JP6111423B2 - 流量計測装置 - 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速を検出し、気体の流量を計測する流量計測装置に関するものである。

従来この種の流量計測装置は、図４に示すようなものが一般的であった。図４において、流路４１の途中に超音波を送信する第１振動子４２と受信する第２振動子４３が流れ方向に角度θで対向するように配置されている。

また、第１振動子４２、第２振動子４３の送受信を切り換える切換手段４４、第１振動子２へ駆動信号を出力する送信手段４５、受信側の振動子で受信した信号を一定振幅となるよう増幅率を調整する増幅手段４６、増幅手段４６の出力と予め定められた基準電圧とを比較する基準比較手段４７、基準比較手段４７に基準電圧を出力する電圧設定手段４８、受信信号が基準電圧を超えた後の最初のゼロクロス点で信号を出力する判定手段４９で主要部が構成されている。

図５は、送信信号の出力から受信信号の検出までの一連の動作を説明するタイムチャートで、図で示す様に、送信手段４５の駆動信号出力により送信側に設定された振動子から送信された超音波信号が、受信側に設定された振動子で受信されて増幅手段４６で増幅されて受信信号Ａとして出力され、基準比較手段４７は、受信信号Ａが基準電圧Ｖｒを超えた時に信号Ｃを出力し、判定手段４９は、信号Ｃの出力後の最初のゼロクロス点ａで信号Ｄを出力する。このように、送信手段４５の駆動信号出力から判定手段４９の信号Ｄの出力までが１回の超音波信号の送受信の流れである。

更に、判定手段４９の信号Ｄの出力回数をカウントする繰り返し手段５０とそれを制御する制御手段５１を備えており、制御手段５１は信号Ｄを受けると送信手段４５に超音波駆動信号を出力するように指令し、これにより超音波信号の送受信が再開される。そして、繰り返し手段５０は予め定められた回数の信号Ｄのカウントが終わるまで同様の動作を繰り返す。

また、繰り返し手段５０により繰り返される複数回の超音波送受信の所要時間を計時する計時手段５２と、計時手段５２の計時した時間に応じて流路の大きさや流れの状態を考慮して流量を算出する流量演算手段５３とを備えている。

以上のように構成された流量計測装置では、まず、送信手段４５から出力される駆動信号により第１振動子４２より超音波信号が送信される。第１振動子４２より送信された超音波信号を第２振動子４３が受信し、その受信信号が増幅手段４６で増幅された後、基準比較手段４７および判定手段４９に出力され、判定手段４９から出力される信号Ｄを以って１回の送受信が完了する。

そして、繰り返し手段５０により予め定められた送受信の回数Ｎ回が完了するとここまでの所要時間を計時手段５２が計時する。このように流れの上流側に配置された第１振動子４２から下流側に配置された第２振動子４３へ向けての超音波伝搬時間計測を以降、順方向の伝搬時間計測と呼ぶ。

順方向の伝搬時間計測が完了すると、制御手段５１は切換手段４４を駆動し、第１振動子４２と増幅手段４６、第２振動子４３を送信手段４５に接続することにより超音波伝搬
の方向を切換えて先と同様の方法で定められたＮ回の繰り返し計測を行い、その所要時間を計時手段５２が計時する。以降、これを流れの逆方向の伝搬時間計測と呼ぶ。

以上のように流れの順方向の伝搬時間の計時結果と流れの逆方向の伝搬時間の計時結果から得られた１回当りの順方向の伝搬時間Ｔｕ、逆方向の伝搬時間Ｔｄを用いて、流量演算手段５３では以下の算出式を用いて流量Ｑを求めている。

Ｑ＝Ｓ×Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔｕ−１／Ｔｄ）・・・（式１）
なお、（式１）においてＬは第１振動子４２と第２振動子４３の中心部を結ぶ直線距離、θは両振動子を結ぶ直線と流れの方向とがなす角度、Ｓは流路断面積である。

実際の計測において真の伝搬時間は図５で示す受信波形の立ち上がり点ｂであるためＴｕ、Ｔｄは真の伝搬時間に対して遅れ時間を含んだ数値となっている。しかし、超音波の受信波形の周波数が予めわかっていれば、この遅れ時間を補正することにより真の伝搬時間を計測することが可能であり、実際の数式ではＴｕ、Ｔｄを直接使わずに、この遅れ時間を補正した値を用いている。

このような計測方式において、遅れ時間による補正が計測精度を担保する上で重要な要素となる。そのため判定手段４９が常に受信波形の同じ位置で信号Ｄを検出する必要がある。仮に、順方向と逆方向の計測において信号Ｄの出力タイミングが１周期ずれたと仮定すると大きな計測誤差を生じる。

そこで、常に同一のゼロクロス点を検出するため、制御手段５１は増幅手段４６の増幅率を調整して受信波形の最適化を行っている。例えば、繰り返し手段５０による計測を開始する前、もしくは終了した後に、増幅手段４６により波形振幅が常に同じ電圧レベルになるように増幅率を調整している。

すなわち、図５で示す様な増幅後の受信波の最大電圧（５波目のピーク電圧）に一定の制限範囲位を定め、受信波の最大電圧がこの範囲内に入るように増幅率を変化させる。具体的にはコンパレータ（図示せず）の基準電圧として、制限範囲の上限値と下限値を設定し、基準電圧と受信波の比較結果を見ながら増幅率を変化させる方法、或いは、ピークホールド回路を設けて、ＡＤ変換回路でピークホールド回路で保持された電圧を読み取り、この値が制限範囲内に入るように増幅率を変化させる方法などが考えられる。

このように増幅手段４６に適正な増幅率を設定すれば、受信波形の最大電圧（５波目のピーク電圧）は常にほぼ一定に保たれるばかりか、１波目から４波目のピーク電圧もほぼ一定に保たれる。

実際には、温度、流量などによって受信波形は微妙に異なるが、予め受信波形を観測しておき、これら条件の違いを考慮に入れた上で、なおかつ、隣合うピーク電圧の差分の比較的大きな位置に基準電圧を定める。図５においては、２波目と３波目のピーク電圧差が大きいので、ふたつの電圧の間の任意の点に基準電圧Ｖｒを定める。５波目のピーク電圧が大きくずれることさえなければ、判定手段４９は常に３波目の立下りゼロクロスで信号Ｄを出力できる。

また、別の方法として、工場出荷時に、基準電圧を最小値から最大値に向けて徐々に変化させながら、計時手段５２で信号Ｃと信号Ｄの出力タイミングの時間差Δｔを計測し、基準電圧対時間差ΔＴの関係から１波目から５波目のまでの各ピーク電圧を推定し、その結果を基に２波目のピーク電圧と３波目のピーク電圧に相当する電圧の中間点に基準電圧を設定する方法も提案されている。

これは、基準電圧が上昇するにしたがって、ΔＴが小さくなり、各波のピークに達すると極小値を取る性質を利用している。この性質を用いれば、ΔＴが最初の極小値に達する電圧が１波目のピーク電圧となり、以降、２波目から５波目までの各ピーク電圧が特定できる。そのため、先に説明した固定電圧を基準電圧として使用する場合と違って、個体間のばらつきをも吸収できるので、より計測の信頼性を高めることが可能である。

特許第３４６８２３３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、本来の受信波形にノイズ成分が重畳することで波形歪を生じゼロクロス点において出力される信号Ｄの出力タイミングが１周期分ずれる場合がある。

例えば、ノイズにより２波目のピーク電圧が理想の波形より大きくなって、２波目のピーク電圧が基準電圧Ｖｒを超えた時には、２波目のゼロクロス点で信号Ｄが出力されることになり結果として１周期分の計測誤差が発生する。

このような場合、繰り返し計測がすべて終わった後に流量値を求めているので、繰り返しの途中で発生したノイズを判別することは難しい。

本来はこのようなノイズが発生しない様に、バンドパスフィルターなどを使うのが常道であるが、特に問題となるのが、超音波の受信信号と同一周波数のノイズである。この種のノイズとしては、振動子そのものの振動が固体である筐体（例えば、振動子が配置されている流路）を直接伝わって受信側の振動子に到達する伝搬波（以降、筐体伝搬波と言う）、或いは、受信側の振動子を増幅手段に電気接続する際にこの振動子の両極間に加えられるわずかな電位差によって振動子が振動することで発生する電気振動ノイズなどが挙げられる。

これらのノイズは受信信号と同一周波数であるため電気的フィルターで除去することは不可能であり、本来の受信波形の到達タイミングまでノイズが残存し、本来の理想的な受信波形をゆがめてしまうことがある。そのため１波目から５波目までの各ピーク電圧の相対位置関係が崩れてしまい、信号Ｄの出力タイミングが１周期分前もしくは後ろに移動することにより、測定誤差の要因となっていた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、波形歪が発生した場合でも正確な伝搬時間の算出を可能とすることを目的としたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、変化量演算手段で求めた前回の単位計測工程の計時値と、今回の単位計測工程の計時値の変化量が増幅手段で増幅された受信信号の周期と等しければ、誤計測判定手段が誤計測と判定し、選択手段が計時手段で求めた複数の計時値の値から有効なデータのみを選択し、選択された計時値を用いて伝搬時間演算手段が伝搬時間を求めている。これによって、振動ノイズなどの影響で受信波形に歪が生じゼロクロスタイミングを誤って計時した場合であっても、データを修正して伝搬時間を求めているので、正確な伝搬時間を求めることが可能となる。

本発明の流量計測装置は、筐体伝搬波や電気振動ノイズ等の影響で受信波形に歪が生じた場合であっても、データを修正して伝搬時間を求めているので、正確な伝搬時間の計測が可能となる。

本発明の実施の形態１における流量計測装置のブロック図 同装置の動作を説明するタイムチャート 同装置の動作を説明する別のタイムチャート 従来の計測装置のブロック図 同装置の動作を説明するタイムチャート

第１の発明は、流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記第１、第２振動子の送受信を切り替える切換手段と、前記第１、第２振動子に駆動信号を出力する送信手段と、前記第１、第２振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段から出力される受信信号が予め定められた基準電圧を超えた時点で受信検知信号を出力する受信検知手段と、前記受信検知手段の信号出力後、受信信号のゼロクロスタイミング毎にゼロクロス検知信号を出力するゼロクロス検知手段と、前記送信手段の送信開始から計時を開始し、前記ゼロクロス検知手段から出力される複数のゼロクロス検知信号までの経過時間をそれぞれ計時する計時手段と、前記計時手段の計時結果を基に超音波信号の伝搬時間を算出する伝搬時間演算手段と、前記伝搬時間演算手段の算出結果を基に流量を算出する流量演算手段と、前記第１、第２振動子の送受信方向を切り換えて前記計時手段による順方向と逆方向の計時を実行し、その順・逆方向の一対の計時を単位計測工程とし、前記単位計測工程の実行毎に前記計時手段の出力を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前回の単位計測工程の計時値と今回の前記計時手段の計時値との差分を算出する変化量演算手段と、前記変化量演算手段で算出された差分が前記受信信号の周期と等しければ誤計測と判定する誤計測判定手段と、前記誤計測判定手段が誤計測と判定した計時値を除き有効な計時値を選択する選択手段と、を備え、前記伝搬時間演算手段は、前記選択手段で選択された計時値を用いて伝搬時間を求める構成としたことにより、振動ノイズなどの影響で受信波形に歪が生じゼロクロス検知時間を誤って計時した場合であっても、その結果を修正して正確な伝搬時間を求めることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の誤計測判定手段が、単位計測工程で計時された順逆双方向の計時値の合計値同士を比較して誤計測判定を行う構成としているので、流量変動に伴う伝搬時間変化と波形歪による時間変化の選別ができるので、誤計測の判定が正確に行え、より信頼性の高い流量計測が可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における流量計測装置のブロック図である。図１において、流路１の途中に、超音波信号を発信する第１振動子２と超音波信号を受信する第２振動子３が流れ方向に対向して配置されている。第１振動子２と第２振動子３の送受信の役割を切換える切換手段４を介して、第１振動子２と駆動信号を出力する送信手段５とが接続され、第２振動子３は受信信号を増幅する増幅手段６と接続されている。

増幅手段６で増幅された受信信号は受信検知手段７で電圧設定手段８から出力される基準電圧と比較処理され、受信信号の方が大きくなるとゼロクロス検知手段９に受信検知信号を出力する。

ゼロクロス検知手段９は、受信検知信号が出力された後の受信信号のゼロクロスタイミ
ング毎にゼロクロス検知信号を予め決められた回数だけ出力する。本実施の形態ではこの回数を４回として説明する。

計時手段１０は、送信手段５の駆動信号出力タイミングから計時を開始し、ゼロクロス検知手段からゼロクロス検知信号が出力される毎にそれらの経過時間を計時する。すなわち、１回の送受信に付き、４つの計時値が出力されることになる。

そして、この４つの計時値は最新の計時値として記憶手段１１へ出力されると共に、有効な計時値を選択する選択手段１２へも出力され、選択手段１２ではこれら４つの計時値のうち、有効なデータのみを選択し、伝搬時間演算手段１３へ出力する。

以上で述べてきた第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とする計測方法を順方向の計測と呼ぶ。

次に、順方向の計測が完了すると制御手段１４がふたつの振動子の送受信の役割を切換えるように切換手段４に切換信号を出力し、これによって、第１振動子２が増幅手段６、第２振動子３が送信手段５に接続される。そして、両振動子の送受信の役割を反転させた後、先に述べた方法と同様の計時処理を行う。これを逆方向の計測と呼ぶ。

以上、順方向、逆方向それぞれ１回ずつの計測を単位計測工程と呼び、この単位計測工程が決められた回数（本実施の形態では３２回とする。）だけ実行されると、伝搬時間演算手段１３がトータル３２回の単位計測工程毎の計測結果をまとめて順逆双方向のそれぞれの平均伝搬時間を算出し、更にその結果を用いて流量演算手段１５で流量を算出する。

また、変化量演算手段１６は、単位計測工程が終わる毎に、記憶手段１１に記憶されている前回の単位計測工程の計時値と今回の単位計測工程の計時値の差分を順逆双方向についてそれぞれ算出し、その算出結果を基に誤計測判定手段１７で誤計測判定が後述する方法で実行される。誤計測判定手段１７で誤計測判定がなされると、選択手段１２で有効なデータが選択される。

また、制御手段１４は先に説明した切換手段４のみならず、増幅手段６に設定する増幅率、電圧設定手段８が出力する基準電圧の制御など、この流量計測装置全般の制御を行うように構成されている。

図２は、流量計測装置の動作を説明するタイムチャートである。図２において、送信手段５の出力信号２１、増幅手段６により増幅された受信信号２２、電圧設定手段８の出力信号である基準電圧２３、受信検知手段７の出力信号２４（Ｈ／Ｌの２値信号）、ゼロクロス検知手段９に出力されるイネーブル信号２５（Ｈ／Ｌの２値信号）、ゼロクロス検知手段９の出力信号２６（Ｈ／Ｌの２値信号）の電圧レベルの時系列変化を示している。

横軸は送信手段５の出力信号２１の送信開始タイミングを原点とする時間軸、縦軸は互いに原点の異なる電圧軸である。ただし、増幅手段６の出力信号である受信信号２２と電圧設定手段８の出力信号である基準電圧２３は同一原点の信号である。また、増幅手段６の出力はバイアス電圧Ｖｂに超音波受信信号の増幅信号波形が重畳された電圧信号波形となっている。また、基準電圧２３は理想の受信波形の３波目のピーク電圧と４波目のピーク電圧の中点付近に設定されているものとする。

以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用を説明する。

送信手段５から図２に示すような矩形上の出力信号２１が第１振動子２に印加される。
本実施の形態において出力信号２１は周波数５００ｋＨｚの３周期分の波形とする。

そして、出力信号２１により第１振動子２から超音波信号が出力され、やがて第２振動子３で受信される。第２振動子３が受信した受信信号は増幅手段６からの出力振幅が一定になるように制御手段１４が定めた増幅率によって増幅されている。増幅手段６の増幅率の決定方法は背景技術で述べた方法と同様であるため説明は省略する。増幅手段６により増幅された受信信号２２は受信検知手段７とゼロクロス検知手段９に出力される。

受信検知手段７は、例えばコンパレータとラッチ回路（共に図示せず）により構成されている。まず、コンパレータによって基準電圧２３と受信信号２２の比較処理が実行され、受信信号２２の方が小さい場合には、コンパレータ出力はＨ、受信信号２２の方が大きい場合には、コンパレータ出力はＬとなる。

そのため、受信信号２２が第２振動子３に到達する以前にはコンパレータ出力はＨとなっている。その後、受信信号２２が基準電圧２３を超えた時点、すなわち受信信号２２と基準電圧２３が最初にクロスする点ｒ（時間軸上のＴｒ）にてコンパレータの出力はＬに反転する。この反転タイミングが受信検知信号に相当する。更に、ラッチ回路の作用により以降の出力信号２４はＬレベルを維持する。

ゼロクロス検知手段９はイネーブル信号２５がＨの期間のみ受信信号２２とバイアス電圧Ｖｂの比較処理を行うコンパレータとなっており、イネーブル信号２５がＬの期間はゼロクロス検知手段９の出力はＬとなる。時間Ｔｒにおいて受信検知手段７の出力信号２４がＬに変化すると同時にイネーブル信号２５はＬからＨに反転する。この時点でゼロクロス検知手段９の出力信号２６はＬであるが受信信号２２とバイアス電圧Ｖｂがクロスする点、すなわちゼロクロス点ａでＬからＨに反転する。

以後、受信信号２２のゼロクロス点ｂ〜ｄにおいてゼロクロス検知手段９の出力信号２６は反転を繰り返す。これら出力信号２６の反転タイミングがそれぞれゼロクロス検知信号に相当する。そして、予め定められた４点のゼロクロス検知信号の取り込みが完了すると、イネーブル信号２５はＬとなり、以後、ゼロクロス検知手段９の出力信号２６はＬを維持する。

計時手段１０は、タイマーカウンターで構成されていて時間原点にて計時を開始する。そして、ゼロクロス検知手段９で検出される４つのゼロクロス検知信号が発生する毎にその時点での計時値であるＴａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄを一旦、記憶手段１１に記憶する。

以上が流れの順方向の計測であり、順方向の計時が完了すると、制御手段１４から、切換手段４に対して送受信の切換えタイミング信号が出力される。このタイミング信号を受けて切換手段４は第１振動子２を増幅手段６に、第２振動子３を送信手段５に接続し、逆方向の計時が開始される。

逆方向でのゼロクロスの判定方法および各ゼロクロス点の計時方法、更には計時値の記憶方法は先に説明した順方向の計時と同様であるので説明は省略する。

以上説明した、順方向と逆方向を一対とする計測が単位計測工程であり、最初の単位計測工程を第１計測工程とし、以降、第２、第３と続き、最終の第３２計測工程が終了するまで同様の処理が繰り返される。

続いて、第２計測工程以降の動作に関して、第１計測工程と異なる部分について説明する。第１計測工程が終わった時点で、記憶手段１１には第１計測工程において計時手段１
０で計時された順方向の計測における計時値４点と逆方向の計測における計時値４点が記憶されている。

ここで、図２の第１ゼロクロス点ａに対応する順方向の計時値をＴａｕ１、第２ゼロクロス点ｂに対する順方向の計時値をＴｂｕ１、以下、第３ゼロクロスの計時値をＴｃｕ１、第４ゼロクロスの計時値をＴｄｕ１とする。同様に、逆方向の計時結果を第１ゼロクロスから順に、Ｔａｄ１、Ｔｂｄ１、Ｔｃｄ１、Ｔｄｄ１とする。以上が記憶手段１１に記憶されている値となる。

同様に、第２計測工程の順方向の計測で、計時手段１０で計時されたゼロクロス点ａ、ｂ、ｃ、ｄに対する計時値をそれぞれ順にＴａｕ２、Ｔｂｕ２、Ｔｃｕ２、Ｔｄｕ２とする。第１計測工程と異なり第２計測工程以降では、これらの計時値は記憶手段１１や選択手段１２に出力される前に必要な前処理が施される。

まず、変化量演算手段１６では、Ｔａｕ１とＴａｕ２、Ｔｂｕ１とＴｂｕ２、Ｔｃｕ１とＴｃｕ２、Ｔｄｕ１とＴｄｕ２の差分、すなわち第２計測工程の計時値から第１計測工程の計時値を引いた値を求める。そして、求めた差分がいずれもほぼ等しく、かつその値が振動子の受信波形の１周期に相当する値であるか否かを判定する。

本実施の形態では周波数を５００ｋＨｚとしているので、判定値を２±０．１もしくは−２±０．１μｓとする。変化量演算手段１６で求めた４つの変化量がすべて判定値の範囲内にある場合には、誤計測と判断し、結果を選択手段１２に伝達する。なお、ここで用いた２±０．１μｓという判定値は、受信波形に大きなノイズ信号が重畳され、歪を発生した場合を想定した値である。

図３は、誤計測判定が行われる場合の波形の一例を示すタイムチャートである。図３は、送信手段５の出力信号３１、増幅手段６により増幅された受信信号３２、電圧設定手段８の基準電圧３３、受信検知手段７の出力信号（Ｈ／Ｌの２値信号）３４、ゼロクロス検知手段９に出力されるイネーブル信号３５（Ｈ／Ｌの２値信号）、ゼロクロス検知手段９の出力信号３６（Ｈ／Ｌの２値信号）の電圧レベルの時系列変化を示している。

横軸は送信手段５の出力信号３１の送信開始タイミングを原点とする時間軸、縦軸は互いに原点の異なる電圧軸である。ただし、増幅手段６の出力である受信信号３２と電圧設定手段８の出力信号である基準電圧３３は同一原点の信号である。また、増幅手段６の出力はバイアス電圧Ｖｂに超音波受信信号の増幅信号波形が重畳された電圧信号となっている。

図２と図３を比較すると、送信手段５の出力信号２１と出力信号３１、電圧設定手段８の出力信号である基準電圧２３と基準電圧３３は同一電圧である。一方、増幅手段６の受信信号２２と受信信号３２は異なる波形であり、それに対応して、受信検知手段７の出力信号２４と出力信号３４、ゼロクロス検知手段９に出力されるイネーブル信号２５とイネーブル信号３５、ゼロクロス検知手段９の出力信号２６と出力信号３６は異なる波形となっている。

図３の受信信号３２は図２の受信信号２２に５００ｋＨｚの振動ノイズが重畳し、特に受信波の３波目ピークや４波目ピークの電圧が図２の受信信号２２よりも大きくなっている。そのため、受信信号３２が電圧設定手段８の基準電圧３３を超えるタイミングが図２に比べて早くなっている。

それに伴って、出力信号３４、イネーブル信号３５、出力信号３６の出力が変化するタ
イミングも、図２の出力信号２４、イネーブル信号２５、出力信号２６に比べて早くなっている。そのため、第１ゼロクロス点ａも図３の方が、図２に比べて受信信号の１周期分早くなっており、以後の第２、第３、第４ゼロクロスであるゼロクロス点ｂ〜ｄも同様である。

その結果、変化量演算手段１６の求める４つの変化量（Ｔａｕ１とＴａｕ２、Ｔｂｕ１とＴｂｕ２、Ｔｃｕ１とＴｃｕ２、Ｔｄｕ１とＴｄｕ２のそれぞれの差分）はいずれも−２μｓ近傍の値となり、誤計測判定手段１７の定める判定値を満足するので、計時手段１０で求めた計時値を選択手段１２で必要な後処理が実行される。

基準電圧２３の設定値は比較的ノイズマージンを大きく取れる受信波形の波に合わせて設定するのが一般的ではあり、本実施の形態では、４波目に合わせて設定しているが、温度、流量などの環境に応じて受信波形は若干異なることがあるため、その過渡期においてはノイズマージンが小さくなってしまう場合がある。そのような状況に振動ノイズが重なれば、ゼロクロスタイミングのずれが起こりやすくなる。

そこで、選択手段１２は、誤計測判定手段１７が誤計測と判定した際の変化量演算手段１６の演算結果に応じて、計時手段１０で求められた４つの計時値の中から、有効なデータを選択する。

図３に示すように、第２計測工程で検出されたゼロクロス点ａ、ｂ、ｃ、ｄが図２に示す第１計測工程よりも１周期前にずれた場合には、変化量演算手段１６の演算結果はおおよそ−２μｓとなる。

これは、ゼロクロスの検出ポイントが１周期分前にずれたことを示しているので、ずれた分のデータ、すなわち、図３のゼロクロス点ａとゼロクロス点ｂを無効データとし、残りのゼロクロス点ｃとゼロクロス点ｄを有効データとし、伝搬時間演算手段１３へデータを伝達する。伝搬時間演算手段１３では、選択手段１２の出力結果に基づいて伝搬時間の算出方法を変更する。

まず、データが有効の場合の伝搬時間の算出式は（式２）で求められる。

Ｔｘ＝（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ＋Ｔｄ）／４−４．２５Ｔ・・・（式２）
なお、ここで、Ｔは受信波形の周期を表している。

この数式の前半の項の物理的な意味は４つのゼロクロス点の計時値の平均値すなわち、第２ゼロクロス点ｂと第３ゼロクロス点ｃの中点、すなわち５波目のピークの時間を求めていることに等しい。５波目のピークは、波形の立ち上がり点ｗから４．２５周期分遅れた位置にあるので、式後半では受信波形の４．２５周期分の値を引いている。

続いて、図３に示す様に、ゼロクロス検出タイミングが１周期前にずれた場合の算出式は、（式３）の通りとなる。

Ｔｗ＝（Ｔｃ＋Ｔｄ）／２−３．７５Ｔ・・・（式３）
この数式の前半の項の物理的な意味は２つのゼロクロス点うち有効な計時値の平均値すなわち、第３ゼロクロス点ｃと第４ゼロクロス点ｄの中点、すなわち４波目の負のピークの時間を求めていることに等しい。４波目の負のピークは、波形の立ち上がり点ｗから３．７５周期分遅れた位置にあるので、式後半では受信波形の３．７５周期分の値を引いている。

また、逆に、ゼロクロス検出ポイントが１周期分、後ろにずれた場合には、同様の考え方で、（式４）の算出式で求めることができる。

Ｔｘ＝（Ｔａ＋Ｔｂ）／２−４．７５Ｔ・・・（式４）
この数式の、前半の項の物理的な意味は２つのゼロクロス点うち有効な計時値の平均値すなわち、第１ゼロクロス点ａと第２ゼロクロス点ｂの中点、すなわち５波目の負のピークの時間を求めていることに等しい。５波目の負のピークは、波形の立ち上がり点ｗから４．７５周期分遅れた位置にあるので、式後半では受信波形の４．７５周期分の値を引いている。

以上のように変化量演算手段１６で求めた変化量に応じて、各々異なった数式を用いることによって、正確な伝搬時間の算出が可能となる。

また、誤計測判定手段１７は、流量変動時における誤計測判定の信頼性を高める為、順逆双方向の計時値の合計値を基に誤計測の有無を判断する方法を用いている。

例えば、第１計測工程と第２計測工程の計時値を比較する場合、第１ゼロクロスの計時値を比較判定するためには、（式５）を用いる。

ΔＴ＝（Ｔａｕ２＋Ｔａｄ２）−（Ｔａｕ１＋Ｔａｄ１）・・・（式５）
これは、同一環境下において流量の値にかかわらず、順逆両方の伝搬時間の合計値が一定になる性質を利用して誤判定を行うことを意図したものであり、ΔＴが０であれば誤計測ではないと判断できるもので、以下その原理を説明する。

まず、順方向の伝搬時間をＴｕ、逆方向の伝搬時間をＴｄ、音速をＣ、流速をＶ、第１振動子と第２振動子の中心部を結ぶ直線距離をＬ、両振動子を結ぶ直線と流れの方向とがなす角度をθとした場合、それぞれ以下の式で表せる。

Ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・・（式６）
Ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）・・・・（式７）
ここで、Ｃ＞＞Ｖ、即ち、流速Ｖに対して音速Ｃが十分に大きい場合、（式６）は（式８）の如く近似できる。

Ｔｕ＝Ｌ／Ｃ・（１＋Ｖ／Ｃｃｏｓθ）
≒Ｌ／Ｃ・（１−Ｖ／Ｃｃｏｓθ）・・・（式８）
同様に（式７）は（式９）の如く近似できる。

Ｔｄ≒Ｌ／Ｃ・（１＋Ｖ／Ｃｃｏｓθ）・・・（式９）
よって、ＴｕとＴｄの合計値は（式１０）で表せる。

Ｔｕ＋Ｔｄ＝２Ｌ／Ｃ・・・（式１０）
この（式１０）は流速Ｖすなわち流量に依存しない値となるのが分かる。そして、この性質を用いれば、流量変化による伝搬時間の変動に影響を受けずに誤計測の判断ができる。

即ち、（式１０）のように順逆双方向の計時値の合計値が一定になるという原理に基づくと、誤計測が発生していない場合には、（式５）で演算されるΔＴの値はほぼ０となることから、流量変化に伴う伝搬時間の変動を誤計測と判断することを防止できるのである。

例えば、実際に流速が変化して、その変化に相当する伝搬時間の変化が誤計測判範囲の
１．９μｓであったと仮定する。この場合、順方向の伝搬時間変化が−１．９μｓとすれば、逆方向の伝搬時間変化は＋１．９μｓとなる。従って、順方向、逆方向で個別に誤計測かどうかを判断すれば、いずれの方向でも誤計測と判断されることになるが、この方法によると、（式５）で求められるΔＴの値は０となるので、誤計測ではないと判断できるのである。

以上述べてきた方法により予め定められた３２回の計測工程がすべて終了した時点で伝搬時間演算手段１３で順方向、逆方向それぞれの３２回分の平均伝搬時間を求めて、それぞれの値をＴｕ、Ｔｄとする。

伝搬時間演算手段１３で順逆双方向の伝搬時間ＴｕおよびＴｄが求まれば（式１）を用いて流量演算手段１５が流体流量を求める。

このようにトータル３２回の計測工程が実行される毎に流量演算手段１５が流量を算出することになる。この一連の流れを単位流量算出工程とする。制御手段１４は決められた時間（例えば２秒）毎に単位流量算出工程を実行するように流量計測装置全体の時間管理を行っている。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、ゼロクロス検出タイミングのずれを適宜修正可能であり、長期間にわたって、正確な流量計測が可能となるので、家庭用から業務用に至る大型のガスメータまで幅広い用途に適用できる。また、水道メータなどの液体用流量計への適用も可能である。

１ 流路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
４ 切換手段
５ 送信手段
６ 増幅手段
７ 受信検知手段
８ 電圧設定手段
９ ゼロクロス検知手段
１０ 計時手段
１１ 記憶手段
１２ 選択手段
１３ 伝搬時間演算手段
１５ 流量演算手段
１６ 変化量演算手段
１７ 誤計測判定手段

Claims (2)

1. 流路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、
   前記第１、第２振動子の送受信を切り替える切換手段と、
   前記第１、第２振動子に駆動信号を出力する送信手段と、
   前記第１、第２振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段から出力される受信信号が予め定められた基準電圧を超えた時点で受信検知信号を出力する受信検知手段と、
   前記受信検知手段の信号出力後、受信信号のゼロクロスタイミング毎にゼロクロス検知信号を出力するゼロクロス検知手段と、
   前記送信手段の送信開始から計時を開始し、前記ゼロクロス検知手段から出力される複数のゼロクロス検知信号までの経過時間をそれぞれ計時する計時手段と、
   前記計時手段の計時結果を基に超音波信号の伝搬時間を算出する伝搬時間演算手段と、
   前記伝搬時間演算手段の算出結果を基に流量を算出する流量演算手段と、
   前記第１、第２振動子の送受信方向を切り換えて前記計時手段による順方向と逆方向の計時を実行し、その順・逆方向の一対の計時を単位計測工程とし、前記単位計測工程の実行毎に前記計時手段の出力を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前回の単位計測工程の計時値と今回の前記計時手段の計時値との差分を算出する変化量演算手段と、
   前記変化量演算手段で算出された差分が前記受信信号の周期と等しければ誤計測と判定する誤計測判定手段と、
   前記誤計測判定手段が誤計測と判定した計時値を除き有効な計時値を選択する選択手段と、を備え、
   前記伝搬時間演算手段は、前記選択手段で選択された計時値を用いて伝搬時間を求める流量計測装置。
2. 前記誤計測判定手段は、単位計測工程で計時された順逆双方向の計時値の合計値同士を比較して誤計測判定を行う請求項１に記載の流量計測装置。

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