JP2008185441A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の超音波流量計は、温度や流量によって振幅が変化する受信信号を一定のレベルにするために増幅度を可変するので電力消費大や増幅度調整と測定が同時に行えないので計測精度が低下するという課題がある。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するために、受信手段５からの信号に、伝播時間を計るための受信点を設定する受信点設定手段２１と、波数をカウントする波数カウント手段２２と、判断手段Ａ２３を備え、受信点設定手段２１で設定された受信点と、受信手段５からの信号の波数とを判断手段Ａ２３で関係付けるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に超音波によって流量を計測する装置に関するものである。

従来の超音波流量計としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。

図８は、特許文献１に記載されている従来の超音波流量計の第１の実施例を示す制御ブロック図である。

図８において、流体管路１０４（流路とも呼ぶ）の途中に、超音波を発信する第１振動子１０５（超音波センサとも呼ぶ）と、受信する第２振動子１０６とが、流れ方向に配置されている。１０７は第１振動子１０５への発信回路、１０８は第２振動子１０６で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路１０９で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段１１０で求め、その超音波伝幡時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して、流量演算手段１１１で流量値を求め、この流量演算手段１１１の値によって発信回路１０７のトリガ手段１１３への信号送出のタイミングを調節する。

次に、その動作について述べる。トリガ手段１１３から発信回路１０７よりバースト信号が送出され第１振動子１０５で発信された超音波信号は、流れの中を伝幡して第２振動子１０６で受信され増幅回路１０８と比較回路１０９で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段１１０で計測する。

静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れに対して順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子１０５と１０６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間Ｔは、
Ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ） （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／Ｔ−ｃ）／ＣＯＳφ （２）
となり、Ｌとφが既知ならＴを計測すれば流速ｖが求められる。この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳｖ （３）
となる。

図９は、特許文献１に記載されている従来の超音波流量計の第４の実施例を示す制御ブロック図であり、発信から受信を繰り返し手段１１５によって繰り返し設定手段１１６で設定された回数だけ繰り返し、さらに発振と受信の切り換えを切換手段１１７で行った後、同様に繰り返しを行う。すなわち発振回路１０７によって第１振動子１０５から超音波が発生し、この超音波を第２振動子１０６で受信し、増幅回路１０８を介し比較回路１０９に到達すると繰り返し手段１１６で再びトリガ手段１１３で発信回路１０７をトリガする。

この繰り返しは繰り返し設定手段１１５で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段１１０で計測する。しかる後、切換手段１１７により第１振動子１０５と第２振動子１０６の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子１０６から第１振動子１０５に向かって超音波を発信し前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段１１１で流量値を演算する。

静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れに対しての順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。振動子１０５と１０６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ×Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ） （４）
Ｔ２＝ｎ×Ｌ／（ｃ−ｖＣＯＳφ） （５）
となり、（４）、（５）式より
ｖ＝（ｎ×Ｌ／２ＣＯＳφ）×（（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）） （６）
となり、Ｌとφが既知なら繰り返し時間Ｔ１，Ｔ２を計測すれば、流速ｖが求められる。しかしながら、繰り返し時間Ｔ１，Ｔ２の差は流量が小さくかつ繰り返し回数が少ない時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、計測回数を多く設定し誤差を比較的小さくして、流量が大きくなると（Ｔ１−Ｔ２）の差も大きくなるので計測が容易になり、その場合には繰り返し設定の回数を小さくしてサンプリング間隔を速くして誤差を小さくする。

すなわち、流量演算手段１１１によって繰り返し設定手段１１５の回数を変更する。この方法は、シングアラウンド方式と呼ばれることがある。ここで、もう少しシングアラウンド方式を、図１０に示すようなシステムで詳しく述べることにする。

図１０は、流体の流れる流路１２０に２つの超音波センサＡ１２１と超音波センサＢ１２２が、流路に対して角度φで配置されている。今、超音波センサＡ１２１から送信した超音波を、超音波センサＢ１２２で受信し、その超音波の伝播時間をシングアラウンド方法で計測する。流体の流れは矢印の方向で流速Ｖである。

図１１（ａ）は、超音波センサＡ１２１への送信信号である。例えば、送信信号は超音波センサＡ１２１の共振周波数に近い５００ｋＨｚパルスの３波で構成される。与えられるパルスは３波であるが、これにより生じる超音波センサＡ１２１の機械振動は、３波以上継続して発生し、それが超音波となって流路１０４内の流体を伝播して、超音波センサＢ１２２で受信される。

図１１（ｂ）は、超音波センサＢ１２２の受信信号である。超音波センサＢ１２２の受信信号は、複数の波数を持つ波となっており、受信直後から振幅が増大し、同図では４波目で振幅が最大となり、その後減衰する。さらにその後、振幅は増大と減衰を繰り返しながら消滅していく。図１１（ｃ）は、計時手段１１０のパルスを示したタイミングチャートである。計時手段１１０は例えば、水晶発振子のように時間精度のよい素子を用いて得られたパルスが用いられる。

受信波形の検出について図１２を用いて詳細に説明する。図１２（ａ）は受信波形を示しており、受信の検出は、例えば受信波形の第２波と第３波のピーク値のおよそ中間になるような閾値（図では「ＬＥＶＥＬ１」と記載）を設け、この閾値を超えた信号があることで、それを受信信号とみなす。閾値は例えば基準値（図では「ＲＥＦ１」と記載）と第１波の中間や、第２波と第３波の中間にもうけることも可能ではあるが、閾値が低いため基準値に重畳するノイズを受信波と誤判断する確立が増えることになるので好ましくない。

閾値を超えた波形がくると受信波形と判断し、次にこの受信波形が基準値と交わるポイントＰ１を検出ポイントとする。送信信号から検出ポイントまでを計時手段１１０を用いて計測する。図では、計時手段１１０として水晶発振子で得られる時間精度の優れたパルス（図１２（ｂ））を用いている。実際の受信ポイントは同図で示される（ＰＴ）である
ので、（ＰＴ）から第３波（同図の（Ｎｏ．３）で示される）までの時間は固定値（ＴＨ）として扱い、検出ポイント（Ｐ１）までの時間からこの固定値を差し引いて超音波の伝播時間を求める。

図１１に戻って、シングアラウンドによる計測方法について説明する。図１１（ａ）において、超音波センサＡ１２１へ１回目の送信信号（５００ｋＨｚパルスの３波で、同図では「１ｓｔ−Ｓ」と記載している）を与えると、図１１（ｂ）に示されるように、超音波の伝播時間Ｔ１後に超音波センサＢ２２が受信する。受信波は同図で「１ｓｔ−Ｒ」と記載している。受信波の第２波と第３波との中間に設定された閾値により受信を検出したすぐ後の基準値と交わる点（検出ポイント（Ｐ１））を検出する。

検出ポイントから定められた既知の時間である遅延時間ＴＤ後に、再び２回目の送信信号（２ｎｄ−Ｓ）を超音波センサＡ１２１に与える。このような動作をｎ回繰り返す。これをシングアラウンドの回数がｎ回であると呼ぶ。１回目の送信からｎ回後の検出ポイント（Ｐｎ）までに含まれるパルス数Ｎ_Ｃをカウントする。パルスの１周期がＴ（秒）とし、また、実際の受信ポイントＰＴから第３波までの時間は固定値ＴＨとして扱うと、全体の計測時間は式（７）のようになる。

Ｎ_Ｃ・Ｔ＝Ｔ_１＋Ｔ_２・・・＋Ｔ_ｎ＋ｎ・ＴＨ＋（ｎ−１）・Ｔ_Ｄ （７）
従って、平均的な超音波の伝播時間ＴＡＶＧは次式のようになる。

Ｔ_ＡＶＧ＝（Ｔ_１＋Ｔ_２・・・＋Ｔ_ｎ＋ｎ・ＴＨ）／ｎ
＝（Ｎ_Ｃ・Ｔ−ｎ・ＴＨ−（ｎ−１）・Ｔ_Ｄ）／ｎ
＝Ｎ_Ｃ・Ｔ／ｎ−ＴＨ−（ｎ−１）・Ｔ_Ｄ／ｎ （８）
式（８）右辺第１項のＴ／ｎはパルスの周期がシングアラウンド回数ｎで割られているので、見かけのうえでは周期Ｔのパルスが周期Ｔ／ｎになり、時間分解能が細かくなっている。このように周期Ｔのパルスを使用して時間分解能をＴ／ｎにする計測手法がシングアラウンドである。

超音波センサＢ１２２の受信波形は、流量によってその大きさが変化する。超音波センサＢ１２２の受信信号は複数の波数を持つ波となっており、受信直後から振幅が増大し、例えば４波目で振幅が最大となり、その後減衰する。さらにその後、振幅は増大と減衰を繰り返しながら消滅していくような形を有する。

流路１２０内を伝播する超音波の一部は、流路１２０側壁に衝突して反射するので、超音波センサＢ１２２で受信される超音波はさまざまな位相の超音波の合成波となる。このためその位相関係が流速により変化するので、最大振幅は流速によって変化する。また、最大振幅となる波数も変化する。

流路１２０に２つの超音波センサＡ１２１，超音波センサＢ１２２を設け、一方の超音波センサＡ１２１から送信した超音波をもう一方の超音波センサＢ１２２で受信し、超音波の伝播時間Ｔ１を求め、さらに、送信と受信の超音波センサ１２１，１２２を反対にして伝播時間Ｔ２を求め、Ｔ１およびＴ２の時間差から流量を求める方式においては、流速や温度により超音波センサＡ１２１で受信した場合の受信波の最大振幅と、超音波センサＢ１２２で受信した場合の受信波の最大振幅とは異なるものとなる。

受信用の超音波センサからの信号がある電圧ＶＡに達すると、それは受信波であると判断する場合、流量によって最大振幅の変化が生じると、固定された電圧ＶＡでは受信の判断が困難になることがある。これについて図１３を用いて説明する。図１３（ａ―１），（ａ―２）は超音波センサＡ１２１から送信された超音波を超音波センサＢ１２２で受信
する場合のタイミングチャートで、図１３（ａ―１）は、超音波センサＡ１２１に与えられる送信信号、図１３（ａ―２）は超音波センサＢ１２２の受信信号である。

電圧ＶＡは受信を検知するために設けられた閾値で、電圧（ＶＡ）を超える３波目の受信電圧（同図では「３ｒｄ」と記載）を検知した後の受信信号と基準値（ＲＥＦ）の交わる点（ＰＡ）を受信点として、伝播時間Ｔ１を求める。図１３（ｂ―１），（ｂ―２）は超音波センサＢ１２２から送信された超音波を超音波センサＡで受信する場合のタイミングチャートで、図１３（ｂ―１）は、超音波センサＢ１２２に与えられる送信信号、図１３（ｂ―２）は超音波センサＡ１２１の受信信号である。

図１３（ａ―２）と図１３（ｂ―２）とを比べると、流速があるために伝播時間がことなり、かつ、最大振幅の大きさも異なっている。このため図１３（ｂ―２）では、電圧（ＶＡ）で検知される波数は４波目（図１３では「４ｔｈ」と記載）になっている。このようになると時間差｜Ｔ１−Ｔ２｜は、受信波形の一周期分の誤差を含むことになり、これは大きな誤差となる。

そこで、超音波センサからの信号を増幅器で増幅する場合に、あらかじめ最大振幅がある範囲内に入るように増幅器の増幅度を調整する。増幅度が調整された後、伝播時間を求める計測を行う。しかしながら、増幅器からの出力信号の位相遅れ（時間遅れ）は、増幅度によって変化する。このため、流速により超音波センサＡ１２１で受信した場合の受信波の最大振幅と、超音波センサＢ１２２で受信した場合の受信波の最大振幅とが異なる場合、増幅器の増幅度はそれぞれ異なり、これにより位相遅れ（時間遅れ）が異なるようになる。この影響が伝播時間Ｔ１およびＴ２に影響し、流量計測値の誤差となる課題がある。
特開平８−１２２１１７号公報

前述のように、超音波センサからの信号を増幅器で増幅する場合に、あらかじめ最大振幅がある範囲内に入るように増幅器の増幅度を調整することが必要で、この調整の際にも電力消費が当然なされるので無駄であるという課題がある。

増幅器の増幅度を調整と、超音波の伝播時間を求める計測とは同時にできないので、超音波センサからの受信信号の状態が、増幅度が調整されたときの状態と、伝播時間を求める計測のときの状態とで必ず一致するとは限らないという課題がある。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、流体が通る流路と、前記流路内の流体に超音波を送信する送信側超音波センサと、前記流体内を伝播した超音波を受信する受信側超音波センサと、前記送信側超音波センサに信号を送信する送信手段と、前記受信側超音波センサから信号を受信する受信手段と、送信から受信までの時間を計る時間計測手段と、前記受信手段からの信号に伝播時間を計測するための受信点を設定する受信点設定手段と、前記受信手段からの信号の波数をカウントする波数カウント手段と、前記受信点設定手段で設定された受信点と前記受信手段からの信号の波数とを関係付ける判断手段とを備える。

これにより、超音波センサの受信波形が、流量や温度によってその大きさが変化しても、増幅回路からの出力が一定になるように、増幅度を変更する必要がなくなるので、増幅回路の位相遅れを一定にすることができ、計測誤差を低減することができる。

本発明の超音波流量計は、受信信号の大きさが変化する場合でも、回路の増幅度を一定のままで扱うことができ、計測誤差が低減できる効果がある。

第１の発明は、流体が通る流路と、前記流路内の流体に超音波を送信する送信側超音波センサと、前記流体内を伝播した超音波を受信する受信側超音波センサと、前記送信側超音波センサに信号を送信する送信手段と、前記受信側超音波センサから信号を受信する受信手段と、送信から受信までの時間を計る時間計測手段と、前記受信手段からの信号に伝播時間を計測するための受信点を設定する受信点設定手段と、前記受信手段からの信号の波数をカウントする波数カウント手段と、前記受信点設定手段で設定された受信点と前記受信手段からの信号の波数とを関係付ける判断手段とを備える。

そして、受信点設定手段で設定された受信点と、受信手段からの信号の波数とを判断手段で関係付けるようにすることにより、受信点が正しい受信波によって得られたものか、外乱によって得られたものかを区別することができる。

第２の発明は、受信波の最大振幅となるポイントを検知する最大振幅検知手段を備える。

そして、最大振幅検知手段の情報を、判断手段Ａで受信波数を求めるための情報の一つとする。これにより、複数の超音波センサの出力が異なり、一方の超音波センサの受信信号が小さくなり、波数の若い受信波の存在が不明確になった場合でも、流量計測に生じる誤差を少ないものに止めることができる。

第３の発明は、受信点設定手段を、受信信号に重畳させる基準値Ａと、前記基準値Ａと受信信号とを比較する比較手段Ａと、比較手段Ａの信号出力間隔を計る時間計測手段と、前記時間計測手段の結果から比較手段Ａの信号の正誤を判断する判断手段Ｂから構成する。

これにより、回路の温度特性による基準値Ａの変動があっても、その影響を低減することができ、また、受信以前の外乱による比較手段Ａの信号を除去して正しい受信点設定を行うことができる。

第４の発明は、受信検知手段を備え、受信点と受信波数との関係付けを、受信検知手段と受信点設定手段の情報で行うようにする。

受信点設定手段は受信波の第１波目から動作するので、受信点と受信波数との関係付けに活用することができる。

第５の発明は、受信検知手段を基準値Ａとは異なるレベルに設定した基準値Ｂと、前記基準値Ｂと前記受信信号を比較する比較手段Ｂとから構成する。

これにより、比較手段Ｂの外乱による動作が低減され、確実な受信の検知ができる。

第６の発明は、受信手段からの信号に、伝播時間を計測するための受信点を設定する受信点設定手段を備え、前記受信点設定手段は、受信信号の正から負の変化、または負から正への変化のいずれでも受信点の設定を可能とし、また、どちらの変化で設定したかを判別できるようにする。

これにより、受信点設定手段を構成する比較手段のオフセットの影響を低減できるように、計測に用いる受信点の選択ができる。

第７の発明は、受信手段からの信号に、伝播時間を計測するための受信点を設定する受信点設定手段を備え、前記受信点設定手段は、受信点の数を偶数にするようにする。

これにより、受信点設定手段を構成する比較器のオフセット変化の影響を低減でき、計測精度の向上が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態において本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成を示すブロック図である。

流体が導かれる流路１に、超音波センサＡ２と超音波センサＢ３とが、流体の流れを挟んで配置してある。２つの超音波センサ２，３は回路に、電気的に接続されている。回路は超音波センサ２，３に与える送信信号をつくる送信手段４と、超音波センサ２，３からの信号を受信する受信手段５を有する。受信手段５には増幅手段が含まれている。超音波センサＡ（送信側超音波センサ）２から発生された超音波は、超音波センサＢ（受信側超音波センサ）３で受信される。このとき、超音波の伝播に要した時間をＴ１とする。

反対に、超音波センサＢ（送信側超音波センサ）３から発生された超音波を超音波センサＡ（受信側超音波センサ）２で受信する。このとき、超音波の伝播に要した時間をＴ２とする。Ｔ１とＴ２から流体の流量が計算される。従って、超音波センサＡ２と超音波センサＢ３とは、送受信の役割を順番に入れ替える必要がある。そこで、切り替え手段１２で、超音波センサＡ２と超音波センサＢ３の接続を、それぞれ送信手段４と受信手段５とに振り分ける。

受信手段５で受信された受信信号は、時間計測手段６で超音波の伝播時間Ｔ１、Ｔ２を求める処理がなされる。時間計測手段６は基準パルス７と、基準パルスよりも高速なパルス８と、カウンタ９とを有する。

基準パルス７と、高速なパルス８と、受信信号とのタイミングの関係を図２に示す。図２（ａ）から（ｄ）の横軸は時間を示し、すべて時間軸は同じである。また、縦軸は電圧を表すが、それぞれの図で、軸の大きさは異なる。

図２（ａ）は基準パルスで、高精度が得られる水晶発振子を用いる。図２（ｂ）は高速なパルスで、セラミック振動子などのように、短時間で安定な発振に至るが、精度は水晶発振子には劣るものが用いられる。図２（ｃ）は送信手段４からの送信信号である。この信号は、基準パルス７と、調整可能なパルスのスタートに同期している。また、この信号の周波数は超音波センサ２，３の持つ共振周波数に近い周波数が選択される。図２（ｄ）は超音波センサＡ２、または超音波センサＢ３からの信号を受信手段５で受信し、受信手段５から出力された信号で、これを受信信号と呼ぶ。

受信信号の例えば、ポイントＰ１までの調整可能なパルスの数ｎをカウンタ９で数えることで、超音波の伝播時間を計測する。受信点Ｐ０が本来の超音波の到達点であるので、Ｐ１点の値に補正（超音波周波数を、送信信号周波数と等しいとして、送信信号の２．５周期分の値を引く）を加えて、Ｐ０点の値を求める。高速なパルス８の周期は、例えば、基準パルスの半周期（図では「Ｔ（１／２）」と記載している）の期間に高速なパルス８
がいくつ入るかを数えることで得られる。この数える期間ではセラミック振動子の動作は安定している。基準パルス７は高精度な水晶発振子を用いているので、その周期は既知である。

このようにして、超音波センサＡ２から送信して、超音波センサＢ３で受信するまでの伝播時間Ｔ１を求め、次に超音波センサＢ３から送信して、超音波センサＡ２で受信するまでの伝播時間Ｔ２を求めて、両者から１つの流量値を得る。

図３は超音波流量計の構成を示すブロック図で、図３は、受信手段５からの信号に、伝播時間を計測するための受信点（ポイント）を設定する受信点設定手段２１と、波数をカウントする波数カウント手段２２と、判断手段Ａ（判断手段）２３を備え、受信点設定手段２１で設定された受信点と、受信手段５からの受信信号の波数とを判断手段Ａ２３で関係付けるようにしている。

関係付けとは図４の受信信号に示すように、ポイント（受信点）Ｐ１は、３波目（図４ではＮｏ．３と記載）の始め、Ｐ２は３波目の半周期目、Ｐ３は４波目（図４ではＮｏ．４と記載）の始めと言った具合に関係付けることを意味する。関係付けは次のようにして行うことができる。

図５に、超音波センサＡ２から送信し、超音波センサＢ３で受信した場合の受信信号１５と、最大振幅検知手段２４（ピークホールド回路）の出力波形１６と、受信点設定手段２１の出力波形１７を示す。図５に示す受信信号１５を最大振幅検知手段２４（ピークホールド回路）でそのピークを求める。１６の波形がピークホールド波形である。この波形から受信波形のどの波がピークであるかを判断する。

図５の場合は、Ｎｏ．４がピークであると判断する。ただし、この波形が受信から４波目であることは、これだけでは判別できない。しかしながら、受信点設定手段２１の出力は受信直後から出力されるので、受信点設定手段２１の出力波形１７と関係付ければ、受信からの波数が明らかになる。図５では出力波形１７のハイの部分は、最大振幅になるときを含めて４つ（図５では「IV」と記載している）あるので、受信から４波目であることがわかる。

１７は受信点設定手段２１の出力波形でポイントＰ１、Ｐ２・・に対応したタイミングでハイとローを繰り返すパルス出力である。このパルス出力は、ポイントＰ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ９に相当する部分は立ち上がりであり、ポイントＰ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８、に相当する部分は立ち下がりである。これらから例えば、Ｐ３は最大振幅の波で、かつ、立ち上がりに相当するポイント、Ｐ１は最大振幅よりも一つ前の波で、かつ、立ち上がりに相当するポイントといったように関係付けられる。

図６は超音波センサＢ３から送信し、超音波センサＡ２で受信した場合の、受信信号１８と、最大振幅検知手段２４（ピークホールド回路）の出力波形１９と、受信点設定手段２１の出力波形２０を示している。図５と比べて温度や流量の関係で、受信信号の振幅が全体に小さくなっている。このため、ピークホールド回路はＮｏ．１’とＮｏ．２’の波のピークを検知することができず、出力がない状態になっている。

また、受信点設定手段２１も受信点を設定することができずパルス出力がない状態である。ただし、Ｐ３’は最大振幅の波で、かつ、立ち上がりに相当するポイント、Ｐ１’は最大振幅よりも一つ前の波で、かつ、立ち上がりに相当するポイントといったように関係付けられる。そこで図５のときのデータをもとにして、最大振幅の波を４波目と決める。

超音波センサＡ２から送信し、超音波センサＢ３で受信した場合と、超音波センサＢ３から送信し、超音波センサＡ２で受信した場合で、それぞれの受信信号の振幅は温度や流量の関係で変化し、異なったものになるが、最大振幅になる波数が変わることは極めて少ないので、このような決め方をしても実用上は問題とならない。従って、Ｐ１とＰ１’、Ｐ２とＰ２’、Ｐ３とＰ３’、・・・がそれぞれ対応するとして、超音波の伝播時間を求めることができる。

図７は、受信点設定手段２１を示した回路ブロック図である。受信信号には基準値Ａ（第１基準値）２５の直流電圧が重畳される。この直流電圧のレベルは、図５で示される一点破線２５のレベルに相当する。また、基準値Ａ２５が重畳された受信信号は、基準値Ａ２５と比較手段Ａ（第１比較手段）２６で比較される。判断手段Ｂ（正誤判断手段）２８は、比較手段Ａ２６の出力パルス波形（これは図５のパルス波形１７に相当する）の周期がある範囲内であるかを判断し、この範囲外のものは、外乱とみなし計測から除外するようにする。ある範囲とは、超音波センサ２，３に与えられる送信信号の周期に、ある程度の余裕を持たせた値とする。

さらに受信の検知を確固たるものにするために、基準値Ａ２５とは異なる値の基準値Ｂ（第２基準値）３０を設け、これと受信信号とを比較手段Ｂ（第２比較手段）３１で比較する。この基準値Ｂは、図５の２点破線３２で示される。これは、受信信号の確認用であるので、受信信号の何波目で検知するかは重要ではない。比較手段Ａ２６は、受信信号に重畳させる直流電圧なので、受信信号がないときには、わずかな外乱で比較手段Ａ２６が動作する。このため、比較手段Ｂ３１の出力で受信の確認を行い、その情報を判断手段Ｂ２８に伝えて、時間計測時の参考とすることで、外乱の影響を除きやすくすることができる。

比較手段Ａ２６は基準値Ａ２５と、それが重畳された受信信号とを比較するが、比較手段Ａ２６の内部では、温度などにより基準値Ａ２５のレベルよりもずれたレベルで、比較動作がなされることがある。これは、図５の一点破線２５のレベルが上下にずれることと等価的である。仮に、一点破線２５のレベルが上にずれると、送信からポイントＰ１間での時間は、わずかに長くなり、ポイントＰ２間での時間はわずかに短くなる。

従って、一つの受信波形から複数のポイントで超音波の伝播時間を計測する場合は、ポイントの数を偶数にしておくことで、比較手段２６で基準値Ａ２５のレベルよりもずれたレベルで比較動作が行われる場合があっても、送信から受信信号のポイントまでが、長くなる場合と、短くなる場合とが含まれるので、その影響がキャンセルされやすくなる。但し、ポイントの数が偶数であっても、ポイントＰ１とポイントＰ３に相当するデータであっては意味がないので、偶数の各データは隣り合ったものであるか、あるいは、図５で示されるパルス出力１７の立ち上がりと、立ち下りに相当する各ポイントが等しい数だけ含まれるようにすればよい。

以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波センサの受信波形の振幅変化がある場合でも適確な超音波の伝播時間計測が行え、かつ、必要な計測分解能を低消費電力で得ることができるので、広い流量領域にわたり正確な計測が要求される、天然ガスや液化石油ガスの流量を計測する業務用や家庭用の超音波式ガス流量計測装置（ガスメータ）の用途に展開できる。

本発明の超音波流量計の構成を示すブロック図 本発明の超音波流量計の波形図 本発明の超音波流量計の構成を示すブロック図 超音波流量計の波形図 本発明の超音波流量計の波形図 本発明の超音波流量計の波形図 本発明の超音波流量計の構成を示す回路ブロック図 従来の超音波流量計の回路ブロック図 従来の超音波流量計の回路ブロック図 流路と超音波センサの構成を示す構成図 従来の超音波流量計の波形図 従来の超音波流量計の波形図 従来の超音波流量計の波形図

符号の説明

１ 流路
２ 超音波センサＡ（送信側・受信側超音波センサ）
３ 超音波センサＢ（受信側・送信側超音波センサ）
４ 送信手段
５ 受信手段
６ 時間計時手段
７ 基準パルス
８ 高速なパルス
９ カウンタ
１０ 超音波流量計
１１ 超音波
１３ 発振器
１４ スタート制御回路
２１ 受信点設定手段
２２ 波数カウント手段
２３ 判断手段Ａ（判断手段）
２４ 最大波の波数検知手段
２５ 基準値Ａ（第１基準値）
２６ 比較手段Ａ（第１比較手段）
２７ 時間計測手段Ｂ
２８ 判断手段Ｂ（正誤判断手段）
２９ 基準値Ｂ（第２基準値）
３０ 比較手段Ｂ（第２比較手段）

Claims (7)

1. 流体が通る流路と、前記流路内の流体に超音波を送信する送信側超音波センサと、前記流体内を伝播した超音波を受信する受信側超音波センサと、前記送信側超音波センサに信号を送信する送信手段と、前記受信側超音波センサから信号を受信する受信手段と、送信から受信までの時間を計る時間計測手段と、前記受信手段からの信号に伝播時間を計測するための受信点を設定する受信点設定手段と、前記受信手段からの信号の波数をカウントする波数カウント手段と、前記受信点設定手段で設定された受信点と前記受信手段からの信号の波数とを関係付ける判断手段とを備えた超音波流量計。
2. 受信波の最大振幅となるポイントを検知する最大振幅検知手段を有し、判断手段は前記最大振幅検知手段の情報を受信波数を求めるための情報の一つとした請求項１記載の超音波流量計。
3. 受信点設定手段は、受信信号に重畳させる第１基準値と、前記第１基準値と受信信号とを比較する第１比較手段と、前記第１比較手段の信号出力間隔を計る時間計測手段と、前記時間計測手段の結果から前記第１比較手段の信号の正誤を判断する正誤判断手段とを備えた請求項１記載の超音波流量計。
4. 受信検知手段を備え、受信点と受信波数との関係付けは、前記受信検知手段と受信点設定手段の情報で行うようにした請求項１記載の超音波流量計。
5. 受信検知手段は、第１基準値とは異なるレベルの第２基準値と、前記第２基準値と前記受信信号を比較する第２比較手段とからなる請求項４記載の超音波流量計。
6. 受信点設定手段は、受信信号の正から負の変化、または負から正への変化のいずれでも受信点の設定を可能とし、どちらの変化で設定したかを判別できるようにした請求項１記載の超音波流量計。
7. 前記受信点設定手段は、受信点の数を偶数にするようにした請求項３記載の超音波流量計。