JP2005315801A - 超音波式流体計測方法及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定流体の密度変化等においても、正確かつ確実な受信検知時刻の折り返しを検出して、被測定流体の濃度（密度）または流量（流速）の計測に用いる伝播時間を精度良く測定する。
【解決手段】 校正流体での測定を基準とした信号処理上の伝播時間の補正量である第１補正量Ｎを算出する一方、受信波形の特徴量を検出し（ステップ１１１ａ）、この検出結果から、予め求めておいた流体濃度推定マップを参照して被測定流体の濃度を推定し（ステップ１１１ｂ）、この濃度の推定値から、予め求めておいた伝播時間推定補正量算出マップを参照して被測定流体の濃度の推定値に基づく伝播時間の推定補正量を求めることで第２補正量Ｎｅを算出し、第１補正量Ｎと前記第２補正量Ｎｅとに差異がある（Ｎ≠Ｎｅ）時に、第２補正量Ｎｅを選択する（Ｓ１１１ｅ〜１１１ｇ）。
【選択図】 図７

Description

本発明は、被測定流体における超音波の伝播時間を測定することで、被測定流体の流量又は濃度を計測する超音波式の流体計測方法及び計測装置に関する。

従来、特許文献１または特許文献２に開示されているように、超音波の伝播時間を検出して被測定流体の流量（流速）や濃度（密度）を計測することが知られている。以下、図１１及び図１２を参照して説明する。
図１１は従来の超音波伝播時間計測の説明図であり、横軸は経過時間ｔを示し、縦軸は送信駆動波Ｗｔ、流れ順方向の受信波Ｗｒ１、流れ逆方向の受信波Ｗｒ２を示している。なお、図中ｔ１，ｔ２は超音波送受波器２ａ，２ｂ間の伝播時間、ｔｒ１，ｔｒ２は超音波受信波の先頭波の到達時刻から受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの受信検知遅れ時間、Ｖｔｈは受信判定しきい値、Ｖｐは受信信号の最大振幅電圧を示している。

一対の超音波送受波器２ａ，２ｂは、被測定流体が流れる空間を挟んで音響的に対向する位置関係に所定の距離Ｌｍを隔てて設けており、この一方の超音波送受波器２ａから超音波を送信して、被測定流体中で伝播した超音波が他方の超音波送受波器２ｂによって受信する（図１参照）。
そして、超音波送受波器２ａ，２ｂ間の超音波伝播時間ｔ１，ｔ２を流れの順方向と逆方向とでそれぞれ求め、この超音波伝播時間ｔ１，ｔ２に基づいて、被測定流体の流量あるいは濃度を算出する。この超音波伝播時間ｔ１，ｔ２の測定では、いかに正確かつ精密に受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａを検知するかが重要となる。

受信検知時刻の検出方法としては、図１１に示す受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２の振幅値が、前回の受信波の最大振幅値Ｖｐ等を参照して定めた所定の受信判定しきい値Ｖｔｈを越えた時刻を検知し、その直後あるいは前後複数の受信波のゼロクロス時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａ（超音波送受波器２ａ，２ｂの出力電圧がゼロレベルを過ぎる時点）を検出する方法がある（特許文献１参照）。

また他の受信検知時刻の検出方法としては、図１１に示す受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２の、前回の振幅積分値を参照して定めた所定の受信判定しきい値Ｖｔｈを越えた時点で超音波の受信を検知し以降同様に受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａとする方法がある（特許文献２参照）。
これらの方法は、被測定流体の温度や圧力変化または超音波送受波器の劣化等で受信信号強度が相似的に変動する場合（図１１の受信波Ｗｒ１の破線）、受信振幅が変化しても時間的な位置関係が変化しないゼロクロス時点を検出することから有効な方法であった。
特開２００２−３２３３６１号公報 特開２００２−１２４７４５号公報

上述の方法では、いずれもゼロクロス時点を検出する前に、どの時刻のゼロクロスを検出するのかを決定するために受信信号の振幅情報を第１の検出判定情報（受信判定しきい値Ｖｔｈとの比較判定）としていた。
この方法では、図１２（ａ）に示すように、受信信号の振幅脈動が十分小さく、先頭波から数えて常に所定の周期目（図１２（ａ）では３周期目）にて受信判定しきい値Ｖｔｈを越える振幅が得られる場合は、先頭波の到達時刻から受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの受信検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２（図１１参照）を定数化できるために、この遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２を予め定義することで、送信時刻ｔ０から受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの時間計測値より、遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２をそれぞれ差し引いて純粋な超音波伝播時間ｔ１（＝ｔｄ１−ｔｒ１），ｔ２（＝ｔｄ２−ｔｒ２）を正確に算出することができる。

しかし、水素ガスのように音響減衰が大きい測定流体での計測を行う場合では、受信信号強度が著しく低下すると共に、周期毎の最大振幅の増加量ΔＶも低下し、図１２（ｂ）に示すように電磁的ノイズや、音響ノイズが重畳したことによる受信信号振幅の変動が、周期毎の最大振幅の増加量より大きくなると、例えば図１２（ｂ）の６周期目を基準とすると、ノイズの重畳次第により１つ前の５周期目または、１つ後の７周期目で受信検知するようになる。

このようにして得られる超音波伝播時間ｔ１，ｔ２は、受信信号１周期単位の大きな計測誤差を生じる。この誤差は、受信信号の振幅情報を検出判定情報とする従来技術の根本的な問題点である。
従って、特許文献１および特許文献２に記載されているような超音波伝播時間の計測方法では、特に燃料電池に使われる燃料極ガスのように水素と水蒸気との混合割合が急変するような流体であった場合には、伝播時間の計測誤差が高頻度に発生してしまうため、流量または濃度が正確に計測できないという問題があった。

ここで超音波の伝播時間ｔ１，ｔ２と、流量（流速）や濃度（密度）との関係について説明する。なお、ここで用いる記号は図１のものと同じとする。
超音波伝播時間測定回路３（図１参照）で検出される測定流体の流れ順方向（超音波送受波器２ａ→２ｂ）での伝播時間ｔ１と、逆方向（超音波送受波器２ｂ→２ａ）での伝播時間ｔ２とは次式の関係にある。

ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ１ ・・・式１
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ２ ・・・式２
ここで、式１、式２の右辺第１項ｔ１，ｔ２は超音波送受波器２ａ，２ｂ間の距離Ｌｍでの純粋な超音波伝播時間である。なお、Ｃｇは被測定流体の音速、Ｖｇは被測定流体の流速、θは被測定流体の流れ方向と超音波の伝播方向との成す角度である。

そして、流速算出の式では、送信時刻ｔ０から受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの時間ｔｄ１，ｔｄ２を算出し、この時間ｔｄ１，ｔｄ２から、超音波が到達した時刻から受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２を差し引くことで超音波送受波器２ａ，２ｂ間の距離Ｌｍでの純粋な超音波伝播時間ｔ１（＝ｔｄ１−ｔｒ１）、ｔ２（＝ｔｄ２−ｔｒ２）から流速Ｖｇを求める必要がある。

Ｖｇ＝[Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）]×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・式３
また流量Ｑｖは、次式に示すとおり、被測定流体の流れる測定管１の断面積Ａ、配管内の流速分布補正係数Ｋ、および式３で算出した被測定流体の流速Ｖｇを積算することにより算出する。

Ｑｖ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ ・・・式４
このように流速Ｖｇ、流量Ｑｖの算出においては、式３が示すように被測定流体の順方向および逆方向の伝播時間の差分をとっているため、空気など音速が遅い流体の場合や、遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２に対し、受信検知時間ｔｄ１，ｔｄ２が十分に大きい場合に限れば、実用上無視可能であるが、水素ガス等、音速が早い場合や、小型の流量計のように超音波伝播距離Ｌｍが短い場合には流速Ｖｇおよび流量Ｑｖの計測精度に及ぼす影響は無視できないことが理解できる。

また、被測定流体の密度（濃度）ρを求める場合には、まず次式の通りにして音速Ｃｇを算出する。
Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・式５
そして、次式により密度ρを算出する。

ρ＝γ×｛Ｒ×Ｔｇ／（２２．４×Ｃｇ²）｝ ・・・式６
ここで、γは比熱比、Ｒはガス定数、Ｔｇはガス温度（Ｋ）である。このように密度ρを求める式６では、音速Ｃｇの２乗の値Ｃｇ²を代入することから遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２の影響は更に大きくなる関係にある。
以上より、特に音速Ｃｇが早い流体（例えば、水素ガスなど気体の密度が小さい流体）が測定の対象である場合は、受信検知時刻の正確な検知が、流速および流量計測精度を確保するために大変重要な処理と言える。

本願出願人は、上記問題点に鑑みて、被測定流体の密度変化やノイズ重畳に伴う受信信号の振幅変化があっても、正確かつ確実な受信検知時刻を検出して、被測定流体の濃度（密度）および／または流量（流速）の計測に用いる伝播時間を精度良く測定する方法として、従来技術における受信判定しきい値Ｖｔｈの設定を省略する代わりに、超音波受信波の振幅が十分に大きくなる時刻以降に予め設定した超音波受信波の受信検知を行うようにした（特願２００３−４２２００３参照）。

これにより、ノイズの影響による誤作動に陥り易い振幅情報での検出判定機能あるいは受信感度制御機能が不要になると共に、同時にノイズの影響を受け難いシンプルかつロバストな受信検知が実現できる方法を提案した。
この超音波伝播時間計測方法では、ある計測開始時点からの受信検知時刻の変化が超音波周波数の１周期を越して変化する場合、受信検知時刻の折り返しが生じて計測範囲が制限されるが、この問題は、受信検知時刻の履歴情報を基に、伝播時間が超音波周波数の１周期相当の時間間隔で急変する時刻と、変化量の極性から折り返し方向を検出して、受信検知時刻の折り返し量を補正することで受信検知時間を補正する手段を備えることにより超音波周波数の１周期を超す流体条件にも適用できるようにした。

ところで、受信検知時間補正手段の応答性は、受信検知時刻の折り返しを漏れなく検出する必要があり、従って被測定流体の密度変化若しくは速度変化以上の応答性を持たせることが設計上求められる。
この場合、適用条件（流体速度）が固定的な用途では、その条件に応じて応答性を設計することができるが、将来を見越してあるいは、汎用性を確保するために必要以上に応答性を持たせることはコスト的にも実用的でない。そこで万が一、受信検知時刻の折り返しの検出漏れがあった場合に備え、応答性向上に依存しない、訂正手段が要望された。

本発明は、このような問題に着目してなされたもので、被測定流体の密度変化やノイズ重畳に伴う受信信号の振幅変化があっても、正確かつ確実な受信検知時刻の折り返しを検出して、被測定流体の濃度（密度）または流量（流速）の計測に用いる伝播時間を精度良く測定することを目的とする。

そのため本発明では、計測開始時の初期値を基準とする信号処理上の受信検知遅れ時間の補正量である第１補正量を算出する一方、受信波形の特徴量に基づいて受信検知遅れ時間の推定補正量を求めることで第２補正量を算出し、第１補正量と第２補正量との比較結果に差異がある時に、第２補正量を選択して、受信検知遅れ時間を補正する。

本発明によれば、第１補正量と第２補正量との比較結果に差異がある時に、第２補正量を選択して、受信検知遅れ時間を補正するため、流体計測の検出不良を低減して安定した計測を実現するという効果がある。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、超音波式流体計測装置の全体構成図である。なお、図中のＬｍは超音波送受波器（超音波振動子）２ａ，２ｂ間の距離、Ｃｇは被測定流体の音速、Ｖｇは被測定流体の流速、θは被測定流体の流れ方向と超音波の伝播方向との成す角度、Ｔｇは流体温度、Ｃｗは湿度である。

被測定流体が流れる測定管（空間）１を挟んで、一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを音響的に対向する位置関係に所定の距離を隔てて配設している。具体的には図示の通り、測定管１に設けられた超音波送受波器２ａ，２ｂが互いに向かい合うように斜めに配置されている。この一方の超音波送受波器２ａから超音波を送信して、被測定流体中で伝播した超音波を他方の超音波送受波器２ｂによって受信する（超音波透過型）。

そして、超音波伝播時間測定回路３により超音波送受波器２ａ，２ｂ間の超音波伝播時間ｔ１，ｔ２を、流れの順方向（２ａ→２ｂ）と逆方向（２ｂ→２ａ）とでそれぞれ求める。なお図示しないが、一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを被測定流体の流れ方向に所定の間隔を隔てて設け、一方の超音波送受波器２ａから送信した超音波を被測定流体中で伝播させ、測定管１に反射させて他方の超音波送受波器２ｂにより受信するようにしてもよい（超音波反射型）。

また測定管１には、被測定流体を供給するための配管６が接続されている。配管６の途中には、方向切換弁７が介装されており、測定管１は、この方向切換弁７により配管６と、他の配管８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８には、校正流体としての窒素ガスを充填したタンク９が接続されており、タンク９内の窒素ガスを測定管１に流通させることができる。

流体計測装置５は、超音波伝播時間測定回路３および流体／濃度演算回路４を含んで構正している。超音波伝播時間測定回路３は、一方の超音波送受波器２ａから他方の超音波送受波器２ｂに超音波を送信した場合の伝播時間ｔ１，ｔ２を測定する。流体／濃度演算回路４は、伝播時間ｔ１，ｔ２に基づいて被測定流体の流量または濃度を算出する。
図２は、本発明の超音波流体計測装置の構成図であり、特に超音波伝播時間測定回路３の構成を示す図である。図３は、超音波伝播時間ｔ１，ｔ２の計測の説明図であり、横軸は経過時間、縦軸は各信号であり、Ｗｔは送信波（送信駆動信号）、Ｗｒは受信波（受信信号）、Ｓｇは受信検知許可信号、Ｓｂは受信波パルス信号、Ｓｃは受信検知時刻までのパルス信号を示している。図３では、測定管１内に一定の状態でガス（窒素ガス、水素ガス、またはこれらの混合ガス）が流れている場合における超音波伝播時間ｔ１，ｔ２を示している。

なお、流量計においては、被測定流体の順方向および逆方向の２方向の伝播時間を計測するため、通常は時分割で処理するが、伝播時間計測の処理手順は全く同じであるため、ここでは時分割にかかるところの説明は省略する。
始めに送受信方向切替スイッチ３ｂによって、例えば一方の超音波送受波器２ａを送信側に選択した場合には、送信駆動部３ａの生成する送信駆動信号Ｗｔが超音波送受波器２ａに伝達され、電気−音響変換されて被測定流体中に超音波が送信される（図３（１），（２））。

そして、送信駆動部３ａは、送信駆動信号Ｗｔを生成すると同時に、受信検知開始制御部３ｃおよび受信検知時間計測部３ｅ（タイムカウンタ）に経過時間計測開始信号（ｓｔａｒｔ信号）を出力する（図３のｔ０時点）。
また、送受信方向切替スイッチ３ｂによって受信側に選択された他方の超音波送受波器２ｂでは、一方の超音波送受波器２ａから送信され被測定流体中を伝播した超音波を受信し、音響−電気変換された受信波Ｗｒが受信検知部３ｄへ入力される。

一方、無効時間設定部３ｈでは、超音波送受波器２ｂで受信された超音波の受信検知を無効とする時間（期間）を設定する。この時間は、送信時刻ｔ０から受信波の波形が十分に大きくなる時刻までの所定時間（一定時間）を設定する。受信検知無効時間設定部３ｈにて設定された無効時間が受信検知開始制御部３ｃへ入力される。
受信検知開始制御部３ｃは、送信駆動部３ａからの計測開始信号（ｓｔａｒｔ信号）を受けたとしても、無効時間設定部３ｈにより無効時間ｔｇが経過するまで受信検知を無効とする。そして、送信時刻ｔ０から無効時間ｔｇが経過した後の受信検知開始時刻に受信検知許可信号Ｓｇを受信検知部３ｄへ発する（図３（４））。なお、無効時間ｔｇは、後述する第１補正量算出部３ｉに入力される。

次に受信検知部３ｄでは受信検知許可信号Ｓｇが有効を示す信号に変わるまで、受信信号をパルス信号Ｓｂ（図３（５））に変換しながら、受信検知を保留する。そして受信検知許可信号Ｓｇが無効から有効に変わってから最初の受信波パルス信号Ｓｂ（受信信号Ｗｒ）の立ち上がりゼロクロス時点（図３（５）に示すＣ１）にて受信検知したことを示す受信検知信号Ｓｂを、受信検知時間計測部３ｅへ出力する。

受信検知時間計測部３ｅは、送信時刻ｔ０（ｓｔａｒｔ）により時間計数を開始し、受信検知信号Ｓｂにより時間計数を停止し（図３に示すｔｄ２）、送信時刻ｔ０からの受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの経過時間ｔｄ１，ｔｄ２を出力する。
受信検知遅れ時間算出部３ｆは、受信検知時間ｔｄ、音速Ｃｇ、流体温度Ｔｇ及び湿度Ｃｗに基づいて受信検知遅れ時間ｔｒを算出する。なお本実施形態では、受信検知遅れ時間算出部３ｆは、校正流体（窒素ガス）が１００％の状態での受信検知遅れ時間ｔｒを算出して記憶・保持しておき、これを後述する伝播時間算出部３ｇへ出力する。

第１補正量算出部３ｉは、受信検知時間ｔｄ及び受信無効時間ｔｇに基づいて、計測開始時の初期値を基準とする（校正流体での測定を基準とした）信号処理上の受信検知遅れ時間ｔｒの補正量である第１補正量Ｎを算出する。すなわち本実施形態では、第１補正量Ｎは、測定管１内を校正流体が１００％流れている状態を基準として、この状態から被測定流体を流して流体の流量または濃度を算出する場合に、音速Ｃｇが変化することで受信検知遅れ時間ｔｒが変化する分を信号処理により補正するための量である。

また受信波形特徴量検出部３ｊは、超音波送受波器２ａ，２ｂの受信波Ｗｒから受信波形の特徴量を検出する。受信波形の特徴量としては、受信波形の振幅Ａ、振動継続時間ｔｗ、または双方の比率Ａ／ｔｗがある。なお、受信波形の特徴量は、濃度推定部３ｋまたは直接的に第２補正量算出部３Ｌへ入力してもよい。
濃度推定部３ｋは、受信波形特徴量検出部３ｊで検出した受信波形の特徴量から、後述する濃度推定マップに基づいて流体の濃度ρ（密度）を推定する。

第２補正量算出部３Ｌは、受信波形特徴量検出部３ｊおよび濃度推定部３ｋにより推定された濃度ρから、後述する受信検知遅れ時間補正量算出マップを参照して受信検知遅れ時間ｔｒの推定補正量を求めることで第２補正量Ｎｅを算出する。なお、第２補正量算出部３Ｌは、受信波形特徴量検出手段３ｊの検出結果から、受信検知遅れ時間補正量算出マップを参照して受信検知遅れ時間ｔｒの推定補正量を直接的に求めることで第２補正量Ｎｅを算出してもよい。

補正量選択部３ｍは、前述の２つの補正量Ｎ，Ｎｅのいずれか一方を適切に選択して、選択した補正量に基づいて周期補正時間ｔｃ（ｔｃ１，ｔｃ２）を算出する。詳細については後述するが、例えば、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの比較結果に差異がある時に、第２補正量Ｎｅを選択し、これに応じた周期補正時間ｔｃを算出する。または後に詳述する受信検知時間補正量算出マップにおける第２補正量Ｎｅが境界付近にある時に、第１補正量Ｎを選択し、これに応じた周期補正時間ｔｃを算出する。

伝播時間算出部３ｇは、受信検知時間ｔｄ（ｔｄ１，ｔｄ２）、受信検知遅れ時間ｔｒ（ｔｄ１，ｔｄ２）、及び周期補正時間ｔｃ（ｔｃ１，ｔｃ２）を入力し、次式に示す通り、受信検知時間ｔｄから受信検知遅れ時間ｔｒ及び周期補正時間ｔｃを差し引くことで、純粋な伝播時間ｔ１，ｔ２を算出する。
ｔ１＝ｔｄ１−ｔｒ１−ｔｃ１ ・・・式７
ｔ２＝ｔｄ２−ｔｒ２−ｔｃ２ ・・・式８
こうして求めた伝播時間ｔ１，ｔ２は、流量／濃度演算回路４にて式３及び式４により流量計測値を算出し出力するようにしてある。また同様に式５および式６により流体密度（濃度）を算出し出力するようにしてある。

ここで、前述の処理についてのフローチャートを図４に示す。この処理は、電源が投入された後に行われる。なお、予め超音波送受信制御や計測に係わる初期値と共に仮の受信無効時間ｔｇ及び受信検知遅れ時間ｔｒが設定される。
ステップ１０１（図には「Ｓ１０１」と示す。以下同様）では、超音波送受波器２ａ，２ｂの送受信方向を切り替える。これにより被測定流体の流れ順方向（２ａ→２ｂ）と流れ逆方向（２ｂ→２ａ）とについての超音波の送信が可能となる。

ステップ１０２では、超音波送受波器２ａ，２ｂの超音波の送信駆動信号Ｗｔを出力すると共に、送信時刻ｔ０からの経過時間（受信検知時刻ｔｄａまでの時間ｔｄ）の計測を開始する。
ステップ１０３では、受信検知が有効であるか否かを判定する。これは図３に示す受信無効時間（受信禁止期間）ｔｇが終了、すなわち受信検知許可信号Ｓｇの立ち上がりがある時刻以降であるか否かにより判定する。受信無効時間ｔｇは、送信時刻ｔ０から受信波の振幅が十分に大きくなる所定時刻までの時間であり、設計上適宜決定される（ただし、一定値とする）。受信無効時間ｔｇが終了していると判定すれば、ステップ１０４へ進む。一方、受信無効時間ｔｇ内であればこの時間ｔｇが終了するまで待つ。

ステップ１０４では、受信信号のゼロクロス（図３（３）に示すゼロレベル線Ｌｚと交差する部分）を検知して、送信時刻ｔ０からゼロクロス時刻（受信検知時刻）ｔｄａまでの経過時間である受信検知時間ｔｄを計測する。
ステップ１０５では、校正か、計測かにより処理を分岐する。校正時には、測定管１に校正流体としての窒素ガスを１００％充填した状態でステップ１０６〜１０９の処理を行い、ステップ１１２〜１１４の処理を行う。一方、計測時には、後述するステップ１１０〜１１４の処理を行う。

ステップ１０６では、校正処理における超音波の受信検知時間ｔｄ１，ｔｄ２を計測する（図３参照）。校正時における受信検知時間ｔｄ１，ｔｄ２は、前述の式１，２により算出する。なお、順方向に超音波を発信した場合（２ａ→２ｂ）における受信検知時刻ｔｄ１ａ（図示のＡ時点）と、逆方向に超音波を発信した場合（２ｂ→２ａ）における受信検知時刻ｔｄ２ａ（図示のＣ時点）とにおける送信時刻ｔ０からの経過時間の平均時間ｔａ（Ｄ時点）を算出して、順方向と逆方向とにおける時間ｔｖの１／２の値を、順方向の場合には平均時間ｔａから引いて算出する一方（ｔｄ１＝ｔａ−１／２×ｔｖ）、逆方向の場合には平均時間ｔａに加算して算出してもよい（ｔｄ２＝ｔａ＋１／２×ｔｖ）。

ステップ１０７では、後述する式１１または式１２を用いて受信検知遅れ時間ｔｒ、すなわち超音波の先頭波が到達した時刻から受信を検知する時刻ｔｄａまでの時間ｔｒを算出する。遅れ時間ｔｒの算出は、受信検知遅れ時間算出部３ｆが受信検知時間ｔｄ、音速Ｃｇ、流体温度Ｔｇ及び湿度Ｃｗを考慮して算出する。
ステップ１０８では、信号処理上の受信検知遅れ時間ｔｒの補正量である第１補正量Ｎを０に設定する。これにより、被測定流体の測定開始時の初期値となる基準値（校正流体が１００％である状態における初期補正量Ｎ＝０）が設定される。

ステップ１０９では、周期補正時間ｔｃを０に設定する。
以上で校正処理を終了し、算出した受信検知遅れ時間ｔｒは記憶される。
また、ステップ１０５にて計測となった時には、計測開始時の初期値（ここでは窒素ガスが１００％の状態）を基準とする信号処理上の受信検知遅れ時間ｔｒの補正量である第１補正量Ｎを算出する。計測時には、測定管１内を校正流体（窒素ガス）が１００％の状態から被測定流体（水素ガス）の混合割合が増加する状態となる。

ここで被測定流体は、校正流体に対して１モル当たりの質量（密度）が小さいため、超音波の音速Ｃｇが速くなる結果、伝播時間ｔ１，ｔ２が短くなる（水素ガスでの伝播時間＜窒素ガスでの伝播時間）。
すなわち図５（２）に示すように、被測定流体の混合割合が増加すると伝播時間が短くなるため、Ｅ（実線の波形）からＥ’（点線の波形）のように受信波形全体が左側へスライドすることとなる。受信波形全体が左側へスライドすると、受信無効時間ｔｇの経過後に受信検知する時刻が１周期分だけずれることとなり、正確な伝播時間ｔ１，ｔ２が算出できなくなる。更に被測定流体の混合割合が増加した場合には、伝播時間の測定に数周期分のずれが生じるため、このずれを補正する必要が生じる。

このずれを補正するのが前述の第１補正量Ｎであり、この補正量Ｎにより、校正流体での測定を基準とする信号処理上の受信検知遅れ時間ｔｒのずれを周期分だけ補正可能とする。
ステップ１１０では、現在の第１補正量Ｎを算出（カウント）する。この補正量Ｎの算出は、第１補正量算出部３ｉにて行う。この詳細については後述する。

ステップ１１１では、補正量の選択処理を行う。この処理の詳細については後述する。
ステップ１１２では、伝播時間ｔ１，ｔ２を算出する。この算出は、前述の式７および式８に示す通り、ステップ１０４にて計測した受信検知時間ｔｄ１，ｔｄ２から、遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２を差し引き、更に周期補正時間ｔｃ１，ｔｃ２を差し引いて伝播時間ｔ１，ｔ２を算出する。

ここで算出される伝播時間ｔ１，ｔ２は、送受信方向切り替えにて選択された方向（流れ順方向２ａ→２ｂ＝ｔ１／流れ逆方向２ｂ→２ａ＝ｔ２）の時間であるため、ステップ１１３にて、方向に対応した伝播時間変数（ｔ１，ｔ２）に記憶する。
ステップ１１４では、伝播時間ｔ１，ｔ２に基づいて被測定流体の流量（流速）や濃度（密度）を算出する。

ここで、更に詳細に超音波伝播時間測定回路３の信号処理について説明する。
まず受信検知遅れ時間算出部３ｆにおける受信検知遅れ時間ｔｒの算出方法について流れ逆方向の信号処理を例に説明すると図３（６）に示すように、校正時においては周期補正時間ｔｃが０であり、受信検知遅れ時間ｔｒ２は、受信検知時間ｔｄ２から純粋な伝播時間ｔ２を差し引いた残りの時間に相当する（式７、式８参照）。

ここで受信検知遅れ時間ｔｒ２は、図３（３）に示すように、受信信号の先頭波（Ｓ１）の立ち上がり時刻から受信検知波（Ｓ６）の立ち上がり時刻までの時間であり、これは超音波受信信号の周期（周波数の逆数）ｔｐの整数倍に相当する。
また図５（２）の立下り時刻で受信を検知する場合は、超音波受信信号の半周期（ｔｐ／２）の整数倍に相当する。この関係を利用して、予め先頭波から受信検知までの周期数が決まっている場合、例えば図３（３）の場合ではＳ１からＳ６の立ち上がりまでなので、その間の周期数は５であり。これに超音波周波数が４０ｋＨｚとすると、その逆数２５μｓ（ｔｐ）を乗じた値１２５μｓをｔｒ２とすることができる。すなわち、次の関係式で求めることができる（Ｎは整数）。

ｔｒ＝Ｎ×ｔｐ （立ち上がりの場合）・・・式９
または、
ｔｒ＝Ｎ×０．５×ｔｐ （立ち下がりの場合）・・・式１０
なお、流れ順方向の信号処理も同様に受信検知遅れ時間ｔｒ１を算出することができるし、どちらか一方向について受信検知遅れ時間ｔｒを算出し、ｔｒ１とｔｒ２とに代入してもよい。

また、実測（校正）により受信検知遅れ時間ｔｒを算出する方法では、まず音速Ｃｇが既知の流体（例えば窒素）を超音波送受波器の対向する空間（流体流路）に充填し、そのときの受信検知時間ｔｄ１またはｔｄ２を実測し、次式に代入して受信検知遅れ時間ｔｒ１またはｔｒ２を算出する。
ｔｒ１＝ｔｄ１−Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ） ・・・式１１
ｔｒ２＝ｔｄ２−Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ） ・・・式１２
ここで音速Ｃｇは温度依存性を持っており、また加湿流体においては更に圧力依存性が大きいため、図示しない流体の温度を検出する温度検出手段（温度計）、圧力を検出する圧力検出手段（圧力計）または直接的に湿度を検出する湿度検出手段（湿度計）を用いて測定管１内流体の温度、圧力、湿度を計測し、その計測値を用いて補正（式６の密度ρに流体の温度と圧力補正後の混合密度とを代入して音速Ｃｇが算出）することで高精度に純粋な伝播時間を算出することができる。

なお、式１１と式１２による遅れ時間ｔｒ１（ｔｒ２）と、式９あるいは式１０による受信検知遅れ時間ｔｒ１（ｔｒ２）とに差異があるが、この差異は受信検知時間ｔｄ１（ｔｄ２）計測時の検出回路系の遅延時間によるもので、特に音速が早い流体の計測時には式１１（式１２）を用いると精度良く流量または濃度を計測することができる。
次に、第１補正量算出部３ｉについて説明する。

第１補正量算出部３ｉは、受信検知時間の変化が超音波周波数の１周期を越した場合に生じる「受信検知時間計測値の折り返し現象」を補正するものであり、図５および図６を用いてその信号処理方法を説明する。
図５には、校正流体に対して被測定流体の混合割合が増加して超音波の伝播時間が短くなる状態（図５（２）の実線が破線へスライドする状態）における各パラメータの変化を示している。図６には、校正流体での測定を基準（Ｎ＝０）とした第１補正量Ｎをカウントアップする（Ｎ＝２→Ｎ＝３）場合について示している。

まず前回の計測時の受信波Ｗｒが４周期目（Ｓ４）で受信無効時間ｔｇが終了した時点で受信検知が開始され、最初の立下りのゼロクロス（図５（２）のＦ点）で受信検知されたとすると、受信検知時間ｔｄ（ｔｄ１およびｔｄ２）は図５（５）のＨｉパルス幅（ｔ０〜ｔｓ１ａまで）となる。そして、受信検知許可信号Ｓｇの出力は、送信時刻ｔ０から受信無効時間ｔｇが経過した時刻ｔｇａであり、図５（３）に示す時刻となることから、その差分は図５（５）に示す受信開始経過時間ｔｍ１となる（ｔｍ１＝ｔｓ１ａ−ｔｇａ）。

次に、被測定流体の音速または流速が変化し、その結果、今回の計測時が図５（２）の点線で示す受信波Ｗｒ’のように受信されたとすると、立下りゼロクロス（Ｆ）は、今度は送信時刻ｔ０から受信無効時間ｔｇが経過する以前の時刻（Ｆ’）となる。
ところが前述の送信時刻ｔ０以降に受信検知が有効となる受信検知手段の作用により、送信時刻ｔ０から受信無効時間ｔｇが経過するまでは立下りゼロクロス（Ｆ’）は検知されないため、次の周期の立下りゼロクロス（Ｇ’）にて受信検知されることになる。つまり、ここで受信検知時刻がｔｓ２ａからｔｓ２ａ’となり、１周期分だけ遅延したことになる（図５（６），（７））。従って、今回の計測時の差分は図５（７）に示す受信検知開始後の経過時間ｔｍ２となる。

この差分ｔｍ１、ｔｍ２の遷移について更に図６を用いて説明すると、図６（１）の横軸は受信検知時間ｔｄを示し、左側は受信検知時間が短くなる方向で、右側は受信検知時間が長くなる方向である。また縦軸は差分ｔｍを示し、０〜１周期ｔｐの範囲で受信検知時間ｔｄの長短に応じて鋸波状Ｌに変遷する関係にある。
ここで図５（２）に示したように、校正流体に対して被測定流体の割合が高くなった状態において、前回（実線Ｗｒ）と今回（点線Ｗｒ’）との差分をそれぞれ受信検知開始後の経過時間ｔｍ１、ｔｍ２とすると、受信検知時刻の変化はｔｓ１ａ→ｔｓ２ａ’となる。この時、送信時刻ｔ０から受信無効時間ｔｇが経過した時刻ｔｇａ（受信検知許可信号Ｓｇの出力時刻）においてｔｍの変化範囲に折り返しが発生する（Ｐ４→Ｐ５）。この折り返しを検出するために、例えば図６（１）に示すように差分ｔｍの変化範囲（＝超音波周波数の１周期）を３等分する。そして受信検知時間ｔｄ（ｔｄ１およびｔｄ２）と、送信時刻ｔ０から受信無効時間ｔｇが経過した時刻（受信検知許可信号Ｓｇの出力時刻）までの時間との差分ｔｍがそれぞれどの区間に属するかを判別する。ここでは受信検知開始後の経過時間ｔｍ１は区間１、ｔｍ２は区間３となる。

この判定結果は少なくとも前回１回分以上の差分の区間判定値を記憶され、前回と今回との判定区間の差分をとる。この時、図６に示すように区間の差分が２である場合は、「折り返し有り」と判定して第１補正量Ｎを＋１する（Ｎ＝３）。
また、区間の差分が２以外（０または１）の場合は、「折り返し無し」と判定して第１補正量Ｎの更新は行わない。このようにして今回の補正量（Ｎ＝２）を得る（図６（２））。

最後に第１補正量Ｎを時間単位に変換するために超音波周波数の１周期時間ｔｐを乗じて周期補正時間ｔｃ（図６（３））を算出する。この周期補正時間ｔｃは、超音波伝播時間算出部３ｇに出力する（ｔｃ＝Ｎ×ｔｐ）。
そして、超音波伝播時間算出部３ｇでは受信検知時間ｔｄ（ｔｄ１，ｔｄ２）、周期補正時間ｔｃ（ｔｃ１，ｔｃ２）、及び受信検知遅れ時間ｔｒ（ｔｒ１，ｔｒ２）を得て、前述の式７および式８により伝播時間ｔ１，ｔ２を算出する。

ところで、式７、式８中の周期補正時間ｔｃ（ｔｃ１，ｔｃ２）は、既に説明したように第１補正量Ｎの関数である。従って、被測定流体の密度変化速度が、超音波伝播時間測定回路の一巡速度（サンプリング速度）を上廻ってしまった時は、受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａの折り返しを検出できず、よって被測定流体の変化に応じて実際に補正すべき値と、信号処理上の第１補正量Ｎとに差異を生じ、これはそのまま計測誤差として累積されることになる。

そこで本発明では、第１補正量Ｎとは別に第２補正量を算出して、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの差異を検出し、以下に説明する補正量選択処理により計測誤差の累積を解消させる。
この処理を図２に示す受信波形特徴量検出部３ｊ、濃度推定部３ｋ、第２補正量算出部３Ｌおよび補正量選択部３ｍにより行う。図７には、この制御フローを示している。

ステップ１１１ａでは、受信側に選択された超音波送受波器２ｂの受信信号を受信波形特徴量検出部３ｊに入力させ、これに基づいて受信波形の特徴量を検出する。受信波形の特徴量としては、受信波形の振幅Ａ、継続時間ｔｗ若しくは双方の比率Ａ／ｔｗ、または受信波形の信号立ち上がり開始時刻ｔ１ａを用いる。
図８には、受信波形の特徴量を示している。ここでは、一方の超音波送受波器２ａからの超音波が他方の超音波送受波器２ｂに受信され、受信波形の振幅が増加している状態において、受信波形の最大振幅値をＡ、先頭波の到達時刻ｔ１からの振動の継続時間をｔｗとしている。

また、受信波の包絡線Ｂが出力電圧ゼロ（振幅ゼロ）にて交差する時点を信号立ち上がり開始時刻ｔ１ａとして、この時刻ｔ１ａから受信波の振動の継続時間をｔｗとする。これにより信号立ち上がり開始時刻ｔ１ａからの受信波の振動継続時間ｔｗを用いて、超音波の伝播時間ｔ１を算出してもよい。なお、超音波の送信時刻ｔ０から信号立ち上がり時刻ｔ１ａまでの経過時間を、伝播時間に相当する時間としてもよい。

これにより包絡線Ｂから推定した受信波形の立ち上がり開始時刻ｔ１ａに基づいて、すなわち送信時刻ｔ０から立ち上がり開始時刻ｔ１ａまでの時間に基づいて密度ρを算出し、現在の第２補正量Ｎｅの値を推定でき、この場合の密度ρと第２補正量Ｎｅとにおいても後述する図１０のような関係を適用できる。
ここで、測定管１内を流れる流体の密度ρが小さい場合には伝播時間ｔ１（図８）は短くなる一方、流体密度ρが大きい場合には伝播時間ｔ１は長くなる。従ってこの性質を利用した濃度マップを適用することで、受信信号の包絡線Ｂから受信波形の立ち上がり開始時刻ｔ１ａを検出する。なお、立ち上がり開始時刻ｔ１ａの検出には例えば受信波をＡ／Ｄ変換し、包絡線Ｂの信号０レベルとの交点を求めることで検出する。

これにより、振幅Ａや継続時間ｔｗ、立ち上がり開始時刻ｔ１を、第２補正量Ｎｅの値を推定する際に用いる場合には、超音波周波数の１周期分の許容範囲があるので正確な判定が可能である。
ステップ１１１ｂでは、特徴量検出部３ｊの検出結果を濃度推定部３ｋに入力して、測定管１内を流れる流体（校正流体および被測定流体が混在している状態）の濃度（密度）の推定値ρを読み取る。流体濃度の推定値ρの読み取りは、図９に示す受信波形の特徴量から流体濃度を推定するマップを参照して行う。

なお、これまでの説明は校正流体１００％の状態から被測定流体を増加させる場合の説明図であり、校正流体（窒素ガス）と被測定流体（水素ガス）とでは校正流体の密度が高いため、被測定流体の混合割合が増加すると流体全体としては密度ρが小さくなる。このため図９（ａ）〜（ｄ）では、被測定流体が増加すると流体濃度の推定量ρが低下する。
図９の（ａ）は、受信波形の最大振幅値Ａ（縦軸）に応じた流体濃度ρ（横軸）を求める図である。ここで音波は流体濃度ρが小さいと伝播中の減衰が大きくなる一方、濃度ρが高いと減衰が小さい。このため受信波形は流体濃度ρが小さくなると最大振幅値Ａは小さくなり、濃度ρが高くなると最大振幅値Ａは大きくなる。

図９の（ｂ）は、受信波の振動の継続時間ｔｗ（縦軸）に応じた流体濃度ρ（横軸）を求める図である。ここで音波は、伝播媒体の濃度ρが小さいと音響インピーダンスが低いため、流体による超音波送受波器２ａ，２ｂの振動板の制動力が弱まり、その結果、振動期間が長くなる。逆に流体濃度ρが大きい場合には、制動力が増して振動継続期間ｔｗが短くなる。

図９の（ｃ）は、受信波形の最大振幅値Ａと継続時間ｔｗとの比率（Ａ／ｔｗ）に応じた流体濃度ρ（横軸）を求める図である。受信波の最大振幅値Ａと振動検出期間ｔｗとの比（Ａ／ｔｗ）を取ることにより概略比例特性とすることができ、処理の単純化に有効である。
図９の（ｄ）は、受信波形の最大振幅値Ａ、継続時間ｔｗの２つの検出量、及び流体濃度ρを対応付けたマップであり、最大振幅値Ａ、または振動継続時間ｔｗと、流体濃度との間に線形性のない流体に有効である。

再度図７を参照して、ステップ１１１ｃでは、流体温度Ｔｇを読み取る。流体温度Ｔｇは、測定管１に配置した温度センサ（図示せず）の出力信号に基づいて算出した値を用いる。
ステップ１１１ｄでは、第２補正量算出部３Ｌにより第２補正量Ｎｅを算出する。第２補正量Ｎｅは受信波形の特徴量からマップを参照して算出した伝播時間の推定補正量であり、図１０に示す伝播時間推定補正量算出マップを参照して求める。なお、図には、受信波形特徴量検出部３ｊの特徴量を直接的にマップに入力して第２補正量Ｎｅを求める場合についても示している。

図１０では、ガス温度Ｔｇと、受信波形の特徴量から求められた流体（校正流体および被測定流体が混在している状態）の濃度（密度）の推定値ρとに基づいて第２補正量Ｎｅを算出する。測定管１内を流れる流体が２成分から構成されている場合には、図１０（ａ）で示す２次元マップを適用できる。ここで縦軸を流体温度Ｔｇとしているが、これは音波が温度依存性を有しているためである。

また被測定流体が加湿ガスである場合は、温度と共に湿度依存性を有しているため、図１０（ｂ）に示す様に３次元マップを適用する。
図１０に示す第２補正量Ｎｅは、補正量毎に境界線で区切られている。図１０のマップの参照例（矢示点）は第２補正量Ｎｅ＝２が推定された場合を示している。ここで「境界」とは、マップ上で第２補正量Ｎｅの値が等しい領域と、これに隣接し、補正量Ｎｅが他の値をとる領域との間の境界である。この境界の前後で第２補正量Ｎｅは異なる値をとることを示している。

なお、これまでの説明は校正流体１００％の状態（Ｎ＝Ｎｅ＝０）から被測定流体を増加させる状態を示しており、校正流体（窒素ガス）と被測定流体（水素ガス）とでは校正流体の密度が高いため、被測定流体の濃度が増加した状態では流体全体としては密度ρが低下することとなる。このため図１０（ａ），（ｂ）では、被測定流体が増加すると流体濃度の推定量ρが低下して超音波の伝播時間が短くなるため、第２補正量Ｎｅの値が増加することを示している。

なお、図９，１０では流体濃度を説明の便宜上、密度ρで示しているが、これは流体の全体密度で除することにより濃度変換できるので実際はどちらを用いても良い。
再度図７を参照して、ステップ１１１ｅでは、ステップ１１１ａ〜１１１ｄにて算出した第２推定量Ｎｅ、前述の第１補正量算出部３ｉによる現在の補正量Ｎは、それぞれ補正量選択部３ｍに入力され、これらの補正値の比較を行う。

第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとに差異がある（Ｎ≠Ｎｅ）場合には、ステップ１１１ｆへ進む。一方、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとが一致する（Ｎ＝Ｎｅ）場合には、ステップ１１１ｈへ進み、第１補正量Ｎと、被測定流体の１周期の長さｔｐ（超音波周波数の逆数）との乗算により周期補正時間ｔｃ（＝Ｎ×ｔｐ）を算出して、前述のステップ１１２へ進む。

この周期補正時間ｔｃが超音波伝播時間算出部３ｇに送られ、前述のステップ１１２へ進み、式７，８により、流体の流量（流速）および濃度（密度）を求めるための伝播時間ｔ１，ｔ２が算出される。
また、これまでの説明では、超音波の受信波形の特徴量（図８に示す振幅Ａや継続時間ｔｗ）が、流体の密度ρによって一定の変化をすることを利用して、現在の超音波受信波形の特徴量に基づいて第２補正量をＮｅとして推定し、受信検知時間の折返し検出誤差を伴う第１補正量Ｎと比較して差異のある場合に第１補正量Ｎを第２補正量Ｎｅに置き換えて誤差を解消しようとするものである。

しかしながら、超音波受信波形の特徴量に基づいて推定した第２補正量Ｎｅは、受信波形それ自体の不安定さのため誤差を含むものであるが、本発明ではその点についても考慮し、第１補正量Ｎを第２補正量Ｎｅに置き換える際に新たな誤差を含まないようにしている。
すなわち、ステップ１１１ｆでの処理において、図１０に示す第２補正量Ｎｅが境界線付近であるか否かを判定する。この境界付近とは、密度検出精度に応じて設定する。例えば、密度ρの検出は前述の式５，６を用いて受信検知時間ｔｄおよび受信検知遅れ時間ｔｒから算出して行うが、その検出精度が±５％の場合、境界線より±５％以内の領域は境界付近と判定する。なお、実際には、水素濃度検出精度が±１．１％Ｖｏｌ．であるのでマップの横軸に水素濃度をとって、伝播時間より算出した水素濃度が境界線より±２％Ｖｏｌ．の範囲内にあるときは周期訂正しないように設定している。

第２補正量Ｎｅが境界付近以外であった場合、つまり第２補正量Ｎｅの信頼性が高い場合には、ステップ１１１ｇにて現在の処理上の第１補正量Ｎを、第２補正量Ｎｅとして選択してステップ１１１ｈへ進む。これが補正量選択手段に相当する。これにより、被測定流体の密度が急変して、実際と処理上との受信検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２の第１補正量Ｎに狂いが生じても、この狂いを、受信信号の波形形状及び概略の検出時間領域から推定する第２補正量Ｎｅと比較することで補正することが可能となる。

これにより、万が一、設計値以上の被測定流体の密度急変があったとしても速やかに第２補正量Ｎｅを選択して補正することで、計測誤差が累積されることを防止して、流量（流速）または濃度（密度）を精度良く算出可能にする。
一方、境界付近であった場合は、第２補正量Ｎｅの信頼性が低くなるため、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの差異に関わらず、第２補正量Ｎｅでの処理を禁止して、ステップ１１１ｈにて現在の処理上の第１補正量Ｎによる処理を行う。

なお前述のステップ１１１ａ〜１１１ｄでは、受信波形の特徴量（振幅Ａ、振動継続時間ｔｗ、これらの組み合わせＡ／ｔｗ）に基づいて濃度マップを参照して流体濃度を算出し、更に第２補正量算出マップにより第２補正量Ｎｅを算出していたが、これに限定されるものではない。すなわち、受信波形の特徴量（振幅Ａ、振動継続時間ｔｗ、これらの組み合わせＡ／ｔｗ）に対応して、予め求めておいた第２補正量算出マップにより直接的に第２補正量Ｎｅを算出するようにしてもよい。この場合の第２補正量算出マップは、例えば図１０の横軸を振動継続時間ｔｗとしたマップとする。

本実施形態によれば、被測定流体（水素ガス）が流れる流体流路（測定管１）に超音波が音響的に対向するように流れ方向に所定距離Ｌｍ離間して配置される一対の超音波送受波器の一方（２ａ）において送信した超音波の送信時刻ｔ０から他方の超音波送受波器（２ｂ）に超音波が到達した後の受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの時間を計測し、この時間から、更に他方の超音波送受波器（２ｂ）に超音波が到達した時刻から受信検知時刻ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａまでの受信検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２を差し引くことで伝播時間ｔ１（＝ｔｄ１−ｔｒ１），ｔ２（＝ｔｄ２−ｔｒ２）を算出し、この伝播時間ｔ１，ｔ２に基づいて流体の流量あるいは濃度を演算出力する超音波式流体計測方法であって、計測開始時の初期値（窒素ガス）を基準とする信号処理上の受信検知遅れ時間の補正量である第１補正量Ｎを算出する一方（ステップ１１０）、受信波形の特徴量（振幅Ａ、振動継続時間ｔｗ、またはＡ／ｔｗ）に基づいて受信検知遅れ時間ｔｒの推定補正量ｔｃを求めることで第２補正量Ｎｅを算出し（ステップ１１１ａ〜１１１ｄ）、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの比較結果に差異がある（Ｎ≠Ｎｅ）時に、第２補正量Ｎｅを選択して（ステップ１１１ｇ）、受信検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２を補正する（ステップ１１１ｈ）。

また本実施形態は、上記方法を実現するための装置である。これらの方法若しくは装置によれば、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの比較結果に差異がある（Ｎ≠Ｎｅ）時に、第２補正量Ｎｅを選択するため、流体計測の検出不良を低減して安定した計測を適切に実現できる。そして、万が一、設計値以上の被測定流体の密度急変があった場合においても、速やかに受信検知遅れ時間ｔｒを補正することで計測誤差が累積されることを防止できる。

また本実施形態によれば、第２補正量算出手段は、特徴量検出手段の検出結果から、予め求めておいた流体濃度推定マップ（図９）を参照して被測定流体の濃度を推定し（ステップ１１１ａ〜１１１ｂ）、この濃度から、予め求めておいた受信検知遅れ時間補正量算出マップ（図１０）を参照して受信検知遅れ時間ｔｒの推定補正量ｔｃを求めることで第２補正量Ｎｅを算出する（ステップ１１１ｄ）。このため、マップに基づく第２補正量Ｎｅを算出できる。

また本実施形態によれば、第２補正量算出手段は、特徴量検出手段の検出結果から、予め求めておいた受信検知遅れ時間補正量算出マップ（図１０）を参照して受信検知遅れ時間ｔｒの推定補正量ｔｃを直接的に求めることで第２補正量Ｎｅを算出する。このため、簡易に第２補正量Ｎｅを算出できる。
また本実施形態によれば、補正量選択手段は、伝播時間推定補正量算出マップ（図１０）における第２補正量Ｎｅが境界付近にある時に、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの差異（Ｎ≠Ｎｅ）に関わらず、第１補正量Ｎを選択する（ステップ１１１ｈ、図５）。このため、第２補正量Ｎｅに信頼性がない場合には、より信頼性の高い第１補正量Ｎを優先的に選択することで、伝播時間の計測誤差を防止できる。

また本実施形態によれば、特徴量検出手段は、受信波形の特徴量として、受信波形の振幅Ａ、振動継続時間ｔｗ、または双方の比率Ａ／ｔｗを検出する（ステップ１１１ａ）。このため、これらの特徴量を考慮して第２補正量Ｎｅによる補正を行うことで、伝播時間の計測誤差を防止できる。
また本実施形態によれば、特徴量検出手段は、受信波形の特徴量として、受信波形の信号立ち上がり開始時刻ｔ１ａを検出する（ステップ１１１ａ）。このため、図８に示すように、受信波形の包絡線Ｂにより立ち上がり開始時刻ｔ１ａを検出でき、これに基づいて、例えば振動継続時間ｔｗに基づいて流体の濃度を算出できる。

また本実施形態によれば、受信波形の信号立ち上がり開始時刻は、受信波形の立ち上がり信号における包絡線Ｂがゼロと交差する時刻ｔ１ａとする。このため、例えば、送信時刻ｔ０からの直接伝播時間ｔ１を簡易に求めることができる。なお、振動継続時間ｔｗの値に基づいて伝播時間ｔ１を簡易に求めることができる。
また本実施形態によれば、補正量選択手段は、第１補正量Ｎと第２補正量Ｎｅとの比較結果に差異がある時に（ステップ１１１ｅ）、第２補正量Ｎｅを選択する（ステップ１１１ｇ、１１１ｈ）。このため、第２補正量Ｎｅに応じた周期補正時間ｔｃ（＝Ｎｅ×ｔｐ）に基づいて伝播時間ｔを算出することができる（ｔ＝ｔｄ−ｔｒ−ｔｃ）。

なお、上述では、校正流体が１００％の状態を基準として、この状態から被測定流体の割合を増加させた場合において、音速Ｃｇの変化により流量または濃度を算出することを説明したが、これに限定されるものではない。例えば、校正流体が５０％で被測定流体が５０％の状態を基準として、この状態から被測定流体の割合を増減させて音速Ｃｇの変化により流速または濃度を算出するようにしてもよい。

超音波式流体計測装置の全体構成図 超音波式流体計測装置の構成図 超音波伝播時間計測の説明図 超音波伝播時間計測のフロー 第１補正量の算出処理方法を示す図 第１補正量の算出処理方法を示す図 第２補正量の算出処理を含む周期補正時間算出フロー 受信波形の特徴量を示す図 受信波形の特徴量から流体濃度を推定するマップ 受信検知遅れ時間の推定補正量算出マップ 従来の超音波伝播時間計測の説明図 従来の超音波伝播時間計測技術の問題点の説明図

符号の説明

１…測定管、２ａ，２ｂ…超音波送受波器、３…超音波伝播時間測定回路、３ａ…送信駆動部、３ｂ…送信方向切替スイッチ、３ｃ…受信検知開始制御部、３ｄ…受信検知部、３ｅ…受信検知時間計測部、３ｆ…受信検知遅れ時間算出部、３ｇ…伝播時間算出部、３ｈ…無効時間設定部、３ｉ…第１補正量算出部、３ｊ…受信波形特徴量検出部、３ｋ…濃度推定部、３Ｌ…第２補正量算出部、３ｍ…補正量選択部、４…流量／濃度演算回路、５…演算装置、６…配管、７…方向切換弁、８…配管、９…タンク

Claims (8)

1. 被測定流体が流れる流体流路に超音波が音響的に対向するように流れ方向に所定距離離間して配置される一対の超音波送受波器の一方において送信した超音波の送信時刻から他方の超音波送受波器に超音波が到達した後の受信検知時刻までの時間を計測し、この時間から、更に前記他方の超音波送受波器に超音波が到達した時刻から前記受信検知時刻までの受信検知遅れ時間を差し引くことで伝播時間を算出し、この伝播時間に基づいて流体の流量あるいは濃度を演算出力する超音波式流体計測方法であって、
   計測開始時の初期値を基準とする信号処理上の受信検知遅れ時間の補正量である第１補正量を算出する一方、
   受信波形の特徴量に基づいて受信検知遅れ時間の推定補正量を求めることで第２補正量を算出し、
   前記第１補正量と前記第２補正量との比較結果に差異がある時に、前記第２補正量を選択して、前記受信検知遅れ時間を補正することを特徴とする超音波式流体計測方法。
2. 被測定流体が流れる流体流路に超音波が音響的に対向するように流れ方向に所定距離離間して配置される一対の超音波送受波器の一方において送信した超音波の送信時刻から他方の超音波送受波器に超音波が到達した後の受信検知時刻までの時間を計測し、この時間から、更に前記他方の超音波送受波器に超音波が到達した時刻から前記受信検知時刻までの受信検知遅れ時間を差し引くことで伝播時間を算出し、この伝播時間に基づいて流体の流量あるいは濃度を演算出力する超音波式流体計測装置であって、
   計測開始時の初期値を基準とする信号処理上の受信検知遅れ時間の補正量である第１補正量を算出する第１補正量算出手段と、
   受信波形の特徴量を検出する特徴量検出手段と、
   前記特徴量検出手段の検出結果に基づいて受信検知遅れ時間の推定補正量を求めることで第２補正量を算出する第２補正量算出手段と、
   前記第１補正量と前記第２補正量との比較結果に差異がある時に、前記第２補正量を選択して、前記受信検知遅れ時間を補正する補正量選択手段と、
   を備えることを特徴とする超音波式流体計測装置。
3. 第２補正量算出手段は、前記特徴量検出手段の検出結果から、予め求めておいた流体濃度推定マップを参照して被測定流体の濃度を推定し、この濃度から、予め求めておいた受信検知遅れ時間補正量算出マップを参照して受信検知遅れ時間の推定補正量を求めることで第２補正量を算出することを特徴とする請求項２記載の超音波式流体計測装置。
4. 第２補正量算出手段は、前記特徴量検出手段の検出結果から、予め求めておいた受信検知遅れ時間補正量算出マップを参照して受信検知遅れ時間の推定補正量を直接的に求めることで第２補正量を算出することを特徴とする請求項２記載の超音波式流体計測装置。
5. 前記補正量選択手段は、前記受信検知遅れ時間補正量算出マップにおける前記第２補正量が境界付近にある時に、前記差異に関わらず前記第１補正量を選択することを特徴とする請求項３または請求項４記載の超音波式流体計測装置。
6. 前記特徴量検出手段は、前記受信波形の特徴量として、受信波形の振幅、振動継続時間、または双方の比率を検出することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の超音波式流体計測装置。
7. 前記特徴量検出手段は、前記受信波形の特徴量として、受信波形の信号立ち上がり開始時刻を検出することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の超音波式流体計測装置。
8. 前記受信波形の信号立ち上がり開始時刻は、受信波形の立ち上がり信号における包絡線がゼロと交差する時刻とすることを特徴とする請求項７記載の超音波式流体計測装置。

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