(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる管体の外面に取り付けられ、それぞれが上流側と下流側とに斜め向かい合わせに配置される一対の超音波振動子と、
前記超音波振動子の一方を駆動させる第１送信波を生成する送信回路と、
前記超音波振動子の一方を前記第１送信波で駆動した場合に前記超音波振動子の他方が受信する受信波形に所定以上の多重波成分が含まれているか否かを判定する受信波形判定部と、
前記受信波形判定部が前記受信波形に所定以上の多重波成分が含まれていると判定した場合に、２周期目以降の所定タイミングから後の位相を半周期遅らせた第２送信波を前記送信回路に生成させ、前記超音波振動子の一方を該第２送信波で再び駆動させる制御部と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記受信波形判定部は、前記受信波形の振幅がピークとなる時点から所定時間後に、該ピーク時の振幅に対し所定比率以上の振幅が検出された場合に、前記受信波形に所定以上の多重波成分が含まれていると判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記制御部は、前記所定タイミングを前記第２送信波の中央より後に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記制御部が前記所定タイミングを順にずらして前記第２送信波を複数回印加させ、前記受信波形判定部がそれぞれの前記第２送信波に対応する受信波形の多重波成分を判定することにより、
前記制御部が、多重波成分による影響が許容範囲内であって、前記所定タイミングが最も遅いものを検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項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、流体が流れる管体の外面に取り付けられ、それぞれが上流側と下流側とに斜め向かい合わせに配置される一対の超音波振動子を含む超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体が流れる管体の流量を測定するために、超音波流量計が普及している。超音波流量計には、上流側と下流側とに斜め向かい合わせに配置される一対の超音波振動子から交互に超音波を打ち込みその伝播時間差から流速を求める伝播時間差式と、流体中の気泡や固形物に超音波を反射させドップラ効果により生じる周波数差から流速を求めるドップラ式とが存在する。伝播時間差式とドップラ式とでは、通常、伝播時間差式の方がより高い精度を確保することができる。
【０００３】
伝播時間差式では、トリガ法または相関法により、上流側の超音波振動子の受信波形および下流側の超音波振動子の受信波形から超音波の伝播時間差を算出する。トリガ法では、受信波形に対し一定のトリガレベルを設定し、そのトリガレベルを一定回数超えた時刻を基準に伝播時間差を求める。一方、相関法では、ある時間幅に存在する波形全体の相関を取り伝播時間差を求める。トリガ法では気泡などの外乱で受信波形に乱れが生じるとトリガ位置がずれてしまうので、大きな誤差を生じてしまうおそれがある。これに対して、相関法では、波形全体の相関を取るため、一時的に受信波形に乱れがあっても大きな誤差を生じることがない。
【０００４】
しかし、一対の超音波振動子を取り付ける位置の近くに継手やエルボ、分岐がある場合、またスケールの付着や堆積物が多い場合などには、受信波形に管体肉内で超音波が反射されることで生じる多重波成分が多く含まれ、相関度が低くなり、伝搬時間に誤差を生じる（信頼性が低下する）おそれがある。特許文献１には、複数のワンショット回路とＯＲ回路を組み合わせて、一定周期を持つ波形（電圧）の後にこの波形とは逆位相の波形を連続させたもので超音波送受波器を駆動する技術が開示されている。特許文献１では、逆位相の波形を超音波送受波器に印加することで、振動を強制的に止め残響（多重波成分）を小さくすることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２５３４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、受信波形に多重波成分が多く含まれているか否かにかかわらず、一定周期を持つ波形で超音波送受波器を駆動した後に、常に逆位相の波形を印加する。これは、多重波が発生していない（影響しない程度である）場合においても受信波形が短くなり、高い相関度を得にくくなる要因となる。すなわち、適用範囲が広い代わりに、常に測定精度が低下してしまうという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、受信波形に含まれる多重波成分に対し適切な対策を講じることで測定精度を向上させ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】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明にかかる超音波流量計の代表的な構成は、流体が流れる管体の外面に取り付けられ、それぞれが上流側と下流側とに斜め向かい合わせに配置される一対の超音波振動子と、超音波振動子の一方を駆動させる第１送信波を生成する送信回路と、超音波振動子の一方を第１送信波で駆動した場合に超音波振動子の他方が受信する受信波形に所定以上の多重波成分が含まれているか否かを判定する受信波形判定部と、受信波形判定部が受信波形に所定以上の多重波成分が含まれていると判定した場合に、２周期目以降の所定タイミングから後の位相を半周期遅らせた第２送信波を送信回路に生成させ、超音波振動子の一方を第２送信波で再び駆動させる制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、受信波形に所定以上の多重波成分が含まれているか否かで場合分けして、適切な対策を講じることができる。すなわち、受信波形に所定以上の多重波成分が含まれていない場合には余計なことをせず、受信波形に所定以上の多重波成分が含まれている場合にのみ位相を半周期遅らせた第２送信波を出力させて、相関法の計算に用いる受信波形を取り直す。これにより、測定精度の向上を図ることができる。
【００１０】
受信波形判定部は、受信波形の振幅がピークとなる時点から所定時間後に、ピーク時の振幅に対し所定比率以上の振幅が検出された場合に、受信波形に所定以上の多重波成分が含まれていると判定するとよい。かかる構成によれば、上記場合分けを適切に実行できる。
【００１１】
制御部は、所定タイミングを第２送信波の中央より後に設定するとよい。かかる構成によれば、振動を強制的に抑えることとなる範囲が相対的に短くなるので、受信波形が必要以上に短くなる（抑えられる）のを防いで、より高い測定精度を実現することができる。
【００１２】
制御部が所定タイミングを順にずらして第２送信波を複数回印加させ、受信波形判定部がそれぞれの第２送信波に対応する受信波形の多重波成分を判定することにより、制御部が、多重波成分による影響が許容範囲内であって、所定タイミングが最も遅いものを検出するとよい。かかる構成によれば、相関法の計算に用いる受信波形として最適なものを検出することができ、相関法の計算にこれを用いることができる。したがって、より高い測定精度を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、受信波形に含まれる多重波成分に対し適切な対策を講じることで測定精度を向上させる超音波流量計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態にかかる超音波流量計の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１送信波および第２送信波を例示する図である。
【図３】多重波成分が多く含まれていない受信波形を例示する図である。
【図４】多重波成分が多く含まれている受信波形を例示する図である。
【図５】図１に示す超音波流量計の動作について説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態にかかる超音波流量計１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、超音波流量計１００は、検出器１０２と変換器１０４とからなる。検出器１０２は、流体が流れる管体１１０の外面に取り付けられ、それぞれが上流側と下流側とに斜め向かい合わせに配置される一対の超音波振動子１１２、１１４を含んで構成される。ここでは、超音波振動子１１２が上流側に、超音波振動子１１４が下流側に配置されるものとする。
【００１７】
変換器１０４は、制御部１２０、記憶部１２２、送信回路１２４、切替スイッチ１２６、増幅器１２８、Ａ/Ｄ変換器１３０、演算部１３２、受信波形判定部１３４、表示部１３６、出力部１３８を含んで構成される。以下、まず超音波流量計１００の各部の働きについて説明し、その後超音波流量計１００の動作について説明する。
【００１８】
制御部１２０は、中央処理装置いわゆるＣＰＵを含んで構成され、超音波流量計１００全体を制御する。記憶部１２２は、ＲＯＭやＲＡＭ、フラッシュメモリ等で構成され、制御部１２０が実行するプログラムや各種情報を記憶する。
【００１９】
図２は第１送信波１４０および第２送信波１４２を例示する図であり、図２（ａ）で第１送信波１４０を、図２（ｂ）で第２送信波１４２を例示している。なお、図２（ｂ）では理解を容易にするために、第１送信波１４０を点線で示している。送信回路１２４は、図２（ａ）に例示する第１送信波１４０を生成する。第１送信波１４０は、超音波振動子１１２、１１４の一方を駆動する一定周期の波形（電圧）である。切替スイッチ１２６は、超音波振動子１１２、１１４の送信側と受信側とを切り替える。すなわち、送信回路１２４に接続する側と、増幅器１２８に接続する側とを切り替える。
【００２０】
超音波流量計１００は、管体１１０の流量を測定する際、切替スイッチ１２６を切り替えて、送信回路１２４が生成する第１送信波１４０を超音波振動子１１２、１１４に交互に印加する。第１送信波１４０を超音波振動子１１２、１１４の一方に印加することで、一方から発生される超音波が流体中を横切って超音波振動子１１２、１１４の他方に受信される。したがって、上流側の超音波振動子１１２を第１送信波１４０で駆動した際に下流側の超音波振動子１１４で受信される受信波形、および下流側の超音波振動子１１４を第１送信波１４０で駆動した際に上流側の超音波振動子１１２で受信される受信波形をそれぞれ得ることができる。
【００２１】
図３は、多重波成分が多く含まれていない受信波形を例示する図である。図４は、多重波成分が多く含まれている受信波形を例示する図である。図３、図４に例示するように、管体１１０肉内で超音波が反射されることで生じる多重波成分の影響により、超音波振動子１１２、１１４の他方で受信される受信波形は大きく変化する。受信波形に多重波成分が多く含まれている場合には、その前部だけでなく前部より後側でも大きな振幅が出やすくなる。
【００２２】
超音波振動子１１２、１１４の他方で受信される受信波形は、増幅器１２８で増幅され、Ａ/Ｄ変換器１３０でＡ/Ｄ変換される。そして、演算部１３２が受信波形から相関法で波形を検知し、超音波の受信時刻を求め、送信時刻と受信時刻の差からそれぞれの伝播時間を求める。超音波の音速は、上流から下流に向かうときには流速によって速くなり、下流から上流に向かうときには流速によって遅くなる。したがって伝搬時間には差が生じるため、超音波の方向と流れの方向の成分を考慮して、伝搬時間差から流速および流量を求めることができる。
【００２３】
図３に例示するような多重波成分が多く含まれていない受信波形が得られる場合には、受信波形が長い（波の数が多い）方が相関法で伝播時間差を精度良く算出することができる。ここで特許文献１の技術のように、逆位相の波形を途中で印加して強制的に振動を抑えると、受信波形が短くなり、むしろ高い相関度を得にくくなる要因となる。一方、図４に例示するような多重波成分が多く含まれている受信波形が得られる場合には、受信波形が長いほど多重波成分の影響が大きくなり、相関法で伝播時間差を精度良く算出することができない。したがって、この場合には多重波成分を抑える必要がある。
【００２４】
そのため、超音波流量計１００の変換器１０４は受信波形判定部１３４を備え、超音波振動子１１２、１１４の他方で受信される受信波形に所定以上の多重波成分が含まれているか否かで場合分けして適切な対策を講じる。受信波形判定部１３４は、受信波形の振幅がピークとなる時点から所定時間ｔ後に、ピーク時の振幅Ｈ１に対し所定比率以上の振幅Ｈ２が検出された場合に、受信波形に所定以上の多重波成分が含まれていると判定する。すなわち、所定時間ｔと所定比率が、「多重波成分による影響の許容範囲」を決定する。ここでは、所定時間ｔを１０μ秒、所定比率を１/２とする。なお、かかる所定時間、所定比率の値は適宜定めることができ、予め記憶部１２２に記憶しておく。
【００２５】
表示部１３６は、超音波振動子１１２、１１４の他方で受信された受信波形やその信号強度、演算部１３２が算出した流速、流量などを画面上に表示して、ユーザに伝達する。出力部１３８は、超音波振動子１１２、１１４の他方で受信された受信波形やその信号強度、演算部１３２が算出した流速、流量などを外部に出力する。
【００２６】
図５は、超音波流量計１００の動作について説明するフローチャートである。図５に示すように、超音波流量計１００では、制御部１２０が送信回路１２４を制御して第１送信波１４０を超音波振動子１１２、１１４に交互に印加させる（ステップＳ２００）。これにより、それぞれの超音波振動子１１２、１１４で受信される受信波形を得る（ステップＳ２０２）。
【００２７】
受信波形判定部１３４は、得られた受信波形に所定以上の多重波成分が含まれているか否かを判定する（ステップＳ２０４）。受信波形判定部１３４が所定以上の多重波成分が含まれていないと判定した場合には（ステップＳ２０４ＮＯ）、演算部１３２が相関法によりその受信波形から伝播時間差を算出して（ステップＳ２０６）、流速や流量を算出する（ステップＳ２０８）。
【００２８】
受信波形判定部１３４が所定以上の多重波成分が含まれていると判定した場合には（ステップＳ２０４ＹＥＳ）、制御部１２０は、図２（ｂ）に例示する２周期目以降の所定タイミングから後の位相を半周期遅らせた第２送信波１４２を送信回路１２４に生成させる。かかる第２送信波１４２は、２周期目以降の所定タイミングから後の逆位相の波形で振動を強制的に抑えるものである。なお、所定タイミングは、半周期単位で設定する。図２（ｂ）では３周期目を半周期遅らせているが、これに限らず２周期目などを遅らせてもよい。
【００２９】
制御部１２０は、所定タイミングを第２送信波１４２の中央より後に設定するとよい。これにより、振動を強制的に抑えることとなる範囲が相対的に短くなるので、受信波形が必要以上に短くなる（抑えられる）のを防いで、より高い測定精度を実現することができる。また、逆位相の波形による超音波が強くなってしまうことを防ぐことができる。
【００３０】
送信回路１２４は、生成した第２送信波１４２を超音波振動子１１２、１１４に交互に印加する（ステップＳ２１０）、そして、上流側の超音波振動子１１２を第２送信波１４２で再び駆動した際に下流側の超音波振動子１１４で受信される受信波形、および下流側の超音波振動子１１４を第２送信波１４２で再び駆動した際に上流側の超音波振動子１１２で受信される受信波形をそれぞれ得る（ステップＳ２０２）。これにより、相関法の計算に用いる受信波形として、多重波成分による影響が許容範囲内である受信波形を取り直すことができ、測定精度の向上を図ることができる。
【００３１】
なお、制御部１２０が所定タイミングを順にずらして第２送信波１４２を複数回印加させ、受信波形判定部１３４がそれぞれの第２送信波１４２に対応する受信波形の多重波成分を判定することにより、制御部１２０が、多重波成分による影響が許容範囲内であって、所定タイミングが最も遅いものを検出するようにしてもよい。これにより、相関法の計算に用いる受信波形として最適なものを検出することができ、相関法の計算にこれを用いることができる。したがって、より高い測定精度を実現することができる。なお、所定タイミングを順にずらしてとは、例えば２周期目、３周期目…とずらして行くことである。
【００３２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、流体が流れる管体の外面に取り付けられ、それぞれが上流側と下流側とに斜め向かい合わせに配置される一対の超音波振動子を含む超音波流量計に利用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１００…超音波流量計、１０２…検出器、１０４…変換器、１１０…管体、１１２、１１４…超音波振動子、１２０…制御部、１２２…記憶部、１２４…送信回路、１２６…切替スイッチ、１２８…増幅器、１３０…Ａ/Ｄ変換器、１３２…演算部、１３４…受信波形判定部、１３６…表示部、１３８…出力部、１４０…第１送信波、１４２…第２送信波
【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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