JP2013210313A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は被測流体の状況の変化に影響されずに流量計測を行うことを課題とする。
【解決手段】流量演算部５０の受信信号検出手段１４０は、第１超音波送受信器２０から送信された第１の超音波を受信した第２の超音波送受信器３０からの第１の受信信号の最大電圧値を検出する。増幅率調整手段１５０は、受信信号検出手段１４０により検出した第１の受信信号の最大電圧値が所定の電圧値となるように可変利得増幅回路８０による受信信号の増幅率を調整する。流速計測手段１７０は、増幅率調整手段１５０により調整された増幅率で第２の超音波を受信した際に第２の超音波送受信器３０より出力された第２の受信信号を増幅し、増幅された第２の受信信号が所定電圧値を超えた場合、第２の超音波の伝播時間を検出し、当該伝搬時間に基づいて被測流体の流速を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波流量計の改良に関する。

従来の超音波流量計としては、例えば被測流体の流れ方向に対して所定角度斜め方向に超音波を伝播させるように一対の超音波送受信器を被測流体が流れる流路に配置した構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。

この超音波流量計においては、流路の上流から下流、及び下流から上流へ被測流体中を伝播した超音波を受信した一対の超音波送受信器からの受信信号の波高値を夫々検出し、その波高値が規定値以上になったことを検出後に夫々の受信信号がゼロレベルを横切るタイミング（ゼロクロス点）を検出する。

さらに、上流から下流、及び下流から上流への伝播方向の異なる両タイミングの時間差を一対の超音波送受信器間の超音波の伝播時間差として検出し、この伝播時間差に基づいて流量を求めている。また、従来は、受信信号の振幅値が所定電圧値以上になると、受信信号が検出されたものと認識できると共に、ＡＧＣ（オートゲインコントローラ）により伝播時間を検出する波の振幅値が所定値となるように受信信号の増幅器のゲイン調整を自動的に行っている。

特開昭５６−１３２５２１号公報

従来は、増幅器のゲインがゲイン設定器に記憶されており、前回の計測時のゲイン（過去に設定されたゲイン）を用いて今回計測の最大振幅値の調整を行っているため、例えば被測流体の性状（密度、温度、流速など）が変化した場合には、ゲイン調整が対応せず、計測誤差が生じるおそれがあるという問題があった。

また、超音波流量計では、上流側から下流側に向けて超音波を送信して上流―下流伝播時間を計測した後、下流側から上流側に向けて超音波を送信して下流―上流伝播時間を計測するため、それぞれの送信方向の増幅率を前回の送受信電圧（振幅値）から設定することになる。そのため、各方向の増幅率が決まってから次に同じ方向で超音波が送受信されるまでには、少なくとも２回の超音波送受信間隔を必要とする。

この間に超音波伝播経路中の温度や圧力、流速などの環境が変化すると、音波の伝播効率が変化してしまい、前回の送受信電圧から設定された増幅率では、増幅後に指定した波の振幅が規定値に合わなくなってしまうことがある。特に流量演算部の消費電力を抑制するために超音波の送受信間隔を広げた場合には、超音波が伝播する被測流体の温度、圧力、流速などの環境がより大きく変化する可能性が高くなるため、受信信号を増幅した後の振幅が規定値と大きく違ってしまい流量演算の誤差が大きくなるおそれがあった。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した超音波流量計の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、被測流体が流れる流路に超音波を送信する超音波送信器と、
前記超音波送信器の上流または下流に設けられ、前記流路内の被測流体を伝播する超音波を受信する超音波受信器と、
前記超音波受信器より出力された受信信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器のゲインを調整するゲイン調整部と、
前記増幅器により増幅された受信信号が所定電圧値を超えた場合に、前記超音波が被測流体中に送信されてから前記超音波受信器からの前記受信信号が検出されるまでの伝播時間を計測し、当該伝播時間に基づいて被測流体の流量を演算する流量演算部と、を有する超音波流量計であって、
前記流量演算部は、
流量計測開始時に前記超音波送信器を駆動する駆動信号を生成し、被測流体中に第１の超音波を送信させる第１の送信制御手段と、
前記超音波送信器から送信された前記第１の超音波を受信した前記超音波受信器からの第１の受信信号の最大電圧値を検出する受信信号検出手段と、
前記受信信号検出手段により検出した前記第１の受信信号の最大電圧値が所定の電圧値となるように前記増幅器による受信信号の増幅率を調整する増幅率調整手段と、
前記超音波送信器を駆動する駆動信号を生成し、被測流体中に第２の超音波を送信させる第２の送信制御手段と、
前記増幅率調整手段により調整された増幅率で前記第２の超音波を受信した際に前記超音波受信器より出力された第２の受信信号を増幅し、前記増幅された第２の受信信号が所定電圧値を超えた場合、前記超音波送信器が前記第２の超音波を送信してから前記超音波受信器が前記第２の受信信号を出力するまでの伝播時間を検出し、当該伝搬時間に基づいて被測流体の流速を計測する流速計測手段と、
を備えたことを特徴とする。
（２）本発明の前記流速計測手段は、前記受信信号検出手段により検出した最大電圧値が所定の電圧値と等しい場合、前記第２の超音波を送信せず、前記超音波送信器が前記第１の超音波を送信してから前記超音波受信器が前記第１の受信信号を出力するまでの伝播時間を検出し、当該伝搬時間に基づいて被測流体の流速を計測することを特徴とする。

本発明によれば、流量計測開始時に超音波送信器から被測流体中に第１の超音波を送信させ、受信信号検出手段により検出した第１の受信信号の最大電圧値が所定の電圧値となるように増幅器による受信信号の増幅率を調整するため、流量計測時には、その直前に検出された増幅率を用いて受信信号を増幅させることができるので、計測中に被測流体の性状（温度、圧力、流速）が変化した場合でも当該被測流体に合った増幅率で受信信号を適切に増幅することが可能になり、流量計測精度を高めることができる。

本発明による超音波流量計の一実施例の構成を示すブロック図である。 超音波の送受信を説明するためのタイミングチャートである。 超音波の受信信号の波形パターンを示す波形図である。 上流−下流送信処理１を説明するためのフローチャートである。 下流−上流送信処理１を説明するためのフローチャートである。 流速演算処理を説明するためのフローチャートである。 変形例１の上流−下流送信処理２を説明するためのフローチャートである。 変形例１の下流−上流送信処理２を説明するためのフローチャートである。 変形例２の超音波の送受信を説明するためのタイミングチャートである。 変形例２の上流−下流送信処理３を説明するためのフローチャートである。 変形例２の下流−上流送信処理３を説明するためのフローチャートである。 変形例３の超音波の送受信を説明するためのタイミングチャートである。 変形例３の流速と増幅率との関係を示す図である。 変形例３の下流−上流送信処理４を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

〔超音波流量計の構成〕
図１は本発明による超音波流量計の一実施例の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、超音波流量計１０は、流量計本体１２の内部を貫通する流路１４に第１、第２の超音波送受信器２０、３０と、流量計測部４０とを有する。第１の超音波送信器（上流側超音波送受信器）２０は、流路１４に設けられた上流側超音波センサである。第２の超音波送受信器（下流側超音波送受信器）３０は、第１の超音波送信器２０より下流に設けられた下流側超音波センサである。

流量計測部４０は、流量演算部５０と、第１の切替スイッチ６０、送信回路７０、可変利得増幅回路８０と、第２の切替スイッチ１００と、上流−下流増幅率設定回路１１０と、下流−上流増幅率設定回路１２０とを有する。

第１、第２の超音波送受信器２０、３０は、夫々第１の切替スイッチ６０を介して送信回路７０及び可変利得増幅回路８０に接続されている。送信回路７０及び可変利得増幅回路８０は、マイクロコンピュータからなる流量演算部５０に接続されている。

また、可変利得増幅回路８０の出力側は、分岐されてコンパレート回路（比較回路）９０を介して流量演算部５０に接続されている。可変利得増幅回路８０は、第２の切替スイッチ１００及び上流−下流増幅率設定回路１１０、下流−上流増幅率設定回路１２０を介して流量演算部５０と接続されている。

流量演算部５０は、第１の送信制御手段１３０と、受信信号検出手段１４０と、増幅率調整手段１５０と、第２の送信制御手段１６０と、流量計測手段１７０とを有する。

第１の送信制御手段１３０は、流量計測開始時に第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか一方を駆動する駆動信号を生成し、被測流体中に第１の超音波を送信させる。

受信信号検出手段１４０は、第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか一方から送信された第１の超音波を受信した第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか他方からの第１の受信信号の最大電圧値を検出する。

増幅率調整手段１５０は、受信信号検出手段１４０により検出した第１の受信信号の最大電圧値が所定の電圧値となるように可変利得増幅回路８０による受信信号の増幅率を調整する。

第２の送信制御手段１６０は、第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか他方を駆動する駆動信号を生成し、被測流体中に第２の超音波を送信させる。

流速計測手段１７０は、増幅率調整手段１５０により調整された増幅率で第２の超音波を受信した際に第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか他方より出力された第２の受信信号を増幅し、増幅された第２の受信信号が所定電圧値を超えた場合、第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか一方が第２の超音波を送信してから第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れか他方が第２の受信信号を出力するまでの伝播時間を検出し、当該伝搬時間に基づいて被測流体の流速を計測する。

第１の切替スイッチ６０（切替器）は、夫々流量演算部５０からの切替信号により第１、第２の超音波送受信器２０、３０の一方が送信側、他方が受信側となるように可動切片ｃ１、ｃ２を接点ａ１、ａ２またはｂ１、ｂ２に接触させて信号経路を切替える。また、第２の切替スイッチ１００（切替器）は、夫々流量演算部５０からの切替信号により上流−下流増幅率設定回路１１０または下流−上流増幅率設定回路１２０の一方の増幅率が可変利得増幅回路８０に設定されるように接続するように可動切片ｃ３を接点ａ３またはｂ３に接触させて信号経路を切替える。尚、上記切替スイッチ６０、１００は、例えばトランジスタによるスイッチ回路又はリレー回路などからなり、流量演算部５０から出力される制御信号により切り替わる。

流量計測時の送信回路７０は、流量演算部５０からのサンプリング周波数に基づいて生成した超音波送信信号を第１の切替スイッチ６０を介して第１、第２の超音波送受信器２０、３０の何れかに出力する。例えば切替スイッチ６０の可動切片ｃ１、ｃ２が接点ａ１、ａ２に接触されて送信回路７０からの駆動信号が上流側の第１の超音波送受信器２０に入力されると、当該第１の超音波送受信器２０から流路１４を流れる被測流体中に超音波が送信される。この場合、被測流体中を伝播する超音波は、上流から下流へ送信されるため、被測流体の流速に応じて伝播速度が加速される。そのため、第２の超音波送受信器３０に到達するまでの伝播時間が短くなる。

この後、第１の切替スイッチ６０の可動切片ｃ１、ｃ２が接点ｂ１、ｂ２に接触するように切り替わると、下流側の第２の超音波送受信器３０から流路１４を流れる被測流体中に超音波が送信される。被測流体中を伝播する超音波は、下流から上流に向かうため、被測流体の流速に応じて伝播速度が減速される。そのため、第１の超音波送受信器２０に到達するまでの伝播時間が長くなる。

流量演算部５０は、超音波の送信から第１、第２の超音波送受信器２０、３０が受信信号を出力するまでの伝搬時間の時間差に基づいて被測流体の流速を演算し、さらに流路１４の断面面積に流速を乗じて単位時間当たりの流量を演算する。

第１、第２の超音波送受信器２０、３０から出力された受信信号は、第１の切替えスイッチ６０を介して可変利得増幅回路８０に入力される。可変利得増幅回路８０は、第１、第２の超音波送受信器２０、３０から出力された受信信号の振幅が所定電圧となるようにゲイン調整を行った受信信号を流量演算部５０に出力する。

また、流量演算部５０は、上流−下流増幅率設定回路１１０、下流−上流増幅率設定回路１２０によって設定された増幅率を第２の切替スイッチ１００を介して可変利得増幅回路８０に供給する。第２の切替スイッチ１００は、可動切片ｃ３が前述した第１の切替スイッチ６０と連動して切り替わり、接点ａ３またはｂ３に接触し、上流−下流増幅率設定回路１１０または下流−上流増幅率設定回路１２０を可変利得増幅回路８０に接続する。よって、可変利得増幅回路８０は、ＡＧＣ（オートゲインコントローラ）を構成しており、上流−下流増幅率設定回路１１０または下流−上流増幅率設定回路１２０によって設定された増幅率に基づいてゲイン調整を自動的に行う。

〔超音波の送受信のタイミング〕
図２は超音波の送受信を説明するためのタイミングチャートである。図２に示されるように、切替スイッチ６０の可動切片ｃ１、ｃ２が接点ａ１、ａ２に接触されて送信回路７０からの２つの駆動信号が上流側の第１の超音波送受信器２０に入力されると、第１の超音波送受信器２０から二つの超音波Ｐａ１，Ｐａ２が所定時間間隔をおいて送信される。

下流側に配された第２の超音波送受信器３０は、被測流体を伝播した超音波Ｐａ１，Ｐａ２が到達すると、二つの受信信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を出力する。このとき、増幅率調整手段１５０は、第１の受信信号Ｓｂ１の最大電圧値が所定の電圧値となるように可変利得増幅回路８０による受信信号の増幅率を調整する。そして、増幅率調整手段１５０による調整された増幅率の値が第２の切替スイッチ１００を介して上流−下流増幅率設定回路１１０に入力される。これにより、第２の受信信号Ｓｂ２は、第１の受信信号Ｓｂ１の最大電圧値の大きさに基づいて調整された増幅率により所定の電圧値となるように制御される。

この後は、第１の切替スイッチ６０及び第２の切替スイッチ１００の可動切片ｃ１〜ｃ３が接点ｂ１〜ｂ３に接触する位置に動作して切り替わるため、送信回路７０からの２つの駆動信号が上流側の第１の超音波送受信器２０に入力されると、第１の超音波送受信器２０から二つの超音波Ｐｂ１，Ｐｂ２が所定時間間隔をおいて送信される。

下流側に配された第２の超音波送受信器３０は、被測流体を伝播した超音波
Ｐｂ１，Ｐｂ２が到達すると、二つの受信信号Ｓａ１、Ｓａ２を出力する。このとき、増幅率調整手段１５０は、第１の受信信号Ｓａ１の最大電圧値が所定の電圧値となるように可変利得増幅回路８０による受信信号の増幅率を調整する。そして、増幅率調整手段１５０による調整された増幅率の値が第２の切替スイッチ１００を介して下流−上流増幅率設定回路１２０に入力される。これにより、第２の受信信号Ｓａ２は、第１の受信信号Ｓａ１の最大電圧値の大きさに基づいて調整された増幅率により所定の電圧値となるように制御される。

ここで、受信信号の波形形状について説明する。

図３は超音波の受信信号の波形パターンを示す波形図である。図３に示されるように、受信信号の振幅は、伝播経路中の状態（温度、圧力、流速など）により超音波の伝播効率が異なるため、最大振幅Ｖ１、Ｖ２は変化する。その際、受信検知のタイミングは、オフセット電圧の閾値Ｖａを立ち上がりで交差したタイミングを到達時間とするが、受信振幅の最大電圧Ｖ１、Ｖ２の差により到達時間Ｔ１、Ｔ２も変化する。

ここで、従来の計測方式について説明する。上記受信振幅の最大電圧Ｖ１、Ｖ２の差により到達時間Ｔ１、Ｔ２に違いが生じるため、可変利得増幅回路８０から出力された増幅率の信号を用いて各受信信号の最大振幅が所定値となるように増幅率を調整するように制御する。例えば、送信回路７０により上流側の超音波送受信器２０が駆動されると、被測流体中を伝播した超音波が下流側の超音波送受信器３０に到達し、受信信号が出力される。そこで、超音波が送信されてから受信信号が出力されるまでの超音波の伝播時間を測定すると共に、受信信号の最大電圧値を測定し、次の受信信号の最大電圧値が規定範囲に入るように増幅率を演算する。

次に、第１の切替スイッチ６０を前述したように可動切片ｃ１、ｃ２が接点ｂ１、ｂ２に接触するように切替えると、下流側の超音波送受信器３０が送信側となり、上流側の超音波送受信器２０が受信側となる。そこで、送信側と受信側とを切替えた場合の超音波の伝播時間を測定すると共に、受信信号の最大電圧値を測定し、次の受信信号の最大電圧値が規定範囲に入るように増幅率を演算する。

上記計測処理により１回の流量演算が行われ、この計測処理を繰り返す。

ここで、可変利得増幅回路８０の増幅率は、上流−下流増幅率設定回路１１０、下流−上流増幅率設定回路１２０によって上流から下流、下流から上流で夫々別々に前回の受信最大電圧の規定値の範囲に入るように設定され、次の送受信が行われる。

この従来の計測方式では、夫々の伝播経路毎に受信増幅率を設定しているが、超音波を上流→下流、下流→上流で交互に送受信するため、今の増幅率を決定した増幅値は、前々回の送受信のときの値となることから、その間に被測流体の環境（温度、圧力、流速など）が大きく変化した場合、受信電圧も大きく変化することから、増幅後の受信最大電圧値が規定値の範囲に収まらないことがある。

受信信号の最大電圧値が大きく違うと、図３に示すように、音波伝播時間計測に大きく影響する。受信信号の中点（ゼロ点）でコンパレートして伝播時間を測定すれば、振幅値が違っても伝播時間差には影響しないが、実際には、受信信号のＳ／Ｎ比（信号雑音比：ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が悪いため、伝播時間の基準とするコンパレートには、ヒステリシス（オフセット）を持たせている。そのため、振幅値が違う場合には、コンパレートされるタイミング（時間軸）がずれてしまい、正確な伝播時間を検出できない。

そのため、受信電圧の最大値を規定値の範囲に入るようにすることは、超音波流量計の計測精度に大きく影響する。

そこで、本発明では伝播時間を検出する受信信号の振幅最大値を所定値に揃えるため、増幅率を設定してから次に超音波の送受信を行うまでの時間を極力短くなるように制御する。この本発明の制御方式では、前述した図２に示すように、上流側の超音波送受信器２０を送信側とし、下流側の超音波送受信器３０を受信側とした場合、超音波送受信器２０から２回続けて超音波Ｐａ１、Ｐａ２を送信させ、超音波送受信器３０では超音波を２回連続して受信する。その際、従来方式に比べて増幅率設定までの時間間隔が短いために、音波伝播経路の状況（温度、圧力、流速など）が変化する可能性が低くなり、変化率も小さいことから、第２の受信信号Ｓｂ２（２回目の伝播時間測定用音波）の最大振幅が規定値範囲に入る確率が従来方式に比べて非常に高くなる。

また、第１の受信信号Ｓｂ１（１回目の増幅率調整用音波）の送受信により受信最大電圧が規定値範囲内であれば、その受信信号で伝播時間を計測すれば、超音波送受信の回数を減らすことも可能になる。

〔流量演算部５０の制御処理〕
図４Ａは上流−上流送信処理１を説明するためのフローチャートである。図４Ａに示されるように、流量演算部５０は、Ｓ１１で第１の切替スイッチ６０の可動切片ｃ１、ｃ２が接点ａ１、ａ２に接触する位置に切替えて上流側の第１の超音波送受信器２０を送信側とし、下流側の第２の超音波送受信器３０を受信側とする。

次のＳ１２では、第２の切替スイッチ１００の可動切片ｃ３が第１の切替スイッチ６０と連動して、接点ａ３に接触するように切り替えて、上流−下流増幅率設定回路１１０を可変利得増幅回路８０に接続する。続いて、Ｓ１３に進み、上流側の第１の超音波送受信器２０に駆動信号（一波目）を出力して第１の超音波を第１の超音波送受信器２０から送信させる。

Ｓ１４では、第２の超音波送受信器３０で超音波が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ１４において、第２の超音波送受信器３０から第１の受信信号が出力されると、第１の超音波が受信されたものと判断し、Ｓ１５に進み、当該第１の受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しいか否かをチェックする。

Ｓ１５において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しくない場合（ＮＯの場合）、Ｓ１６に進み、当該第１の受信信号の最大振幅値が所定振幅値となるための増幅率αｘを演算する。続いて、Ｓ１７に進み、上流−下流増幅率設定回路１１０の増幅率をαｘに設定（記憶）する。この後は、Ｓ１９の処理に移行する。

また、上記Ｓ１５において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１８に進み、上流−下流増幅率設定回路１１０に設定されている前回の増幅率αｘを更新せず、そのままとする。

Ｓ１９では、上流側の第１の超音波送受信器２０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波を第１の超音波送受信器２０から送信させる。続いて、Ｓ２０では、第２の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ１の計測を開始する。次のＳ２１では、第２の超音波が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ２１において、第２の超音波送受信器３０から受信信号が出力されると、第２の超音波が受信されたものと判断し、Ｓ２２で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ１を記憶する。このように、図２に示すように第１の超音波送受信器２０から二つの超音波Ｐａ１，Ｐａ２が所定時間間隔をおいて送信され、被測流体を伝播した超音波Ｐａ１，Ｐａ２が到達すると、下流側に配された第２の超音波送受信器３０から二つの受信信号Ｓｂ１、Ｓｂ２が出力される。

図４Ｂは下流−上流送信処理１を説明するためのフローチャートである。図４Ｂに示されるように、流量演算部５０は、Ｓ３１で第１の切替スイッチ６０の可動切片ｃ１、ｃ２が接点ｂ１、ｂ２に接触する位置に切替えて上流側の第１の超音波送受信器２０を受信側とし、下流側の第２の超音波送受信器３０を送信側とする。

次のＳ３２では、第２の切替スイッチ１００の可動切片ｃ３が第１の切替スイッチ６０と連動して、接点ｂ３に接触するように切り替えて、下流−上流増幅率設定回路１２０を可変利得増幅回路８０に接続する。続いて、Ｓ３３に進み、下流側の第２の超音波送受信器３０に駆動信号（一波目）を出力して第１の超音波を第２の超音波送受信器３０から送信させる。

Ｓ３４では、上流側の第１の超音波送受信器２０で超音波が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ３４において、第１の超音波送受信器２０から第１の受信信号が出力されると、第１の超音波が受信されたものと判断し、Ｓ３５に進み、当該第１の受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しいか否かをチェックする。

Ｓ３５において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しくない場合（ＮＯの場合）、Ｓ３６に進み、当該第１の受信信号の最大振幅値が所定振幅値となるための増幅率βｘを演算する。続いて、Ｓ３７に進み、下流−上流増幅率設定回路１２０の増幅率をβｘに設定（記憶）する。この後は、Ｓ３９の処理に移行する。

また、上記Ｓ３５において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３８に進み、下流−上流増幅率設定回路１２０に設定されている前回の増幅率βｘを更新せず、そのままとする。

Ｓ３９では、下流側の第２の超音波送受信器３０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波を第２の超音波送受信器３０から送信させる。続いて、Ｓ４０では、第２の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ２の計測を開始する。次のＳ４１では、第２の超音波が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ４１において、第１の超音波送受信器２０から受信信号が出力されると、第２の超音波が受信されたものと判断し、Ｓ４２で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ２を記憶する。このように、図２に示すように第２の超音波送受信器３０から二つの超音波Ｐｂ１，Ｐｂ２が所定時間間隔をおいて送信され、被測流体を伝播した超音波Ｐｂ１，Ｐｂ２が到達すると、上流側に配された第１の超音波送受信器２０から二つの受信信号Ｓａ１、Ｓａ２が出力される。

図４Ｃは流速演算処理を説明するためのフローチャートである。図４Ｃに示されるように、流量演算部５０は、Ｓ４５で、上記到達時間（伝播時間）ｔ１、ｔ２から被測流体の流速（及び／又は流量）を演算する。すなわち、超音波の送信から第１、第２の超音波送受信器２０、３０が受信信号を出力するまでの到達時間（伝播時間）ｔ１、ｔ２の時間差に基づいて被測流体の流速を演算し、さらに流路１４の断面面積に流速を乗じて単位時間当たりの流量を演算する。次のＳ４６では、被測流体の流速（及び／又は流量）の演算値を出力する。

〔変形例１〕
図５Ａは変形例１の上流−下流送信処理２を説明するためのフローチャートである。図５Ａに示されるように、Ｓ５１〜Ｓ５３は、前述したＳ１１〜Ｓ１３と同様である。Ｓ５４では、第１の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ１の計測を開始する。

次のＳ５５，Ｓ５６は、前述したＳ１４、Ｓ１５と同様である。Ｓ５６において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しくない場合（ＮＯの場合）、Ｓ５７に進み、当該第１の受信信号の最大振幅値が所定振幅値となるための増幅率αｘを演算する。続いて、Ｓ５８に進み、上流−下流増幅率設定回路１１０の増幅率をαｘに設定（記憶）する。

この後のＳ５９では、上流側の第１の超音波送受信器２０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波を第１の超音波送受信器２０から送信させる。続いて、Ｓ６０では、第２の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ１の計測を開始する。

次のＳ６１では、下流側の第２の超音波送受信器３０で第２の超音波が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ６１において、第２の超音波送受信器３０から受信信号が出力されると、第２の超音波が受信されたものと判断し、Ｓ６２で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ１を記憶する。

また、上記Ｓ５６において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合（ＹＥＳの場合）、増幅率を変更する必要がないので、Ｓ６２に進み、上流−下流増幅率設定回路１１０に設定されている前回の増幅率αｘを更新せず、Ｓ６２で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ１を記憶する。

この変形例１では、第１の超音波が送信されると共に、Ｓ５４で到達時間ｔ１の計測を開始し、計測中にＳ５５、Ｓ５６で受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合には、増幅率を更新するための第２の超音波の送信を行わず、何もせずに到達時間ｔ１の計測を行うだけであり、演算処理が簡略化されることで流量演算部５０の負担を軽減できる。

図５Ｂは変形例１の下流−上流送信処理２を説明するためのフローチャートである。図５Ｂに示されるように、Ｓ７１〜Ｓ７３は、前述したＳ３１〜Ｓ３３の処理と同様である。Ｓ７４では、第１の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ２の計測を開始する。

次のＳ７５，Ｓ７６は、前述したＳ３４、Ｓ３５と同様である。Ｓ７６において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しくない場合（ＮＯの場合）、Ｓ７７に進み、当該第１の受信信号の最大振幅値が所定振幅値となるための増幅率βｘを演算する。続いて、Ｓ７８に進み、下流−上流増幅率設定回路１２０の増幅率をβｘに設定（記憶）する。

この後のＳ７９では、下流側の第２の超音波送受信器３０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波を第２の超音波送受信器３０から送信させる。続いて、Ｓ８０では、第２の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ２の計測を開始する。

次のＳ８１では、上流側の第２の超音波送受信器３０で第２の超音波が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ８１において、第２の超音波送受信器３０から受信信号が出力されると、第２の超音波が受信されたものと判断し、Ｓ８２で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ２を記憶する。

また、上記Ｓ７６において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合（ＹＥＳの場合）、増幅率を変更する必要がないので、Ｓ８２に進み、下流−上流増幅率設定回路１２０に設定されている前回の増幅率βｘを更新せず、Ｓ８２で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ２を記憶する。

この変形例１では、第１の超音波が送信されると共に、Ｓ７４で到達時間ｔ１の計測を開始し、計測中にＳ７５、Ｓ７６で受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合には、増幅率を更新するための第２の超音波の送信を行わず、何もせずに到達時間ｔ２の計測を行うだけであり、演算処理が簡略化されることで流量演算部５０の負担を軽減できる。

〔変形例２〕
図６は変形例２の超音波の送受信を説明するためのタイミングチャートである。図６に示されるように、変形例２では、２つの超音波を送信する時間間隔（周期Ｔａ）を短くしており、第１の超音波が送信されてから第２の超音波が送信されるまでの時間で演算処理を行うのではなく、第１、第２の超音波Ｐａ１，Ｐａ２を短時間に連続して送信することにより、送信時間を短縮すると共に、受信側では第１の受信信号Ｓｂ１が出力されると共に、増幅率を演算して第２の受信信号Ｓｂ２が出力されるのに備える。

この変形例２の方法では、流量計の口径によらず、第１、第２の超音波Ｐａ１、Ｐａ２の送信間隔を任意に設定することができるので、間欠的に流量計測を行う場合、流量演算部５０を休ませるスリープ時間を他の方式よりも長くすることが可能になる。また、被測流体の環境（温度、圧力、流速など）による影響を抑制することも可能になり、受信信号の受信最大値（最大振幅）が安定する。

図７Ａは変形例２の上流−下流送信処理３を説明するためのフローチャートである。図７Ａに示されるように、Ｓ９１、Ｓ９２、Ｓ９３の処理は、前述したＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３の処理と同様である。Ｓ９４では、Ｓ９３で第１の超音波Ｐａ１を送信してからの時間を計測しており、予め設定された所定時間（第１の超音波と第２の超音波の送信時間間隔で実施例１よりも短い時間：周期Ｔａ）が経過したか否かをチェックする。

Ｓ９４において、所定時間（周期Ｔａ）が経過したとき（ＹＥＳの場合）、Ｓ９５に進み、上流側の第１の超音波送受信器２０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波を第１の超音波送受信器２０から送信させる。続いて、Ｓ９６では、第２の超音波の到達時間（伝播時間）ｔ１ｂの計測を開始する。

次のＳ９７〜Ｓ１０１は、前述したＳ１４〜Ｓ１８と同様である。Ｓ１０２、Ｓ１０３は、前述したＳ２１、Ｓ２２と同様である。このように、変形例２では、第１、第２の超音波Ｐａ１、Ｐａ２の送信間隔を短くして連続して送信し、第１の超音波Ｐａ１が送信された後、増幅率の演算を行わず、上記Ｓ９８において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１０１に進み、上流−下流増幅率設定回路１１０に設定されている前回の増幅率αｘを更新せず、そのままとするため、増幅率調整のための演算処理が簡略化されて演算時間を短縮化できる。

図７Ｂは変形例２の下流−上流送信処理３を説明するためのフローチャートである。図７Ｂに示されるように、Ｓ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１１３の処理は、前述したＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３の処理と同様である。Ｓ１１４では、Ｓ１１３で第１の超音波Ｐｂ１を送信してからの時間を計測しており、予め設定された所定時間（第１の超音波と第２の超音波の送信時間間隔で実施例１よりも短い時間：（周期Ｔａ））が経過したか否かをチェックする。

Ｓ１１４において、所定時間（周期Ｔａ）が経過したとき（ＹＥＳの場合）、Ｓ１１５に進み、下流側の第２の超音波送受信器３０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波Ｐｂ２を第２の超音波送受信器３０から送信させる。続いて、Ｓ１１６では、第２の超音波Ｐｂ２の到達時間（伝播時間）ｔ２ｂの計測を開始する。

次のＳ１１７〜Ｓ１２１は、前述したＳ３４〜Ｓ３８と同様である。Ｓ１２２、Ｓ１２３は、前述したＳ４１、Ｓ４２と同様である。このように、変形例２では、第１、第２の超音波Ｐｂ１、Ｐｂ２の送信間隔を短くして連続して送信し、第１の超音波Ｐｂ１が送信された後、増幅率の演算を行わず、上記Ｓ１１８において、当該受信信号の最大振幅値が所定振幅値にほぼ等しい場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１２１に進み、下流−上流増幅率設定回路１２０に設定されている前回の増幅率αｘを更新せず、そのままとするため、増幅率調整のための演算処理が簡略化されて演算時間を短縮化できる。

〔変形例３〕
図８は変形例３の超音波の送受信を説明するためのタイミングチャートである。図８に示されるように、変形例３では、２つの超音波を送信する時間間隔（周期Ｔａ）を短くするとともに、上流側の超音波送受信器２０から第１、第２の超音波Ｐａ１，Ｐａ２を短時間に連続して送信し、被測流体の流速が一定の場合、下流側から上流側へ超音波を送受信する際、増幅率αｘと流速との関係から増幅率βｘを推測することにより、下流側から上流側への超音波の送受信処理を簡略化して演算処理時間を短縮することができる。

また、変形例３の方法では、上記変形例２と同様に、流量計の口径によらず、第１、第２の超音波Ｐａ１、Ｐａ２の送信間隔を任意に設定することができるので、間欠的に流量計測を行う場合、流量演算部５０を休ませるスリープ時間を他の方式よりも長くすることが可能になる。また、被測流体の環境（温度、圧力、流速など）による影響を抑制することも可能になり、受信信号の受信最大値（最大振幅）が安定する。

図９は変形例３の流速と増幅率との関係を示す図である。図９に示されるように、流量計の口径（流路内径）によって増幅率係数がαｘ１、βｘ１またはαｘ２、βｘ２と変化する。この増幅率係数は、それぞれ流速＝０を中心軸として流速＋Ｖと−Ｖとで対称に変化する。このように、流速値が同じであれば、＋Ｖと−Ｖとで増幅率係数がほぼ同じ値となることを意味する。そのため、超音波を上流側から下流側に送受信した際に増幅率係数をαｘ１、αｘ２が演算されると、超音波を下流側から上流側へ送受信した際、同じ流速値であれば、増幅率係数βｘ１、βｘ２がαｘ１、αｘ２とほぼ同じ値となることから、増幅率係数βｘ１、βｘ２の演算を簡略化することができる。

尚、変形例３では、上流−下流送信処理が変形例２の上流−下流送信処理３が共通であるので、その説明を省略する。

図１０は変形例３の下流−上流送信処理４を説明するためのフローチャートである。図１０に示されるように、Ｓ１３１、Ｓ１３２は、前述したＳ３１、Ｓ３２と同様である。Ｓ１３３では、上流側の第１の超音波送受信器２０で第２の超音波が受信された到達時間（伝播時間）ｔ２から概算流速を演算する。

次のＳ１３４では増幅率αｘと概算流速ｖ（または概算流量）とに対応する増幅率βｘ（図９参照）に設定する。続いてＳ１３５に進み、下流−上流増幅率設定回路１２０の上記増幅率をβｘに設定する。

Ｓ１３６では、下流側の第２の超音波送受信器３０に駆動信号（一波目）を出力して第１の超音波Ｐｂ１を第２の超音波送受信器３０から送信させる。続いて、Ｓ１３７では、上流側の第１の超音波送受信器２０で第１の超音波Ｐｂ１が受信されたか否かをチェックする。すなわち、Ｓ１３７において、第１の超音波送受信器２０から受信信号Ｓｂ１が出力されると、第１の超音波Ｐａ１が受信されたものと判断し、Ｓ１３８で下流側の第２の超音波送受信器３０に駆動信号（二波目）を出力して第２の超音波Ｐａ２を第２の超音波送受信器３０から送信させる。

続いて、Ｓ１３９では、第１の超音波Ｐｂ１の到達時間（伝播時間）ｔ１ｂの計測を開始する。次のＳ１４０では、上流側の第１の超音波送受信器２０で第１の超音波Ｐｂ１を受信したか否かをチェックする。Ｓ１４０において、第１の受信信号Ｓａ１が出力されると、第１の超音波送受信器２０で第１の超音波Ｐｂ１を受信したものと判断し、Ｓ１４１に進み、第１の超音波Ｐｂ１が受信された到達時間（伝播時間）ｔ２を記憶する。

このように、変形例３では、下流側から上流側へ超音波が送信される場合の増幅率βｘを超音波が上流側から下流側へ送信される際の増幅率αｘと概算流速ｖ（または概算流量）から求めるため、超音波の送信回数を減らすことが可能になる。

１０ 超音波流量計
１２ 流量計本体
１４ 流路
２０ 第１の超音波送信器
３０ 第２の超音波送受信器
４０ 流量計測部
５０ 流量演算部
６０ 第１の切替スイッチ
７０ 送信回路
８０ 可変利得増幅回路
１００ 第２の切替スイッチ
１１０ 上流−下流増幅率設定回路
１２０ 下流−上流増幅率設定回路
１３０ 第１の送信制御手段
１４０ 受信信号検出手段
１５０ 増幅率調整手段
１６０ 第２の送信制御手段
１７０ 流量計測手段

Claims (2)

1. 被測流体が流れる流路に超音波を送信する超音波送信器と、
   前記超音波送信器の上流または下流に設けられ、前記流路内の被測流体を伝播する超音波を受信する超音波受信器と、
   前記超音波受信器より出力された受信信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器のゲインを調整するゲイン調整部と、
   前記増幅器により増幅された受信信号が所定電圧値を超えた場合に、前記超音波が被測流体中に送信されてから前記超音波受信器からの前記受信信号が検出されるまでの伝播時間を計測し、当該伝播時間に基づいて被測流体の流量を演算する流量演算部と、を有する超音波流量計であって、
   前記流量演算部は、
   流量計測開始時に前記超音波送信器を駆動する駆動信号を生成し、被測流体中に第１の超音波を送信させる第１の送信手段と、
   前記超音波送信器から送信された前記第１の超音波を受信した前記超音波受信器からの第１の受信信号の最大電圧値を検出する受信信号検出手段と、
   前記受信信号検出手段により検出した前記第１の受信信号の最大電圧値が所定の電圧値となるように前記増幅器による受信信号の増幅率を調整する増幅率調整手段と、
   前記超音波送信器を駆動する駆動信号を生成し、被測流体中に第２の超音波を送信させる第２の送信手段と、
   前記増幅率調整手段により調整された増幅率で前記第２の超音波を受信した際に前記超音波受信器より出力された第２の受信信号を増幅し、前記増幅された第２の受信信号が所定電圧値を超えた場合、前記超音波送信器が前記第２の超音波を送信してから前記超音波受信器が前記第２の受信信号を出力するまでの伝播時間を検出し、当該伝搬時間に基づいて被測流体の流速を計測する流速計測手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記流速計測手段は、前記受信信号検出手段により検出した最大電圧値が所定の電圧値と等しい場合、前記第２の超音波を送信せず、前記超音波送信器が前記第１の超音波を送信してから前記超音波受信器が前記第１の受信信号を出力するまでの伝播時間を検出し、当該伝搬時間に基づいて被測流体の流速を計測することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。

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