(57)【要約】【課題】パルス状信号の伝搬時間を高精度で測定する。【解決手段】伝搬時間測定装置は、受信器（２Ａ，２Ｂ）で受信された波形を記憶する記憶手段（１６）を備える。概略位置算出手段（Ｓ３−１）は記憶された波形からパルス状信号の受信波形（３２）の時間軸上での概略位置を算出する。判定手段（Ｓ３−３）は波形のピーク（ＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１）を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出したピーク（ＰＮ−２〜ＰＮ＋１）を予め定められたノイズレベル範囲（ＮＬＲ）と比較する。ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）を最初に下回ったピーク（ＰＮ＋１）とその直前のノイズレベル範囲（ＮＬＲ）を上回るピーク（ＰＮ）との間のゼロクロス点を受信位置（ｔｒ）と判定する。伝搬時間算出手段（Ｓ３−６）はパルス状信号が発信された時間軸上の送信位置（ｔｔ）と受信位置（ｔｒ）とから伝搬時間（Ｔ＋，Ｔ−）を算出する。【選択図】図３
2008014771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発信器（１Ａ，１Ｂ）から発信されたパルス状信号が媒質中を伝搬して受信器（１Ａ，１Ｂ）に到達するまでの伝搬時間（Ｔ＋，Ｔ−）を測定するパルス状信号の伝搬時間測定装置であって、
前記受信器で受信された波形を記憶する記憶手段（１６）と、
前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形（３２）の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段（Ｓ３−１）と、
前記概略位置算出手段（Ｓ３−１）で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク（ＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１）を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲（ＮＬＲ）と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク（ＰＮ）との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置（ｔｒ）と判定する第１の判定手段（Ｓ３−３）と、
前記発信器から前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置（ｔｔ）と前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段（Ｓ３−６）と
を備えることを特徴とするパルス状信号の伝搬時間測定装置。
【請求項２】
前記ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）の直前の前記ピーク（ＰＮ）とさらにその直前の前記ピーク（ＰＮ−１）との間の時間間隔（δｔ）が、前記発信器（２Ａ，２Ｂ）から発信されるパルス状信号の波長（λ）の１／２から予め定められた範囲外であれば、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）の直前の前記ピーク（ＰＮ）とさらにその直前の前記ピーク（ＰＮ−１）との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置（ｔｒ’）と判定する第２の判定手段（Ｓ３−４）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のパルス状信号の伝搬時間測定装置。
【請求項３】
前記第１の判定手段（Ｓ３−３）及び前記第２の判定手段（Ｓ３−４）で判定された前記パルス状信号の前記時間軸上の前記受信位置（ｔｒ，ｔｒ’）から前記時間軸上を予め定められた期間（Ｎ）だけ遡った範囲内に前記ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）を上回るピーク（Ｐ’）があれば、前記第１の判定手段（Ｓ３−３）及び前記第２の判定手段（Ｓ３−４）にそのピーク位置（Ｐ’）から前記時間軸を遡って前記受信位置（ｔｒ，ｔｒ’）の判定を再度実行させる再判定手段（Ｓ３−５）をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のパルス状信号の伝搬時間測定装置。
【請求項４】
前記ノイズレベル（ＮＬ）及び前記ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）は、前記受信波形（３２）を含まない程度に前記概略位置よりも以前の前記受信器で検出される信号レベルに基づいて算出していることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパルス状信号の伝搬時間測定装置。
【請求項５】
水路（１）の両側に配置された一対の超音波プローブ（２Ａ，２Ｂ）のうちの一方から発信された超音波のパルス状信号が前記水路を流れる流水中を伝播して他方の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間（Ｔ＋，Ｔ−）に基づいて、前記水路を流れる流水の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、
前記超音波プローブで受信された波形を記憶する記憶手段（１６）と、
前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形（３２）の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段（Ｓ３−１）と、
前記概略位置算出手段で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク（ＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１）を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲（ＮＬＲ）と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク（ＰＮ）との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置（ｔｒ）と判定する判定手段（Ｓ３−３）と、
前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置（ｔｔ）と、前記判定手段で判定された前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段（Ｓ３−６）と
前記伝搬時間算出手段で算出された前記伝搬時間に基づいて流速の測定値（Ｖｍ）を算出する流速算出手段（１８）と、
前記流速算出手段で算出された前記流速の測定値（Ｖｍ）に基づいて流量（Ｑ）を算出する流量算出手段（２１）と
を備えることを特徴とする超音波式流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス状の超音波等のパルス状信号が気体、液体、固体等の媒質中を伝搬するのに要する時間を測定する伝搬時間測定装置、かかるパルス状信号の伝搬時間に基づいて液体や気体の流速等の物理量を測定する物理量測定装置、及びかかる伝搬時間測定装置及び物理量測定装置を超音波式流量測定に適用した超音波式流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス状信号を受信してその伝搬時間を測定し、それに基づいて既知の関係式により物理量を評価ないしは測定することが広く知られている。例えば、流体の流速を求める方法の一つである超音波伝搬時間差法では、流れに沿う方向及びその逆方向に超音波を発信し、それら二つの方向での超音波の伝搬時間から既知の関係式に基づいて伝搬経路上での平均流速を求める。また、超音波の発信位置と受信位置の物理的距離Ｌと音速Ｃのうち一方が既知で他方が未知である場合、ある音源からパルス状信号を送信し、そのパルス状信号が受信されるまでの伝搬時間Ｔを計測すれば、Ｌ＝Ｃ×Ｔの関係式に基づいて未知量を評価できる。
【０００３】
パルス状信号の伝搬時間に基づく物理量の測定では、パルス状信号の伝搬時間の正確な計測が不可欠である。パルス状信号の送信タイミングは通常は測定者により与えられ既知であるので、伝搬時間の正確な計測は受信タイミング、すなわち受信したパルス状信号の時間軸上の受信位置を正確に評価ないしは測定することに帰結する。
【０００４】
一般に、パルス状信号の時間軸上の受信位置の測定に関し、信号振幅に対する閾値を設け、受信信号が閾値を超えた時点、あるいはその前後のゼロクロス点を受信位置とする方法（閾値法）と、ある基準波形との相互相関係数の変化から受信位置を求める方法（相互相関法）が知られている。
【０００５】
しかし、パルス状信号の送信波形が同一であっても、パルス状信号が伝搬する媒質の状態や周囲の環境により受信波形は様々な形状に変化する。従って、閾値法では、ある一定の閾値を超える振幅が発生するタイミングは受信波形内で相対的に変化する可能性があり、それによって伝搬時間評価に誤差が生じる。例えば、受信波形が図７（Ａ），（Ｂ）に示すように変化する場合、図７（Ａ）に示す波形と図７（Ｂ）に示す波形では一定の閾値ＴＨを超える振幅が発生するタイミングは１波分異なる（符号ａ，ａ’参照）。これに対し、特許文献１に記載の方法では、２つのほぼ連続するパルス状信号を受信し、１個目の受信波形の最大振幅に基づいて閾値を調整し、２個目の波形がその閾値を超える時点に基づいて伝搬時間を決定している。しかし、かかる閾値調整を行っても時系列的に見て受信波形の波形形状が安定しない限り、閾値を超える時点はやはり受信波形内で相対的に変化するので、正確な伝搬時間評価はなされない。また、相互相関法については、様々に変化する受信波形形状に対応する適切な基準波形を定めることは困難であり、相関係数の最大値等で規定した受信位置も受信波形内で相対的に変化することが容易に推察される。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１４５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高精度でのパルス状信号の伝搬時間の測定を実現することを課題とする。また、本発明は、さらに、本発明は高精度での流量計測を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、発信器（１Ａ，１Ｂ）から発信されたパルス状信号が媒質中を伝搬して受信器（１Ａ，１Ｂ）に到達するまでの伝搬時間（Ｔ＋，Ｔ−）を測定するパルス状信号の伝搬時間測定装置であって、前記受信器で受信された波形を記憶する記憶手段（１６）と、前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形（３２）の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段（Ｓ３−１）と、前記概略位置算出手段（Ｓ３−１）で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク（ＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１）を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲（ＮＬＲ）と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク（ＰＮ）との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置（ｔｒ）と判定する第１の判定手段（Ｓ３−３）と、前記発信器から前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置（ｔｔ）と前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段（Ｓ３−６）とを備えることを特徴とするパルス状信号の伝搬時間測定装置を提供する。
【０００９】
第１の判定手段は、受信器で受信される信号の信号レベルによらずパルス状信号の受信波形の時間軸上の受信位置を高精度で判定できる。従って、伝搬時間算出手段はパルス状信号の送信位置と受信位置からパルス状信号の正確な伝搬時間を算出できる。
【００１０】
より高精度で受信位置を判定するには、前記ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）の直前の前記ピーク（ＰＮ）とさらにその直前の前記ピーク（ＰＮ−１）との間の時間間隔（δｔ）が、前記発信器（２Ａ，２Ｂ）から発信されるパルス状信号の波長（λ）の１／２から予め定められた範囲外であれば、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）の直前の前記ピーク（ＰＮ）とさらにその直前の前記ピーク（ＰＮ−１）との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置（ｔｒ’）と判定する第２の判定手段（Ｓ３−４）をさらに備えることが好ましい。
【００１１】
また、より高精度に受信位置を判定するには、前記第１の判定手段（Ｓ３−３）及び前記第２の判定手段（Ｓ３−４）で判定された前記パルス状信号の前記時間軸上の前記受信位置（ｔｒ，ｔｒ’）から前記時間軸上を予め定められた期間（Ｎ）だけ遡った範囲内に前記ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）を上回るピーク（Ｐ’）があれば、前記第１の判定手段（Ｓ３−３）及び前記第２の判定手段（Ｓ３−４）にそのピーク位置（Ｐ’）から前記時間軸を遡って前記受信位置（ｔｒ，ｔｒ’）の判定を再度実行させる再判定手段（Ｓ３−５）をさらに備えることが好ましい。
【００１２】
前記ノイズレベル（ＮＬ）及び前記ノイズレベル範囲（ＮＬＲ）は、前記受信波形（３２）を含まない程度に前記概略位置よりも以前の前記受信器で検出される信号レベルに基づいて算出することが好ましい。これによって受信ゲインの変動等による信号レベルの変化に対してノイズレベルの変動を自己補償することができ、より構成の伝搬時間の測定が可能となる。
【００１３】
第２の発明は、水路（１）の両側に配置された一対の超音波プローブ（２Ａ，２Ｂ）のうちの一方から発信された超音波のパルス状信号が前記水路を流れる流水中を伝播して他方の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間（Ｔ＋，Ｔ−）に基づいて、前記水路を流れる流水の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、前記超音波プローブで受信された波形を記憶する記憶手段（１６）と、前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形（３２）の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段（Ｓ３−１）と、前記概略位置算出手段で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク（ＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１）を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲（ＮＬＲ）と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク（ＰＮ＋１）とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク（ＰＮ）との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置（ｔｒ）と判定する判定手段（Ｓ３−３）と、前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置（ｔｔ）と、前記判定手段で判定された前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段（Ｓ３−６）と前記伝搬時間算出手段で算出された前記伝搬時間に基づいて流速の測定値（Ｖｍ）を算出する流速算出手段（１８）と、前記流速算出手段で算出された前記流速の測定値（Ｖｍ）に基づいて流量（Ｑ）を算出する流量算出手段（２１）とを備えることを特徴とする超音波式流量測定装置を提供する。
【００１４】
受信側の超音波プローブで受信される超音波の信号レベルによらず、発信側の超音波プローブから発信された超音波のパルス状信号が水中を電波して受信側の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間を正確に測定し、それに基づいて高精度での流量測定が可能である。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明のパルス状信号の伝搬時間測定装置によれば、受信器で受信される信号の信号レベルによらず、発信器から発信されたパルス状信号が媒質中を伝搬して受信器に到達するまでの伝搬時間を正確に測定できる。また、第２の発明の超音波式流量測定装置によれば、伝搬時間を正確に測定し、それに基づいて高精度での流量測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す。この超音波式流量測定装置は、開水路１の両岸に配置された一対の超音波プローブ２Ａ，２Ｂと、これらの超音波プローブ２Ａ，２Ｂによる超音波の発信及び受信の制御と、各種の演算を含む流量測定のための処理を実行する処理装置３とを備える。
【００１８】
超音波プローブ２Ａ，２Ｂは、超音波の発信及び受信を行うためのピエゾ素子を備えている。超音波プローブ２Ａ，２Ｂは開水路１中の流水の流れ方向Ｆに対して直角でない角度θをなすように対向して配置されている。超音波プローブ２Ａが上流側に位置し、超音波プローブ２Ｂが下流側に位置している。また、超音波プローブ２Ａ，２Ｂは、川底から同一の高さに配置されている。
【００１９】
処理装置３は、周知のオシロスコープ、パーソナルコンピュータ、各種電気・電子回路により構成され、パルス発生部１１、タイマ１２、増幅器１３、Ａ／Ｄ変換器１４、サンプリング回路１５、メモリ１６、伝搬時間算出部１７、流速計算部１８、及び流量算出部２１を備える。
【００２０】
パルス発生部１１は、ピエゾ素子を駆動するためのパルス電圧を発信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂに印加し、超音波のパルス状信号を超音波プローブ２Ａ，２Ｂに発信させる。超音波プローブ２Ａ，２Ｂからパルス状信号が発信された時間軸上の位置である送信位置ｔｓがタイマ１２により計時される。超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの一方から発信されたパルス状信号は開水路１中の流水を伝搬して超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの他方に到達する。図４に示すように、超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの一方から発信されるパルス状信号の送信波形３１は本実施形態では矩形波形である。超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの他方に到達したパルス状信号の受信波形３２は流水中を伝搬する間に大きく変化する。
【００２１】
図４を参照すると、前述の送信位置ｔｔと発信されたパルス状信号が受信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂで受信される時間軸上の位置である受信位置ｔｒとの時間間隔が２つの超音波プローブ２Ａ，２Ｂ間をパルス状信号が伝搬するのに要した伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−である。伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−について、添字「＋」は上流側の超音波プローブ２Ａから下流側の超音波プローブ２Ｂへ向かうパルス状信号の伝搬時間（流れ方向Ｆに沿う方向の伝搬時間）であることを示し、添字「−」は下流側の超音波プローブ２Ｂから上流側の超音波プローブ２Ａへ向かうパルス状信号の伝搬時間（流れ方向Ｆとは逆方向の伝搬時間）であることを示す。
【００２２】
増幅器１３は受信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂの出力するアナログ信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器１４は増幅されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換する。サンプリング回路１５はデジタル化された信号のサンプリングを行い、メモリ１６はサンプリング回路１５でサンプリングされた受信信号を記憶する。従って、メモリ１６には受信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂで受信された波形が記憶される。伝搬時間算出部１７はメモリ１６に記憶された波形からパルス状信号の受信波形の受信位置ｔｒを判定し、さらに判定した受信位置ｔｒと前述の送信位置ｔｔとから伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−を計算する。流速計算部１８は伝搬時間計算部１７で計算された伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−から開水路１の流速の測定値Ｖｍを計算する。流量計算部２１は流速の測定値Ｖｍから開水路１の流量Ｑを計算する。
【００２３】
図２及び図３のフローチャートを参照して本実施形態の超音波式流量測定装置による流量測定について説明する。
【００２４】
流速測定は図２に示す手順で実行される。ステップＳ２−１，Ｓ２−２は伝搬時間Ｔ＋を得るための処理である。まず、ステップＳ２−１において、上流側の超音波プローブ２Ａから発信された超音波のパルス状信号を下流側の超音波プローブ２Ｂで受信し、メモリ１６に記憶する。次に、ステップＳ２−２において伝搬時間算出部１７が超音波プローブ２Ｂで受信した波形に基づいて、伝搬時間Ｔ＋を判定する。ステップＳ２−３，Ｓ２−４は伝搬時間Ｔ−を得るための処理である。まず、ステップＳ２−３において、下流側の超音波プローブ２Ｂから発信された超音波のパルス状信号を上流側の超音波プローブ２Ａで受信し、メモリ１６に記憶する。次に、ステップＳ２−４において伝搬時間算出部１７が超音波プローブ２Ｂで受信した波形に基づいて、伝搬時間Ｔ−を判定する。最後に、ステップＳ２−５において、流速計算部２０が下記の式（１）に基づいて伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−から流速の測定値Ｖｍを算出する。
【００２５】
【数１】
2008014771.tif 000003
【００２６】
図２のステップＳ２−２，Ｓ２−４の伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−の判定は、図３に示す手順で実行される。まず、ステップＳ３−１において、相互相関法や閾値法によりメモリ１６に記憶された波形からパルス状信号の受信波形３２の時間軸上の概ねの位置（概略位置）を算出する。
【００２７】
次に、ステップＳ３−２において、ノイズレベルＮＬを設定する。詳細には、受信波形３２の信号を含まないとみなせる程度にステップＳ３−１で算出した受信波形３２の概略位置よりも十分前の一定期間（ノイズ区間）における信号レベル（バッグラウンドノイズ）の平均値をノイズレベルＮＬとする。また、ノイズレベルＮＬに対してノイズ区間での信号レベルの標準偏差σのｍ倍（ｍは正の実数である。）でノイズレベルＮＬを増減した範囲、すなわちＮＬ＋ｍσからＮＬ−ｍσの範囲をノイズレベル範囲ＮＬＲとする。なお、ノイズ区間における信号レベルの経時的にあまり変化しないと想定できる場合には、ある一定値をノイズレベルＮＬとして規定してもよい。
【００２８】
次に、ステップＳ３−３においてピークサーチにより受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔｒの判定を行う。具体的には、ステップＳ３−１で算出された時間軸上の概略位置から超音波プローブ２Ａ，２Ｂで受信された波形（受信波形３２）のピークを時間軸を遡って順次検出する。例えば、受信波形３２が図５に示すような波形である場合、受信波形３２のピークＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１がこの順で順次検出される。図５において点線の矢印Ａ１はピークサーチの順序を概念的に示している。この受信波形３２のピークの検出には、極大点及び極小点等を用いる方法や、ゼロクロス点（受信波形３２がノイズレベルＮＲと交差する点）を用いる方法等がある。また、単に受信波形３２のピークを検出するだけでなく、検出したピークをノイズレベル範囲ＮＬＲと比較する。図５の例では、ピークＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮはいずれもノイズレベル範囲ＮＬＲを上回るが、時間軸上でピークＰＮよりも１つ遡ったピークＰＮ＋１はノイズレベル範囲ＮＬＲを下回る。換言すれば、時間軸を遡ってピークＰＮ−２，ＰＮ−１，ＰＮ，ＰＮ＋１・・・を順次検出していくと、ピークＰＮ＋１が最初にノイズレベル範囲ＮＬＲを下回る。この時間軸を遡ってピークを検出していく過程で最初にノイズレベル範囲ＮＬＲを下回ったピークと、その直前のノイズレベル範囲ＮＬＲを上回っているピークとの間のゼロクロス点が受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔｒとして判定される。図５の例では、最初にノイズレベル範囲ＮＬＲを下回るのはピークＰＮ＋１であるので、このピークＰＮ＋１とその直前のノイズレベル範囲ＮＬＲを上回っているピークＰＮとの間のゼロクロス点が受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔｒであると判定される。時間軸を遡ったピークサーチと、検出したピークとノイズレベル範囲ＮＬＲとの比較に基づいて受信位置ｔｒを判定することにより、受信される信号の信号レベルによらずパルス状信号の受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔｒを高精度で判定できる。また、前述のようにバックグラウンドノイズレベルに基づいてノイズレベルＮＬ及びノイズレベル範囲ＮＬＲを算出しているので、受信ゲインの変動等による信号レベルの変化に対してノイズレベルの変動を自己補償することができ、これの点でも高精度の判定が可能である。なお、ノイズレベルＮＬ及びノイズレベル範囲ＮＲＬは、本実施形態のものに限定されない。例えばバックグラウンドノイズレベルの実効値からバックグラウンドノイズレベルを引いた差の自然数倍や、バッグラウンドノイズレベルの平均値の自然数倍をノイズレベル範囲ＮＲＬとして設定してもよい。
【００２９】
次に、ステップＳ３−４において、ステップＳ３−３で判定した受信位置ｔｒの評価を行う。この受信位置ｔｒの評価はパルス状信号の送信波形３１と受信波形３２は同様の波長ないしは周波数を有するので、ピーク間の時間間隔は波長の１／２程度になるはずであることに基づいている。図５の波形の例に詳細に説明すると、ノイズレベル範囲ＮＬＲを最初に下回ったピークＰＮ＋１の直前のピークＰＮとその直前のピークＰＮ−１との時間間隔δｔを送信波形３１の周期λ（図４参照）を比較する。具体的には、下記の式（２）が成立する場合、すなわち周期λの１／２倍に対して所定の値Δλ（Δλは１／２λよりも十分小さい）を増減した範囲を規定し、この範囲に時間間隔δｔがこの範囲内にある場合には、ステップＳ３−３で判定した受信位置ｔｒは正確であると判断し、受信位置ｔｒは変更しない。
【００３０】
【数２】
2008014771.tif 000004
【００３１】
一方、式（２）が成立しない場合、すなわち時間間隔δｔが１／２λに対してΔλを増減した範囲外にあれば、ステップＳ３−３で判定した受信位置ｔｒは正確でないと判断し、受信位置ｔｒを変更する。図５を例に説明すると、ノイズレベル範囲ＮＬＲを最初に下待ったピークＰＮ＋１の直前のピークＰＮとさらにその直前のピークＰＮ−１との間のゼロクロス点（図５において符号ｔｒ’で示す。）を受信波形３２の時間軸上の受信位置と判定する。ステップＳ３−４の受信位置ｔｒの評価後、ステップＳ３−５に移行する。かかる受信位置ｔｒの評価を行うことにより、より高精度で受信位置ｔｒを判定できる。
【００３２】
図６に示すように、超音波の伝搬状況によっては信号の干渉、重ね合わせ等の原因により、受信波形３２の一部がノズルレベル範囲ＮＬＲを下回る場合がある。このような場合、例えばピークＰから時間軸を遡ってピークサーチを行うことによって得られる受信位置ｔｒは真の受信位置ｔｒ’’ではない。そこで、ステップＳ３−５においてステップＳ３−３，Ｓ３−４で判定された受信位置ｔｒから時間軸を遡った前方にノイズレベルＮＲＬを上回るピークがあれば、そのピークからステップＳ３−３，Ｓ３−４の受信位置ｔｒの判定を繰り返す。図６を参照して具体的に説明すると、ステップＳ３−３，Ｓ３−４で判定された受信位置ｔｒから時間軸上を受信波形３２のＮ波分だけ遡った範囲内（Ｎは自然数）にノイズレベル範囲ＮＲＬを上回る値のピークＰ’があれば、そのピークＰ’から時間軸を遡ってピークサーチを行い（ステップＳ３−３）、ピークサーチで判定された受信位置ｔｒ’’の評価を行う（ステップＳ３−４）。かかる再判定を行うことにより、より高精度で受信位置ｔｒを判定できる。ステップＳ３−５において受信位置ｔｒから時間軸を遡った前方にノイズレベル範囲ＮＬＲを上回るピークがない場合には、ステップＳ３−６に移行する。
【００３３】
次に、ステップＳ３−６では、前述のようにタイマ１２で経時された送信位置ｔｔと、ステップＳ３−１〜Ｓ３−５の処理により判定した受信位置ｔｒとから伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−を算出する。伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−は送信位置ｔｔと受信位置ｔｒの差として与えられる。送信位置ｔｔは測定者により与えられる送信タイミングに対応するので、正確な値が既知である。また、前述のように受信位置ｔｒも高精度で反対されている。従って、正確な伝搬時間Ｔ＋，Ｔ−を算出できる。
【００３４】
流速測定部１８から流速の測定値Ｖｍを取得した流量計算部２１は、以下の式（３）に基づいて流量Ｑを算出する。
【００３５】
【数３】
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【００３６】
式（３）において、Ｋは補正係数、Ａは流れ方向Ｆと直交する方向での開水路１の平均断面積である。前述のように流速の有効値Ｖｅは精度が高く、かつ欠測も最小限に低減されているので、高精度かつリアルタイムで流量Ｑを計測できる。
【００３７】
流量測定装置を例に本発明を説明したが、本発明は他の用途にも適用できる。例えば、図３のステップＳ３−１〜Ｓ３−６の処理による伝搬時間の測定は、水中での超音波の伝搬時間の測定に限定されず、他の液体、固体、気体中でのパルス状信号の伝搬時間の測定に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る流量測定装置を示す模式図。
【図２】流速測定に関する処理を説明するためのフローチャート。
【図３】伝搬時間の判定に関する処理を説明するためのフローチャート。
【図４】送信波形と受信波形を示す模式的なグラフ。
【図５】ピークサーチによる受信位置の検索を説明するための模式的なグラフ。
【図６】いったんノイズレベルまで低下した振幅が再度ノイズレベルから上昇する波形の例を示す模式的なグラフ。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ受信波形の一例を示す模式的なグラフ。
【符号の説明】
【００３９】
１  開水路
２Ａ，２Ｂ  超音波プローブ
１１  パルス発生部
１２  タイマ
１３  増幅器
１４  Ａ／Ｄ変換器
１５  サンプリング回路
１６，１９  メモリ
１７  伝搬時間算出部
１８  流速計算部
２１  流量計算部
【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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