JP2014102091A

JP2014102091A - 超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置、及び超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法

Info

Publication number: JP2014102091A
Application number: JP2012252436A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Izumi; 昭年泉; Shuichi Watanabe; 周一渡辺; Keisuke Fujimoto; 圭祐藤本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】超音波信号の検出時刻を判定するための閾値を上げずに、ノイズ信号又は反射波信号を排除して超音波信号を高精度に受信する。
【解決手段】超音波受信器は、温度の測定対象空間に配置されたセンサユニットから送信された超音波信号を受信する。プロセッサは、受信信号の包絡線の信号レベルが、センサユニットから送信された超音波信号と判定するための第１所定値と第１所定値より大きい第２所定値との間となる受信信号の包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定する。プロセッサは、受信信号の包絡線が所定の条件を満たす場合に、受信信号を超音波信号と判定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、測定対象空間における超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置及び超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法に関する。

空気中を伝搬する音波（例えば超音波）の速度が温度に応じて変化する原理を用いて、測定対象空間の温度を測定する技術が知られている。測定対象空間の温度を高精度に測定するためには、空気中を伝搬する音波（例えば超音波）の検出が失敗しないように、超音波受信器は、受信信号が超音波送信器から送信された超音波であるのか又はノイズ信号であるかを高精度に判定する必要がある。

例えば、特許文献１に示す超音波検知装置は、一定周期毎に一定のパルス幅で超音波パルスを送信する送信ユニットと、超音波パルスの反射波を受信して超音波パルスを検知したことを示す検知信号を出力する受信ユニットを含む。超音波検知装置は、受信信号のパルス幅を計測して記憶し、今回の受信信号のパルス幅の計測値と記憶された前回の受信信号のパルス幅の計測値とを比較し、計測値の差分が所定値以上である場合に今回の受信信号がノイズ信号であると判定する。

特公平７−７０５６号公報

特許文献１を含む従来技術における超音波の受信時の課題について、図２０を参照して説明する。図２０（Ａ）は、受信信号が計測対象の超音波である場合の受信信号包絡線の一例を示す図である。図２０（Ｂ）は、超音波が受信される前に突発的に信号レベルの高いノイズ信号（例えば機器の破壊等によって発生する超音波を含む、以下同様）が受信された場合の受信信号包絡線の一例を示す図である。図２０（Ｃ）は、超音波が受信される前に前回の計測時に送信された超音波の反射波が受信された場合の受信信号包絡線の一例を示す図である。図２０（Ｄ）は、図２０（Ｂ）のようなノイズ信号が含まれる可能性があるので、閾値ＴＨ１より大きい閾値ＴＨ２を用いた場合に受信信号レベルが変動した超音波の受信信号包絡線の一例を示す図である。各図において、横軸は時間を示し、縦軸は信号レベルを示す。

超音波受信器は、例えば受信信号包絡線の信号レベルが所定の閾値ＴＨ１以上となる時刻を、超音波検出時刻と判定する（図２０（Ａ）参照）。閾値ＴＨ１は、受信信号が計測対象の超音波であると判定するために用いられる所定値である。図２０（Ａ）に示すΔｔは、受信信号包絡線の信号レベルが閾値ＴＨ１以上となったか否かの判定処理によって生じる既知の時間誤差である。超音波受信器は、受信信号包絡線の信号レベルが閾値ＴＨ１となる時刻を超音波検出時刻と判定しても良いし、超音波検出時刻よりΔｔ前の時刻（図２０（Ａ）に示す真の到達時刻）を超音波検出時刻と判定しても良い。

超音波の伝搬距離又は伝搬環境によって、超音波の受信信号の信号レベルが変化し、受信信号包絡線の立ち上がり部分がなだらかであったり、急峻であったりする。また、伝搬距離又は空気の吸収による減衰量を見込んで信号レベルの補正を加えても、人間の存在、特に衣服による音の吸収、或いは、密閉空間か、窓若しくは扉が閉まっているか開いているか等によっても受信信号の信号レベルは変動する。このため、超音波受信器が超音波検出時刻を高精度に把握するためには、閾値ＴＨはできるだけ小さな値を用いることが好ましい。

しかし、図２０（Ｂ）又は図２０（Ｃ）に示すように、閾値ＴＨ１が小さい値であると、超音波受信器は、超音波検出時刻を誤検出することがある。例えば図２０（Ｂ）では、超音波受信器は、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が閾値ＴＨ１以上となる高レベルのノイズ信号（例えば突発的に生じた電磁ノイズ又は器物破壊による超音波）を受信した場合、高レベルのノイズ信号の検出時刻を超音波検出時刻と判定することがあり得るという課題があった。

また、例えば図２０（Ｃ）では、超音波受信器は、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が閾値ＴＨ１以上となる反射波（例えば前回の計測時に送信された超音波の反射波）を受信した場合、反射波の検出時刻を超音波検出時刻と判定することがあり得るという課題があった。

従って、超音波受信器が超音波検出時刻を誤検出しないためには、閾値ＴＨ１の値を上げることが考えられる。

一方で、受信信号が計測対象の超音波であると判定するために用いられる閾値として閾値ＴＨ１より大きな値である閾値ＴＨ２を用いた場合（図２０（Ｄ）参照）、例えば受信信号包絡線の直線部分の傾きが小さくなる、即ち信号レベルが減少するようなレベル変動が生じると、超音波の真の到達時刻と受信信号包絡線の信号レベルが閾値ＴＨ２となる時刻との差分の時刻（Δｔ’）が、図２０（Ａ）に示す時間誤差Δｔより大きくなる。この場合、超音波受信器が超音波検出時刻を誤検出することがあり得るため、超音波受信器における超音波の検出精度が劣化するという課題があった。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するために、超音波信号の検出時刻を判定するための閾値を上げずに、ノイズ信号又は反射波信号を排除して超音波信号を高精度に受信する超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置、及び超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法を提供することを目的とする。

本発明は、温度の測定対象空間内に配置された超音波送信装置から送信された超音波信号を受信する受信部と、受信信号の包絡線の信号レベルが、前記超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値と前記第１所定値より大きい第２所定値との間となる前記受信信号の包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記受信信号の包絡線が前記所定の条件を満たす場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

また、本発明は、超音波受信装置における超音波の伝搬時間計測のための受信方法であって、前記超音波受信装置が、温度の測定対象空間内に配置された超音波送信装置から送信された超音波信号を受信するステップと、前記超音波受信装置が、受信信号の包絡線の信号レベルが、前記超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値と前記第１所定値より大きい第２所定値との間となる前記受信信号の包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定するステップと、前記超音波受信装置が、前記受信信号の包絡線が前記所定の条件を満たす場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定するステップと、を有する、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法である。

本発明によれば、超音波信号の検出時刻を判定するための閾値を上げずに、ノイズ信号又は反射波信号を排除して超音波信号を高精度に受信できる。

超音波伝搬時間計測システムのシステム構成を模式的に示す図超音波伝搬時間計測システムにおける動作概要を時系列に示す説明図（Ａ）コントローラの内部構成を示すブロック図、（Ｂ）センサユニットの内部構成を示すブロック図第１の実施形態のセンサユニットにおける超音波の受信時（検出時）の動作の流れを示す説明図超音波の波形解析の動作過程と超音波検出時刻とを示す説明図（Ａ）受信信号包絡線を用いて受信信号が計測対象の超音波であるか否かを判定するための第１の実施形態における説明図、（Ｂ）超音波の最大包絡線と最小包絡線と時間ｔ_１，ｔ_２との関係を示す図（Ａ）突発的に生じた定常ノイズレベルよりも高いレベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図、（Ｂ）突発的に生じた高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図、（Ｃ）超音波が受信される前に、前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図第１の実施形態のセンサユニットを含む超音波伝搬時間計測システムの動作概要を示す説明図、（Ａ）測定対象空間の壁面に配置されたセンサユニットの配置例を示す模式図、（Ｂ）マスタとして指定されたセンサユニットとスレーブとして指定されたセンサユニットとの間で行われる超音波の送受信の流れを示す説明図（Ａ）超音波伝搬時間計測システムにおける測定対象空間の壁面に配置された８個のセンサユニットの具体的な配置例を示す図、（Ｂ）各々の計測経路を構成するセンサユニットの組み合わせを示す図（Ａ）コントローラからセンサユニットＳＵ６に送信される初期設定データの一例を示す図、（Ｂ）コントローラからセンサユニットＳＵ１に送信される初期設定データの一例を示す図、（Ｃ）コントローラから全てのセンサユニットに送信されるセットデータの一例を示す図超音波の伝搬時間の計測原理の一例を説明するタイムチャート超音波の伝搬時間の計測原理の他の一例を説明するタイムチャートコントローラの動作手順を説明するフローチャート第１の実施形態におけるコントローラと各センサユニットとにおける計測経路毎の超音波の伝搬時間を計測するための動作手順を時系列に説明するシーケンス図第２の実施形態のセンサユニットにおける超音波の受信時（検出時）の動作の流れを示す説明図（Ａ）受信信号包絡線を用いて受信信号が超音波であるか否かを判定するための第２の実施形態における説明図、（Ｂ）例えば突発的に生じた定常ノイズレベルよりも高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図（Ａ）例えば突発的に生じた高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図、（Ｂ）超音波が受信される前に、例えば前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図第２の実施形態におけるコントローラと各センサユニットとにおける計測経路毎の超音波伝搬時間を計測するための動作手順を時系列に説明するシーケンス図第２の実施形態のセンサユニットにおける受信信号が超音波であるか否かを判定する動作手順の詳細を説明するフローチャート（Ａ）受信信号が計測対象の超音波である場合の受信信号包絡線の一例を示す図、（Ｂ）超音波が受信される前に突発的に信号レベルの高いノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線の一例を示す図、（Ｃ）超音波が受信される前に前回の計測時に送信された超音波の反射波が受信された場合の受信信号包絡線の一例を示す図、（Ｄ）閾値ＴＨ１より大きい閾値ＴＨ２を用いた場合に受信信号レベルが変動した超音波の受信信号包絡線の一例を示す図

以下、本発明に係る超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置及び超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法の各実施形態を、図面を参照して説明する。本発明に係る超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば図１に示す超音波伝搬時間計測システム１００では、他のセンサユニットとの間で超音波を送受信するセンサユニットである。

（第１の実施形態）
先ず、超音波伝搬時間計測システムのシステム構成について簡単に説明する。図１は、超音波伝搬時間計測システムのシステム構成を模式的に示す図である。図２は、超音波伝搬時間計測システムにおける動作概要を時系列に示す説明図である。

図１に示す超音波伝搬時間計測システム１００は、コントローラ１と、少なくとも２個のセンサユニットＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４，ＳＵ５とを含む。超音波伝搬時間計測システム１００では、コントローラ１は、無線通信によって所定の初期設定データ（後述参照）とセットデータ（後述参照）とを各々のセンサユニットに送信し、センサユニット間において超音波を送受信させる。

なお、図１に示す超音波伝搬時間計測システム１００では、各々のセンサユニットは、特別な場合を除いて他のセンサユニットとの間では無線通信を行わず、コントローラ１に対してのみ無線通信を行い、他のセンサユニットとの間では超音波の送受信を行う。特別な場合とは、例えばセンサユニットが他のセンサユニットから送信された超音波ではない外部信号（例えばノイズ信号）を受信したことをコントローラ１に通知する場合などである（後述参照）。

超音波の送信元のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ３）は、コントローラ１から送信されたセットデータによって指定された送信先のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ１）に超音波を発振して送信する。超音波の送信先のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ１）は、送信元のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ３）から送信された超音波を受信した時から所定の固定待機時間（後述参照）の経過後に、送信元のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ３）に超音波を発振して送信する。

送信元のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ３）は、送信先のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ１）から超音波を受信した場合、センサユニット間（例えばセンサユニットＳＵ３とセンサユニットＳＵ１との間）の計測経路を伝搬する超音波の伝搬時間を導出する。送信元のセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ３）は、導出された超音波の伝搬時間のデータをコントローラ１に送信する。図１では、送信元のセンサユニットとしてセンサユニットＳＵ３、送信先のセンサユニットＳＵ１を例示して説明しているが、超音波伝搬時間計測システム１００では、全ての計測経路（例えば図２の左上参照）において超音波の伝搬時間が導出される。

また、図１に示す超音波伝搬時間計測システム１００では、コントローラ１は、全ての計測経路において導出された超音波の伝搬時間のデータ（図２の右上参照）を各々のセンサユニットから受信した場合、全ての計測経路の距離（既知の値）と伝搬時間とを基にして超音波の音速を導出する（図２の右下参照）。コントローラ１は、導出された超音波の音速のデータを基に、音速と温度との所定の関係式（後述参照）から、測定対象空間の温度を導出し、測定対象空間の温度分布を表示装置５（図３（Ａ）参照）に表示させる（図２の左下参照）。図１に示すコントローラ１及び各々のセンサユニットの動作の詳細は後述する。

（コントローラとセンサユニットとの具体的構成の説明）
次に、図１に示す超音波伝搬時間計測システム１００におけるコントローラ１と、例えばセンサユニットＳＵ１との具体的構成について、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して説明する。図３（Ａ）は、コントローラ１の内部構成を示すブロック図である。図３（Ｂ）は、センサユニットＳＵ１の内部構成を示すブロック図である。図３（Ｂ）では、図１に示す合計５個のセンサユニットＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４，ＳＵ５のうちセンサユニットＳＵ１の内部構成が示されているが、各々のセンサユニットＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４，ＳＵ５の内部構成は同一である。

また、センサユニットＳＵ１における超音波の受信時（検出時）の動作について、図４〜図７を参照して説明する。図４は、第１の実施形態のセンサユニットＳＵ１における超音波の受信時（検出時）の動作の流れを示す説明図である。図５は、超音波の波形解析の動作過程と超音波検出時刻とを示す説明図である。

コントローラ１は、プロセッサ２と、アンテナＡｎｔｃが接続された無線回路部３と、温湿度センサ４と、表示装置５と、入力部６とを含む。プロセッサ２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いて構成され、コントローラ１の各部の動作を全体的に統括するための制御処理、他の各部との間のデータの入出力処理、データの演算（計算）処理及びデータの記憶処理を実行する。

プロセッサ２は、例えば他のセンサユニットから送信された超音波の伝搬時間のデータと既知の全ての計測経路の距離のデータとを基に、超音波の音速を導出する。更に、プロセッサ２は、導出された超音波の音速のデータを基に、音速と温度との所定の関係式を基に、測定対象空間の温度を導出し、測定対象空間の温度分布を表示装置５に表示させる（図２の左下参照）。

無線回路部３は、アンテナＡｎｔｃを介して、各々のセンサユニットに対し、無線通信（例えばＤＥＣＴ（Digital Enhanced Cordless Telecommunications）又はＺＩＧＢＥＥ（登録商標）、以下同様）を行う。例えば、無線回路部３は、プロセッサ２から出力された初期設定データ又はセットデータ（後述参照）を、アンテナＡｎｔｃを介して各々のセンサユニットに送信する。無線回路部３は、超音波の伝搬時間のデータを、アンテナＡｎｔｃを介して他のセンサユニットから受信する。

温湿度センサ４は、コントローラ１が配置されている場所の周囲の温度及び湿度を計測してプロセッサ２に出力する。超音波は空間を伝播する間に、エネルギーが空気中の水蒸気に吸収されて減衰するので、プロセッサ２は、温湿度センサ４から出力された測定結果データ（温度及び湿度）を基に、空気吸収減衰係数を導出し、空気吸収減衰係数を含むセットデータ（例えば図１０（Ｃ）参照）を生成する。

また、プロセッサ２は、温湿度センサ４の測定結果データを用いて、絶対的な水蒸気圧を導出し、導出された絶対的な水蒸気圧を用いて測定対象空間の温度のデータを補正しても良い。空気中を伝搬する超音波の音速は、温度の影響を受けて変化するが、更に、空気中の水蒸気圧（絶対的な水蒸気圧）の影響も受けて変化することが知られている。従って、コントローラ１は、温湿度センサ４の測定結果データを用いて、プロセッサ２において空気中の水蒸気圧（絶対的な水蒸気圧）を導出する。これにより、コントローラ１は、センサユニットから送信された超音波の伝搬時間のデータを基にして導出された温度のデータを、測定対象空間の温度データの導出時点における空気中の水蒸気圧（絶対的な水蒸気圧）を用いてリアルタイムに補正するので、測定対象空間の正確な温度を測定することができる。

表示装置５は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）又は有機ＥＬ（Electroluminescence）ディスプレイを用いて構成され、例えばプロセッサ２により導出された測定対象空間の温度分布を画面に表示する。

入力部６は、コントローラ１を操作するユーザの入力操作を受け付け、当該入力操作によって入力されたデータをプロセッサ２に出力する。入力部６は、例えば表示装置５に対応して配置されたタッチパネルを用いて構成される。また、入力部６は、タッチパネルに限らず、マウス、キーボード等の入力媒体を用いて構成されても良い。

次に、センサユニットＳＵ１は、プロセッサ１１と、メモリ１２と、アンテナＡｎｔ１が接続された無線回路部１３と、駆動回路１４と、超音波送信器１５と、超音波受信器１６と、増幅回路１７、Ａ／Ｄ変換器１８とを含む。制御部としてのプロセッサ１１は、例えばＣＰＵ、ＭＰＵ又はＤＳＰを用いて構成され、タイマ機能を含み、センサユニットＳＵ１の各部の動作を全体的に統括するための制御処理、他の各部との間のデータの入出力処理、データの演算（計算）処理及びデータの記憶処理を実行する。プロセッサ１１の具体的な動作は後述する。

メモリ１２は、例えばハードディスク又はフラッシュメモリなどの半導体メモリを用いて構成され、プロセッサ１１の動作におけるワークメモリとしての機能を有し、更に、プロセッサ１１の動作を規定するプログラム及びデータを記憶する。例えば、メモリ１２は、後述する初期設定データ（図１０（Ａ）参照）に含まれる距離及び角度減衰量を少なくとも一時的に記憶する（図４参照）。

無線回路部１３は、アンテナＡｎｔ１を介して、コントローラ１に対して無線通信を行う。例えば、無線回路部３は、超音波の伝搬時間の計測に用いられる初期設定データ又はセットデータを、アンテナＡｎｔ１を介してコントローラ１から受信する。無線回路部１３は、プロセッサ１１から出力された超音波の伝搬時間のデータを、アンテナＡｎｔ１を介してコントローラ１に送信する。

駆動回路１４は、プロセッサ１１から出力されたパルス信号を増幅し、増幅後のパルス信号を超音波送信器１５に出力する。

超音波送信器１５は、駆動回路１４から出力されたパルス信号を発振させて所定周波数（例えば４０ｋＨｚ）の超音波信号（超音波）を生成する。超音波送信器１５は、生成された超音波を所定時間の間において送信する。

受信部としての超音波受信器１６は、他のセンサユニットから送信された超音波信号（以下、単に「超音波」と記載する）を受信して増幅回路１７に出力する。超音波受信器１６において受信された超音波は、他のセンサユニットの超音波送信器から送信された超音波に比べて減衰している（図５参照）。

増幅回路１７は、例えば増幅器とバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）とを用いて構成され、超音波受信器１６から出力された超音波（受信信号）を増幅し、増幅後の受信信号に対してＢＰＦにおいて定められた所定範囲の周波数帯域の信号だけを通過させてＡ／Ｄ変換器１８に出力する。

Ａ／Ｄ変換器１８は、増幅回路１７から出力されたアナログの受信信号をＡＤ（Analog Digital）変換してデジタルの受信信号を生成してプロセッサ１１に出力する。

プロセッサ１１は、コントローラ１から送信されたセットデータ（例えば図１０（Ｃ）参照）に含まれる空気吸収減衰係数と、センサユニットＳＵ１と計測経路を構成するセンサユニットとの距離とを乗算することで、超音波の空気吸収減衰量を導出する。また、プロセッサ１１は、メモリ１２に一時的に記憶されている初期設定データのうち、センサユニットＳＵ１と計測経路を構成するセンサユニットとに応じた距離から求められる距離減衰量と、同じくメモリ１２に一時的に記憶されている角度減衰量と、更には導出された空気吸収減衰量とに応じて、受信信号の包絡線（エンベロープ、以下、単に「受信信号包絡線」と記載する）の直線部分の傾きが所定値となるように、プロセッサ１１内に設けられた可変利得増幅器の利得を調整する。なお、プロセッサ１１は、センサユニットＳＵ１と計測経路を構成するセンサユニットとに応じた距離（初期設定データに含まれる）と、空気吸収減衰係数（セットデータに含まれる）とを乗算して距離減衰量を導出する。また、距離減衰量は、プロセッサ１１が導出する乗算方法に従って、コントローラ１によって導出されても良く、この場合には初期設定データ（例えば図１０（Ａ）又は図１０（Ｂ）参照）に含まれる。

一群の曲線の全てに接する定曲線があるとき、これをその曲線群の「包絡線」という。従って、本実施形態における包絡線は、図５の超音波信号の複数の波形（検波処理時の波形参照）に接する定曲線である。なお、包絡線は、必ずしも完全な意味での包絡線に限る必要はなく、実質的な意味での包絡線を含む。例えば、包絡線は、必ずしも全ての波形に接する必要はなく、一部の波形をスキップしてもよい。また、隣り合ういくつか（例えば３つ）の波形のピークから求めた平均値を取り、それらの平均値をつなげた波形でもよい。すなわち、実質的な意味での包絡線は、完全な意味での包絡線に一致する必要はない。

プロセッサ１１は、調整された利得によって、Ａ／Ｄ変換器１８から出力された受信信号を増幅し、検波及び平滑化の各処理を実行する。平滑化の処理では、プロセッサ１１内に設けられたデジタルフィルタの応答によって、受信信号の検出タイミング（検出時刻）が真の到達時刻、即ち実際にセンサユニットが超音波を検出した時刻からΔｔ_１１ほど遅延する。Δｔ_１１は既知の値である。プロセッサ１１は、平滑化の処理後の受信信号包絡線（図５参照）を基に、受信信号包絡線の信号レベルがノイズレベルより大きい所定の閾値ＴＨを超えた時を、超音波検出時刻と判定する。但し、プロセッサ１１内の閾値を超えたか否かの判定処理により、超音波検出時刻は、真の到達時刻からΔｔ_１１遅延した時刻から更にΔｔ_１２ほど遅延する。

図５の右側のグラフに示すように、センサユニットは、受信信号包絡線の信号レベルが閾値ＴＨ以上となった時を超音波検出時刻と判定するが、実際には真の到達時刻から（Δｔ_１１＋Δｔ_１２）の分だけ遅延している。閾値ＴＨは、受信信号包絡線の信号レベルを基にして、受信信号が超音波であると判定するために設定された値である。このため、各センサユニットは、図５の右側のグラフに示す真の到達時刻、真の到達時刻からΔｔ_１１遅延した時刻、及び真の到達時刻から（Δｔ_１１＋Δｔ_１２）遅延した時刻のうち、いずれかの時刻を超音波検出時刻として判定する。

図６（Ａ）は、受信信号包絡線を用いて受信信号が計測対象の超音波であるか否かを判定するための第１の実施形態における説明図である。図６（Ｂ）は、超音波の最大包絡線と最小包絡線と時間ｔ_１，ｔ_２との関係を示す図である。

超音波の送信側のセンサユニットは、超音波を発振する場合に、駆動回路１４からの共振周波数の交流駆動電力の供給に応じて、立ち上がり部分から振幅を単調に増加して一定値の振幅になると飽和するような超音波を生成する。従って、超音波の受信側のセンサユニットにおいて受信された超音波の受信信号包絡線の立ち上がり部分は直線状又は略直線状となる。

例えば図６（Ａ）では、センサユニットにおいて超音波が受信された場合の受信信号包絡線が示され、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線は直線状又は略直線状となっている。閾値検出時刻は、受信信号包絡線の信号レベルが閾値ＴＨとなる時の検出時刻である。判定値ＪＶは、上述した閾値ＴＨより大きな値であって、受信信号包絡線が直線状又は略直線状となる時間範囲における信号レベルの所定値である。判定値検出時刻は、受信信号包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなる時の検出時刻である。

第１の実施形態では、プロセッサ１１は、受信信号包絡線の信号が閾値ＴＨと判定値ＪＶとの間において所定の条件を満たす場合に、センサユニットが受信した受信信号を他のセンサユニットから送信された超音波と判定する。より具体的には、プロセッサ１１は、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）である場合に、センサユニットが受信した受信信号を計測対象の超音波と判定する。

時間ｔ_１は、所定の基準時刻ｔ_０から超音波の最大包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなる判定値検出時刻までの時間である（図６（Ｂ）参照）。時間ｔ_２は、所定の基準時刻ｔ_０から超音波の最小包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなる判定値検出時刻までの時間である（図６（Ｂ）参照）。所定の基準時刻ｔ_０は、例えば図５に示す真の到達時刻からΔｔ_１遅延した時刻である。

超音波の最大包絡線は、超音波の信号波形となり得る受信信号包絡線の信号レベルの最大値をプロットした包絡線である。超音波の最小包絡線は、超音波の信号波形となり得る受信信号包絡線の信号レベルの最小値をプロットした包絡線である。従って、センサユニットが受信した受信信号の包絡線が最小包絡線と最大包絡線との間であれば、受信信号が計測対象の超音波である蓋然性が高いと考えられる。

最大包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなる時の検出時刻と最小包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなる時の検出時刻との時間差分は、本実施形態のセンサユニットにおける超音波の検出許容差として予め定められている。言い換えると、受信信号が超音波となる場合の受信信号包絡線の直線部分又は略直線部分の傾きにも許容差が設けられる（図６（Ｂ）参照）。

従って、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）であれば、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が略直線状又は直線状となり、受信信号が計測対象の超音波である蓋然性が高くなる。従って、センサユニットは、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）内である場合に、センサユニットが受信した受信信号を計測対象の超音波と判定し、超音波の伝搬時間を導出する（後述参照）。

図７（Ａ）は、突発的に生じた定常ノイズレベルよりも高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図である。図７（Ｂ）は、突発的に生じた高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図である。図７（Ｃ）は、超音波が受信される前に、前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図である。

図７（Ａ）に示す受信信号包絡線の信号波形（例えば定常ノイズレベルよりも高い信号レベルのノイズ信号）がセンサユニットにおいて受信された場合では、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）内ではなく、ｔ_ｇ＞ｔ_２となっている。従って、プロセッサ１１は、センサユニットが受信した受信信号を計測対象の超音波と判定せずに、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号を生成して無線回路部１３に出力する。無線回路部１３は、プロセッサ１１から出力された異常信号をアンテナＡｎｔ１からコントローラ１に送信する。

図７（Ｂ）に示す受信信号包絡線の信号波形（例えば突発的に生じた高いレベルのノイズ信号）がセンサユニットにおいて受信された場合では、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）内ではなく、ｔ_ｇ＜ｔ_１となっている。従って、プロセッサ１１は、センサユニットが受信した受信信号を計測対象の超音波と判定せずに、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号を生成して無線回路部１３に出力する。無線回路部１３は、プロセッサ１１から出力された異常信号をアンテナＡｎｔ１からコントローラ１に送信する。

図７（Ｃ）に示す受信信号包絡線の信号波形（例えば前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波が受信された後に超音波が受信された場合の信号波形）では、超音波の反射波は測定対象空間Ｋ（後述参照）の壁面又は物体にて反射された後に届くため、壁面での吸収又は散乱、また伝搬距離が長くなるため、超音波の反射波の信号レベルは小さくなっている。このため、超音波の反射波の受信信号包絡線は判定値ＪＶに達せず、センサユニットは判定値検出時刻を検出できない。

更に、センサユニットは、前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波の受信後に受信した超音波の受信信号包絡線では、判定値検出時刻を検出できる。従って、図７（Ｃ）に示す先に受信された受信信号の受信信号包絡線の信号波形の場合では、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）内ではなく、ｔ_ｇ＞ｔ_２となっている。即ち、プロセッサ１１は、センサユニットが最初に受信した受信信号、即ち受信信号包絡線が判定値ＪＶに達しない受信信号を計測対象の超音波と判定せずに、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号を生成して無線回路部１３に出力する。無線回路部１３は、プロセッサ１１から出力された異常信号をアンテナＡｎｔ１からコントローラ１に送信する。

図８は、第１の実施形態のセンサユニットを含む超音波伝搬時間計測システム１００の動作概要を示す説明図である。図８（Ａ）は、測定対象空間Ｋの壁面に配置されたセンサユニットの配置例を示す模式図である。図８（Ｂ）は、マスタとして指定されたセンサユニットＳＵ６とスレーブとして指定されたセンサユニットＳＵ１との間で行われる超音波の送受信の流れを示す説明図である。以下の説明において、コントローラ１から送信されたセットデータ（例えば図１０（Ｃ）参照）に応じて、超音波を能動的に送信するセンサユニットを「マスタ」と記載し、マスタからの超音波の受信に対する受信応答として超音波をマスタに受動的に送信するセンサユニットを「スレーブ」と記載する。

本実施形態では、図８（Ａ）に示す測定対象空間Ｋの壁面に少なくとも２個（例えば合計８個）のセンサユニットが配置され、不図示のコントローラ１から各々のセンサユニットに対し、初期設定時に初期設定データ（例えば図１０（Ａ）参照）が送信される。コントローラ１は、無線通信によってセンサユニットＳＵ１〜ＳＵ８にデータの送受信が可能な位置に配置され、コントローラ１の配置位置は以下の各実施形態においても同様である。また超音波の伝搬時間の計測毎に、コントローラ１が全てのセンサユニットＳＵ１〜ＳＵ８にセットデータ（図１０（Ｃ）参照）を送信し、各センサユニットＳＵ１〜ＳＵ８はセットデータを基にして自己が計測の動作をするのか又は休止するのかを判断する。

マスタとして指定されたセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ６）は、スレーブとして指定されたセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ１）に超音波を送信する（図８（Ｂ）参照）。センサユニットＳＵ６からセンサユニットＳＵ１への超音波の伝搬時間をｔ_６１と示す。

次に、センサユニットＳＵ１は、図６（Ａ）に示した方法に従ってセンサユニットＳＵ６から送信された超音波を受信（検出）した時から所定の固定待機時間（ｔ_Ｓ）が経過した後、受信応答としての超音波をセンサユニットＳＵ６に送信する。センサユニットＳＵ１からセンサユニットＳＵ６への超音波の伝搬時間をｔ_１６と示す。センサユニットＳＵ６は、同様に図６（Ａ）に示した方法に従ってセンサユニットＳＵ１から送信された超音波を受信（検出）する。

センサユニットＳＵ６は、センサユニットＳＵ１に超音波を送信した時からセンサユニットＳＵ１から超音波を受信（検出）した時までの計測時間ｔを計時し、計測時間ｔと固定待機時間ｔ_Ｓとを基に、センサユニットＳＵ６−ＳＵ１間の計測経路における超音波の伝搬時間を導出する（図１１又は図１２参照）。なお、図８（Ｂ）では、マスタの一例としてセンサユニットＳＵ６、スレーブの一例としてセンサユニットＳＵ１を用いて説明したが、図９（Ａ）に示す全ての計測経路（例えばセンサユニットが合計８個の場合には２４個の計測経路）において、各計測経路における超音波の伝搬時間がマスタとして指定されたセンサユニットにおいて導出される。

図９（Ａ）は、超音波伝搬時間計測システム１００における測定対象空間Ｋの壁面に配置された８個のセンサユニットの具体的な配置例を示す図である。図９（Ｂ）は、各々の計測経路を構成するセンサユニットの組み合わせを示す図である。各実施形態では、測定対象空間Ｋの壁面に合計８個のセンサユニットＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４，ＳＵ５，ＳＵ６，ＳＵ７，ＳＵ８が配置されているため、２個のセンサユニット間を結ぶ直線（計測経路）は合計２４個となる。以下の説明において、計測経路の序数を示す変数をｉと示す。ｉは１から２４までの自然数である。例えば、図８（Ｂ）に示すセンサユニットＳＵ６−ＳＵ１間の計測経路はｉ＝１の計測経路である。

図１０（Ａ）は、コントローラ１からセンサユニットＳＵ６に送信される初期設定データの一例を示す図である。図１０（Ｂ）は、コントローラ１からセンサユニットＳＵ１に送信される初期設定データの一例を示す図である。図１０（Ａ）に示す初期設定データは、センサユニットＳＵ６から送信される超音波の受信対象のセンサユニットの識別番号及び当該センサユニットとの間で構成される計測経路の序数と、計測経路の距離ｄと、自己のセンサユニット（センサユニットＳＵ６）と受信対象のセンサユニットとの配置（角度条件）によって生じる角度減衰量ａａと、自己のセンサユニット（センサユニットＳＵ６）の固定待機時間ｔ_Ｓとを含む。他のセンサユニットに送信されるセットデータも、同様な項目を含む。

図１０（Ｃ）は、コントローラ１から全てのセンサユニットに送信されるセットデータの一例を示す図である。センサユニット毎に生成された初期設定データは、コントローラ１による温度測定において、コントローラ１及び全てのセンサユニットの初期設定時に一度だけコントローラ１からそれぞれのセンサユニットに対して送信される。一方、セットデータは、各々の計測経路における超音波の伝搬時間が計測される度に、コントローラ１から全てのセンサユニットＳＵ１〜ＳＵ８に対して一様に送信される。セットデータは、全センサユニットに共通の内容であって、マスタを示すデータ（例えば２桁の２進数「１０」）、スレーブを示すデータ（例えば２桁の２進数「０１」）、休止させるセンサユニットを示すデータ（例えば２桁の２進数「００」）と、測定対象空間Ｋ内における空気吸収減衰係数のデータとを含む。例えば、図１０（Ｃ）に示すセットデータでは、センサユニットＳＵ６がマスタ、センサユニットＳＵ１がスレーブとして指定されている。

距離ｄ及び角度減衰量ａａの各データは、計測経路を構成する２個のセンサユニットの配置位置に応じて異なるが、一度センサユニットの配置位置が定まれば常に同じ値となる。このため、距離ｄ及び角度減衰量ａａの各データは、各センサユニットに共通の固定待機時間と共に、初期設定時にコントローラ１から各センサユニットに送信されてメモリ１２に記憶される（図４参照）。

超音波の伝搬時間の計測順序と空気吸収減衰係数とは、全ての計測経路における超音波の伝搬時間の計測のサイクル毎に異なっても良い。空気吸収減衰係数は、全ての計測経路における超音波の伝搬時間の計測時に、測定対象空間Ｋ内における最新の値を用いることが好ましく、セットデータとして、計測経路毎の超音波の伝搬時間の計測時にコントローラ１からセンサユニットに対して送信される。

初期設定データのうち、距離ｄ、角度減衰量ａａ、固定待機時間ｔ_Ｓの各データは既知の値であり、コントローラ１において入力部６を介して入力されたセンサユニットの設置位置の情報から算出されたデータである。計測順序のデータは、計測経路毎に、マスタとしてのセンサユニットとスレーブとしてのセンサユニットとが指定された情報である（図９（Ｂ）参照）。

図１１は、超音波の伝搬時間の計測原理の一例を説明するタイムチャートである。マスタとしてのセンサユニットＳＵ６は、図１０（Ｃ）に示すセットデータをコントローラ１から受信した後、時刻Ｔ_１１に超音波を発振し、スレーブとしてのセンサユニットＳＵ１に送信する。センサユニットＳＵ６は、超音波の送信開始時刻Ｔ_１１から所定の固定待機時間ｔ_Ｍが経過する時刻Ｔ_１４までの間は、超音波受信器において超音波を受信しない。

なお、固定待機時間ｔ_Ｍは、センサユニット自身が送信する超音波とその反響音を受信しないように、センサユニットの配置位置に応じて決められた既知の値である。また、センサユニットＳＵ６は、送信開始時刻Ｔ_１１における超音波の送信後の時刻Ｔ_１２から所定の固定待機時間ｔ_Ｍが経過する時刻Ｔ_１４までの間は、超音波受信器において超音波を受信しなくても良い（図１２参照）。図１２は、超音波の伝搬時間の計測原理の他の一例を説明するタイムチャートである。

センサユニットＳＵ１は、超音波を時刻Ｔ_１３において受信（検出）し、受信時（検出時）の時刻Ｔ_１３から所定の固定待機時間ｔ_Ｓが経過した時刻Ｔ_１５に超音波をセンサユニットＳＵ６に送信する。センサユニットＳＵ６は、センサユニットＳＵ１からの超音波を時刻Ｔ_１６に受信する。センサユニットＳＵ６は、センサユニットＳＵ１からの超音波を受信した後、センサユニットＳＵ１に超音波を送信した時刻Ｔ_１１からセンサユニットＳＵ１からの超音波を受信した時刻Ｔ_１６までの計測時間ｔを計時し、数式（１）（図１１又は図１２参照）に従って、超音波の伝搬時間（ＴＯＦ：Time Of Flight）を導出する。センサユニットＳＵ６からセンサユニットＳＵ１への超音波の伝搬時間ｔ_６１は、Ｔ_１３−Ｔ_１１である。センサユニットＳＵ１からセンサユニットＳＵ６への超音波の伝搬時間ｔ_１６は、Ｔ_１６−Ｔ_１５である。

これにより、マスタとしてのセンサユニットＳＵ６は、センサユニットＳＵ６，ＳＵ１により構成される計測経路の往復間の超音波の伝搬時間を簡易に導出でき、数式（１）に従って導出することで、測定対象空間Ｋ内における計測経路の往復間において風の影響を相殺することができる。また、センサユニットＳＵ６，ＳＵ１の時間同期も不要である。なお、固定待機時間ｔ_Ｓは、固定待機時間ｔ_Ｍとセンサユニットの配置位置の環境における残響時間から決定される。

（コントローラの動作）
次に、コントローラ１の動作手順を、図１３を参照して説明する。図１３は、コントローラ１の動作手順を説明するフローチャートである。コントローラ１の動作手順は、各実施形態において共通である。

図１３において、コントローラ１は、初期設定の動作を行う（ＳＴ１１）。具体的には、プロセッサ２は、入力部６を介して入力されたセンサユニットの配置位置のデータを基に、図９（Ｂ）に示す計測経路及びその距離を決定する。更に、プロセッサ２は、図９（Ｂ）に示す計測経路を基に、各々のセンサユニットに応じた初期設定データを生成する。プロセッサ２は、各々のセンサユニットに応じて生成された初期設定データを、無線回路部３において各センサユニットに送信する。

初期設定データのうち、各々の計測経路を構成するセンサユニット間の距離ｄと角度減衰量ａａは、入力されたセンサユニットの配置位置のデータと予め測定されている超音波発振器及び超音波受信器の各特性から算出され、固定待機時間ｔ_ｓはセンサユニットの配置位置の残響時間を基に決定して、入力部６を介して入力される。

また、初期設定時では、プロセッサ２は、温度測定のための超音波の音速を導出するために必要となる経路マトリクス（図２の右下参照）を導出する。例えばセンサユニットは合計８個であり、計測経路ｍは合計２４個であり、測定対象空間Ｋの分割ブロック数ｎは合計２０である。測定対象空間Ｋの分割ブロック数ｎは、図９（Ａ）に示す測定対象空間Ｋを、例えば縦方向を均等に４個に区分し、横方向を均等に５個に区分した場合に生じる分割ブロックの総数である。経路マトリクスＬは、計測経路が各々の分割ブロックの領域を通過する場合の距離を表し、例えばＬ_ｍ，ｎは、第ｍ番目の計測経路において第ｎ番目の分割ブロックの領域を通過する計測経路の距離を表し、マトリクスにしたものである。

ステップＳＴ１２では、プロセッサ２は、温湿度センサ４の測定結果データを用いて、測定対象空間Ｋ内における最新の空気吸収減衰係数を計算する。ステップＳＴ１２の後、コントローラ１の動作はステップＳＴ１３に進む。

ステップＳＴ１３では、プロセッサ２は、計測経路の序数を示す変数ｉを初期化し（ＳＴ１３）、第１番目の計測経路（ｉ＝１）を構成する２個のセンサユニットＳＵ６，ＳＵ１を指定し、２個のセンサユニットＳＵ６，ＳＵ１間の超音波の伝搬時間を計測する（ＳＴ１４）。超音波の伝搬時間の計測に関する動作（ＳＴ１４）の詳細は、図１４を参照して後述する。

ステップＳＴ１４の後、プロセッサ２は、変数ｉが最後の計測経路（ｉ＝ｍ＝２４）であるか否かを判定する（ＳＴ１５）。プロセッサ２は、変数ｉが最後の計測経路ではないと判定した場合には（ＳＴ１５、ＮＯ）、変数ｉをインクリメントし（ＳＴ１６）、インクリメント後の変数ｉに対応する計測経路を構成する２個のセンサユニット間の伝搬時間を計測する（ＳＴ１４）。

一方、プロセッサ２は、変数ｉが最後の計測経路であると判定した場合には（ＳＴ１５、ＹＥＳ）、全ての計測経路（２４個）における超音波の伝搬時間ＴＯＦ_１〜ＴＯＦ_ｍの情報と経路マトリクスとを基に、数式（２）に従って最小二乗法を用いて、各計測経路における超音波の音速Ｃ_１〜Ｃ_ｎを導出する。

ここで、空気中を伝搬する超音波の音速Ｃ_ｎ［ｍ／ｓｅｃ］と空間の温度Ｔｅｍｐ_ｎ［℃］との関係は、数式（３）又は数式（４）によって表されることが知られている。

プロセッサ２は、数式（２）に従って導出された超音波の音速Ｃ_１〜Ｃ_ｎと数式（３）又は（４）とを用いて、測定対象空間Ｋの分割ブロック毎における空間の温度Ｔｅｍｐ_１〜Ｔｅｍｐ_ｎを導出し、湿度補正を加えて温度を求める（ＳＴ１７）。プロセッサ２は、測定対象空間Ｋの分割ブロック毎における空間の温度Ｔｅｍｐ_１〜Ｔｅｍｐ_ｍを用いて、測定対象空間Ｋにおける温度分布を表示装置５に表示させる（ＳＴ１８）、更に、温度分布のデータを不図示の記憶装置に記憶する（ＳＴ１８）。

ステップＳＴ１８の後、コントローラ１が再び測定対象空間Ｋの温度を測定する場合には（ＳＴ１９、ＹＥＳ）、コントローラ１の動作はステップＳ１２に戻る。また、ステップＳＴ１８の後、コントローラ１が測定対象空間Ｋの温度を測定しない場合には（ＳＴ１９、ＮＯ）、コントローラ１は、全センサユニットＳＵ１〜ＳＵ８の各動作を終了（停止）させる（ＳＴ２０）。ステップＳＴ２０の後、コントローラ１の動作は終了する。

（コントローラと各センサユニットとの間における動作）
図１４は、ステップＳＴ１４を詳細に説明した内容を示し、第１の実施形態におけるコントローラ１と各センサユニットとにおける計測経路毎の超音波の伝搬時間を計測するための動作手順を時系列に説明するシーケンス図である。図１４では、第１番目の計測経路（ｉ＝１）において、コントローラ１と、例えばマスタとして指定されたセンサユニットＳＵ６と、例えばスレーブとして指定されたセンサユニットＳＵ１とにおける動作を時系列に説明する。また、他の計測経路（ｉ＝２〜２４）においても、コントローラ１と、各計測経路においてマスタとして指定されたセンサユニットと、同様にスレーブとして指定されたセンサユニットとの間でも図１４と同様の動作が実行される。

図１４において、ステップＳＴ１４の開始時の動作として、コントローラ１は、超音波の伝搬時間の計測対象の１つの計測経路においてマスタ、スレーブをそれぞれ指示するセンサユニットのデータと空気吸収減衰係数のデータとを含むセットデータ（図１０（Ｃ）参照）を生成し、又は全計測経路における超音波の伝搬時間の２回目以降の計測ではセットデータを更新し（ＳＴ２１）、当該セットデータを全てのセンサユニットＳＵ１〜ＳＵ８に送信する（ＳＴ２２）。

各々のセンサユニットは、コントローラ１から送信された各セットデータを受信する（ＳＴ３１）。セットデータでは、第１番目の計測経路（ｉ＝１）において、センサユニットＳＵ６がマスタ、センサユニットＳＵ１がスレーブとして指定されている。センサユニットＳＵ６は、マスタとして動作する旨の受信応答（例えばＡｃｋ信号）をコントローラ１に送信する（ＳＴ４１）。同様に、センサユニットＳＵ１は、スレーブとして動作する旨の受信応答（例えばＡｃｋ信号）をコントローラ１に送信する（ＳＴ４１）。なお、第１番目の計測経路（ｉ＝１）では、センサユニットＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４，ＳＵ５，ＳＵ７，ＳＵ８は休止中となり、各々のセンサユニット自身は、次の計測開始指示に関するセットデータ（例えば次の計測経路における超音波の伝搬時間の計測時のセットデータ）を受信するまで待機する（ＳＴ３２）。

なお、センサユニットＳＵ１は、受信応答をコントローラ１に送信した後、センサユニットＳＵ１の超音波受信器において受信された受信信号の波形解析を開始する（ＳＴ６１）。

コントローラ１は、センサユニットＳＵ６，ＳＵ１からそれぞれ送信された受信応答（例えばＡｃｋ信号）を受信する（ＳＴ２３）。コントローラ１は、受信応答を受信した後、第１番目の計測経路（ｉ＝１）における超音波の伝搬時間の計測開始指示を、マスタとしてのセンサユニットＳＵ６に送信する（ＳＴ２４）。

センサユニットＳＵ６は、コントローラ１から送信された超音波の伝搬時間の計測開始指示を受信し（ＳＴ５１）、計測開始指示を基にして、超音波送信器から超音波をセンサユニットＳＵ１に送信する（ＳＴ５２）。センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５２において超音波を送信開始時から所定の固定待機時間ｔ_Ｍが経過するまでの間は、センサユニットＳＵ６の超音波受信器が受信した受信信号の波形を解析しない（ＳＴ５３）。従って、センサユニットＳＴ６は、ステップＳＴ５２において超音波を送信開始してから所定の固定待機時間ｔ_Ｍが経過した後、センサユニットＳＵ６の超音波受信器において受信された受信信号の波形の解析を開始する（ＳＴ５４）。

センサユニットＳＵ１は、ステップＳＴ６１において受信信号の波形解析を開始しているため、ステップＳＴ５２において送信された超音波又は外部信号を受信することができる（ＳＴ６２）。ここでいう外部信号とは、例えば突発的に生じた電磁ノイズによるノイズ信号、器物の破壊、衝突若しくは摺動によって発生する超音波、又は前回の超音波の伝搬時間の計測時に送信された超音波の反射波（信号）であり、以下同様である。センサユニットＳＵ１は、ステップＳ６２において受信した受信信号が、ステップＳ５２において送信された超音波であるか否かを判定する（ＳＴ６３）。

具体的には、センサユニットＳＵ１のプロセッサ１１は、ステップＳ６２において受信した受信信号の受信信号包絡線において（図６（Ａ）参照）、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）であるか否かを判定する（ＳＴ６３）。センサユニットＳＵ１は、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）であると判定した場合には（ＳＴ６３、ＹＥＳ）、ステップＳＴ６２において受信した受信信号は超音波であると判定し、ステップＳＴ６２において超音波を受信した時（閾値検出時刻）から所定の固定待機時間ｔ_Ｓが経過するまで超音波の送信を待機する（ＳＴ６４）。従って、センサユニットＳＵ１は、ステップＳＴ６２において超音波を受信した時から所定の固定待機時間ｔ_Ｓが経過した後、受信応答としての超音波をセンサユニットＳＵ６に送信する（ＳＴ６６）。センサユニットＳＵ１は、ステップＳＴ６６の後、次の計測経路に関するセットデータを受信するまで待機する（ＳＴ３２）。

一方、センサユニットＳＵ１は、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）でないと判定した場合には（ＳＴ６３、ＮＯ）、ステップＳＴ６２において受信した受信信号は超音波であると判定せず、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号をコントローラ１に送信する（ＳＴ６５）。更に、センサユニットＳＵ１は、センサユニット間の無線通信によって、異常信号をマスタとしてのセンサユニットＳＵ６に送信しても良い。

コントローラ１は、マスタとしてのセンサユニットＳＵ６又はスレーブとしてのセンサユニットＳＵ１からの異常信号を受信した場合に、同じ計測経路における超音波の伝搬時間の計測を再実施する（ＳＴ２２）。ステップＳＴ６５又はステップＳＴ６６の後、センサユニットＳＵ１は、次の計測経路に関するセットデータを受信するまで待機する（ＳＴ３２）。

なお、センサユニットＳＵ１は、ステップＳＴ６２において受信した受信信号が超音波であると判定しなかった場合でも、ステップＳＴ６２において超音波を受信した時（閾値検出時刻）から所定の固定待機時間ｔ_Ｓが経過した後に、受信応答としての超音波をセンサユニットＳＵ６に送信しても良い。

センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５４において受信信号の波形解析を開始しているため、ステップＳＴ６６において送信された超音波又は外部信号を受信することができる（ＳＴ５５）。センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５５において受信した受信信号が、ステップＳ６６において送信された超音波であるか否かを判定する（ＳＴ５６）。

具体的には、センサユニットＳＵ６は、ステップＳ５５において受信した受信信号の受信信号包絡線において（図６（Ａ）参照）、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）であるか否かを判定する（ＳＴ５６）。センサユニットＳＵ６は、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）であると判定した場合には（ＳＴ５６、ＹＥＳ）、ステップＳＴ５５において受信した受信信号は超音波であると判定し、センサユニットＳＵ１に超音波を送信した時からセンサユニットＳＵ１から超音波を受信した時までの計測時間ｔと、所定の固定待機時間ｔ_Ｓとを基に、数式（１）（図９参照）に従って、第１番目の計測経路（ｉ＝１）における超音波の伝搬時間（ＴＯＦ：Time Of Flight）を導出する（ＳＴ５７）。センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５７において導出された超音波の伝搬時間ＴＯＦのデータをコントローラ１に送信する（ＳＴ５８）。センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５８の後、次の計測経路に関するセットデータを受信するまで待機する（ＳＴ３２）。

一方、センサユニットＳＵ１は、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分ｔ_ｇが所定の時間範囲（ｔ_１≦ｔ_ｇ≦ｔ_２）でないと判定した場合には（ＳＴ５６、ＮＯ）、ステップＳＴ５５において受信した受信信号は超音波であると判定せず、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号をコントローラ１に送信する（ＳＴ５９）。

コントローラ１は、マスタとしてのセンサユニットＳＵ６からの異常信号を受信した場合に、同じ計測経路における超音波の伝搬時間の計測を再実施する（ＳＴ２２）。ステップＳＴ５９の後、センサユニットＳＵ１は、次の計測経路に関するセットデータを受信するまで待機する（ＳＴ３２）。

コントローラ１は、ステップＳＴ５８において送信された超音波の伝搬時間ＴＯＦのデータを受信する（ＳＴ２５）。コントローラ１は、上述したように、マスタとしてのセンサユニットＳＵ６又はスレーブとしてのセンサユニットＳＵ１からの異常信号を受信した場合には（ＳＴ２６、ＹＥＳ）、同じ計測経路における超音波の伝搬時間の計測を再実施する（ＳＴ２２）。コントローラ１は、マスタとしてのセンサユニットＳＵ６又はスレーブとしてのセンサユニットＳＵ１からの異常信号を受信しなかった場合には（ＳＴ２６、ＮＯ）、ステップＳＴ１４の動作は終了する。

なお、次の計測経路における超音波の伝搬時間の計測では、全てのセンサユニットＳＵ１〜ＳＵ８は、ステップＳＴ２１で更新された次の計測経路に基づいたセットデータ（図８（Ｃ）参照）に従い、マスタ、スレーブ、休止のうちいずれであるかを判別し、ステップＳＴ３１〜ステップＳＴ３２までの動作を同様に実行して全ての計測経路の計測を順次行う。

以上により、本実施形態の超音波伝搬時間計測システム１００では、空気中を伝搬する超音波の速度を基にして測定対象空間Ｋの温度を測定する場合に、例えばマスタとして指定されたセンサユニットＳＵ６は、スレーブとして指定されたセンサユニットＳＵ１に超音波を送信した時から、センサユニットＳＵ１から超音波を受信した時までの計測時間ｔと、所定の固定待機時間ｔ_Ｓとを基に、センサユニットＳＵ６−ＳＵ１間の計測経路における超音波の伝搬時間を導出する。

即ち、超音波伝搬時間計測システム１００では、センサユニットＳＵ６が超音波を送信したタイミングをセンサユニットＳＵ１に知らせることなく、更に、センサユニットＳＵ１が超音波を送信したタイミングをセンサユニットＳＵ６に知らせることなく、センサユニットＳＵ６は、超音波の伝搬時間を導出できる。従って、本実施形態の超音波伝搬時間計測システム１００は、超音波を送受信するセンサユニットＳＵ６の超音波送信部とセンサユニットＳＵ１の超音波受信部との間、更に、超音波を送受信するセンサユニットＳＵ１の超音波送信部とセンサユニットＳＵ６の超音波受信部との間のそれぞれの同期を必要とせずに、超音波の伝搬時間を簡易かつ高精度に計測することができる。

また、本実施形態のセンサユニットは、測定対象空間の空気中を伝搬する超音波の速度を基にして温度を測定する場合に、受信信号包絡線の信号レベルが、送信側のセンサユニットから送信された超音波と判定するための閾値ＴＨと閾値ＴＨより大きい判定値ＪＶとの間となる受信信号包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定する。具体的には、センサユニットは、受信信号包絡線において、判定値検出時刻と閾値検出時刻との時間差分が所定範囲内である場合に受信信号が超音波であると判定し、所定範囲外である場合には受信信号が超音波信号と判定せず、例えば超音波でない外部信号であると簡単に判定できる。

これにより、本実施形態のセンサユニットは、例えば突発的に生じたノイズ信号又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号（残響波信号）を受信した場合でも、閾値ＴＨの値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波検出時刻を判定するための閾値ＴＨを上げずに、ノイズ信号又は反射波信号（残響波信号）を排除し、送信側のセンサユニットから送信された超音波を高精度に受信できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、プロセッサ１１ａ（図１５参照）は、受信信号包絡線の信号が閾値ＴＨと判定値ＪＶとの間において所定の条件を満たす場合に、センサユニットが受信した受信信号を他のセンサユニットから送信された超音波と判定する。より具体的には、プロセッサ１１ａは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、判定値検出時刻と閾値検出時刻との間の受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって略直線状又は直線状である場合に、センサユニットが受信した受信信号を超音波と判定する。

図１５は、第２の実施形態のセンサユニットにおける超音波の受信時（検出時）の動作の流れを示す説明図である。本実施形態のセンサユニットにおける超音波の受信時（検出時）の動作の流れでは、図４に示すセンサユニットにおける超音波の受信時（検出時）の動作に比べ、更に、検波及び平滑化の各処理後の出力結果に対し、微分及び直線検出の各処理が行われる。

即ち、本実施形態のセンサユニットでは、プロセッサ１１ａは、図４に示すプロセッサ１１を構成する各部に対して微分回路及び直線検出回路を更に備え、検波及び平滑化の各処理後に出力された受信信号を一階微分又は二階微分する。プロセッサ１１ａは、一階微分又は二階微分の微分結果としての一階微分信号又は二階微分信号を基に、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、判定値検出時刻と閾値検出時刻との間の受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって略直線状又は直線状であるか否かを判定する。以下、第２の実施形態の説明では、第１の実施形態と異なる内容について説明し、第１の実施形態と同一の内容の説明を省略する。

図１６（Ａ）は、受信信号包絡線を用いて受信信号が超音波であるか否かを判定するための第２の実施形態における説明図である。図１６（Ａ）では、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線は所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状となっている。ｔ_３は、超音波の受信信号包絡線において、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が略直線状又は直線状とみなすための所定時間である。

より具体的には、図１６（Ａ）では、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号の一階微分信号の出力は所定時間（ｔ_３）以上にわたって一定であり、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号の二階微分信号の出力は所定時間（ｔ_３）以上にわたってゼロである。このため、プロセッサ１１ａは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状であると判定し、受信信号が超音波であると判定する。

図１６（Ｂ）は、例えば定常ノイズレベルよりも高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図である。図１６（Ｂ）では、受信信号包絡線の信号レベルの最大値は判定値ＪＶ未満であり、更に、閾値検出時刻から所定時間ｔ_３の経過時点までの受信信号の１階微分信号の出力は一定でなく、閾値検出時刻から所定時間ｔ_３の経過時点までの受信信号の２階微分信号の出力は所定時間（ｔ_３）以上にわたってゼロでない。このため、プロセッサ１１ａは、受信信号が超音波であると判定しない。

図１７（Ａ）は、例えば突発的に生じた高い信号レベルのノイズ信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図である。図１７（Ａ）では、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であるが、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号の１階微分信号の出力が一定となる時間が所定時間（ｔ_３）未満であり、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号の２階微分信号の出力がゼロとなる時間が所定時間（ｔ_３）未満である。このため、プロセッサ１１ａは、受信信号が超音波であると判定しない。

図１７（Ｂ）は、超音波が受信される前に、例えば前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号が受信された場合の受信信号包絡線を示す図である。図１７（Ｂ）に示す先に受信された受信信号の受信信号包絡線では、閾値検出時刻から所定時間（ｔ_３）の経過時点までの受信信号の１階微分信号の出力は一定であり、閾値検出時刻から所定時間（ｔ_３）の経過時点までの受信信号の２階微分信号の出力はゼロである。

しかし、図１７（Ｂ）では、先に受信された受信信号の受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ未満であり、判定値検出時刻が検出されない。なお、後に受信された受信信号の受信信号包絡線において、受信信号包絡線の信号レベルの最大値は判定値ＪＶ以上となる。

従って、プロセッサ１１ａは、図１７（Ｂ）に示す先に受信された受信信号は超音波であると判定しない。なお、プロセッサ１１ａは、図１７（Ｂ）に示す後に受信された受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線は所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状と判定するので、後に受信された受信信号は超音波であると判定する。

（コントローラと各センサユニットとの間における動作）
図１８は、図１４と同様にステップＳＴ１４を詳細に説明した内容を示し、第２の実施形態におけるコントローラと各センサユニットとにおける計測経路毎の超音波伝搬時間を計測するための動作手順を時系列に説明するシーケンス図である。以下、図１４に示す内容と同一の説明は省略し、異なる内容について説明する。

センサユニットＳＵ１は、ステップＳＴ６１において受信信号の波形解析を開始しているため、ステップＳＴ５２において送信された超音波又は外部信号を受信することができる（ＳＴ６２）。センサユニットＳＵ１は、ステップＳ６２において受信した受信信号が、ステップＳ５２において送信された超音波であるか否かを判定する（ＳＴ６３ａ）。

具体的には、センサユニットＳＵ１のプロセッサ１１ａは、ステップＳ６２において受信した受信信号の受信信号包絡線において（図１６（Ａ）参照）、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状であるか否かを判定する（ＳＴ６３ａ）。

ここで、ステップＳＴ６３ａの動作の詳細を、図１９を参照して説明する。図１９は、第２の実施形態のセンサユニットにおける受信信号が超音波であるか否かを判定する動作手順の詳細を説明するフローチャートである。

図１９において、プロセッサ１１ａは、ステップＳＴ６２において受信された受信信号の受信信号包絡線の信号レベルが閾値ＴＨとなる閾値検出時刻を検出する（ＳＴ７１）。プロセッサ１１ａは、閾値検出時刻以降の受信信号包絡線の１階微分信号又は２階微分信号の出力結果を基に、ステップＳＴ７１において検出された閾値検出時刻以降の受信信号包絡線が直線状又は略直線状であるか否かを判定する（ＳＴ７２）。閾値検出時刻以降の受信信号包絡線が直線状又は略直線状でないとプロセッサ１１ａが判定した場合には（ＳＴ７２、ＮＯ、図１６（Ｂ）参照）、センサユニットＳＵ１の動作はステップＳＴ６５ａに進む。

プロセッサ１１ａは、閾値検出時刻以降の受信信号包絡線が直線状又は略直線状であると判定した場合には（ＳＴ７２、ＹＥＳ）、閾値検出時刻以降の受信信号包絡線の信号レベルが判定値ＪＶに達するか否か、即ち、受信信号包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなるか否かを判定する（ＳＴ７３）。受信信号包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとならないとプロセッサ１１ａが判定した場合には（ＳＴ７３、ＮＯ、図１６（Ｂ）又は図１７（Ｂ）参照）、センサユニットＳＵ１の動作はステップＳＴ６５ａに進む。

プロセッサ１１ａは、閾値検出時刻以降の受信信号包絡線の信号レベルが判定値ＪＶに達する、即ち受信信号包絡線の信号レベルが判定値ＪＶとなると判定した場合には（ＳＴ７３、ＹＥＳ）、ステップＳＴ７２において検出された受信信号包絡線の直線部分が最初の直線部分であるか否かを判定する（ＳＴ７４）。ステップＳＴ７２において検出された受信信号包絡線の直線部分が最初の直線部分ではないとプロセッサ１１ａが判定した場合には（ＳＴ７４、ＮＯ、図１７（Ｂ）参照）、センサユニットＳＵ１の動作はステップＳＴ６５ａに進む。

プロセッサ１１ａは、ステップＳＴ７２において検出された受信信号包絡線の直線部分が最初の直線部分であると判定した場合には（ＳＴ７４、ＹＥＳ）、その最初の直線部分の時間は所定時間ｔ_３以上であるか否かを判定する（ＳＴ７５）。ステップＳＴ７２において検出された受信信号包絡線の最初の直線部分の時間が所定時間ｔ_３未満であるとプロセッサ１１ａが判定した場合には（ＳＴ７５、ＮＯ、図１７（Ａ）参照）、センサユニットＳＵ１の動作はステップＳＴ６５ａに進む。

ステップＳＴ７２において検出された受信信号包絡線の最初の直線部分の時間が所定時間ｔ_３以上であるとプロセッサ１１ａが判定した場合には（ＳＴ７５、ＮＯ、図１６（Ａ）参照）、センサユニットＳＵ１の動作はステップＳＴ６４に進む。

図１８において、センサユニットＳＵ１のプロセッサ１１ａは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状であると判定した場合には（ＳＴ６３ａ、ＹＥＳ）、ステップＳＴ６２において受信した受信信号は超音波であると判定し、ステップＳＴ６２において超音波を受信した時（閾値検出時刻）から所定の固定待機時間ｔ_Ｓが経過するまで超音波の送信を待機する（ＳＴ６４）。

一方、センサユニットＳＵ１のプロセッサ１１ａは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ未満、又は閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状ではないと判定した場合には（ＳＴ６３ａ、ＮＯ）、ステップＳＴ６２において受信した受信信号は超音波であると判定せず、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号をコントローラ１に送信する（ＳＴ６５ａ）。

センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５４において受信信号の波形解析を開始しているため、ステップＳＴ６６において送信された超音波又は外部信号を受信することができる（ＳＴ５５）。センサユニットＳＵ６は、例えばステップＳＴ５４において受信信号の波形解析を開始した時から所定時間以内にステップＳＴ５５において信号を受信したか否かを判定する（ＳＴ５６ａ）。

センサユニットＳＵ６は、例えば受信信号の波形解析を開始した時から所定時間以内に信号を受信した場合には（ＳＴ５６ａ、ＹＥＳ）、ステップＳＴ５５において受信した受信信号が、ステップＳ６６において送信された超音波であるか否かを判定する（ＳＴ５６ｂ）。センサユニットＳＵ６におけるステップＳＴ５６の動作の詳細は、図１９に示す動作と同じであるため、説明を省略する。

センサユニットＳＵ１のプロセッサ１１ａは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状又は略直線状であると判定した場合には（ＳＴ６３ａ、ＹＥＳ）、ステップＳＴ６２において受信した受信信号は超音波であると判定し、センサユニットＳＵ１に超音波を送信した時からセンサユニットＳＵ１から超音波を受信した時までの計測時間ｔと、所定の固定待機時間ｔ_Ｓとを基に、数式（１）（図９参照）に従って、第１番目の計測経路（ｉ＝１）における超音波の伝搬時間（ＴＯＦ：Time Of Flight）を導出する（ＳＴ５７）。

また、センサユニットＳＵ６が例えば受信信号の波形解析を開始した時から所定時間以内に信号を受信しなかった場合（ＳＴ５６ａ、ＮＯ）、又は、センサユニットＳＵ６がステップＳＴ５５において受信した受信信号の受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ未満、若しくは、閾値検出時刻から判定値検出時刻までの受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって直線状でも略直線状でない場合には（ＳＴ５６ｂ、ＮＯ）、センサユニットＳＵ６は、ステップＳＴ５５において受信した受信信号は超音波であると判定せず、超音波の受信ができなかったことを示す異常信号をコントローラ１に送信する（ＳＴ５８ａ）。

以上により、本実施形態のセンサユニットは、測定対象空間の空気中を伝搬する超音波の速度を基にして温度を測定する場合に、受信信号包絡線の信号レベルが、送信側のセンサユニットから送信された超音波と判定するための閾値ＴＨと閾値ＴＨより大きい判定値ＪＶとの間となる受信信号包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定する。具体的には、センサユニットは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ以上であって、判定値検出時刻と閾値検出時刻との間の受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって略直線状又は直線状である場合に、センサユニットが受信した受信信号を計測対象の超音波と判定する。従って、センサユニットは、受信信号包絡線の信号レベルの最大値が判定値ＪＶ未満である場合、又は、判定値検出時刻と閾値検出時刻との間の受信信号包絡線が所定時間（ｔ_３）以上にわたって略直線状又は直線状でない場合には、センサユニットが受信した受信信号を計測対象の超音波と簡単に判定できる。

なお、本実施形態では、一階微分と二階微分の両方を用いて説明したが、センサユニットが直線部分を判断する場合には、一階微分又は二階微分のうちどちらかだけを用いても構わない。

送信側のセンサユニットは、超音波を発振する場合に、駆動回路１４からの共振周波数の交流駆動電力の供給に応じて、立ち上がり部分から振幅を単調に増加して一定値の振幅になると飽和するような超音波を生成する。従って、受信側のセンサユニットにおいて受信された超音波の受信信号包絡線の立ち上がり部分は、直線状又は略直線状となる。

従って、センサユニットは、例えば定常ノイズレベルより高いノイズ信号を受信した場合には、判定値検出時刻と閾値検出時刻との間の受信信号包絡線が略直線状にも直線状にもならないので、受信信号が計測対象の超音波信号でないと簡単に判定できる。

また、センサユニットは、例えば突発的に生じた高いレベルのノイズ信号を受信した場合には、判定値検出時刻と閾値検出時刻との間の時間が所定時間ｔ_３以上にならないので、受信信号が計測対象の超音波信号でないと簡単に判定できる。

また、センサユニットは、例えば前回の超音波の伝搬時間の計測時に送信された超音波の反射波信号を受信した場合には、同反射波信号の信号レベルが例えば測定対象空間Ｋ内の壁面又は物体に衝突して反射を繰り返したために受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値に満たないので、受信信号が計測対象の超音波信号でないと簡単に判定できる。

これにより、センサユニットは、受信信号が超音波信号であると判定するために用いられる閾値ＴＨの値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波の検出時刻を判定するための閾値ＴＨを上げずに、外部信号を排除して他のセンサユニットから送信された超音波信号を高精度に受信できる。

以下、上述した本発明に係る超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置及び超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法の構成、作用及び効果を説明する。

本発明の一実施形態は、温度の測定対象空間内に配置された超音波送信装置から送信された超音波信号を受信する受信部と、受信信号の包絡線の信号が、前記超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値と前記第１所定値より大きい第２所定値との間において、所定の条件を満たすか否かを判定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記受信信号の包絡線の信号が前記所定の条件を満たす場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

この構成によれば、測定対象空間の空気中を伝搬する超音波の速度を基にして温度を測定する場合に、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線の信号が、超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）と第１所定値（閾値ＴＨ）より大きい第２所定値（判定値ＪＶ）との間において、所定の条件を満たすか否かを判定する。超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線の信号が所定の条件を満たす場合に、受信信号を超音波送信装置から送信された超音波信号と判定し、受信信号の包絡線の信号が所定の条件を満たさない場合には、受信信号を超音波送信装置から送信された超音波信号と判定せず、例えばノイズ信号若しくは機器の破壊によって発生した超音波、又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号と簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば突発的に生じたノイズ信号若しくは機器の破壊によって発生した超音波、又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号（残響波信号）を受信した場合でも、受信信号が超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、ノイズ信号又は反射波信号（残響波信号）を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

本発明の一実施形態は、前記制御部が、前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる第２所定値検出時刻と前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第１所定値となる第１所定値検出時刻との時間差分が所定範囲内である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

超音波送信装置は、超音波信号を発振する場合に、共振周波数の交流駆動電力の供給に応じて、立ち上がり部分から振幅を単調に増加して一定値の振幅になると飽和する超音波信号を生成する。従って、超音波受信装置において受信された超音波信号の包絡線の立ち上がり部分は直線状となる。

この構成によれば、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値（判定値ＪＶ）となる第２所定値検出時刻（判定値検出時刻）と同信号レベルが第１所定値（閾値ＴＨ）となる第１所定値検出時刻（閾値検出時刻）との時間差分が所定範囲内である場合に受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号であると判定し、所定範囲外である場合には受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号と判定せず、例えばノイズ信号や機器の破壊によって発生した超音波、又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号と簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば突発的に生じたノイズ信号や機器の破壊によって発生した超音波、又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号（残響波信号）を受信した場合には、第２所定値検出時刻と第１所定値検出時刻との時間差分が所定範囲外となるので、受信信号が超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、ノイズ信号や機器の破壊によって発生した超音波又は反射波信号（残響波信号）を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

本発明の一実施形態は、前記所定範囲が、所定の基準時刻から前記超音波信号の最大包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる検出時刻までの時間から、前記所定の基準時刻から前記超音波信号の最小包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる検出時刻までの時間までである、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

この構成によれば、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、第２所定値検出時刻（判定値検出時刻）と第１所定値検出時刻（閾値検出時刻）との時間差分が、所定の基準時刻から超音波信号の最大包絡線の信号レベルが第２所定値となる検出時刻までの時間から、同基準時刻から超音波信号の最小包絡線の信号レベルが第２所定値となる検出時刻までの時間までであれば、受信信号を超音波送信装置から送信された超音波信号と簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば突発的に生じたノイズ信号又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号（残響波信号）を受信した場合には、第２所定値検出時刻と第１所定値検出時刻との時間差分が上述した所定範囲外となるので、受信信号が超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、ノイズ信号や機器の破壊によって発生した超音波又は反射波信号（残響波信号）を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

本発明の一実施形態は、前記制御部が、前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる第２所定値検出時刻と前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第１所定値となる第１所定値検出時刻との間の前記受信信号の包絡線が略直線状である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

この構成によれば、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば信号レベルが高いノイズ信号を受信した場合には、受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値となる第２所定値検出時刻と受信信号の包絡線の信号レベルが第１所定値となる第１所定値検出時刻との間の受信信号の包絡線が略直線状とならないので、受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号でないと簡単に判定できる。また、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値となる第２所定値検出時刻と受信信号の包絡線の信号レベルが第１所定値となる第１所定値検出時刻との間の受信信号の包絡線が略直線状となる場合には、受信信号を超音波送信装置から送信された超音波信号と簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、例えば信号レベルの高いノイズ信号を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

本発明の一実施形態は、前記制御部が、前記受信信号の包絡線が前記略直線状である時間が所定の時間以上である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

この構成によれば、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば突発的に生じたノイズ信号を受信した場合には、受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値となる第２所定値検出時刻と受信信号の包絡線の信号レベルが第１所定値となる第１所定値検出時刻との間の時間が所定の時間以上にならないので、受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号でないと簡単に判定できる。また、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値となる第２所定値検出時刻と受信信号の包絡線の信号レベルが第１所定値となる第１所定値検出時刻との間の時間が所定の時間以上である場合には、受信信号を超音波送信装置から送信された超音波信号と簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、例えば突発的に生じたノイズ信号を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

本発明の一実施形態は、前記制御部が、前記受信信号の包絡線の信号レベルの最大値が前記第２所定値未満である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定しない、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置である。

この構成によれば、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号を受信した場合には、同反射波信号の信号レベルが例えば測定対象空間内の壁面又は物体に衝突して反射を繰り返したために受信信号の包絡線の信号レベルが第２所定値に満たないので、受信信号が超音波送信装置から送信された超音波信号でないと簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号が超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、例えば前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

本発明の一実施形態は、超音波受信装置における超音波の伝搬時間計測のための受信方法であって、前記超音波受信装置が、温度の測定対象空間内に配置された超音波送信装置から送信された超音波信号を受信するステップと、前記超音波受信装置が、受信信号の包絡線の信号レベルが、前記超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）と前記第１所定値より大きい第２所定値（判定値ＪＶ）との間となる前記受信信号の包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定するステップと、前記超音波受信装置が、前記受信信号の包絡線が前記所定の条件を満たす場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定するステップと、を有する、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法である。

この方法によれば、測定対象空間の空気中を伝搬する超音波の速度を基にして温度を測定する場合に、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線の信号レベルが、超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）と第１所定値（閾値ＴＨ）より大きい第２所定値（判定値ＪＶ）との間となる受信信号の包絡線が所定の条件を満たすか否かを判定する。超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、受信信号の包絡線が所定の条件を満たす場合に、受信信号を超音波信号と判定し、受信信号の包絡線が所定の条件を満たさない場合には、受信信号を超音波信号と判定せず、例えばノイズ信号又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号と簡単に判定できる。

これにより、超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置は、例えば突発的に生じたノイズ信号又は前回の超音波の伝搬時間計測時に送信された超音波の反射波信号（残響波信号）を受信した場合でも、受信信号が超音波信号であると判定するために用いられる第１所定値（閾値ＴＨ）の値として大きな値を用いることなく、即ち、超音波信号の検出時刻を判定するための第１所定値（閾値ＴＨ）を上げずに、ノイズ信号又は反射波信号（残響波信号）を排除し、超音波送信装置から送信された超音波信号を高精度に受信できる。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した各実施形態において説明した伝搬時間の計測方法は、温度測定のために限定されず、例えばセンサユニット間の距離が不明である場合の距離測定のためにも適用可能である。

また、上述した各実施形態では温度測定はコントローラ１により算出されるが、マスタとして指定されたセンサユニットが同様な導出方法によって、温度を測定しても良い。

また、上述した実施形態では超音波の伝搬時間（ＴＯＦ）はマスタとして指定されたセンサユニット（例えばセンサユニットＳＵ６）によって導出されたが、コントローラ１によって導出されても良い。例えば、コントローラ１は、第１番目の計測経路（ｉ＝１）を構成する２個のセンサユニットＳＵ６，ＳＵ１から計測時間（τ_１及びτ_２）を取得することによって、超音波の伝搬時間（ＴＯＦ）を導出しても良い。なお、他の計測経路（ｉ＝２〜２４）においても同様である。

なお、マスタとして指定されたセンサユニットがスレーブとして指定された他のセンサユニットからＴＯＦを受け取って、湿度補正前の温度分布まで計算してコントローラ１に送信しても良い。この場合、コントローラ１は、マスタとして指定されたセンサユニットから送信されたデータを基に、湿度補正以降の処理を行う。また、セットデータもコントローラ１からでなく、マスタとして指定されたセンサユニットから送信されても良い。この場合、コントローラ１と送受信するのは、マスタとして指定されたセンサユニットだけとなる。

本発明は、空気中を伝搬する音波の速度を基にして測定対象空間の温度を測定する場合に、超音波送信器と超音波受信器との間における同期を必要とせずに、超音波の伝搬時間を簡易かつ高精度に計測する、温度測定のための伝搬時間計測システム及び温度測定のための伝搬時間計測方法として有用である。

１コントローラ
２、１１プロセッサ
３、１３無線回路部
４温湿度センサ
５表示装置
１２メモリ
１４駆動回路
１５超音波送信器
１６超音波受信器
１７増幅回路
１８Ａ／Ｄ変換器
ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３、ＳＵ４、ＳＵ５、ＳＵ６、ＳＵ７、ＳＵ８センサユニット

Claims

温度の測定対象空間内に配置された超音波送信装置から送信された超音波信号を受信する受信部と、
受信信号の包絡線の信号が、前記超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値と前記第１所定値より大きい第２所定値との間において、所定の条件を満たすか否かを判定する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記受信信号の包絡線の信号が前記所定の条件を満たす場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置。
請求項１に記載の超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置であって、
前記制御部は、前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる第２所定値検出時刻と前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第１所定値となる第１所定値検出時刻との時間差分が所定範囲内である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置。
請求項２に記載の超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置であって、
前記所定範囲は、所定の基準時刻から前記超音波信号の最大包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる検出時刻までの時間から、前記所定の基準時刻から前記超音波信号の最小包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる検出時刻までの時間までである、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置。
請求項１に記載の超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置であって、
前記制御部は、前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第２所定値となる第２所定値検出時刻と前記受信信号の包絡線の信号レベルが前記第１所定値となる第１所定値検出時刻との間の前記受信信号の包絡線が略直線状である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置。
請求項４に記載の超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置であって、
前記制御部は、前記受信信号の包絡線が前記略直線状である時間が所定の時間以上である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定する、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置。
請求項１に記載の超音波の伝搬時間のための超音波受信装置であって、
前記制御部は、前記受信信号の包絡線の信号レベルの最大値が前記第２所定値未満である場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定しない、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信装置。
超音波受信装置における超音波の伝搬時間計測のための受信方法であって、
前記超音波受信装置が、温度の測定対象空間内に配置された超音波送信装置から送信された超音波信号を受信するステップと、
前記超音波受信装置が、受信信号の包絡線の信号が、前記超音波送信装置から送信された超音波信号と判定するための第１所定値と前記第１所定値より大きい第２所定値との間において、所定の条件を満たすか否かを判定するステップと、
前記超音波受信装置が、前記受信信号の包絡線の信号が前記所定の条件を満たす場合に、前記受信信号を前記超音波信号と判定するステップと、を有する、
超音波の伝搬時間計測のための超音波受信方法。