JP4992872B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより、流体の流速、流量等の物理量を計測する流体の流れの計測装置に関するものである。

従来、この種の計測装置において、逆数差法という手法が広く知られている。これは、流体の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ振動子を配置し、二つの振動子間を超音波が伝搬する伝搬時間を計測するもので、流れの順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間が異なることを利用したものである。

より具体的に言えば、相互の伝搬時間の逆数差が流速に比例する性質に基づいて計測を行なう。

具体的には図７に示すように、流体流路１０１を流れる流体を超音波が斜めに横切るように一対の超音波送受信器１０２，１０３を上下流側に配置するとともに、これら超音波送受信器１０２，１０３の受、発信条件などを制御部１０４で制御するようにし、また、これら超音波送受信器１０２，１０３間の超音波伝搬時間差を計測部１０５で計測して、それにもとづき流体の流速および流量を演算部１０６で演算するようにしていた。

ここで、音速をＣ、流速をｖ、超音波送受信器１０２，１０３間の距離をＬ、超音波の伝搬方向と流体の流れの方向とがなす角度をθとし、上流側の超音波送受信器１０２から超音波を送信して、下流側の超音波送受信器１０３にで受信した場合の伝搬時間をｔ１、逆方向の伝搬時間をｔ２とした場合、ｔ１およびｔ２は次式で求めることができる。

ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （２）
式１および式２を変形し、下記の式３で流速ｖが求まる。

ｖ＝Ｌ・（１／ｔ１−１／ｔ２）／２ｃｏｓθ （３）
前記式３で求めた値に流体流路１０１の断面積を掛ければ流体の流量を求めることができる。

超音波式の流れ計測装置は、先に述べた計測原理から明らかなように機械的な稼動部を有しない構成であるため、現在、これまで広く使われている機械式のいわゆる膜式ガスメータを代替するものとして期待されている。

ガスメータは、商用電源が確保できない屋外に設置されることがほとんどであり、また、民生器具と違って、メンテナンスフリーであることが要求される。

したがって、例えば、電池駆動で１０年間の動作保証が必要である。そのため、消費電力の極めて小さい構成であることが望まれている。

一方、超音波送受信器から出力される超音波信号は、一般に、気体中では減衰が極めて激しい。例えば、送信波のレベルを５ｖとした場合、受信波のレベルはμＶオーダーまで減衰することがある。

このように、極めて微小な受信信号は、増幅器を用いて大きく増幅する必要があり、消
費電力の増加が避けられないという事情がある。

したがって、長寿命を満足するためには、増幅器を始めとする受信回路の動作時間をできるだけ短くすることが不可欠である。

動作時間を短縮する方法として、超音波信号の受信点近傍でのみ電力を供給する実行する方法が考えられる。

このような構成をとった場合、回路電源投入時に、受信側の超音波送受信器の両端に過渡的に大きな電圧変動が発生し、それが原因となって、送受信器に不要振動が発生し、本来の受信信号にこの不要振動が重畳されるため、計測精度を悪化させるという課題が生じる。

この課題を解決する手段として、例えば、受信回路の電力供給の開始時点では受信側の超音波送受信器を受信回路と切り離しておき、電源電圧が安定した後、送受信器と受信回路とを接続するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１７３８８０号公報

しかしながら、上記のような構成においても、受信側の超音波送受信器と受信回路を接続した瞬間の送受信器両端に加わる過渡的な変化が完全に解消されるわけではなく、僅かではあるが不要振動を招くことは避けられない。

一方、先に述べたように、特に、気体中を伝搬する超音波信号の減衰は激しいため、増幅回路の増幅率を相当に高める必要がある。そのため、送受信器の接続時に発生する僅かな不要振動も最終的には大きく増幅される結果となる。

したがって、受信信号の到達する前に、電源電圧の安定待ち時間に加えて、送受信器と受信回路を接続した時点で発生する不要振動が収まるまで待ち時間が必要となる。

結果として、受信回路に対する電力供給時間を思った程は短縮できず、意図した様に消費電力を低減できないという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解消したもので、省電力性能を保ちながら高精度の計測が可能な流れ計測装置を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ流量計測装置は、流体流路の上流側と下流側に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、受信側に設定されている前記一方の超音波送受信器に負荷抵抗を介して接続された増幅手段と、前記増幅手段に対する電力の供給／停止を切り換える第１スイッチと、前記受信側に設定されている一方の超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗値を高抵抗と低抵抗の２段階に切り換える第２スイッチと、前記増幅手段の出力に基づいて超音波信号の受信を判断する受信判定手段と、前記超音波信号の送信から受信までの伝搬時間を計測するタイマーと、前記タイマーで計測した過去の伝搬時間を元に次の予測伝搬時間を決定する伝搬時間予測手段と、前記第１および第２スイッチの切り換えタイミングを制御する受信制御手段とを備え、前記受信制御手段は、前記予測伝搬時間より前の第１の設定時間で前記第１スイッチを介して前記増幅手段へ電力供給を開始し、前記第１の設定時間と前記予測伝搬時間の間の第２の設定時間で、前記第２スイッチにより前記超音波送受信器と前記増幅手段との接続抵抗を高抵抗か
ら低抵抗に切り換えることを特徴とするもので、増幅手段の電力供給開始タイミングを受信タイミングに近づけることが可能になる。

本発明の流体の流れ計測装置は、増幅手段の電力供給開始タイミングを受信タイミングに近づけることが可能になるため、省電力性能を保ちながら高精度の計測が可能である。

本願発明は、流体流路の上流側と下流側に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、受信側に設定されている前記一方の超音波送受信器に負荷抵抗を介して接続された増幅手段と、前記増幅手段に対する電力の供給／停止を切り換える第１スイッチと、前記受信側に設定されている一方の超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗値を高抵抗と低抵抗の２段階に切り換える第２スイッチと、前記増幅手段の出力に基づいて超音波信号の受信を判断する受信判定手段と、前記超音波信号の送信から受信までの伝搬時間を計測するタイマーと、前記タイマーで計測した過去の伝搬時間を元に次の予測伝搬時間を決定する伝搬時間予測手段と、前記第１および第２スイッチの切り換えタイミングを制御する受信制御手段とを備え、前記受信制御手段は、前記予測伝搬時間より前の第１の設定時間で前記第１スイッチを介して前記増幅手段へ電力供給を開始し、前記第１の設定時間と前記予測伝搬時間の間の第２の設定時間で、前記第２スイッチにより前記超音波送受信器と前記増幅手段との接続抵抗を高抵抗から低抵抗に切り換えるようにしたので、予測伝搬時間の寸前に、まず、受信側超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗を高抵抗にした状態で増幅手段の電源を投入して、電力供給の際に発生する受信側超音波送受信器端子間の振動ノイズを急速に減衰させた後に増幅手段との接続抵抗を低抵抗に切り換えて、超音波信号を受信しているので、増幅手段の電力供給開始タイミングを受信タイミングに近づけることが可能になり、省電力性能を保ちながら高精度の計測が可能である。

また、超音波送受信器の役割を切り換えることにより流れの順方向と逆方向の双方の計測を可能とした送受信切換手段と、タイマーで計測した伝搬時間に基づいて流体流速を算出する演算手段とを備え、受信制御手段は、流れの順方向と逆方向で個別の予測伝搬時間に基づいて第１および第２の設定時間を定めるようにしたので、流れの順方向と逆方向でそれぞれ別に電源投入タイミングを設定することで、流量変動に関わらず、最適な制御タイミングが設定可能となり省電力性能を保ちつつ、より高精度の流量計測が可能となる。

さらに、第１の設定時間と第２の設定時間の間隔を送信信号の半周期の偶数倍もしくは
奇数倍のどちらか一方に定めるようにしたので、各スイッチの切り換え時に生じる振動ノイズが互いに逆位相となり打ち消されて、振動ノイズの影響の更なる低減が可能である。

そして、同一の予測伝搬時間を用いて複数回の計測を行ってその平均値を求め、一連の計測において２回毎の計測を計測ペアと定め、同一計測ペアにおいては、第２の設定時間から予測伝搬時間までの間隔が送信信号の半周期に相当する値だけ異なるように第２の設定時間を定めるとともに、第１の設定時間と第２の設定時間の間隔は同一となるように第１の設定時間を定めるようにしたので、各計測ペアにおいて発生する振動ノイズ波形が受信点付近では互いに逆位相の関係になるので、任意の偶数回の計測平均値を求めることで、振動ノイズの影響の更なる低減が可能である。

また、受信制御手段は、第２の設定時間に送信信号周期の１／ｎずつ異なるｎ個の値を設定しながらｎ回一巡で計測を行うようにしたので、受信点付近の振動ノイズ波形の位相が均等に分散されるので、その平均値を求めることで、振動ノイズの影響の更なる低減が可能である。

さらに、増幅率の変更が可能な可変増幅手段を備え、受信制御手段は、前記可変増幅手段の増幅率が大きくなるに従って、第１および第２の設定時間と予測伝搬時間の間隔が大きくなるように制御するようにしたので、増幅率によって異なる振動ノイズの収束時間に応じた電源制御の最適化が可能となる。

そして、計測した伝搬時間を基に装置の雰囲気温度を推定する温度推定手段を備え、受信制御手段は、前記温度推定手段の推定温度に従って第１および第２の各設定時間と予測伝搬時間の間隔を制御するようにしたので、電子回路の温度特性に応じた電源制御の最適化が可能となる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態が本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１において、流体流路１の途中の上、下流側には超音波が斜めに横切るように超音波送受信器２，３が配置されている。

これら超音波送受信器２，３は送受信の役割を反転する送受信切換手段４を介して後段の処理ブロックに繋がれている。

前記送受信切換手段４は４連のスイッチで構成されていて、接点ａが閉じると上流側の第１超音波送受信器２が送信側に、下流側の第２超音波送受信器３が受信側に設定されるようにしてある。

送信側となる超音波送受信器２、若しくは３は送信手段５と接続され、受信側の超音波送受信器２、若しくは３は第２スイッチ６と負荷抵抗７〜１０を介して後段の受信回路に接続される。

受信回路は回路駆動電力を供給する電池からなる電源１１、この電源１１の電力供給と停止を切り換える第１スイッチ１２、受信側超音波送受信器２、若しくは３の出力を増幅する増幅手段１３、この増幅手段１３の出力から超音波信号の受信を検知する受信判定手段１４とで構成される。

第２スイッチ６は２連のスイッチであり、受信側超音波送受信器２、若しくは３と増幅手段１３との接続抵抗値を高抵抗、低抵抗の２段階に切り換えることができる。

負荷抵抗７、９は高抵抗（例えば、５００ｋΩ）、負荷抵抗８、１０は低抵抗（例えば５Ω）である。

第２スイッチ６の接点が閉じている場合には、負荷抵抗７と負荷抵抗８、および負荷抵抗９と負荷抵抗１０が並列に接続されるので、受信側超音波送受信器２、若しくは３と受信回路の接続抵抗はほぼ低抵抗単体と同一の値、すなわち低抵抗側に切り換る。

一方、第２スイッチ６の接点が開いている場合には、受信側超音波送受信器２、若しくは３と受信回路の接続抵抗は高抵抗側に切り換る。

トリガ手段１５は一連の計測動作の開始を指示するトリガ信号を出力し、このトリガ信
号と同期して、タイマー１６が超音波計測開始後の経過時間の計測を開始する。

受信判定手段１４で受信波の伝搬が判定された時のタイマー１６の計測値がこの回の計測の伝搬時間である。

この伝搬時間は演算手段１７に出力され、ここでは、流速、流量値などの流れの計測に関わる種々の値が算出される。

ここで、算出される値のひとつが、予め定められた回数（例えば８回）の伝搬時間の平均値である。この値は、伝搬時間予測手段１８に記憶される。

受信制御手段１９は、前記各スイッチの切り換えタイミングの制御を行うが、この時の制御タイミングは、伝搬時間予測手段１８に記憶されている過去の計測結果である。

続いて、以上のように構成された流体の流れ計測装置の動作を説明する。

先ず、上流側の超音波送受信器２を送信側とした場合の動作について説明する。

最初にトリガ手段１５から、計測開始を指示するトリガ信号が出力されるが、この時点で送受信切換手段４の接点ａが閉じており、その結果、超音波送受信器２と送信手段５が接続され、この超音波送受信器２と第２スイッチ６を介して後段の受信回路が接続されることになる。

また、第２スイッチ６の接点は開いていて、受信側に設定された下流側の超音波送受信器３と増幅手段１３の接続抵抗値は高抵抗側となっている。さらに、第１スイッチ１２の接点は開いており、受信回路への電力供給は停止されている。

トリガ手段１５から出力されるトリガ信号の出力と同期して、送信手段５から駆動信号（例えば５００ｋＨｚの交流信号）が出力され、超音波送受信器２から超音波信号が出力される。また、これと同期して、タイマー１６がスタートし、超音波信号出力後の経過時間の計測が始まる。

超音波送受信器２から出力された超音波信号は、やがて受信回路に到達するが、その伝搬時間は、環境条件や流量が大きく変化しない限りはほとんど変化しないので、直近の計測値を利用して予測可能である。

この予測データを元に伝搬時間の寸前で電力供給を開始する構成を実現すれば、常時通電する場合に比べて大幅な消費電力低減が可能になる。

受信制御手段１９では、伝搬時間予測手段１８の記憶データを元に、第１スイッチ１２の切り換えタイミングである第１の設定時間と、第２スイッチ６の切り換えタイミングである第２の設定時間を求めて、それらの時間で切り換え信号を出力する。

これら設定時間の最適化方法については後述することとして、まず、第１および第２の設定時間における動作を先に説明する。

トリガ信号出力からスタートしたタイマー１６の計測値が第１の設定時間に達すると、受信制御手段１９から制御信号が出力され、スイッチ１２の接点が閉じられて、電源１１から増幅手段１３および受信判定手段１４に駆動電力が供給される。

この時、発生する不連続な電圧変化によって、受信側である超音波送受信器３の両端子間に過渡的に僅かな電位差が発生する。この電位差が超音波送受信器の不要振動のエネルギー源となる。

ただし、このエネルギーは継続的に供給されるわけではないので、受信回路の負荷抵抗で消費され、やがて消滅する。この時、受信回路の抵抗値が大きい方が振動エネルギーの消費も早い。

電源投入の瞬間、受信側の超音波送受信器３と増幅手段１３は高抵抗で接続されているので振動エネルギーの消費が早い。

振動エネルギーが消費された後、タイマー１６の計測値が第２の設定時間に達すると、受信制御手段１９から制御信号が出力され、第２スイッチ６の接点が閉じるので、受信側の超音波送受信器３と増幅手段１２の接続抵抗が低抵抗側に切り換わる。

第２の設定時間の後、流路内を伝搬した超音波信号が超音波送受信器３に伝搬すると、その信号出力は、第２スイッチ６および負荷抵抗７〜１０を介して増幅手段１３に出力される。

接続抵抗が低抵抗側に切り換っているので、超音波送受信器３の両端の受信信号電圧を高い効率で増幅手段１３に伝送することが可能である。抵抗切り換え時にも不連続な電圧変化が発生するものの電源投入時に比べると遥かに小さい。

増幅手段１３で増幅された受信信号は、受信判定手段１４へ出力され、ここで受信判定処理が行われる。

受信判定手段１４の構成は本実施の形態の主題ではないので詳細な説明は省略するが、ここでは、受信波形の特定部位を受信点と判断する構成とし、具体的には受信波形の３周期目のゼロクロス点の立ち下がりを受信ポイント判断するものとする。

受信判定手段１４で受信判定がなされると、超音波送受信器２を送信側とした、所謂、流れの順方向の超音波伝搬の時間計測が終了する。

順方向の計測終了時に、タイマー１６の計測値は、流れの順方向の伝搬時間として、演算手段１７に出力される。同時に、受信制御手段１９から送受信を切り換えるための制御信号が出力される。

この制御信号を受けて、送受信切換手段４の接点ｂが閉じられて、下流側の超音波送受信器３が送信手段５と、上流側の超音波送受信器２が受信回路にそれぞれ接続され、両者の送受信の関係が逆転する。

また、第１スイッチ１２の接点が開いて、電源１１から増幅手段１３および受信判定手段１４への電力供給が停止される。

受信制御手段１９は定められた遅延の後、トリガ手段１５にリセット信号を出力する。トリガ手段１５はリセット信号を受けて、計測開始のトリガ信号を、タイマー１６および送信手段５に出力する。ここから、下流側の超音波送受信器３を送信側とした計測が開始される。

その後の動作は、超音波送受信器２，３間の送受の関係が入れ替わるだけで、先に述べ
た手順と同様に、受信判定手段１４における受信判定のまでの一連の処理が実行される。受信判定手段１４で受信判定がなされると、下流側の超音波送受信器３を送信側、上流側の超音波送受信器２を受信側とした、流れと逆方向の超音波伝搬の時間計測が終了する。

流れの逆方向の計測終了時に、タイマー１６の計測値は、流れの逆方向の伝搬時間として、演算手段１７に出力される。同時に、受信制御手段１９から送受信を切り換えるための制御信号が出力される。

この制御信号を受けて、送受信切換手段４の接点ａが閉じられて、上流側の超音波送受信器２と送信手段５とが接続され、下流側の超音波送受信器３と受信回路が接続され、両者の送受信の関係が再度逆転する。また、第１スイッチ１２の接点が開いて、電源１１から増幅手段１３および受信判定手段１４への電力供給が停止される。

受信制御手段１９は定められた遅延の後、トリガ手段１５にリセット信号を出力し、今度は、第上流側の超音波送受信器２を送信側とした計測が開始される。

以上のように、１回計測する毎に、一定の遅延時間を置きながら、二つの超音波送受信器２，３の送受信関係を切り換えながら計測が続けられる。

そして、予め定められた回数（例えば、順方向、逆方向それぞれ８回）の計測が完了した時点で、演算手段１９では、８回の計測結果を順方向、逆方向それぞれ別個に伝搬時間の平均値を算出し、その値が伝搬時間予測手段１５に記憶される。さらに、伝搬時間平均値を元に流速、流量が求められる。

続いて、伝搬時間予測手段１８に記憶された伝搬時間平均値を用いて、第１の設定時間および第２の設定時間を最適化する方法について説明する。

流路内に異質のガスが混入したり、意図的にガスの置換を行ったりしない限り、伝搬時間の値はわずかな時間で急激に変化することがないので、前の８回の計測平均値が次の８回の計測のおおよその期待値と考えることができる。

流れの順方向の伝搬時間平均値をＴａとすると、次の８回の順方向の計測においては、第１の設定時間、第２の設定時間に係る超音波送受信器両端に発生する振動ノイズが、計測開始後の経過時間Ｔａの近傍で、充分小さくなるように適当なマージンを見込んで、各スイッチの制御を行えば良い。

第１スイッチ１２を閉じた後、振動レベルが収束するまでの時間をα、第２スイッチ６の接点を閉じた後、振動レベルが収束するまでの時間をβとすれば、タイマー１６の値が示す計測開始からの経過時間がＴａ−（α＋β）となる時間を第１の設定時間Ｔ１、経過時間がＴａ−βとなる時間を第２の設定時間Ｔ２としてスイッチの切り換えを行えば良い。

以上説明してきたように本実施の形態の流体の流れ計測装置においては、伝搬時間予測手段１８に記憶された予測伝搬時間に基づいて、その時間の寸前に超音波送受信器と増幅手段１３の接続抵抗を高抵抗にした状態で、増幅手段１３の電源を投入して、電力供給の際に発生する超音波送受信器端子間の振動ノイズを急速に減衰させている。

その後、超音波送受信器と増幅手段１３との接続抵抗を低抵抗に切り換えた後に、超音波信号を受信しているので、増幅手段１３の電力供給開始タイミングを受信波形により近づけることが可能になるので、省電力性能を保ちながら高精度の計測が可能である。

また、流れの順方向と逆方向でそれぞれ別に電源投入タイミングを設定することで、流量変動に関わらず、最適な制御タイミングが設定可能となり省電力性能を保ちつつ、より高精度の流量計測が可能となる。

（実施の形態２）
図２において、第１の設定時間および第２の設定時間において発生する振動ノイズが計測結果に及ぼす影響を更に低減するように双方の間隔αを制御する。

（ａ）は設定時間Ｔ１において増幅手段１３の入力端子間に発生する電圧レベル、（ｂ）は設定時間において増幅手段１３の入力端子間に発生する電圧レベルを示している。説明を簡単とするため、各々の電圧レベルを個別に取り出して表しているが、実際には（ａ），（ｂ）両方の信号の合成波形が端子間に加えられることになる。

Ｔ１、およびＴ２において、受信側超音波送受信器端子間に加えられる電圧変化は、異なる周波数の合成波形となるが、そのうち、送受信器の共振周波数成分に、送受信器が反応して、（ａ），（ｂ）のような電圧が発生する。

図２で示すようにＴ１、およびＴ２で発生する振動が同相であるならば、両者の間隔αを共振周期Ｔｓの半分の値である０．５Ｔｓの奇数倍（５倍）となるように設定すれば、両方の振動ノイズが逆位相の関係で打ち消しあうことになるので、増幅手段１３に加えられる振動ノイズを最も小さくすることができる。

回路構成によって、（ａ），（ｂ）が逆位相の関係になる場合もあるが、この場合には、０．５Ｔｓ の偶数倍に設定すれば良い。

以上のように、本実施の形態においては、第１の設定時間Ｔ１と第２の設定時間Ｔ２の間隔αを送信信号の半周期の偶数倍もしくは奇数倍のどちらか一方に定めて固定しているので、各スイッチの切り換え時に生じる振動ノイズが互いに逆位相となり打ち消されて、振動ノイズの影響の更なる低減が可能である。

（実施の形態３）
図３は、第１の設定時間および第２の設定時間において発生する振動ノイズが計測結果に及ぼす影響を更に低減するように、予測伝搬時間の時間差βを制御するものである。

一連の８回の計測のうちの１回目の計測では、第１の設定時間Ｔ１１の値をＴａ−（α＋β１）、第２の設定時間Ｔ２１の値を、Ｔａ−β１としている。この時、増幅手段１３の入力端子間に発生すると振動ノイズ波形を図３の実線で示している。

そして、２回目の計測では、第１の設定時間Ｔ１２の値をＴａ−（α＋β２）、第２の設定時間Ｔ２２の値を、Ｔａ−β２としている。

ただし、ここで、β２＝β１＋０．５Ｔｓとしているので、２回目の計測は１回目の計測に比べて、第１の設定時間、第２の設定時間共に、送信信号周期の半周期の値である０．５Ｔｓ早くなっている。

以上２回の計測にて発生すると予測される振動ノイズは互いに逆位相の関係にあるため、これら二つの波形を平均化すれば、振動ノイズの影響を抑えることができる。

つまり、２回の計測で得られた伝搬時間の平均値を求めることで、振動ノイズの影響を
受けない、より真値に近い伝搬時間を求めることが可能である。

ここで、説明の便宜上、１回目の計測と２回目の計測をひと括りと考えて第１計測ペアと定義し、３回目の計測と４回目の計測をひと括りで第２計測ペアと定義し、以降、同様に第３、第４計測ペアも定義付けるものとする。

先に、述べた第１計測ペアと同様に、各計測ペアにおいて、αの値を共通として、βの値を互いに送信信号周期の半分の値となるように制御すれば、各計測ペアにおいて振動ノイズの影響を消すことができる。

したがって、伝搬時間の平均値を求めるまでの計測回数は８回に拘る必要はなく、任意の偶数回と設定すれば良いことになる。

更なる振動ノイズ低減策として、受信波に重畳される振動ノイズの位相が固定されないようにβの値を分散させる方法も考えられる。

図４はその一例であり、１〜８回目の計測におけるβの値βｎ（ｎ＝１〜８）をβ１を基準として示した表である。βｎの値は０．１２５Ｔｓずつ異なる８段階の値が設定されておりこの８回の計測で設定時間の変更が一巡している。

この場合、４５度ずつ位相の異なるノイズ波形を受信波形に重畳させたことになり、８回の平均伝搬時間を求めることで、振動ノイズの影響の更なる低減が見込まれる。

なお、この場合、先に述べた場合と同様、各計測ペアにおいて、βｎの値が０．５Ｔｓずつ異なる関係を維持している。そのため、平均化の回数は８の倍数が望ましいが、８以外の任意の値であっても、平均化効果が大きく劣るものではない。

以上、説明してきたように、本実施の形態においては、各計測ペアにおける第２の設定時間と予測伝搬時間の間隔βを、１回目の計測と２回目の計測とでは送信信号の半周期に相当する値だけ異なるように定めるとともに、第１の設定時間と第２の設定時間の間隔は固定されるように第１の設定時間を定めているので、各計測ペアにおいて発生する振動ノイズ波形が受信点付近では互いに逆位相の関係になるので、任意の偶数回の計測平均値を求めることで、振動ノイズの影響の更なる低減が可能である。

また、更に、第１および第２の設定時間に送信信号周期の１／ｎずつ異なるｎ個の値を設定しながらｎ回一巡で計測っているので、受信点付近の振動ノイズ波形の位相が均等に分散されるので、その平均値を求めることで、振動ノイズの影響の更なる低減が可能である。

（実施の形態４）
図５は実施の形態４を示し、図１と同作用を行うものには同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。

図５は複数の異なるガス種を計測対象とする計測装置であり、ガス種切換手段２０は、使用ガスの切り換え設定を行なうスイッチである。ここでは、空気とプロパンガスの２種類ガスの計測に対応できるものとする。

増幅率設定手段２１は、ガス種切換手段２０の設定内容に従って、固有の増幅率を設定できる構成になっている。その結果、ガス種に応じて、可変増幅手段２２の増幅率を２段階に可変できるようになっている。

増幅手段１３の入力側で発生する振動ノイズレベルが同じであっても、出力側の振動ノイズレベルは増幅率に比例して大きくなる。したがって、増幅率が大なるにしたがって、振動ノイズの減衰に時間を要する。

そのため、増幅率の増大に伴って、第１の設定時間、第２の設定時間を大きな値とすることで、振動ノイズの収束時間に応じた電源制御の最適化が可能となる。

なお、本実施の形態においては、ガス種に応じて可変増幅手段２２の増幅率を変更する構成としたが、増幅率の変更がガス種によって制御される場合に効果が限定されるわけではなく、例えば、温度、流量など種々の要因で複合させて増幅率を変更する方法であっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

以上、説明してきたように、本実施の形態においては、可変増幅手段２２の増幅率が大きくなるに従って、第１および第２の設定時間と予測伝搬時間の間隔が大きくなるように制御しているので、振動ノイズの収束時間に応じた電源制御の最適化が可能となる。

（実施の形態５）
図６は実施の形態５を示し、図１と同作用を行うものには同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。

温度検知手段２３は演算手段１７で求めた順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間から流体の温度を推定している。そして、ここで推定した温度に応じて、受信制御手段１９は第１の設定時間および第２の設定時間を変化させている。

気体の温度と、その気体中を伝搬する音速は一次の近似式で与えられることはよく知られている。したがって、振動子間の距離とガス種が既知であれば、計測した伝搬時間を用いて音速を容易に求めることが可能である。

これには、流速が変化した場合であっても、順方向の伝搬時間と逆方向の伝搬時間の和がほとんど変化しないことを利用する。この性質によれば、同一温度条件であれば、ふたつの伝搬時間の平均値は変わらないと結論づけられる。逆に言えば、伝搬時間の平均値から温度を知ることができると言える。

増幅手段１３の入力側で発生したノイズの収束時間が電子回路の温度特性によって異なるが、この場合、上記のように温度がわかっていれば、温度特性分を補正して、第１および第２の設定時間を変更すれば良い。

なお、流路内の温度と電子回路の温度は必ずしも同一温度とは限らないが、装置自体が屋外設置であれば、流体温度から装置内の温度、電子回路のおおよそ温度を知ることが可能である。

以上、説明してきたように本発明の実施の形態においては、温度推定手段２３で推定した装置内の推定温度に従って、第１および第２の各設定時間と予測伝搬時間の間隔を制御しているので、電子回路の温度特性に応じた電源制御の最適化が可能となる。

以上のように、本発明の流体の流れ計測装置は、増幅手段の電源投入タイミングを超音波信号の受信タイミングに近づけることができ、省電力化が可能となるので、電池駆動で長寿命を要求されるガスメータ、水道メータなどに適用可能である。

本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態２における流体の流れ計測装置の受信制御手段の動作を説明するタイミングチャート 本発明の実施の形態３における受信制御手段の動作を説明するタイミングチャート 同装置の受信制御手段の動作を説明する特性図 本発明の実施の形態４における流体の流れ計測装置のブロック図 本発明の実施の形態５における流体の流れ計測装置のブロック図 従来の流体の流れ計測装置のブロック図

符号の説明

１ 流体流路
２，３ 超音波送受信器
４ 送受信切換手段
６ 第２スイッチ
７〜１０ 負荷抵抗
１１ 電源
１２ 第１スイッチ
１３ 増幅手段
１４ 受信判定手段
１６ タイマー
１７ 演算手段
１８ 伝搬時間予測手段
１９ 受信制御手段
２１ 増幅率設定手段
２２ 可変増幅手段
２３ 温度推定手段

Claims (6)

1. 流体流路の上流側と下流側に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、
   受信側に設定されている前記一方の超音波送受信器に負荷抵抗を介して接続された増幅手段と、
   前記増幅手段に対する電力の供給／停止を切り換える第１スイッチと、
   前記受信側に設定されている一方の超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗値を高抵抗と低抵抗の２段階に切り換える第２スイッチと、
   前記増幅手段の出力に基づいて超音波信号の受信を判断する受信判定手段と、
   前記超音波信号の送信から受信までの伝搬時間を計測するタイマーと、
   前記タイマーで計測した過去の伝搬時間を元に次の予測伝搬時間を決定する伝搬時間予測手段と、
   前記第１および第２スイッチの切り換えタイミングを制御する受信制御手段とを備え、
   前記受信制御手段は、前記予測伝搬時間より前の第１の設定時間で前記第１スイッチを介して前記増幅手段へ電力供給を開始し、前記第１の設定時間と前記予測伝搬時間の間の第２の設定時間で、前記第２スイッチにより前記超音波送受信器と前記増幅手段との接続抵抗を高抵抗から低抵抗に切り換え、
   前記第１の設定時間と前記第２の設定時間の間隔を送信信号の半周期の偶数倍もしくは奇数倍のどちらか一方に定めることを特徴とする流体の流れ計測装置。
2. 流体流路の上流側と下流側に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、
   受信側に設定されている前記一方の超音波送受信器に負荷抵抗を介して接続された増幅手段と、
   前記増幅手段に対する電力の供給／停止を切り換える第１スイッチと、
   前記受信側に設定されている一方の超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗値を高抵抗と低抵抗の２段階に切り換える第２スイッチと、
   前記増幅手段の出力に基づいて超音波信号の受信を判断する受信判定手段と、
   前記超音波信号の送信から受信までの伝搬時間を計測するタイマーと、
   前記タイマーで計測した過去の伝搬時間を元に次の予測伝搬時間を決定する伝搬時間予測手段と、
   前記第１および第２スイッチの切り換えタイミングを制御する受信制御手段とを備え、
   前記受信制御手段は、前記予測伝搬時間より前の第１の設定時間で前記第１スイッチを介して前記増幅手段へ電力供給を開始し、前記第１の設定時間と前記予測伝搬時間の間の第２の設定時間で、前記第２スイッチにより前記超音波送受信器と前記増幅手段との接続抵抗を高抵抗から低抵抗に切り換え、
   同一の予測伝搬時間を用いて複数回の計測を行ってその平均値を求め、一連の計測において２回毎の計測を計測ペアと定め、同一計測ペアにおいては、第２の設定時間から予測伝搬時間までの間隔が送信信号の半周期に相当する値だけ異なるように第２の設定時間を定めるとともに、前記第１の設定時間と前記第２の設定時間の間隔は同一となるように前記第１の設定時間を定めることを特徴とする流体の流れ計測装置。
3. 前記受信制御手段は、前記第２の設定時間に前記送信信号周期の１／ｎずつ異なるｎ個の値を設定しながらｎ回一巡で計測を行うことを特徴とする請求項２に記載の流体の流れ計測装置。
4. 流体流路の上流側と下流側に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、
   受信側に設定されている前記一方の超音波送受信器に負荷抵抗を介して接続された増幅手段と、
   前記増幅手段に対する電力の供給／停止を切り換える第１スイッチと、
   前記受信側に設定されている一方の超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗値を高抵抗と低抵抗の２段階に切り換える第２スイッチと、
   前記増幅手段の出力に基づいて超音波信号の受信を判断する受信判定手段と、
   前記超音波信号の送信から受信までの伝搬時間を計測するタイマーと、
   前記タイマーで計測した過去の伝搬時間を元に次の予測伝搬時間を決定する伝搬時間予測手段と、
   前記第１および第２スイッチの切り換えタイミングを制御する受信制御手段と、
   増幅率の変更が可能な可変増幅手段とを備え、
   前記受信制御手段は、前記予測伝搬時間より前の第１の設定時間で前記第１スイッチを介して前記増幅手段へ電力供給を開始し、前記第１の設定時間と前記予測伝搬時間の間の第２の設定時間で、前記第２スイッチにより前記超音波送受信器と前記増幅手段との接続抵抗を高抵抗から低抵抗に切り換え、
   前記可変増幅手段の増幅率が大きくなるに従って、前記第１および第２の設定時間と前記予測伝搬時間の間隔が大きくなるように制御することを特徴とする流体の流れ計測装置。
5. 流体流路の上流側と下流側に配置された少なくとも一対の超音波送受信器と、
   受信側に設定されている前記一方の超音波送受信器に負荷抵抗を介して接続された増幅手段と、
   前記増幅手段に対する電力の供給／停止を切り換える第１スイッチと、
   前記受信側に設定されている一方の超音波送受信器と増幅手段の接続抵抗値を高抵抗と低抵抗の２段階に切り換える第２スイッチと、
   前記増幅手段の出力に基づいて超音波信号の受信を判断する受信判定手段と、
   前記超音波信号の送信から受信までの伝搬時間を計測するタイマーと、
   前記タイマーで計測した過去の伝搬時間を元に次の予測伝搬時間を決定する伝搬時間予測手段と、
   前記第１および第２スイッチの切り換えタイミングを制御する受信制御手段と、
   計測した伝搬時間を基に装置の雰囲気温度を推定する温度推定手段とを備え、
   前記受信制御手段は、前記予測伝搬時間より前の第１の設定時間で前記第１スイッチを介して前記増幅手段へ電力供給を開始し、前記第１の設定時間と前記予測伝搬時間の間の第２の設定時間で、前記第２スイッチにより前記超音波送受信器と前記増幅手段との接続抵抗を高抵抗から低抵抗に切り換え、
   前記温度推定手段の推定温度に従って前記第１および第２の各設定時間と前記予測伝搬時
   間の間隔を制御することを特徴とする流体の流れ計測装置。
6. 前記超音波送受信器の役割を切り換えることにより流れの順方向と逆方向の双方の計測を可能とした送受信切換手段と、
   前記タイマーで計測した伝搬時間に基づいて流体流速を算出する演算手段とを備え、
   前記受信制御手段は、流れの順方向と逆方向で個別の予測伝搬時間に基づいて前記第１および第２の設定時間を定めることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流体の流れ計測装置。