JP2024030669A - 超音波流量計及び流量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に対し、超音波の伝搬時間が急変した場合でも、瞬時流量計測を適切に実施可能とする。【解決手段】パケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎に異なる受信開始タイミングの設定を行う設定部１０４１と、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果に基づいて、設定部１０４１により設定された受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定する正常ゼロクロス点判別部１０４７と、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果、及び、正常ゼロクロス点判別部１０４７による判別結果に基づいて、パケット毎に、超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出部１０４８と、伝搬時間算出部１０４８による算出結果に基づいて、パケット毎に、測定対象である流体の流量を算出する流量算出部１０４９とを備えた。【選択図】図２

Description

本開示は、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計、及び、流量計測方法に関する。

従来、一対の超音波素子により送受信される超音波の伝搬時間差に基づいて、計測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。
このような超音波流量計において、超音波の受信開始タイミングを、超音波の到達時間に合わせて設定する超音波流量計が知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１では、前回までの伝搬時間に合わせて受信開始タイミングを適切に設定する超音波流量計が示されている。この超音波流量計では、受信回路の起動時間を短縮して省電力化を図ることを主な目的としている。

また、特許文献２では、タイマを設けて、数分おきに受信開始（遮断解除）タイミングを早める超音波流量計が示されている。この超音波流量計では、ガスの入れ替え等により超音波の伝搬時間が急変し、超音波の到達時間が変化した際に、本来の超音波を正しく検知できず、受信開始タイミングの設定を間違えた状態が継続する不具合の解消を目的としている。

特許第２８２８６１５号 特許第６２２５３２５号

上記のように、従来の超音波流量計では、直前の瞬時流量計測の結果で把握した伝搬時間からタイミングを決定したり、タイマを使って時折早めに計測を開始する、といった手法が採用されている。
しかしながら、何れの場合についても、ガス種又は温度が変化して超音波の伝搬時間が急変した瞬間又はその直後の瞬時流量計測では、受信開始タイミングが適切に設定さておらず、流量計測が行えなかったり、流量計測値が不正確な状態が発生し得る。
このような状態が発生すると同時に流量が急変した場合、流量の変化を即座に測定できない。この場合、流量の変化を測定できるのは、次回以降の瞬時流量計測となってしまう。

本開示は、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、超音波の伝搬時間が急変した場合でも、瞬時流量計測を適切に実施可能となる超音波流量計を提供することを目的としている。

本開示に係る超音波流量計は、パケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎に異なる受信開始タイミングの設定を行う設定部と、設定部による設定に基づいて、超音波の送受信を行う一対の超音波素子のうちの一方の超音波素子からの受信信号を受信する第１の受信部と、設定部による設定に基づいて、超音波素子のうちの他方の超音波素子からの受信信号を受信する第２の受信部と、第１の受信部により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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の受信部により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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、及び、第２のゼロクロス点計測部による計測結果に基づいて、設定部により設定された受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定する正常ゼロクロス点判別部と、第１のゼロクロス点計測部による計測結果、第２のゼロクロス点計測部による計測結果、及び、正常ゼロクロス点判別部による判別結果に基づいて、パケット毎に、超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出部と、伝搬時間算出部による算出結果に基づいて、パケット毎に、測定対象である流体の流量を算出する流量算出部とを備えたことを特徴とする。

本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、超音波の伝搬時間が急変した場合でも、瞬時流量計測を適切に実施可能となる。

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における演算部の動作例を示すフローチャートである。 実施の形態１における演算部で用いられるパケットの構成例を示す図である。 実施の形態１における設定部による受信開始グループの設定例を示す図である。 実施の形態１における演算部における各受信開始グループでの受信開始タイミングの一例を示す図である。 実施の形態１における演算部の動作例を示す図である。

以下、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１の構成例を示す図である。
超音波流量計１は、超音波を用いて、計測対象である流体の流量を計測する。この超音波流量計１は、ゼロクロス方式の超音波流量計であって、瞬時流量計測が可能な超音波流量計である。
この超音波流量計１は、図１に示すように、計測管１０１、一対の超音波素子（第１の超音波素子１０２、及び、第２の超音波素子１０３）、及び、演算部１０４を備えている。

計測管１０１は、内部に超音波流量計１が計測対象とする流体が流れる管である。

第１の超音波素子１０２は、計測管１０１の側壁における上流側に取付けられ、計測管１０１内で第２の超音波素子１０３との間で超音波の送受信を交互に繰り返す超音波振動子である。すなわち、第１の超音波素子１０２は、演算部１０４からの送信信号に応じて計測管１０１内で下流側（第２の超音波素子１０３）に対して超音波を送信し、また、下流側（第２の超音波素子１０３）からの超音波を受信信号として受信する。
この第１の超音波素子１０２により受信された受信信号は、演算部１０４に出力される。

第２の超音波素子１０３は、計測管１０１の側壁における下流側に取付けられ、計測管１０１内で第１の超音波素子１０２との間で超音波の送受信を交互に繰り返す超音波振動子である。すなわち、第２の超音波素子１０３は、演算部１０４からの送信信号に応じて計測管１０１内で上流側（第１の超音波素子１０２）に対して超音波を送信し、また、上流側（第１の超音波素子１０２）からの超音波を受信信号として受信する。
この第２の超音波素子１０３により受信された受信信号は、演算部１０４に出力される。

なお、第１の超音波素子１０２から第２の超音波素子１０３への超音波の送受信は、順方向の送受信である。一方、第２の超音波素子１０３から第１の超音波素子１０２への超音波の送受信は、逆方向の送受信である。

また、第１の超音波素子１０２及び第２の超音波素子１０３の位置関係は、第１の超音波素子１０２及び第２の超音波素子１０３で用いられる超音波の伝搬経路に応じて適宜設計される。

演算部１０４は、第１の超音波素子１０２による送受信結果、及び、第２の超音波素子１０３による送受信結果に基づいて、計測対象である流体の流量（瞬時流量）を演算する。

この演算部１０４は、図２に示すように、設定部１０４１、制御部１０４２、送受切替部１０４３、送信部１０４４、受信部１０４５、ゼロクロス点計測部１０４６、正常ゼロクロス点判別部１０４７、伝搬時間算出部１０４８、及び、流量算出部１０４９を備えている。
また、受信部１０４５は、第１の受信部１０４５－１、及び、第２の受信部１０４５－２を有している。また、ゼロクロス点計測部１０４６は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２を有している。

なお、演算部１０４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。

設定部１０４１は、１回のパケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎の受信開始タイミングの設定を行う。パケットは、超音波流量計１における１回の瞬時流量計測中に実施される単計測群である。また、受信開始タイミングは、受信開始グループ毎に異なるタイミングとされる。

なお、例えば、設定部１０４１は、超音波流量計１の計測動作が初回の動作である場合には、上記受信開始グループの設定、及び、上記受信開始タイミングの設定を行う際に、初期値を用いる。
また、例えば、設定部１０４１は、超音波流量計１の計測動作が２回目以降の動作である場合には、伝搬時間算出部１０４８により算出された過去（通常は１つ前）の伝搬時間に基づいて、上記受信開始グループの設定、及び、上記受信開始タイミングの設定を行う。

この際、設定部１０４１は、例えば、１回のパケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループを均等に設定する。

制御部１０４２は、設定部１０４１による設定に基づいて、送受切替部１０４３、送信部１０４４、及び、受信部１０４５の動作を制御する。すなわち、制御部１０４２は、これらの構成の動作を制御することで、超音波流量計１における超音波の送受方向、及び、当該送受の繰り返し回数を制御する。
また、この際、制御部１０４２は、設定部１０４１による設定に基づいて、受信部１０４５に対して、受信開始グループ毎の受信開始タイミングを制御する。

送受切替部１０４３は、制御部１０４２による制御に従い、第１の超音波素子１０２における送受動作、及び、第２の超音波素子１０３における送受動作を交互に切り替える。すなわち、送受切替部１０４３は、第１の超音波素子１０２及び第２の超音波素子１０３をそれぞれ送信部１０４４及び受信部１０４５に接続可能とし、第１の超音波素子１０２を送信部１０４４及び受信部１０４５のうちの一方に接続するとともに、第２の超音波素子１０３を送信部１０４４及び受信部１０４５のうちの他方に接続するように、交互に切り替えるスイッチである。

この送受切替部１０４３は、ある時点においては、順方向の送受信を行うため、第１の超音波素子１０２を送信動作させ、第２の超音波素子１０３を受信動作させる。この場合、送受切替部１０４３は、送信部１０４４からの送信信号を第１の超音波素子１０２に出力し、第２の超音波素子１０３からの受信信号を受信部１０４５（第１の受信部１０４５－１）に出力する。
そして、送受切替部１０４３は、次の時点においては、逆方向の送受信を行うため、第２の超音波素子１０３を送信動作させ、第１の超音波素子１０２を受信動作させる。この場合、送受切替部１０４３は、送信部１０４４からの送信信号を第２の超音波素子１０３に出力し、第１の超音波素子１０２からの受信信号を受信部１０４５（第２の受信部１０４５－２）に出力する。

送信部１０４４は、制御部１０４２による制御に従い、送信信号を送信する。

第１の受信部１０４５－１は、制御部１０４２による制御に従い、送受切替部１０４３を介して、第２の超音波素子１０３からの受信信号を受信する。すなわち、第１の受信部１０４５－１は、順方向の受信信号を受信する。なお、この際、第１の受信部１０４５－１は、制御部１０４２による制御に従い、対応する受信開始グループに対して設定された受信開始タイミングで受信を行う。
この第１の受信部１０４５－１は、受信した受信信号を増幅する機能（アンプ）を有している。

第２の受信部１０４５－２は、制御部１０４２による制御に従い、送受切替部１０４３を介して、第１の超音波素子１０２からの受信信号を受信する。すなわち、第２の受信部１０４５－２は、逆方向の受信信号を受信する。なお、この際、第２の受信部１０４５－２は、制御部１０４２による制御に従い、対応する受信開始グループに対して設定された受信開始タイミングで受信を行う。
この第２の受信部１０４５－２は、受信した受信信号を増幅する機能（アンプ）を有している。

第１のゼロクロス点計測部１０４６－１は、第１の受信部１０４５－１により受信された受信信号に基づいて、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間（単にゼロクロス点までの時間とも称す）を複数回計測する。そして、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１は、上記の処理を、複数の受信信号毎（１回のパケットに含まれる単計測毎）に実施する。
なお、例えば図６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。図６において、符号６１は閾値を示し、符号６２はゼロクロス点を示している。また、図６において、符号６３は受信信号の受信開始時点を示し、符号６４は受信信号の最大ピークを示している。また、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１が１回の単計測において、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、１回のパケットに含まれる単計測の回数は、事前に設定される。
この第１のゼロクロス点計測部１０４６－１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。

第２のゼロクロス点計測部１０４６－２は、第２の受信部１０４５－２により受信された受信信号に基づいて、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間（単にゼロクロス点までの時間とも称す）を複数回計測する。そして、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２は、上記の処理を、複数の受信信号毎（１回のパケットに含まれる単計測毎）に実施する。
なお、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２が１回の単計測において、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、１回のパケットに含まれる単計測の回数は、事前に設定される。
この第２のゼロクロス点計測部１０４６－２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、第１の受信部１０４５－１及び第２の受信部１０４５－２、並びに、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１及び第２のゼロクロス点計測部１０４６－２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、上記回路と第１の超音波素子１０２及び第２の超音波素子１０３と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。

正常ゼロクロス点判別部１０４７は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果に基づいて、受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定する。

伝搬時間算出部１０４８は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果、及び、正常ゼロクロス点判別部１０４７による判別結果に基づいて、超音波の伝搬時間を算出する。
この際、例えば、まず、伝搬時間算出部１０４８は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果のうち、正常ゼロクロス点判別部１０４７により正常であると判別された受信開始グループのゼロクロス点までの時間を抽出する。
次に、伝搬時間算出部１０４８は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果から抽出したゼロクロス点までの時間に基づいて、当該ゼロクロス点毎に、各単計測での時間を平均化することで、ゼロクロス点毎の第１の伝搬時間を算出する。
同様に、伝搬時間算出部１０４８は、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果から抽出したゼロクロス点までの時間に基づいて、当該ゼロクロス点毎に、各単計測での時間を平均化することで、ゼロクロス点毎の第２の伝搬時間を算出する。

流量算出部１０４９は、伝搬時間算出部１０４８による算出結果に基づいて、計測対象である流体の流量（瞬時流量）を算出する。
この際、まず、流量算出部１０４９は、ゼロクロス点毎に、伝搬時間算出部１０４８により算出された第１の伝搬時間と第２の伝搬時間との差分を算出することで、ゼロクロス点毎の伝搬時間差を算出する。
次に、流量算出部１０４９は、算出したゼロクロス点毎の伝搬時間差に基づいて、流体の流速を算出する。
次に、流量算出部１０４９は、算出した流体の流速に基づいて、流体の流量を算出する。
なお、流量算出部１０４９による流速算出及び流量算出の手法としては、既存手法を適用可能である。

次に、図１，２に示す実施の形態１における演算部１０４の動作例について、図３を参照しながら説明する。
ここで、従来、１秒間隔等の所定の間隔で繰り返し行われる瞬時流量計測動作を行う超音波流量計が知られている。このような超音波流量計では、超音波の送受信による伝搬時間の測定（単計測）を、短い間隔（例えば５～１０ミリ秒等）で複数回繰り返し実施している。また、この超音波流量計では、上記の測定を、順方向及び逆方向のそれぞれで実施している。そして、この超音波流量計では、上記のようにして取得した複数の単計測の結果から、順方向及び逆方向の伝搬時間をそれぞれ求め、その伝搬時間差（逆方向の伝搬時間－順方向の伝搬時間）から瞬時流量を算出している。
なお、１回の瞬時流量計測動作で行われる単計測の受信開始タイミングは、その瞬時流量計測動作が開始されるまでに決定される。また、一連の単計測が完了して、伝搬時間と流量の算出が行われるまでは、受信開始タイミングが適切であるか否かを判定したり、途中でフィードバック的に受信開始タイミングを変更することはできない。

また、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。この点に関し、計測動作の簡易化だけでなく、消費電流の大きいアンプ又はコンパレータ等を含む超音波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。
一方で、超音波受信回路の動作時間を短くした場合、仮に、超音波の伝搬時間が急変して超音波の伝搬時間が大幅に早まった場合、超音波を適切に計測できなくなる可能性がある。

そこで、実施の形態１における演算部１０４では、１回のパケットに含まれる複数の単計測に対し、受信開始タイミングの異なる複数のグループ（受信開始グループ）を設定する。この際、例えば、各受信開始グループに属する単計測は、１回のパケット内に均等に配置される。これにより、実施の形態１における演算部１０４では、仮に、超音波の伝搬時間が急変して超音波の伝搬時間が大幅に早まり、受信開始タイミングが遅いグループに属する単計測では超音波の計測ができなかった場合であっても、受信開始タイミングの早いグループに属する単計測での超音波の計測結果を用いて瞬時流量の算出を可能とする。

この図１，２に示す実施の形態１における演算部１０４による動作例では、図３に示すように、まず、設定部１０４１は、１回のパケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎に異なる受信開始タイミングの設定を行う（ステップＳＴ３０１）。

なお、例えば、設定部１０４１は、超音波流量計１の計測動作が初回の動作である場合には、上記受信開始グループの設定、及び、上記受信開始タイミングの設定を行う際に、初期値を用いる。
また、例えば、設定部１０４１は、超音波流量計１の計測動作が２回目以降の動作である場合には、伝搬時間算出部１０４８により算出された過去（通常は１つ前）の伝搬時間に基づいて、上記受信開始グループの設定、及び、上記受信開始タイミングの設定を行う。

この際、設定部１０４１は、例えば、１回のパケットに含まれる単計測に対し、複数の受信開始グループを均等に設定する。

図４は、実施の形態１における演算部１０４で用いられるパケットの構成例を示す図である。
なお、図４において、左側のパケットは順方向のパケット（順方向パケット）を示し、右側のパケットは逆方向のパケット（逆方向パケット）を示している。そして、この順方向パケットに含まれる単計測による計測結果から順方向の伝搬時間が算出される。同様に、逆方向パケットに含まれる単計測による計測結果から逆方向の伝搬時間が算出される。そして、順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間から流量（瞬時流量）が算出される。

そして、図５は、図４に示すパケットに対する設定部１０４１による受信開始グループの設定例を示している。
この図５では、設定部１０４１が、受信開始グループとして、２つのグループ（遅受信開始グループ及び早受信開始グループ）を設定した場合を示している。
遅受信開始グループは、受信開始タイミングが遅いグループであり、図５ではグレーで示している。早受信開始グループは、受信開始タイミングが早いグループであり、図５では白色で示している。

また、図５では、設定部１０４１が、１回のパケットに含まれる単計測に対して、１つずつ交互に遅受信開始グループ又は早受信開始グループに属するように受信開始グループを設定している。

なお、１回のパケットに含まれる単計測の数は予め決められている。また、設定部１０４１は、受信開始タイミングの設定を、そのパケットの最初の計測が開始する段階までに行い、計測の途中では変更しない。
図４及び図５では、１回のパケットに含まれる単計測の数が２１個である場合を示している。そして、図５では、遅受信開始グループに属する単計測の数が１０個であり、早受信開始グループに属する単計測の数が１１個である場合を示している。

なお、図５では、設定部１０４１が、１回のパケットに含まれる単計測に対し、複数の受信開始グループを１つずつ交互に設定した場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば、設定部１０４１は、１回のパケットに含まれる単計測に対し、複数の受信開始グループを複数ずつ交互に設定してもよい。

また、図５の例では、設定部１０４１は、遅受信開始グループに対し、例えば下式（１）のように、受信開始タイミングを設定する。
また、図５の例では、設定部１０４１は、早受信開始グループに対し、例えば下式（２）のように、受信開始タイミングを設定する。
なお、式（１）及び式（２）において、Ｔは基準となる伝搬時間を示し、ｔ１はＴに対するマージンのための時間を示し、Ａは遅受信開始グループと早受信開始グループとの受信開始タイミングの差を示している。なお、例えば、超音波流量計１の計測動作が初回の動作である場合にはＴは初期値に設定され、超音波流量計１の計測動作が２回目以降の動作である場合にはＴは伝搬時間算出部１０４８により算出された過去（通常は１つ前）の伝搬時間に設定される。
Ｔ－ｔ１ （１）
Ｔ－ｔ１－Ａ （２）

この設定部１０４１における、遅受信開始グループに対する受信開始タイミングと、早受信開始グループの受信開始タイミングとの関係は、例えば図６のように示される。

なお、ｔ１は、順方向と逆方向とで値が異なっていてもよい。

また、Ａは、例えば、発生し得る伝搬時間の変動の大きさに応じて設定されることが望ましい。例えば、Ａは、通常状態として想定される伝搬時間の２０％程度の値に設定される。
また、Ａは、直近数秒間の温度又は伝搬時間の変化の大きさに応じて、これらの要素の変動が大きい場合には値を大きくし、これらの要素の変動が小さい場合には値を小さくする等、可変であってもよい。

そして、制御部１０４２は、設定部１０４１による設定に基づいて、送受切替部１０４３、送信部１０４４、及び、受信部１０４５の動作を制御する。すなわち、制御部１０４２は、これらの構成の動作を制御することで、超音波流量計１における超音波の送受方向、及び、繰り返し回数を制御する。
また、この際、制御部１０４２は、設定部１０４１による設定に基づいて、受信部１０４５に対して、受信開始グループ毎の受信開始タイミングを制御する。

また、送受切替部１０４３は、制御部１０４２による制御に従い、第１の超音波素子１０２における送受動作、及び、第２の超音波素子１０３における送受動作を交互に切り替える。

次いで、送信部１０４４は、制御部１０４２による制御に従い、送信信号を送信する（ステップＳＴ３０２）。
そして、順方向の送受信の場合には、送信部１０４４により送信された送信信号は、送受切替部１０４３を介して、第１の超音波素子１０２に出力される。そして、第１の超音波素子１０２は、この送信信号に応じて、第２の超音波素子１０３に向かって超音波を送信する。そして、第２の超音波素子１０３は、この超音波を受信信号として受信する。
一方、逆方向の送受信の場合には、送信部１０４４により送信された送信信号は、送受切替部１０４３を介して、第２の超音波素子１０３に出力される。そして、第２の超音波素子１０３は、この送信信号に応じて、第１の超音波素子１０２に向かって超音波を送信する。そして、第１の超音波素子１０２は、この超音波を受信信号として受信する。

次いで、第１の受信部１０４５－１及び第２の受信部１０４５－２は、受信信号を取得する（ステップＳＴ３０３）。
すなわち、第１の受信部１０４５－１は、制御部１０４２による制御に従い、送受切替部１０４３を介して、第２の超音波素子１０３からの受信信号を受信する。すなわち、第１の受信部１０４５－１は、順方向の受信信号を受信する。なお、この際、第１の受信部１０４５－１は、制御部１０４２による制御に従い、対応する受信開始グループに対して設定された受信開始タイミングで受信を行う。
同様に、第２の受信部１０４５－２は、制御部１０４２による制御に従い、送受切替部１０４３を介して、第１の超音波素子１０２からの受信信号を受信する。すなわち、第２の受信部１０４５－２は、逆方向の受信信号を受信する。なお、この際、第２の受信部１０４５－２は、制御部１０４２による制御に従い、対応する受信開始グループに対して設定された受信開始タイミングで受信を行う。

図５の例では、第１の受信部１０４５－１及び第２の受信部１０４５－２は、１回のパケットに含まれる単計測のうち、遅受信開始グループに属する単計測については、式（１）に示す受信開始タイミングで受信信号の受信を行う。
また、図５の例では、第１の受信部１０４５－１及び第２の受信部１０４５－２は、１回のパケットに含まれる単計測のうち、早受信開始グループに属する単計測については、式（２）に示す受信開始タイミングで受信信号の受信を行う。

次いで、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１及び第２のゼロクロス点計測部１０４６－２は、単計測毎に、受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、送信の開始からゼロクロス点までの時間（計測時間）を複数回計測する（ステップＳＴ３０４）。
すなわち、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１は、第１の受信部１０４５－１により受信された受信信号に基づいて、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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１０４６－１は、上記の処理を、単計測毎に実施する。
同様に、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２は、第２の受信部１０４５－２により受信された受信信号に基づいて、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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１０４６－２は、上記の処理を、単計測毎に実施する。

図６では、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１及び第２のゼロクロス点計測部１０４６－２が、１回の単計測において、６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、単計測の回数は、例えば２１回である。

なお、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１により計測された、ｋ回目の単計測におけるｍ番目のゼロクロス点の時間を順ＺＣｍ（ｋ）と表す。
また、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２により計測された、ｋ回目の単計測におけるｍ番目のゼロクロス点の時間を逆ＺＣｍ（ｋ）と表す。

次に、演算部１０４は、順方向及び逆方向について、単計測を所定回数（例えば２１回）実施したかを判定する（ステップＳＴ３０５）。
このステップＳＴ３０５において、演算部１０４が、単計測を所定回数実施していないと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ３０２に戻る。
一方、ステップＳＴ３０５において、演算部１０４が、単計測を所定回数実施したと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ３０６に進む。

次いで、正常ゼロクロス点判別部１０４７は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果に基づいて、受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定する（ステップＳＴ３０６）。

この際、正常ゼロクロス点判別部１０４７は、受信開始グループ間で比較（例えばゼロクロス点までの時間のパターンの比較）を行うことで、受信開始グループ毎にゼロクロス点が正常であるか否かを判定する。
すなわち、複数の受信開始グループのうち、受信開始タイミングが早いグループでは正しく計測が実施されている可能性が高い。そのため、正常ゼロクロス点判別部１０４７は、受信開始タイミングが早いグループの計測結果が正常であるものとし、受信開始タイミングが遅いグループの計測結果との比較を行う。そして、正常ゼロクロス点判別部１０４７は、その差が小さい場合には、受信開始タイミングが遅いグループの計測結果は正常であると判定し、その差が大きい場合には、受信開始タイミングが遅いグループの計測結果は異常であると判定する。

なお、上記では、正常ゼロクロス点判別部１０４７が、受信開始グループ間で、ゼロクロス点までの時間のパターンの比較を行うことで、正常判定を行う場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば、正常ゼロクロス点判別部１０４７は、受信開始グループ間で、上記ゼロクロス点までの時間を用いて算出された伝搬時間（ＴＯＦ値）の比較を行うことで、正常判定を行ってもよい。

次いで、伝搬時間算出部１０４８は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果、及び、正常ゼロクロス点判別部１０４７による判別結果に基づいて、超音波の伝搬時間を算出する（ステップＳＴ３０７）。
この際、例えば、まず、伝搬時間算出部１０４８は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果のうち、正常ゼロクロス点判別部１０４７により正常であると判別された受信開始グループのゼロクロス点までの時間を抽出する。
次に、伝搬時間算出部１０４８は、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果から抽出したゼロクロス点までの時間に基づいて、当該ゼロクロス点毎に、各単計測での時間を平均化することで、下式（３）に示すように、ゼロクロス点毎の第１の伝搬時間を算出する。なお、式（３）において、順ＺＣｍ（ｋ’）は第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果から抽出したゼロクロス点までの時間を示し、Ｋ’は第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果から抽出した総数を示している。
同様に、伝搬時間算出部１０４８は、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果から抽出したゼロクロス点までの時間に基づいて、当該ゼロクロス点毎に、各単計測での時間を平均化することで、下式（４）に示すように、ゼロクロス点毎の第２の伝搬時間を算出する。なお、式（４）において、逆ＺＣｍ（ｋ’）は第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果から抽出したゼロクロス点までの時間を示し、Ｋ’は第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果から抽出した総数を示している。
Σ順ＺＣｍ（ｋ’）／Ｋ’ （３）
Σ逆ＺＣｍ（ｋ’）／Ｋ’ （４）

ここで、伝搬時間算出部１０４８は、例えばデジタルフィルタを用いて、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果のうちの一部のデータから、伝搬時間を算出することができる。
例えば、伝搬時間算出部１０４８は、奇数個のデータを対象として伝搬時間の算出を行うデジタルフィルタを機能させているとする。そして、例えば、１回のパケットに含まれる単計測の数が奇数個（例えば２１個）であり、早受信開始グループに属する単計測の数を奇数個（１１個）とし、遅受信開始グループに属する単計測の数を偶数個（例えば１０個）とする。これにより、仮に、早受信開始グループの計測結果及び遅受信開始グループの計測結果が共に正常である場合には、２１個の奇数個データを用いて伝搬時間算出部１０４８は伝搬時間を算出できる。一方、仮に、遅受信開始グループの計測結果は使えず、早受信開始グループの計測結果のみ正常である場合にも、早受信開始グループの１１個の奇数個データを用いて伝搬時間算出部１０４８は伝搬時間を算出できる。このように、伝搬時間算出部１０４８は、全体のデータのうちの一部のデータ（１／２のデータ、又は、１／３のデータ等）であっても、伝搬時間を算出可能である

次いで、流量算出部１０４９は、伝搬時間算出部１０４８による算出結果に基づいて、計測対象である流体の流量（瞬時流量）を算出する（ステップＳＴ３０８）。
この際、まず、流量算出部１０４９は、下式（５）に示すように、ゼロクロス点毎に、伝搬時間算出部１０４８により算出された第１の伝搬時間と第２の伝搬時間との差分を算出することで、ゼロクロス点毎の伝搬時間差を算出する。式（５）において、ＺＣｍΔｔは各ゼロクロス点での伝搬時間差を示している。
次に、流量算出部１０４９は、式（６）に示すように、算出したゼロクロス点毎の伝搬時間差を平均化する。式（６）において、Δｔは平均化後の伝搬時間差を示し、Ｍはゼロクロス点の総数を示している。
次に、流量算出部１０４９は、算出した平均化後の伝搬時間差に基づいて、流体の流速を算出する。
次に、流量算出部１０４９は、算出した流体の流速に基づいて、流体の流量を算出する。
ＺＣｍΔｔ＝（Σ逆ＺＣｍ（ｋ’）／Ｋ’）－（Σ順ＺＣｍ（ｋ’）／Ｋ’） （５）
Δｔ＝ΣＺＣｍΔｔ／Ｍ （６）

なお、設定部１０４１が、１回のパケットに含まれる単計測に対し、複数の受信開始グループを均等に設定することで、瞬時流量計測中における流動変動を適切に計測可能となる。

また、超音波流量計１は、瞬時流量計測において機能すべきその他のアルゴリズムについても、早受信開始グループのデータしか使用できない場合でも機能可能なように設計される。

このように、実施の形態１に係る超音波流量計１では、瞬時流量を計測する際に、同一パケット内で短い時間間隔をあけて複数回行われる単計測を、複数の受信開始タイミングが異なるグループ（例えば遅受信開始グループ及び早受信開始グループ）に分け、仮に例えば図７に示すように早受信開始グループだけしか正しく計測できなくても、瞬時流量が計算できるようにパケット内に配置する。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１では、従来に対し、受信タイミングが変化した瞬間又はその直後においても、瞬時流量計測を適切に実施可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計１は、パケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎に異なる受信開始タイミングの設定を行う設定部１０４１と、設定部１０４１による設定に基づいて、超音波の送受信を行う一対の超音波素子のうちの一方の超音波素子からの受信信号を受信する第１の受信部１０４５－１と、設定部１０４１による設定に基づいて、超音波素子のうちの他方の超音波素子からの受信信号を受信する第２の受信部１０４５－２と、第１の受信部１０４５－１により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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１０４６－１と、第２の受信部１０４５－２により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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１０４６－２と、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、及び、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果に基づいて、設定部１０４１により設定された受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定する正常ゼロクロス点判別部１０４７と、第１のゼロクロス点計測部１０４６－１による計測結果、第２のゼロクロス点計測部１０４６－２による計測結果、及び、正常ゼロクロス点判別部１０４７による判別結果に基づいて、パケット毎に、超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出部１０４８と、伝搬時間算出部１０４８による算出結果に基づいて、パケット毎に、測定対象である流体の流量を算出する流量算出部１０４９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１は、従来に対し、超音波の伝搬時間が急変した場合、すなわち、超音波の伝搬時間が変化した瞬間又はその直後においても、瞬時流量計測を適切に実施可能となる。

また、この実施の形態１によれば、設定部１０４１は、伝搬時間算出部１０４８により算出された過去の伝搬時間に基づいて、受信開始タイミングの設定を行ってもよい。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、受信開始タイミングの設定を適切に実施可能となる。

また、この実施の形態１によれば、設定部１０４１は、受信開始グループを均等に設定してもよい。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、瞬時流量計測中における流動変動を適切に計測可能となる。

なお、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 超音波流量計
１０１ 計測管
１０２ 第１の超音波素子
１０３ 第２の超音波素子
１０４ 演算部
１０４１ 設定部
１０４２ 制御部
１０４３ 送受切替部
１０４４ 送信部
１０４５ 受信部
１０４５－１ 第１の受信部
１０４５－２ 第２の受信部
１０４６ ゼロクロス点計測部
１０４６－１ 第１のゼロクロス点計測部
１０４６－２ 第２のゼロクロス点計測部
１０４７ 正常ゼロクロス点判別部
１０４８ 伝搬時間算出部
１０４９ 流量算出部

Claims (4)

1. パケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎に異なる受信開始タイミングの設定を行う設定部と、
   前記設定部による設定に基づいて、超音波の送受信を行う一対の超音波素子のうちの一方の超音波素子からの受信信号を受信する第１の受信部と、
   前記設定部による設定に基づいて、前記超音波素子のうちの他方の超音波素子からの受信信号を受信する第２の受信部と、
   前記第１の受信部により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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の受信部により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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、及び、前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果に基づいて、前記設定部により設定された受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定する正常ゼロクロス点判別部と、
   前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果、前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果、及び、前記正常ゼロクロス点判別部による判別結果に基づいて、パケット毎に、超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出部と、
   前記伝搬時間算出部による算出結果に基づいて、パケット毎に、測定対象である流体の流量を算出する流量算出部と
   を備えた超音波流量計。
2. 前記設定部は、前記伝搬時間算出部により算出された過去の伝搬時間に基づいて、受信開始タイミングの設定を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記設定部は、受信開始グループを均等に設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
4. 設定部が、パケットに含まれる複数の単計測に対し、複数の受信開始グループの設定、及び、当該受信開始グループ毎に異なる受信開始タイミングの設定を行うステップと、
   第１の受信部が、前記設定部による設定に基づいて、超音波の送受信を行う一対の超音波素子のうちの一方の超音波素子からの受信信号を受信するステップと、
   第２の受信部が、前記設定部による設定に基づいて、前記超音波素子のうちの他方の超音波素子からの受信信号を受信するステップと、
   第１のゼロクロス点計測部が、前記第１の受信部により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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の受信部により受信された受信信号に基づいて、単計測毎に、当該受信信号が閾値を超えた後、所定の期間において、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、
   正常ゼロクロス点判別部が、前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果、及び、前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果に基づいて、前記設定部により設定された受信開始グループ毎に、計測結果が正常であるか否かを判定するステップと、
   伝搬時間算出部が、前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果、前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果、及び、前記正常ゼロクロス点判別部による判別結果に基づいて、パケット毎に、超音波の伝搬時間を算出するステップと、
   流量算出部が、前記伝搬時間算出部による算出結果に基づいて、パケット毎に、測定対象である流体の流量を算出するステップと
   を有する流量計測方法。

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