JP2016099116A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】受信波の第３波のゼロクロス点を検出するために、音響ノイズの影響下においても流速および流量を計測する。
【解決手段】検出部２０は波高値が基準電圧Ｖｔｈ１を超える受信波の第１波Ｗ１と、波高値が基準電圧Ｖｔｈ２〜Ｖｔｈ４を一気に超える第３波Ｗ３を検出する。波高値判定部３０は第３波Ｗ３の次の波から波高値が基準電圧Ｖｔｈ４を連続して所定回数越えることに応じて波高値成立信号Ｓｖを出力する。周期判定部４０は隣接するゼロクロス間の時間が、連続して所定回数、所定時間の範囲内にあることに応じて周期成立信号Ｓｆを出力する。確定部６０は波高値成立信号Ｓｖおよび周期成立信号Ｓｆが出力されることに応じて、受信波は音響ノイズの影響が少ないと判断し、到達時間ｔ１（ｔ２）を確定する。
【選択図】図３

Description

本発明は超音波流量計に関し、特に、流体中における超音波の上流から下流への伝搬時間と下流から上流への伝搬時間との時間逆数の差に基づき、流速および流量を算出する超音波流量計に関するものである。

従来より、流体の流れの上流と下流に一対の超音波送受波器をたがいに対向して配置し、一方の送受波器から発信した超音波が他方の送受波器へ到達するまでの到達時間に基づいて流速・流量を演算して求める超音波流量計が知られている。

図１２に発信のタイミングを示す発振駆動信号と受信波とを示す。受信波は送受波器で受信した信号を増幅した後の波形を示している。ａ点が到達点で、徐々に振幅が大きくなる。そして最大振幅を過ぎると徐々に小さくなる。実際にはａ点はノイズに隠れて検出できない。そこで、ノイズより十分大きな基準電圧レベルとしてのしきい値Ｖｔｈを決め、このレベルに最初に到達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値Ｖｔｈに達した後ゼロレベルを通るゼロクロス点であるｃ点を検出して受信検出とする方法がある。

しきい値Ｖｔｈは常に何番目かの特定の波、例えば第３波のゼロクロス点を検出するように定めてあり、実際の到達時間は、ａ点からｃ点までの時間ｚを予め求めて記憶しておき、直接測定した時間ｔ＋ｚに相当する値から時間ｚを減算するなどして求めている。

検出したい波、例えば第３波を確実に検出するために、種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１では、受信波を検出するための異なる電圧の基準レベルを複数用意して、１つの送信による受信波の内のある波が、その波の直前の波が越えていない基準レベルのうち小さい方からの所定数を一気に越えたとき、その波のゼロクロス点をｃ点として検出する方法が開示されている。

特開２００６―３２９６公報

ところが、上記の方法では、受信波の電圧値のみを第３波の検出に用いているため、上記要件を満たす音響ノイズを受信波と取り間違えるおそれがあった。例えば、整圧器などが超音波送受波器付近にあると、整圧器から発せられる音が超音波送受波器にとって音響ノイズとなってしまう。この場合、基準レベルのうち小さい方からの所定数を一気に越えた音響ノイズを第３波として検出してしまうおそれがあった。

本発明は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、受信波のゼロクロス点を検出するために、音響ノイズの影響下においても流速および流量を計測することができる超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波流量計は、流体の流れの上流と下流とに一対の超音波送受波器を互いに対向して配置し、一対の超音波送受波器の一方から発信され流れの順流方向と逆流方向との各々の方向に向かう超音波を一対の超音波送受波器の他方で受信した到達時間の逆数の差から流速さらには流量を求める超音波流量計であって、受信された超音波の波高値が、レベル値が一定の関係を有する複数の基準レベルのうち、直前の波高値の越えていない基準レベルの小さい方から一定数の基準レベル群を越える所定波を検出する検出部と、所定波がゼロクロスする時間を仮の到達時間として計測する計測部と、所定波の次の波から波高値が基準レベル群を連続して所定回数越えることに応じて波高値判定結果を出力する波高値判定部と、受信された超音波の隣接するゼロクロス間の時間が、連続して所定回数、所定時間の範囲内にあることに応じて周期判定結果を出力する周期判定部と、波高値判定結果および周期判定結果が出力されることに応じて、計測部により計測された仮の到達時間を確定到達時間とする確定部とを備えている。

本発明に係る超音波流量計は、超音波の波高値のレベル値が基準レベル群を超えること、および超音波の隣接するゼロクロス間の時間が所定時間の範囲内であることが、それぞれ所定回数連続することで、計測部で計測された仮の到達時間が音響ノイズによるものではないとすることができる。波高値のレベル値が基準レベル群を超える回数、および隣接するゼロクロス間の時間が所定時間の範囲内である回数を、それぞれ連続する所定回数とするので、音響ノイズではない正規の受信波形を確実にとらえることができる。

また、本発明に係る超音波流量計は、流体の流れを制御する流れ制御器が設置された配管内において、流体の流れの上流と下流とに一対の超音波送受波器を互いに対向して配置し、一対の超音波送受波器の一方から発信され流れの順流方向と逆流方向との各々の方向に向かう超音波を一対の超音波送受波器の他方で受信した到達時間の逆数の差から流速さらには流量を求める超音波流量計であって、一対の超音波送受波器のうち流れ制御器に遠い側の超音波送受波器から発信された超音波が、一対の超音波送受波器のうち流れ制御器に近い側の超音波送受波器に受信されるまでの第１到達時間を測定するとともに、一対の超音波送受波器のうち流れ制御器に近い側の超音波送受波器から発信された超音波が、一対の超音波送受波器のうち流れ制御器に遠い側の超音波送受波器に受信されるまでの第２到達時間を測定する測定部と、制御部とを備え、制御部は、第１到達時間の逆数である第１周波数、および第２到達時間の逆数である第２周波数を算出する周波数算出処理と、第１周波数と第２周波数との和である周波数和を算出する周波数和算出処理と、起動時において、音響ノイズによる影響が少ない周波数和を安定周波数和として算出する安定周波数和算出処理と、安定周波数和を記憶する記憶処理と、流速測定時に算出される周波数和と安定周波数和との差が所定値を越える場合は、流速測定に失敗したと判断する判断処理とを実行する。

本発明に係る超音波流量計は、起動時、流れ制御器に起因して発せられる音響ノイズによる影響が少ない状態で、流れ制御器に遠い側の超音波送受波器から発信された超音波による第１周波数と流れ制御器に近い側の超音波送受波器から発信された超音波による第２周波数との和である周波数和を安定周波数和として記憶しておく。その後、測定時に周波数和を算出して安定周波数和と比較する。両者の差が所定値を越えていれば、測定時に算出された第１周波数あるいは第２周波数の少なくとも一方は、音響ノイズが混入した状態で測定された第１到達時間あるいは第２到達時間から算出されたと判断される。この場合、測定された第１到達時間あるいは第２到達時間の少なくとも一方は正しい時間ではなく、流速測定は失敗したと判断することができる。一方、測定時に算出された周波数和と安定周波数和との差が所定値以内にあれば、音響ノイズの影響が少ない状態で第１到達時間および第２到達時間が測定されたと判断され、流体の流速・流量を求めることができる。

また、本発明に係る超音波流量計は、さらに、制御部は、安定周波数和算出処理において、測定部に第１到達時間と第２到達時間とを交互に複数回測定させる複数測定処理と、複数測定処理により得られた複数の第１到達時間に対する複数の第１周波数を、所定の周波数幅で層別された複数の第１領域に振り分け、複数の第１領域の各々の領域ごとに第１の平均値を算出する第１領域別平均処理と、複数の第１領域のうち振り分けられた第１周波数の数が多い上位２つの領域の第１の平均値から、値の大きい方を確定第１周波数とする第１周波数確定処理と、複数測定処理により得られた複数の第２到達時間に対する複数の第２周波数から確定第１周波数を減じて複数の周波数差を算出する複数周波数差算出処理と、複数の周波数差において、流体に許容されている最大流量を越える流量に対応する周波数差が算出される第２周波数を除外する規定外値除外処理と、周波数和算出処理により、規定外値除外処理で除外されなかった複数の第２周波数の各々と確定第１周波数との和である複数の周波数和を算出する複数周波数和算出処理と、複数の周波数和を、所定の周波数幅で層別された複数の第２領域に振り分け、複数の第２領域の各々の領域ごとに第２の平均値を算出する第２領域別平均処理と、複数の第２領域のうち振り分けられた周波数和の数が多い上位２つの領域に属する第２の平均値から大きい方を安定周波数和とする安定周波数和確定処理とを実行する。

本発明に係る超音波流量計は、起動時、第１到達時間および第２到達時間を交互に複数回測定し、複数の第１周波数および複数の第２周波数を算出する。算出された複数の第１周波数および複数の第２周波数に基づいて複数の周波数和を算出する。算出された複数の周波数和から、音響ノイズの影響が少ない状態の安定周波数和を基準値として記憶する。安定周波数和により、流速測定時に測定される第１到達時間および第２到達時間が音響ノイズの影響を受けているか否かの判断を行うことができる。

この時、第１周波数は音響ノイズの影響を受けにくく、第２周波数は、超音波が音響ノイズの伝搬方向と同方向であるので音響ノイズの影響を受けやすい。第２周波数の測定は、流れ制御器から発せられる音響ノイズの伝搬方向とは逆方向に超音波が伝搬するのに対して、第２周波数の測定では、流れ制御器から発せられた音響ノイズと同方向に超音波が伝搬するからである。そこで、まず、第１周波数について、複数の第１周波数を所定の周波数幅に層別された複数の第１領域に振り分けられた分布から測定数の多い領域に属する第１周波数を選択して確定第１周波数とする。これにより、音響ノイズの影響が排除された確定第１周波数を求めることができる。次に第２周波数から音響ノイズの影響を受けたものを２段階で除外する。第１段階として、複数の第２周波数から確定第１周波数を減じて算出される複数の周波数差から流体に許容されている最大流量を越える流量に対応する周波数差を選び出し、それに対応する第２周波数を除外する。これにより、明らかにノイズの影響を受けている第２周波数を除外することができる。更に、第２段階として、所定の周波数幅に層別された複数の第２領域に振り分けられた分布から数の多い領域に属する周波数和を選択する。これにより、更に音響ノイズの影響が排除された第２周波数を得ることができる。２段階で音響ノイズの影響を除去することにより、音響ノイズの影響を受けやすい第２周波数から確実に影響を排除することができる。

また、複数の第１領域あるいは複数の第２領域に振り分けられた第１周波数あるいは周波数和の分布から数が多い上位２つの領域に属する周波数値の平均値を選び出し、そのうちの大きな平均値の方を選択する。これにより、受信された超音波の各周期の波のうち先に到着する波のゼロクロスする時間を流速および流量の算出に使用する到達時間とする。波高値の小さい第１波は第１周波数と測定されることは極めて少ない。前記上位２つの領域は第３波を測定した領域と第５波を測定した領域と考えられる。そして第３波の領域と第５波の領域では、第３波の領域の周波数値の平均値が大きいので、２領域のうち大きな平均値を選択するのが合理的である。

また、本発明に係る超音波流量計は、さらに、所定の周波数幅は、周期が超音波の一周期の差を有する周波数の差であることを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計は、周期が超音波の一周期の差を有する周波数の差を所定の周波数幅とする。音響ノイズの影響が少ない受信波は、超音波の一周期ごとに同じ振幅方向に繰り返されてゼロクロスする。第１周波数および第２周波数を算出する第１到達時間および第２到達時間は、超音波の一周期ごとに同じ振幅方向に繰り返されたゼロクロスの時間を測定する。このため、第１周波数、および第２周波数と確定第１周波数との周波数和は、所定の周波数幅ごとに分布することとなる。所定の周波数幅に基づき層別すれば、ゼロクロスの時間ごとに測定された第１および第２到達時間に基づいた第１周波数および周波数和を層別することができる。これにより、音響ノイズの影響が少ない第１周波数および安定周波数和を確実に求めることができる。

本発明による超音波流量計によれば、波高値のレベル値およびゼロクロス間の時間を第３波の検出に使用することにより、音響ノイズの影響が少ない第３波を確実に検出することができる。また、安定周波数和と測定により得られた周波数和とを比較することにより、流速・流量をより正確に算出することができる。

実施形態に係る超音波流量計の送受信器を示す図である。 実施形態に係る超音波流量計の電気的構成を示すブロック図である。 正規の受信波形の一例である。 第１実施形態に係る超音波流量計の前段の回路ブロック図である。 第１実施形態に係る超音波流量計の後段の回路ブロック図である。 音響ノイズが混入した受信波形の一例である。 第２実施形態に係る安定周波数和算出処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る測定方法を説明する図である。 第２実施形態に係る採用データ決定処理を示すフローチャートである。 逆方向周波数のプロット図である。 第２実施形態に係る流量算出処理を示すフローチャートである。 発信駆動信号と受信波の図である。

まず、図１を用いて流速の測定原理について説明する。流体が流れる配管３の内部に送受波器１、２は対向して配置される。上流側に配置された送受波器１から下流側に配置された送受波器２への順方向到達時間ｔ１は、次式で示される。
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）・・・（１）
ここで、Ｃは超音波の流体中の音速、Ｖは流体の流速、距離Ｌは送受波器１、２間の距離である。
送受波器２から送受波器１への逆方向到達時間ｔ２は、次式で示される。
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）・・・（２）
式（１）、（２）より、流速Ｖは次式より算出される。
Ｖ＝（Ｌ／２）（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（３）
従って、順方向到達時間ｔ１および逆方向到達時間ｔ２を測定すれば、式（３）により、流速Ｖを算出することができる。また、流量は流速Ｖに配管３の断面積を乗じて求められる。

また、図１では送受波器１、２の上流に整圧器４が設置された場合を示している。整圧器４は例えばガバナ等であり絞り機構を有するため、音響ノイズを発する場合がある。絞り機構において、流体の流速が速くなるためである。音響ノイズは測定に使用される超音波に混入し、送受波器１、２に受信される場合がある。この場合、音響ノイズが混入した受信波を順方向到達時間ｔ１および逆方向到達時間ｔ２の測定に使用すると、誤った流速Ｖを算出してしまう。そこで、実施形態では、音響ノイズの影響が少ない受信波を順方向到達時間ｔ１および逆方向到達時間ｔ２の測定に使用する方法について説明する。尚、図１では整圧器４が設置される場合を例示しているが、整圧器４に限らず、バルブなども音響ノイズ源となる場合がある。

実施形態に係る超音波流量計の電気的構成について図２を用いて説明する。送受波器１、２は切替スイッチ５を介して送波器駆動部７に接続される。また、送受波器１、２は切替スイッチ６を介して受信波検出部８に接続される。切替スイッチ５、６、送波器駆動部７、および受信波検出部８は制御部９に接続される。

順方向到達時間ｔ１を測定する場合には、制御部９からの送受切替信号Ｓｉｇ１により切替スイッチ５、６が切替えられ、送受波器１は送波器駆動部７に接続される。また、送受波器２は受信波検出部８に接続される。次に、制御部９から送波器駆動部７にスタート信号Ｓｉｇ２が送信される。送波器駆動部７はスタート信号Ｓｉｇ２を受信すると、送受波器１を駆動する。これにより、送受波器１は超音波を発する。流体中を伝搬した超音波は送受波器２に受信される。受信波検出部８は送受波器２により受信された受信波を受信波検出信号Ｓｉｇ３に変換し、制御部９へ送信する。制御部９はスタート信号Ｓｉｇ２の送信時刻から受信波検出信号Ｓｉｇ３の受信時刻までの時間である順方向測定時間ｔｃ１（図３、参照）を測定し、記憶する。

一方、逆方向到達時間ｔ２を測定する場合には、制御部９からの送受切替信号Ｓｉｇ１により切替スイッチ５、６が切替えられ、送受波器２は送波器駆動部７に接続される。また、送受波器１は受信波検出部８に接続される。そして、順方向到達時間ｔ１の場合と同様に、測定が行われる。つまり、送波器駆動部７は送受波器２を駆動し、送受波器２より超音波が発せられる。流体中を伝搬した超音波は送受波器１に受信され、受信波検出部８により受信波検出信号Ｓｉｇ３に変換され、制御部９へ送信される。制御部９は、スタート信号Ｓｉｇ２の送信時刻から受信波検出信号Ｓｉｇ３の受信時刻までの時間である逆方向測定時間ｔｃ２を測定し、記憶する。

制御部９は記憶した順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２に基づき、流速Ｖおよび流量を算出する。尚、順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２の算出等の詳細については後述する。

ここで、受信波の特性について説明する。図３にスタート信号Ｓｉｇ２および音響ノイズを含まない正規の受信波形を示す。受信波は第１波Ｗ１から第８波Ｗ８まで、各波のピークの大きさは次第に大きくなり、その後、次第に小さくなる。各波のピークの大きさを比較すると、正側では、第３波／第１波で最大となり、第５波／第３波、第７波／第５波と小さくなる。負側では、第４波／第２波で最大となり、第６波／第４波、第８波／第６波と小さくなる。ここで、第３波／第１波は、各波のピークの比率を表しており、（第３波Ｗ３のピーク）／（第１波Ｗ１のピーク）を簡略化して示したもので、他の比率についても同様である。特に第３波／第１波は他の比率に比べ十分大きい。このため、比率の大きさを検出することで、第３波Ｗ３を検出することができる。

続いて、第３波Ｗ３の検出方法について説明する。第３波Ｗ３の検出には、等比数列となる５つの基準電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ５を用いる。具体的に説明すると、例えば、基準電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ５の電圧値を略１．４倍ずつ大きくなるよう設定する。ここでは、基準電圧Ｖｔｈ１の電圧値から順に、１００ｍＶ、１４０ｍＶ、１９６ｍＶ、２７４ｍＶ、３８４ｍＶとする。ここで、倍率を略１．４倍とするのは、第３波／第１波の比率が３程度、第５波／第３波の比率が１．５程度となることが実験により確認される場合である。３レベル上の基準電圧として略２．７倍（１．４×１．４×１．４）とすることができ、比率が１．５倍より大きく３倍より小さくなるように設定することができる。これにより、例えば、基準電圧Ｖｔｈ１を超えた波の次の波が、基準電圧Ｖｔｈ１より３レベル上の基準電圧Ｖｔｈ４を超えていれば、その波が第３波Ｗ３であると判別することができる。尚、倍率は送受波器１、２の種類などにより変化する値である。

第３波Ｗ３を検出することができれば、第３波Ｗ３のゼロクロス点であるＣ点を検出することができる。これにより、スタート信号Ｓｉｇ２の送信時刻から第３波Ｗ３のゼロクロス点であるＣ点までの時間を測定することができる。図３において、順方向到達時間ｔ１の測定の場合を説明する。スタート信号Ｓｉｇ２の送信時刻から第３波Ｗ３のゼロクロス点であるＣ点までの時間が順方向測定時間ｔｃ１である。順方向測定時間ｔｃ１から時間ｚ１を減じて、順方向到達時間ｔ１とする。時間ｚ１は受信波の１．５周期に相当し、超音波の特性等から予め求めておく。一方、逆方向到達時間ｔ２についても同様に算出する。すなわち、逆方向測定時間ｔｃ２から時間ｚ２を減じて、逆方向到達時間ｔ２とする。

第１実施形態では、前述の第３波Ｗ３の検出に追加して、第３波Ｗ３の次の正側の波の波高値および各波のゼロクロス点間の時間を用いて、音響ノイズの影響の少ない受信波を判別する構成としている。例えば、第３波Ｗ３が基準電圧Ｖｔｈ４を超えた場合、後続の正側の波である第５波Ｗ５、第７波Ｗ７も基準電圧Ｖｔｈ４を超える。従って、基準電圧Ｖｔｈ４を連続して超える回数をカウントし所定回数となれば、音響ノイズの影響が少ない受信波を検出していると判別できる。さらに、超音波の周期は一定であるので、連続するゼロクロス点間の時間が所定範囲となる回数をカウントし所定回数となれば、音響ノイズの影響が少ない受信波であることがより確実に判別できる。

次に、第１実施形態に係る制御部９の構成について説明する。図４、５は制御部９を構成する回路のブロック図である。尚、図４、５において、一部の回路ブロックについては省略して示している。制御部９は検出部２０、波高値判定部３０、周期判定部４０、第３波確定部５０、および確定部６０を含む。波高値判定部３０は第３波仮確定部３１、波高値監視部３２を含む。周期判定部４０は正周期監視部４１、負周期監視部４２、周期監視部４３を含む。確定部６０は到達時間第１計測部６１、到達時間第２計測部６２、ＳＴ生成部６３、確定到達時間記憶部６４を含む。

続いて、制御部９の動作の概要について説明する。検出部２０は受信波の波高値Ｖｗと基準電圧Ｖｔｈ（ｎ）（ｎ＝１〜５の整数）とを比較することにより、第３波Ｗ３を検出する。また、第３波Ｗ３より遅れて到達する波であって、波高値が第３波Ｗ３の波高値が超えた基準電圧Ｖｔｈ４またはＶｔｈ５を超える波を検出する。

波高値判定部３０および周期判定部４０は検出部２０の後段に接続される。波高値判定部３０は第３波Ｗ３に引き続いて到達する波の波高値が、第３波Ｗ３の波高値が超えた基準電圧Ｖｔｈ４またはＶｔｈ５を連続して超える回数である電圧回数をカウントし、所定回数と一致するか否かを判定する。周期判定部４０は隣り合うゼロクロス点間の時間が連続して所定時間の範囲となる回数である周期回数をカウントし、所定回数と一致するか否かを判定する。また、波高値判定部３０は、検出部２０が第３波Ｗ３を検出することに応じて第３波Ｗ３が検出されたことを報知する信号である第３波仮確定信号Ｓｔを生成する（後述）。

第３波確定部５０は波高値判定部３０および周期判定部４０の後段に接続される。電圧回数が所定回数に達したことを波高値判定部３０が判断すること、かつ周期回数が所定回数に達したことを周期判定部４０が判断することに応じて、第３波確定信号Ｓｄを生成する（後述）。測定した受信波が音響ノイズの影響が少ない受信波であると判断されるためである。

確定部６０は波高値判定部３０、周期判定部４０、および第３波確定部５０の後段に接続される。確定部６０はスタート信号Ｓｉｇ２の送信時刻から第３波仮確定信号Ｓｔを受け取るまでの時間である仮測定時間ＴＤを測定し、一時的に記憶しておく。第３波確定信号Ｓｄを受け取るまでは、一時的に記憶されている仮測定時間ＴＤが音響ノイズの影響が少ない受信波を測定した時間であるか否かが未定の状態であるためである。次に、第３波確定信号Ｓｄを受け取ると、一時的に記憶されている仮測定時間ＴＤを測定時間として確定して記憶する。測定した時間が音響ノイズの影響が少ない受信波を測定した時間であると判断されるためである。ここで、測定時間とは、順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２の総称である。

続いて、図４、５に示す制御部９の詳細な動作および構成について受信波形（図３）を用いながら説明する。検出部２０には受信波の波高値Ｖｗおよび基準電圧Ｖｔｈ（ｎ）が入力される。また、検出部２０は波高値検出信号ＶＥを出力する。ここで、受信波の波高値Ｖｗとは、受信波検出部８（図２）より送信される受信波検出信号Ｓｉｇ３（図２）が不図示の増幅器により増幅された電圧信号である。また、基準電圧Ｖｔｈ（ｎ）は、基準電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ５の総称である。

検出部２０は、例えば３つの比較器および各比較器の一方の入力端子に接続される３つのスイッチを有する。各比較器の他方の入力端子には、波高値Ｖｗが入力される。また、制御部９は、基準電圧Ｖｔｈ（ｎ）を出力する不図示の基準レベル発生部を含む。スイッチにより、各比較器の一方の入力端子と基準レベル発生部の出力端子との接続が切替えられる。まず、各比較器の一方の入力端子と基準レベル発生部の基準電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３を出力する出力端子とがそれぞれ接続される。これにより、受信波の波高値Ｖｗと基準電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３とが比較される。Ａ点（図３）で第１波Ｗ１の波高値Ｖｗは基準電圧Ｖｔｈ１を超える。検出部２０では基準電圧Ｖｔｈ１を超えることを検出することに応じて、その後スイッチが切替えられる。具体的には、各比較器の一方の入力端子と基準レベル発生部の基準電圧Ｖｔｈ２〜Ｖｔｈ４を出力する出力端子とがそれぞれ接続される。これにより、第３波Ｗ３の波高値Ｖｗと基準電圧Ｖｔｈ２〜Ｖｔｈ４とが比較される準備が整う。Ｂ点（図３）で第３波Ｗ３の波高値Ｖｗは基準電圧Ｖｔｈ２〜Ｖｔｈ４を一気に超える。検出部２０では、Ｂ点で第３波Ｗ３の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ２〜Ｖｔｈ４を一気に超えることを検出することに応じて、波高値検出信号ＶＥを出力する。さらに、検出部２０は第３波Ｗ３に後続する各波の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ４を超える度に波高値検出信号ＶＥを出力する。

上記の説明では、第１波Ｗ１の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ１を超える場合について説明した。第１波Ｗ１の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ２を超える場合には、第３波Ｗ３の波高値Ｖｗと基準電圧Ｖｔｈ３〜Ｖｔｈ５とが比較されるようにスイッチが切替えられる。この場合には、検出部２０は第１波Ｗ１に後続する各波の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ５を超える度に波高値検出信号ＶＥを出力する。また、第１波Ｗ１の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ３を超えない程度に受信波の波高値Ｖｗの増幅率は調整される。また、比較器に入力する基準電圧Ｖｔｈ（ｎ）をスイッチにより切替えることにより、３つの比較器を備えていれば３レベルの基準電圧Ｖｔｈ（ｎ）と受信波の波高値Ｖｗとを比較することができる構成としている。

次に、波高値判定部３０について説明する。第３波仮確定部３１には波高値検出信号ＶＥおよびゼロクロス信号Ｚｃが入力される。第３波仮確定部３１は第３波仮確定信号Ｓｔを出力する。ここで、ゼロクロス信号Ｚｃとは受信波のゼロクロスのタイミングと同期する信号であり、不図示のゼロクロス検出部により生成される。例えば正側の波のゼロクロス点間でハイレベルとなり、負側の波のゼロクロス点間でローレベルとなる信号である。第３波仮確定部３１は波高値検出信号ＶＥおよびゼロクロス信号Ｚｃより、Ｂ点（図３）でハイレベルとなり、Ｃ点（図３）でローレベルとなる第３波仮確定信号Ｓｔを生成し、出力する。

波高値監視部３２には第３波仮確定信号Ｓｔ、ゼロクロス信号Ｚｃ、波高値検出信号ＶＥ、波高値判定値Ｎｖが入力される。また、波高値監視部３２は波高値成立信号Ｓｖおよび波高値不成立信号ＮＳｖを出力する。ここで、波高値判定値Ｎｖとは、電圧回数の判定に使用する基準値である。波高値監視部３２は波高値検出信号ＶＥが連続して入力される電圧回数をカウントし、カウント値が波高値判定値Ｎｖに達すると波高値成立信号Ｓｖをハイレベルにする。一方、カウント値が波高値判定値Ｎｖに達する前に波高値検出信号ＶＥが途絶えると波高値不成立信号ＮＳｖを出力する。具体的には、波高値監視部３２は第３波仮確定信号Ｓｔが入力されると、不図示のカウンタをリセットするとともにカウントを始める。続いて、波高値検出信号ＶＥが入力される度にカウントアップする。また、カウント値が波高値判定値Ｎｖに達すると、波高値成立信号Ｓｖをハイレベルとする。

図３において、Ｂ点を検出することにより出力される第３波仮確定信号Ｓｔに応じてカウントを始める。続いて、第５波Ｗ５、第７波Ｗ７の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ４を超えることに応じて順次カウントアップされカウント値は３となる。例えば、波高値判定値Ｎｖが３と設定されている場合、この時点でカウント値が波高値判定値Ｎｖと一致すると判断されるため、波高値成立信号Ｓｖをハイレベルとする。

また、カウント値が波高値判定値Ｎｖに達する前に正側の波の波高値が基準電圧Ｖｔｈ４を超えないと判断されると、波高値監視部３２は波高値不成立信号ＮＳｖを出力する。例えば、ゼロクロス信号Ｚｃと波高値検出信号ＶＥとを比較することにより、正側の波の波高値が基準電圧Ｖｔｈ４を超えないと判断することができる。すなわち、ゼロクロス信号Ｚｃがハイレベルの期間に波高値検出信号ＶＥが入力されなければ、波高値不成立信号ＮＳｖを出力する。

波高値不成立信号ＮＳｖが出力される場合について、図６を用いて説明する。図６に示す受信波は第４波Ｗ４までは図３に示す正規の受信波と同一であるが、第５波ＷＮ５に音響ノイズが混入した場合を示している。Ｂ点で発生する第３波仮確定信号Ｓｔが入力されることにより、波高値監視部３２はカウントを始める。しかし、第５波ＷＮ５の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ４を超えないため、波高値監視部３２に波高値検出信号ＶＥは入力されない。これにより、波高値監視部３２は波高値不成立信号ＮＳｖを出力する。

次に、周期判定部４０について説明する。正周期監視部４１および負周期監視部４２にはゼロクロス信号Ｚｃ、周期下限値ＦＬ、周期上限値ＦＵ、周期クロック信号ＴＣＬＫが入力される。また、正周期監視部４１は正周期成立信号Ｓｐおよび正周期不成立信号ＮＳｐを出力する。また、負周期監視部４２は負周期成立信号Ｓｎおよび負周期不成立信号ＮＳｎを出力する。ここで、周期下限値ＦＬおよび周期上限値ＦＵは音響ノイズの影響が少ない受信波であるか否かの判断に使用する周期の基準値である。ゼロクロス信号Ｚｃの半周期が周期下限値ＦＬと周期上限値ＦＵとの間にあれば音響ノイズの影響が少ない受信波の周期であると判断される。また、周期クロック信号ＴＣＬＫは周期の計測に使用する基準クロックである。正周期監視部４１および負周期監視部４２はそれぞれ正側、負側の波の両端のゼロクロス点間の時間である受信波の半周期Ｔ（ｎ）を計測する。ここで、半周期Ｔ（ｎ）とは、第ｎ波のゼロクロス点間の時間であり、例えば半周期Ｔ１〜Ｔ８（図３）である。

正側の波の半周期Ｔ（ｎ）が周期下限値ＦＬ以上であり周期上限値ＦＵ以下であると判断すると、正周期監視部４１は正周期成立信号Ｓｐをハイレベルとする。また、負側の波の半周期Ｔ（ｎ）が周期下限値ＦＬ以上であり周期上限値ＦＵ以下であると判断すると、負周期監視部４２は負周期成立信号Ｓｎをハイレベルとする。測定する受信波が音響ノイズの影響が少ない受信波であると判断されるためである。

一方、正側の波の半周期Ｔ（ｎ）が周期下限値ＦＬ未満であるか、または周期上限値ＦＵより大きいと判断されると、正周期監視部４１は正周期不成立信号ＮＳｐを出力する。また、負側の波の半周期Ｔ（ｎ）が周期下限値ＦＬ未満であるか、または周期上限値ＦＵより大きいと判断されると、負周期監視部４２は負周期不成立信号ＮＳｎを出力する。測定する受信波が音響ノイズの影響が少ない受信波ではないと判断されるためである。

周期監視部４３には正周期成立信号Ｓｐ、負周期成立信号Ｓｎ、および周期判定値Ｎｆが入力される。また、周期監視部４３は周期成立信号Ｓｆを出力する。ここで、周期判定値Ｎｆとは周期回数の判定に使用する基準値である。周期監視部４３は正周期成立信号Ｓｐおよび負周期成立信号Ｓｎが連続してハイレベルとなる回数をカウントし、周期回数であるカウント値が周期判定値Ｎｆと一致すると、周期成立信号Ｓｆをハイレベルとする。

周期成立信号Ｓｆがハイレベルとなる場合について、図３を用いて説明する。正周期監視部４１は半周期Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７が、周期下限値ＦＬ以上であり周期上限値ＦＵ以下であるか否かを順次比較する。また、負周期監視部４２は半周期Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ８が、周期下限値ＦＬ以上であり周期上限値ＦＵ以下であるかを順次比較する。この場合、半周期Ｔ１〜Ｔ８はすべて周期下限値ＦＬ以上であり周期上限値ＦＵ以下であるので、正周期成立信号Ｓｐおよび負周期成立信号Ｓｎはハイレベルとなる。周期監視部４３がカウントするカウント値は半周期Ｔ８をカウントした時点で８となる。例えば、周期判定値Ｎｆが８と設定されている場合、カウント値が周期判定値Ｎｆと一致すると判断されるため、周期成立信号Ｓｆをハイレベルとする。

一方、図６に示す音響ノイズが混入した受信波を測定した場合には、第５波ＷＮ５の周期ＴＮ５が周期上限値ＦＵよりも大きいため、正周期監視部４１は正周期不成立信号ＮＳｐを出力する。

ここで、正周期監視部４１の回路構成について具体的に説明する。正周期監視部４１は不図示のＳＲＦＦ（Ｓｅｔ Ｒｅｓｅｔ ｆｌｉｐ−ｆｌｏｐ）回路、カウンタ回路、およびラッチ回路などを含む。カウンタ回路はゼロクロス信号Ｚｃの立ち上がりから立ち下りまでの時間を周期クロック信号ＴＣＬＫに基づきカウントする。カウンタ回路の後段に例えば比較回路が接続されており、カウンタ回路から出力されるカウント値が、周期下限値ＦＬ以上であり周期上限値ＦＵ以下である場合になると、ＳＲＦＦ回路のセット端子にパルスを出力する。これにより、ＳＲＦＦ回路の出力はハイレベルとなる。また、カウンタ回路から出力されるカウント値が、周期下限値ＦＬ未満であるか、または周期上限値ＦＵより大きくなると、比較回路からＳＲＦＦ回路のリセット端子にパルスが入力される。これにより、ＳＲＦＦ回路の出力はローレベル出力となる。ＳＲＦＦ回路の後段にはラッチ回路が接続されており、ゼロクロス信号Ｚｃの立下りでＳＲＦＦ回路の出力はラッチ回路によりラッチされる。ラッチ回路にラッチされている信号がハイレベルであれば、正周期監視部４１は正周期成立信号Ｓｐをハイレベルとする。一方、ラッチ回路にラッチされている信号がローレベルであれば、正周期不成立信号ＮＳｐを出力する。

次に、第３波確定部５０について説明する。第３波確定部５０には波高値成立信号Ｓｖおよび周期成立信号Ｓｆが入力される。また、第３波確定部５０は第３波確定信号Ｓｄを出力する。第３波確定部５０は波高値成立信号Ｓｖおよび周期成立信号Ｓｆがともにハイレベルであると、第３波確定信号Ｓｄをハイレベルとする。

次に、確定部６０について図５を用いて説明する。到達時間第２計測部６２には第３波仮確定信号Ｓｔ、超音波測定時間ＴＩＭＥ、およびクロック信号ＣＬＫが入力される。到達時間第２計測部６２は超音波を発信した時刻から第３波仮確定信号Ｓｔのハイレベルが入力されるまでの仮測定時間ＴＤをクロック信号ＣＬＫに基づき計測する。超音波測定時間ＴＩＭＥはスタート信号Ｓｉｇ２に同期した信号である。到達時間第２計測部６２は超音波測定時間ＴＩＭＥがパルス入力されるとカウントを開始する。また、第３波仮確定信号Ｓｔのハイレベルが入力されるとカウントを停止する。

確定到達時間記憶部６４は仮測定時間ＴＤおよび第３波確定信号Ｓｄが入力される。第３波確定信号Ｓｄが入力されると仮測定時間ＴＤを測定時間として記憶する。

到達時間第１計測部６１は超音波測定時間ＴＩＭＥおよびクロック信号ＣＬＫが入力される。到達時間第１計測部６１は超音波測定時間ＴＩＭＥがパルス入力されるとカウントを開始する。

ＳＴ生成部６３には波高値不成立信号ＮＳｖ、正周期不成立信号ＮＳｐ、および負周期不成立信号ＮＳｎが入力され、いずれか１つの信号が活性化されるとＳＴ信号ＳＴを出力する。

確定部６０は第３波仮確定信号Ｓｔが入力されると、到達時間第２計測部６２において仮測定時間ＴＤを一時的に記憶する。そして、第３波確定信号Ｓｄが入力されると、仮測定時間ＴＤは音響ノイズの影響が少ない受信波を測定した測定時間であると判断し、確定到達時間記憶部６４に記憶する。一方、波高値不成立信号ＮＳｖ、正周期不成立信号ＮＳｐ、および負周期不成立信号ＮＳｎのいずれか１つが入力されると、ＳＴ生成部６３において仮測定時間ＴＤは音響ノイズが混入した受信波を測定したと判断され、ＳＴ信号ＳＴが到達時間第２計測部６２に入力される。これにより、到達時間第２計測部６２では、一時的に記憶していた仮測定時間ＴＤを破棄し、到達時間第１計測部６１からカウント値Ｃｔを受け取り、計測を再開する。これにより、音響ノイズが混入した受信波について測定をした場合においても、一時的に記憶した仮測定時間ＴＤを破棄して次の音響ノイズの影響が少ない受信波について測定を継続することができる。

ここで、到達時間第２計測部６２は計測部の一例である。また、波高値成立信号Ｓｖは波高値判定結果の一例であり、周期成立信号Ｓｆは周期判定結果の一例である。

以上、上記した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
例えば波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ１を超えた次の波の波高値Ｖｗが、基準電圧Ｖｔｈ１より３レベル上の基準電圧Ｖｔｈ４を超えること、および受信波の隣接するゼロクロス間の時間が所定時間の範囲内であることが、それぞれ所定回数連続することで、確定部６０で計測された仮測定時間ＴＤが音響ノイズの影響が少ない受信波の波形を計測したものであるとすることができる。受信波の波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ４を連続して超える回数、および隣接するゼロクロス間の時間が連続して所定時間の範囲内である回数を、それぞれ所定回数とするので、音響ノイズではない音響ノイズの影響が少ない受信波形を確実にとらえることができる。

尚、音響ノイズの影響が少ない受信波とは、音響ノイズが混入していない正規の受信波に対して、音響ノイズが小さい状態において受信された受信波である。音響ノイズが受信波に混入しても、音響ノイズが小さい状態であれば、受信波のＣ点を検出することができる。これにより、流速Ｖおよび流量を算出することができる。

次に第２実施形態について説明する。第２実施形態は、安定周波数和Ａｆｗを基準値として、測定した順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２の中から、音響ノイズの影響が少ない受信波について測定した正しい順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２を選別する構成である。これにより、流速Ｖを精度良く求めることができる。

まず、安定周波数和Ａｆｗについて説明する。
順方向到達時間ｔ１の逆数である順方向周波数ｆｊと逆方向到達時間ｔ２の逆数である逆方向周波数ｆｇとの和を周波数和ｆｗとする。周波数和ｆｗは式（１）、（２）より次式で示される。
ｆｗ＝（１／ｔ１）＋（１／ｔ２）＝２Ｃ／Ｌ・・・（４）
音速Ｃは流体の種類および温度などに依存する。換言すれば、流体の種類および温度が一定であれば、音速Ｃは一定の値となる。また、距離Ｌが一定であれば、周波数和ｆｗも一定の値となる。第２実施形態では、音響ノイズの影響が少ない受信波についてあらかじめ周波数和ｆｗを測定により求めおき安定周波数和Ａｆｗとする。その後、測定した順方向到達時間ｔ１および逆方向到達時間ｔ２より周波数和ｆｗを算出し、安定周波数和Ａｆｗと比較する。周波数和ｆｗと安定周波数和Ａｆｗとの差が所定値を超える場合は、測定に失敗したと判断し、その時の測定値は流速Ｖの算出には用いない。安定周波数和Ａｆｗを算出してから流速Ｖを求める測定を終えるまでの時間は短く、温度は略一定であり、音響ノイズを含まず算出される周波数和ｆｗも略一定となる。

次に第２実施形態の電気的構成について説明する。第２実施形態の超音波流量計は図２に示す構成に追加して不図示の第２制御部、操作部、および表示部を有する。第２制御部は制御部９を制御する。また、第２制御部は処理部、記憶部などを有する。第２制御部は記憶部に記憶されている各種のプログラムを実行することによって、後述する安定周波数和算出処理および流量算出処理を行う。制御部９は第２制御部からの指令に基づき、送受切替信号Ｓｉｇ１およびスタート信号Ｓｉｇ２を送信する。第２制御部は制御部９から順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２を受信すると、記憶部に記憶する。また、処理部において、例えば流速Ｖなどを算出する。また、第２制御部は操作部および表示部と接続される。操作部は超音波流量計の電源スイッチ、各種設定ボタンを有する。ユーザは操作部を操作することにより、各種設定を行うことができる。また、表示部は例えば液晶パネルを備えており、表示パネルに流量が表示される。

次に、安定周波数和算出処理について図７により説明する。安定周波数和算出処理は超音波流量計の起動時に行われる。まず、ｎ回繰り返して以下の測定行う。すなわち、順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）を測定し、時間ｚ１を減じることで順方向到達時間ｔ１（ｎ）を算出して記憶する（Ｓ２）。次に、逆方向測定時間ｔｃ２（ｎ）を測定し、時間ｚ２を減じることで逆方向到達時間ｔ２（ｎ）を算出して記憶する（Ｓ４）。順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）および逆方向測定時間ｔｃ２（ｎ）の測定は、第１実施形態の方法を用いて行う。次に、順方向到達時間ｔ１（ｎ）の逆数である順方向周波数ｆｊ（ｎ）を算出し、記憶部に格納する（Ｓ６）。逆方向到達時間ｔ２（ｎ）の逆数である逆方向周波数ｆｇ（ｎ）を算出し、記憶部に格納する（Ｓ８）。次に測定を規定回数実施したか否かを判断し（Ｓ１０）、規定回数実施していると判断することに応じて（Ｓ１０；ｙｅｓ）、ステップＳ１４へ進む。一方、規定回数実施していないと判断することに応じて（Ｓ１０；ｎｏ）、ステップＳ２へ戻り、測定を続ける。

ここで、ステップＳ２〜Ｓ１０について図８を用いて説明する。図８に、第２制御部から制御部９へ送信される制御信号の波形および超音波の受信波形を示す。まず、１番目の測定および算出について図８の拡大図に基づき説明する。Ｊ１パルスは１番目の順方向測定時間ｔｃ１（１）の測定を行うための信号であることを示す。同様に、Ｊ２パルス〜Ｊ８０パルスは、２番目から８０番目の順方向測定時間ｔｃ１（２）〜ｔｃ１（８０）の測定を行うための信号である。また、Ｇ１パルスは１番目の逆方向測定時間ｔｃ２（１）の測定を行うための信号であることを示す。同様に、Ｇ２パルス〜Ｇ８０パルスは、２番目から８０番目の逆方向測定時間ｔｃ２（２）〜ｔｃ２（８０）の測定を行うための信号である。制御部９はＪ１パルスを受信すると、送受切替信号Ｓｉｇ１、およびスタート信号Ｓｉｇ２を、それぞれ切替スイッチ５、６、および送波器駆動部７へ送信する。これにより、順方向測定時間ｔｃ１（１）が測定される。同様に、制御部９はＧ１パルスを受信すると、送受切替信号Ｓｉｇ１、およびスタート信号Ｓｉｇ２を、それぞれ切替スイッチ５、６、および送波器駆動部７へ送信する。これにより、逆方向測定時間ｔｃ２（１）が測定される。

制御部９は順方向測定時間ｔｃ１（１）を第２制御部へ送信する。ここで、順方向到達時間ｔ１（１）は、制御部９により、順方向測定時間ｔｃ１（１）から、時間ｚ１を減じて算出される。次に、順方向周波数ｆｊ（１）を算出する（Ｓ６）。次に制御部９は逆方向測定時間ｔｃ２（１）を第２制御部へ送信する。ここで、逆方向到達時間ｔ２（１）は、制御部９により、逆方向測定時間ｔｃ２（１）から、時間ｚ２を減じて算出される。次に、第２制御部は逆方向周波数ｆｇ（１）を算出する（Ｓ８）。尚、図８では、簡単のため、Ｊ１パルスの送信時刻からＣ点までの時間を順方向測定時間ｔｃ１（１）と示しているが、実際にはスタート信号Ｓｉｇ２の発信時刻からＣ点までの時間が順方向測定時間ｔｃ１（１）である。また、逆方向測定時間ｔｃ２（１）についても同様に、実際にはスタート信号Ｓｉｇ２の発信時刻からＣ点までの時間が逆方向測定時間ｔｃ２（１）である。

測定は順方向到達時間ｔ１（１）の測定と逆方向到達時間ｔ２（１）の測定を１セットとし、１基点目から所定間隔で８回行う。次に１基点目から所定時間経過後の２基点目から次の測定を行う。さらに、同様に、基点１０基点目まで測定する。即ち、順方向到達時間ｔ１（ｎ）の測定および逆方向到達時間ｔ２（ｎ）の測定を、それぞれ８０回行う（ｎ＝１〜８０）。そこで、ステップＳ１０では、８０回測定したか否かを判断する。

次に、図７に戻り、安定周波数和算出処理について説明を続ける。８０回の測定から算出された逆方向周波数ｆｇ（ｎ）に対して採用データ決定処理を行う（Ｓ１４）。採用データ決定処理については図９に示す。まず、逆方向周波数ｆｘ（ｎ）（この場合、ｘ＝ｇ）を５つの領域（Ｒｍ（ｍ＝１〜５））に振り分け、領域（Ｒｍ）毎に周波数の平均値ｆ＿ＡＶＥ（ｍ）を算出する（Ｓ３０）。次に各領域（Ｒｍ）のデータ数でソートする（Ｓ３２）。次にデータ数を多い順に並べた場合の上位２位の領域（Ｒｍ）の平均値ｆ＿ＡＶＥ（ｍ）の大きい方を確定値ｆ＿ＡＶＥとする（Ｓ３４）。次に、図７に示すステップＳ１６に戻る。ステップＳ１６では、確定値ｆ＿ＡＶＥを確定した逆方向周波数であるとして確定逆方向周波数Ｋｆｇとする。

ここで、ステップＳ１４〜Ｓ１６について説明する。
第１実施形態の測定方法を用いても、音響ノイズが混入した受信波に対して順方向測定時間ｔｃ１および逆方向測定時間ｔｃ２を測定する可能性がある。そこで、順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）および逆方向測定時間ｔｃ２（ｎ）の測定を複数回行い、得られた順方向到達時間ｔ１（ｎ）および逆方向到達時間ｔ２（ｎ）の中から音響ノイズの影響が少ない受信波を用いた順方向到達時間ｔ１および逆方向到達時間ｔ２を抽出して、安定周波数和Ａｆｗを求めることが必要となる。

さて、図１を用いて、音響ノイズの混入について説明する。音響ノイズを発する整圧器４は送受波器１、２の上流側に設置されている。このため、逆方向到達時間ｔ２（ｎ）は音響ノイズの影響を受けにくく、順方向到達時間ｔ１（ｎ）は、超音波が音響ノイズの伝搬方向と同方向であるので音響ノイズの影響を受けやすい。逆方向到達時間ｔ２（ｎ）の測定は、整圧器４から発せられる音響ノイズの伝搬方向とは逆方向に超音波が伝搬するのに対して、順方向到達時間ｔ１（ｎ）の測定では、整圧器４から発せられた音響ノイズと同方向に超音波が伝搬するからである。そこで、まず、音響ノイズの影響を受けにくい逆方向到達時間ｔ２（ｎ）について、音響ノイズの影響が少ない受信波について測定した逆方向到達時間ｔ２（ｎ）を求める。

図１０はステップＳ２〜Ｓ１０に示す処理をさらに複数回行い、得られた逆方向周波数ｆｇ（ｎ）のプロット図である。図の横軸は測定番号、縦軸は周波数である。図１０に示すように逆方向周波数ｆｇ（ｎ）は層状に分布する。ここで、層状に分布する理由について、図３を用いて説明する。順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）の測定では、波高値Ｖｗが基準電圧Ｖｔｈ４を超える第３波Ｗ３のゼロクロス点であるＣ点までの時間を測定する。しかし、音響ノイズが混入すると、第３波Ｗ３の波高値Ｖｗが小さくなり、基準電圧Ｖｔｈ４を超えない場合がある。この場合、第５波Ｗ５の波高値ＶｗがＢｆ点で基準電圧Ｖｔｈ４を超えると、制御部９では第５波Ｗ５のゼロクロス点であるＣｆ点までの時間である時間ｔｃｆが順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）であると誤測定してしまう。ここで、時間ｔｃｆと順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）との差である時間Ｔは受信波の１周期に相当する。音響ノイズの影響から波高値Ｖｗを測定できないことを考えると、１周期の時間Ｔごとに離散的な順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）が測定されることとなる。従って、順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）から算出される順方向周波数ｆｊ（ｎ）も、時間Ｔに起因した周波数値ごとに離散的な分布となる。尚、順方向周波数ｆｊ（ｎ）について説明したが、逆方向周波数ｆｇ（ｎ）についても同様である。

図１０に示す周波数ｆ１〜ｆ６は、時間Ｔに起因した周波数値である。また、周波数ｆ１以上であって周波数ｆ２より小さい値の領域を領域Ｒ１とする。領域Ｒ２〜Ｒ５も同様に隣接する周波数間で定義される領域である。領域Ｒ１〜Ｒ５がステップＳ３０における５つの領域に相当する。つまり、領域Ｒ１〜Ｒ５に振り分けることで、得られた逆方向周波数ｆｇ（ｎ）が受信波の何番目の波について測定して得られた波かを振り分けることになる。そして、波高値Ｖｗが第１波Ｗ１に対して一気に大きくなる第３波Ｗ３と第５波Ｗ５が、ステップＳ３２においてデータ数でソートした上位２位の領域（Ｒｍ）に振り分けられる。ステップＳ３４における平均値ｆ＿ＡＶＥ（ｍ）の大きい方とは、即ち逆方向到達時間ｔ２（ｎ）の小さい方である。ここでは、第５波Ｗ５よりも早く到達する第３波Ｗ３のゼロクロス点（Ｃ点）までの時間が、逆方向到達時間ｔ２と判断される。以上により、確定逆方向周波数Ｋｆｇが決定される（Ｓ１６）。

尚、フローチャートでは示していないが、ステップＳ２、Ｓ４において、測定した順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）または逆方向測定時間ｔｃ２（ｎ）の測定に失敗する場合がある。測定に失敗する場合とは、例えば設定した時間内に受信波を検出できず、所謂タイムアウトとなる状態である。この場合、失敗した測定番号の順方向測定時間ｔｃ１（ｎ）または逆方向測定時間ｔｃ２（ｎ）はデータとして取得しないで次の測定に移る。従って、ステップＳ１４の採用データ決定処理において処理されるデータ数は、測定に失敗した場合には、測定に失敗した個数分だけ少ないデータとなる。また、８０回の測定がすべて失敗の場合には、測定エラーとして安定周波数和算出処理を終了する。この場合は、音響ノイズが定常的に発生している状態であると考えられるため安定周波数和算出処理は困難であると判断される。この場合、音響ノイズが収束するまで所定時間待機して、再び安定周波数和算出処理を行う。

図７に戻り、安定周波数和算出処理について説明を続ける。次に、順方向周波数ｆｊ（ｎ）のうち、図１に示す流体の流れを測定する超音波流量計を備えた系において、使用最大流量から算出される最大流量の範囲（Ｈ）を超えるものを除外する。この場合の、順方向周波数ｆｊ（ｎ）は明らかに音響ノイズの影響を受けていると考えられるからである。具体的に説明する。まず、順方向周波数ｆｊ（ｎ）と確定逆方向周波数Ｋｆｇとの差の絶対値である周波数差ｆｓ（ｎ）を算出する（Ｓ１８）。次に、周波数差ｆｓ（ｎ）が範囲Ｈ以下をなる順方向周波数ｆｊ（ｎ）を有効順方向周波数ｆｅｊ（ｎ）とする（Ｓ２０）。次に、確定逆方向周波数Ｋｆｇと有効順方向周波数ｆｅｊ（ｎ）との和である有効周波数和ｆｅｗ（ｎ）を算出する（Ｓ２２）。次に、有効周波数和ｆｅｗ（ｎ）についてステップＳ１４と同様に採用データ決定処理を行い（Ｓ２６）、安定周波数和Ａｆｗを決定し記憶部に記憶する（Ｓ２８）。

次に記憶した安定周波数和Ａｆｗを用いて、図１１に示す流量算出処理を行う。まず、順方向測定時間ｔｃ１（ｋ）（ｋ＝１〜規定回数）を測定し、順方向測定時間ｔｃ１（ｋ）から算出される順方向到達時間ｔ１（ｋ）を記憶する（Ｓ４０）。次に、逆方向測定時間ｔｃ２（ｋ）を測定し、逆方向測定時間ｔｃ２（ｋ）から算出される逆方向到達時間ｔ２（ｋ）を記憶する（Ｓ４２）。次に規定回数実施したか否かを判断し（Ｓ４４）、規定回数実施したと判断することに応じて（Ｓ４４；ｙｅｓ）、ステップＳ４６へ進む。一方、規定回数実施していないと判断することに応じて（Ｓ４４；ｎｏ）、ステップＳ４０へ戻り、規定回数に達するまで測定を行う。

ステップＳ４６では、順方向周波数ｆｊ（ｋ）（ｋ＝１〜規定回数）および逆方向周波数ｆｇ（ｋ）を算出する。次に、算出した順方向周波数ｆｊ（ｋ）と逆方向周波数ｆｇ（ｋ）との和である周波数和ｆｗ（ｋ）を算出する（Ｓ４８）。次に、算出した周波数和ｆｗ（ｋ）と安定周波数和Ａｆｗとの差の絶対値が所定範囲Ｋ以下であるか否かを判断する（Ｓ５０）。次に、周波数和ｆｗ（ｋ）と安定周波数和Ａｆｗとの差の絶対値が所定範囲Ｋ以下であると判断することに応じて（Ｓ５０；ｙｅｓ）、音響ノイズの影響が少ない状態で測定されたと判断されるため、順方向周波数ｆｊ（ｋ）および逆方向周波数ｆｇ（ｋ）を音響ノイズの影響が少ない測定データとして採用する（Ｓ５２）。一方、周波数和ｆｗ（ｋ）と安定周波数和Ａｆｗとの差の絶対値が所定範囲Ｋより大きいと判断することに応じて（Ｓ５０；ｎｏ）、音響ノイズが混入した状態で測定されたと判断されるため、順方向周波数ｆｊ（ｋ）および逆方向周波数ｆｇ（ｋ）を不採用とする（Ｓ５４）。

次に、規定回数実施したか否かを判断し（Ｓ５６）、規定回数実施したと判断することに応じて（Ｓ５６；ｙｅｓ）、ステップＳ５８へ進む。一方、規定回数実施していないと判断することに応じて（Ｓ５６；ｎｏ）、ステップＳ４６へ戻り、格納されたすべての順方向到達時間ｔ１（ｋ）および逆方向到達時間ｔ２（ｋ）について採用・不採用の判断を行う。次に、採用と判断された順方向周波数ｆｊ（ｋ）の順方向周波数平均ｆｊ＿ＡＶＥを算出する（Ｓ５８）。次に、採用と判断された逆方向周波数ｆｇ（ｋ）の逆方向周波数平均ｆｇ＿ＡＶＥを算出する（Ｓ６０）。次に、順方向周波数平均ｆｊ＿ＡＶＥおよび逆方向周波数平均ｆｇ＿ＡＶＥにより、流速Ｖおよび流量を算出する（Ｓ６２）。算出した流量は表示部に表示される。

ここで、整圧器４は流れ制御器の一例である。また、逆方向到達時間ｔ２は第１到達時間の一例であり、順方向到達時間ｔ１は第２到達時間の一例である。また、到達時間第２計測部６２は測定部の一例である。制御部９および第２制御部は制御部の一例である。また、逆方向周波数ｆｇは第１周波数の一例であり、順方向周波数ｆｊは第２周波数の一例である。また、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ６およびＳ８は周波数算出処理の一例であり、ステップＳ２２は周波数和算出処理の一例であり、ステップＳ２８は記憶処理の一例である。また、図１１のフローチャートにおいて、ステップＳ４８は周波数和算出処理の一例であり、ステップＳ５０およびＳ５４は判断処理の一例である。

また、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ２およびＳ４は複数測定処理の一例である。また、ステップＳ１４において行うステップＳ３０（図９）は第１領域別平均処理の一例であり、ステップＳ１４において行うステップＳ３２（図９）およびステップＳ３４（図９）、ステップＳ１６は第１周波数確定処理の一例である。また、ステップＳ１８は複数周波数差算出処理の一例であり、ステップＳ２０は、規定外値除外処理の一例であり、ステップＳ２２は複数周波数和算出処理の一例である。また、ステップＳ２６において行うステップＳ３０（図９）は第２領域別平均処理の一例である。また、ステップＳ２６において行うステップＳ３２（図９）およびステップＳ３４（図９）、ステップＳ２８は安定周波数和確定処理の一例である。

以上、上記した第２実施形態によれば、以下の効果を奏する。
起動時、整圧器４に起因して発せられる音響ノイズの影響が少ない状態で、流れの順流方向に向けて発せられる超音波による順方向周波数ｆｊ（ｎ）と逆流方向に向けて発せられる超音波による逆方向周波数ｆｇ（ｎ）との和である周波数和ｆｗ（ｎ）から安定周波数和Ａｆｗを決定して記憶しておく。その後、測定時に周波数和ｆｗを算出して安定周波数和Ａｆｗと比較する。両者の差が所定値を越えていれば、測定時に算出された順方向周波数ｆｊあるいは逆方向周波数ｆｇの少なくとも一方は、音響ノイズが混入した状態で測定された順方向到達時間ｔ１あるいは逆方向到達時間ｔ２から算出されたと判断される。この場合、測定された順方向到達時間ｔ１あるいは逆方向到達時間ｔ２の少なくとも一方は正しい時間ではなく、流速測定は失敗したと判断することができる。一方、測定時に算出された周波数和ｆｗと安定周波数和Ａｆｗとの差が所定値以内にあれば、音響ノイズが少ない状態で順方向到達時間ｔ１あるいは逆方向到達時間ｔ２が測定されたと判断され、流体の流速Ｖおよび流量を求めることができる。

また、起動時、順方向到達時間ｔ１（ｎ）および逆方向到達時間ｔ２（ｎ）を交互に複数回測定し、複数の順方向周波数ｆｊ（ｎ）および複数の逆方向周波数ｆｇ（ｎ）を算出する。算出された複数の順方向周波数ｆｊ（ｎ）および複数の逆方向周波数ｆｇ（ｎ）に基づいて複数の周波数和ｆｗ（ｎ）を算出する。算出された複数の周波数和ｆｗ（ｎ）から、音響ノイズによる影響が少ない状態の安定周波数和Ａｆｗを基準値として記憶する。安定周波数和Ａｆｗにより、流速測定時に測定される順方向到達時間ｔ１および逆方向到達時間ｔ２が音響ノイズの影響を受けているか否かの判断を行うことができる。

この時、逆方向周波数ｆｇ（ｎ）は音響ノイズの影響を受けにくく、順方向周波数ｆｊ（ｎ）は、超音波が音響ノイズの伝搬方向と同方向であるので音響ノイズの影響を受けやすい。逆方向周波数ｆｇ（ｎ）の測定は、整圧器４から発せられる音響ノイズの伝搬方向とは逆方向に超音波が伝搬するのに対して、順方向周波数ｆｊ（ｎ）の測定では、整圧器４から発せられた音響ノイズと同方向に超音波が伝搬するからである。そこで、まず、逆方向周波数ｆｇ（ｎ）について、複数の逆方向周波数ｆｇ（ｎ）を所定の周波数幅に層別された複数の領域（Ｒｍ）に振り分けられた分布から測定数の多い領域（Ｒｍ）に属する逆方向周波数ｆｇ（ｎ）の平均値を選択して確定逆方向周波数Ｋｆｇとする。これにより、音響ノイズの影響が排除された確定逆方向周波数Ｋｆｇを求めることができる。次に順方向周波数ｆｊ（ｎ）から音響ノイズの影響を受けたものを２段階で除外する。第１段階として、複数の順方向周波数ｆｊ（ｎ）から確定逆方向周波数Ｋｆｇを減じた絶対値として算出される複数の周波数差ｆｓ（ｎ）から流体に許容されている最大流量を越える流量に対応する周波数差ｆｓ（ｎ）を選び出し、それに対応する順方向周波数ｆｊ（ｎ）を除外する。これにより、明らかにノイズの影響を受けている順方向周波数ｆｊ（ｎ）を除外することができる。更に、第２段階として、所定の周波数幅に層別された複数の領域（Ｒｍ）に振り分けられた分布から数の多い領域（Ｒｍ）に属する周波数和ｆｗ（ｎ）を選択する。これにより、更に音響ノイズの影響が排除された順方向周波数ｆｊ（ｎ）を得ることができる。２段階で音響ノイズの影響を除去することにより、音響ノイズの影響を受けやすい順方向周波数ｆｊ（ｎ）から確実に影響を排除することができる。

また、複数の領域（Ｒｍ）に振り分けられた順方向周波数ｆｊ（ｎ）あるいは周波数和ｆｗ（ｎ）の分布から数が多い上位２つの領域に属する順方向周波数ｆｊ（ｎ）あるいは周波数和ｆｗ（ｎ）の平均値を選び出し、そのうちの大きな平均値の方を選択する。これにより、受信された超音波の各周期の波のうち先に到着する波のゼロクロスする時間を逆方向測定時間ｔｃ２あるいは順方向測定時間ｔｃ１とする。波高値Ｖｗの小さい第１波Ｗ１は逆方向測定時間ｔｃ２あるいは順方向測定時間ｔｃ１と測定されることは極めて少ない。上位２位の領域（Ｒｍ）は第３波Ｗ３を測定した領域と第５波Ｗ５を測定した領域と考えられる。そして第３波Ｗ３の領域と第５波Ｗ５の領域では、第３波Ｗ３の領域の逆方向周波数ｆｇ（ｎ）あるいは順方向周波数ｆｊ（ｎ）の平均値が大きいので、上位２位の領域（Ｒｍ）のうち大きな平均値を選択するのが合理的である。

また、周期が超音波の１周期の時間Ｔの差を有する周波数の差を所定の周波数幅とする。音響ノイズの影響が少ない受信波は、超音波の１周期ごとに同じ振幅方向に繰り返されてゼロクロスする。逆方向周波数ｆｇ（ｎ）および順方向周波数ｆｊ（ｎ）を算出する逆方向到達時間ｔ２（ｎ）および順方向到達時間ｔ１（ｎ）は、超音波の１周期ごとに同じ振幅方向に繰り返されたゼロクロスの時間を測定する。このため、逆方向周波数ｆｇ（ｎ）、および順方向周波数ｆｊ（ｎ）と確定逆方向周波数Ｋｆｇとの周波数和ｆｗ（ｎ）は、所定の周波数幅ごとに分布することとなる。所定の周波数幅に基づき層別すれば、ゼロクロスの時間ごとに測定された逆方向到達時間ｔ２（ｎ）および順方向到達時間ｔ１（ｎ）に基づいた逆方向周波数ｆｇ（ｎ）および周波数和ｆｗ（ｎ）を層別することができる。これにより、音響ノイズの影響が少ない逆方向周波数ｆｇおよび安定周波数和Ａｆｗを確実に求めることができる。

尚、音響ノイズの影響が少ない受信波とは、音響ノイズが混入していない正規の受信波に対して、音響ノイズが小さい状態で受信された受信波である。安定周波数和算出処理および流量算出処理において、測定時間の測定を複数回行う。複数回測定することにより、音響ノイズの影響が少ない受信波について測定する確率を上げることができる。音響ノイズの大きさは常に一定ではないため、所定期間において複数回の測定を行う事により、音響ノイズが小さい状態での測定時間を複数取得することができる。さらに、複数の測定時間から算出した複数の順方向周波数ｆｊおよび逆方向周波数ｆｇの平均値を流速Ｖの算出に使用する。これにより、音響ノイズによる測定時間の測定誤差の影響を小さくすることができ、正確な流速Ｖおよび流量を算出することができる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、第２実施形態において、安定周波数和算出処理および流量算出処理は、記憶部に記憶されたプログラムに従い第２制御部において行われると説明したが、これに限定されるものではない。安定周波数和算出処理および流量算出処理の各ステップを行う回路を複数組み合わせ、構成しても良い。

また、第２実施形態において、整圧器４が送受波器１、２の上流側に設置されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。整圧器４が送受波器１、２の下流側に設置されている場合については、図７に示すフローチャートのステップＳ１４、１６を逆方向周波数ｆｇ（ｎ）に替えて、順方向周波数ｆｊ（ｎ）について行えば良い。その後、ステップＳ２０、２２を順方向周波数ｆｊ（ｎ）に替えて、逆方向周波数ｆｇ（ｎ）について行えば良い。また、超音波流量計を配管３に設置する際に、整圧器４が送受波器１、２の上流または下流のどちら側に設置されているかを操作部により設定することができる。これにより、ステップＳ１４、１６、２０、２２において、順方向周波数ｆｊ（ｎ）および逆方向周波数ｆｇ（ｎ）のどちらについて行うかが設定される。

４ 整圧器
９ 制御部
２０ 検出部
３０ 波高値判定部
４０ 周期判定部
６０ 確定部
６１ 到達時間第１計測部
６２ 到達時間第２計測部
ｔ１ 順方向到達時間
ｔ２ 逆方向到達時間
ｆｊ 順方向周波数
ｆｇ 逆方向周波数
Ｓｖ 波高値成立信号
Ｓｆ 周期成立信号

Claims (4)

1. 流体の流れの上流と下流とに一対の超音波送受波器を互いに対向して配置し、前記一対の超音波送受波器の一方から発信され前記流れの順流方向と逆流方向との各々の方向に向かう超音波を前記一対の超音波送受波器の他方で受信した到達時間の逆数の差から流速さらには流量を求める超音波流量計であって、
   受信された前記超音波の波高値が、レベル値が一定の関係を有する複数の基準レベルのうち、直前の波高値の越えていない基準レベルの小さい方から一定数の基準レベル群を越える所定波を検出する検出部と、
   前記所定波がゼロクロスする時間を仮の到達時間として計測する計測部と、
   前記所定波の次の波から波高値が前記基準レベル群を連続して所定回数越えることに応じて波高値判定結果を出力する波高値判定部と、
   受信された前記超音波の隣接するゼロクロス間の時間が、連続して所定回数、所定時間の範囲内にあることに応じて周期判定結果を出力する周期判定部と、
   前記波高値判定結果および前記周期判定結果が出力されることに応じて、前記計測部により計測された前記仮の到達時間を確定到達時間とする確定部とを備えることを特徴とする超音波流量計。
2. 流体の流れを制御する流れ制御器が設置された配管内において、前記流体の流れの上流と下流とに一対の超音波送受波器を互いに対向して配置し、前記一対の超音波送受波器の一方から発信され前記流れの順流方向と逆流方向との各々の方向に向かう超音波を前記一対の超音波送受波器の他方で受信した到達時間の逆数の差から流速さらには流量を求める超音波流量計であって、
   前記一対の超音波送受波器のうち前記流れ制御器に遠い側の超音波送受波器から発信された超音波が、前記一対の超音波送受波器のうち前記流れ制御器に近い側の超音波送受波器に受信されるまでの第１到達時間を測定するとともに、前記一対の超音波送受波器のうち前記流れ制御器に近い側の超音波送受波器から発信された超音波が、前記一対の超音波送受波器のうち前記流れ制御器に遠い側の超音波送受波器に受信されるまでの第２到達時間を測定する測定部と、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記第１到達時間の逆数である第１周波数、および前記第２到達時間の逆数である第２周波数を算出する周波数算出処理と、
   前記第１周波数と前記第２周波数との和である周波数和を算出する周波数和算出処理と、
   起動時において、音響ノイズによる影響が少ない前記周波数和を安定周波数和として算出する安定周波数和算出処理と、
   前記安定周波数和を記憶する記憶処理と、
   流速測定時に算出される前記周波数和と前記安定周波数和との差が所定値を越える場合は、前記流速測定に失敗したと判断する判断処理とを実行することを特徴とする超音波流量計。
3. 前記制御部は、前記安定周波数和算出処理において、
   前記測定部に前記第１到達時間と前記第２到達時間とを交互に複数回測定させる複数測定処理と、
   前記複数測定処理により得られた複数の前記第１到達時間に対する複数の前記第１周波数を、所定の周波数幅で層別された複数の第１領域に振り分け、前記複数の第１領域の各々の領域ごとに第１の平均値を算出する第１領域別平均処理と、
   前記複数の第１領域のうち振り分けられた第１周波数の数が多い上位２つの領域の前記第１の平均値から、値の大きい方を確定第１周波数とする第１周波数確定処理と、
   前記複数測定処理により得られた複数の前記第２到達時間に対する複数の前記第２周波数から前記確定第１周波数を減じて複数の周波数差を算出する複数周波数差算出処理と、
   前記複数の周波数差において、前記流体に許容されている最大流量を越える流量に対応する周波数差が算出される前記第２周波数を除外する規定外値除外処理と、
   前記周波数和算出処理により、前記規定外値除外処理で除外されなかった前記複数の第２周波数の各々と前記確定第１周波数との和である複数の周波数和を算出する複数周波数和算出処理と、
   前記複数の周波数和を、所定の周波数幅で層別された複数の第２領域に振り分け、前記複数の第２領域の各々の領域ごとに第２の平均値を算出する第２領域別平均処理と、
   前記複数の第２領域のうち振り分けられた周波数和の数が多い上位２つの領域に属する前記第２の平均値から大きい方を前記安定周波数和とする安定周波数和確定処理とを実行することを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記所定の周波数幅は、周期が前記超音波の一周期の差を有する周波数の差であることを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。

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