JP2020046315A

JP2020046315A - 超音波流量計

Info

Publication number: JP2020046315A
Application number: JP2018175164A
Authority: JP
Inventors: 増永　靖行; Yasuyuki Masunaga; 靖行増永; 晃森田; Akira Morita; 雅哉田原; Masaya Tahara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: JP7151311B2

Abstract

【課題】回路設計の自由度が高く、高感度で且つ誤差が少ない超音波流量計を提供すること。【解決手段】超音波流量計（１０）は、流体（１４）に向って超音波パルスを送信する上流側送信センサ（１２）及び下流側送信センサ（１３）と、管路（１１）の、上流側送信センサと下流側送信センサとの間に、流体の流れ方向に沿って順次取り付けられた、２つの受信センサ（１５、１６）と、２つの受信センサの受信信号の時間差を測定する時間差測定部（２５）と、上流側送信センサから超音波パルスを送信したときの時間差及び下流側送信センサから超音波パルスを送信したときの時間差に基づいて流体の流量を算出する演算部と、を具備する。２つの受信センサは、各々、入射された超音波パルスを受信して受信信号を出力すると共に、一つ隣に配置された他の受信センサに向って超音波パルスを反射する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関する。

超音波を利用して、管路内を流れる液体及び気体（以下、「流体」と記載する）の流量を計測することが行われている。

その計測原理の一つとして、伝搬時間逆数差法が知られている。図７は、従来の超音波測定方法を示す模式図である。図７に示すように、管路７１に一対の送受信兼用の超音波センサ７２、７３を配置して交互に超音波パルスを送受信する。超音波パルスのうち管路７１内のみの伝搬時間を考える。管路７１内の超音波パルスの伝搬経路長をＬ、管路７１内の流体７４中での音速をＣ、管路７１の中心軸と超音波パルスの伝搬軸との角度をθとすると、超音波センサ７２、７３の間を行き来する超音波パルスの音速Ｃｏは、流速Ｖの影響を受け、式１で表される。

ここで、超音波パルスの管路７１内の伝搬時間を、順方向（超音波センサ７２から超音波センサ７３へ向かう方向）のときをｔｄ、逆方向（超音波センサ７３から超音波センサ７２へ向かう方向）のときをｔｕとする。伝搬時間ｔｄ、ｔｕはそれぞれ次式で表される。

式２と式３の逆数を取り、その差を計算し、整理すると、式４となる。

つまり、伝搬時間ｔｄ、ｔｕを計測することで管路７１内を流れる流体７４の流速Ｖを求めることができる。そして、流速Ｖに管路７１の断面積Ａを積算することにより、流体７４の流量Ｑを求めることができる。

このような伝搬時間逆数差法を利用した超音波流量計では、送受信兼用の超音波センサ７２、７３を使用する。このため、送信回路の出力先及び受信回路の入力元を超音波センサ７２、７３の間で交互に切り換えるための切り換えスイッチを設ける必要がある。また、高電圧を扱う送信回路と微弱信号を扱う受信回路が切り替えスイッチを介して接続されるため、送信回路から受信回路へ高圧の信号が漏れ込み、ノイズが発生する要因となる。これを防ぐために、受信回路においては、クランプ回路を設けて入力信号から微弱信号のみを取り出し、増幅回路により受信信号を増幅する必要がある。このように、従来の超音波流量計は、回路設計上の制約が発生する。

また、超音波センサ７２、７３は、超音波の送信及び受信を兼用し、すなわち超音波の送信及び受信を交互に行う。このため、超音波の周波数を、送信及び受信の感度が中間になるように選択するか、或いは、送信又は受信の感度のどちらかが高くなるように選択せざるをえない。言い換えれば、例えば、送信時の超音波センサ７２の共振周波数と受信時の超音波センサ７３の反共振周波数とを一致させることができない。

また、超音波センサ７２、７３の指向性に差を付けることができない。例えば、受信感度を高めるために指向性が広い超音波センサを採用すれば、送信感度が低下してしまう。

超音波センサを送信及受信に兼用しない超音波流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の超音波流量計では、１つの送信用超音波センサ（トランスジューサ）から管内の複数方向に超音波信号を出射し、それぞれの超音波信号を複数の受信用超音波センサにより受信するようにし、受信した受信用超音波センサのみの受信信号に基づいて管内の流量の測定を行う。

特開２００１−３５６０３４号公報

しかしながら、特許文献１の超音波流量計では、伝搬時間ｔｕ、ｔｄを測定する超音波パルスの経路が異なる。このため、上述の式２及び式３における伝搬経路長Ｌが異なるため、流量測定の誤差の原因となる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、回路設計の自由度が高く、高感度で且つ誤差が少ない超音波流量計を提供することを目的の１つとする。

本発明の超音波流量計の一態様は、管路内の流体に向って超音波パルスを送信する上流側送信センサ及び下流側送信センサと、前記管路の、前記上流側送信センサと前記下流側送信センサとの間に、前記流体の流れ方向に沿って順次取り付けられた、少なくとも２つの受信センサと、前記少なくとも２つの受信センサのうち、いずれか２つにおける受信信号の時間差を測定する時間差測定部と、前記上流側送信センサから前記超音波パルスを送信したときの前記時間差を順方向伝搬時間とし、かつ、前記下流側送信センサから前記超音波パルスを送信したときの前記時間差を逆方向伝搬時間とし、前記順方向伝搬時間及び前記逆方向伝搬時間に基づいて前記流体の流量を算出する演算部と、を具備し、前記少なくとも２つの受信センサは、各々、入射された前記超音波パルスを受信して前記受信信号を出力すると共に、一つ隣に配置された他の前記受信センサに向って前記超音波パルスを反射することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、回路設計の自由度が高く、高感度で且つ誤差が少ない超音波流量計を提供することができる。

第１の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。第１の実施の形態に係る超音波流量計における制御回路の概略構成図である。第１の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。第２の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。第２の実施の形態に係る超音波流量計における制御回路の概略構成図である。第３の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。従来の超音波測定方法を示す模式図である。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、送信用超音波センサから送信された超音波パルスが、受信用超音波センサで反射されることを利用して、順方向の伝搬時間を測定するときの超音波パルスの伝搬経路と、逆方向の伝搬時間を測定するときの超音波パルスの伝搬経路とを方向が正反対であるが同じにすることにより、流量測定の誤差を抑えることができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の超音波流量計の一態様は、管路内の流体に向って超音波パルスを送信する上流側送信センサ及び下流側送信センサと、前記管路の、前記上流側送信センサと前記下流側送信センサとの間に、前記流体の流れ方向に沿って順次取り付けられた、少なくとも２つの受信センサと、前記少なくとも２つの受信センサのうち、いずれか２つにおける受信信号の時間差を測定する時間差測定部と、前記上流側送信センサから前記超音波パルスを送信したときの前記時間差を順方向伝搬時間とし、かつ、前記下流側送信センサから前記超音波パルスを送信したときの前記時間差を逆方向伝搬時間とし、前記順方向伝搬時間及び前記逆方向伝搬時間に基づいて前記流体の流量を算出する演算部と、を具備し、前記少なくとも２つの受信センサは、各々、入射された前記超音波パルスを受信して前記受信信号を出力すると共に、一つ隣に配置された他の前記受信センサに向って前記超音波パルスを反射することを特徴とする。

以上のような構成により、本発明の一態様によれば、回路設計の自由度が高く、高感度で且つ誤差が少ない超音波流量計を提供することができるという効果を奏する。

（第１の実施の形態）
以下、第１の実施の形態に係る超音波流量計について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。図１に示す超音波流量計は、超音波センサを既設の管路に外装するクランプオン形である。図１において、超音波パルス及び各種信号を、順方向伝搬時間ｔｄ（後述）を測定するときを例に挙げて図示している。

図１に示すように、超音波流量計１０は、管路１１の外面に、２つの送信用超音波センサ（以下、単に送信センサと記載する）１２、１３が取り付けられている。送信センサ１２、１３は、管路１１内の流体１４に向って超音波パルスを送信する。

送信センサ１２、１３は、管路１１の軸方向に沿った断面（以下、管軸断面と記載する）でみたとき（以下、管軸断面視と記載する）に、軸方向に沿って離間して配置される。以下、上流側の送信センサ１２を単独で記載するときは上流側送信センサとする。また、下流側の送信センサ１３を単独で記載するときは下流側送信センサとする。

また、送信センサ１２、１３は、管路１１の軸方向に対して直交する断面（以下、直交断面と記載する）でみたときに、管路１１の中心軸Ｏを中心に点対称の位置に配置されている。なお、直交断面でみたときの送信センサ１２、１３の位置関係は、点対称に限定されず、以下で説明するように、送信センサ１２、１３のいずれか一方から送信された超音波パルスを、受信センサ（後述）で反射した後、他方で受信できるのであれば、特に限定されない。

送信センサ１２、１３は、例えば、圧電セラミックで構成される超音波振動子を備えている。超音波振動子に電圧を印加すると振動し、超音波を発信する。超音波振動子の大きさ及び形状を適宜選択することにより、共振周波数及び指向性を制御することができる。

また、送信センサ１２、１３は、後述のように受信センサにおける超音波の反射を利用するために、管路１１の中心軸Ｏに対し角度をつけて超音波を入射させることができるように、管路１１の外面に対して傾けて取り付けられている。

送信センサ１２、１３の間には、２つの受信用超音波センサ（以下、単に受信センサと記載する）１５、１６が配置されている。

受信センサ１５、１６は、いずれも、送信センサ１２、１３のうち一つから発信された超音波パルスを受信できると共に、一つ隣に配置された他の１つに向って超音波パルスを反射するように配置されている。反射については後述する。

より具体的には、第１の実施の形態では、管軸断面視において、軸方向に沿って、送信センサ１２、１３の間に、上流側に受信センサ１５が、下流側に受信センサ１６が配置されている。以下、上流側の受信センサ１５を単独で記載するときは第１の受信センサとする。また、下流側の受信センサ１６を単独で記載するときは第２の受信センサとする。

また、受信センサ１５、１６は、直交断面でみたときに、管路１１の中心軸Ｏを中心に点対称の位置に配置されている。なお、ここで、直交断面でみたときの送信センサ１２、１３の位置関係は、点対称に限定されず、受信センサ１５、１６のいずれか一方で反射した超音波を、他方で受信できるのであれば、特に限定されない。

受信センサ１５、１６は、例えば、圧電セラミックで構成される超音波振動子を備えている。超音波振動子に加わった振動により電極間に、振動に応じた起電力が発生し、受信信号として出力する。したがって、管路１１の内面に超音波パルスが突き当たる管路１１の壁が振動する。この振動が壁を伝って受信センサ１５、１６の超音波振動子に伝達され、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が出力される。

また、受信センサ１５、１６は、超音波振動子の大きさ及び形状を適宜選択することにより、反共振周波数及び指向性を制御することができる。

次に、図１を参照して、第１の実施の形態における回路構成について説明する。送信センサ１２、１３は、送信回路２１に電気的に接続されている。上流側送信センサ１２は、送信回路２１の第１の出力端子ａに、下流側送信センサ１３は、送信回路２１の第２の出力端子ｂに、それぞれ接続されている。

送信回路２１は、送信センサ１２、１３の超音波発振子に高電圧を印加し、超音波を発振させる。送信回路２１は、制御回路２２に電気的に接続されている。

図２は、第１の実施の形態に係る超音波流量計における制御回路の概略構成図である。制御回路２２は、送信制御部２２１、演算部２２２及び出力部２２３を備えている。

ここで、制御回路２２は、例えば、各種処理を実行する集積回路である。しかしながら、制御回路２２に代えて、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等で構成される制御装置を用いてもよい。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。メモリには、各種処理を実行させるプログラムが記憶されている。

制御回路２２の送信制御部２２１は、送信回路２１に送信開始信号を出力し、送信回路２１に、出力端子ａ、ｂのいずれか一方からバースト信号を出力させるように構成されている。

一方、受信センサ１５、１６には、増幅回路２３、２４がそれぞれ電気的に接続されている。増幅回路２３、２４で増幅された受信信号は、本発明の時間差測定部の一例である、時間差測定回路２５に入力される。

時間差測定回路２５は、受信センサ１５、１６から入力された受信信号に基づいて、受信センサ１５、１６における超音波の検出時間の時間差を測定する。時間差測定回路２５は、制御回路２２に電気的に接続されている。

制御回路２２において、演算部２２２は、時間差測定回路２５が測定した伝搬時間ｔｄ及びｔｕ（後述）に基づいて流体１４の流速Ｖを算出する。また演算部２２２は、流速Ｖに管路１１の断面積Ａを積算し、流量Ｑを得る。

また、出力部２２３は、演算部２２２での演算結果を表示部２６に表示させる。出力部２２３は、例えば、ペーパーレスレコーダのような外部記録装置に、演算結果を、通信経路を介して送信し、記録させてもよい。

次に、図１及び図３を参照して、第１の実施の形態に係る超音波流量計における流量測定について説明する。まず、図１を参照して、順方向伝搬時間ｔｄの測定について説明する。図１中、超音波パルスの伝搬経路を矢印付き点線で示す。

まず、制御回路２２の送信制御部２２１は、送信回路２１に送信開始信号を出力する。この送信回路信号には、送信回路２１に出力端子ａからバースト信号を出力させる命令を含んでいる。これにより、送信回路２１から上流側送信センサ１２へ周波数ｆのバースト信号が入力される。

上流側送信センサ１２において、バースト信号に応じて超音波発振子が振動し、周波数ｆの超音波パルスが発生される。超音波パルスは、管路１１の壁を振動させて流体１４に達する。流体１４に達した超音波パルスは、流体１４内を第１の受信センサ１５に向って伝搬していく。

その後、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、超音波パルスにより管路１１の壁が振動する。この振動は第１の受信センサ１５の超音波振動子まで達し、超音波振動子が振動する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路２３へ出力される。

超音波振動子の振動は、起電力を発生させるだけでなく、管路１１の壁を再び振動させる。この振動は流体１４まで達し、流体１４内を伝搬していく。この結果、超音波パルスは、第１の受信センサ１５で方向転換し、その入射角と略同じ角度で射出されたかのような挙動を示す。本明細書においては、このような超音波パルスの挙動を「反射」と呼ぶ。第１の受信センサ１５で反射した超音波パルスは、流体１４内を第２の受信センサ１６に向って伝搬していく。

超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、管路１１の壁を振動させ、第２の受信センサ１６の超音波振動子まで達する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路２４へ出力される。

第２の受信センサ１６においても、上述の第１の受信センサ１５と同様に、超音波パルスの反射が起こる。第２の受信センサ１６で反射した超音波パルスは、流体１４内に戻って下流側送信センサ１３に向って伝搬していく。このような結果、図１に示すように、超音波パルスは略Ｎ字形の伝搬経路で流体１４内を伝搬する。

時間差測定回路２５は、第１の受信センサ１５の受信信号と、第２の受信センサ１６の受信信号との時間差を測定する。時間差の測定には、例えば、相関法を用いる。相関法は、２つの受信信号の波形データの相互相関関数を計算し、その最大値に対応する時間シフト量から求める。時間差測定回路２５は、測定した時間差を制御回路２２へ出力する。制御回路２２の演算部２２２（図２参照）は、上流側送信センサ１２から超音波パルスを送信したときの時間差を、順方向伝搬時間ｔｄとして取り扱う。

時間差測定回路２５に入力される受信信号には、受信センサ１５、１６での超音波パルスの反射に起因する波形（Ａ）の他に、管路１１の内面での超音波パルスの反射に起因する波形（Ｂ）が含まれる。このため、時間差測定回路２５は、これらを区別するためには、例えば、以下の方法が考えられる。超音波パルスは、管路１１の内面に受信センサ１５、１６よりも先に突き当たる。このため、波形（Ｂ）は必ず波形（Ａ）よりも先に現れる。したがって、時間差測定回路２５は、先に現れた波形（Ｂ）ではなく、次に現われる波形（Ａ）を時間差の測定に用いればよい。

なお、波形（Ａ）及び（Ｂ）が重畳しないように、管路１１の壁が薄いときは、管路１１の外面と受信センサ１５、１６との間にスペーサを配置し、管路１１の内面と受信センサ１５、１６との距離を大きくすることが好ましい。

次に、図３を参照して、逆方向伝搬時間ｔｕの測定について説明する。図３は、第１の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。図３において、超音波パルス及び各種信号を、逆方向伝搬時間ｔｕを測定するときを例に挙げて図示している。また、図３中、超音波パルスの伝搬経路を矢印付き点線で示す。

まず、制御回路２２の送信制御部２２１は、送信回路２１に送信開始信号を出力する。この送信回路信号には、送信回路２１に出力端子ｂからバースト信号を出力させる命令を含んでいる。これにより、送信回路２１から下流側送信センサ１３へバースト信号が入力される。

下流側送信センサ１３において、バースト信号に応じて超音波発振子が振動し、超音波パルスを発生させる。超音波パルスは、管路１１の壁を振動させて流体１４に達する。流体１４に達した超音波パルスは、流体１４内を第２の受信センサ１６に向って伝搬していく。

次いで、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当る。超音波パルスにより管路１１の壁が振動し、第２の受信センサ１６の超音波振動子まで達する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路２４へ出力される。

第２の受信センサ１６において、図１を参照して説明したのと同様に、超音波パルスの反射が起こる。第２の受信センサ１６で反射した超音波パルスは、流体１４内を第１の受信センサ１５に向って伝搬していく。

その後、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、管路１１の壁を振動させる。この振動は第１の受信センサ１５の超音波振動子まで達し、超音波振動子が振動する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路２３へ出力される。

また、第１の受信センサ１５においても超音波パルスの反射が起こる。第１の受信センサ１５で反射した超音波パルスは、流体１４内に戻って上流側送信センサ１２に向って伝搬していく。この結果、下流側送信センサ１３から第２の受信センサ１６、第１の受信センサ１５を経由し、上流側送信センサ１２に至る超音波パルスの伝搬経路は、図１を参照して説明した順方向伝搬時間ｔｄの測定のときの伝搬経路と方向が正反対であるが同じになる。

時間差測定回路２５は、第１の受信センサ１５の受信信号と、第２の受信センサ１６の受信信号との時間差を測定する。時間差測定回路２５は、測定した時間差を、制御回路２２へ出力する。制御回路２２の演算部２２２（図２参照）は、下流側送信センサ１３から超音波パルスを送信したときの時間差を、逆方向伝搬時間ｔｕとして取り扱う。

このようにして伝搬時間ｔｄ、ｔｕが得られる。制御回路２２の演算部２２２は、伝搬時間ｔｄ、ｔｕに基づき、上記式４を用いて流体１４の流速Ｖを算出し、さらに、流速Ｖに管路１１の断面積Ａを積算し、流量Ｑを得る。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る超音波流量計１０は、図１及び図３を参照して説明した伝搬時間ｔｄ、ｔｕの測定のときに、超音波パルスの伝搬経路は、受信センサ１５、１６の間であり、向きが反対であるが同一である。このため、上記式２、３における伝搬経路長Ｌが同じになるので、誤差が生じにくくなる。

また、送信センサ１２、１３のいずれか一方から送信された超音波パルスを、受信センサ１５、１６のいずれか一方で反射させ、他方で受信しているので、従来のように送受信兼用の超音波センサの間で超音波を送受信するときに比べ、超音波パルスの飛行距離を長くできる。超音波パルスの飛行距離が長くなるほど流速の測定時間が長くなり、超音波パルスが流体１４から受ける影響が大きくなるので、流速感度を上げることができる。これにより、超音波流量計１０の精度を向上できる。ここで、流速感度とは、流体の流速に対応した伝搬時間ｔｄ、ｔｕの時間差の発生量をいう。

また、超音波センサとして送受信兼用のものを用いる必要がなく、切り替えスイッチが不要である。また、送信回路２１及び送信センサ１２、１３で構成される送信系回路と、受信センサ１５、１６及び増幅回路２３、２４で構成される受信系回路が独立しているので、送信回路２１から出力されたバースト信号が増幅回路２３、２４に漏れ込み、ノイズが増加するおそれがない。このため、増幅回路２３、２４にクランプ回路を設ける必要がないため、ノイズにより計測する伝搬時間の変動を防ぐことが可能になる。この結果、超音波流量計１０の回路設計の自由度が上がる。

また、超音波センサとして送受信兼用のものを用いる必要がなく、送信センサ１２、１３、又は、受信センサ１５、１６に最適化した特性を有する超音波センサを用いることができる。

第１に、送信センサ１２、１３の共振周波数と受信センサ１５、１６の反共振周波数とを一致させることができる。共振周波数及び反共振周波数は、超音波センサのインピーダンス特性を表す。共振周波数は、超音波センサのアドミッタンスが極大になる周波数であり、超音波センサの送信効率が大きくなる。

一方、反共振周波数は、超音波センサのアドミッタンスが極小になる周波数であり、超音波センサの受信効率が大きくなる。

したがって、送信センサ１２、１３の共振周波数と、受信センサ１５、１６の反共振周波数とを、一致させることが、超音波パルスの送受信の効率を高め、受信信号のＳ／Ｎ比を向上させるので、好ましい。これにより、バースト信号の周波数ｆを送信センサ１２、１３の共振周波数に設定すれば、送信感度を良くすることができる。また、周波数ｆは、受信センサ１５、１６の反共振周波数でもあるので、受信感度を良くすることができる。

なお、第１の実施の形態において、送信センサ１２、１３から送信する超音波パルスの周波数を、送信センサ１２、１３の共振周波数にすること、および、受信センサ１５、１６の反共振周波数にすること、のいずれか一方を行なってもよい。言い換えれば、第１の実施の形態において、送信センサ１２、１３の共振周波数と、受信センサ１５、１６の反共振周波数とを、一致させることは必須ではない。

また、送信センサ１２、１３と受信センサ１５、１６との指向性に差を付けることができる。すなわち、送信センサ１２、１３は、受信センサ１５、１６に向けて指向性を狭くして、送信感度を高める。一方、受信センサ１５、１６は、指向性を広くすることにより、斜め方向からの超音波パルスを効率よく受信信号に変換し、受信感度を高める。この結果、超音波パルスの送受信の効率を高め、受信信号のＳ／Ｎ比を向上できるので、好ましい。

すなわち、第１の実施の形態において、受信センサ１５、１６は、送信センサ１２、１３よりも指向性を広くすることが、測定精度を高くする観点で、好ましい。例えば、受信センサ１５、１６の指向性を４５度とし、送信センサ１２、１３の指向性を３０度とすることが特に好ましい。

（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態に係る超音波流量計について説明する。図４は、第２の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。図４において、超音波パルス及び各種信号を、順方向伝搬時間ｔｄ（後述）を測定するときを例に挙げて図示している。図４において、図１〜図３と同様の構成については、同一の符号を付与し、説明を省略する。

第２の実施の形態に係る超音波流量計４０は、受信センサを３つ備えている点で第１の実施の形態と相違する。

送信センサ１２、１３の位置関係は、第１の実施の形態と異なり、管路１１に対して同じ側に配置されている。

また、３つの受信センサ４１、４２、４３が、管軸断面視において、流れ方向に沿って、送信センサ１２、１３の間に、上流側から順番に配置されている。以下、上流側の受信センサ４１を単独で記載するときは第１の受信センサとする。また、中間の受信センサ４２を単独で記載するときは第２の受信センサとする。また、下流側の受信センサ４３を単独で記載するときは第３の受信センサとする。

また、受信センサ４１、４２、４３は、隣り合うもの同士の間では、第１の実施の形態における受信センサ１５、１６と同じ関係が成り立つ。すなわち、第１の受信センサ４１と第２の受信センサ４２とは、送信センサ１２、１３のうち一つから発信された超音波パルスを受信できると共に、一つ隣の他の１つに向って超音波パルスを反射するように配置されている。

また、第２の受信センサ４２と第３の受信センサ４３とは、送信センサ１２、１３のうち一つから発信された超音波パルスを受信できると共に、超音波パルスを他の１つに向って反射するように配置されている。

上記説明において、第２の受信センサ４２及び第３の受信センサ４３が、送信センサ１２、１３のうち一つから発信された超音波パルスを受信できることには、超音波パルスが他の受信センサで反射した後に受信することを含む。

第２の実施の形態において、受信系回路は、第１の実施の形態と同様であり、受信センサ４１、４２、４３のそれぞれに増幅回路４４、４５、４６が電気的に接続されている。

図５は、第２の実施の形態に係る超音波流量計４０における制御回路の概略構成図である。制御回路２２は、送信制御部２２１、演算部２２２及び出力部２２３に加え、受信センサ選択部２２４を備えている。

受信センサ選択部２２４は、時間差測定回路２５に対し、受信センサ４１、４２、４３のうちいずれの２つを選択し、選択したものから出力された受信信号に基づいて時間差測定を行うように命令をするように構成されている。

次に、図４を参照して、第２の実施の形態に係る超音波流量計における流量測定について説明する。まず、図４を参照して、順方向伝搬時間ｔｄの測定について説明する。図４中、超音波パルスの伝搬経路を矢印付き点線で示す。

まず、制御回路２２の送信制御部２２１は、送信回路２１に送信開始信号を出力する。これにより、送信回路２１から上流側送信センサ１２へ周波数ｆのバースト信号が入力される。

また、制御回路２２の受信センサ選択部２２４にセンサ選択信号を出力する。センサ選択信号は、時間差測定回路２５に、第１の受信センサ４１及び第３の受信センサ４３からの受信信号に基づいて時間差測定を行なわせる命令を含んでいる。

上流側送信センサ１２は、バースト信号に応じて超音波パルスを送信する。送信された超音波パルスは、流体１４内を第１の受信センサ４１に向って伝搬していく。

その後、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、超音波パルスにより管路１１の壁が振動する。この振動は第１の受信センサ４１の超音波振動子まで達し、超音波振動子が振動する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路４４へ出力される。

また、超音波パルスは、第１の受信センサ４１で反射する。第１の受信センサ４１で反射した超音波パルスは、流体１４内を第２の受信センサ４２に向って伝搬していく。

次いで、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、管路１１の壁を振動させ、第２の受信センサ４２の超音波振動子まで達する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路４５へ出力される。

第２の受信センサ４２においても、上述の第１の受信センサ４１と同様に、超音波パルスの反射が起こる。第２の受信センサ４２で反射した超音波パルスは、流体１４内に戻って第３の受信センサ４３に向かって伝搬していく。

その後、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、管路１１の壁を振動させ、第３の受信センサ４３の超音波振動子まで達する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路４６へ出力される。

第３の受信センサ４３においても、上述の第１、第２の受信センサ４１、４２と同様に、超音波パルスの反射が起こる。第３の受信センサ４３で反射した超音波パルスは、流体１４内に戻って下流側送信センサ１３に向って伝搬していく。この結果、図４に示すように、超音波パルスは、上流側送信センサ１２から第１の受信センサ４１、第２の受信センサ４２及び第３の受信センサ４３を経由し、下流側送信センサ１３に至る略Ｗ字形の伝搬経路で流体１４内を伝搬する。

時間差測定回路２５は、第１の受信センサ４１の受信信号と、第３の受信センサ４３の受信信号との時間差を測定する。時間差測定回路２５は、測定した時間差を制御回路２２へ出力する。制御回路２２の演算部２２２（図５参照）は、上流側送信センサ１２から超音波パルスを送信したときの時間差を、順方向伝搬時間ｔｄとして取り扱う。

次に、逆方向伝搬時間ｔｕの測定について説明する。まず、制御回路２２の送信制御部２２１は、送信回路２１に送信開始信号を出力する。この送信回路信号には、送信回路２１に出力端子ｂからバースト信号を出力させる命令を含んでいる。これにより、送信回路２１から下流側送信センサ１３へバースト信号が入力される。

下流側送信センサ１３において、バースト信号に応じて超音波パルスを発信する。超音波パルスは、流体１４内を第３の受信センサ４３に向って伝搬していく。

次いで、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当る。超音波パルスにより管路１１の壁が振動し、第３の受信センサ４３の超音波振動子まで達する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路４６へ出力される。

第３の受信センサ４３において、超音波パルスの反射が起こる。第２の受信センサ４２で反射した超音波パルスは、流体１４内を第２の受信センサ４２に向って伝搬していく。

さらに、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当る。超音波パルスにより管路１１の壁が振動し、第２の受信センサ４２の超音波振動子まで達する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路４５へ出力される。

第２の受信センサ４２において、超音波パルスの反射が起こる。第２の受信センサ４２で反射した超音波パルスは、流体１４内を第１の受信センサ４１に向って伝搬していく。

その後、超音波パルスは、管路１１の内面に突き当り、管路１１の壁を振動させる。この振動は第１の受信センサ４１の超音波振動子まで達し、超音波振動子が振動する。このとき、超音波振動子で起電力が発生し、受信信号が増幅回路２３へ出力される。

また、第１の受信センサ４１においても超音波パルスの反射が起こる。反射した超音波パルスは、流体１４内に戻って上流側送信センサ１２に向って伝搬していく。この結果、下流側送信センサ１３から、第３の受信センサ４３、第２の受信センサ４２、及び、第１の受信センサ４１を経由し、上流側送信センサ１２に至る超音波パルスの伝搬経路は、図４を参照して説明した順方向伝搬時間ｔｄの測定のときの伝搬経路と方向が正反対であるが同じになる。

時間差測定回路２５は、第３の受信センサ４３の受信信号と、第１の受信センサ４１の受信信号との時間差を測定する。時間差測定回路２５は、測定した時間差を、制御回路２２へ出力する。制御回路２２の演算部２２２（図５参照）は、下流側送信センサ１３から超音波パルスを送信したときの時間差を、逆方向伝搬時間ｔｕとして取り扱う。

ここで、式４における伝搬経路長は、第１及び第３の受信センサ４１、４３の間の伝搬経路の長さに相当する。したがって、第１の実施の形態に係る超音波流量計１０に比べ、伝搬経路長は２倍になる。

第１の実施の形態に係る超音波流量計１０では、伝搬経路が、従来の超音波流量計の配置方法のＺ型に相当する。これに対し、第２の実施の形態に係る超音波流量計４０では、従来の配置方法のＶ法（反射法）と同じになる。

第２の実施の形態に係る超音波流量計４０は、受信センサ選択部２２４によって時間差測定回路２５が用いる２つの受信センサの組み合わせを変更すれば、超音波センサの配置方法を変更することができる。すなわち、Ｚ法（透過法）であれば、第１の受信センサ４１及び第２の受信センサ４２、又は、第２の受信センサ４２及び第３の受信センサ４３の組み合わせを使用する。一方、Ｖ法であれば、上述のように、第１の受信センサ４１及び第３の受信センサ４３の組み合わせを使用する。

第２の実施の形態に係る超音波流量計４０によれば、受信センサ４１、４２、４３の取り付け位置を変更することなしに、Ｚ法及びＶ法を任意に切り替えて、流体１４の流量Ｑを測定することができる。

したがって、超音波流量計４０は、測定環境の違いに応じて、Ｚ法及びＶ法のいずれかを適宜選択して、流体１４の流量Ｑをより高精度で測定できるという利点がある。Ｚ法は、Ｖ法に比べて流体１４内の粒子又は気泡によって生じる減衰による影響を少なくしたり、流体１４内の偏流又は旋回流の影響を少なくできる。一方、Ｖ法は、Ｚ法に比べ、流れの隔たりの影響による誤差を軽減できるという利点がある。流れの隔たりとは、流体１４の流れの成分が管路１１と平行な成分とは別の成分を含むこという。流れの隔たりがあるとは、流れが管路１１を管軸断面で見たときに不均一であること意味する。

第２の実施の形態に係る超音波流量計４０では、３つの受信センサ４１、４２、４３を用いることにより、超音波センサの配置方法のうちＺ法及びＶ法に対応している。本発明はこれに限定されず、例えば、５つの受信センサを用いて、Ｚ法、Ｖ法及びＷ法に対応することが可能である。

（第３の実施の形態）
以下、第３の実施の形態に係る超音波流量計について説明する。図６は、第３の実施の形態に係る超音波流量計の概略構成図である。図６において、超音波パルス及び各種信号を、順方向伝搬時間ｔｄ（後述）を測定するときを例に挙げて図示している。図６において、図１〜図３と同様の構成については、同一の符号を付与し、説明を省略する。

第３の実施の形態に係る超音波流量計６０は、本発明のピーク値検出部の一例であるピーク検出回路６１、６２を、増幅回路２３、２４の出力側に電気的に接続している点で、第１の実施の形態に係る超音波流量計１０と相違している。

ピーク検出回路６１、６２は、受信センサ１５、１６における受信信号の大きさを表す量としてそのピーク値を検出し、制御回路２２の演算部２２２（図２参照）へ出力するように構成されている。

ピーク値は超音波パルスの振幅に対応している。そして、超音波パルスの振幅は、流体１４の密度が高いほど大きくなり、密度が低いほど小さくなる。したがって、同一の流体１４であれば圧力が高いほど振幅は大きくなる。

このような流体の圧力と超音波パルスの振幅との関係を利用すれば、ピーク値から流体の圧力値を求めることができる。

しかしながら、流体１４中における超音波の伝わり方は、流体１４の温度に影響を受ける。したがって、超音波パルスの振幅は、流体１４の温度に影響を受ける。このため、ピーク検出回路により、一つの超音波センサにおける受信信号からピーク値を検出し、それに対応する圧力値を求める場合、流体１４の温度を実測し、得られた温度を用いて補正を行うことが考えられるが、超音波流量計６０のコストが高くなるという不利益がある。

第３の実施の形態に係る超音波流量計６０において、演算部２２２は、受信センサ１５、１６における受信信号から得られた２つのピーク値の比（以下、受信信号比と記載する）を算出する。この受信信号比は、受信センサ１５、１６における超音波パルスの振幅比に相当する。受信センサ１５、１６のそれぞれにおいて、超音波パルスの振幅は、流体１４の温度の影響を同様に受けている。このため２つの振幅の間で比をとれば、温度の影響を失くすことができる。

受信信号比から流体１４の圧力値を求める方法は、特に限定されないが、例えば、次のような方法が考えられる。例えば、実験により、流体１４の圧力値を横軸、受信信号比を縦軸にそれぞれとったグラフに、複数の測定値をプロットして検量線を作成し、これを演算部２２２（図２参照）の記憶部（不図示）に記憶しておく。超音波流量計６０で実際に受信信号比を測定し、検量線を用いて、受信信号比に対応する流体１４の圧力値を求めることができる。

この他の方法としては、上記検量線を関数化し、当該関数に受信信号比の実測値を代入して流体１４の圧力値を算出してもよい。また、流体１４の圧力値と受信信号比との関係を表すテーブルを演算部２２２（図２参照）の記憶部（不図示）に記憶しておき、受信信号比の実測値からテーブルを参照し、これに対応する流体１４の圧力値を求めることもできる。

上述のように、第３の実施の形態に係る超音波流量計６０は、ピーク検出回路６１、６２を用いて、流体１４の圧力を流体１４の温度による影響を抑えて測定できるので、超音波流量計６０、流体１４の圧力を正確に測定できる。

また、第３の実施の形態に係る超音波流量計６０は、得られた流体１４の圧力値を用いて流量Ｑの値を補正すれば、流体１４の温度による影響をなくしながら、流量Ｑの測定精度を向上できる。

流体１４の圧力値による流量Ｑの補正は、公知の方法により行うことができる。例えば、以下の通りに行うことができる。制御回路２２の演算部２２２（図２参照）の記憶部（不図示）に補正係数テーブルを記憶しておく。補正係数テーブルには、圧力値ごとに各流速の補正係数が記憶されている。例えば、圧力値をテーブルの列にとり、流速をテーブルの行にとり、各圧力値及び各流速に対応する行と列との交差する位置に補正係数が入っている。

超音波流量計６０において、演算部２２２が、流体１４の流速Ｖ及び圧力値を求め、補正係数テーブルを参照し、流速Ｖ及び圧力値に対応する補正係数を求める。流速Ｖを補正係数で補正する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、受信センサを２個及び３個用いた場合を例に挙げて説明したが、受信センサを４個以上用いてもよい。

また、第２の実施の形態では、第１〜第3の受信センサ４１、４２、４３を、管路１１の垂直断面において、第２の受信センサ４２を０時位置とすると、第１の受信センサ４２及び第３の受信センサ４３を６時位置にそれぞれ配置している。しかし、本発明は、このような配置に限定されない。例えば、第１の受信センサ４１を８時位置に、第２の受信センサ４２を０時位置に、第３の受信センサ４３を４時位置に、それぞれ配置しても構わない。このような位置関係も一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

また、上記実施の形態では、クランプオン形の超音波流量計を例に挙げて説明したが、本発明は、管路に超音波センサを内装するスプール形にも適用できる。この場合、受信センサの表面を管路内に露出させ、受信センサの表面で超音波パルスを直接反射させることができる。

また、上記第３の実施の形態では、第１の実施の形態に係る超音波流量計１０（図１、図３参照）に、ピーク検出回路６１、６２（図６参照）を追加した構成を例に挙げて説明した。しかし、これに限定されず、第２の実施の形態に係る超音波流量計４０に第３の実施の形態におけるピーク検出回路６１、６２を組み合わせてもよい。

本発明は、回路設計の自由度が高く、高感度で且つ誤差が少ない超音波流量計を提供することができるという効果を発揮し、あらゆる分野で使用される超音波流量計に適用して好適である。

１０、４０、６０超音波流量計
１１管路
１２上流側送信センサ（送信センサ）
１３下流側送信センサ（送信センサ）
１４流体
１５、４１第１の受信センサ（受信センサ）
１６、４２第２の受信センサ（受信センサ）
４１第３の受信センサ（受信センサ）
２１送信回路
２２制御回路
２３、２３、４５、４６増幅回路
２５時間差測定回路（時間差測定部）
２６表示部
６１、６１ピーク検出回路
２２１送信制御部
２２２演算部
２２３出力部
２２４受信センサ選択部

Claims

管路内の流体に向って超音波パルスを送信する上流側送信センサ及び下流側送信センサと、
前記管路の、前記上流側送信センサと前記下流側送信センサとの間に、前記流体の流れ方向に沿って順次取り付けられた、少なくとも２つの受信センサと、
前記少なくとも２つの受信センサのうち、いずれか２つにおける受信信号の時間差を測定する時間差測定部と、
前記上流側送信センサから前記超音波パルスを送信したときの前記時間差を順方向伝搬時間とし、かつ、前記下流側送信センサから前記超音波パルスを送信したときの前記時間差を逆方向伝搬時間とし、前記順方向伝搬時間及び前記逆方向伝搬時間に基づいて前記流体の流量を算出する演算部と、
を具備し、
前記少なくとも２つの受信センサは、各々、入射された前記超音波パルスを受信して前記受信信号を出力すると共に、一つ隣に配置された他の前記受信センサに向って前記超音波パルスを反射する
ことを特徴とする超音波流量計。
前記上流側送信センサ及び前記下流側送信センサの共振周波数と前記受信センサの反共振周波数とを一致させたことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記受信センサは、前記上流側送信センサ及び前記下流側送信センサよりも指向性を広くしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波流量計。
前記少なくとも２つの受信センサのうちいずれか２つにおける前記受信信号のピーク値を検出するピーク値検出部をさらに具備し、
前記演算部は、前記ピーク値検出部が検出した２つの前記ピーク値の比を用いて前記流体の圧力を求めることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。