JP4013697B2 - 流量計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用してガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、図１６に示すようなものが一般的であった。この装置は流体の流れる流路１に設置した第１超音波振動子２および第２超音波振動子３と、第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段４と、第１超音波振動子２及び第２超音波振動子３を駆動する送信手段５と、受信側の超音波振動子で受信し切り替え手段４を通過した信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段６と、増幅手段６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段７とを備えている。
【０００３】
さらに、図１７に示すように基準比較手段７で基準電圧と比較し大小関係が反転した後の増幅信号の最初のゼロクロス点ａで繰り返し手段９へ出力信号Ｄを出力する判定手段８と、この判定手段８からの信号をカウントし予め設定された回数だけカウントすると共に判定手段８からの信号を制御手段１２へ出力する繰り返し手段９と、繰り返し手段９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段１０と、計時手段１０の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段１１と、流量算出手段１１から算出された流量出力、繰り返し手段９からの信号を受け送信手段５の動作を制御する制御手段１２とから構成されている。
【０００４】
この装置は制御手段１２により送信手段５を動作させ超音波振動子２で発信された超音波信号が、流れの中を伝搬し第２超音波振動子３で受信され、増幅手段６で増幅後、基準比較手段７と判定手段８で信号処理され、繰り返し手段９を通り制御手段１２に入力される。この動作を予め設定されたｎ回数繰り返し行い、この間の時間を計時手段１０により測定する。そして、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝搬時間を測定し、（式１）より流量Ｑを求めていた（超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流へのｎ回分の測定時間をｔ１、下流から上流へのｎ回分の測定時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφ、流量をＱとする）。
【０００５】
Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（（ｎ／ｔ１）−（ｎ／ｔ２））…（式１）
（実際には、式１に流量に応じた係数を乗じて流量を算出する）
また、増幅手段６のゲインは受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整しており、受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。これは繰り返し手段９に設定された回数の計測を繰り返し中に、図１８の点線で示す受信信号ｂに示すように受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲の下限より下回った回数と、同じく図１８の点線で示す受信信号ｃに示すように所定の電圧範囲の上限より上回った回数をカウントしておきその大小関係で次回の流量計測時のゲインを調整する（例えば下限より下回った回数が多ければゲインをアップして図１８の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の内に入るようにする）。
【０００６】
また、増幅手段６により増幅された受信信号の電圧と比較する基準比較手段７の基準電圧は判定手段８により検知するゼロクロス点の位置を決めるもので図１７を例にすると受信信号の３波目のゼロクロス点ａを判定手段８により検知するよう、受信信号の２波と３波のピーク電圧の中点の電圧に設定される。そうすることにより何らかの原因で受信信号の２波のピーク電圧の上昇、３波のピーク電圧の減少の双方に対してマージンをとれ、安定に判定手段８により３波目のゼロクロス点ａが検知できるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置は、基準比較手段において所定の振幅レベルに増幅された受信信号と比較する基準電圧の電圧設定方法として、固定抵抗器と半固定抵抗器を用い抵抗分圧で設定することが多く用いられてきた。この方法では所定の電圧を発生するように基準電圧を監視しながら半固定抵抗器を手動で調節を行うので基準電圧設定に時間が掛かり、また、調整ミスの発生の可能性も有していた。
【０００８】
さらに機械振動、熱衝撃等を受けることによって調整位置が変化することもあった。また、温度変化や超音波振動子の経年変化等でその感度が変化した場合には基準電圧が不適当な電圧となっていても設定の変更が困難であるという課題を有していた。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、基準電圧の設定を迅速かつ、精度良く行い、常に最適な基準電圧に保つ流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は基準設定手段の基準電圧を最小から最大に変化させ、複数存在する出力幅計時手段の計時する出力幅の変曲点の分布状況に応じて、基準電圧を基準設定手段が設定するようにしたものである。
【００１０】
これによって、超音波の受信信号の電圧変動が発生しても、最も安定に超音波の受信信号の到達時期を検知出来る基準電圧を、出力幅計時手段の計時した値から判断できるので、基準電圧を人手を介することなく、迅速、かつ、精度良く、設定することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記超音波信号の送受信の時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時した時間に基づいて流量を算出する流量算出手段と、前記第１振動子及び前記第２振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記基準比較手段の出力期間を計時する出力幅計時手段と、前記基準比較手段の基準電圧を設定する基準設定手段を備え、前記基準設定手段の設定電圧を最小から最大まで変化させながら前記設定電圧と前記出力幅計時手段の出力の関係を記録し、出力幅計時手段の出力が大きく変化する点を変曲点と判断する判断工程と、前記判断工程で得られた変曲点の内、電圧差が最も大きくなる二点間の任意の一点を基準電圧として選択する選択工程と、前記選択工程で得られた電圧を前記基準設定手段の設定値と定めて前記計時手段と流量計測手段を動作させ流量値を求める計測工程とを備えた構成としているので、基準電圧の設定を迅速かつ、精度良く行い、超音波の受信信号の変動に対し一番安定な基準電圧に設定することが出来る。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、選択工程で選択された基準電圧に対する出力幅計時手段の出力値近傍を適正範囲と定めて、計測工程において出力幅計時手段の出力が前記適正範囲から外れた場合には、基準電圧を変更する構成としているので、自動的に基準電圧の補正を行い、常に最適な基準電圧に保つことができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、選択工程で選択された電圧に対する出力幅計時手段の出力を記録する出力幅記憶手段を備え、計測工程時の出力幅計時手段の出力値と前記出力幅記憶手段の記憶した値との差に応じて基準電圧を変更する構成としているので、設定が迅速で常に最適な基準電圧に保つことが出来る。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は本発明の請求項１から２に係る第１の実施例における流量計測装置のブロック図を示すものである。図２及び図５は同第１の実施例の流量計測装置の動作説明図であり、図３、及び図４は同装置の動作を説明するフローチャートである。図１において、流路１の途中に超音波を送信する第１超音波振動子２と受信する第２超音波振動子３が流れ方向に角度φで配置されている。
【００１６】
５は第１超音波振動子２への送信手段であり、４は第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段、６は受信側の超音波振動子で受信した信号を制御手段１２からの指示によるゲインで増幅する増幅手段、７は前記増幅手段６で増幅された信号と基準電圧とを比較する基準比較手段、８は基準比較手段７の出力と前記増幅手段６で増幅された信号とから超音波の到達時期を判定する判定手段、９は判定手段８の信号をカウントし予め設定された回数だけ制御手段１２へ繰り返し信号を出力する繰り返し手段である。
【００１７】
１０は繰り返し手段９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段であり、１１は計時手段１０の計時した時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量を算出する流量算出手段である。また、１２は流量算出手段１１、繰り返し手段９からの信号を受け送信手段５、増幅手段６の動作を制御する制御手段である。１３は前記基準比較手段７の出力時間を計時する出力幅計時手段、１４は前記基準比較手段７の基準電圧を設定する基準設定手段である。
【００１８】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整と基準電圧設定を行う。尚、ゲイン調整は従来例で説明したのと同様の方法であるため説明は省略する。最初に受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整した後（図３のステップ１）、基準設定手段１４は基準電圧を設定範囲の最低の電圧に設定する（ステップ２）。最低の基準電圧に設定後、制御手段１２は繰り返し手段９の繰り返し回数を１回に設定して、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する（ステップ３）。
【００１９】
第１超音波振動子２より送信された超音波信号は流路１の流れの中を伝搬し、第２超音波振動子３で受信され、増幅手段６で増幅されて、基準比較手段７、判定手段８へ出力される。ここで図２に増幅後の受信信号の様子を示す。つまり図２に示すように基準比較手段７は増幅手段６の出力（受信信号Ａ）と基準電圧とを比較し（ステップ４）、その大小関係が反転した時点（タイミングｃ）で出力幅計時手段１３と判定手段８に出力信号Ｃを出力する。出力幅計時手段１３は基準比較手段７からの出力信号Ｃを入力すると計時を開始し（ステップ５）、再度、増幅手段６の出力と基準電圧との大小関係が反転した時点（タイミングｅ）迄の基準比較手段７の時間が”Ｌ”となっている時間の長さＴｗを計時する（ステップ６、７）。以降、このＴｗを出力幅と称する。
【００２０】
判定手段８ではタイミングｃ以降の増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点ａを超音波の到達ポイントと判定し（ステップ８）、出力信号Ｄを繰り返し手段９に出力する。出力幅計時手段１３は計時した出力幅を基準設定手段１４へ出力する。基準設定手段１４は基準電圧を基準電圧の可変範囲の１制御単位（例えば２ｍＶ）分増加させる（ステップ９）。
【００２１】
制御手段１２は１回に設定された繰り返し回数が終了したことを繰り返し手段９より入力すると再度、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し、ここまでの動作を基準設定手段１４が基準電圧の設定範囲の最大電圧に設定するまで繰り返す。基準設定手段１４が基準電圧の最大電圧まで設定が終わると（ステップ１０）、基準設定手段１４は基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する（例えば前回の出力幅と比較して２００ｎｓ以上変化する）複数の変曲点の内、電圧が最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定する（ステップ１１）。この設定動作を図５を用いて説明する。図５は基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時した値を示した図である。出力幅計時手段１３の計時した値は図２に示すように基準比較手段１３の出力信号Ｃの時間幅であるので受信信号の各波（１波、２波、３波．．．）のピーク電圧付近（図５において、それぞれｐ１、ｐ２、ｐ３．．．とする。）に基準電圧がある場合に出力幅が最小（ｐ１、ｐ２、ｐ３．．．に対応してそれぞれＴｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３．．．とする。）になり、その値は限りなくゼロに近くなる。
【００２２】
そこから基準電圧を増加させ、ピーク電圧を超えると出力幅計時手段１３の計時した出力幅は急に大きくなり図５に示すように出力幅の変曲点（出力幅の最小であるＴｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３．．．）として現れる。（例えば基準電圧が２波のピークｐ２付近（但しｐ２を越えない）にあった場合から２波のピーク電圧ｐ２を超えた場合、変曲点はＴｐ２となる。）これは出力幅の変曲点にあたる基準電圧が受信信号の各波のピーク電圧付近の電圧となることを意味している。そして変曲点間の間隔（基準電圧間隔）は受信信号各波のピーク電圧の電圧差である。
【００２３】
図５において変曲点Ｔｐ１、Ｔｐ２間の電圧差は受信信号の１波から２波のピーク電圧差で、変曲点Ｔｐ２、Ｔｐ３間の電圧差は受信信号の２波から３波のピーク電圧差を示している。このように基準電圧を最小から最大に変化させたときの電圧対出力幅の波形の変化には複数の変曲点が存在し、その変曲点間の電圧差が一番広いふたつの変曲点の中点（図５において２波、３波のピーク電圧の中点のＶｒｅ）に基準電圧を設定すれば、受信信号の各波のピーク電圧差の一番大きい部分の中点の電圧となる。したがって、これは、電圧の設定分解能の最も高い区間（電圧差が最大の区間）であって、かつ、受信信号の電圧変動に最も強い点（電圧変動に対する余裕度が最も大きい点）に設定できるということを意味している。
【００２４】
したがって、受信信号の電圧変動に対して最も安定に判定手段８が超音波の受信信号の到達時期を検知出来る。なお、本実施例では、電圧差が最大となる二点の変曲点の中点に基準電圧を設定する構成としているが、これは、中点に限定されるものではない。使用条件（温度や計測対象とする流体）に応じて適宜、最適な位置に設定する構成で良い。同様に、基準電圧の設定位置は、電圧差が最大となる二点の変曲点間に限定されるものではなく、例えば、出力幅の最大値が得られる変曲点の近傍に設けるなど、受信波形の特徴に応じて、最も適切な位置に設定する構成で良い。
【００２５】
基準設定手段１４が上記の様に基準電圧を設定すると制御手段１２は繰り返し手段９に正規の繰り返し回数（例えば２５６回）を設定して流量計測を開始する。流量計測を開始した後の基準設定手段１４の動作を図４を用いて説明する。流量計測を開始すると制御手段１２は、計時手段１０で伝搬時間の計時を開始する（図４のステップ１２）と共に、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（ステップ１３）、増幅手段６で増幅された第２超音波振動子３で受信された超音波信号は基準比較手段７、判定手段８へ出力され、基準比較手段７で受信信号と基準電圧とを比較し（ステップ１４）、その大小関係が反転した時点から出力幅計時手段１３で計時を開始し（ステップ１５）、再び、これら信号の大小関係が逆転するまで計時を続ける（ステップ１６、１７）。
【００２６】
一方、基準設定手段１４には、初期設定動作時に基準電圧（Ｖｒｅ）を印加した際の出力幅計時手段１３の出力値（６００ｎｓ）を中央値として、その近傍の値（例えば、５００〜７００ｎｓ）が出力幅の適正範囲として繰り返し計測の前に予め設定されている。そして、ゼロクロス点検知後、出力幅計時手段１３で計時した値が、適正範囲の下限値よりも短い値（５００ｎｓ未満）かどうかを判定し（ステップ１９）、短ければ基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分減少させる（ステップ２０）。次に、出力幅計時手段１３の計時した値が適正範囲の上限値を超えているかどうかを判定し（ステップ２１）、超えていれば、基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分増加させる（ステップ２２）。以上の判定の後、制御手段１２は送信手段５を再度動作させ超音波振動子２より超音波信号を送信する。
【００２７】
この一連の動作を予め設定されたｎ回数繰り返しを行ない（ステップ２３）、所定の繰り返し終了後には、計時手段１０を停止して、伝搬時間の計測を終了する。そして、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流と下流から上流のそれぞれの伝搬時間を測定し、これらの出力幅より流量算出手段１１で流路の大きさや流れの状態を考慮して流量値を求める。
【００２８】
また、図６を用いて基準設定手段１４の他の動作を説明する。図６は基準設定手段１４の他の動作を説明するフローチャートである。図６に於いてゼロクロス点を検知するまでの動作、すなわちステップ２５〜３１は、図４のステップ１２〜１８と同様であるので説明は省略する。ゼロクロス点検知後、時間幅計時手段１３で計時した値が、適正範囲の下限値よりも短い値（３００ｎｓ未満）かどうかを判定し（ステップ３２）、短ければ下限値を下回った回数をカウントする（ステップ３３）。次に、時間幅計時手段１３の計時した値が適正範囲の上限値（４００ｎｓ以上）を超えているかどうかを判定し（ステップ３４）、超えていれば上限値を上回った回数をカウントする（ステップ３５）。
【００２９】
以上の動作を所定の繰り返し回数が終わるまで繰り返し（ステップ３６）、繰り返し終了後、計時手段１０による伝搬時間の計測を停止する（ステップ３７）。その後、基準設定手段１４は、繰り返し回数分の出力幅計時手段１３が計時した出力幅の内、適正範囲の上限下限両方の範囲外の出力幅が存在したかどうかを判定して（ステップ３８）、存在していた場合は初期設定動作で行った基準電圧の設定動作を再度実行した（ステップ３９）後、再度、繰り返し計測を始めからやり直す。存在していなかった場合は適正範囲の下限（３００ｎｓ）より短い出力幅だけが存在したかどうかを判定し（ステップ４０）、存在した場合はその回数が所定の回数（例えば１０回）以上有ったか判断する（ステップ４１）。所定の回数以上であれば基準電圧を２制御単位（４ｍＶ）分減少させる（ステップ４２）。所定の回数未満であれば基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分減少させる（ステップ４３）。そして同様に、適正範囲の下限（３００ｎｓ）より短い出力幅ではなく適正範囲の上限（４００ｎｓ）より長い出力幅だけが存在したかを判定し（ステップ４４）、存在した場合はその回数が所定の回数（例えば１０回）以上有ったか判断する（ステップ４５）。所定の回数以上であれば基準電圧を２制御単位（４ｍＶ）分増加させる（ステップ４６）。
【００３０】
所定の回数未満であれば基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分減少させる（ステップ４７）。そして範囲の下限との比較（ステップ４０）、上限との比較（ステップ４４）の結果、全ての出力幅が範囲内であったならば基準電圧は変更せずそのまま処理を終了する。このように流量計測時の出力幅計時手段１３の計時する出力幅が基準電圧を設定した際の出力幅を基に決定される所定の範囲から逸脱した回数に応じて基準電圧の再設定が行われる。
【００３１】
以上のように本実施例においては初期設定時に基準電圧を最小から最大に変化させ、そのときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する複数の変曲点の内、電圧差が最大となる二点の変曲点の中点に基準電圧を設定する基準設定手段１４としたことにより基準電圧を超音波の受信波の中で受信信号の電圧変動に対して一番安定して超音波信号の到達時期を検知出来る電圧に設定出来、また、基準電圧の設定後、流量計測時の出力幅計時手段１３の計時する出力幅が基準電圧を設定した際の出力幅を基に決定される所定の範囲から逸脱した場合に基準電圧の再設定が行われる。
【００３２】
これにより基準電圧の設定が人手を介することなく迅速に行われかつ、設定後、流量計測時に基準電圧が最適な電圧に保つことの出来る流量計測装置とすることが出来る。
【００３３】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や基準設定手段１４の所定比率や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００３４】
（実施例２）
図７は本発明の請求項７に係る第２の実施例のフローチャートである。第２の実施例の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００３５】
以上のように構成された流量計測装置について、以下実施例１と異なる基準設定手段１４の基準電圧設定動作後の動作、作用を説明する。繰り返し手段９に所定の繰り返し回数を設定することにより、流量計測が開始される。計時手段１０により伝搬時間の計時を開始した後（図７のステップ４８）、ゼロクロス点を検知する（ステップ５１）までは実施例１とは異なり、時間幅の計時は行なわない。所定の繰り返しが終了した（ステップ５２）後に、伝搬時間の計時を停止して（ステップ５３）、基準電圧の設定動作を行う。制御手段１２は繰り返し手段９の設定回数を１回に設定し、基準設定手段１４は基準電圧を増加させる（ステップ５４）。制御手段１２は送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（ステップ５５）、実施例１と同様に基準比較手段７において増幅手段６の出力と基準電圧とを比較し、その大小関係が反転した時点（ステップ５６）で出力幅計時手段１３が計時を開始して（ステップ５７）、再び、増幅手段６の出力と基準電圧の大小関係が反転した時点（ステップ５８）で出力幅計時手段１３が計時を停止する（ステップ５９）。
【００３６】
その後、判定手段８により超音波の到達ポイントを判定すると（ステップ６０）、送受信完了と判断する。制御手段１２は基準設定手段１４で出力幅計時手段１３が計時した出力幅の変曲点を検知する（ステップ６１）まで基準電圧を増加させながらステップ５４〜６１の一連の動作を繰り返す。変曲点が検知されると、基準設定手段１４は、基準電圧を初期値、すなわち伝搬時間計測（ステップ４８〜ステップ５３）で用いた値に設定後（ステップ６２）、ステップ５４〜６１と同様の処理を今度は基準電圧を下げながら実行する（ステップ６３〜７０）。以上の処理によって検出したふたつの変曲点の電圧を元に、基準設定手段１４は２変曲点間の中点の電圧に基準電圧を設定する（ステップ７１）。
【００３７】
以上のように本実施例においては流量計測終了後に基準電圧を増加もしくは減少させ、出力幅計時手段１３の計時した出力幅の変曲点間の中点の電圧に設定するので、基準電圧が初期設定動作に於いて設定された受信波との相対位置（受信波の２−３波または３−４波間等のどのピーク波の位置の間で設定されたか）で、出力幅の変曲点の中点の電圧に設定されるので設定に要する時間も短く、常に最適な基準電圧に保つことが出来る。なお、本実施例では、基準電圧の設定を流量計測後に行う構成としているが、流量計測の開始に先立って行う構成であっても良い。
【００３８】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や出力幅計時手段の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００３９】
（実施例３）
図８は本発明の請求項３に係る第３の実施例の流量計測装置のブロック図、図９は同装置のフローチャートである。
【００４０】
図８において１５は基準設定手段１４により基準電圧を設定した時の出力幅計時手段１３の出力幅を記憶する出力幅記憶手段である。他の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整と基準電圧設定を行う。実施例１と同様に基準電圧設定動作では基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する複数の変曲点の内、最大の電圧差が得られる二点の変曲点の中点に基準電圧を設定する。そしてこの設定した基準電圧での出力幅計時手段１３の計時した出力幅を出力幅記憶手段１５に記憶する。
【００４２】
以上の初期設定動作終了後に、図９のフローチャートで示す計測処理が実行される。制御手段１２は実施例１の図４と同様に繰り返し手段９に設定した回数、超音波の送受信を行う（ステップ７２〜８０）。そして流量計測後、出力幅計時手段１３が計時した出力幅の平均値を算出する（ステップ８１）。基準設定手段１４は算出した出力幅の平均値と出力幅記憶手段１５に記憶されている初期設定時に基準電圧を設定した際の出力幅とを比較し（ステップ８２、８４）、記憶していた値が平均値より所定値以上大きければ、基準電圧を減少し（ステップ８３）、平均値が記憶していた値より所定値以上大きければ、基準電圧を増加する（ステップ８４）。
【００４３】
以上のように本実施例においては流量計測後、基準設定手段１４により出力幅記憶手段１５に記憶されている初期設定時に基準電圧を設定した際の出力幅と、流量計測中の出力幅計時手段１３の出力幅の平均値とが比較され、その大小関係により基準電圧が調整されるものであり、これにより流量計測後、改めて出力幅を計時するための動作を必要とせずに基準電圧を最適な電圧に保つ流量計測装置とすることが出来る。
【００４４】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００４５】
（実施例４）
図１０は本発明の請求項９に係る第４の実施例の流量計測装置のブロック図、図１１は同装置のフローチャートである。
【００４６】
図１０において基準設定手段１４が制御手段１２から第１振動子及び第２振動子から超音波を送信する方向の信号を受け設定する基準電圧を変更する様にしたのが実施例１と異なるところであり、他の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００４７】
以上のように構成された流量計測装置について、以下実施例３と異なる基準設定手段１４の動作、作用を説明する。制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整と基準電圧設定を行う。実施例１と同様に基準電圧設定動作では基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する複数の変曲点の内、最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定する。そして制御手段１２は、正流方向（流れの上流側から下流側へ向けての超音波伝搬）の流量計測を行うため、繰り返し手段９に設定した回数、超音波の送受信を行い流量計測（ステップ８６）を行う。なお、ステップ８６の動作は実施例３の図９におけるステップ７２からステップ８０までの一連の動作に相当する。
【００４８】
そして流量計測後、出力幅計時手段１３が計時した出力幅の平均値を算出する（ステップ８７）。そして制御手段１２は、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、逆流方向の流量計測を行い（ステップ８８）、その後、出力幅計時手段１３が計時した出力幅の平均値を算出する（ステップ８９）。基準設定手段１４は第１超音波振動子２及び第２超音波振動子３の送信方向別の平均出力幅を比較し（ステップ９０）、所定の差より大きい場合（例えば片方の出力幅が６００ｎｓ、もう片方が６７０ｎｓと１０％以上の差がある場合）に送信方向別に基準電圧の設定動作を行い（ステップ９１、９２）、以後方向に応じて別々の基準電圧を用いる。
【００４９】
以上のように本実施例においては流路を流れる流体の流量によって被測手流体の上流から下流と、下流から上流へと超音波信号を送信する方向で受信信号の感度の差が発生し、受信波の電圧と基準電圧との関係が変化し、その結果、出力幅計時手段が計時する出力幅が超音波信号を送信する方向で異なった場合にそれぞれの方向で最適な基準電圧の設定ができる。このように超音波信号の送信方向で受信信号の電圧に差が発生しても基準電圧を最適な電圧に保つ流量計測装置とすることが出来る。
【００５０】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、基準設定手段１４の所定の差や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にもに柔軟に対応できるものである。
【００５１】
（実施例５）
図１２は本発明の請求項１０に係る第５の実施例の流量計測装置のブロック図、であり、図１３は本発明の第５の実施例の流量計測装置の動作説明図である。図１４は同装置のフローチャートである。第５の実施例の構成要素は実施例１と同じであり、図１４において基準設定手段１４が出力幅計時手段１３の計時する出力幅の変曲点を認識する際に計時手段１０が計時している超音波信号の送受信の累積時間も併せて用いるようにしたのが実施例１と異なるところである。以上のように構成された流量計測装置について、以下実施例１と異なる基準設定手段１４の動作、作用を説明する。
【００５２】
制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整（ステップ９３）と基準電圧設定を行う。尚、本実施例の説明では実施例１と同様にゲイン調整の説明は省略する。最初に受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整した後、基準設定手段１４は基準電圧を設定範囲の最低の電圧に設定する（ステップ９４）。その後、制御手段１２は繰り返し手段９の繰り返し回数を１回に設定して、計時手段１０により、超音波の伝搬時間の計測を開始する（ステップ９５）と同時に、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する（ステップ９６）。この後、ゼロクロス点を検出するまでの動作（ステップ９７からステップ１０１）までは、実施例１の図３と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
ゼロクロス点検出後、計時手段１０は伝搬時間の計時を停止する（ステップ１０２）。そして、基準電圧が最大電圧に達するまで同様に、時間幅と伝搬時間の計測を行う（ステップ１０３）。基準電圧が最大電圧に達した後、後述する方法により変曲点の判断を行い（ステップ１０４）、基準設定手段１４は基準電圧を最小から最大に変化させたときの変曲点の内、最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定する（ステップ１０５）。つづいて、図１３および、図１５を用いて変曲点の判定方法について説明する。図１３に示すＴｐ１等のように大きく（例えば２００ｎｓ以上）変化しているかどうかを判断し（ステップ１０６）、変化していれば計時手段１０が計時している超音波信号の伝搬時間が前回と比較して超音波の駆動周波数（例えば５００ＫＨｚ）の１周期分（２μｓ）変化があるかを判断する（ステップ１０７）。以上ふたつの条件を満たした時には、変曲点と認識し（ステップ１０８）、それ以外は、変曲点とは見なさない。図１３は基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時した出力幅と計時手段１０が計時する超音波信号の伝搬時間の前回との差を示した図である。
【００５４】
図のように出力幅の変曲点Ｔｐ１、Ｔｐ２．．．では計時手段１０の計時する超音波信号の伝搬時間の前回との差は超音波信号の駆動周波数の１周期分（２μｓ）異なる。つまり超音波信号の受信信号の各波のピーク電圧位置を検知するのに出力幅計時手段１３の計時する出力幅に加え、計時手段１０の計時時間とを併せて判定することにより出力幅だけで判定するよりもノイズ等、計時誤差に対して誤判断することなく、確実に変曲点を判定出来る。
【００５５】
以上のように本実施例においては基準設定手段は出力幅計時手段の計時する出力幅の変曲点を認識する際に計時手段が計時している超音波信号の送受信の累積時間も併せて用い、それにより認識した最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定することにより変曲点の判定を確実に行うことが出来、最適な基準電圧とすることが出来る。このように基準電圧の設定が人手を介することなく迅速に行われかつ、基準電圧が最適な電圧に設定出来る流量計測装置とすることが出来る。
【００５６】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る流量計測装置によれば、超音波の受信信号の電圧変動が発生しても、一番安定して超音波信号の到達時期を検知出来る点に基準電圧を設定することが出来る。
【００５８】
また、流量計測時の受信信号の変化に応じて、基準電圧の自動的に補正し、最適な電圧に保つことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図
【図２】 同装置の動作を説明する図
【図３】 同装置の基準電圧の設定動作を説明するフローチャート
【図４】 同装置の動作を説明するフローチャート
【図５】 同装置の流量計測の動作を説明する図
【図６】 同装置の流量計測の他の動作を説明するフローチャート
【図７】 本発明の実施例２における流量計測装置の動作を説明するフローチャート
【図８】 本発明の実施例３における流量計測装置のブロック図
【図９】 同装置のフローチャート
【図１０】 本発明の実施例４における流量計測装置のブロック図
【図１１】 同装置のフローチャート
【図１２】 本発明の実施例５における流量計測装置のブロック図
【図１３】 同装置の動作説明図
【図１４】 同装置の動作を説明するフローチャート
【図１５】 同装置の変曲点の判定方法を示すフローチャート
【図１６】 従来の流量計測装置のブロック図
【図１７】 同装置の動作説明図
【図１８】 同装置の別の動作説明図
【符号の説明】
１ 流路
２ 第１超音波振動子
３ 第２超音波振動子
４ 切換手段
５ 送信手段
６ 増幅手段
７ 基準比較手段
８ 判定手段
９ 繰り返し手段
１０ 計時手段
１１ 流量算出手段
１２ 制御手段
１３ 出力幅計時手段
１４ 基準設定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用してガスなどの流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の流量計測装置は、図１６に示すようなものが一般的であった。この装置は流体の流れる流路１に設置した第１超音波振動子２および第２超音波振動子３と、第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段４と、第１超音波振動子２及び第２超音波振動子３を駆動する送信手段５と、受信側の超音波振動子で受信し切り替え手段４を通過した信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段６と、増幅手段６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段７とを備えている。
【０００３】
さらに、図１７に示すように基準比較手段７で基準電圧と比較し大小関係が反転した後の増幅信号の最初のゼロクロス点ａで繰り返し手段９へ出力信号Ｄを出力する判定手段８と、この判定手段８からの信号をカウントし予め設定された回数だけカウントすると共に判定手段８からの信号を制御手段１２へ出力する繰り返し手段９と、繰り返し手段９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段１０と、計時手段１０の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段１１と、流量算出手段１１から算出された流量出力、繰り返し手段９からの信号を受け送信手段５の動作を制御する制御手段１２とから構成されている。
【０００４】
この装置は制御手段１２により送信手段５を動作させ超音波振動子２で発信された超音波信号が、流れの中を伝搬し第２超音波振動子３で受信され、増幅手段６で増幅後、基準比較手段７と判定手段８で信号処理され、繰り返し手段９を通り制御手段１２に入力される。この動作を予め設定されたｎ回数繰り返し行い、この間の時間を計時手段１０により測定する。そして、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝搬時間を測定し、（式１）より流量Ｑを求めていた（超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流へのｎ回分の測定時間をｔ１、下流から上流へのｎ回分の測定時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφ、流量をＱとする）。
【０００５】
Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（（ｎ／ｔ１）−（ｎ／ｔ２））…（式１）
（実際には、式１に流量に応じた係数を乗じて流量を算出する）
また、増幅手段６のゲインは受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整しており、受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。これは繰り返し手段９に設定された回数の計測を繰り返し中に、図１８の点線で示す受信信号ｂに示すように受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲の下限より下回った回数と、同じく図１８の点線で示す受信信号ｃに示すように所定の電圧範囲の上限より上回った回数をカウントしておきその大小関係で次回の流量計測時のゲインを調整する（例えば下限より下回った回数が多ければゲインをアップして図１８の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の内に入るようにする）。
【０００６】
また、増幅手段６により増幅された受信信号の電圧と比較する基準比較手段７の基準電圧は判定手段８により検知するゼロクロス点の位置を決めるもので図１７を例にすると受信信号の３波目のゼロクロス点ａを判定手段８により検知するよう、受信信号の２波と３波のピーク電圧の中点の電圧に設定される。そうすることにより何らかの原因で受信信号の２波のピーク電圧の上昇、３波のピーク電圧の減少の双方に対してマージンをとれ、安定に判定手段８により３波目のゼロクロス点ａが検知できるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の流量計測装置は、基準比較手段において所定の振幅レベルに増幅された受信信号と比較する基準電圧の電圧設定方法として、固定抵抗器と半固定抵抗器を用い抵抗分圧で設定することが多く用いられてきた。この方法では所定の電圧を発生するように基準電圧を監視しながら半固定抵抗器を手動で調節を行うので基準電圧設定に時間が掛かり、また、調整ミスの発生の可能性も有していた。
【０００８】
さらに機械振動、熱衝撃等を受けることによって調整位置が変化することもあった。また、温度変化や超音波振動子の経年変化等でその感度が変化した場合には基準電圧が不適当な電圧となっていても設定の変更が困難であるという課題を有していた。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、基準電圧の設定を迅速かつ、精度良く行い、常に最適な基準電圧に保つ流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は基準設定手段の基準電圧を最小から最大に変化させ、複数存在する出力幅計時手段の計時する出力幅の変曲点の分布状況に応じて、基準電圧を基準設定手段が設定するようにしたものである。
【００１０】
これによって、超音波の受信信号の電圧変動が発生しても、最も安定に超音波の受信信号の到達時期を検知出来る基準電圧を、出力幅計時手段の計時した値から判断できるので、基準電圧を人手を介することなく、迅速、かつ、精度良く、設定することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記超音波信号の送受信の時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時した時間に基づいて流量を算出する流量算出手段と、前記第１振動子及び前記第２振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記基準比較手段の出力期間を計時する出力幅計時手段と、前記基準比較手段の基準電圧を設定する基準設定手段を備え、前記基準設定手段の設定電圧を最小から最大まで変化させながら前記設定電圧と前記出力幅計時手段の出力の関係を記録し、出力幅計時手段の出力が大きく変化する点を変曲点と判断する判断工程と、前記判断工程で得られた変曲点の内、電圧差が最も大きくなる二点間の任意の一点を基準電圧として選択する選択工程と、前記選択工程で得られた電圧を前記基準設定手段の設定値と定めて前記計時手段と流量計測手段を動作させ流量値を求める計測工程とを備えた構成としているので、基準電圧の設定を迅速かつ、精度良く行い、超音波の受信信号の変動に対し一番安定な基準電圧に設定することが出来る。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、選択工程で選択された基準電圧に対する出力幅計時手段の出力値近傍を適正範囲と定めて、計測工程において出力幅計時手段の出力が前記適正範囲から外れた場合には、基準電圧を変更する構成としているので、自動的に基準電圧の補正を行い、常に最適な基準電圧に保つことができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、選択工程で選択された電圧に対する出力幅計時手段の出力を記録する出力幅記憶手段を備え、計測工程時の出力幅計時手段の出力値と前記出力幅記憶手段の記憶した値との差に応じて基準電圧を変更する構成としているので、設定が迅速で常に最適な基準電圧に保つことが出来る。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は本発明の請求項１から２に係る第１の実施例における流量計測装置のブロック図を示すものである。図２及び図５は同第１の実施例の流量計測装置の動作説明図であり、図３、及び図４は同装置の動作を説明するフローチャートである。図１において、流路１の途中に超音波を送信する第１超音波振動子２と受信する第２超音波振動子３が流れ方向に角度φで配置されている。
【００１６】
５は第１超音波振動子２への送信手段であり、４は第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段、６は受信側の超音波振動子で受信した信号を制御手段１２からの指示によるゲインで増幅する増幅手段、７は前記増幅手段６で増幅された信号と基準電圧とを比較する基準比較手段、８は基準比較手段７の出力と前記増幅手段６で増幅された信号とから超音波の到達時期を判定する判定手段、９は判定手段８の信号をカウントし予め設定された回数だけ制御手段１２へ繰り返し信号を出力する繰り返し手段である。
【００１７】
１０は繰り返し手段９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段であり、１１は計時手段１０の計時した時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量を算出する流量算出手段である。また、１２は流量算出手段１１、繰り返し手段９からの信号を受け送信手段５、増幅手段６の動作を制御する制御手段である。１３は前記基準比較手段７の出力時間を計時する出力幅計時手段、１４は前記基準比較手段７の基準電圧を設定する基準設定手段である。
【００１８】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整と基準電圧設定を行う。尚、ゲイン調整は従来例で説明したのと同様の方法であるため説明は省略する。最初に受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整した後（図３のステップ１）、基準設定手段１４は基準電圧を設定範囲の最低の電圧に設定する（ステップ２）。最低の基準電圧に設定後、制御手段１２は繰り返し手段９の繰り返し回数を１回に設定して、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する（ステップ３）。
【００１９】
第１超音波振動子２より送信された超音波信号は流路１の流れの中を伝搬し、第２超音波振動子３で受信され、増幅手段６で増幅されて、基準比較手段７、判定手段８へ出力される。ここで図２に増幅後の受信信号の様子を示す。つまり図２に示すように基準比較手段７は増幅手段６の出力（受信信号Ａ）と基準電圧とを比較し（ステップ４）、その大小関係が反転した時点（タイミングｃ）で出力幅計時手段１３と判定手段８に出力信号Ｃを出力する。出力幅計時手段１３は基準比較手段７からの出力信号Ｃを入力すると計時を開始し（ステップ５）、再度、増幅手段６の出力と基準電圧との大小関係が反転した時点（タイミングｅ）迄の基準比較手段７の時間が”Ｌ”となっている時間の長さＴｗを計時する（ステップ６、７）。以降、このＴｗを出力幅と称する。
【００２０】
判定手段８ではタイミングｃ以降の増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点ａを超音波の到達ポイントと判定し（ステップ８）、出力信号Ｄを繰り返し手段９に出力する。出力幅計時手段１３は計時した出力幅を基準設定手段１４へ出力する。基準設定手段１４は基準電圧を基準電圧の可変範囲の１制御単位（例えば２ｍＶ）分増加させる（ステップ９）。
【００２１】
制御手段１２は１回に設定された繰り返し回数が終了したことを繰り返し手段９より入力すると再度、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し、ここまでの動作を基準設定手段１４が基準電圧の設定範囲の最大電圧に設定するまで繰り返す。基準設定手段１４が基準電圧の最大電圧まで設定が終わると（ステップ１０）、基準設定手段１４は基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する（例えば前回の出力幅と比較して２００ｎｓ以上変化する）複数の変曲点の内、電圧が最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定する（ステップ１１）。この設定動作を図５を用いて説明する。図５は基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時した値を示した図である。出力幅計時手段１３の計時した値は図２に示すように基準比較手段１３の出力信号Ｃの時間幅であるので受信信号の各波（１波、２波、３波．．．）のピーク電圧付近（図５において、それぞれｐ１、ｐ２、ｐ３．．．とする。）に基準電圧がある場合に出力幅が最小（ｐ１、ｐ２、ｐ３．．．に対応してそれぞれＴｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３．．．とする。）になり、その値は限りなくゼロに近くなる。
【００２２】
そこから基準電圧を増加させ、ピーク電圧を超えると出力幅計時手段１３の計時した出力幅は急に大きくなり図５に示すように出力幅の変曲点（出力幅の最小であるＴｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３．．．）として現れる。（例えば基準電圧が２波のピークｐ２付近（但しｐ２を越えない）にあった場合から２波のピーク電圧ｐ２を超えた場合、変曲点はＴｐ２となる。）これは出力幅の変曲点にあたる基準電圧が受信信号の各波のピーク電圧付近の電圧となることを意味している。そして変曲点間の間隔（基準電圧間隔）は受信信号各波のピーク電圧の電圧差である。
【００２３】
図５において変曲点Ｔｐ１、Ｔｐ２間の電圧差は受信信号の１波から２波のピーク電圧差で、変曲点Ｔｐ２、Ｔｐ３間の電圧差は受信信号の２波から３波のピーク電圧差を示している。このように基準電圧を最小から最大に変化させたときの電圧対出力幅の波形の変化には複数の変曲点が存在し、その変曲点間の電圧差が一番広いふたつの変曲点の中点（図５において２波、３波のピーク電圧の中点のＶｒｅ）に基準電圧を設定すれば、受信信号の各波のピーク電圧差の一番大きい部分の中点の電圧となる。したがって、これは、電圧の設定分解能の最も高い区間（電圧差が最大の区間）であって、かつ、受信信号の電圧変動に最も強い点（電圧変動に対する余裕度が最も大きい点）に設定できるということを意味している。
【００２４】
したがって、受信信号の電圧変動に対して最も安定に判定手段８が超音波の受信信号の到達時期を検知出来る。なお、本実施例では、電圧差が最大となる二点の変曲点の中点に基準電圧を設定する構成としているが、これは、中点に限定されるものではない。使用条件（温度や計測対象とする流体）に応じて適宜、最適な位置に設定する構成で良い。同様に、基準電圧の設定位置は、電圧差が最大となる二点の変曲点間に限定されるものではなく、例えば、出力幅の最大値が得られる変曲点の近傍に設けるなど、受信波形の特徴に応じて、最も適切な位置に設定する構成で良い。
【００２５】
基準設定手段１４が上記の様に基準電圧を設定すると制御手段１２は繰り返し手段９に正規の繰り返し回数（例えば２５６回）を設定して流量計測を開始する。流量計測を開始した後の基準設定手段１４の動作を図４を用いて説明する。流量計測を開始すると制御手段１２は、計時手段１０で伝搬時間の計時を開始する（図４のステップ１２）と共に、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（ステップ１３）、増幅手段６で増幅された第２超音波振動子３で受信された超音波信号は基準比較手段７、判定手段８へ出力され、基準比較手段７で受信信号と基準電圧とを比較し（ステップ１４）、その大小関係が反転した時点から出力幅計時手段１３で計時を開始し（ステップ１５）、再び、これら信号の大小関係が逆転するまで計時を続ける（ステップ１６、１７）。
【００２６】
一方、基準設定手段１４には、初期設定動作時に基準電圧（Ｖｒｅ）を印加した際の出力幅計時手段１３の出力値（６００ｎｓ）を中央値として、その近傍の値（例えば、５００〜７００ｎｓ）が出力幅の適正範囲として繰り返し計測の前に予め設定されている。そして、ゼロクロス点検知後、出力幅計時手段１３で計時した値が、適正範囲の下限値よりも短い値（５００ｎｓ未満）かどうかを判定し（ステップ１９）、短ければ基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分減少させる（ステップ２０）。次に、出力幅計時手段１３の計時した値が適正範囲の上限値を超えているかどうかを判定し（ステップ２１）、超えていれば、基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分増加させる（ステップ２２）。以上の判定の後、制御手段１２は送信手段５を再度動作させ超音波振動子２より超音波信号を送信する。
【００２７】
この一連の動作を予め設定されたｎ回数繰り返しを行ない（ステップ２３）、所定の繰り返し終了後には、計時手段１０を停止して、伝搬時間の計測を終了する。そして、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流と下流から上流のそれぞれの伝搬時間を測定し、これらの出力幅より流量算出手段１１で流路の大きさや流れの状態を考慮して流量値を求める。
【００２８】
また、図６を用いて基準設定手段１４の他の動作を説明する。図６は基準設定手段１４の他の動作を説明するフローチャートである。図６に於いてゼロクロス点を検知するまでの動作、すなわちステップ２５〜３１は、図４のステップ１２〜１８と同様であるので説明は省略する。ゼロクロス点検知後、時間幅計時手段１３で計時した値が、適正範囲の下限値よりも短い値（３００ｎｓ未満）かどうかを判定し（ステップ３２）、短ければ下限値を下回った回数をカウントする（ステップ３３）。次に、時間幅計時手段１３の計時した値が適正範囲の上限値（４００ｎｓ以上）を超えているかどうかを判定し（ステップ３４）、超えていれば上限値を上回った回数をカウントする（ステップ３５）。
【００２９】
以上の動作を所定の繰り返し回数が終わるまで繰り返し（ステップ３６）、繰り返し終了後、計時手段１０による伝搬時間の計測を停止する（ステップ３７）。その後、基準設定手段１４は、繰り返し回数分の出力幅計時手段１３が計時した出力幅の内、適正範囲の上限下限両方の範囲外の出力幅が存在したかどうかを判定して（ステップ３８）、存在していた場合は初期設定動作で行った基準電圧の設定動作を再度実行した（ステップ３９）後、再度、繰り返し計測を始めからやり直す。存在していなかった場合は適正範囲の下限（３００ｎｓ）より短い出力幅だけが存在したかどうかを判定し（ステップ４０）、存在した場合はその回数が所定の回数（例えば１０回）以上有ったか判断する（ステップ４１）。所定の回数以上であれば基準電圧を２制御単位（４ｍＶ）分減少させる（ステップ４２）。所定の回数未満であれば基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分減少させる（ステップ４３）。そして同様に、適正範囲の下限（３００ｎｓ）より短い出力幅ではなく適正範囲の上限（４００ｎｓ）より長い出力幅だけが存在したかを判定し（ステップ４４）、存在した場合はその回数が所定の回数（例えば１０回）以上有ったか判断する（ステップ４５）。所定の回数以上であれば基準電圧を２制御単位（４ｍＶ）分増加させる（ステップ４６）。
【００３０】
所定の回数未満であれば基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分減少させる（ステップ４７）。そして範囲の下限との比較（ステップ４０）、上限との比較（ステップ４４）の結果、全ての出力幅が範囲内であったならば基準電圧は変更せずそのまま処理を終了する。このように流量計測時の出力幅計時手段１３の計時する出力幅が基準電圧を設定した際の出力幅を基に決定される所定の範囲から逸脱した回数に応じて基準電圧の再設定が行われる。
【００３１】
以上のように本実施例においては初期設定時に基準電圧を最小から最大に変化させ、そのときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する複数の変曲点の内、電圧差が最大となる二点の変曲点の中点に基準電圧を設定する基準設定手段１４としたことにより基準電圧を超音波の受信波の中で受信信号の電圧変動に対して一番安定して超音波信号の到達時期を検知出来る電圧に設定出来、また、基準電圧の設定後、流量計測時の出力幅計時手段１３の計時する出力幅が基準電圧を設定した際の出力幅を基に決定される所定の範囲から逸脱した場合に基準電圧の再設定が行われる。
【００３２】
これにより基準電圧の設定が人手を介することなく迅速に行われかつ、設定後、流量計測時に基準電圧が最適な電圧に保つことの出来る流量計測装置とすることが出来る。
【００３３】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や基準設定手段１４の所定比率や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００３４】
（実施例２）
図７は本発明の請求項７に係る第２の実施例のフローチャートである。第２の実施例の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００３５】
以上のように構成された流量計測装置について、以下実施例１と異なる基準設定手段１４の基準電圧設定動作後の動作、作用を説明する。繰り返し手段９に所定の繰り返し回数を設定することにより、流量計測が開始される。計時手段１０により伝搬時間の計時を開始した後（図７のステップ４８）、ゼロクロス点を検知する（ステップ５１）までは実施例１とは異なり、時間幅の計時は行なわない。所定の繰り返しが終了した（ステップ５２）後に、伝搬時間の計時を停止して（ステップ５３）、基準電圧の設定動作を行う。制御手段１２は繰り返し手段９の設定回数を１回に設定し、基準設定手段１４は基準電圧を増加させる（ステップ５４）。制御手段１２は送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（ステップ５５）、実施例１と同様に基準比較手段７において増幅手段６の出力と基準電圧とを比較し、その大小関係が反転した時点（ステップ５６）で出力幅計時手段１３が計時を開始して（ステップ５７）、再び、増幅手段６の出力と基準電圧の大小関係が反転した時点（ステップ５８）で出力幅計時手段１３が計時を停止する（ステップ５９）。
【００３６】
その後、判定手段８により超音波の到達ポイントを判定すると（ステップ６０）、送受信完了と判断する。制御手段１２は基準設定手段１４で出力幅計時手段１３が計時した出力幅の変曲点を検知する（ステップ６１）まで基準電圧を増加させながらステップ５４〜６１の一連の動作を繰り返す。変曲点が検知されると、基準設定手段１４は、基準電圧を初期値、すなわち伝搬時間計測（ステップ４８〜ステップ５３）で用いた値に設定後（ステップ６２）、ステップ５４〜６１と同様の処理を今度は基準電圧を下げながら実行する（ステップ６３〜７０）。以上の処理によって検出したふたつの変曲点の電圧を元に、基準設定手段１４は２変曲点間の中点の電圧に基準電圧を設定する（ステップ７１）。
【００３７】
以上のように本実施例においては流量計測終了後に基準電圧を増加もしくは減少させ、出力幅計時手段１３の計時した出力幅の変曲点間の中点の電圧に設定するので、基準電圧が初期設定動作に於いて設定された受信波との相対位置（受信波の２−３波または３−４波間等のどのピーク波の位置の間で設定されたか）で、出力幅の変曲点の中点の電圧に設定されるので設定に要する時間も短く、常に最適な基準電圧に保つことが出来る。なお、本実施例では、基準電圧の設定を流量計測後に行う構成としているが、流量計測の開始に先立って行う構成であっても良い。
【００３８】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や出力幅計時手段の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００３９】
（実施例３）
図８は本発明の請求項３に係る第３の実施例の流量計測装置のブロック図、図９は同装置のフローチャートである。
【００４０】
図８において１５は基準設定手段１４により基準電圧を設定した時の出力幅計時手段１３の出力幅を記憶する出力幅記憶手段である。他の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整と基準電圧設定を行う。実施例１と同様に基準電圧設定動作では基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する複数の変曲点の内、最大の電圧差が得られる二点の変曲点の中点に基準電圧を設定する。そしてこの設定した基準電圧での出力幅計時手段１３の計時した出力幅を出力幅記憶手段１５に記憶する。
【００４２】
以上の初期設定動作終了後に、図９のフローチャートで示す計測処理が実行される。制御手段１２は実施例１の図４と同様に繰り返し手段９に設定した回数、超音波の送受信を行う（ステップ７２〜８０）。そして流量計測後、出力幅計時手段１３が計時した出力幅の平均値を算出する（ステップ８１）。基準設定手段１４は算出した出力幅の平均値と出力幅記憶手段１５に記憶されている初期設定時に基準電圧を設定した際の出力幅とを比較し（ステップ８２、８４）、記憶していた値が平均値より所定値以上大きければ、基準電圧を減少し（ステップ８３）、平均値が記憶していた値より所定値以上大きければ、基準電圧を増加する（ステップ８４）。
【００４３】
以上のように本実施例においては流量計測後、基準設定手段１４により出力幅記憶手段１５に記憶されている初期設定時に基準電圧を設定した際の出力幅と、流量計測中の出力幅計時手段１３の出力幅の平均値とが比較され、その大小関係により基準電圧が調整されるものであり、これにより流量計測後、改めて出力幅を計時するための動作を必要とせずに基準電圧を最適な電圧に保つ流量計測装置とすることが出来る。
【００４４】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００４５】
（実施例４）
図１０は本発明の請求項９に係る第４の実施例の流量計測装置のブロック図、図１１は同装置のフローチャートである。
【００４６】
図１０において基準設定手段１４が制御手段１２から第１振動子及び第２振動子から超音波を送信する方向の信号を受け設定する基準電圧を変更する様にしたのが実施例１と異なるところであり、他の構成要素は実施例１と同じであるので説明は省略する。
【００４７】
以上のように構成された流量計測装置について、以下実施例３と異なる基準設定手段１４の動作、作用を説明する。制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整と基準電圧設定を行う。実施例１と同様に基準電圧設定動作では基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時する出力幅が大きく変化する複数の変曲点の内、最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定する。そして制御手段１２は、正流方向（流れの上流側から下流側へ向けての超音波伝搬）の流量計測を行うため、繰り返し手段９に設定した回数、超音波の送受信を行い流量計測（ステップ８６）を行う。なお、ステップ８６の動作は実施例３の図９におけるステップ７２からステップ８０までの一連の動作に相当する。
【００４８】
そして流量計測後、出力幅計時手段１３が計時した出力幅の平均値を算出する（ステップ８７）。そして制御手段１２は、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、逆流方向の流量計測を行い（ステップ８８）、その後、出力幅計時手段１３が計時した出力幅の平均値を算出する（ステップ８９）。基準設定手段１４は第１超音波振動子２及び第２超音波振動子３の送信方向別の平均出力幅を比較し（ステップ９０）、所定の差より大きい場合（例えば片方の出力幅が６００ｎｓ、もう片方が６７０ｎｓと１０％以上の差がある場合）に送信方向別に基準電圧の設定動作を行い（ステップ９１、９２）、以後方向に応じて別々の基準電圧を用いる。
【００４９】
以上のように本実施例においては流路を流れる流体の流量によって被測手流体の上流から下流と、下流から上流へと超音波信号を送信する方向で受信信号の感度の差が発生し、受信波の電圧と基準電圧との関係が変化し、その結果、出力幅計時手段が計時する出力幅が超音波信号を送信する方向で異なった場合にそれぞれの方向で最適な基準電圧の設定ができる。このように超音波信号の送信方向で受信信号の電圧に差が発生しても基準電圧を最適な電圧に保つ流量計測装置とすることが出来る。
【００５０】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、基準設定手段１４の所定の差や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にもに柔軟に対応できるものである。
【００５１】
（実施例５）
図１２は本発明の請求項１０に係る第５の実施例の流量計測装置のブロック図、であり、図１３は本発明の第５の実施例の流量計測装置の動作説明図である。図１４は同装置のフローチャートである。第５の実施例の構成要素は実施例１と同じであり、図１４において基準設定手段１４が出力幅計時手段１３の計時する出力幅の変曲点を認識する際に計時手段１０が計時している超音波信号の送受信の累積時間も併せて用いるようにしたのが実施例１と異なるところである。以上のように構成された流量計測装置について、以下実施例１と異なる基準設定手段１４の動作、作用を説明する。
【００５２】
制御手段１２は電源投入後、まず初期設定動作としてゲイン調整（ステップ９３）と基準電圧設定を行う。尚、本実施例の説明では実施例１と同様にゲイン調整の説明は省略する。最初に受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整した後、基準設定手段１４は基準電圧を設定範囲の最低の電圧に設定する（ステップ９４）。その後、制御手段１２は繰り返し手段９の繰り返し回数を１回に設定して、計時手段１０により、超音波の伝搬時間の計測を開始する（ステップ９５）と同時に、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する（ステップ９６）。この後、ゼロクロス点を検出するまでの動作（ステップ９７からステップ１０１）までは、実施例１の図３と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
ゼロクロス点検出後、計時手段１０は伝搬時間の計時を停止する（ステップ１０２）。そして、基準電圧が最大電圧に達するまで同様に、時間幅と伝搬時間の計測を行う（ステップ１０３）。基準電圧が最大電圧に達した後、後述する方法により変曲点の判断を行い（ステップ１０４）、基準設定手段１４は基準電圧を最小から最大に変化させたときの変曲点の内、最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定する（ステップ１０５）。つづいて、図１３および、図１５を用いて変曲点の判定方法について説明する。図１３に示すＴｐ１等のように大きく（例えば２００ｎｓ以上）変化しているかどうかを判断し（ステップ１０６）、変化していれば計時手段１０が計時している超音波信号の伝搬時間が前回と比較して超音波の駆動周波数（例えば５００ＫＨｚ）の１周期分（２μｓ）変化があるかを判断する（ステップ１０７）。以上ふたつの条件を満たした時には、変曲点と認識し（ステップ１０８）、それ以外は、変曲点とは見なさない。図１３は基準設定手段１４が基準電圧を最小から最大に変化させたときの出力幅計時手段１３の計時した出力幅と計時手段１０が計時する超音波信号の伝搬時間の前回との差を示した図である。
【００５４】
図のように出力幅の変曲点Ｔｐ１、Ｔｐ２．．．では計時手段１０の計時する超音波信号の伝搬時間の前回との差は超音波信号の駆動周波数の１周期分（２μｓ）異なる。つまり超音波信号の受信信号の各波のピーク電圧位置を検知するのに出力幅計時手段１３の計時する出力幅に加え、計時手段１０の計時時間とを併せて判定することにより出力幅だけで判定するよりもノイズ等、計時誤差に対して誤判断することなく、確実に変曲点を判定出来る。
【００５５】
以上のように本実施例においては基準設定手段は出力幅計時手段の計時する出力幅の変曲点を認識する際に計時手段が計時している超音波信号の送受信の累積時間も併せて用い、それにより認識した最大間隔の変曲点間の中点に基準電圧を設定することにより変曲点の判定を確実に行うことが出来、最適な基準電圧とすることが出来る。このように基準電圧の設定が人手を介することなく迅速に行われかつ、基準電圧が最適な電圧に設定出来る流量計測装置とすることが出来る。
【００５６】
また、本実施例の流量計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２の所定時間や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る流量計測装置によれば、超音波の受信信号の電圧変動が発生しても、一番安定して超音波信号の到達時期を検知出来る点に基準電圧を設定することが出来る。
【００５８】
また、流量計測時の受信信号の変化に応じて、基準電圧の自動的に補正し、最適な電圧に保つことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図
【図２】 同装置の動作を説明する図
【図３】 同装置の基準電圧の設定動作を説明するフローチャート
【図４】 同装置の動作を説明するフローチャート
【図５】 同装置の流量計測の動作を説明する図
【図６】 同装置の流量計測の他の動作を説明するフローチャート
【図７】 本発明の実施例２における流量計測装置の動作を説明するフローチャート
【図８】 本発明の実施例３における流量計測装置のブロック図
【図９】 同装置のフローチャート
【図１０】 本発明の実施例４における流量計測装置のブロック図
【図１１】 同装置のフローチャート
【図１２】 本発明の実施例５における流量計測装置のブロック図
【図１３】 同装置の動作説明図
【図１４】 同装置の動作を説明するフローチャート
【図１５】 同装置の変曲点の判定方法を示すフローチャート
【図１６】 従来の流量計測装置のブロック図
【図１７】 同装置の動作説明図
【図１８】 同装置の別の動作説明図
【符号の説明】
１ 流路
２ 第１超音波振動子
３ 第２超音波振動子
４ 切換手段
５ 送信手段
６ 増幅手段
７ 基準比較手段
８ 判定手段
９ 繰り返し手段
１０ 計時手段
１１ 流量算出手段
１２ 制御手段
１３ 出力幅計時手段
１４ 基準設定手段
Claims (3)
- 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記超音波信号の送受信の時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時した時間に基づいて流量を算出する流量算出手段と、前記第１振動子及び前記第２振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記基準比較手段の出力期間を計時する出力幅計時手段と、前記基準比較手段の基準電圧を設定する基準設定手段を備え、前記基準設定手段の設定電圧を最小から最大まで変化させながら前記設定電圧と前記出力幅計時手段の出力の関係を記録し、出力幅計時手段の出力が大きく変化する点を変曲点と判断する判断工程と、前記判断工程で得られた変曲点の内、電圧差が最も大きくなる二点間の任意の一点を基準電圧として選択する選択工程と、前記選択工程で得られた電圧を前記基準設定手段の設定値と定めて前記計時手段と流量計測手段を動作させ流量値を求める計測工程とを備えたことを特徴とする流量計測装置。
- 選択工程で選択された基準電圧に対する出力幅計時手段の出力幅近傍を適正範囲と定めて、計測工程において出力幅計時手段の出力が前記適正範囲から外れた場合には、基準電圧を変更することを特徴とする請求項１記載の流量計測装置。
- 選択工程で選択された電圧に対する出力幅計時手段の出力幅を記録する出力幅記憶手段を備え、計測工程時の出力幅計時手段の出力と前記出力幅記憶手段の記憶した値との差に応じて基準電圧を変更する請求項１に記載の流量計測装置。
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