(57)【要約】【課題】被測定流体の密度がダイナミックに変化しても、超音波伝播時間を精度よく測定する。【解決手段】立ち上がり検出回路３３は、超音波受信信号の振幅の増加速度を振幅立ち上がり率として検出する。受信感度調整回路３１は、超音波受信信号が所定の振幅立ち上がり率となるように受信感度を調整し、受信タイミング検出回路３５は、受信感度を調整した後、超音波受信信号が受信判定値設定回路３４で設定された受信判定値となったときを受信波の到達時間として検出する。そして、受信タイミング修正回路３６は、受信開始から超音波受信信号が受信判定値に到達するまでの遅れ時間を算出し、この遅れ時間を上記到達時間から減算して超音波伝播時間を算出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響的に対向する位置に設けられた一対の超音波送受信器を有し、一方の超音波送受信器から送信した超音波を他方の超音波送受信器が受信するまでの伝播時間を測定する超音波伝播時間測定装置であって、
超音波受信信号の振幅の増加速度を振幅立ち上がり率として検出する振幅立ち上がり率検出手段と、
前記超音波受信信号が所定の振幅立ち上がり率となるように受信感度を調整する受信感度調整手段と、
受信感度を調整した後、前記超音波受信信号が所定の受信判定値に到達したときを受信波の到達時間として検出する到達時間検出手段と、
受信開始から前記超音波受信信号が前記受信判定値に到達するまでの遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、
前記到達時間から前記遅れ時間を減算して超音波伝播時間を算出する超音波伝播時間算出手段と、
を備えることを特徴とする超音波伝播時間測定装置。
【請求項２】
前記受信感度調整手段は、超音波の送信から所定時間経過するまではノイズレベルが前記受信判定値を超えない所定レベルとなるように受信感度を調整し、前記所定時間経過後においては、前記超音波受信信号が前記所定の振幅立ち上がり率となるように受信感度を調整することを特徴とする請求項１記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項３】
前記所定時間を前回測定した超音波伝播時間とすることを特徴とする請求項２記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項４】
前記受信感度調整手段は、前回検出したノイズレベル又は振幅立ち上がり率に基づいて今回の受信感度を調整することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項５】
前記振幅立ち上がり率検出手段は、前回の最大ノイズに対して所定量大きい第１レベルに前記超音波受信信号が到達した時点を振幅立ち上がり率検出の開始座標に定めると共に、前記超音波受信信号の飽和レベルに対して所定量小さい第２レベルに前記超音波受信信号が到達した時点を振幅立ち上がり率検出の終了座標に定め、前記開始座標と前記終了座標との傾きを前記振幅立ち上がり率として検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項６】
前記到達時間検出手段は、前記第２レベルを前記受信判定値とし、
前記遅れ時間算出手段は、前記第２レベルを前記振幅立ち上がり率で除算して前記遅れ時間を算出することを特徴とする請求項５記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項７】
前記到達時間検出手段は、前記第２レベルと前記第１レベルとの差を、前記超音波受信信号が前記第１レベルに到達してから前記第２レベルに到達するまでの時間及び前記超音波の周波数の２倍で除算し、その結果の奇数倍の値を、前記第１レベルに加算した値又は前記第２レベルから減算した値を、前記所定の受信判定値とし、
前記到達時間検出手段は、前記受信判定値又は前記第２レベルを前記振幅立ち上がり率で除算して前記遅れ時間を算出することを特徴とする請求項５記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項８】
前記到達時間検出手段は、前記超音波受信信号が前記第２レベルを超えた後のゼロレベルを前記受信判定値とし、
前記遅れ時間算出手段は、前記超音波受信信号が前記第１レベルに到達してから前記第２レベルに到達するまでの時間に前記超音波の周波数を乗算した値の整数値を算出し、該整数値に前記超音波受信信号の１周期分の時間を乗算して前記遅れ時間を算出することを特徴とする請求項５記載の超音波伝播時間測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の超音波伝播時間測定装置を備え、
前記超音波伝播時間測定装置により測定される被測定流体中の超音波伝播時間に基づいて、前記被測定流体の流速、流量又は密度の少なくとも１つを計測することを特徴とする流体センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波伝播時間測定装置及びこれにより測定された超音波伝播時間を用いて被測定流体の流速、流量、濃度等を計測する流体センサに関し、特に、超音波伝播時間の測定精度を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超音波素子から超音波（送信波）を被測定流体中に送信してその送信波を受信するまでの伝播時間（超音波伝播時間）を測定し、この測定した超音波伝播時間を用いて被測定流体のガス濃度（密度）、流速又は流量の計測を行う装置（流体センサ）が知られている。これらの装置における超音波伝播時間の測定では、いかに受信タイミングを検知するかが重要となるが、その検知方法として特許文献１や特許文献２に記載のものがある。
【０００３】
特許文献１では、前回の受信波の振幅積分値に１以下の所定比率を乗算して受信判定値を設定し、今回の受信波の振幅積分値が受信判定値に達したときを受信タイミングとしている。
【０００４】
また、特許文献２では、前回の受信波の最大振幅値に所定比率を乗算して受信判定値を設定し、今回の受信波の振幅が受信判定値を超えた後にゼロレベルとなったとき（ゼロクロス点）を受信タイミングとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１２４７４５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３２３３６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の技術は、被測定流体の密度変化が比較的少ない場合においては、圧力変化や超音波送受信器の劣化等の要因で受信信号強度が変動しても、その変動に応じて受信判定値も自動調整されることになるので、正確で安定した超音波伝播時間の測定が可能である。
【０００７】
しかしながら、近年、実用化開発が盛んに行われている燃料電池自動車の燃料ガスのように、運転状態に応じてガス密度がダイナミックに変化する被測定流体に対しては、上記従来の技術では正確な受信タイミングを検知できず、従って、濃度（密度）、流速、流量の計測に要求される精度で超音波伝播時間を測定することができなかった。
【０００８】
より具体的に説明すると、密度変化に応じて超音波減衰量は変化するため、ガス密度がダイナミックに変化すると、受信信号強度（受信波の振幅）が大きく変化すると共に、超音波の指向角や伝播経路における屈折、回折の状態も変化することにより、多数の位相変化が生じることなる。すると、受信信号としては、これら信号強度（振幅）の変化と位相変化とが混合されて複雑な干渉波形となるため、上記従来の技術が対象とする受信信号のように単峰状の振幅変化とはならず、単に振幅積分値や最大振幅値に基づいて受信判定値を設定するだけは、的確な受信タイミングを検知できず、超音波伝播時間の測定精度を高く維持することができなかった。
【０００９】
次に、超音波伝播時間を測定して被測定流体の濃度（密度）、流速、流量を計測する場合における実際の受信開始から伝播時間を測定するまでの遅れの影響について説明する。
【００１０】
代表的な超音波式流量計では、被測定流体が流れる測定管に対して一対の超音波送受信器を音響的に対向する位置に配置して、一方の超音波送受信器から送信された超音波を測定管内で伝播させて他方の超音波送受信器で受信し、被測定流体の流れに対して順方向と逆方向の超音波伝播時間ｔ１  、ｔ２を測定し、測定した超音波伝播時間に基づいて被測定流体の流速Ｖｇを求め、この流速Ｖｇに測定管１の断面積を乗じて被測定流体の体積流量を求めるようにしている。
【００１１】
この場合、測定された超音波伝播時間ｔ１、ｔ２は、次式１、式２の関係にある。
ｔ１＝｛Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ＊ｃｏｓθ）｝＋ｔｒ１  …  式１
ｔ２＝｛Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ＊ｃｏｓθ）｝＋ｔｒ２  …  式２
但し、Ｌｍ：超音波の伝播距離、Ｃｇ：測定管内での（静止流体中の）音速、Ｖｇ：被測定流体の流速、θ：測定管１の管軸と超音波送受信器２ａ、２ｂの音軸との角度、ｔｒ１、ｔｒ２：受信開始タイミング（先頭波）から伝播時間測定タイミングまでの遅れ時間（図９参照、以下、単に「遅れ時間」という）である。
【００１２】
従って、被測定流体の流速Ｖｇの算出では、測定した超音波伝播時間ｔ１、ｔ２から、それぞれ遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２を差し引いて、
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とする必要がある。そして、体積流量Ｑｖは上記式３を用いて、
Ｑｖ＝Ｖｇ＊Ａ＊Ｋ  （Ｋは、測定管内の流速分布補正係数）…  式４
となる。
【００１３】
上記式３に示すように、流速Ｖｇ、流量Ｑｖの計測においては、被測定流体の順方向、逆方向の伝播時間の差分をとっているため、被測定流体が空気等の音速の遅いものである場合や遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２に対して実伝播時間ｔ１、ｔ２が十分に大きい場合には、遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２の影響を実用上無視できる。
【００１４】
しかし、被測定流体が燃料電池自動車の燃料ガスである水素ガス等の音速の速いものである場合や小型の流量計のように実伝播時間ｔ１、ｔ２が小さい場合には、遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２が流速Ｖｇ、流量Ｑｖの計測精度に及ぼす影響を無視できなくなる。
【００１５】
また、被測定流体の密度ρを求める場合には、まず、音速Ｃｇが、
Ｃｇ＝Ｌｍ・｛１／（ｔ１−ｔｒ１）＋１／（ｔ２−ｔｒ２）｝／２  …  式５
となるから、密度ρは、この音速Ｃｇを用いて
ρ＝γ・Ｒ・Ｔ＊２２．４／Ｃｇ２  …  式６
となる。但し、γ：比熱比、Ｒ：ガス定数、Ｔ：ガス温度、である。
【００１６】
音速Ｃｇを求めるには、上記式５に示すように順方向、逆方向の伝播時間が加算されており、遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２の影響が流速Ｖｇ，流量Ｑｖを求める場合（式３）よりも更に大きくなる。そして、密度ρを求めるには、上記式６に示すように音速Ｃｇの２乗を用いることから、遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２の影響が更に大きくなる。
【００１７】
このように、特に音速が速い流体を対象として、その流速、流量、密度を計測する場合には、遅れ時間の影響が大きくなるため、単に、上記従来のように測定した超音波伝播時間を用いたのでは正確な測定が行えない。
【００１８】
従って、上記遅れ時間分を正確に補正する等して超音波伝播時間を正確に測定することは、実用的な計測精度を確保するために非常に重要な処理であると言え、この点において改良の余地があった。
【００１９】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、被測定流体の密度がダイナミックに変化しても、的確に受信開始タイミングを検知すると共に、被測定流体の濃度（密度）、流速、流量の計測に用いる超音波伝播時間を精度よく測定できる超音波伝播時間測定装置及びこれを備えた流体センサを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明に係る超音波伝播時間測定装置は、超音波受信信号の振幅の増加速度を振幅立ち上がり率として検出し、前記超音波受信信号が所定の振幅立ち上がり率となるように受信感度を調整し、受信感度を調整した後、前記超音波受信信号が所定の受信判定値に到達したときを受信波の到達時間として検出し、受信開始から前記超音波受信信号が前記受信判定値に到達するまでの遅れ時間を算出し、前記到達時間から前記遅れ時間を減算して超音波伝播時間を算出するようにした。
【００２１】
また、本発明に係る流体センサは、上記のようにして算出した被測定流体中の超音波伝播時間を用いて、被測定流体の流速、流量又は密度のいずれかを計測するようにした。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る超音波伝播時間測定装置によると、超音波受信信号の振幅増加速度を振幅立ち上がり率として算出し、超音波信号が所定の振幅立ち上がり率となるように受信感度が調整される。この受信感度調整後に超音波受信号が所定の受信判定値に到達したときを受信波の到達時間として検出する。これにより、一旦、本来の受信開始タイミングよりも遅れたタイミングで、常にＳＮ比よく安定して到達時間を検出できる。また、超音波受信信号は、先頭の数周期（例えば５〜８周期）までは、ほぼ直線的に振幅増加するので、例えば、受信判定値を振幅立ち上がり率で除算することにより、受信開始から超音波受信信号が受信判定値に到達するまでの遅れ時間を算出（推定）できる。
【００２３】
そして、安定して検出できる到達時間から遅れ時間（遅れ時間）を減算することにより、送信した超音波を受信するまでの伝播時間（超音波伝播時間）を精度よく求めることができる。
【００２４】
また、本発明に係る流体センサによると、上記のようにして求めた被測定流体中の超音波伝播時間に基づいて、被測定流体の流速、流量又は密度を計測するので、被測定流体が燃料電池自動車の燃料ガス等の音速の速いものである場合や流体センサを小型化した場合であっても、高精度な流速、流量又は密度の計測が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る超音波伝播時間測定装置を適用した流体センサのセンサジオメトリを示したものである。
【００２６】
この流体センサは、被測定流体が流れる測定管１と、音響的に対向するよう設けられた一対の超音波送受信器２ａ、２ｂと、超音波伝播時間測定回路３と、演算回路４と、を備えて構成され、一方の超音波送受信器から超音波を送信し、測定管１内で伝播させて他方の超音波送受信器で受信する。
【００２７】
超音波伝播時間測定回路３は、被測定流体の流れに対して順方向（超音波送受信器２ａ→２ｂ）と逆方向（２ｂ→２ａ）の超音波伝播時間ｔ１  、ｔ２を測定する。この超音波伝播時間ｔ１、ｔ２は演算回路４に出力され、演算回路４は、測定した超音波伝播時間ｔ１、ｔ２を用いて被測定流体の流速Ｖｇ、流量Ｑｖ、あるいは、密度ρを計測する。
【００２８】
図２は、超音波伝播時間測定回路３の構成を示したものであり、図３は、超音波伝播時間測定処理のタイムチャートである。
図２において、受信感度調整回路（本発明に係る受信感度調整手段に相当する）３１には、超音波送受信器２ａ（又は２ｂ）で電気信号に変換された超音波受信信号（以下、単に「受信信号」という）が入力され、また、後述する立ち上がり率検出回路（本発明に係る振幅立ち上がり率検出手段に相当する）３３からの制御信号ＳＲ及び受信タイミング修正回路（本発明に係る遅れ時間算出手段及び超音波伝播時間算出手段に相当する）３６からの制御信号ｔｓが入力されるようになっている。なお、これらの制御信号ＳＲ、ｔｓは、伝播時間測定処理で得られた測定値（計測値）を参照して、受信信号を所定のレベルに調整するための制御量を示す信号である。
【００２９】
そして、図３に示すように、受信感度調整回路３１は、送信波Ｗｔが送信されてから制御信号ｔｓが示す時間（ｔ１（又はｔ２）の期間）までは、ノイズ信号Ｗｎの最大値（最大電圧）Ｖｎを所定の値に抑えるように受信感度を調整する。一方、制御信号ｔｓが示す時間に到達すると、前回の伝播時間測定における受信信号の振幅の立ち上がり率（以下、単に「立ち上がり率」という）の検出結果に応じて、今回の受信感度を調整する。例えば、前回の立ち上がり率が不足していた場合には感度を上昇させる方向に調整する一方、前回の立ち上がり率が過大であった場合には感度を低下させる方向に調整する。
【００３０】
かかる受信感度調整回路３１の具体的な構成としては、より簡単には図４に示すようなものがある。受信感度調整回路３１の第１の構成を示す図４において、まず、制御量調整回路３１１は、前回の立ち上がり率を信号処理上都合のよい規定値と比較して過不足を求めて、その過不足を補うための制御量を決定して出力する。なお、かかる制御量調整回路３１１としては、例えば、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御回路を用いることができる。
【００３１】
出力された制御量情報は、次回の受信処理に備えて制御電圧記憶回路３１２に記憶される。なお、かかる制御電圧記憶回路３１２としては、例えば、メモリＩＣやサンプルホールド回路が該当する。
【００３２】
そして、受信処理時には、制御電圧記憶回路３１２に記憶された制御量が電圧制御増幅器３１３へと伝達され、制御量に応じた増幅度で超音波受信信号が増幅されて出力される。なお、かかる電圧制御増幅器３１３としては、例えば、アナログ乗算器を用いることができる。
【００３３】
図５は、受信感度調整回路３１の他の構成を示したものである。この受信感度調整回路３１は、上記したように、受信前のノイズレベルを抑えつつ受信信号の立ち上がり率を調整するものである。
【００３４】
図５において、Ｖｎ制御量調整回路３１４は、受信前のノイズの最大振幅値があらかじめ定めた規定値となるような制御量Ｖｇｎを決定して出力する。また、ｔａｎθ制御量調整回路３１５は、受信後における受信信号の立ち上がり率が、あらかじめ定めた規定値になるような制御量Ｖｇａを決定して出力する。なお、かかるＶｎ制御量調整回路３１４及びｔａｎθ制御量調整回路３１５としては、上記制御量調整回路３１１と同様に、ＰＩＤ制御回路を用いることができる。
【００３５】
制御電圧発生回路３１６は、内部に時間カウンタを備えており、超音波の送信開始タイミングｔ０（図３参照）の信号を受けて時間計数を開始すると共に、受信感度調整電圧としてＶｎ制御量調整回路３１４から出力された制御量Ｖｇｎを電圧制御増幅器３１３に出力する。そして、時間カウンタの計数値が受信開始タイミングｔｓ（図３参照）に到達したらｔａｎθ制御量調整回路３１５から出力された制御量Ｖｇａに切り替えて電圧制御増幅器３１３に出力する。従って、制御電圧発生回路３１６の出力する受信感度制御電圧は、図３においてＶｇで示すタイミングの信号となる。これにより、後述する立ち上がり率の検出や受信判定において、受信開始前のノイズによる誤動作（誤検出、誤判定）を防止するようにしている。また、被測定流体の密度が時々刻々と変化して受信信号の立ち上がり率が変化しても、受信感度を調整することで、立ち上がり率の検出や受信判定を一定の条件で実行できるようにしている。
【００３６】
図２に戻って、上記受信感度調整回路３１にて感度調整された後、受信信号は包絡線検出回路３２に入力される。入力された受信信号は、この包絡線検出回路３２において、次段の立ち上がり率検出回路３３で処理しやすいように、交番信号から直流信号である包絡線信号Ｗｅに変換される。なお、かかる包絡線検出回路３２としては、例えば、一般的なダイオードとコンデンサとを用いた検波回路を用いることができる。
【００３７】
包絡線検出回路３２から出力された包絡線信号Ｗｅは、立ち上がり率検出回路３３に入力される。この立ち上がり率検出回路３３では、入力された包絡線信号Ｗｅが、立ち上がり率検出開始電圧（第１レベル）Ｖａ及び立ち上がり率検出終了電圧（第２レベル）Ｖｂと比較判定され（図３のＡ点、Ｂ点）、立ち上がり開始タイミングｔａと立ち上がり終了タイミングｔｂとを検出する。そして、次式７を実行することにより、立ち上がり率ｔａｎθを検出する。なお、上記立ち上がり率検出開始電圧Ｖａは、ノイズ信号Ｗｎの最大値Ｖｎに対して所定の比率を乗算することにより設定し（Ｖａ＝Ｖｎ＊１．１）、上記立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂは、受信信号の飽和電圧Ｖｓに対して所定の比率を乗算して設定する（Ｖｂ＝Ｖｓ＊０．９）。
【００３８】
ｔａｎθ＝（Ｖｂ−Ｖａ）／（ｔｂ−ｔａ）＝ΔＶｅ／Δｔｓ  …  式７
かかる立ち上がり率検出回路３３の具体的な構成としては、図６に示すようなものがある。
【００３９】
図６において、立ち上がり開始タイミング検出回路３３１は、受信信号（包絡線信号）Ｗｅが上記立ち上がり率検出開始電圧Ｖａに到達したときにパルス信号を出力し、立ち上がり終了タイミング検出回路３３２は、上記立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂに到達したときにパルス信号を出力するようになっている。なお、かかる立ち上がり開始タイミング検出回路３３１及び立ち上がり終了タイミング検出回路３３２としては、例えば電圧コンパレータＩＣを用いることができる。
【００４０】
時間計数カウンタ３３３では、立ち上がり開始タイミング検出回路３３１からの出力パルスで時間計数を開始し、立ち上がり終了タイミング検出回路３３２からの出力パルスで時間計数を停止することで、立ち上がり率検出時間Δｔｓを求める。そして、除算器３３４において、上記式７を実行して立ち上がり率（ｔａｎθ）を示す制御信号ＳＲを出力する。
【００４１】
次に、受信判定値設定回路３４について説明する。受信判定値Ｖｔｈは、より簡易には、図３に示すタイムチャートにあるように、上記立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂと兼用することもできる（この場合、受信タイミングｔｄ＝立ち上がり率検出終了タイミングｔｂとなる）。
【００４２】
しかしながら、受信判定値Ｖｔｈは伝播時間測定値ｔ１（又はｔ２）の基準となる受信タイミングｔｄを検出するための重要な値であり、受信タイミングｔｄにゆらぎが生じないように、包絡線信号Ｗｅの振幅変化率が大きいところに設定することが望ましい。
【００４３】
そこで、本実施形態では、図７に示す超音波伝播時間のタイムチャートにあるように、受信判定値Ｖｔｈを上記立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂとは独立した値として設定することで、設定自由度の増加を図りつつ、安定した伝播時間測定を行えるようにしている。
【００４４】
この独立した受信判定値Ｖｔｈは、受信判定値設定回路３４において、次式８を実行することにより設定される。
Ｖｔｈ＝Ｖｂ−｛ｎ＊ΔＶｅ／ＩＮＴ（２＊ｆｕ＊Δｔｓ）｝  …  式８
但し、ｎ：奇数、ｆｕ：超音波周波数、である。
【００４５】
すなわち、立ち上がり率検出の開始から終了までの時間（立ち上がり率検出時間）Δｔｓに超音波周波数ｆｕの２倍を乗算した値の整数値を求め、この整数値で立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂと開始電圧Ｖａとの差（立ち上がり振幅差）ΔＶｅを除算した値を奇数倍し、これを立ち上がり検出終了電圧Ｖｂから減算することで受信判定値Ｖｔｈを設定している。なお、ここでは、立ち上がり検出終了電圧Ｖｂから減算しているが、立ち上がり検出開始電圧Ｖａに加算して受信判定値Ｖｔｈを設定するようにしてもよい。これにより、受信判定値Ｖｔｈを常に包絡線信号Ｗｅの変化が大きいところに設定することが可能となる（図７のＣ点参照）。
【００４６】
受信タイミング検出回路（本発明に係る到達時間検出手段に相当する）３５では、包絡線信号Ｗｅと受信判定値Ｖｔｈとを比較して、包絡線信号Ｗｅが受信判定値Ｖｔｈに到達したときに受信タイミングｔｄを検出する。そして、受信タイミングｔｄを検出したら、送信タイミングｔ０からの時間計測を停止することで受信タイミングｔｄまでの時間を受信波の到達時間Ｔ｛＝ｔ１（又はｔ２）＋ｔｒ｝として検出する。
【００４７】
次に、検出した到達時間Ｔは、受信タイミング修正回路３６に入力される。この受信タイミング修正回路３６では、立ち上がり率（ｔａｎθ）及び受信判定値Ｖｔｈから次式９で求めた修正量（すなわち、受信開始タイミングから超音波受信信号が受信判定値Ｖｔｈに到達するまでの遅れ時間）ｔｒを、検出した到達時間Ｔから減算して伝播時間ｔ１（又はｔ２）を求めて出力する。
【００４８】
ｔｒ＝Ｖｔｈ／ｔａｎθ  …  式９
なお、上記したように、常に包絡線信号Ｗｅの変化が大きいところで受信タイミングを検出するので、立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂを受信判定値Ｖｔｈとして兼用しない場合であっても、立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂを立ち上がり率（ｔａｎθ）で除算して修正量ｔｒを算出しても、すなわち、ｔｒ＝Ｖｂ／ｔａｎθとしても十分に精度を確保できる（誤差は無視できる程度のものとなる）。
【００４９】
また、より高精度な伝播時間の測定を行う場合には、図７に示すｔｚを受信タイミングとする。すなわち、包絡線信号Ｗｅを受信判定値Ｖｔｈと比較して検出した受信タイミングｔｄ以降の受信信号Ｗｒの立ち上がりゼロクロス点（Ｄ点）を受信タイミングｔｚとする。この場合の修正量ｔｒ’は、受信開始タイミングｔｓから受信タイミングｔｚまでの時間であると共に、受信信号Ｗｒの周期Ｔｕの整数倍となる。
【００５０】
そこで、かかる関係を利用し、上記受信タイミング修正回路３６において次式１０を実行することで修正量ｔｒ’を求め、検出した到達時間Ｔから差し引いて本来の伝播時間ｔ１（又はｔ２）を求めて出力する。
【００５１】
ｔｒ’＝｛Ｋｃ＋ＩＮＴ（ｔｒ＊ｆｕ）｝＊Ｔｕ  …  式１０
但し、Ｋｃ：補正係数であり、ここでは、１を用いる。
なお、ここでは、立ち上がりセロクロス点を受信タイミングとしたが、同様に、立下りゼロクロス点としても有効であり、この場合には、補正係数Ｋｃ＝０．５とする。
【００５２】
本実施形態における流体センサでは、以上のようにして超音波伝播時間ｔ１、ｔ２の測定が行われることになるが、これを図示しない切り替え回路によって被測定流体の流れに対して順方向と逆方向とで交互に超音波の送受信を行うようになっている。
【００５３】
そして、このようにして測定した超音波伝播時間は演算回路４に入力され、被測定流体の流速Ｖｇ、流量Ｑｖ、密度ρのいずれかが計測される。なお、この場合には、到達時間Ｔから遅れ時間に相当する修正量ｔｒが減算され、精度よく伝播時間ｔ１、ｔ２が測定されているので、上記式３及び式５から遅れ時間ｔｒ１、ｔｒ２を取り除いたものが実行されることになる。
【００５４】
次に、上記一連の信号処理の手順を図８に示す。
図８において、電源が投入されると（ステップ１、図中Ｓ１と記す。以下同じ）、各種制御量や受信判定値等の初期値が設定される（ステップ２）。そして、超音波送受信方向の切り替え（２ａ→２ｂ／２ｂ→２ａ）が行われ（ステップ３）、送信に先駆けて受信前ノイズレベルを抑えるための受信前感度Ｖｇｎを設定する（ステップ４）。この受信前感度Ｖｇｎは、上記したように、ノイズ信号の最大値（振幅）を所定値に抑えるように（規定値となるように）設定されるものであり、電源投入直後の初回は初期値が適用されるが、以降は前回の処理で検出されたノイズレベルの規定値に対する過不足量が適用されることになる。
【００５５】
続いて、ステップ２において送信側に切り替えられた超音波送受信器から超音波を送信し（ステップ５）、受信開始タイミングｔｓに到達するまで待つ（ステップ６）。この受信開始タイミングｔｓとしては、前回の処理で測定された超音波伝播時間が適用される。
【００５６】
受信開始タイミングｔｓに到達したら、今回の測定におけるノイズレベルの最大値が規定値にあるか否か（所定のノイズレベルであるか否か）を判定する（ステップ７）。そして、ノイズレベルの最大値が規定値にない場合には、その過不足量に応じた感度補正を実行する共に、この感度補正量を記憶、更新して次回の受信前感度調整に備える（ステップ８）。一方、ノイズレベルが規定値にあるときは、感度補正量の更新は行われない。
【００５７】
続いて、受信感度を受信後感度Ｖｇａに設定する（ステップ９）。この受信後感度Ｖｇａは、上記したように、受信信号の立ち上がり率（ｔａｎθ）が規定値となるように（所定のレベルとなるように）設定されるものであり、電源投入直後の初回は初期値が適用されるが、以降は前回の処理で検出された立ち上がり率（ｔａｎθ）の規定値に対する過不足量が適用されることになる。
【００５８】
そして、受信信号の振幅が受信判定値Ｖｔｈに達した時点で受信タイミングｔｄを検出する（ステップ１０）。なお、ここで用いる受信判定値Ｖｔｈは、電源投入直後の初回は初期値が適用されるが、以降は前回の処理において上記式８により算出された受信判定値が適用される。
【００５９】
次に、今回の受信信号の立ち上がり率（ｔａｎθ）を検出し（ステップ１１）、検出した立ち上がり率（ｔａｎθ）が規定値にあるか否かを判定する（ステップ１２）。立ち上がり率（ｔａｎθ）が規定値にない場合には、その過不足量に応じた感度補正を実行すると共に、この感度補正量を記憶、更新して次回の受信後感度調整に備える（ステップ１３）。また、同時に、受信判定値Ｖｔｈも今回の結果（ノイズ最大値Ｖｎ、立ち上がり時間Δｔｓ等）に応じた値に変更し、次回の受信タイミングの検出に備える（ステップ１４）。一方、立ち上がり率（ｔａｎθ）が規定値にある場合には、感度補正量の更新は行われない。
【００６０】
続いて、検出した立ち上がり率（ｔａｎθ）と立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂとから上記式９により修正量ｔｒを算出し（ステップ１５）、この修正量ｔｒを到達時間Ｔから減算して伝播時間をｔ１（又はｔ２）を求め、これを出力する（ステップ１６）。なお、受信タイミングを、立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂを超えた後のゼロレベル（Ｄ点）とした場合には、上記式１０により修正量ｔｒ’が算出される。以降、送受信方向の切り替え処理処理（ステップ２）に戻り、一連の処理を繰り返し実行する。
【００６１】
以上説明した実施形態では、前回測定した超音波伝播時間（今回の受信開始タイミングの推測値）の前後で受信感度を切り替えるようにし、前回測定した超音波伝播時間の経過前はノイズレベルが受信判定値Ｖｔｈを超えない所定レベルになるように受信感度を調整する一方、前回測定した超音波伝播時間の経過後は受信信号が所定の立ち上がり率となるように受信感度を調整するので、被測定流体の密度が変化して受信信号強度が変化しても、その変化に追従して、常に良好なＳＮ比を確保した超音波伝播時間の測定が可能となる。なお、前回の超音波伝播時間の測定におけるノイズレベル又は立ち上がり率に基づいて、今回の受信感度を調整するよう構成すれば、比較的容易に上記効果を得ることができる。
【００６２】
また、受信信号が、前回の最大ノイズＶｎに対して所定量大きい立ち上がり率検出開始電圧Ｖａに到達（立ち上がり率検出の開始座標Ａ点）から、前回の受信信号の飽和電圧Ｖｓに対して所定量小さい立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂ（立ち上がり率検出の終了座標Ｂ点）に到達するまでの振幅増加速度（両座標間の傾き）を立ち上がり率として検出するので、被測定流体の密度が変化して受信開始タイミングが変化したり、受信信号強度や立ち上がり率が変化したりしても、その変化に追従して、常に的確な立ち上がり率を検出できる。
【００６３】
また、受信判定値Ｖｔｈを上記式８により算出・設定するので、被測定流体の密度が変化して、受信信号強度や立ち上がり率が変化しても、その変化に追従しつつ、包絡線信号Ｗｅの変化が大きいところに受信判定値を設定でき、変動の少ない安定した超音波伝播時間の測定が可能となる。なお、受信判定値Ｖｔｈを立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂとすることにより、より簡易な構成として演算処理等の軽減を図ることも可能である。なお、これらの場合には、受信判定値Ｖｔｈ又は立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂを立ち上がり率（ｔａｎθ）で除算することで遅れ時間ｔｒを高精度に推定できる。
【００６４】
また、超音波受信信号が立ち上がり率検出終了電圧Ｖｂに到達した後のゼロレベルを受信判定値とすることで、上記修正量（遅れ時間）ｔｒ’は受信信号の周期の整数倍となるので、かかる関係を利用して修正量ｔｒ’を上記式１０により算出することで、より精度のよい超音波伝播時間の測定が可能となる。また、受信信号のゼロクロス点を受信タイミングとする高精度タイプの伝播時間測定に対して容易に適用できる。
【００６５】
尚、以上の実施形態は本発明の基本的概念とその代表例を示したものであり、これらに限定されるものではなく、種々の変形実施が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波伝播時間測定装置を適用した流体センサの概略構成図である。
【図２】本発明に係る超音波伝播時間測定装置の基本構成を示す図である。
【図３】超音波伝播時間の測定を示すタイムチャートである。
【図４】受信感度調整手段の構成を示す図である。
【図５】受信感度調整手段の他の構成を示す図である。
【図６】振幅立ち上がり率検出手段の構成を示す図である。
【図７】他の超音波伝播時間の測定を示すタイムチャートである。
【図８】超音波伝播時間の測定（信号処理）を示すフローチャートである。
【図９】従来の超音波伝播測定を説明するための図である。
【符号の説明】
１…測定管、２ａ，２ｂ…超音波送受信器、３…超音波伝播時間測定回路、４…演算回路、３１…受信感度調整回路、３２…包絡線検出開度、３３…立ち上がり率検出回路、３４…受信判定値設定回路、３５…受信タイミング検出回路、３６…受信タイミング修正回路、３１１…制御量調整回路、３１２…制御電圧記憶回路（メモリ）、３１３…電圧制御増幅器、３１４…Ｖｎ制御量調整回路（受信前の感度制御量調整回路）、３１５…ｔａｎθ制御量調整回路（受信後の感度調整回路）、３１６制御電圧発生回路、３３１…立ち上がり開始タイミング検出回路、３３２…立ち上がり終了タイミング検出回路、３３３…時間計測カウンタ、Ｗｔ…送信波、Ｗｒ…受信波、Ｗｅ…受信波の包絡線、ｔｄ１…流れ順方向の受信タイミング、ｔｄ２…流れ逆方向の受信タイミング、Ｖｔｈ…受信判定値（閾値）、Ｖｓ…受信信号飽和電圧、Ｖａ…立ち上がり率検出の開始電圧、Ｖｂ…立ち上がり率検出の終了電圧、Ｖｎ…ノイズ信号最大電圧、Ｖｇ…感度調整電圧、ΔＶｅ…立ち上がり率検出電圧、Δｔｓ…立ち上がり率検出時間、ｔｓ…受信開始タイミング、ｔａ…立ち上がり率検出開始タイミング、ｔｂ…立ち上がり率検出終了タイミング、ｔｄ…受信タイミング、ｔｚ…ゼロクロス受信判定タイプの受信タイミング、ｔｒ…（到達時間）修正量、ｔｒ’…ゼロクロス受信判定タイプの（到達時間）修正量
【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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