JP2004245586A

JP2004245586A - 超音波流量計および超音波による流量計測方法

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Publication number: JP2004245586A
Application number: JP2003032420A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Suginouchi; 剛彦杉ノ内; Masahiko Hashimoto; 雅彦橋本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP4180396B2

Abstract

【課題】流路を規定する壁面の振動や壁面での超音波の反射の影響を抑制し、精度の高い測定を行うことが可能な超音波流量計および流量の計測方法を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、超音波を送受信し、壁面により規定される流体の計測用流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子１、２と、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２との間で双方向に超音波が送受信されるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を駆動し、超音波を受信する送信部３および受信部６と、受信部６において受信した受信信号を検知する検知部４８と、受信部６と検知部４８との間に接続され、超音波が壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第１の適応フィルタ１４とを備え、検知部における検知に基づいて、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を求めることにより流体の流量を計測する。
【選択図】図１

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超音波による流量計測方法に関する。また、本発明はガスメータにも関する。
【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１０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１０に示す超音波流量計は、たとえば文献１に開示されている。図１０に示すように、流体が流れる流路１２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１０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】
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１２の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００５】
上述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。
【０００６】
図１０に示すように、超音波流量計は送信部３および受信部６を備え、超音波振動子１は切り替え部１０によって送信部３または受信部６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６の他方と接続される。
【０００７】
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６によって増幅される。
【０００８】
図１１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１３は、受信信号１８からピークホールド信号１９を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号１９が所定のレベル３６に達したことを検知し、検知信号３７を生成する。ゼロクロス検知部７は、検知信号３７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３８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間としている。ゼロクロス検知信号３８に基づいて、遅延部４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８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３８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。
【０００９】
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。
【００１０】
計時部９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１１へ送られる。次に、切り替え部１０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。
【００１１】
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。
【００１２】
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１０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。
【００１３】
【数１】

これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１４】
【数２】

流体の流速Ｖが求まれば、流路１２の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００１５】
図１２（ａ）および（ｂ）は、従来の超音波流量計の流量１２における、流体の流れる方向に平行な断面および垂直な断面をそれぞれ示している。図１２（ａ）において、矢印１５は流体の流速の大きさを示している。図１２（ａ）に示すように流体の粘性のため、流路１２を規定している壁面１２’近傍では流体の流速は遅くなる。このような流速分布が生じるため、超音波振動子１、２を用いて計測される流量と実際に流路１２を通過した流体の量とは一致しない。このため、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。
【００１６】
図１３は、この補正係数とレイノルズ数との関係を示している。図１４に示すように、レイノルズ数が小さく、流体の流れが層流となっている領域２１ａと、レイノルズ数が大きく、流体の流れが乱流となっている領域２１ｂとでは、補正係数が大きく異なる。また、層流と乱流との遷移領域では、流速の分布が不安定になる。計測のための超音波が伝播しない領域において、層流と乱流とで流速が大きく変化するからである。このため、流体の速度によって補正係数を変化させる必要があったり、補正係数を変化させても遷移領域では流量を正確に計測できないという問題が生じる。
【００１７】
この問題を解決するために、特許文献１は流路の断面形状を扁平にして、流路の断面全体に超音波を伝播させることによって、層流および乱流における補正係数の変化を小さくすることを開示している。図１４は流路の断面が扁平になっている超音波流量計を示している。図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、流体の流れに垂直な断面を矩形にし、超音波振動子１、２が設けられる辺（ｘ方向）を短くすることによって、流速分布が生じている流路の断面全体を計測のための超音波が伝播するようにしている。
【００１８】
図１５は、図１４に示す超音波流量計に用いる補正係数レイノルズ数との関係を示している。図１５に示すように、レイノルズ数が小さく、流体の流れが層流となっている領域３４ａと、レイノルズ数が大きく、流体の流れが乱流となっている領域３４ｂとにおいて、補正係数はほぼ等しい。また、層流と乱流との遷移領域においても補正係数の変化は小さい。このように、扁平な断面をもつ流路を形成することにより、層流と乱流とにおける補正係数の変化を小さくすることができる。
【００１９】
【特許文献１】
特開平８−２３３６２８号公報
【特許文献２】
特開平８−３７４８０号公報
【特許文献３】
特開平５−４６１８２号公報
【非特許文献１】
日本電気計測器工業会規格、ＪＥＭＩＳ５０３２「超音波による流量測定法」（社）日本電気計測工業会、１９８７年
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このような扁平な断面をもつ流路を形成しても、なお、計測に誤差を与える要因がある。これを図１６（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。
【００２１】
図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、矢印１８で示す流速分布を有する流体の流れに対して上流側および下流側に超音波振動子１および超音波振動子２を配置して流量を計測する場合を考える。矢印１８は流速の分布を示している。流体の流れに対し直交する断面は図１４（ｂ）に示す形状であるとする。超音波振動子１から超音波を送信し、超音波振動子２で受信する場合、図１６（ａ）に示すように、受信波形は、流れの速い中心部分を伝播する直接波１６と流れの遅い壁面付近を伝播する直接波３３との合成により得られる。また、超音波振動子２から超音波を送信し、超音波振動子１で受信する場合、図１６（ｂ）に示すように、受信波形は、流れの速い中心部分を伝播する直接波２０と流れの遅い壁面付近を伝播する直接波１９との合成により得られる。
【００２２】
しかし、実際に得られる受信波形は、これら以外に、矢印１７で示されるように、超音波振動子１または２の中心付近から壁面に向かって進行し、壁面において反射した後、超音波振動子２または１の中心付近に到達する反射波が存在する。また、超音波振動子１が振動することにより、流路を規定する壁面を直接伝播する振動成分３１も存在する。この場合、流速分布を正確に反映する直接波１９以外に反射波１７および振動成分３１が受信波形に影響することによって、受信波形が変形してしまう。したがって、ゼロクロス検知法におけるゼロクロスポイントも受信波形の変形により変動し、計測誤差が生じる。
【００２３】
本発明は、このような従来の問題を解決し、精度の高い測定を行うことが可能な超音波流量計および流量の計測方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、超音波を送受信し、壁面により規定される流体の計測用流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を駆動し、超音波を受信する送信部および受信部と、前記受信部において受信した受信信号を検知する検知部と、前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第１の適応フィルタとを備え、前記検知部における検知に基づいて、前記伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を求めることにより流体の流量を計測する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記第１の適応フィルタは、壁面からの反射が抑制された参照流路に前記計測用流路に形成された伝播経路とおなじ伝播経路を形成するように前記第１および第２の超音波振動子を配置し、前記参照流路に所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる参照受信信号と、前記計測用流路所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる受信信号とに基づいて設定されている。
【００２６】
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計測用流路の最大幅は、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。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第２の適応フィルタと、前記第１の適応フィルタまたは前記第２の適応フィルタを選択する選択部とをさらに備え、前記第１の適応フィルタにおいて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている流量範囲は、前記第２の適応フィルタ前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている流量範囲と異なっている。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第２の適応フィルタと、前記第１の適応フィルタまたは前記第２の適応フィルタを選択する選択部とをさらに備え、前記第１の適応フィルタにおいて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている壁面を構成する配管の種類と、前記第２の適応フィルタにおいて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている壁面を構成する配管の種類とは異なっている。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第２の適応フィルタと、前記第１の適応フィルタまたは前記第２の適応フィルタを選択する選択部とをさらに備え、前記第１の適応フィルタは、前記第１の超音波振動子を用いて前記超音波を受信する場合に前記反射波の影響が最小となるよう最適化されており、前記第２の適応フィルタは、前記第２の超音波振動子を用いて前記超音波を受信する場合に前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている。
【００３０】
また、本発明の超音波流量計は、超音波を送受信し、壁面により規定される流体の計測用流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を駆動し、超音波を受信する送信部および受信部と、前記受信部において受信した受信信号を検知する検知部と、前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記壁面を伝播する超音波による影響を除去する第１の適応フィルタとを備え、前記検知部における検知に基づいて、前記伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を求めることにより流体の流量を計測する。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記壁面の振動を検出するための検出器をさらに備える。
【００３２】
また、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に記載の超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置とを備えたガスメータ。
【００３３】
また、本発明の超音波による流量計測方法は、流体の計測用流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波を送受信し、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する。流量計測方法は、前記超音波の受信信号から、前記超音波が前記計測用流路を規定する壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去するステップと、反射波の影響が除去された受信信号を検知して伝播時間を求めるステップとを包含する。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の影響を除去するステップは、適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記適応フィルタは、壁面からの反射が抑制された参照流路に前記計測用流路に形成された伝播経路とおなじ伝播経路を形成するように前記第１および第２の超音波振動子を配置し、前記参照流路に所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる参照受信信号と、前記計測用流路所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる受信信号とに基づいて決定された特性を有する。
【００３６】
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計測用流路の最大幅は、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。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の影響を除去するステップは、それぞれ異なる流量範囲において前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている複数の適応フィルタから、前記流体の流量に応じた１つを選択し、選択した適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される。
【００３８】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の影響を除去するステップは、壁面を構成する配管の種類に応じて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている複数の適応フィルタから、前記配管の種類に応じた１つを選択し、選択した適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の影響を除去するステップは、超音波の伝播方向に応じて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている２つの適応フィルタから、前記超音波の伝播方向に応じた１つを選択し、選択した適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される。
【００４０】
また、本発明の超音波による流量計測方法は、体の計測用流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波を送受信し、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する。流量計測方法は、前記超音波の受信信号から、前記計測用流路を規定する壁面を伝播する超音波による影響を除去するステップと、反射波の影響が除去された受信信号を検知して伝播時間を求めるステップとを包含する。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記除去ステップは、前記壁面の振動を検出するステップと、前記受信信号の前記壁面の振動による信号成分をキャンセルする信号を前記検出した壁面の振動に基づいて特性が決定される適応フィルタを用いて生成するステップとを包含する。
【００４２】
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による流量計測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。
【００４３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、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。超音波流量計１０１は、流体の流路３７中に超音波の伝搬経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信部３と、受信部６とを備えている。
【００４４】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２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１から送信された超音波は第２の超音波振動子２により受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第１の超音波振動子１により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路３７を流れる流体の流れる方向に対して角度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。
【００４５】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２としては、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、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類、また予測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、例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。
【００４６】
第１の超音波振動子１は、切り替え部１０を介して送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、第２の超音波振動子２は、切り替え部１０によって、第１の超音波振動子１が接続されなかった受信部３または送信部６の他方と接続される。切り替え部１０は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子回路等により構成されるものであってもよい。
【００４７】
超音波流量計は、タイミング部３９、遅延部４０、Ａ／Ｄコンバータ２２、平均処理部２３および適応フィルタ１４をさらに備える。タイミング部３９は、所定のタイミングおよび所定の繰り返し回数で送信部３に信号を出力する。送信部３はタイミング部３９からの出力信号に基づいて第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から送信された超音波は、流路３７を流れる流体中を伝播し、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達する。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００４８】
また、タイミング部３９からの出力信号を遅延部４０は受け取り、所定の遅延時間の経過後にトリガ信号をＡ／Ｄコンバータ２２へ出力する。Ａ／Ｄコンバータ２２は、トリガ信号を受け取ったタイミングで受信部６から受け取る信号を多値のデジタル信号に変換する。タイミング部３９からの出力信号ごとにこの処理を繰り返し、得られ受信信号を平均処理部２３において平均化する。
【００４９】
平均処理部２３の出力は、適応フィルタ１４に入力される。以下において詳述するように適応フィルタ１４は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から送信される超音波が流路３７を規定する壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する。
【００５０】
超音波流量計１０１はさらにレベル検知処理部４７、ゼロクロス検知部４８、計時処理部４９および流量算出部１１を備えている。
【００５１】
レベル検知処理部４７は、適応フィルタ１４を通過した受信信号４５が所定のレベル３５に達したかどうかを判断する。ゼロクロス検知部４８は、レベル検知処理部４７が所定のレベル３５に達したと判断した直後のゼロクロスポイントを検知する。計時処理部４９は、検知したゼロクロスポイントに基づいて、遅延部４０の設定した遅延時間を含めた超音波の伝播時間を計算する。
【００５２】
流量算出手段は、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との間で双方向に超音波を伝播させたときの伝播時間を求め、その差から流体の流速および流量を求める。
【００５３】
図２（ａ）および（ｂ）は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２近傍の流路３７における、流体の流れる方向３７ｄに平行な断面および垂直な断面をそれぞれ示している。
【００５４】
図２（ａ）に示すように流路３７の流体の流れる方向３７ｄに平行な断面において流体は矢印１８で示す流速分布を有している。また、図２（ｂ）に示すように、流体の流れる方向３７ｄに垂直な断面は、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との間で超音波が伝播する方向ｚの長さＨがその方向に垂直な方向ｘの長さＷ２よりも長い扁平形状を備えている。
【００５５】
また、超音波の伝播する方向ｚと直交する方向ｘの流路３７の最大幅ｗ２は、その方向における第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の送受波面１ｆ、２ｆの幅ｗ１より小さいかほぼ等しくなっている。このため流路３７を移動する流体はかならず、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との間の超音波の伝播経路を横切るようになっている。これにより、流体の流速が大きく変化しても流量の補正係数はほぼ一定の値を保つようになる。
【００５６】
次に適応フィルタ１４について説明する。本発明で用いる適応フィルタは、未知のシステムから除去したい信号を推定し、その信号を除去するために用いられる。たとえば、長距離回線において回線経路に回りこむエコー成分を除去するためのエコーキャンセラ（特許文献２など）や雑音の多い環境においてその雑音を除去するためのノイズキャンセラ（特許文献３など）として利用されている。
【００５７】
本発明では、流路を構成する壁面における超音波反射波の影響を受けていない場合の受信信号を参照信号とし、壁面における超音波反射波の影響を受けた受信信号から、壁面における超音波反射波の影響を取り除く適応フィルタを学習することにより作成する。
【００５８】
図３（ａ）および（ｂ）は、参照信号を作成するための流路４１の流体の移動する方向と平行な断面および垂直な断面をそれぞれ示している。流路４１には、超音波流量計１０１に用いる第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２または超音波流量計１０１に用いる第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と同じ特性を有する第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を配置する。そして、超音波流量計１０１の流路３７に形成された超音波の伝播経路とおなじ伝播経路を形成するように第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を流路４１に配置する。
【００５９】
図３（ｂ）に示すように、流体の移動方向と垂直な断面において、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２の送受波面１ｆ、２ｆと平行な方向ｘにおける断面の長さＷ２は送受波面１ｆ、２ｆの長さｗ１に比べて十分長くなっている。さらに流路４１を規定する壁面４１’を超音波の反射を吸収する吸音材４４で構成する。吸音材４４の表面は流体の流速分布を乱さないよう滑らかになっていることが好ましい。断面のｚ方向の長さＨは超音波流量計１０１の流路３７と同じにする。また、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との距離Ｌも超音波流量計１０１と同じにする。
【００６０】
このような流路４１では、壁面において超音波の反射が生じにくく、また、反射波が生じたとしても、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２に到達しにくくなっている。このため、流路４１を用いて計測した参照信号は反射波の影響をほとんど受けていない。
【００６１】
この流路４１に音速ノズル気体流量校正器を用いて基準となる所定の流量の流体を流し、流速Ｖを計測する。また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を用いて超音波を送受信させ、受信波である参照信号を取得する。一方、超音波流量計１０１を用い、同様に、音速ノズル気体流量校正器を用いて、流速Ｖが得られるように流体を流す。そして、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を用いて超音波を送受信させ、受信波である計測信号を取得する。
【００６２】
図４は、適応フィルタ１４を学習させるために用いる回路を示すブロック図であり、図５は適応フィルタ１４の構成を示すブロック図である。本実施形態では適応フィルタ１４としてＦＩＲ型のものを選ぶ。図５に示すように、ＦＩＲ型の適応フィルタ１４は、遅延素子４２、乗算器である係数器４３および加算器５４を含むＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）により構成され、流路を伝播する超音波に生じる反射や減衰など、周囲の状況による遅れを伴って生じる超音波の伝播現象を記述するために、最も適していると考えられる。推定する係数の数は、経験値とする。係数の数をＮとした場合、適応フィルタ１４はＮタップのＦＩＲ型デジタルフィルタで構成され、遅延要素Ｄ_１、Ｄ_２・・・・Ｄ_Ｎ−１および各遅延要素の係数Ｗ_０（ｎ）、Ｗ_１（ｎ）、・・・Ｗ_Ｎ−１（ｎ）により表現できる。流路４１の受信波である参照信号および流路３７の受信波である計測信号を図４に示すよう回路に入れ、ＬＭＳ（ＬｅａｓｔＭｅａｎＳｑｕｉｒｅ）のアルゴリズムにしたがって、流路４１の受信波（参照信号）から適応フィルタ１４を通過した流路３７の受信波（計測信号）を引くことによって得られる残差の累積二乗和がゼロとなるよう、係数変更器３２を用いて、各係数器４３のフィルタ係数を更新する。これにより壁面の反射がある場合の受信信号から壁面における反射がない場合の受信信号を生成するフィルタ、つまり壁面における反射の影響を除去する特性を備えた適応フィルタを作ることができる。
【００６３】
次に、超音波流量計１０１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、マイコン等のコンピュータを用いて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ラグラムが、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。
【００６４】
まず、図１に示すように、切り替え部１０を用いて、送信部３を第１の超音波振動子１へ接続し、受信部６を第２の超音波振動子２へ接続する。
【００６５】
タイミング部３９から所定のタイミングおよび所定の繰り返し回数で送信部３に信号を出力し、タイミング部３９からの出力信号に基づいて送信部３が第１の超音波振動子１を駆動する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は、流路３７を流れる流体中を伝播し、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達する。第２の超音波振動子２に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。
【００６６】
タイミング部３９からの出力信号に基づいて遅延部４０は所定の遅延時間の経過後にトリガ信号をＡ／Ｄコンバータ２２へ出力する。Ａ／Ｄコンバータ２２トリガ信号を受け取ったタイミングで受信部６から受け取る信号を多値のデジタル信号に変換する。タイミング部３９からの出力信号ごとにこの処理を繰り返し、得られ受信信号を平均処理部２３で平均化する。
【００６７】
平均処理部２３から得られる受信信号は、適応フィルタ１４に入力される。ここで上述したように第１の超音波振動子１から送信される超音波が流路３７を規定する壁面において反射することによって生じる反射波の影響が除去される。
【００６８】
図６は、適応フィルタ１４を通過した受信信号４５を示している。レベル検知処理部４７は、受信信号４５が所定のレベル３５に達したかどうかを判断する。ゼロクロス検知部４８は、レベル検知処理部４７が所定のレベル３５に達したと判断した直後のゼロクロスポイント４６を検知する。計時処理部４９は、検知したゼロクロスポイント４６に基づいて、遅延部４０の設定した遅延時間を含めた超音波の伝播時間を計算する。この伝播時間は式（１）におけるｔ１であり、流量算出部１１へ出力される。
【００６９】
次に、切り替え手段１０を用いて、送信部３を第２の超音波振動子２へ接続し、第２の切り替え部１４を第１の超音波振動子１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２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。伝播時間を求める、この値は式（１）に示すｔ２である。
【００７０】
流量算出部１１は、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を求める。さらに流路３７の断面積をＳとして、流量ＱをＶ×Ｓによって求める。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。
【００７１】
このように、本実施形態によれば、流路を規定する壁面における超音波の反射波の影響を適応フィルタによって除去することができ、反射波等により、受信波に遅れが生じることがなくなる。このため、非常に高い精度で超音波の伝播時間の真値を求めることができ、これにより、精度の高い流量計が得られる。
【００７２】
（第２の実施形態）
図７は、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７において、第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図７に示す超音波流量計１０２は、切り替え部２９および適応フィルタ２６、２７、２８を備えている点で第１の実施形態の超音波流量計１０１と異なっている。
【００７３】
超音波流量計１０２において、平均処理部２３の出力は切り替え部２９に入力される。そして、適応フィルタ２６、２７、２８は並列に切り替え部２９とレベル検知処理部４７との間に接続される。
【００７４】
適応フィルタ２６、２７、２８はそれぞれ異なる流量範囲において第１の実施形態で説明した反射波の影響を除去するよう設定されている。たとえば、適応フィルタ２６、２７、２８はそれぞれ小流量時、中流量時および大流量時において反射波の影響を除去できるように最適化されている。これらの適応フィルタ２６、２７、２８は、音速ノズル気体流量校正器を用い、異なる流量において学習を行わせることによって作製することができる。
【００７５】
なお、適応フィルタ２６、２７、２８の流量範囲は異なっておればよい。たとえば、０〜１０Ｌ／ｍｉｎ、１０〜２０Ｌ／ｍｉｎ、２０〜３０Ｌ／ｍｉｎというように、最適な流量範囲が全く重ならないように適応フィルタ２６、２７、２８の流量範囲を設定してもよい。あるいは、０〜１０Ｌ／ｍｉｎ、８〜１８Ｌ／ｍｉｎ、１６〜２６Ｌ／ｍｉｎというように、最適な流量範囲の一部が重なるように適応フィルタ２６、２７、２８の流量範囲を設定してもよい。
【００７６】
切り替え部２９は、流量算出部によって求められる流量に関する信号を受け取り、その信号に基づいて最適な流量範囲のフィルタを適応フィルタ２６、２７、２８から１つ選択する。
【００７７】
本実施形態によれば、流量に応じて最適な適応フィルタを切り換えるので、広い流量範囲において高い精度で計測を行うことができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、異なる流量範囲において反射波の影響が最小となるよう設定された複数の適応フィルタを用いた。しかし、２つの適応フィルタ２６、２７を採用し、適応フィルタ２６、２７を第１の超音波振動子１から超音波を送信し、第２の超音波振動子２で受信する場合、および、第２の超音波振動子２から超音波を送信し、第１の超音波振動子１で受信する場合において、流路を規定する壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去するように学習させてもよい。そして、超音波を送受信する方向にあわせて切り替え部２９の切り替えによって適応フィルタ２６または２７を選択するようにしてもよい。
【００７９】
また、上述したように異なる流量範囲において反射波の影響が最小となるよう設定された適応フィルタ２６、２７、２８を採用し、各適応フィルタを、第１の超音波振動子１から超音波を送信し、第２の超音波振動子２で受信する場合、および、第２の超音波振動子２から超音波を送信し、第１の超音波振動子１で受信する場合において、流路を規定する壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去するように学習させてもよい。この場合には、超音波を送受信する方向にあわせて、各適応フィルタの係数が切り替わるように各適応フィルタの係数を切り換える切り替え部さらに設ける。
【００８０】
このような超音波流量計によれば、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との間で伝播方向に対する取り付け角度の差異が生じているようためにそのような差異による反射波の影響が異なっている場合でも、より正確な流量の計測が可能となる。
【００８１】
また、流路を規定する壁面を構成し、材質、断面形状、断面積などが異なる複数の配管に超音波流量計１０２が取り付けられる場合には、適応フィルタ２６、２７、２８をそれぞれ異なる種類の配管に対して反射波の影響が最小となるよう最適化させてもよい。
【００８２】
（第３の実施形態）
図８は、本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。図８において、第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図８に示す超音波流量計１０３では、流路３７を規定する壁面の振動を検出し、壁面の振動による影響を受けた受信信号からその振動による影響をキャンセルするための信号を適応フィルタにより生成する。このために、超音波流量計１０３は、ピックアップ５０と、Ａ／Ｄコンバータ５１と、平均処理部５２と加減算器５５とを備えている。
【００８３】
ピックアップ５０は、超音波振動子などから構成され、流路３７を規定する壁面の振動を検出するよう壁面に取り付けられている。ピックアップ５０の出力はＡ／Ｄコンバータ５１に入力され、遅延部４０が出力する信号のタイミングで、デジタル信号に変換される。このタイミングは、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が超音波を受信し、受信部６によって増幅された受信信号がＡ／Ｄコンバータ２２によってデジタル信号に変換されるタイミングに一致している。つまり、Ａ／Ｄコンバータ５１により変換される信号は、計測のための超音波を受信して得られる受信信号と同じ時刻に得られたものである。Ａ／Ｄコンバータ５１の出力は平均処理部５２へ入力され、複数回入力されたＡ／Ｄコンバータ５１の出力の平均が求められる。
【００８４】
適応フィルタ１４は、平均処理部５２の出力信号ｘ（ｎ）を受け取り、信号ｙ（ｎ）を出力する。加減算器５５は、平均処理部２３から出力される受信信号の平均値と出力信号ｘ（ｎ）とを受け取り、受信信号の平均値から出力信号ｘ（ｎ）を減じた信号をレベル検知処理部４７へ出力する。また、この信号はエラー信号ｅ（ｎ）として適応フィルタ１４へ入力される。適応フィルタ１４は、たとえば、第１の実施形態で説明した図５に示す構造を備えており、ＬＭＳのアルゴリズムにしたがって、エラー信号ｅ（ｎ）のパワーが最小となるよう各係数器フィルタ係数を決定する。これにより、適応フィルタ１４から出力される信号ｙ（ｎ）は、受信信号に含まれる壁面の振動による信号成分をキャンセルする。したがって、受信信号から壁面の振動による影響が除去される。この学習は、リアルタイムで行われ、ピックアップ５０により検出した信号が変化すれば、適応フィルタ１４も信号の変化に応じてエラー信号ｅ（ｎ）のパワーが最小となるよう各係数器フィルタ係数を決定することができる。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、流路を規定する壁面の振動を検出し、適応フィルタを用いて生成した信号を流量を検出するための受信信号から減じることによって、受信信号に重畳している壁面の振動成分を除去することができる。したがって、非常に高い精度で超音波の伝播時間の真値を求めることができる流量計が得られる。特に本実施形態では、壁面の振動をリアルタイムで検出し、振動の変化に応じて適応フィルタの特性も変化する。したがって、超音波流量計１０３の周囲の環境変化や、超音波振動子の特性変化が生じても常に高い精度で超音波の伝播時間の真値を求めることができる。
【００８６】
（第４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。
【００８７】
図９は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ１０４のブロック図を示している。配管７０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。
【００８８】
ガスメータ１０４は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計７１と、緊急時に配管７０を流れるガスを遮断する遮断弁７２と、超音波流量計７１および遮断弁７２を制御するマイコンなどの制御装置７３と、超音波流量計１０６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７４とを備える。超音波流量計７１には、第１から第３の実施形態の超音波流量計を用いることができる。
【００８９】
超音波流量計７１によって計測される流量に関するデータは、マイコン７３で処理されて表示部７４に表示される。また、マイコン７３は、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７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【００９０】
また、第１から第３の実施形態において説明したように、超音波流量計７１には適応フィルタが設けられているため、流路を規定する壁面における超音波の反射波の影響あるいは壁面の振動による影響を適応フィルタによって除去することができる。壁面の振動や反射波等により、受信波に遅れが生じることがなく、非常に高い精度で超音波の伝播時間の真値を求めることができる。したがって、ガスメータ１０４は高い計測精度を備えている。
【００９１】
特に、第３の実施形態による超音波流量計７１を備えたガスメータの場合、適応フィルタは計測した壁面の振動に基づいてその特性が変化する。このため、ガスメータ１０４が屋外に設置され、周囲の激しい温度変化に曝されることによって流路を規定する壁面の振動が大きく変化しても、変化に対応してガスメータの計測精度を維持することができる。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、流路を規定する壁面における超音波の反射の影響または壁面の振動による影響を抑制し、高い精度で流量を計測することにできる超音波流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す超音波流量計の流路における、流体の流れる方向に平行な断面および垂直な断面を示している。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、適応フィルタを学習させるために用いる超音波流量計の流路の断面であって、流体の流れる方向に平行な断面および垂直な断面を示している。
【図４】適応フィルタを学習させるための回路を示すブロック図である。
【図５】適応フィルタの構成を示すブロック図である。
【図６】受信信号の検出を説明するための図である。
【図７】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８】本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図９】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１０】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１１】受信波のゼロクロス検知方法を説明する図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、従来の超音波流量計の流路における、流体の流れる方向に平行な断面および垂直な断面を示している。
【図１３】従来の超音波流量計におけるレイノルズ数と補正係数との関係を示すグラフである。
【図１４】（ａ）および（ｂ）は、従来の他の超音波流量計の流路における、流体の流れる方向に平行な断面および垂直な断面を示している。
【図１５】ｚｙ１４に示す従来の超音波流量計におけるレイノルズ数と補正係数との関係を示すグラフである。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、流路を規定する壁面において反射する超音波を説明する図である。
【符号の説明】
１第１の超音波振動子
２第２の超音波振動子
３送信部
６受信部
１０、２９切り替え部
１１流量算出部
１４、２６、２７、２８適応フィルタ
２２、５１Ａ／Ｄコンバータ
２３、５２平均処理部
３２係数変更器
３９タイミング部
４０遅延部
４２遅延素子
４３係数器
５４加算器
４８ゼロクロス検知部
４９計時処理部
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５超音波流量計

Claims

超音波を送受信し、壁面により規定される流体の計測用流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、
前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を駆動し、超音波を受信する送信部および受信部と、
前記受信部において受信した受信信号を検知する検知部と、
前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第１の適応フィルタと、
を備え、前記検知部における検知に基づいて、前記伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を求めることにより流体の流量を計測する超音波流量計。
前記第１の適応フィルタは、壁面からの反射が抑制された参照流路に前記計測用流路に形成された伝播経路とおなじ伝播経路を形成するように前記第１および第２の超音波振動子を配置し、前記参照流路に所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる参照受信信号と、前記計測用流路所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる受信信号とに基づいて設定されている請求項１に記載の超音波流量計。
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計測用流路の最大幅は、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請求項１に記載の超音波流量計。
前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第２の適応フィルタと、
前記第１の適応フィルタまたは前記第２の適応フィルタを選択する選択部と、をさらに備え、
前記第１の適応フィルタにおいて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている流量範囲は、前記第２の適応フィルタ前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている流量範囲と異なっている請求項１に記載の超音波流量計。
前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第２の適応フィルタと、
前記第１の適応フィルタまたは前記第２の適応フィルタを選択する選択部と、をさらに備え、
前記第１の適応フィルタにおいて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている壁面を構成する配管の種類と、前記第２の適応フィルタにおいて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている壁面を構成する配管の種類とは異なっている請求項１に記載の超音波流量計。
前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記超音波が前記壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去する第２の適応フィルタと、
前記第１の適応フィルタまたは前記第２の適応フィルタを選択する選択部と、をさらに備え、
前記第１の適応フィルタは、前記第１の超音波振動子を用いて前記超音波を受信する場合に前記反射波の影響が最小となるよう最適化されており、前記第２の適応フィルタは、前記第２の超音波振動子を用いて前記超音波を受信する場合に前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている請求項１に記載の超音波流量計。
超音波を送受信し、壁面により規定される流体の計測用流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、
前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を駆動し、超音波を受信する送信部および受信部と、
前記受信部において受信した受信信号を検知する検知部と、
前記受信部と前記検知部との間に接続され、前記壁面を伝播する超音波による影響を除去する第１の適応フィルタと、
を備え、前記検知部における検知に基づいて、前記伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を求めることにより流体の流量を計測する超音波流量計。
前記壁面の振動を検出するための検出器をさらに備える請求項７に記載の超音波流量計。
ガスが流れる流路に設けられた請求項１から８のいずれかに記載の超音波流量計と、
前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、
前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置と、
を備えたガスメータ。
流体の計測用流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波を送受信し、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する、超音波による流量計測方法であって、
前記超音波の受信信号から、前記超音波が前記計測用流路を規定する壁面において反射することによって生じる反射波の影響を除去するステップと、
反射波の影響が除去された受信信号を検知して伝播時間を求めるステップと、
を包含する超音波による流量計測方法。
前記反射波の影響を除去するステップは、適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される請求項１０に記載の超音波による流量計測方法。
前記適応フィルタは、壁面からの反射が抑制された参照流路に前記計測用流路に形成された伝播経路とおなじ伝播経路を形成するように前記第１および第２の超音波振動子を配置し、前記参照流路に所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる参照受信信号と、前記計測用流路所定の流量の流体を流して、超音波を送受信することにより得られる受信信号とに基づいて決定された特性を有する請求項１１に記載の超音波による流量計測方法。
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計測用流路の最大幅は、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請求項１１に記載の超音波による流量計測方法。
前記反射波の影響を除去するステップは、それぞれ異なる流量範囲において前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている複数の適応フィルタから、前記流体の流量に応じた１つを選択し、選択した適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される請求項１１に記載の超音波による流量計測方法。
前記反射波の影響を除去するステップは、壁面を構成する配管の種類に応じて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている複数の適応フィルタから、前記配管の種類に応じた１つを選択し、選択した適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される請求項１１に記載の超音波による流量計測方法。
前記反射波の影響を除去するステップは、超音波の伝播方向に応じて前記反射波の影響が最小となるよう最適化されている２つの適応フィルタから、前記超音波の伝播方向に応じた１つを選択し、選択した適応フィルタに前記受信信号を通過させることにより実行される請求項１１に記載の超音波による流量計測方法。
流体の計測用流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波を送受信し、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する、超音波による流量計測方法であって、
前記超音波の受信信号から、前記計測用流路を規定する壁面を伝播する超音波による影響を除去するステップと、
反射波の影響が除去された受信信号を検知して伝播時間を求めるステップと、を包含する超音波による流量計測方法。
前記除去ステップは、
前記壁面の振動を検出するステップと、
前記受信信号の前記壁面の振動による信号成分をキャンセルする信号を前記検出した壁面の振動に基づいて特性が決定される適応フィルタを用いて生成するステップと、
を包含する請求項１７に記載の超音波による流量計測方法。
請求項１０から１８のいずれかに記載の超音波による流量計測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たコンピュータ読み取り可能な記録媒体。