(57)【要約】【課題】従来の超音波流量計は、受信波形は立ち上がりが急峻であるものが要求され、受信波の第１波、第２波、第３波・・・を正確に判断することが求められる。また計測ばらつきを低減するためには計測回数を増やすことが必要であるという課題がある。【解決手段】最大流量での時間差ΔＴ(ΔＴ=Ｔ１-Ｔ２)よりも大となる周期ＴＳで動作する第１の超音波センサ２と第２の超音波センサ３、および、周期ＴＳの信号を与える送信手段４を用いることで、受信波形によらず正確な計測ができ、かつ、計測データ数を増やすことができる。【選択図】図１
2006162458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が通る流路に配置された少なくとも一対の超音波センサと、前記超音波センサに駆動信号を与える送信手段と、前記超音波センサからの信号を受信する受信手段と、計時手段とを備え、前記一方の超音波センサから送信した超音波を他方の超音波センサで受信するまでに要した伝播時間Ｔ１と、逆に、他方の超音波センサから送信した超音波を一方の超音波センサで受信するまでに要した伝播時間Ｔ２とを前記計時手段でそれぞれ計測し、最大流れ時での時間差ΔＴ(ΔＴ=Ｔ１-Ｔ２)よりも大きな周期ＴＳを持つ信号を前記送信手段が前記超音波センサに送信するようにした超音波式流れ計測装置。
【請求項２】
超音波センサの交流受信信号波形を複数周期に渡って基準値と比較して交点を検出し、それら複数の検出ポイントの伝播時間を計時手段で計測するとともに、前記計時手段のデータを演算する演算手段を備えた請求項１記載の超音波式流れ計測装置。
【請求項３】
交互に送信と受信が入れ替わる少なくとも一対の超音波センサの交流受信信号を複数周期に渡って基準値と比較して得られた検出ポイントの時間データをもとに演算手段は各々の周期から流速およびまたは流量を求めるようにした請求項２記載の超音波式流れ計測装置。
【請求項４】
主なる複数の共振周波数を持つが、それらの共振周波数の差が１２０キロヘルツ未満か、または主なる共振周波数を一つしか持たない超音波センサを用いた請求項１から３のいずれか１項記載の超音波式流れ計測装置。
【請求項５】
流路内を伝播する超音波は、この流路を構成する壁面に当たり複雑な合成波となるように設定した請求項1から４のいずれか１項記載の超音波式流れ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波によって流体の流速およびまたは流量を測定する超音式流れ計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波式流れ計測装置、より具体的にいえば超音波流量計が特許文献１に記載されている。
【０００３】
図８はこの特許文献１の一つの実施例として示されたもので、流路５１の途中に超音波を発信する第１振動子５２と受信する第２振動子５３とを流れ方向に斜めに対向するように配置されている。
【０００４】
５４は第１振動子５２への発信回路、５５は第２振動子５３で受信した信号の増幅回路で、ここで増幅された信号は基準信号と比較回路５６で比較され、発信から受信までの時間、いわゆる超音波伝幡時間をタイマカウンタのような計時手段５７で求めるようにしている。
【０００５】
その超音波伝幡時間に応じて流路５１の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段５８で流量値を求め、この流量演算手段５８の値によって計測間隔変更手段５９が発信回路５４のトリガ手段６０への信号送出のタイミングを調節する。
【０００６】
次にその動作について述べる。トリガ手段５９から発信回路５４を介してバースト信号が送出され、その結果、第１振動子５２で発信された超音波信号は、流れの中を伝幡して第２振動子５３で受信される。そしてこの受信信号は増幅回路５５と比較回路５６で処理され、発信から受信までの時間を計時手段５７で測定する。
【０００７】
今、静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子５２，５３の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と流路５１の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間Ｔは、
Ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓφ）               （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／Ｔ−ｃ）／ｃｏｓφ             （２）
となり、Ｌとφが既知ならＴを測定すれば流速ｖが求められる。流路５１における通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、流量Ｑは、
Ｑ＝ＫＳｖ                                （３）
となる。
【０００８】
図９は前記特許文献１の他の実施例として紹介されているもので、繰り返し設定手段６１で設定された回数だけ発信から受信を繰り返し手段６２によって繰り返し、さらに発振と受信の切り換えを切換手段６３で行なった後、同様に繰り返しを行う。
【０００９】
すなわち、発振回路５４によって第１振動子５２から超音波が発生し、この超音波を第２振動子５３で受信し、増幅回路５５を介し比較回路５６に到達すると繰り返し手段６２で再びトリガ手段６０で発信回路５４をトリガする。
【００１０】
この繰り返しは繰り返し設定手段６１で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段５７で計測する。しかる後、切換手段６３により第１振動子５２と第２振動子５３の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子５３から第１振動子５２に向かって超音波を発信し前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段５８に入力して流量値を演算する。
【００１１】
静止流体中の音速をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。振動子５２，５３間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ×Ｌ／（ｃ＋ｖｃｏｓφ）         （４）
Ｔ２＝ｎ×Ｌ／（ｃ−ｖｃｏｓφ）         （５）
となり、これら（４）、（５）式より
ｖ＝ｎ×Ｌ／２ｃｏｓφ×（１／Ｔ１−１／Ｔ２）   （６）
となり、Ｌとφが既知ならＴ１とＴ２を測定すれば流速ｖが求められる。
【００１２】
しかしながらＴ１とＴ２の差は流量が小さく、かつ繰り返し回数が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので、測定回数を多く設定して誤差が比較的小さくなるようにしている。
【００１３】
逆に、流量が大きくなるとＴ１−Ｔ２の差も大きくなるので、測定が容易になりその場合には繰り返し設定の回数を小さくしてサンプリング間隔を速くし、これによって誤差を小さくする。すなわち、流量演算手段５８によって繰り返し設定手段６１の回数を変更する。
【００１４】
また、別の特許文献２には、超音波を用いて高精度な超音波伝播時間の測定を短時間で、かつ、低消費電力で行う計測方法が記載されている。
【００１５】
これは図１０に示すように、流路壁６４へ超音波信号を送信してその反射波を受信する振動子６５と、この振動子６５の交流受信信号を複数周期にわたって閾値と比較する比較手段６６と、振動子６５の送信から比較手段６６による検出ごとの複数の伝播時間を計測する計時手段６７と、この計時手段６７の計時値の平均値より伝播時間を算出する時間演算手段６８とを備えたものである。
【００１６】
なお、６９は前記と同様の増幅回路、７０切換回路、７１はスタート手段７２の信号を受けて動作する発信回路である。
【００１７】
これによって1回の超音波送受信によって何度も比較手段６６で比較を行った計測値が得られるので、その平均値を求めることによって高精度な伝播時間の測定値が短時間で得られ、低消費電力で計測を行うことができる。
【００１８】
これら特許文献１，２に記載されたものは、いずれも２つの振動子を用いて、送信と受信とを切り替え、それぞれの受信波形から求められる超音波の伝播時間から流速を求めて、流量を演算する方式である。
【００１９】
振動子の受信波形は複数の周期を持つため、この方時間を受信波形のどの周期で求めるかを定め、その周期で演算するための伝播時間を求められるようにしておくことが計測精度を保証するためには必要である。
【００２０】
もしも、流体の流れによる受信波形の変化、あるいはノイズなどが原因で定められた周期でない周期で伝播時間を検出すると大きな測定誤りとなるという課題がある。
【００２１】
さらに、特許文献３には超音波流量計に用いる超音波送受波器、およびその製造方法が記載されている。これは音響インピーダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に整合して高感度な超音波送受波ができるとともに、信号の立ち上がり応答性を良くできる超音波送受波器用の音響整合層に関したもので、図１１に示されるような構成である。
【００２２】
同図は、密度が小さく音速の遅い第１の音響整合層７３と、それよりも密度が高く音速の速い第２の音響整合層７４を積層した音響整合部材７５を用いて構成した超音波送受波器を示し、超音波の放射媒体と音響インピーダンス整合した第１の音響整合層７３を放射媒体側に配置した構成によって効果が得られるものである。
【００２３】
なお、図１１において、前記音響整合部材７５を頂面外壁に接着などの手段で固定した導電性ケース７６は下方の開放部が端子板７７で閉塞され、また頂面内壁には圧電振動子７８が接着などの手段で固定されている。
【００２４】
圧電振動子７８の一方の電極はケース７６および端子板７７を介して一方の端子７９に、他方の電極は端子板７７に電気絶縁材８０を介して取着した他方の端子８１にそれぞれ接続してある。
【００２５】
この構成にすることで、音響インピーダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に整合して高感度な超音波送受波できるとともに、信号の立ち上り応答性の良い優れた超音波送受波器が得られるものである。
【００２６】
図１２は同特許文献３の超音波送受波器の音響整合層構造の違いによる超音波の受信出力波形の違いを示したもので、同図ａおよびｂは音響整合層が単層であり、同図ｃは第１の音響整合層７３と第２の音響整合層７４の２層構造の音響整合部材７５とした超音波送受波器を用いたものである。
【００２７】
図１２ｂのように、低密度な乾燥ゲルを音響整合層として用いることで受信出力電圧の振幅最大幅（ピークトゥピーク電圧）が、図１２ａの一般的に用いられているガラスバルーンをエポキシ樹脂で硬化した音響整合層（ガラスエポキシ）を用いた場合と比較して、ピークトゥピーク電圧が大きくなっており、感度が向上しているが、受信信号の立ち上りが鈍くなっている。
【００２８】
さらに、立ち上りにおける５００ｋＨｚ超音波信号の各波頭とその前後の波頭との出力値の差が小さくなっているため、到達検出レベルによる伝搬時間検知の許容幅が小さくて誤差検知を生じやすくなり検知が難しくなることが記載されている。
【００２９】
そこで、音響整合層としてシリカ乾燥ゲルを用いた超音波送受波器では、高感度になるが、立ち上り特性の向上が必要であるとして、図１２ｃのように、シリカ乾燥ゲルと酸化ケイ素を焼成して作製したシリカ多孔体からなる音響整合部材ｔｐすることで、ピークトゥピーク電圧が大きく感度が高くなるとともに、立ち上り特性も良好な特性が得られるようになると述べられている。
【００３０】
この理由を、超音波送受波器の振動変位周波数特性を示す図１３を用いて説明している。同図ａは単一音響整合層（ガラスエポキシ）を用いた場合の特性図、ｂは単一音響整合層（シリカ乾燥ゲル）を用いた場合の特性図、ｃは２層音響整合層（シリカ乾燥ゲル、シリカ多孔体）を用いた場合の特性図で、同図ａと同図ｂは共振が２極あり、その極の周波数は約４８０キロヘルツと、約６００キロヘルツでその差Δｆは約１２０キロヘルツである。このように共振の極が一つか、あるいは複数でも、その周波数差が少ないと、受信波形の立ち上がりが緩やかになる。このような場合、誤差検知を生じやすくなるという課題がある。
【特許文献１】特開平８―１２２１１７号公報(図１、図７)
【特許文献２】特開平１０−３０９４７号公報(図１)
【特許文献３】特開２００２−０１８０４７号公報(図３、図７)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
しかしながら、２つの超音波センサ（「従来の技術」での特許文献では超音波送受波器、あるいは振動子と表現されている）を交互に送信と受信に入れ替えて、それぞれの超音波が伝播する時間を求めて、それらの差から流速を算出し、さらに流体を通る管路(流路ともいう)の断面積を考慮して流量を求める従来の超音波流量計は、受信波形が計測精度に大きな影響を与える。このため、超音波センサの受信波形は立ち上がりが急峻であるものが要求されるという課題がある。
【００３２】
この点について図を用いて詳しく説明する。今、計測システムを図１４に示されるような流路８２に第１、第２の超音波センサ８３，８４が斜めに対向するごとく配置され、切り替え回路８５により第１の超音波センサ８３に送信回路８６、第２の超音波センサ８４に受信回路８７が接続されて気体中の超音波の伝播時間Ｔ１を測定し、次に、切り替え回路８５により第１の超音波センサ８３に送信回路８６、第２の超音波センサ８４に受信回路８７が接続されて気体中の超音波の伝播時間Ｔ２を測定し、両方の時間差から流速を求めるものとする。
【００３３】
図１５は超音波センサへの送信信号と、それの受信信号および時間を計測するためのクロック動作を示したタイミングチャートである。同図（ａ−１）、（ａ−２），（ａ−３）は第１の音波センサ８３が送信側、第２の超音波センサ８４が受信側の場合で、同図（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）は第１の超音波センサ８３が受信側、第２の超音波センサ８４が送信側の場合である。
【００３４】
図１４に示した方向の流体の流れがあるために、超音波の伝播時間Ｔ１はＴ２よりも短くなる。受信波形の検出について図１６を用いて詳細に説明する。同図は受信波形を示しており、これの検出は受信波形の第２波と第３波のピーク値のおよそ中間になるように設けられた閾値があり、この閾値を超えた信号があることで、それを受信信号とみなす。閾値は例えば基準値と第１波の中間や、第２波と第３波の中間にもうけることも可能ではあるが、閾値が低いため基準値に重畳するノイズを受信波と誤判断する確立が増えることになり望ましくない。
【００３５】
閾値を超えた波形がくると受信波形と判断し、次にこの受信波形が基準値となるポイントＰ１を検出ポイントとする。送信信号から検出ポイントまでをクロックをカウントして超音波の伝播時間を計測する。実際の受信ポイントはＰＴであるので、ＰＴから第３波までの時間は固定値として扱い、検出ポイントＰ１までの時間からこの固定値を差し引いて超音波の伝播時間を求める。
【００３６】
このような検出方法では、図１２ａで示されるような立ち上がりがなだらかな波形であると、閾値を第２波と第３波の中間に設定しても、第２波と第３波の差が僅かであるので次のような課題が生じる。超音波が伝播する際に流路を構成する壁面に当たるような場合、受信波形は様々な経路で進入する超音波の合成波となるので、気体の流速により合成波の状態が変化することがある。このような波形の変化があると、設定した閾値では第２波と第３波を区別できなくなる。このため、第４波を第３波として誤検出することが生じる。一方、流路内の気体の流れの均一性は流路が扁平であるほど得られる傾向がある。
【００３７】
このため多くの流路は扁平に構成するため壁面での超音波の反射は回避できない状態にある。また、流路が扁平でなく反射がない場合でもノイズの重畳があると、第２波と第３波の差が僅かであると誤検出しやすくなる。
【００３８】
図１５に戻って、シングアラウンドによる計測方法について説明する。同図（ａ−１）において第１の超音波センサ８３へ1回目の送信信号を与えると、同図（ａ−２）に示されるように、超音波の伝播時間Ｔ１後に第２の超音波センサ８４が受信する。受信波の第２波と第３波との中間に設定された閾値により受信を検出したすぐ後の基準値と交わる点（検出ポイント）を検出する。
【００３９】
検出ポイントから定められた既知の時間である遅延時間ＴＤ後に、再び2回目の送信信号を第１の超音波センサ８３に与える。このような動作をｎ回繰り返す。これをシングアラウンドの回数がｎ回であると呼ぶ。1回目の送信からｎ回後の検出ポイントまでに含まれるクロック数ＮＣをカウントする。クロックの1周期がＴ（秒）とし、また、実際の受信ポイントＰＴから第３波までの時間は固定値ＴＨとして扱うと、全体の計測時間は式（７）のようになる。
【００４０】
ＮＣ・Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２・・・＋Ｔｎ＋ｎ・ＴＨ＋（ｎ−１）・ＴＤ            （７）
従って、平均的な超音波の伝播時間ＴＡＶＧは次式のようになる。
【００４１】
ＴＡＶＧ＝（Ｔ１＋Ｔ２・・・＋Ｔｎ＋ｎ・ＴＨ）／ｎ
＝（ＮＣ・Ｔ−ｎ・ＴＨ−（ｎ−１）・ＴＤ）／ｎ
＝ＮＣ・Ｔ／ｎ−ＴＨ−（ｎ−１）・ＴＤ／ｎ        （８）
式（８）右辺第１項のＴ／ｎはカウンタの周期がシングアラウンド回数ｎで割られているので、見かけのうえでは周期Ｔのカウンタが周期Ｔ／ｎになっているので時間分解能が細かくなっている。このように周期Ｔのカウンタを使用して時間分解能をＴ／ｎにする計測手法がシングアラウンドである。
【００４２】
このようにシングアラウンド計測には時間分解能を上げる効果があるが、その他に次のような効果もあると考えられる。１回目の受信波にノイズが重畳し、検出ポイントが真の検出ポイントからずれて判断されても、２回目、３回目以降の検出ポイントが正確に検出できていれば、１回目の誤差は平均化することで影響が小さくなる。すなわちシングアラウンドには平均化の効果もある。
【００４３】
このようなシングアラウンドによる計測は受信波の第１波、第２波、第３波・・・を性格に判断することが求められる。
【００４４】
特許文献２には平均化を高める手法が述べられているが、この方法であっても受信波の第１波、第２波、第３波・・・を正確に判断することが求められ、このためには超音波センサの受信波形が第１波、第２波、第３波・・・を見極めやすい形になっていることが求められ、超音波センサの構造を２層構造にするなど複雑なものになりやすいという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００４５】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は流体の流れる流路と、前記流路に配置された少なくとも一対の超音波センサと、前記超音波センサに駆動信号を与える送信手段と、前記超音波センサからの信号を受信する受信手段と、計時手段とを備え、前記第１の超音波センサから送信した超音波を第２の超音波センサで受信し、それに要した伝播時間Ｔ１を前記計時手段で計測し、また、前記第２の超音波センサから送信した超音波を、前記第１の超音波センサで受信し、それに要した伝播時間Ｔ２を前記計時手段で計測し、最大流量での時間差ΔＴ(ΔＴ=Ｔ１-Ｔ２)よりも大きな周期ＴＳを持つ信号を前記送信手段が発生するようにする。
【００４６】
これにより複数周期からなる受信波形において、第１波、第２波、第３波・・・を明確に判断して、それぞれの場合の伝播時間Ｔ１およびＴ２を求める必要がなく受信手段が簡略化され、また、超音波センサ構造も簡略化することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の超音波流量計は、超音波の受信波形が急峻な立ち上がりの特性を持つものであっても、また急峻な立ち上がりの特性を持たないものであっても適確な計測ができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
第１の発明は、流体の通る流路と、前記流路に配置された少なくとも一対の超音波センサと、前記超音波センサに駆動信号を与える送信手段と、前記超音波センサからの信号を受信する受信手段と、計時手段とを備え、第１の超音波センサから送信した超音波を第２の超音波センサで受信し、それに要した伝播時間Ｔ１を前記計時手段で計測し、また、第２の超音波センサら送信した超音波を、前記第１の超音波センサで受信し、それに要した伝播時間Ｔ２を前記計時手段で計測し、前記送信手段は最大流量での時間差ΔＴ(ΔＴ=Ｔ１-Ｔ２)よりも大となる周期ＴＳを持つ信号を発生することにより、複数周期を持つ受信信号であっても、その第１波、第２波、第３波・・・を明確に検出して伝播時間Ｔ１およびＴ２を求める必要がなくなるので、超音波の受信波形が急峻な立ち上がりの特性を持つものであっても、また急峻な立ち上がりの特性を持たないものであっても適確な計測ができるという効果がある。
【００４９】
第２の発明は、超音波信号を送受信する超音波センサと、前記超音波センサの交流受信信号を複数周期に渡って基準値と比較する比較手段と、前記比較手段による検出ごとの複数の伝播時間を計測する計時手段と、前記計時手段のデータを演算する演算手段を備えることにより、複数周期からなる受信波形において、第１波、第２波、第３波・・・を明確に検出して、それぞれの場合の伝播時間を求める必要がないので簡素な受信手段や、簡素な構造の超音波センサを用いて、計測の平均化効果を向上することができる。
【００５０】
第３の発明は、交互に送信と受信が入れ替わる第１、第２の超音波センサからのそれぞれの交流受信信号を複数周期に渡って基準値と比較する比較手段の検出データを、演算手段は各々の周期から時間差ΔＴを求められるようにする。これにより、第１波、第２波、第３波・・・の複数周期を持つ受信信号で、第１の超音波センサでの受信信号での検出ポイントが例えば、第１波目、第２波目、第３波目で、第２の超音波センサでの受信信号での検出ポイントが例えば、第２波目、第３波目、第４波目であった場合、第１の超音波センサでの第１波目と第２の超音波センサでの第４波目を削除して、互いに相当する波どうしで時間差を求めることができる。
【００５１】
第４の発明は主なる複数の共振周波数を持つが、それらの共振周波数が近い値か、または主なる共振周波数を一つしか持たない超音波センサを用いることで、超音波センサを構成する音響整合層を、気体との音響整合を向上できる低い音響インピーダンスのものを用いる場合、その構造を単層の簡単な構造とすることができる。
【００５２】
第５の発明は、流路内を伝播する超音波は、流路を構成する壁面に当たり複雑な合成波となる流路構造とすることにより、流路内の気体の流れの均一性が高められる扁平な流路を用いることができ、この場合は超音波センサＡと超音波センサＢのそれぞれの受信波形は異なる形を持つようになるが、超音波センサＡの第１波、第２波、第３波・・・と、超音波センサＢの第１波、第２波、第３波・・・とを適確に検出して、互いに相当する波どうしで時間差を求めることができる。
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態において本発明が限定されるものではない。
【００５４】
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波流量計の構造を示し、気体が流れる流路１に第１の超音波センサ２と第２の超音波センサ３とが斜めに対向するごとく配置されている。
【００５５】
第１，第２の超音波センサ２，３には、送信手段４から送信信号が送られる。また、超音波センサの受信信号は受信手段５に伝えられる。送信と受信は切換手段７で選択される。第１の超音波センサ２が送信手段４に接続するように選択された場合は、第２の超音波センサ３は受信手段５に接続するように選択される。
【００５６】
今、同図に示されるように流体の流れが左から右方向の場合、第１の超音波センサ２が送信した超音波は伝播時間Ｔ１後に第２の超音波センサ３に到達する。反対に第２の超音波センサ３が送信した超音波は伝播時間Ｔ２後に第１の超音波センサ２に到達するが、流体の流れの方向からＴ１＜Ｔ２となる。これらの時間Ｔ１、Ｔ２は計時手段６によって計測される。演算手段８は計時手段６からのデータを基にして流速およびまたは流量を求める。
【００５７】
図２は超音波センサの送信信号と受信信号の波形を示した波形図で、第１の超音波センサ２が送信、第２の超音波センサ３が受信の場合の、第１の超音波センサ２への送信信号が同図（ａ−１）で表され、第２の超音波センサ３の受信信号が同図（ａ−２）で表されている。
【００５８】
反対に、第２の音波センサ３が送信、第１の超音波センサ２が受信の場合の第２の超音波センサ３への送信信号が同図（ｂ−１）で表され、第１の超音波センサ２の受信信号が同図（ｂ−２）で表されている。
【００５９】
送信信号波形は周期ＴＳの矩形波の３波、受信波形は超音波センサの特性から複数周期を持つ正弦波となり、その周期はＴＳとほぼ等しくなるが、超音波センサを構成する圧電振動子の特性でわずかに異なることもある。周期ＴＳは超音波の伝播時間の時間差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）よりも大きくなるようにしている。
【００６０】
図３は超音波流量計が扱う最大流量（超音波流量計が測定すべき最大流量）と時間差ΔＴの関係を示したもので、この場合の流路条件は、
１．流路断面積Ｓ                    １．２×１０−３  平方メートル
２．超音波センサＡと超音波センサＢとの距離L
約６.２２×１０−２メートル
３．超音波センサと流路との角度Φ    ４０度
４．気体の音速                      ４５０メートル毎秒
の場合についての特性である。
【００６１】
送信信号の周期ＴＳはΔＴよりも大きな値を選択するようにしている。例えば、最大流量１立方メートル毎時間の超音波流量計を考えた場合、その時間差ΔＴは約１×１０−７秒となるので、周期ＴＳはそれより大きな値として２×１０−６秒（５００キロヘルツ）を選択する。
【００６２】
図４はこの超音波流量計での超音波センサの送信信号と、受信信号の波形と、超音波の伝播時間をカウントするためのクロックを示した波形図で、第１の超音波センサ２が送信、第２の超音波センサ３が受信の場合の第１の超音波センサ２への送信信号が同図（ａ−１）で表され、第２の超音波センサ３の受信信号が同図（ａ−２）で表され、クロックが同図（ａ−３）で表されている。反対に、第２の音波センサ３が送信、第１の超音波センサ２が受信の場合の第２の超音波センサ３への送信信号が同図（ｂ−１）で表され、第１の超音波センサ２の受信信号が同図（ｂ−２）で表され、クロックが同図（ｂ−３）で表されている。
【００６３】
受信手段は超音波センサの受信波形に閾値を設け、その閾値を超える受信波形を検出した時点で受信を判断し、その後、波形が基準値と交わる点を検出する。同図（ａ−２）では閾値を第３波が超えているので、それ以降の波形が基準値と交わる点、ＴＡ５、ＴＡ６、ＴＡ７、ＴＡ８、ＴＡ９、ＴＡ１０、ＴＡ１１を検出ポイントとしている。
【００６４】
同図（ｂ−２）の波形は、同図（ａ−２）の波形と比べ、ピーク値が異なっている。流路１の中を伝播する超音波にはある程度の広がりがあるため、壁に反射する超音波が存在し、それらの合成波が受信波形となる。気体の流れがある場合は、合成される個々の波の状態が変化するため、同図（ｂ−２）の波形と、同図（ａ−２）の波形とに差異が生じることがある。
【００６５】
このため、閾値を同じ値に設定していても、同図（ｂ−２）の場合は、第４波で受信を判断し、検出ポイントはＴＢ７、ＴＢ８、ＴＢ９、ＴＢ１０、ＴＢ１１、ＴＢ１２、ＴＢ１３となる。これらの検出ポイントの中で、受信波形の立下りで基準値と交わる検出ポイントのみを選ぶとＴＡ５、ＴＡ７、ＴＡ９、ＴＡ１１、およびＴＢ７、ＴＢ９、ＴＢ１１、ＴＢ１３となる。
【００６６】
図５はこれらの検出ポイントについて、求められた時間を示した表である。計時手段６はこれらの時間を求め、さらに演算手段７がこれらの時間から（６）式で流速を求める必要がある。同式のＴ１とＴ２にどの検出ポイントの時間を代入すべきかを判断するために、ＴＡ５、ＴＡ７、ＴＡ９、ＴＡ１１のそれぞれと、ＴＢ７、ＴＢ９、ＴＢ１１、ＴＢ１３のそれぞれの時間の差を求める。これらの時間差を示したのが図６である。同図はＴＡの５、７、９、１１からＴＢの７，９，１１，１３を引いたものであるので、その値がプラスのものは意味のないデータである。
【００６７】
また、信号の周期ＴＳ（送信信号と受信信号の両方）は２×１０−６秒に選んでいるので、同図の値で−２×１０−６秒よりも小さい値（例えば−２．１１Ｅ−６＝−２．１１×１０−６）は意味のないデータである。
【００６８】
そこで残るデータは同図の下線を入れて示したデータで、これらの組合せはＴＡ７とＴＢ７、ＴＡ９とＴＢ９、ＴＡ１１とＴＢ１１となる。これらのデータはそれぞれ第７波、第９波、第１１波での組合せになっているので妥当なデータである。同図のこれらの値はすべて、１．０９Ｅ−７となっているが、実際の計測では波形の影響、ノイズの影響などでその値は微妙にばらつきのあるものとなる。
【００６９】
（６）式のＴ１にＴＡ７を代入し、Ｔ２にＴＢ７を代入することで一つの音速データが求まる。同様にＴ１にＴＡ９を代入し、Ｔ２にＴＢ９を代入することで２つ目のデータがもとまり、また、Ｔ１にＴＡ１１を代入し、Ｔ２にＴＢ１１を代入することで３つ目のデータが求まる。
【００７０】
このように超音波センサ２，３それぞれにおいて１回の送信と受信をおこなうことにより３つの流量データをえることができる。これら３つのデータの平均値を取ることで流量計測の平均化がおこなわれデータのバラツキを低減することができようになる。
【００７１】
これらは検出ポイントの中で、受信波形の立下りで基準値と交わる検出ポイントのみを選んだが、受信波形の立下りで基準値と交わる検出ポイントも加えることができる。この場合、周期ＴＳは最大流量での時間差ΔＴ(ΔＴ=Ｔ１-Ｔ２)の２倍よりも大きな値を選択する。
【００７２】
本実施の形態によれば、図４に示されるように受信を検出する第ｎ波が、第２の超音波センサ３で受信する場合と、第１の超音波センサ２で受信する場合とでｎが異なっても正確な測定が可能になる。
【００７３】
これにより図１３（２）に示されるように、主なる共振周波数を一つしか持たない超音波センサで、その受信波形が図１４（２）に示されるように立ち上がりが緩やかで、受信検出の波数があいまいになりやすい波形であっても適確に測定が行えるので超音波センサの設計自由度が広がり、その音響整合層を複合構造とする必要がなくなり、その構造を簡素化することができる。
【００７４】
また、第１の超音波センサ２と第２の超音波センサ３の受信波形が異なる形を有しても、正しい計測が行えるので、図７に示すような超音波の反射が多い流路１でも用いることができる。流路１の断面は３枚の薄板９で分割されている。
【００７５】
薄板９の間隔は約２ミリメートルで、４層の空間を流体が通る構造となっている。このように流体が通る空間の間隔が狭い扁平なものは、その空間での流体の速度分布が流体の広い流量領域において一様になりやすいので、広い流量領域に渡り誤差の少ない流量計を実現することができる。両端に第１，第２の超音波センサ２，３が配置される。超音波センサから放射される超音波はある程度の広がりを持つため、間隔の狭い空間では上下を構成する薄板９に超音波が当たり、その軌道が変わりながら伝播する。また流体の流れがある場合は、その影響で軌道が変化するようになる。
【００７６】
片方の超音波センサから放射された超音波は広がりながら、あるものは薄板で反射され、その軌道を変えながら進み、もう一方の超音波センサに到達する時点ではさまざまな軌道を通ってくる超音波の合成波となる。このため、第１，第２の超音波センサ２，３の受信波形を比べると、各波のピーク値が異なったものになることがあるが、本実施形態の測定方法を用いれば正確な測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、超音波センサの受信波形の形状によらず適確な超音波の伝播時間測定が行え、かつ、１回の受信波形から複数の伝播時間データを取得でき、平均化をすることができるので計測精度が向上させることができ、かつ、超音波の受信波形が変化しやすい扁平流路を用いることも可能であるので、広い流量領域にわたり正確な計測が要求される、天然ガスや液化石油ガスの流量を測定する業務用や家庭用の超音波式ガス流量測定装置(ガスメータ)の用途に展開できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態における超音波流量計の構造を示す概略図
【図２】同超音波流量計の波形図
【図３】同超音波流量計の最大流量と超音波の伝播時間差ΔＴとの関係を示す特性図
【図４】同超音波流量計の波形図
【図５】同超音波流量計の検出ポイントとそれらの時間を示す図
【図６】同超音波流量計の検出ポイントとそれらの時間差を示す図
【図７】（ａ）は超音波流量計の他の実施の形態を示す外観斜視図、（ｂ）は断面図
【図８】従来の超音波流量計の一例を示す制御ブロック図
【図９】従来の超音波流量計の他の例を示す制御ブロック図
【図１０】従来の超音波流量計のさらに他の例を示す制御ブロック図
【図１１】超音波センサの断面図
【図１２】超音波送受波器の受信出力特性を示す図
【図１３】超音波送受波器の振動変位周波数特性を示す図
【図１４】従来の超音波流量計の構造を示す概略図
【図１５】従来の超音波流量計の波形図
【図１６】従来の超音波流量計の受信波形図とクロックの波形図
【符号の説明】
【００７９】
１  流路
２  第１の超音波センサ
３  第２の超音波センサ
４  送信手段
５  受信手段
６  計時手段
８  演算手段
【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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【図１５】
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【図１６】
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