JP4764064B2

JP4764064B2 - 超音波流量計

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Publication number: JP4764064B2
Application number: JP2005137699A
Authority: JP
Inventors: 博史吉倉; 耕一田代
Original assignee: トキコテクノ株式会社
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: JP2006317187A

Description

本発明は、超音波を利用してガスや液体といった被測流体の流量を計測する超音波流量計に関する。

従来、この種の超音波流量計は、被測流体が流れる管路に１対の超音波センサを流れ方向に取り付け位置をずらして流路を挟んで対向配置し、被測流体の流れに対して、順方向（上流側の超音波センサを送信センサ、下流側の超音波センサを受信センサとして用いた場合）、逆方向（下流側の超音波センサを送信センサ、上流側の超音波センサを受信センサとして用いた場合）交互に超音波パルスを送受信し、超音波パルスが流れ方向と順方向に伝播される場合と流れ方向と逆方向に伝播される場合との超音波パルスの伝播時間差に基づいて被測流体の流速を求め、この流速から流量を演算する構成になっている。

特開平７−３１１０６２号公報

上述した従来構造の超音波流量計では、その測定精度の向上をはかるために、被測流体の流量を測定するための測定管路の直管長を確保して測定管路内部の流速分布が整った状態で測定する必要があった。

そのため、一般的に、被測流体が流れる測定管路の直管長が確保できる場合は、検出器を構成する一対（１組）の超音波センサを被測流体の流れ方向に取り付け位置をずらして流路を挟んで対向配置し、当該一対の超音波センサを用いて１測線の流速測定を行えばよいが、測定管路の直管長が確保できず流速分布が乱れた状態で測定しなければならない場合は、複数対（２組以上の複数組）の検出器を用いて多測線（マルチパス）の流速測定を行い、これら検出器によるそれぞれ流速検出から被測流体の平均流速を求め、その上で流量を求める必要があった。

しかしながら、このような多測線の流速測定が可能な従来の超音波流量計では、検出器を構成する超音波センサのセンサ数が増加し、これに伴い回路処理も複雑化することによって、大規模で高価なシステムとなってしまうという問題点があった。

また、上述した従来構造の１測線及び多測線の超音波流量計では、被測流体中を伝播する超音波パルスの送受信を一対（各対）の超音波センサ同士間でのみ行う構成になっているため、被測流体の流量が高流量（高流速）である場合には、送信側の超音波センサから送信した超音波パルスの伝播到来位置が下流側に流されて、受信側の超音波センサの受圧面（検出面）の流れ方向下流側に変位してしまうため、測定に必要な受信音圧が確保できなくなるという問題点もあった。

本発明は上記した問題点を鑑みてなされたものであって、被測流体の流速分布が乱れた状態の測定精度の向上をはかるとともに、同時に高流量側まで測定範囲の拡大をはかった超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明の超音波流量計は、上記した問題点を解決するために、被測流体が流れる流路を介して超音波センサ間で超音波を送受信し、被測流体を伝播する超音波の伝播時間に基づいて被測流体の流量を算出する超音波流量計であって、超音波を送受信する超音波センサが被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて複数配置されて形成された第１の超音波センサ列と、第１の超音波センサ列に対して被測流体の流れ方向に位置をずらし、超音波を送受信する超音波センサが被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて複数配置されて形成された第２の超音波センサ列と、第１及び第２の超音波センサ列を形成する複数の超音波センサの中から、送信センサとして１つの超音波センサを順次選択する送信センサ選択手段と、送信センサ選択手段が１つの超音波センサを送信センサとして順次選択する毎に、第１及び第２の超音波センサ列の中、当該選択された１つの超音波センサが含まれない第１又は第２いずれか側の超音波センサ列の複数の超音波センサを受信センサとして選択する受信センサ選択手段と、送信センサ選択手段が１つの超音波センサを送信センサとして選択し、当該選択された１つの超音波センサに対応して受信センサ選択手段が第１又は第２いずれか側の超音波センサ列の複数の超音波センサを受信センサとして選択する毎に、当該送信センサとして選択された１つの超音波センサから被測流体中に向けて超音波を送出させるとともに、当該送出された超音波を当該受信センサとして選択された複数の超音波センサそれぞれにより受信させ、当該複数の超音波センサそれぞれの受信出力に基づき、当該１つの超音波センサから当該複数の超音波センサそれぞれへの被測流体を介した超音波の伝搬時間を多測線計測する伝播時間計測手段と、送信センサ選択手段が送信センサを第１及び第２の超音波センサ列を形成する複数の超音波センサの範囲で順次変更する間に、伝播時間計測手段によって多測線計測される伝搬時間を基に被測流体の流量を算出する流量算出手段とを備え、伝播時間計測手段が伝搬時間を多測線計測する際の、１つの超音波センサと複数の超音波センサそれぞれとを結ぶ各測線は、被測流体の流れ方向に対して並行でも垂直でもなく、互いに異なる鋭角角度を有して被測流体の流れ方向に超音波の伝搬方向から交差する２つの測線を含み、第１及び第２の超音波センサ列を形成する各超音波センサは、超音波を送出する指向角中心が、相手側の超音波センサ列における被測流体の流れ方向に隣り合う２つの超音波センサ間の中間点になるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の超音波流量計では、第１の超音波センサ列は、被測流体の流路を挟んだ一側に被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて配置された２つの超音波センサからなり、第２の超音波センサ列は、第１の超音波センサ列に対して被測流体の流れ方向に位置をずらし、被測流体の流路を挟んだ他側に被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて配置された２つの超音波センサからなることを特徴とする。また、本発明の超音波流量計では、流量算出手段は、送信センサ選択手段が送信センサを前記第１及び第２の超音波センサ列を形成する複数の超音波センサの範囲で順次変更する間に、伝播時間計測手段によって取得される複数の伝搬時間の中から、第１及び第２の超音波センサ列それぞれの１つの超音波センサ同士の組み合わせが同じで超音波の伝搬路の長さが略等しい伝搬時間の対を抽出し、当該抽出した伝搬時間の対それぞれを基に算出した被測流体の流量を平均化して被測流体の流量を求めることを特徴とする。

本発明の超音波流量計によれば、被測流体の流速分布が乱れた状態であっても、一対の超音波センサから構成される検出器を多測線化した場合と同じ効果を、超音波センサのセンサ数の増加を抑えて達成することができ、被測流体の流量測定精度の向上がはかれる。同時に、高流量時には、下流側の受信センサとしての超音波センサとの間で測線の確保ができ、計測に必要な音圧を確保することができるため、高流量側の計測範囲を拡大することができる。

本発明の一実施の形態の超音波流量計について、図面とともに説明する。
図１は、本実施の形態の超音波流量計の概略横断面図とシステムブロック図である。
図１において、超音波流量計１は、被測流体としてのガス（気体）や液体が流れる流路２を形成する管路（測定管路）３が設けられた流量計本体４に、超音波パルスを送受信可能な送受信兼用の超音波センサ２１〜２４が被測流体の流れ方向に流路２を挟んで対向配置されて構成されている。

超音波センサ２１〜２４は、超音波センサ２１，２３が被測流体の流れ方向に沿って予め設定された所定間隔だけ離間させて管路３の流路２を挟んだ一側に設けられ、超音波センサ２１，２３それぞれの対となる超音波センサ２２，２４が、超音波センサ２１，２３それぞれに対して被測流体の流れ方向に予め所定距離だけ位置をずらして、互いに被測流体の流れ方向に沿って同様に所定間隔だけ離間させて管路３の流路２を挟んだ他側に配置されて設けられた構成になっている。

これにより、超音波センサ２１と超音波センサ２２との間の超音波パルスの伝播路長Ｌ12は、超音波センサ２３と超音波センサ２４との間の超音波パルスの伝播路長Ｌ34と略等しく構成されている。また、超音波センサ２１と超音波センサ２４との間の超音波パルスの伝播路長Ｌ14は、超音波センサ２１と超音波センサ２２との間、及び超音波センサ２３と超音波センサ２４との間のそれぞれ伝播路長Ｌ12，Ｌ34よりも長く形成され、超音波センサ２３と超音波センサ２２との間の超音波パルスの伝播路長Ｌ32は、超音波センサ２１と超音波センサ２２との間、及び超音波センサ２３と超音波センサ２４との間のそれぞれ超音波パルスの伝播路長Ｌ12，Ｌ34よりも短く形成されている。

これら各超音波センサ２１〜２４の流量計本体４の管路３に対する取り付けは、管路３の管壁外周面に開口して形成された図示省略する有底の取付孔内に嵌合させて設けたり、クランプオン式により管路３の外周面に音響接合材を介して直接取り付けたりすること等によって行われる。

超音波センサ２１〜２４は、各超音波センサを送信センサ又は受信センサとして用いる場合に切り替える送信／受信切替スイッチ３１〜３４に接続されている。各送信／受信切替スイッチ３１〜３４の送信側切替端は、送信切替スイッチ４１〜４３を介してパルス発生器６０に接続されている。また、各送信／受信切替スイッチ３１〜３４の受信側切替端の中、流れ方向上流側に流路２を挟んで配置された一対の超音波センサ２１，２２それぞれに接続された送信／受信切替スイッチ３１，３２の受信側切替端は、受信切替スイッチ５１を介して上流側受信回路７１に接続され、また、流れ方向下流側に流路２を挟んで配置された一対の超音波センサ２３，２４それぞれに接続された送信／受信切替スイッチ３３，３４の受信側切替端は、受信切替スイッチ５２を介して下流側受信回路７２に接続されている。

上流側受信回路７１は、上流側の超音波センサ２１又は超音波センサ２２が受信する受信信号を増幅・波形成形して、流量計測制御手段としてのマイコン（マイクロコンピュータ）８０に、超音波センサ２１又は超音波センサ２２が被測流体を介して伝播される超音波パルスを受信したタイミングを伝達する。同様に、下流側受信回路７２は、下流側の超音波センサ２３又は超音波センサ２４が受信した受信信号を増幅・波形成形して、流量計測制御手段としてのマイコン８０に、超音波センサ２３或いは超音波センサ２４が被測流体を介して伝播される超音波パルスを受信したタイミングを伝達する。

マイコン８０は、流量計測制御手段として、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信切替スイッチ４１〜４３、及び受信切替スイッチ５１，５２と図示しない配線で接続され、これらスイッチ３１〜３４，４１〜４３，５１，５２を後述する所定のタイミングで切り替えて、超音波センサ２１〜２４それぞれを送信センサ又は受信センサとして選択的に機能させる。

具体的には、マイコン８０は、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信／受信切替スイッチ４３、及び受信切替スイッチ５１，５２を切替制御して、流路２を挟んで一方側の超音波センサ２１，２３（２２，２４）を送信側に、他方側の超音波センサ２２，２４（２１，２３）を受信側として選択的に機能させる。

さらに、マイコン８０は、この送信側として選択された超音波センサ２１，２３（２２，２４）が接続された送信切替スイッチ４１（４２）を切替制御して、この超音波センサ２１，２３（２２，２４）の中の一方をパルス発生器６０と選択的に接続し、送信センサとして機能させる。

これにより、マイコン８０は、送信側として選択された超音波センサ２１，２３（２２，２４）の中の一方を１つの送信センサとし、受信側として選択された超音波センサ２２，２４（２１，２３）それぞれを２つの受信センサとする２測線流量計測環境を設定する。

したがって、マイコン８０は、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信／受信切替スイッチ４１〜４３、及び受信切替スイッチ５１，５２を切替制御して、送信センサとして機能させる超音波センサを超音波センサ２１〜２４間で選択切り替えすることによって、１つの送信センサと２つの受信センサとから構成される２測線流量計測環境を、４種類（すなわち、超音波センサの数分だけ）形成することができる。

また、マイコン８０は、上述のようにして形成可能な４種類の２測線流量計測環境それぞれにおいて、選択した１つの送信センサから被測流体中に送出された超音波パルスが、被測流体中を伝播して、同じく選択した２つの受信センサそれぞれに入力されるまでの各測線毎の超音波パルス伝播時間ｔを計測する。

具体的には、マイコン８０は、１つの２測線流量計測環境において、送信タイミング信号Ｓmをパルス発生器６０に出力して超音波パルス発生パルスを生成させ、選択した１つの送信センサとしての超音波センサ（すなわち、超音波センサ２１〜２４のいずれか）から被測流体中に向けて、この超音波パルス発生パルスに基づく超音波パルスを送出させる。

そして、この１つの送信センサとして選択された超音波センサから送出された超音波パルスが、被測流体中を伝播して２つの受信センサとして選択された超音波センサ（すなわち、超音波センサ２２，２４（２１，２３））それぞれによって受信され、受信回路７１，７２からそれぞれ対応した超音波センサについての受信タイミング信号Ｓnが供給されると、マイコン８０は、前述したパルス発生器６０への送信タイミング信号Ｓmの出力タイミングと、この受信回路７１，７２からそれぞれ供給される受信タイミング信号Ｓnの入力タイミングとから、この２測線流量計測環境における各測線毎の超音波パルス伝播時間ｔmnを計測する。

次に、このように構成された本実施の形態の超音波流量計１における作用について説明する。

図２は、本実施の形態の超音波流量計のあるタイミングでの、各スイッチのそれぞれ設定と信号の流れとの説明図である。

図示の状態では、マイコン８０は、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信切替スイッチ４１〜４３及び受信切替スイッチ５１，５２を切り替えて、流路２を挟んで一方側の超音波センサ２１を１つの送信センサとして機能させ、他方側の超音波センサ２２，２４を２つの受信センサとして機能させた２測線流量計測環境Ａを設定している。

次に、図２に示した切替設定状態（すなわち、２測線流量計測環境）Ａを例に、超音波パルスの送受信タイミングについて説明する。

マイコン８０は、この切替設定状態Ａにおいて、まずパルス発生器６０にパルス信号からなる送信タイミング信号Ｓ1を出力する。パルス発生器６０は、この送信タイミング信号Ｓ1が供給されると、所定のパルス幅からなる超音波パルス発生パルスを、スイッチ４３，４１，３１を介して、１つの送信センサとしての超音波センサ２１に供給する。

超音波センサ２１は、このパルス発生器６０からの超音波パルス発生パルスの供給により、被測流体としての気体（ガス）や液体が流れる流路２中に、所定のパルス幅からなる超音波パルスを発射する。この流路２中に発射された超音波パルスは、管路３の流路２を流れる被測流体中をその流速（単位時間当たりの流量の大きさ）に応じた伝播時間ｔを要して伝播し、２つの受信センサとしての超音波センサ２２，２４に到達する。

超音波センサ２２で受信された超音波パルスの受信信号は、スイッチ３２，５１を介して、上流側受信回路７１に超音波受信信号として入力される。上流側受信回路７１では、この超音波パルス受信信号を増幅し、その増幅出力が予め定められている所定の閾値を超えたところで、パルス信号からなる受信タイミング信号Ｓ12をマイコン８０に出力する。同様に、超音波センサ２４で受信された超音波パルスの受信信号は、スイッチ３４，５２を介して、下流側受信回路７２に超音波受信信号として入力される。下流側受信回路７２では、この超音波パルス受信信号を増幅し、その増幅出力が予め定められている所定の閾値を超えたところで、パルス信号からなる受信タイミング信号Ｓ14をマイコン８０に出力する。

マイコン８０は、超音波パルス信号の送出時に対応するパルス発生器６０に対する送信タイミング信号Ｓ1の立ち上がり時（出力時）から、上流側受信回路７１及び下流側受信回路７２それぞれによる超音波パルス信号の受信時に対応する受信タイミング信号Ｓ12，Ｓ14の立ち上がり時（入力時）までの時間をそれぞれ計測し、超音波センサ２１から超音波センサ２２への超音波Ｔ12の伝播時間ｔ12と、超音波センサ２１から超音波センサ２４への超音波Ｔ14の伝播時間ｔ14とを得て、この伝播時間ｔ12，ｔ14をその内部メモリに記憶する。

本実施の形態の場合では、次に、マイコン８０は、受信センサとしての超音波センサ２２，２４は切り替えることなくそのままにして、スイッチ４１だけを切り替えて送信用センサのみを超音波センサ２１から超音波センサ２３に切り替え変更し、その２測線流量計測環境Ａを２測線流量計測環境Ｂに切り替える。

そして、マイコン８０は、前述の送信タイミング信号Ｓ1の出力時点から所定時間経過したならば、パルス発生器６０に送信タイミング信号Ｓ3としてのパルス信号を出力し、上記説明と同様な手順で超音波パルスの送受信を行い、受信回路７１から受信タイミング信号Ｓ32、受信回路７２から受信タイミング信号Ｓ34を得る。

これにより、マイコン８０は、超音波センサ２３から超音波センサ２２への超音波Ｔ32の伝播時間ｔ32、超音波センサ２３から超音波センサ２４への超音波Ｔ34の伝播時間ｔ34とを得て、この伝播時間ｔ32，ｔ34をその内部メモリに記憶する。

次に、マイコン８０は、流路２を挟んで送・受信側が反対に入れ替わるように、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信切替スイッチ４１〜４３及び受信切替スイッチ５１，５２を図３に示す状態に切り替え、今度は、流路２を挟んで他方側の超音波センサ２２を１つの送信センサとして機能させ、一方側の超音波センサ２１，２３を２つの受信センサとして機能させるように切り替え、その２測線流量計測環境を切り替える。

図３は、図２に示したタイミングとは送・受信側が反対に入れ替わったタイミングでの、各スイッチの設定と信号の流れとの説明図である。

図示の例では、マイコン８０は、流路２を挟んで送・受信側を反対に入れ替えるに当たり、図３に示しように、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信切替スイッチ４１〜４３及び受信切替スイッチ５１，５２を切り替えて、まず、流路２を挟んで他方側の超音波センサ２２を１つの送信センサとして機能させ、一方側の超音波センサ２１，２２を２つの受信センサとして機能させた２測線流量計測環境Ｃを設定する。

その上で、マイコン８０は、前述のパルス発生器６０に対する送信タイミング信号Ｓ3の出力時点からさらに所定時間経過ならば、パルス発生器６０に送信タイミング信号Ｓ2としてのパルス信号を出力し、上記説明と同様な手順で超音波パルスの送受信を行い、受信回路７１から受信タイミング信号Ｓ21、受信回路７２から受信タイミング信号Ｓ23を得る。

これにより、マイコン８０は、超音波センサ２２から超音波センサ２１への超音波Ｔ21の伝播時間ｔ21と、超音波センサ２２から超音波センサ２３への超音波Ｔ23の伝播時間ｔ23とを得て、この伝播時間ｔ21，ｔ23をその内部メモリに記憶する。

次に、マイコン８０は、受信センサとしての超音波センサ２１，２３は切り替えることなくそのままにして、スイッチ４２だけを切り替えて送信用センサのみを超音波センサ２２から超音波センサ２４に切り替え変更し、その２測線流量計測環境Ｃを２測線流量計測環境Ｄに切り替える。

その上で、マイコン８０は、前述のパルス発生器６０に対する送信タイミング信号Ｓ2の出力時点からさらに所定時間経過ならば、パルス発生器６０に送信タイミング信号Ｓ4としてのパルス信号を出力し、上記説明と同様な手順で超音波パルスの送受信を行い、受信回路７１から受信タイミング信号Ｓ41、受信回路７２から受信タイミング信号Ｓ43を得る。

これにより、マイコン８０は、超音波センサ２４から超音波センサ２１への超音波Ｔ41の伝播時間ｔ41と、超音波センサ２４から超音波センサ２３への超音波Ｔ43の伝播時間ｔ43を得て、この伝播時間ｔ41，ｔ43をその内部メモリに記憶する。

このようにして、マイコン８０は、２測線流量計測環境の変化に同期させながら、送信用センサとしての超音波センサ２１，２３，２２，２４を順次走査切り替えして超音波パルスを流路２中に出射（送出）し、この出射された超音波パルスを流路２を挟んで相対する側の受信用センサとしての超音波センサ２２，２４（２１，２３）によって受信するのを繰り返し行うことによって、超音波Ｔ12〜Ｔ43の伝播時間ｔ12〜ｔ43の計測を繰り返し行う。

図４は、本実施の形態の超音波流量計によって計測記憶されたある一定流量時の超音波Ｔ12〜Ｔ43の伝播時間ｔ12〜ｔ43のタイムチャートである。

なお、実際は、超音波センサ２１，２３，２２，２４を順次走査して走査切り替えして超音波パルスを流路２中に出射（送出）する関係上、超音波Ｔ12〜Ｔ43それぞれの送出タイミングは超音波Ｔ12〜Ｔ43相互に異なるが、図４では、超音波Ｔ12〜Ｔ43それぞれの伝播時間が比較し易いように、超音波Ｔ12〜Ｔ43それぞれの送出タイミングを便宜的に一致させて表している。

図４に示すように、この場合、いずれの２測線計測環境においても、被測流体中を伝播する超音波パルスに影響を及ぼす流速は変わらないので、被測流体中を伝播する超音波パルスの伝播時間ｔは、送信側の超音波センサ（すなわち、超音波センサ２１〜２４のいずれか）と受信側の超音波センサ（すなわち、超音波センサ２２，２４（２１，２３））との送受信距離に関係する。そのため、超音波パルスの出射（送出）方向が被測流体の流れに対して順方向で、送受信距離が最も短い、超音波Ｔ32の伝播時間ｔ32が最も短くなり（図４中、Ｂ２）、逆に、超音波パルスの出射（送出）方向が被測流体の流れに対して逆方向で、送受信距離が最も長い、超音波Ｔ41の伝播時間ｔ41が最も長くなる（図４中、Ｄ２）。また、超音波Ｔ12と超音波Ｔ21，超音波Ｔ14と超音波Ｔ41，超音波Ｔ32と超音波Ｔ23，超音波Ｔ34と超音波Ｔ43は、それぞれ前者と後者とでは送受信距離Ｌは同じであるが、超音波パルスの出射（送出）方向が被測流体の流れに対して順方向か逆方向かで、被測流体の流速ｖの影響の仕方が異なり伝播時間差が生じるため、順方向の超音波Ｔ12，Ｔ14，Ｔ32，Ｔ34の場合が、逆方向の超音波Ｔ21，Ｔ41，Ｔ23，Ｔ43の場合よりも、伝播時間ｔが短くなっている。

その上で、マイコン８０は、流量計測制御手段として、上記のような被測流体中を伝播する超音波パルスの伝播時間ｔの特性を利用して、内部メモリに記憶されている前術の伝播時間ｔ12〜ｔ43から、被測流体の流量（流速）の演算を行う。

マイコン８０は、これら求めた伝播時間ｔから、被測流体の流速ｖと伝播時間ｔの間に次のような関係が成り立つことに基づいて、被測流体の流速ｖを算出する。

例えば、超音波センサ２１から超音波センサ２２に超音波パルスが被測流体の流れ方向に対して順方向に伝播する場合と、超音波センサ２２から超音波センサ２１に超音波パルスが被測流体の流れ方向に対して逆方向に伝播する場合とでは、超音波センサ２１から超音波センサ２２に超音波パルスが順方向に伝播する場合は、超音波パルスは上流側から下流側に向かうため、その伝播時間ｔ12は被測流体の流れがない場合に比べて被測流体の流速ｖの影響を受けて早くなり、逆に、超音波センサ２２から超音波センサ２１に超音波パルスが逆方向に伝播する場合は、超音波パルスは下流側から上流側に向かうため、その伝播時間ｔ21は、被測流体の流れがない場合に比べて被測流体の流速ｖの影響を受けて遅くなる。

この伝播時間差dｔ12（＝Ｔ21−Ｔ12）は、被測流体の流れ、すなわち流速ｖの大きさに比例することから、被測流体の流量Ｑは、超音波センサ２１，２２間の伝播距離Ｌ12と伝播時間差dｔ12とから求めることができる。

そこで、マイコン８０は、記憶された伝播時間ｔ12〜ｔ43の中から、同じ伝播路上を伝達した超音波の伝播時間差dｔ12（＝ｔ21−ｔ12），dｔ14（＝ｔ41−ｔ14），dｔ32（＝ｔ23−ｔ32），dｔ34（＝ｔ43−ｔ34）を算出する。

そして、マイコン８０は、これら算出した伝播時間差dｔ12，dｔ14，dｔ32，dｔ34と、対応する伝播路長Ｌ12，Ｌ14，Ｌ32，Ｌ34とから、４測線の被測流体の流量Ｑ12，Ｑ14，Ｑ32，Ｑ34をそれぞれ求める。

その上で、マイコン８０は、上述した４測線の被測流体の流量Ｑ12，Ｑ14，Ｑ32，Ｑ34を平均化して、被測流体の流量Ｑを算出する。

この４つの伝播時間差dｔ12，dｔ14，dｔ32，dｔ34からそれぞれ流量Ｑ12，Ｑ14，Ｑ32，Ｑ34を求めて平均化することは、一対の超音波センサによって構成される検出器を４組用いて４測線（マルチパス）の流速測定を行い、これら４つの検出器によるそれぞれ流速検出から被測流体の平均流速を求めることと同じである。

したがって、本実施の形態のように、複数の超音波センサ２１〜２４の中から、１つの送信センサと２つ（複数）の受信センサとから構成される２測線流量計測環境（多測線流量計測環境）を、その１つの送信センサとして機能する超音波センサを切り替えながら変化させていくことによって、より多くの伝播路（測線）を取得できることになり、一対の超音波センサより構成される検出器を複数有して多測線化したことと同様な効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、マイコン８０は、内部メモリに記憶されている伝播時間ｔ12〜ｔ43から、被測流体の流量Ｑ（Ｑ12，Ｑ14，Ｑ32，Ｑ34）の演算を行うに当たり、同じ伝播路上をそれぞれ被測流体の流れ方向に対して順方向と逆方向とに伝播した超音波パルスの伝播時間差dｔに基づき演算する実施例で説明したが、この伝播時間ｔ12〜ｔ43に基づく被測流体の流量Ｑの演算は、別の演算方法によっても求めることができる。

超音波センサ２１から超音波センサ２２，２４までのそれぞれ距離をＬ12，Ｌ14、被測流体の流れがない場合（被測流体の流速が０である場合）の被測流体中の超音波パルスの伝播速度をｃ、流路２における被測流体の流れ方向に対して、超音波センサ２１と超音波センサ２２，２４それぞれとの間の伝播路Ｌ_１２，Ｌ_１４のなす角度をθ12，θ14とすると、距離（伝播路長）Ｌ12，Ｌ14や角度θ12，θ14は通常設計段階で既知であることから、被測流体の流量（流速）ｖ（この場合は、ｖ1）は次式のようにして求めることができる。

なお、超音波パルスの出射（送出）方向が流れ方向に対して逆方向の、例えば超音波センサ２２が１つの送信センサとして選択された２測線流量計測環境Ｃの場合は、次のようにして被測流体の流量（流速）ｖ（この場合は、ｖ2）を求めることができる。

すなわち、上述した場合では、１つの送信センサとして超音波センサ２１（又は２２）を選択することにより得られる２測線（図２参照）で、被測流体の流速ｖ1（又はｖ2）を求めることができる。したがって、機能する超音波センサを切り替えながら２測線流量計測環境を変化させていく毎に、３つの超音波センサで音速ｃに影響されずに被測流体の管内流速ｖ1〜ｖ4を計測することができ、４種類の２測線流量計測環境Ａ〜Ｄでそれぞれ被測流体の流量Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4を求めることができる。そして、この場合も、一対の超音波センサより構成される検出器を複数有して多測線化したことと同様な効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、４つの超音波センサ２１〜２４で４本の伝播経路を構成したが、４つ以上の超音波センサでさらに複数の伝播経路を構成することも可能であり、さらなる計測精度の向上をはかることも可能である。

次に、図５及び図６に基づいて、被測流体の流速がかなり速くなった場合の計測方法について説明する。

超音波センサ２１と超音波センサ２２、超音波センサ２３と超音波センサ２４は、流路２における被測流体の流れ方向と垂直な方向に対して、ある設定された角度θ（すなわち、π/２−θ12，π/２−θ34）で取り付けられる。

そして、超音波センサ２２と超音波センサ２４との取り付け間隔距離Ｐは、超音波センサ２２，２４の指向角によって決まり、超音波センサ２１は超音波センサ２２と超音波センサ２４との間の中間点（Ｐ/２）に焦点がくるように取り付け角度が決められる。

ここで、被測流体の流速ｖがかなり速くなると、超音波センサ２１〜２４から送出され被測流体中を伝播する超音波Ｔは、下流側により一層流されて曲がる。

図５は、被測流体の流速がかなり速くなった場合の、図２に示したタイミングでの各スイッチのそれぞれ設定と信号の流れとの説明図である。

図示の状態は、マイコン８０は、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信切替スイッチ４１〜４３及び受信切替スイッチ５１，５２を切り替えて、流路２を挟んで一方側の超音波センサ２１又は超音波センサ２３を１つの送信センサとして機能させ、他方側の超音波センサ２２，２４を２つの受信センサとして機能させた２測線流量計測環境Ａ又はＢを設定している。

２測線流量計測環境Ａにおいて、超音波センサ２２の指向角以上に超音波の伝播経路が曲がった場合、超音波Ｔ12は超音波センサ２２で受信できなくなり、受信回路５１は受信タイミング信号Ｓ12をマイコン８０に供給できなくなる。しかし、その場合であっても、下流側にある超音波センサ２４では上流から流れてくる、超音波センサ２１から送出され被測流体中を伝播する超音波Ｔ12を受信でき、十分な受信電圧を確保することができる。これにより、受信回路５２は安定して受信タイミング信号Ｓ12を、マイコン８０に送ることが可能である。

同様にして、２測線流量計測環境Ｂにおいて、超音波センサ２２の指向角以上に超音波の伝播経路が曲がった場合、超音波Ｔ32は超音波センサ２２で受信できなくなり、受信回路５１は受信タイミング信号Ｓ12をマイコン８０に供給できなくなる。しかし、その場合であっても、下流側にある超音波センサ２４では上流から流れてくる超音波センサ２２から送出され被測流体中を伝播する超音波Ｔ32を受信でき、十分な受信電圧を確保することができる。これにより、受信回路５２は安定して受信タイミング信号Ｓ32を、マイコン８０に送ることが可能である。

図６は、被測流体の流速がかなり速くなった場合の、図２に示したタイミングとは送・受信側が反対に入れ替わったタイミングでの、各スイッチの設定と信号の流れとの説明図である。

図示の状態は、マイコン８０は、送信／受信切替スイッチ３１〜３４、送信切替スイッチ４１〜４３及び受信切替スイッチ５１，５２を切り替えて、流路２を挟んで他方側の超音波センサ２２又は超音波センサ２４を１つの送信センサとして機能させ、一方側の超音波センサ２１，２３を２つの受信センサとして機能させた２測線流量計測環境Ｃ又はＤを設定している。

この２測線流量計測環境Ｃにおいても、超音波センサ２１の指向角以上に超音波の伝播経路が曲がった場合、超音波Ｔ21は超音波センサ２１で受信できなくなり、受信回路５１は受信タイミング信号Ｓ21をマイコン８０に供給できなくなる。しかし、その場合であっても、下流側にある超音波センサ２３では上流から流れてくる超音波センサ２２から送出され被測流体中を伝播する超音波Ｔ1を受信でき、十分な受信電圧を確保することができる。これにより、受信回路５２は安定して受信タイミング信号Ｓ21を、マイコン８０に送ることが可能である。

同様にして、２測線流量計測環境Ｄにおいて、超音波センサ２１の指向角以上に超音波の伝播経路が曲がった場合、超音波Ｔ41は超音波センサ２１で受信できなくなり、受信回路５１は受信タイミング信号Ｓ41をマイコン８０に供給できなくなる。しかし、その場合であっても、下流側にある超音波センサ２３では上流から流れてくる超音波センサ２４から送出され被測流体中を伝播する超音波Ｔ41を受信でき、十分な受信電圧を確保することができる。これにより、受信回路５２は安定して受信タイミング信号Ｓ41を、マイコン８０に送ることが可能である。

そこで、マイコン８０は、常に受信回路５１と受信回路５２からの受信タイミング信号Ｓ12の間隔を監視し、ある所定時間以上、上流側の受信センサに接続される受信回路５１から受信タイミング信号Ｓnの受信パルスが入力されない場合には、被測流体の流速ｖが速くなったと判断して、図５，図６に示すように、受信回路５２は、下流側に流された超音波Ｔ12,Ｔ32,Ｔ21,Ｔ41の受信タイミング信号Ｓ12,Ｓ32,Ｓ21,Ｓ41を供給するようになるため、この受信タイミング信号Ｓ12,Ｓ32,Ｓ21,Ｓ41の供給に基づいて伝播時間ｔ12,ｔ32,ｔ21,ｔ41を計測できる構成になっている。

そこで、マイコン８０では、ある所定時間以上受信回路５１から受信タイミング信号の受信パルスが入力されない場合は、被測流体の流速ｖが速くなったと判断して、伝播路Ｌ_３４が同じ下流側の超音波Ｔ32,Ｔ41からその伝播時間差を算出して流量Ｑを求めたり、又は受信可能な各測線の超音波Ｔ12,Ｔ32,Ｔ21,Ｔ41の伝播時間ｔ12,ｔ32,ｔ21,ｔ41から流量Ｑを求めたりする。

したがって、本実施の形態の超音波流量計１によれば、高流量時にあっても、下流側の受信センサとしての超音波センサとの間で測線の確保ができ、計測に必要な音圧を確保することができるため、高流量側の計測範囲を拡大することができる。

以上、説明したように、本実施の形態の超音波流量計１によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）直管長が確保できず流速分布が乱れた状態での流量測定では、送信センサを切り替えながら４種類の２測線流量計測環境で多測線（マルチパス）の流速測定を行い、これらの平均流速から流量を求めるので、従来技術のように一対の超音波センサから構成された検出器を複数設ける場合に比べ、超音波センサの数を抑えて、平均化された流量値を求めることが可能になる。特に、流量計の直前に曲がり管などが存在し旋回流や偏流が存在するような場合に有効である。

（２）従来、センサの多測線化といった場合、一対の超音波センサから構成された検出器を複数有することを指すが、本実施の形態は、１つの送信センサとしての１つの超音波センサと、複数の受信センサとしての複数の超音波センサから構成される多測線流量計測環境を、１つの送信センサとしての超音波センサを切り替えながらその多測線流量計測環境を変化させていくことで、従来の測線数が同じ超音波流量計に比して、超音波センサの数を減らすことができ、経済的で高性能な超音波流量計を提供できる。

（３）高流量時に、被測流体中を伝播する超音波が下流側に流されて通常の上流側の受信用の超音波センサの受圧面（受信面）を下流側に逸れてしまった場合でも、下流側の受信用の超音波センサによって必要な受信音圧を確保して受信できるので、計測レンジを高流量側に拡大することができる。

本発明の一実施の形態の超音波流量計の概略横断面図とシステムブロック図である。本実施の形態の超音波流量計のあるタイミングでの、各スイッチのそれぞれ設定と信号の流れとの説明図である。図２に示したタイミングとは送・受信側が反対に入れ替わったタイミングでの、各スイッチの設定と信号の流れとの説明図である。本実施の形態の超音波流量計によって計測記憶されたある一定流量時の超音波の伝播時間のタイムチャートである。被測流体の流速がかなり速くなった場合の、図２に示したタイミングでの各スイッチのそれぞれ設定と信号の流れとの説明図である。被測流体の流速がかなり速くなった場合の、図２に示したタイミングとは送・受信側が反対に入れ替わったタイミングでの、各スイッチの設定と信号の流れとの説明図である。

符号の説明

１超音波流量計
２流路
３管路
４流量計本体
２１〜２４超音波センサ
３１〜３４送信／受信切替スイッチ
４１〜４３送信切替スイッチ
５１，５２受信切替スイッチ
６０パルス発生器
７１上流側受信回路，７２下流側受信回路
８０マイコン

Claims

被測流体が流れる流路を介して超音波センサ間で超音波を送受信し、被測流体を伝播する超音波の伝播時間に基づいて被測流体の流量を算出する超音波流量計であって、
超音波を送受信する超音波センサが被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて複数配置されて形成された第１の超音波センサ列と、
該第１の超音波センサ列に対して被測流体の流れ方向に位置をずらし、超音波を送受信する超音波センサが被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて複数配置されて形成された第２の超音波センサ列と、
前記第１及び第２の超音波センサ列を形成する複数の超音波センサの中から、送信センサとして１つの超音波センサを順次選択する送信センサ選択手段と、
該送信センサ選択手段が１つの超音波センサを送信センサとして順次選択する毎に、前記第１及び第２の超音波センサ列の中、当該選択された１つの超音波センサが含まれない前記第１又は第２いずれか側の超音波センサ列の複数の超音波センサを受信センサとして選択する受信センサ選択手段と、
前記送信センサ選択手段が１つの超音波センサを送信センサとして選択し、当該選択された１つの超音波センサに対応して前記受信センサ選択手段が前記第１又は第２いずれか側の超音波センサ列の複数の超音波センサを受信センサとして選択する毎に、当該送信センサとして選択された１つの超音波センサから被測流体中に向けて超音波を送出させるとともに、当該送出された超音波を当該受信センサとして選択された複数の超音波センサそれぞれにより受信させ、当該複数の超音波センサそれぞれの受信出力に基づき、当該１つの超音波センサから当該複数の超音波センサそれぞれへの被測流体を介した超音波の伝搬時間を多測線計測する伝播時間計測手段と、
前記送信センサ選択手段が送信センサを前記第１及び第２の超音波センサ列を形成する複数の超音波センサの範囲で順次変更する間に、前記伝播時間計測手段によって多測線計測される伝搬時間を基に被測流体の流量を算出する流量算出手段と
を備え、
前記伝播時間計測手段が伝搬時間を多測線計測する際の、前記１つの超音波センサと前記複数の超音波センサそれぞれとを結ぶ各測線は、被測流体の流れ方向に対して並行でも垂直でもなく、互いに異なる鋭角角度を有して被測流体の流れ方向に超音波の伝搬方向から交差する２つの測線を含み、
前記第１及び第２の超音波センサ列を形成する各超音波センサは、超音波を送出する指向角中心が、相手側の超音波センサ列における前記被測流体の流れ方向に隣り合う２つの超音波センサ間の中間点になるように構成されている
ことを特徴とする超音波流量計。
前記第１の超音波センサ列は、被測流体の流路を挟んだ一側に被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて配置された２つの超音波センサからなり、前記第２の超音波センサ列は、前記第１の超音波センサ列に対して被測流体の流れ方向に位置をずらし、被測流体の流路を挟んだ他側に被測流体の流れ方向に沿って相互に間隔を開けて配置された２つの超音波センサからなる
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
前記流量算出手段は、前記送信センサ選択手段が送信センサを前記第１及び第２の超音波センサ列を形成する複数の超音波センサの範囲で順次変更する間に、前記伝播時間計測手段によって取得される複数の伝搬時間の中から、前記第１及び第２の超音波センサ列それぞれの１つの超音波センサ同士の組み合わせが同じで超音波の伝搬路の長さが略等しい伝搬時間の対を抽出し、当該抽出した伝搬時間の対それぞれを基に算出した被測流体の流量を平均化して被測流体の流量を求める
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。