JP5477051B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を用いて流体の体積流量または質量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として、たとえば、伝搬時間差法という計測原理を用いたものが知られている。図７は、その計測原理を用いた超音波流量計の説明図である（特許文献１）。この超音波流量計は、流体が流れる管９０の側壁に配置された素子９１，９２を備える。素子９１は流体の上流側に配置されており、素子９２は流体の下流側に配置されている。素子９１，９２は、超音波の放射軸が、流体の流れる方向と鋭角に交差するように斜めに配置されている。

超音波が素子９１から素子９２に伝搬する時間をｔＡ、素子９２から素子９１に伝搬する時間をｔＢ、素子９１，９２間の距離をＬ、音速をＣ、流体の流速をＶ、流体の流れる方向と超音波放射軸とが成す角度をθとすると、流速Ｖ＝０のときは、ｔＡ＝ｔＢ＝Ｌ／Ｃが成立する。そして、Ｖ＞０になると、ｔＡ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）、ｔＢ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）が成立する。つまり、Ｖ＝Ｌ（（１／ｔＡ）−（１／ｔＢ））／２ｃｏｓθとなる。ここで、管９０の断面積をＳとすると、流体の体積流量Ｑは、Ｑ＝ＳＶを演算して求める。

しかし、音速は、流体の圧力および湿度によって変化するため、流体の正確な体積流量を求めるためには、流体の圧力および湿度に基づいて体積流量を補正する必要がある。
そこで、従来、超音波センサと、圧力センサと、温度センサとを流路に設けて流体の圧力および湿度を測定し、その測定値に基づいて体積流量を補正する超音波流量計が提案されている（特許文献２）。なお、温度センサは、湿度による音速の補正に用いている。

特開昭５６−６７７１６号公報（第１図）。 ＷＯ−Ａ１−２００７０２０１１３（図２）。

しかし、前述した従来の超音波流量計は、圧力センサおよび温度センサを設ける必要があるため、超音波流量計が大型化するので、設置空間が大きくなるという問題と、超音波流量計の製造費用が増大するという問題とがある。

そこでこの発明は、上述の諸問題を解決するためになされたものであり、圧力センサおよび温度センサを設けなくても、流体の圧力および湿度に基づいて体積流量を補正することができる超音波流量計を実現することを目的とする。

この発明の第１の特徴は、周波数の異なる複数の超音波を相互に送受信する第１および第２の超音波センサ（４，５）の一方を流体（Ｆ）が流れる流路（３ｃ）の上流側に配置し、他方を前記流路を挾んで下流側に配置した超音波流量計（１）であって、前記第１および第２の超音波センサが受信した超音波に対応する検出信号を検出する検出回路と、前記第１および第２の超音波センサ間の超音波の伝搬時間を検出する制御部（３０，４０）と、を備え、当該検出した伝搬時間に基づいて、前記第１および第２の超音波センサ間における超音波の伝搬時間差を演算し、その伝搬時間差を用いて前記流路を流れる流体の体積流量（Ｑ）を演算する体積流量演算（Ｓ１〜Ｓ５）と、前記検出回路が検出した前記検出信号を解析し、その解析結果を用いて前記流路を流れる流体の湿度（ｈ）に対応する前記流体の温度（Ｙ）を演算する温度演算（Ｓ８）と、前記検出回路が検出した前記検出信号を解析し、その解析結果を用いて前記流路を流れる流体の圧力（Ｐ）を演算する圧力演算（Ｓ７）と、前記体積流量演算により演算された体積流量を、前記温度演算により演算された温度および前記圧力演算により演算された圧力を用いて補正する補正演算（Ｓ９）と、を実行する演算部（２０）をさらに備え、前記温度演算（Ｓ８）は、前記検出信号の解析結果を用いて、前記第１または第２の超音波センサが受信した超音波の音圧（ＳＰａ，ＳＰｂ）を演算し、その演算された音圧を用いて前記流路（３ｃ）を流れる流体の湿度（ｈ）に対応する前記流体の温度（Ｔ）を演算するもので、音圧をＳＰ、音圧の初期値をＳＰ０、超音波の伝搬距離をｒ、吸収係数をｍ、超音波が伝搬する流体の温度をＴ、超音波の周波数をｆ、大気圧をＧ、飽和蒸気圧をＧ０、超音波が伝搬する流体の湿度をｈ、係数をＭ，Ａとした場合に、前記温度演算（Ｓ８）は、式（１）〜（４）を用いて前記流体の温度Ｔを演算することにある。

この発明の第２の特徴は、前述した第１の特徴において、前記温度演算（Ｓ８）における前記音圧の演算は、前記検出回路が検出した前記検出信号を解析し、前記第１または第２の超音波センサが受信した前記周波数の異なる複数の超音波の音圧の平均値を演算するものであることにある。

この発明の第３の特徴は、前述した第１または第２の特徴において、前記周波数の異なる複数の超音波の送受信を前記第１および第２の超音波センサ（４，５）間で超音波毎に相互に行い、前記制御部（３０，４０）は、前記第１および第２の超音波センサ間の超音波の伝搬時間を超音波ごとに検出し、前記体積流量演算（Ｓ１〜Ｓ５）は、前記制御部によって検出された超音波ごとの伝搬時間に基づいて、超音波ごとの前記伝搬時間差を演算し、その超音波ごとの前記伝搬時間差を用いて前記体積流量を演算するものであることにある。

この発明の第４の特徴は、前述した第１ないし第３の特徴のいずれか１つにおいて、前記演算部（２０）は、前記補正演算（Ｓ８）により補正された体積流量（Ｑ０）と前記流体（Ｆ）の密度（ρ）とを用いて前記流体の質量流量（Ｇ）を演算することにある。

この発明の第５の特徴は、前述した第１ないし第４の特徴のいずれか１つにおいて、前記第１および第２の超音波センサ（４，５）は、超音波を送信する複数の送信素子（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）をそれぞれ備えており、各送信素子が送信する超音波の周波数（ｆａ，ｆｂ）がそれぞれ異なることにある。

この発明の第６の特徴は、前述した第５の特徴において、前記複数の送信素子（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）は、それぞれ共振型であることにある。

この発明の第７の特徴は、前述した第６の特徴において、前記複数の送信素子は、圧電素子（２ａ）および音響整合層（２ｂ）をそれぞれ備えることにある。

この発明の第８の特徴は、前述した第１ないし第７の特徴のいずれか１つにおいて、前記第１および第２の超音波センサ（４，５）は、周波数（ｆａ，ｆｂ）の異なる超音波を受信する単一の受信素子（Ｃ１，Ｃ２）をそれぞれ備えることにある。

この発明の第９の特徴は、前述した第８の特徴において、前記受信素子（Ｃ１，Ｃ２）は、それぞれ非共振型であることにある。

この発明の第１０の特徴は、前述した第９の特徴において、前記受信素子（Ｃ１，Ｃ２）は、それぞれ静電容量型であることにある。

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

この発明に係る超音波流量計は、周波数の異なる複数の超音波を用いて流体の体積流量と、圧力と、湿度に対応する温度とを演算し、その演算した圧力および温度を用いて体積流量を補正することができる。
したがって、圧力センサおよび温度センサを設けなくても、流体の圧力および湿度に基づいて体積流量を補正することができる超音波流量計を実現することができる。

この発明の実施形態に係る超音波流量計の構成をブロックで示す説明図である。 図１に示す超音波流量計を構成する第１および第２の超音波センサが管に取付けられた状態を模式的に示す縦断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 図２に示す第１および第２の超音波センサの縦断面図であり、（ａ）は第１の超音波センサの縦断面図、（ｂ）は第２の超音波センサの縦断面図である。 第１および第２の超音波センサ４，５間における超音波の伝搬時間差の説明図であり、（ａ）は第１の超音波センサ４の送信波および第２の超音波センサ５の受信波の説明図、（ｂ）は第２の超音波センサ５の送信波および第１の超音波センサ４の受信波の説明図である。 第１の超音波センサ４の送信波および第２の超音波センサ５の受信波の説明図である。 ＣＰＵ２１が実行する質量流量演算の流れを示すフローチャートである。 従来の超音波流量計の説明図である。

［全体の構成］
最初に、この発明の実施形態に係る超音波流量計の全体の構成について図を参照しながら説明する。図１は、この実施形態に係る超音波流量計の構成をブロックで示す説明図である。図２は、図１に示す超音波流量計を構成する第１および第２の超音波センサが管に取付けられた状態を模式的に示す縦断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図３は、図２に示す第１および第２の超音波センサの縦断面図であり、（ａ）は第１の超音波センサの縦断面図、（ｂ）は第２の超音波センサの縦断面図である。以下の説明において、送信波とは送信する超音波を意味し、受信波とは受信する超音波を意味する。

図１に示すように、超音波流量計１は、第１の超音波センサ４および第２の超音波センサ５を備える。第１の超音波センサ４は、第２の超音波センサ５へ超音波を送信する送信素子Ａ１，Ｂ１と、第２の超音波センサ５から送信された超音波を受信する受信素子Ｃ１とを備える。第２の超音波センサ５は、第１の超音波センサ４へ超音波を送信する送信素子Ａ２，Ｂ２と、第１の超音波センサ４から送信された超音波を受信する受信素子Ｃ２とを備える。

送信素子Ａ１，Ｂ１が送信する超音波の周波数（以下、送信周波数という）は異なり、送信素子Ａ２，Ｂ２の送信周波数も異なる。送信素子Ａ１，Ａ２の送信周波数は同一であり、送信素子Ｂ１，Ｂ２の送信周波数は同一である。受信素子Ｃ２は、送信素子Ａ１，Ｂ１から送信される異なる送信周波数の送信波を受信する。受信素子Ｃ１は、送信素子Ａ２，Ｂ２から送信される異なる送信周波数の送信波を受信する。この実施形態では、送信素子Ａ１，Ａ２からの送信波の送信周波数をｆａとし、送信素子Ｂ１，Ｂ２からの送信波の送信周波数をｆｂとする。

図２に示すように、管３は、断面が略円形に形成されており、その内部には、流体Ｆが流れる流路３ｃが形成されている。この実施形態では、流体Ｆは、矢印Ｄ１で示す方向から流れる。また、流体Ｆは、湿度の変化により温度が変化する空気などの気体である。
流路３ｃの一方の側壁３ａには、第１の超音波センサ４が配置されており、流路３ｃを挾んで側壁３ａと対向する他方の側壁３ｂには、第２の超音波センサ５が配置されている。第１の超音波センサ４は、流路３ｃの上流側に配置されており、第２の超音波センサ５は、下流側に配置されている。第１および第２の超音波センサ４，５間の距離は、ｒである。また、流体Ｆの流れる方向Ｄ１と超音波放射軸とが成す角度はθである。

第１の超音波センサ４は、超音波を流路３ｃの上流側から下流側（図中矢印Ｄ３で示す順流方向）へ送信し、第２の超音波センサ５は、超音波を下流側から上流側（図中矢印Ｄ４で示す逆流方向）へ送信する。このため、第１および第２の超音波センサ４，５間における超音波の伝播時間は、第１の超音波センサ４から第２の超音波センサ５へ送信するときの伝搬時間ｔａの方が、第２の超音波センサ５から第１の超音波センサ４へ送信するときの伝搬時間ｔｂよりも短くなる。つまり、超音波の伝搬時間差が生じる。

この実施形態では、送信素子Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ共振型の素子であり、受信素子Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ非共振型の素子である。
図３に示すように、送信素子Ａ１は、シリコン基板２ｄと、このシリコン基板２ｄの表層部に形成されたキャビティ（空洞部）２ｆと、このキャビティ２ｆを覆うメンブレン（薄肉部）２ｅと、このメンブレン２ｅの表面に配置された圧電素子（ピエゾ素子）２ａと、この圧電素子２ａに挿入固定された音響整合層２ｂと、この音響整合層２ｂの先端が挿通固定された振動減衰部材２ｃとを備える。

各圧電素子２ａは、駆動回路（図示せず）と接続されている。その駆動回路からの駆動信号が圧電素子２ａに印加されると、圧電素子２ａが圧電効果（ピエゾ効果）を発生し、上下方向に振動する。この振動がメンブレン２ｅに伝達してメンブレン２ｅが振動し、この振動が音響整合層２ｂに伝達して音響整合層２ｂが振動し、音響整合層２ｂが送信波を送信する。

音響整合層２ｂは、圧電素子２ａおよび流体Ｆの音響インピーダンスを整合させるためのものである。音響整合層２ｂは、送信素子Ａ１の表面を保護することも目的としている。この音響整合層２ｂを圧電素子２ａに設けることにより、送信素子Ａ１が送信する送信波の音圧を上げることができる。音響整合層２ｂの音響インピーダンスは、流体Ｆの音響インピーダンスと、圧電素子２ａの音響インピーダンスとの間の大きさに設定されている。送信素子Ａ２，Ｂ１，Ｂ２も送信素子Ａ１と同じ構造である。

受信素子Ｃ１は、シリコン基板５ｄと、このシリコン基板５ｄの表面に形成された振動検出部５ａと、この振動検出部５ａの表面に積層された音響整合層５ｂと、この音響整合層５ｂの先端が挿通固定された振動減衰部材５ｃとを備える。振動検出部５ａは、検出回路（図示せず）と接続されている。振動検出部５ａは、空隙を介して相対向する一対の電極を有する公知の静電容量式である。

受信波が音響整合層５ｂに伝達すると、音響整合層５ｂが振動し、この振動によって振動検出部５ａの電極が振動し、電極間の静電容量が変化する。検出回路は、その静電容量に基づいて受信波を検出する。

音響整合層５ｂは、振動検出部５ａおよび流体Ｆの音響インピーダンスを整合させるためのものである。この音響整合層５ｂを振動検出部５ａに設けることにより、受信素子Ｃ１が受信する受信波の音圧を上げることができる。音響整合層５ｂの音響インピーダンスは、流体Ｆの音響インピーダンスと、振動検出部５ａの音響インピーダンスとの間の大きさに設定されている。受信素子Ｃ２も受信素子Ｃ１と同じ構造である。
各送信素子および各受信素子は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）またはＭＥＭＳ以外の技術を使って製造することができる。また、音響整合層を設けない構成を用いることもできる。

［超音波流量計の電気的構成］
次に、超音波流量計１の電気的構成について図１を参照して説明する。

図１に示すように、超音波流量計１は、演算部２０と、送信制御部３０と、受信制御部４０とを備える。送信制御部３０は、送信素子Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２と接続されており、各送信素子に接続された駆動回路を制御する。送信制御部３０は、送信素子Ａ１，Ａ２から周波数ｆａの送信波を送信させ、送信素子Ｂ１，Ｂ２から周波数ｆｂの送信波を送信させる。

受信制御部４０は、受信素子Ｃ１，Ｃ２と接続されており、各受信素子に接続された検出回路を制御する。受信制御部４０は、受信素子Ｃ１，Ｃ２からそれぞれ周波数ｆａ，ｆｂの受信波を受信させる。また、受信制御部４０は、各受信素子に接続された検出回路により検出された受信波に対応する検出信号を入力し、その入力した検出信号を増幅して演算部２０へ出力する。

演算部２０は、ＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３とを備える。ＣＰＵ２１は、送信制御部３０に対して、送信波を送信する送信素子の指定と送信指示とを行う。また、ＣＰＵ２１は、受信制御部４０から入力した検出信号に基いて流体Ｆの質量流量Ｇを演算する。ＲＯＭ２２には、ＣＰＵ２１が質量流量Ｇを演算するために必要なコンピュータプログラムが読出し可能に格納されている。ＲＡＭ２３は、ＲＯＭ２２から読出したコンピュータプログラムやＣＰＵ２１の演算結果などを一時的に格納する。

［質量流量演算］
次に、演算部２０のＣＰＵ２１が実行する質量流量演算について図を参照して説明する。図４は、第１および第２の超音波センサ４，５間における超音波の伝搬時間差の説明図であり、（ａ）は第１の超音波センサ４の送信波および第２の超音波センサ５の受信波の説明図、（ｂ）は第２の超音波センサ５の送信波および第１の超音波センサ４の受信波の説明図である。図５は、第１の超音波センサ４の送信波および第２の超音波センサ５の受信波の説明図である。図６は、ＣＰＵ２１が実行する質量流量演算の流れを示すフローチャートである。

ＣＰＵ２１は、送信制御部３０に対して周波数ｆａの送信波の送信指令を出し、受信制御部４０に対して受信波の受信指令を出す（ステップ（以下、Ｓと略す）１）。これにより、第１および第２の超音波センサ４，５は、周波数ｆａ，ｆｂの送信波の送受信を相互に行う。つまり、第１の超音波センサ４は、送信素子Ａ１から周波数ｆａの送信波を第２の超音波センサ５へ送信し、その送信後に送信素子Ｂ１から周波数ｆｂの送信波を第２の超音波センサ５へ送信する。また、第２の超音波センサ５の受信素子Ｃ２は、送信素子Ａ１から送信された周波数ｆａの送信波を受信し、その受信後に、送信素子Ｂ１から送信された周波数ｆｂの送信波を受信する。

ここで、送信素子Ａ１から周波数ｆａの送信波を送信したタイミングから、その送信波が受信素子Ｃ２により受信されたタイミングまでの時間、つまり、周波数ｆａの超音波の第１の超音波センサ４から第２の超音波センサ５までの伝搬時間をｔａｃ１とする。また、送信素子Ｂ１から周波数ｆｂの送信波を送信したタイミングから、その送信波が受信素子Ｃ２により受信されたタイミングまでの時間、つまり、周波数ｆｂの超音波の第１の超音波センサ４から第２の超音波センサ５までの伝搬時間をｔｂｃ１とする。

続いて、第２の超音波センサ５は、送信素子Ａ２から周波数ｆａの送信波を第１の超音波センサ４へ送信し、その送信後に送信素子Ｂ２から周波数ｆｂの送信波を第１の超音波センサ４へ送信する。また、第１の超音波センサ５の受信素子Ｃ１は、送信素子Ａ２から送信された周波数ｆａの送信波を受信し、その受信後に、送信素子Ｂ２から送信された周波数ｆｂの送信波を受信する。

ここで、送信素子Ａ２から周波数ｆａの送信波を送信したタイミングから、その送信波が受信素子Ｃ１により受信されたタイミングまでの時間、つまり、周波数ｆａの超音波の第２の超音波センサ５から第１の超音波センサ４までの伝搬時間をｔａｃ２とする。また、送信素子Ｂ２から周波数ｆｂの送信波を送信したタイミングから、その送信波が受信素子Ｃ１により受信されたタイミングまでの時間、つまり、周波数ｆｂの超音波の第２の超音波センサ５から第１の超音波センサ４までの伝搬時間をｔｂｃ２とする。

続いて、ＣＰＵ２１は、周波数ｆａの送信波を用いたときの流速Ｖ１を次の式（５）を用いて演算する（Ｓ２）。ｒは、第１および第２の超音波センサ４，５間の距離であり、θは、流体Ｆの流れる方向Ｄ１と超音波放射軸とが成す角度である。

Ｖ１＝ｒ（（１／ｔａｃ１）−（１／ｔａｃ２））／２ｃｏｓθ ・・・（５）

続いて、ＣＰＵ２１は、周波数ｆｂの送信波を用いたときの流速Ｖ２を次の式（６）を用いて演算する（Ｓ３）。

Ｖ２＝ｒ（（１／ｔｂｃ１）−（１／ｔｂｃ２））／２ｃｏｓθ ・・・（６）

続いて、ＣＰＵ２１は、上記の演算された流速Ｖ１，Ｖ２を用いて平均流速Ｖを演算する（Ｓ４）。続いて、ＣＰＵ２１は、流速Ｖのときの流体Ｆの体積流量Ｑを次の式（７）を用いて演算する（Ｓ５）。Ｓは、流路３ｃの断面積である。

Ｑ１＝Ｓ×Ｖ ・・・（７）

続いて、ＣＰＵ２１は、周波数ｆａの送信波の平均音圧ＳＰａと、周波数ｆｂの送信波の平均音圧ＳＰｂと、平均流体圧力Ｐとを演算する（Ｓ６，Ｓ７）。平均音圧ＳＰａ，ＳＰｂおよび平均流体圧力Ｐは、受信素子Ｃ１の検出回路から受信制御部４０に取込まれた検出信号を解析して演算する。この実施形態では、検出信号を高速フーリエ解析（ＦＦＴ）して音圧および圧力を求める公知の手法を用いる。

つまり、検出信号を高速フーリエ解析して音波成分（周波数の成分）とスタティックな圧力成分（周波数から外れた部分）を求め、音波成分から音圧を演算し、圧力成分から流体圧力を演算する。また、受信素子Ｃ１から得た検出信号を用い、周波数ｆａ，ｆｂの送信波毎に音圧および流体圧力を演算し、その演算結果から平均音圧および平均流体圧力を演算する。

続いて、ＣＰＵ２１は、流体温度Ｔを演算する（Ｓ８）。次の式（１）〜（３）は、公知文献（Acustica 6 238-244(1956)(E.J.Evans and E.N.Bazley 著)）に記載されている演算式であり、音圧の減衰を求める演算式である。式（１）において、Ｐは音圧、Ｐ０は音圧の初期値、ｒは第１および第２の超音波センサ４，５間の距離、ｍは吸収係数、Ａは実験値より算出される係数、ｅはexponentialである。

ここで、吸収係数ｍは、次の式（２）により算出される。式（２）において、Ｔは流体の温度、ｆは超音波の周波数、Ｍは係数（文献値）である。

ここで、上記式（２）におけるｋは、次の式（３）により算出される。式（３）において、Ｇ０は飽和蒸気圧、Ｇは大気圧、ｈは湿度である。

ここで、上記式（３）における飽和蒸気圧Ｇ０は、次の式（４）で示す公知のティテン(Tetens)の式により算出される。式（４）において、Ｔは温度（℃）である。

ここで、周波数ｆａの送信波の平均音圧をＳＰａ、音圧の初期値をＳＰａ０、吸収係数ｍをｍａとする。音圧の初期値ＳＰａ０は、予め測定して求めておく。そして、先のＳ７において求めた平均音圧ＳＰａと、予め求めておいた音圧の初期値ＳＰａ０を前記の式（１）に代入すると、次の式（８）を得る。

次に、周波数ｆｂの送信波の平均音圧をＳＰｂ、音圧の初期値をＳＰｂ０、吸収係数ｍをｍｂとする。音圧の初期値ＳＰｂ０は、予め測定して求めておく。そして、先のＳ７において求めた平均音圧ＳＰｂと、予め求めておいた音圧の初期値ＳＰｂ０を前記の式（１）に代入すると、次の式（９）を得る。

上記式（８），（９）は、係数ｍａ，ｍｂに含まれる湿度ｈおよび温度Ｔのみが未知数であり、湿度ｈおよび温度Ｔが変数になっている。つまり、湿度ｈおよび温度Ｔの相関関係を表す式になっている。そこで、湿度ｈおよび温度Ｔを未知数とする式（８），（９）の連立方程式を解くことにより、温度Ｔを算出することができる。この算出された温度Ｔは、湿度ｈを反映したものであり、湿度ｈにより変化した温度Ｔを算出したことになる。

続いて、ＣＰＵ２１は、補正体積流量Ｑ０を演算する（Ｓ９）。この補正体積流量Ｑ０は、ボイルシャルルの法則を用いて算出することができる。ここで、標準状態温度(273.15K)をＴ０、標準状態圧力をＰ０(1.0332kg/cm³)とし、先のＳ６において求めた平均体積流量、つまり補正すべき平均体積流量をＱとする。ボイルシャルルの法則より、次の式（１０），（１１）が成立する。ｋ１は定数である。

Ｑ０＝（Ｔ０／Ｐ０）・ｋ１ ・・・（１０）

Ｑ＝（Ｔ／Ｐ）・ｋ１ ・・・（１１）

したがって、上記式（１０），（１１）より、次の式（１２）が導出される。

Ｑ０＝（Ｔ０・Ｐ／Ｔ・Ｐ０）×Ｑ ・・・（１２）

そこで、上記式（１２）に先のＳ５において求めた体積流量Ｑ、Ｓ６において求めた平均流体圧力Ｐ、Ｓ７において求めた流体温度Ｔ、標準状態温度Ｔ０および標準状態圧力Ｐ０を代入して補正体積流量Ｑ０を演算する。

続いて、ＣＰＵ２１は、次の式（１３）を用いて質量流量Ｇを演算する（Ｓ１０）。式（１３）においてρは、流体Ｆの密度である。

Ｇ＝ρ・Ｑ０ ・・・（１３）

なお、流体Ｆの密度ρは公知の手法により求めることができる。例えば、流体の音響インピーダンスをＺ、流体中の音速をＣとすると、次の式（１４）が成立する。

Ｚ＝ρ・Ｃ ・・・（１４）

上記式（１４）から密度ρを求める次の式（１５）が成立する。

ρ＝Ｚ／Ｃ ・・・（１５）

ここで、音響インピーダンスＺは、受信波の大きさから求めることができる。例えば、受信波のピーク値から求めることができる。
また、流体Ｆが空気であり、その密度が一定であるとして扱うことができる場合は、密度ρとして蒸気の密度を用いることもできる。なお、質量流量Ｇまで計測する必要がないときは、補正体積流量Ｑ０を演算した時点で計測処理を終了することもできる。

［実施形態の効果］
（１）以上のように、上述した実施形態の超音波流量計１を使用すれば、周波数の異なる複数の超音波を用いて流体Ｆの体積流量Ｑと、流体圧力Ｐと、湿度に対応する温度Ｔとを演算し、その演算した流体圧力Ｐおよび温度Ｔを用いて体積流量Ｑを補正することができる。

したがって、圧力センサおよび温度センサを設けなくても、流体Ｆの流体圧力Ｐおよび湿度ｈに基づいて体積流量Ｑを補正することができる超音波流量計を実現することができる。これにより、圧力センサおよび温度センサのスペースを設ける必要がないため、超音波流量計を小型化することができる。また、圧力センサおよび温度センサを使用しない分、超音波流量計の消費電力を削減することができる。

（２）また、補正体積流量Ｑ０および密度ρの積を演算することにより、質量流量Ｇを演算することもできる。
（３）さらに、テーブルやマップを使用しないで、演算のみで体積流量または質量流量を計測することができ、流体圧力および温度がリアルタイムで計測結果に反映されるため、計測精度を高めることができる。

（４）さらに、送受信した各超音波毎に演算した伝搬時間差を用いて伝搬時間差の平均値を演算し、その平均値を用いて体積流量を演算するため、計測精度をより一層高めることができる。
（５）さらに、流体温度を演算するときに、周波数の異なる超音波毎に音圧を演算し、その平均値を用いるため、計測精度をより一層高めることができる。

（６）さらに、各送信素子が共振型であるため、超音波の音圧を高めることができるので、計測精度を高めることができる。
（７）さらに、各受信素子が非共振型であるため、単一の受信素子が周波数の異なる複数の超音波を受信することができる。さらに、受信素子の数を少なくすることができるため、超音波流量計を小型化することができる。

（８）さらに、各受信素子が静電容量型であり、共振周波数が広帯域であるため、振動部に高い寸法精度が要求されないので、比較的容易に作製することができる。

［他の実施形態］
（１）複数の受信素子にて受信した受信波の位相差を用いて流体の湿度を検出することもできる（例えば、特開平６−２５８２９８号公報）。
（２）送信素子として、発熱体の発熱による媒質の膨張および収縮で超音波を発生する熱誘起型音源を用いることもできる（例えば、特開２００４−１５３７９７号公報）。
（３）受信素子として、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型を用いることもできる。この受信素子を用いれば、流体との音響インピーダンスの整合を図り易い。

１・・超音波流量計、２ａ・・圧電素子、２ｂ・・音響整合層、３・・管、
３ｃ・・流路、４・・第１の超音波センサ、５・・第２の超音波センサ、
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２・・送信素子、Ｃ１，Ｃ２・・受信素子、Ｆ・・流体。

Claims (10)

1. 周波数の異なる複数の超音波を相互に送受信する第１および第２の超音波センサの一方を流体が流れる流路の上流側に配置し、他方を前記流路を挾んで下流側に配置した超音波流量計であって、
   前記第１および第２の超音波センサが受信した超音波に対応する検出信号を検出する検出回路と、
   前記第１および第２の超音波センサ間の超音波の伝搬時間を検出する制御部と、
   を備え、
   当該検出した伝搬時間に基づいて、前記第１および第２の超音波センサ間における超音波の伝搬時間差を演算し、その伝搬時間差を用いて前記流路を流れる流体の体積流量を演算する体積流量演算と、
   前記検出回路が検出した前記検出信号を解析し、その解析結果を用いて前記流路を流れる流体の湿度に対応する前記流体の温度を演算する温度演算と、
   前記検出回路が検出した前記検出信号を解析し、その解析結果を用いて前記流路を流れる流体の圧力を演算する圧力演算と、
   前記体積流量演算により演算された体積流量を、前記温度演算により演算された温度および前記圧力演算により演算された圧力を用いて補正する補正演算と、
   を実行する演算部をさらに備え、
   前記温度演算は、前記検出信号の解析結果を用いて、前記第１または第２の超音波センサが受信した超音波の音圧を演算し、その演算された音圧を用いて前記流路を流れる流体の湿度に対応する前記流体の温度を演算するもので、
   音圧をＳＰ、音圧の演算を開始するときの初期値をＳＰ０、超音波の伝搬距離をｒ、吸収係数をｍ、超音波が伝搬する流体の温度をＴ、超音波の周波数をｆ、大気圧をＧ、飽和蒸気圧をＧ０、超音波が伝搬する流体の湿度をｈ、係数をＭ，Ａとした場合に、前記温度演算は、次の式（１）〜（４）を用いて前記流体の温度Ｔを演算することを特徴とする超音波流量計。
   

   
2. 前記温度演算における前記音圧の演算は、前記検出回路が検出した前記検出信号を解析し、前記第１または第２の超音波センサが受信した前記周波数の異なる複数の超音波の音圧の平均値を演算するものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記周波数の異なる複数の超音波の送受信を前記第１および第２の超音波センサ間で超音波毎に相互に行い、
   前記制御部は、前記第１および第２の超音波センサ間の超音波の伝搬時間を超音波ごとに検出し、
   前記体積流量演算は、前記制御部によって検出された超音波ごとの伝搬時間に基づいて、超音波ごとの前記伝搬時間差を演算し、その超音波ごとの前記伝搬時間差を用いて前記体積流量を演算するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
4. 前記演算部は、前記補正演算により補正された体積流量と前記流体の密度とを用いて前記流体の質量流量を演算することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波流量計。
5. 前記第１および第２の超音波センサは、超音波を送信する複数の送信素子をそれぞれ備えており、各送信素子が送信する超音波の周波数がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波流量計。
6. 前記複数の送信素子は、それぞれ共振型であることを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
7. 前記複数の送信素子は、圧電素子および音響整合層をそれぞれ備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波流量計。
8. 前記第１および第２の超音波センサは、周波数の異なる超音波を受信する単一の受信素子をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波流量計。
9. 前記受信素子は、それぞれ非共振型であることを特徴とする請求項８に記載の超音波流量計。
10. 前記受信素子は、それぞれ静電容量型であることを特徴とする請求項９に記載の超音波流量計。

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