JP4792653B2 - 流量計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計として、図５に示すような流量計１がある。図５は、断面図を示し、流体の流れる流路２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器３、４を流体を介し、対向して設置し、一対の超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間の時間差から流体の流速を計測し、流量を演算し、流量計としていた。なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。
【０００３】
図６に、上流側（もしくは下流側）の超音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形状の駆動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。なお、図中の横線９（破線）は、コンパレータの設定電圧（Ｖｒｅｆ）を示す。なお、コンパレータの設定電圧９（Ｖｒｅｆ）は、雑音信号でコンパレータが誤動作しないように、受信波形８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番目の受信電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してある。超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｐは、駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８が、コンパレータの設定電圧９を越えた次のゼロクロス点１１（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。この場合、真の伝搬時間Ｔｓは、上記の伝搬時間Ｔｐから、受信波形の３．５波分（図中のＴｉ参照）を差し引いた時間となる。即ち、超音波の真の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして、流量演算に用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計１の計測される超音波伝搬時間Ｔｐ（＝Ｔｓ＋Ｔｉ）には、超音波が受信側の超音波変換器の表面に到達した後、検知されるまでの時間（Ｔｉ）が含まれているため、一対の超音波変換器３、４の特性差により誤差が発生することがあった。即ち、超音波変換器の温度特性や経時変化などにより、例えば、受信周波数が変化したり、あるいは、受信感度が変化したり、検知される間での時間（Ｔｉ）が一対の超音波変換器間で異なることがあった。この差異が、超音波流量計の誤差となり、流量値が不正確となるという課題を有していた。
【０００５】
即ち、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ（ｕｄ）、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ（ｄｕ）、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆ、上流側と下流側の超音波変換器間の距離をＬｄとすると、以下のようになる。
【０００６】
Ｔｐ（ｕｄ）＝Ｔｓ（ｕｄ）＋Ｔｉ（ｄ）、＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）＝Ｔｓ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）となる。
【０００７】
ここで、Ｔｉ（ｄ）は超音波が伝搬してきて下流側の超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間を、Ｔｉ（ｕ）は超音波が伝搬してきて上流側の超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間を、それぞれ示す。なお、Ｔｓ（ｕｄ）およびＴｓ（ｄｕ）は、それぞれ上流側の超音波変換器から計測した超音波が一対の超音波変換器間を往復する間の真の伝搬時間、および下流側の超音波変換器から計測した超音波が一対の超音波変換器間を往復する間の真の伝搬時間を示す。
【０００８】
これらより、Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
であるから、Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］、
また、Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］であるから、
Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］となり、両辺を引き算すると、流体中の超音波伝搬速度Ｖｓはキャンセルされ、
２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］｝−｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］｝となる。
【０００９】
よって、（右辺の分子）＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］−［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］｝＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］｝（右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］となる。
【００１０】
通常の場合、Ｔｐ（ｕｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）＞＞Ｔｉ（ｄ）、Ｔｉ（ｕ）、Ｔｐ（ｕｄ）≒Ｔｐ（ｄｕ）であるので、（右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］＝Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）×［Ｔｉ（ｄ）＋Ｔｉ（ｄ）］＋Ｔｉ（ｄ）×Ｔｉ（ｕ）≒Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）とすることができ、Ｖｆ＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］｝／［２×ｃｏｓ（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］となる。
【００１１】
ここで、Ｖｍｅａｓ＝Ｌｄ×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］／［２×ｃｏｓ（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］、Ｖｅｒｒ＝Ｌｄ×［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］／［２×ｃｏｓ（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］とすると、
Ｖｆ＝Ｖｍｅａｓ＋Ｖｅｒｒとなり、Ｖｍｅａｓが真の流速値、Ｖｅｒｒが流速計測の誤差項となる。
【００１２】
よって、流量は、流速Ｖｆに流路２２の断面積Ｓｒを乗じ、以下のようになる。
【００１３】
Ｑｍｅａｓ＝Ｖｍｅａｓ×Ｓｒ
Ｑｅｒｒ＝Ｖｅｒｒ×Ｓｒとなる。
【００１４】
真の流量値Ｑｍｅａｓおよび誤差項Ｑｅｒｒが得られることになる。
【００１５】
なお、この流速の誤差項Ｖｅｒｒあるいは流量の誤差項Ｑｅｒｒは、流速が小さい時ほど、その真の流速値Ｖｍｅａｓに対する影響度は大きくなる。即ち、流体の流速が遅い時は、［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］の値が、非常に小さくなるためである。
【００１６】
このように、計測される超音波の伝搬時間Ｔｐ（ｕｄ）、あるいはＴｐ（ｄｕ）は、それぞれ真の超音波伝搬時間Ｔｓと検知されるまでの時間Ｔｉとを含んでいるので、上流側の超音波変換器および下流側の超音波変換器で検知されるまでの時間Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ（ｄ）に差異が発生すると、流速の計測に誤差を含むことになり、流量計測精度が悪くなることになる。即ち、流速計測における誤差分、Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）、が含まれる。なお、この流速の誤差項、Ｖｅｒｒ（＝Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ））、あるいは、流量の誤差項Ｑｅｒｒ（＝Ｖｅｒｒ×Ｓｒ）は通常オフセット値と言われることが多い。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、温度変化あるいは経時変化などにより、一対の超音波変換器間で、検知される時間（Ｔｉ）に差異が発生しても、即ち、オフセット値が発生しても、あるいは変化しても、それを補正し、正確な流量値を計測する超音波流量計を提供することを目的としている。
【００１８】
【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、本発明の超音波流量計は、流体の流れる流路の上流側と下流側とにそれぞれ対向して配置された一対の超音波変換器と、前記超音波変換器の間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する時間回路と、前記時間回路から計測された伝搬時間から流体の流量を計測するとともに、オフセット値を検定する制御演算回路と、記憶部と、を備え、前記制御演算回路は、オフセット値の検定に加えて、一対の超音波変換器のうちの一方から送信された超音波が、前記一対の超音波変換器間を往復し、同一の超音波変換器で受信されたときの受信信号と前記記憶部に記憶された当該受信信号の初期値とを比較することで超音波変換器の劣化を検定する構成とした。
【００１９】
この構成により、本発明の超音波流量計は、温度変化や経時変化などにより一対の超音波変換器間で、受信周波数が変化したり、あるいは、受信感度が変化したりして、検知される間での時間（Ｔｉ）が異なっても、即ち、オフセット値が発生したり、変動しても、それを補正し、正確な流量値を計測することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、同一の超音波変換器で超音波の送信及び受信をする構成としているので、超音波変換器の特性、特に受信感度を検定することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【００２２】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における流量計２１の断面図を示し、流体の流れる流路２２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３、２４を流体を介し対向して設置し、超音波変換器間の距離Ｌｄは、約１００［ｍｍ］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０［ｍｍ＾２］とした。なお、図中の片矢印２５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉するようにした。
【００２３】
この構成において、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器の表面で反射し、上流側の超音波変換器で検知される超音波の伝搬時間Ｔｗ（ｕｄ）は、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／［Ｖｓ＾２−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２］＋Ｔｉ（ｕ）
ここで、通常の場合、Ｖｓ＾２＞＞（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２である。
【００２４】
例えば、流体が空気の場合には、超音波の伝搬速度Ｖｓは約３４０［ｍ／ｓｅｃ］、流路を流れる流体の流速は、概ね、約１［ｍｍ／ｓｅｃ］〜１０［ｍ／ｓｅｃ］である。
【００２５】
従って、微少項を省略することができ、Ｔｗ（ｕｄ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／Ｖｓ＾２＋Ｔｉ（ｕ）＝（２×Ｌｄ）／Ｖｓ＋Ｔｉ（ｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｕ）となる。
【００２６】
同様にして、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器の表面で反射し、下流側の超音波変換器で検知される超音波の伝搬時間Ｔｗ（ｄｕ）は、Ｔｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。
【００２７】
これより、上流側から計測した超音波の往復時間および下流側から計測した超音波の往復時間には、流体の流速に依存しない値となることがわかる。即ち、流体の流速が大きくても、小さくても、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度で決まる一定値となる。
【００２８】
また、往復時間の差を演算すると、Ｔｗ（ｕｄ）−Ｔｗ（ｄｕ）＝Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）となり、流速計測における誤差項（オフセット値）が、超音波が超音波変換器間を往復する時間を計測することにより、得られたことになる。
【００２９】
従って、この誤差項（オフセット値）を予め計測することにより、流速計測において発生する誤差項（オフセット値）を補正することができ、誤差項（オフセット値）のない流速計測ができる。このため、高精度な流量計を実現することができる。
【００３０】
図２に、本発明の実施例において用いた一方の超音波変換器で送信し、かつ、同一の超音波変換器で受信する回路ブロック図を示す。２７は超音波変換器を駆動する駆動部で、バースト信号を発生する。２８、２９はダイオードブロックを、３０は超音波変換器を示す。３１は負荷抵抗を、３２は信号抵抗を示し、それぞれ２および１［ｋｏｈｍ］とした。３３は受信信号を増幅する増幅器を示す。この構成において、駆動部２７からの数Ｖ〜数十Ｖのバースト駆動信号が、ダイオードブロック２８を介して、超音波変換器３０と負荷抵抗３１とに印加される。超音波変換器の共振周波数近傍では、超音波変換器のインピーダンスは負荷抵抗３１に比べ充分低いので、駆動信号はすべて超音波変換器に印加されると考えることができ、超音波変換器からバースト状の超音波が放出される。
【００３１】
また、駆動部２７からの信号は、信号抵抗３２を介して、ダイオードブロック２９と増幅器３３にも印加される。この場合、大電圧の駆動信号は、ダイオードブロック２９を介して接地ラインに接続されているので、増幅器にはダイオードで決まる閾値、約０．９Ｖ程度の信号しか入力されないので、増幅器３３が破壊されることはない。超音波変換器３０から流体中に放出された超音波は、流体を介して対向設置されている超音波変換器の表面で反射して戻ってくる。戻って来た超音波は、同一の超音波変換器３０で受信される。受信された超音波は、超音波変換器３０に電荷を発生させる。この発生した電荷は、負荷抵抗３１の両端に受信電圧を発生させる。この受信電圧は充分小さく、通常は１００［ｍＶ］程度以下である場合が多い。ダイオードブロック２８を介して駆動部と、信号抵抗３１を介して増幅器３３とに伝達される。充分小さい受信電圧は、ダイオードブロック２９で接地されても、その受信電圧は、ダイオードで決まる閾値以下であるため減衰することなく増幅器３３に伝達される。
【００３２】
また、駆動部２７から超音波変換器へ供給された駆動信号は、超音波が超音波変換器間約１００［ｍｍ］を往復する間に、充分減衰するので、受信信号に対する雑音とはならない。例えば、流体が空気である場合、超音波が往復する時間は約５９０［μｓｅｃ］程度となり、駆動信号が減衰するのに充分な時間となる。
【００３３】
このように、超音波変換器間を往復する超音波の伝搬時間を計測することにより、流量計測における誤差項（オフセット値）を計測することができる。従って、この誤差項（オフセット値）を補正することができるので、誤差分のない精確な流量計を実現することができる。
【００３４】
（実施例２）
次に、シングアラウンド法による往復時間の高精度な計測方法を説明する。
【００３５】
一般に、シングアラウンド法は、送信側の超音波変換器から超音波を送信し、送信された超音波が受信側の超音波変換器で受信され、その信号を送信側の超音波変換器に伝達し、予め決められた回数だけ送信、受信を繰り返し、時間分解能を上げて、高精度に超音波の伝搬時間を計測しようとすることである。
【００３６】
ここでは遅延時間Ｔｄｅｌａｙを用いた、シングアラウンド法を説明する。
【００３７】
シングアラウンド回数をＮｓｉｇ、遅延時間をＴｄｅｌａｙとすると、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器へ計測する場合の往復時間Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）は、Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）＝Ｎ×［Ｔｗ（ｕｄ）＋Ｔｉ（ｕ）］＋Ｎ×Ｔｄｅｌａｙ、また、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器へ計測する場合の往復時間Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）は、Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）＝Ｎ×［Ｔｗ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｄ）］＋Ｎ×Ｔｄｅｌａｙとなる。なお、遅延時間は、受信信号が多数回往復する、例えば、２往復あるいは３往復する超音波と重ならないように、往復時間の０．７〜０．９の範囲内で設定した。この設定により、雑音が非常に小さく、かつ、高Ｓ／Ｎの受信信号が得られた。
【００３８】
ここで、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｔｗ（ｄｕ）であるから、上式の両辺を引き算すると、Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）−Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）＝Ｎ×Ｔｉ（ｕ）−Ｎ×Ｔｉ（ｄ）、これより、Ｎ×［Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）］＝Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）−Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）となり、誤差項［Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）］を、Ｎ倍した値が得られたことになる。
【００３９】
この意味するところは、シングアラウンド法を採用することにより、Ｎ倍の分解能で誤差項を計測できる、例えば、１００回のシングアラウンド（Ｎ＝１００）の場合、１０［ＭＨｚ］のクロックで、１０００［ＭＨｚ］相当、即ち、１［ｎｓｅｃ］相当の分解能で誤差項を計測できることを意味している。このようにして、誤差項（オフセット値）を高分解能、高精度に計測することができ、高精度な流量計が実現できる。
【００４０】
（実施例３）
より高精度な流量計を実現するための実施例３を以下に説明する。実施例１において、一対の超音波変換器間Ｌｄを超音波が往復する時間Ｔｗ（ｕｄ）として、
Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／［Ｖｓ＾２−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２］＋Ｔｉ（ｕ）
として与え、通常の場合、
Ｖｓ＾２＞＞（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２
であるから、上記のように省略したが、より正確には以下のようになる。
【００４１】
Ｔｗ（ｕｄ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／｛［Ｖｓ＾２］×［１−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］）＾２｝＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ×２）／｛Ｖｓ×［１−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］）＾２｝＋Ｔｉ（ｕ）≒（Ｌｄ×２／Ｖｓ）×［１＋２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］＋Ｔｉ（ｕ）
同様にして、
Ｔｗ（ｄｕ）≒（Ｌｄ×２／Ｖｓ）×［１＋２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］＋Ｔｉ（ｄ）
となる。
【００４２】
従って、流体の流速Ｖｆが大きい場合、例えば、空気の場合、超音波の伝搬速度Ｖｓは、約３４０［ｍ／ｓｅｃ］、θ＝４５［ｄｅｇ］、流体の流速Ｖｆを１０［ｍ／ｓｅｃ］とすると、誤差は約４［％］となる。また、流体の流速Ｖｆが１［ｍ／ｓｅｃ］であれば、誤差は約０．４［％］となる。このように、流体の流速Ｖｆが、小さいほど、その誤差は小さくなる。従って、流速が有る程度、例えば、１［ｍ／ｓｅｃ］
以下、即ち、流量値換算ほぼ１０００［Ｌ／ｈｒ］程度以下で、オフセット値を計測するようにすると、誤差項をより正確に計測することができ、より高精度な流量計を実現することができる。
【００４３】
（実施例４）
より安定な流量計を実現するための実施例４を以下に説明する。温度変化や経時変化などにより、流量計の誤差項（オフセット値）が変動する場合がある。このため、例えば、一日毎に、あるいは一週間毎に、あるいは一ヶ月毎に、のように定期的にオフセット値を計測し、更新することにより、より安定した流量計を実現することができる。また、外部ＳＷなどを設け流量計を移動させた時や、あるいは設置した場合、あるいは周囲の環境大きく変化した時などにオフセット値を計測し、更新するようにすれば、より安定した、環境変化に強い流量計を実現することができる。また、外部から遠隔操作などにより、オフセット値を計測し、更新するようにすれば、より安定した流量計を実現することができる。これらの場合、計測される流量値を監視し、計測される最低流量値の変動と連動して、オフセット値を計測・更新するようにしてもよい。即ち、最低流量値が負と表示される場合などオフセット値を計測・更新するようにするとよい。この構成により、数年〜数十年の長期間にわたって安定した、信頼性の高い流量計が実現できる。
【００４４】
（実施例５）
以下に、実施例５を説明する。実施例５は、オフセット値の異常を検出可能にするとともに、流量値の異常をも補正可能とする流量計を実現可能とすることができる。
【００４５】
即ち、実施例５において、流量計にオフセット記憶部を設け、オフセット値の更新時刻と更新前後のオフセット値を記憶するようにした。この構成により、例えば、出荷時のオフセット値からある一定の幅を越えてオフセット値が更新された場合に、流量計異常であると判定することも可能となる。また、その場合には、例えば、通信回線などを用いて、流量計設置者に報知することも可能となる。また、流量計の外部表面に異常を報知する表示部を設け、そこに異常表示させることも可能となる。また、例えば、積算流量値に異常が発生した場合にも、流量計記憶部に記憶されているオフセット値から、過去の積算流量値を検算し、大まかな補正を実施することも可能となる。このように、オフセット値の更新時刻および更新値を記憶する構成により、オフセット値の異常を検出可能にするとともに、積算流量値の異常をも補正可能とする流量計を実現することができる。
【００４６】
（実施例６）
以下に、実施例６を説明する。実施例６による流量計においては、オフセット値の一回当たりの更新値の増減にある一定の閾値を設けるようにした。この増減値の閾値を予め、例えば、流量換算値として、例えば約１［Ｌ／ｈｒ］に設定しておくと、この値を越えた場合、流量計が異常であると判定することも可能となり、異常と判定すれば、通信回線などを用い、通報することも可能となる。また、流量計表面に異常を報知する表示部を設けるようにしてもよい。なお、この増減値の閾値は、更新時間と連動するようにしてもよい。例えば、更新時間が一ヶ月であれば、その閾値は約３［Ｌ／ｈｒ］程度に設定するようにしてもよい。この構成により、オフセット値の更新毎に、流量計の異常判定を実施することができる。常に、安定した信頼性の高い流量計が実現できる。
【００４７】
（実施例７）
図３に、実施例７における流量計の計測回路ブロック図を示す。この構成において、トリガー回路３４は予め設定された間隔でスタート命令を、駆動回路２７および時間回路３５に出力する。スタート命令を受けた駆動回路２７では、送信側切換ＳＷ３６で選択されている送信側超音波変換器（例えば、上流側の超音波変換器３）にバースト信号からなる駆動信号を出力する。送信側超音波変換器が、流路の流体中に送信した超音波は、受信側切換ＳＷ３７で選択されている超音波変換器（例えば、下流側の超音波変換器４）で受信され、その信号は増幅器３３で増幅される。一方、スタート命令を受けた時間回路３５では、一定間隔の時間パルスを生成する。また、予め決められたゲート開放時間（Ｔｇｋ）経過後、検知回路３８へ、ゲート開放信号を送出する。ゲート開放信号を受けた検知回路３８では、コンパレータなどを動作させ、超音波の受信波からゼロクロス点を検出し、超音波受信時間を検知する。この検知時間には、超音波の真の伝搬時間Ｔｓと、超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間Ｔｉがふくまれている。この検知時間を用い、制御・演算回路３９では真の超音波伝搬時間を演算し、流体の流速Ｖｍｅａｓを演算する。この流速、Ｖｍｅａｓから流量値Ｑｍｅａｓを算出し、流量値を得る。この時、ゲート開放時間（Ｔｇｋ）を決めるために、上記実施例に示した一対の超音波変換器間を往復する時間を用いる。
【００４８】
即ち、上流側の超音波変換器から計測した超音波が往復する時間はＴｗ（ｕｄ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｕ）、下流側の超音波変換器から計測した超音波が往復する時間はＴｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。
【００４９】
ここで、Ｔｉ（ｄ）およびＴｉ（ｕ）は、例えば、３．５波分などのように決められているので、超音波変換器の使用する周波数から簡単に決められるので、超音波が真に往復する時間Ｔｓを簡単に算出することができる。なお、Ｔｉ（ｄ）およびＴｉ（ｄ）は、上流側および下流側、あるいは、送信側および受信側の超音波変換器の特性およびゼロクロス設定で決まる値であるため、おおまかには予め決めることができる値である。これより、超音波が真に伝搬する時間Ｔｓを決定することができ、本実施例では、この時間Ｔｓからゲート開放時間Ｔｇｋを以下のようにして決めた。
【００５０】
即ち、Ｔｇｋ＝Ｔｓ＋（３．０波分）とした。
【００５１】
このことを図４を用いて説明する。図４は、バースト信号からなる駆動波形４０と、超音波の受信波形４１とを示す。時間計測の起点は、駆動信号のバースト波形の立ち上がり点４２とし、Ｔｓは真の超音波伝搬時間、約２９５［μｓｅｃ］を示し、Ｔｉは超音波が超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間、数〜十数［μｓｅｃ］を示す。ＴｉはＴｓに比べると十分小さい値である。Ｔｇｋは上記で示したゲート開放時間を示し、Ｔｐは検知回路３８で得られるゼロクロス点４３で検知された超音波の検知時間を示す。この時、コパレータはゲート開放時間、Ｔｇｋ、後の負勾配のゼロクロス点を検知するように設定した。従って、ゲート開放時間、Ｔｇｋ直後の正勾配のゼロクロス点は検知しない。以上説明したように、超音波が往復する時間から、ゲート開放時間（Ｔｇｋ）を設定し、上流側から下流側への超音波の伝搬時間、Ｔｐ（ｕｄ）、および下流側から上流側への超音波の伝搬時間、Ｔｐ（ｄｕ）を検知することにより、流体の流速を計測する。この場合、オフセット値も超音波の往復時間から上記実施例で説明したように計測できるので、補正することができ、高精度な流量計を実現することができる。またこの場合、図６で示したコンパレータの電圧設定９（Ｖｒｅｆ）が不要となる。従って、受信波形が温度特性や、環境変化あるいは経時変化などにより不安定となっても、超音波の伝搬時間を安定して正確に計測することができ、高精度、高安定な流量計が実現できる。
【００５２】
（実施例８）
超音波変換器間を超音波が往復する時間は、上流側の超音波変換器および下流側の超音波変換器で計測すると、上記実施例１で示したように、それぞれＴｗ（ｕｄ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｕ）、Ｔｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。
【００５３】
従って、流体中を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝（Ｔｗ−Ｔｉ）／２、よって、超音波の伝搬速度Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｌｄ／［（Ｔｗ−Ｔｉ）／２］となる。
【００５４】
なお、Ｔｗ（ｕｄ）、Ｔｗ（ｄｕ）は同程度の大きいさなのでＴｗと記し、Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ（ｄ）も同程度の大きいさなのでＴｉと記した。また、Ｔｗは約５９０［μｓｅｃ］程度であり、Ｔｉは約数〜十数［μｓｅｃ］程度である。従って、Ｔｗ＞＞Ｔｉと見なすことができ、超音波の音速Ｖｓは、以下のようになる。
【００５５】
Ｖｓ＝２×Ｌｄ／Ｔｗ
このように、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度Ｖｓを計測することができる。理科年表などによれば、流体の種類が決まればその流体中を伝搬する超音波の伝搬速度と流体の温度とは、幅広い温度範囲において一次関数で示される。従って、超音波の音速（伝搬速度）がわかれば、流体の温度が計測できたことになる。
【００５６】
例えば、空気中では、超音波の伝搬速度Ｖｓは、空気の温度をｔ［℃］とすると、Ｖｓ＝３４１．４５＋０．６０７×ｔ［ｍ／ｓｅｃ］となる。
【００５７】
この関係より、超音波の音速から空気の温度を検出することができる。
【００５８】
この流体の温度を用い、例えば、計測した流量値を基準温度での流量値に換算するという温度補正を行うことも可能となる。また、計測した流体の温度を、例えば、流量計に表示することも可能となる。
【００５９】
このように、本発明の流量計によれば、超音波が超音波変換器間を往復する時間から簡
単に流体の温度を計測することができ、温度補正や温度表示が可能な流量計を実現できる。
【００６０】
（実施例９）
実施例９について、以下に説明する。図２に示した超音波の往復時間計測回路ブロックにおいて、駆動部２７から一定電圧の駆動信号を超音波変換器に印加し、超音波が一定距離間、即ち、一対の超音波変換器間を往復し、同一の超音波変換器で受信される。この受信信号の大きさを検出することにより、超音波変換器の送信・受信特性を評価・検定できる。即ち、初期値を記憶部に記憶しておき、その値の、例えば、０．５まで劣化した時点を、超音波変換器の劣化と判定することが可能となる。この場合、上流側、下流側を独立して評価・検定することができる。従って、劣化判定基準を、上流側と下流側の超音波変換器間の受信電圧の差と規定すること可能となる。従来の流量計では、上流側から下流側へ、あるいは、下流側から上流側への超音波の送信・受信感度を評価・検定していた。この場合には、上流側と下流側の超音波変換器の特性が、複雑にからみあった評価・検定となっていたので、どちらか一方が劣化しても、それを検出することが出来なかった。たとえ劣化が検出できても、どちらの超音波変換器が劣化したと判別することはできなかった。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本願発明によれば、超音波変換器間のオフセット値を検出し、補正することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における超音波流量計の断面図
【図２】 本発明の実施例１及び９における超音波送信・受信回路ブロック図
【図３】 本発明の実施例７における伝搬時間計測のブロック図
【図４】 本発明の実施例７における超音波の伝搬時間を説明する図
【図５】 従来の流量計の断面図
【図６】 従来の流量計における超音波伝搬時間を説明する図
【符号の説明】
２１ 流量計
２２ 流路
２３ 上流側の超音波変換器
２４ 下流側の超音波変換器
２７ 駆動部
２８、２９ ダイオードブロック
３０ 超音波変換器
３３ 増幅部
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計として、図５に示すような流量計１がある。図５は、断面図を示し、流体の流れる流路２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器３、４を流体を介し、対向して設置し、一対の超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間の時間差から流体の流速を計測し、流量を演算し、流量計としていた。なお、図中の片矢印５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している。
【０００３】
図６に、上流側（もしくは下流側）の超音波変換器３（もしくは４）を駆動した時の矩形状の駆動波形７と、下流側（もしくは上流側）の超音波変換器４（もしくは３）で受信した時の受信波形８とを示す。横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。なお、図中の横線９（破線）は、コンパレータの設定電圧（Ｖｒｅｆ）を示す。なお、コンパレータの設定電圧９（Ｖｒｅｆ）は、雑音信号でコンパレータが誤動作しないように、受信波形８の第３番目の受信電圧の山（Ｖ３）と第４番目の受信電圧の山（Ｖ４）との間となるよう設定してある。超音波変換器３、４間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｐは、駆動波形の立ち上がり点１０から、受信波形８が、コンパレータの設定電圧９を越えた次のゼロクロス点１１（黒丸）までとしていた（図中のＴｐ参照）。この場合、真の伝搬時間Ｔｓは、上記の伝搬時間Ｔｐから、受信波形の３．５波分（図中のＴｉ参照）を差し引いた時間となる。即ち、超音波の真の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝Ｔｐ−Ｔｉとして、流量演算に用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流量計１の計測される超音波伝搬時間Ｔｐ（＝Ｔｓ＋Ｔｉ）には、超音波が受信側の超音波変換器の表面に到達した後、検知されるまでの時間（Ｔｉ）が含まれているため、一対の超音波変換器３、４の特性差により誤差が発生することがあった。即ち、超音波変換器の温度特性や経時変化などにより、例えば、受信周波数が変化したり、あるいは、受信感度が変化したり、検知される間での時間（Ｔｉ）が一対の超音波変換器間で異なることがあった。この差異が、超音波流量計の誤差となり、流量値が不正確となるという課題を有していた。
【０００５】
即ち、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ（ｕｄ）、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器への計測される超音波の伝搬時間をＴｐ（ｄｕ）、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆ、上流側と下流側の超音波変換器間の距離をＬｄとすると、以下のようになる。
【０００６】
Ｔｐ（ｕｄ）＝Ｔｓ（ｕｄ）＋Ｔｉ（ｄ）、＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）＝Ｔｓ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）となる。
【０００７】
ここで、Ｔｉ（ｄ）は超音波が伝搬してきて下流側の超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間を、Ｔｉ（ｕ）は超音波が伝搬してきて上流側の超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間を、それぞれ示す。なお、Ｔｓ（ｕｄ）およびＴｓ（ｄｕ）は、それぞれ上流側の超音波変換器から計測した超音波が一対の超音波変換器間を往復する間の真の伝搬時間、および下流側の超音波変換器から計測した超音波が一対の超音波変換器間を往復する間の真の伝搬時間を示す。
【０００８】
これらより、Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
であるから、Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］、
また、Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］であるから、
Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］となり、両辺を引き算すると、流体中の超音波伝搬速度Ｖｓはキャンセルされ、
２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］｝−｛Ｌｄ／［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］｝となる。
【０００９】
よって、（右辺の分子）＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］−［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］｝＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］｝（右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］となる。
【００１０】
通常の場合、Ｔｐ（ｕｄ）、Ｔｐ（ｄｕ）＞＞Ｔｉ（ｄ）、Ｔｉ（ｕ）、Ｔｐ（ｕｄ）≒Ｔｐ（ｄｕ）であるので、（右辺の分母）＝［Ｔｐ（ｕｄ）−Ｔｉ（ｄ）］×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｉ（ｕ）］＝Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）×［Ｔｉ（ｄ）＋Ｔｉ（ｄ）］＋Ｔｉ（ｄ）×Ｔｉ（ｕ）≒Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）とすることができ、Ｖｆ＝Ｌｄ×｛［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］＋［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］｝／［２×ｃｏｓ（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］となる。
【００１１】
ここで、Ｖｍｅａｓ＝Ｌｄ×［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］／［２×ｃｏｓ（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］、Ｖｅｒｒ＝Ｌｄ×［Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）］／［２×ｃｏｓ（θ）×Ｔｐ（ｕｄ）×Ｔｐ（ｄｕ）］とすると、
Ｖｆ＝Ｖｍｅａｓ＋Ｖｅｒｒとなり、Ｖｍｅａｓが真の流速値、Ｖｅｒｒが流速計測の誤差項となる。
【００１２】
よって、流量は、流速Ｖｆに流路２２の断面積Ｓｒを乗じ、以下のようになる。
【００１３】
Ｑｍｅａｓ＝Ｖｍｅａｓ×Ｓｒ
Ｑｅｒｒ＝Ｖｅｒｒ×Ｓｒとなる。
【００１４】
真の流量値Ｑｍｅａｓおよび誤差項Ｑｅｒｒが得られることになる。
【００１５】
なお、この流速の誤差項Ｖｅｒｒあるいは流量の誤差項Ｑｅｒｒは、流速が小さい時ほど、その真の流速値Ｖｍｅａｓに対する影響度は大きくなる。即ち、流体の流速が遅い時は、［Ｔｐ（ｄｕ）−Ｔｐ（ｕｄ）］の値が、非常に小さくなるためである。
【００１６】
このように、計測される超音波の伝搬時間Ｔｐ（ｕｄ）、あるいはＴｐ（ｄｕ）は、それぞれ真の超音波伝搬時間Ｔｓと検知されるまでの時間Ｔｉとを含んでいるので、上流側の超音波変換器および下流側の超音波変換器で検知されるまでの時間Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ（ｄ）に差異が発生すると、流速の計測に誤差を含むことになり、流量計測精度が悪くなることになる。即ち、流速計測における誤差分、Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ）、が含まれる。なお、この流速の誤差項、Ｖｅｒｒ（＝Ｔｉ（ｄ）−Ｔｉ（ｕ））、あるいは、流量の誤差項Ｑｅｒｒ（＝Ｖｅｒｒ×Ｓｒ）は通常オフセット値と言われることが多い。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、温度変化あるいは経時変化などにより、一対の超音波変換器間で、検知される時間（Ｔｉ）に差異が発生しても、即ち、オフセット値が発生しても、あるいは変化しても、それを補正し、正確な流量値を計測する超音波流量計を提供することを目的としている。
【００１８】
【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、本発明の超音波流量計は、流体の流れる流路の上流側と下流側とにそれぞれ対向して配置された一対の超音波変換器と、前記超音波変換器の間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する時間回路と、前記時間回路から計測された伝搬時間から流体の流量を計測するとともに、オフセット値を検定する制御演算回路と、記憶部と、を備え、前記制御演算回路は、オフセット値の検定に加えて、一対の超音波変換器のうちの一方から送信された超音波が、前記一対の超音波変換器間を往復し、同一の超音波変換器で受信されたときの受信信号と前記記憶部に記憶された当該受信信号の初期値とを比較することで超音波変換器の劣化を検定する構成とした。
【００１９】
この構成により、本発明の超音波流量計は、温度変化や経時変化などにより一対の超音波変換器間で、受信周波数が変化したり、あるいは、受信感度が変化したりして、検知される間での時間（Ｔｉ）が異なっても、即ち、オフセット値が発生したり、変動しても、それを補正し、正確な流量値を計測することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、同一の超音波変換器で超音波の送信及び受信をする構成としているので、超音波変換器の特性、特に受信感度を検定することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【００２２】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における流量計２１の断面図を示し、流体の流れる流路２２の上流側と下流側とに一対の超音波変換器２３、２４を流体を介し対向して設置し、超音波変換器間の距離Ｌｄは、約１００［ｍｍ］、流路２２の断面積Ｓｒは約３０［ｍｍ＾２］とした。なお、図中の片矢印２５（実線）は流体の流れる方向を示し、両矢印２６（破線）は超音波の伝搬する方向を示している。なお、流体の流れる方向は、超音波の伝搬する方向とは角θ（４５度）で交叉するようにした。
【００２３】
この構成において、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器の表面で反射し、上流側の超音波変換器で検知される超音波の伝搬時間Ｔｗ（ｕｄ）は、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／［Ｖｓ＾２−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２］＋Ｔｉ（ｕ）
ここで、通常の場合、Ｖｓ＾２＞＞（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２である。
【００２４】
例えば、流体が空気の場合には、超音波の伝搬速度Ｖｓは約３４０［ｍ／ｓｅｃ］、流路を流れる流体の流速は、概ね、約１［ｍｍ／ｓｅｃ］〜１０［ｍ／ｓｅｃ］である。
【００２５】
従って、微少項を省略することができ、Ｔｗ（ｕｄ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／Ｖｓ＾２＋Ｔｉ（ｕ）＝（２×Ｌｄ）／Ｖｓ＋Ｔｉ（ｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｕ）となる。
【００２６】
同様にして、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器の表面で反射し、下流側の超音波変換器で検知される超音波の伝搬時間Ｔｗ（ｄｕ）は、Ｔｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。
【００２７】
これより、上流側から計測した超音波の往復時間および下流側から計測した超音波の往復時間には、流体の流速に依存しない値となることがわかる。即ち、流体の流速が大きくても、小さくても、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度で決まる一定値となる。
【００２８】
また、往復時間の差を演算すると、Ｔｗ（ｕｄ）−Ｔｗ（ｄｕ）＝Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）となり、流速計測における誤差項（オフセット値）が、超音波が超音波変換器間を往復する時間を計測することにより、得られたことになる。
【００２９】
従って、この誤差項（オフセット値）を予め計測することにより、流速計測において発生する誤差項（オフセット値）を補正することができ、誤差項（オフセット値）のない流速計測ができる。このため、高精度な流量計を実現することができる。
【００３０】
図２に、本発明の実施例において用いた一方の超音波変換器で送信し、かつ、同一の超音波変換器で受信する回路ブロック図を示す。２７は超音波変換器を駆動する駆動部で、バースト信号を発生する。２８、２９はダイオードブロックを、３０は超音波変換器を示す。３１は負荷抵抗を、３２は信号抵抗を示し、それぞれ２および１［ｋｏｈｍ］とした。３３は受信信号を増幅する増幅器を示す。この構成において、駆動部２７からの数Ｖ〜数十Ｖのバースト駆動信号が、ダイオードブロック２８を介して、超音波変換器３０と負荷抵抗３１とに印加される。超音波変換器の共振周波数近傍では、超音波変換器のインピーダンスは負荷抵抗３１に比べ充分低いので、駆動信号はすべて超音波変換器に印加されると考えることができ、超音波変換器からバースト状の超音波が放出される。
【００３１】
また、駆動部２７からの信号は、信号抵抗３２を介して、ダイオードブロック２９と増幅器３３にも印加される。この場合、大電圧の駆動信号は、ダイオードブロック２９を介して接地ラインに接続されているので、増幅器にはダイオードで決まる閾値、約０．９Ｖ程度の信号しか入力されないので、増幅器３３が破壊されることはない。超音波変換器３０から流体中に放出された超音波は、流体を介して対向設置されている超音波変換器の表面で反射して戻ってくる。戻って来た超音波は、同一の超音波変換器３０で受信される。受信された超音波は、超音波変換器３０に電荷を発生させる。この発生した電荷は、負荷抵抗３１の両端に受信電圧を発生させる。この受信電圧は充分小さく、通常は１００［ｍＶ］程度以下である場合が多い。ダイオードブロック２８を介して駆動部と、信号抵抗３１を介して増幅器３３とに伝達される。充分小さい受信電圧は、ダイオードブロック２９で接地されても、その受信電圧は、ダイオードで決まる閾値以下であるため減衰することなく増幅器３３に伝達される。
【００３２】
また、駆動部２７から超音波変換器へ供給された駆動信号は、超音波が超音波変換器間約１００［ｍｍ］を往復する間に、充分減衰するので、受信信号に対する雑音とはならない。例えば、流体が空気である場合、超音波が往復する時間は約５９０［μｓｅｃ］程度となり、駆動信号が減衰するのに充分な時間となる。
【００３３】
このように、超音波変換器間を往復する超音波の伝搬時間を計測することにより、流量計測における誤差項（オフセット値）を計測することができる。従って、この誤差項（オフセット値）を補正することができるので、誤差分のない精確な流量計を実現することができる。
【００３４】
（実施例２）
次に、シングアラウンド法による往復時間の高精度な計測方法を説明する。
【００３５】
一般に、シングアラウンド法は、送信側の超音波変換器から超音波を送信し、送信された超音波が受信側の超音波変換器で受信され、その信号を送信側の超音波変換器に伝達し、予め決められた回数だけ送信、受信を繰り返し、時間分解能を上げて、高精度に超音波の伝搬時間を計測しようとすることである。
【００３６】
ここでは遅延時間Ｔｄｅｌａｙを用いた、シングアラウンド法を説明する。
【００３７】
シングアラウンド回数をＮｓｉｇ、遅延時間をＴｄｅｌａｙとすると、上流側の超音波変換器から下流側の超音波変換器へ計測する場合の往復時間Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）は、Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）＝Ｎ×［Ｔｗ（ｕｄ）＋Ｔｉ（ｕ）］＋Ｎ×Ｔｄｅｌａｙ、また、下流側の超音波変換器から上流側の超音波変換器へ計測する場合の往復時間Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）は、Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）＝Ｎ×［Ｔｗ（ｄｕ）＋Ｔｉ（ｄ）］＋Ｎ×Ｔｄｅｌａｙとなる。なお、遅延時間は、受信信号が多数回往復する、例えば、２往復あるいは３往復する超音波と重ならないように、往復時間の０．７〜０．９の範囲内で設定した。この設定により、雑音が非常に小さく、かつ、高Ｓ／Ｎの受信信号が得られた。
【００３８】
ここで、Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｔｗ（ｄｕ）であるから、上式の両辺を引き算すると、Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）−Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）＝Ｎ×Ｔｉ（ｕ）−Ｎ×Ｔｉ（ｄ）、これより、Ｎ×［Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）］＝Ｔｗ（Ｎ，ｕｄ）−Ｔｗ（Ｎ，ｄｕ）となり、誤差項［Ｔｉ（ｕ）−Ｔｉ（ｄ）］を、Ｎ倍した値が得られたことになる。
【００３９】
この意味するところは、シングアラウンド法を採用することにより、Ｎ倍の分解能で誤差項を計測できる、例えば、１００回のシングアラウンド（Ｎ＝１００）の場合、１０［ＭＨｚ］のクロックで、１０００［ＭＨｚ］相当、即ち、１［ｎｓｅｃ］相当の分解能で誤差項を計測できることを意味している。このようにして、誤差項（オフセット値）を高分解能、高精度に計測することができ、高精度な流量計が実現できる。
【００４０】
（実施例３）
より高精度な流量計を実現するための実施例３を以下に説明する。実施例１において、一対の超音波変換器間Ｌｄを超音波が往復する時間Ｔｗ（ｕｄ）として、
Ｔｗ（ｕｄ）＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／［Ｖｓ＾２−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２］＋Ｔｉ（ｕ）
として与え、通常の場合、
Ｖｓ＾２＞＞（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ））＾２
であるから、上記のように省略したが、より正確には以下のようになる。
【００４１】
Ｔｗ（ｕｄ）＝（Ｌｄ×２×Ｖｓ）／｛［Ｖｓ＾２］×［１−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］）＾２｝＋Ｔｉ（ｕ）＝（Ｌｄ×２）／｛Ｖｓ×［１−（Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］）＾２｝＋Ｔｉ（ｕ）≒（Ｌｄ×２／Ｖｓ）×［１＋２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］＋Ｔｉ（ｕ）
同様にして、
Ｔｗ（ｄｕ）≒（Ｌｄ×２／Ｖｓ）×［１＋２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）／Ｖｓ］＋Ｔｉ（ｄ）
となる。
【００４２】
従って、流体の流速Ｖｆが大きい場合、例えば、空気の場合、超音波の伝搬速度Ｖｓは、約３４０［ｍ／ｓｅｃ］、θ＝４５［ｄｅｇ］、流体の流速Ｖｆを１０［ｍ／ｓｅｃ］とすると、誤差は約４［％］となる。また、流体の流速Ｖｆが１［ｍ／ｓｅｃ］であれば、誤差は約０．４［％］となる。このように、流体の流速Ｖｆが、小さいほど、その誤差は小さくなる。従って、流速が有る程度、例えば、１［ｍ／ｓｅｃ］
以下、即ち、流量値換算ほぼ１０００［Ｌ／ｈｒ］程度以下で、オフセット値を計測するようにすると、誤差項をより正確に計測することができ、より高精度な流量計を実現することができる。
【００４３】
（実施例４）
より安定な流量計を実現するための実施例４を以下に説明する。温度変化や経時変化などにより、流量計の誤差項（オフセット値）が変動する場合がある。このため、例えば、一日毎に、あるいは一週間毎に、あるいは一ヶ月毎に、のように定期的にオフセット値を計測し、更新することにより、より安定した流量計を実現することができる。また、外部ＳＷなどを設け流量計を移動させた時や、あるいは設置した場合、あるいは周囲の環境大きく変化した時などにオフセット値を計測し、更新するようにすれば、より安定した、環境変化に強い流量計を実現することができる。また、外部から遠隔操作などにより、オフセット値を計測し、更新するようにすれば、より安定した流量計を実現することができる。これらの場合、計測される流量値を監視し、計測される最低流量値の変動と連動して、オフセット値を計測・更新するようにしてもよい。即ち、最低流量値が負と表示される場合などオフセット値を計測・更新するようにするとよい。この構成により、数年〜数十年の長期間にわたって安定した、信頼性の高い流量計が実現できる。
【００４４】
（実施例５）
以下に、実施例５を説明する。実施例５は、オフセット値の異常を検出可能にするとともに、流量値の異常をも補正可能とする流量計を実現可能とすることができる。
【００４５】
即ち、実施例５において、流量計にオフセット記憶部を設け、オフセット値の更新時刻と更新前後のオフセット値を記憶するようにした。この構成により、例えば、出荷時のオフセット値からある一定の幅を越えてオフセット値が更新された場合に、流量計異常であると判定することも可能となる。また、その場合には、例えば、通信回線などを用いて、流量計設置者に報知することも可能となる。また、流量計の外部表面に異常を報知する表示部を設け、そこに異常表示させることも可能となる。また、例えば、積算流量値に異常が発生した場合にも、流量計記憶部に記憶されているオフセット値から、過去の積算流量値を検算し、大まかな補正を実施することも可能となる。このように、オフセット値の更新時刻および更新値を記憶する構成により、オフセット値の異常を検出可能にするとともに、積算流量値の異常をも補正可能とする流量計を実現することができる。
【００４６】
（実施例６）
以下に、実施例６を説明する。実施例６による流量計においては、オフセット値の一回当たりの更新値の増減にある一定の閾値を設けるようにした。この増減値の閾値を予め、例えば、流量換算値として、例えば約１［Ｌ／ｈｒ］に設定しておくと、この値を越えた場合、流量計が異常であると判定することも可能となり、異常と判定すれば、通信回線などを用い、通報することも可能となる。また、流量計表面に異常を報知する表示部を設けるようにしてもよい。なお、この増減値の閾値は、更新時間と連動するようにしてもよい。例えば、更新時間が一ヶ月であれば、その閾値は約３［Ｌ／ｈｒ］程度に設定するようにしてもよい。この構成により、オフセット値の更新毎に、流量計の異常判定を実施することができる。常に、安定した信頼性の高い流量計が実現できる。
【００４７】
（実施例７）
図３に、実施例７における流量計の計測回路ブロック図を示す。この構成において、トリガー回路３４は予め設定された間隔でスタート命令を、駆動回路２７および時間回路３５に出力する。スタート命令を受けた駆動回路２７では、送信側切換ＳＷ３６で選択されている送信側超音波変換器（例えば、上流側の超音波変換器３）にバースト信号からなる駆動信号を出力する。送信側超音波変換器が、流路の流体中に送信した超音波は、受信側切換ＳＷ３７で選択されている超音波変換器（例えば、下流側の超音波変換器４）で受信され、その信号は増幅器３３で増幅される。一方、スタート命令を受けた時間回路３５では、一定間隔の時間パルスを生成する。また、予め決められたゲート開放時間（Ｔｇｋ）経過後、検知回路３８へ、ゲート開放信号を送出する。ゲート開放信号を受けた検知回路３８では、コンパレータなどを動作させ、超音波の受信波からゼロクロス点を検出し、超音波受信時間を検知する。この検知時間には、超音波の真の伝搬時間Ｔｓと、超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間Ｔｉがふくまれている。この検知時間を用い、制御・演算回路３９では真の超音波伝搬時間を演算し、流体の流速Ｖｍｅａｓを演算する。この流速、Ｖｍｅａｓから流量値Ｑｍｅａｓを算出し、流量値を得る。この時、ゲート開放時間（Ｔｇｋ）を決めるために、上記実施例に示した一対の超音波変換器間を往復する時間を用いる。
【００４８】
即ち、上流側の超音波変換器から計測した超音波が往復する時間はＴｗ（ｕｄ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｕ）、下流側の超音波変換器から計測した超音波が往復する時間はＴｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。
【００４９】
ここで、Ｔｉ（ｄ）およびＴｉ（ｕ）は、例えば、３．５波分などのように決められているので、超音波変換器の使用する周波数から簡単に決められるので、超音波が真に往復する時間Ｔｓを簡単に算出することができる。なお、Ｔｉ（ｄ）およびＴｉ（ｄ）は、上流側および下流側、あるいは、送信側および受信側の超音波変換器の特性およびゼロクロス設定で決まる値であるため、おおまかには予め決めることができる値である。これより、超音波が真に伝搬する時間Ｔｓを決定することができ、本実施例では、この時間Ｔｓからゲート開放時間Ｔｇｋを以下のようにして決めた。
【００５０】
即ち、Ｔｇｋ＝Ｔｓ＋（３．０波分）とした。
【００５１】
このことを図４を用いて説明する。図４は、バースト信号からなる駆動波形４０と、超音波の受信波形４１とを示す。時間計測の起点は、駆動信号のバースト波形の立ち上がり点４２とし、Ｔｓは真の超音波伝搬時間、約２９５［μｓｅｃ］を示し、Ｔｉは超音波が超音波変換器の表面に到着後検知されるまでの時間、数〜十数［μｓｅｃ］を示す。ＴｉはＴｓに比べると十分小さい値である。Ｔｇｋは上記で示したゲート開放時間を示し、Ｔｐは検知回路３８で得られるゼロクロス点４３で検知された超音波の検知時間を示す。この時、コパレータはゲート開放時間、Ｔｇｋ、後の負勾配のゼロクロス点を検知するように設定した。従って、ゲート開放時間、Ｔｇｋ直後の正勾配のゼロクロス点は検知しない。以上説明したように、超音波が往復する時間から、ゲート開放時間（Ｔｇｋ）を設定し、上流側から下流側への超音波の伝搬時間、Ｔｐ（ｕｄ）、および下流側から上流側への超音波の伝搬時間、Ｔｐ（ｄｕ）を検知することにより、流体の流速を計測する。この場合、オフセット値も超音波の往復時間から上記実施例で説明したように計測できるので、補正することができ、高精度な流量計を実現することができる。またこの場合、図６で示したコンパレータの電圧設定９（Ｖｒｅｆ）が不要となる。従って、受信波形が温度特性や、環境変化あるいは経時変化などにより不安定となっても、超音波の伝搬時間を安定して正確に計測することができ、高精度、高安定な流量計が実現できる。
【００５２】
（実施例８）
超音波変換器間を超音波が往復する時間は、上流側の超音波変換器および下流側の超音波変換器で計測すると、上記実施例１で示したように、それぞれＴｗ（ｕｄ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｕ）、Ｔｗ（ｄｕ）＝２×Ｔｓ＋Ｔｉ（ｄ）となる。
【００５３】
従って、流体中を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔｓは、Ｔｓ＝（Ｔｗ−Ｔｉ）／２、よって、超音波の伝搬速度Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｌｄ／［（Ｔｗ−Ｔｉ）／２］となる。
【００５４】
なお、Ｔｗ（ｕｄ）、Ｔｗ（ｄｕ）は同程度の大きいさなのでＴｗと記し、Ｔｉ（ｕ）、Ｔｉ（ｄ）も同程度の大きいさなのでＴｉと記した。また、Ｔｗは約５９０［μｓｅｃ］程度であり、Ｔｉは約数〜十数［μｓｅｃ］程度である。従って、Ｔｗ＞＞Ｔｉと見なすことができ、超音波の音速Ｖｓは、以下のようになる。
【００５５】
Ｖｓ＝２×Ｌｄ／Ｔｗ
このように、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度Ｖｓを計測することができる。理科年表などによれば、流体の種類が決まればその流体中を伝搬する超音波の伝搬速度と流体の温度とは、幅広い温度範囲において一次関数で示される。従って、超音波の音速（伝搬速度）がわかれば、流体の温度が計測できたことになる。
【００５６】
例えば、空気中では、超音波の伝搬速度Ｖｓは、空気の温度をｔ［℃］とすると、Ｖｓ＝３４１．４５＋０．６０７×ｔ［ｍ／ｓｅｃ］となる。
【００５７】
この関係より、超音波の音速から空気の温度を検出することができる。
【００５８】
この流体の温度を用い、例えば、計測した流量値を基準温度での流量値に換算するという温度補正を行うことも可能となる。また、計測した流体の温度を、例えば、流量計に表示することも可能となる。
【００５９】
このように、本発明の流量計によれば、超音波が超音波変換器間を往復する時間から簡
単に流体の温度を計測することができ、温度補正や温度表示が可能な流量計を実現できる。
【００６０】
（実施例９）
実施例９について、以下に説明する。図２に示した超音波の往復時間計測回路ブロックにおいて、駆動部２７から一定電圧の駆動信号を超音波変換器に印加し、超音波が一定距離間、即ち、一対の超音波変換器間を往復し、同一の超音波変換器で受信される。この受信信号の大きさを検出することにより、超音波変換器の送信・受信特性を評価・検定できる。即ち、初期値を記憶部に記憶しておき、その値の、例えば、０．５まで劣化した時点を、超音波変換器の劣化と判定することが可能となる。この場合、上流側、下流側を独立して評価・検定することができる。従って、劣化判定基準を、上流側と下流側の超音波変換器間の受信電圧の差と規定すること可能となる。従来の流量計では、上流側から下流側へ、あるいは、下流側から上流側への超音波の送信・受信感度を評価・検定していた。この場合には、上流側と下流側の超音波変換器の特性が、複雑にからみあった評価・検定となっていたので、どちらか一方が劣化しても、それを検出することが出来なかった。たとえ劣化が検出できても、どちらの超音波変換器が劣化したと判別することはできなかった。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本願発明によれば、超音波変換器間のオフセット値を検出し、補正することができ、高精度な超音波流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における超音波流量計の断面図
【図２】 本発明の実施例１及び９における超音波送信・受信回路ブロック図
【図３】 本発明の実施例７における伝搬時間計測のブロック図
【図４】 本発明の実施例７における超音波の伝搬時間を説明する図
【図５】 従来の流量計の断面図
【図６】 従来の流量計における超音波伝搬時間を説明する図
【符号の説明】
２１ 流量計
２２ 流路
２３ 上流側の超音波変換器
２４ 下流側の超音波変換器
２７ 駆動部
２８、２９ ダイオードブロック
３０ 超音波変換器
３３ 増幅部
Claims (1)
- 流体の流れる流路の上流側と下流側とにそれぞれ対向して配置された一対の超音波変換器と、
前記超音波変換器の間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する時間回路と、
前記時間回路で計測された伝搬時間から流体の流量を計測するとともに、オフセット値を検定する制御演算回路と、
記憶部と、を備え、
前記制御演算回路は、オフセット値の検定に加えて、一対の超音波変換器のうちの一方から送信された超音波が、前記一対の超音波変換器間を往復し、同一の超音波変換器で受信されたときの受信信号と前記記憶部に記憶された当該受信信号の初期値とを比較することで超音波変換器の劣化を検定する超音波流量計。
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