(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピコ秒オーダーのサンプリング時間での計測が可能な超音波流量計であって、
流体が流通する流路に、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信することが可能な一対の超音波送受信部と、
前記一対の超音波送受信部の温度を所定温度に調整する温度調整部と、
前記超音波が前記一対の超音波送受信部間を伝搬する時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部によって得られた計測結果に基づいて流量を算出する流量算出部と、
液体が内部に封入されているととともに、前記一対の超音波送受信部のそれぞれが前記液体に浸漬された状態で収容されている一対の恒温槽と、
前記一対の恒温槽内のそれぞれにおいて前記液体に浸漬された状態で収容されている一対のヒーターと、を備え、
前記温度調整部が、
前記一対の恒温槽のそれぞれの内部において前記液体に浸漬された状態で収容され、前記一対の超音波送受信部のそれぞれの温度を検知可能な一対の温度検知部と、
前記一対の温度検知部において検知した前記一対の超音波送受信部のそれぞれの温度に基づいて、前記一対のヒーターのそれぞれの出力を制御する温度制御部と、を有していることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
ピコ秒オーダーのサンプリング時間での計測が可能な超音波流量計であって、
流体が流通する流路に、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信することが可能な一対の超音波送受信部と、
前記超音波が前記一対の超音波送受信部間を伝搬する時間を計測する時間計測部と、
前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形を、予め得ておいた所定温度の前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形に、必要に応じて補正処理する受信波形処理部と、
必要に応じて前記受信波形処理部で得られた情報を用いて、前記時間計測部によって得られた情報に基づいて流量を算出する流量算出部と、を備え、
前記受信波形処理部において、前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形の波高値の情報と、予め得ておいた所定温度の前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形の波高値の情報と、前記時間計測部で得られた時間の情報と、温度が高くなるほど超音波の受信波形の波高値が低くなるという受信波形の波高値の温度依存特性の情報と、に基づいて、前記補正処理を行うことを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
前記超音波送受信部から検出した受信波形の情報について、予め前記超音波送受信部から取得しておいた所定温度毎の受信波形の情報のうちいずれの情報に合致するか判定し、前記所定温度毎の受信波形の情報のうち合致した受信波形における温度を、流路内を流れる流体の温度として検出する温度検出部を有していることを特徴とする請求項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、超音波を用いて気体又は液体の流速を求める超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用して流速を測定する超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には、「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体の流れ方向上手側および下手側に一対の超音波送受信部（振動子）を設け、超音波信号の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波送信部（送信側の振動子）から流れ方向下手側の超音波受信部（受信側の振動子）に到達するまでの時間（以下、順方向応答時間という）と、流れ方向下手側の超音波送信部（送信側の振動子）から流れ方向上手側の超音波受信部（受信側超音波素子）に到達するまでの時間（以下、逆方向応答時間という）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速および流量を求める方法である。
【０００３】
ここで、「伝搬時間差法」の中でも、超音波送受信部の配設位置によって、一般に「Ｖ透過法」と呼ばれる測定方法と、一般に「斜め透過法」と呼ばれる測定方法の２つがある。以下、これら「Ｖ透過法」及び「斜め透過法」のそれぞれについて説明する。
【０００４】
「Ｖ透過法」においては、例えば、図９（ａ）に示したように、配管３００の外表面に配設されている超音波プローブ３０１が用いられる。この超音波プローブ３０１は、プローブケース３０２と、プローブケース３０２内部に配設されている一対の超音波送受信部（振動子）３０３、３０４とを備えているものである。以下、図９（ａ）、図１０、図１１（ａ）を用いて、超音波プローブ３０１を用いた「Ｖ透過法」について説明する。まず、図９（ａ）に示したように、超音波送受信部（振動子）３０３において、配管３００底面側へ所定角度で入射するように超音波３０５を発信して配管３００底面において反射させ、受信波３０６として超音波送受信部（振動子）３０４で受信し、順方向応答時間Ｔａを計測する。続いて、流れに対して反対に超音波送受信部（振動子）３０４において、配管３００底面側へ所定角度で入射するように超音波３０７を発信して配管３００底面において反射させ、受信波３０８として超音波送受信部（振動子）３０３で受信し、逆方向応答時間Ｔｂを計測する。このようにして計測された順方向応答時間Ｔａと逆方向応答時間Ｔｂとの伝播時間差Ｔｂ−Ｔａを検出する（図１０参照）。なお、予め、超音波伝播距離Ｌ（＝Ｌ１＋Ｌ２）、超音波の入射角度θ（図１１（ａ）参照）は測定しておく。これらのようにして検出した伝播時間差Ｔｂ−Ｔａなどの各値と下記式（１）とを用いて、流速ｖを算出する。
【０００５】
ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ・（Ｔｂ−Ｔａ）／（Ｔａ・Ｔｂ）          （１）
ここで、ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は流速、Ｌ（ｍ）は超音波送受信部（振動子）３０１、超音波送受信部（振動子）３０２間の超音波伝播距離（図１１（ａ）における距離Ｌ１と距離Ｌ２とを加算したもの）、Ｔａ（ｓｅｃ）は順方向応答時間、Ｔｂ（ｓｅｃ）は逆方向応答時間、θ（ｒａｄ）は配管表面を基準とした超音波の入射角度である。
【０００６】
上記式（１）は超音波流量計の計測原理として、最もよく使われている伝播時間逆数差法と呼ばれるものであって、音速の項が計算式から除かれている。したがって、上記式（１）を用いれば、一般的に流体の成分、温度、圧力などにより影響を受ける音速が変化しても、流速演算に影響することがないため、安定した計測が可能となる。また、流量は、上記式（１）で算出した流速ｖに配管断面積Ａを乗じることによって、求めることができる（下記式（２）参照）。
【０００７】
Ｑ＝Ｖ×Ａ        （２）
ここで、Ｑ（ｍ３／ｓ）は流量、Ａ（ｍ２）は配管の断面積である。
【０００８】
一方、「斜め透過法」においては、例えば、図９（ｂ）に示したように、配管３１０の外表面に配設されている超音波プローブ３１１と、超音波プローブ３１１と反対側の配管３１０外表面に配設されている超音波プローブ３１２とが用いられる。なお、超音波プローブ３１１は、プローブケース３１３と、プローブケース３１３内部に配設されている超音波送受信部（振動子）３１４とを備えているものである。超音波プローブ３１２は、プローブケース３１５と、プローブケース３１５内部に配設されている超音波送受信部（振動子）３１６とを備えているものである。以下、図９（ｂ）、図１０、図１１（ｂ）を用いて、超音波プローブ３０１を用いた「Ｖ透過法」について説明する。まず、図９（ｂ）に示したように、超音波送受信部（振動子）３１４において、配管３１０底面側へ所定角度で入射するように超音波３１７を発信して超音波送受信部（振動子）３１６で受信し、順方向応答時間Ｔａを計測する。続いて、流れに対して反対に超音波送受信部（振動子）３１６において、配管３１００上面側へ所定角度で入射するように超音波３１８を発信して超音波送受信部（振動子）３０３で受信し、逆方向応答時間Ｔｂを計測する。このようにして計測された順方向応答時間Ｔａと逆方向応答時間Ｔｂとの伝播時間差Ｔｂ−Ｔａを検出する（図１０参照）。なお、予め、超音波伝播距離Ｌ、超音波の入射角度θ（図１１（ｂ）参照）は測定しておく。これらのようにして検出した時間差Ｔｂ−Ｔａなどの各値と上記式（１）、（２）を用いて、「Ｖ透過法」と同様に、流速Ｖ及び流量Ｑを算出することができる。
【０００９】
また、「伝搬時間差法」を用いた従来の超音波流量計の他例として、下記特許文献１に開示されているものがある。具体的には、測定経路に設置した超音波送受信器間の被測定流体中に超音波を伝搬させ、その伝搬時間から被測定流体の移動速度を測定する装置であって、第一の超音波プローブの共振周波数と駆動周波数との差が一定となるように周波数コントロール手段によって超音波プローブ駆動周波数をコントロールしているものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−３０４１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１に代表される従来の超音波流量計において計測感度を高速化させる（分解能を向上させる）と、例えば従来のサンプリング時間（ナノ秒オーダー程度）では問題とならなかった現象が発生した。ここで、該現象について説明する。図１０に示した受信波（超音波）のパルス幅Ｔｗａ又はパルス幅Ｔｗｂは、図１２（ａ）に示すようなものであるが、超音波送受信部（探触子）に温度変化があると、波形の振幅が変化し、結果として到達時間のずれＴ２−Ｔ１（応答時間の基準からの差ΔＴ）が発生する（図１２（ｂ）参照）。なお、パルス幅の実際の波形にはノイズ成分が含まれていることから（図１２（ｂ）参照）、実際には―定電圧Ｖａで波形をとらえることで、パルス波形の応答時間を検出している。
【００１２】
上述したような状況から、従来のサンプリング時間（ナノ秒オーダー程度）で超音波流量計を使用した場合、温度変化があっても基準からの時間に差が生じなかった（図１３（ａ）参照）のが、ピコ秒オーダー程度のサンプリング時間で従来の超音波流量計を使用した場合、計測感度の高速化に伴う温度影響によって、基準からの応答時間が変化してしまう。例えば、同じ流速であるにもかかわらず温度が高くなった場合には、基準からの応答時間が遅くなり（図１３（ｂ）参照）、遅い流速を算出してしまうことになって、実際の流量との測定誤差を発生させてしまうことがあった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、従来よりも計測感度を高速化させた（高分解能）とした場合に発生する測定誤差を最初から発生させないようにする超音波流量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）  本発明の超音波流量計は、ピコ秒オーダーのサンプリング時間での計測が可能なものであって、流体が流通する流路に、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信することが可能な一対の超音波送受信部と、前記一対の超音波送受信部の温度を所定温度に調整する温度調整部と、前記超音波が前記一対の超音波送受信部間を伝搬する時間を計測する時間計測部と、前記時間計測部によって得られた計測結果に基づいて流量を算出する流量算出部と、液体が内部に封入されているととともに、前記一対の超音波送受信部のそれぞれが前記液体に浸漬された状態で収容されている一対の恒温槽と、前記一対の恒温槽内のそれぞれにおいて前記液体に浸漬された状態で収容されている一対のヒーターと、を備えている。また、前記温度調整部が、前記一対の恒温槽のそれぞれの内部において前記液体に浸漬された状態で収容され、前記一対の超音波送受信部のそれぞれの温度を検知可能な一対の温度検知部と、前記一対の温度検知部において検知した前記一対の超音波送受信部のそれぞれの温度に基づいて、前記一対のヒーターのそれぞれの出力を制御する温度制御部と、を有しているものである。
【００１５】
上記（１）の構成によれば、従来よりも高分解能の超音波流量計とした場合に発生する測定誤差を最初から発生させないようにすることが可能である。すなわち、従来よりも高分解能でありながら、高精度な流量測定が可能な超音波流量計を提供できる。特に、配管を低流速で流れる流体についても高精度な流量測定が可能な超音波流量計を提供できる。
【００１６】
（２）  別の観点として、本発明の超音波流量計は、ピコ秒オーダーのサンプリング時間での計測が可能なものであって、流体が流通する流路に、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信することが可能な一対の超音波送受信部と、前記超音波が前記一対の超音波送受信部間を伝搬する時間を計測する時間計測部と、前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形を、予め基準として得ておいた所定温度の前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形に、必要に応じて補正処理する受信波形処理部と、必要に応じて前記受信波形処理部で得られた情報を用いて、前記時間計測部によって得られた情報に基づいて流量を算出する流量算出部と、を備えているものであってもよい。特に、前記受信波形処理部において、前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形の波高値の情報と、予め得ておいた所定温度の前記一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形の波高値の情報と、前記時間計測部で得られた時間の情報と、温度が高くなるほど超音波の受信波形の波高値が低くなるという受信波形の波高値の温度依存特性の情報と、に基づいて、前記補正処理を行うものであってもよい。
【００１７】
上記（２）の構成によれば、簡易な構成でありながら、従来よりも高分解能の超音波流量計とした場合に発生する測定誤差を最初から発生させないようにすることが可能である。すなわち、従来よりも高分解能でありながら、高精度な流量測定が可能な超音波流量計を提供できる。特に、配管を低流速で流れる流体についても高精度な流量測定が可能な超音波流量計を提供できる。また、上記（１）の超音波流量計においては、超音波送受信部の温度が予め定めた基準となる所定温度になるまで測定を待機する必要があるのに対し、上記（２）の構成によれば、最初に一度又は定期的に、予め基準として所定温度の一対の超音波送受信部のそれぞれが受信した受信波形を得ておけば、異なる場所の配管における流量測定を即時に行うことができるので、異なる場所で多数の測定を短時間且つ高精度で行うことが可能であり、様々な場所で行う流量測定の全体作業効率を向上させることが可能となる。
【００２０】
（３）  上記（２）の超音波流量計においては、前記超音波送受信部から検出した受信波形の情報について、予め前記超音波送受信部から取得しておいた所定温度毎の受信波形の情報のうちいずれの情報に合致するか判定し、前記所定温度毎の受信波形の情報のうち合致した受信波形における温度を、流路内を流れる流体の温度として検出する温度検出部を有しているものであってもよい。
【００２１】
上記（３）の構成によれば、流体の流量を測定できるだけでなく、流体の温度検出も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波流量計の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る超音波流量計の概略構成図である。
【図３】本発明の実施例１における調査に用いた装置構成の概略構成図である。
【図４】（ａ）が本発明の実施例１に係るグラフであって、超音波流量計における超音波送受信部（振動子）の温度（８℃〜１８℃）と応答時間の基準からの差との相関関係を示すもの、（ｂ）が本発明の実施例２に係るグラフであって、（ａ）とは別の超音波流量計における超音波送受信部（振動子）の温度（２０℃〜６５℃）と応答時間差との相関関係を示すものである。
【図５】本発明の実施例２における調査に用いた装置構成の概略構成図である。
【図６】本発明の実施例２での測定結果に係るグラフであって、（ａ）が超音波受信部（振動子）の温度を１０℃とした場合における超音波の受信波形の測定結果を示すもの、（ｂ）が超音波受信部（振動子）の温度を４０℃とした場合における超音波の受信波形の測定結果を示すものである。
【図７】本発明の実施例２に係るグラフであって、受信波の波高値と温度との相関関係を示したものである。
【図８】本発明の実施例３に係る超音波流量計についての動作確認実験結果（温度変化と流速との相関関係）を示したグラフである。
【図９】従来の超音波流量計の概略構成図であって、（ａ）が測定原理にＶ透過法を用いたもの、（ｂ）が測定原理に斜め透過法を用いたものである。
【図１０】図９（ａ）、（ｂ）に示した超音波流量計の計測原理を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】（ａ）が図９（ａ）に示した超音波流量計の計測原理を説明するための概略図、（ｂ）が図９（ｂ）に示した超音波流量計の計測原理を説明するための概略図である。
【図１２】パルス幅の温度影響を説明するためのグラフであって、（ａ）がパルス幅、（ｂ）が実際のパルス波形である。
【図１３】温度によるパルス幅の変化を示すグラフであって、（ａ）がサンプリング時間をナノ秒オーダー程度とした場合のもの、（ｂ）がサンプリング時間をピコ秒オーダー程度とした場合のものである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る超音波流量計について説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波流量計１００は、流体が流通する測定経路（流路）１に着脱可能な第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３と、第一の超音波送受信部２を内部に収容している第一の恒温槽４と、第二の超音波送受信部３を内部に収容している第二の恒温槽５と、第一の超音波送受信部２の温度を検知可能な第一の温度検知部８と、第二の超音波送受信部３の温度を検知可能な第二の温度検知部９と、第一のヒーター６及び第二のヒーター７を制御可能な温度制御部１０と、所定部位の制御等を行う制御部１１と、を備えているものである。
【００２５】
第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３のそれぞれは、発振回路（図示せず）によって駆動し、測定経路１内部の流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発生することができるものである。また、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３のそれぞれは、流れ方向上手側または下手側から到来した超音波を受信できるものでもある。
【００２６】
第一の恒温槽４及び第二の恒温槽５の内部には液体が封入されており、第一のヒーター６及び第二のヒーター７において発生した熱を、間接的に第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３のそれぞれに伝導することができるようになっている。
【００２７】
第一の温度検知部８は、第一の恒温槽４の内部を加熱可能な第一のヒーター６と、第一の超音波送受信部２の温度検知に用いる温度検知素子（図示せず）とを、第一の恒温槽４の内部に有している。同様に、第二の温度検知部９は、第二の恒温槽５の内部を加熱可能な第二のヒーター７と、第二の超音波送受信部３の温度検知に用いる温度検知素子（図示せず）とを、第二の恒温槽５の内部に有している。
【００２８】
温度制御部１０は、第一の温度検知部８及び第二の温度検知部９において検知した第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３の温度に基づいて、第一のヒーター６及び第二のヒーター７の出力を制御するものである。
【００２９】
なお、第一の温度検知部８、第二の温度検知部９、及び、温度制御部１０は、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３の温度を所定温度に調整する温度調整部の主要部を構成している。
【００３０】
制御部１１は、超音波が第一の超音波送受信部２、第二の超音波送受信部３間を伝搬する時間を計測する時間計測部１２と、時間計測部１２によって得られた計測結果に基づいて流量を算出する流量算出部１３とを有しているものである。
【００３１】
次に、超音波流量計１００の動作について説明する。まず、第一の温度検知部８及び第二の温度検知部９において、測定経路１外表面に取り付けられた第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３の温度をそれぞれ検知する。次に、検知した該温度に基づいて、温度制御部１０は、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３の温度が予め定めた所定温度（例えば、温度変化による測定誤差が生じないように予め定めた基準温度）となるように、第一のヒーター６及び第二のヒーター７の出力を制御し、第一の恒温槽４及び第二の恒温槽５の内部における液体を介して第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３の温度調整を行う。続いて、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３が所定温度になった後、測定経路１内部に流体が流れている状態において、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３のそれぞれから超音波を送信し、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３は相互に受信波を受信する。このとき、時間計測部１２によって、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３のそれぞれから送信された超音波が、第一の超音波送受信部２、第二の超音波送受信部３間を伝搬する時間を計測しておく。そして、流量算出部１３において、時間計測部１２によって得られた計測結果と、上記式（１）と、上記式（１）に代入するために予め得ておいた各値とを用いて流量を算出する。
【００３２】
本実施形態によれば、第一の超音波送受信部２及び第二の超音波送受信部３を、予め定めた所定温度、例えば、温度変化による測定誤差が生じないように予め定めた基準温度に調整できるので、従来よりも高分解能の超音波流量計とした場合に発生する測定誤差を最初から発生させないようにすることが可能である。すなわち、従来よりも高分解能でありながら、高精度な流量測定が可能な超音波流量計１００を提供できる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る超音波流量計について説明する。なお、本実施形態における符合２０、２３、２４の部位は、順に、第１実施形態における符合１、２、３の部位と同様であるので、説明を省略することがある。
【００３４】
図２に示すように、本実施形態に係る超音波流量計２００は、流体が流通する測定経路である配管（流路）２０に着脱可能な超音波プローブ２１と、超音波プローブ２１と接続されている制御部３０とを備え、上述した「Ｖ透過法」と呼ばれる測定方法を用いるものである。
【００３５】
超音波プローブ２１は、プローブケース２２と、プローブケース２２内部の別室にそれぞれ配設されている超音波送受信部（振動子）２３、２４とを備えているものである。
【００３６】
制御部３０は、送信波発振部３１と、受信部３２と、フィルタ部３３と、増幅部３４と、正規化部３５と、高速演算部３６と、流量算出部３７と、ＣＰＵ３７と、を有している。また、制御部３０は、上記符号３１〜３５の部位と順に同様の送信波発振部３９、受信部４０、フィルタ部４１、増幅部４２、正規化部４３、を有している。
【００３７】
送信波発振部３１、３９は、ＣＰＵ３７から発せられた発振開始信号によって、超音波送受信部（振動子）２３、２４を駆動し、超音波２５、２７を発生させるものである。
【００３８】
超音波送受信部（振動子）２３、２４は、図２に示したように、超音波２５、２７を発生した後、超音波２５、２７が測定経路（流路）２０の底部で反射してなる受信波２６、２８をそれぞれ受信することができるものである。
【００３９】
受信部３２は、超音波送受信部（振動子）２４で受信した受信波２８の信号を検出する回路（図示せず）を有しているものである。同様に、受信部４０は、超音波送受信部（振動子）２４で受信した受信波２６の信号を検出する回路（図示せず）を有しているものである。
【００４０】
フィルタ部３３、４１は、入力された電気信号に帯域制限をかけたり、特定の周波数成分を取り出したりすることが可能なフィルタ回路を有しているものである。
【００４１】
増幅部３４、４２は、フィルタ部３３、４１から出力された信号を増幅する増幅回路を有しているものである。
【００４２】
正規化部３５は、増幅部３４から出力された信号を正規化し、正規化パルスを生成する正規化回路（図示せず）と、増幅部３４から出力された信号と基準電圧または基準電流とを比較し、どちらが大きいかで出力が切り替わるコンパレータとを有しているものである。同様に、正規化部４３は、増幅部４２から出力された信号を正規化し、正規化パルスを生成する正規化回路（図示せず）と、増幅部４２から出力された信号と基準電圧または基準電流とを比較し、どちらが大きいかで出力が切り替わるコンパレータとを有しているものである。なお、正規化部３５、４３は、後述する高速演算部３６、補正処理部３７ｂなどとともに、受信波形処理部（図示せず）の主要部を構成するものでもある。
【００４３】
高速演算部３６は、正規化部３５、４３から出力された正規化パルス信号を受信し、正規化パルスの計測を行うものである。
【００４４】
ＣＰＵ３７は、時間計測部３７ａと流量算出部３７ｂとを有している。時間計測部３７ａは、送信波発振部３１、３９のそれぞれに超音波の発振開始信号が送信されてから予め設定された一定時間経過後の基準時間から、各正規化パルスの信号を検出するまでの時間を各応答時間として計測するものである。流量算出部３７ｂは、補正処理部３７ａ１で補正処理された応答時間差の値と上記式（１）、（２）とを用いて流体の流速及び流量を算出する処理を行うものである。
【００４５】
なお、補正処理部３７ａ１における温度に対する応答時間差の補正処理は、例えば、実際の測定前に、使用する超音波流量計ごとに予め求めておいた下記式（３）のうちいずれか一つを用いて行う。ここで、下記式（３）におけるｙは補正時間（ｎｓ）、ｘは温度（℃）である。なお、下記式（３）の求め方は、後述する本発明の実施例において説明する。ここで、上記補正に用いる式については、下記式（３）に限られず、一次関数、二次関数、指数関数、対数関数、多項式など各種の近似式で表すこともできるが、最も高い相関関係を有した近似式を用いることが好ましい。
【００４６】
ｙ＝０．２０８ｘ＋２．３０６          （３）
【００４７】
また、図１２（ｂ）に示したように、超音波の受信波形の波高値は、温度が高くなるほど波高値が低くなるという温度依存特性を示す。ここで、該波高値と温度との相関関係を予め検出しておき、正規化部３５、４３において、例えば、該相関関係から得られる下記式（４）を用いて、受信波形の波高値から温度データを算出し、上記式（３）のうち用いる方に入力することで温度補正処理を行うこととしてもよい。ここで、下記式（４）におけるｙ１はエコー電圧（ｍＶ）、ｘ１は温度（℃）である。このような補正処理を行えば、温度計などを用いた別途の温度検出を不要とすることができる。なお、下記式（４）の求め方は、後述する本発明の実施例において説明する。
【００４８】
ｙ１＝−０.２３２７ｘ１２＋２.１８５５ｘ＋１３０７.６      （４）
【００４９】
次に、超音波流量計２００の動作について説明する。まず、ＣＰＵ３７から送信波発信部３１、３９に発振開始信号を発すると同時に、受信部３２、４０の時間計測部３２ａ、４０ａに時間計測開始信号を送信する。ＣＰＵ３７から発信開始信号を受信した送信波発信部３１、３９は、超音波送受信部（振動子）２３、２４を駆動して、超音波２５、２７（図２参照）を発生させる。一方、時間計測開始信号を受信した時間計測部３２ａ、４０ａは、時間計測を開始する。次に、超音波送受信部（振動子）２３、２４において、超音波２５、２７が反射してなる受信波２８、２６を受信し、送信波発信部３１、３９を介して受信信号を受信部３２、４０に送信する。このとき、時間計測部３２ａ、４０ａは、時間計測を終了し、時間計測結果信号を受信信号とともに、フィルタ部３３、４１に出力する。フィルタ部３３、４１から受信した信号を増幅部３４、４２によって増幅した後、正規化部３５、４３に信号を送信する。信号を受信した正規化部３５、４３は、温度に対する応答時間差の補正処理を行うとともに増幅部３４から出力された信号を正規化し、正規化パルスを生成する。このとき、正規化部３５、４３内のコンパレータによって、増幅部３４から出力された信号と基準電圧とを比較し、増幅部３４から出力された信号が基準電圧よりも大きい場合、正規化パルス信号が高速演算部３６に出力される。正規化パルス信号を受信した高速演算部３６は、ＣＰＵ３７で設定した基準時間から数マイクロ秒の時間範囲をピコ秒オーダー（例えば、６５ピコ秒）毎に正規化パルスの計測を行う。そして、高速演算部３６からの正規化パルスの計測結果の信号を受信した流量算出部３７は、流体の流速及び流量を算出する処理を行う。
【００５０】
上記構成によれば、温度変化による超音波の応答時間差を補正できるので、従来よりも高分解能の超音波流量計とした場合に発生する測定誤差を最初から発生させないようにすることが可能である。すなわち、従来よりも高分解能でありながら、高精度な流量測定が可能な超音波流量計２００を提供できる。また、上記第１実施形態の超音波流量計１００においては、超音波送受信部２２、２３の温度が予め定めた基準となる所定温度になるまで測定を待機する必要があるのに対し、本実施形態によれば、最初に一度又は定期的に、予め基準として所定温度の超音波送受信部２２及び超音波送受信部２３のそれぞれが受信した受信波形を得ておけば、異なる場所の配管における流量測定を即時に行うことができるので、異なる場所で多数の測定を短時間且つ高精度で行うことが可能であり、様々な場所で行う流量測定の全体作業効率を向上させることが可能となる。
【実施例】
【００５１】
（実施例１）
ここで、上述の第２実施形態における補正の式（３）の算出方法について説明する。具体的には、上述の第２実施形態と同様の超音波流量計について、超音波送受信部（振動子）の温度（８℃〜１８℃の範囲）と応答時間差との相関関係を調査して、算出した。以下に、該調査に用いた装置構成について説明する。
【００５２】
図３に示したように、恒温槽５０と、恒温槽５０の内部に設けられた水槽５１と、水槽５１の底部に設けられた固定冶具５２と、水槽５１内の水温計測に用いるＫ型熱電対５３に接続された温度計５４と、本発明に係る超音波流量計と、を備えた実験装置を用いて調査した。なお、本発明に係る超音波流量計は、第２実施形態の制御部３０（図２参照）と同様の制御部６０と、固定冶具５２の内側において対向するように且つ互いに超音波の送受信ができるように任意の距離を離して設けられた一対の超音波送受信部６１、６２（超音波プローブ）とを有している。また、制御部６０及び温度計５４で検出されたデータは、記憶部（図示せず）において蓄積されるようになっている。
【００５３】
次に、上記装置を用いた応答時間差の調査方法を示す。恒温槽５０において、水槽５１内の水温を５℃〜２０℃に徐々に変化させるように制御することによって、超音波送受信部６１、６２の温度を経時的に変化させつつ８℃〜１８℃までの範囲で、第２実施形態の動作と同様に超音波の送受信を行った際のＫ型熱電対５４による水温のデータと、第２実施形態の動作と同様にして制御部６０で得た応答時間差のデータとを検出して、調査した。なお、水温と超音波送受信部６１、６２の温度とが十分に一致するようにしてから、調査は行った。このようにして得られたデータから作成した超音波送受信部（振動子）の温度（８℃〜１８℃の範囲）と応答時間差ΔＴとの相関関係を図４に示す。
【００５４】
図４から、最小二乗法により近似関数を作成するとよい相関があることがわかる。そして、温度ｘ（℃）、応答時間差ｙ（ｎｓｅｃ）とすると，yはｘの１次関数で近似することができる。すなわち、上記式（３）に示したように、１℃あたり０．２０８（ｎｓｅｃ）程度の補正をする必要があることがわかる。
【００５５】
（実施例２）
次に、上述の第２実施形態における補正の式（４）の算出方法について説明する。
【００５６】
まず、以下の装置構成を用いて、超音波の受信波形の温度依存特性について調査した。すなわち、図５に示したように、恒温槽７０と、恒温槽７０の内部に設けられた水槽７１と、水槽７１の底部に設けられた固定冶具７２と、オシロスコープ７３と、水槽７１内の水温計測に用いるＫ型熱電対７４に接続された温度計７５と、本発明に係る超音波流量計と、を備えた実験装置を用いて調査した。なお、本発明に係る超音波流量計は、第２実施形態の制御部３０（図２参照）と同様の制御部８０と、固定冶具７２の内側において対向するように且つ互いに超音波の送受信ができるように任意の距離を離して設けられた一対の超音波送受信部８１、８２（超音波プローブ）とを有している。
【００５７】
超音波流量計における超音波受信部（振動子）の温度が１０℃の場合と４０℃の場合とにおける超音波の受信波形をオシロスコープ７３で実測すると、図６（ａ）（１０℃の場合）、図６（ｂ）（４０℃の場合）に示すような結果が得られた。すなわち、温度が高くなるほど、受信波形の波高値が低くなることがわかった。したがって、適正な温度補正を行えば、温度計などによる実測定ごとの別途温度検出を不要とすることができる。
【００５８】
次に、上記温度補正を行うための式を得るために、受信波の波高値と温度との相関関係を、図５に示した装置構成を用いて調査した。具体的には、恒温槽７０において、水槽７１内の水温を５℃〜５０℃に徐々に変化させるように制御することによって、超音波送受信部８１、８２の温度を経時的に変化させつつ５℃〜５０℃までの範囲で第２実施形態の動作と同様に超音波の送受信を行い、Ｋ型熱電対７４による水温のデータと、オシロスコープ７３から受信波形を取得し、制御部７０で計測した波高値とを検出して、超音波送受信部８１、８２の温度と受信波の波高値との相関関係を調査した。なお、水温と超音波送受信部８１、８２の温度とが十分に一致するようにしてから、調査を行った。
【００５９】
上述のようにして得られた受信波の波高値と超音波送受信部８１、８２の温度との相関関係を図７に示す。この相関関係から補正の式（４）が得られた。受信波形の波高値から温度データを算出し、応答時間差の補正の式（３）に入力することで温度補正を行った。この結果、実測定ごとの別途温度検出を不要とすることができた。
【００６０】
（実施例３）
上記第２実施形態と同様の装置構成で作製した超音波流量計について動作確認実験を行った。具体的には、配管内を６０ｍｍ／ｓの一定流速で流れる水について、水温を８℃〜６０℃まで経時的に変化させつつ、時間、温度及び流速の相関関係を調査した。その結果を図８に示す。
【００６１】
図８の結果から、流速の計測値については、補正前が２５ｍｍ／ｓ〜８８ｍｍ／ｓの範囲で経時的に変化したのに対し、補正後は５３ｍｍ／ｓ〜６７ｍｍ／ｓの範囲で安定して計測ができた。したがって、上記第２実施形態と同様の装置構成で作製した超音波流量計について、温度の変化が生じても、一定流速を安定して計測できることが確認できた。
【００６２】
（実施例４）
実施例３と同様の超音波流量計により基準流量を設定し、実施例３と同様の超音波流量計と、従来の外付型の超音波流量計（計測可能な最小流速が３０ｍｍ／ｓ）との流量計測性能を比較した。
【００６３】
上記比較の結果を下記表１に示す。下記表１の結果から、実施例４と同様の超音波流量計においては、従来の超音波流量計では測定不可能な流速３０ｍｍ／ｓ以下の流量域において計測できるということが確認できた。
【００６４】
【表１】
0005634113.tif 000002
【００６５】
なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。例えば、第１実施形態において、所定温度を高く設定したとしても冷却して所定温度に調整できるように、ヒーターの代わりに冷却装置を設けた超音波流量計としてもよい。
【００６６】
また、上記第１実施形態の超音波流量計においては、超音波送受信部を点対称配置としたが、第２実施形態に示したような並列配置としてもよい。逆に、第２実施形態の超音波流量計においては、超音波送受信部を並列配置としたが、第１実施形態に示したような点対称配置としてもよい。
【００６７】
また、上記第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせた超音波流量計としてもよい。すなわち、上記恒温槽を温度制御部等によって所定温度に調整して温度変化による測定誤差を発生させないようにすることができるとともに、超音波送受信部に温度変化が生じても補正処理して温度変化による測定誤差を発生させないようにすることができる超音波流量計としてもよい。
【００６８】
また、上記第２実施形態においては、実際に超音波送受信部から検出した受信波形の情報について、予め超音波送受信部から取得し記憶部（図示せず）に記憶させておいた所定温度毎の受信波形の情報のうちいずれの情報に合致するか判定し、所定温度毎の受信波形の情報のうち合致した受信波形における温度を、配管（流路）内を流れる流体の温度として検出する温度検出部（図示せず）をＣＰＵ３７内に有していてもよい。なお、上記温度検出部による温度検出は、実測した際の超音波送受信部、配管、流体の温度がほぼ同様になった時点以降に行うことが好ましい。
【００６９】
上記第２実施形態及び変形例においては、ＣＰＵの内部に時間計測部、流量算出部、温度算出部などを設け作動させることができる構成としているが、これに限られず、時間計測部、流量算出部、温度検出部などを実行するプログラムをＣＰＵ外部の記憶装置内に設け、必要に応じてＣＰＵに読み込んで実行する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１    測定経路
２、３、２３、２４、６１、６２、８１、８２、３０３、３０４、３１４、３１５    超音波送受信部（振動子）
４、５、５０、７０    恒温槽
６、７    ヒーター
８、９    温度検知部
１０    温度制御部
１１、３２、６０、８０    制御部
１２、３２ａ    時間計測部
１３、３７    流量算出部
２０、３００、３１０    配管
２１、３０１、３１１、３１２    超音波プローブ
２２、３０２、３１３、３１５    プローブケース
５１、７１    水槽
５２、７２    固定冶具
５３、７３    Ｋ型熱電対
５４、７５    温度計
７３    オシロスコープ
１００、２００    超音波流量計
【図１】
0005634113.tif 000003
【図２】
0005634113.tif 000004
【図３】
0005634113.tif 000005
【図５】
0005634113.tif 000006
【図６】
0005634113.tif 000007
【図７】
0005634113.tif 000008
【図８】
0005634113.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005634113.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図４】
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