JP2023010247A - 超音波流量計及び流量演算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を低減可能とする超音波流量計【解決手段】受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得される受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する位置特定部４０１と、位置特定部により特定されたピーク位置に基づいて、ゼロクロス点の時間計測を実施する期間を設定する計測期間設定部４０２と、受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を計測するゼロクロス点計測部４０５と、計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を計測するゼロクロス点計測部４０６と、ゼロクロス点計測部及びゼロクロス点計測部による計測が終了した際に、受信信号取得部、受信信号取得部、ゼロクロス点計測部及びゼロクロス点計測部を停止させる停止制御部４０９とを備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、超音波を用いて流量の計測を行う超音波流量計及び流量演算方法に関する。

従来、一対の超音波センサにより送受信される超音波の伝播時間差に基づいて、測定対象である流体の流量を計測する超音波流量計が知られている。
この超音波流量計として、ゼロクロス方式の超音波流量計が知られている。ゼロクロス方式の超音波流量計では、受信信号が閾値を超えた後、受信信号のゼロクロス点を予め定められた数だけ検出し、超音波の送信からゼロクロス点の検出までの超音波の伝搬時間を計時し、計測した伝搬時間に基づいて流体の流量を求める。

このような超音波流量計では、受信信号の増幅を行う増幅手段（アンプ）、及び、増幅手段による増幅後の受信信号を上記閾値と比較する基準比較手段（コンパレータ）を備えている。一方、この超音波流量計では、この増幅手段及び基準比較手段を備えた受信回路の低消費電力化が課題となる。

従来の超音波流量計では、通常、増幅手段及び基準比較手段に対し、受信側の超音波振動子の受信信号の到達時期を見越し、回路動作の安定待ち時間も考慮して受信信号の到達時期の少し前（５０μｓ程度）に電源を供給し、増幅手段のゲイン調整のために受信信号の最大値を含むように、受信信号の到達から少し遅れて（１０～２０μｓ程度）電源を遮断している。
また、増幅手段及び基準比較手段は、増幅及び基準電圧の発生という機能上の性格より、数百μＡ程度の電流を消費しており、超音波流量計の動作電流の大半を占めている。

そこで、従来技術として、電源供給手段によりゲイン調整時及びゲイン非調整時の２つの状態に応じて、増幅手段及び基準比較手段の電源の遮断時期を変更する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。この従来技術により、増幅手段及び基準比較手段の計測期間中のトータルの動作時間を短くでき、消費電流を抑えることができる。

特許第３４４３６５９号

しかしながら、従来技術では、受信信号の振幅変化に対応するため、ゲイン調整時（広くとらえるとすれば、受信信号の強度確認時）の受信回路（アンプ及びコンパレータ等を含む回路）の動作時間が長くなる。すなわち、従来技術では、受信側の超音波振動子で受信した受信信号が一定振幅となるようアンプのゲインを調整している。そして、そのための計測回については、受信信号の最大値を含むように、アンプ及びコンパレータへの電源供給を受信信号到達から少し遅れて（１０～２０μｓ程度）延長する必要がある。これは、受信信号の強度を把握するために必要な、最大振幅を示すピークが、流量計測に用いられるゼロクロス点取得用ピークよりも遅れて発生しているためである。

なお、電池駆動での長時間動作が必要とされる超音波流量計では、消費電流の削減が重要な課題である。そして、このような超音波流量計では、計測計算動作の簡易化だけでなく、消費電流の大きいアンプ及びコンパレータ等を含む受信回路の動作時間を減らすことで、消費電流を低減することが課題とされている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、消費電力を低減可能な超音波流量計を提供することを目的としている。

この発明に係る超音波流量計は、超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第１の受信信号取得部と、超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第２の受信信号取得部と、第１の受信信号取得部及び第２の受信信号取得部により取得される受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する位置特定部と、位置特定部により特定されたピーク位置に基づいて、ゼロクロス点の時間計測を実施する期間を設定する計測期間設定部と、第１の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第１のゼロクロス点計測部と、第２の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第２のゼロクロス点計測部と、第１のゼロクロス点計測部による計測結果と第２のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出する時間差算出部と、時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を算出する流量演算部と、第１のゼロクロス点計測部及び第２のゼロクロス点計測部による計測が終了した際に、第１の受信信号取得部、第２の受信信号取得部、第１のゼロクロス点計測部及び第２のゼロクロス点計測部を停止させる停止制御部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対し、消費電力を低減可能となる。

実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。 実施の形態１における演算部の構成例を示す図である。 実施の形態１における演算部による計測期間の設定動作例を示すフローチャートである。 実施の形態１における演算部による流量演算動作例を示すフローチャートである。 実施の形態１における演算部の動作の具体例を示す図である。 実施の形態２における演算部の構成例を示す図である。 実施の形態２における演算部の動作の具体例を示す図である。 実施の形態３における演算部の構成例を示す図である。 図９Ａ、図９Ｂは、実施の形態３における演算部の動作の具体例を示す図である。 実施の形態４における演算部の構成例を示す図である。 実施の形態４における演算部の動作の具体例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
超音波流量計は、超音波を用いて流体に対する計測を行う。この超音波流量計は、図１に示すように、測定管１、超音波センサ２、超音波センサ３及び演算部４を備えている。

測定管１は、内部に測定対象である流体が流れる円筒状部材である。

超音波センサ２は、測定管１の側壁における上流側に取付けられ、測定管１内で超音波センサ３との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波センサ２は、測定管１内で下流側（超音波センサ３）に対して超音波を送信し、下流側（超音波センサ３）からの超音波を受信信号として受信する。

超音波センサ３は、測定管１の側壁における下流側に取付けられ、測定管１内で超音波センサ２との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波センサ３は、測定管１内で上流側（超音波センサ２）に対して超音波を送信し、上流側（超音波センサ２）からの超音波を受信信号として受信する。

なお、超音波センサ２及び超音波センサ３の位置関係は、超音波センサ２及び超音波センサ３で用いられる超音波の伝搬経路に応じて設計される。

演算部４は、超音波センサ２による送受信結果及び超音波センサ３による送受信結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を演算する。

この演算部４は、図２に示すように、位置特定部４０１、計測期間設定部４０２、受信信号取得部（第１の受信信号取得部）４０３、受信信号取得部（第２の受信信号取得部）４０４、ゼロクロス点計測部（第１のゼロクロス点計測部）４０５、ゼロクロス点計測部（第２のゼロクロス点計測部）４０６、時間差算出部４０７、流量演算部４０８及び停止制御部４０９を備えている。

なお、演算部４は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

位置特定部４０１は、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得される受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する。この際、位置特定部４０１は、例えば、超音波センサ２，３の特性及び超音波センサ２，３により送信される超音波の駆動波形に基づいて、上記受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する。
実施の形態１では、位置特定部４０１は、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得される受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定する。

計測期間設定部４０２は、位置特定部４０１により特定されたピーク位置に基づいて、計測期間を設定する。計測期間は、ゼロクロス点の時間計測を実施する期間である。この際、計測期間設定部４０２は、位置特定部４０１により特定されたピーク位置が含まれるように計測期間を設定する。なお、計測期間設定部４０２は、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６で用いられる閾値の値を設定することで、上記計測期間の設定を行う。

受信信号取得部４０３は、超音波センサ２により受信された受信信号を取得する。なお、受信信号取得部４０３は、超音波センサ２から取得した受信信号を増幅する機能（アンプ）を有している。また、受信信号の増幅量（ゲイン）は、受信信号取得部４０３により取得される受信信号における最大振幅等に応じて設定される。

受信信号取得部４０４は、超音波センサ３により受信された受信信号を取得する。なお、受信信号取得部４０４は、超音波センサ３から取得した受信信号を増幅する機能（アンプ）を有している。また、受信信号の増幅量（ゲイン）は、受信信号取得部４０４により取得される受信信号における最大振幅等に応じて設定される。

ゼロクロス点計測部４０５は、受信信号取得部４０３による取得結果に基づいて、受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。ゼロクロス点計測部４０５は、上記の処理を、複数の受信信号毎（単位計測工程毎）に実施する。
なお、例えば図５に示すように、ゼロクロス点は、受信の開始後、受信信号の強度が閾値（閾値電圧）を超えた後に当該受信信号の強度がゼロとなる点である。上記閾値は、計測期間設定部４０２により設定された閾値である。図５において、符号５１はゼロクロス点を示している。また、ゼロクロス点計測部４０５が１回の単位計測工程において、時間の計測を行うゼロクロス点の数は、事前に設定される。また、単位計測工程の回数は、事前に設定される。
なお、ゼロクロス点計測部４０５は、上記受信信号を閾値と比較する機能（コンパレータ）を有している。

ゼロクロス点計測部４０６は、受信信号取得部４０４による取得結果に基づいて、受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。ゼロクロス点計測部４０６は、上記の処理を、複数の受信信号毎（単位計測工程毎）に実施する。
なお、ゼロクロス点計測部４０６が１回の単位計測工程において、時間の計測を行うゼロクロス点の数は、事前に設定される。また、単位計測工程の回数は、事前に設定される。
なお、ゼロクロス点計測部４０６は、上記受信信号を閾値と比較する機能（コンパレータ）を有している。

なお、受信信号取得部４０３，４０４及びゼロクロス点計測部４０５，４０６による動作は、１系統の回路で実現可能である。すなわち、順方向の送受信と逆方向の送受信とに応じて、上記回路と超音波センサ２，３の接続が切替えられることで、上記の動作を実現可能である。

時間差算出部４０７は、ゼロクロス点計測部４０５による計測結果とゼロクロス点計測部４０６による計測結果との時間差を算出する。この際、まず、時間差算出部４０７は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０５による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。同様に、時間差算出部４０７は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０６による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。そして、時間差算出部４０７は、ゼロクロス点毎に上記２つの平均値の差分を算出することで、各ゼロクロス点での時間差を算出する。

流量演算部４０８は、時間差算出部４０７による算出結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を算出する。流量演算部４０８の動作原理は、従来の流量演算の原理を採用可能であり、その説明を省略する。

停止制御部４０９は、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６による計測が終了した際に、受信信号取得部４０３、受信信号取得部４０４、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６を停止させる。すなわち、停止制御部４０９は、ゼロクロス点の時間計測が終了した直後に、アンプ及びコンパレータ等を含む受信回路を停止させる。

次に、図２に示す実施の形態１における演算部４の動作例について説明する。
まず、図２に示す実施の形態１における演算部４による計測期間の設定動作例について、図３を参照しながら説明する。以下では、位置特定部４０１が、受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定する場合を示す。

図２に示す実施の形態１における演算部４による計測期間の設定動作例では、図３に示すように、まず、位置特定部４０１は、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得される受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定する（ステップＳＴ３０１）。この際、位置特定部４０１は、例えば、超音波センサ２，３の特性及び超音波センサ２，３により送信される超音波の駆動波形に基づいて、上記受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定する。

この際、例えば、位置特定部４０１は、特許文献２に開示された方法を用いることで、受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定することができる。すなわち、例えば図５に示すように、目標ゼロクロス点（１番最初のゼロクロス点）と最大振幅波のピーク位置との関係（図５において符号５２で示す時間差）は、超音波の周波数及び送受信に用いる超音波センサ２，３の特性に依存して決まり、概ね変化しないとみなすことができる。そこで、位置特定部４０１は、上記時間差を初期値として用いることで、目標ゼロクロス点の検出時刻に応じて最大振幅波のピーク位置を特定することができる。図５の例では、上記時間差は２．７５周期であり、最大振幅波のピーク位置は目標ゼロクロス点の検出時刻から２．７５周期後に位置している。
なお、位置特定部４０１は、目標ゼロクロス点の検出時刻を用いる場合に限らず、上記と同様の考え方で、受信信号におけるその他のゼロクロス点やピーク位置の検出時刻に応じて、最大振幅波のピーク位置を特定することもできる。
特開２０２０－６３９７２号公報

また、例えば、位置特定部４０１は、受信信号の電圧を用いて、最大振幅波のピーク位置を特定することもできる。すなわち、この場合、位置特定部４０１は、受信信号の電圧が設定した電圧レベルを超えた際の当該受信信号の電圧ピークを検出する。そして、位置特定部４０１は、検出した電圧ピークの発生時刻（送信からの経過時間）とその際の電圧値を複数記録し、それぞれの電圧ピークを比較して、最も高い電圧が観測されるピーク発生時刻を、最大振幅波のピーク位置として特定する。なお、位置特定部４０１は、上記動作を一度の超音波受信で行ってもよいし、複数回の送信と受信を繰り返しながら行ってもよい。

また、例えば、位置特定部４０１は、最大振幅波のピークとして想定される電圧に基づき、最大ピーク検知用の閾値を設定し、受信信号の電圧が当該閾値と交差した時刻（送信からの経過時間）を、最大振幅波のおよそのピーク位置として特定してもよい。

次いで、計測期間設定部４０２は、位置特定部４０１により特定されたピーク位置に基づいて、計測期間を設定する（ステップＳＴ３０２）。この際、計測期間設定部４０２は、位置特定部４０１により特定されたピーク位置が含まれるように計測期間を設定する。この際、計測期間設定部４０２は、計測期間の後半部分に、上記ピーク位置が重なるように、計測期間を設定することが望ましい。なお、計測期間設定部４０２は、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６で用いられる閾値の値を設定することで、上記計測期間の設定を行う。

次に、図２に示す実施の形態１における演算部４による流量演算動作例について、図４を参照しながら説明する。

図２に示す実施の形態１における演算部４による流量演算動作例では、図４に示すように、まず、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４は、受信信号を取得する（ステップＳＴ４０１）。
すなわち、受信信号取得部４０３は、超音波センサ２により受信された受信信号を取得する。
同様に、受信信号取得部４０４は、超音波センサ３により受信された受信信号を取得する。

次いで、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６は、単位計測工程毎に、受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する（ステップＳＴ４０２）。
すなわち、ゼロクロス点計測部４０５は、単位計測工程毎に、受信信号取得部４０３による取得結果に基づいて、受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。
同様に、ゼロクロス点計測部４０６は、単位計測工程毎に、受信信号取得部４０４による取得結果に基づいて、受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。

図５では、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６が、１回の単位計測工程において、７点のゼロクロス点の時間を計測した場合を示している。また、単位計測工程の回数は、例えば３１回である。

なお、ゼロクロス点計測部４０５により計測された、ｋ回目の単位計測工程におけるｍ番目のゼロクロス点の時間を順ＺＣｍ（ｋ）と表す。
また、ゼロクロス点計測部４０６により計測された、ｋ回目の単位計測工程におけるｍ番目のゼロクロス点の時間を逆ＺＣｍ（ｋ）と表す。

次いで、時間差算出部４０７は、下式（１）に示すように、ゼロクロス点計測部４０５による計測結果とゼロクロス点計測部４０６による計測結果との時間差（ＺＣｍΔｔ）を算出する（ステップＳＴ４０３）。この際、まず、時間差算出部４０７は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０５による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。同様に、時間差算出部４０７は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０６による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。そして、時間差算出部４０７は、ゼロクロス点毎に上記２つの平均値の差分を算出することで、各ゼロクロス点での時間差を算出する。
ＺＣｍΔｔ＝（Σ逆ＺＣｍ（ｋ）／ｋ）－（Σ順ＺＣｍ（ｋ）／ｋ） （１）

次いで、流量演算部４０８は、時間差算出部４０７による算出結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を算出する（ステップＳＴ４０４）。この際、流量演算部４０８は、例えば従来手法を用いる場合、下式（２）に従って算出した時間差（Δｔ）に基づいて、流体の流量を算出可能である。
Δｔ＝ΣＺＣｍΔｔ／ｍ （２）

なお、停止制御部４０９は、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６による計測が終了した際に、受信信号取得部４０３、受信信号取得部４０４、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６を停止させる。すなわち、停止制御部４０９は、ゼロクロス点の時間計測が終了した直後に、アンプ及びコンパレータ等を含む受信回路を停止させる。

ここで、従来の超音波流量計において、低消費電流化を図る場合、一回毎の送受信動作における受信回路（アンプ及びコンパレータ等を含む回路）の動作時間を短縮することが重要となる。その一方で、超音波の受信信号の強度を把握し、その結果に応じて受信回路の設定（アンプにおけるゲイン及びコンパレータで用いられる閾値）の調整を行う必要がある。
これに対し、実施の形態１に係る超音波流量計では、受信信号における所定の波のピーク位置（実施の形態１では最大振幅波のピーク位置）と重なる（特に後半部分が重なる）ように、計測期間が設定されている。そして、実施の形態１に係る超音波流量計は、ゼロクロス点の時間計測が完了し次第、受信回路（受信信号取得部４０３、受信信号取得部４０４、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６）への電源供給を休止状態にする。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計では、従来に対し、受信回路の動作時間を短縮可能となり、消費電力を低減可能となる。また、実施の形態１に係る超音波流量計では、最大振幅の位置に重なるように計測期間を設定することで、受信信号の強度を示す情報（振幅情報）を常時取得可能である。

次に、図２に示す実施の形態１における演算部４の動作の具体例について、図５を参照しながら説明する。なお図５では、演算部４が、ゼロクロス点を７点計測する場合を示している。図５におけるゼロクロス点の数及び波数は一例である。

図５では、超音波センサ２，３により送信される超音波の波数が６波であり、受信信号において最大振幅が発生するのが７波目である場合を考える。
この場合、演算部４は、最大振幅波から３周期手前の波のピーク位置が追従対象波のピーク位置（ゼロクロス点の時間計測を実施する起点となる波のピーク位置）となるように閾値を設定する。これにより、計測期間の後半部分が最大振幅波のピーク位置を含むように設定できる。図５において、符号５３は計測期間を示し、符号５４は受信信号における最大振幅波の期間を示している。
そして、演算部４は、流量計測に必要な数のゼロクロス点に対する時間計測が完了し次第、受信回路への電力供給を休止する。これにより、受信信号における最大振幅を観察することを可能としつつも受信回路の動作時間を短くでき、消費電力を低減可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計は、一方の超音波センサ２により受信された受信信号を取得する受信信号取得部４０３と、他方の超音波センサ３により受信された受信信号を取得する受信信号取得部４０４と、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得される受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する位置特定部４０１と、位置特定部４０１により特定されたピーク位置に基づいて、ゼロクロス点の時間計測を実施する期間を設定する計測期間設定部４０２と、受信信号取得部４０３により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するゼロクロス点計測部４０５と、受信信号取得部４０４により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、計測期間設定部４０２により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するゼロクロス点計測部４０６と、ゼロクロス点計測部４０５による計測結果とゼロクロス点計測部４０６による計測結果との時間差を算出する時間差算出部４０７と、時間差算出部４０７による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を算出する流量演算部４０８と、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６による計測が終了した際に、受信信号取得部４０３、受信信号取得部４０４、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６を停止させる停止制御部４０９とを備えた。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計は、従来に対し、消費電力を低減可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１に係る超音波流量計では、位置特定部４０１が受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定し、計測期間設定部４０２が、計測期間に最大振幅波のピーク位置が含まれるように設定を行う場合を示した。これに対し、実施の形態２では、計測期間に最大振幅波のピーク位置を含めることが難しい場合での構成例について説明する。

図６は実施の形態２における演算部４の構成例を示す図である。この図６に示す実施の形態２における演算部４では、図２に示す実施の形態１における演算部４に対し、振幅取得部４１０及び振幅演算部４１１が追加されている。図６に示す実施の形態２における演算部４のその他の構成例は、図２に示す実施の形態１における演算部４の構成例と同様であり、同一の符号を付して、異なる部分についてのみ説明を行う。

なお、実施の形態２における位置特定部４０１は、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得される受信信号において、最大振幅波以外の、最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する。

振幅取得部４１０は、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得された受信信号に基づいて、位置特定部４０１により特定されたピーク位置での振幅を取得する。

振幅演算部４１１は、振幅取得部４１０により取得された振幅に基づいて、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得された受信信号における最大振幅を算出する。この際、振幅演算部４１１は、位置特定部４０１により特定されたピーク位置での基準となる振幅と、基準となる最大振幅との比を用いて、最大振幅を演算する。なお、上記比は、定数或いは温度又は伝播時間に対する関数である。

この振幅演算部４１１により算出された受信信号における最大振幅は、例えば、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４における受信信号の増幅量（ゲイン）の設定、並びに、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６で用いられる閾値の設定、或いは各種判定等において、用いられる。

次に、図６に示す実施の形態２における演算部４の動作の具体例について、図７を参照しながら説明する。なお図７では、演算部４が、ゼロクロス点を７点計測する場合を示している。図７におけるゼロクロス点の数及び波数は一例である。

実施の形態２における演算部４では、図７に示すように、振幅取得部４１０が、受信信号における最大振幅（Ｖｐｄ）の代替えとして、当該最大振幅の目安となる振幅（Ｖｐｄ－ｉｎｄｉ（実測値））を取得する。そして、振幅演算部４１１は、Ｖｐｄ（基準値）とＶｐｄ－ｉｎｄｉ（基準値）との比を用いて、振幅取得部４１０により取得された振幅（Ｖｐｄ－ｉｎｄｉ（実測値））から、実際の最大振幅（Ｖｐｄ（推定値））を算出する。図６の例では、Ｖｐｄ－ｉｎｄｉ（実測値）＊１．０５≒Ｖｐｄ（推定値）等として、Ｖｐｄ（推定値）を算出可能である。図７において、符号７１はゼロクロス点を示し、符号７２は計測期間を示し、符号７３は振幅取得部４１０が振幅を取得する波の期間を示している。

なお、演算部４は、Ｖｐｄ－ｉｎｄｉ（実測値）として、偶然誤差の影響を避けて判定の精度を高めるため、複数回の計測値に基づいた代表値又は移動平均等を用いてもよい。

実施の形態２に係る超音波流量計の構成は、受信信号における振幅が大きくなる前のゼロクロス点を計測対象としたい場合、又は、流量計測に必要なゼロクロス点が少ない場合等のように、計測期間と受信信号における最大振幅波のピーク位置とを重ねることが難しい場合に有効であると考えられる。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、消費電力を低減するため、受信回路の動作時間を狭めている。この場合、受信回路の動作時間が短いことによる最大振幅の誤計測が生じ易くなる可能性がある。そこで、実施の形態３では、上記のような課題を解決するための構成例について説明する。

図８は実施の形態３における演算部４の構成例を示す図である。この図８に示す実施の形態３における演算部４では、図２に示す実施の形態１における演算部４に対し、振幅取得部（第２の振幅取得部）４１２及びずれ判定部４１３が追加されている。図８に示す実施の形態３における演算部４のその他の構成例は、図２に示す実施の形態１における演算部４の構成例と同様であり、同一の符号を付して、異なる部分についてのみ説明を行う。

振幅取得部４１２は、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４により取得された受信信号に基づいて、追従対象波のピーク位置での振幅（ゼロクロス点の時間計測を実施する起点となる波のピーク位置での振幅）及び最大振幅を取得する。

ずれ判定部４１３は、振幅取得部４１２により取得された振幅に基づいて、計測期間設定部４０２により設定された計測期間のずれの有無を判定する。この際、ずれ判定部４１３は、追従対象波のピーク位置での基準となる振幅及び基準となる最大振幅の比を用いて、振幅取得部４１０により取得された振幅の比との差を判定する。そして、ずれ判定部４１３は、上記差が閾値以上である場合に、計測期間のずれがあると判定する。なお、追従対象波のピーク位置での基準となる振幅及び基準となる最大振幅の比は、定数或いは温度又は伝播時間に対する関数である。

なお、実施の形態３における停止制御部４０９は、ずれ判定部４１３によりずれが生じていると判定された場合、受信回路の停止タイミングを所定時間だけ後ろにずらす。

次に、図８に示す実施の形態３における演算部４の動作の具体例について、図９を参照しながら説明する。なお図９では、演算部４が、ゼロクロス点を７点計測する場合を示している。図９におけるゼロクロス点の数及び波数は一例である。

実施の形態３における演算部４は、図９に示すように、振幅取得部４１２が、受信信号における追従対象波のピーク位置での振幅（Ｖｓｐ（実測値））及び最大振幅（Ｖｐｄ（実測値））を取得する。そして、ずれ判定部４１３は、Ｖｓｐ（基準値）とＶｐｄ（基準値）との比を用いて、振幅取得部４１２により取得された振幅であるＶｓｐ（実測値）とＶｐｄ（実測値）との比と比較することで、計測期間がずれたかを判定する。そして、ずれ判定部４１３がずれが生じていると判定した場合、停止制御部４０９は、停止タイミングを所定時間遅らせる。これにより、演算部４は、次回計測において広い時間範囲でＶｐｄの取得を行うことができ、適切な受信信号の強度を把握可能となる。

図９Ａは、計測期間と最大振幅波のピーク位置とが重なっている場合（ずれが生じていない場合）を示している。図９Ａにおいて、符号９１はゼロクロス点を示し、符号９２は計測期間を示し、符号９３は受信信号における最大振幅波の期間を示している。この場合、振幅取得部４１２は、Ｖｓｐ（実測値）として正しいＶｓｐを取得可能であり、Ｖｐｄ（実測値）として正しいＶｐｄを取得可能である。
そして、この場合、Ｖｓｐ（実測値）／Ｖｐｄ（実測値）≒０．７２である。

一方、図９Ｂは、計測期間と最大振幅のピーク位置とが重なっていない場合（ずれが生じている場合）を示している。図９Ｂでは、計測期間が正常な場合に対して１周期手前にずれてしまった場合を示している。図９Ｂにおいて、符号９４は受信信号における最大振幅波の期間（ずれ有）を示している。この場合、振幅取得部４１２は、Ｖｓｐ（実測値）として誤ったＶｓｐ（Ｖｓｐ－ｆａｕｌｔ）を取得し、Ｖｐｄ（実測値）として誤ったＶｄｐ（Ｖｐｄ－ｆａｕｌｔ）を取得する。
そして、この場合、Ｖｓｐ（実測値）／Ｖｐｄ（実測値）≒０．５３となり、計測期間が本来の位置から逸脱しており、ずれが生じていると判定できる。

なお、演算部４は、Ｖｓｐ（実測値）及びＶｐｄ（実測値）として、偶然誤差の影響を避けて判定の精度を高めるため、複数回の計測値に基づいた代表値又は移動平均等を用いてもよい。

ここで、本来では、受信信号に対して広範囲に観測を行って最大振幅を取得することが好ましいが、実施の形態１，２に係る超音波流量計では、消費電流を低減するため、受信回路の動作時間を狭めている。そこで、実施の形態３に係る超音波流量計では、上記に伴い発生する誤計測のリスクを低減するため、受信信号における追従対象波のピーク位置での振幅と最大振幅との比に基づいて、計測期間のずれを判定する。そして、実施の形態３に係る超音波流量計では、計測期間のずれが生じていると判定した場合、次回計測において受信信号に対する広範囲の観測を行うことで、最大振幅の取得を行う。

なお、演算部４は、上記動作以外に、ＴＯＦの急激な変化、温度の急激な変化があった場合、又は、適切な流量計測が行えていない可能性がある場合に関しても、最大振幅の取得時間帯を延長し、広い時間範囲でのＶｐｄの取得を行うことで、適切な受信信号の強度を把握可能としてもよい。

なお上記では、実施の形態１における演算部４に対し、振幅取得部４１２及びずれ判定部４１３を追加した場合を示した。しかしながら、これに限らず、実施の形態２における演算部４に対し、振幅取得部４１２及びずれ判定部４１３を追加してもよく、上記と同様の効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４では、閾値を通常時に対してより高い値に設定することで、受信信号における最大振幅を取得容易とする構成例について説明する。

図１０は実施の形態４における演算部４の構成例を示す図である。この図１０に示す実施の形態４における演算部４では、図２に示す実施の形態１における演算部４に対し、閾値変更部４１４及び振幅取得部（第３の振幅取得部）４１５が追加されている。図１０に示す実施の形態４における演算部４のその他の構成例は、図２に示す実施の形態１における演算部４の構成例と同様であり、同一の符号を付して、異なる部分についてのみ説明を行う。

閾値変更部４１４は、ゼロクロス点計測部４０５及びゼロクロス点計測部４０６で用いられる閾値を変更する。この際、閾値変更部４１４は、閾値を通常よりも大きい値に変更する。

振幅取得部４１５は、閾値変更部４１４による変更後の閾値を用いた計測において、受信信号取得部４０３及び受信信号取得部４０４による取得結果に基づいて、受信信号における最大振幅を取得する。

次に、図１０に示す実施の形態４における演算部４の動作の具体例について、図１１を参照しながら説明する。なお図１１では、演算部４が、ゼロクロス点を７点計測する場合を示している。図１１におけるゼロクロス点の数及び波数は一例である。

図１１において、演算部４は、閾値としてＶｓを用いた場合、ＺＣ１～ＺＣ７の計測が完了した時点で受信回路を休止状態とさせる。一方、受信信号における最大振幅波は外乱による受信波形の変形又は電圧の変動等により、ＺＣ７よりも後ろに存在することがある。この場合には、演算部４は当該最大振幅（Ｖｐｄ）を正しく取得できない。
そこで、閾値変更部４１４は閾値としてＶｓＨを用いるように変更する。これにより、演算部４はＺＣ５～ＺＣ１１の計測が完了するまで受信回路を動作させるため、Ｖｐｄを確実に取得可能となる。
図１１において、符号１１１はゼロクロス点を示し、符号１１２は閾値がＶｓである場合での計測期間を示し、符号１１３は受信信号における最大振幅波の期間を示し、符号１１４は閾値がＶｓＨである場合での計測期間を示している。

なお、閾値変更部４１４による閾値変更の例としては、例えば特許文献２に開示されている複数レベルの閾値を交互に設定する動作が挙げられ、演算部４は、この動作においてより高い値の閾値に設定された回に同期して、最大振幅の取得を行うようにしてもよい。この場合、通常時の流量計測動作及び閾値設定動作を変更せずに、流量計測精度にも影響を与えることなく、Ｖｐｄを確実に取得可能となる。

この実施の形態４に係る超音波流量計では、受信信号の電圧変動等の外乱により、計測期間が受信信号における最大振幅の手前で完了してしまい、最大振幅を取得できない可能性を低減可能となる。

なお上記では、実施の形態１における演算部４に対し、閾値変更部４１４及び振幅取得部４１５を追加した場合を示した。しかしながら、これに限らず、実施の形態２，３における演算部４に対し、閾値変更部４１４及び振幅取得部４１５を追加してもよく、上記と同様の効果が得られる。
また、実施の形態４における閾値変更部４１４及び振幅取得部４１５は、実施の形態３において最大振幅が正しく取得できていない疑いがあると判定された場合（すなわち、ずれ判定部４１３によりずれが生じていると判定された場合）に、その判定をきっかけとして動作するように構成されていてもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 測定管
２ 超音波センサ
３ 超音波センサ
４ 演算部
４０１ 位置特定部
４０２ 計測期間設定部
４０３ 受信信号取得部（第１の受信信号取得部）
４０４ 受信信号取得部（第２の受信信号取得部）
４０５ ゼロクロス点計測部（第１のゼロクロス点計測部）
４０６ ゼロクロス点計測部（第２のゼロクロス点計測部）
４０７ 時間差算出部
４０８ 流量演算部
４０９ 停止制御部
４１０ 振幅取得部
４１１ 振幅演算部
４１２ 振幅取得部（第２の振幅取得部）
４１３ ずれ判定部
４１４ 閾値変更部
４１５ 振幅取得部（第３の振幅取得部）

Claims (6)

1. 超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第１の受信信号取得部と、
   前記超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第２の受信信号取得部と、
   前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得される受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定する位置特定部と、
   前記位置特定部により特定されたピーク位置に基づいて、ゼロクロス点の時間計測を実施する期間を設定する計測期間設定部と、
   前記第１の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、前記計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第１のゼロクロス点計測部と、
   前記第２の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、前記計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第２のゼロクロス点計測部と、
   前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果と前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出する時間差算出部と、
   前記時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を算出する流量演算部と、
   前記第１のゼロクロス点計測部及び前記第２のゼロクロス点計測部による計測が終了した際に、前記第１の受信信号取得部、前記第２の受信信号取得部、前記第１のゼロクロス点計測部及び前記第２のゼロクロス点計測部を停止させる停止制御部と
   を備えた超音波流量計。
2. 前記位置特定部は、前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得される受信信号における最大振幅波のピーク位置を特定する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記位置特定部は、前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得される受信信号における最大振幅波以外の所定の波のピーク位置を特定し、
   前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、前記位置特定部により特定されたピーク位置での振幅を取得する振幅取得部と、
   前記振幅取得部により取得された振幅に基づいて、前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得された受信信号における最大振幅を算出する振幅演算部とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
4. 前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、ゼロクロス点の時間計測を実施する起点となる波のピーク位置での振幅及び最大振幅を取得する第２の振幅取得部と、
   前記第２の振幅取得部により取得された振幅に基づいて、前記計測期間設定部により設定された計測期間のずれの有無を判定するずれ判定部とを備え、
   前記停止制御部は、前記ずれ判定部によりずれが生じていると判定された場合、停止タイミングを所定時間だけ後ろにずらす
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の超音波流量計。
5. 前記第１のゼロクロス点計測部及び前記第２のゼロクロス点計測部で用いられる閾値を、当該閾値よりも大きい値に変更する閾値変更部と、
   前記閾値変更部による変更後の閾値を用いた計測において、前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、受信信号における最大振幅を取得する第３の振幅取得部とを備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載の超音波流量計。
6. 第１の受信信号取得部が、超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得するステップと、
   第２の受信信号取得部が、前記超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得するステップと、
   位置特定部が、前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部により取得される受信信号における最大振幅の指標となる所定の波のピーク位置を特定するステップと、
   計測期間設定部が、前記位置特定部により特定されたピーク位置に基づいて、ゼロクロス点の時間計測を実施する期間を設定するステップと、
   第１のゼロクロス点計測部が、前記第１の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、前記計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するステップと、
   第２のゼロクロス点計測部が、前記第２の受信信号取得部により取得された受信信号に基づいて、複数の単位計測工程毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、前記計測期間設定部により設定された期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するステップと、
   時間差算出部が、前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果と前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出するステップと、
   流量演算部が、前記時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を算出するステップと、
   停止制御部が、前記第１のゼロクロス点計測部及び前記第２のゼロクロス点計測部による計測が終了した際に、前記第１の受信信号取得部、前記第２の受信信号取得部、前記第１のゼロクロス点計測部及び前記第２のゼロクロス点計測部を停止させるステップと
   を有する超音波流量計による流量演算方法。

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