【手続補正書】
【提出日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れる流路の上流側と下流側とに対向して配置した一対の超音波送受信器と、前記一対の超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測手段と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶するオフセット値記憶手段とを備えた流量計測装置において、
前記オフセット値とは、前記超音波送受信器が送信した超音波が到達してから、受信信号が所定の閾値を越えた次のゼロクロス点である前記超音波送受信器の受信までの遅れ時間であり、
前記流量演算手段は、前記一対の超音波送受信器のそれぞれのオフセット値の差を用いて流量を求める、
流量計測装置。
【請求項２】
前記一対の超音波送受信器の上流側の超音波送受信器から下流側の超音波送受信器へ超音波を送受信した際に受信側となる前記下流側の超音波送受信器の特性によって決まる固有のオフセット値をＴｄ９とし、
一方、前記一対の超音波送受信器の下流側の超音波送受信器から上流側の超音波送受信器へ超音波を送受信した際に受信側となる前記上流側の超音波送受信器の特性によって決まる固有のオフセット値をＴｄ８としたときに、
前記流量演算手段は、前記一対の超音波送受信器のそれぞれのオフセット値の差である、Ｔｄ８−Ｔｄ９、の関数式として流速を演算して求める、
請求項１に記載の流量計測装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】流量計測装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の流量計測装置を、図６に基づいて説明する。図において、流体の流れる流路１に一対の超音波送受信器２、３を、上流側および下流側に設け、上流側から下流側へあるいは、下流側から上流側へ超音波を送信し、受信する。この時の超音波の伝搬時間差から流体の流速を演算し、流路１の断面積を乗算して流量を算出し、流量計測装置としていた（例えば、特許文献１参照）。なお、図中の矢印４は流体の流れる方向を示し、破線５は超音波の伝搬路を、一点鎖線は流体の流れる方向を示し、それら交叉角θで交叉している。
【特許文献１】特開平９−３１８４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の流量計測装置では、次のような課題があった。すなわち超音波を送信、受信する超音波送受信器２、３を流路内に設けるため、流体の物理条件、すなわち流体の圧力、温度、種類などの影響を大きく受けることになり、流体の流速を正確に、また低流量を安定に計測できないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記課題を解決するために、流体の流れる流路の上流側と下流側とに一対の超音波送受信器を対向して設け、前記一対の超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測手段と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶するオフセット値記憶手段とを備えた構成とした。
【０００５】
この構成により、常にオフセット値を記憶しているため、オフセット値を用いて演算することができるので、低流量を安定に、正確に計測することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の流量計測装置は、オフセット値を記憶しているので、安定で、正確な流量値を演算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、流体の流れる流路の上流側と下流側とに一対の超音波送受信器を対向して設け、前記一対の超音波送受信器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測手段と、超音波伝搬時間から流体の流量を演算する流量演算手段と、流量演算に用いるオフセット値を記憶するオフセット値記憶手段とを備えた流量計測装置において、前記オフセット値とは、前記超音波送受信器が送信した超音波が到達してから、受信信号が所定の閾値を越えた次のゼロクロス点である前記超音波送受信器の受信までの遅れ時間であり、前記流量演算手段は、前記一対の超音波送受信器のそれぞれのオフセット値の差を用いて流量を求める、構成とした。
【０００８】
この構成により、常にオフセット値を記憶しているため、オフセット値の差を用いて演算することができるので、低流量を安定に、正確に計測することができる。
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の流量計測装置を示したブロック図である。図１において、流路７の上流側と下流側とに超音波送受信器８、９を設けた。流路７内の矢印１０は流体の流れ方向（一点鎖線１１）を示し、超音波の伝搬路１２（破線）とは角度θで交叉している。例えば、送信部１３から送信信号が切換部１４を介して上流側の超音波送受信器８に伝達され、超音波が流路７内に送信され、下流側の超音波送受信器９で受信される。
【００１１】
受信された超音波信号は切換部１４を介して受信部１５に伝達される。この時、時間計測手段１６において送信から受信までの時間が計測される。次に、送信部１３から送信信号が切換部１４を介して下流側の超音波送受信器９に伝達され、超音波が流路７内に送信され、上流側の超音波送受信器８で受信される。受信された超音波信号は切換部１４を介して受信部１５に伝達される。この時、時間計測手段１６において送信から受信までの時間が計測される。
【００１２】
なお、時間分解能を上げたい場合には、受信部１５で超音波信号を受信したら、時間計測手段１６を素通りし、送信部１３に信号を伝達し、２〜２５６回もの多数回繰り返し送信、受信をする場合もある（シングアラウンド計測方法）。この場合には、時間計測手段１６では、繰り返し回数とト−タル時間とが計測される。超音波送受信器８、９間の距離をＬ、流体の流速をＶ、流体中を伝搬する超音波の音速をＣとすると、上流側の超音波送受信器８から下流側の超音波送受信器９への超音波伝搬時間Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎおよび下流側の超音波送受信器９から上流側の超音波送受信器８への超音波伝搬時間  Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐは、以下のように示される。
【００１３】
Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ＝Ｌ／［Ｃ＋Ｖｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ＝Ｌ／［Ｃ−Ｖｃｏｓ（θ）］
これより、
Ｃ＋Ｖｃｏｓ（θ）＝Ｌ／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ
Ｃ−Ｖｃｏｓ（θ）＝Ｌ／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ
よって、
２×Ｃ＝Ｌ［（１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ）＋（１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ）］
これより、超音波の音速は、上記２式を足し算し、
Ｃ＝（Ｌ／２）×［（１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ）＋（１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ）］
となる。
【００１４】
また、流体の流速Ｖは、上記２式を引き算し、
２×Ｖｃｏｓ（θ）＝Ｌ［（１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ）−（１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ）］
となる。これより、流体の流速Ｖは、
Ｖ＝［Ｌ／２×ｃｏｓ（θ）］×［（１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ）−（１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ）］と演算される。
【００１５】
ここで、超音波送受信器間距離Ｌおよび交叉角θは、予め決められた定数であるから、超音波の伝搬時間  Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎおよびＴｄｏｗｎ−−＞ｕｐを時間計測手段１６で計測することにより、流体の流速Ｖが得られる。また、予め決められた流路７の断面積を乗算することにより、流体の流量Ｑｃａｌが演算される。以上の演算処理は流量演算手段１７で実施される。
【００１６】
図２に、超音波送受信器８、９で送信、受信される信号を示す。矩形波１９は、超音波送受信器８あるいは９に印加される送信信号を示す。正弦波状の信号２０は、超音波送受信器８あるいは９で受信、増幅された受信信号を示す。一般的に時間計測の受信点は、受信信号がある閾値（破線２１）を越えた次のゼロクロス点２２を用いることが多い。この場合、送信信号の矩形波の立上がり時点Ｔｓｔが送信開始時刻であり、ゼロクロス点２２が受信時刻Ｔａｒなる。したがって、計測される超音波の伝搬時間Ｔｐｒは、時刻Ｔａｒと時刻Ｔｓｔ間の時間となる。すなわち、Ｔｐｒ＝Ｔａｒ−Ｔｓｔとなる。
【００１７】
しかしながら、図２の受信信号２０から明らかなように、伝搬してきた超音波が超音波送受信器８あるいは９によって受信される時刻は、受信信号２０の先頭であるＴｒｅである。時刻Ｔｒｅと時刻Ｔａｒとの間の時間遅れＴｄは、受信側の超音波送受信器８または９に超音波が到着したあと、受信部１５で受信されるまでの時間遅れＴｄと考えることができる。
【００１８】
この時間遅れＴｄは、超音波送受信器８あるいは９の個々の特性に大きく依存している。したがって、上流側の超音波送受信器８から下流側の超音波送受信器９への超音波伝搬時間Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎの中には、受信側の超音波送受信器である下流側の超音波送受信器９の特性で決まるＴｄ９が含まれる。また、下流側の超音波送受信器９から上流側の超音波送受信器８へ超音波伝搬時間  Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐの中には、受信側の超音波送受信器である上流側の超音波送受信器８の特性で決まるＴｄ８が含まれる。
【００１９】
このように、超音波送受信器の特性で決まる固有の時間Ｔｄ８およびＴｄ９を、オフセット値として予めオフセット値記憶手段１８に記憶させておき、上記で説明した流量演算時に、それぞれ計測された超音波伝搬時間Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎおよび Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐから、それぞれのオフセット値Ｔｄ８およびＴｄ９を引き算処理することにより、より正確な超音波伝搬時間が得られることになり、より正確な流量値が演算される。本実施例の場合、上流側および下流側のオフセット値は、それぞれの超音波送受信器８および９で受信された受信波形の周期の２．５倍である。このように受信側の超音波送受信器のオフセット値を計測された超音波伝搬時間から差し引くことにより、流量値を高精度に演算することができ、精度の高い流量計測装置が実現できる。
【００２０】
上記で説明したことを計算式で示すと、以下のようになる。
【００２１】
すなわち、上記流速Ｖの式
Ｖ＝［Ｌ／２×ｃｏｓ（θ）］×［（１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ）−（１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ）］
において
Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ＝Ｔｕｄ＋Ｔｄ９＝Ｔｕｄ×［１＋（Ｔｄ９／Ｔｕｄ）］
Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ＝Ｔｄｕ＋Ｔｄ８＝Ｔｄｕ×［１＋（Ｔｄ８／Ｔｄｕ）］
である。
【００２２】
ここで、超音波が流体中を上流側から下流側へ、あるいは下流側から上流側への伝搬する時間をそれぞれ、Ｔｕｄ、Ｔｄｕとした。また通常の場合、超音波が流体中を伝搬する時間  Ｔｕｄ、Ｔｄｕは概ね１００〜３００μｓｅｃ程度であり、Ｔｄ８およびＴｄ９な
る時間は、超音波の周期の数倍程度の、１〜５μｓｅｃ程度と十分小さい。従って、上式は次のように近似できる。
【００２３】
１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ＝１／｛Ｔｕｄ×［１＋（Ｔｄ９／Ｔｕｄ）］｝
≒（１／Ｔｕｄ）×［１−（Ｔｄ９／Ｔｕｄ）］
１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ＝１／｛Ｔｄｕ×［１＋（Ｔｄ８／Ｔｄｕ）］｝
≒（１／Ｔｄｕ）×［１−（Ｔｄ８／Ｔｄｕ）］
これらを用いると、流体の流速Ｖは、以下のようになる。
【００２４】
Ｖ＝［Ｌ／２×ｃｏｓ（θ）］×［（１／Ｔｕｄ）×｛１−（Ｔｄ９／Ｔｕｄ）｝
−（１／Ｔｄｕ）×｛１−（Ｔｄ８／Ｔｄｕ）｝］
例えば、ここで流体の流れを止めた場合、超音波の上流側から下流側への伝搬時間Ｔｕｄと下流側から上流側への伝搬時間Ｔｄｕとは、超音波送受信器間の距離Ｌ、音速Ｃであるから、Ｔｕｄ＝Ｌ／Ｃ、Ｔｄｕ＝Ｌ／Ｃとなり、全く等しくなる。その時間をＴ０とすると、その時の見かけの流速Ｖｚは、
Ｖｚ＝［Ｌ／２×ｃｏｓ（θ）］×［（１／Ｔ０）×｛１−（Ｔｄ９／Ｔ０）｝
−（１／Ｔ０）×｛１−（Ｔｄ８／Ｔ０）｝］
＝［Ｌ／２×ｃｏｓ（θ）］×［（Ｔｄ８−Ｔｄ９）／Ｔ０＾２］
となる。
【００２５】
ここで、Ｌ、θは、流路により固定される定数となり、一定値と考えることができる。また、時間Ｔ０も、超音波の音速Ｃが決まると決定される値となり、固定値と考えることができる。このことは、超音波送受信器のオフセット値、Ｔｄ８、Ｔｄ９が決まればＶｚ値が決定されることを示している。
【００２６】
このように、超音波送受信器固有の値Ｔｄ９とＴｄ８との差がある場合、流体の流れが、ゼロであっても、見かけ上、上記のような流速Ｖｚが発生する。この流速Ｖｚに流路の断面積を乗算すると、見掛けの流量としてのオフセット流量Ｑｚが得られる。予めこの値Ｑｚをオフセット値として記憶し、上記で演算した流量値Ｑｃａｌを補正してもよい。
【００２７】
以上説明したように、オフセット値を記憶していることにより、正確な流量値を演算することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図３を用いて、超音波送受信器のオフセット値である受信信号の周期を求める方法を説明する。図３は、図２で示した上流側あるいは下流側の超音波送受信器８または９での受信された受信信号２０を示す。通常の場合、閾値（破線２１）を越えた次のゼロクロス点２２の時刻Ｔａｒを受信時刻とするが、オフセット値を計測しようとする場合には、閾値を越えた２つめのゼロクロス点２３を受信時刻  Ｔａｒ’として計測し、その差Ｔａｒ’−Ｔａｒを受信信号の１周期として演算する。または、閾値（破線２１）を大きくし、新たな閾値として、ゼロクロス点Ｔａｒ’を計測しても良い（図示せず）。
【００２９】
また、受信信号の増幅率を小さくし、閾値（破線２１）をそのままにし、受信信号２０を全体的に振幅が小さくなるようにし、閾値（破線２１）を超えた次のゼロクロス点が、計測しようとするゼロクロス点２３とし、時刻  Ｔａｒ’を計測することもできる。
【００３０】
以上説明したように、計測のたびに、受信信号の周期を計測し、その２．５倍をオフセット値とすることにより、常に正確な流量値を演算することができる。
【００３１】
（実施の形態３）
図４を用いて実施の形態３を説明する。実施の形態１と異なるところは、流体の温度検出手段、流体の種類検出手段あるいは流体の圧力検出手段などの環境変化検出手段２４を設けたところである。このため、環境変化検出手段２４により流体の温度、種類あるいは圧力が変化し、オフセット値が変化したと考えられる時のみ、上記実施の形態２で示した上流側および下流側の超音波送受信器８、９で受信される受信信号の周期を計測し、その値をオフセセット値とすることにより、効率よくオフセット値を更新することができる。
【００３２】
従って、流量演算の度に、いつもオフセット値を計測する必要がなく、効率よくオフセット値を更新することができ、計測時間を短縮することができる。なお、これらの環境変化要因の中でオフセット値を最も大きく変動させるのは、流体の温度であった。従って、少なくとも温度検出手段で環境変化検出手段２４を構成するのが最も有効である。
【００３３】
（実施の形態４）
実施の形態３において、流体の温度検出手段を設けたが、流体中を伝搬する超音波の伝搬速度から流体の温度を検出する方法について説明する。この場合には、環境変化検出手段２４としての温度検出が不要となり、超音波の伝播時間さえ計測できればから流体の温度を検出することができ、流量計測装置の構成が簡単になる。
【００３４】
実施の形態１において、超音波の伝搬速度、音速Ｃは、次式で計算されることを示した。すなわち、
Ｃ＝（Ｌ／２）×［（１／Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎ）＋（１／Ｔｄｏｗｎ−−＞ｕｐ）］
である。
【００３５】
このように、超音波の伝搬時間Ｔｕｐ−−＞ｄｏｗｎおよびＴｄｏｗｎ−−＞ｕｐを計測することにより超音波の伝搬速度Ｃを検出することができる。例えば、流体が空気である場合、空気中の音速Ｃａｉｒは、空気の温度をＴａｉｒ［℃］とすると、音速Ｃａｉｒ＝３４１．４５＋０．６０７×Ｔａｉｒ［ｍ／ｓｅｃ］で示される。したがって、音速Ｃａｉｒが計測できれば、空気の温度Ｔａｉｒを計算することができる。また、流体が、水である場合には、水温をＴｗａｔｅｒとすると、水中の音速Ｃｗａｔｅｒ＝１５００＋２５×Ｔｗａｔｅｒ［ｍ／ｓｅｃ］で示されるから、音速Ｃｗａｔｅｒが計測できれば、水温Ｔｗａｔｅｒが計算できる。
【００３６】
このように、環境変化検出手段としての温度検出手段を設けることなく、流体の温度が検出できることになり、流量計測装置の構成が簡単になる。しかも、流速Ｖを計測するのと同様にして、時間計測手段で、流体の温度を計測できるので、構成が非常に簡単になる。
【００３７】
（実施の形態５）
図１および図５を用いて実施の形態５を説明する。図５は、超音波送受信器８、９の受信信号から計測した受信周期に基づくオフセット値、Ｔｄ８とＴｄ９との差を横軸に、縦軸に見掛けの流量としてのオフセット流量Ｑｚとの関係を示す。同図に見られるように、この関係は一次関数ｓで近似される関係を示し、
Ｑｚ＝Ａ×（Ｔｄ８−Ｔｄ９）＋Ｂ
で表現される。ここで、Ａ、Ｂは予め決められている定数である。
【００３８】
例えば、このようなオフセット値、Ｔｄ８およびＴｄ９を有する超音波送受信器を備えた図１に示した流路を準備し、その上流および下流を閉止し、流れのない状態で流量値を演算させる。演算された流量値、Ｑｚが零となるように定数Ｂを新たに求め、２つの定数Ａ、Ｂを更新する（Ａは、そのまま）。このようにして定数Ａ、Ｂをオフセット値として記憶させる。このようにして、定数Ａ、Ｂを決めることにより、安定で、正確な流量値を演算する流量計測装置を実現できる。
【００３９】
以上の説明から、本発明の実施の形態における流量計測装置によれば、次の効果が得られる。
（１）オフセット値を記憶しているので、安定で、正確な流量値を演算することができる。
（２）受信信号からオフセット値を計測することができるので、常に安定で、正確な流量値を演算できる。
（３）環境変化検出手段を有しているので、環境変化を検出した時のみ、オフセット値を計測すれば良く、効率よくオフセット値を更新することができる。
（４）超音波の伝搬時間から流体の温度を検出することができるので、構成が簡単な流量計測装置を実現することができる。
（５）予め流量のない状態で、オフセット値を更新するので、常に安定で、正確な流量計測装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１、５の流量計測装置のブロック図
【図２】同実施の形態１の超音波の送信、受信波形図
【図３】本発明の実施の形態２の超音波の送信、受信波形図
【図４】本発明の実施の形態３の流量計測装置のブロック図
【図５】本発明の実施の形態５における超音波の特性図
【図６】従来の流量計測装置のブロック図
【符号の説明】
【００４１】
７  流路
８  上流側の超音波送受信器
９  下流側の超音波送受信器
１３  送信手段
１４  切換手段
１５  受信手段
１６  時間計測手段
１７  流量演算手段
１８  オフセット値記憶手段
１９  送信波形
２０  受信波形
２１  閾値
２４  環境変化検出手段