(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波フローメーターにおける相互オペレーションのためにアップストリームトランスデューサに関連付けられる第１の回路とダウンストリームトランスデューサに関連付けられる第２の回路とを自動調整する方法であって、
前記アップストリームトランスデューサと前記ダウンストリームトランスデューサとの間で信号の交換を生じさせるために前記超音波フローメーターのコントローラを用いることと、
アップストリーム信号とダウンストリーム信号とのそれぞれの最大振幅と前記アップストリーム信号と前記ダウンストリーム信号との高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも１つを比較するために前記コントローラを用いることと、
前記コントローラが前記比較に基づいて前記それぞれの最大振幅と前記それぞれの中心周波数とを含む前記グループの少なくとも１つがマッチしないと判定することに応答して、調整の後に前記第１の回路と前記第２の回路とが実質的にマッチするインピーダンス値を有するように前記第１の回路又は前記第２の回路の少なくとも一方におけるインピーダンス値を調節することにより前記ミスマッチを補正するために前記コントローラを用いることと、
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記インピーダンス値を調節することが、
前記インピーダンスの第１の成分を第１のレンジの値の第１の値に設定して前記インピーダンスの第２の成分を第２のレンジの値の第１の値に設定することと、
前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとの間で信号を交換して前記アップストリーム信号と前記ダウンストリーム信号との最大振幅の差の絶対値を判定することによりそれぞれのデータポイントの値を判定することと、
前記第２の成分を前記第２のレンジにおける次の値に増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することであって、前記データポイントにおける局所的最小が判定されるまで継続される、前記第２の成分を増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することと、
前記第２の成分を前記局所的最小に対応する値に設定することと、
前記第１の成分を前記第１のレンジにおける次の値に増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することであって、前記データポイントにおける全体的最小が判定されるまで継続される、前記第１の成分を増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することと、
前記第１の成分を前記全体的最小に対応する値に設定することと、
を含む、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記第２の成分が前記第２のレンジにおける全ての値に設定されるか又は前記それぞれのデータポイントの値がもはや前の値より小さくならないときに前記局所的最小が判定され、前記第１の成分が前記第１のレンジにおける全ての値に設定されるか又は前記それぞれのデータポイントの値がもはや前の値より小さくならないときに前記全体的最小が判定される、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記第１の成分が抵抗であり、前記第２の成分が静電容量である、方法。
【請求項５】
請求項２に記載の方法であって、
前記それぞれのデータポイントの値を判定することが、前記アップストリーム信号の前記ＦＦＴと前記ダウンストリーム信号の前記ＦＦＴとの中心周波数の差の絶対値を判定することを更に含む、方法。
【請求項６】
超音波フローメーターにおける相互オペレーションのためにアップストリームトランスデューサに関連付けられる第１の回路とダウンストリームトランスデューサに関連付けられる第２の回路とを自動調整するための集積回路チップであって、
前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとの制御を提供するために前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとに動作可能に接続され、前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとの各々からそれぞれの信号を受け取るように更に接続されるマイクロコントローラと、
前記マイクロコントローラに動作可能に接続されるメモリであって、前記マイクロコントローラにより実施されるときに、
前記アップストリームトランスデューサと前記ダウンストリームトランスデューサとの間で第１の信号を交換することと、
アップストリーム信号とダウンストリーム信号とのそれぞれの最大振幅と前記アップストリーム信号と前記ダウンストリーム信号との高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも１つを比較することと、
前記比較に基づいて前記それぞれの最大振幅と前記それぞれの中心周波数とを含む前記グループの少なくとも１つがマッチしないと判定することに応答して、調整の後に前記第１の回路と前記第２の回路とが実質的にマッチするインピーダンス値を有するように前記第１の回路又は前記第２の回路の少なくとも一方におけるインピーダンス値を調節することにより前記ミスマッチを補正することと、
を実施する命令を含む、前記メモリと、
を含む、集積回路チップ。
【請求項７】
請求項６に記載の集積回路チップであって、
前記インピーダンス値を調節することが、
前記インピーダンスの第１の成分を第１のレンジの値の第１の値に設定して前記インピーダンスの第２の成分を第２のレンジの第１の値に設定することと、
前記アップルトリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとの間で信号を交換して前記アップストリーム信号と前記ダウンストリーム信号との最大振幅の差の前記絶対値を判定することにより、それぞれのデータポイントの値を判定することと、
前記第２の成分を前記第２のレンジにおける次の値に増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することであって、前記データポイントにおける局所的最小が判定されるまで継続される、前記第２の成分を増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することと、
前記第２の成分を前記局所的最小に対応する値に設定することと、
前記第１の成分を前記第１のレンジにおける次の値に増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することであって、前記データポイントにおける全体的最小が判定されるまで継続される、前記第１の成分を増分して前記それぞれのデータポイントの値を判定することと、
前記第１の成分を前記全体的最小に対応する値に設定することと、
を含む、集積回路チップ。
【請求項８】
請求項７に記載の集積回路チップであって、
前記第２の成分が前記第２のレンジにおける全ての値に設定されるか又は前記それぞれのデータポイントがもはや一層小さくならないときに前記局所的最小が判定され、前記第１の成分が前記第１のレンジにおける全ての値に設定されるか又は前記それぞれのデータポイントがもはや一層小さくならないときに前記全体的最小が判定される、集積回路チップ。
【請求項９】
請求項８に記載の集積回路チップであって、
前記第１の成分が抵抗であり、前記第２の成分が静電容量である、集積回路チップ。
【請求項１０】
請求項８に記載の集積回路チップであって、
前記それぞれのデータポイントの値を判定することが、前記アップストリーム信号の前記ＦＦＴと前記ダウンストリーム信号の前記ＦＦＴとの中心周波数の差の絶対値を判定することを更に含む、集積回路チップ。
【請求項１１】
超音波フローメーターにおける相互オペレーションのためにアップストリームトランスデューサに関連付けられる第１の回路とダウンストリームトランスデューサに関連付けられる第２の回路とを自動調整するための集積回路チップであって、
前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとの制御を提供するために前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとに動作可能に接続され、前記アップストリームトランデューサと前記ダウンストリームトランデューサとの各々からそれぞれの信号を受け取るように更に接続されるマイクロコントローラと、
前記マイクロコントローラに動作可能に接続されるメモリであって、前記マイクロコントローラにより実施されるときに、
前記アップストリームトランスデューサと前記ダウンストリームトランスデューサとの間で信号を交換することと、
アップストリーム信号とダウンストリーム信号とのそれぞれの最大振幅と前記アップストリーム信号と前記ダウンストリーム信号との高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも１つを比較することと、
前記比較に基づいて前記それぞれの最大振幅と前記それぞれの中心周波数とを含む前記グループの少なくとも１つがマッチしないと判定することに応答して、前記信号のディジタル処理の間にインピーダンスミスマッチを補償することにより前記ミスマッチを補正することと、
を実施する命令を含む、前記メモリと、
を含む、集積回路チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、概して超音波フローメーターに関し、更に特定して言えば、一対のトランスデューサ間の不均衡を自動で検出すること、及び均衡を回復させるためトランスデューサ回路を調整することに関連する。
【背景技術】
【０００２】
超音波技術は、既知の寸法のパイプを介する流体／気体速度を測定するために用いられ、流体／気体の速度、及び、流体／気体の速度をパイプの内部面積で乗じることにより測定される流体／気体量フローを判定するために、ウルトラサウンドトランスデューサがパイプ内に置かれる。経時的に流体フローを積分することにより、累積流体量が測定され得る。超音波フローメータリングを提供するため、第１の信号がアップストリーム方向に送られ、第２の信号がダウンストリーム方向に送られるように、２つのトランスデューサがパイプ内で離間される。両方の信号に対してタイムオブフライト（ＴｏＦ）が測定され、これら２つの測定値間の差がパイプ内のフローの量を示す。小さな漏れを検出するためなど、測定値が高精度である必要があるので、これら２方向の相互オペレーションは重要である。調整されたフローメーターは、ＴＯＦの差をピコ秒の範囲で検出することができる。必要な相互オペレーション手段を提供することは、トランスデューサ対におけるミスマッチにかかわらず、ゼロフローでゼロ差動ＴＯＦを得ることを意味する。この目標を達成することは、送信回路及び受信回路間の電気インピーダンスの完全なマッチングを必要とする。マッチングを得るための一般的なやり方は、超音波ハードウェアを、電圧送信となる、即ち、ドライバ側でゼロインピーダンスに近くなり、及び、電流受信となる、即ち、レシーバ側でゼロインピーダンスに近くなるように、設計にすることによるものである。ゼロインピーダンスを達成することは、理想回路として作用するようにドライバ回路及びレシーバ回路両方に厳しい要件を課す。
【０００３】
幾つかの要因がこのプロセスを更に複雑にする。例えば、信号の既知のオフセットが、信号の処理の間に補正され得るが、２つの回路間にある如何なるオフセットも、周囲及び伝搬媒体温度と共に変化し得る。そのため、処理の間、このような補正を適用するには、正確なフロー測定のための温度ゲージが必要である。フローメーターのための規格は、温度の範囲にわたってゼロフローでのメーターのテストを要求する。
【０００４】
また、規格は、フローメーターが１５〜２０年の寿命のために設計されることも要求する。時間の経過とともに、パイプ内又はトランスデューサ自体（沈殿、腐食、エージングなど）に変化が起こり得、これにより、音響インピーダンスのドリフトが生じる。こういったドリフトが生じる場合、フローメーターは再調整されるか又は交換される必要があり得、これらはいずれも、専門技術者による対応を要する。
【０００５】
更に、アップストリーム及びダウンストリーム信号は、完全な相互関係のために逐一マッチする必要があるが、パイプ内でフローが生じているとき、この種のマッチングは、実施するのに時間がかかるうえ、困難である。フローを止めることは、大抵、当業界において望ましくないか又は不可能である。
【発明の概要】
【０００６】
超音波フローメーターにおける相互オペレーションのため、アップストリームトランスデューサ（ＵＰＴ）に関連付けられる第１の回路と、ダウンストリームトランスデューサ（ＤＮＴ）に関連付けられる第２の回路とを自動調整する方法の一つの態様において、この方法は、アップストリームトランスデューサとダウンストリームトランスデューサとの間で信号を交換すること、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号のそれぞれの最大振幅と、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも一つを比較すること、及びそれぞれの最大振幅とそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも一つがマッチしないと判定することに応答して、ミスマッチを補正することを含む。
【０００７】
超音波フローメーターにおける相互オペレーションのため、アップストリームトランスデューサ（ＵＰＴ）に関連付けられる第１の回路と、ダウンストリームトランスデューサ（ＤＮＴ）に関連付けられる第２の回路とを自動調整するための集積回路チップの一つの態様において、この集積回路チップは、ＵＰＴ及びＤＮＴの制御を提供するためＵＰＴ及びＤＮＴに動作可能に接続され、更に、ＵＰＴ及びＤＮＴの各々からそれぞれの信号を受け取るように接続される、マイクロコントローラと、マイクロコントローラに動作可能に接続されるメモリとを含む。メモリは、マイクロコントローラによって実施されるとき、アップストリームトランスデューサとダウンストリームトランスデューサとの間で信号を交換すること、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号のそれぞれの最大振幅と、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも一つを比較すること、並びに、それぞれの最大振幅とそれぞれの中心周波数とを含むグループの少なくとも一つがマッチしない判定することに応答して、ミスマッチを補正することを実施する命令を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一実施例を実施するために用いることが可能な、パイプ内のフローを超音波で測定するためのシステムの一例を示す。
【０００９】
【図２】本開示の一実施例を実施するために用いることが可能な超音波測定システムの回路図である。
【００１０】
【図３】トランスデューサ回路の電気インピーダンスがマッチしないとき、送信時間差に対して調節される、受信アップストリーム及びダウンストリーム超音波信号の一例である。
【００１１】
【図４】トランスデューサ回路の電気インピーダンスがマッチするとき、送信時間差に対して調節される、受信アップストリーム及びダウンストリーム超音波信号の一例である。
【００１２】
【図５Ａ】受信トランスデューサ回路を固定インピーダンス値に保持し、送信トランスデューサ回路のインピーダンスを変えることによって成される、多数の信号伝送に対する受信した波形のエンベロープを示す。
【００１３】
【図５Ｂ】一つのトランスデューサ回路においてインピーダンスが変更されるときのアップストリーム信号とダウンストリーム信号との間の最大振幅の差を示すグラフである。
【００１４】
【図６】本開示の一実施例に従ってトランスデューサ回路の電気インピーダンスがミスマッチされるとき、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号間の最大振幅の差を示す。
【００１５】
【図７】本開示の一実施例に従ってトランスデューサ回路の電気インピーダンスがマッチされるとき、アップストリーム信号とダウンストリーム信号との間で最大振幅がどの程度一致するかを示す。
【００１６】
【図８】本開示の一実施例に従ってトランスデューサ回路の電気インピーダンスがミスマッチされるとき、アップストリーム信号のＦＦＴとダウンストリーム信号のＦＦＴとの間の中心周波数の差を示す。
【００１７】
【図９】本開示の一実施例に従ってトランスデューサ回路の電気インピーダンスがマッチされるとき、アップストリーム信号のＦＦＴとダウンストリーム信号のＦＦＴに対するマッチする中心周波数を示す。
【００１８】
【図１０Ａ】本開示の一実施例に従ったアップストリームトランスデューサを示し、アップストリーム方向の伝送に対してマッチされる必要があるインピーダンスを図示する。
【図１０Ｂ】本開示の一実施例に従ったダウンストリームトランスデューサを示し、ダウンストリーム方向の伝送に対してマッチされる必要があるインピーダンスを図示する。
【００１９】
【図１１Ａ】本開示の一実施例に従って、トランスデューサ回路を調整するための設定を決定するため用いられる計算を図示する表である。
【００２０】
【図１１Ｂ】図１１Ａからの計算の各々のグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ａからの計算の各々のグラフである。
【図１１Ｄ】図１１Ａからの計算の各々のグラフである。
【００２１】
【図１２Ａ】本開示の一実施例に従って、一対のトランスデューサがマッチするか否かを判定するためのフローチャートである。
【００２２】
【図１２Ｂ】本開示の一実施例に従って、一対のトランスデューサ間のミスマッチを補正するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面において、類似の参照符号は同様の要素を示す。「或る」又は「一つの」実施例に対する異なる参照が必ずしも同じ実施例を参照するとは限らず、このような参照は少なくとも一つを意味し得る。更に、特定の特徴、構造、又は特徴が一実施例に関連して説明される場合、このような特徴、構造、又は特性は、明示的に説明されるか否かに関係なく、他の実施例に関連してもたらされ得る。
【００２４】
下記の詳細な説明において、例示の実施例がよりよく理解されるように多くの特定の詳細を示している。しかし、実施例は、これらの特定の詳細なしに実施されてもよい。他の例において、記載を不要に複雑にすることを避けるために、よく知られた特徴は詳細に記載されていない。
【００２５】
アップストリーム／ダウンストリーム信号に相互関係がないと、受信した波の周波数オフセットとなる。アップストリーム信号とダウンストリーム信号との間の共振周波数及び／又は振幅の差を推定することによってアップストリーム及びダウンストリーム波形がどの程度近接してマッチするかを推定するためのデジタル信号処理手法が開示される。信号における逐一マッチを試みるのではなく、アップストリーム信号とダウンストリーム信号との間の最大振幅の差が、ミスマッチを検出し、その大きさを推定するために有用である。同様に、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の中心周波数間の差も、ミスマッチを検出し、その大きさを推定するために用いることができる。ミスマッチが検出されるとき、下記の２つの手法の一つが用いられ得る。すなわち、トランスミッタ又はレシーバのインピーダンスを、これら二方向で同じ周波数が受信されるように適合的に調整すること、又は、インピーダンスの調整なしに信号のデジタル処理において補償を提供することである。
【００２６】
これらの２つの手法の組み合わせを用いることもできる。インピーダンスの調整は、回路要素における可変抵抗器及びコンデンサを用いて、インピーダンスの２つの成分、即ち、抵抗及び静電容量、を調節することによって自動で実施され得る。インピーダンスの調整は、ゼロフローオフセットを測定するためにフローを止める必要なしに、稼働中に成され得る。
【００２７】
開示されるデバイス及び方法の利点には、少なくとも下記が含まれる。即ち、（ａ）デジタル手法が用いられ、時間の経過及び温度変化とともにトランスデューサ特性における変化に応答して適応調整する能力が提供される、（ｂ）デジタル手法が用いられるので、手動調整を要求する代わりに自動調整手法を用いることができ、それにより、キャリブレーション時間が節約され、この解決策の全体的なコストが低減される、及び、（ｃ）既存の電子機器の前に付加的な回路要素を付加するなど、システムに変更が成されるとき、トランスデューサ回路のインピーダンスが変わり得る。開示されるデジタル手法は、このような変化に対して補正するためにトランスデューサ回路インピーダンスを調節することができる。
【００２８】
図１は、開示される実施例が実施され得るシステム１００の一例を示し、システム１００は、流体／気体速度測定のためにパイプ内に置かれる、２つの超音波トランスデューサＵＴ１及びＵＴ２を含む。トランスデューサの配置に対して多くの代替の構成が可能であり、図１は、流体速度の超音波測定のための基本的な考えを例示する目的の単なる例である。ＵＴ１及びＵＴ２は、パイプ１０２内部に搭載され、気体又は液体が、図示される方向に速度Ｖでパイプを介して流れている。超音波トランスデューサＵＴ１及びＵＴ２間の距離は、Ｌとして示され、トランスデューサ同士を接続する破線とパイプの壁との間の角度はθである。ＴＯＦと呼ぶこともある、伝搬時間ｔ１２は、気体であるか又は液体であるかに関わらず、媒体内を超音波信号がＵＴ１からＵＴ２まで進む時間である。同様に、伝搬時間ｔ２１は、媒体内を超音波信号がＵＴ２からＵＴ１まで進むＴＯＦである。Ｃが媒体における超音波信号の速度であり、Ｖがパイプ１０２における媒体の速度である場合、これらの伝搬時間は、式（１）及び（２）により与えられる。
0006709846.tif 000002
【００２９】
角度θ及び距離Ｌは既知であり、目的は、流体速度Ｖを測定することである。流体における超音波信号の速度Ｃが既知である場合、伝搬時間ｔ１２及びｔ２１間の差のみが必要とされる。しかし、速度Ｃは温度の関数であり、温度センサは、測定システムのターゲットコストに基づいて、含まれる場合と、含まれない場合とある。２つの異なる伝搬時間（ｔ１２及びｔ２１）を測定することで、Ｃの変動性が相殺される。式（１）及び（２）を組み合わせると、流体速度Ｖのための数式（３）となる。
0006709846.tif 000003
従って、２つの超音波伝搬時間（ｔ１２及びｔ２１）の測定が、流体における超音波信号の速度を知ることなく流体速度を判定するために必要となる。
【００３０】
図２は、本開示の一実施例を実施するために用いることが可能な、超音波測定システムの回路図を示す。システム２００は、超音波トランスデューサＵＴ１及びＵＴ２、トランスデューサを制御しその結果を解釈するための回路２０１、及び、フロー情報を基地局（具体的には図示せず）に送信するように動作し得る通信モジュール２２４を含む。回路２０１は、超音波トランスデューサＵＴ１、ＵＴ２と、及び通信モジュール２２４とインターフェースすることが可能なコンピュータチップとして具体化され得る。再び図１を参照すると、信号ｒ１２が、トランスデューサＵＴ１により送られ、トランスデューサＵＴ２から受信される超音波信号である。同様に、信号ｒ２１が、トランスデューサＵＴ２により送られ、トランスデューサＵＴ１から受信される超音波信号である。
【００３１】
回路２０１は、マルチプレックス回路２０２（ＭＵＸ２）及び２２０（ＭＵＸ１）を含み、これらは、制御バス２２６上の信号により制御される。ＭＵＸ１は、マイクロ制御ユニット（ＭＣＵ）２１０に応答して駆動回路２２２から励起信号を受信するために結合される。ＭＣＵ２１０は、メモリ回路２１６に及び表示回路２１８に結合される。ＭＣＵ２１０はまた、測定時間を制御する結晶発振器回路２１２に、並びに、励起及びサンプリング周波数を制御する水晶発振器回路２１４に結合される。
【００３２】
制御バス２２６から論理０がＭＵＸ１に印加されるとき、駆動回路２２２からの励起信号がＵＴ１に印加される。応答して、ＵＴ１は超音波信号をＵＴ２に送信する。ＵＴ２は受信信号ｒ２１を生成し、受信信号ｒ２１はＭＵＸ２に印加される。ＭＵＸ１に印加された論理０は、ｒ２１がプログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）２０４に印加されるように、ＭＵＸ２にも印加される。ＰＧＡ２０４は、ｒ２１を増幅し、それをフィルタ２０６に印加する。フィルタされた信号がその後、ｒ２１に対する整合ポイントを計算するため信号処理ユニット２０８に印加される。同様に、制御バス２２６から論理１がＭＵＸ１に印加されるとき、駆動回路２２２からの励起信号がＵＴ２に印加される。応答して、ＵＴ２は超音波信号をＵＴ１に送信する。ＵＴ１は受信信号ｒ１２を生成し、受信信号ｒ１２はＭＵＸ２に印加される。論理１に印加されたＭＵＸ１は、ｒ１２がプログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）２０４に印加されるように、ＭＵＸ２にも印加される。ＰＧＡ２０４は、ｒ１２を増幅し、それをフィルタ２０６に印加する。フィルタされた信号がその後、それぞれの整合ポイントを判定するため信号処理ユニット２０８に印加される。ＭＣＵは、整合ポイントから差動タイムオブフライト及び流体フローを計算する。結果が、通信モジュール２２４に印加され、基地局に送信される。ＭＣＵは、結果をディスプレイ２１８にも印加する。
【００３３】
図３は、一つのトランスデューサのためのドライバ回路及び他のトランスデューサのためのレシーバ回路が、異なるインピーダンス値を有する場合の、受信したアップストリーム及びダウンストリーム超音波信号の図である。これら２つの信号は、それぞれの励起パルスにより生成され、送信時間差に対して調節されている。この図では、アップストリーム信号は実線として示され、ダウンストリーム信号は点線として示される。差はわずかであり得るが、信号の振幅とそれらの周波数との両方がマッチされない。図４は、ドライバ及びレシーバインピーダンスがマッチされる場合の、受信したアップストリーム及びダウンストリーム超音波信号の同様の図であり、信号は、この場合も、送信時間差に対して調節される。図４では、信号は、振幅及び周波数の両方において一層近接してマッチされ、互いに重なるように見える。これらの特性を検出し、用いる方法が、残りの図面に対して説明される。
【００３４】
図５Ａは、２つのトランスデューサ間の多数のダウンストリーム信号伝送に対する受信した波形のエンベロープを図示し、Ｘ軸は、受信信号の間のサンプリングポイントを示し、Ｙ軸は、信号の測定された振幅を示す。この例では、受信トランスデューサ回路におけるインピーダンス値が２００オームに保持され、一方、送信トランスデューサ回路においては、差し込み図に示すような値を有するインピーダンスが用いられ、その結果がフロー実験において測定された。結果は、送信トランスデューサ回路のインピーダンスが受信トランスデューサ回路のインピーダンスとミスマッチされるときの、波形エンベロープにおける差を図示する。最外エンベロープにおいて、ミスマッチが最も大きいとき、エンベロープは一層大きな変動を含み、ミスマッチが小さくなるにつれて平滑になる。送信トランスデューサ回路上のインピーダンス値が受信トランスデューサ回路上のインピーダンス値に一層近くマッチングするにつれて、波形同士が近くなり、図示されるスケールにおいて、幾つかの信号は部分的に互いに重なる。アップストリーム信号の最大振幅をダウンストリーム信号の最大振幅と比較することにより、ミスマッチされたトランスデューサが検出され得、補正ルーティンが実装され得る。
【００３５】
図５Ｂは、図５Ａに示される同じ情報の幾つかを含むが、図５Ｂは、波形全体ではなく、波形の最大振幅に注目している。図５Ｂは、一つのトランスデューサ回路における抵抗器値が変更されるときの、アップストリーム信号とダウンストリーム信号との間の最大振幅の差を示すグラフである。前述のように、受信トランスデューサ回路は２００オーム抵抗に保持される。グラフのＸ軸は、送信トランスデューサ回路の抵抗を示し、Ｙ軸は、ダウンストリーム信号の最大振幅とアップストリーム信号の最大振幅との間の差の絶対値、即ち、｜ｍａｘ（ＤＮＳ）−ｍａｘ（ＵＰＳ）｜を図示する。振幅の差は、抵抗器の値がマッチに近づくにつれて、ゼロに近づく。
【００３６】
この同じアイディアは、図６及び図７に更に図示され、これらは、最大振幅近くのアップストリーム信号及びダウンストリーム信号の波形の小さな部分を示す。図６及び図７において、受信トランスデューサ回路は２００オームで固定の抵抗器を有する。図６において、送信トランスデューサ回路は１００オームの抵抗器を有し、そのため、これら２つのトランスデューサ回路は、１００オームだけミスマッチされる。２つの信号はゼロフローで送られた。ミスマッチは、アップストリーム及びダウンストリーム信号の最大振幅差によって明確に示されている。図７において、送信トランスデューサ回路は、２００オームの抵抗器を有し、それを受信トランスデューサ回路にマッチさせている。この図は、これら２つのトランスデューサ回路がマッチされるときを示すので、それらの最大振幅も逐一マッチする。
【００３７】
図８及び図９は、２つの信号間の差を測定するため、即ち、周波数を比較するため、の第２の手法を例示する。正弦波を周波数ドメインにグラフ化するためにＦＦＴが正弦波に印加されるとき、正弦波は、適切な周波数で単一のラインに変換される。同じＦＦＴを用いることで、超音波フロー検出において用いられる送信された信号など、増大及び減衰する信号が、図８及び図９における曲線など、ベル曲線のより多くによって周波数ドメインで表され得る。これらの図の両方において、Ｘ軸が周波数であり、Ｙ軸が振幅である。図８は、図６のミスマッチされたトランスデューサ回路に対するアップストリーム信号及びダウンストリーム信号の両方のＦＦＴのグラフである。これら２つの信号の中心周波数のオフセットは、それらのミスマッチを示すものであり、図８において明確に見ることができる。これに対し、図９に示す信号は、図７のマッチされたトランスデューサに対応する。アップストリーム信号及びダウンストリーム信号のＦＦＴにおける中心周波数は、このグラフにおいて近接にマッチされる。例えば、ＦＦＴは逐一マッチしている。
【００３８】
これまで、２つの信号の最大振幅を比較すること、及び、信号のＦＦＴの中心周波数を比較することにより、一対のトランスデューサ間のミスマッチが検出され得ることを例示してきた。残っているのは、トランスデューサをマッチングに戻すために適用され得る補正を決定する方法である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、アップストリーム及びダウンストリーム方向両方で送信及び受信するように動作し得るフローメーターの２ポート等価表示を示し、これらの図はまた、各方向にマッチする必要があるインピーダンス値を示している。図１０Ａでは、信号が、トランスデューサＴ１からトランスデューサＴ２へアップストリーム送信されており、Ｔ１が信号生成器であり、Ｔ２が終端ポイントである。アップストリーム信号を調節するため、トランスミッタドライバインピーダンスＺＳ５０３が、レシーバ負荷インピーダンスＺＬ５０５にマッチされる。同様に、図１０Ｂでは、信号が、Ｔ２からＴ１へダウンストリーム送信されており、Ｔ２が信号生成器であり、Ｔ１が終端ポイントである。ダウンストリーム信号を調節するため、トランスミッタドライバインピーダンスＺＳ５０９がレシーバ負荷インピーダンスＺＬ５０７にマッチされる。補正が必要であると判定が成された後、ドライバ側回路要素に又はレシーバ側回路要素に補正が適用され得る。従って、一つの側が固定のままであり得る一方で、マッチング設定を決定するため、これ以降に更に詳細に説明するように、他の側が変更される。
【００３９】
Ｓｐｉｃｅを用いて２．５％のミスマッチを有するアップストリーム／ダウンストリームトランスデューサのモデル化された対では、トランスデューサ対のドライバ／レシーバインピーダンスを自動調整するための方法がテストされた。この方法では、適切なインピーダンス（例えば、ドライバインピーダンス−送信側）が一定に保たれ、対応するインピーダンス（例えば、負荷インピーダンス−受信側）に対する抵抗性及び容量性両方の寄与がそれぞれのレンジにわたって段階的に変更される。抵抗性及び容量性寄与の理想値が既知であるため、それぞれのレンジは、理想値の両側であるように選択される。開示されるテストにおいて、抵抗性成分は、１９５〜２０５オームの値からステップ毎に１オーム変えられ、容量性成分は、８０ｐＦ〜１２０ｐＦの値までステップ毎に２ｐＦ変えられた。順序だったテストを提供するため、抵抗がまず一定に保たれて静電容量値の範囲がテストされ、その後、抵抗が一ステップ変更され、全ての値がテストされるまでプロセスが反復された。各設定において、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号両方が送られ、データが捕捉され、これらの信号に対して多数の計算が成された。その結果の一部、具体的には、最終マッチに最も近い部分が、図１１Ａの表に図示される。我々が論ずるべき第１の計算は、アップストリーム及びダウンストリーム信号が増大及び減衰するときのアップストリーム及びダウンストリーム信号の周期間の絶対差の平均であり、即ち、ａｖｅｒａｇｅ（ａｂｓ（ｐｅｒｌ−ｐｅｒ２））である。この計算がこれら２つの信号の中心周波数の差を示す値を提供するので、信号の周期は周波数の反転である。図１１Ｂは、この計算のグラフを提供し、データポイントがＸ軸上に、差の大きさがＹ軸上に示される。この例示において、差はまず低で始まり、値がピークに達するまで上昇し、低下し始める。種々の抵抗／静電容量値が動くにつれて、大きさの下降は、値がこの図の中間点近くの全体的最小（global minimum）に達するまで下がり、再び上昇し始める。全体的最小は、ベストマッチを提供する設定を示す。
【００４０】
第２の計算は、これら２つの信号に対する各ゼロ交差の絶対差を平均する。即ち、ａｖｅｒａｇｅ（ａｂｓ（ｚｃ１−ｚｃ２））である。これは、これら２つの信号の位相の差、そのため、それらがどの程度密にマッチするか、を測定する別の方法である。この第２の計算のグラフが図１１Ｃに示されている。信号のＦＦＴを計算するために演算能力が利用可能ではないとき、第１及び第２の計算両方を用いることもできる。第２の計算は更に、ベストマッチング値を明確に示すこともできる。示される第３の計算は、これら２つの信号の最大振幅の差、即ち、ｍａｘ（Ｙ１−Ｙ２）であり、関連するグラフが図１１Ｄに示される。注目すべきことに、フローを停止することが実現可能でないか又は望ましくないときでも、図１１Ｂの計算及び図１１Ｄの計算両方を用いることができる。また、この最後のグラフは、利点となり得る規則性を示す。図１１Ｄに示すように、各放物線状の部分は、種々の静電容量が動くときの抵抗の一つの値を表す。
【００４１】
このように収集されたデータを検討する際、最良値を決定するために抵抗及び静電容量のレンジ全体を通して調べるのを避けるためを用いることができる簡単なやり方がある。インピーダンスに対する抵抗性寄与が一定に保たれる一方で容量性寄与が変更されるとき、振幅計算の差における局所的最小（即ち、ｍａｘ（Ｙ１−Ｙ２））は、全体的最小も提供し得る容量性寄与の値を特定し得る。この値が既知であることは、容量性値が、局所的最小を提供する値で一定に保たれ得る一方で、全体的最小差を提供する抵抗性寄与の値を決定するために抵抗性値が変更されることを意味する。容量性寄与を一定に保つ一方で、抵抗性寄与が変更されることによりテストが開始するとき、同じ考えが当てはまる。また、振幅計算の差における局所的最小は、用いられるべき抵抗の全体的最小値も特定し得る。この決定された最小抵抗が一定に保たれ得る一方で、容量性値は、調整された２つのトランシーバの成分を示す全体的最小差を見つけるために変更される。
【００４２】
この知識を用いて、超音波フローメーターにおける相互オペレーションのためにアップストリームトランスデューサ及びダウンストリームトランスデューサのドライバ／レシーバ回路要素を互いに対して自動調整する方法を図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。フローチャート１２００Ａは、この方法の第１の部分、即ち、一対のトランスデューサが互いにマッチするか否かを判定すること、を示す。この方法は、アップストリームトランスデューサとダウンストリームトランスデューサとの間で信号を交換すること（１２０５）で始まる。信号のこの交換は、超音波フローメーターの通常オペレーションの一部である。このオペレーションは、アップストリームトランスデューサから、ダウンストリームトランスデューサにおいて受信される信号を送ることを含み、また、ダウンストリームトランスデューサから、アップストリームトランスデューサにおいて受信される信号を送ることを含む。これらの信号は、任意の所望の順で送られ得る。信号データが受信された後、アップストリーム信号の最大振幅が、ダウンストリーム信号の最大振幅と比較され得る（１２１０）。また、アップストリーム信号のＦＦＴの中心周波数も、ダウンストリーム信号のＦＦＴの中心周波数と比較され得る（１２１５）。これらの２つの比較は、この方法がこれらの比較の一つのみを用いて実施され得るか又は２つの経路の組み合わせを用い得ることを強調するためにたどり得る交互の経路として示される。同様に、これらの比較は任意の順で成され得る。２つの比較は、２つの信号がマッチするか否かを判定する（１２２０）ために審査される。２つの信号がマッチする場合、補正は必要ではなく、この方法は、交換された信号を監視し、如何なる変更をも注視するために継続する。２つの信号がマッチしない場合、ミスマッチが補正される（１２２５）。少なくとも一つの実施例において、この補正は、検出されたオフセット及び利用可能な温度情報を用いてフローメーターの測定の結果を調節することによって成され得る。しかしながら、少なくとも一つの実施例では、トランスデューサの一つに関連する回路のインピーダンスインピーダンスが、これ以降の図に示すように、ミスマッチを補正するため調節され得る。
【００４３】
フローチャート１２００Ｂの方法は、インピーダンスの第１の成分を第１のレンジの値の第１の値に設定すること（１２３０）及びインピーダンスの第２の成分を、第２のレンジの値の第１の値に設定すること（１２３５）により始まる。上述のように、本開示の一実施例に従って調節されたインピーダンスの２つの成分は、抵抗及び静電容量である。これらの成分のいずれかを第１の成分、他の成分を第２の成分として用いることができる。各成分が変更され得る範囲は、これらの成分に対する既知のパラメータに従って従来の方式で決定され得る。第１及び第２の成分の現在の値に対応するデータポイントの値は、アップストリーム及びダウンストリームトランスデューサ間で信号を交換すること（１２４０）、及びアップストリーム信号及びダウンストリーム信号の最大振幅の差の絶対値を決定すること（１２４５）によって決定される。少なくとも一つの実施例において、各信号上のＦＦＴの中心周波数の差も決定される（１２４７）。この方法は、データポイントの局所的最小が見つかったか否かを判定する（１２５０）。見つからなかった場合、第２の成分の値がレンジ内の次の値に増分され（１２５５）、対応するデータポイントの値が決定される。局所的最小を見つけることは、二つ又はそれ以上のデータポイントを見つけることを必要とする。データポイントの値が低減する、即ち、信号の差が小さくなる限り、局所的最小に達したか否かを判定することができない。しかし、データポイントの値が増大し始めた後、局所的最小は、最低値を有するデータポイントであると判定され得る。この時点で、第２の成分が、局所的最小に対応する値に設定される（１２６０）。
【００４４】
この方法は、インピーダンスの第１の成分を第１のレンジの値の次の値に増分すること（１２６５）によって継続する。この方法は、アップストリーム及びダウンストリームトランスデューサ間で信号を交換し（１２７０）、アップストリーム信号及びダウンストリーム信号の最大振幅の差の絶対値を決定する（１２７５）。少なくとも一つの実施例において、各信号上のＦＦＴの中心周波数の差も判定される（１２７７）。データポイントの値における全体的最小が見つかったか否かの判定が成され得る（１２８０）。前述のように、全体的最小を見つけることは、二つ又はそれ以上のデータポイントを見つけることを必要とする。データポイントの値が低減する限り、全体的最小が達せられたか否かについての判定は成され得ない。しかしながら、データポイントの値が増大し始めた後、全体的最小は、最低値を有するデータポイントであると判定され得る。この時点で、第１の成分は、全体的最小に対応する値に設定される（１２８５）。２つのトランスデューサ回路が互いに調整されているので、この方法は完了する。フローメーターの通常オペレーションがこの時点で継続し得る。信号の比較は動作し続け得、必要に応じて更なる補正が成され得る。
【００４５】
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、他の実施例が可能である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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