(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管内を流れる流体の流速を求める超音波流量計において、
円環状に形成され、前記流体の流れに沿って所定の距離を隔てて、前記測定管の外周面にその内周面が音響的に接触するように取り付けられる複数の振動子と、
上流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を下流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間と、下流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を上流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間との時間差に基づいて流体の流速を求める演算手段と
を備え、
前記演算手段は、
前記振動子が受信したトーンバースト波の形態の受信波のうち、
前記測定管に応じて予め定めた第１の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第１の時間差を、前記流体の流速がゼロのときの時間差として求め、
前記測定管に応じて予め定めた第２の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第２の時間差と、前記第１の時間差とに基づき、前記流体の流速を求める
ことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記演算手段は、
前記振動子により受信される一つの受信波のうち、
前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最小となる周期が、前記第１の所定周期として設定され、
前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最大となる周期が、前記第２の所定周期として設定される
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記振動子は、前記測定管の上流側及び下流側の２箇所に設けられ、
一方の振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、他方の振動子によって受信し、発信側と受信側の振動子を交互に切り換える
ことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記振動子は、前記測定管の上流側、中央及び下流側の３箇所に設けられ、
中央に設けられた振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、上流及び下流に位置する２つの前記振動子によって受信する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記測定管の外周面に付設されるフランジにより構成され、前記測定管を伝搬する超音波の高域波成分をカットする音響フィルタを備えた
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか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、測定管内を流れる流体の流速を求め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おいては、例えば、測定管の上流側と下流側に２つの超音波振動子を設け、送信波と受信波の伝搬時間を計測することで流速を求めるものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
この種の超音波流量計においては、まず、上流側から超音波を送信し下流側で受信する。この時の伝搬時間をｔｕとする。次に、送受信方向を切り換えて、下流側から超音波を送信し上流側で受信する。この時の伝搬時間をｔｄとする。
この時、２つの超音波振動子の距離をＬ、音速をＣ、媒質の流速をｖとすると次式が成立する。
【０００４】
ｔｕ＝Ｌ／Ｃ＋ｖ  …（１）
ｔｄ＝Ｌ／Ｃ−ｖ  …（２）
（１）式、（２）式の逆数をとって差をとると、次式が得られる。
ｖ＝Ｌ／２（（ｔｕ−ｔｄ）／ｔｕ・ｔｄ）  …（３）
＝Ｌ／２（Δｔ／ｔｕ・ｔｄ）  …（４）
ここで、伝搬時間差Δｔ＝（ｔｕ−ｔｄ）である。
【０００５】
したがって、流速ｖは伝搬時間差Δｔに依存する。これより送信波と受信波との伝搬時間差Δｔから流速を検知する。そして、この流速に断面積を乗じる等の処理をして、測定管内を流れる媒質の流量を計測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−９９１４号公報
【特許文献２】特開平１０−１２２９２３号公報
【特許文献３】特開２０００−１８０２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、上記（４）式より、流速ｖは受信波の伝搬時間差Δｔにより得られるものであるから、実際に測定管（以下「管体」ともいう。）内を流れる媒質（流体）の流速が「ゼロ」である場合、理論上はｔｕとｔｄは同じ値になる筈である。
【０００８】
しかしながら、現実には、超音波振動子は上流側と下流側とが別個のものであり、これらの超音波振動子の送波特性及び受波特性は同一にならない。
また、上記（１）式より求まる伝搬時間ｔｕと、上記（２）式により求める伝搬時間ｔｄは、それぞれ別の時刻における計測値である。
さらに、管体（パイプ又はチューブ等）や、超音波振動子を管体に接合する音響結合材の伝搬特性などのフィールドを含め、温度、圧力等多くの不確定要素を含んでいる。
即ち、実際の場面においては、ｔｕの計測時とｔｄの計測時とでは、送信側の超音波振動子及び受信側の超音波振動子、これらの音響結合材とが、信号伝達経路に複雑に介在して、その送信時と受信時の可逆性がいつも等しいとは限らないことが現実である。
このため、実際に管体内を流れる媒質の流速が「ゼロ」である場合に、伝搬時間ｔｕとｔｄとが全く同一となるとは限らない。
【０００９】
また、このような可逆性が定まらないとみるべき送信・受信の関係を、理論上の演算式を用いて求めても、長期に亘り環境の変化を伴う現実の場においては、実際の流速「ゼロ」における、測定流速の「ゼロ点」を定めることは至難な事象と考えられる。
【００１０】
このように、従来の超音波流量計においては、環境条件等による「揺らぎ」が計測値のゼロ点変動（以下「ゼロ・ドリフト」と称する。）を生じさせ、長時間における「ゼロ点」の安定度を悪化させる、という問題点があった。
このため超音波流量計の計測値の「ゼロ」が「相対ゼロ」として表現され、「絶対ゼロ」として得られず計測精度が低下する、という問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ゼロ・ドリフトを減少させることができる超音波流量計を得るものである。
また、流速の計測精度を向上させることができる超音波流量計を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る超音波流量計は、測定管内を流れる流体の流速を求める超音波流量計において、円環状に形成され、前記流体の流れに沿って所定の距離を隔てて、前記測定管の外周面にその内周面が音響的に接触するように取り付けられる複数の振動子と、上流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を下流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間と、下流側の前記振動子からトーンバースト波の形態で発信された超音波を上流側の前記振動子が受信するまでの伝搬時間との時間差に基づいて流体の流速を求める演算手段とを備え、前記演算手段は、前記振動子が受信したトーンバースト波の形態の受信波のうち、前記測定管に応じて予め定めた第１の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第１の時間差を、前記流体の流速がゼロのときの時間差として求め、前記測定管に応じて予め定めた第２の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第２の時間差と、前記第１の時間差とに基づき、前記流体の流速を求めるものである。
【００１３】
また、本発明に係る超音波流量計においては、前記演算手段は、前記振動子により受信される一つの受信波のうち、前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最小となる周期が、前記第１の所定周期として設定され、前記測定管の材質、寸法、及び前記超音波の周波数に応じて定まる周期であって、前記伝搬時間の時間差の発生量である流速感度が最大となる周期が、前記第２の所定周期として設定されるものである。
【００１４】
また、本発明に係る超音波流量計においては、前記振動子は、前記測定管の上流側及び下流側の２箇所に設けられ、一方の振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、他方の振動子によって受信し、発信側と受信側の振動子を交互に切り換えるものである。
【００１５】
また、本発明に係る超音波流量計においては、前記振動子は、前記測定管の上流側、中央及び下流側の３箇所に設けられ、中央に設けられた振動子に交番電気エネルギーが与えられることにより発信した超音波を、上流及び下流に位置する２つの前記振動子によって受信するものである。
【００１６】
また、本発明に係る超音波流量計は、前記測定管の外周面に付設されるフランジにより構成され、前記測定管を伝搬する超音波の高域波成分をカットする音響フィルタを備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、振動子が受信した受信波のうち、測定管に応じて予め定めた第１の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第１の時間差を、流体の流速がゼロのときの時間差として求め、測定管に応じて予め定めた第２の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第２の時間差と、第１の時間差とに基づき、流体の流速を求める。
このため、ゼロ・ドリフトを減少させることができる超音波流量計を得ることができる。
また、流速の計測精度を向上させることができる超音波流量計を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
【図２】実施の形態１に係る超音波振動子の配置を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る送信波及び受信波の波形、並びに受信波の検出位置を説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る送信波及び受信波の波形、並びに受信波の検出位置を説明する図である。
【図５】実施の形態１に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る受信波の検出位置別の伝搬時間を示す図である。
【図７】図６の縦軸を拡大した図である。
【図８】実施の形態１に係る受信波の検出位置と伝搬時間差Δｔの関係を示す図である。
【図９】実施の形態１に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
【図１１】実施の形態１に係る超音波流量計の流量計測結果を示す図である。
【図１２】従来の超音波流量計の流量計測結果を示す図である。
【図１３】実施の形態２に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
【図１４】実施の形態３に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
図２は実施の形態１に係る超音波振動子の配置を示す斜視図である。
図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る超音波流量計は、超音波振動子２Ａと、超音波振動子２Ｂと、電源４と、増幅器５と、比較回路６と、演算回路７とを備える。
この超音波流量計は、測定管１の管内を流れる媒質の流速ｖを求めるものである。
なお、本実施の形態１では、流速ｖを計測値として出力する場合を説明するが、本発明はこれに限るものではない。流速ｖに管内断面積等を乗じることで流量を求めることが可能である。
【００２０】
なお、「超音波振動子２Ａ」及び「超音波振動子２Ｂ」は、本発明における「振動子」に相当する。
なお、「比較回路６」及び「演算回路７」は、本発明における「演算手段」に相当する。
【００２１】
測定管１は、パイプ又はチューブ等により構成され、例えば全長に亘って外径が均一な直管である。
【００２２】
超音波振動子２Ａ及び２Ｂ（以下、区別しないときは「超音波振動子２」という。）は、測定管１の外径よりわずかに径の大きい内径を有する円環状又は円筒状に形成される。
この超音波振動子２は、測定管１の流体の流れに沿って所定の距離を隔てて配置される。
また、超音波振動子２の内周面と、測定管１の外周面との隙間には、グリース等の半流動体や半固形物よりなり、超音波が伝播しやすい音響結合材３を充填する。これにより、超音波振動子２と測定管１とを音響的に接触又は接合して、いわゆる音響結合状態とする。
また、超音波振動子２Ａ及び２Ｂは、それぞれ、スイッチＳＷ１を介して電源４と接続され、スイッチＳＷ２を介して増幅器５と接続される。
【００２３】
比較回路６は、増幅器５で増幅された受信波形信号が入力される。この比較回路６は、受信波形のゼロクロス点を検出するためのコンパレータである。
【００２４】
演算回路７は、比較回路６から、入力された受信波の複数のゼロクロス点に基づいて、流速を求める。詳細は後述する。
【００２５】
このような構成において、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をａ側に切り換えることにより、超音波振動子２Ａを電源４と接続して発信器とし、超音波振動子２Ｂを増幅器５と接続して受信器とする。
上流側の超音波振動子２Ａは、電源４から交番電気エネルギーを与えられると、縮径、拡径して半径方向に振動する。測定管１内部が媒質（流体）で満たされているとき、超音波振動子２Ａから発生する超音波は、音響結合材３及び測定管１の管壁を経て流体に伝えられ、一旦振動子の中心（直管の中心）位置に向かって伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後両方向に伝播する。このとき、超音波は圧力振動の一種であるため伝播の際には管の半径方向にも圧力変化が生じる。
下流側の超音波振動子２Ｂは、測定管１の管壁及び音響結合材３を経て半径方向の圧力変化（振動）が加えられると、振動波形と相似の電気信号を発生する。
そして、超音波振動子２Ｂで発生した振動波形と相似の電気信号（以下「受信波」という。）は、増幅器５により増幅され、比較回路６を介して演算回路７に入力される。
演算回路７は、入力された受信波に基づき、上流側の超音波振動子２Ａから発信された超音波を下流側の超音波振動子２Ｂが受信するまでの順流れの伝搬時間ｔｕを計測する。
【００２６】
また、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をｂ側に切り換えることにより、超音波振動子２Ａを増幅器５と接続して受信器とし、超音波振動子２Ｂを電源４と接続して発信器とする。
これにより、同様に、演算回路７は、入力された受信波に基づき、下流側の超音波振動子２Ｂから発信された超音波を上流側の超音波振動子２Ａが受信するまでの逆流れの伝搬時間ｔｄを計測する。
そして、演算回路７は、伝搬時間ｔｕと伝搬時間ｔｄとの時間差Δｔに基づいて流体の流速を求める。
【００２７】
次に、受信波の検出位置（以下「山位置」ともいう。）と流速感度（媒質の流速に対応した時間差Δｔの発生量）の関係について説明する。
上述した受信波の山位置に着目して流速感度を計測すると、その受信波の山位置により値が異なる。即ち、受信波の山位置により流速感度に差が生じている現象が存在する。
本実施の形態では、受信波の山位置を定量化するために、受信波を比較回路６に通して「ゼロクロス点」を得る。
以下、本実施の形態における送信波及び受信波の波形並びに受信波の検出位置について、図３及び図４により説明する。
【００２８】
図３及び図４は実施の形態１に係る送信波及び受信波の波形、並びに受信波の検出位置を説明する図である。
図３（ａ）は、超音波振動子２Ａの送信信号の波形を示す図である。
図３（ｂ）は、超音波振動子２Ｂの受信信号の波形を示す図である。
図３（ｃ）は、受信波のゼロクロスを抽出したコンパレータ出力波形を示す図である。
図３（ｄ）は、受信波の検出位置と順流れの伝搬時間ｔｕとの関係を示す図である。
図４（ａ）は、超音波振動子２Ｂの送信信号の波形を示す図である。
図４（ｂ）は、超音波振動子２Ａの受信信号の波形を示す図である。
図４（ｃ）は、受信波のゼロクロスを抽出したコンパレータ出力波形を示す図である。
図４（ｄ）は、受信波の検出位置と逆流れの伝搬時間ｔｄとの関係を示す図である。
【００２９】
図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、送信側の超音波振動子２により、例えばＳｉｎ波の５山分の送信信号（トーンバースト）を電気的に送信する。
図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、受信側の超音波振動子２により、送信側と受信側の超音波振動子２間の距離Ｌを伝搬した受信波形（Ｓｉｎ波）を得る。
そして、比較回路６を介してゼロクロス点を検出すると、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示すような矩形波信号を得る。
これにより、受信波の各周期の立ち上がり又は立ち下がりタイミングを得ることができる。
【００３０】
受信波の受信位置を定量化するために、受信波を比較回路６に通して「ゼロクロス点」をみると多くの受信位置が得られることになる。
例えば、図３（ｄ）に示す順流れの伝搬時間として、図３（ｃ）の（１）に示す１周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間ｔｕ１が得られる。また、図３（ｃ）の（２）に示す例えば７周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間ｔｕ２が得られる。
同様に、例えば、図４（ｄ）に示す逆流れの伝搬時間として、図４（ｃ）の（１）に示す１周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間ｔｄ１が得られる。また、図４（ｃ）の（２）に示す例えば７周期目のゼロクロス点のタイミングでは、伝搬時間ｔｄ２が得られる。
【００３１】
このような受信波の山位置に着目して流速感度（媒質の流速に対応した時間差Δｔの発生量）を計測すると、その受信波の山位置により値が異なることが分かった。即ち、受信波の山位置により流速感度に差が生じている現象が存在する。
次に、この受信波の検出位置と流速感度の関係について図５により説明する。
【００３２】
図５は実施の形態１に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
図５では、測定管１内の媒質に所定の流速を与えた場合において、一つの受信波における受信波の山位置を横軸に示し、流速係数の相対値を縦軸に示している。即ち、一つの受信波の山位置のうち、流速感度（伝搬時間の時間差Δｔの発生量）の最大値を「１」とし、その相対値を示している。
なお、図５は、測定管１内の材質としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を用いて、所定の寸法（内径及び外径）とした場合の実測値である。
【００３３】
例えば、図５の例においては、（１）に示す第１周期目のゼロクロス点のタイミングでは、流速感度がほぼ「ゼロ」である。また、（２）に示す第７周期目のゼロクロス点のタイミングでは、流速感度が最大値となる。
このように、一つの受信波のうち、伝搬時間を検出する検出位置により、流速感度がほぼ「ゼロ」の検出位置と、流速感度が「最大」の検出位置とを同時に検出することにより、伝搬時間の時間差Δｔの「ゼロ点」を確定しつつ、流速感度が「最大」となる検出位置により、流速を求めることができる。
【００３４】
次に、このような受信波の検出位置による流速係数の相違について、図６〜図８によりさらに説明する。
【００３５】
図６は実施の形態１に係る受信波の検出位置別の伝搬時間を示す図である。
図６において、縦軸に超音波の伝搬時間を示し、横軸に経過時間を示す。
図６においては、横軸の１０番目辺りから１８番目辺りまでの間に、測定管１内の媒質に所定の流速ｖ（例えば約１０［ｃｍ／ｓｅｃ］）の速度を与えた。その他の時間では流速は「ゼロ」である。そして、上記図４及び図５の送信時（波形（ａ）のスタート時）から、各検出位置における受信時（矩形波波形（ｃ））までの伝搬時間を計測したものである。
また、図６において、受信波のゼロクロス点のタイミングのうち、流速感度がほぼ「ゼロ」となる検出位置として、例えば図４（ｃ）及び図５（ｃ）の第１周期目のゼロクロス点のタイミングを「１」に示す。また、流速感度が大きくなる検出位置として、例えば図４（ｃ）及び図５（ｃ）の第７、８、９周期目のゼロクロス点のタイミングを、それぞれ「２」「３」「４」に示す。
【００３６】
図６に示すように、流速感度が「ゼロ」となるタイミング「１」では、流速を与えた横軸の１０〜１８においても、順流れの伝搬時間ｔｕ及び逆流れの伝搬時間ｔｄの何れも変化が生じず一定（重複）している。
一方、流速感度が大きいタイミング「２」「３」「４」では、流速ｖを与えた横軸の１０〜１８辺りで、伝搬時間が２つに分かれて表示されている。
例えば、図６の「２」に注目して、その付近の時間軸（縦軸）を拡大して表現したものを図７に示す。
【００３７】
図７は図６の縦軸を拡大した図である。
図７に示すように、測定管１内の媒質の流速が「ゼロ」である、横軸の０〜１０及び１８以降においては、順流れの伝搬時間ｔｕ及び逆流れの伝搬時間ｔｄとも、ほぼ同時刻に到達している。
一方、測定管１内の媒質に流速ｖを与えた横軸の１０〜１８付近においては、順流れの伝搬時間ｔｕは少し早く到達（縦軸の時間が少ない方へ移動）し、逆流れの伝搬時間ｔｄは、流速分だけ遅く到達（縦軸の時間が遅い方向）している。
次に、上記図６のタイミング「１」「２」について、伝搬時間ｔｕとｔｄの差、即ち時間差Δｔに着目して表現したものを図８に示す。
【００３８】
図８は実施の形態１に係る受信波の検出位置と伝搬時間差Δｔの関係を示す図である。
図８に示すように、流速感度が大きいタイミング「２」では、流速ｖを与えた横軸の１０〜１８において、伝搬時間ｔｕとｔｄとに時間差の相違が生じ、流速に大きく反応して大きなΔｔ２の値が得られる。
一方、流速感度がほぼ「ゼロ」であるタイミング「１」では、流速ｖを与えた横軸１０〜１８において、伝搬時間ｔｕとｔｄとに時間差がほとんど生じず、同じ流速ｖにおいても時間差Δｔ１の値は、極めて小さい反応であり、流速に対してほぼ「ゼロ」の反応である。
【００３９】
このようなことから、一つの受信波のうち、流速感度が大きい検出位置において得られた伝搬時間ｔｕ及びｔｄの時間差Δｔ２を用いて、上述した（４）式を適用して流速ｖを得ることができる。
また、同じ受信波のうち、流速感度がほぼ「ゼロ」となる検出位置において得られた伝搬時間ｔｕ及びｔｄの時間差Δｔ１を用いて、時間差Δｔの「ゼロ点」を確定することができる。
【００４０】
次に、測定管１の材質等の条件による流速感度の相違について説明する。
【００４１】
図９及び図１０は実施の形態１に係る受信波の検出位置と流速係数の関係を示す図である。
図９は、測定管１の材質として、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン：四ふっ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂）を用いて、所定の寸法（内径及び外径）とした場合の実測値である。
図１０は、上記図５と同様に、測定管１の材質としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を用いて、図５とは異なる所定の寸法（内径及び外径）とした場合の実測値である。
図９及び図１０に示すように、受信波の各検出山位置の流速感度は、パイプ又はチューブからなる測定管１の材質や寸法等により異なることが分かる。
【００４２】
このようなことから測定管１の材質等の条件に応じて、受信波の各検出位置のうち、流速感度が最小（ほぼゼロ）となる検出位置と、流速感度が最大となる検出位置とを予め定めることにより、一つの受信波から流体の流速がゼロのときの時間差と、流体の流速を求める時間差とを得ることができる。
【００４３】
このため、本実施の形態において演算回路７は、予め、測定管１に応じて、超音波振動子２により受信される一つの受信波のうち、流速感度が最小（ほぼゼロ）となる周期を第１の所定周期として設定され、流速感度が最大となる周期を第２の所定周期として設定される。
例えば図３〜図５に示した例では、流速感度が最小（流速係数がほぼ「ゼロ」）である、第１周期目のゼロクロス点のタイミングが、第１の所定周期として設定される。また、流速感度が最大（流速係数が「１」）となる第７周期目のゼロクロス点のタイミングが、第２の所定周期として設定される。
そして、演算回路７は、上流側の超音波振動子２Ａ及び下流側の超音波振動子２Ｂが受信した受信波のうち、第１の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第１の時間差Δｔ１を、流体の流速が「ゼロ」のときの時間差として求める。また、第２の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第２の時間差Δｔ２と、第１の時間差Δｔ１とに基づき、媒質（流体）の流速ｖを求める。例えば、上記（４）式に第２の時間差Δｔ２を適用して、流速ｖを求めることができる。
なお、流速ｖの算出は、これに限らず、例えば所定の演算処理等により、第２の時間差Δｔ２を第１の時間差Δｔ１により補正して、当該補正後の第２の時間差Δｔ２を上記（４）式に適用しても良い。
【００４４】
なお、媒質の流量を得る場合には、演算回路７により求めた流速ｖに測定管１の内断面積を乗じる等の処理をして流量を得ることができる。
【００４５】
このような動作による本実施の形態における流量計測結果を図１１に示す。また、従来技術における流量計測結果を図１２に示す。
【００４６】
図１１は実施の形態１に係る超音波流量計の流量計測結果を示す図である。
図１１において、縦軸に流量を示し、横軸に経過時間を示す。また、図１１においては、横軸の２８００目盛り辺りから３３００目盛り辺りまでの間（５分間）に、測定管１内の媒質に所定の流量（例えば約２０［ｍＬ／ｍｉｎ］）を与えた。その他の時間では流量は「ゼロ」である。
【００４７】
図１２は従来の超音波流量計の流量計測結果を示す図である。
図１２において、縦軸に流量を示し、横軸に経過時間を示す。また、図１２においては、横軸の１７０００目盛り辺りの１０分間に、測定管内の媒質に所定の流量（例えば約１５［ｍＬ／ｍｉｎ］）を与えた。その他の時間では流量は「ゼロ」である。
【００４８】
図１１に示すように、本実施の形態１における超音波流量計の流量計測結果では、媒質の流量が「ゼロ」のとき、流量計測値も「ゼロ」で安定している。また、媒質に所定の流量が与えられた場合には、当該媒質の流量を計測することができる。
一方、図１２に示すように、従来技術における超音波流量計の流量計測結果では、媒質の流量が「ゼロ」のときであっても、時間の経過とともに、流量計測値が変動してゼロ・ドリフトが生じている。
【００４９】
以上のように本実施の形態においては、超音波振動子２が受信した受信波のうち、測定管１に応じて予め定めた第１の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第１の時間差Δｔ１を、流体の流速が「ゼロ」のときの時間差として求める。また、測定管１に応じて予め定めた第２の所定周期目の立ち上がり又は立ち下がりタイミングでの伝搬時間の第２の時間差Δｔ２と、第１の時間差Δｔ１とに基づき、流体の流速ｖを求める。このため、ゼロ・ドリフトを減少させることができる。また、流速の計測精度を向上させることができる。
【００５０】
このように本実施の形態においては、一つの受信波において、流速係数が最大となる検出位置と、流速係数がほぼ「ゼロ」となる検出位置での伝搬時間の時間差を同時に検出する。つまり、同一条件（物理的に同じ信号伝達経路）における受信波において、流体の流速ｖと、流速「ゼロ」とを同一条件において同時に得ている。
このため、同一条件となる信号伝達経路を形成させることになり、流速ｖを検知することに極めて好ましい条件ができ、常に「ゼロ点」を参照した流速ｖを定めることができる。このため、流速の計測精度を向上させることができる。
【００５１】
また、同一の信号伝達経路での同一の受信波内で、流体に与えられた流速ｖの計測と「ゼロ点」の計測とが同時にできることから、環境変化、特に温度、長時間における揺らぎを排除して、ゼロ・ドリフトを低減させることができる。このため、流速ｖの計測精度を向上させることができる。
また、常時「ゼロ点」を参照（認識）しながら流速ｖを計測していることになるから、流速を停止して「ゼロ点」を定める校正を行う必要性がない。このことは、長期に亘り環境の変化を伴う場合において、連続的に流速計測を行うときであっても、測定流速の「ゼロ点」を定めることができ、流速を精度良く計測できることを物語るものである。
【００５２】
なお、本発明は、円環状の超音波振動子２を用いた流量計に限らず、一般的な超音波流量計に適用できることであるが、実際の適用に当たっては、受信点の山位置と、流速係数を計測して、演算式に「ゼロ点」を定める手法を取り入れることが重要である。このことは、測定管１（パイプ又はチューブ）の材質、寸法、使用周波数等により、流速係数と受信信号の山位置の関係が異なることを念頭に設計する必要がある。
受信波の山位置によって、流速係数（流速依存性）が強く出る山位置と、極端に「ゼロ」になる山位置が存在することは、測定管１表面付近の流速「ゼロ」（極限的に）の位置と、流速が最大になる流速分布の位置を伝搬する超音波の伝搬モードがいくつも存在し、それぞれの周波数、伝搬速度も異なるために、パイプ又はチューブの材質、寸法、周波数により種々の形態が存在するためである。
【００５３】
実施の形態２．
図１３は実施の形態２に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
図１３に示すように、本実施の形態２においては、測定管１の上流側、中央及び下流側の３箇所に超音波振動子２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃを設ける。
超音波振動子２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、上記実施の形態１と同様に、円環状に形成され、音響結合材３により、測定管１と音響結合される。
【００５４】
超音波振動子２Ｂは、電源４と接続される。そして、電源４から交番電気エネルギーが与えられると、縮径、拡径して半径方向に振動する。測定管１内部が媒質（流体）で満たされているとき、超音波振動子２Ｂから発生する超音波は、音響結合材３及び測定管１の管壁を経て流体に伝えられ、一旦振動子の中心（直管の中心）位置に向かって伝播した後、直角に向きを変えて管と平行に前後両方向に伝播する。このとき、超音波は圧力振動の一種であるため伝播の際には管の半径方向にも圧力変化が生じる。
【００５５】
上流側の超音波振動子２Ａ、及び下流側の超音波振動子２Ｃは、測定管１の管壁及び音響結合材３を経て半径方向の圧力変化（振動）が加えられると、振動波形と相似の電気信号を発生する。
そして、超音波振動子２Ａ及び２Ｂで発生した振動波形と相似の電気信号（受信波）は、それぞれ増幅器５Ａ及び５Ｃにより増幅され、比較回路６Ａ及び６Ｃを介して演算回路７に入力される。
演算回路７は、比較回路６Ａから入力された受信波に基づき、中央に設けられた超音波振動子２Ｂから発信された超音波を上流側の超音波振動子２Ａが受信するまでの逆流れの伝搬時間ｔｄを計測する。
また、比較回路６Ｃから入力された受信波に基づき、中央に設けられた超音波振動子２Ｂから発信された超音波を下流側の超音波振動子２Ｃが受信するまでの順流れの伝搬時間ｔｕを計測する。
そして、演算回路７は、上記実施の形態１と同様に、一つの受信波のうち、予め設定された所定周期目のタイミングでの第１の時間差Δｔ１及び第２の時間差Δｔ２とに基づいて、流体の流速「ゼロ」及び流体の流速ｖを求める。
【００５６】
以上のように本実施の形態においても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態２では、スイッチにより送信側と受信側の超音波振動子２を切り換える必要がない。即ち、順流れの伝搬遅延時間ｔｕと、逆流れの伝搬遅延時間ｔｄとを同時に得ることができる。
このため、計測時刻の差異による伝搬特性などの環境の変化による伝搬時間への影響をさらに減少させることができる。これにより、流速の計測精度を向上させることができる。
【００５７】
実施の形態３．
図１４は実施の形態３に係る超音波流量計の作動原理系統図である。
図１４に示すように、本実施の形態３においては、測定管１の外周面に音響フィルタ２１及び２２を備えている。
なお、その他の構成は、上記実施の形態１と同様であり同一部分には同一の符号を付する。
【００５８】
音響フィルタ２１及び２２は、測定管１の外周面に付設されるフランジにより構成され、測定管１を伝搬する超音波の高域波成分をカットするものである。
つまり、測定管１を超音波の伝搬路と考えれば、音響フィルタ２１及び２２は、低域通過形フィルタ、即ち高域カット形フィルタとなる。このとき、音響フィルタ２１及び２２の形状等により、所定の遮断角周波数より高い周波数を減衰する。
なお、このような音響フィルタを備えるものは公知（例えば、特許文献３参照）であるので、詳細の説明は省略する。
【００５９】
以上のように本実施の形態においても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施の形態３では、音響フィルタ２１及び２２を備えるので、測定管１自体を伝搬する超音波の高域波成分を減衰するので、測定管１自体を伝搬する超音波によるノイズ等を低減させることができる。よって、流速（流量）の計測精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  測定管、２Ａ  超音波振動子、２Ｂ  超音波振動子、２Ｃ  超音波振動子、３  音響結合材、４  電源、５  増幅器、５Ａ  増幅器、５Ｃ  増幅器、６  比較回路、６Ａ  比較回路、６Ｃ  比較回路、７  演算回路、２１  音響フィルタ、２２  音響フィルタ、ＳＷ１  スイッチ、ＳＷ２  スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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