JP2012509473A - 超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、走行時間差法による超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法に関する。本発明の課題は、音響変換器や測定管のような測定ユニットのその他のコンポーネントに依存しないで実行することができる、超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法を創作することにある。
【解決手段】本発明に従い、測定信号が、模擬形成された人工的な測定経路により発生される。それにより測定変換器を、音響変換器や測定管のような測定ユニットのその他のコンポーネントに依存しないで校正することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、走行時間差法による超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法及び装置に関する。

（背景技術とその問題点）
超音波流量測定ユニット（超音波流速測定ユニット）は、多くの産業分野において幅広く使用されている。走行時間差法(Laufzeitdifferenzverfahren)を用いた超音波流量測定ユニットにおいては、流れに乗って或いは流れに抗して伝播する２つの音響信号の走行時間の差が測定され、それから体積流（容積流）が計算される。
より詳しく述べると、走行時間差法は、超音波信号の伝播速度が流体の流れ速度に依存するという事実を利用する。超音波信号は流体の流れ方向の反対方向では流れ方向よりも低速で移動する。この走行時間差法では、第１の超音波パルスが流れ方向において送信され、第２の超音波パルスが流れ方向の反対方向において送信される。この際、一対のセンサが交互に送信機及び受信機として動作する。流れ方向において流体を通過する音響信号の走行時間（トランジットタイム）は、流れ方向の反対方向において流体を通過する音響信号の走行時間よりも短い。それにより走行時間差Δｔが測定され、音が通過した経路上の平均流れ速度の決定が可能となる。分布修正により流れ速度の面平均値を計算することができ、この面平均値は体積流に比例する。超音波は固体も貫通するので、測定すべき流体の流れる導管の外壁上に前記センサを固定することができる。
走行時間差Δｔは、音響経路上の平均流れ速度ＶＩと、流体（液体や気体等）内の音響入射角αと、流体内の音響走行時間ｔｌとに依存する。その関係は、以下の式で表される：

ＶＩ＝ＫＴ×（Δｔ／２ｔｌ） （式１）

上記の式（１）において、ＫＴは、流体内の入射角を規定するセンサ定数である。外方から導管上へ取り付けられた音響変換器（センサ）、所謂クランプオン(clamp-on)音響変換器については、以下の式が当てはまる：

ＫＴ＝ｃα／ｓｉｎ（α） （式２）

この際、流体内の入射角は、屈折の法則を介し、入射角αと、音響変換器の予走行部(Schallwandlervorlauf)における音速度ｃαとにより表される。体積流を計算するためには、更に流体力学的な校正係数ＫＦを知る必要があり、該校正係数は、音響経路上の平均流れ速度ＶＩに対する流れ速度の面平均値ＶＡの比率を意味し、以下の式で表される：

ＫＦ＝ＶＡ／ＶＩ （式３）

それにより、導管の横断面積Ａを用い、体積流Ｑが以下の式で表される：

Ｑ＝ＫＦ×Ａ×ＫＴ×（Δｔ／２ｔｌ） （式４）

超音波流量測定ユニットの校正（キャリブレーション）は、通常は流量校正装置上で行われる。流量測定器は導管内へ取り付けられる。その代わりに所謂クランプオンセンサの場合には複数のセンサが、既存の導管上へ取り付けられる。表示された体積流が基準体積流と比較され、それから場合により体積流のための校正係数が検出される。所謂クランプオンセンサの場合には、測定管は確かに測定ユニットの構成要素であるが、概して測定変換器と共に校正されることはない。従って校正結果を後の測定箇所へ完全に転用することは不可能である。この短所を回避するためには、測定箇所において管を取り外し、校正装置へ取り付けなくてはならないであろう。従って所謂クランプオン測定技術の本質的な長所である（導管に対して）手を加えないということ(Eingriffsfreiheit)を断念しなくてはならないであろう。幾つかのケースでは、適切な基準測定機能を装置内に装着することができればインサイチュ校正（現場での校正）を行うことも可能であるが、これは例外的なことである。通常、所謂クランプオン測定では、複数のセンサを校正装置の測定管上へ取り付けることで校正が行われる。該測定管は、好ましくは、後に測定ユニットにおいて取り付けられるべき管と類似の公称寸法（直径）を有する。校正装置の流体力学的な条件、即ち流れ分布(Stroemungsprofil)並びに管形状(Rohrgeometrie)が、追加的な誤差要因として扱われる。つまり、理想的な流れ分布があることを配慮しなくてはならない。このことは、特に公称寸法（直径）が大きい場合には極めて手間と費用がかかることである。それに加え、測定管の形状を極めて正確に測定しなくてはならない。それ故、後の測定箇所において変更せずに使用される測定ユニットの部分だけを含んでいる校正方法を創作することが望まれる。

（先行技術文献の開示と当該先行技術の短所）
下記特許文献１には、クランプオンセンサの校正を可能にする方法が記載されていて、該方法では、クランプオン流量測定ユニットの音響的な校正係数ＫＴの校正が基準体積流を提供することなく行われる。２つの音響変換器の相互に対する並進によりポジション差が実現され、該ポジション差と関連する走行時間差が測定される。そのために両方の音響変換器の音響放射面は、互いに平行な面内で音響的に（パイプの対向する側に）向かい合って配置されている。しかしこの装置において測定変換器の校正を行うことはできない。

下記特許文献２は、音響的な流れ速度測定ユニットを校正するための装置が記載されていて、該装置では、走行時間が遅延要素により模擬形成（シミュレート）される。該装置は、該装置の使用に適するために、校正すべき測定変換器の回路技術的な修正変更を必要としている。更に特許文献２には、電気音響的な変換器を含む遅延ラインについて記載されている。該遅延ラインは、音響変換器を含み、全測定ユニットの校正を可能にしている。従って音響変換器に依存しない測定変換器の校正は不可能である。

下記特許文献３は、測定ユニットの音響的な部分を使用しないで測定変換器の検査（テスト）を可能にする装置を記載している。音響変換器と、管や流体のような測定ユニットのその他の要素とが、電子的に模擬形成（シミュレート）される。そのために２つの遅延発生器（ディレイジェネレータ）が提案される。測定変換器の送信信号によりスタートされる第１遅延発生器は、静止状態の流体の走行時間を模擬形成する。第１遅延発生器によりトリガをかけられる第２遅延発生器は、別の遅延であって、流れ方向及び該流れ方向の反対方向における稼動シミュレーションにおいて夫々異なっており従って音響的な信号の走行時間に対する流れの影響をシミュレートする遅延を発生させる。第２遅延発生器は、測定変換器に供給される人工的な信号を発生させる信号成形回路網(Signalformungsnetwerk)をスタートさせる。この発明は、遅延発生器の計数サイクルから得られる量子化において離散的な複数の走行時間のシミュレーションを可能にする。しかしシミュレーションされる信号形状は自由に選択することはできず、信号成形回路網により固定されている。

下記特許文献４は、同様に人工的な測定経路について記載し、ここでは流れ方向及び該流れ方向の反対方向における複数の信号の信号走行時間が１つの遅延発生器を使って生成される。この際、大まかな遅延と細やかな遅延とが組み合わされる。複数の信号は、シミュレーションすべき信号のデジタル表現をアナログ信号へ変換するＤＡコンバータ(DAC Digital to Analog Converter)により発生される。該ＤＡコンバータは遅延発生器によりスタートされる。

DE 10 2004 031 274 B4 DE 30 29 140 A1 US 4,762,012 A US 2009/000392 A1

上記の公知の解決策は遅延発生器を必要とする。遅延発生器により実現可能な信号走行時間の分解能(Aufloesung)は、常に発振器の基本クロックにより限界付けられる。また上記の公知の解決策における別の制限は、両方の送信方向において同じ信号形状が出力されるということである。しかし流れ方向及び該流れ方向の反対方向における超音波流量測定ユニットの信号は、形状においても正確に同じであるとは言えない。特に流れ速度が大きい場合には、流れ方向及び該流れ方向の反対方向において受信される信号の信号形状は互いに大きく異なっている。

従って本発明の課題は、音響変換器や測定管のような測定ユニットのその他のコンポーネントに依存しないで実行することができる、超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法及び装置を創作することにある。この際、流れ方向及び該流れ方向の反対方向における信号の走行時間も、流れ方向及び該流れ方向の反対方向における信号の走行時間差も、無段階で予設定することができるべきである。また流れ方向及び該流れ方向の反対方向において異なる信号形状を発生させることもできるべきである。

前記課題は、方法に関して、両方の音響変換器のための端子（ターミナル）において測定変換器が発生させる送信信号に対し、受信信号であって該送信信号に対して予設定されている走行時間分だけ遅延されていて且つこれらの受信信号の走行時間が予設定されている走行時間差分だけ互いに異なっている受信信号をもって応答する測定経路(Messpfad)を人工的に模擬形成（シミュレーション）することにより解決される。そのためにこの人工的な測定経路は、２つのＤＡ変換器(Digital to Analog Converter)を含み、該ＤＡ変換器は、夫々測定変換器の１つの端子に割り当てられていて、該ＤＡ変換器のうち一方は（液体や気体等の流体の）流れ方向における信号を発生させ、他方は該流れ方向の反対方向における信号を発生させることになる。このことは、これらの両方の信号のデジタルイメージ(digitale Abbilder)がメモリ内に保存され、測定変換器の送信信号が両方のＤＡ変換器の両方の出力部に対する信号の出力をスタートさせることにより行われる。このようにしてこれらの両方の信号の走行時間は無段階で選択可能であり、そのために特に高いクロック周波数を必要としなくて済むことが明らかになっている。ＤＡ変換器のクロック発振器の周波数は、標本化定理（サンプリング定理）を維持できるほどに高ければよい。両方の信号の走行時間差は、前記発振器のクロック周期の１／１０００よりも小さい分解能をもってシミュレーションすることができる。また両方の信号の信号形状（信号波形）は任意に予設定できるので、流れ速度が比較的高い場合に観測されるべき信号形状差も模擬形成（シミュレート）することができる。本方法は、市販で入手可能な信号発生器の使用を可能にする。このことは、国内標準及び国際標準に対する校正の追跡性（トレーサビリティ）の証明を支援及び簡素化する。

信号について測定された走行時間ないし走行時間差を、予設定されている走行時間ないし走行時間差と比較することは、走行時間測定ないし走行時間差測定における測定変換器の測定誤差を明らかにする。そのために、両方の音響変換器用端子のうち、一方の音響変換器用端子における送信信号が、該送信信号に対して予設定されている第１走行時間分だけ遅延された第１受信信号を発生させ、他方の音響変換器用端子における送信信号が、該送信信号に対して予設定されている第２走行時間分だけ遅延された第２受信信号を発生させる。

本発明に従う方法において、測定経路の模擬形成（シミュレーション）により、測定変換器の第１端子（Ｔ１）における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第２端子（Ｔ２）に対する受信信号をもって応答され、該測定変換器の第２端子（Ｔ２）における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第１端子（Ｔ１）に対する受信信号をもって応答される。該測定変換器の第１端子（第１ターミナル：Ｔ１）及び第２端子（第２ターミナル：Ｔ２）における送信信号に対する両方の応答信号は、夫々のＤＡ変換器により互いに依存せず発生され、これらの応答信号に対応する(zugehoerig)デジタルイメージは、次のように互いに依存しないで計算されて、即ち該応答信号のゼロとは異なる振幅が、夫々依存しないで予設定されている第１走行時間（ｔ１）又は第２走行時間（ｔ２）の経過後に、対応する送信信号に対して第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）において出力されるように互いに依存しないで計算されて、夫々対応する前記ＤＡ変換器のメモリ内に保存される。測定変換器の測定誤差は、一般的には適切に測定された値と予設定値（プリセット値）とを比較することにより検出される。測定変換器は、上記の式（１）〜（４）及び下記の式（８）〜（１１）により表される測定法に従い、第１端子（Ｔ１）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第１走行時間（ｔ１）並びに第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第２走行時間（ｔ２）も、これらの両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）も検出する。測定誤差の決定のためには、測定変換器の３つの測定結果が夫々に対応する予設定値（ｔ１、ｔ２、ｔ２−ｔ１）と比較されるという方式で、複数の比較が実行される。（ｔ２−ｔ１）のための予設定値は、ｔ１及びｔ２のための予設定値から数値差として計算される。即ち、第１端子（Ｔ１）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第１走行時間（ｔ１）のための予設定値と測定変換器による測定値との間の比較からも、第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第２走行時間（ｔ２）のための予設定値と測定変換器による測定値との間の比較からも、予設定されている両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）と、測定変換器により測定された両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）との間の比較からも、測定変換器の測定誤差が決定される。

測定変換器の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の走行時間のための予設定値は、体積流のための予設定値から計算される。体積流のための予設定値と、測定変換器により応答信号に基づいて検出された体積流との間の比較から、測定変換器の測定誤差が決定される。

測定変換器の第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の予設定されている両方の走行時間は、同じ測定箇所パラメータから計算され、該測定箇所パラメータを用いて測定変換器もパラメータ化（パラメータで表すこと）される。

測定変換器の第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の、測定変換器により両方の応答信号に基づいて測定された平均走行時間が、予設定されている走行時間の平均値と比較される、或いは両方の応答信号について測定された走行時間差が、予設定されている走行時間の差と比較されるか、又は、測定変換器により両方の受信信号から検出された体積流が、該測定変換器の測定ユニット公式（測定ユニットについての定義式）により、予設定されている両方の走行時間から得られる体積流と比較される。

本方法は、測定変換器を、測定ユニットのその他の部分の影響を伴うことなく校正する可能性を提供する。校正結果から補正係数（補正ファクタ）が計算されて、測定変換器内に保存される。それに加え、流量校正装置の使用（投入）が回避される。流量基準の代わりに時間基準が使用される。時間基準は、流量基準よりも遥かに正確に実現することができる。それに加え、流量校正装置を使用する場合に生じるコストよりも遥かに少ないコストで済む。

測定変換器は、体積流の予設定値を、模擬形成（シミュレート Nachbildung）された人工的な測定経路（測定経路の人工的な模擬形成部）からデータインタフェースを介して呼び出し、この際、これらの値から、測定誤差と、該測定変換器内の調整のための補正係数とが計算される。

模擬形成された人工的な測定経路のパラメータ化は、測定変換器自体により行われる。そのために測定変換器は、適切なデータインタフェースを介し、模擬形成された人工的な測定経路と接続され、更に該測定変換器は、測定箇所パラメータと、体積流のための予設定値とに基づいて信号を計算し、これらの信号を模擬形成された人工的な測定経路へ伝達する。

測定変換器には、模擬形成された人工的な測定経路により表すことのできる一又は複数測定箇所のためのパラメータセットが記憶されている。

前記課題を解決するための本発明に従う装置については、次のとおりである。
本発明に従う装置は、信号成形(Signalformung)ユニットと信号源とを含んで構成される。信号成形ユニットには、一方では測定変換器が該測定変換器の音響変換器用端子を介して接続され、他方では信号源が該信号源のトリガ入力部と２つの信号出力部とを用いて接続されている。信号成形ユニットは、測定変換器から入力される送信信号から、信号源へ伝送されるトリガパルスを発生させる。信号源はこのトリガパルスの入力により両方の所望の応答信号を発生させる。これらの応答信号は、信号成形ユニットにより測定変換器の音響変換器用端子へ転送される。この際、測定変換器の各音響変換器用端子には互いに依存しない信号源が割り当てられている。そのために信号源は、互いに依存しない２つのＤＡ変換器を含み、これらのＤＡ変換器は、夫々につき、発生させるべき応答信号のデジタル信号イメージを保存するための固有のメモリを有している。この際、発生させるべき信号は、応答信号の瞬時値のデジタル数列として計算され、ＤＡ変換器内のメモリ内に保存される。これらの瞬時値は、典型的には応答信号の電圧経過の瞬時値に対応している。保存すべきポイントの数は、ＤＡ変換器のクロックレート（クロック速度）により与えられている。このクロックレートは、標本化定理を維持できるほどに高ければよい。それによりクロックの周期時間を走行時間（ｔ１）及び（ｔ２）の達成すべき分解能よりも明らかに大きくすることができる。両方の応答信号の計算されたデジタルイメージは、直接的にメモリ内に保存され、それらの出力はトリガパルスの入力により直ちにスタートされる。クロック周期の整数倍分の遅延も必要なことではないと考えられる。それにより第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）に夫々割り当てられている応答信号のために任意の各信号形状を発生させることができる。信号形状が任意であるので、送信信号に関して及びそれから発生されるトリガパルスに関して走行時間も任意に調節可能であるように計算を行うことができる。この際、走行時間の分解能はＤＡ変換器のクロックレートよりも明らかに小さいことが示されている。走行時間の達成可能な典型的な分解能は、クロック周期の１／１０００である。それにより従来技術から公知である必要な遅延ライン（遅延線）を完全に排除することができる。従って本校正装置は明らかに簡素化され、本校正装置の測定不確実性は簡単に国内標準（基準 Normale）に帰因させることができ、その理由は、国内標準に対してはクロック発振器の不確実性だけが校正装置の不確実性を決定するためである。

前記信号源は、例えば２チャネルの任意信号発生器とすることができる。任意(arbitraer)信号発生器（シグナルジェネレータ）における信号発生は、通常では、発生器内のデータメモリ内に記憶されている信号形状がＤＡ変換器によりアナログ信号へ変換され、増幅されるという方式で行われる。つまり信号形状は発生器内において数列として存在している。信号形状を用いた発生器のパラメータ化は、例えば、発生器に接続されているコンピュータを介して行うことができる。またコンピュータの機能性を信号発生器内へ移すことも考えられ、それにより該発生器は信号形状の計算処理を自身で行うことができる。或いはまた信号発生器へ、記録された本当の信号を読み込ませることもできる。

測定管上に取り付けられている音響変換器に接続された測定変換器、並びに該測定変換器の端子Ｔ１及びＴ２に加わる受信信号を示す図である。 音響変換器の代わりに接続された人工的な測定経路を有する測定変換器、並びに該測定変換器の端子Ｔ１及びＴ２に加わる受信信号を示す図である。 信号発生器とコンピュータと信号成形ユニットとから構成される人工的な測定経路を示す図である。

以下に本発明の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。

超音波流量測定ユニット（超音波流速測定ユニット）は、実質的に測定変換器並びに音響変換器（２個）及び測定管から構成される。音響変換器は、測定管内へ取り付けられるか、又は所謂クランプオン流量測定ユニットの場合には外方から測定管上へ取り付けられる。音響変換器及び測定管から成る部分は、本明細書において「測定経路(Messpfad)」と呼ぶものとする。

超音波流量測定ユニットの測定変換器は、双方の音響変換器のための送信信号を発生させ、後続の信号処理のために受信信号を増幅する。前記信号処理は、同様に測定変換器内で行われ、実質的にそれらの信号の走行時間並びに走行時間差を検出するということにある。その際、測定変換器は、例えば上記の式１〜式４を用いて表すことのできる測定経路モデルに基づいて体積流（容積流）を求める。

上記の式４の係数（ファクタ）ＫＦ、Ａ、ＫＴは、音響変換器及び測定管、即ち測定経路の音響的な及び流体力学的な特性により決定される。これらの係数は、勿論、測定結果の計算のために測定変換器により使用されるが、測定変換器により影響されるものではない。逆に言うと、測定経路は、測定変換器内で行われる時間測定の特性に対して何ら影響を及ぼさないと推定される。つまり測定変換器と該測定変換器以外の部分とは相互に反作用を及ぼさないものと見なされる。それに加え、前記時間測定は、受信信号の形状及び振幅に依存しないものと推定される。超音波流量測定ユニットの実際の稼動において受信信号の振幅は極めて異なるものでありうる。受信信号の振幅は、測定媒体の減衰特性、管の大きさ、並びに使用される信号周波数に依存する。また信号形状も変化する。つまり時間測定がこれらの信号特性に依存しないで動作するという事実は、超音波流量測定ユニットの実際の稼動にとって本質的な前提である。また本発明の基本思想、即ち自身の特性において典型的な超音波信号を表す人工的な信号を用い、測定変換器の校正を実行するということも、その前提に基づいている。

超音波流量測定ユニットの全測定誤差において測定変換器の関与部分は、走行時間の測定の誤差と走行時間差の測定の誤差である。つまり測定変換器を校正する役割は、走行時間の測定誤差及び走行時間差の測定誤差を検出することにある。

しかし測定変換器は、測定された走行時間から体積流の計算をも実行する。つまりこの計算を同時に校正内へ含めることは有意義であり、その方式は、測定変換器から出力された体積流を予設定されている体積流と比較し、それにより体積流の測定誤差を検出するという方式である。

図１は、超音波流量測定機能のための本質的な構成部分（測定変換器並びに音響変換器（２個）及び測定管）、並びに測定変換器の端子Ｔ１及びＴ２に加わる受信信号を示している。所謂クランプオン測定方式、即ち音響変換器が外方から測定管上へクランプされている様子が示されている。

図２では、測定変換器が人工的な測定経路と接続されている様子が示されている。この人工的な測定経路は、測定変換器の送信信号に対し、同等の本物の測定経路における信号の走行時間と正確に同じである走行時間分だけ該送信信号に対して遅延されている受信信号をもって応答する。それらの信号の発生のためには、任意信号(arbitraere Signale)のための２チャネルジェネレータを使用することができる。この役割のために十分である走行時間精度を有する時間制限信号を発生させることのできる発生器（ジェネレータ）が数年ほど前から様々な企業により提供されている。

図３は、信号発生器とコンピュータと信号成形ユニットとから構成される人工的な測定経路の一実施形態を示している。信号はコンピュータ上で計算され、信号発生器上へダウンロードされる。ガウス形状で包絡されたサイン関数を表す典型的な信号形状が、以下の式により計算される：

ｓ（ｔ）＝ｅｘｐ（−（ｔ／ｔａｕ）^２）×（１−ｅｘｐ（−（ｔ／ｔａｕ）^２））×ｓｉｎ（２×ｐｉ×ｆ０×ｔ） （式５）

ここでｆ０は、そのような信号を発生させる音響変換器の中心周波数（搬送周波数）である。時定数ｔａｕを用いて信号長が決定される。

この信号において走行時間ｔ１だけ遅延されるバージョンｓ１は、以下の式により計算される：

ｓ１（ｔ）＝ｓ（ｔ−ｔ１） （式６）

この信号は、ＤＡ変換器(Digital to Analog Converter)に対して時系列の形式で供給される。つまり離散的なコントロールポイントにおいてデジタル化が行われる。デジタル化された時系列ｓｄ＿ｉは、以下の式で表される：

ｓｄ＿ｉ＝ｒｎｄ（ＤＡ＿Ｍａｘ×ｓ１（ｔｉ）） （式７）

この際、ｔｉ＝ｉ×Ｔａであり、ＤＡ＿Ｍａｘは、ＤＡ変換器が出力することのできる最大振幅に対応する数値である。Ｔａは、ＤＡ変換器のサンプリング間隔である。

信号発生器は、トリガパルスの受信後に正確にこれらの信号を発信する。信号成形ユニット（シグナルフォーミングユニット Signalformungseinheit）は、測定変換器の送信信号から信号発生器のためのトリガパルスを発生させ、更に前記信号を信号発生器のターミナルＳＡ及びＳＢから、測定変換器のターミナルＴ１及びＴ２が接続されているターミナルＴＡ及びＴＢへ伝送する。

走行時間差の測定誤差は、予設定されている両方の走行時間の差に対する測定された走行時間差のずれ（偏差）として計算される。このようにして測定変換器の時間測定の誤差が検出され、それにより測定変換器の時間測定が校正される。

或いはまた、測定変換器により検出された体積流を、予設定されている体積流と比較することもできる。そのために平均走行時間及び走行時間差が、測定経路モデルに基づき、及び本物の測定経路の形状、並びに測定媒体及び管壁の音速度、並びに音響変換器内の走行時間のような測定箇所パラメータに基づいて計算される。端子Ｔ１及びＴ２における両方の信号の走行時間の差は、予設定されている体積流から計算される。

以下に本方法について更に詳細に説明する。

流体の流れは、流れ方向及び流れ方向の反対方向において走行時間ｔｕ及びｔｄの間で差Δｔをもたらす。流体内の走行時間ｔｌと、走行時間差Δｔと、走行時間ｔｕ及びｔｄとの間の関係は、以下の式で表される：

ｔｕ＝ｔｌ＋ｔ０＋Δｔ／２ （式８）

ｔｄ＝ｔｌ＋ｔ０−Δｔ／２ （式９）

ここでｔ０は、全ての無駄時間（デッドタイム）の合計である。この際、無駄時間としては、流れる流体以外での走行時間が考えられる。流体内の走行時間ｔｌは、流体内の音速度と管内径と入射角とから得られる：

ｔｌ＝Ｄｉ／（Ｃ×ｃｏｓ（γ）） （式１０）

音速度は、流体の選択により決定され、例えば２０℃の水においてはＣ＝１４８２ｍ／ｓである。流量校正装置を用いた校正時の処理方式に対応し、選択された管直径のために典型的な体積流Ｑが予設定される。この体積流から上記の式（４）を置き換えると走行時間差Δｔは、以下の式で表される：

Δｔ＝Ｑ×２ｔｌ／（ＫＦ×Ａ×ＫＴ） （式１１）

この際、走行時間ｔｌは上記の式１０により計算される。信号発生器へ読み込まれる信号の走行時間ｔｕ及びｔｄは、上記の式８及び式９により得られる。

そして測定変換器は、人工的な測定経路により発生された信号において、走行時間及び走行時間差を検出し、それから上記の式（４）により体積流を検出する。この体積流を予設定値と比較することから、決定すべき体積流の測定誤差が得られる。

つまり人工的な測定経路のパラメータ化は、言わば、測定変換器が行う計算の逆を行うことに基づいている。信号の計算のためには、測定変換器内でも使用されるものと正確に同じものである、物理的な測定経路の数学的な記述が使用される。しかし測定変換器が信号を拠り所にして走行時間及び走行時間差を測定し、それから測定経路モデルに基づいて体積流並びに媒体の音速度を計算するのに対し、人工的な測定経路は、体積流及び媒体の音速度を、走行時間及び走行時間差を計算するための予設定値として使用する。測定ユニットのその他の全てのパラメータは、測定変換器及び人工的な測定経路において同一である。本実施形態において測定経路モデルは、上記の式（１）〜（４）及び（８）〜（１１）により表される。使用されるパラメータは、管内径、音速度、無駄時間（デッドタイム）並びに定数ＫＦ及びＫＴである。

多くの場合、校正後に、校正された測定ユニットの調整が行われる。このことは、例えば、校正結果から補正係数（補正ファクタ）を計算し、測定変換器内に保存することにより行うことができる。最新の超音波流量測定ユニットはマイクロプロセッサを装備しているので、そのような調整の計算は測定変換器自体によっても行うことができる。そのために測定変換器は体積流の予設定値を認識していなくてはならない。それ故、本発明の有利な一形態では、測定変換器が体積流の予設定値を人工的な測定経路からインタフェースを介して呼び出し又は受信し、この予設定値及び測定値から測定誤差及び調整のための補正係数を計算することが考慮されている。従って調整機能は測定ユニット内へ組み込まれ、もはやラボ等で行う必要はない。

測定変換器及び信号発生器が同じ測定箇所パラメータを使用することを保証するために、人工的な測定経路のパラメータ化は測定変換器自体によっても行うことができる。つまり測定変換器は、図３に示されたコンピュータの役割を担う。そのために測定変換器は、適切なインタフェースを介して人工的な測定経路を接続されている。測定変換器は、測定箇所パラメータと、体積流のための予設定値とに基づいて信号を計算し、これらの信号を人工的な測定経路へ読み込ませる。測定箇所パラメータは、例えば管直径や音速度のような、人工的な測定経路により模擬形成すべき物理的な測定経路の上記のパラメータである。そのために測定変換器には、校正のために使用されるべき一測定箇所又は複数測定箇所のためのパラメータセットを記憶させることができる。校正は、測定変換器が音響変換器から取り外され、その代わりに人工的な測定経路が接続され、この人工的な測定経路と測定変換器の間のパラメータ化インタフェースの接続が確立されることにより行われる。校正過程は、測定変換器の操作端末を介してスタートすることができる。本発明のこの形態は使用に関して確実性を有し、それにより屋外での使用を可能とし、校正ラボ内の使用だけに限られたものではない。

Ｔ１ 測定変換器の第１端子（第１ターミナル）
Ｔ２ 測定変換器の第２端子（第２ターミナル）
ＴＩ 任意信号発生器のトリガ入力部
ＳＡ 任意信号発生器の第１信号出力部
ＳＢ 任意信号発生器の第２信号出力部
ＴＡ 信号成形ユニットの第１端子（第１ターミナル）
ＴＢ 信号成形ユニットの第２端子（第２ターミナル）

本発明は、走行時間差法による超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法及び装置に関する。

（背景技術とその問題点）
超音波流量測定ユニット（超音波流速測定ユニット）は、多くの産業分野において幅広く使用されている。走行時間差法(Laufzeitdifferenzverfahren)を用いた超音波流量測定ユニットにおいては、流れに乗って或いは流れに抗して伝播する２つの音響信号の走行時間の差が測定され、それから体積流（容積流）が計算される。
より詳しく述べると、走行時間差法は、超音波信号の伝播速度が流体の流れ速度に依存するという事実を利用する。超音波信号は流体の流れ方向の反対方向では流れ方向よりも低速で移動する。この走行時間差法では、第１の超音波パルスが流れ方向において送信され、第２の超音波パルスが流れ方向の反対方向において送信される。この際、一対のセンサが交互に送信機及び受信機として動作する。流れ方向において流体を通過する音響信号の走行時間（トランジットタイム）は、流れ方向の反対方向において流体を通過する音響信号の走行時間よりも短い。それにより走行時間差Δｔが測定され、音が通過した経路上の平均流れ速度の決定が可能となる。分布修正により流れ速度の面平均値を計算することができ、この面平均値は体積流に比例する。超音波は固体も貫通するので、測定すべき流体の流れる導管の外壁上に前記センサを固定することができる。
走行時間差Δｔは、音響経路上の平均流れ速度ＶＩと、流体（液体や気体等）内の音響入射角αと、流体内の音響走行時間ｔｌとに依存する。その関係は、以下の式で表される：

ＶＩ＝ＫＴ×（Δｔ／２ｔｌ） （式１）

上記の式（１）において、ＫＴは、流体内の入射角を規定するセンサ定数である。外方から導管上へ取り付けられた音響変換器（センサ）、所謂クランプオン(clamp-on)音響変換器については、以下の式が当てはまる：

ＫＴ＝ｃα／ｓｉｎ（α） （式２）

この際、流体内の入射角は、屈折の法則を介し、入射角αと、音響変換器の予走行部(Schallwandlervorlauf)における音速度ｃαとにより表される。体積流を計算するためには、更に流体力学的な校正係数ＫＦを知る必要があり、該校正係数は、音響経路上の平均流れ速度ＶＩに対する流れ速度の面平均値ＶＡの比率を意味し、以下の式で表される：

ＫＦ＝ＶＡ／ＶＩ （式３）

それにより、導管の横断面積Ａを用い、体積流Ｑが以下の式で表される：

Ｑ＝ＫＦ×Ａ×ＫＴ×（Δｔ／２ｔｌ） （式４）

超音波流量測定ユニットの校正（キャリブレーション）は、通常は流量校正装置上で行われる。流量測定器は導管内へ取り付けられる。その代わりに所謂クランプオンセンサの場合には複数のセンサが、既存の導管上へ取り付けられる。表示された体積流が基準体積流と比較され、それから場合により体積流のための校正係数が検出される。所謂クランプオンセンサの場合には、測定管は確かに測定ユニットの構成要素であるが、概して測定変換器と共に校正されることはない。従って校正結果を後の測定箇所へ完全に転用することは不可能である。この短所を回避するためには、測定箇所において管を取り外し、校正装置へ取り付けなくてはならないであろう。従って所謂クランプオン測定技術の本質的な長所である（導管に対して）手を加えないということ(Eingriffsfreiheit)を断念しなくてはならないであろう。幾つかのケースでは、適切な基準測定機能を装置内に装着することができればインサイチュ校正（現場での校正）を行うことも可能であるが、これは例外的なことである。通常、所謂クランプオン測定では、複数のセンサを校正装置の測定管上へ取り付けることで校正が行われる。該測定管は、好ましくは、後に測定ユニットにおいて取り付けられるべき管と類似の公称寸法（直径）を有する。校正装置の流体力学的な条件、即ち流れ分布(Stroemungsprofil)並びに管形状(Rohrgeometrie)が、追加的な誤差要因として扱われる。つまり、理想的な流れ分布があることを配慮しなくてはならない。このことは、特に公称寸法（直径）が大きい場合には極めて手間と費用がかかることである。それに加え、測定管の形状を極めて正確に測定しなくてはならない。それ故、後の測定箇所において変更せずに使用される測定ユニットの部分だけを含んでいる校正方法を創作することが望まれる。

（先行技術文献の開示と当該先行技術の短所）
下記特許文献１には、クランプオンセンサの校正を可能にする方法が記載されていて、該方法では、クランプオン流量測定ユニットの音響的な校正係数ＫＴの校正が基準体積流を提供することなく行われる。２つの音響変換器の相互に対する並進によりポジション差が実現され、該ポジション差と関連する走行時間差が測定される。そのために両方の音響変換器の音響放射面は、互いに平行な面内で音響的に（パイプの対向する側に）向かい合って配置されている。しかしこの装置において測定変換器の校正を行うことはできない。

下記特許文献２は、音響的な流れ速度測定ユニットを校正するための装置が記載されていて、該装置では、走行時間が遅延要素により模擬形成（シミュレート）される。該装置は、該装置の使用に適するために、校正すべき測定変換器の回路技術的な修正変更を必要としている。更に特許文献２には、電気音響的な変換器を含む遅延ラインについて記載されている。該遅延ラインは、音響変換器を含み、全測定ユニットの校正を可能にしている。従って音響変換器に依存しない測定変換器の校正は不可能である。

下記特許文献３は、測定ユニットの音響的な部分を使用しないで測定変換器の検査（テスト）を可能にする装置を記載している。音響変換器と、管や流体のような測定ユニットのその他の要素とが、電子的に模擬形成（シミュレート）される。そのために２つの遅延発生器（ディレイジェネレータ）が提案される。測定変換器の送信信号によりスタートされる第１遅延発生器は、静止状態の流体の走行時間を模擬形成する。第１遅延発生器によりトリガをかけられる第２遅延発生器は、別の遅延であって、流れ方向及び該流れ方向の反対方向における稼動シミュレーションにおいて夫々異なっており従って音響的な信号の走行時間に対する流れの影響をシミュレートする遅延を発生させる。第２遅延発生器は、測定変換器に供給される人工的な信号を発生させる信号成形回路網(Signalformungsnetwerk)をスタートさせる。この発明は、遅延発生器の計数サイクルから得られる量子化において離散的な複数の走行時間のシミュレーションを可能にする。しかしシミュレーションされる信号形状は自由に選択することはできず、信号成形回路網により固定されている。

下記特許文献４は、同様に人工的な測定経路について記載し、ここでは流れ方向及び該流れ方向の反対方向における複数の信号の信号走行時間が１つの遅延発生器を使って生成される。この際、大まかな遅延と細やかな遅延とが組み合わされる。複数の信号は、シミュレーションすべき信号のデジタル表現をアナログ信号へ変換するＤＡコンバータ(DAC Digital to Analog Converter)により発生される。該ＤＡコンバータは遅延発生器によりスタートされる。

DE 10 2004 031 274 B4 DE 30 29 140 A1 US 4,762,012 A US 2009/000392 A1

上記の公知の解決策は遅延発生器を必要とする。遅延発生器により実現可能な信号走行時間の分解能(Aufloesung)は、常に発振器の基本クロックにより限界付けられる。また上記の公知の解決策における別の制限は、両方の送信方向において同じ信号形状が出力されるということである。しかし流れ方向及び該流れ方向の反対方向における超音波流量測定ユニットの信号は、形状においても正確に同じであるとは言えない。特に流れ速度が大きい場合には、流れ方向及び該流れ方向の反対方向において受信される信号の信号形状は互いに大きく異なっている。

従って本発明の課題は、音響変換器や測定管のような測定ユニットのその他のコンポーネントに依存しないで実行することができる、超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法及び装置を創作することにある。この際、流れ方向及び該流れ方向の反対方向における信号の走行時間も、流れ方向及び該流れ方向の反対方向における信号の走行時間差も、無段階で予設定することができるべきである。また流れ方向及び該流れ方向の反対方向において異なる信号形状を発生させることもできるべきである。

本発明の第１の視点によれば、測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子に接続されている模擬形成された人工的な音響測定経路を用いて、走行時間差法により超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法であって、前記測定経路の模擬形成により、測定変換器の第１端子における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第２端子に対する受信信号をもって応答され、該測定変換器の第２端子における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第１端子に対する受信信号をもって応答され、該測定変換器の第１端子及び第２端子における送信信号に対する両方の応答信号は、夫々のＤＡ変換器が、模擬形成された人工的な音響測定経路の一部分である夫々のＤＡ変換器により互いに依存せず発生され、これらの応答信号に対応するデジタルイメージは、次のように互いに依存しないで算定されて、即ち該応答信号のゼロとは異なる振幅が、夫々依存しないで予設定されている第１走行時間又は第２走行時間の経過後に、対応する送信信号に対して第１端子又は第２端子において出力されるように互いに依存しないで算定されて、夫々対応する前記ＤＡ変換器のメモリ内に保存され、第１端子における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第１走行時間のための予設定値と該測定変換器による測定値との間の比較からも、第２端子における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第２走行時間のための予設定値と該測定変換器による測定値との間の比較からも、予設定されている両方の応答信号の走行時間の差と、該測定変換器により測定された両方の応答信号の走行時間の差との間の比較からも、該測定変換器の測定誤差が決定されることを特徴とする方法が提供される。
本発明の第２の視点によれば、測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子に接続されている模擬形成された人工的な音響測定経路を用いて、走行時間差法により超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための装置であって、該装置は、信号成形ユニットと信号源とを含んで構成されていること、該信号成形ユニットは、該信号成形ユニットの第１端子及び第２端子を用いて測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子に接続されていること、該信号成形ユニットは、該信号源と、該測定変換器の送信信号から該信号成形ユニットにより発生されるトリガパルスを該信号源へ転送するために該信号源のトリガ入力用の端子を介しても、該信号源により発生された信号を該信号成形ユニットへ転送するために該信号源の信号出力用の第１端子及び第２端子を介しても接続されていること、該信号源は、該信号源の信号出力用の第１端子及び第２端子と接続されている信号発生のための夫々のＤＡ変換器を含んでいること、及び、該信号源の信号出力用の第１端子及び第２端子は、該信号成形ユニットを介して、該信号成形ユニットの第１端子及び第２端子と、従って該測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子と接続されていることを特徴とする装置が提供される。
本発明の第３の視点によれば、測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子に接続されている、上記本発明の第１の視点に記載の、模擬形成された人工的な音響測定経路を用いて、走行時間差法により超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための装置であって、該装置は、信号成形ユニットと信号源とを含んで構成されていること、該信号成形ユニットは、該信号成形ユニットの第１端子及び第２端子を用いて測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子に接続されていること、該信号成形ユニットは、該測定変換器の送信信号からトリガパルスを発生させ、該信号源のトリガ入力部へ転送し、該信号源により発生された信号を該信号成形ユニットの第１端子及び第２端子へ、従って該測定変換器の音響変換器用の第１端子及び第２端子へ伝達すること、及び、これらの両方の信号は夫々各ＤＡ変換器により発生されることを特徴とする装置が提供される。

前記課題は、方法に関して、両方の音響変換器のための端子（ターミナル）において測定変換器が発生させる送信信号に対し、受信信号であって該送信信号に対して予設定されている走行時間分だけ遅延されていて且つこれらの受信信号の走行時間が予設定されている走行時間差分だけ互いに異なっている受信信号をもって応答する測定経路(Messpfad)を人工的に模擬形成（シミュレーション）することにより解決される。そのためにこの人工的な測定経路は、２つのＤＡ変換器(Digital to Analog Converter)を含み、該ＤＡ変換器は、夫々測定変換器の１つの端子に割り当てられていて、該ＤＡ変換器のうち一方は（液体や気体等の流体の）流れ方向における信号を発生させ、他方は該流れ方向の反対方向における信号を発生させることになる。このことは、これらの両方の信号のデジタルイメージ(digitale Abbilder)がメモリ内に保存され、測定変換器の送信信号が両方のＤＡ変換器の両方の出力部に対する信号の出力をスタートさせることにより行われる。このようにしてこれらの両方の信号の走行時間は無段階で選択可能であり、そのために特に高いクロック周波数を必要としなくて済むことが明らかになっている。ＤＡ変換器のクロック発振器の周波数は、標本化定理（サンプリング定理）を維持できるほどに高ければよい。両方の信号の走行時間差は、前記発振器のクロック周期の１／１０００よりも小さい分解能をもってシミュレーションすることができる。また両方の信号の信号形状（信号波形）は任意に予設定できるので、流れ速度が比較的高い場合に観測されるべき信号形状差も模擬形成（シミュレート）することができる。本方法は、市販で入手可能な信号発生器の使用を可能にする。このことは、国内標準及び国際標準に対する校正の追跡性（トレーサビリティ）の証明を支援及び簡素化する。

信号について測定された走行時間ないし走行時間差を、予設定されている走行時間ないし走行時間差と比較することは、走行時間測定ないし走行時間差測定における測定変換器の測定誤差を明らかにする。そのために、両方の音響変換器用端子のうち、一方の音響変換器用端子における送信信号が、該送信信号に対して予設定されている第１走行時間分だけ遅延された第１受信信号を発生させ、他方の音響変換器用端子における送信信号が、該送信信号に対して予設定されている第２走行時間分だけ遅延された第２受信信号を発生させる。

本発明に従う方法において、測定経路の模擬形成（シミュレーション）により、測定変換器の第１端子（Ｔ１）における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第２端子（Ｔ２）に対する受信信号をもって応答され、該測定変換器の第２端子（Ｔ２）における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第１端子（Ｔ１）に対する受信信号をもって応答される。該測定変換器の第１端子（第１ターミナル：Ｔ１）及び第２端子（第２ターミナル：Ｔ２）における送信信号に対する両方の応答信号は、夫々のＤＡ変換器により互いに依存せず発生され、これらの応答信号に対応する(zugehoerig)デジタルイメージは、次のように互いに依存しないで計算されて、即ち該応答信号のゼロとは異なる振幅が、夫々依存しないで予設定されている第１走行時間（ｔ１）又は第２走行時間（ｔ２）の経過後に、対応する送信信号に対して第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）において出力されるように互いに依存しないで計算されて、夫々対応する前記ＤＡ変換器のメモリ内に保存される。測定変換器の測定誤差は、一般的には適切に測定された値と予設定値（プリセット値）とを比較することにより検出される。測定変換器は、上記の式（１）〜（４）及び下記の式（８）〜（１１）により表される測定法に従い、第１端子（Ｔ１）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第１走行時間（ｔ１）並びに第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第２走行時間（ｔ２）も、これらの両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）も検出する。測定誤差の決定のためには、測定変換器の３つの測定結果が夫々に対応する予設定値（ｔ１、ｔ２、ｔ２−ｔ１）と比較されるという方式で、複数の比較が実行される。（ｔ２−ｔ１）のための予設定値は、ｔ１及びｔ２のための予設定値から数値差として計算される。即ち、第１端子（Ｔ１）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第１走行時間（ｔ１）のための予設定値と測定変換器による測定値との間の比較からも、第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第２走行時間（ｔ２）のための予設定値と測定変換器による測定値との間の比較からも、予設定されている両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）と、測定変換器により測定された両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）との間の比較からも、測定変換器の測定誤差が決定される。

測定変換器の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の走行時間のための予設定値は、体積流のための予設定値から計算される。体積流のための予設定値と、測定変換器により応答信号に基づいて検出された体積流との間の比較から、測定変換器の測定誤差が決定される。

測定変換器の第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の予設定されている両方の走行時間は、同じ測定箇所パラメータから計算され、該測定箇所パラメータを用いて測定変換器もパラメータ化（パラメータで表すこと）される。

測定変換器の第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の、測定変換器により両方の応答信号に基づいて測定された平均走行時間が、予設定されている走行時間の平均値と比較される、或いは両方の応答信号について測定された走行時間差が、予設定されている走行時間の差と比較されるか、又は、測定変換器により両方の受信信号から検出された体積流が、該測定変換器の測定ユニット公式（測定ユニットについての定義式）により、予設定されている両方の走行時間から得られる体積流と比較される。

本方法は、測定変換器を、測定ユニットのその他の部分の影響を伴うことなく校正する可能性を提供する。校正結果から補正係数（補正ファクタ）が計算されて、測定変換器内に保存される。それに加え、流量校正装置の使用（投入）が回避される。流量基準の代わりに時間基準が使用される。時間基準は、流量基準よりも遥かに正確に実現することができる。それに加え、流量校正装置を使用する場合に生じるコストよりも遥かに少ないコストで済む。

測定変換器は、体積流の予設定値を、模擬形成（シミュレート Nachbildung）された人工的な測定経路（測定経路の人工的な模擬形成部）からデータインタフェースを介して呼び出し、この際、これらの値から、測定誤差と、該測定変換器内の調整のための補正係数とが計算される。

模擬形成された人工的な測定経路のパラメータ化は、測定変換器自体により行われる。そのために測定変換器は、適切なデータインタフェースを介し、模擬形成された人工的な測定経路と接続され、更に該測定変換器は、測定箇所パラメータと、体積流のための予設定値とに基づいて信号を計算し、これらの信号を模擬形成された人工的な測定経路へ伝達する。

測定変換器には、模擬形成された人工的な測定経路により表すことのできる一又は複数測定箇所のためのパラメータセットが記憶されている。

前記課題を解決するための本発明に従う装置については、次のとおりである。
本発明に従う装置は、信号成形(Signalformung)ユニットと信号源とを含んで構成される。信号成形ユニットには、一方では測定変換器が該測定変換器の音響変換器用端子を介して接続され、他方では信号源が該信号源のトリガ入力部と２つの信号出力部とを用いて接続されている。信号成形ユニットは、測定変換器から入力される送信信号から、信号源へ伝送されるトリガパルスを発生させる。信号源はこのトリガパルスの入力により両方の所望の応答信号を発生させる。これらの応答信号は、信号成形ユニットにより測定変換器の音響変換器用端子へ転送される。この際、測定変換器の各音響変換器用端子には互いに依存しない信号源が割り当てられている。そのために信号源は、互いに依存しない２つのＤＡ変換器を含み、これらのＤＡ変換器は、夫々につき、発生させるべき応答信号のデジタル信号イメージを保存するための固有のメモリを有している。この際、発生させるべき信号は、応答信号の瞬時値のデジタル数列として計算され、ＤＡ変換器内のメモリ内に保存される。これらの瞬時値は、典型的には応答信号の電圧経過の瞬時値に対応している。保存すべきポイントの数は、ＤＡ変換器のクロックレート（クロック速度）により与えられている。このクロックレートは、標本化定理を維持できるほどに高ければよい。それによりクロックの周期時間を走行時間（ｔ１）及び（ｔ２）の達成すべき分解能よりも明らかに大きくすることができる。両方の応答信号の計算されたデジタルイメージは、直接的にメモリ内に保存され、それらの出力はトリガパルスの入力により直ちにスタートされる。クロック周期の整数倍分の遅延も必要なことではないと考えられる。それにより第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）に夫々割り当てられている応答信号のために任意の各信号形状を発生させることができる。信号形状が任意であるので、送信信号に関して及びそれから発生されるトリガパルスに関して走行時間も任意に調節可能であるように計算を行うことができる。この際、走行時間の分解能はＤＡ変換器のクロックレートよりも明らかに小さいことが示されている。走行時間の達成可能な典型的な分解能は、クロック周期の１／１０００である。それにより従来技術から公知である必要な遅延ライン（遅延線）を完全に排除することができる。従って本校正装置は明らかに簡素化され、本校正装置の測定不確実性は簡単に国内標準（基準 Normale）に帰因させることができ、その理由は、国内標準に対してはクロック発振器の不確実性だけが校正装置の不確実性を決定するためである。

前記信号源は、例えば２チャネルの任意信号発生器とすることができる。任意(arbitraer)信号発生器（シグナルジェネレータ）における信号発生は、通常では、発生器内のデータメモリ内に記憶されている信号形状がＤＡ変換器によりアナログ信号へ変換され、増幅されるという方式で行われる。つまり信号形状は発生器内において数列として存在している。信号形状を用いた発生器のパラメータ化は、例えば、発生器に接続されているコンピュータを介して行うことができる。またコンピュータの機能性を信号発生器内へ移すことも考えられ、それにより該発生器は信号形状の計算処理を自身で行うことができる。或いはまた信号発生器へ、記録された本当の信号を読み込ませることもできる。

測定管上に取り付けられている音響変換器に接続された測定変換器、並びに該測定変換器の端子Ｔ１及びＴ２に加わる受信信号を示す図である。 音響変換器の代わりに接続された人工的な測定経路を有する測定変換器、並びに該測定変換器の端子Ｔ１及びＴ２に加わる受信信号を示す図である。 信号発生器とコンピュータと信号成形ユニットとから構成される人工的な測定経路を示す図である。

本発明において下記の形態が可能である。
（形態１）上記の第１の視点のとおり。
（形態２）前記測定変換器の第１端子及び第２端子における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の走行時間のための予設定値は、体積流のための予設定値から計算されること、及び、体積流のための予設定値と、前記測定変換器により応答信号に基づいて検出された体積流との間の比較から、前記測定変換器の測定誤差が決定されることが好ましい。
（形態３）前記測定変換器の第１端子又は第２端子における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の予設定されている両方の走行時間は、体積流のための予設定値から、同じ測定箇所モデル及び同じ測定箇所パラメータに基づいて計算され、該測定箇所パラメータを用いて前記測定変換器も動作することが好ましい。
（形態４）前記測定変換器の第１端子又は第２端子における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の、前記測定変換器により両方の応答信号に基づいて測定された平均走行時間が、予設定されている対応走行時間の平均値と比較されること、及び、両方の応答信号について測定された走行時間差が、予設定されている対応走行時間の差と比較されることが好ましい。
（形態５）校正結果から補正係数が算定されて、前記測定変換器内に保存されることが好ましい。
（形態６）前記測定変換器は、体積流の予設定値を、模擬形成された人工的な測定経路からデータインタフェースを介して呼び出し、これらの値から、測定誤差と、前記測定変換器内の調整のための補正係数とが計算されることが好ましい。
（形態７）模擬形成された人工的な測定経路のパラメータ化は、前記測定変換器自体により行われ、そのために前記測定変換器は、適切なデータインタフェースを介し、模擬形成された人工的な測定経路と接続され、更に前記測定変換器は、前記測定変換器及び信号発生器における測定箇所パラメータと、体積流のための予設定値とに基づいて信号を計算し、これらの信号を模擬形成された人工的な測定経路へ伝達することが好ましい。
（形態８）前記測定変換器には、模擬形成された人工的な測定経路により表すことのできる一又は複数測定箇所のためのパラメータセットが記憶されていることが好ましい。
（形態９）上記の第２の視点のとおり。
（形態１０）上記の第３の視点のとおり。
（形態１１）前記信号源は、任意信号発生器であることが好ましい。
（形態１２）前記信号源は、該信号源を制御するためのコンピュータと接続されていることが好ましい。

以下に本発明の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。尚、本願の特許請求の範囲に付記されている図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、本発明を以下の具体的な実施形態に限定するものではないことを付言する。

超音波流量測定ユニット（超音波流速測定ユニット）は、実質的に測定変換器並びに音響変換器（２個）及び測定管から構成される。音響変換器は、測定管内へ取り付けられるか、又は所謂クランプオン流量測定ユニットの場合には外方から測定管上へ取り付けられる。音響変換器及び測定管から成る部分は、本明細書において「測定経路(Messpfad)」と呼ぶものとする。

超音波流量測定ユニットの測定変換器は、双方の音響変換器のための送信信号を発生させ、後続の信号処理のために受信信号を増幅する。前記信号処理は、同様に測定変換器内で行われ、実質的にそれらの信号の走行時間並びに走行時間差を検出するということにある。その際、測定変換器は、例えば上記の式１〜式４を用いて表すことのできる測定経路モデルに基づいて体積流（容積流）を求める。

上記の式４の係数（ファクタ）ＫＦ、Ａ、ＫＴは、音響変換器及び測定管、即ち測定経路の音響的な及び流体力学的な特性により決定される。これらの係数は、勿論、測定結果の計算のために測定変換器により使用されるが、測定変換器により影響されるものではない。逆に言うと、測定経路は、測定変換器内で行われる時間測定の特性に対して何ら影響を及ぼさないと推定される。つまり測定変換器と該測定変換器以外の部分とは相互に反作用を及ぼさないものと見なされる。それに加え、前記時間測定は、受信信号の形状及び振幅に依存しないものと推定される。超音波流量測定ユニットの実際の稼動において受信信号の振幅は極めて異なるものでありうる。受信信号の振幅は、測定媒体の減衰特性、管の大きさ、並びに使用される信号周波数に依存する。また信号形状も変化する。つまり時間測定がこれらの信号特性に依存しないで動作するという事実は、超音波流量測定ユニットの実際の稼動にとって本質的な前提である。また本発明の基本思想、即ち自身の特性において典型的な超音波信号を表す人工的な信号を用い、測定変換器の校正を実行するということも、その前提に基づいている。

超音波流量測定ユニットの全測定誤差において測定変換器の関与部分は、走行時間の測定の誤差と走行時間差の測定の誤差である。つまり測定変換器を校正する役割は、走行時間の測定誤差及び走行時間差の測定誤差を検出することにある。

しかし測定変換器は、測定された走行時間から体積流の計算をも実行する。つまりこの計算を同時に校正内へ含めることは有意義であり、その方式は、測定変換器から出力された体積流を予設定されている体積流と比較し、それにより体積流の測定誤差を検出するという方式である。

図１は、超音波流量測定機能のための本質的な構成部分（測定変換器並びに音響変換器（２個）及び測定管）、並びに測定変換器の端子Ｔ１及びＴ２に加わる受信信号を示している。所謂クランプオン測定方式、即ち音響変換器が外方から測定管上へクランプされている様子が示されている。

図２では、測定変換器が人工的な測定経路と接続されている様子が示されている。この人工的な測定経路は、測定変換器の送信信号に対し、同等の本物の測定経路における信号の走行時間と正確に同じである走行時間分だけ該送信信号に対して遅延されている受信信号をもって応答する。それらの信号の発生のためには、任意信号(arbitraere Signale)のための２チャネルジェネレータを使用することができる。この役割のために十分である走行時間精度を有する時間制限信号を発生させることのできる発生器（ジェネレータ）が数年ほど前から様々な企業により提供されている。

図３は、信号発生器とコンピュータと信号成形ユニットとから構成される人工的な測定経路の一実施形態を示している。信号はコンピュータ上で計算され、信号発生器上へダウンロードされる。ガウス形状で包絡されたサイン関数を表す典型的な信号形状が、以下の式により計算される：

ｓ（ｔ）＝ｅｘｐ（−（ｔ／ｔａｕ）^２）×（１−ｅｘｐ（−（ｔ／ｔａｕ）^２））×ｓｉｎ（２×ｐｉ×ｆ０×ｔ） （式５）

ここでｆ０は、そのような信号を発生させる音響変換器の中心周波数（搬送周波数）である。時定数ｔａｕを用いて信号長が決定される。

この信号において走行時間ｔ１だけ遅延されるバージョンｓ１は、以下の式により計算される：

ｓ１（ｔ）＝ｓ（ｔ−ｔ１） （式６）

この信号は、ＤＡ変換器(Digital to Analog Converter)に対して時系列の形式で供給される。つまり離散的なコントロールポイントにおいてデジタル化が行われる。デジタル化された時系列ｓｄ＿ｉは、以下の式で表される：

ｓｄ＿ｉ＝ｒｎｄ（ＤＡ＿Ｍａｘ×ｓ１（ｔｉ）） （式７）

この際、ｔｉ＝ｉ×Ｔａであり、ＤＡ＿Ｍａｘは、ＤＡ変換器が出力することのできる最大振幅に対応する数値である。Ｔａは、ＤＡ変換器のサンプリング間隔である。

信号発生器は、トリガパルスの受信後に正確にこれらの信号を発信する。信号成形ユニット（シグナルフォーミングユニット Signalformungseinheit）は、測定変換器の送信信号から信号発生器のためのトリガパルスを発生させ、更に前記信号を信号発生器のターミナルＳＡ及びＳＢから、測定変換器のターミナルＴ１及びＴ２が接続されているターミナルＴＡ及びＴＢへ伝送する。

走行時間差の測定誤差は、予設定されている両方の走行時間の差に対する測定された走行時間差のずれ（偏差）として計算される。このようにして測定変換器の時間測定の誤差が検出され、それにより測定変換器の時間測定が校正される。

或いはまた、測定変換器により検出された体積流を、予設定されている体積流と比較することもできる。そのために平均走行時間及び走行時間差が、測定経路モデルに基づき、及び本物の測定経路の形状、並びに測定媒体及び管壁の音速度、並びに音響変換器内の走行時間のような測定箇所パラメータに基づいて計算される。端子Ｔ１及びＴ２における両方の信号の走行時間の差は、予設定されている体積流から計算される。

以下に本方法について更に詳細に説明する。

流体の流れは、流れ方向及び流れ方向の反対方向において走行時間ｔｕ及びｔｄの間で差Δｔをもたらす。流体内の走行時間ｔｌと、走行時間差Δｔと、走行時間ｔｕ及びｔｄとの間の関係は、以下の式で表される：

ｔｕ＝ｔｌ＋ｔ０＋Δｔ／２ （式８）

ｔｄ＝ｔｌ＋ｔ０−Δｔ／２ （式９）

ここでｔ０は、全ての無駄時間（デッドタイム）の合計である。この際、無駄時間としては、流れる流体以外での走行時間が考えられる。流体内の走行時間ｔｌは、流体内の音速度と管内径と入射角とから得られる：

ｔｌ＝Ｄｉ／（Ｃ×ｃｏｓ（γ）） （式１０）

音速度は、流体の選択により決定され、例えば２０℃の水においてはＣ＝１４８２ｍ／ｓである。流量校正装置を用いた校正時の処理方式に対応し、選択された管直径のために典型的な体積流Ｑが予設定される。この体積流から上記の式（４）を置き換えると走行時間差Δｔは、以下の式で表される：

Δｔ＝Ｑ×２ｔｌ／（ＫＦ×Ａ×ＫＴ） （式１１）

この際、走行時間ｔｌは上記の式１０により計算される。信号発生器へ読み込まれる信号の走行時間ｔｕ及びｔｄは、上記の式８及び式９により得られる。

そして測定変換器は、人工的な測定経路により発生された信号において、走行時間及び走行時間差を検出し、それから上記の式（４）により体積流を検出する。この体積流を予設定値と比較することから、決定すべき体積流の測定誤差が得られる。

つまり人工的な測定経路のパラメータ化は、言わば、測定変換器が行う計算の逆を行うことに基づいている。信号の計算のためには、測定変換器内でも使用されるものと正確に同じものである、物理的な測定経路の数学的な記述が使用される。しかし測定変換器が信号を拠り所にして走行時間及び走行時間差を測定し、それから測定経路モデルに基づいて体積流並びに媒体の音速度を計算するのに対し、人工的な測定経路は、体積流及び媒体の音速度を、走行時間及び走行時間差を計算するための予設定値として使用する。測定ユニットのその他の全てのパラメータは、測定変換器及び人工的な測定経路において同一である。本実施形態において測定経路モデルは、上記の式（１）〜（４）及び（８）〜（１１）により表される。使用されるパラメータは、管内径、音速度、無駄時間（デッドタイム）並びに定数ＫＦ及びＫＴである。

多くの場合、校正後に、校正された測定ユニットの調整が行われる。このことは、例えば、校正結果から補正係数（補正ファクタ）を計算し、測定変換器内に保存することにより行うことができる。最新の超音波流量測定ユニットはマイクロプロセッサを装備しているので、そのような調整の計算は測定変換器自体によっても行うことができる。そのために測定変換器は体積流の予設定値を認識していなくてはならない。それ故、本発明の有利な一形態では、測定変換器が体積流の予設定値を人工的な測定経路からインタフェースを介して呼び出し又は受信し、この予設定値及び測定値から測定誤差及び調整のための補正係数を計算することが考慮されている。従って調整機能は測定ユニット内へ組み込まれ、もはやラボ等で行う必要はない。

測定変換器及び信号発生器が同じ測定箇所パラメータを使用することを保証するために、人工的な測定経路のパラメータ化は測定変換器自体によっても行うことができる。つまり測定変換器は、図３に示されたコンピュータの役割を担う。そのために測定変換器は、適切なインタフェースを介して人工的な測定経路を接続されている。測定変換器は、測定箇所パラメータと、体積流のための予設定値とに基づいて信号を計算し、これらの信号を人工的な測定経路へ読み込ませる。測定箇所パラメータは、例えば管直径や音速度のような、人工的な測定経路により模擬形成すべき物理的な測定経路の上記のパラメータである。そのために測定変換器には、校正のために使用されるべき一測定箇所又は複数測定箇所のためのパラメータセットを記憶させることができる。校正は、測定変換器が音響変換器から取り外され、その代わりに人工的な測定経路が接続され、この人工的な測定経路と測定変換器の間のパラメータ化インタフェースの接続が確立されることにより行われる。校正過程は、測定変換器の操作端末を介してスタートすることができる。本発明のこの形態は使用に関して確実性を有し、それにより屋外での使用を可能とし、校正ラボ内の使用だけに限られたものではない。

Ｔ１ 測定変換器の第１端子（第１ターミナル）
Ｔ２ 測定変換器の第２端子（第２ターミナル）
ＴＩ 任意信号発生器のトリガ入力部
ＳＡ 任意信号発生器の第１信号出力部
ＳＢ 任意信号発生器の第２信号出力部
ＴＡ 信号成形ユニットの第１端子（第１ターミナル）
ＴＢ 信号成形ユニットの第２端子（第２ターミナル）

Claims (10)

1. 測定変換器の音響変換器用の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）に接続されている模擬形成された人工的な音響測定経路を用いて、走行時間差法により超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための方法であって、
   前記測定経路の模擬形成により、測定変換器の第１端子（Ｔ１）における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第２端子（Ｔ２）に対する受信信号をもって応答され、該測定変換器の第２端子（Ｔ２）における送信信号は、該測定変換器の少なくとも第１端子（Ｔ１）に対する受信信号をもって応答され、
   該測定変換器の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）における送信信号に対する両方の応答信号は、夫々のＤＡ変換器により互いに依存せず発生され、これらの応答信号に対応するデジタルイメージは、次のように互いに依存しないで計算されて、即ち該応答信号のゼロとは異なる振幅が、夫々依存しないで予設定されている第１走行時間（ｔ１）又は第２走行時間（ｔ２）の経過後に、対応する送信信号に対して第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）において出力されるように互いに依存しないで計算されて、夫々対応する前記ＤＡ変換器のメモリ内に保存され、
   第１端子（Ｔ１）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第１走行時間（ｔ１）のための予設定値と該測定変換器による測定値との間の比較からも、第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の第２走行時間（ｔ２）のための予設定値と該測定変換器による測定値との間の比較からも、予設定されている両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）と、該測定変換器により測定された両方の応答信号の走行時間の差（ｔ２−ｔ１）との間の比較からも、該測定変換器の測定誤差が決定されること
   を特徴とする方法。
2. 前記測定変換器の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の走行時間のための予設定値は、体積流のための予設定値から計算されること、及び、体積流のための予設定値と、前記測定変換器により応答信号に基づいて検出された体積流との間の比較から、前記測定変換器の測定誤差が決定されること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定変換器の第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の予設定されている両方の走行時間は、体積流のための予設定値から、同じ測定箇所モデル及び同じ測定箇所パラメータに基づいて計算され、該測定箇所パラメータを用いて前記測定変換器も動作すること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記測定変換器の第１端子（Ｔ１）又は第２端子（Ｔ２）における送信信号と該送信信号に対応する応答信号との間の、前記測定変換器により両方の応答信号に基づいて測定された平均走行時間が、予設定されている対応走行時間の平均値と比較されること、及び、両方の応答信号について測定された走行時間差が、予設定されている対応走行時間の差と比較されること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
5. 校正結果から補正係数が計算されて、前記測定変換器内に保存されること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記測定変換器は、体積流の予設定値を、模擬形成された人工的な測定経路からデータインタフェースを介して呼び出し、これらの値から、測定誤差と、前記測定変換器内の調整のための補正係数とが計算されること
   を特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 模擬形成された人工的な測定経路のパラメータ化は、前記測定変換器自体により行われ、そのために前記測定変換器は、適切なデータインタフェースを介し、模擬形成された人工的な測定経路と接続され、更に前記測定変換器は、測定箇所パラメータと、体積流のための予設定値とに基づいて信号を計算し、これらの信号を模擬形成された人工的な測定経路へ伝達すること
   を特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記測定変換器には、模擬形成された人工的な測定経路により表すことのできる一又は複数測定箇所のためのパラメータセットが記憶されていること
   を特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 測定変換器の音響変換器用の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）に接続されている模擬形成された人工的な音響測定経路を用いて、走行時間差法により超音波流量測定ユニットの測定変換器を校正するための装置であって、
   該装置は、信号成形ユニットと信号源とを含んで構成されていること、
   該信号成形ユニットは、該信号成形ユニットの第１端子（ＴＡ）及び第２端子（ＴＢ）を用いて測定変換器の音響変換器用の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）に接続されていること、
   該信号成形ユニットは、該測定変換器の送信信号からトリガパルスを発生させ、該信号源のトリガ入力部（ＴＩ）へ転送し、該信号源により発生された信号を該信号成形ユニットの第１端子（ＴＡ）及び第２端子（ＴＢ）へ、従って該測定変換器の音響変換器用の第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）へ伝達すること、及び、
   これらの両方の信号は夫々各ＤＡ変換器により発生されること
   を特徴とする装置。
10. 前記信号源は、任意信号発生器であること
    を特徴とする、請求項９に記載の装置。

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