JP2008175706A - 流速または流量計測装置とそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の伝搬時間を求める際、切換動作の前と後での計測おのおの単独では片方向の情報しか測定できず、ずれを発生して計測誤差の要因にもなる可能性がある。
【解決手段】切換手段３８を用いて送信側振動子と受信側振動子を切換え、受信手段３５の出力より振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段３６の計時値に基づいて流量を算出するものである。反射波の伝搬時間には伝搬方向の対となる情報が含まれることから、精度良く平均的な流速、流量演算結果を求めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子などを用い、超音波を利用して気体や液体などの流量を計測する流速または流量計測装置に関する。

従来、この種の流量計測装置としては、流路に流れの方向に相対して振動子を設け、超音波の伝搬時間差から流体の速度を演算していた（例えば、特許文献１参照）。

図１１は、従来の超音波流量計の構成を示すブロック図である。図１１において、流体管路４の途中に、超音波を発信する第１振動子５と受信する第２振動子６とが、流れ方向に配置されている。７は第１振動子５への送信回路、８は第２振動子６で受信した信号の増幅回路であり、ここで増幅された信号は比較回路９で基準信号と比較され、基準信号以上の信号が検出されたとき、回数設定回路１０で設定された回数だけ繰り返し手段１１はトリガ回路１２を付勢し、遅延手段１３で信号を遅延させた後超音波信号を繰り返し送信する。

繰り返しが始まったときに計時手段１４のタイマカウンタを起動し、回数設定回路１０で設定された繰り返し回数が終了したとき計時手段１４のタイマカウンタを停止し、時間を計測する。次に切換手段１５で第１振動子５と第２振動子６の送受信を切換えて、第２振動子６から第１振動子５すなわち下流から上流に向かって超音波信号を発信し、この発信を前述のように繰り返し、その時間を計時する。そしてその時間差から管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段１６で流量値を求める。
特開平９−２８０９１７号公報

しかしながら従来の流量計測装置では送信側振動子と受信側振動子を切換える動作が入り、計測−切換−計測というように計測の間に切換動作が入るため時間のずれが発生している。さらに切換え動作の前と後での計測おのおの単独では片方向の情報しか測定できず、切換え動作処理をはさんで時間経過がある場合において測定した情報にずれを発生して計測誤差の要因にもなる可能性がある。

本発明は上記の課題を解決するもので、大きな時間ずれを発生することの無いよう振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段の計時値に基づいて流量を算出することを目的としている。この計時値には伝搬方向の対となる情報が含まれている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流速または流量計測装置は、被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、送信側振動子を駆動する送信手段と、受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記振動子の送受信を切換える切換手段と、振動子間で少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記振動子と前記送信手段と前記受信手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段の計時値に基づいて流量を算出する。

本発明の、流速または流量計測装置は、流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子間を伝搬する直接波と少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を用いて流量を算出する。

このため振動子の切換え動作の前後で測定する伝搬時間には伝搬方向の対となる情報が含まれることから、切換え動作前後の時間経過が発生しても精度良く平均的な流速を求めることができる。

第１の発明は被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、一対の振動子のうち送信側振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記振動子の送受信を切換える切換手段と、振動子間で少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記振動子と前記送信手段と前記受信手段と前記計時手段と前記流量演算手段のうち少なくとも１つを制御する制御手段とを備えた流速または流量計測装置である。

そして、振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段の計時値に基づいて、流量を算出するものである。これによって、振動子の切換え動作の前後で測定する伝搬時間には伝搬方向の対となる情報が含まれることから、切換動作前後の時間経過が発生しても精度良く平均的な流速を求めることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において反射波を受信するために受信手段の利得を制御手段で変化させる利得変更手段を有することにより、反射で振幅の小さくなった伝搬信号を的確に捕らえることが可能になる。

第３の発明は、特に第１の発明において反射波を受信するために受信手段の参照電圧を制御手段で変化させる参照電圧変更手段を有することにより、反射で振幅の小さくなった伝搬信号の受信点を正しく捕捉することが可能になる。

第４の発明は、特に第１の発明で流量演算手段の出力または外部信号により流量が無い時に、制御手段で第１の計時手段と第２の計時手段の出力信号を用いて、流量演算手段の演算係数の補正を行う演算補正手段を有することで、直接波と反射波による誤差を流量の無い時に調整することが可能になる。

第５の発明は、特に第１の発明で制御手段で流量演算手段の出力または外部信号により流量が無い時に計時手段の出力で伝搬時間が短い方を優先して送信側振動子を固定する送信方向指定手段を有することにより、伝搬時間計測の動作時間を短くして省電力動作が可能になる。

第６の発明は、特に第１の発明で制御手段で流量の大小に関わらず精度を要求される場合は切換手段を動作し、伝搬時間を計測する精度要求手段を有することにより、計測精度を良くすることが可能になる。

第７の発明は、特に第１の発明で制御手段で切換手段を動作する場合に少なくとも２つの受信手段を切換えて振動子に固定した受信手段を接続しないように動作する受信切換手段を有することで、受信手段への配線経路遅延などがある場合でも送受信を切換えた際に受信手段も偏らないように切換えることで遅延誤差を平準化することが可能になる。

第８の発明は、特に第１の発明で制御手段で計時手段の信号差が予め定めた値より小さい場合に計測時間間隔を調節する計測時間調整手段を有することで流量が少ない場合に測定間隔を長くして計測動作回数を少なくし省電力動作を可能にする。

第９の発明は、特に第１の発明で制御手段で計時手段の信号差が予め定めた値より大きい場合に計測時間間隔を調節する第２の計測時間調整手段を有することで流量が多い場合に測定間隔を短くして計測回数を多くし流速変化を正確に測定することが可能になる。

第１０の発明は、特に第１の発明から第９の発明のいずれか１つにおける制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、これにより測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。

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）
実施の形態１に関する本発明の流速または流量計測装置と器具判別方法について説明する。

図１は本実施の形態の構成を示す流速または流量計測装置のブロック図である。図１おいて、本発明の超音波流量計は被測定流体の流れる流路３１と、前記流路３１に配置された超音波を送受信する第１の振動子３２、第２の振動子３３を設置し、前記第１の振動子３２を駆動する送信手段３４と、前記第２の振動子３３の受信信号を受け受信タイミングを決定する受信手段３５と、送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から直接超音波の伝搬波が第２の振動子３３に到達した後、第２の振動子３３で反射し、再度第１の振動３２で反射した後に第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間を測定する計時手段３６と、前記計時手段３６の計時値に基づいて振動子間の流速を演算し、それから流量を求める流量演算手段３７とを有するものである。

さらに、送信手段３４と第１の振動子３２、および第２の振動子３３と受信手段３５の間に切換手段３８を設け、超音波の送受信を第１の振動子３２と第２の振動子３３の間で交互に行うようにしている。制御手段３９は、前記送信手段３４と前記受信手段３５と前記計時手段３６と前記流量演算手段３７と前記切換手段３８との少なくとも１つを制御する。

通常の流速または流量計測の動作を説明する。

制御手段３９からスタート信号を受けた送信手段３４が第１の振動子３２を一定時間パルス駆動行うと同時に、計時手段３６は時間計測始める。パルス駆動された第１の振動子３２からは超音波が送信される。第１の振動子３２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第２の振動子３３で受信される。第２の振動子３３の受信出力は、受信手段３５で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。

この超音波の受信を決定した時点で、計時手段３６の動作を停止し、その時間情報ｔから（式１）によって流速を求める。ここで、計時手段３６から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、確度をφ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。

ｖ＝（１／ｃｏｓφ）＊（Ｌ／ｔ）−ｃ ・・・（式１）
受信手段３５は、通常コンパレータによって、基準電圧と受信信号を比較するようになっていることが多い。

また、第１の振動子３２と第２の振動子３３との送信、受信方向を切換え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式２），（式３），（式４）より速度ｖを求めることができる。

ここで、上流から下流への測定時間時間をｔ１、下流から上流への測定時間時間をｔ２とする。

ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ＊ｃｏｓφ）・・・・・・・・（式２）
ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ＊ｃｏｓφ）・・・・・・・・（式３）
ｖ＝（Ｌ／２＊ｃｏｓφ）＊（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（式４）
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流速を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

このようにして流速や流量を求めることはできるが、送信側振動子と受信側振動子とを切換える動作が入ると、計測−切換−計測というように計測の間に切換え動作が入るため、時間のずれが発生している。さらに、切換え動作の前と後での計測おのおの単独では、片方向の情報しか測定できず、切換え動作処理をはさんで時間経過がある場合において、測定した情報にずれを発生して計測誤差の要因にもなる可能性がある。

そこで振動子３２，３３間で少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段３６の計時値に基づいて、流量を算出する方法を説明する。この方法では振動子３２，３３の切換え動作の前後で測定する伝搬時間には伝搬方向の対となる情報が含まれることから、切換動作前後の時間経過が発生しても精度良く平均的な流速を求めることができる。

通常の動作は図２に示すタイミング図のようになる。すなわち、制御手段３９による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路３１内を伝搬し時刻ｔ１で第２の振動子３３に到達し、受信手段３５で受信点を検知すると信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。計時手段３６は送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から直接超音波の伝搬波が第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間を測定する。これで上流から下流への伝搬時間を求めることができる。

超音波の伝搬は第２の振動子３３に到達するとそこで反射し、第１の振動子３２の方向へ伝搬する。これが下流から上流への超音波の伝搬になる。さらに、第１の振動子３２に到達した伝搬信号は、同様にそこで反射し、第２の振動子３３の方向へ伝搬する。これが、最初の直接伝搬と同じ方向になる。

これを図３に横軸時間、縦軸を流路幅として伝搬する過程を示す。図２のタイミング図とあわせて説明する。流れが無い場合は伝搬方向に関わらず伝搬時間は同じになる。

図３においてｔ０で第１の振動子（送信側振動子）３２から超音波信号が送出される。流路３１内を伝搬した超音波信号は時刻ｔ１で第２の振動子（受信側振動子）３３に到達する。反射した超音波信号は時刻ｔ２で第１の振動子３２に戻り、再度そこで反射して時
刻ｔ３で第２の振動子３３に到達する。受信側の第２の振動子３３の出力は、受信手段３５に接続されているため、時刻ｔ１と時刻ｔ３の信号を捕らえることができるが、時刻ｔ２を直接求めることはできない。

しかし、図３より流路３１の中を流れる流体速度がｔ０からｔ１までの超音波直接波と、ｔ２からｔ３までの同方向の反射波とは、伝搬時間が変化するほど高速に変動していない場合は、この２つの伝搬時間同士をＴ１として等しいと置くことができる。

全体の時間Ｔ３から２倍のＴ１分を減算すると、反対波となる下流から上流への伝搬時間Ｔ２を求めることが可能である。この動作が基本であるが、本実施の形態では直接波を利用せずに反射波だけで伝搬時間を求める。

流れのある場合を図４で説明する。図４において、流体の流れ方向は、左から右に向かっている。制御手段３９による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに、送信手段３４を介して第１の振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は、流路３１内を伝搬し、時刻ｔ１’で第２の振動子３３に到達する。

この場合、超音波信号は流体の流れに沿っているため、図３の時刻ｔ１より早く第２の振動子に到達する。ここで反射した超音波伝搬信号は、時刻ｔ２’で第１の振動子３２に到達するが、この伝搬時間は流体の流れに対向しているため、図３のｔ１からｔ２までの時間より長くかかっている。これが下流から上流への伝搬時間であるが、直接この時間を測定することは出来ない。同様に第１の振動子３２で反射した超音波は、第２の振動子３３の方向へ伝搬する。これが最初の直接伝搬と同じ方向になり、全体の伝搬時間Ｔ３ａは受信手段３５を介して計時手段３７で計測する。

計時手段３６で求めたＴ３ａは次のような関係になっている。

２＊Ｔ１ａ＋Ｔ２ａ＝Ｔ３ａ・・・・・・・・（式５）
さらに、切換手段３８を用いて送信側振動子を第２の振動子３３、受信側振動子を第１の振動子３２とする。動作を図５に示す。送信側が下流に設置されているため伝搬時間Ｔ１ｂは図４のＴ１ａより長くなる。同様に反射波の時間Ｔ２ｂはＴ２ａより短くなる。Ｔ２ｂを直接求めることはできないが計時手段３６で求めたＴ３ｂは次のような関係になっている。

２＊Ｔ２ｂ＋Ｔ１ｂ＝Ｔ３ｂ・・・・・・・・（式６）
切換手段３８の動作前後の平均流速を求める際、急激な流速変化が無いと仮定すると次の式が成り立つ。

Ｔ１ａ＝Ｔ１ｂ＝Ｔ１・・・・・・・・・・・（式７）
Ｔ２ａ＝Ｔ２ｂ＝Ｔ２・・・・・・・・・・・（式８）
（式７）、（式８）を（式５）、（式６）に代入すると次のようになる。

２＊Ｔ１＋Ｔ２＝Ｔ３ａ・・・・・・・・・・（式５’）
２＊Ｔ２＋Ｔ１＝Ｔ３ｂ・・・・・・・・・・（式６’）
（式５’）と（式６’）を辺同士加えて整理すると次のようになる。

Ｔ１＋Ｔ２＝（Ｔ３ａ＋Ｔ３ｂ）／３・・・・（式７）
（式５’）−（式７）よりＴ１を求めることができる。

Ｔ１＝（２＊Ｔ３ａ−Ｔ３ｂ）／３・・・・・（式８）
また、（式５’）−（式７）よりＴ２を求めることができる。

Ｔ２＝（２＊Ｔ３ｂ−Ｔ３ａ）／３・・・・・（式９）
Ｔ１をｔ１、Ｔ２をｔ２として（式４）に代入することで、流速ｖを求めることができる。流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

なお、本実施の形態の説明では反射波は２回反射を基にしているが、これに限定されるものではなく、４回、６回の反射波を用いても同様の関係は導くことができる。

このように、切換手段３９を動作する前後で振動子３２，３３間で少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段の計時値に基づいて流量を算出する。切換手段３８の前に上流から下流方向への伝搬時間のみを求め、切換手段３８の動作後に下流から上流方向への伝搬時間を求めるのでは切換前後で測定しているものに偏りが発生する。

それに対して、Ｔ３ａ，Ｔ３ｂの時間情報にはおのおの伝搬方向の対となる情報が含まれている。このためＴ３ａ，Ｔ３ｂよりＴ１，Ｔ２を求めることは切換手段３８の動作前後の対となる伝搬方向の到達時間をおのおの含んでいるため、情報に欠損が無く正確な流速を求めることが可能になる。

これによって、振動子の切換え動作の前後で測定する伝搬時間には伝搬方向の対となる情報が含まれることから、切換動作前後の時間経過が発生しても精度良く平均的な流速を求めることができる。

また、伝搬到達時間を求める際に受信波のどこをもって到達とするのかは、例えば図６で示すように、ある基準電圧Ｖｒｅｆを越えた波形のゼロクロス点ｔａを利用することが多い。またｔａ一点を用いるのでは無くｔａ，ｔｂ，ｔｃ，ｔｄの４点の平均を用いるようにすることも可能である。第１の振動子３２から第２の振動子３３に直接伝搬してくる超音波波形は、図７（ａ）のように振幅がＡ１である場合、２回反射して第２の振動子３３へ到達する信号は減衰するので、図７（ｂ）のように振幅がＡ０と小さくなっている。この場合、受信手段３５で受信点ｔａを求めることができなくなる可能性がある。図８を用いてこれを回避する方法を説明する。

制御手段３９は、計時手段３６で直接伝搬波を受信したことを検知すると、利得変更手段４２を介して受信手段３５の前段にある増幅手段４３の利得を大きくする。例えば図７（ｂ）の反射波の振幅Ａ０が、Ａ１にまで大きくなるようにする。そうすることで本来なら減衰して捕捉することが難しい反射を増幅して受信点として計時手段３６で反射波による伝搬時間計測を可能にする。制御手段３９は、計時手段３６もしくは流量演算手段３７の信号により反射波が到達したことを検知すると次の直接波を受信するために利得を最初の状態にもどしておくよう利得変更手段４２を介して増幅手段４３の状態を調整する。

このように、利得変更手段を有することにより、反射で振幅の小さくなった伝搬信号を正しく捕らえることが可能になる。

制御手段３９は、切換手段３８の動作により送受信方向が反転しているため、各送信方向について増幅手段４３の利得を持つことでさらに調整をすることができ反射により振幅が小さくなった信号を精度よく捕捉することが可能になる。

また、反射波の伝搬到達時間を求める際に、反射波の振幅を増幅手段４３で大きくして
も直接波の波形とまったく同じになることは期待できない。このため同じ振幅Ａ１にしても、基準電圧Ｖｒｅｆを調整する必要がでてくる。

制御手段３９は、計時手段３６で直接伝搬波を受信したことを検知すると、利得変更手段４２を介して受信手段３５の前段にある増幅手段４３の利得を大きくするとともに、参照電圧変更手段４４を介して、受信手段３５の増幅手段４３後段にある比較手段４５の比較電圧を調整する。この調整は、本来反射波が到達する時間を予測し制御手段３９が自動的に求める場合や、予め実験などで求めた値を記憶しておきその値を入れ替えながら調整する場合が可能である。

そうすることで、本来なら減衰して捕捉することが難しい反射を増幅するとともに、参照電圧を調節することで波形形状が変化しても受信点として計時手段３６で反射波による伝搬時間計測を可能にする。制御手段３９は、計時手段３６もしくは流量演算手段３７の信号により、反射波が到達したことを検知すると、次の直接波を受信するために、参照電圧を最初の状態にもどしておくよう、参照電圧変更手段４４を介して比較手段４５の状態を調整する。

このように、反射波を受信するために受信手段３５の参照電圧を変化する参照電圧変更手段４４を有することにより、反射で振幅の小さくなった伝搬信号の受信点を正しく捕捉することが可能になる。

制御手段３９は、切換手段３８の動作により送受信方向が反転しているため、各送信方向について比較手段４５の参照電圧を持つことでさらに調整をすることができ、反射により振幅が小さくなった信号を精度よく捕捉することが可能になる。

また、図３のＴ１とＴ３からＴ２を求める方法は、反射波時刻ｔ２からｔ３の伝搬時間が時刻ｔ０からｔ１を等しいとしている。しかし受信手段３５の利得を変化したり、反射波の波形そのものが変形したりすると、この前提を補正する必要がでてくる。そこで演算から求めたＴ２がＴ１に近くなった場合（流速がほぼ０になった場合）に、流量演算手段３７が制御手段３９に信号を出し、制御手段は流速がほぼ無くなった場合に流量演算手段３７で用いる式４の係数Ｌ／２＊ｃｏｓφに補正を行うことにより、誤差を小さくする演算が可能なように調整する。この調整は、自動で行ったり予め求めた値を記憶しておいたり、その値を入れ替えながら調整することで実現できる。

また、外部から流路３１を閉止して、強制的に流速をゼロにし調整することも可能である。その場合は、流量ゼロであることを制御手段に通信手段などで入力するとより、精度を高めることが可能になる。この場合、切換手段３８を動作して送受信方向を反転し、各送信方向について流量演算手段３７で用いる（式４）の係数を補正することができる。

このように、流量演算手段３７の出力または外部信号により、流量が無い時に計時手段３６の出力信号を用いて流量演算手段３７の演算係数の補正を行う演算補正手段を有することで、反射波による誤差を流量の無い時に調整することが可能になる。

また、図４と図５のようにして求めるＴ３ａとＴ３ｂの差が小さくなってくると、流速がほぼ０になっている。この場合は、流速を求める際にわざわざ切換手段３８を用いて送信方向を切換えてまで伝搬時間を測定するのは動作時間が長くなり、省電力の観点からも無駄が多い。そこで、計測時間を短くする方法を説明する。Ｔ３ａとＴ３ｂが予め定めた値以下になると流速が遅くなりほとんど流量が無いため切換手段３８を固定して上流側の振動子を送信側にする。動作を図３を用いて説明する。

制御手段３９による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに、送信手段３４を介して上流側の第１の振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は、流路３１内を伝搬し、時刻ｔ１で下流側の第２の振動子３３に到達し、受信手段３５で受信点を検知すると信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。計時手段３６は、送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から、直接超音波の伝搬波が第２の振動子３３に到達し受信手段３５を介してその伝搬時間を測定する。これで上流から下流への伝搬時間を求めることができる。

超音波の伝搬は下流側の第２の振動子３３に到達すると、そこで反射し上流側の第１の振動子３２の方向へ伝搬する。これが、下流から上流への超音波の伝搬になる。上流側の第１の振動子３２に到達した伝搬信号は、同様にそこで反射し、下流側の第２の振動子３３方向で伝搬する。これが最初の直接の超音波伝搬と同じ方向になる。図３において、ｔ０で第１の振動子（送信側振動子）３２から超音波信号が送出される。流路内を伝搬した超音波信号は時刻ｔ１で第２の振動子（受信側振動子）３３に到達する。反射した超音波信号は時刻ｔ２で第１の振動子３２に戻り、再度そこで反射して時刻ｔ３で第２の振動子３３に到達する。

受信側の第２の振動子３３の出力は、受信手段３５に接続されているため、時刻ｔ１と時刻ｔ３の信号を捕らえることができるが、時刻ｔ２を直接求めることはできない。しかし、図３より流路３１の中を流れる流体速度が、ｔ０からｔ１までの超音波直接波とｔ２からｔ３までの同方向の反射波とが、伝搬時間が変化するほど高速に変動していない場合は、この２つの伝搬時間同士をＴ１として等しいと置くことができる。全体の時間Ｔ３から２倍のＴ１分を減算すると、反対波となる下流から上流への伝搬時間Ｔ２を求めることが可能である。計時手段３６で直接波の伝搬時間Ｔ１と反射波を含んだ伝搬時間Ｔ３とを計測する。計時手段３６で求めたＴ１とＴ３とを流量演算手段３７に送ることで（式１０）からＴ２を求めることができる。

Ｔ２＝Ｔ３−２＊Ｔ１ ・・・・・・・・（式１０）
Ｔ１をｔ１、Ｔ２をｔ２として（式４）へ代入することで、流速ｖを求めることができる。流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

なお、本実施の形態の説明では反射波は２回反射を基にしているが、これに限定されるものではなく、４回、６回の反射波を用いても同様の関係は導くことができる。

このように、直接振動子３２，３３間を伝搬した時間と振動子３２，３３間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間とを用いて流量を算出することにより、振動子３２，３３を切換手段３８で切換えて送受信動作を行う必要が無く、相対する伝搬時間を求めることができ、これにより流速を求めることが可能になる。切換手段３８を固定する場合、流量が少しでもある場合は、下流から送信するより、上流から送信する方が反射までふくめたＴ３の時間が短くてすむ。

このため流量が無い時に、計時手段の出力で、伝搬時間が短い方である上流側を優先して送信側振動子を固定する送信方向指定手段を有することにより、伝搬時間計測の動作時間を短くして省電力動作が可能になる。

また、上記に示したように切換手段３８を動作させずに、流量が少ない時は送信側振動子を固定し、受信側振動子で直接波と反射波を用いることにより、流速を求めることは可能である。しかし、より精度の高い計測を行うには切換手段３８を切換ることにより双方向からの送信による時間計測を求めた方が良い。図９を用いて説明する。

そこで、制御手段３９の内部にある主制御手段３９ａは、計時手段３６からの信号により伝搬時間の情報を得ている。その伝搬時間の精度を良くしたい場合は、精度要求手段４６を介して切換手段３８を動作するようにする。切換手段３８を動作する場合は、その情報を流量演算手段３７に送り、Ｔ３ａ，Ｔ３ｂを用いて流速、流量を求めるようにする。通常は省電力を考慮すると、精度要求手段４６は切換手段３８を固定して、例えば上流側を送信側振動子にして直接波と反射波より（式１０）を用いて計測するようにできる。

このように、精度を要求される場合は切換手段３８を動作し、伝搬時間を計測する精度要求手段４６を有することにより、計測精度を良くするとともに省電力動作が可能になる。

また、切換手段３８の後段にある受信手段３５は、その配置により第１の振動子３２と第２の振動子３３からの信号伝搬距離（経路）が等しくなかったり、経年変化などによって受信特性に変化が生じたりする可能性がある。伝搬時間を精度良く測定しようとしている際に受信手段３５の感度違いや経路違いなどで時間遅延が発生すると、例えば流速が無い場合でも時間差があることにより流れがあるように演算してしまうことがある。

そこで、図１０に示すように、受信切換手段４７を設け、受信手段３５も少なくとも２つ以上備えるようにする。そして、例えば第２の振動子３３が受信側振動子の場合に、受信切換手段４７が第１の受信手段３５ａを受信手段３５として選択して振動子信号を送り、受信を検知するとその信号を計時手段３６に送る。

次に、送信手段３４から送信波が出て、再度第２の振動子３３が受信側振動子の場合、受信切換手段４７が第２の受信手段３５ｂを選択し同様に受信点を検知する。受信手段３５を切換るのは、制御手段３９が単なる交互切換や２回連続した後に１回だけ切換るなどの受信系の特性をなるべく平準化するように調整する。送信側振動子を第２の振動子３３にした場合も同様に、制御手段３９が受信切換手段４７を制御して、特定の受信手段３５に信号が偏らないように経路を調整する。

このように少なくとも２つの受信手段３５を切換えて振動子に固定した受信手段３５を接続しないように動作する受信切換手段４７を有することで、受信手段３５への配線経路遅延などがある場合でも送受信を切換えた際に受信手段３５も偏らないように切換え、遅延誤差を平準化することが可能になる。平準化することで、経路差による遅延時間などから生じる流速のオフセット等を小さくすることが可能になる。

（実施の形態２）
実施の形態２に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。実施の形態１と異なるところは、制御手段３９に計測時間調整手段４８を設けていることである。図１、図３、図４、図５および図１１を用いて動作を説明する。

流れが無い場合の伝搬時間測定は、図３に示すように、Ｔ３が切換手段３８を切換え、送信および受信側の振動子を反対にしても同じである。流れがある場合には、図４、図５のように、Ｔ３ａとＴ３ｂが異なる時間になる。流速が小さくなってくると、Ｔ３ａとＴ３ｂの値は段々と近づいてくる。そこで、計時手段３６もしくは流量演算手段３７からの信号で制御手段３９が信号差（時間差）が予め定めた値より小さい場合はほとんど流速が無いと判断する。そしてこのような場合は頻繁に計測しても大きな変化のあることは少ないため計測時間調整手段４８を介して送信手段３４に送信する時間間隔を長くするように調整する。

例えば通常は１秒毎に制御手段３９が送信手段３４に対して駆動信号を出し流速計測をしていたものがＴ３ａとＴ３ｂの差がある一定値より小さくなると５秒毎の計測に変化する。また５秒毎の計測でも差が大きくならないことが継続する場合はさらに計測時間間隔を広くすることを可能にしておく。

このように制御手段３９で計時手段３６の信号差が予め定めた値より小さい場合に計測時間間隔を調節する計測時間調整手段４８を有することで流量が少ない場合に測定間隔を長くして計測動作回数を少なくし省電力動作を可能にする。

また、反対に反射波を含む伝搬時間Ｔ３ａとＴ３ｂの差が、急に大きくなるような場合がある。これは、流路３１の下流側で急激な流体の使用が発生した場合である。このような場合は、通常の伝搬時間計測の間隔で動作していると、流速が頻繁に変化しているのを計測できない場合がある。そして、その流速変化の差を検出できない場合は積算流量を計測しているような場合には、大きな積算誤差となる。

そこで、計時手段３６もしくは流量演算手段３７からの信号で、制御手段３９は、信号差（時間差）が予め定めた値より大きい場合、流速が大きくその変化度合いが激しくなる可能性も大きい判断する。そしてこのような場合は、計測間隔を短くして頻繁に計測し、大きな変化を正しく検出する必要がある。制御手段３９は、第２の計測時間調整手段４９を介して、送信手段３４に送信する時間間隔を短くするように調整する。例えば通常は１秒毎に、制御手段３９が送信手段３４に対して駆動信号を出し流速計測をしていたものが、Ｔ３ａとＴ３ｂとの差がある一定値より大きくなると、第２の計測時間調整手段４９を介して０．５秒毎の計測に変化する。

このように、制御手段３９で計時手段３６の信号差が予め定めた値より大きい場合に、計測時間間隔を調節する第２の計測時間調整手段４９を有することで、流量が多い場合に測定間隔を短くして計測回数を多くし、流速変化を正確に測定することが可能になる。

（実施の形態３）
実施の形態３に関する本発明の流速または流量計測装置について説明する。実施の形態１と異なるところは、振動子３２，３３や送信手段３４、受信手段３５、第１の計時手段３６、流量演算手段３７と切換手段３８のうちの少なくとも１つを制御する制御手段３９の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体５０を用いていることである。

図４において、実施の形態１で示した制御手段３９の動作を行うには、予め実験等により（式４）の補正係数を求めておいたり、経年変化、温度変化、システムの安定度に関して動作タイミングなどの相関を求めたりして、ソフトをプログラムとして記憶媒体５０に格納しておく。通常、マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと、利用が便利である。

切換手段３８の動作により送受信の方向が変化するため、条件設定などの個数が増加してくるが、これをコンピュータによる動作で調整すると容易に実現可能である。このように、制御手段３９の動作をプログラムで行うことができるようになると、流量演算の補正係数の条件設定、変更や計測間隔の調整などが容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるため、よりフレキシブルに流速または流量計測の精度向上を行うことができる。なお、本実施の形態において、制御手段３９以外の動作もマイコン等によりプログラムで行ってもよい。

これにより制御手段３９として、コンピュータを機能させるためのプログラムを有する
構成としたもので、測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。

また、図１２に示すように、受信手段３５で直接波、反射波を受信した後、繰返し手段４１を介して、送信手段３４で再度第１の振動子を駆動し、送受信を繰り返すことも可能である。そして、予め定めた回数繰返した後、求めた直接波伝搬時間と反射波伝搬時間との平均を求めることでより、精度の良い流速演算を行うことが可能である。

また、図１３に示すように、遅延手段４２を用いると、ｎ回反射が残響として残っている場合でもその影響の無い時間に送受信を繰り返すことが可能になる。

以上のように、本発明にかかる流速または流量計測装置は、切換手段を用いて送信側振動子と受信側振動子を切換え、受信手段の出力より振動子間を少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段の計時値に基づいて流量を算出するものである。

これによって、振動子の切換え動作の前後で測定する伝搬時間には伝搬方向の対となる情報が含まれることから、切換動作前後の時間経過が発生しても精度よく流速、流量演算結果を求めることができ、気体の流量計として家庭用・工業用ガスメータや、液体の流量計として水道メータ等の用途に適用できる。

本発明の流速または流量計測装置の全体ブロック図 （ａ）同計測装置における計測制御手段の動作を示すタイミング図（ｂ）同計測装置における送信波の動作を示すタイミング図（ｃ）同計測装置における受信波および反射波の動作を示すタイミング図 同計測装置における伝搬動作を示すタイミング図 同計測装置における伝搬動作を示すタイミング図 同計測装置における伝搬動作を示すタイミング図 同計測装置における受信波を示すタイミング図 （ａ）同計測装置における受信波を示すタイミング図（ｂ）同計測装置における反射波を示すタイミング図 同計測装置における制御手段周辺を示すブロック図 同計測装置における制御手段周辺を示すブロック図 本発明の流速または流量計測装置他の動作を示す全体ブロック図 同計測装置における制御手段周辺を示すブロック図 本発明の他の動作を示す計測装置の全体ブロック図 本発明の他の動作を示す計測装置の全体ブロック図 従来の流量計測装置の全体ブロック図

符号の説明

３１ 流路
３２ 第１の振動子
３３ 第２の振動子
３４ 送信手段
３５ 受信手段
３６ 計時手段
３７ 流量演算手段
３８ 切換手段
３９ 制御手段
４２ 利得変更手段
４３ 増幅手段
４４ 参照電圧変更手段
４５ 比較手段
４６ 精度要求手段
４７ 受信切換手段
４８ 計測時間調整手段
４９ 第２の計測時間調整手段
５０ 記憶媒体

Claims (10)

1. 被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、前記送信側振動子を駆動する送信手段と、前記受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記振動子の送受信を切換える切換手段と、前記振動子間で少なくとも２回反射した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時値に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記振動子と前記送信手段と前記受信手段と前記計時手段と前記流量演算手段のうち少なくとも１つを制御する制御手段とを備えた流速または流量計測装置。
2. 制御手段は、反射波を受信するために受信手段の利得を変化させる利得変更手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
3. 制御手段は、反射波を受信するために受信手段の参照電圧を変化させる参照電圧変更手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
4. 制御手段は、流量演算手段の出力または外部信号により、流量が無い時に計時手段の出力信号を用いて流量演算手段の演算係数の補正を行う演算補正手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
5. 制御手段は、流量演算手段の出力または外部信号により、流量が無い時に計時手段の出力で伝搬時間が短い方を優先して送信側振動子の切換えを固定する送信方向指定手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
6. 制御手段は、流量の大小に関わらず精度を要求される場合は切換手段を動作し、伝搬時間を計測する精度要求手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
7. 制御手段は、切換手段を動作させる場合に少なくとも２つの受信手段を切換えて振動子に固定した受信手段を接続しないように動作する受信切換手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
8. 制御手段は、計時手段の信号差が予め定めた値より小さい場合に計測時間間隔を調節する計測時間調整手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
9. 制御手段は、計時手段の信号差が予め定めた値より大きい場合に計測時間間隔を調節する第２の計測時間調整手段を有する請求項１記載の流速または流量計測装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項記載の流速または流量計測装置の制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

Images