JP4954210B2 - 低電力超音波流量計測 - Google Patents

Description

本発明は、管路内の流体の流速を計測するための超音波流量計測の方法、および管路内の流体の流速を計測するための超音波流量計に関する。

超音波流量計は周知であり、一般的に２つのカテゴリ、すなわちトランジットタイム超音波流量計およびドップラ超音波流量計に分類される。

図１は、管１０内の流体の流量を測定するための典型的なトランジットタイム超音波流量計の動作を示す。流体の流れの方向は矢印Ｘで示される。該超音波流量計は、管１０の外面１６に取り付けられた１対の超音波トランスデューサ１２および１４を使用する。トランスデューサ１２および１４は距離Ｌを置いて、第１トランスデューサ１２を上流位置に、第２トランスデューサ１４を下流位置にして、管１０の両側に配置される。

下流流量測定を行なうために、下流超音波信号Ｙが上流トランスデューサ１２から下流トランスデューサ１４に向かって、流れの方向Ｘに対して角度θで放射される。下流信号Ｙが下流トランスデューサ１４に到達するトランジットタイムｔ_dが測定される。

同様に、上流流量測定を行なうために、上流超音波信号Ｚが下流トランスデューサ１４から上流トランスデューサ１２に向かって、流れの方向Ｘに対して角度θで放射される。上流信号Ｚが上流トランスデューサ１２に到達するトランジットタイムｔ_uが測定される。

トランジットタイムｔ_uおよびｔ_dは、次式によって与えられる。

ここでｃは流体中の音の速度であり、ｖは流速である。次いでトランジットタイム差Δｔは、次式によって与えられる。

通常、音の速度は流速よりずっと大きい（すなわちｖ＜＜ｃ）。例えば純水は２０℃で、０．０１ないし４ｍｓ^-1の典型的な流速と比較して、１４８２ｍｓ^-1の音速を有する。したがって、式（３）は次のように概算される。

さらに、音の速度は、上流および下流トランジットタイムｔ_uおよびｔ_dの平均から算出することができる。

したがって、式（７）を式（５）に代入して、計測されたトランジットタイムから流速を次のように算出することができる。

超音波流量計は多くの仕方で実現される。最も一般的には、それらは、代替的な計測技術を使用することのできない工業分野、または高性能が要求される工業分野で使用される。しかし、そのような工業用超音波流量計は、それらの物理的制約、電力消費、または製造コストのため、大量生産または消費者市場には適さない。

本発明の目的は、工業用超音波流量計の制約を克服し、低電力で動作することのできる超音波流量計測の方法およびシステムを提供することである。特に、最高１０年間の電池で動作することができ、かつ低コストで製造することのできるシステムを提供することが求められる。

本発明の第１態様では、管路内の流体の流速を計測するための超音波流量計測の方法であって、マイクロプロセッサと、クロックと、流体を介して信号を送信しかつ送信された信号を受信するように動作可能な１対の超音波トランスデューサとを備えた超音波流量計を用意するステップと、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量が能動状態の超音波流量計によって使用される電力の量より少なく、クロックによって測定される時間間隔で超音波流量計を受動状態から能動状態に切り替えるステップと、超音波流量計測サイクルを実行するステップと、超音波流量計測サイクルの完了後に超音波流量計を能動状態から受動状態に切り替えるステップとを含む方法が提供される。

本発明の第２態様では、管路内の流体の流速を計測するための超音波流量計において、該超音波流量計が超音波流量計測サイクルを実行する能動状態と受動状態とを有し、該著音波流量計が、流体を介して信号を送信しかつ送信された信号を受信するように動作可能な１対の超音波トランスデューサであって、超音波流量計の能動状態では動作可能であり、かつ受動状態では動作不可能である超音波トランスデューサと、超音波流量計の能動および受動状態の両方で動作可能なクロックと、クロックによって測定される時間間隔で超音波流量計を受動状態から能動状態に切り替えるように動作可能なマイクロプロセッサであって、超音波流量計測サイクルの完了後に超音波流量計を能動状態から受動状態に切り替えるようにさらに動作可能であるマイクロプロセッサとを備え、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量が能動状態の超音波流量計によって使用される電力の量より少ない、超音波流量計が提供される。

したがって本発明は、ユーザが管路内の流体の流速および方向を決定し、かつ液体流量計のガス流の期間またはガス流量計の湿潤期間を決定することを可能にする、低電力超音波流量計測のための方法および装置を提供する。さらに本発明は、統計分析により精度および性能を改善することを可能にし、流体の粘性および温度の変化に対する連続補正をもたらす。さらに本発明は、超音波流量計の自動セルフテストのみならず、回路構成要素のドリフトの自動較正、自己検査および補正をも可能にする。

本発明の他の好適な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載する。

実施例として、本発明の実施形態について、以下に添付図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る超音波流量計２０の略図である。超音波流量計２０は、管路内の流体の流量を計測するために使用することができる。

超音波流量計２０は、内部クロック２４を有する低電力マイクロプロセッサ２２を備える。内部クロック回路は、時間および温度に対する安定性を確実にするために外部低周波水晶発振器を使用し、３２ｋＨｚウォッチクリスタルが一般的に使用される。代替的実施形態では、クロック２４はマイクロプロセッサに内蔵する必要はない。超音波流量計はさらに、高速クロック２６、クロック分周器２８、移相器３０、超音波トランスデューサアレイ３２、ゲート３４、増幅器３６、比較器３７、計数器３８、位相比較器４０、電流源４２、コンデンサ４４、および読出し装置４６を備える。マイクロプロセッサ２２はシステムの心臓部であり、超音波計測プロセスの様々なステップの全部のタイミングを制御する。したがってマイクロプロセッサ２２は、上述した超音波流量計の構成要素の全部に直接または間接的に接続される。

超音波トランスデューサアレイ３２は、アレイ３２のトランスデューサが流体を介して信号を送信しかつ送信された信号を受信することができるように、先行技術の場合と同様に構成される。アレイ３２は少なくとも１対の超音波トランスデューサを含み、各対が一緒にそれぞれの送信器‐受信器対を形成する。好ましくは、対の各トランスデューサは超音波信号を送受信することができる。しかし、送信および受信機能に別々のトランスデューサを設けることも予想される。先行技術の場合と同様に、トランスデューサ対は、１つのトランスデューサを上流位置に、１つのトランスデューサを下流位置にして、管路の外面の両側に取り付けることができる。こうして、１対の上流および下流トランジットタイム計測により、管路内の流体の流速を算出することが可能になる。超音波トランスデューサアレイ３２は、任意のトランスデューサをいつでも任意の組合せで送信器または受信器回路に接続することを可能にするマルチプレクサを介して、マイクロプロセッサ３２に接続することができる。

使用時に、超音波流量計２０は２つの動作状態、すなわち超音波流量計測サイクルが実行される能動状態と受動状態とを有する。超音波流量計は受動状態では電力をほとんど使用しないので、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量は、能動状態で使用される電力の量より少ない。好ましくは、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量は、能動状態で使用される電力の量より少なくとも１桁少ない。より好ましくは、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量は、能動状態で使用される電力の量より少なくとも２桁少ない。より好ましくは、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量は、能動状態で使用される電力の量より少なくとも３桁少ない。

大部分の時間に、超音波流量計２０は、様々な構成要素（高速クロック２６、増幅器３６、および読出し装置４６を含む）がマイクロプロセッサ２２からのディセーブル信号によって使用不可能になる受動状態にある。これらの様々な構成要素は、使用不可能時に電流をほとんど引き込まないように選択することが好ましい。内部クロック２４は、超音波流量計２０の能動および受動状態の両方で超低電力で動作する。

時間間隔Ｔ１で、内部クロック２４はマイクロプロセッサ２２に割込み信号を送信する。時間ｔ₁で割込み信号を受信すると、マイクロプロセッサ２２は超音波流量計２０を受動状態から能動状態に切り替えて、超音波流量計測サイクルを実行する。

図３に示す通り、超音波流量計測サイクルの始動時に、マイクロプロセッサ２２は時間ｔ₁でイネーブル信号Ｓ１を高速クロック２６に送信する。時間ｔ₁でイネーブル信号Ｓ１を受信すると、高速クロック２６は、高速クロック２６の周波数および周期を有する高速クロック信号Ｓ２を出力し始める。高速クロック２６の周波数は、アレイ３２のトランスデューサの共振周波数より高い。

次いで、マイクロプロセッサ２２および高速クロック２６を安定させる安定化遅延Ｔ２がある。好ましくは、マイクロプロセッサ２２および高速クロック２６は１０μｓ以内に始動し、それは１００ｍｓから１０ｓの間の典型的な水晶発振器の始動周期よりかなり速い。安定化遅延Ｔ２後に、マイクロプロセッサ２２は、高速クロック２６によって計時されるクリア信号Ｓ３を送信する。クリア信号Ｓ３は時間ｔ₂で多数の効果を有する。

第一に、マイクロプロセッサのクリア信号Ｓ３は、時間ｔ₂でクロック分周器２８をリセットして作動させる。こうして、クロック分周器２８は高速クロック２６から高速クロック周波数で入力信号Ｓ２を取得し始める。クロック分周器２８は入力信号を分周するように働いて、アレイ３２のトランスデューサのより低い共振周波数でデジタル出力信号Ｓ４を提供し始める。

第二に、マイクロプロセッサのクリア信号Ｓ３は、時間ｔ₂で移相器３０をリセットして作動させる。特に、移相器３０の位相シフトは零に設定され、クロック分周器２８の出力信号Ｓ４は移相器３０を介してトランスデューサアレイ３２に渡される。位相シフトが零であるので、移相器３０はこの段階では単に任意選択的であることは理解されるであろう。代わりに、時間ｔ₂では、クロック分周器２８の出力信号Ｓ４をトランスデューサアレイ３２に直接渡すことができる。

第三に、時間ｔ₂で、マイクロプロセッサ２２は、アレイ３２の送信トランスデューサが移相器３０から受信した信号Ｓ４をその対応する受信トランスデューサに送信することを可能にする。信号Ｓ４はトランスデューサ周波数で送信される。任意選択的に、用途に応じて複数対のトランスデューサを使用することができる。こうして、送信された信号Ｓ４は、用途によっては、２つ以上の送信トランスデューサによって同時に送信することができる。

最後に、マイクロプロセッサのクリア信号Ｓ３は、時間ｔ₂で計数器３８をリセットして始動させる。計数器３８のカウントＳ５は、高速クロック２６によって計時される。

時間ｔ₃で、マイクロプロセッサ２２は信号をトランスデューサアレイ３２に送信して、送信トランスデューサによる信号Ｓ４の送信を停止させる。こうして、送信された信号Ｓ４は、Ｔ３＝ｔ₃−ｔ₂によって与えられる有限の持続時間Ｔ３を有する。有限の持続時間Ｔ３は、それが送信トランスデューサから受信トランスデューサまでの信号の最低予想トランジットタイムより短くなるように、マイクロプロセッサによって算出される。

送信された信号Ｓ４が、予想される最速流体音速に基づいて受信トランスデューサに到達する予定の直前に、マイクロプロセッサ２２はトランスデューサアレイ３２に信号Ｓ６を送信して、受信トランスデューサを作動させる。この時間に増幅器３６を作動させるために、信号Ｓ６は同時にマイクロプロセッサ２２から増幅器３６に送信される。

受信信号Ｓ７は、スプリアス信号Ｓ８を含む初期部分、およびトランスデューサ周波数の送信信号Ｓ４の受信バージョンＳ９を含む後期部分から構成される。受信信号Ｓ７は、増幅器３６に渡される。増幅器３６は、トランスデューサ周波数の信号だけを通過させるフィルタ（図示せず）を含む。このフィルタ通過信号は次に増幅器３６によって増幅され、増幅信号を生成する。増幅器３６は、到来信号Ｓ９の正しい位相および周波数を維持しながら、広範囲の信号レベルにわたって動作するように設計される。

スプリアス信号Ｓ８は、受信器チェーンの電力増加のためである。したがって、スプリアス信号Ｓ８を除去するために、受信信号は増幅器３６を通過した後、ゲート３４を通過する。ゲート３４は、受信サイクルの初期の信号が計測をトリガするのを防止するように、単純なゲーティング関数を使用することによってスイッチとして働く。こうして、マイクロプロセッサ２２の制御下で、ゲート３４は受信信号Ｓ７の初期部分を抑止し、ゲート３４によって出力される信号は単なる信号Ｓ９の増幅バージョン（送信信号Ｓ４の受信バージョン）である。

増幅されゲートされた信号Ｓ１０は次に比較器３７を通過して、増幅信号Ｓ１０のデジタルバージョンＳ１１を生成する。デジタル信号Ｓ１１は、下述の通り、多数の仕方で使用される。

第一に、デジタル信号Ｓ１１は、計数器３８を停止するために使用される。特に、デジタル信号Ｓ１１の第１エッジ（立上りまたは立下り）は、時間ｔ₄に計数器３８を停止させる。こうして、計数器３８は、送信および受信トランスデューサ間の送信信号Ｓ４のトランジットタイムの計測を達成する。計数器３８は高速クロック２６によって計時されるので、計数器３８は最も近い高速クロック周期までトランジットタイムを計測する。計測トランジットタイムＴ４は、Ｔ４＝ｔ₄−ｔ₂によって与えられる。

加えて、デジタル信号Ｓ１１は、位相比較器４０への入力の１つとして使用される。位相比較器４０への他の入力は、デジタル送信信号Ｓ４の非終端基準バージョンである。図４に示す通り、位相比較器４０は、２つの入力信号Ｓ４およびＳ１１の位相を比較して、パルス出力信号Ｓ１２を提供するように働く。

図４を見ると、送受信信号間の位相差は図４ａでは比較的小さく、図４ｂでは大きい。パルス出力信号Ｓ１２は、デジタル送信信号Ｓ４の立上りまたは立下りエッジで立ち上がり、デジタル（受信）信号Ｓ１１の立上りまたは立下りエッジで立ち下がる。パルス出力信号Ｓ１２のパルス幅ｗは、デジタル送信信号Ｓ４とデジタル（受信）信号Ｓ１１との間の位相差に応じて変化する。こうして、パルス幅ｗは図４ａでは小さく、図４ｂでは大きい。

好適な実施形態（図４に図示せず）では、最初の超音波流量計測のためのパルス信号Ｓ１２は、信号Ｓ４およびＳ１１の立上りエッジに基づいて生成され、次いで、次の超音波流量計測のために、パルス信号Ｓ１２は、信号Ｓ４およびＳ１１の立下りエッジに基づいて生成される。交互の立上りおよび立下りエッジを使用するこの方法により、受信信号Ｓ９の形状、品質、または周波数のわずかな変化によって生じる影響を打ち消すことが可能になるが、一方のエッジだけを使用する場合にはオフセット誤差の可能性がある。

パルス信号Ｓ１２は、コンデンサ４４を充電する定電流を提供する電流源４２をゲートするために使用される。コンデンサ４４が充電されるにつれて、電圧Ｓ１３がコンデンサ４４に蓄積される。電圧Ｓ１３は、２つの信号Ｓ４およびＳ１１の間の位相差に関連する。

時間ｔ₅で、マイクロプロセッサ２２は、アレイ３２のトランスデューサを作動停止させる。同様に、他の構成要素は全て（内部クロック２４、コンデンサ４４、および読出し装置４６を除く）この時間にマイクロプロセッサ２２によって作動停止される。

コンデンサ４４が充電を終了した後、マイクロプロセッサは読出し装置４６に電圧を読み出すように指示する。読出し装置４６は１６ビットＡＤＣのようなアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）とすることができる。これは、位相差に関連付けられる電圧の非常に高い分解能の計測をもたらす。

上述の位相シフト計測技術をさらに改善するために、送信信号Ｓ４の位相を調整することによって、余分な位相シフトを含めることができる。この余分な位相シフトは、送信信号Ｓ４が位相比較器４０に送られる前に、移相器（図示せず）によって導入される。この余分な位相シフトの着想は、流量零で位相差が零のときに約１８０度の位相シフトがあるように、位相シフトをおおまかに調整するというものである。これは、流量零のときに、計測される電圧が、コンデンサを充電することによって生じ得る電圧範囲のほぼ中心であることを意味する。流量が増加するにつれて、一方の流れ方向に得られる電圧は増加し、他方の流れ方向に得られる電圧はほぼ同じ量だけ減少する。ラップアラウンド問題を回避するために、システムは、予想される流量に基づいて、位相差の計測が０度および３６０度に近づかないように設計される。

電圧が読み出された後、コンデンサ４４は時間ｔ₆で放電される。読出し装置４６もこの時間に停止される。他の構成要素は全て（マイクロプロセッサ２２および内部クロック２４を除く）前に停止されている。マイクロプロセッサは、計測値を用いて数学関数を実行するために、短時間動作し続ける。特に、電圧計測および計数器のトランジットタイム計測が次いで結合されて、信号トランジットタイムのより正確な計測が得られる。

これで１回の計測が完了する。しかし、背景の部分で述べた通り、流速を決定するためには、少なくとも１対の計測（上流計測および下流計測）が要求される。図３は、１対の計測における第１計測を示すだけである。しかし、第２計測は、受信および送信トランスデューサを入れ替えて、実質的に同じやり方で行なうことができることは理解されるであろう。

さらに、単一測定対だけでは正確な結果を出せる可能性が低い。一般的に、短いサンプリング時間ならびに流体中の粒子および／または気泡の存在は、結果をフィルタリングし、補正し、かつ抑制して、正確かつ利用可能な出力を出すために、以前の計測の統計履歴が必要であることを意味する。通常、変化を除去するために、計測値は以前のものと平均化される。加えて、周囲のものと著しく異なる計測値は、受信信号のタイミングまたは振幅が周囲と異なる計測値と同様に排除される。実際、この結果、入力条件が理想的でない場合でも、非常に安定した平均値が得られる。

必要な読出しが行なわれ、マイクロプロセッサが必要な数学関数を実行した後、超音波流量計測サイクルは完了する。したがって、マイクロプロセッサ２０は超音波流量計２０を能動状態から低電力受動状態に切り替える。

好ましくは、超音波流量計測サイクルを完了するのにかかる期間Ｔ６は、時間間隔Ｔ１の２分の１未満である。したがって、超音波流量計は、該時間の２分の１未満だけ能動状態にあり、したがってより少ない電力を引き込む。

好ましくは、間隔Ｔ１は、流量の著しい変化に予想される時間スケールより小さい。したがって、超音波流量計２０は見かけ上連続的動作を提供する。

好ましくは、超音波流量計測サイクルを完了するのにかかる期間Ｔ６は約２０μｓから２００μｓの間であり、間隔Ｔ１は約１ｍｓから１００ｍｓの間である。

好適な実施形態では、時間間隔Ｔ１は２．５、７．５、１５、または３０ｍｓである。しかし、超音波流量計２０の所望の平均電力消費に応じて、代替的値を使用することができる。

この実施形態に記載したタイミングは、５０ｍｍの水をまたいで２ＭＨｚのトランスデューサを使用するシステムの場合の典型である。しかし、この実施形態は純粋に例証であって、タイミングおよびデジタル論理関数は、任意の周波数または管径および要求される流体の種類に対して容易に調製することができることは理解されるであろう。

好ましくは、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量は、能動状態で使用される電力の量より少なくとも１００倍小さい。より好ましくは、受動状態の超音波流量計によって使用される電力の量は約１００μＷ未満であり、能動状態で使用される電力の量は約１０ｍＷから１００ｍＷの間である。

超音波流量計２０の好適な実施形態では、典型的なリチウムＣ電池で１０年間動作することを前提として、６０μＡ以下の平均電流消費が可能である。例えば３０ｍｓの間隔Ｔ１および６５μｓの測定期間Ｔ６を有し、超音波流量計２０の受動状態中には１２μｍＡ以下の静電流、および超音波流量計２０の能動状態中には２０ｍＡの動作電流を持つ超音波流量計２０の場合、平均動作電流は５５μＡである。典型的な流量計は０℃から８５℃の温度範囲にわたって±２％の精度で動作する。

本発明の実施形態に係る超音波流量計は、ソフトウェアパラメータを変更することによって、広範囲の温度、管径に関係なく広範囲の流量、流量に関係なく広範囲の管径、および任意の数の音波伝導性流体に対して使用することのできる超音波流量計測システムの基礎として使用することができる。

遭遇する可能性の高い範囲の用途全体で超音波流量計の精度の持続を確実にするために、多数の適用上の問題に対処する必要がある。

これらの適用上の問題の第一は、処理流体、温度、または粘性の変化に対し補正する能力である。実際には、使用するトランジットタイム方法のため、計測されるトランジットタイムに対する唯一の物理的影響は、流体の音速の変化によるものでる（それは前述した物理的変化のいずれかによって影響される可能性がある）。したがって、流体の音速は、方程式（７）にあるように、流れによる影響を除去するために、少なくとも１対の上流および下流タイミング計測の平均を取ることによって算出することができる。したがって、方程式（８）に従って算出される流速は、処理流体、温度、および粘性の変化から独立している。

別の適用上の問題は、位相差の決定にコンデンサ４４を使用することに関係する。コンデンサ４４のようなアナログ構成要素は、構成要素の許容差、温度ドリフト、およびエージングに特に敏感になることがあり得る。これが計測結果に影響するのを防止するために、超音波流量計２０は、検査モードで実行することができることが好ましい。この検査モードで、２つの信号、すなわち基準送信信号およびその基準信号の位相シフトバージョンを生成するために、移相器３０が使用される。これらの２つの信号は次いで、位相比較器４０への入力として使用される。換言すると、基準送信信号の位相シフトバージョンは受信信号として使用される。位相比較器４０、電流源４２、コンデンサ４４、および読出し装置４６は次いで、コンデンサ４４の電圧を測定するために使用され、そこから計測位相差を算出することができる。この計測位相差は次いで、移相器３０によってもたらされる実際の既知の位相差と比較される。位相差の計測値と実際の値との差は次いで、アナログ回路の変化を補正するために使用することができる。

超音波流量計２０は、送信信号を受信トランスデューサに直接ルーティングすることによって完全な自己検査を動作することができる。このルーティングは、例えばマルチプレクサを用いて行なうことができる。上述したアナログ構成要素検査方法を使用して、超音波流量計２０は流動する流体を使用することなく、それ自体の性能を決定することができる。予想される結果からのドリフトがある場合、補正ファクタを適用することができる。好ましくは、指定された許容レベルより大きいドリフトがある場合、超音波流量計２０はユーザに通知し、正しくない測定を回避するために作動を停止することができる。

さらなる適用上の問題は、液管内のガス（またはガス管内の液体）の問題に関係する。そのような場合、超音波信号は、送信トランスデューサから受信トランスデューサまで移動する間に減衰されることがある。この問題を軽減するために、超音波流量計は受信信号の振幅を計測するように動作することができ、計測された振幅が予め定められた計測回数にわたって予め定められた閾値より低い場合には、時間間隔の長さを増大することができる。この結果、減衰信号の長時間の電力節約がもたらされる。

さらに別の適用上の問題は、高速クロック２６に関係する。高速クロック回路は、連続的精度を確実にするために、高速始動する温度および時間安定的な発振器を使用する。この発振器の性能は、高速クロック検査ステップで周期的に検査することができ、そこで計数器３８を使用して、内部クロック２４の特定のクロック周期数にわたって高速クロック周期数が計測される。前述の通り、内部クロック回路は３２ｋＨｚウォッチクリスタルのような外部低周波水晶発振器を使用して、時間および温度に対する安定性を確実にする。次いで較正状態からのずれを補正することができる。

精度の改善のために、流体を介して信号を送信し、かつ送信された信号を受信するように動作可能な追加の超音波トランスデューサ対を設けることができる。そのような実施形態では、複数のトランスデューサ対の計測を処理し、加重して、改善された流量情報を提供することができ、あるいは複数のトランスデューサ対を様々な周波数で動作させて、低流量時の性能の改善、または超音波伝送の改善をもたらすことができる。これの典型的な例として、昼間の使用量は高いけれども変動する可能性が大きいが、流量がより安定しているけれども非常に低い夜間の使用に対してはより低い動作範囲が要求される、大口径の流量を測定するための超音波流量計がある。この場合、１組のトランスデューサは、設計された範囲の１０〜１００％の流量を決定するために使用され、より感度の良い第２組は流量が期待される範囲の１０％未満であるときに使用される。

本発明の好適な実施形態を説明したが、これは単なる実施例であって、様々な変形が考えられることを理解されたい。

図１は、管中の流体の流量を計測するための典型的なトランジットタイム超音波流量計の動作を示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係る超音波流量計の略図である。 図３は、超音波流量計測サイクルの一部のタイミングを示す図である。 図４ａおよび図４ｂは、送受信信号および位相比較器からの出力信号を示す図である。

Claims (19)

1. 管路内の流体の流速を計測するための超音波流量計測の方法であって、
   （ａ）マイクロプロセッサと、クロックと、高速クロックと、流れの支配的な方向に対して９０度以外の角度で前記流体を介して超音波信号を送信しかつ前記送信された信号を受信するように動作可能な１対の超音波トランスデューサとを備えた超音波流量計を用意するステップと、
   （ｂ）受動状態の前記超音波流量計によって使用される電力の量が能動状態の前記超音波流量計によって使用される電力の量より少なく、前記クロックによって測定される時間間隔で前記超音波流量計を受動状態から能動状態に切り替えるステップと、
   （ｃ）トランジットタイムをかけて一方の超音波トランスデューサから他方の超音波トランスデューサへ伝わる少なくとも１つの超音波信号を、能動状態において送信および受信するステップと、
   （ｄ）前記高速クロックによって駆動される計数器を用いて前記超音波信号の前記トランジットタイムを計測するステップと、
   （ｅ）前記送信された信号の位相および前記受信された信号の位相を比較するステップと、
   （ｆ）前記位相を比較するステップの結果に応じて変動するパルス幅を有するパルス信号を提供するステップと、
   （ｇ）前記パルス信号を使用してコンデンサを充電するステップと、
   （ｈ）前記コンデンサの電圧を計測するステップと、
   （ｉ）前記計測されたトランジットタイムに少なくとも部分的に基づき、かつ、前記計測された電圧に少なくとも部分的に基づいて、前記流速を算出するステップと、
   （ｊ）前記流速を算出するステップの後に前記超音波流量計を前記能動状態から前記受動状態に切り替えるステップと、を含む方法。
2. さらに、前記位相を比較するステップの前に、前記受信された信号の少なくとも一部分を増幅するステップを含み、前記増幅された信号の位相が前記受信された信号の位相と同一である、請求項１に記載の方法。
3. 前記位相を比較するステップの結果が流速零で１８０度になるように、前記送信された信号の位相が前記位相を比較するステップの前に調整される、請求項１または２に記載の方法。
4. さらに、前記コンデンサを放電させるステップを含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの超音波信号は、上流に向かう超音波信号と下流に向かう超音波信号とを含み、
   前記上流へ向かう超音波信号と前記下流へ向かう超音波信号についての前記計測されたトランジットタイムの平均に少なくとも基づいて、前記流体中の音の速度を算出するステップと、
   少なくとも部分的に前記算出された音速に基づいて前記流速を算出するステップと、をさらに含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの超音波信号は、複数の上流へ向かう超音波信号と複数の下流へ向かう超音波信号とを含み、
   前記計測された前記複数の上流へ向かう超音波信号のトランジットタイムを平均して平均上流トランジットタイムを提供するステップと、
   前記計測された前記複数の下流へ向かう超音波信号のトランジットタイムを平均して平均下流トランジットタイムを提供するステップと、をさらに含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの超音波信号は、複数の上流へ向かう超音波信号と複数の下流へ向かう超音波信号とを含み、
   各流速を少なくとも部分的にそれぞれの上流へ向かう超音波信号および下流へ向かう超音波信号に基づいて算出し、複数の流速を算出するステップと、
   前記算出された複数の流速を平均して平均流速を提供するステップと、をさらに含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
8. 位相をシフトされた前記送信された信号を前記受信された信号として使用する、検査計測ステップをさらに含む、請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 高速クロック検査ステップをさらに含む、請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 前記受信された信号の振幅を計測するステップと、
    前記計測した振幅が予め定められた計測回数にわたって予め定められた閾値未満であった場合に、前記時間間隔の長さを増大するステップと、をさらに含む、請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 前記流体を介して信号を送信しかつ前記送信された信号を受信するように動作可能な追加の超音波トランスデューサ対を用意するステップをさらに含む、請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記時間間隔が１ｍｓから１００ｍｓの間であり、前記（ｃ）から（ｉ）までのステップを実行するのにかかる時間が２０μｓから２００μｓの間である、請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記時間間隔が、前記流速の顕著な変化に予想される時間スケールより小さい、請求項１ないし１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記受動状態で前記超音波流量計によって使用される電力の量が、前記能動状態で使用される電力の量より少なくとも１００倍小さい、請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記受動状態で前記超音波流量計によって使用される電力の量が１００μＷ未満であり、前記能動状態で使用される電力の量が１０ｍＷから１００ｍＷの間である、請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法。
16. 超音波流量計測が実行される能動状態と受動状態とを有する、管路内の流体の流速を計測するための超音波流量計であって、
    前記受動状態で前記超音波流量計に使われる電力の量は、前記能動状態で使われる電力の量よりも小さく、
    流れの支配的な方向に対して９０度以外の角度で前記流体を介して少なくとも１つの超音波信号を送信しかつ前記送信された信号を受信するように動作可能な１対の超音波トランスデューサであって、トランジットタイムをかけて前記超音波信号は一方の超音波トランスデューサから他方の超音波トランスデューサへ伝わる、超音波トランスデューサと、
    前記超音波流量計の前記能動状態および前記受動状態の両方で動作可能なクロックと、
    前記クロックによって測定される時間間隔で前記超音波流量計を前記受動状態から前記能動状態に切り替えるように動作可能なマイクロプロセッサであって、前記流速の算出の後に前記超音波流量計を前記能動状態から前記受動状態に切り替えるようにさらに動作可能であるマイクロプロセッサと、
    前記マイクロプロセッサに接続された高速クロックと、
    前記高速クロックによって駆動され、前記超音波信号の前記トランジットタイムを計測するように動作可能な計数器と、
    前記送信された信号と前記受信された信号との間の位相差に応じて変動するパルス幅を有するパルス信号を提供するように動作可能な位相比較器と、
    前記パルス信号によって充電されるコンデンサと、
    前記コンデンサの電圧を読み出すように動作可能な読み出し装置と、を備え、
    前記マイクロプロセッサが、前記計測されたトランジットタイムに少なくとも部分的に基づいて、かつ、前記読み出された電圧に少なくとも部分的に基づいて、流速を算出するように動作可能であり、
    前記超音波トランスデューサ、前記高速クロック、前記計数器、前記位相比較器、前記読み出し装置は、前記超音波流量計の前記能動状態で動作可能であり、前記受動状態では動作不可能である、超音波流量計。
17. 持続時間が前記トランジットタイムより短くなるように、前記マイクロプロセッサが前記送信された信号の送信時間および前記持続時間を制御するように動作可能である、請求項１６に記載の超音波流量計。
18. 前記受信された信号の少なくとも一部分を増幅するように動作可能な増幅器をさらに備え、前記増幅された信号の位相が前記受信された信号の位相と同一であり、前記増幅器が前記超音波流量計の前記能動状態で動作可能であり、前記受動状態では動作不可能である、請求項１６または１７に記載の超音波流量計。
19. 前記送信された信号が前記位相比較器に入力される前に前記送信された信号の位相を調整する移相器をさらに備え、前記移相器が前記超音波流量計の前記能動状態で動作可能であり、前記受動状態では動作不可能である、請求項１６ないし１８のいずれかに記載の超音波流量計。

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