JP2005181097A - 超音波流体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波計測装置において、音響的減衰の大きなものを被験流体とする場合にゼロクロス点を正確に特定する。
【解決手段】一方のトランスデューサから超音波を発射した後、所定の時間が経過するまでを禁止期間とし、この禁止期間では、ゼロクロス点の特定を禁止する。ゼロクロス点は、禁止期間が経過した後の受信波形Ｗｒから特定する。禁止期間は、想定されるＳＮ比を基準とし、かつ直接伝搬波以外の干渉波の影響により受信波形Ｗｒに減衰が生じる期間を外して設定する。特定の禁止は、禁止期間における受信波形Ｗｒの入力自体を禁止したり、受信波形Ｗｒを入力してゼロクロス点を内部的に特定するものの、その出力を禁止することによる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、被験流体の音響的減衰が大きい場合に、伝搬時間測定の基準となるゼロクロス点を正確に特定するための技術に関する。

従来、一対のトランスデューサを流れの方向にずらして配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサにより受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサにより受信されるまでの第２の伝搬時間を測定し、測定された各伝搬時間をもとに、被験流体の流量等を検出する流体計測装置が知られている。この超音波流体計測装置では、第１及び第２の伝搬時間を測定する際に、ゼロクロス点と呼ばれる、トランスデューサの出力電圧がゼロレベルを過ぎる時点を特定し、超音波が発射された時点からこのゼロクロス点までの時間を測定している。ゼロクロス点の特定は、トランスデューサの出力電圧に関するしきい値を予め設定しておき、実際に得られた出力電圧がこのしきい値に達した時点を特定することによるのが一般的である（特許文献１）。
特開２００２−３２３３６１号公報（段落番号００３３，００３４）

しかしながら、上記の超音波流体計測装置には、被験流体が水素ガス等の音響的減衰の大きなものである場合に、次のような問題がある。
すなわち、水素ガス等を被験流体とする場合は、発射された超音波が受信側のトランスデューサに到達するまでに大きく減衰する。このため、トランスデューサ出力の超音波成分が小さくなる一方、これに重畳するノイズ成分が相対的に大きくなることである。このため、トランスデューサの出力電圧としきい値との比較による上記の方法では、本来のゼロクロス点よりも前に偶発的に大きなノイズを入力し、出力電圧がしきい値に達したときに、その時点で誤ったゼロクロス点（本来のゼロクロス点よりも早い。）が特定されることになる。他方、これを回避するため、ノイズ成分に対する余裕を持たせて大きなしきい値を設定した場合は、超音波の減衰の程度やノイズの大きさ次第で、本来のゼロクロス点を特定し損なうことが考えられる。ゼロクロス点の特定を誤った場合は、流量等の計測結果において、超音波の周波数に応じた大きな誤差を来すことになる。

本発明は、水素ガス等の音響的減衰の大きなものを被験流体とする場合に、ノイズ成分による影響を受けず、ゼロクロス点を正確に特定することを可能とし、正確な計測結果を得ることを目的とする。

本発明は、超音波流体計測装置を提供する。本発明に係る装置は、被験流体を流通させる測定管と、測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、超音波伝搬線上に、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサとを含んで構成される。第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサの出力が所定のレベルに達する時点を受信時点として特定し、特定した受信時点をもとに、第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波の、受信側のトランスデューサまでの各伝搬時間を測定し、測定した各伝搬時間をもとに、被験流体に関する所定の演算を行う。ここで、第１又は第２のトランスデューサから超音波が発射された後、所定の時間が経過するまでを禁止期間とし、この禁止期間では、受信時点の特定を禁止する。

本発明では、受信時点の特定に際し、超音波が発射されてから所定の時間が経過するまでの間（すなわち、禁止期間）、この特定を禁止することとしている。このため、超音波の減衰が大きく、トランスデューサ出力に相対的に大きなノイズ成分が重畳する場合であっても、本来の受信時点前に偶発的に入力したノイズにより受信時点が誤って特定されるのを防止することができる。また、このように受信時点の誤った特定が防止されることで、受信時点の特定に関する所定のレベルの適正化を図るとともに、この所定のレベルとの比較において、ある程度の大きさを持つ超音波成分を採用することが可能となるので、受信時点を正確、かつ確実に特定することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置（以下「計測装置」という。）１の構成を示している。本実施形態では、水素ガスを被験流体としている。
測定管１１は、流量等の計測用通路を形成しており、軸方向の各端に形成されたフランジ１１１ａ，１１１ｂを介し、隣接する配管２に接続されている。配管２には、方向切換弁３が介装されており、測定管１１は、この方向切換弁３により配管２と、他の配管４とに選択的に接続されるように構成されている。他の配管４には、校正流体としての窒素ガスを充填したタンク５が接続されており、タンク５内の窒素ガスを測定管１１に流通させることができる。

測定管１１は、管軸Ａｐとの間に角度θを形成する軸（超音波伝搬軸Ａｔに一致する。）を中心として、管軸方向にずれた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに、上流側トランスデューサ（「第１のトランスデューサ」に相当する。）１２ａと、下流側トランスデューサ（「第２のトランスデューサ」に相当する。）１２ｂとが夫々収納されている。

これらのトランスデューサ１２ａ，１２ｂは、測定用超音波Ｗｔを発生させる振動子を含んで構成され、伝搬時間算出部１３１及び流量演算部１３２を含んで構成されるコントロールユニット１３に接続されている。コントロールユニット１３は、各トランスデューサ１２ａ，１２ｂに対し、超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生するとともに、発射された超音波Ｗｔを受けたトランスデューサから出力された受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２を入力する。各トランスデューサ１２ａ，１２ｂは、コントロールユニット１３からの駆動信号を受け、超音波伝搬線Ａｔに沿って超音波Ｗｔを発射する。コントロールユニット１３は、入力した受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２をもとに、測定管１１を流れる水素ガスの流量Ｑ及び密度（濃度に相当する。）ρを算出し、出力する。出力された流量Ｑ等は、図示しないモニタに表示される。

ここで、計測装置１による流量Ｑ及び密度ρの計測原理について、図２を参照して説明する。
図２は、超音波の送信波形Ｗｔ及び受信波形Ｗｒ１，Ｗｒ２を示している。上流側トランスデューサ１２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波形をＷｒ１とし、下流側トランスデューサ１２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波形をＷｒ２としている。超音波Ｗｔが発射された後、受信信号（電圧で示す。）が所定のレベルＶｔｈに達する時点を受信時点ｔｄとし、受信側のトランスデューサにより先頭の超音波（以下「先頭波」という。）が受信されてから前記受信時点ｔｄまでの時間を検知遅れ時間ｔｒとし、超音波Ｗｔが発射されてから先頭波が受信側のトランスデューサに到達するまでの時間を伝搬時間ｔとする。水素ガスの音速及び流速、並びに超音波Ｗｔの伝搬距離をＣｇ，Ｖｇ，Ｌｍとすると、超音波Ｗｔを順方向に発射したときと、超音波Ｗｔを逆方向に発射したときとで、これらの時刻ｔｄ及び時間ｔｒ，ｔの間には、次式（１）、（２）の関係が成り立つ。

ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ１ ・・・（１）
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ２ ・・・（２）
流量Ｑを計測する場合は、（１）及び（２）式をもとに、流速Ｖｇに関する下式（３）を得る。

Ｖｇ＝[Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）]×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（３）
（３）式により算出した流速Ｖｇを次式（４）に代入し、流量Ｑを算出する。なお、測定管１１の断面積をＡとし、測定管１１における流速分布補正係数をＫとする。
Ｑ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ ・・・（４）
他方、密度ρを計測する場合は、次式（５）により音速Ｃｇを算出する。

Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（５）
（５）式により算出した音速Ｃｇを次式（６）に代入し、密度ρを算出する。なお、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとする。
ρ＝γ×｛Ｒ×Ｔ／（２２．４×Ｃｇ²）｝ ・・・（６）
なお、本実施形態では、超音波伝搬線Ａｔを直線状に設定し、一対のトランスデューサ１２ａ，１２ｂを、管軸Ａｐを基準とした測定管１１の各側に配置している。しかしながら、本発明によれば、このような配置に限らず、超音波伝搬線Ａｔを管壁上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサを測定管１１の片側のみに配置することもできる。

図３は、本実施形態に係るコントロールユニット１３の構成を示している。コントロールユニット１３の構成について、図４に示すタイムチャートを参照しつつ、図３により説明する。
方向切換部１３１ａは、一方のトランスデューサ（例えば、上流側トランスデューサ１２ａ）を送信用に選択するとともに、他方の下流側トランスデューサ１２ｂを受信用に選択する。

駆動信号発生部１３１ｂは、送信用のトランスデューサに対する駆動信号を発生する。発生した駆動信号は、方向切換部１３１ａを介して送信用のトランスデューサに入力され、超音波Ｗｔが発射される（時刻ｔ０）。駆動信号発生部１３１ｂは、駆動信号を発生するのと同時に、禁止期間設定部１３１ｃ及び経過時間測定部１３１ｅに対し、計時開始信号ｓｔａｒｔを出力する。

禁止期間設定部１３１ｃは、計測開始信号ｓｔａｒｔを受けると、受信検知部１３１ｄに対し、所定の禁止期間ｔｇに亘り受信時点の特定を禁止する受信制御信号Ｓｇを出力する。受信制御信号Ｓｇは、禁止期間ｔｇにＬｏレベルに設定され、禁止期間ｔｇの経過後にＨｉレベルに切り換えられる。受信制御信号ＳｇがＬｏレベルに設定されている間、受信検知部１３１ｄによる受信時点の特定が禁止又は実質的に禁止され、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられることで、受信時点の特定が許可される。なお、禁止期間ｔｇは、禁止期間記憶部１３１ｈに記憶されており、禁止期間設定部１３１ｃに読み込まれる。

受信検知部１３１ｄは、方向切換部１３１ａにより受信用に選択されたトランスデューサから受信信号Ｗｒを入力する。ここで、受信検知部１３１ｄは、入力した受信制御信号Ｓｇが禁止の解除を示すＨｉレベルに切り換えられるまで、受信信号Ｗｒを矩形信号Ｓｂに変換しつつ、受信時点の特定を保留する。受信検知部１３１ｄは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられた後、受信時点として、変換した矩形波形Ｓｂの最初の立ち上がり点Ｃ'を特定するとともに、特定した立ち上がり点Ｃ'において、経過時間測定部１３１ｅに対し、計時終了信号ｓｔｏｐを出力する。なお、この立ち上がり点Ｃ'が本実施形態に係るゼロクロス点に相当する。

経過時間測定部１３１ｅは、計時開始信号ｓｔａｒｔの入力によりタイマーを作動させるとともに、計時終了信号ｓｔｏｐの入力によりタイマーを停止させ、経過時間としてその計時結果ｔｄを伝搬時間算出部１３１ｆに出力する。
伝搬時間算出部１３１ｆは、入力した経過時間ｔｄと、所定の検知遅れ時間ｔｒとをもとに、次式（７）により伝搬時間ｔを算出する。伝搬時間算出部１３１ｆは、算出した伝搬時間ｔを流量演算部１３２に出力する。なお、検知遅れ時間ｔｒは、検知遅れ時間記憶部１３１ｇに記憶されており、伝搬時間算出部１３１ｆに読み込まれる。検知遅れ時間ｔｒは、後述する校正処理に従い更新される。

ｔ＝ｔｄ−ｔｒ ・・・（７）
流量演算部１３２は、入力した伝搬時間ｔをもとに、（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ及び密度ρを算出する。
次に、コントロールユニット１３の動作について、図５に示すフローチャートにより説明する。

超音波流体計測装置１の電源が投入されると、このルーチンが開始され、初期設定が行われる。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ１０１では、超音波の伝搬方向を切り換える。
Ｓ１０２では、送信用のトランスデューサから超音波を発射するとともに、経過時間ｔｄの計時を開始する。

Ｓ１０３では、禁止期間ｔｇが経過し、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられて、受信時点の特定が許可されたか否かを判定する。許可されないうちは、この判定を繰り返し、許可されたときは、Ｓ１０４へ進む。
Ｓ１０４では、ゼロクロス点Ｃ'を特定するとともに、特定したゼロクロス点Ｃ'の時刻ｔｄをもとに、経過時間ｔｄを測定する。

Ｓ１０５では、校正時であるか、計測時であるかを判定する。本実施形態では、校正及び計測の切換えをスイッチにより手動で行うこととしており、スイッチの出力信号を検出して、この判定を行うようにしている。校正時には、測定管１１に窒素ガスを充填し、計測時には、測定管１１に水素ガスを流通させる。
Ｓ１０６では、窒素ガスの音速に応じた校正用伝搬時間を（１）式により算出する。なお、校正流体の流量Ｖｇは、配管４に簡易なセンサを設置し、このセンサにより検出する。また、窒素ガスや水素ガス等の単一組成のガスを校正流体とする場合は、音速Ｃｇは、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとし、モル質量をＭとして、次式（８）により算出する。

Ｃｇ＝√（γ×Ｒ×Ｔ／Ｍ） ・・・（８）
Ｓ１０７では、測定した経過時間ｔｄから算出した校正用伝搬時間を減算して、検知遅れ時間ｔｒを算出する。校正では、超音波を複数回発射し、発射毎に測定した経過時間を平均して得たものを経過時間ｔｄとするとよい。算出した検知遅れ時間ｔｒは、検知遅れ時間記憶部１３１ｇに記憶する。校正を終えると、スイッチが切り換わり、測定管１１に水素ガスが流通する。

Ｓ１０８では、測定した経過時間ｔｄから検知遅れ時間ｔｒを減算して、伝搬時間ｔを算出する。
Ｓ１０９では、算出した伝搬時間ｔをもとに、（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ及び密度ρを算出する。
次に、コントロールユニット１３を構成する各ブロック１３１ａ〜１３１ｈについて、詳細に説明する。

まず、禁止期間設定部１３１ｃについて説明する。
図６は、禁止期間として、受信波形Ｗｒが定常化するまでの期間Ａ及びＢを採用した場合を示している。受信波形Ｗｒは、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの振動子の作動特性に応じ、超音波の圧力を受けて先頭波Ｓ１から周期毎に振幅が徐々に増加していき、やがて最大振幅に達して定常化する（期間Ｃ）。受信波形Ｗｒの振幅が最大となる期間Ｃで受信時点（すなわち、ゼロクロス点）の特定を許可することで、本来のゼロクロス点よりも前に誤ったゼロクロス点が特定されることを回避するとともに、ゼロクロス点の特定が許可された後は、ノイズ成分Ｗｎに対して最大のＳＮ比が得られ、ゼロクロス点を正確に特定することができる。なお、禁止期間には、ゼロクロス点に対する余裕時間ｔｂが設けられる。

図７は、禁止期間として、受信波形の周期毎の振幅変動量ΔＶｓ（＝Ｖｓ_n−Ｖｓ_n-1）がノイズ成分Ｗｎの振幅Ｖｎよりも充分に大きくなるまでの期間Ａを採用した場合を示している。先頭波Ｓ１は、ノイズ成分Ｗｎに埋もれ、ノイズ成分Ｗｎとの区別がつかない場合が多い。しかしながら、例えば、周期毎の振幅変動量ΔＶｓがノイズ成分Ｗｎの振幅Ｖｎの２倍以上の大きさとなるときにゼロクロス点の特定を許可することで、ノイズ成分Ｗｎの影響を抑え、受信波形Ｗｒが定常化する前に、早期にゼロクロス点を特定することができる。この方法によれば、計測周期を短縮することができるため、流量等の変化に対する応答性を向上させることができる。なお、ゼロクロス点に対する余裕時間ｔｂが設けられるのは、前述同様である。

図８は、禁止期間として、以上のいずれかのものに加え、受信波形Ｗｒが超音波伝搬線Ａｔ上を伝搬した超音波以外の波との干渉により一部Ｗｉで減衰する期間Ｄを採用した場合を示している。受信波形Ｗｒの減衰の多くは、超音波伝搬線Ａｔを外れた超音波が、測定管１１の管壁で反射し、受信用のトランスデューサに入射することにより発生する。このため、測定管１１の寸法や被験流体の密度等をもとに、反射伝搬波の位相遅れ時間、延いては期間Ｄを特定することが可能である。この方法によれば、受信波形Ｗｒの減衰によりゼロクロス点の特定を誤るのを防止することができる。なお、ゼロクロス点に対する余裕時間ｔｂが設けられるのは、前述同様である。

以上のようにして設定した禁止期間は、禁止期間記憶部１３１ｈ（図３）に記憶され、禁止期間設定部１３１ｃに読み込まれる。禁止時間設定部１３１ｃは、読み込んだ禁止期間に対し、これが経過するまでは受信制御信号ＳｇをＬｏレベルに設定して、ゼロクロス点の特定を禁止し、これが経過した後は受信制御信号ＳｇをＨｉレベルに切り換えて、ゼロクロス点の特定を許可する。

なお、禁止期間記憶部１３１ｈに対し、長さが異なる複数の禁止期間を予め記憶させておき、計測に際し、被験流体の種類に応じて採用する禁止期間を選択するようにしてもよい。禁止期間の選択は、操作盤に調整ダイヤルを設けたり、あるいは禁止期間毎に対応させた外部信号を発生させることにより行うことができる。外部信号には、アナログ電圧又は電流、デジタル信号、光信号、流体圧力等のいずれの形態のものを採用してもよい。外部信号による場合は、遠隔操作により禁止期間を選択することが可能となるため、微弱な電圧信号を処理する受信検知部１３１ｄ等を流量演算部１３２及びモニタから離して設置することが可能となる。このため、計測装置１を化学プラントや放射線設備に組み込んで使用する場合に、受信検知部１３１ｄ等をトランスデューサ１２ａ，１２ｂから近い位置に設置して、ノイズ（主に、電磁的なもの）の混入を回避し、計測精度を確保することができる。

図９は、禁止期間の長さｔｇを可変とした場合の、禁止期間設定部１３１ｃの構成を示している。禁止期間設定部１３１ｃは、シフトレジスタｃ１０１及び減算器ｃ１０２を含んで構成され、経過時間測定部１３１ｅと接続されている（図３）。順及び逆方向の各経過時間ｔｄ１，ｔｄ２を入力するとともに、入力した伝搬時間ｔｄ１，ｔｄ２をもとに、経過時間平均値ｔａ（＝（ｔｄ１＋ｔｄ２）／２）を計測毎に算出し、シフトレジスタｃ１０１に記憶する。減算器ｃ１０２は、シフトレジスタｃ１０１から前回の計測で算出された経過時間平均値ｔａ_n-1を入力するとともに、入力した経過時間平均値ｔａ_n-1から余裕時間ｔｂを減算し、禁止期間の長さｔｇ（＝ｔａ_n-1−ｔｂ）を算出する。禁止期間設定部１３１ｃは、設定した禁止期間に亘りＬｏレベルの受信制御信号Ｓｇを出力する。以上のように禁止期間の長さｔｇを計測毎に調整する機能を持たせることで、ゼロクロス点Ｃ'に対し、常に一定の時間ｔｂ前に特定が許可されることになる（図４）。このため、被験流体の密度（すなわち、音速）の変化等によりゼロクロス点Ｃ'が前後したとしても、最適なタイミングで特定を許可することができる。この禁止期間設定部１３１ｃによる場合のコントロールユニット１３の動作について、図１０に示すフローチャートにより説明する。

図１０に示すフローチャートにおいて、図５に示すものと同様な処理を行うステップには、同じ符号を付している。
このルーチンは、電源の投入により開始され、その後、所定の時間毎に実行される。開始後、初期設定が行われるとともに、超音波の伝搬方向を切り換え（Ｓ１０１）、送信用のトランスデューサから超音波を発射する（Ｓ１０２）。禁止期間が経過して、ゼロクロス点の特定が許可されたときは（Ｓ１０３）、Ｓ１０４へ進み、ゼロクロス点Ｃ'を特定するとともに、経過時間ｔｄを測定する。Ｓ２０１では、順及び逆方向のそれぞれについて測定した経過時間ｔｄ1，ｔｄ２を平均して、経過時間平均値ｔａを算出し、算出した平均値ｔａ（＝ｔａ_n-1）から所定の余裕時間ｔｂを減算して、禁止期間の長さｔｇを算出する。経過時間平均値ｔａは、メモリーｃ１０１に記憶され、次回の計測において、このステップで読み込まれる。校正時であるか、計測時であるかを判定し（Ｓ１０５）、校正時では、校正流体の音速に応じた校正用伝搬時間を算出するとともに（Ｓ１０６）、検知遅れ時間ｔｒを算出し、記憶する。計測時では、測定した経過時間ｔｄから検知遅れ時間ｔｒを減算して、伝搬時間ｔを算出するとともに（Ｓ１０８）、算出した伝搬時間ｔをもとに、（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ等を算出する（Ｓ１０９）。

禁止期間は、以上のものに限らないが、ゼロクロス点の特定が許可される時刻ｔｇは、被験流体の最大流量時を考慮して設定するのが好ましい。例えば、図４に符号Ｄで示す時点を流量がゼロであるときに特定されるゼロクロス点であるとする。ここで、流量が増大すると、これに伴い順方向について特定されるゼロクロス点Ａが早まる一方、逆方向について特定されるゼロクロス点Ｃが遅れる。想定される最大流量時に順方向について特定されるゼロクロス点よりも前に特定が許可されるように禁止期間の長さｔｇを設定することで、対象とする周期以外の周期で、誤ったゼロクロス点が特定されるのを回避し、作動範囲全体に渡り流量等を正確に計測することができる。

次に、受信検知部１３１ｄについて説明する。
図１１は、受信検知部１３１ｄの構成を示している。受信検知部１３１ｄは、スイッチｄ１０１を含んで構成され、スイッチｄ１０１は、トランスデューサの受信信号Ｗｒに対するゲートを構成している。受信信号Ｗｒは、スイッチｄ１０１を介してコンパレータｄ１０２に入力される。禁止期間設定部１３１ｃには、トランスデューサの駆動信号及び禁止期間の長さｔｇに応じて入力状態が切り換えられるフリップフロップｃ１０２が設けられており、スイッチｄ１０１は、フリップフロップｄ１０１の出力（すなわち、受信制御信号Ｓｇ）により作動する。トランスデューサとコンパレータｄ１０２とは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルであるときに、スイッチｄ１０１がオンして接続され、Ｌｏレベルであるときに、スイッチｄ１０１がオフして遮断される。このため、禁止期間では、コンパレータｄ１０２への受信信号Ｗｒの入力自体が阻止されることになる。コンパレータｄ１０２は、受信波形Ｗｒのゼロレベルを基準として、各ゼロクロス点でレベルが遷移する矩形波形Ｓｂを出力する（図４）。禁止期間に受信信号Ｗｒの入力が阻止されることで、コンパレータｄ１０２の出力Ｓｂは、禁止期間が経過するまでの間、ゼロレベルを保つ。コンパレータｄ１０２の出力Ｓｂは、単安定マルチバイブレータｄ１０３に入力され、単安定マルチバイブレータｄ１０３は、ゼロクロス点として、矩形波形Ｓｂの最初の立ち上がり点Ｃ'を特定し、計時停止信号ｓｔｏｐを出力する。

なお、コンパレータｄ１０２により受信信号ＷｒをＨｉレベル又はＬｏレベルに２値化することで、情報を単純化して、演算の効率を上げるとともに、コストを削減することができる。また、２値化の基準を受信波形Ｗｒのゼロレベルとすることで、矩形波形Ｓｂのレベル遷移点と、受信波形Ｗｒのゼロクロス点とが一致するため、ゼロクロス点の特定が容易となる。

図１２は、他の受信検知部１３１ｄの構成を示している。この受信検知部１３１ｄでは、トランスデューサとコンパレータｄ２０１とが、スイッチ等のゲートを介さず、直接に接続されている。このため、受信信号Ｗｒは、常にコンパレータｄ２０１に入力される状態にあり、コンパレータｄ２０１は、受信波形Ｗｒのゼロレベルを基準とした矩形波形Ｓｂを出力する。禁止期間設定部１３１ｃのフロップフロップｃ１０２は、トランスデューサの駆動信号及び禁止期間の長さｔｇに応じた受信制御信号Ｓｇを出力し、受信制御信号Ｓｇは、コンパレータｄ２０１の出力とともに単安定マルチバイブレータｄ２０２に入力される。単安定マルチバイブレータｄ２０２は、矩形信号Ｓｂの立ち上がりを迎えるたびに計時停止信号ｓｔｏｐを内部的に発生させるが、禁止期間が経過するまでの間、受信制御信号Ｓｇによりその出力が禁止される。このように内部的にはゼロクロス点を常に特定しながら、禁止期間ではその出力を禁止することで、禁止期間の経過後にゼロクロス点の特定を許可するのと同じ効果が得られる。

図１３は、更に別の受信検知部１３１ｄの構成を示している。この受信検知部１３１ｄは、可変増幅器ｄ３０１を含んで構成され、受信信号Ｗｒの増幅率Ｇを第１の値Ｇ１と、これよりも大きな第２の値Ｇ２との間で切り換えることができるように構成されている。増幅率Ｇの大きさは、禁止期間設定部１３１ｃのフリップフロップｃ１０２から出力される受信制御信号Ｓｇにより切り換えられ、受信制御信号ＳｇがＬｏレベルであるときに第１の値Ｇ１に、Ｈｉレベルであるときに第２の値Ｇ２に設定される。可変増幅器ｄ３０１を介した受信波形Ｗｒは、第２の値Ｇ２による場合に、単安定マルチバイブレータｄ３０２による検知が可能なほどに増幅される一方、第１の値Ｇ１による場合に、単安定マルチバイブレータｄ３０２により確実に検知されないほどに減衰する。このように増幅率Ｇの切換えにより禁止期間におけるゼロクロス点の特定を不能とすることで、ゼロクロス点の特定を禁止するのと同じ効果が得られる。

図１４は、更に別の受信検知部１３１ｄの構成を示している。この受信検知部１３１ｄでは、トランスデューサの受信信号Ｗｒが常にコンパレータｄ４０１に入力される状態にあり、コンパレータｄ４０１は、単安定マルチバイブレータｄ４０２に対し、受信波形Ｗｒのゼロレベルを基準とした矩形信号Ｓｂを出力する。単安定マルチバイブレータｄ４０２は、矩形信号Ｓｂの立ち上がりを迎えるたびに計時停止信号ｓｔｏｐを発生させ、経過時間測定部１３１ｅに出力する。ここで、禁止期間設定部１３１ｃのフリップフロップｃ１０２は、トランスデューサの駆動信号及び禁止期間の長さｔｇに応じた計時制御信号Ｔｅを発生させ、経過時間測定部１３１ｅに出力する。計時制御信号Ｔｅは、受信制御信号Ｓｇと同様に、禁止期間でＬｏレベルに、その経過後はＨｉレベルに設定される。経過時間測定部１３１ｅは、計時停止信号ｓｔｏｐの入力によりタイマーを停止させ、経過時間ｔｄを出力するが、禁止期間では、Ｌｏレベルの計時制御信号Ｔｅによりタイマーの停止が禁止される。このため、経過時間測定部１３１ｅは、計時制御信号がＨｉレベルに切り換えられた後にタイマーを停止させ、経過時間ｔｄを出力する。

次に、検知遅れ時間記憶部１３１ｇについて説明する。
検知遅れ時間記憶部１３１ｇは、校正時に算出した検知遅れ時間ｔｒを記憶する（Ｓ１０６，１０７）。記憶されている検知遅れ時間ｔｒは、計測時において、伝搬時間算出部１３１ｆに読み込まれる。
なお、校正時において、測定管１１に校正流体を充填するだけとし、流量Ｖｇをゼロとすれば、校正流体の流量Ｖｇを検出するための特別なセンサが不要となるため、コストを削減することができる。

また、校正時に順方向及び逆方向のそれぞれについて経過時間ｔｄを測定し、測定した経過時間ｔｄ１，ｔｄ２の平均値を採用することとすれば、この平均値を流量Ｖｇがゼロのときの経過時間とみなし、流量Ｖｇの項を消去することができる。すなわち、この場合は、校正流体の流量Ｖｇを検出せずに、次式（９）により検知遅れ時間ｔｒを算出することができる。

ｔｒ＝｛（ｔｄ１＋ｔｄ２）／２｝−（Ｌｍ／Ｃｇ） ・・・（９）
校正流体の音速Ｃｇは、温度に対する依存性があり、加湿されたものでは、圧力（すなわち、湿度）に対する依存性が大きい。このため、校正流体の温度及び圧力を検出し、（８）式に対し、検出した温度Ｔと、圧力による補正後のモル質量Ｍとを代入することで、正確な校正用伝搬時間、延いては検知遅れ時間ｔｒを算出することができる。

音速Ｃｇが異なる複数の被験流体を対象とし、それらを交互に流通させて計測を行う場合は、次のようにして校正を簡略化することができる。
まず、（６）式を変形した次式（１０）により校正流体及び被験流体の各音速Ｃｇｃ，Ｃｇｍを算出する。
Ｃｇ＝√｛γ×Ｒ×Ｔ／（２２．４×ρ）｝ ・・・（１０）
次に、校正流体の音速Ｃｇｃに応じた校正用伝搬時間を次式（１１）、（１２）により算出する。

ｔ１ｃ＝Ｌｍ／（Ｃｇｃ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ） ・・・（１１）
ｔ２ｃ＝Ｌｍ／（Ｃｇｃ−Ｖｇ×ｃｏｓθ） ・・・（１２）
以上のようにして算出した音速Ｃｇｃ，Ｃｇｍ及び伝搬時間ｔ１ｃ，ｔ２ｃをもとに、次式（１３）、（１４）により検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２を算出する。なお、記号ｔｄは、計測時において、被験流体毎に得られる経過時間である。

ｔｒ１＝ｔｄ１−ｔ１ｃ×Ｃｇｃ／Ｃｇｍ ・・・（１３）
ｔｒ２＝ｔｄ２−ｔ２ｃ×Ｃｇｃ／Ｃｇｍ ・・・（１４）
このようにすれば、校正により得られた音速Ｃｇｃ及び校正用伝搬時間ｔ１ｃ，ｔ２ｃを記憶しておくことで、被験流体を切り換えたときは、（１３）、（１４）式に音速Ｃｇｍを代入するだけで、簡単に検知遅れ時間ｔｒを算出することができる。また、水素ガスを被験流体とする場合は、工場等において、取扱いが容易な窒素ガスを用いて校正を済ませておき、計測プラントでは、水素ガスの音速Ｃｇｍが必要となるだけで、流通ガスの切換えを伴う校正自体は不要となり、方向切換弁３等も不要となることから、校正を簡素化し、計測装置１の安全性を向上させることができる。なお、音速Ｃｇは、演算によるばかりでなく、別に測定して得ることもできる。

ところで、検知遅れ時間ｔｒは、既述の通り、ゼロクロス点までの経過時間ｔｄから伝搬時間ｔを減じた時間に相当する（図４）。言い換えると、検知遅れ時間ｔｒは、受信用のトランスデューサに先頭波Ｓ１が到達してから検知対象波（ここでは、Ｓ６）が到達するまでの時間であり、ゼロクロス点を受信波形Ｗｒの立ち上がり時に特定する場合は、超音波の周期Ｔｐの整数倍に相当する。他方、ゼロクロス点を受信波形Ｗｒの立ち下がり時に特定する場合は、超音波の半周期（＝Ｔｐ／２）の整数倍に相当する。先頭波Ｓの到達から検知対象波Ｓ６の到達までの周期数が判明している場合は、この関係をもとに、検知遅れ時間ｔｒを予め設定することができる。図４の例では、この周期数が５であるから、超音波の周波数を４０ｋＨｚとすると、検知遅れ時間ｔｒは、１２５μｓ（＝Ｔｐ×５＝２５μｓ×５）となる。

ｔｒ＝ｎ×Ｔｐ ・・・（１５ａ）
ｔｒ＝ｎ×（１／２）×Ｔｐ ・・・（１５ｂ）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図１５は、本実施形態に係る計測装置のうち、コントロールユニット１３の構成を示している。同図において、先の実施形態のものと同様に動作するブロックには、図３におけると同じ符号を付している。なお、測定管１１、トランスデューサ１２ａ，１２ｂ等、コントロールユニット１３以外の要素は、先の実施形態のものと同様である。

コントロールユニット１３は、受信時点補正部１３１ｉを更に含んで構成される。受信時点補正部１３１ｉは、経過時間ｔｄの変化に後述する折り返し（以下、単に「折り返し」という。）が生じたことで、１周期以上の誤差を含んでゼロクロス点を特定した場合に、この誤差を補償する。受信時点補正部１３１ｉは、経過時間測定部１３１ｅから経過時間ｔｄを入力するとともに、禁止期間設定部１３１ｃから禁止期間の長さｔｇを入力し、これらの情報をもとに、折り返しが生じたことを検出し、折り返しが発生したときは、その方向に応じた周期補正量ｔｃを算出し、伝搬時間算出部１３１ｆに出力する。伝搬時間算出部１３１ｆは、経過時間ｔｄ、検知遅れ時間ｔｒ及び入力したｔｃをもとに、次式（１６）により伝搬時間ｔを算出する。

ｔ＝ｔｄ−（ｔｒ−ｔｃ） ・・・（１６）
ここで、経過時間ｔｄの変化に生じる折り返しについて、図１６に示すタイムチャートにより説明する。同図において、受信波形Ｗｒは、順方向に超音波を発射した場合のものを示している。
受信波形Ｗｒのうち、４周期目の波Ｓ４を対象とし、その減少方向のゼロクロス点Ｆを特定する場合を考える。まず、１回目の計測において、受信制御信号Ｓｇが４周期目の波Ｓ４に対応する点ＨでＨｉレベルに切り換えられ、ゼロクロス点Ｆの特定が許可されている。矩形波形Ｓｂは、許可が下りるとともにＨｉレベルに遷移し、その後のゼロクロス点ＦでＬｏレベルに遷移している。このため、矩形波形Ｓｂのうち、最初の立ち下がり点Ｉを検出することで、正しいゼロクロス点Ｆを特定することができる。次の計測では、流量Ｑが増大し、受信波形Ｗｒの位相が点線で示すように早まっているとする。流量Ｑが増大する場合は、その変化量に応じて経過時間ｔｄが短くなるのが通常である。ところが、流量Ｑの変化が急激であり、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる点Ｈが本体のゼロクロス点Ｆ'よりも遅くなったとすると、４周期目の波Ｓ４に対応する点Ｈでゼロクロス点の特定が許可されるものの、矩形波形Ｓｂの最初の立ち下がり点Ｊは、次の５周期目の波Ｓ５に対応することとなるため、測定された経過時間ｔｄ'に１周期分の誤差が含まれることになる。このように経過時間ｔｄが本来の方向とは逆に変化することを、折り返しという。

図１７は、受信時点補正部１３１ｉの構成を示している。減算器ｉ１０１は、経過時間ｔｄ及び禁止期間の長さｔｇを入力し、これらの差ｔｍ（＝ｔｄ−ｔｇ）を算出する。この差ｔｍは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられてからゼロクロス点が特定されるまでの時間である（図１６）。差ｔｍは、シフトレジスタｉ１０２に記憶される。減算部ｉ１０３は、差ｔｍと、シフトレジスタｉ１０２に記憶されている、前回の計測で算出された差ｔｍ_n-1とを入力し、これらの差Ｄｔｍ（＝ｔｍ−ｔｍ_n-1）を算出する。なお、シフトレジスタｉ１０２に、前回までに算出された所定の数ｎの差ｔｍを記憶させておき、減算部ｉ１０３に対し、それらの平均値（＝Σｔｍ／ｎ）又は最頻値が出力されるようにしてもよい。除算器ｉ１０４は、差Ｄｔｍを超音波の周期ｔｐで除算し、差Ｄｔｍを、周期ｔｐを基準とした差ｔｍの変化率Ｘに変換する。比較器ｉ１０５は、変化率Ｘが所定の値ＳＲよりも大きいか否かを判定し、大きいときは、１を出力して折り返しが生じたことを示し、小さいときは、０を出力する。所定の値ＳＲは、流量Ｑの変化の速さと、計測の実行間隔とから決定される。受信波形Ｗｒに１周期分のズレを与える流量Ｑの変化が１秒をかけて行われ、計測の実行間隔が０．１秒である場合は、流量Ｑの変化が時間に対して直線的に変化するとすれば、差ｔｍ（すなわち、経過時間ｔｄ）は０．１（＝１×０．１）の割合で変化することになり、この０．１を超える変化率Ｘが算出されたときは、折り返しが生じたものと判断することができる。また、所定の値ＳＲは、ノイズによる変動分を考慮し、想定される最大変化率よりも若干大きな値に設定するとよい。折り返しの検出と並行して、符号判定器ｉ１０６は、差Ｄｔｍをその絶対値で除算し、経過時間ｔｄの変化の方向を判定する。符号判定器ｉ１０６は、経過時間ｔｄが短くなる場合に“−”を、経過時間が長くなる場合に“＋”を出力する。乗算器ｉ１０７は、比較器ｉ１０５の出力に符号判定器ｉ１０６の出力を乗算し、折り返しに対する補正の要否を判定する。すなわち、乗算器ｉ１０７の出力が０のときは、補正が不要であることを示し、−１又は１であるときは、補正が必要であることを示す。なお、−１又は１の符号は、補正の方向を示す。加算器ｉ１０８は、乗算器ｉ１０７の出力に前回の計測で使用した周期補正量Ｎ_n-1を加算し、今回の周期補正量Ｎを算出する。周期補正量Ｎは、シフトレジスタｉ１０９に記憶され、次回の計測において、加算部ｉ１０８に読み込まれる。前回の周期補正量Ｎ_n-1を加算することで、折り返しが複数回生じた場合に対応することができる。乗算器ｉ１１０は、周期補正量Ｎに周期ｔｐを乗算し、時間を単位とする周期補正量ｔｃを算出する。周期補正量ｔｃは、伝搬時間算出部１３１ｆに出力される。

本実施形態に関し、変化率Ｘは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられたときを基準時点とした場合の「第２の変動率」に相当する。
図１８は、他の受信時点補正部１３１ｉの構成を示している。減算器ｉ２０１は、経過時間ｔｄ及び禁止期間の長さｔｇを入力し、これらの差ｔｍ（＝ｔｄ−ｔｇ）を算出する。

ここで、差ｔｍについて、図１９により説明する。
図１９は、本来のゼロクロス点Ｆの時刻ｔｓに対する差ｔｍの変化を示すタイムチャートである。差ｔｍは、時刻ｔｓに応じ、０から超音波の周期ｔｐの間で変化する。既述の通り、流量Ｑの増大等により受信波形Ｗｒの位相が早まり、本来のゼロクロス点Ｆの時刻ｔｓが早まると、経過時間ｔｄと禁止期間の長さｔｇとの差ｔｍは、時刻ｔｓの変化に比例して小さくなる。時刻ｔｓが大きく変化し、ゼロクロス点Ｆが点Ｈよりも前の時点となると、波ｓ４を対象としてゼロクロス点Ｆ'を特定することができなくなり、次の波ｓ５のゼロクロス点Ｇが特定されることになる（図１６）。このため、差ｔｍは、点Ｈの時刻ｔｇで０からｔｐに切り換わり、時刻ｔｐの減少に応じて更に変化することとなるため、結果として、時刻ｔｓに対して鋸歯状の波形を描くこととなる。ここで、本来のゼロクロス点が点Ｆから点Ｆ'に遷移した場合を考えると、ゼロクロス点Ｆの変化とともに差ｔｍがｔｍ１からｔｍ２に変化することとなるが（図１６）、その変化の過程で、時刻ｔｇにおいて、差ｔｍがｔｐに切り換わり、経過時間ｔｄが本来の方向とは逆に変化する折り返しが生じることになる（図１９）。以下、本来のゼロクロス点が点Ｆから点Ｆ'に遷移した場合を例に説明する。

図１８に戻り、区間判定器ｉ２０２は、差ｔｍが０〜ｔｐの範囲のいずれの区間に属するかを判別する。例えば、０〜ｔｐの範囲を３つの区間に等分し、差ｔｍが区間１〜３のいずれに属するかを判別する。今回の計測で本来のゼロクロス点が点Ｆ'にあるとすると、差ｔｍ（＝ｔｍ２）が属する区間Ｋは、３となる。判別された区間Ｋ（＝１〜３）は、シフトレジスタｉ２０３に記憶される。シフトレジスタｉ２０３は、前回に判別された区間Ｋ_n-1又は前回までに判別された少なくとも１つの区間を記憶している。減算器ｉ２０４は、区間Ｋを入力するとともに、シフトレジスタｉ２０３から前回に判別された区間Ｋ_n-1を入力し、これらの差（＝Ｋ−Ｋ_n-1）を算出する。なお、前回の計測で本来のゼロクロス点は点Ｆにあるから、差ｔｍはｔｍ１であり、区間Ｋ_n-1は１である。減算器ｉ２０４に対し、シフトレジスタｉ２０３から記憶されている区間Ｋの平均値（＝ΣＫ／ｎ）又は最頻値が出力されるようにしてもよい。等号比較器ｉ２０５は、区間差が２であるか否かを判定する。２であるときは、折り返しが生じたとして１を出力し、２でないときは、折り返しは生じていないとして０を出力する。なお、区間の分割数や幅は、特に限定されるものではなく、流量Ｑの変化の速さや計測の実行間隔等に応じ、適宜に設定することができる。分割数として３以外のものを採用した場合の判定値は、「分割数-１」である。折り返しの有無を判定するのと並行して、符号判定器ｉ２０５は、折り返しの方向を判定する。すなわち、符号判定器ｉ２０５は、区間差と０とを比較し、区間差が０よりも大きいとき（経過時間ｔｄが増大する折り返しが生じたとき）に１を、区間差が０以下であるときに−１を出力する。乗算器ｉ２０７は、等号比較器ｉ２０５の出力と、符号判定器ｉ２０６の出力とを乗算し、周期補正量の加算値Ｎを算出する。加算値Ｎが０であるときは、折り返しに対する補正が不要であり、加算値Ｎが−１又は１であるときは、この補正が必要であることを示す。加算器ｉ２０８は、加算値Ｎに前回の計測で使用した周期補正量Ｎ_n-1を加算し、今回の周期補正量Ｎを算出する（図１９）。周期補正量Ｎは、シフトレジスタｉ２０９に記憶され、次回の計測で加算部ｉ２０８に読み込まれる。乗算器ｉ２１０は、周期補正量Ｎに周期ｔｐを乗算し、時間を単位とする周期補正量ｔｃを算出する。周期補正量ｔｃは、伝搬時間算出部１３１ｆに出力される。

本実施形態に関し、区間差（＝Ｋ−Ｋ_n-1）は、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられたときを基準時点とした場合の「第２の変動率」に相当する。
図２０は、更に別の受信時点補正部１３１ｉの構成を示している。この受信時点補正部１３１ｉは、以上で述べた受信時点補正部Ａに対し、ブロックｉ３０１〜ｉ３０５を付加したものである。減算器ｉ３０１は、校正時に得られた経過時間ｔｄｃと、計測開始時に得られる経過時間ｔｄｍとを入力し、これらの差Ｄｔｄ（＝ｔｄｍ−ｔｄｃ）を算出する。除算器ｉ３０２は、差Ｄｔｄを入力し、超音波の周期ｔｐで除算する。整数変換器ｉ３０３は、その商（＝Ｄｔｄ／ｔｐ）を入力し、１未満の位を切り捨てた整数値に変換する。乗算器ｉ３０４は、この整数値に周期ｔｐを乗算し、時間を単位とする初期補正量ｔｃ０を算出する。加算器ｉ３０５は、ブロックＡから出力された周期補正量ｔｃに初期補正量ｔｃ０を加算し、これを最終的な周期補正量として伝搬時間算出部１３１ｆに出力する。この受信時点補正部１３１ｉにすれば、ブロックＡにより経過時間の折り返しが補償されることに加え、校正ガスと被験ガスとで音速が大きく異なり、校正により設定された検知遅れ時間ｔｃに超音波の１周期を超える誤差が含まれるとしても、これを補償し、計測当初から伝搬時間ｔを正確に測定することができる。なお、初期補正量ｔｃ０の符号は、校正ガスの音速に比べ、被験ガスの音速が大きいときは“−”であり、小さいときは“＋”である。

本実施形態に関し、商（＝Ｄｔｄ／ｔｐ）は、校正時に特定された受信時点に対する「第１の変動率」に相当する。
図２１は、計測装置１を設置した燃料電池システムの構成を示している。
燃料電池６は、アノード側で燃料ガス供給管７ａ及び燃料ガス排出管７ｂと接続される一方、カソード側で酸化ガス供給管８ａ及び酸化ガス排出管８ｂと接続されている。燃料電池６には、燃料ガス供給管７ａを介して水素ガスが供給され、酸化ガス供給管８ａを介して空気が供給される。燃料ガス供給管７ａと燃料ガス排出管７ｂとは、燃料ガス戻し管７ｃにより接続されており、アノードからの排出ガスの一部が燃料ガス供給管７ａに戻されるように構成されている。戻される排出ガスの流量は、分岐部７ｄの下流に設置された流量制御弁９により調節される。流量制御弁９は、燃料電池６のコントロールユニット（以下「燃料電池Ｃ／Ｕ」という。）１０１により開度が制御される。分岐部７ｄの上流には、計測装置１が介装されており、計測装置１のコントロールユニット（以下「計測装置Ｃ／Ｕ」という。）１３は、計測した排出ガスの流量Ｑ及び密度ρを燃料電池Ｃ／Ｕ１０１に出力する。燃料電池Ｃ／Ｕ１０１は、入力した流量Ｑ、密度ρ及び他の情報をもとに、流量制御弁９の開度を演算する。燃料ガス排出管７ｂには、計測装置１のほか、燃料ガス排出管７ｂ内の圧力を検出する圧力センサ１０５、排出ガスの湿度を検出する湿度センサ１０６、及び排出ガスの温度を検出する温度センサ１０７が設置されており、これらの検出信号は、計測装置Ｃ／Ｕ１３に出力される。計測装置Ｃ／Ｕは、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの受信信号Ｗｒ及び入力した圧力等をもとに、排出ガスの流量Ｑ及び密度ρを演算する。なお、燃料電池Ｃ／Ｕ１０１には、システム起動用のスイッチ１０２が設けられ、計測装置Ｃ／Ｕ１３には、計測装置１のスイッチ１３５が設けられている。後者のスイッチ１３５は、計測装置Ｃ／Ｕ１３からの指令信号により作動する。

図２２は、計測装置Ｃ／Ｕ１３の動作を示すフローチャートである。
システム起動用のスイッチ１０２にオンされと、これに連動してスイッチ１３５がオンされ、このルーチンが開始される。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。このシステムでは、停止時において、燃料ガス供給管７ａ及び燃料ガス排出管７ｂに窒素ガスが充填される。スイッチ１０２がオンされると、このルーチンにより校正が行われ、検知遅れ時間ｔｒが更新される。更新が終了すると、燃料ガス供給管７ａに水素ガスが供給されて、管内のガスが水素ガスに切り換えられ、燃料電池６の運転が開始される。燃料電池６の運転時において、計測装置１は、排出ガスの流量Ｑ等を計測する。なお、スイッチ１０２を操作盤に設け、校正と計測との切換えを手動で行うようにしてもよい。

Ｓ１０１〜１０４では、図５に示すフローチャートにおけると同様に超音波の伝搬方向を切り換え（Ｓ１０１）、送信用のトランスデューサから超音波を発射し（Ｓ１０２）、ゼロクロス点の特定が許可されたか否かを判定し（Ｓ１０３）、これが許可されたときにゼロクロス点Ｃ'を特定して、経過時間ｔｄを測定する（Ｓ１０４）。
Ｓ３０１では、校正が終了しているか否かを判定する。スイッチ１３５がオンされた直後であり、校正が終了していないときは、Ｓ１０６へ進み、図５に示すフローチャートにおけると同様に校正用伝搬時間を算出し（Ｓ１０６）、検知遅れ期間ｔｒを算出し、更新する（Ｓ１０７）。校正が終了し、燃料電池６の運転が開始されているときは、Ｓ１０８ヘ進み、伝搬時間ｔを測定し（Ｓ１０８）、流量Ｑ等を演算する（Ｓ１０９）。

このようにすれば、システムを起動するたびに受信遅れ時間ｔｒの校正を行うことができるため、トランスデューサ１２ａ，１２ｂや計測装置Ｆ／Ｃ１３等の回路系に経時変化が生じたとしても、これを補償し、精度を維持することができる。
なお、システムを起動する際に、校正の終了を待たずに水素ガスの供給を開始し、水素ガスにより校正を行うこととしてもよい。この場合は、校正時に加湿を行わず、乾燥した純粋な水素ガスを燃料ガス排出管７ｂに充填又は流通させることで、校正ガスの音速Ｃｇｃを正確に算出することができる。このようにすれば、校正が終了した後、燃料電池６の運転を開始させる際に、管内が水素ガスに既に切り換えられている状態にあるため、燃料電池６からの出力を早期に得ることができる。

また、計測装置Ｃ／Ｕ１３には、次のように故障診断機能を付加することもできる。
図２３は、故障診断機能を備える計測装置Ｃ／Ｕ１３の動作を示すフローチャートである。このルーチンは、システム起動用のスイッチ１３５がオンされることにより開始され、所定の時間毎に実行される。このルーチンでは、故障診断機能によりアノード側の配管（測定管１１、燃料ガス供給管７ａ及び燃料ガス排出管７ｂを含む。）に生じた漏れを検知し、運転者にその認識を促す。

Ｓ１０１〜１０４では、図５に示すフローチャートにおけると同様の処理を行い、経過時間ｔｄを測定する。
Ｓ４０１では、システムの運転状態を判定する。起動時はＳ１０６へ、運転時はＳ１０８へ、停止時はＳ４０２へ進む。
停止時において、Ｓ４０２では、加湿を停止するとともに、校正時と同じ水素ガスの流量が得られる状態に設定し、管内の流れが定常化するまで待機する。定常化したときは、Ｓ４０３へ進む。定常化したか否かは、流量Ｑ又は密度ρを算出するとともに、その演算周期毎の変化量と所定の値とを比較することで、判定することができる。また、燃料ガス排出管７ｂ内の温度、圧力又は湿度の経時変化を監視したり、スイッチ１３５がオフされてからの時間を監視することで、簡易に判定することもできる。

Ｓ４０３では、伝搬時間ｔを測定し、これを停止時伝搬時間として記憶する。その後、スイッチ１３５がオフされ、計測装置１が電源から遮断される。
起動時において、Ｓ１０６，１０７では、図５に示すフローチャートを同様の処理を行い、校正用伝搬時間及び検知遅れ時間ｔｒを算出し、これを記憶する。
Ｓ４０４では、停止時伝搬時間と校正用伝搬時間との間に所定の値以上の差があるか否かを判定する。差があるときは、Ｓ４０５に進み、差がないときは、このルーチンをそのまま終了する。

Ｓ４０５では、漏れの発生を検知したとして、警報を作動させる。
以上に述べたように、本発明によれば、超音波が発射された後、禁止期間が経過するまではゼロクロス点の特定を禁止し、その後にゼロクロス点を特定するようにしたので、ノイズ等の影響で、本来のゼロクロス点よりも前に誤ったゼロクロス点が特定されるのを防止することができる。

また、このようにゼロクロス点の特定に対するノイズの影響を排除することができるので、ゼロクロス点の特定に関する所定のレベルＶｔｈの大きさを適正なものとし、かつこのレベルＶｔｈとの比較において、ある程度大きな振幅を持つ超音波成分を採用することが可能となるので、良好なＳＮ比によりゼロクロス点を正確、かつ確実に特定することができる。

本発明の一実施形態に係る計測装置の構成 計測装置の作動原理 コントロールユニットの構成 計測装置の動作 計測ルーチンのフローチャート 禁止期間の第１の設定例 禁止期間の第２の設定例 禁止期間の第３の設定例 禁止期間を可変に設定する場合の禁止期間設定部の構成 同上禁止期間設定部を備える場合の計測ルーチンのフローチャート 受信検知部の第１の構成例 受信検知部の第２の構成例 受信検知部の第３の構成例 受信検知部の第４の構成例 周期補正機能を備えるコントロールユニットの構成 経過時間に折り返しが生じた場合の計測装置の動作 受信時点補正部の第１の構成例 受信時点補正部の第２の構成例 同上受信時点補正部の動作 受信時点補正部の第３の構成例 計測装置を備える燃料電池システムの構成 燃料電池システムに適用した場合の計測ルーチンのフローチャート 故障診断機能を備える場合の計測ルーチンのフローチャート

符号の説明

１…超音波流体計測装置、１１…測定管、１２ａ，１２ｂ…トランスデューサ、１３…計測装置Ｃ／Ｕ、１３１…伝搬時間算出部、１３２…流量演算部、３…方向切換弁、５…校正ガスタンク、６…燃料電池、７ａ…燃料ガス供給管、７ｂ…燃料ガス排出管、７ｃ…燃料ガス戻し管、８ａ…酸化ガス供給管、８ｂ…酸化ガス排出管、９…流量制御弁、１０１…燃料電池Ｃ／Ｕ、１０５…圧力センサ、１０６…湿度センサ、１０７…温度センサ。

Claims (25)

1. 被験流体を流通させる測定管と、
   測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
   超音波伝搬線上に、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、
   第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサの出力が所定のレベルに達する時点を受信時点として特定する受信時点特定手段と、
   特定された受信時点をもとに、第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波の、受信側のトランスデューサまでの各伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、
   測定された各伝搬時間をもとに、被験流体に関する所定の演算を行う演算手段と、
   第１又は第２のトランスデューサから超音波が発射された後、所定の時間が経過するまでの禁止期間において、受信時点特定手段による受信時点の特定を禁止する受信時点特定禁止手段と、を含んで構成される超音波流体計測装置。
2. 伝搬時間測定手段は、超音波の送信時点から特定された受信時点までの経過時間から、所定の検知遅れ時間を減算して、各伝搬時間を測定する請求項１に記載の超音波流体計測装置。
3. 検知遅れ時間は、トランスデューサの出力波形の１周期又は半周期の整数倍の長さである請求項２に記載の超音波流体計測装置。
4. 測定管に対し、被験流体に代えて音速が既知である校正流体を流通又は充填可能に構成され、
   伝搬時間測定手段は、測定管に校正流体が流通し又は充填されているときに特定される受信時点及び送信時点の間の時間と、校正流体の音速をもとに得られる校正用伝搬時間との差を算出する手段と、算出した差を検知遅れ時間として記憶する手段と、を含んで構成される請求項２に記載の超音波流体計測装置。
5. 伝搬時間測定手段は、校正流体と被験流体との音速の比を算出する手段と、校正流体の音速に応じた伝搬時間に算出した比を乗算して、校正用伝搬時間を算出する手段と、を更に含んで構成される請求項４に記載の超音波流体計測装置。
6. 伝搬時間測定手段は、校正流体の温度を検出する手段と、検出した温度をもとに、校正流体の音速を補正する手段と、を更に含んで構成される請求項４又は５に記載の超音波流体計測装置。
7. 伝搬時間測定手段は、校正流体の湿度を検出する手段と、検出した湿度をもとに、校正流体の音速を補正する手段と、を含んで構成される請求項４〜６のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
8. 計測開始時に特定された受信時点の、校正時に特定された受信時点に対する第１の変動率を算出するとともに、算出した第１の変動率が所定の値以上であるときに、算出した変動率に応じた検知遅れ時間の補正を行う手段を更に含んで構成される請求項４〜７のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
9. 被験流体の所定の流量を得るための条件のもと、測定管内の流れが定常状態にあることを判定する手段と、
   測定管内の流れが定常状態にあると判定されたときに伝搬時間測定手段により測定された伝搬時間と、校正用伝搬時間とをもとに、測定管からの流体の漏れを検出する手段と、を更に含んで構成される請求項４〜８のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
10. 禁止期間を定める所定の時間は、トランスデューサの出力波形における振幅の周期毎の変化量が所定の値以下となるまでの時間である請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
11. 禁止期間を定める所定の時間は、トランスデューサの出力波形における振幅の周期毎の変化量が、超音波の到達前に重畳したノイズの振幅よりも大きくなるまでの時間である請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
12. 禁止期間は、トランスデューサの出力波形に対し、超音波伝搬線上を伝搬した超音波以外の超音波が干渉するものとして予め設定した所定の時間帯を外した期間である請求項１〜１１のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
13. 前記所定の時間として、第１の時間と、これよりも長い第２の時間とが設定され、
    受信時点特定禁止手段に対し、第１及び第２の時間の間で前記所定の時間を切り換えて設定する手段を更に含んで構成される請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
14. 前記設定手段は、この装置の操作者が前記所定の時間を手動で切り換えるための手段を含んで構成される請求項１３に記載の超音波流体計測装置。
15. 超音波の送信時点から特定された受信時点までの経過時間を計測毎に測定するとともに、今回の計測に際し、前記所定の時間として、前回の計測で測定した経過時間から所定の余裕時間を減算した時間を設定する手段を更に含んで構成される請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
16. 前記経過時間は、第１及び第２のトランスデューサから発射された各超音波について測定された経過時間を平均したものである請求項１５に記載の超音波流体計測装置。
17. 前記所定の時間は、超音波の送信時点から、最大流量時に受信時点特定手段により特定される、順方向に発射された超音波の受信時点よりも所定の時間前の時点までの時間である請求項１〜１６のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
18. 受信時点特定禁止手段は、禁止期間において、受信時点特定手段へのトランスデューサ出力の入力を遮断する請求項１〜１７のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
19. 受信時点特定禁止手段は、禁止期間にトランスデューサ出力が所定のレベルに達した場合に、その時点を受信時点とする特定を禁止する請求項１〜１７のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
20. トランスデューサ出力の増幅率として、第１の増幅率と、これよりも大きい第２の増幅率とが設定され、
    受信時点特定禁止手段は、前記所定の時間が経過する前後で前記増幅率を切り換え、経過前に第１の増幅率を、経過後に第２の増幅率を設定する請求項１〜１７のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
21. 受信時点特定手段は、トランスデューサ出力を前記所定のレベルを基準として２値化する手段を含んで構成され、２値化した結果をもとに、受信時点を特定する請求項１〜２０のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
22. 特定された受信時点の予め設定された基準時点に対する第２の変動率を算出するとともに、算出した第２の変動率が所定の値以上であるときに、伝搬時間測定手段に対し、算出した変動率に応じた受信時点の補正を行う手段を更に含んで構成される請求項１〜２１のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
23. 前回の計測までに特定された少なくとも１つの受信時点の平均時点を算出し、算出した平均時点を前記基準時点に設定する手段を更に含んで構成される請求項２２に記載の超音波流体計測装置。
24. 演算手段は、測定された各伝搬時間をもとに、被験流体の流量又は濃度を算出する請求項１〜２３のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
25. 被験流体は、燃料電池のアノード配管を流れる燃料ガスである請求項１〜２４のいずれかに記載の超音波流体計測装置。

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