JP4931550B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は超音波流量計に関するものである。

特開２００４−２５１６５３号公報

従来、都市ガスや水などの流量を計測するための超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上流側及び下流側に一対の超音波送受信部を設け、それら超音波送受信部間の超音波送受信方向を交互に切り替えるとともに、上流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが下流側超音波送受信部に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、下流側超音波送受信部から発信された超音波ビームが上流側超音波送受信部に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求めるものである。

特許文献１には、そのような超音波流速計として、対をなす超音波送受信部の間で、一方の超音波送受信部から送出された超音波ビームを管路壁部で１回反射させてから他方の超音波送受信部へ導くようにした超音波流量計が開示されている。この構成によると、受信側となる超音波送受信部が１回反射後の超音波を検出するので、一対の超音波送受信部の設置間隔を縮小しても超音波ビームの伝搬パスが相対的に長くなり、測定精度を向上できることが謳われている。また、特許文献１においては、超音波ビームの伝播経路に対応する位置に絞り孔を形成したビーム絞り板が設けられており、超音波ビームの拡散に起因した、不要な反射波束成分をカットできるので、同様に測定精度を向上できる旨謳われている。

しかしながら、特許文献１においては、超音波ビームの反射回数は１回止まりであり、伝搬パスの増加効果は必ずしも十分とはいえない。また、流路内部に設けられたビーム絞り板は、不要な反射波束成分を除去する以上の機能を与えられておらず、伝搬パスの増加には何ら寄与していない。

伝搬パスを増加するには、超音波ビームを流路内で多重反射させることが有効であるが、超音波ビームは拡散して進行するため、入射角度の違いから反射次数および伝播長の異なる複数の波束成分に分かれるという問題が生じる。その結果、受信側の超音波送受信部に対して、複数の波束成分が時間差をおいて到達することとなり、正確な流量計算を行えなくなる場合がある。

本発明の課題は、流路上での超音波ビームの伝搬パスをより効率的に増加させることができ、超音波ビームが流路内で反射次数および伝播長の異なる複数の波束成分に分かれた場合であっても、正確な流量測定が可能な超音波流量計を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために本発明は、
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
流路形成部に対し被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能な対をなす超音波送受信部と、
流路形成部の内部にて流路に沿って配置される板状に形成された、１つ又は板面法線方向に所定の間隔で複数設けられた反射部材とを備え、
送信側となる超音波送受信部から送出される超音波ビームは、ビーム中心軸線からその半径方向への拡散により、反射部材に対する入射角度によって流路内での反射次数及び伝播長の異なる複数の波束成分に分かれて進行するととともに、受信側の超音波送受信部は、次数の互いに異なる波束成分を、時間差をおいて複数回受信可能とされてなり、その受信情報に基づいて被測定流体の代表流量値を算出する代表流量値算出手段を設けてなり、
受信側の前記超音波送受信部によって複数回検知された前記波束成分のうち、前記被測定流体の流速または流量の算出に供するための代表となる代表波束成分を選択する波束成分選択手段を備え、
前記代表流量値算出手段は、該代表波束成分の受信情報に基づいて前記被測定流体の代表流量値を算出するものであり、
前記波束成分選択手段は、受信側となる前記超音波送受信部に時間差をおいて複数回到達する前記波束成分のうち、予め定められた順位にて到達する波束成分を前記代表波束成分として選択し、
前記波束成分選択手段は、前記被測定流体の流量に応じて選択すべき前記波束成分の順位を変更するものであることを特徴とする。

上記本発明においては、特許文献１ではビーム絞り板としてのみ用いられていた、流路内に設けられる板部材を、超音波ビームに対する反射部材として活用する。そして、送信側となる超音波送受信部から送出される超音波ビームを、この反射部材を用いて流路内で多重反射（反射回数２回以上）させつつ受信側となる超音波送受信部へ導くようにした。その結果、超音波送受信部間を超音波ビームが直進により伝播する場合と比較して、反射回数が２回以上に増加する分だけ伝播パス長が折れ線状に大幅に増加するので、流れに寄与する情報量が増加する効果により、流量測定精度の向上あるいは流量測定のレンジアビリティ拡大に寄与できる。そして、同じ伝播パス長であっても、パス形状が折れ線状となることで、対を成す超音波送受信部の距離を近づけることができ、装置の小形化にも貢献する。

また、反射部材によって流路がその軸断面内にて複数に分割されるが、反射部材は被測定流体に対する整流素子としても機能するので、流れの安定化と均一化とを図ることができ、この観点からも流量測定精度の向上に寄与する。特に、反射部材による流路の分割方向に流れを十分均一化することができれば、測定対象となる流れを近似的に二次元流として取り扱うことが可能となり、測定精度向上の観点においてさらに有利となる。流路内に整流板を設ける思想は従来から存在しているが、限られた流路内部に整流素子を配置することによる寸法制約の結果、超音波送受信部間に確保できる距離にも限界が生ずる。しかし、本発明の採用により、そのような寸法制約があっても多重反射効果により伝播パス長を十分に拡大することができる。

超音波送受信部から送出される超音波ビームは、完全な指向性を有するものではなく、ビーム中心軸線からその半径方向へ、ある程度拡散する性質を有する。そのため超音波ビームは、反射部材に対する入射角度によって流路内での反射次数及び伝播長の異なる複数の波束成分に分かれて進行する。その結果、受信側の超音波送受信部では、複数の波束成分が時間差をおいて複数回受信されることになる。そのため、従来の超音波流量計では正確な流量算出を行えない場合がある。しかし本発明では、複数の波束成分の受信情報に基づいて、被測定流体の代表流量値を算出するための代表流量値算出手段を設けたので、このような問題を回避できる。

より詳しくは、本発明の超音波流量計は、受信側の超音波送受信部によって複数回検知された波束成分のうち、被測定流体の流速または流量の算出に供するための代表となる代表波束成分を選択する波束成分選択手段を備える。そして代表流量値算出手段は、代表波束成分の受信情報に基づいて被測定流体の代表流量値を算出する。この構成によると、複数の波束成分を検出した場合であっても、その中から特定の波束成分（代表波束成分）を選択するため、正確な流量算出を行える。

この場合、波束成分選択手段は、受信側となる超音波送受信部に時間差をおいて複数回到達する波束成分のうち、予め定められた順位にて到達する波束成分を代表波束成分として選択する。例えば、３回到達する波束成分のうち、２回目を選択したり、３回目を選択したりできる。

また、波束成分選択手段は、被測定流体の流量に応じて選択すべき波束成分の順位を変更できることが望ましい。例えば、高流量の場合は２回目の波束成分を選択し、低流量の場合は１回目の波束成分を選択するようにする。これにより、流量測定のために最適な波束成分を選択可能となる。

さらに本発明の超音波流量計は、受信側の超音波送受信部が代表波束成分以外の不要波束成分の検知を無効化する不要波束成分無効化手段を備えることが望ましい。これにより、不要波束成分の検知を行う必要がなくなる。

より詳しくは、不要波束成分無効化手段は、代表流量値算出手段による代表波束成分以外の波束成分を用いた流量の算出処理を禁止する流量算出禁止手段を有することが好ましい。これにより、流量算出のための余計な演算を行う必要がなくなる。

例えば超音波送受信部は、超音波ビームをパルス状の超音波波形を有するものとして送出することができる。そして代表流量値算出手段は、受信側となる超音波送受信部におけるパルス状受信波形のゼロクロスポイントを検出してゼロクロスパルスを発生させるゼロクロスパルス発生手段と、送信側となる超音波送受信部において超音波ビームのパルス出力を励振してからゼロクロスパルスが検出されるまでの時間を超音波伝播時間として測定する時間計測手段とを有し、計測された超音波伝播時間に基づいて代表流量値を算出するものにできる。このようにすると、ゼロクロスパルスを利用して、超音波伝播時間を計測することが可能である。

この場合、流量算出禁止手段は、ゼロクロスパルス発生手段に対し、代表波束成分に由来したパルス状受信波形についてのみゼロクロスパルスを発生させ、他の波束成分に由来したパルス状受信波形についてのゼロクロスパルスの発生を禁止するものにできる。このようにすると、代表波束成分に由来したゼロクロスパルスのみが発生し、不要波束成分に由来したものは発生しなくなる。そのため、流量の算出処理が簡単なものになる。

また、流量算出禁止手段は、ゼロクロスパルス発生手段に対し、複数の波束成分に由来したパルス状受信波形についてのみゼロクロスパルスを順次発生させるとともに、ゼロクロスパルスの検出回数を計測するゼロクロスパルス計測手段を有し、検出回数が予め定められた回数に到達したときのゼロクロスパルスのみ、代表波束成分に由来したゼロクロスパルスとして採用してもよい。

一方、代表流量値算出手段は、次数の異なる各波束成分の伝播時間から被測定流体の流量を算出し、その算出された流量の平均値を代表流量値として算出するものとしてもよい。この構成によると、複数の波束成分から得られた流量の平均値を算出することができ、より信頼性の高い流量算出結果を得られる。

例えば、流路の上流側に配置される上流側超音波送受信部は、ビーム中心軸線が反射部材の反射面の法線方向に対し上流側に一定角度傾斜して定められる第一基準方向と一致するよう流路形成部の壁部に傾けて取り付けられ、流路の下流側に配置される下流側超音波送受信部は、ビーム中心軸線が反射部材の反射面の法線方向に対し第一基準方向と同一角度にて下流側に傾斜して定められる第二基準方向と一致するよう流路形成部の壁部に傾けて取り付けられ、
対をなす超音波送受信部は流路形成部に対し、複数の反射部材群を配列方向に挟む形で振り分けて配置されてなり、波束成分を導波空間内で偶数次にて多重反射させた後、受信側の超音波送受信部に導くとともに、
受信側の超音波送受信部は、反射部材群によって２回反射した波束成分と、４回反射した波束成分との双方を検知可能とされ、波束成分選択手段は、波束成分のうち４回反射したものを選択する構成とすることができる。この構成によると、いわゆるＺ型の超音波流量計において、２回反射の波束成分と４回反射の波束成分のうち、４回反射したものを選択できる。２回反射と比較すると、４回反射の方が伝播長が長いため、正確な流量を算出しやすい。

また、波束成分選択手段は、被測定流体の流量が少ない低流量状態の場合は、受信側の超音波送受信部によって検知される１回目の波束成分を選択し、被測定流体の流量が多い高流量状態の場合は２回目に検知される波束成分を選択するようにしてもよい。このようにすると、高流量状態と低流量状態とで、選択すべき波束成分を切り替えることが可能となり、より正確な流量算出結果を期待できる。

本発明に係る超音波流量計の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成である。この超音波流量計１には、被測定流体ＧＦの流路を形成する流路形成部３と、当該流路形成部３に対し被測定流体ＧＦの流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が被測定流体ＧＦへの測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームＳＷを送出可能な対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂと、流路形成部３の内部にて流路に沿って配置される各々板状に形成され、かつ板面法線方向に所定の間隔で複数設けられた反射部材３１，３２とを備えている。そして、送信側となる超音波送受信部２ａ，２ｂから送出される超音波ビームＳＷを、反射部材３１，３２を利用して流路内で多重反射させつつ受信側となる超音波送受信部２ａ，２ｂへ導くようにしてある。流路形成部３は例えば金属製である。

反射部材３１，３２を含む流路形成部３と超音波送受信部２ａ，２ｂとが流量計本体１Ｍを構成し、該流量計本体１Ｍと制御回路部１Ｅ（本発明の代表流量値算出手段）とにより超音波流量計１の全体が構成されている。図２は、流量計本体１Ｍの断面構造を示す斜視図である。また、図１において、制御回路部１Ｅは、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂを、流路上流側に位置する上流側超音波送受信部２ａ側が送信側となり、流路下流側に位置する下流側超音波送受信部２ｂ側が受信側となる第一駆動モードと、その逆となる第二駆動モードとの間で切り替え可能に駆動する超音波駆動機構４を有する。

超音波流量計１の流量測定用の流路３Ｐには、流量測定用ガス（流体）が図示の流れ方向に流通している。流路３Ｐには、流れ方向下流側に下流側超音波送受信部２ｂが設けられ、流れ方向上流側に上流側超音波送受信部２ａが設けられている。これらの超音波送受信部２ａ，２ｂは圧電振動子などからなる超音波振動子を有した超音波トランスデューサであり、駆動電圧の印加により超音波ビームを送出する超音波送出機能と、超音波ビームの受信により電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。測定用の超音波ビームは、流路内にて超音波送受信部２ａ，２ｂ間に定在波を生じないよう、所定波数以下のパルス状に送出される。

測定対象がガスの場合、流路３Ｐを形成する流路形成部３の軸断面形状は壁部３Ｊにより閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態では、図１に示すごとく流路形成部３は矩形状に形成され、上壁部３Ｊａに上流側超音波送受信部２ａが、また下壁部３ｊｂに下流側超音波送受信部２ｂが取り付けられている。つまり、対をなす超音波送受信部２ａ，２ｂが、流路形成部３に対し、複数の反射部材３１，３２群を配列方向に挟む形で振り分けて配置されている。この場合、超音波ビームＳＷは、導波空間３Ｗ内で偶数次にて多重反射することとなる。

図３は、流量計本体１Ｍの内部構造の詳細を示すものである。反射部材３１，３２は、流路の断面中心軸線Ｏに関して両側に対をなして、具体的には、流路の断面中心軸線Ｏに関して対称となる位置関係で配置されている。いずれも、超音波ビームＳＷの反射面が流路の中心軸線と平行となるように配置されている。また、図１及び図２に示すように、反射面の法線方向と流路の断面中心軸線Ｏ方向との双方と直交する向きを流路幅方向としたとき、反射部材３１，３２の流路幅方向の両縁は、流路形成部３の流路幅方向における両側の壁部３Ｊ内面に結合されている。

反射部材３１，３２は、被測定流体（媒質）の音響インピーダンスをＺ１とした場合、反射部材の音響インピーダンスをＺ２とすれば、境界（反射面）が反射部材３１，３２であるので、Ｚ１／Ｚ２≪１となるような音響インピーダンスＺ２を有した材質を選定すればよい。このようにすれば、反射部材３１，３２の音響インピーダンスＺ２媒質の音響インピーダンスＺ１に比べて充分に大きいので、境界（反射面）をなす反射部材３１，３２を超音波ビームＳＷが透過することを阻止でき、ほぼ全反射となるため、超音波ビームＳＷの伝播ロスが少なくなり、高感度な送受信が達成できる。具体的には、音響インピーダンス比Ｚ１／Ｚ２の値は１／１０以下であればよく、反射部材３１，３２の具体的な材質としては、金属、セラミックス、プラスチックスを例示できる。

また、反射部材３１，３２の厚みは、材料の機械的物性や加工性等を考慮して、０．４ｍｍ以上確保されていることが望ましい。また、反射部材３１，３２の厚みが超音波波長λの１／２に一致していると、図１９に示すごとく、共振により反射部材の音波透過率が非常に急峻に増大し、反射がほとんど生じなくなるので、厚さはλ／２（約１．２５ｍｍ）よりも小さいこと、具体的には１ｍｍ以下に設定されていることが望ましい。

さらに、反射部材３１，３２の反射面の表面粗さ（ＪＩＳ：Ｂ０６０１（２００１）に規定された算術平均高さＲａを採用する）は、超音波波長λの１／１０以下に仕上げられていることが望ましい。これにより、反射面での乱反射による超音波エネルギーのロスが少なくなり、ほぼ全反射するため、超音波ビームの伝播ロスが抑制され、高感度な送受信を実現できる。

図３に示すように、送信側となる超音波送受信部（第一駆動モードでは上流側超音波送受信部２ａ、第二駆動モードでは下流側超音波送受信部２ｂ）から送出される超音波ビームＳＷは、それら１対の反射部材３１，３２間に形成される導波空間３Ｗ内にて多重反射されつつ受信側となる超音波送受信部（第一駆動モードでは下流側超音波送受信部２ｂ、第二駆動モードでは上流側超音波送受信部２ａ）に導かれる。

反射部材３１，３２には、該反射部材３１，３２と対向する超音波送受信部２ａ，２ｂからの超音波ビームＳＷを導波空間３Ｗに導入するビーム導入孔３１ｈ，３２ｈが貫通形成されている。超音波ビームＳＷは、ビーム中心軸線からその半径方向への拡散により、反射部材に対する入射角度によって流路内での反射次数及び伝播長の異なる複数の波束成分に分かれて進行する。すなわち、送信側となる超音波送受信部から送出される超音波ビームＳＷのうち、一部は反射部材３１，３２間で２回反射する波束成分ＳＷ２として進行し、他の一部は４回反射する波束成分ＳＷ４として進行する。受信側の超音波送受信部は、次数の互いに異なる波束成分ＳＷ２，ＳＷ４を、時間差をおいて複数回受信可能とされている。

図３に示すように、送信側の超音波送受信部２ａに駆動信号を送信すると超音波ビームが送出され、受信側の超音波送受信部２ｂにおいて、２回反射の波束成分ＳＷ２と４回反射の波束成分ＳＷ４が時間差をおいて検出される。このとき代表流量値算出手段１Ｅでは、２回反射の波束成分ＳＷ２を検知したときにマスク信号をかけ、ゼロクロスパルスＶｅが発生しないようにしている。また、４回反射の波束成分ＳＷ４を検知したときにはマスク信号が遮断され、ゼロクロスパルスＶｅが発生する。駆動信号が入力されてから、ゼロクロスパルスＶｅが検出されるまでの時間を計測することにより、波束成分ＳＷ４の伝播時間を計測でき、これに基づいて被計測流体の代表流量値を算出する。

次に、図４に示す回路ブロック図と、図５に示すタイミングチャートとに基づいて、超音波流量計の作動を説明する。図４の回路ブロック図は、超音波流量計の一部であり、本発明の波束成分選択手段１Ｆを構成する部分である。図示するように、受信側超音波素子出力は、増幅部７（例えばオペアンプ）で電圧増幅（例えば非反転増幅）され、増幅信号Ｖａがゼロクロスポイント検出部９に入力される。ゼロクロスポイント検出部９において、増幅信号Ｖａはゼロクロス型コンパレータ９１（第一コンパレータ：例えば非反転入力）と、差動型コンパレータ９２（第二コンパレータ：例えば反転入力）に入力される。コンパレータ出力Ｖｃは、ＲＳフリップフロップ回路（以下、ＲＳＦＦ回路という）９３のポート＃Ｒへ入力される。また、コンパレータ出力Ｖｂ１はＡＮＤ回路９４に入力され、ここでマスク信号との論理積をとった後に出力信号Ｖｂ２が出力される。この出力信号Ｖｂ２はＲＳＦＦ回路９３のポート＃Ｓへ入力される。図５に示すように、２回反射波束成分ＳＷ２を受信した際の第一コンパレータ出力Ｖｂ１の１回目のパルスをトリガとしてマスク信号（Ｌ）が入力され、その入力がされている間は、ＡＮＤ回路出力Ｖｂ２がＬに保持される。また、４回反射波束成分ＳＷ４の第一コンパレータ出力Ｖｂ１が出力されるときには、マスク信号が非入力となり、ＡＮＤ回路出力Ｖｂ２が出力される。そして図示するように、ＲＳＦＦ回路のポート＃Ｑの出力Ｖｄは、２回反射波束成分ＳＷ２が入力された際には出力されず、４回反射波束成分ＳＷ４が入力された際に出力される。そして、この出力Ｖｄにより、単安定マルチバイブレータ等で構成されるゼロクロスポイントパルス発生回路９４がゼロクロスポイント検出信号Ｖｅを時間計測部１０に出力する。時間計測部１０では、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅに基づき、クロックパルス発生回路１０２（例えば水晶発振子、無安定マルチバイブレータ）からのクロックパルス数をパルスカウンタ回路１０１（例えばＪＫフリップフロップ回路）でカウントして到達時間検出信号Ｖｆが出力される。この到達時間検出信号Ｖｆにより、代表流量値が算出される。なお、ＲＳＦＦ回路９３のポート＃Ｑ出力Ｖｄ，ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅの各出力は、各々１回のみの出力で終了するように制御されている（図５参照）。

上述のように構成することで、波束成分選択手段１Ｆは、受信側の超音波送受信部によって複数回検知された波束成分（ＳＷ２，ＳＷ４）のうち、被測定流体の流速または流量の算出に供するための代表となる代表波束成分（ＳＷ４）を選択することが可能となる。

また、換言すると、上記構成により、受信側の超音波送受信部が代表波束成分ＳＷ４以外の不要波束成分（ＳＷ２）の検知を無効化する不要波束成分無効化手段が実現されている。さらに、代表波束成分（ＳＷ４）以外の波束成分（ＳＷ２）を用いた流量の算出処理を禁止する流量算出禁止手段が実現されているとも言える。

より詳しくは、流量算出禁止手段は、ゼロクロスパルス発生回路９４に対し、代表波束成分ＳＷ４に由来したパルス状受信波形についてのみゼロクロスパルスを発生させ、他の波束成分に由来したパルス状受信波形についてのゼロクロスパルスの発生を禁止することにより、不要波束成分の流量算出処理を禁止している。

図１に戻る。超音波駆動機構４は、送信部５、受信部６及び切替部４ｓを有する。送信部５は、超音波送受信部２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。受信部６はスイッチ等から構成され、このスイッチを切り替えることにより、前述の駆動モードの切替がなされる。この受信部６の切替制御は切替部４ｓにより行われる。時間計測部１０は、第一駆動モードでの、上流側超音波送受信部２ａから発信された超音波ビームＳＷが下流側超音波送受信部２ｂに到達するまで（代表波束成分ＳＷ４を検知するまで）の順方向伝播時間と、第二駆動モードにおける下流側超音波送受信部２ｂから発信された超音波ビームＳＷが上流側超音波送受信部２ａに到達するまで（代表波束成分ＳＷ４を検知するまで）の逆方向伝播時間とを計測する。また、演算部１１は、上記の順方向伝播時間と逆方向伝播時間との時間差から、流路３Ｐを流れる流体の代表流速度及び代表流量値を計算する。

本発明では、伝播パスが多重反射による折れ線状となるので、図３の構成の場合、流量Ｑの計算を以下のようにして行なうことができる（各部の寸法は図６に示す記号にて説明する）。まず、反射部材３１，３２により仕切られる各空間のうち、上壁部側空間３Ｃ、導波空間３Ｗ及び下壁部側空間３Ｃ’の各高さをｈ１、ｈ２、ｈ３、断面積をＳ１、Ｓ２、Ｓ３とする。また、反射部材３１，３２の厚みをｔ、淀み空間２ｄのオフセット長をＬ０、超音波送受信部２ａ，２ｂの取付角度をθとすると、伝播パス長Ｌは下式により計算される。

Ｌ＝｛（ｈ１−ｔ／２）／ＳＩＮθ
＋５・（ｈ２−ｔ）／ＳＩＮθ＋（ｈ３−ｔ／２）／ＳＩＮθ｝＋２Ｌ０ ‥(1)
また、反射部材３１，３２は流路中心軸線Ｏに関して上下対象に設けられているので、
ｈ１＝ｈ３＝ｈ’ ‥(2)
Ｓ１＝Ｓ３＝Ｓ’ ‥(3)

次に、導波空間３Ｗ以外の三角部を含む流路断面、つまり、上壁部側空間３Ｃ及び下壁部側空間３Ｃ’における流速Ｖ’と瞬時流量Ｑ’とを算出する。まず、伝播パスのうち、上壁部側空間３Ｃ及び下壁部側空間３Ｃ’に属する部分の長さＬ’は、
Ｌ’＝２・｛ｈ’−ｔ／２）／ＳＩＮθ＋Ｌ０｝ ‥(4)
である。すると、順方向伝播時間Ｔ１’は、
Ｔ１’＝Ｌ’／（Ｋ＋Ｖ’ＣＯＳθ）‥(5)
（ただし、Ｋは被測定ガス中の音速）
同様に、逆方向伝播時間Ｔ２’は、
Ｔ２’＝Ｌ’／（Ｋ−Ｖ’ＣＯＳθ）‥(5)’
従って、上壁部側空間３Ｃ及び下壁部側空間３Ｃ’における流速Ｖ’は、
Ｖ’＝（Ｌ’／ＣＯＳθ）（１／Ｔ１’−１／Ｔ２’） ‥(6)
同じく瞬時流量Ｑ’は、
Ｑ’＝Ｖ’・２Ｓ’‥(7)

次に、導波空間３Ｗでの流速：Ｖ”と瞬時流量Ｑ”とを同様に算出すると、伝播パスのうち、導波空間３Ｗに属する部分の長さＬ”は、
Ｌ”＝Ｎ・｛（ｈ２−ｔ）／ＳＩＮθ｝‥(7)’
（ただし、Ｎは反射次数（反射回数））
である。すると、順方向伝播時間Ｔ１”は、
Ｔ１”＝Ｌ”／（Ｋ＋Ｖ”ＣＯＳθ）‥(8)
同様に、逆方向伝播時間Ｔ２”は、
Ｔ２”＝Ｌ”／（Ｋ−Ｖ”ＣＯＳθ）‥(9)
従って、導波空間３Ｗにおける流速Ｖ”は、
Ｖ”＝（Ｌ”／ＣＯＳθ）（１／Ｔ１”−１／Ｔ２”） ‥(10)
同じく瞬時流量Ｑ”は、
Ｑ”＝Ｖ”・Ｓ２ ‥(11)

以上から、全流量値Ｑは、導波空間３Ｗ（Ｓ２）と上壁部側空間３Ｃ及び下壁部側空間３Ｃ’（Ｓ’＋Ｓ’＝２Ｓ’）の各流量の和となるから、
Ｑ＝Ｑ’＋Ｑ”（Ｖ’・２Ｓ’＋Ｖ”・Ｓ２） ‥(12)
として算出することができる。

上記構成によると、超音波送受信部２ａ，２ｂ間を超音波ビームＳＷが直進により伝播する場合と比較して、図３に示すように、反射回数が２回以上に増加する分だけ伝播パス長が折れ線状に増加し、流量測定精度の向上あるいは流量測定のレンジアビリティ拡大に寄与できる。また、同じ伝播パス長であっても、パス形状が折れ線状となることで、対を成す超音波送受信部２ａ，２ｂの距離を近づけることができ、装置の小形化にも貢献する。また、反射部材３１，３２によって流路３Ｐがその軸断面内にて複数に分割されるが、反射部材３１，３２は被測定流体ＧＦに対する整流素子としても機能するので、流れの安定化と均一化とを図ることができ、この観点からも流量測定精度の向上に寄与する。特に、反射部材３１，３２による流路の分割方向に流れを十分均一化することができれば、測定対象となる流れを近似的に二次元流として取り扱うことが可能となり、測定精度向上の観点においてさらに有利となる。

また、受信側の超音波送受信部には、反射次数の異なる波束成分が時間差をおいて複数回受信されることになるが、本発明においては、その複数の波束成分の中から代表波束成分を選択することができる。すなわち、流量算出のために最適となる波束成分を選択することが可能である。

次に、超音波流量計１別の回路構成例を図１２に示す。この実施例では、第一コンパレータ９１の出力ＶｂはＡＮＤ回路９４に入力されず、ＲＳＦＦ回路９３のポート＃Ｓに直接入力される。その結果、タイミングチャートは図１３に示すものとなる。図示するように、２回反射波束成分ＳＷ２と４回反射波束成分ＳＷ４の各々に対応してゼロクロスポイント検出信号Ｖｅが出力され、駆動信号が入力されてから各ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅが出力されるまでの時間が計測される。この計測結果は、演算部１１に各々入力される。

図１４に、演算部１１のブロック図を示す。演算部１１は通常のコンピュータとして構成されており、ＣＰＵ１１１と、制御プログラム１１２ａが記憶されたＲＯＭ１１２と、ＲＡＭ１１３と、入出力部（Ｉ／Ｏ）１１４と、これらの構成を繋ぐライン１１５とを備える。ＣＰＵ１１１が制御プログラム１１２ａを読み出して実行することにより、本発明の波束成分選択手段、不要波束成分無効化手段、流量算出禁止手段、ゼロクロスパルス計測手段がそれぞれ実現される。

次に、図１５〜図１８のフローチャートを用いて、制御プログラム１１２ａの動作について説明する。まずステップＳ１で、後述するカウンタに用いる変数ｎをリセットする処理を行う。その後Ｓ２に進み、第一方向へ（すなわち、上流側超音波送受信部２ａへ）駆動信号を出力する。その後、Ｓ３で時間計測を行い、Ｓ４に移ってゼロクロスパルスが発生したか否を判断する。ゼロクロスパルスが発生した場合、Ｓ５に移ってパルスカウンタｎを１つ増やす。そしてＳ６に移り、ｎが予め定められた値ｎａ（例えば２）より大きいか否かを判断する。ｎ＝１の場合はＮｏと判定されるので、Ｓ３に戻って再び時間計測を行う。また、Ｓ４において２回目のゼロクロスパルスを検知すると、Ｓ５でｎ＝２となり、Ｓ６でＹｅｓとなってＳ７に進む。これらの処理を行うことにより、２回目のゼロクロスパルスを検知するまでの時間Ｔ１（順方向伝播時間）が求められる。Ｓ７では、この値を記憶する。

その後、Ｓ８〜Ｓ１４の処理を行う。ここでは、第二方向へ（すなわち、下流側超音波送受信部２ｂへ）駆動信号を出力し、上流側の超音波送受信部２ａにて超音波ビームを受信する。ここでも、Ｓ１〜Ｓ７と同様の処理を行うことにより、２回目のゼロクロスパルスを検知するまでの時間Ｔ２（逆方向伝播時間）を求め、Ｓ１４においてこの値を記憶する。次にＳ１５に進み、上述の式１２に基づいて流量Ｑを算出する。

以上の処理を行うことにより、ゼロクロスパルスの検出回数が予め定められた回数（ここでは２回目）に到達したときのゼロクロスパルスのみ、代表波束成分に由来したゼロクロスパルスとして採用することが可能となる。

なお図１６に示すように、ｎａを変更することが可能である。このフローチャートでは、図１５のＳ１〜Ｓ１５までの処理をＳ１８として定義している。Ｓ１７にて例えばｎａ＝４を代入すれば、４回目のゼロクロスパルスを使って流量Ｑを測定することが可能となる。

次に、図１７に示すように、１回目のゼロクロスパルスを利用して流量Ｑ（１）を測定し、同様に２回目のゼロクロスパルスを利用して流量Ｑ（２）を測定し、これらの平均値を算出することもできる。まず、Ｓ１６にて変数ｎをリセットし、Ｓ１７にてｎａ＝１を代入する。そしてＳ１８を処理することにより、１回目のゼロクロスパルスを利用して流量Ｑ（１）を測定し、これをＳ１９にて記憶する。次に、Ｓ２０〜Ｓ２３を処理する。ここでは、Ｓ２１でｎａ＝２とすることにより、２回目のゼロクロスパルスを利用して流量Ｑ（２）を測定し、Ｓ２３にてこの値を記憶する。これらの処理が終了した後、Ｓ２４にてＱ（１）とＱ（２）の平均値を算出する。

また、図１８に示すフローチャートを採用することもできる。この実施例では、Ｓ１６〜Ｓ２４の処理を行った後（図１７と同じなので説明は省略する）、Ｓ２５に進み、流量の平均値Ｑが予め定められた流量Ｑａよりも大きいか否かを判定する。ここでＹｅｓ（高流量状態）と判定された場合はＳ２７に進み、代表流量値としてＱ（２）を採用する。また、Ｎｏ（低流量状態）の場合はＳ２６に進み、代表流量値としてＱ（１）を採用する。

次に、図７を用いて本発明の別の実施例について説明をする。この実施例では、対をなす反射部材３１，３２が形成する導波空間３Ｗ内において、超音波ビームＳＷの多重反射区間の前後に隣接する位置に、それら対をなす反射部材３１，３２の間に整流用仕切り板３３’Ａ，３３’Ｂを介挿した例である。整流用仕切り板３３’Ａ，３３’Ｂ間の大きな空隙３３ｇは、４次の波束成分ＳＷ４とともに２次の波束成分ＳＷ２の通過も許容し、受信側の超音波送受信部に異なるタイミングで受信される。これらの波束成分のうち、代表波束成分（ＳＷ２又はＳＷ４）の受信情報に基づいて、代表流量値が算出される。

また、図８の構成では、反射部材３１，３２の間に、それら反射部材３１，３２が形成する導波空間３Ｗを分割する中間反射部材３３が介挿されている。また、分割された各導波空間３Ｗの一方の側から他方の側に向う超音波ビームＳＷ４を通過させるためのビーム通過孔３３ｈが中間反射部材３３に形成されている。この構成では、４次の波束成分ＳＷ４と、８次の波束成分ＳＷ８とが受信される。これらの波束成分ＳＷ４，ＳＷ８は、第一反射部材３１と中間反射部材３３との間に形成される第一導波空間３Ｗ１に導入されて第一の多重反射を生じた後、ビーム通過孔３３ｈを経て、中間反射部材３３と対をなす反射部材３１，３２の他方をなす第二反射部材３１，３２との間に形成される第二導波空間３Ｗ２に導入されて第二の多重反射を生じるようになっている（第一駆動モード；第二駆動モードでは、その逆順となる）。これらの波束成分ＳＷ４，ＳＷ８のうち、例えば８次の波束成分ＳＷ８を代表波束成分として採用することができる。

次に、図９の構成では、超音波送受信部２ａ，２ｂは、反射部材３１，３２の反射面の法線方向において流路形成部３の片側に集めて配置されており、下壁部３Ｊｂの内壁面も反射面として利用する形でＶ字形状の伝播パスが形成される。図示するように、５次および９次の波束成分ＳＷ５，ＳＷ９が、受信側の超音波送受信部に到達可能とされている。第二反射部材３２には、下壁部３Ｊｂの内壁面にてＶ字反射される波束成分ＳＷ５，ＳＷ９の、下壁部側空間３Ｃ’と導波空間３Ｗとの間の往路パスと復路パスとの双方の透過を許容する透過孔３２ｈが形成されている。波束成分ＳＷ５，ＳＷ９は、導波空間３Ｗで第一回の多重反射をした後、透過孔３２ｈを通過して下壁部３Ｊｂにて１回反射し、再び透過孔３２ｈを通って導波空間３Ｗで第二回の多重反射をする。これらの波束成分ＳＷ５，ＳＷ９のうち、例えば９次の波束成分ＳＷ９が代表波束成分として選択される。

図１０の構成では、反射部材３１，３２の上流側ないし下流側の縁を回り込ませる形で２次および４次の波束成分ＳＷ２，ＳＷ４が導波空間３Ｗに導入されるようになっており、ビーム導入孔の反射部材３１，３２への形成が省略されている。また、図１１の構成では、反射部材３１，３２の上流側ないし下流側の縁に、切欠き状の（つまり、孔ではない）ビーム導入部３１ｃ，３２ｃが形成されている。

本発明の超音波流量計の第１実施例に係る全体構造を示す模式図。 図１の超音波流量計の、流量計本体の内部構造を示す断面斜視図。 図１の超音波流量計の、全体の動作を示す図。 超音波流量計のブロック図の一部。 タイミングチャートの一例。 流路の高さ、断面積等を説明するための図。 第２実施例の基本構成を示す説明図。 第３実施例の基本構成を示す説明図。 第４実施例の基本構成を示す説明図。 第５実施例の基本構成を示す説明図。 第６実施例の基本構成を示す説明図。 第７実施例のブロック図の一部。 図１２のタイミングチャート。 演算部のブロック図。 フローチャートの第１実施例。 フローチャートの第２実施例。 フローチャートの第３実施例。 フローチャートの第４実施例。 反射部材の厚みと超音波透過率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。

符号の説明

１ 超音波流量計
１Ｅ 代表流量値算出手段
１Ｆ 波束成分選択手段
ＧＦ 被測定流体
２ａ，２ｂ 超音波送受信部
３ 流路形成部
３Ｐ 流路
３１，３２ 反射部材
９ ゼロクロスポイント検出部
１０ 時間計測部

Claims (7)

1. 被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
   前記流路形成部に対し前記被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が前記被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々前記測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビームを送出可能な対をなす超音波送受信部と、
   前記流路形成部の内部にて前記流路に沿って配置される板状に形成された、１つ又は板面法線方向に所定の間隔で複数設けられた反射部材とを備え、
   前記送信側となる超音波送受信部から送出される前記超音波ビームは、ビーム中心軸線からその半径方向への拡散により、前記反射部材に対する入射角度によって前記流路内での反射次数及び伝播長の異なる複数の波束成分に分かれて進行するととともに、前記受信側の前記超音波送受信部は、次数の互いに異なる波束成分を、時間差をおいて複数回受信可能とされてなり、その受信情報に基づいて前記被測定流体の代表流量値を算出する代表流量値算出手段を設けてなり、
   受信側の前記超音波送受信部によって複数回検知された前記波束成分のうち、前記被測定流体の流速または流量の算出に供するための代表となる代表波束成分を選択する波束成分選択手段を備え、
   前記代表流量値算出手段は、該代表波束成分の受信情報に基づいて前記被測定流体の代表流量値を算出するものであり、
   前記波束成分選択手段は、受信側となる前記超音波送受信部に時間差をおいて複数回到達する前記波束成分のうち、予め定められた順位にて到達する波束成分を前記代表波束成分として選択し、
   前記波束成分選択手段は、前記被測定流体の流量に応じて選択すべき前記波束成分の順位を変更するものであることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記受信側の超音波送受信部が前記代表波束成分以外の不要波束成分の検知を無効化する不要波束成分無効化手段を備える請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記不要波束成分無効化手段は、前記代表流量値算出手段による前記代表波束成分以外の波束成分を用いた前記流量の算出処理を禁止する流量算出禁止手段を有する請求項２記載の超音波流量計。
4. 前記超音波送受信部は、前記超音波ビームをパルス状の超音波波形を有するものとして送出するものであり、
   前記代表流量値算出手段は、
   受信側となる前記超音波送受信部におけるパルス状受信波形のゼロクロスポイントを検出してゼロクロスパルスを発生させるゼロクロスパルス発生手段と、送信側となる前記超音波送受信部において前記超音波ビームのパルス出力を励振してから前記ゼロクロスパルスが検出されるまでの時間を超音波伝播時間として測定する時間計測手段とを有し、計測された超音波伝播時間に基づいて前記代表流量値を算出するものである請求項３記載の超音波流量計。
5. 前記流量算出禁止手段は、前記ゼロクロスパルス発生手段に対し、代表波束成分に由来したパルス状受信波形についてのみ前記ゼロクロスパルスを発生させ、他の波束成分に由来したパルス状受信波形についてのゼロクロスパルスの発生を禁止するものである請求項４記載の超音波流量計。
6. 前記流量算出禁止手段は、前記ゼロクロスパルス発生手段に対し、複数の波束成分に由来したパルス状受信波形についてのみ前記ゼロクロスパルスを順次発生させるとともに、該ゼロクロスパルスの検出回数を計測するゼロクロスパルス計測手段を有し、当該検出回数が予め定められた回数に到達したときのゼロクロスパルスのみ、前記代表波束成分に由来したゼロクロスパルスとして採用するものである請求項５記載の超音波流量計。
7. 前記波束成分選択手段は、前記被測定流体の流量が少ない低流量状態の場合は、前記受信側の超音波送受信部によって検知される１回目の波束成分を選択し、前記被測定流体の流量が多い高流量状態の場合は２回目に検知される波束成分を選択する請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波流量計。

Images