JP7384619B2 - 超音波流量計および流量計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計および流量計測方法に関する。

一般に、超音波流量計では、流体の流れを横切るように２つの超音波送受信器を向かい合わせて配置し、順逆方向のそれぞれで超音波信号を送受信して、２つの超音波送受信器の間における超音波伝搬時間を測定し、順逆方向における超音波伝搬時間の伝搬時間差に基づいて流体の流量を求めている。超音波伝搬時間の測定には、受信した超音波信号を示す信号の電圧（ＡＣ電圧）がゼロ電圧（０Ｖ）と交差するゼロクロス点のゼロクロス時刻に基づいて超音波伝搬時間を求める、いわゆるゼロクロス法が用いられている。

ゼロクロス法では、受信した超音波信号を示す信号の電圧（計測電圧）のうち同一ピークに対応する目標ゼロクロス点を検出するため、超音波信号を送信してから最初の有効ゼロクロス点を目標ゼロクロス点として特定している。しかし、流体の温度や流量、流体組成、さらには超音波素子の経年劣化などの要因で、計測電圧の振幅は変化するため、適切な閾値電圧を設定することが重要となる。

ところで、閾値電圧の波形と計測電圧の波形（受信波形）とが一致しないと、誤計測が起こる。これに対し，周期ずれに基づいて誤計測を判定し、誤計測が判定された回の出力を異常計測とした上で、閾値を調整する技術が提案されている（特許文献１参照）。

一方、閾値電圧の設定技術として、特定ピーク付近に閾値を設定して、ゼロクロス点の取得開始点がばらつくようにしてピークを選択する技術が提案されている。この技術では、ゼロクロス点の取得開始点がばらつくようにし、ばらつきの度合に基づいてピークを選択し、閾値を設定している。

特開２０１４－２２４６８４号公報

しかしながら、上述した技術では、閾値電圧と、実際のピーク電圧とがずれた状態では、ゼロクロス取得点が振れなくなる。この状態では、閾値が特定ピークの上にずれているのか、下にずれているのかが不明となり、伝搬時間計算に使用するゼロクロス点を正しく選択できない危険が生じ、誤った流量が出力される場合が発生する。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、超音波流量計で誤った流量の出力が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る超音波流量計は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計であって、超音波信号を受信した超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、ゼロクロス点のゼロクロス時刻を計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納するように構成された計測部と、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測するように構成された流量計算部と、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整するように構成された閾値調整部と、度合が０または１となると、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定するように構成された判定部と、判定部がピークロストと判定すると、計測された流量の出力を保留するように構成された出力制御部とを備える。

上記超音波流量計の一構成例において、判定部がピークロストと判定すると、ピークロストと判定された直前の計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値と、ピークロストと判定された後の計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値との差である最大振幅差が、０より小さい第１判定値より大きく、かつ０より大きい第２判定値より小さいか否かを判定するように構成された信頼度判定部をさらに備え、出力制御部は、信頼度判定部が、最大振幅差が、第１判定値より大きく、かつ第２判定値より小さいと判定すると、ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する。

上記超音波流量計の一構成例において、信頼度判定部は、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値を複数回測定し、最大振幅差を求める。

上記超音波流量計の一構成例において、判定部がピークロストと判定すると、閾値電圧Ｖｓを初期化するように構成された閾値制御部をさらに備える。

上記超音波流量計の一構成例において、出力制御部は、閾値制御部が閾値を初期化すると、初期化された閾値を用いて計測された流量の出力を再開する。

本発明に係る流量計測方法は、一対の超音波送受信器間で計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計で用いられる流量計測方法であって、超音波信号を受信した超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、ゼロクロス点のゼロクロス時刻を計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納する計測ステップと、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する流量計算ステップと、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整する閾値調整ステップと、度合が０または１となると、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定する判定ステップと、判定ステップでピークロストと判定されると、計測された流量の出力を保留する出力制御ステップとを備える。

上記流量計測方法の一構成例において、判定ステップでピークロストと判定されると、ピークロストと判定された直前の計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値と、ピークロストと判定された後の計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値との差である最大振幅差が、０より小さい第１判定値より大きく、かつ０より大きい第２判定値より小さいか否かを判定する信頼度判定ステップと、信頼度判定ステップで、最大振幅差が、第１判定値より大きく、かつ第２判定値より小さいと判定されると、ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する第２出力制御ステップとをさらに備える。

上記流量計測方法の一構成例において、信頼度判定ステップは、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値を複数回測定し、最大振幅差を求める。

上記流量計測方法の一構成例において、判定ステップでピークロストと判定されると、閾値電圧Ｖｓを初期化する閾値制御ステップをさらに備える。

上記流量計測方法の一構成例において、閾値制御ステップで、閾値が初期化されると、初期化された閾値を用いて計測された流量の出力を再開する第３出力制御ステップをさらに備える。

以上説明したように、本発明によれば、度合が０または１となると、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定するので、超音波流量計で誤った流量の出力が抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成を示す構成図である。 図２は、検出電圧とゼロクロス点との関係（片側閾値）を示す信号波形図である。 図３は、先頭ゼロクロス時刻を示すヒストグラムである。 図４は、ピークロスト状態を説明するための説明図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る流量計測方法を説明するためのフローチャート。 図６は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計の流量演算装置１００のハードウエア構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波流量計について図１を参照して説明する。この超音波流量計は、一対の超音波送受信器１０１，１０２の間で、配管１０３中を流れる計測対象となる流体１０４を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流量演算装置１００において、流体１０４の流量を計測する。

超音波送受信器１０１は、配線を介して接続された流量演算装置１００からの超音波駆動信号に応じて、配管１０３内に向けて超音波信号Ｕ１を送信する。同様に、超音波送受信器１０２は、配線を介して接続された流量演算装置１００からの超音波駆動信号に応じて、配管１０３内に向けて超音波信号Ｕ２を送信する。超音波送受信器１０２（超音波送受信器１０１）は、配管１０３内を流れる流体を通過した、超音波送受信器１０１（超音波送受信器１０２）からの超音波信号Ｕ１（Ｕ２）を受信し、その受信結果を示す測定信号を、配線を介して流量演算装置１００へ出力する。

この際、超音波信号Ｕ１，Ｕ２との間でやり取りされる超音波信号の伝搬時間ｔ１，ｔ２は、流体１０４の流れから受ける影響が異なるため、流体１０４の流量Ｑに応じた分だけ伝搬時間ｔ１と伝搬時間ｔ２の間に差、すなわち伝搬時間差Δｔが生じる。超音波流量計は、このΔｔに基づいて流量Ｑを導出する。なお、本実施の形態に係る流量演算装置１００で用いる、伝搬時間差Δｔから流量Ｑを求める演算方法については、一般的な超音波流量計で用いられている公知の計算式を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。

流量演算装置１００は、計測部１０５、流量計算部１０６、閾値調整部１０７、判定部１０８、出力制御部１０９、信頼度判定部１１０、閾値制御部１１１、制御部１１２、入出力Ｉ／Ｆ部１１３、および記憶部１１４を備える。

計測部１０５は、超音波信号を受信した超音波送受信器１０１，１０２から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、ゼロクロス点のゼロクロス時刻を計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納する。

流量計算部１０６は、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体１０４の流量を計測する。

閾値調整部１０７は、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整する。

判定部１０８は、度合が０または１となると、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定する。

出力制御部１０９は、通信ネットワーク１１５を介して上位装置（図示せず）と接続し、定期的あるいは上位装置からの出力指示に応じて、記憶部１１４から流量Ｑを取得して上位装置へ出力する。また、出力制御部１０９は、判定部１０８がピークロストと判定すると、計測された流量の出力を保留する。

信頼度判定部１１０は、判定部１０８がピークロストと判定すると、まず、最大振幅差が、設定されている第１判定値より小さいか否かを判定する。最大振幅差は、ピークロストと判定された後の最大振幅値と、ピークロストと判定される前の最大振幅値との差［例えば、最大振幅差＝ピークロストと判定された後の最大振幅値－ピークロストと判定される前の最大振幅値］である。また、最大振幅差が、第１判定値より大きい場合、信頼度判定部１１０は、最大振幅差が、第２判定値より大きいか否かを判定する。出力制御部１０９は、信頼度判定部１１０により、最大振幅差が第２判定値より小さいと判定されると、ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する。信頼度判定部１１０は、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値を複数回測定し、最大振幅差を求めることもできる。

閾値制御部１１１は、判定部がピークロストと判定すると、閾値電圧Ｖｓを初期化する。出力制御部１０９は、閾値制御部１１１が閾値を初期化すると、初期化された閾値を用いて計測された流量の出力を再開する。

入出力Ｉ／Ｆ部１１３は、配線を介して超音波送受信器１０１，超音波送受信器１０２と接続されて、超音波送受信器１０１，超音波送受信器１０２との間で計測に用いる各種信号をやり取りする。記憶部１１４は、半導体メモリやハードディスクなどの記憶装置からなり、流量演算装置１００での流量計測動作に用いる各種処理データやプログラムを記憶する。

制御部１１２は、予め設定されている周期的な計測タイミングの到来、あるいはオペレータや上位装置（図示せず）からの任意のタイミングにおける指示に応じて、入出力Ｉ／Ｆ部１１３から、超音波送受信器１０１，超音波送受信器１０２に対して超音波駆動信号を出力し、超音波送受信器１０１，超音波送受信器１０２間で計測対象となる流体１０４を介して超音波信号Ｕ１，Ｕ２を両方向で交互に送受信する計測工程を、Ｎ回繰り返し実施する。

次に、図２および図３を参照して、流量演算装置１００における流体１０４の流量を計測の原理について説明する。図２は、計測電圧とゼロクロス点との関係（片側閾値）を示す信号波形図である。図３は、先頭ゼロクロス時刻を示すヒストグラムである。なお、図２は、超音波信号Ｕ１もしくはＵ２のいずれか１つの超音波信号を受信した際の計測電圧を表している。超音波信号Ｕ１とＵ２に対応する計測電圧は振幅や伝搬時間が異なる。

超音波送受信器１０１，超音波送受信器１０２から流量演算装置１００へ入力される測定信号を示す計測電圧Ｖｉｎは、図２に示すように、振幅が時間経過に従って増減する複数の正弦波様信号からなる。前述のように超音波信号Ｕ１，Ｕ２に対応する計測電圧の振幅は異なり、超音波信号Ｕ１，Ｕ２に対応して計測電圧に対する閾値電圧を別々に調整するため、一般に超音波信号Ｕ１，Ｕ２に対応する計測電圧の閾値電圧は異なる。

流量演算装置１００は、Ｖｉｎが予め設定した閾値電圧Ｖｓと交差した（超えたまたは達した）トリガー点を検出した後に初めてゼロ電圧Ｖｚ（０Ｖ）と交差する複数のゼロクロス点のうちから目標ゼロクロス点を検出して、目標ゼロクロス点のゼロクロス時刻から計測電圧Ｖｉｎと対応する超音波信号Ｕ１，Ｕ２の受信時刻として特定し、得られた受信時刻により超音波信号Ｕ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ１，伝搬時間ｔ２さらには伝搬時間差Δｔを計算して、流量Ｑを導出する。

計測電圧Ｖｉｎは測定するごとに振幅が変化する。図２では平均的な振幅の計測電圧をＶｉｎ＃０、小さい振幅の計測電圧をＶｉｎ＃１、大きい振幅の計測電圧をＶｉｎ＃２として示している。後述する閾値電圧の調整手段により、Ｖｉｎ＃０の先頭からＮｍ個目の波を目標波として特定し、この目標波の１つ前の波のピーク電圧と閾値電圧とが同じ値になるように閾値調整部１０７により調整がなされている。この目標波の１つ前の波を追従波と呼ぶ。追従波に対応する有効ゼロクロス点を追従ゼロクロス点と呼ぶ。同様に目標波に対応する有効ゼロクロス点を目標ゼロクロス点と呼ぶ。この目標ゼロクロス点以降に検出されたゼロクロス点を計測ゼロクロス点として特定している。

なお、ここでは、計測電圧Ｖｉｎが、予め設定した閾値電圧Ｖｓと交差した（超えたまたは達した）トリガー点を基準として、トリガー点と交差するごとに、それ以降に最初にゼロ電圧と交差する点を有効ゼロクロス点と呼ぶこととする。例えば、閾値電圧Ｖｓが正側電圧である場合、トリガー点以降に最初にゼロ電圧と立下がりで交差した点が有効ゼロクロス点となる。また、閾値電圧Ｖｓが負側電圧である場合、トリガー点以降に最初にゼロ電圧と立ち上がりで交差した点が有効ゼロクロス点となる。なお、有効ゼロクロス点以降において、計測電圧がトリガー点と交差する前にゼロ電圧と交差しても、その点は有効ゼロクロスにはあたらないこととする。

図２では、Ｎｍ＝２の場合が例として示されている。前述のように、閾値電圧Ｖｓを、平均的な振幅の計測電圧Ｖｉｎ＃０における、先行波のピーク電圧とほぼ等しい値に設定した場合、計測電圧Ｖｉｎの振幅が小さくなったり（Ｖｉｎ＃１）、計測電圧Ｖｉｎの振幅が大きくなったり（Ｖｉｎ＃２）することで、先頭ゼロクロスが追従ゼロクロス（Ｚ１）となったり目標ゼロクロス（Ｚ２）となったりする。

この際、計測電圧Ｖｉｎに対して閾値電圧Ｖｓが適切に設定されていれば、先頭ゼロクロスは、時刻Ｔ１の追従ゼロクロスＺ１か時刻Ｔ２の目標ゼロクロスＺ２のいずれかとなる。これにより、図３に示すように、時刻Ｔ１，Ｔ２において、両者の先頭ゼロクロスが検出される度数Ｎ（Ｔ１），Ｎ（Ｔ２）はほぼ等しくなり、両者の確率はほぼ５０％となる。また、これら度合はＶｓに対する計測電圧Ｖｉｎの強度変動に応じて変化する。

流量演算装置１００では、先頭ゼロクロス点が追従ゼロクロスになったり目標ゼロクロスになったりすることを使い、追従ゼロクロスが先頭ゼロクロスとなる度合に基づいて、計測電圧Ｖｉｎの強度変動に追従するようＶｓを調整する。ここでは、追従波は目標波の１周期前としたが、それに限ったことではなく、予め定めた周期分だけ前としてもよい。なお、周期とは、計測電圧Ｖｉｎを示す波の周期であり、超音波周期に相当する。

また、目標波で最初のトリガー点が発生した場合、時刻配列Ｄ＃ｉの先頭には目標ゼロクロス点の時刻が格納されるのに対して、追従波で最初のトリガー点が発生した場合には、目標ゼロクロス点以前に位置する追従ゼロクロス点を示す時刻がＤ＃ｉの先頭に格納されることになる。

図２に示すように、計測電圧Ｖｉｎが計測電圧Ｖｉｎ＃１である場合、目標波であるＰ３の計測電圧Ｖｉｎ＃１が時刻Ｔｓ１にて初めてＶｓを超えているため、Ｔｓ１以降に検出されたゼロクロス点Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４に対応するゼロクロス時刻Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が、時刻配列Ｄ＃１に対して格納されることになる。これにより、最初のトリガー点以降に最初に検出されたゼロクロス点、すなわちＤ＃１の先頭に格納されている先頭ゼロクロス点Ｚ２が、目標ゼロクロス点に相当することになる。

一方、ノイズ成分の重畳などの影響で計測電圧Ｖｉｎの信号強度が増大し、図２に示すように、計測電圧Ｖｉｎが計測電圧Ｖｉｎ＃２のように変化した場合、Ｐ３の手前の追従波であるＰ２の計測電圧Ｖｉｎ＃２が時刻Ｔｓ２にＶｓを超える。このため、Ｔｓ１より手前のＴｓ２以降に検出されたゼロクロス点Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４に対応するゼロクロス時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が、時刻配列Ｄ＃２に対して格納されることになる。これにより、最初のトリガー点以降に最初に検出されたゼロクロス点、すなわちＤ＃２の先頭に格納されている先頭ゼロクロス点Ｚ１が、追従ゼロクロス点に相当することになる。

流量演算装置１００は、上述したような追従波または目標波でのトリガー点の発生状況と、Ｄ＃ｉの先頭ゼロクロス点に対応するゼロクロス点の位置との関連性を用い、Ｄ＃ｉのうち、トリガー点以降に最初に検出された先頭ゼロクロス点が、追従ゼロクロス点に相当する度合Ｒを計算し、得られた度合Ｒと予め設定されている閾値（度合閾値）との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整する。

ここで、計測電圧Ｖｉｎのピーク電圧が、図４の実線に示すように、常に閾値電圧Ｖｓより大きい場合や、図４の破線に示すように、常に閾値電圧Ｖｓより小さい場合、閾値電圧Ｖｓが、追従ピークの上にずれているのか、下にずれているのかが不明となり、ゼロクロス点を特定することができない。この場合、正しい流量Ｑが求められず、誤った流量Ｑが出力されてしまう。

これに対し、実施の形態では、判定部１０８が、度合Ｒが０または１となると、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定し、出力制御部１０９が、判定部１０８がピークロストと判定すると、計測された流量の出力を保留する。また、ピークロスト発生直後の情報を使って（例えばピーク値）目標ゼロクロス点の特定を行い、流量を正しく求める。また目標ゼロクロス点の特定ができない場合、異常フラグを出す。従って、ゼロクロス点を正しく求めることができず、誤った流量Ｑが算出されても、これが上位装置などに出力されることが防げる。

また、計測された流量の出力が保留されると、信頼度判定部１１０により、０より小さい第１判定値と０より大きい第２判定値とを用い、最大振幅差が、設定されている第１判定値より大きく、かつ第２判定値より小さいと判定されると、出力制御部１０９が、ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する。従って、例えば、上位装置では、受信された流量に異常があることが把握できる。

ここで、閾値調整部１０７による先頭ゼロクロス判定動作について説明する。閾値調整部１０７は、度合Ｒを計算する際、時刻配列Ｄ＃ｉごとに、それぞれのＤ＃ｉの先頭に格納されている先頭ゼロクロス時刻と対応する先頭ゼロクロス点が、目標ゼロクロス点または追従ゼロクロス点のいずれに相当するのか判定するため、先頭ゼロクロス判定動作を行う。

Ｖｉｎ＃ｉの強度変化に応じて、追従波の高さは変化する。Ｖｓは追従波の平均的な高さとなるように調整されているため、Ｖｉｎ＃ｉが大きくなると追従波の高さはＶｓを超え、先頭ゼロクロス点は追従ゼロクロス点となり、先頭ゼロクロス時刻は追従ゼロクロス時刻となる。逆に、Ｖｉｎ＃ｉが小さくなると追従波の高さはＶｓを下回り、先頭ゼロクロス点は目標ゼロクロス点となり、先頭ゼロクロス時刻は目標ゼロクロス時刻となる。

このような先頭ゼロクロス時刻の分布特性に着目し、Ｊ（Ｊは２以上の整数）個の時刻区間Ｓｊ（ｊは１～Ｊの整数）を、Ｄ＃ｉの先頭ゼロクロス時刻が並ぶ時間軸上に配置して、これらＳｊごとに先頭ゼロクロス時刻の検出頻度ｎｊを計数する。わずかな例外を除き先頭ゼロクロス時刻は追従ゼロクロス時刻が含まれる時間区間か目標ゼロクロス時刻が含まれる時間区間に含まれているため、隣接する時間区間での検出頻度の和を求めると追従ゼロクロス時刻が含まれる時間区間と目標ゼロクロス時刻が含まれる時間区間とで作られる隣接時間区間での検出頻度の和が最大となる。この隣接時間区間の内、早い時間の時間区間が追従ゼロクロス時刻の含まれる時間区間であり、遅い時間の時間区間が目標ゼロクロス時刻の含まれる時間区間である。ピークロスト発生時、Ｄ＃ｉの先頭ゼロクロス時刻は全部同じ時間区間に入るため、追従ゼロクロス時刻に該当する時刻区間の特定ができなくなる。時刻区間Ｓｊの時間長は、例えば超音波周期に相当する時間長を用いることができる。一般的には、ゼロクロス時刻の計測ばらつきは、超音波周期よりも小さいため、隣接するゼロクロス点の時刻と十分区別できる。なお、時刻区間Ｓｊの時間位置については、先頭ゼロクロス時刻の分布が時間区間の中央に位置するようにシフトさせることができる。

これにより、追従ゼロクロス時刻に該当する時刻区間での検出頻度を検出頻度ｎｊの総和すなわちＮで除算すれば、度合Ｒが求められることになる。ピークロスト発生時、度合Ｒが０または１となる。

次に、閾値制御部１１１による閾値電圧の初期化動作について説明する。閾値制御部１１１は、閾値電圧Ｖｓを初期化する際、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大ピーク電圧Ｖｍａｘに基づき新たな調整範囲Ｖａｊを特定し、その調整範囲Ｖａｊ内の任意の値をＶｓの新たな初期値として設定する。

調整範囲Ｖａｊは、調整下限電圧ＶａｊＬおよび調整上限電圧ＶａｊＨからなり、計測開始時のＶｓ、すなわちＶｓの初期値は、ＶａｊＬとＶａｊＨの間の任意の値と等しいものとする。Ｖｓを繰り返し調整する場合、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの強度変化が継続すると、ＶａｊＬを下回ったり、ＶａｊＨを上回ったりすることになり、Ｖｓが調整範囲Ｖａｊから外れてしまう可能性がある。このため、例えば一連の計測工程で入力された１つもしくは複数個の計測電圧Ｖｉｎ＃ｉから最大ピーク電圧Ｖｍａｘを検出しておき、予め設定されている下限係数ｋ１および上限係数ｋ２に基づいて新たなＶａｊＬ（＝ｋ１×Ｖｍａｘ），ＶａｊＨ（＝ｋ２×Ｖｍａｘ）を計算し、ＶａｊＬおよびＶａｊＨを更新する。

また、何らかの理由で、初期化動作において、ＶｓがＶａｊＬを下回ったり、ＶａｊＨを上回ったりして、調整範囲Ｖａｊ外となってしまった場合、ＶｓをＶａｊＬとＶａｊＨの間の任意の値で初期化する。なお、Ｖｓの初期値として簡単のためにＶａｊＬとＶａｊＨの間の任意の値としたが、ＶａｊＬとＶａｊＨを予め定めた方法で内分することによって求めた値を初期値として使うこともできる。

次に、本発明の実施の形態に係る超音波流量計の動作（流量計測方法）について、図５のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１で、計測部１０５が、超音波送受信器１０１（超音波送受信器１０２）から出力されて、入出力Ｉ／Ｆ部１１３に入力された計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉ＝１～Ｎの整数）ごとに、Ｖｉｎ＃ｉと閾値電圧Ｖｓとを比較し、Ｖｉｎ＃ｉがＶｓと交差したトリガー点を検出する。次に、ステップＳ１０２で、計測部１０５が、トリガー点が検出されるたびにＶｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を最大でＮｚ個まで検出する。次に、ステップＳ１０３で、計測部１０５が、検出した複数のゼロクロス点のゼロクロス時刻を、Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納する（計測ステップ）。

このようにして、Ｎ個のＶｉｎ＃ｉに関するＤ＃ｉがそれぞれ得られた後、ステップＳ１０４で、閾値調整部１０７が、これらＤ＃ｉに格納されている各ゼロクロス点のゼロクロス時刻に基づいて、先頭の先頭ゼロクロス点が、追従ゼロクロス点、すなわち目標ゼロクロス点の１周期前のゼロクロス点に相当するＤ＃ｉの割合である度合Ｒを計算する。

次に、ステップＳ１０５で、判定部１０８が、度合が０または１となったか否かにより、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストの判定を行う（判定ステップ）。ステップＳ１０５では、判定部１０８が、閾値調整部１０７による度合を０または１と計算する回数が、設定されている回数を超えると、ピークロストと判定することもできる（判定ステップ）。この判定によれば、計測工程をＮ回繰り返す前に、ピークロストの判定をすることが可能となり、より早期的にピークロストの判定ができる。度合が０または１となりピークロストであると判定されると（ステップＳ１０５のｙｅｓ）、ステップＳ１１２で、出力制御部１０９は、計測された流量の出力を保留する（出力制御ステップ）。

次に、ステップＳ１１３で、信頼度判定部１１０が、最大振幅差が第１判定値より小さいか否かを判定する。最大振幅差は、ピークロストと判定された後の最大振幅値と、ピークロストと判定される前の最大振幅値との差である。ステップＳ１１３では、計測電圧Ｖｉｎの波形が小さくなり、計測電圧Ｖｉｎの追従波のピーク電圧が、閾値電圧Ｖｓより小さくなってピークロストになったことを判定する。第１判定値は０より小さい値である。なお、信頼度判定部１１０は、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値を複数回測定し、最大振幅差を求めることもできる。

最大振幅差が、第１判定値より小さい場合（ステップＳ１１３のｙｅｓ）、先頭ゼロクロス点が、全て目標ゼロクロス点と特定できるので、ステップＳ１１４で、流量計算部１０６は、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の先頭ゼロクロス点に関する先頭ゼロクロス時刻を、目標ゼロクロス時刻としてそれぞれ検出（抽出）する。次いで、ステップＳ１１５で、流量計算部１０６は、目標ゼロクロス時刻としてそれぞれ抽出したゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する。なお、目標ゼロクロス点の特定ができたら、目標セロクロス点前後の複数のゼロクロス点を使って伝搬時間差を計算することもできる。この後、ステップＳ１１６で、閾値制御部１１１が、閾値電圧Ｖｓを初期化する（閾値制御ステップ）。

次に、最大振幅差が、第１判定値より大きい場合（ステップＳ１１３のｎｏ）、ステップＳ１１７で、信頼度判定部１１０が、最大振幅差が第２判定値より大きいか否かを判定する。ステップＳ１１７では、計測電圧Ｖｉｎの波形が大きくなり、計測電圧Ｖｉｎの追従波のピーク電圧が、閾値電圧Ｖｓよりおおきくなってピークロストになったことを判定する。第２判定値は０より大きい値である。

最大振幅差が、第２判定値より大きい場合（ステップＳ１１７のｙｅｓ）、先頭ゼロクロス点が、全て追従ゼロクロス点と特定できるので、ステップＳ１１８で、流量計算部１０６は、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の先頭ゼロクロス点の直後のゼロクロス点関するゼロクロス時刻を、目標ゼロクロス時刻としてそれぞれ検出（抽出）する。次いで、ステップＳ１１５で、流量計算部１０６は、目標ゼロクロス時刻としてそれぞれ抽出したゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する。なお、目標ゼロクロス点の特定ができたら、目標セロクロス点前後の複数のゼロクロス点を使って伝搬時間差を計算することもできる。この後、ステップＳ１１６で、閾値制御部１１１が、閾値電圧Ｖｓを初期化する（閾値制御ステップ）。

次に、最大振幅差が、第２判定値より小さい場合（ステップＳ１１７のｎｏ）、ステップＳ１１９で、出力制御部１０９が、ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する（第２出力制御ステップ）。この後、ステップＳ１０１に戻る。

一方、ピークロストと判定されない場合（ステップＳ１０５のｎｏ）、ステップＳ１０６で、閾値調整部１０７は、Ｒが予め設定されている閾値Ｒｔｈ２より大きいかどうか確認する。ＲがＲｔｈ２より大きい場合（ステップＳ１０６のｙｅｓ）、ステップＳ１０７で、閾値調整部１０７は、Ｖｓを予め設定されている調整幅αだけ高い値に調整する。ここでは、αを固定値として扱ったが、αをＶｓに対して比例する値としてもよい。また、設定されている閾値Ｒｔｈ１（Ｒｔｈ１≦Ｒｔｈ２）を用いて、αをＲ－Ｒｔｈ１の絶対値、もしくはＲ－Ｒｔｈ２の絶対値に比例する値としてもよい。もしくは、αをＶｓに対して比例し、なおかつ、Ｒ－Ｒｔｈ１の絶対値もしくはＲ－Ｒｔｈ２の絶対値に比例する値としてもよい。

一方、ＲがＲｔｈ２以下の場合（ステップＳ１０６のｎｏ）、ステップＳ１０８で、閾値調整部１０７は、Ｒが設定されている閾値Ｒｔｈ１より小さいかどうか確認する。ＲがＲｔｈ１より小さい場合（ステップＳ１０８のｙｅｓ）、ステップＳ１０９で、閾値調整部１０７は、Ｖｓを予め設定されている調整幅αだけ低い値に調整する（閾値調整ステップ）。なお、ＲがＲｔｈ１以上である場合（ステップＳ１０８のｎｏ）、Ｖｓの調整は行わない。Ｒｔｈ１とＲｔｈ２とはＲｔｈ１≦Ｒｔｈ２の関係にあり、Ｒｔｈ１＝Ｒｔｈ２として不感帯を無くすこともできれば、Ｒｔｈ１＜Ｒｔｈ２として不感帯を持たせることもできる。

ここで、閾値Ｒｔｈについては、５０％に限定されるものではなく、度合Ｒを計算したゼロクロス点の位置や個数、超音波流量計や適用される計測環境に応じて、適切な値を設定することができる。なお、閾値電圧Ｖｓは、例えば、標準的な信号強度の計測電圧Ｖｉｎおける、先頭からＮｆ個目の追従波のピーク電圧とほぼ等しい値に設定されているものとする。

次に、ステップＳ１１０で、流量計算部１０６が、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する（流量計算ステップ）。この後、ステップＳ１１１で、出力制御部１０９は、計測された流量を出力する（第３出力制御ステップ）。

なお、上述した実施の形態に係る超音波流量計の流量演算装置１００は、図６に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）３０１と主記憶装置３０２と外部記憶装置３０３とネットワーク接続装置３０４となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置３０２に展開されたプログラムによりＣＰＵ３０１が動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能（流量計測方法）が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した流量計測方法をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置３０４は、ネットワーク３０５に接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

以上に説明したように、本発明によれば、度合が０または１となると、目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定するので、超音波流量計で誤った流量の出力が抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００…流量演算装置、１０１，１０２…超音波送受信器、１０３…配管、１０４…流体、１０５…計測部、１０６…流量計算部、１０７…閾値調整部、１０８…判定部、１０９…出力制御部、１１０…信頼度判定部、１１１…閾値制御部、１１２…制御部、１１３…入出力Ｉ／Ｆ部、１１４…記憶部、１１５…通信ネットワーク。

Claims (10)

1. 一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した前記超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計であって、
   前記超音波信号を受信した超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが前記閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻を前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納するように構成された計測部と、
   前記時刻配列Ｄ＃ｉに格納されている複数の前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻から目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた前記伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測するように構成された流量計算部と、
   前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ前記目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、前記度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて前記閾値電圧Ｖｓを調整するように構成された閾値調整部と、
   前記度合が０または１となると、前記目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定するように構成された判定部と、
   前記判定部が前記ピークロストと判定すると、計測された流量の出力を保留するように構成された出力制御部と
   を備える超音波流量計。
2. 請求項１記載の超音波流量計において、
   前記判定部が前記ピークロストと判定すると、前記ピークロストと判定された直前の前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値と、前記ピークロストと判定された後の前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値との差である最大振幅差が、０より小さい第１判定値より大きく、かつ０より大きい第２判定値より小さいか否かを判定するように構成された信頼度判定部をさらに備え、
   前記出力制御部は、前記信頼度判定部が、前記最大振幅差が、前記第１判定値より大きく、かつ前記第２判定値より小さいと判定すると、前記ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する
   ことを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項２記載の超音波流量計において、
   前記信頼度判定部は、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値を複数回測定し、前記最大振幅差を求めることを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波流量計において、
   前記判定部が前記ピークロストと判定すると、前記閾値電圧Ｖｓを初期化するように構成された閾値制御部をさらに備えることを特徴とする超音波流量計。
5. 請求項４記載の超音波流量計において、
   前記出力制御部は、前記閾値制御部が前記閾値を初期化すると、初期化された前記閾値を用いて計測された流量の出力を再開することを特徴とする超音波流量計。
6. 一対の超音波送受信器間で計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した前記超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計で用いられる流量計測方法であって、
   前記超音波信号を受信した超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが前記閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻を前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納する計測ステップと、
   前記時刻配列Ｄ＃ｉに格納されている複数の前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻から目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた前記伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する流量計算ステップと、
   前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ前記目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、前記度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて前記閾値電圧Ｖｓを調整する閾値調整ステップと、
   前記度合が０または１となると、前記目標ゼロクロス点の特定ができないピークロストと判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで前記ピークロストと判定されると、計測された流量の出力を保留する出力制御ステップと
   を備える流量計測方法。
7. 請求項６記載の流量計測方法において、
   前記判定ステップで前記ピークロストと判定されると、前記ピークロストと判定された直前の前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値と、前記ピークロストと判定された後の前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値との差である最大振幅差が、０より小さい第１判定値より大きく、かつ０より大きい第２判定値より小さいか否かを判定する信頼度判定ステップと、
   前記信頼度判定ステップで、前記最大振幅差が、前記第１判定値より大きく、かつ前記第２判定値より小さいと判定されると、前記ピークロストと判定された後に計測された流量に、異常があることを示す識別情報をつけて出力する第２出力制御ステップと
   をさらに備えることを特徴とする流量計測方法。
8. 請求項７記載の流量計測方法において、
   前記信頼度判定ステップは、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの最大振幅値を複数回測定し、前記最大振幅差を求めることを特徴とする流量計測方法。
9. 請求項７または８記載の流量計測方法において、
   前記判定ステップで前記ピークロストと判定されると、前記閾値電圧Ｖｓを初期化する閾値制御ステップをさらに備えることを特徴とする流量計測方法。
10. 請求項９記載の流量計測方法において、
    前記閾値制御ステップで、前記閾値が初期化されると、初期化された前記閾値を用いて計測された流量の出力を再開する第３出力制御ステップをさらに備えることを特徴とする流量計測方法。

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