(57)【要約】    【課題】  超音波式流体計測装置において、ノイズを除去するフィルタ通過による誤差時間を補正して、伝播時間を正しく計測することにより、被測定流体の流量、濃度を高精度に計測する。    【解決手段】  超音波送受波器を、被測定流体中の流動方向に所定距離離間して音響的に対向するように一対配置し、一方の超音波送受波器から送信した超音波信号が流体中を伝播して他方の超音波送受波器によって受信させ、フィルタを通した受信信号に基づいて送信から受信までの伝播時間を、前記被測定流体の流動方向に対し、順流および逆流となる伝播方向に対してそれぞれ計測し、この計測時間から受信周波数に応じて算出したフィルタ通過遅延時間を差し引いて伝播時間を補正する。【選択図】  図２
2006184036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号を、被測定流体中の流動方向に対し、相異なる大きさの伝播速度成分を有する方向に伝播させ、それぞれ所定距離を伝播するのに要した複数の伝播時間に基づいて前記被測定流体の状態量を計測する超音波式流体計測方法であって、
前記所定距離伝播した超音波信号をフィルタに通して外乱信号を除去し、
前記外乱信号を除去した超音波信号に基づいて、該超音波信号が前記相異なる大きさの伝播速度成分を有する方向に所定距離伝播するのに要した各伝播時間をそれぞれ計測し、
前記フィルタに入力する超音波信号の周波数を検出し、
前記検出した周波数に基づいて超音波信号の前記フィルタ通過時における遅延時間補正値を算出し、
前記計測した超音波信号の各伝播時間を、前記遅延時間補正値によって補正し、
前記補正した伝播時間に基づいて前記被測定流体の状態量を計測すること
を特徴とする超音波式流体計測方法。
【請求項２】
前記被測定流体の状態量は、流量または濃度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波式流体計測方法。
【請求項３】
超音波信号を送信して被測定流体中に流体流動方向に対して相異なる大きさの伝播速度成分を有する方向に伝播させ、それぞれ所定距離伝播させた後受信できるように配置した超音波送受波器と、
前記伝播後の超音波信号から外乱信号を除去するフィルタと、
前記フィルタ通過後の超音波信号に基づいて、該超音波信号が、被測定流体中の流体流動方向に対し相異なる大きさの伝播速度成分を有する方向に送信されてから所定距離伝播させた後受信されるまでの各伝播時間を計測する伝播時間計測手段と、
を備えると共に、
前記超音波送受波器で受信した超音波信号の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記検出した周波数に基づいて、超音波信号の前記フィルタ通過時における遅延時間補正値を算出する遅延時間補正値算出手段と、
前記伝播時間計測手段によって計測された各伝播時間を、前記遅延時間補正値算出手段によって算出された遅延時間補正値によって補正する伝播時間補正手段と、
前記補正された伝播時間に基づいて前記被測定流体の状態量を計測する流体状態量計測手段と、
を備えたことを特徴とする超音波式流体計測装置。
【請求項４】
前記超音波送受波器は、被測定流体中の流動方向に所定距離離間して音響的に対向するように一対配置され、
前記伝播時間計測手段は、前記一対の超音波送受波器の一方から送信した超音波信号が流体中を伝播して他方の超音波送受波器によって受信されるまでの伝播時間を、前記被測定流体の流動方向に対し、順流および逆流となる伝播方向に対してそれぞれ計測することを特徴とする請求項３に記載の超音波式流体計測装置。
【請求項５】
前記遅延時間補正値算出手段は、前記超音波周波数の検出値、または該超音波周波数の検出値と前記フィルタ温度の検出値に対応した前記遅延時間補正値のデータを設定したマップを備え、該マップから遅延時間補正値を検索することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の超音波式流体計測装置。
【請求項６】
前記超音波送受波器で使用する所定の周波数範囲のキャリブレーション信号を発生させて前記フィルタを通過させ、該フィルタ通過前後のキャリブレーション信号の時間差に基づいて、前記遅延時間補正値のデータを算出し、該データで前記マップのデータを更新することを特徴とする請求項５に記載の超音波式流体計測装置。
【請求項７】
前記マップの現状の入力データ範囲を超える入力データ値が検出されたときに、前記入力データ範囲を超える状態でのキャリブレーションを実行して前記マップの入力データ範囲を拡張するようにしたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の超音波式流体計測装置。
【請求項８】
前記被測定流体が定常状態となる条件を検出したときに、キャリブレーションを実行することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の超音波式流体計測装置。
【請求項９】
キャリブレーション実行の結果、検出されたフィルタの遅延時間が所定の制限値に達した場合に伝播時間の検出に異常が発生したことを警報することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載の超音波式流体計測装置。
【請求項１０】
前記被測定流体の状態量は、流量または濃度であることを特徴とする請求項３〜請求項９のいずれか１つに記載の超音波式流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定流体における超音波の伝播時間を測定することで、前記被測定流体の状態量（流量，濃度）を計測する超音波式流体計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の超音波送受波器を被測定流体の上流側と下流側とに対向させて配置し、上流側の超音波送受波器から被測定流体の流れに対して順方向に超音波信号を送信し、下流側の超音波送受波器により受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側の超音波送受波器から流れに対して逆方向に超音波信号を送信し、上流側の超音波送受波器により受信されるまでの第２の伝搬時間を測定し、測定された各伝搬時間をもとに、被験流体の流量等を検出する流体計測装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
この装置では、送信波の先頭から所定の周期（交番）数後に送信レベル０点を通過するゼロクロス時刻と、受信波の先頭から所定の周期（交番）数後に受信レベル０点を通過するゼロクロス時刻とを検出し、送信側ゼロクロス時刻から受信側ゼロクロス時刻までの時間を伝播時間として検出することで立ち上がり時の不安定な周波数変化の影響をキャンセルしている。
【特許文献１】特開平０９−０２６３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の超音波流体計測装置では、音を検出物理量として利用しているため、検出部前後の配管を伝ってくる音響騒音、測定管１のエッジ部Ａに流体が衝突・剥離する際に発する気流騒音などが超音波受信信号中に混入して検出される。このため受信された超音波信号から伝播時間を検出する過程で、誤差要因となる騒音周波数成分を取り除いて、送信した超音波周波数のみを抽出するためのフィルタが設けられている。このフィルタは精密な伝播時間を計測するために不可欠なものであるが、一方でフィルタを超音波信号が通過する際に時間遅れが発生する。
【０００５】
かかるフィルタ通過による遅延時間は、超音波伝播時間の計測誤差となり、引いては流体流量または濃度の計測誤差となる。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、フィルタによって外乱信号を除去しつつ、超音波信号のフィルタ通過による遅れの影響を防止して、より、高精度に流体状態量を計測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、超音波信号を送信して被測定流体中に流体流動方向に対して相異なる大きさの伝播速度成分を有する方向に所定距離伝播させ、フィルタによって前記伝播後の超音波信号から外乱信号を除去し、該フィルタ通過後の各超音波信号に基づいて、各超音波信号が前記所定距離を伝播するのに要した伝播時間を計測する一方、前記フィルタに入力する超音波信号の周波数を検出し、該検出した周波数に基づいて超音波信号の前記フィルタ通過時における遅延時間補正値を算出し、前記超音波信号の各伝播時間を、前記遅延時間補正値によって補正し、該補正した伝播時間に基づいて前記被測定流体の状態量を計測する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
かかる構成とすれば、被測定流体中を伝播した超音波信号の周波数によって変化するフィルタ通過の遅延時間を遅延時間補正値として算出し、実際に計測された伝播時間を、該遅延時間補正値によって補正することで、計測中に超音波周波数が変動しても、周波数変動によるフィルタ遅延時間の変化をキャンセルでき、実質の伝播時間を高精度に求めることができる。そして、該実質の伝播時間に基づいて前記被測定流体の状態を高精度に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係る超音波式流体計測装置の全体構成図である。なお、図中のＬｍは、超音波送受波器（超音波振動子）２ａ，２ｂ間の距離、Ｃｇは、被測定流体の音速、Ｖｇは、被測定流体の流速、θは、被測定流体（例えば水素ガス）の流れ方向と超音波信号の伝播方向との成す角度である。
【０００９】
被測定流体が流れる測定管（空間）１ｃを挟んで、一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを音響的に対向する位置関係に所定の距離を隔てて配設している。具体的には図示の通り、測定管１ｃに設けられた超音波送受波器２ａ，２ｂが互いに向かい合うように斜めに配置されている。この一方の超音波送受波器２ａから超音波信号を送信して、被測定流体中で伝播した超音波信号を他方の超音波送受波器２ｂによって受信する（超音波透過型）。
【００１０】
そして、超音波伝播時間測定回路３により、超音波送受波器２ａ，２ｂ間の超音波伝播時間ｔ１，ｔ２を流れの順方向（２ａ→２ｂ）と逆方向（２ｂ→２ａ）とでそれぞれ求める。
なお図示しないが、一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを被測定流体の流れ方向に所定の間隔を隔てて設け、一方の超音波送受波器２ａから送信した超音波を被測定流体中で伝播させ、測定管１ｃに反射させて他方の超音波送受波器２ｂにより受信するようにしてもよい（超音波反射型）。
【００１１】
ここで、伝播時間と濃度（密度）や流速、流量演算式の関係について説明する。
超音波伝播時間測定回路３（図１参照）で検出される測定流体の流れ順方向（超音波送受波器２a→２ｂ）の送受信間時間ｔｄ１と、逆方向（超音波送受波器２ｂ→２a）の送受信間時間ｔｄ２は次式の関係にある（図２参照）。
ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１＋ｔｃ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×cosθ）＋ｔｒ１＋ｔｃ１  ・・・（１）
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２＋ｔｃ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×cosθ）＋ｔｒ２  ＋ｔｃ２・・・（２）
なお（１）、（２）式の右辺第１項ｔ１、ｔ２は超音波送受波器２a,２ｂ間の純粋な超音波伝播時間（以降、伝播時間）である。Ｌｍは超音波送受波器２ａ，２ｂ間の距離、Ｃｇは被測定流体の音速、Ｖｇは被測定流体の流速、θは被測定流体の流れ方向と超音波の伝播方向との成す角度である。
【００１２】
またｔｒ１、ｔｒ２は受信先頭波の受波時刻から受信時間検出時刻までの遅れ時間であり、これは音速が既知の校正流体を用いて、つまり伝播時間が既知な状態において予め計測しておく校正値である。
また、ｔｃ１、ｔｃ２は、受信検出時刻が校正時に対して受信周波数の１周期を超えて変化する場合の周期遷移補正時間であり、計測時に周期遷移を検出する毎に更新する値である。
【００１３】
そして、流速算出の式では、送受信間時間ｔｄ１、ｔｄ２から受信検出遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２を差し引いて超音波送受波器２ａ、２ｂ間の純粋な超音波伝播時間ｔ１（＝ｔｄ１−ｔｒ１−ｔｃ１）、ｔ２（＝ｔｄ２−ｔｒ２−ｔｃ２）から流速Ｖｇを求める。
Ｖｇ＝[Ｌｍ／（２×cosθ）]×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１−ｔｃ１）
−１／（ｔｄ２−ｔｒ２−ｔｃ２）｝
＝[Ｌｍ／（２×cosθ）]×（１／ｔ１−１／ｔ２）・・・（３）
また流量Ｑｖは、次式に示すとおり、被測定流体の流れる測定管（空間）の断面積Ａ、配管内の流速分布補正係数Ｋ、および（３）式で算出した被測定流体の流速Ｖｇを積算することにより算出する。
【００１４】
Ｑｖ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ  ・・・（４）
このように流速Ｖｇ、流量Ｑｖの算出においては、（３）式が示すように被測定流体の順方向および逆方向の伝播時間の差分をとっているため、空気など音速が遅い被測定流体の場合や、遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２に対し、伝播時間ｔｄ１、ｔｄ２が十分に大きい場合に限れば、実用上無視可能であるが、水素ガス等、音速が早い場合や、小型の流量計のように超音波伝播距離Ｌｍが短い場合には流速および流量計測精度に及ぼす影響は無視できないことが理解できる。
【００１５】
一例として超音波信号の伝播距離Ｌｍ＝100mm、被測定流体水素（ドライ）の音速をＣｇ＝1270m/s、超音波信号と被測定流体流れとの成す角θ＝45deg、流速Ｖｇ＝０（停止）、受信検出遅延時間ｔｒ＝137.5μs（5.5周期×超音波１周期25μs）の条件における超音波伝播時間を式１、式２に代入して算出すると、
ｔｄ１＝ｔｄ２≒216.240μｓ
次にこの条件の時に、ｔｄ２のみに伝播時間の計測誤差が１μｓ発生した時の流量計測誤差を算出すると、流速分布補正係数Ｋ＝１、流路断面積Ａ＝50mm2と仮定して、式（３）、（４）に代入すると、
Ｖｇ＝100mm×｛1/(216.240-137.5)−1/(216.240+1.0-137.5)｝/(2×cos45)≒11.3 m/s
Ｑｖ＝11.3×50mm2×１≒0.00565ｍ3/s ＝339 Ｌ/min
この試算結果から明らかなように、僅か１μsの時間計測誤差で300Ｌ/minと非常に大きな流量計測誤差が生じる。
【００１６】
また、流体の濃度（密度ρ）を求める場合には、演算回路４において、まず、次式（５）を用いて音速Ｃｇを求め、続いて式(６)を用いてモル質量Ｍに変換した後、流体の平均モル質量と、計測対象の分子のモル質量との比を計算して濃度を求める。
Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝・・・(５)
Ｍ＝γ×Ｒ×Ｔｇ／Ｃｇ2  ・・・(６)
ここで、γは比熱比、Ｒはガス定数、Ｔｇはガス温度（Ｋ）である。このようにモル質量Ｍを求める式(６)では、音速Ｃｇの２乗の値Ｃｇ2を代入することから受信検出遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２の影響は更に大きくなる関係にある。
【００１７】
以上のように、特に音速Ｃｇが早い流体が測定対象である場合は、伝播時間の正確な検出が、流速および流量計測精度を確保するために大変重要であることが明らかである。
なお本発明者は、水素ガスなど従来は不向きとされていた音速の早い流体や、密度変化やノイズ重畳に伴う受信信号の振幅変化が大きい環境下であっても、正確かつ確実な受信時刻を検出して伝播時間を精度良く測定する方法として、送信後、所定の経過時間以降に超音波受信波の受信検出を行う方法を提案した。
【００１８】
また、上記の方法では、受信検出開始時点からの受信検出時刻の変化が超音波周波数の１周期を超えて変化する場合、受信検出時刻に折り返しが生じ、伝播時間の計測値に連続性が失われるが、この問題は、折り返しの発生検出手段と、折り返し量を補正する周期遷移補正手段を備えることにより伝播時間が超音波周波数の１周期を超して変化する流体にも適用できるようにした。
【００１９】
また、超音波センサの使用環境によって超音波周波数が変動することによる前記受信検出遅延時間ｔｒ１、ｔｒ２と、前記周期遷移補正手段（周期補正時間ｔｃ１、ｔｃ２）の時間変化を補正して計測誤差を低減する手段を提案した。
しかし、既述したように、超音波受信信号から伝播時間検出の誤差要因となる騒音周波数成分を取り除くためフィルタを設けた場合には、フィルタを超音波信号が通過する際に時間遅れが発生する。すなわち、図３中のタイムチャートに模式的に表したように、本来は点線描画の超音波受信信号（Wr）の所定のタイミングで検出すべきであるが、実際は実線描画のようにフィルタの遅延時間ｄｔが加わったタイミングで信号検出してしまう。つまりこの遅延時間ｄｔが超音波伝播時間の計測誤差となり、引いては流体流量または濃度の計測誤差となる。
【００２０】
ここで、上記フィルタ遅延時間がフィルタ特性だけで決まっているのであれば、予め、校正時に計測した受信検出遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２の中にフィルタ遅延時間分が固定値として含められので、特に補正しなくてもよいのであるが、実際にはフィルタ遅延時間はフィルタ特性だけでは決まらず、特に、受信周波数に大きく依存して変化するため、さらに補正が必要であることが判明した。
【００２１】
そこで、本発明は、上記各種計測精度の向上に加えて、更に計測精度を向上させるため、前記フィルタ通過による計測誤差の補正を提案するものである。
まず始めに本発明の基本処理方法について図２を用いて説明する。超音波送信信号Ｗｔを送信してから所定の受信時刻（ここではＳ６のゼロクロス点で、先頭波から５．５周期時点）までの送受信間時間の計測値ｔｄ１（ｔｄ２）であり、求める伝播時間ｔ１（ｔ２）は、この検出時間ｔｄ１（ｔｄ２）より、予め求めておいた受信検出遅れ補正時間ｔｒ１（ｔｒ２）と周期遷移補正時間ｔｃ１（ｔｃ２）を差し引くことで伝播時間を求めることになる。
【００２２】
ここで、前記（１），（２）式では、前記受信検出遅れ補正時間ｔｒｉ（ｉ＝１，２）がフィルタ通過や回路の遅れ時間を含んだ値であるが、フィルタの遅延時間が受信周波数に依存して変化することによって測定誤差を生じる。本発明では、この測定誤差を補正するため、フィルタ部における周波数依存の信号遅延時間の合計値として誤差時間ｄｔを設定し、前記受信検出遅れ補正時間ｔｒｉから、誤差時間ｄｔを分離して設定する。これにより、前記（１），（２）式は次式に置き換えられる。
【００２３】
ｔｄｉ＝ｔｉ＋ｔｒｉ＋ｔｃｉ＋ｄｔ      （ｉ＝１，２）・・・（７）
ここで、上記誤差時間ｄｔが分離された前記受信検出遅れ補正時間ｔｒｉ（ｉ＝１，２）は、次式で表される。
ｔｒｉ＝（Ｎｒｉ／ｆｃ）・・・（８）
Ｎｒｉは、受信検出時刻までの周期数で、上述の図２では、５．５周期で示される値であるが、半周期毎の値を取ることから、次式で表される。
【００２４】
Ｎｒｉ＝０．５×ＩＮＴ（ｔｒｉ×２×ｆｃ）・・・（９）
ｆｃ：校正時の受信周波数
（９）式において、ＩＮＴ関数は、小数点を含む実数であるｔｒｉとｆｃに対し、 括弧内の計算結果の小数点以下を切り捨てて整数化するものである。
また、Ｔφは、校正時受信周波数ｆｃでのフィルタ遅延時間φ(ｆｃ)と、受信検出時刻までの回路の定常的遅延時間δを含む時間であり、次式で表される。
【００２５】
Ｔφ＝φ(ｆｃ)＋δ・・・（１０）
このＴφは、（７）式において校正時のｄｔに相当するのでｄｔ＝Ｔφとし、伝播時間ｔｉが既知の流体を用いて実測値を（７）式に代入して、各変数の残余として求められる。すなわち、次式で表される。
Ｔφ＝ｔｄｉ−（ｔｉ＋ｔｒｉ＋ｔｃｉ）・・・（１１）
また、ｔｃｉは、次式で表される。
【００２６】
ｔｃｉ＝Ｎｃｉ／ｆｒ・・・（１２）
ここで、Ｎｃｉは、目的の受信検出のゼロクロスが校正時に対して、１周期を超えて遷移した回数であり、校正時は、Ｎｃｉ＝０、受信周波数ｆｒ＝校正時周波数ｆｃである。
以上の関係から、（７）式において、計測時におけるフィルタ通過による誤差時間ｄｔは、次式で表される。
【００２７】
ｄｔ＝Ｔφ＋Δφ・・・（１３）
ここで、Δφは、基準周波数ｆ０（＝校正時周波数ｆｃ）からの位相変化差分を時間換算したものになり、次式で表される。
Δφ＝｛φ（ｆｒ）／（ｆｒ×３６０）｝−｛φ（ｆｃ）／（ｆｃ×３６０）｝・・（１４）
したがって、校正時に受信周波数（校正時周波数）ｆｃを記憶し、かつ、（１１）式から校正時の誤差時間Ｔφを算出し、計測時の受信周波数ｆｒと前記校正時周波数ｆｃを用いて（１４）式からΔφを算出し、（１３）式によってこれらを加算すれば、計測時のフィルタ通過による誤差時間ｄｔを算出することができる。
【００２８】
このようにして、計測時の受信周波数に依存して変化するフィルタ通過による誤差時間ｄｔを算出し、該誤差時間ｄｔを用いて、受信周波数その他に依存する計測誤差を可能な限り除去した高精度な伝播時間ｔｉ（ｉ＝１，２）を求めることができる。
このようにして求めた高精度な伝播時間ｔｉ（ｉ＝１，２）に基づいて、図１の流量／濃度演算回路４が、（３）式と（４）式により流量計測値を算出し、同様に（５）式と（６）式により流体密度（濃度）を算出して出力する。
【００２９】
上記実施形態では、校正時の受信周波数を基準周波数とし、該校正時受信周波数ｆｃに対する測定時の受信周波数の差分に対するフィルタ遅延時間の補正を行う構成としたが、予め定めた基準周波数（例えば、公称値４０Ｈｚ、または超音波センサ製造バラツキの中央値など）との差分に対してフィルタ遅延時間の補正を行う構成とすることもできる。この場合は、校正時も計測時同様に基準周波数（４０Ｈｚ等）との差分を算出して、補正量を算出する。この方式では、基準周波数に対するフィルタ遅延時間は予め判っているので、校正時の受信周波数を記憶する必要がなくなる。また、図４に示したように、受信周波数ｆｒに対して直接フィルタ遅延時間補正量ＧＤを設定するか、または、基準周波数に（４０Ｈｚ）に対する補正量差分ΔＧＤを設定したマップを設け、このマップからの検索によって補正量を求めるようにすることもできる。前者のマップを用い、校正時の受信周波数を基準周波数とする第１の実施形態では、（１４）式で演算する代わりに、校正時と計測時にマップから参照したフィルタ遅延時間補正量ＧＤ（ｆｃ）、ＧＤ（ｆｒ）を用いて、次式によりΔφを算出できる。
【００３０】
Δφ＝ＧＤ（ｆｒ）−ＧＤ（ｆｃ）・・・（１５）
また、フィルタ遅延時間は、フィルタ回路の温度にも依存して変化するため、フィルタ回路の温度を検出する温度センサを設けると共に、前記フィルタ遅延時間のマップを、所定温度間隔毎の周波数とフィルタ遅延時間とを対応づけた３次元マップとし、あるいは、図５に示すようにＴｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３など所定温度間隔毎の２次元マップを複数枚設ける構成としてもよく、このようにすれば、温度変化の影響も除去して高精度な計測を行うことができる。
【００３１】
また、計測毎または定期的に、あるいは、後述するような受信周波数や温度の所定条件に応じてキャリブレーションを行って上記マップを修正することにより、常に良好な計測性能を維持することができる。かかるキャリブレーションを行う実施形態を以下に説明する。
図６は、回路構成を示す。
【００３２】
キャリブレーション信号発生回路３ｍの出力は、送信駆動回路３ａの外部周波数制御入力端子に入力しており、計測時は単一の基準周波数を生成するための制御電圧信号を出力し、またキャリブレーション時には周波数を可変するための制御電圧信号を出力するようにしてある。なお送信駆動回路３ａの周波数可変回路としては電圧制御型発振回路が適用できる。
【００３３】
次に、キャリブレーション信号印加回路３ｎでは、計測時は送受信方向切換スイッチ３ｂの出力が超音波信号抽出フィルタへ導かれるように切り換え、キャリブレーション時に、受信信号に代えて、送信駆動回路３ａの出力を超音波信号抽出フィルタ３ｋへ導くように切り換える。このキャリブレーション信号印加回路３ｎには、遅延時間や周波数依存性のない素子が望ましく、例えばメカニカルリレースイッチが好適である。
【００３４】
次にフィルタ遅延時間計測回路３ｏでは、送信駆動回路３ａの出力信号と超音波信号抽出フィルタ３ｋの出力との遅延時間を計測して、遅延時間記憶回路３oへ出力する。このフィルタ遅延時間計測回路３ｋには送受信間時間計数回路３eと同様にタイムカウンタを適用することができる。
更にキャリブレーション信号発生回路３ｍには、外部イベント信号の入力端子を設けてあり、該外部イベント信号の入力によりキャリブレーションを実行するように設定されている。
【００３５】
また、フィルタ遅延時間計測回路３ｏには、計測された遅延時間を制限値と比較する機能を設けており、制限値を越える遅延時間が計測された場合には、回路異常の警報を出力する機能を備える。
次に図１０のフォローチャートを用いて、上記実施形態に係る処理シーケンスを説明する。
【００３６】
このフローは、電源投入によって起動し、まず超音波信号の送受信制御や計測に係わる初期値と共に、仮の受信開始時刻ｔｇ、受信遅れ補正時間ｔｒが設定される（Ｓ１０１）。
そして送受信方向を切り換えて（Ｓ１０２）、超音波駆動信号を出力すると共に送受信間時間の計数を開始する（Ｓ１０３）。
【００３７】
そして受信開始時刻になるまで待ち（Ｓ１０４）、受信開始時刻に達したならば、受信信号のゼロクロスを検出して送受信間時間計数を停止してその時の計数値（伝播時間検出時間ｔｄ）を読み取る（Ｓ１０５）。
次に、キャリブレーションか、計測かにより処理を分岐する。（Ｓ１０６）。この時の分岐判定情報としては、燃料電池車へ搭載したことを想定すると、燃料電池パワープラントがアイドル状態を示すアクセルＯＦＦまたはパーキングブレーキＯＮ等のいずれかの信号を使用することで、測定対象流体が定常状態にあるときにキャリブレーションを実施することができる。
【００３８】
次に、上記判定結果に基づきキャリブレーション実行となった場合の処理シーケンスを説明すると、まず受信信号に代えて、キャリブレーション信号印加回路３ｎで送信駆動回路の出力を、超音波信号抽出フィルタへ導くように切り換える（Ｓ１０７）。
次に、キャリブレーション信号発生回路３ｍの制御電圧信号出力を変更し、送信駆動回路から第1のキャリブレーション周波数を出力する（Ｓ１０８）。
【００３９】
次に、遅延時間記憶回路３oにて第1のキャリブレーション周波数における超音波信号抽出フィルタの遅延時間を計測し、第1のキャリブレーション周波数に対応したアドレスに遅延時間を保存する（Ｓ１０９）。
次のキャリブレーション終了判断では、所定の周波数範囲までキャリブレーションが終了したかを判断する。終了していない場合はＳ１０８でキャリブレーション周波数設定へ戻って、次のキャリブレーション周波数による遅延時間の計測と保存を繰り返し実行する（Ｓ１１０）。なお全ての周波数でのキャリブレーションが終了した場合には、キャリブレーション信号印加回路３ｎを、受信信号が超音波信号抽出フィルタ３ｋへ導かれるように切り換えて流体計測実行に備える。
【００４０】
そして流体計測実行時には、遅延時間記憶回路に保持された遅延時間マップを参照して、受信周波数ｆｒに対応した遅延時間を読み出す（Ｓ１１２）。
次に、（１），（２）式により、伝播時間検出時間ｔｄ１（ｔｄ２）から実質の伝播時間ｔ１（ｔ２）を算出する（Ｓ１１３）。
ここで算出される伝播時間は、送受信方向切り換えによって選択された方向（流れ順方向２ａ→２ｂ＝ｔ１、流れ逆方向２ｂ→２ａ＝ｔ２）の伝播時間であるため、その方向に対応した伝播時間変数（ｔ１、ｔ２）に記憶する（Ｓ１１４）。
【００４１】
次に処理Ｓ１０２〜Ｓ１１４を２回１組で処理して求めた伝播時間ｔ１とｔ２を基に、（３），（４）式により流量計測値を算出し出力する。
同様に（５），（６）式により流体密度（濃度）を算出し出力する。（Ｓ１１５）。
図１１のフローチャートは、上記キャリブレーション実行シーケンスの別形態のサブルーチンを示す。
【００４２】
前記同様に、キャリブレーション信号印加回路３ｎで送信駆動回路３ａの出力を、超音波信号抽出フィルタへ導くように切り換えた後（Ｓ２０１）、最新の測定で受信された周波数が現在の遅延時間マップで入力可能な周波数範囲から外れているかを判定し、範囲外と判定された場合は、該受信周波数を含むように周波数範囲を拡張し、該拡張した周波数範囲のキャリブレーション信号を発生させるようにする（Ｓ２０２）。また、現状マップの周波数範囲内と判定された場合は、拡張処理を行うことなく、次のステップ（Ｓ２０３）へ進む。
【００４３】
次いで、所定周波数間隔毎のキャリブレーション信号を順次発生しつつ（Ｓ２０３）、フィルタ遅延時間を計測、保存した後（Ｓ２０４）、発生したキャリブレーション信号の周波数が、前記現状マップの周波数範囲外であるかを判定し（Ｓ２０５）、範囲外と判定された場合は、当該周波数を入力可能な受信周波数範囲として含むように、フィルタ遅延時間マップの受信周波数軸を拡張更新する（Ｓ２０６）。また、現状マップの周波数範囲内と判定された場合は、該受信周波数軸を拡張更新することなく、次のステップ（Ｓ２０８）へ進む。
【００４４】
次いで、検出されたフィルタ遅延時間が所定の制限値に達したかを判定し（Ｓ２０８）、達したと判定された場合は、伝播時間計測回路に異常があると判断し、当該異常の警報を発する（Ｓ２０９）。また、制限値に達していない場合は、警報を発することなく、次のステップ（Ｓ２１０）へ進む。
Ｓ２１０以降は、前記実施形態同様に、所定の若しくは前記拡張された周波数範囲までキャリブレーションが終了したかを判断し、終了するまで、上記Ｓ２０３〜Ｓ２０９の処理を繰り返し実行し、終了後、キャリブレーション信号印加回路３ｎを、受信信号が超音波信号抽出フィルタ３ｋへ導かれるように切り換えて流体計測実行に備える。
【００４５】
本実施形態では、範囲外の受信周波数に対してフィルタ遅延時間マップの受信周波数軸を拡張更新するものを示したが、上述したようにフィルタ回路温度もパラメータとする３次元マップとし、あるいは、所定温度間隔毎の２次元マップを複数枚設ける構成としたものにおいて、測定時の温度が現状マップの入力可能な温度範囲外であるときに、受信周波数の場合と同様に、マップの温度軸を拡張更新し、あるいは、範囲外の２次元マップを追加する構成としてもよい。さらに、周波数と温度との双方に対してマップの拡張ないし追加を行うようにしてもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波式流体計測装置の全体構成図
【図２】同上装置のフィルタ通過による誤差を説明するためのタイムチャート
【図３】同じく、問題点を説明するためのタイムチャート
【図４】超音波信号抽出フィルタの群遅延時間と位相特性の関係を示す図
【図５】同上実施形態の遅延時間補正マップの例
【図６】第２実施形態におけるキャリブレーション実行回路の構成図
【図７】同上キャリブレーション実行処理例を示すフローチャート
【図８】キャリブレーション実行によるマップ修正の例を示すフローチャート
【符号の説明】
【００４７】
１ｃ… 測定管、２ａ，２ｂ … 超音波送受波器、３…超音波伝播時間測定回路、３a…送信駆動回路、３ｄ…受信検出回路、３ｋ…超音波信号抽出フィルタ回路、３ｍ…キャリブレーション信号発生回路、３ｎ…キャリブレーション信号印加回路（スイッチ）、３ｋ…フィルタ遅延時間計測回路、４…流量／濃度演算回路
【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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