(57)【要約】【課題】超音波センサの感度特性に関わらずに気体の圧力を計測すること。【解決手段】第１超音波センサ１２から励起されて測定気体中を伝搬する超音波信号を第２超音波センサ１３で計測した直接波１６の振幅と、超音波センサ間の多重反射によって再び計測された超音波信号の多重反射波１７の振幅との比をとることで、超音波センサの感度の違いによって信号変換効率が変化する量を相殺でき、圧力変化によって測定気体中での超音波信号の減衰率が変化した分のみを特徴量とした抽出が可能になることに基づいて、超音波センサの感度特性に関わらずに圧力を計測する。【選択図】図１
2020076615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定気体が流れる計測流路に設けられた第１超音波センサと、
前記第１超音波センサを駆動する駆動手段と、
前記第１超音波センサから発信された超音波信号を受信する第２超音波センサと、
前記第２超音波センサでの受信信号に基づいて圧力を算出する圧力演算手段と、を備え、前記圧力演算手段は、前記第２超音波センサで受信する異なる経路を通った２つの超音波信号の振幅の比が圧力に依存することに基づいて前記計測流路内の測定気体の圧力を算出することを特徴とした超音波計測装置。
【請求項２】
一対の前記超音波センサが前記計測流路内で対向するように配置された請求項１に記載の超音波計測装置。
【請求項３】
前記超音波信号の振幅の比は、前記第１超音波センサから励起された超音波信号が初めて前記第２超音波センサに入射する直接波の振幅と、前記第１超音波センサと前記第２超音波センサの間を複数回反射した多重反射波の振幅との比とした請求項１または２に記載の超音波計測装置。
【請求項４】
前記多重反射波は、前記計測流路内に設けられた前記第１超音波センサから発信された超音波信号が前記第２超音波センサの端面で反射した第１反射波が前記第１超音波センサの端面で反射して前記第２超音波センサに伝搬した第２反射波である請求項３に記載の超音波計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて圧力を計測する超音波計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波による気体の圧力計測では、圧力による音響インピーダンスの変化に着目し、超音波受信信号の振幅値から測定気体の圧力を計測している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の超音波計測装置を示すものである。図４に示すように、測定する気体を内包する容器部３１と、超音波加振部３２と、超音波受信部３３と、超音波加振部３２を制御する制御部３４と、超音波受信部３３で受信された超音波信号と、超音波加振部３２から出力された超音波信号とに基づいて、容器部３１の内部の超音波の振幅と超音波の進行時間とを基に、容器部３１の内部圧力を測定する圧力測定部３５から構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７１０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、超音波受信信号の振幅は超音波センサの感度特性によっても変化するので、超音波センサの感度にばらつきがある場合、センサペア毎に調整が必要になり製造コストがかかることや、超音波センサの長期使用によって超音波受信信号が経年劣化で小さくなった場合、圧力が変化したと誤検知することから、超音波センサの感度特性に依存しない気体の圧力計測が必要であるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ばらつきが少なく、より長期使用可能な気体の圧力計測ができる超音波計測装置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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波計測装置は、超音波センサから励起されて測定気体中を伝搬する超音波信号を超音波センサで計測した受信波の振幅と、それとは異なる経路を通ることによって再び計測された超音波信号の受信波の振幅との比をとることで、超音波センサの感度特性によって信号変換効率が変化する量を相殺でき、圧力変化によって気体中での超音波信号の減衰率が変化した分のみを特徴量として抽出することが可能になるので、超音波センサの感度特性に関係なく気体の圧力を計測することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の超音波計測装置は、超音波センサの感度特性に関係なく気体の圧力を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態における超音波計測装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態における超音波計測装置の受信波形を示す図
【図３】本発明の実施の形態における他の実施例を示す超音波計測装置の構成図
【図４】従来の圧力測定装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第１の発明は、測定気体が流れる計測流路に設けられた第１超音波センサと、前記第１超音波センサを駆動する駆動手段と、前記第１超音波センサから発信された超音波信号を受信する第２超音波センサと、前記第２超音波センサでの受信信号に基づいて圧力を算出する圧力演算手段と、を備え、前記圧力演算手段は、前記第２超音波センサで受信する異なる経路を通った２つの超音波信号の振幅の比が圧力に依存することに基づいて前記計測流路内の測定気体の圧力を算出することにより、超音波センサの感度特性によって信号変換効率が変化する量を相殺でき、圧力変化によって測定気体中での超音波信号の減衰率が変化した分のみを特徴量として抽出することが可能になるので、超音波センサのばらつきや経年劣化に関係なく気体の圧力を計測することが可能となる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明において、一対の前記超音波センサが前記計測流路内で対向するように配置されたことを特徴とするものである。
【００１２】
第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記超音波信号の振幅の比は、前記第１超音波センサから励起された超音波信号が初めて前記第２超音波センサに入射する直接波の振幅と、前記第１超音波センサと前記第２超音波センサの間を複数回反射した多重反射波の振幅との比としたものである。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明において、前記多重反射波は、前記計測流路内に設けられた前記第１超音波センサから発信された超音波信号が前記第２超音波センサの端面で反射した第１反射波が前記第１超音波センサの端面で反射して前記第２超音波センサに伝搬した第２反射波であることを特徴としたものである。
【００１４】
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。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における超音波計測装置の構成図で、図２は、受信波形を示す図である。図１において、測定気体が流れる計測流路１１の中に、第１超音波センサ１２と第２超音波センサ１３が対向するように配置されている。
【００１６】
駆動部１４は、第１超音波センサ１２に電圧を印加して駆動するものであり、駆動部１４と第１超音波センサ１２によって超音波が励起され、測定気体で満たされた計測流路１１内を超音波信号が伝播し、第２超音波センサ１３で受信された波形に基づいて圧力計測部１５で圧力が計測される。
【００１７】
次に、圧力計測部１５における圧力の算出方法について説明する。
【００１８】
第１超音波センサ１２から発せられた超音波信号は初めに、直接波１６として第２超音波センサ１３に到達し、圧力計測部１５で直接波形２１が計測される。
【００１９】
続いて、直接波１６の一部は第２超音波センサ１３の端面で反射し、第１超音波センサ１２に向かって伝播し、第１超音波センサ１２の端面でも同様に反射をし、第２超音波センサ１３に向かって伝播し、多重反射波１７として第２超音波センサ１３に入射した分が、圧力計測部１５で多重反射波形２２として計測される。
【００２０】
圧力計測部１５において、直接波形２１の最大振幅をＡ１、直接波１６とは伝搬距離の
異なる多重反射波形２２の最大振幅をＡ２とすると、直接波１６と多重反射波１７の振幅の比ｒ（以下、振幅比ｒと記す）は、
ｒ＝Ａ１／Ａ２                                      （１）
となる。
【００２１】
ここで、超音波信号の最大振幅として取り出した振幅Ａ１と振幅Ａ２は両方とも、第１超音波センサ１２と第２超音波センサ１３を１回ずつ通過しているため、第１超音波センサ１２での感度特性による減衰率α１と第２超音波センサ１３での感度特性による減衰率α２が１回ずつ寄与している。したがって、第１超音波センサ１２に駆動電圧として印加される信号の最大振幅をＳ、測定気体を超音波が伝播したときの熱減衰率（超音波が測定気体中を伝搬する際に、超音波信号の振動エネルギーが測定気体の熱エネルギーとして吸収されることによる減衰率）をβ、幾何減衰率（超音波が測定気体中を伝搬する際に、幾何的に拡散することで単位面積あたりの超音波信号のエネルギーが減少することによる減衰率）をγとすると、振幅Ａ１と振幅Ａ２は、
Ａ１＝α１×α２×β×γ×Ｓ                          （２）
Ａ２＝α１×α２×β×β×β×γ×γ×γ×Ｓ          （３）
となる。
【００２２】
従来の構成では、式（２）の振幅Ａ１を振幅Ｓで除した値に基づき圧力を計測しているため、減衰率α１と減衰率α２に依存した結果となっており、超音波センサのばらつきや経年劣化などがある場合に、減衰率α１と減衰率α２の値が変化し、圧力演算結果に影響が生じていた。これに対し、本発明の超音波計測装置では、振幅Ａ１と振幅Ａ２の比をとることにより、式（１）、式（２）、式（３）から振幅比ｒは、
ｒ＝１／（β×β×γ×γ）                           （４）
となるので、超音波センサの感度特性分を除去した値を得ることができる。
【００２３】
本発明では、熱減衰率βが気体の圧力に依存することに着目し、さらに幾何減衰率γは圧力には依存しないことに基づいて、特定の気体に対して振幅比ｒと圧力の対応関係を予め求めておけば、振幅比ｒを計測することで圧力を計測することができる。
【００２４】
なお、上記説明では、第１超音波センサ１２と第２超音波センサ１３を対向するように配置した所謂Ｉパスで説明したが、図３に示すように、第１超音波センサ１２と第２超音波センサ１３を計測流路１１の一方の面に配置し、対向する面に１回反射するように構成した所謂Ｖパス、或いは、２回反射するＷパスといった構成においても同様に、圧力を計測することができる。
【００２５】
以上から、超音波センサのばらつきや経年劣化に関係なく気体の圧力を計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上のように、本発明にかかる超音波計測装置は、超音波センサの特性に依存せずに気体の圧力を安定に計測することが可能となるので、超音波気体流量計のノルマル流量演算や超音波ガスメータの異常計測等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１１  計測流路
１２  第１超音波センサ
１３  第２超音波センサ
１４  駆動部
１５  圧力計測部
１６  直接波
１７  多重反射波
２１  直接波形
２２  多重反射波形
【図１】
2020076615.tif 000003
【図２】
2020076615.tif 000004
【図３】
2020076615.tif 000005
【図４】
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