(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発信素子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受波器で受信し、各超音波の伝搬時間をクロック波を利用することにより求め該伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波流速測定方法において、
前記クロック波と同期して該クロック波と同周期で直線性ののこぎり波を別途連続出力し、該のこぎり波の前記超音波受信時における電圧値と、のこぎり波の比例直線部における電圧値および時間の比例関係とから、前記超音波受信前の最終パルスクロック出力時から該超音波受信時までの端数時間を求めることを特徴とする超音波流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を利用してガスその他の流体を測定する超音波流速測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスその他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、これに基いて流量を演算することが行われている。このような流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知られている。
【０００３】
かかる超音波流速測定方法の原理を、図７にて説明すると次のとおりである。図７において、（１）は内部を矢印方向にガス等の流体が流れる管路である。この管路（１）内には、流れ方向の上流側及び下流側に、所定距離を隔てて送受波器（２）（３）が配置されている。
【０００４】
前記の各送受波器（２）（３）は送波器と受波器を兼ねるもので、振動子からなる超音波発信兼受信素子（図示略）を備えており、この超音波発信兼受信素子がパルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信して超音波発信兼受信素子が振動したときの受信波が受信回路（５）から電気信号として出力されるものとなされている。
【０００５】
そして、上流側送受波器（２）から流れに対して順方向に送信された超音波が下流側送受波器（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側送受波器（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側送受波器（２）で受波されるまでの伝搬時間との差は、流速に関係することから、この伝搬時間差を求めることにより流体の流速を測定するものとなされている。なお、図７において、（６）は各送受波器（２）（３）とパルス発生回路（４）及び受信回路（５）の接続を切替える切替回路であり、まずパルス発生回路（４）と上流側の送受波器（２）、下流側の送受波器（３）と受信回路（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間を測定したのち、該切替回路（６）の作動によりパルス発生回路（４）と下流側の送受波器（３）、上流側の送受波器（２）と受信回路（５）とが接続されるように切替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するものとなされている。
【０００６】
ところで、前記伝搬時間を求める方法として、従来、クロック回路を利用したものが知られている。即ち、図８（ａ）に示すように、超音波が送受波器（２）または（３）から送信された時刻（Ａ）と同じくして、別途設けられたクロック回路においてクロック波を一定周期で連続的に出力し、それから前記超音波が送受波器（２）または（３）に受信される時刻（Ｂ）まで出力された該クロック波の個数をカウンタにより計数することにより、伝搬時間を測定する。例えば、図８（ａ）においては、伝搬時間τ内に周期Ｔ0 のクロック波が９個出力されているので、伝搬時間τは８Ｔ0 と測定できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このクロック回路を利用した方法で伝搬時間τを求める際、上述のように伝搬時間τがクロック波の周期Ｔ0 の整数倍と一致することは希であり、実際は、図８（ｂ）に示すように、クロック波の山（Ｗ7 ）と次の山（Ｗ8 ）の途中で前記超音波が送受波器（２）または（３）に受信されることが多い。したがって、前記超音波が受信される前に最後に出力されたクロック波（Ｗ7)から、前記超音波が受信される時（Ｂ）までの端数時間ｔは測定することが不可能であるため、図８（ｂ）の例においては伝搬時間τが７Ｔ0 ＋ｔとなるところを７Ｔ0 と測定されて誤差が生じる欠点があった。また、超音波流速測定管（１）内の流体の流速が遅い場合は、上流側送受波器（２）から流れに対して順方向に送信された超音波も、下流側送受波器（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波も、クロック波の山（Ｗ7)と山（Ｗ8)との途中で超音波が送受波器（２）または（３）に受信されることがある。このため、順方向に送信された超音波の伝搬時間τと逆方向に送信された超音波の伝搬時間τ´はいずれも同じく７Ｔ0 と測定され、伝搬時間の差（τ´−τ）が０となっていた。そのため、管内の流体は遅いながら流れているにもかかわらず、流速が０と測定される不合理が生じていた。
【０００８】
そこで、かかる難点を解消するため、この伝搬時間の測定に周期のより短いクロック波を出力するクロック回路を利用する方法が考えられるが、このような周期の短いクロック回路は高価であり、その上、所用電力も高く不経済であるという欠点がある。
【０００９】
この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであって、周期の短いクロック波を出力するクロック回路を利用しなくても伝搬時間を精度良く測定でき、ひいては高精度な流速測定を可能とする超音波流速測定方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の１つは、計測流体の上流側と下流側にそれぞれ送波器及び受波器を配置し、前記各送波器の超音波発信素子に駆動パルスを印加して相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受波器で受信し、各超音波の伝搬時間をクロック波を利用することにより求め該伝搬時間の差に基いて流速を測定する超音波流速測定方法において、
前記クロック波と同期して該クロック波と同周期で直線性ののこぎり波を別途連続出力し、該のこぎり波の前記超音波受信時における電圧値と、のこぎり波の比例直線部における電圧値および時間の比例関係とから、前記超音波受信前の最終パルスクロック出力時から該超音波受信時までの端数時間を求めることを特徴とするものである。
【００１１】
これにより前記端数時間を簡単に求めることができ、さらに、その端数時間と、クロック波により求められる超音波送信時から超音波受信直前のクロック波出力時までの時間とを加算することにより、周期の短いクロック回路を利用しなくても伝搬時間を精度良く測定できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明を実施するための超音波流速測定装置を示すものである。図１において、（１）は管路、（２）（３）は流れ方向の上流側及び下流側に所定距離を隔てて配置された送受波器、（４）は駆動パルスを発生するパルス発生回路、（５）は送受波器（２）（３）で超音波を受信したときに受信信号を出力する受信回路、（６）は各送受波器（２）（３）とパルス発生回路（４）及び増幅回路（５）の接続を切替える切替回路であり、これらは図７に示したものと同じである。
【００１５】
この実施形態では、送信側において、クロック波を出力するクロック回路（７）と、のこぎり波を出力する積分回路（８）とが設けられている。
【００１６】
このクロック回路（７）は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、送受波器（２）（３）から超音波が送信される時刻刻（Ａ）と同期して、周期Ｔ0 のクロック波を出力するものである。
【００１７】
そして、クロック回路（７）の出力側には、カウンタ（９）と演算回路（１０）とが設けられている。このカウンタ（９）は、クロック回路（７）からクロック波が出力され始めた時刻（Ａ）から、前記超音波を送受波器（２）（３）で受信して受信回路（５）から受信信号が出力される時刻（Ｂ）までの時間内、即ち超音波の伝搬時間（τ）内において、クロック回路（７）から出力されたクロック波の個数をカウントするものである。また、演算回路（１０）は、前記カウンタ（９）でカウントされたクロック波の個数に基づいて、クロック回路（７）からクロック波が出力され始めた時刻（Ａ）から、前記受信信号が出力される直前にクロック波が出力された時刻（Ｃ）までの時間（Ｔ）を計算し出力するもので、具体的には以下の式で現される。
【００１８】
（時間Ｔ）＝（クロック波の周期Ｔ0 ）×（出力されたクロック波の波数−１）・・・［１］
一方、積分回路（８）は、図２（ｃ）に示すように、クロック回路（７）と同じく送受波器（２）（３）から超音波が送信される時刻（Ａ）と同期して、立上がりが穏やかで立ち下がりが急峻な周期Ｔ0 および波高値Ｖ0 ののこぎり波を出力するものである。この積分回路（８）の出力値は回路内のコンデンサの電圧値を示すものであり、コンデンサの充電時はコンデンサの電圧値と時間とが比例関係をなすことから、のこぎり波の各立上がり部は比例直線の一部となされている。  そして、この積分回路（８）の出力側には、ピークホールド回路（１１）が設けられているが、これは受信回路（５）から前記受信信号が出力された時刻（Ｂ）において、積分回路（８）の出力値であるコンデンサの電圧値を保持するものである。この実施形態では、図２（ｃ）に示すように、受信回路（５）から受信信号が出力された時点（Ｂ）において、積分回路（１１）の出力値は積分回路（１１）内のコンデンサの電圧値（Ｖ）に対応する値となっており、従ってこの値がピークホールド回路（１１）に保持されるものとなされている。
【００１９】
さらに、ピークホールド回路（１１）の出力側には、ピークホールド回路（１１）の保持された電圧値Ｖをデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路（１２）設けられ、さらにその出力側には演算回路（１０）が設けられている。この演算回路（１０）は、Ａ／Ｄ変換により正確に測定された電圧値Ｖに基づいて，前記受信信号が出力される直前にクロック波が出力された時刻（Ｃ）から前記積分回路（８）の出力値が電圧値Ｖに達する時刻（Ｂ）までの端数時間ｔを計算するものである。即ち、図３に示すように、のこぎり波（Ｗ´8 ）の立上がり部における時間と電圧値とは比例関係にあるため、
ｔ／Ｔ0 ＝Ｖ／Ｖ0 ・・・［２］
が成り立ち、これより端数時間（ｔ）は次式であらわされ、
ｔ＝（Ｖ×Ｔ0 ）／Ｖ0 ・・・［３］
このＴ0 は周期、Ｖ0 は波高値でそれぞれ既知であるから、受信信号が出力されたときの積分回路（８）におけるコンデンサの電圧値Ｖがわかれば端数時間ｔを求めることでき、演算回路（１３）はこれらの処理をするものである。
【００２０】
（１４）は演算回路（１０）（１３）の出力側に設けられた加算回路であり、演算回路（１０）（１３）から出力された各測定時間Ｔ、ｔを加算することで伝搬時間τを求め、出力するものある。
【００２１】
次に、図１に示した装置を用いた超音波測定方法を説明すると、パルス発生回路（４）から駆動パルスを駆動し上流側の送受波器（２）から超音波を送信すると共に、それと同期して、クロック回路（７）からクロック波（Ｗ）を、積分回路（８）からのこぎり波（Ｗ´）をそれぞれ出力する。
【００２２】
その後、その送信された超音波が下流側の送受波器（３）で受信されると、受信回路（５）からは受信信号が出力される。このとき、クロック回路（７）からは図２（ｂ）に示すようなクロック波（Ｗ）が出力されているから、カウンタ  （９）によって、クロック波（Ｗ）が出力され始めた時刻（Ａ）から受信信号が出力される時刻（Ｂ）までのクロック波（Ｗ）の波数をカウントする。そして、演算回路（１３）によって、このクロック波（Ｗ）の波数に基づいて、クロック波（Ｗ）が出力され始めた時刻（Ａ）から受信信号の出力直前にクロック波（Ｗ）がされる出力される時刻（Ｃ）までの時間Ｔを計算する。この実施形態では、図２（ｂ）に示すように、受信信号が出力されるまでにクロック回路（７）から出力されたクロック波の波数は８個であるから、それが演算回路（１３）に入力されると演算回路（１３）では式［１］の演算が行われ、前記時間Ｔは７Ｔ0 と出力される。
【００２３】
一方、受信回路（５）から受信信号が出力された時刻（Ｂ）では、積分回路  （８）からは図２（ｃ）に示すようなのこぎり波（Ｗ8 ´）が出力されているから、この受信信号出力時（Ｂ）の積分回路（８）におけるコンデンサの電圧値Ｖをピークホールド回路（１１）によって保持する。この保持された出力値Ｖは、Ａ／Ｄ変換回路（１２）により読み取られた後、演算回路（１３）に入力され端数時間ｔが出力される。この実施形態では、端数時間は式［３］によりあらわされる。
【００２４】
そして、演算回路（６）からの出力値Ｔと演算回路（１３）からの出力値ｔはともに加算回路（１４）に入力され、加算回路（１４）からは超音波が送受波器（２）から送信されてから送受波器（３）により受信されるまでの伝搬時間τが出力され、次式であらわされる。
【００２５】
0003720155.tif 000002
こうして順方向の超音波の伝搬時間τを測定した後は、図示しないリセット回路で積分回路（８）のコンデンサを放電させて、次の測定に備える。
【００２６】
次に、切替回路（６）により、送受波器（３）を送信側に、送受波器（２）を受信側に接続を切替え、図２および図３に示すように、上述と同様にして受信信号の出力時に測定された積分回路の出力値Ｖ´に基づいて端数時間ｔ´を求めると共に、逆方向の超音波の伝搬時間τ´を求める。すると、２つの伝搬時間は流体流速に応じて変化する伝搬時間差（τ´−τ）を生じているから、これに基づいて流体流速を求め、さらに必要に応じて流量を求める。
【００２７】
このように、クロック波のみを利用した方法では求めることができなかった前記端数時間ｔおよびｔ´を、受信波到達時（Ｂ）（Ｂ´）における積分回路（８）のコンデンサの電圧値ＶおよびＶ´とのこぎり波の比例直線部における時間および電圧値の関係とから演算により求めることができる。このため、クロック波（Ｗ）から求めた時間Ｔとこの端数時間ｔまたはｔ´とを加算すれば、各超音波の伝搬時間をτおよびτ´を正確かつ簡単に導出することができる。
【００２８】
［実施形態２］
図４はこの発明の他の形態を実施するための測定装置を示すものである。この実施形態では、受信側において、実施形態１と同じく周期Ｔ0 、波高値Ｖ0 ののこぎり波を出力する積分回路（８）が設けられており、受信回路（５）から出力される受信信号と同期して該のこぎり波を出力する。
【００２９】
そして、積分回路（８）の出力側にはピークホールド回路（１１）が設けられているが、これはＡＮＤ回路（１５）からのホールド信号が出力されたときの積分回路（８）におけるコンデンサの電圧値を保持するものである。このＡＮＤ回路（１５）は積分回路（８）からの出力信号とクロック回路（７）からの出力信号が入力されるものであるから、積分回路からのこぎり波が出力されてから、初めてクロック回路（７）からクロック波が出力される時点（Ｄ）においてホールド信号を出力する。従って、図５（ｃ）に示すように、この時点（Ｄ）において積分回路（８）の出力は積分回路（８）におけるコンデンサの電圧値Ｖに対応する値となっているから、この値がピークホールド回路（１１）に保持されるものとなされている。
【００３０】
さらに、ピークホールド回路（１１）の出力側にはピークホールド回路（１１）で保持された電圧値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路（１２）が設けられ、さらにその出力側には演算回路（１３）が設けられている。この演算回路は、Ａ／Ｄ変換により正確に測定された電圧値Ｖに基づいて、図５（ｃ）に示す端数時間ｔ（ＣＢ）を演算する。即ち、図６に示すように、のこぎり波の立上がり部における時間と電圧値とは比例関係にあるため、
ｔ1/Ｔ0 ＝Ｖ／Ｖ0 ・・・［５］
が成り立ち、これにより時間ｔ1 は次式であらわされる。
【００３１】
ｔ1=（Ｖ×Ｔ0 ）／Ｖ0 ・・・［６］
ところで、図５（ｃ）における時間ＢＥと時間ＣＤはそれぞれクロック波とのこぎり波の周期Ｔ0 と等しいから、端数時間ｔは時間（Ｔ0 −ｔ1)と等しい値となり、式［６］から次式であらわされる。
【００３２】
0003720155.tif 000003
従って、Ｔ0 は周期、Ｖ0 は波高値でそれぞれ既知であるから、受信信号が出力されたときの積分回路におけるコンデンサの電圧値Ｖに基づいて端数時間ｔが求められる。
【００３３】
なお、図４に示した実施形態の他の構成部品において、図１に示したものと同一のものについては同一の名称、符号を付し、その説明は省略する。
【００３４】
次に、図４に示した装置を用いた超音波測定方法を説明すると、パルス発生回路（４）から駆動パルスを駆動し上流側の送受波器（２）から超音波を送信すると共に、それと同期してクロック回路（７）からクロック波を出力する。
【００３５】
そして、クロック波が出力され始めてから受信信号の出力直前にクロック波が出力されるまでの時間Ｔを実施形態１と同様に演算回路（１０）により演算するすれば、演算回路（１０）から前記時間Ｔは７Ｔ0 と出力される。
【００３６】
一方、送受波器（２）が超音波を受信して、受信回路（５）から受信信号が出力された時（Ｂ）に同期して、積分回路（８）から図５（ｃ）に示すようなのこぎり波が出力される。
【００３７】
その後、該積分回路（８）からの出力信号が入力されているＡＮＤ回路（１５）にクロック回路（７）からの出力信号が入力される時点（Ｄ）において、ＡＮＤ回路（１５）がホールド信号を出力するから、この時の積分回路（８）におけるコンデンサの電圧値Ｖをピークホールド回路（１１）によって保持する。この保持された出力値Ｖは、Ａ／Ｄ変換回路（１２）に入力された後、演算回路（１３）に入力され上述の処理により端数時間ｔが出力される。この実施形態では、端数時間は式［７］によりあらわされる。
【００３８】
そして、演算回路（６）からの出力値Ｔと演算回路（１３）からの出力値ｔはともに加算回路（１４）に入力され、加算回路（１４）からは、超音波が送受波器（２）から送信されてから送受波器（３）により受信されるまでの伝搬時間τが出力され、次式であらわされる。
【００３９】
0003720155.tif 000004
次に、実施形態１と同様にして、逆流側の伝搬時間を求めた後、伝搬時間差、流体流速、さらには流量を求める。
【００４０】
このように、実施形態１のように超音波の送信時のみならず、超音波の受信時において積分回路（８）からのこぎり波を出力しても、端数時間、ひいては超音波の伝搬時間を正確に導出することができる。
【００４１】
なお、以上の実施形態１、２では積分回路（８）においてコンデンサが充電する場合を利用したが、これを放電する場合に適用してもよい。また、流体の上流側と下流側に各１個の送受波器（２）（３）を設け、切替回路（６）で接続を切替えて、上流側から下流側への送信と下流側から上流側への送信を順次的に行う場合を示したが、上流側に送波器と受波器を別々に設けるとともに下流側にもこれに対応して受波器と送波器を別々に設けることにより、伝搬時間の測定を同時的に行うものとしても良い。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明は、上述の次第で、クロック波と同期して該クロック波と同周期で直線性ののこぎり波を別途連続出力し、該のこぎり波の前記超音波受信時における電圧値と、のこぎり波の比例直線部における電圧値および時間の比例関係とから、前記超音波受信前の最終パルスクロック出力時から該超音波受信時までの端数時間を求めることをを特徴とするものであるから、周波数の短いクロック波を出力するクロック回路を利用しなくても前記端数時間を簡単に求めることができる。このため、その端数時間と、従来から求めることができていた超音波発信時から超音波受信直前のクロック波出力時までの時間とを加算することにより、超音波の伝搬時間を正確に求めることでき、ひいては高精度な流速測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明を実施するための超音波流速測定装置の一例を示すブロック図である。
【図２】図１の装置における、超音波の伝搬時間、クロック回路から出力されるクロック波および積分回路から出力されるのこぎり波の相対関係図である。
【図３】図２のＩ部の拡大図である。
【図４】請求項２の発明を実施するための超音波流速測定装置の一例を示すブロック図である。
【図５】図４の装置における、超音波の伝搬時間、クロック回路から出力されるクロック波および積分回路から出力されるのこぎり波の相対関係図である。
【図６】図５ＩＩ部の拡大図である。
【図７】従来方法を実施するための超音波流速測定装置の一例を示すブロック図である。
【図８】従来方法における伝搬時間とクロック回路から出力されるクロック波との相対関係図である。
【符号の説明】
１・・・管路
２、３・・・送受波器
【図１】
0003720155.tif 000005
【図２】
0003720155.tif 000006
【図３】
0003720155.tif 000007
【図４】
0003720155.tif 000008
【図５】
0003720155.tif 000009
【図６】
0003720155.tif 000010
【図７】
0003720155.tif 000011
【図８】
0003720155.tif 000012