JP2008014801A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流量変動の激しい条件下においても追従性が高く、かつ消費電力の小さい超音波流量計を提供する。
【解決手段】第１振動子２および第２振動子３の間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測制御手段４の働きによって計測する。計測手段４は低速の水晶発振回路１５および高速のＣＲ発振回路１６から供給される同期クロックに同期して動作するが、伝搬時間計測の最後の部分でのみＣＲ発振回路１６からの高速クロックに同期して動作し、その他の時間は水晶発振回路１４から供給される低速クロックに同期して動作する。したがって、電力消費の激しい高速クロックの動作時間が最小限に留めることが可能であるため、サンプリング間隔を短く設定することが可能となり、流量変化に対する追従性の高い流量計測が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより流速を検出し、流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。

従来、この種の流量計においては、ふたつの振動子間の送受信を複数回繰り返すことにより、計測分解能を高めるシングアラウンド法という手法を用いたものが提案されている。

図７は、シングアラウンド法を用いた超音波流量計のブロック図である。図７に示すように、流体管路１の途中に、超音波を送信する第１振動子２と、送信された超音波を受信する第２振動子３が流れ方向に配置されていて、ふたつの振動子を用いて超音波の伝搬時間を計測する計測制御手段４とで構成されている。

図７において、音速をＣ、流速をｖ、ふたつの振動子間の距離をＬ、超音波の伝搬方向と流れの方向とがなす角度をθとし、管路の上流側に配置された振動子２から超音波を送信し、下流側に配置された振動子３で受信した場合の伝搬時間をｔａ、逆方向の伝搬時間をｔｂとした場合ｔａおよびｔｂは次式で求めることができる。

ｔａ＝Ｌ／（Ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （式１）
ｔｂ＝Ｌ／（Ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （式２）
（式１）および（式２）を変形し、（式３）で流速ｖが求まる。

ｖ＝Ｌ・（１／ｔａ −１／ｔｂ）／２ｃｏｓθ （式３）
（式３）で求めた値に流体管路の断面積Ｓと補正係数Ｋを掛ければ流体の瞬時流量Ｑ、すなわち単位時間あたりの流量を求めることができる。

Ｑ＝ｖ・Ｓ・Ｋ （式４）
ここで、（式４）のｔａとｔｂの差は流速が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し平均化することで、誤差を比較的小さくするとともに分解能を高めている。すなわち、上流側から下流側へ向けての超音波の伝搬をｎ回繰り返し、このｎ回の繰り返し送受信の所要時間をＴａとし、下流側から上流側へ向けての超音波の伝搬をｎ回繰り返し、このｎ回の繰り返し送受信の所要時間をＴｂとすれば、Ｔａ、Ｔｂをｎで割ることによって、１回当たりの伝搬時間ｔａおよびｔｂが求められるので、この値を（式４）に代入することにより正確な流量を求めることができる。そして、このような繰り返し計測を間欠的に一定の周期τ（例えば２秒）で行い、（式４）で求めた瞬時流量Ｑと間欠周期τの積求めることによって、間欠周期τの間に流体管路１を通過した流体流量が求められるので、この値を積算することにより流体流量の積算値を求めることができる。

しかしながら、上記のような方法では、流れに周期的な変動がある場合には、間欠周期τの間に流速が常に変動しているため、計測が変動波形のどの位相で行われたかによって計測値に大きな誤差が生じてしまう。

そこで、変動波形の位相を満遍なく捕らえて、流速の平均値を求めて、正確な流量値を求める方法として、次のような方法が特許文献１で提案されている。図８は、この方法を説明するタイミングチャートであり、流速変化と計測タイミングの関係を示している。時
間τａ１において、まず、流れの上流側の第１振動子２を送信側、下流側の第２振動子３を受信側として繰り返し計測を４回行った後、計測制御手段４が第１振動子２、第２振動子３の役割を切替えた後、時間τｂ１において繰り返し計測を４回実行する。

そして、この方向を変えて行った１組の計測を１セットとして、定められたセット数だけ計測が行われる。すなわち、図８で、時間τａ２では、第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とした計測を実行し、時間τｂ２では第１振動子２を受信側、第２振動子３を受信側とした繰り返し計測を実行し、これが第２セット目の計測となる。このように方向を変えた計測がトータルｍセット実行され、計測制御手段４では、時間τａｍにおける上流側送信の伝搬時間計測値の合計値Ｔａと時間τｂｍにおける下流側送信の伝搬時間の合計値Ｔｂをそれぞれ求めた後、この値を各々の計測回数（４×ｍ）で割って、計測１回当たりの平均値ｔａ、ｔｂを求めて（式３）、（式４）を用いて流体の流量平均値を求めて、これら一連の計測を一定の間欠周期で計測しながら積算流量を求めている。このとき、各計測セット間の計測間隔や、計測セット数を適当に定めることにより、流速の変動波形の各位相を満遍なく捉えられるようになるため、正確な流量が求めることができるようになる。
特開２００３−２８６８５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、定められたセット数で構成される一連の計測処理の間、例えば数ｍｓという非常に短い時間間隔でサンプリング動作を実行し、かつ、各々のサンプリング結果を積算していく必要があるため、計測間隔の制御、計測セット数の制御、積算値の記憶のために、計測制御手段を構成している電子回路に電源を供給し続ける必要がある。そのため、電子回路において消費される電力が大きくなるため特に屋外設置のガスメータなどの場合には、大容量の電池が必要となり、経済性の面で課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一連の計測処理中の消費電力を低減して、周期性の流量変動に対する追従性を維持したまま、省電力の計測を実現する超音波流量計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の超音波流量計は、動作周波数の高い高速クロック発生手段と、動作周波数の低い低速クロック発生手段と、高速クロックの動作を制御するクロック制御手段と、ふたつのクロック発生手段から供給されるクロックに基づいて動作しふたつの振動子と計時手段による計時動作を制御する計測制御手段を備え、クロック制御手段は計時手段の計時動作の一部でのみ高速クロック発生手段からのクロック供給を実行しているので、消費電力が大きくなる高速クロックの動作を必要最低限に抑えると同時にサンプリング間隔の自由度が高められる。

本発明の超音波流量計は、一連の計測処理の消費電力を低減することにより、周期性の流量変動に対する追従性を維持したまま、省電力の計測を実現することができる。

第１の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送信する第１振動子と、前記第１振動子から送信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を求める計時手段と、前記計時手段で求めた伝搬時間を元に流量を求める流量演算手段と、動作周波数の高い高速クロック発生手段と、動作周波数の低い低速クロック発生手段と、前記高速クロックの動作を制御するクロック制御手段と、前記ふたつのクロック発生手
段から供給されるクロックに基づいて動作し、前記ふたつの振動子と前記計時手段による計時動作を制御する計測制御手段を備え、前記クロック制御手段は前記計時手段の計時動作の一部でのみ前記高速クロック発生手段からのクロック供給を実行するので、消費電力が大きくなる高速クロックの動作を必要最低限に抑えることにより、一連の計測処理の消費電力を低減することができるので、短いサンプリング間隔での計測が可能となるので、流量変化に対しての追従性を高めることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の計時手段が、低速クロックと同期して動作する低速カウンタと、高速クロックと同期して動作する高速カウンタと、高速クロックよりも更に高速な補助クロックに同期して動作する補助カウンタを備え、伝搬時間は、低速カウンタの値と低速カウンタの値の和と、補助カウンタで求めた高速クロックと低速クロックの同期のずれとを用いて求めるので、正確な伝搬時間の計測が可能となる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、立ち上がり時間の短い高速クロック発生手段と、高速クロック発生手段より供給される高速クロックよりも精度の高い低速クロックを供給する低速クロック発生手段とを備え、計測制御手段は、低速クロックの発振周期を基に高速クロックの発振周期を求める検定手段と、検定手段で求めた高速クロックの発振周期を用いて計時手段で求めた伝搬時間を補正する補正手段を備え、計時手段は、検定手段によって求めたクロック周期を用いて正確な伝搬時間を求めるので、環境変化や経年変化に影響されずに、高精度の計測が実現できる。

第４の発明は、特に、第３の発明の検定手段が、低速クロックの発振周期と高速クロックよりも更に高速な補助クロックの発振周期を基に高速クロックの発振周期を求めることにより、より正確に高速クロックの発振周期を求めることができるので、計測精度を更に高めることができる。

第５の発明は、特に、第２または第４の発明の計時手段と検定手段で用いる補助クロックを同一とすることにより、計測制御手段の構成が単純化されるので、装置製造上の経済性を向上することができる。

第６の発明は、特に、第４または第５の発明の検定手段が、高速クロックの発振周期を基に補助クロックの発振周期を求めることにより、短い時間で、補助クロックの検定が完了できるので、余分な消費電力を増やすことなく正確な時間計測が可能となる。

第７の発明は、特に、第４または第５の発明の検定手段が、低速クロックの発振周期を基に補助クロックの発振周期を求めることにより、高い精度で補助クロックの検定が実行できるので、時間精度の高い計測が可能となる。

第８の発明は、特に、第１から第７の発明のいずれかひとつの発明において、高速クロック発生手段をＣＲ発振回路により構成することにより、極めて短時間でクロックの発振周期が安定するので、極めて短い間隔での計測が可能となり、流量変化に対する追従性を高めることができる。

第９の発明は、特に、第１から第７の発明のいずれかひとつの発明において、低速クロック発生手段を水晶発振回路により構成することにより、極めて高精度の検定が可能となり、時間精度の高い計測が可能となる。

第１０の発明は、特に、第２、４、５いずれかの発明の補助クロック発生手段をリングオシレータにより構成することにより、クロックの立ち上がりが極めて高速化されるので、わずかな時間差を正確に計測できるようになるため、時間精度の高い計測が可能となる
。

第１１の発明は、特に、第３または４の発明の検定手段が、計時手段の動作と並行して高速クロックの検定を行うことにより、余分な消費電力を増やすことなく、高精度の計測が可能となる。

第１２の発明は、特に、第６または７の発明の検定手段が、計時手段の動作と並行して補助クロックの検定を行うことにより、余分な消費電力を増やすことなく、高精度の計測が可能となる。

第１３の発明は、特に、第２の発明の計時手段における高速クロックの供給開始時間を計測対象の流体に応じて可変としたので、計測対象の流体ごとに異なる伝搬時間に合わせて、受信波の到達する直前まで高速クロックを停止させることができるので、電力を効率的に利用することが可能である。

第１４の発明は、特に、第２の発明の計時手段における高速クロックの供給開始時間を計測対象の流体温度に応じて可変としたので、計測対象の流体温度ごとに異なる伝搬時間に合わせて、受信波の到達する直前まで高速クロックを停止させることができるので、電力を効率的に利用することが可能である。

第１５の発明は、特に、第２の発明の計測対象における高速クロックの供給開始時間を過去の伝搬時間の履歴に応じて可変としたので、計測対象の状態ごとに異なる伝搬時間に合わせて、受信波の到達する直前まで高速クロックを停止させることができるので、電力を効率的に利用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における流量計側装置のブロック図である。図１において、流体管路１の途中に超音波を送信する第１振動子２が流れの上流側に配置され、第１振動子２から送信された超音波を受信する第２振動子３が流れの下流側に配置されている。計測制御手段４は、第１振動子２と第２振動子３の間の超音波信号伝達の制御を司る電子回路でありデジタル回路とアナログ回路により構成されている。同期設定手段５は、計測制御手段４の処理タイミングを制御している。

計測制御手段４の構成は次の通りである。第１振動子２へ送信信号を出力する送信手段６と、第２振動子３で受信された受信信号を増幅する増幅手段７は、第１振動子２と第２振動子３の送受信の役割を切換える切換手段８を介して、第１振動子２および第２振動子３と接続されている。送信手段６の作用により第１振動子２から出力された超音波信号は第２振動子３で受信、増幅手段７で増幅された後、基準信号と比較手段９で比較され、基準信号と一致した時点で受信波が到達したものと判断される。この一連の計測の流れは、トリガ手段１０から出力されるトリガパルスを起点として開始される。

このトリガパルスと同期して送信手段６の送信信号出力が開始されると同時に、計時手段１１による計測も開始される。検定手段１２は、同期設定手段５に備えられた複数のクロックの正確な発振周期を求めていて、補正手段１３が、検定手段１１で求められた伝搬時間と検定手段１２で求められたクロックの発振周期を基に正確な伝搬時間を求め、その伝搬時間を用いて流量演算手段１４で流体流量が求められる。

同期設定手段５の構成は次の通りである。低速クロック発生手段は水晶発振回路１５により構成され、時間精度の高い同期クロックを計測制御手段４に供給する。高速クロック制御手段はＣＲ発振回路１６により構成されている。水晶発振回路１５は常時動作していて計測制御手段４全体の時間管理を行っている。周期設定手段１７は、一連の計測動作の処理時間間隔を制御するためのものであり、定められた時間が経過するとクロック制御手段１８により起動信号が出力され、ＣＲ発振回路１６が動作を開始する。

更に、ＣＲ発振回路１６から発生されるクロック信号が安定する時間を待機した後、クロック制御手段１８が高速クロックを計測制御手段４に同期クロックの供給を開始する。計測手制御手段４は同期クロックに基づいて、先に説明した一連の計測動作を実行する。また、補助クロック発生手段はリングオシレータ１９により構成されていて、高速クロックの１周期よりも短い時間精度を実現するために用いられている。

図２は、計測制御手段４と同期設定手段５の関係を示すタイミングチャートである。計測制御手段４は、圧力変動の追従するため短い間隔、例えば図に示すように１０ｍｓ毎に動作して流速を検知する。計測制御手段４による計測所要時間は、計測間隔に比べて非常に短い時間、例えば図に示すように０．５ｍｓである。計測制御手段４の動作は、計時手段１１による時間計測や、送信手段６による送信信号波形の整形など、時間精度にするとｎｓのオーダーが要求されるため、これを実現するデジタル回路に対しては、比較的高速なクロック（例えば１０ＭＨｚ）を供給する必要がある。

しかし、ｎｓオーダーの時間精度が常時要求されるわけではないため、必要に応じて間欠動作させることにより装置全体の省電力化が可能となる。そこで、図２に示すように、時間τ０で、クロック制御手段１８が、ＣＲ発振回路１６の動作を開始させ、ＣＲ発振回路１６から供給される同期クロックと同期して計測制御手段４が動作を開始する。計測制御手段４では、まず、送信手段６に対して、振動子の発振周期と等しい矩形信号出力を実行するため、ＣＲ発振回路から出力される高速クロックと同期して信号を出力する。そして、この動作が終了すると同時に、時間τ１でクロック制御手段１８は、ＣＲ発振回路の動作を停止させ高速クロックの供給を停止する。

そして、クロック制御手段１８は、比較手段９が受信波を検知する直前のτ２から受信波を検知した後の必要な後処理を行った後のτ３までの間、再びＣＲ発振回路１６を動作させ、高速クロックを供給することにより、正確な時間計測を実行する。一方、水晶発振回路１５はＣＲ発振回路１６に比べて非常に低速なクロック（例えば、電子時計の発振回路に使用される３２．７６８ｋＨｚ）で構成され、常時動作して装置全体の時間管理を行っている。すなわち、時間τ１から時間τ２までの、休止時間間隔の制御や、ＣＲ発振回路１６が起動してから計測制御手段４が実際の計測処理を実行するまでの待機時間の制御は、水晶発振回路１５から供給される低速同期クロックに基づいて行われる。

図３は、ＣＲ発振回路１６の動作をより詳細に示すため、計測制御手段４の動作と同期クロックの動作の関係を示したタイミングチャートである。時間τ０でＣＲ発振回路１６から供給される高速クロックに基づいて、送信手段６から振動子１に対して矩形電圧が印加される。それと同時に、計時手段１１が低速クロックの立ち上がりエッジをカウントクロックとして伝搬時間の計時を開始する。その後、受信波が比較手段９によって検出されるのが時間τＳであるが、このτＳの直前のτ２よりＣＲ発振回路１６から高速クロックの供給が開始される。そして、ＣＲ発振回路１６の高速クロック周波数が安定する時間だけ経過した時間τ２１以降の所要時間を高速クロックを用いて計時する。すなわち、τ０からτ２１までの時間は、水晶発振回路１５の低速クロックで計測し、τ２１からτｓまでの時間はＣＲ発振回路１６の高速クロックで計測し、それぞれで求めた時間の和から伝搬時間ＴＡを求めている。そして、計時が完了すると、計時結果の記憶や伝送などの後処
理が施された後、時間τ３でクロック制御手段１８が、ＣＲ発振回路１６の動作を停止する。その後、水晶発振回路１５から供給される低速クロックに基づいて、ＣＲ発振回路１６の休止時間や、送信手段６による矩形電圧の印加開始時間が制御される。

以上説明したように、超音波の送受信タイミング近辺以外では、ＣＲ発振回路１６からクロックを供給停止することにより、一連の計測処理の消費電力を低減することができるので、周期性の流量変動に対する追従性を維持したまま、省電力の計測を実現することができる。

図４は、計時手段１１による伝搬時間の計測方法を詳細に説明するためのものである。高速クロックを伝搬時間の計時に用いるのはその周波数が十分安定するτ２２以降であるが、この場合、低速クロックと高速クロックの発生タイミングが完全には同期していないので、ふたつのクロックを用いて求めた伝搬時間を単純に加算しただけでは誤差が発生することになる。そこで、高速クロックの立ち上がり信号の発生タイミングであるτ２１でリングオシレータ１９から非常に高速（例えば２００ＭＨｚ）の補助クロックを起動する。そして、高速クロックの立ち上がり信号の発生タイミングτ２２まで動作させ、この間の補助クロックのカウント数から、高速クロックと低速クロックの同期のずれである時間ＴＹを計測する。

次に、受信波の検知タイミングτＳも高速クロックの発生タイミングと同期していないので、同期ずれを補正する必要がある。そこで、受信波形の検知タイミングτＳでリングオシレータ１９から補助クロックを起動する。そして、高速クロックの立ち上がり信号の発生タイミングτＳ１まで動作させ、この間の補助クロックのカウント数から、高速クロックと受信波の検知タイミングの同期のずれである時間ＴＺを計測する。

一方、低速クロックを用いてτ０からτ２１までの所要時間ＴＷを計測し、高速クロックを用いてτ２２からτＳ１までの所要時間ＴＹを計測する。したがって、同期のずれを考慮した正確な伝搬時間ＴＡは（式５）の通り求められる。

ＴＡ＝ＴＷ＋ＴＸ＋ＴＹ−ＴＺ （式５）
この方法を用いることにより、計時手段１１の時間精度は補助クロックによって保証されることになるので、高速クロック周波数は、送信手段６の矩形波出力などのその他の処理タイミングに必要とされる時間精度に基づいて決定できる。よって、高速クロックの発振周波数を不必要に高める必要がなくなり、また、超高速の補助クロックの方も動作時間が非常に短いので、消費電力の増大もわずかなものとなる。したがって、計測精度を維持したまま、高速クロックと補助クロックの周波数の関係を適当に定めることにより更なる低消費電力化が可能である。

次に、検定手段１２と補正手段１３の動作・作用について説明する。高速クロック発生手段としては、消費電流を考慮すると立ち上がり時間の短いクロックの方が有利であるため、ＣＲ発振回路を使用している。ところが、ＣＲ発振回路の時間精度は優れたものでも１〜２％程度であり、水晶発振子の数１０ｐｐｍには及ばない。仮に時間誤差が１％あると仮定した場合、流量値としての誤差は従来例で示した（式３）を基に求めると１％となる。すなわち、発振子が持つ時間誤差と同等の誤差が発生することになり、その他の誤差要因も含めると更に精度が悪くなる。

流量計の計測仕様として器差の値が例えば１％未満というような高い精度を要求される場合には、ＣＲ発振回路１６の供給クロックをそのまま伝搬時間の計測に用いた場合には、精度の面で課題が生じる。そこで、検定手段１２では、低速クロック発生手段として用いている高精度の水晶発振回路１５の供給する低速クロックと、高速クロックの発振周期の比を基に、高速クロックの正確な発振周期を求めておく。そして補正手段１３では、検定手段１２で求めた高速クロックの発振周期を基に正確な伝搬時間を求めることができる。

図５を用いて具体的な方法について説明する。検定動作はまず、低速クロックの立ち上がりτａを起点として開始される。これと同時に、伝搬時間計測で用いた補助クロックを起動させ、次に高速クロックの立ち上がりが入力されるτｂまでの時間を補助クロックでカウントする。なお、この時のカウント値をＸとする。そして、低速クロックの次の立ち上がりエッジが入力されるτｃで、再び、補助クロックを起動させ、次に高速クロックの立ち上がりエッジが入力されるτｄまでの時間を補助クロックでカウントする。なお、このときのカウント値をＹとする。

一方、これと並行して、τｂからτｄまでの時間を高速クロックを用いてカウントする。なお、この時のカウント値をＮとする。

低速クロック、高速クロック、補助クロックの周期をそれぞれ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３とするとＴ１は（式６）で表せる。

Ｔ１＝Ｎ×Ｔ２＋（Ｘ−Ｙ）×Ｔ３ （式６）
ここで、Ｔ１は高精度の低速クロックの周期であるため、既知の値と判断できる。また、Ｔ２とＴ３の比が既知の値Ｍ（Ｔ２とＴ３の関係式については後述する。）であれば、Ｔ１とＴ２の関係式は（式７）のように求められる。

Ｔ２＝Ｔ１／｛Ｎ＋（Ｘ−Ｙ）／Ｍ｝ （式７）
ここで、Ｔ１は非常に高精度の値であるので、Ｔ２も同様に高精度の値として信頼性の高い値と認識できる。なお、ここでは、補助クロックを検定手段１２の検定動作に用いる構成としているが、高速クロックと低速クロックの周波数の比が十分大きければ（例えば１０００倍以上）であれば補助クロックを用いなくても、十分精度の高い検定値が得られることは言うまでもない。

また、補助クロックを用いる場合にあっては、計時手段１１の計測処理に用いた補助クロックと同じものを用いることによって、回路構成の単純化を図ることが可能である。

また、補助クロックを用いる場合には、先に説明したように、補助クロックの周波数の値も既知である必要がある。補助クロックはリングオシレータを用いたものであるが、これは半導体プロセスのばらつきの影響で、個体間ばらつきが発生するので、これも検定してその結果を用いて校正しておけば伝搬時間精度を更に向上させることができる。

具体的方法を図６を用いて説明する。補助クロックの検定は、高速クロックを用いて行う。すなわち、時間τａにおける高速クロックの立ち上がりと同時に補助クロックを起動させ、次に高速クロックの立ち上がるτｂで補助クロックを停止する。そして、この間にカウントされた補助クロックの数を知ることにより、両クロックの周期Ｔ２、Ｔ３の比を知ることができる。この方法では、直接Ｔ３の値を知ることはできないが、（式７）に両者の比Ｍの代入することにより、Ｔ２の値を校正することが可能となる。また、Ｔ２の値がわかれば、両者の比Ｍを用いて、同時にＴ３を求めることが可能である。ここで、Ｔ３の検定はＴ２を用いて行っているが、Ｔ２は高速クロックの周期であり、非常に短い時間で検定が可能であるため、検定作業に余分な消費電力を使うことがない。

補助クロックの校正は低速クロックを用いて行う構成であっても良い。この場合は、直接補助クロックの正確な周波数を知ることが可能である。

ここで、検定手段１２の検定動作は図３で示した計測制御手段４の計測動作と並行して、すなわち送信手段６から振動子２に矩形電圧の印加を開始する時間τ１から、比較手段９によって受信波を検出するまでの時間τ２までの任意の時間において実行するようにすれば、検定動作のみを単独に実行する場合のように改めて高速クロックを動作させる必要がなくなるので、省電力効果を高めることができる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について説明する。超音波の伝搬速度（音速）は、伝搬する媒質の物性に依存する固有の値である。計測対象の流体が特定されている場合には、音速Ｃと流体温度Ｔは、Ｋ１およびＫ２を定数として、（式８）のような近似式で関係付けられる。

Ｃ＝Ｋ１・Ｔ＋Ｋ２ （式８）
なお、（式８）におけるＫ１、Ｋ２は流体固有の定数である。よって、計測対象の流体が定まり、更に使用温度範囲が特定されれば、（式８）の音速の取り得る範囲が定まることになる。したがって、計測対象の流体に応じて、図３におけるＣＲ発振回路１６の起動時間τ２を変更することにより、無駄な消費電力を低減することが可能となる。

更に、τ２の最適化を図る方法として、流体温度に応じて、τ２の値を変更する構成であっても良い。（式１）において、Ｃが流速ｖより十分大きいとすると、（式９）のように変形できる。

ｔ１＝（Ｌ／Ｃ）・｛１＋（ｖ／Ｃ）・ｃｏｓθ｝−１
≒（Ｌ／Ｃ）・｛１−（ｖ／Ｃ）・ｃｏｓθ｝ （式９）
同様に、（式２）は（式１０）のように変形できる。

ｔ２＝（Ｌ／Ｃ）・｛１−（ｖ／Ｃ）・ｃｏｓθ｝−１
≒（Ｌ／Ｃ）・｛１＋（ｖ／Ｃ）・ｃｏｓθ｝ （式１０）
したがって、（式９）および（式１０）により（式１１）が導き出せる。

ｔ１＋ｔ２＝２Ｌ／Ｃ （式１１）
（式１１）より、往復の伝搬時間の合計値は流速に関わらず一定の値となる。ここで、音速Ｃは流体温度により定まる値であるが、流体温度は急激に変化することがないと考えられるので、短時間では大きな変化がないと考えて良い。よって、直前に計測したｔ１とｔ２の和、あるいは、定められた回数の過去ｔ１とｔ２の和の平均値を求めるなどのように、伝搬時間の過去の履歴を知ることにより、音速を知ることができる。よって、ＣＲ発振回路１６による高速クロックの供給開始時間τ２の最適値を設定することが可能となる。

なお、上記のような伝搬時間の和を求めて流体温度を方法ではなく、温度センサを備えて流体温度を直接検知して、ｔ２の値を最適化する構成であっても、同様の効果を得られることは言うまでもない。

以上のように、本発明に係る超音波流量計は、気体、液体の流速、流量の計測が可能となるので、ガスメータ、水道メータに適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波流量計のブロック図 本発明の実施の形態１における計測制御手段の動作を説明するタイミングチャート 本発明の実施の形態１における計測制御手段の動作を説明する別のタイミングチャート 本発明の実施の形態１における計時手段の動作を説明するタイミングチャート 本発明の実施の形態１における高速クロックの検定方法を説明するタイミングチャート 本発明の実施の形態１における補助クロックの検定方法を説明するタイミングチャート 従来の超音波流量計のブロック図 従来の超音波流量計の動作を説明するタイミングチャート

符号の説明

１ 流体管路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
４ 計測制御手段
１１ 計時手段
１２ 検定手段
１３ 補正手段
１４ 流量演算手段
１５ 水晶発振回路
１６ ＣＲ発振回路
１８ クロック制御手段
１９ リングオシレータ

Claims (15)

1. 流体管路に設けられ超音波信号を送信する第１振動子と、前記第１振動子から送信された超音波信号を受信する第２振動子と、前記振動子間の超音波の伝搬時間を求める計時手段と、前記計時手段で求めた伝搬時間を元に流量を求める流量演算手段と、動作周波数の高い高速クロック発生手段と、動作周波数の低い低速クロック発生手段と、前記高速クロックの動作を制御するクロック制御手段と、前記ふたつのクロック発生手段から供給されるクロックに基づいて動作し、前記ふたつの振動子と前記計時手段による計時動作を制御する計測制御手段を備え、前記クロック制御手段は前記計時手段の計時動作の一部でのみ前記高速クロック発生手段からのクロック供給を実行する超音波流量計。
2. 計時手段は、低速クロックと同期して動作する低速カウンタと、高速クロックと同期して動作する高速カウンタと、高速クロックよりも更に高速な補助クロックに同期して動作する補助カウンタを備え、伝搬時間を低速カウンタの値と高速カウンタの値の和と、補助カウンタで求めた高速クロックと低速クロックの同期のずれとを用いて求める請求項１に記載の超音波流量計。
3. 立ち上がり時間の短い高速クロック発生手段と、高速クロック発生手段より供給される高速クロックよりも精度の高い低速クロックを供給する低速クロック発生手段とを備え、計測制御手段は、低速クロックの発振周期を基に高速クロックの発振周期を求める検定手段と、検定手段で求めた高速クロックの発振周期を用いて計時手段で求めた伝搬時間を補正する補正手段を備えた請求項２に記載の超音波流量計。
4. 検定手段は、低速クロックの発振周期と高速クロックよりも更に高速な補助クロックの発振周期を基に高速クロックの発振周期を求める請求項３に記載の超音波流量計。
5. 計時手段と検定手段で用いる補助クロックを同一とした請求項２または４に記載の超音波流量計。
6. 検定手段は、高速クロックの発振周期を基に補助クロックの発振周期を求める請求項４または５に記載の超音流量計。
7. 検定手段は、低速クロックの発振周期を基に補助クロックの発振周期を求める請求項４または５に記載の超音波流量計。
8. 高速クロック発生手段をＣＲ発振回路により構成する請求項１から７いずれか１項に記載の超音波流量計。
9. 低速クロック発生手段を水晶発振回路により構成する請求項１から７いずれか１項に記載の超音波流量計。
10. 補助クロック発生手段をリングオシレータにより構成する請求項２、４、５いずれか１項に記載の超音波流量計。
11. 検定手段は、計時手段の動作と並行して高速クロックの検定を行う請求項３または４に記載の超音波流量計。
12. 検定手段は、計時手段の動作と並行して補助クロックの検定を行う請求項６または７に記載の超音波流量計。
13. 計測制御手段は、計時手段における高速クロックの供給開始時間を計測対象の流体に応じて可変とした請求項２に記載の超音波流量計。
14. 計時手段における高速クロックの供給開始時間を計測対象の流体温度に応じて可変とした請求項２に記載の超音波流量計。
15. 計時手段における高速クロックの供給開始時間を過去の伝搬時間の履歴に応じて可変とした請求項２に記載の超音波流量計。

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