線Ｏに沿って図示の流れ方向に流通（平均流速ｖ）している。流路１の壁１０には、流れ方向下手側の超音波送受信部２と流れ方向上手側の超音波受信反射部３とが取り付けられ、図１に示すように、流れ方向軸線Ｏと超音波送受信部２とを含む流路断面において、超音波受信反射部３は超音波送信部２設置側の壁１０に位置している。
【００２２】
測定用の流路１は、少なくとも超音波送受信部２―超音波受信反射部３間において流れ方向軸線Ｏが直線状であり、軸断面の形状及び断面積が流れ方向において同一に形成されている。測定対象がガスの場合、測定用流路１の軸断面形状は壁１０により閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。図１に示す流路１は矩形状に形成され、流路１の流れ方向直交断面のうち一方の短辺１１ａを形成する壁面（取付面）に送受信振動子２１及び受信反射振動子３１が流れ方向に所定距離を隔てて取り付けられ、かつ他方の短辺１１ｂを形成する壁面を反射面とすることにより、流路１に配置される超音波測線Ｍが反射型Ｖ字配列に構成される。なお、測定対象が水等の液体であれば、測定用流路１の軸断面形状として壁１０の天頂部が大気中に開放されたオープン形状（例えば半円形状等）を採用できる場合がある。
【００２３】
超音波送受信部２は、流路１の壁１０に固定され、圧電素子、振動板、電極板等から構成される送受信振動子２１と、この送受信振動子２１を発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段２２とを備えている。送受信振動子２１は、流体の流れ方向上手側（超音波受信反射部３側）に向けて超音波を発振した後、後述する受信反射振動子３１で反射され流れ方向上手側から到来する超音波を受信する。
【００２４】
超音波受信反射部３は、超音波送受信部２（送受信振動子２１）よりも流れ方向上手側の壁１０に固定され、圧電素子、振動板、電極板等から構成される受信反射振動子３１と、この受信反射振動子３１又は送受信振動子２１の発生電圧を検出するための電圧検出回路等から構成される受信手段３２とを備えている。受信反射振動子３１は、送受信振動子２１から発振され流路１の内壁面（反射面１２）で１回反射された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を送受信振動子２１に向けて反射する。受信反射振動子３１で反射された超音波は測線Ｍに沿ってもと来た径路を逆戻りし、送受信振動子２１で受信される。
【００２５】
図１において、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の進行方向（測線Ｍ）とガスの流れ方向（流れ方向軸線Ｏ）とのなす角をθ（以下、測線角という）、超音波の伝搬距離をＬ（＝Ｄ／ｃｏｓθ）とすると、順方向到達時間Ｔｄ及び逆方向到達時間Ｔｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｄ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （１）
Ｔｕ＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｄ−１／Ｔｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ （３）
したがって、順方向到達時間Ｔｄと逆方向到達時間Ｔｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。ただし、Ａは流路１の断面積である。
ｖ＝（１／Ｔｄ−１／Ｔｕ）Ｌ／２ｃｏｓθ （４）
Ｑ＝ｖ・Ａ （５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（到達時間Ｔｄ，Ｔｕ）と一定値（伝搬距離Ｌ，測線角θ）とから流速ｖが得られる利点を有している。
【００２６】
そこで、図１に示すように、超音波流量計１００には、計測部として、受信反射振動子３１又は送受信振動子２１により得られる受信側振動子出力を増幅する増幅手段４と、後述する「ゼロクロス法」により出力波形から超音波到達時点を検出するゼロクロスポイント検出手段５と、超音波到達時間を測定する時間計測手段６と、受信手段３２で処理すべき信号を切り替える受信信号切替手段７１（切替手段７）とが備えられている。
【００２７】
増幅手段４は、送受信振動子２１から発振され受信反射振動子３１で受信された直接受信信号、及び受信反射振動子３１で反射され送受信振動子２１で受信された反射受信信号を増幅する。そして、直接受信信号の増幅率よりも反射受信信号の増幅率が大となるように設定されている（図３参照）。
【００２８】
受信信号切替手段７１（切替手段７）は、超音波送受信部２及び超音波受信反射部３と増幅手段４との間に設けられ、増幅手段４に対して、受信反射振動子３１で受信された直接受信信号又は送受信振動子２１で受信された反射受信信号を受信手段３２で切り替えて供給する。また、受信信号切替手段７１は、これら直接受信信号と反射受信信号との信号切替に伴い増幅手段４に対して増幅率の変更指令を発する。
【００２９】
時間計測手段６は、送受信振動子２１が超音波を発振してから受信反射振動子３１がその超音波を受信するまでの直接到達時間（図１では上記式（２）の逆方向到達時間Ｔｕに相当する）を計測する。また、時間計測手段６は、受信反射振動子３１に超音波が到達した時点から受信反射振動子３１で反射された超音波を送受信振動子２１が受信するまでの反射到達時間（図１では上記式（１）の順方向到達時間Ｔｄに相当する）を計測する。
【００３０】
ところで、前述の式（１），（２）からも明らかな通り、時間計測手段６で計測される順方向到達時間Ｔｄは逆方向到達時間Ｔｕよりも小さくなる。したがって、時間計測手段６は、流路１を流れる流体の流れ方向を検出する流れ検出手段としての機能をも有することができる。つまり、流れ検出手段６は、流体流れ方向の変化を検出したときに受信信号切替手段７１に対して直接受信信号と反射受信信号との信号切替のタイミング変更指令を発することにより、以後の信号処理が流体の流れ方向に沿って行われるように修正する。
【００３１】
次に、図２に一例として示す計測部のブロック図と図３に示すタイミングチャートとに基づいて、超音波流量計１００の作動を説明する。図２に示すように、受信側振動子出力（ここでは、送受信振動子２１出力Ｖ０ｄ又は受信反射振動子３１出力Ｖ０ｕ）は、増幅手段４を構成する増幅器４１（例えばオペアンプ）で電圧増幅（例えば非反転増幅）され、増幅信号Ｖａがゼロクロスポイント検出手段５に入力される。ゼロクロスポイント検出手段５において、増幅信号Ｖａはゼロクロス型コンパレータ５１（第一コンパレータ）に入力（例えば非反転入力）され、差動型コンパレータ５２（第二コンパレータ）に入力（例えば反転入力）される。コンパレータ出力Ｖｂ，Ｖｃは、ＲＳフリップフロップ回路（以下、ＲＳＦＦ回路という）５３のポート＃Ｓ，＃Ｒへ各々入力される。ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力Ｖｄにより、単安定マルチバイブレータ等で構成されるゼロクロスポイントパルス発生回路５４が出力波形Ｖａにおける超音波到達時点を検出し、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅを時間計測手段６に出力する。時間計測手段６では、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅに基づき、クロックパルス発生回路６２（例えば水晶発振子、無安定マルチバイブレータ）からのクロックパルス数をパルスカウンタ回路６１（例えばＪＫフリップフロップ回路）でカウントして到達時間検出信号Ｖｆが出力される。なお、差動型コンパレータ５２出力Ｖｃ，ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力Ｖｄ，ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅの各出力は、受信信号切替出力Ｖｇにより各々１回のみの出力で終了するように制御されている（図３参照）。
【００３２】
（１）直接到達時間Ｔｕ（逆方向到達時間）の計測
図３において、受信手段３２では受信信号切替手段７１により、受信側振動子出力（図２参照）として、まず受信反射振動子３１の出力Ｖ０ｕが選択される。
増幅信号Ｖａ（受信反射振動子３１の直接受信信号）は、受信初期においてはノイズ混入等の影響により十分な振幅（発生電圧）レベルを有しない不規則波形信号であり、先頭から第ｎ番目（図では第▲３▼番目）の波形部分においてようやく安定して測定可能な振幅レベルに達するのが通常である。そこで、超音波受信出力の増幅信号Ｖａにおいて精度のよい時間測定を可能にするために、以下に述べるゼロクロス法が一般に採用されている。つまり、「差動型コンパレータ５２（図２参照）に入力設定された閾値ＶＳを超える（又は下回る）に至る波形部分（図では第▲３▼波）をトリガー波とし、このトリガー波の振幅（又は位相）がゼロとなるゼロクロス点を、増幅信号Ｖａ（又はその派生信号）の波形上でゼロクロスポイントパルス発生回路５４（図２参照）により検出する方法」である。
【００３３】
具体的には、増幅信号Ｖａの波形に対してゼロクロス法は次のように適用される。増幅信号Ｖａが非反転入力されたゼロクロス型コンパレータ５１では、増幅信号Ｖａの波形のうち振幅（発生電圧）が正の波形部分（第▲１▼波，第▲３▼波，第▲５▼波…）に対応してＨとなるパルスが、第一コンパレータ出力Ｖｂとして断続的に出力される。一方、負極性の増幅信号Ｖａと正極性の閾値ＶＳとが入力された差動型コンパレータ５２では、閾値ＶＳを超える波形部分（第▲３▼波，第▲５▼波…の頂部）に対応してＬとなるパルスが、第二コンパレータ出力Ｖｃとして断続的に出力される。
【００３４】
第二コンパレータ出力Ｖｃで最初に閾値ＶＳを超えるトリガー波（第▲３▼波）のパルス信号が入力されるまではＲＳＦＦ回路５３のポート＃ＲにはＨが継続して入力されるので、ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力ＶｄはＬに維持される。第一コンパレータ出力Ｖｂから第▲３▼波の波形検出パルス信号がＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｓに入力（Ｈ）されている状態において、第二コンパレータ出力Ｖｃからトリガー波（第▲３▼波）の閾値ＶＳ検出パルス信号がポート＃Ｒに入力（Ｌ）されたとき、ポート＃Ｑ出力ＶｄはＨに変化する。そして、第一コンパレータ出力Ｖｂから第▲３▼波の波形検出パルス信号がＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｓに入力されなくなるまでポート＃Ｑ出力ＶｄはＨに維持され、ポート＃Ｓへの入力がＬとなったときにポート＃Ｑ出力ＶｄはＬとなる。
【００３５】
ゼロクロスポイントパルス発生回路５４は、ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力Ｖｄの立ち下がりエッジを検出し、ゼロクロス点に対応してＨとなるパルスをゼロクロスポイント検出信号Ｖｅとして出力する。パルスカウンタ回路６１は、ゼロクロスポイント検出パルス信号（Ｖｅ）と送信側振動子２１（図１参照）の超音波送信パルス信号との間のクロックパルス数をカウントして、到達時間検出信号Ｖｆを出力する。このようにして到達時間検出信号Ｖｆで得られた直接到達時間Ｔｕ（逆方向到達時間）は、実際の（真の）到達時間より長くなっている。つまり、受信開始からトリガー波（第▲３▼波）のゼロクロス点までの間（第▲１▼波〜第▲３▼波の１．５周期分）の経過時間を補正値として、検出到達時間から差し引くと実際の到達時間が得られる。
【００３６】
（２）反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）の計測
図３において、受信手段３２では受信信号切替手段７１により、受信側振動子出力（図２参照）として、次に送受信振動子２１の出力Ｖ０ｄ（反射受信信号）が選択される。そして、上述の直接到達時間Ｔｕ（逆方向到達時間）の計測と同様にして、反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）の計測が行われる。このようにして到達時間検出信号Ｖｆで得られた反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）は、実際の（真の）到達時間と等価なものとなっている。つまり、ここでは受信開始からゼロクロス点までの経過時間を補正値として差し引かなくてもよいので、超音波振動子の温度依存性を排除することができる。
【００３７】
（実施例２）
次に、図４は図１（実施例１）と同様に用いられる超音波流量計の他の実施例の基本構成を示す。この超音波流量計２００では、送受信振動子２１と受信反射振動子３１とが流路１を挟んで対向配置された透過型Ｚ配列に構成されている。すなわち、送受信振動子２１は、流路１の壁１０に固定され、流体の流れ方向上手側（超音波受信反射部３側）に向けて超音波を発振した後、後述する受信反射振動子３１で反射され流れ方向上手側から到来する超音波を受信する。
【００３８】
一方、受信反射振動子３１は、超音波送受信部２（送受信振動子２１）よりも流れ方向上手側の、超音波送受信部２（送受信振動子２１）の設置側と対向する流路１の壁１０に固定される。この受信反射振動子３１は、送受信振動子２１から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を送受信振動子２１に向けて反射する。受信反射振動子３１で反射された超音波は測線Ｍに沿ってもと来た径路を逆戻りし、送受信振動子２１で受信される。
【００３９】
そして、図４に示す超音波流量計２００においても、図２及び図３（実施例１）と同様に作動する。なお、図４において図１と共通する機能を有する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
（実施例３）
次に、図５は図１（実施例１）と同様に用いられる超音波流量計のさらに他の実施例の基本構成を示す。この超音波流量計３００では、図３（実施例１）において、順方向到達時間として反射到達時間Ｔｄが実際の（真の）到達時間と等価なものとして計測できることに着目し、さらに逆方向に超音波を発振させて、逆方向到達時間として反射到達時間Ｔｕについても、同様に実際の到達時間と等価なものとして計測しようとするものである（図７参照）。
【００４１】
図５において、計測部を図１と同様に反射型Ｖ字配列に配置している。具体的には、相互に超音波の発振・受信・反射が行えるように、流路１の流れ方向下手側と上手側とに一対の超音波送受信反射部１２，１３を配置している。流れ方向下手側に配置する超音波送受信反射部１２は、流れ方向上手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向上手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向上手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子１２１を具備している。一方、流れ方向上手側に配置する超音波送受信反射部１３は、流れ方向下手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向下手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向下手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子１３１を具備している。なお、図５において図１と共通する機能を有する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４２】
切替手段７には、受信信号切替手段７１（図１参照）の他に、計測切替手段７２が備えられている。計測切替手段７２は、一対の送受信反射振動子１２１，１３１を用いた第一回計測と第二回計測とを切り替える機能を有する。具体的には、一対の送受信反射振動子１２１，１３１のうち一方を第一振動子１２１、他方を第二振動子１３１としたとき、
・第一回計測：第一振動子１２１を発振・受信側とし、第二振動子１３１を受信・反射側とする；
・第二回計測：第二振動子１３１を発振・受信側とし、第一振動子１２１を受信・反射側とする；
【００４３】
時間計測手段６により、第一回計測において第一回反射到達時間Ｔｄを計測し、第二回計測において第二回反射到達時間Ｔｕを計測する。ただし、第一回反射到達時間Ｔｄとは、第二振動子１３１に超音波が到達した時点から第二振動子１３１で反射された超音波を第一振動子１２１が受信するまでの時間であり、第二回反射到達時間Ｔｕとは、第一振動子１２１に超音波が到達した時点から第一振動子１２１で反射された超音波を第二振動子１３１が受信するまでの時間である。
【００４４】
次に、図６及び図７のフローチャートについて概要を説明する。まず、第一回計測において、第一振動子１２１を発振・受信側とし、第二振動子１３１を受信・反射側とすれば、図３（実施例１）と同様にして第一回反射到達時間Ｔｄが実際の（真の）到達時間と等価なものとして計測できる（図６参照）。続いて、第二回計測において、第二振動子１３１を発振・受信側とし、第一振動子１２１を受信・反射側とすれば、図３（実施例１）と同様にして第二回反射到達時間Ｔｕが実際の（真の）到達時間と等価なものとして計測できる（図７参照）。これによって、順方向到達時間と逆方向到達時間とに第一回反射到達時間Ｔｄ及び第二回反射到達時間Ｔｕを当てはめれば、順方向到達時間と逆方向到達時間の計測値のいずれにおいても、受信開始からトリガー波までに経過した時間を減算補正する必要がなくなり、測定精度が大幅に向上する。
【００４５】
実施例１において、送受信振動子２１で発振された超音波が流路の内壁面で１回反射して受信反射振動子３１に到達する場合についてのみ説明したが、内壁面での反射回数は任意に設定できる。実施例３において、計測部を反射型Ｖ字配列に配置した場合についてのみ説明したが、透過型Ｚ配列等の配置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波流量計の一実施例の基本構成を示す説明図。
【図２】計測部のブロック図。
【図３】図２のタイミングチャート。
【図４】本発明に係る超音波流量計の他の実施例の基本構成を示す説明図。
【図５】本発明に係る超音波流量計のさらに他の実施例の基本構成を示す説明図。
【図６】図５において時間ｔまでのタイミングチャート。
【図７】図６に続いて時間ｔ以降のタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 流路
１０ 壁
２ 超音波送受信部
２１ 送受信振動子
３ 超音波受信反射部
３１ 受信反射振動子
４ 増幅手段
６ 時間計測手段
７１ 受信信号切替手段（切替手段）
１００，２００ 超音波流量計
１２，１３ 超音波送受信反射部
１２１ 第一振動子
１３１ 第二振動子
７２ 計測切替手段（切替手段）
３００ 超音波流量計
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用して流速を測定する超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波送受信部を設け、超音波信号の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波送信部（送信側振動子）から流れ方向下手側の超音波受信部（受信側振動子）に到達するまでの時間（以下、順方向到達時間という）と、流れ方向下手側の超音波送信部（送信側振動子）から流れ方向上手側の超音波受信部（受信側振動子）に到達するまでの時間（以下、逆方向到達時間という）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速及び流量を求める方法である。
【０００３】
そして、超音波受信信号波形は受信初期においてはノイズ混入等の影響により十分な振幅レベルを有しない不規則波形部分を有するので、順方向到達時間（又は逆方向到達時間）を計測するためのトリガー波（例えば第３波）を適切に定め、測定精度を向上させるための種々の試みがなされている。例えば、特許文献１には、トリガーレベル（比較レベル）の最適化を行うことにより、測定精度を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３９５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１等に開示された改良は与えられた超音波受信信号波形に対する信号処理に留まり、受信開始からトリガー波までに経過した時間（トリガー波が第３波の場合には１．５周期分）は、以前と同様に計測された順方向到達時間（又は逆方向到達時間）から減算補正しなければならない。ところが、超音波振動子の発振周波数（固有振動数）は温度依存性を有するため、周囲の環境温度変化に伴って補正値を修正し直す必要があり、根本的な測定精度の向上には至っていなかった。また、信号処理の複雑化に伴って、測定スピードが遅くなったり測定用電池の消耗が激しくなったりするおそれもあった。
【０００６】
そこで本発明の課題は、測定スピードを低下させたり測定用電池を著しく消耗させたりすることなく、測定精度の大幅な向上を図ることのできる超音波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及び発明の効果】
上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計は、
流体を通過させるための流路と、
その流路に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
その超音波送受信部の流れ方向上手側又は下手側の前記流路に、前記送受信振動子から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この超音波流量計によれば、反射到達時間は、受信反射振動子に超音波が到達して受信した時点から受信反射振動子で反射された超音波を送受信振動子が受信するまでの時間であるから、受信開始からトリガー波までに経過した時間を減算補正する必要がなくなり、測定精度の大幅な向上を図ることができる。また、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないので、測定スピードが遅くなったり測定用電池が消耗したりすることを防止できる。
【０００９】
なお、従来の超音波流量計（例えば上記特許文献１参照）においても、超音波受信部において超音波を受信する際、受信側振動子では超音波送信部（送信側振動子）へ向けて超音波の反射が必然的に発生している。しかしながら、これまで反射波はノイズ成分として取り扱われ、測定精度を向上させるためには除外すべきものと考えられるのが一般的であった。これに対して、本発明では、超音波受信信号波形そのものから誤差・補正の要素を取り除き、時間計測手段での反射到達時間の測定精度を向上させるために、超音波流量計において反射超音波を積極的に活用することとしている。
【００１０】
また、上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計を反射型Ｖ字配列に適用した場合、
流体を通過させるための流路と、
その流路の壁に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
流体の流れ方向軸線と前記送受信振動子とを含む流路断面において、流れ方向上手側又は下手側の前記流路の壁に、前記送受信振動子から発振され当該流路の内壁面で少なくとも１回反射された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
反射型Ｖ字配列の超音波流量計に用いた場合にも、上記と同様に反射到達時間に減算補正する必要がないので、測定精度の大幅な向上を図ることができる。しかも、送受信振動子から超音波を発振するのみで、受信反射振動子からは超音波を発振しなくてすむので、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないこととあわせて、コストの低減、測定スピードの向上及び測定用電池の消耗防止に効果を発揮する。加えて、反射型Ｖ字配列では相対的に伝搬距離を長くできるので、時間計測手段での反射到達時間の測定精度をさらに向上させることができる。
【００１２】
したがって、流路が流体の流れ方向に直交する断面において矩形状に形成されるとともに、流路の流れ方向直交断面のうち短辺の一方を形成する壁面に送受信振動子及び受信反射振動子が流れ方向に所定距離を隔てて取り付けられ、かつ他方の短辺を形成する壁面を反射面とすることにより、流路に配置される超音波測線が反射型Ｖ字配列に構成される。このように、矩形断面流路の短辺側壁面を振動子取付面及び反射面に形成することによって、薄型の小型コンパクトな計測部を有する超音波流量計とすることができる。
【００１３】
さらに、上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計を透過型Ｚ配列に適用した場合、
流体を通過させるための流路と、
その流路の壁に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
流体の流れ方向軸線と前記送受信振動子とを含む流路断面において、流れ方向上手側又は下手側の前記超音波送受信部の設置側と対向する前記流路の壁に、前記超音波送受信部から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
透過型Ｚ配列の超音波流量計に用いた場合にも、反射型Ｖ字配列と同様に反射到達時間に減算補正する必要がないので、測定精度の大幅な向上を図ることができる。しかも、送受信振動子から超音波を発振するのみで、受信反射振動子からは超音波を発振しなくてすむので、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないこととあわせて、コストの低減、測定スピードの向上及び測定用電池の消耗防止に効果を発揮する。加えて、透過型Ｚ配列では相対的に伝搬距離を短くできるので、反射波での減衰を気にせずに実施することができる。
【００１５】
そして、これらの超音波流量計において、超音波送受信部が超音波受信反射部よりも流れ方向下手側に配置され、送受信振動子は流れ方向上手側に配置された受信反射振動子に向け超音波を発振するように構成するのが好ましい。一般に、流路内に流体の流れがある場合に、流れに沿う方向（流れ方向下手側）に超音波が発振されると超音波出力が減少し、流れに逆らう方向（流れ方向上手側）に超音波が発振されると超音波出力が増加することが知られている。そこで、上記のように送受信振動子が受信反射振動子に向け超音波を発振することによって超音波出力が増加するので、受信反射振動子から送受信振動子に向う反射波の出力減少分を補って受信レベルの低下及び測定精度の低下を抑制することができる。
【００１６】
さらに、これらの超音波流量計において、時間計測手段により直接到達時間及び反射到達時間を計測するために、送受信振動子から発振され受信反射振動子で受信された直接受信信号、及び受信反射振動子で反射され送受信振動子で受信された反射受信信号を増幅する増幅手段を設け、増幅手段では、直接受信信号の増幅率よりも反射受信信号の増幅率を大に設定するとよい。送受信振動子を流れ方向下手側、受信反射振動子を流れ方向上手側に配置した場合でも、通常、反射受信信号のレベルは直接受信信号のレベルより低下する傾向にある。そこで、到達時間の計測を実行する前に反射受信信号を相対的に大なる増幅率で信号増幅しておくことにより、反射受信信号のレベル低下及び測定精度の低下をさらに抑制することができる。
【００１７】
そのために、超音波送受信部及び超音波受信反射部と増幅手段との間には、増幅手段に対して直接受信信号又は反射受信信号を切り替えて供給するための受信信号切替手段を設け、受信信号切替手段は、直接受信信号と反射受信信号との信号切替に伴い増幅手段に対して増幅率の変更指令を発するように構成することができる。これにより、反射受信信号に対して相対的に大なる増幅率で安定した信号増幅が実行される。
【００１８】
また、流路を流れる流体の流れ方向を検出する流れ検出手段を設け、流れ検出手段が、流体流れ方向の変化を検出したときに受信信号切替手段に対して直接受信信号と反射受信信号との信号切替のタイミング変更指令を発するように構成してもよい。これにより、流路内を流体が逆流する事態が発生したときにも、素早く検知して受信信号レベルの調整が行われるので、信号レベルや測定精度が低下したりするのを抑制できる。なお、流れ検出手段として、本発明の構成要件である時間計測手段（の計測データ）を用いたり、超音波流量計とは別個に差圧式、面積式、渦式等の周知の流量計（又は流速計）を用いたりしてもよい。また、逆流を検出したときに、受信信号切替手段を用いて直接受信信号と反射受信信号とを切り替える手法（第一手法）に代えてあるいは加えて、計測切替手段を用いて超音波送受信部と超音波受信反射部とを切り替える手法（第二手法）を採用してもよい。その際、逆流流量小のときには第一手法を実施しつつ警告表示、逆流流量大のときにはまず第二手法の実施、さらに流量増加で遮断弁作動、のように使い分けることもできる。
【００１９】
次に、上記課題を解決するために本発明に係る超音波流量計は、
流体を通過させるための流路と、
流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向上手側又は下手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子を具備し、相互に超音波の発振・受信・反射が行えるように、前記流路の流れ方向上手側と下手側とに配置された一対の超音波送受信反射部と、
前記一対の送受信反射振動子のうち一方の前記送受信反射振動子（以下、第一振動子という）を発振・受信側とし他方の前記送受信反射振動子（以下、第二振動子という）を受信・反射側とする第一回計測と、前記第二振動子を発振・受信側とし前記第一振動子を受信・反射側とする第二回計測とを切り替える計測切替手段と、
前記第一回計測において、前記第二振動子に超音波が到達した時点から当該第二振動子で反射された超音波を前記第一振動子が受信するまでの第一回反射到達時間を計測するとともに、前記第二回計測において、前記第一振動子に超音波が到達した時点から当該第一振動子で反射された超音波を前記第二振動子が受信するまでの第二回反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２０】
この超音波流量計によれば、第一回計測において第一回反射到達時間は、第二振動子に超音波が到達して受信した時点から第二振動子で反射された超音波を第一振動子が受信するまでの時間である。一方、第二回計測において第二回反射到達時間は、第一振動子に超音波が到達して受信した時点から第一振動子で反射された超音波を第二振動子が受信するまでの時間である。したがって、順方向到達時間と逆方向到達時間とに第一回反射到達時間及び第二回反射到達時間を当てはめれば、順方向到達時間と逆方向到達時間の計測値のいずれにおいても、受信開始からトリガー波までに経過した時間を減算補正する必要がなくなり、測定精度はさらに大幅に向上する。また、超音波受信信号波形に対して複雑な信号処理を要しないので、測定スピードが遅くなったり測定用電池が消耗したりすることを防止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成を示す。この超音波流量計１００の流量測定用の流路１には、流量測定用ガス（流体）が流れ方向軸線Ｏに沿って図示の流れ方向に流通（平均流速ｖ）している。流路１の壁１０には、流れ方向下手側の超音波送受信部２と流れ方向上手側の超音波受信反射部３とが取り付けられ、図１に示すように、流れ方向軸線Ｏと超音波送受信部２とを含む流路断面において、超音波受信反射部３は超音波送信部２設置側の壁１０に位置している。
【００２２】
測定用の流路１は、少なくとも超音波送受信部２―超音波受信反射部３間において流れ方向軸線Ｏが直線状であり、軸断面の形状及び断面積が流れ方向において同一に形成されている。測定対象がガスの場合、測定用流路１の軸断面形状は壁１０により閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。図１に示す流路１は矩形状に形成され、流路１の流れ方向直交断面のうち一方の短辺１１ａを形成する壁面（取付面）に送受信振動子２１及び受信反射振動子３１が流れ方向に所定距離を隔てて取り付けられ、かつ他方の短辺１１ｂを形成する壁面を反射面とすることにより、流路１に配置される超音波測線Ｍが反射型Ｖ字配列に構成される。なお、測定対象が水等の液体であれば、測定用流路１の軸断面形状として壁１０の天頂部が大気中に開放されたオープン形状（例えば半円形状等）を採用できる場合がある。
【００２３】
超音波送受信部２は、流路１の壁１０に固定され、圧電素子、振動板、電極板等から構成される送受信振動子２１と、この送受信振動子２１を発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段２２とを備えている。送受信振動子２１は、流体の流れ方向上手側（超音波受信反射部３側）に向けて超音波を発振した後、後述する受信反射振動子３１で反射され流れ方向上手側から到来する超音波を受信する。
【００２４】
超音波受信反射部３は、超音波送受信部２（送受信振動子２１）よりも流れ方向上手側の壁１０に固定され、圧電素子、振動板、電極板等から構成される受信反射振動子３１と、この受信反射振動子３１又は送受信振動子２１の発生電圧を検出するための電圧検出回路等から構成される受信手段３２とを備えている。受信反射振動子３１は、送受信振動子２１から発振され流路１の内壁面（反射面１２）で１回反射された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を送受信振動子２１に向けて反射する。受信反射振動子３１で反射された超音波は測線Ｍに沿ってもと来た径路を逆戻りし、送受信振動子２１で受信される。
【００２５】
図１において、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の進行方向（測線Ｍ）とガスの流れ方向（流れ方向軸線Ｏ）とのなす角をθ（以下、測線角という）、超音波の伝搬距離をＬ（＝Ｄ／ｃｏｓθ）とすると、順方向到達時間Ｔｄ及び逆方向到達時間Ｔｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｄ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （１）
Ｔｕ＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｄ−１／Ｔｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ （３）
したがって、順方向到達時間Ｔｄと逆方向到達時間Ｔｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。ただし、Ａは流路１の断面積である。
ｖ＝（１／Ｔｄ−１／Ｔｕ）Ｌ／２ｃｏｓθ （４）
Ｑ＝ｖ・Ａ （５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（到達時間Ｔｄ，Ｔｕ）と一定値（伝搬距離Ｌ，測線角θ）とから流速ｖが得られる利点を有している。
【００２６】
そこで、図１に示すように、超音波流量計１００には、計測部として、受信反射振動子３１又は送受信振動子２１により得られる受信側振動子出力を増幅する増幅手段４と、後述する「ゼロクロス法」により出力波形から超音波到達時点を検出するゼロクロスポイント検出手段５と、超音波到達時間を測定する時間計測手段６と、受信手段３２で処理すべき信号を切り替える受信信号切替手段７１（切替手段７）とが備えられている。
【００２７】
増幅手段４は、送受信振動子２１から発振され受信反射振動子３１で受信された直接受信信号、及び受信反射振動子３１で反射され送受信振動子２１で受信された反射受信信号を増幅する。そして、直接受信信号の増幅率よりも反射受信信号の増幅率が大となるように設定されている（図３参照）。
【００２８】
受信信号切替手段７１（切替手段７）は、超音波送受信部２及び超音波受信反射部３と増幅手段４との間に設けられ、増幅手段４に対して、受信反射振動子３１で受信された直接受信信号又は送受信振動子２１で受信された反射受信信号を受信手段３２で切り替えて供給する。また、受信信号切替手段７１は、これら直接受信信号と反射受信信号との信号切替に伴い増幅手段４に対して増幅率の変更指令を発する。
【００２９】
時間計測手段６は、送受信振動子２１が超音波を発振してから受信反射振動子３１がその超音波を受信するまでの直接到達時間（図１では上記式（２）の逆方向到達時間Ｔｕに相当する）を計測する。また、時間計測手段６は、受信反射振動子３１に超音波が到達した時点から受信反射振動子３１で反射された超音波を送受信振動子２１が受信するまでの反射到達時間（図１では上記式（１）の順方向到達時間Ｔｄに相当する）を計測する。
【００３０】
ところで、前述の式（１），（２）からも明らかな通り、時間計測手段６で計測される順方向到達時間Ｔｄは逆方向到達時間Ｔｕよりも小さくなる。したがって、時間計測手段６は、流路１を流れる流体の流れ方向を検出する流れ検出手段としての機能をも有することができる。つまり、流れ検出手段６は、流体流れ方向の変化を検出したときに受信信号切替手段７１に対して直接受信信号と反射受信信号との信号切替のタイミング変更指令を発することにより、以後の信号処理が流体の流れ方向に沿って行われるように修正する。
【００３１】
次に、図２に一例として示す計測部のブロック図と図３に示すタイミングチャートとに基づいて、超音波流量計１００の作動を説明する。図２に示すように、受信側振動子出力（ここでは、送受信振動子２１出力Ｖ０ｄ又は受信反射振動子３１出力Ｖ０ｕ）は、増幅手段４を構成する増幅器４１（例えばオペアンプ）で電圧増幅（例えば非反転増幅）され、増幅信号Ｖａがゼロクロスポイント検出手段５に入力される。ゼロクロスポイント検出手段５において、増幅信号Ｖａはゼロクロス型コンパレータ５１（第一コンパレータ）に入力（例えば非反転入力）され、差動型コンパレータ５２（第二コンパレータ）に入力（例えば反転入力）される。コンパレータ出力Ｖｂ，Ｖｃは、ＲＳフリップフロップ回路（以下、ＲＳＦＦ回路という）５３のポート＃Ｓ，＃Ｒへ各々入力される。ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力Ｖｄにより、単安定マルチバイブレータ等で構成されるゼロクロスポイントパルス発生回路５４が出力波形Ｖａにおける超音波到達時点を検出し、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅを時間計測手段６に出力する。時間計測手段６では、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅに基づき、クロックパルス発生回路６２（例えば水晶発振子、無安定マルチバイブレータ）からのクロックパルス数をパルスカウンタ回路６１（例えばＪＫフリップフロップ回路）でカウントして到達時間検出信号Ｖｆが出力される。なお、差動型コンパレータ５２出力Ｖｃ，ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力Ｖｄ，ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅの各出力は、受信信号切替出力Ｖｇにより各々１回のみの出力で終了するように制御されている（図３参照）。
【００３２】
（１）直接到達時間Ｔｕ（逆方向到達時間）の計測
図３において、受信手段３２では受信信号切替手段７１により、受信側振動子出力（図２参照）として、まず受信反射振動子３１の出力Ｖ０ｕが選択される。
増幅信号Ｖａ（受信反射振動子３１の直接受信信号）は、受信初期においてはノイズ混入等の影響により十分な振幅（発生電圧）レベルを有しない不規則波形信号であり、先頭から第ｎ番目（図では第▲３▼番目）の波形部分においてようやく安定して測定可能な振幅レベルに達するのが通常である。そこで、超音波受信出力の増幅信号Ｖａにおいて精度のよい時間測定を可能にするために、以下に述べるゼロクロス法が一般に採用されている。つまり、「差動型コンパレータ５２（図２参照）に入力設定された閾値ＶＳを超える（又は下回る）に至る波形部分（図では第▲３▼波）をトリガー波とし、このトリガー波の振幅（又は位相）がゼロとなるゼロクロス点を、増幅信号Ｖａ（又はその派生信号）の波形上でゼロクロスポイントパルス発生回路５４（図２参照）により検出する方法」である。
【００３３】
具体的には、増幅信号Ｖａの波形に対してゼロクロス法は次のように適用される。増幅信号Ｖａが非反転入力されたゼロクロス型コンパレータ５１では、増幅信号Ｖａの波形のうち振幅（発生電圧）が正の波形部分（第▲１▼波，第▲３▼波，第▲５▼波…）に対応してＨとなるパルスが、第一コンパレータ出力Ｖｂとして断続的に出力される。一方、負極性の増幅信号Ｖａと正極性の閾値ＶＳとが入力された差動型コンパレータ５２では、閾値ＶＳを超える波形部分（第▲３▼波，第▲５▼波…の頂部）に対応してＬとなるパルスが、第二コンパレータ出力Ｖｃとして断続的に出力される。
【００３４】
第二コンパレータ出力Ｖｃで最初に閾値ＶＳを超えるトリガー波（第▲３▼波）のパルス信号が入力されるまではＲＳＦＦ回路５３のポート＃ＲにはＨが継続して入力されるので、ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力ＶｄはＬに維持される。第一コンパレータ出力Ｖｂから第▲３▼波の波形検出パルス信号がＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｓに入力（Ｈ）されている状態において、第二コンパレータ出力Ｖｃからトリガー波（第▲３▼波）の閾値ＶＳ検出パルス信号がポート＃Ｒに入力（Ｌ）されたとき、ポート＃Ｑ出力ＶｄはＨに変化する。そして、第一コンパレータ出力Ｖｂから第▲３▼波の波形検出パルス信号がＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｓに入力されなくなるまでポート＃Ｑ出力ＶｄはＨに維持され、ポート＃Ｓへの入力がＬとなったときにポート＃Ｑ出力ＶｄはＬとなる。
【００３５】
ゼロクロスポイントパルス発生回路５４は、ＲＳＦＦ回路５３のポート＃Ｑ出力Ｖｄの立ち下がりエッジを検出し、ゼロクロス点に対応してＨとなるパルスをゼロクロスポイント検出信号Ｖｅとして出力する。パルスカウンタ回路６１は、ゼロクロスポイント検出パルス信号（Ｖｅ）と送信側振動子２１（図１参照）の超音波送信パルス信号との間のクロックパルス数をカウントして、到達時間検出信号Ｖｆを出力する。このようにして到達時間検出信号Ｖｆで得られた直接到達時間Ｔｕ（逆方向到達時間）は、実際の（真の）到達時間より長くなっている。つまり、受信開始からトリガー波（第▲３▼波）のゼロクロス点までの間（第▲１▼波〜第▲３▼波の１．５周期分）の経過時間を補正値として、検出到達時間から差し引くと実際の到達時間が得られる。
【００３６】
（２）反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）の計測
図３において、受信手段３２では受信信号切替手段７１により、受信側振動子出力（図２参照）として、次に送受信振動子２１の出力Ｖ０ｄ（反射受信信号）が選択される。そして、上述の直接到達時間Ｔｕ（逆方向到達時間）の計測と同様にして、反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）の計測が行われる。このようにして到達時間検出信号Ｖｆで得られた反射到達時間Ｔｄ（順方向到達時間）は、実際の（真の）到達時間と等価なものとなっている。つまり、ここでは受信開始からゼロクロス点までの経過時間を補正値として差し引かなくてもよいので、超音波振動子の温度依存性を排除することができる。
【００３７】
（実施例２）
次に、図４は図１（実施例１）と同様に用いられる超音波流量計の他の実施例の基本構成を示す。この超音波流量計２００では、送受信振動子２１と受信反射振動子３１とが流路１を挟んで対向配置された透過型Ｚ配列に構成されている。すなわち、送受信振動子２１は、流路１の壁１０に固定され、流体の流れ方向上手側（超音波受信反射部３側）に向けて超音波を発振した後、後述する受信反射振動子３１で反射され流れ方向上手側から到来する超音波を受信する。
【００３８】
一方、受信反射振動子３１は、超音波送受信部２（送受信振動子２１）よりも流れ方向上手側の、超音波送受信部２（送受信振動子２１）の設置側と対向する流路１の壁１０に固定される。この受信反射振動子３１は、送受信振動子２１から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を送受信振動子２１に向けて反射する。受信反射振動子３１で反射された超音波は測線Ｍに沿ってもと来た径路を逆戻りし、送受信振動子２１で受信される。
【００３９】
そして、図４に示す超音波流量計２００においても、図２及び図３（実施例１）と同様に作動する。なお、図４において図１と共通する機能を有する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
（実施例３）
次に、図５は図１（実施例１）と同様に用いられる超音波流量計のさらに他の実施例の基本構成を示す。この超音波流量計３００では、図３（実施例１）において、順方向到達時間として反射到達時間Ｔｄが実際の（真の）到達時間と等価なものとして計測できることに着目し、さらに逆方向に超音波を発振させて、逆方向到達時間として反射到達時間Ｔｕについても、同様に実際の到達時間と等価なものとして計測しようとするものである（図７参照）。
【００４１】
図５において、計測部を図１と同様に反射型Ｖ字配列に配置している。具体的には、相互に超音波の発振・受信・反射が行えるように、流路１の流れ方向下手側と上手側とに一対の超音波送受信反射部１２，１３を配置している。流れ方向下手側に配置する超音波送受信反射部１２は、流れ方向上手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向上手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向上手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子１２１を具備している。一方、流れ方向上手側に配置する超音波送受信反射部１３は、流れ方向下手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向下手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向下手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子１３１を具備している。なお、図５において図１と共通する機能を有する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４２】
切替手段７には、受信信号切替手段７１（図１参照）の他に、計測切替手段７２が備えられている。計測切替手段７２は、一対の送受信反射振動子１２１，１３１を用いた第一回計測と第二回計測とを切り替える機能を有する。具体的には、一対の送受信反射振動子１２１，１３１のうち一方を第一振動子１２１、他方を第二振動子１３１としたとき、
・第一回計測：第一振動子１２１を発振・受信側とし、第二振動子１３１を受信・反射側とする；
・第二回計測：第二振動子１３１を発振・受信側とし、第一振動子１２１を受信・反射側とする；
【００４３】
時間計測手段６により、第一回計測において第一回反射到達時間Ｔｄを計測し、第二回計測において第二回反射到達時間Ｔｕを計測する。ただし、第一回反射到達時間Ｔｄとは、第二振動子１３１に超音波が到達した時点から第二振動子１３１で反射された超音波を第一振動子１２１が受信するまでの時間であり、第二回反射到達時間Ｔｕとは、第一振動子１２１に超音波が到達した時点から第一振動子１２１で反射された超音波を第二振動子１３１が受信するまでの時間である。
【００４４】
次に、図６及び図７のフローチャートについて概要を説明する。まず、第一回計測において、第一振動子１２１を発振・受信側とし、第二振動子１３１を受信・反射側とすれば、図３（実施例１）と同様にして第一回反射到達時間Ｔｄが実際の（真の）到達時間と等価なものとして計測できる（図６参照）。続いて、第二回計測において、第二振動子１３１を発振・受信側とし、第一振動子１２１を受信・反射側とすれば、図３（実施例１）と同様にして第二回反射到達時間Ｔｕが実際の（真の）到達時間と等価なものとして計測できる（図７参照）。これによって、順方向到達時間と逆方向到達時間とに第一回反射到達時間Ｔｄ及び第二回反射到達時間Ｔｕを当てはめれば、順方向到達時間と逆方向到達時間の計測値のいずれにおいても、受信開始からトリガー波までに経過した時間を減算補正する必要がなくなり、測定精度が大幅に向上する。
【００４５】
実施例１において、送受信振動子２１で発振された超音波が流路の内壁面で１回反射して受信反射振動子３１に到達する場合についてのみ説明したが、内壁面での反射回数は任意に設定できる。実施例３において、計測部を反射型Ｖ字配列に配置した場合についてのみ説明したが、透過型Ｚ配列等の配置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波流量計の一実施例の基本構成を示す説明図。
【図２】計測部のブロック図。
【図３】図２のタイミングチャート。
【図４】本発明に係る超音波流量計の他の実施例の基本構成を示す説明図。
【図５】本発明に係る超音波流量計のさらに他の実施例の基本構成を示す説明図。
【図６】図５において時間ｔまでのタイミングチャート。
【図７】図６に続いて時間ｔ以降のタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 流路
１０ 壁
２ 超音波送受信部
２１ 送受信振動子
３ 超音波受信反射部
３１ 受信反射振動子
４ 増幅手段
６ 時間計測手段
７１ 受信信号切替手段（切替手段）
１００，２００ 超音波流量計
１２，１３ 超音波送受信反射部
１２１ 第一振動子
１３１ 第二振動子
７２ 計測切替手段（切替手段）
３００ 超音波流量計
Claims (9)
- 流体を通過させるための流路と、
その流路に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
その超音波送受信部の流れ方向上手側又は下手側の前記流路に、前記送受信振動子から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。 - 流体を通過させるための流路と、
その流路の壁に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
流体の流れ方向軸線と前記送受信振動子とを含む流路断面において、流れ方向上手側又は下手側の前記流路の壁に、前記送受信振動子から発振され当該流路の内壁面で少なくとも１回反射された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。 - 前記流路は、流体の流れ方向に直交する断面において矩形状に形成されるとともに、
前記流路の流れ方向直交断面のうち短辺の一方を形成する壁面に前記送受信振動子及び前記受信反射振動子が流れ方向に所定距離を隔てて取り付けられ、かつ他方の短辺を形成する壁面を反射面とすることにより、前記流路に配置される超音波測線が反射型Ｖ字配列に構成される請求項１又は２に記載の超音波流量計。 - 流体を通過させるための流路と、
その流路の壁に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振した後、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する送受信振動子が取り付けられた超音波送受信部と、
流体の流れ方向軸線と前記送受信振動子とを含む流路断面において、流れ方向上手側又は下手側の前記超音波送受信部の設置側と対向する前記流路の壁に、前記超音波送受信部から発振された超音波を受信し、かつ少なくともその超音波の一部を前記送受信振動子に向けて反射する受信反射振動子が取り付けられた超音波受信反射部と、
前記送受信振動子が超音波を発振してから前記受信反射振動子がその超音波を受信するまでの直接到達時間を計測するとともに、その受信反射振動子に超音波が到達した時点から当該受信反射振動子で反射された超音波を前記送受信振動子が受信するまでの反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。 - 前記超音波送受信部が前記超音波受信反射部よりも流れ方向下手側に配置され、前記送受信振動子は流れ方向上手側に配置された前記受信反射振動子に向け超音波を発振する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
- 前記時間計測手段により前記直接到達時間及び前記反射到達時間を計測するために、前記送受信振動子から発振され前記受信反射振動子で受信された直接受信信号、及び前記受信反射振動子で反射され前記送受信振動子で受信された反射受信信号を増幅する増幅手段が設けられ、
その増幅手段では、前記直接受信信号の増幅率よりも前記反射受信信号の増幅率が大に設定されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の超音波流量計。 - 前記超音波送受信部及び前記超音波受信反射部と前記増幅手段との間には、その増幅手段に対して前記直接受信信号又は反射受信信号を切り替えて供給するための受信信号切替手段が設けられ、
その受信信号切替手段は、前記直接受信信号と反射受信信号との信号切替に伴い前記増幅手段に対して増幅率の変更指令を発する請求項６に記載の超音波流量計。 - 前記流路を流れる流体の流れ方向を検出する流れ検出手段が設けられ、
その流れ検出手段は、流体流れ方向の変化を検出したときに前記受信信号切替手段に対して前記直接受信信号と反射受信信号との信号切替のタイミング変更指令を発する請求項７に記載の超音波流量計。 - 流体を通過させるための流路と、
流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振する機能と、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信する機能と、少なくとも到来した超音波の一部を流れ方向上手側又は下手側に向けて反射する機能とを有する送受信反射振動子を具備し、相互に超音波の発振・受信・反射が行えるように、前記流路の流れ方向上手側と下手側とに配置された一対の超音波送受信反射部と、
前記一対の送受信反射振動子のうち一方の前記送受信反射振動子（以下、第一振動子という）を発振・受信側とし他方の前記送受信反射振動子（以下、第二振動子という）を受信・反射側とする第一回計測と、前記第二振動子を発振・受信側とし前記第一振動子を受信・反射側とする第二回計測とを切り替える計測切替手段と、
前記第一回計測において、前記第二振動子に超音波が到達した時点から当該第二振動子で反射された超音波を前記第一振動子が受信するまでの第一回反射到達時間を計測するとともに、前記第二回計測において、前記第一振動子に超音波が到達した時点から当該第一振動子で反射された超音波を前記第二振動子が受信するまでの第二回反射到達時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003031978A JP4212374B2 (ja) | 2003-02-10 | 2003-02-10 | 超音波流量計 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2008298560A (ja) * | 2007-05-31 | 2008-12-11 | Ricoh Elemex Corp | 超音波流量計及び流量計測方法 |
| JP2015222186A (ja) * | 2014-05-22 | 2015-12-10 | 横河電機株式会社 | 超音波流量計 |
| JP2017145975A (ja) * | 2016-02-15 | 2017-08-24 | 三菱電機株式会社 | 冷凍サイクル装置、冷凍サイクル装置の製造方法、冷凍サイクル装置のドロップイン方法、及び、冷凍サイクル装置のリプレース方法 |
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