(57)【要約】【課題】２回受信波を利用して高精度計測を実現する超音波流量計において、ノイズや温度の影響を軽減することによって、設置環境を限定せずに高精度な計測を実現できる超音波流量計を提供することを目的とする。【解決手段】受信遅れ時間測定手段１０により測定された受信遅れ時間ＴＲをＮ個保存し、Ｎ個の平均値を受信遅れ時間補正値ＴＲＣとして受信遅れ時間保存手段１２で保存し、制御部４は、受信遅れ時間保存手段１２に保存された受信遅れ時間補正値ＴＲＣで伝搬時間を補正して流量を演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、
一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の前記超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、
受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、
送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子で１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記超音波振動子間の真で伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と前記第１伝搬時間ＴＰの差より受信側の前記超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出する受信遅れ時間測定手段と、
前記受信遅れ時間測定手段による前記受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って所定回数分の受信遅れ時間ＴＲを保存する受信遅れ時間保存手段と、
前記所定回数分の受信遅れ時間ＴＲが保存された時点で保存された受信遅れ時間の平均値を受信遅れ時間補正値ＴＲＣとして保存し更新する受信遅れ時間補正値更新手段と、
前記受信遅れ時間補正値ＴＲＣを用いて前記伝搬時間測定部で測定した前記第１伝搬時間ＴＰから前記受信遅れ時間補正値ＴＲＣを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段と、
前記補正伝搬時間ＴＰＣまたは前記真の伝搬時間ＴＰ０から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量をもとめる制御部と、を備えた超音波流量計。
【請求項２】
被測定流体の温度を測定するための温度センサを備え、
前記受信遅れ時間保存手段は、前記温度センサで測定した流体の温度と、前記第１伝搬時間ＴＰと、超音波の受信信号を所定の振幅に増幅する増幅率のいずれかが第１の所定の値以上に変化したタイミングで受信遅れ時間ＴＲの保存を開始し、以後、前記流体の温度と、前記第１伝搬時間ＴＰと、前記増幅率のいずれかの変化量が第２の所定の値以下の場合のみ前記受信遅れ時間測定手段により測定された受信遅れ時間ＴＲを追加で保存する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記受信遅れ時間測定手段の測定動作の前後において、前記温度センサで測定した流体の温度と、前記第１伝搬時間ＴＰと、超音波の受信信号を所定の振幅に増幅する増幅率のいずれか、或いは、すべての値が所定の変化量以内であるか否かを判定する受信遅れ時間測定条件判定手段を備え、
前記受信遅れ時間保存手段は、前記受信遅れ時間測定条件判定手段で所定の変化量以内でないと判定された場合は、前記受信遅れ時間測定手段により測定された受信遅れ時間ＴＲを保存しない請求項２に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の送受信可能な超音波振動子を用いて超音波の伝搬時間を測定し、被測定流体の流量を計測する超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計に用いられている超音波伝搬時間の測定方法は、一対の送受信可能な超音波振動子を対向して配置し、一方の超音波振動子をバースト信号で駆動し、超音波を送信し、他方の超音波振動子で受信して測定していた。図４は、伝搬時間の測定方法を説明する為の受信波形のイメージ図で、横軸に時間を、縦軸に電圧を示す。図中の起点Ｔ０は駆動波１６の開始時点を、終点Ｔ１は駆動開始後、第ｍ（図ではｍ＝３）波終了時点を示す。起点Ｒ０は受信開始時点を、終点Ｒ１は受信開始後、第ｍ波終了時点を示す。このように、駆動波１６の第ｍ波目のゼロクロス点を終点Ｔ１とし、受信側の超音波送受信器で受信した受信波の第ｍ波目を終点Ｒ１として、終点Ｔ１と終点Ｒ１との間の時間を超音波の伝搬時間ＴＰ１として測定し、この伝搬時間ＴＰ１を用いて流体の流速を計測し、流量を演算していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献２に記載された超音波流量計の構成を示すものである。この超音波流量計１００は流体の流れる測定流路１０１に設置した超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２を駆動する駆動回路１０３と、駆動回路１０３にスタート信号を出力する制御部１０４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部１０５と、超音波振動子１０２から送信した超音波を受ける超音波振動子１０７と、超音波振動子１０７の出力を増幅するアンプ１０６と、アンプ１０６の出力と検知基準電圧１８とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部１０５を停止させる受信検知回路１０８から構成されている。
【０００４】
また、音速に対する温度の影響を無視できるように伝搬時間逆数差法を用いるために、測定流路１０１の上流側から下流側への超音波の伝搬時間と下流側から上流側への伝搬時間が測定できるように、切り替えスイッチ１０９を備えている。
【０００５】
さらに、超音波振動子のバラツキや温度変化等によって超音波振動子内の遅れ時間や受信波の変化による受信遅れ時間が変化した場合でも、超音波の伝搬時間が正確に測定できるように、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波（第１受信波）の第ｍ波目を受信検知回路１０８で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波（第２受信波）の第ｍ波目を受信検知回路１０８で受信するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０と真の受信遅れ時間ＴＲを求める受信遅れ時間測定手段１１０を備えている。
【０００６】
図６に第１受信波と第２受信波のイメージ図を示す。図に示すように、送信側の超音波振動子は、駆動波１６で駆動されて超音波信号を送信し、受信側の超音波振動子は第１受信波１７として受信する。同時に、反射波が発生して送信側の超音波振動子に波形２１として到達して反射される。そして、この反射波を受信側の超音波振動子が第２受信波２２として受信する。ここで、ＴＲが測定した伝搬時間の遅れ時間である（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３３３０８号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載された超音波流量計によると受信遅れ時間の測定が可能となり高精度の流量計測が行えるが、第２受信波は被計測流体が気体の場合、伝搬中の減衰が大きく受信信号が非常に小さいため、ノイズや温度の影響を受けやすく、要求される精度での計測を実現するためには超音波流量計の使用環境を電気的、温度的に限定する必要があるという課題があった。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ノイズや温度の影響を軽減することによって、設置環境が限定されずに高精度な計測を実現できる超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の前記超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子で１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記超音波振動子間の真で伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と前記第１伝搬時間ＴＰの差より受信側の前記超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段による前記受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って所定回数分の受信遅れ時間ＴＲを保存する受信遅れ時間保存手段と、前記所定回数分の受信遅れ時間ＴＲが保存された時点で保存された受信遅れ時間の平均値を受信遅れ時間補正値ＴＲＣとして保存し更新する受信遅れ時間補正値更新手段と、前記受信遅れ時間補正値ＴＲＣを用いて前記伝搬時間測定部で測定した前記第１伝搬時間ＴＰから前記受信遅れ時間補正値ＴＲＣを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段と、前記補正伝搬時間ＴＰＣまたは前記真の伝搬時間ＴＰ０から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量をもとめる制御部と、を備えたことによって、受信遅れ時間へのノイズや温度の影響を軽減させることができ、高精度な超音波流量計が実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の超音波流量計は、ノイズや温度変化の影響を受けずに流量計算に使用する受信遅れ時間が設定できるため、使用環境が限定されずに高精度な流量計測を維持できる超音波流量計の実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図
【図２】本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図
【図３】本発明の実施の形態３における超音波流量計の構成図
【図４】超音波の伝搬時間の測定方法を説明する為の超音波の受信波形のイメージ図
【図５】従来例の超音波流量計の構成図
【図６】第１受信波、第２受信波を含む受信波形のイメージ図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、超音波信号を送受信可能な一対の超音波振動子と、一方の前記超音波振動子から送信され、流体を伝搬した超音波信号を他方の前記超音波振動子が受信するまでの超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部と、受信側の前記超音波振動子が受信した受信波の第ｍ波目を検知する受信検知回路と、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で検知するまでの第１伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子で１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波の第ｍ波目を前記受信検知回路で検知するまでの第２伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２の差の２分の１より前記超音波振動子間の真で伝搬時間ＴＰ０を求め、この真の伝搬時間ＴＰ０と前記第１伝搬時間ＴＰの差より受信側の前記超音波振動子に超音波が到達して受信検知回路で受信開始から超音波の受信波の第ｍ波目を受信したと検知するまでの受信遅れ時間ＴＲを算出する受信遅れ時間測定手段と、前記受信遅れ時間測定手段による前記受信遅れ時間ＴＲの測定を所定のタイミングで行って所定回数分の受信遅れ時間ＴＲを保存する受信遅れ時間保存手段と、前記所定回数分の受信遅れ時間ＴＲが保存された時点で保存された受信遅れ時間の平均値を受信遅れ時間補正値ＴＲＣとして保存し更新する受信遅れ時間補正値更新手段と、前記受信遅れ時間補正値ＴＲＣを用いて前記伝搬時間測定部で測定した前記第１伝搬時間ＴＰから前記受信遅れ時間補正値ＴＲＣを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める伝搬時間補正手段と、前記補正伝搬時間ＴＰＣまたは前記真の伝搬時間ＴＰ０から演算によって前記超音波振動子間を満たす流体の流量をもとめる制御部と、を備えたことによって、流量計算に使用する受信遅れ時間へのノイズや温度の影響を軽減させることができ、高精度な超音波流量計が実現できる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明の構成に加えて、被測定流体の温度を測定するための温度センサを備え、前記受信遅れ時間保存手段は、前記温度センサで測定した流体の温度と、前記第１伝搬時間ＴＰと、超音波の受信信号を所定の振幅に増幅する増幅率のいずれかが第１の所定の値以上に変化したタイミングで受信遅れ時間ＴＲの保存を開始し、以後、前記流体の温度と、前記第１伝搬時間ＴＰと、前記増幅率のいずれかの変化量が第２の所定の値以下の場合のみ前記受信遅れ時間測定手段により測定された受信遅れ時間ＴＲを追加で保存することによって、温度や被測定気体の変化の影響を受けることなく、受信遅れ時間を正確に測定でき、高精度な超音波流量計が実現できる。
【００１５】
第３の発明は、第２の発明の構成に加えて、前記受信遅れ時間測定手段の測定動作の前後において、前記温度センサで測定した流体の温度と、前記第１伝搬時間ＴＰと、超音波の受信信号を所定の振幅に増幅する増幅率のいずれか、或いは、すべての値が所定の変化量以内であるか否かを判定する受信遅れ時間測定条件判定手段を備え、前記受信遅れ時間保存手段は、前記受信遅れ時間測定条件判定手段で所定の変化量以内でないと判定された場合は、前記受信遅れ時間測定手段により測定された受信遅れ時間ＴＲを保存しないことによって、第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２を測定している間に温度変化や気体の変化があった場合の影響を受けた受信遅れ時間補正値ＴＲＣを補正することがなくなるため、より高精度な超音波流量計を実現できる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波流量計の構成図を示すものである。
【００１８】
本実施の形態の超音波流量計２０の基本的な構成は、測定流路１の上流と下流に設置し
た一対の超音波振動子２、７と、一対の超音波振動子２、７の送受信の設定切り替えを行う切り替えスイッチ９と、送信側に設定された超音波振動子を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、受信側に設定された超音波振動子で受信した超音波信号を所定の振幅に増幅するアンプ６と、アンプ６の出力と検知基準電圧１８とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部５を停止させる受信検知回路８から構成されている。
【００１９】
さらに、超音波振動子のバラツキや温度変化等によって超音波振動子内の遅れ時間や受信波形の変化による受信遅れ時間が変化した場合でも、超音波の伝搬時間が正確に測定できるように、送信側の超音波振動子から超音波を送信して１回目の受信波（第１受信波）の第ｍ波目を受信検知回路８で受信するまでの伝搬時間ＴＰと、受信側の超音波振動子と送信側の超音波振動子に１回づつ反射して受信側の超音波振動子に達した２回目の受信波（第２受信波）の第ｍ波目を受信検知回路で受信するまでの伝搬時間ＴＰ２を測定し、前記２つの伝搬時間の差の２分の１より超音波振動子間の真の伝搬時間ＴＰ０と真の受信遅れ時間ＴＲを求める受信遅れ時間測定手段１０を備えている。
【００２０】
また、制御部４は、流量計算に使用する受信遅れ時間ＴＲが超音波流量計の設置環境による電気的、温度的な影響を受けることを軽減させるために、受信遅れ時間保存手段１２と受信遅れ時間補正値更新手段１３を備えている。
【００２１】
受信遅れ時間保存手段１２は、受信遅れ時間測定手段１０で測定された受信遅れ時間ＴＲを予め設定された所定回数分（Ｎ個とする）保存する。そして、受信遅れ時間補正値更新手段１３は、受信遅れ時間保存手段１２に保存されたＮ個の受信遅れ時間ＴＲを平均し、平均した結果に基づき流量計算に使用する受信遅れ時間補正値ＴＲＣとして更新する。
【００２２】
伝搬時間補正手段１１は、伝搬時間測定部５で測定された第１受信波の伝搬時間ＴＰから受信遅れ時間補正値更新手段１３で更新された受信遅れ時間補正値ＴＲＣを引いて補正伝搬時間ＴＰＣを求める。
【００２３】
そして、制御部４は、伝搬時間補正手段１１で補正された補正伝搬時間ＴＰＣを用いることで流量を演算することができる。なお、第２受信波を計測する場合は、真の伝搬時間ＴＰ０を用いて流体の流量を演算することもできる。
【００２４】
なお、受信遅れ時間補正値更新手段１３による受信遅れ時間保存手段１２に保存された受信遅れ時間補正値ＴＲＣの更新方法としては、受信遅れ時間測定手段１０で新たな受信遅れ時間ＴＲを測定する毎に今回測定した新たな受信遅れ時間ＴＲに前回までに計測したＮ-１個の受信遅れ時間ＴＲを加えたＮ個の平均による移動平均を求めて更新する方法や、受信遅れ時間測定手段１０で受信遅れ時間ＴＲをＮ個測定する毎に平均を求めて書き換える方法を採用できる。
【００２５】
本実施の形態によると、受信遅れ時間測定手段１０による受信遅れ時間ＴＲの測定結果を平均化することによって、ノイズや温度変化の影響を軽減でき、設置環境を限定されずに高精度な流量計測を実現できる。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における超音波流量計の構成図を示すものである。本実施の形態の超音波流量計３０の基本的な構成、動作は実施の形態１と同じである。実施の形態１との差異は、測定流路１内に温度センサ１４を備え、被測定気体の温度を測定可能にしたことと、受信遅れ時間保存手段１２に受信遅れ時間ＴＲを保存するための条件を追加したことである。
【００２７】
本実施の形態の受信遅れ時間保存手段１２は、前回、受信遅れ時間補正値更新手段１３で受信遅れ時間補正値ＴＲＣが更新されてから温度センサ１４で測定された被測定気体の温度と第１伝搬時間ＴＰとアンプの増幅率のいずれかが、それぞれの値に対して設定された第１の所定の値以上変化した場合に受信遅れ時間測定手段１０で測定された受信遅れ時間ＴＲの保存を開始する。
【００２８】
更に、受信遅れ時間保存手段１２は、受信遅れ時間保存手段１２で受信遅れ時間ＴＲの保存を開始した時点の被測定気体の温度と第１伝搬時間ＴＰと増幅率の３つの値に対するそれぞれの変化を監視し、３つの値のいずれか、あるいはすべて値の変化幅がそれぞれの値に対して設定された第２の所定の値以下の場合のみ受信遅れ時間ＴＲを追加で保存する。
【００２９】
そして、受信遅れ時間補正値更新手段１３は、受信遅れ時間保存手段１２に所定回数分（Ｎ個とする）の受信遅れ時間ＴＲが保存されたタイミングでＮ個の受信遅れ時間ＴＲを平均して受信遅れ時間補正値ＴＲＣを更新する。ただし、受信遅れ時間ＴＲの保存の開始から所定の時間以内にＮ個の受信遅れ時間ＴＲが保存できなかった場合は、受信遅れ時間保存手段１２に保存できた個数の受信遅れ時間ＴＲを平均して受信遅れ時間補正値ＴＲＣを更新する方法や、受信遅れ時間保存手段１２に保存されている受信遅れ時間ＴＲを消去し、次にＮ個の受信遅れ時間ＴＲが保存されるまで受信遅れ時間補正値ＴＲＣの更新を延期する方法を採用する。
【００３０】
本実施の形態によると、温度変化や被測定気体の種類が変化した場合の影響によって、誤った受信遅れ時間補正値ＴＲＣを採用することがなくなるため、超音波流量計の周囲環境の変化の影響を受けることなく、高精度な計測性能を実現できる。
【００３１】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における超音波流量計の構成図を示すものである。本実施の形態の超音波流量計４０の基本的な構成、動作は実施の形態２と同じである。実施の形態２との差異は、制御部４に受信遅れ時間測定条件判定手段１５を設けたことである。
【００３２】
受信遅れ時間測定条件判定手段１５は、受信遅れ時間測定手段１０で受信遅れ時間ＴＲを測定する前後において、温度センサ１４で測定した流体の温度と、第１伝搬時間ＴＰと、アンプ６の増幅率のいずれか、或いは、すべての値がそれぞれの値に対して設定された所定の変化量以内であるか否かを確認する。そして、受信遅れ時間保存手段１２は、受信遅れ時間測定条件判定手段１５で、所定の変化量以内でないと判定された場合は測定された受信遅れ時間ＴＲを保存しないようにする。
【００３３】
本実施の形態によると、第１伝搬時間ＴＰと第２伝搬時間ＴＰ２を測定している間に温度変化や気体の変化があった場合の影響を受けた受信遅れ時間ＴＲを採用しなくなるので、より高精度な超音波流量計を実現できる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、超音波の伝搬経路が測定流路１の流れ方向に一致するように上流と下流に一対の超音波振動子２，７を対向して配置した構成で説明したが、一対の超音波振動子２，７と超音波の伝搬経路はこれに限らず、（１）超音波の伝搬経路が測定流路１の流れ方向に対して斜めに横切るように上流と下流に一対の超音波振動子２，７を対向して配置したもの、（２）測定流路１の上流と下流の同一面に一対の超音波振動子２，７を配置し、超音波の伝搬経路が測定流路１の対向する面に１回反射するようにしたもの、（３）測定流路１の上流と下流の同一面に一対の超音波振動子２，７を配置し、超音波の伝搬経路が測定流路１の対向する面に２回反射するようにしたものなど、種々の形態を
採用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、受信遅れ時間へのノイズや温度変化の影響を軽減できるため、ノイズや温度変化が想定される設置環境においても高精度な超音波流量計を実現することが可能となり、ガスメータ等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  測定流路
２、７  超音波振動子
３  駆動回路
４  制御部
５  伝搬時間測定部
６  アンプ
８  受信検知回路
９  切り替えスイッチ
１０  受信遅れ時間測定手段
１１  伝搬時間補正手段
１２  受信遅れ時間保存手段
１３  受信遅れ時間補正値更新手段
１４  温度センサ
１５  受信遅れ時間測定条件判定手段
２０、３０、４０  超音波流量計
【図１】
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【図２】
2020180814.tif 000004
【図３】
2020180814.tif 000005
【図４】
2020180814.tif 000006
【図５】
2020180814.tif 000007
【図６】
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