JP7111247B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本開示は、所定の断面積を有する管路の内部における流体の流量を測定する流量測定装置に関する。

特許文献１は、超音波を利用して液体の流量を測定する超音波流量測定方法を開示している。特許文献１の方法によれば、液体を流す流路の上流側及び下流側において対向するよう配置された一対の超音波振動子を用いて、液体の流れの正逆方向に超音波を伝搬させてその正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差に基づいて液体の体積流量を求める。特許文献１の方法は、一対の超音波振動子の間で超音波の送受信を行い、超音波の波形信号を取得するステップを含む。特許文献１の方法は、取得した複数の超音波の波形信号を比較して、波形信号の相関関数を算出するステップを含む。特許文献１の方法は、波形信号の相関関数の相関値により測定に有効な波形信号であるか否かを判定し、有効と判定した波形信号に基づいて、超音波の伝搬時間差を求めるとともに、その伝搬時間差により液体の体積流量を求めるステップを含む。

特開２００８－３０４２８１号公報

管路（流路）において、流体とともに、ゴミ、気泡（流体が液体である場合）などの異物が流れることがある。このような異物が存在する場合、異物によって測定信号（超音波など）が乱反射するので、測定される流量の精度が低下する。

特許文献１の方法によれば、測定に有効な波形信号であるか否かを判断し、有効と判断した波形信号のみに基づいて液体の流量を計算している。しかしながら、液体が多量の異物を含む場合には有効な波形信号が得られないので、液体の流量を計算することができない。従って、流体が多量の異物を含む場合にもその流量を高精度に測定することができる流量測定装置が求められる。

本開示の目的は、流体が異物を含む場合にもその流量を高精度に測定することができる流量測定装置を提供することにある。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、
所定の断面積を有する管路の内部における流体の流量を測定する流量測定装置であって、
前記流量測定装置は、前記管路における互いに異なる位置にそれぞれ設けられた第１及び第２のトランスデューサであって、電気信号を音響信号に変換する第１のトランスデューサと、音響信号を電気信号に変換する第２のトランスデューサとに接続され、
前記流量測定装置は、
前記第１のトランスデューサから、複数の周波数及び所定の時間長を有する測定信号を送信し、前記管路の内部における流体を介して、前記第２のトランスデューサにより前記測定信号を受信し、
送信された前記測定信号を示す基準信号と、受信された前記測定信号との間の第１の相関係数を計算し、
前記第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値よりも高いとき、前記測定信号に基づいて前記管路の内部における流体の流量を計算し、
前記第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して前記測定信号を再送信する。

これにより、流体が異物を含む場合にもその流量を高精度に測定することができる。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、
前記流量測定装置は、前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の時間長を増大させる。

これにより、時間長の増大前よりも、異物による影響を低減することができる。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、
前記流量測定装置は、前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の周波数帯域幅を増大させる。

これにより、周波数帯域幅の増大前よりも、異物による影響を低減することができる。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、
前記流量測定装置は、前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の中心周波数を変更する。

これにより、中心周波数の変更前よりも、異物による影響を低減することができる。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、
前記測定信号は、先頭からの時間経過に応じて変化する周波数を有する。

これにより、単一周波数の信号又は短い時間長の信号を用いる場合に比べて、測定信号がノイズに埋もれにくくなり、流体の流量を高精度に測定することができる。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、
前記流量測定装置は、
前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であり、かつ、前記第１のしきい値よりも小さい第２のしきい値よりも高いとき、前記測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して前記測定信号を再送信し、
再送信された前記測定信号を示す基準信号と、受信された前記測定信号との間の第２の相関係数を計算し、
前記第２の相関係数のピーク値が前記第１の相関係数のピーク値よりも増大したとき、前記測定信号に基づいて前記管路の内部における流体の流量を計算し、
前記第２の相関係数のピーク値が前記第１の相関係数のピーク値よりも増大しなかったとき、前記第１のしきい値を低減して前記測定信号を再送信する。

これにより、流体の種類、異物の種類、異物の量などに応じて、第１のしきい値の大きさを動的に変更することにより、流体の流量を高精度に測定することができる。

本開示の一態様に係る流量測定装置によれば、流体が異物を含む場合にもその流量を高精度に測定することができる。

第１の実施形態に係る流量測定装置１の構成を示すブロック図である。 図１の制御回路１１によって実行される流量測定処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態の第１の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ２の波形を示すグラフである。 図３の測定信号Ｍ１，Ｍ２の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第２の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ３の波形を示すグラフである。 図５の測定信号Ｍ１，Ｍ３の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第３の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ４の波形を示すグラフである。 図７の測定信号Ｍ１，Ｍ４の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第４の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ５の波形を示すグラフである。 図９の測定信号Ｍ１，Ｍ５の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第５の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ６の波形を示すグラフである。 図１１の測定信号Ｍ１，Ｍ６の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第６の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ７の波形を示すグラフである。 図１３の測定信号Ｍ１，Ｍ７の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第７の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ８の波形を示すグラフである。 図１５の測定信号Ｍ１，Ｍ８の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第１～第３の変形例に係る流量測定装置によって使用される測定信号Ｍ１１～Ｍ１３の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態の第４の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２－１～２－３，３－１～３－３の配置を示す図である。 第１の実施形態の第５の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２，３－１～３－３の配置を示す図である。 第１の実施形態の第６の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２，３の他の配置を示す図である。 第１の実施形態の第７の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２－１，２－２，３－１，３－２の配置を示す図である。 第２の実施形態に係る流量測定装置１の制御回路１１によって実行される流量測定処理の第１の部分を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る流量測定装置１の制御回路１１によって実行される流量測定処理の第２の部分を示すフローチャートである。

以下、本開示の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

［適用例］
図１は、本実施形態に係る流量測定装置１の構成を示すブロック図である。流量測定装置１は、所定の断面積を有する管路４の内部における流体５の流量を測定する。流体５は、液体であってもよく、気体であってもよい。図１では、管路４が、内側の直径２ａを有する円形の断面形状を有する場合を示すが、それに限定されず、管路４は他の任意の断面形状を有してもよい。

流量測定装置１は、管路４における互いに異なる位置にそれぞれ設けられたトランスデューサ２，３であって、電気信号を音響信号に変換するトランスデューサ２（又は３）と、音響信号を電気信号に変換するトランスデューサ３（又は２）とに接続される。トランスデューサ２，３は、互いに距離Ｌを有するように、かつ、トランスデューサ２，３を通る直線が管路４の長手方向（例えば、管路４の内面）に対して角度θを有するように、管路４にそれぞれ設けられる。

トランスデューサ２，３のそれぞれは、電気信号と音響信号とを相互に変換してもよい。トランスデューサ２，３は、例えば、電気信号と超音波信号とを相互に変換する超音波トランスデューサであってもよい。トランスデューサ２，３は、例えば、圧電素子であってもよい。また、トランスデューサ２，３のそれぞれは、互いに近接して配置された、電気信号を音響信号に変換するトランスデューサと、音響信号を電気信号に変換するトランスデューサとの組み合わせであってもよい。

流量測定装置１は、トランスデューサ２（又は３）から、複数の周波数及び所定の時間長を有する測定信号を送信し、管路４の内部における流体５を介して、トランスデューサ３（又は２）により測定信号を受信する。流量測定装置１は、送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の相関係数を計算する。

流量測定装置１は、相関係数のピーク値がしきい値Ｔｈ１よりも高いとき、測定信号に基づいて管路４の内部における流体５の流量を計算する。相関係数のピーク値がしきい値Ｔｈ１よりも高いことは、トランスデューサ２，３の間において、測定信号が、ゴミ、気泡（流体が液体である場合）などの異物による影響をあまり受けずに伝搬したことを示す。流体５の流量は、任意の既知の方法に基づいて計算されてもよい。例えば、流体５の流量は、トランスデューサ２からトランスデューサ３に、又はその逆に送信された測定信号の伝搬時間に基づいて計算されてもよい。また、流体５の流量は、トランスデューサ２（又は３）からトランスデューサ３（又は２）に送信された測定信号に生じたドップラーシフトに基づいて計算されてもよい。

流量測定装置１は、相関係数のピーク値がしきい値Ｔｈ１以下であるとき、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して測定信号を再送信する。相関係数のピーク値がしきい値Ｔｈ１以下であることは、トランスデューサ２，３の間において、測定信号の波形が異物の影響により大きく変化して伝搬したことを示す。この場合、流量測定装置１は、例えば、測定信号の時間長を増大させてもよく、測定信号の周波数帯域幅を増大させてもよく、測定信号の中心周波数を変更してもよい。

本実施形態に係る流量測定装置１によれば、流体５がゴミ、気泡などの異物を含む場合であっても、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して測定信号を再送信することにより、異物の影響を低減し、流体５の流量を高精度に測定することができる。

本明細書では、トランスデューサ２，３の一方を「第１のトランスデューサ」ともいい、他方を「第２のトランスデューサ」ともいう。また、本明細書では、送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の相関係数を「第１の相関係数」ともいう。また、本明細書では、しきい値Ｔｈ１を「第１のしきい値」ともいう。

［第１の実施形態］
図１～図１９を参照して、第１の実施形態に係る流量測定装置について説明する。

［流量測定装置の構成］
図１は、第１の実施形態に係る流量測定装置１の構成を示すブロック図である。流量測定装置１は、制御回路１１、送信回路１２、受信回路１３、スイッチ回路１４、入力装置１５、及び表示装置１６を備える。

制御回路１１は、流量測定装置１の他の構成要素を制御し、また、図２を参照して後述する流量測定処理を実行して流体５の流量を測定する。

送信回路１２は、制御回路１１の制御下で、測定信号を発生する。測定信号は、複数の周波数及び所定の時間長を有するように発生される。測定信号の周波数は、所定の周波数帯域幅にわたって連続値を有してもよく、離散値を有してもよい。測定信号は、例えば、先頭からの時間経過に応じて変化する周波数を有してもよく、例えば、チャープ信号（スイープ信号）であってもよい。測定信号は、部分的に、例えばその先頭において、一定の周波数を有する時間区間を含んでもよい。発生された測定信号は、スイッチ回路１４を介してトランスデューサ２，３に送られ、さらに、制御回路１１に送られる。

受信回路１３は、スイッチ回路１４を介してトランスデューサ２，３に接続される。受信回路１３は、トランスデューサ２，３の一方から送信されて他方によって受信された測定信号を取得する。

スイッチ回路１４は、スイッチ１４ａ，１４ｂを含む。スイッチ回路１４は、制御回路１１の制御下で、送信回路１２をトランスデューサ２，３の一方に接続し、受信回路１３をトランスデューサ２，３の他方に接続する。

入力装置１５は、ユーザ入力に応じて、流体５の流量を測定することを制御回路１１に指示する。入力装置１５は、例えば、キーボード、スイッチ、及び／又はポインティングデバイスなどを含む。

表示装置１６は、測定された流体５の流量を表示する。

管路４は、例えば、鋼又は合成樹脂（例えばテフロン（登録商標））からなるものであってもよい。管路４は、例えば、外径１３ｍｍ及び内径８ｍｍを有する。管路４は、より小さなサイズ（例えば、外径３ｍｍ及び内径１．６ｍｍ）を有してもよく、より大きなサイズ（例えば、外径６０ｍｍ）を有してもよい。

［流量測定装置の動作］
図２は、図１の制御回路１１によって実行される流量測定処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御回路１１は、測定信号のパラメータの初期値を送信回路１２に設定する。ここで、測定信号のパラメータは、測定信号の周波数及び時間長を含む。測定信号の周波数が連続値を有する場合には、測定信号のパラメータは、測定信号の中心周波数及び周波数帯域幅を含む。測定信号の周波数が離散値を有する場合には、測定信号のパラメータは、測定信号に含まれる各周波数成分を含む。測定信号のパラメータの初期値は、入力装置１５を介してユーザ入力として取得されてもよく、制御回路１１に接続又は内蔵されたメモリ（図示せず）から読み出されてもよい。

ステップＳ２において、制御回路１１は、スイッチ回路１４を切り換えて、トランスデューサ２から測定信号を送信してトランスデューサ３により当該測定信号を受信し、次いで、トランスデューサ３から測定信号を送信してトランスデューサ２により当該測定信号を受信する。測定信号は、管路４の内部における流体５を介して伝搬する。送信回路１２は、送信された測定信号を制御回路１１にも送る。受信回路１３は、受信された測定信号を制御回路１１に送る。

ステップＳ３において、制御回路１１は、トランスデューサ２から送信された測定信号を示す基準信号と、トランスデューサ３で受信された測定信号との間の相関係数を計算し、また、トランスデューサ３から送信された測定信号を示す基準信号と、トランスデューサ２で受信された測定信号との間の相関係数を計算する。図１の例では、制御回路１１は、送信回路１２によって発生された測定信号をそのまま基準信号として使用する。制御回路１１は、例えば、送信された測定信号ｆ（ｘ）及び受信された測定信号ｇ（ｘ）を離散時間ｍ＝１，…，Ｍでそれぞれサンプリングし、離散化された測定信号ｆ（ｍ）及びｇ（ｍ）を得る。この場合、時刻ｎにおける相関係数Ｃｏｒ（ｎ）は例えば次式で計算される。

相関係数Ｃｏｒ（ｎ）がピーク値になるときの時刻ｎは、測定信号を受信した瞬間を示す。

ステップＳ４において、制御回路１１は、相関係数のピーク値がしきい値Ｔｈ１よりも高いか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ７に進み、ＮＯのときはステップＳ５に進む。しきい値Ｔｈ１は、例えば、０．５～０．９の範囲内のいずれかの値に設定されてもよく、この範囲よりも小さな値又は大きな値に設定されてもよい。

ステップＳ５において、制御回路１１は、測定信号のパラメータが変更可能であるか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ６に進み、ＮＯのときはステップＳ９に進む。

ステップＳ６において、制御回路１１は、測定信号のパラメータを変更する。測定信号は、前述のように、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方について変更される。

図３は、第１の実施形態の第１の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ２の波形を示すグラフである。図４は、図３の測定信号Ｍ１，Ｍ２の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ２は、測定信号Ｍ１の時間長よりも長い時間長を有する。測定信号Ｍ１は、例えば、２０マイクロ秒の時間長を有する。測定信号の時間長を増大させることにより、時間長の増大前よりも、異物による影響を低減することができる。

図５は、第１の実施形態の第２の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ３の波形を示すグラフである。図６は、図５の測定信号Ｍ１，Ｍ３の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ３は、測定信号Ｍ１の送信回数よりも大きな送信回数を有する。測定信号の送信回数を増大させることにより、送信回数の増大前よりも、異物による影響を低減することができる。

図７は、第１の実施形態の第３の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ４の波形を示すグラフである。図８は、図７の測定信号Ｍ１，Ｍ４の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ４は、測定信号Ｍ１の周波数帯域幅よりも長い周波数帯域幅を有する。測定信号の周波数帯域幅を増大させることにより、周波数帯域幅の増大前よりも、異物による影響を低減することができる。

図９は、第１の実施形態の第４の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ５の波形を示すグラフである。図１０は、図９の測定信号Ｍ１，Ｍ５の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ５は、測定信号Ｍ１の中心周波数ｆｃ（Ｍ１）よりも高い中心周波数ｆｃ（Ｍ５）を有する。測定信号の中心周波数を変更させることにより、中心周波数の変更前よりも、異物による影響を低減することができる。特に、より高い周波数帯域のほうが特徴的な周波数成分を含みやすいので、測定信号の中心周波数を増大させることにより、異物による影響を低減しやすくなる。

図２のステップＳ６において測定信号のパラメータを変更した後、制御回路１１は、ステップＳ２～Ｓ４を繰り返し、測定信号を再送信し、その相関係数を再計算する。

図２のステップＳ７において、制御回路１１は、測定信号の伝搬時間を計算する。ここで、制御回路１１は、トランスデューサ２から測定信号を送信した瞬間から、トランスデューサ３で測定信号を受信した瞬間（すなわち、測定信号の相関係数のピーク値に達した瞬間）までの時間長Ｔａを計算する。また、制御回路１１は、トランスデューサ３から測定信号を送信した瞬間から、トランスデューサ２で測定信号を受信した瞬間（すなわち、測定信号の相関係数のピーク値に達した瞬間）までの時間長Ｔｂを計算する。

ステップＳ８において、制御回路１１は、測定信号の伝搬時間に基づいて流体５の流量を計算し、流体５の流量を表示装置１６に表示する。流体５の速度をｖとし、音速をｃとするとき、トランスデューサ２からトランスデューサ３への測定信号の伝搬時間Ｔａは、Ｔａ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）で表される。また、トランスデューサ３からトランスデューサ２への測定信号の伝搬時間Ｔｂは、Ｔｂ＝Ｌ／（ｃ－ｖ・ｃｏｓθ）で表される。従って、流体５の速度ｖは次式で表される。

流体５の流量Ｑは、管路４の断面積と、流体５の速度ｖとの積で表される。従って、図１の例では、流体５の流量Ｑは、Ｑ＝πｒ^２ｖで表される。

一方、ステップＳ９において、制御回路１１は、流体５の流量を測定できなかったことを示すエラーメッセージを表示装置１６に表示する。

ステップＳ５～Ｓ６では、測定信号のあるパラメータを１度だけ変更してもよく、測定信号の同じパラメータを予め決められた回数だけ繰り返し変更してもよい。また、ステップＳ５～Ｓ６を２回目以降に実行するとき、前回に変更した測定信号のパラメータとは異なる測定信号のパラメータを変更してもよい。

図１１は、第１の実施形態の第５の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ６の波形を示すグラフである。図１２は、図１１の測定信号Ｍ１，Ｍ６の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ６は、測定信号Ｍ１の時間長よりも長い時間長を有し、さらに、測定信号Ｍ１の周波数帯域幅よりも長い周波数帯域幅を有する。多くの場合、測定信号の時間長を増大させれば、異物による影響を低減できると考えられる。しかしながら、測定信号の時間長を増大させても異物による影響を十分に低減できない場合、さらに測定信号の周波数帯域幅を増大させることにより、より確実に、異物による影響を低減することができる。

図１３は、第１の実施形態の第６の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ７の波形を示すグラフである。図１４は、図１３の測定信号Ｍ１，Ｍ７の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ７は、測定信号Ｍ１の時間長よりも長い時間長を有し、さらに、測定信号Ｍ１の中心周波数ｆｃ（Ｍ１）よりも高い中心周波数ｆｃ（Ｍ７）を有する。測定信号の時間長を増大させても異物による影響を十分に低減できない場合、さらに測定信号の中心周波数を変化させることにより、より確実に、異物による影響を低減することができる。

図１５は、第１の実施形態の第７の実施例に係る流量測定処理において使用される例示的な測定信号Ｍ１，Ｍ８の波形を示すグラフである。図１６は、図１５の測定信号Ｍ１，Ｍ８の周波数特性を示すグラフである。測定信号Ｍ８は、測定信号Ｍ１の時間長よりも長い時間長を有し、測定信号Ｍ１の周波数帯域幅よりも長い周波数帯域幅を有し、さらに、測定信号Ｍ１の中心周波数ｆｃ（Ｍ１）よりも高い中心周波数ｆｃ（Ｍ８）を有する。測定信号の２つのパラメータを変化させても異物による影響を十分に低減できない場合、さらに他のパラメータを変化させることにより、より確実に、異物による影響を低減することができる。

本実施形態に係る流量測定装置１は、流体５が異物を含む場合であっても、図３～図１６に示すように測定信号のパラメータを変更することにより、異物の影響を低減し、流体５の流量を高精度に測定することができる。

流体５において異物が一時的に発生することがある。従って、測定信号のパラメータを変更した後、予め決められた時間が経過したとき、測定信号のパラメータを初期値にリセットしてもよい。

図２のステップＳ４では、トランスデューサ２からトランスデューサ３に送信された測定信号に係る相関係数のピーク値と、トランスデューサ３からトランスデューサ２に送信された測定信号に係る相関係数のピーク値との両方が、しきい値Ｔｈ１よりも高いか否かを判断してもよい。なお、流体５が異物を含む場合、トランスデューサ２からトランスデューサ３に送信された測定信号と、トランスデューサ３からトランスデューサ２に送信された測定信号とは、異物からほぼ同じ影響を受けると考えられる。従って、制御回路１１は、ステップＳ４がＹＥＳになるまでは、ステップＳ２～Ｓ３において、トランスデューサ２，３の間で一方向にのみ測定信号を送信し、その測定信号に係る相関係数のみを計算してもよい。この場合、制御回路１１は、ステップＳ４がＹＥＳになった後で、トランスデューサ２，３の間で他方向に測定信号を送信し、その測定信号に係る相関係数を計算し、その後、ステップＳ７～Ｓ８を実行する。

図２では、測定信号の伝搬時間に基づいて流体５の流量を計算する場合について説明したが、代替として、測定信号に生じたドップラーシフトに基づいて流体５の流量を計算してもよい。送信された測定信号の周波数をｆａとし、受信された測定信号の周波数をｆｂとする。周波数ｆｂは、ｆｂ＝ｆａ×（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）／（ｃ－ｖ・ｃｏｓθ）で表される。流体５の速度ｖは、ｖ＝ｃ／（２ｃｏｓθ）・（ｆｂ－ｆａ）／ｆｂで表される。従って、図１の例では、流体５の流量Ｑは、Ｑ＝πｒ^２ｖで表される。この場合、トランスデューサ２，３の間で測定信号を一方向のみに送信してもよい。測定信号が複数の周波数を含む場合であっても、上述したものと実質的に同様の方法で、流体５の流量を計算することができる。

［第１の実施形態の変形例］
図１７は、第１の実施形態の第１～第３の変形例に係る流量測定装置によって使用される測定信号Ｍ１１～Ｍ１３の周波数特性を示すグラフである。図３～図１６では、測定信号として、先頭からの時間経過に応じて線形に増大する周波数を有するチャープ信号を用いる場合について説明した。代替として、図１７に示す測定信号Ｍ１１～Ｍ１３を用いてもよい。測定信号Ｍ１１は、先頭からの時間経過に応じて指数的に増大する周波数を有するチャープ信号である。測定信号Ｍ１２は、先頭からの時間経過に応じて線形に減少する周波数を有するチャープ信号である。測定信号Ｍ１３は、先頭からの時間経過に応じて指数的に減少する周波数を有するチャープ信号である。図３～図１７に示す測定信号Ｍ１～Ｍ１３に限らず、複数の周波数及び所定の時間長を有するのであれば、他の任意の測定信号を使用可能である。周波数の初期値又は最終値は、ゼロでなくてもよい。

図１８は、第１の実施形態の第４の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２－１～２－３，３－１～３－３の配置を示す図である。流量測定装置は、複数ペアのトランスデューサ２－１～２－３，３－１～３－３の間で測定信号をそれぞれ送受信して流体５の流量をそれぞれ計算し、計算された複数の流量の平均値を計算してもよい。これにより、一対のトランスデューサ２，３のみを用いる場合よりも、流体５の流量をより高精度に計算することができる。

図１９は、第１の実施形態の第５の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２，３－１～３－３の配置を示す図である。流量測定装置は、トランスデューサ２，３－１の間で測定信号を送受信し、トランスデューサ２，３－２の間で測定信号を送受信し、トランスデューサ２，３－３の間で測定信号を送受信し、これらの測定信号に基づいて流体５の流量をそれぞれ計算し、計算された複数の流量の平均値を計算してもよい。これにより、一対のトランスデューサ２，３のみを用いる場合よりも、流体５の流量をより高精度に計算することができる。

図２０は、第１の実施形態の第６の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２，３の他の配置を示す図である。トランスデューサ２，３は、その一方のトランスデューサから送信された測定信号が、他方のトランスデューサによって受信される前に、管路４の内面によって少なくとも１回反射されるように配置されてもよい。流体５の流れが管路４の長手方向に平行ではなく、半径方向にも速度成分を有すると、誤差が生じる。この場合、トランスデューサ２，３を図２０に示すように配置することにより、管路４の半径方向における流体５の速度成分を相殺することができ、誤差が生じにくくなる。また、トランスデューサ２，３を図２０に示すように配置することにより、流体５において伝搬する測定信号の経路長を長くすることができる。これにより、測定信号の伝搬時間をより高精度に計算し、従って、流体５の流量をより高精度に計算することができる。

図２１は、第１の実施形態の第７の変形例に係る流量測定装置によって使用されるトランスデューサ２－１，２－２，３－１，３－２の配置を示す図である。トランスデューサ２－１，２－２，３－１，３－２は、トランスデューサ２－１，３－１の間の測定信号の経路と、トランスデューサ２－２，３－２の間の測定信号の経路とが交差するように配置されてもよい。空間的な制約により、トランスデューサ２，３を図２０に示すように配置できないことがある。この場合、トランスデューサ２－１，２－２，３－１，３－２を図２１に示すように配置することにより、図２０の場合と同様に、管路４の半径方向における流体５の速度成分を相殺することができ、誤差が生じにくくなる。

図１の流量測定装置１は、一対のトランスデューサ２，３の間で測定信号を繰り返し送受信し、これらの測定信号に基づいて流体５の流量をそれぞれ計算し、計算された複数の流量の平均値を計算してもよい。これにより、流体５の流量をより高精度に計算することができる。

相関係数を計算するための基準信号は、前述のように、送信回路１２によって発生された測定信号自体であってもよい。

相関係数を計算するための基準信号は、送信回路１２によって発生された測定信号の少なくとも一部の周波数成分を、トランスデューサ２，３の周波数特性を考慮して調整することによって生成されてもよい。トランスデューサ２，３の周波数特性に起因して、送信回路１２からトランスデューサ２，３に入力される電気信号の波形と、トランスデューサ２，３から出力される音響信号の波形とは互いに異なる。同様に、トランスデューサ２，３に入力される音響信号の波形と、トランスデューサ２，３から受信回路１３に入力される電気信号の波形とは互いに異なる。例えば、基準信号は、送信回路１２によって発生された測定信号の複数の周波数成分のうち、トランスデューサ２，３の共振周波数付近の周波数成分を強調することによって生成されてもよい。

相関係数を計算するための基準信号は、トランスデューサ２，３から音響信号を出力するごとに、音響信号をモニタリングすることによって生成されてもよい。

相関係数を計算するための基準信号は、トランスデューサ２，３から出力されたいくつかの音響信号の平均をとることによって生成されてもよい。代替として、相関係数を計算するための基準信号は、理想状態においてトランスデューサ２，３に入力される音響信号をモニタリングすることによって生成されてもよい。送信回路１２によって測定信号を発生するごとに測定信号（電気信号又は音響信号）をモニタリングすることは、精度の向上にはつながるが、処理の負荷が増大するという問題点がある。そこで、処理の負荷を低減するために、平均された音響信号又は理想状態における音響信号など、予め決められた基準信号を用いて相関係数を計算してもよい。

［第１の実施形態の効果］
本実施形態に係る流量測定装置１によれば、流体５が異物を含む場合であっても、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して測定信号を再送信することにより、異物の影響を低減し、流体５の流量を高精度に測定することができる。

本実施形態に係る流量測定装置１によれば、測定信号の相関係数を計算することにより、流体５が異物を含んでいることを検出することができる。

本実施形態に係る流量測定装置１によれば、複数の周波数及び所定の時間長を有する測定信号を用いることにより、単一周波数の信号又は短い時間長の信号を用いる場合に比べて、測定信号がノイズに埋もれにくくなり、流体５の流量を高精度に測定することができる。

［第２の実施形態］
図２２～図２３を参照して、第２の実施形態に係る流量測定装置について説明する。測定信号の相関係数の大きさは、流体の種類、異物の種類、異物の量などに応じて変化する。第２の実施形態では、このことを考慮し、相関係数と比較するしきい値の大きさを動的に変更する。

第２の実施形態に係る流量測定装置１は、第１の実施形態に係る流量測定装置１（図１を参照）と同様に構成され、図２２～図２３を参照して説明する流量測定処理を実行する。

図２２は、第２の実施形態に係る流量測定装置１の制御回路１１によって実行される流量測定処理の第１の部分を示すフローチャートである。図２３は、第２の実施形態に係る流量測定装置１の制御回路１１によって実行される流量測定処理の第２の部分を示すフローチャートである。

図２２のステップＳ１１において、制御回路１１は、測定信号のパラメータの初期値を送信回路１２に設定する。ステップＳ１２において、制御回路１１は、トランスデューサ２及び３の間で測定信号を送受信する。ステップＳ１３において、制御回路１１は、送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の相関係数を計算する。制御回路１１は、計算した相関係数のピーク値をいったん記憶する。ステップＳ１４において、制御回路１１は、相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１よりも高いか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１５に進み、ＮＯのときは図２３のステップＳ１７に進む。ステップＳ１５において、制御回路１１は、測定信号の伝搬時間を計算する。ステップＳ１６において、制御回路１１は、測定信号の伝搬時間に基づいて流体５の流量を計算し、流体５の流量を表示装置１６に表示する。図２２のステップＳ１１～Ｓ１６は、図２のステップＳ１～Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８と実質的に同様である。

図２３のステップＳ１７において、制御回路１１は、相関係数のピーク値が第２のしきい値Ｔｈ２よりも高いか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ１８に進み、ＮＯのときはステップＳ２３に進む。第２のしきい値Ｔｈ２は、第１のしきい値Ｔｈ１よりも小さな値に設定される。例えば、第１のしきい値Ｔｈ１が０．５に設定される場合、第２のしきい値Ｔｈ２は０．１に設定されてもよい。

ステップＳ１８において、制御回路１１は、測定信号のパラメータを変更する。ステップＳ１８では、図２のステップＳ６と同様に、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方が変更される。ステップＳ１９において、制御回路１１は、トランスデューサ２及び３の間で測定信号を送受信する。ステップＳ２０において、制御回路１１は、送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の相関係数を計算する。ステップＳ２１において、制御回路１１は、ステップＳ２０で計算された相関係数のピーク値が、図２２のステップＳ１３で計算された相関係数のピーク値に対して増大したか否かを判断し、ＹＥＳのときは図２２のステップＳ１５に進み、ＮＯのときは図２３のステップＳ２２に進む。ステップＳ２１において、制御回路１１は、相関係数のピーク値が実質的に増大したか否か、例えば、所定の変化量（例えば＋０．２）よりも大きな変化量で増大したか否かを判断してもよい。ステップＳ２２において、制御回路１１は、第１のしきい値Ｔｈ１を予め決められた大きさ、例えば０．２だけ低減する。

図２３のステップＳ２２において第１のしきい値Ｔｈ１を低減した後、制御回路１１は、図２２のステップＳ１１～Ｓ１４を繰り返し、測定信号を再送信し、その相関係数を再計算する。

図２３のステップＳ２３において、制御回路１１は、測定信号のパラメータを変更する。ステップＳ２３では、図２のステップＳ６と同様に、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方が変更される。ステップＳ２４において、制御回路１１は、トランスデューサ２及び３の間で測定信号を送受信する。ステップＳ２５において、制御回路１１は、送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の相関係数を計算する。ステップＳ２６において、制御回路１１は、ステップＳ２５で計算された相関係数のピーク値が、図２２のステップＳ１３で計算された相関係数のピーク値に対して増大したか（例えば、０．２よりも大きな変化量で増大したか）否かを判断し、ＹＥＳのときは図２２のステップＳ１５に進み、ＮＯのときは図２３のステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、制御回路１１は、流体５の流量を測定できなかったことを示すエラーメッセージを表示装置１６に表示する。

図２２及び図２３の流量測定処理によれば、流体の種類、異物の種類、異物の量などに応じて、第１のしきい値Ｔｈ１の大きさを動的に変更することにより、流体５の流量を高精度に測定することができる。

図２３のステップＳ２２で第１のしきい値Ｔｈ１を低減しても、第１のしきい値Ｔｈ１が第２のしきい値Ｔｈ２よりも大きい間には、図２３のステップＳ１８～Ｓ２２を繰り返し実行してもよい。

流体５において異物が一時的に発生することがある。従って、測定信号のパラメータを変更した後、予め決められた時間が経過したとき、測定信号のパラメータを初期値にリセットしてもよい。また、第１のしきい値Ｔｈ１を低減した後、予め決められた時間が経過したとき、第１のしきい値Ｔｈ１を初期値（例えば０．５）にリセットしてもよい。

本明細書では、図２３のステップＳ１８又はＳ２３で測定信号のパラメータを変更する前（すなわち、図２２のステップＳ１３）に計算された相関係数を、「第１の相関係数」ともいう。また、本明細書では、図２３のステップＳ１８又はＳ２３で測定信号のパラメータを変更した後（すなわち、図２２のステップＳ２０又はＳ２５）に計算された相関係数を、「第２の相関係数」ともいう。

図２２及び図２３では、測定信号の伝搬時間に基づいて流体５の流量を計算する場合について説明したが、代替として、第１の実施形態で説明したように、測定信号に生じたドップラーシフトに基づいて流体５の流量を計算してもよい。

［第２の実施形態の効果］
第２の実施形態に係る流量測定装置１によれば、流体の種類、異物の種類、異物の量などに応じて、第１のしきい値Ｔｈ１の大きさを動的に変更することにより、流体５の流量を高精度に測定することができる。

［まとめ］
本開示の各側面に係る流量測定装置は、以下のように表現されてもよい。

本開示の第１の側面に係る流量測定装置によれば、所定の断面積を有する管路４の内部における流体５の流量を測定する流量測定装置１であって、流量測定装置１は、管路４における互いに異なる位置にそれぞれ設けられた第１及び第２のトランスデューサであって、電気信号を音響信号に変換する第１のトランスデューサと、音響信号を電気信号に変換する第２のトランスデューサとに接続される。流量測定装置１は、第１のトランスデューサから、複数の周波数及び所定の時間長を有する測定信号を送信し、管路４の内部における流体５を介して、第２のトランスデューサにより測定信号を受信する。流量測定装置１は、送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の第１の相関係数を計算する。流量測定装置１は、第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１よりも高いとき、測定信号に基づいて管路４の内部における流体５の流量を計算する。流量測定装置１は、第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１以下であるとき、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して測定信号を再送信する。

本開示の第２の側面に係る流量測定装置によれば、第１の側面に係る流量測定装置において、流量測定装置１は、第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１以下であるとき、測定信号の時間長を増大させる。

本開示の第３の側面に係る流量測定装置によれば、第１又は第２の側面に係る流量測定装置において、流量測定装置１は、第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１以下であるとき、測定信号の周波数帯域幅を増大させる。

本開示の第４の側面に係る流量測定装置によれば、第１～第３のうちの１つの側面に係る流量測定装置において、流量測定装置１は、第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１以下であるとき、測定信号の中心周波数を変更する。

本開示の第５の側面に係る流量測定装置によれば、第１～第４のうちの１つの側面に係る流量測定装置において、測定信号は、先頭からの時間経過に応じて変化する周波数を有する。

本開示の第６の側面に係る流量測定装置によれば、第１～第５のうちの１つの側面に係る流量測定装置において、流量測定装置１は、第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値Ｔｈ１以下であり、かつ、第１のしきい値Ｔｈ１よりも小さい第２のしきい値Ｔｈ２よりも高いとき、測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して測定信号を再送信する。流量測定装置１は、再送信された測定信号を示す基準信号と、受信された測定信号との間の第２の相関係数を計算する。流量測定装置１は、第２の相関係数のピーク値が第１の相関係数のピーク値よりも増大したとき、測定信号に基づいて管路４の内部における流体５の流量を計算する。流量測定装置１は、第２の相関係数のピーク値が第１の相関係数のピーク値よりも増大しなかったとき、第１のしきい値Ｔｈ１を低減して測定信号を再送信する。

本開示によれば、所定の断面積を有する管路の内部における流体の流量を測定する流量測定装置であって、流体が異物を含む場合にもその流量を高精度に測定することができる流量測定装置が提供される。

１…流量測定装置、
２，２－１～２－３，３，３－１～３－３…トランスデューサ、
４…管路、
５…流体、
１１…制御回路、
１２…送信回路、
１３…受信回路、
１４…スイッチ回路、
１５…入力装置、
１６…表示装置。

Claims (6)

1. 所定の断面積を有する管路の内部における流体の流量を測定する流量測定装置であって、
   前記流量測定装置は、前記管路における互いに異なる位置にそれぞれ設けられた第１及び第２のトランスデューサであって、電気信号を音響信号に変換する第１のトランスデューサと、音響信号を電気信号に変換する第２のトランスデューサとに接続され、
   前記流量測定装置は、
   前記第１のトランスデューサから、複数の周波数及び所定の時間長を有する測定信号を送信し、前記管路の内部における流体を介して、前記第２のトランスデューサにより前記測定信号を受信し、
   送信された前記測定信号を示す基準信号と、受信された前記測定信号との間の第１の相関係数を計算し、
   前記第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値よりも高いとき、前記測定信号に基づいて前記管路の内部における流体の流量を計算し、
   前記第１の相関係数のピーク値が第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して前記測定信号を再送信する、
   流量測定装置。
2. 前記流量測定装置は、前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の時間長を増大させる、
   請求項１記載の流量測定装置。
3. 前記流量測定装置は、前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の周波数帯域幅を増大させる、
   請求項１又は２記載の流量測定装置。
4. 前記流量測定装置は、前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であるとき、前記測定信号の中心周波数を変更する、
   請求項１～３のうちの１つに記載の流量測定装置。
5. 前記測定信号は、先頭からの時間経過に応じて変化する周波数を有する、
   請求項１～４のうちの１つに記載の流量測定装置。
6. 前記流量測定装置は、
   前記第１の相関係数のピーク値が前記第１のしきい値以下であり、かつ、前記第１のしきい値よりも小さい第２のしきい値よりも高いとき、前記測定信号の周波数及び時間長の少なくとも一方を変更して前記測定信号を再送信し、
   再送信された前記測定信号を示す基準信号と、受信された前記測定信号との間の第２の相関係数を計算し、
   前記第２の相関係数のピーク値が前記第１の相関係数のピーク値よりも増大したとき、前記測定信号に基づいて前記管路の内部における流体の流量を計算し、
   前記第２の相関係数のピーク値が前記第１の相関係数のピーク値よりも増大しなかったとき、前記第１のしきい値を低減して前記測定信号を再送信する、
   請求項１～５のうちの１つに記載の流量測定装置。

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