(57)【要約】【課題】受信信号の干渉を防ぎ、精度の高い測定を行うことが可能な超音波流量計および流量の計測方法を提供する。【解決手段】超音波流量計１０１は、超音波を送受信し、流体の流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子１、２と、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２との間で双方向に超音波が送受信されるよう、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を駆動し、超音波を受信する送信部３および受信部６と、第１超音波振動子１および第２の超音波振動子２のうち、受信に用いる超音波振動子の振動を早く減衰させる減衰部１４、１５とを備え、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する。【選択図】  図１
2004245585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、
前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を駆動し、超音波を受信する送信部および受信部と、
前記第１超音波振動子および第２の超音波振動子のうち、受信に用いる超音波振動子の振動を減衰させる減衰部と、
を備え、前記伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する超音波流量計。
【請求項２】
前記減衰部は、前記超音波を受信中、前記受信部を含む受信側の入力抵抗を受信開始時における初期値から変化させる請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記受信部に接続され、受信部から出力される受信信号を検知して、検知信号を生成する検知部をさらに含み、前記減衰部は、前記検知部が前記受信信号を検知した後、前記受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記減衰部は、抵抗および切り替え部を含み、前記切り替え部を切り換えることによって、前記受信に用いる超音波振動子と前記受信部とを、前記抵抗を介して接続するか、前記抵抗を介さずに接続するかを選択する請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記減衰部は、前記受信に用いる超音波振動子と前記受信部との間に並列に接続される抵抗および抵抗よりも低い抵抗値を有するスイッチを含む請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記減衰部は、可変抵抗器および可変抵抗器を制御するための制御部を含む請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記切り替え部、前記スイッチまたは前記制御部は、前記検知信号に基づいて、前記受信側の入力抵抗が増大するよう動作する請求項４から６のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後に信号を出力する遅延部と、遅延部の出力信号をカウントし、カウント値が所定の値以下であるときに、送信部に駆動信号を生成させるためのトリガ信号を生成する繰り返し部とをさらに備え、
前記切り替え部、前記スイッチまたは前記制御部は、前記トリガ信号に基づいて、前記受信側の入力抵抗を前記初期値に設定するように動作する請求項４から６のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記受信部および前記減衰部は、所定の時間内において、時間の経過とともに増幅度が初期値から増大する音波減衰量自動補正受信部を構成している請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後に信号を出力する遅延部と、遅延部の出力信号をカウントし、カウント値が所定の値以下であるときに、送信部に駆動信号を生成させるためのトリガ信号を生成する繰り返し部とを備え、前記トリガ信号に基づいて、前記音波減衰量自動補正受信部の増幅度を前記初期値に設定する請求項９に記載の超音波流量計。
【請求項１１】
前記受信信号の所定の部分における周期を推定し、前記推定した周期に基づいて前記遅延時間を決定する遅延時間決定部をさらに備える請求項１０に記載の超音波流量計。
【請求項１２】
シングアラウンド法により、前記超音波の送受信を前記第１超音波振動子および第２の超音波振動子との間でそれぞれ複数回行う請求項１から１１のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１３】
ガスが流れる流路に設けられた請求項１から１２のいずれかに記載の超音波流量計と、
前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、
前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置と、
を備えたガスメータ。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記超音波流量計の減衰部を所定の場合にのみ動作するよう制御する請求項１３に記載のガスメータ。
【請求項１５】
流体の流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波を送受信し、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する、超音波による流量計測方法であって、
前記第１超音波振動子および第２の超音波振動子のうち、受信に用いる超音波振動子の振動を減衰させるステップを包含する、超音波による流量計測方法。
【請求項１６】
前記減衰ステップは、前記超音波を受信中、前記超音波を受信するための受信部を含む受信側の入力抵抗を、受信開始時における初期値から変化させる請求項１５に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項１７】
前記受信部に接続され、受信部から出力される受信信号を検知して、検知信号を生成するステップをさらに包含し、前記減衰ステップは、前記検知信号生成ステップにおいて前記受信信号を検知した後、前記受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる請求項１６に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項１８】
前記減衰ステップは、前記超音波を受信中、第１の抵抗を介して前記受信部と前記受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態から、第１の抵抗よりも高い第２の抵抗を介して前記受信部と前記受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態に切り換える請求項１７に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項１９】
前記減衰ステップは、前記受信部と前記受信に用いられる超音波振動子との間の抵抗を連続的に変化させる請求項１７に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項２０】
前記減衰ステップを前記検知信号に基づいて行う請求項１８または１９に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項２１】
前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後にトリガ信号を生成するステップをさらに包含し、前記減衰ステップは、前記トリガ信号に基づいて、前記受信側の入力抵抗を前記初期値に設定する請求項１７から２０のいずれかに記載の超音波による流量計測方法。
【請求項２２】
前記減衰ステップは、所定の時間内において、時間の経過とともに増幅度が初期値から増大する音波減衰量自動補正受信部により実行される請求項１７に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項２３】
前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後にトリガ信号を生成するステップをさらに包含し、前記減衰ステップは、前記トリガ信号に基づいて、前記音波減衰量自動補正受信部の増幅度を前記初期値に設定する請求項２２に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項２４】
前記受信した超音波の信号の所定の部分における周期を推定し、前記推定した周期に基づいて前記遅延時間を決定するステップをさらに包含する請求項２３に記載の超音波による流量計測方法。
【請求項２５】
請求項１５から２４のいずれかの超音波による流量計測方法に規定した各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計および超音波による流量計測方法に関する。また、本発明はガスメータにも関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計は、構造が簡単である、機械的可動部分が少ない、流量の測定可能な範囲が広い、流量計による圧力損失がないなどの特徴を備えている。また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波流量計の計測精度を向上させることも可能になってきた。このため、ガスメータをはじめ、気体や液体の流量の計測が必要なさまざまな分野において超音波流量計を用いる研究がなされている。
【０００３】
以下、従来の超音波流量計の構造および測定原理を説明する。図２１は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図である。図２１に示す超音波流量計は、たとえば非特許文献１に開示されている。図２１に示すように、流体が流れる流路１２を挟むように超音波振動子１および２が配置される。超音波振動子１および２は、それぞれ、送信器および受信器として機能する。具体的には、超音波振動子１を送信器として用いる場合には超音波振動子２を受信器として用い、超音波振動子２を送信器として用いる場合には超音波振動子１を受信器として用いる。図２１に示すように、超音波振動子１および２の間に形成される超音波の伝搬路は流体の流れる方向に対して角度θだけ傾いている。
【０００４】
超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波を伝搬させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波が伝搬する時間と超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波が伝搬する時間との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路１２の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００５】
上述の原理に従って流体の流量を求める具体的な方法として、シングアラウンド法による計測方法を具体的に説明する。
【０００６】
図２１に示すように、超音波流量計は送信部３および受信部６を備え、超音波振動子１は切り替え部１０によって送信部３または受信部６の一方と選択的に接続される。この時、超音波振動子２は、超音波振動子１が接続されなかった送信部３または受信部６の他方と接続される。
【０００７】
送信部３と超音波振動子１とが接続される場合、送信部３が超音波振動子１を駆動し、発生した超音波は流体の流れを横切って超音波振動子２に到達する。超音波振動子２によって受信された超音波は、電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。受信信号のレベルをレベル検知部５で検知する。
【０００８】
図２２は、従来の超音波流量計におけるゼロクロス検知の一例を示している。ピークホールド部１３は、受信信号１８からピークホールド信号１９を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号１９が所定のレベル３６に達したことを検知し、検知信号３７を生成する。ゼロクロス検知部７は、検知信号３７が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号３８が生成される。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅が正から負または負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを超音波振動子２において超音波が到達した時間としている。ゼロクロス検知信号３８に基づいて、遅延部４にて所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、繰り返し部８にて繰り返すかどうかを判断し、繰り返す場合には送信部３へ入力する。ゼロクロス検知信号３８の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。
【０００９】
送信部３はトリガ信号に基づいて超音波振動子１を駆動し、次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−増幅・遅延−送信のループを繰り返すことをシングアラウンドと呼び、ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ。
【００１０】
計時部９では、所定の回数、ループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果が流量算出部１１へ送られる。次に、切り替え部１０を切り換えて、超音波振動子２を送信器として用い、超音波振動子１を受信器として用いて、同様に計測を行う。
【００１１】
上述の方法によって計測した時間から遅延時間とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、さらにシングアラウンド回数で除した値が超音波の伝搬時間となる。
【００１２】
超音波振動子１を送信側にしたときの伝搬時間をｔ１とし、超音波振動子２を送信側にしたときの伝搬時間をｔ２とする。また、図２１に示すように、超音波振動子１と超音波振動子２との間の距離をＬとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれＶおよびＣとする。この時、ｔ１およびｔ２は以下の式で表される。
【００１３】
【数１】
2004245585.tif 000003
【００１４】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１５】
【数２】
2004245585.tif 000004
【００１６】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００１７】
【非特許文献１】
日本電気計測器工業会規格、ＪＥＭＩＳ  ５０３２「超音波による流量測定法」（社）日本電気計測工業会、１９８７年
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超音波流量計では、シングアラウンド法によって複数の超音波を所定の時間を経て伝播させ、その伝播時間の合計を計測する。図２３は、たとえば、超音波振動子１から送信された第１および第２の超音波を超音波振動子２によって受信したときの受信信号の波形を示している。第１および第２の超音波は、所定の間隔をおいて超音波振動子１から送信される。このため、図２３に示すように、第１の超音波による受信波形３７と第２の超音波による受信波形３８とは分離して観測される。しかし、第１の超音波を受信することによって生じる超音波振動子２の振動が完全に減衰する前に、第２の超音波の受信が始まるため、受信波形３７の振動が受信波３８に影響し、受信波３８の波形が変化してしまう。このため、波形の変形によって受信波３８の正しいクロスポイントを検知することができなくなり、計測誤差が生じてしまう。
【００１９】
したがって、従来の超音波流量計を用いてガスメータを作製した場合、計測したガス流量に多く誤差が含まれる可能性がある。また、単に計測に誤差が生じるだけではなく、ガスメータにガス漏れ検知機能を付加した場合には、その検知機能の信頼性を低下させる可能性もある。
【００２０】
上述の超音波流量計では、超音波振動子１から超音波を送信して超音波振動子２で受信する場合の伝播時間と超音波振動子２から超音波を送信して超音波振動子１で受信する場合の伝播時間との差から流量を求める。このため、２つの超音波振動子の特性が等しく、流体の流速以外の影響がこれら２つの伝播時間に対して同様に寄与するのであれば、上述の波形の変化を伝播時間の差をとることにより相殺される。
【００２１】
しかし、実際の超音波流量計において、特性の全く等しい２つの超音波振動子を用いるのは非常に困難である。また、超音波振動子１から超音波を送信して超音波振動子２で受信する場合と超音波振動子２から超音波を送信して超音波振動子１で受信する場合とで流体中を伝播する超音波が受ける影響を等しくすることは困難である。
【００２２】
また、流体を伝播する超音波の音速は、流体の温度に依存し、温度が高くなるほど超音波は速く伝播する。このため、流体の温度が高くなるにつれて、２つ受信波の波形が重なる程度も大きくなり、計測誤差も温度が高くなるにつれて大きくなる。たとえば、上述の超音波流量計を用いてガスの流量を計測する場合、３０〜４０℃では、２つの受信波形の重なりにより、計測値に２リットル程度の誤差が生じることもある。
【００２３】
このような問題を解決するために、超音波の送信間隔を十分に長くして、超音波を受信したときに波形が重ならないようにすることが考えられる。しかし、この場合、超音波の送信間隔が長くなることにより、流量を計測する全体の時間が長くなってしまう。このことは、１回の流量計測に時間がかかると問題だけではなく、計測時間が長くなることにより、１回の流量計測で消費する電力が大きくなるという問題を引き起こす。特に、可燃性あるいは引火性ガスを計測するための流量計では、安全性を考慮して流量計の電源である電池を交換できないようにしている場合があり、交換不可能な電池の消耗が早くなり、流量計の寿命が短くなるという問題にもつながる。
【００２４】
本発明は、このような従来の問題を解決し、精度の高い測定を行うことが可能な超音波流量計および流量の計測方法を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、超音波を送受信し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子と、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を駆動し、超音波を受信する送信部および受信部と、前記第１超音波振動子および第２の超音波振動子のうち、受信に用いる超音波振動子の振動を減衰させる減衰部とを備え、前記伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記減衰部は、前記超音波を受信中、前記受信部を含む受信側の入力抵抗を受信開始時における初期値から変化させる。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記受信部に接続され、受信部から出力される受信信号を検知して、検知信号を生成する検知部をさらに含み、前記減衰部は、前記検知部が前記受信信号を検知した後、前記受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記減衰部は、抵抗および切り替え部を含み、前記切り替え部を切り換えることによって、前記受信に用いる超音波振動子と前記受信部とを、前記抵抗を介して接続するか、前記抵抗を介さずに接続するかを選択する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記減衰部は、前記受信に用いる超音波振動子と前記受信部との間に並列に接続される抵抗および抵抗よりも低い抵抗値を有するスイッチを含む。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記減衰部は、可変抵抗器および可変抵抗器を制御するための制御部を含む。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記切り替え部、前記スイッチまたは前記制御部は、前記検知信号に基づいて、前記受信側の入力抵抗が増大するよう動作する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後に信号を出力する遅延部と、遅延部の出力信号をカウントし、カウント値が所定の値以下であるときに、送信部に駆動信号を生成させるためのトリガ信号を生成する繰り返し部とをさらに備え、前記切り替え部、前記スイッチまたは前記制御部は、前記トリガ信号に基づいて、前記受信側の入力抵抗を前記初期値に設定するように動作する請。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記受信部および前記減衰部は、所定の時間内において、時間の経過とともに増幅度が初期値から増大する音波減衰量自動補正受信部を構成している。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後に信号を出力する遅延部と、遅延部の出力信号をカウントし、カウント値が所定の値以下であるときに、送信部に駆動信号を生成させるためのトリガ信号を生成する繰り返し部とを備え、前記トリガ信号に基づいて、前記音波減衰量自動補正受信部の増幅度を前記初期値に設定する。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記受信信号の所定の部分における周期を推定し、前記推定した周期に基づいて前記遅延時間を決定する遅延時間決定部をさらに備える。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、シングアラウンド法により、前記超音波の送受信を前記第１超音波振動子および第２の超音波振動子との間でそれぞれ複数回行う。
また、本発明のガスメータは、ガスが流れる流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置とを備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記制御装置は、前記超音波流量計の減衰部を所定の場合にのみ動作するよう制御する。
【００３８】
また、本発明の超音波による流量計測方法は、流体の流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１および第２の超音波振動子との間で双方向に超音波を送受信し、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測し、前記第１超音波振動子および第２の超音波振動子のうち、受信に用いる超音波振動子の振動を減衰させるステップを包含する。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記減衰ステップは、前記超音波を受信中、前記超音波を受信するための受信部を含む受信側の入力抵抗を、受信開始時における初期値から変化させる。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、流量計測方法は、前記受信部に接続され、受信部から出力される受信信号を検知して、検知信号を生成するステップをさらに包含し、前記減衰ステップは、前記検知信号生成ステップにおいて前記受信信号を検知した後、前記受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記減衰ステップは、前記超音波を受信中、第１の抵抗を介して前記受信部と前記受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態から、第１の抵抗よりも高い第２の抵抗を介して前記受信部と前記受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態に切り換える。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記減衰ステップは、前記受信部と前記受信に用いられる超音波振動子との間の抵抗を連続的に変化させる。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、流量計測方法は、前記減衰ステップを前記検知信号に基づいて行う。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、流量計測方法は、前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後にトリガ信号を生成するステップをさらに包含し、前記減衰ステップは、前記トリガ信号に基づいて、前記受信側の入力抵抗を前記初期値に設定する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記減衰ステップは、所定の時間内において、時間の経過とともに増幅度が初期値から増大する音波減衰量自動補正受信部により実行される。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、流量計測方法は、前記検知信号を受け取り、所定の遅延時間が経過した後にトリガ信号を生成するステップをさらに包含し、前記減衰ステップは、前記トリガ信号に基づいて、前記音波減衰量自動補正受信部の増幅度を前記初期値に設定する。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、流量計測方法は、前記受信した超音波の信号の所定の部分における周期を推定し、前記推定した周期に基づいて前記遅延時間を決定するステップをさらに包含する。
【００４８】
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかの超音波による流量計測方法に規定した各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録している。
【００４９】
【発明の実施の形態】
流体の流路中に超音波を伝播させ、伝播経路間を伝播する超音波の双方向の伝播時間差を検知することにより流体の流量を計測する場合、超音波の伝播時間を知ることができればよく、受信した超音波全体の波形は必要ではない。たとえば、ゼロクロス検知法を用いる場合、受信した超音波による受信信号の波形のうち、所定の位置が検知できればよい。したがって、受信信号の波形から伝播時間を求めるための所定の位置を検知した後、超音波振動子の振動を積極的に減衰させることによって、前に受信した超音波の振動が次に受信する超音波の振動に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
【００５０】
このため、本発明では、受信に用いる超音波振動子の振動を早く減衰させるための減衰部を採用する。超音波振動子の振動を減衰させるために、物理的に振動子の振動に制限を加えることも考えられるが、本発明では、超音波振動子を電気的に高い負荷に接続することよって振動を早く減衰させる。より具体的には、超音波を受信中に、超音波振動子が接続される受信側入力抵抗を増大させる。
【００５１】
受信信号を正確に検知するためには受信側入力抵抗は小さいほうが好ましいので、受信信号の波形から伝播時間を求めるための所定の位置を検知するまで、つまり、受信信号を検知するまでは、少なくとも所定の抵抗値以下にしておくことが好ましい。具体的には、超音波振動子のインピーダンスが２００Ω程度である場合、受信側の入力抵抗は５０Ωより小さいことが好ましく、２０Ω以下であることがより好ましい。所定の抵抗値以下であれば受信信号の先頭から伝播時間を求めるための所定の位置までの間、受信側入力抵抗は一定であってもよいし、変化していてもよい。
【００５２】
また、超音波振動子の振動を早く減衰させるためには、受信側の入力抵抗は、超音波振動子のインピーダンスに対して十分大きい値であることが好ましい。
【００５３】
より好ましくは、受信信号の先頭から伝播時間を求めるための所定の位置までの間、受信側入力抵抗は一定の低い値を保ち、検知後、受信側入力抵抗を増大させる。
【００５４】
このようにすることによって、受信信号を検知後、超音波振動子を早く減衰させることができ、計測誤差を小さくすることができる。以下本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００５５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計１０１は、流体の流路１２中に超音波の伝搬経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信部３と、受信部６とを備えている。
【００５６】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は第２の超音波振動子２により受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第１の超音波振動子１により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路１２を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００５７】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２としては、厚み振動モード、横すべり振動モード、縦振動モード等の振動モードにより、おおよそ２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動され、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類、また予測される流速に応じて最適な周波数が適宜選択される。本実施形態では、例えば厚み振動モードで振動し、２００ｋＨｚの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。
【００５８】
第１の超音波振動子１は、第１の切り替え部１０を介して送信部３または第２の切り替え部１４の一方と選択的に接続される。この時、第２の超音波振動子２は、第１の切り替え部１０によって、第１の超音波振動子１が接続されなかった第２の切り替え部１４または送信部３の他方と接続される。
【００５９】
また、第２の切り替え部１４は、第１の切り替え部１０と受信部６とをダンピング抵抗１５を介して接続するか、ダンピング抵抗１５を介さずに接続するかを選択する。言い換えれば、第１の切り替え部１０と受信部６との間を第１の抵抗を介して接続するか、第１の抵抗より高い第２の抵抗を介して接続するかを選択する。第１の切り替え部１０および第２の切り替え部１４は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子部品等により構成されるものであってもよい。初期状態では第２の切り替え部１４は、第１の切り替え部１０と受信部６とをダンピング抵抗１５を介さずに接続している。
【００６０】
第２の切り替え部１４を切り換えることによって、受信部６と第１の切り替え部１０との間の抵抗値が変化する。つまり、第１の切り替え部１０から受信部６を見たとき、第２の切り替え部１４を切り換えることによって、受信部６を含む受信側の入力抵抗が変化する。第２の切り替え部１４およびダンピング抵抗１５は、受信に用いる超音波振動子の振動を早く減衰させるための減衰部として働く。
【００６１】
受信部６の入力抵抗はたとえば５Ωから２０Ωの範囲の値である。また、ダンピング抵抗１５の抵抗値は、たとえば、１ｋΩから１０ｋΩである。これらの値は、用いる超音波振動子の共振抵抗に依存し、例示した値は、第２の超音波振動子１および第２の超音波振動子のインピーダンスが２００Ω程度であるときの値である。
【００６２】
第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信部６によって増幅される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００６３】
受信部６によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知部７とピークホールド部１３とへ送られる。ピークホールド部１３は、受信信号１８のピーク値を保持しその値をピークホールド信号として出力を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号が所定のレベルに達したことを検知し、ゼロクロス指令信号を生成する。ゼロクロス検知部７は、ゼロクロス指令信号が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号を遅延部４へ出力する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とし、この時点で受信信号を検知したとする。ゼロクロス検知信号はピークホールド部１３にも入力される。ピークホールド部１３は、ゼロクロス検知信号に基づいてピークホールド信号をリセットする。
【００６４】
遅延部４は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングで出力信号を生成する。繰り返し部８は、遅延部４の出力信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部４の出力信号をトリガ信号として送信部３へ出力する。送信部３は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。
【００６５】
ゼロクロス検知信号およびトリガ信号は第２の切り替え部１４にも入力される。第２の切り替え部１４は、ゼロクロス検知信号に基づいて、第１の切り替え部１０がダンピング抵抗１５を介して受信部６に接続されるよう切り換える。また、トリガ信号に基づいて、第１の切り替え部１０がダンピング抵抗１５を介さずに受信部６に接続されるよう切り換える。
【００６６】
計時部９は、所定の回数だけ、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。
【００６７】
流量算出部１１は、計時部９から出力されるシングアラウンドを繰り返すのに要した時間に関するデータ、遅延時間およびシングアラウンド回数から、流速および流量を求める。
【００６８】
本実施形態において、上述の各構成要素は、電子部品等を用いたハードウエアにより構成することもソフトウエアにより構成することもできる。流量算出手段１１は、マイコン等によって実現される。このマイコンは、各構成要素の制御も行う。
【００６９】
次に、第２の切り替え部１４およびダンピング抵抗１５を含む減衰部の動作を説明する。図２の上部は、受信部６から出力される受信信号の波形を示しており、図２の下部は、受信部６を含む受信側の入力抵抗の変化を示している。
【００７０】
上述したように、初期状態において第２の切り替え部１４は、第１の切り替え部１０と受信部６とをダンピング抵抗を介さずに接続している。この時、受信側の入力抵抗はＲ１になっている。Ｒ１は受信部６の入力インピーダンスおよび第２の切り替え部１４における抵抗などからなる。
【００７１】
第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から超音波を送信し、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１で受信した場合、受信信号は第１の切り替え部１０および第２の切り替え部１４を介して受信部６に入力され増幅される。ゼロクロス検知部７は、受信部６から出力される受信信号３７を受け取って、ゼロクロス指令信号が生成された直後におけるゼロクロスポイントＡ１を検知し、ゼロクロス検知信号を生成する。これにより受信信号３７が検知される。
【００７２】
図２に示すように、第２の切り替え部１４は、ゼロクロス検知信号を受け取り、第１の切り替え部１０がダンピング抵抗１５を介して受信部６に接続されるよう切り換える。これにより、受信側の入力抵抗はＲ２に増大する。言い換えれば、抵抗Ｒ１を介して受信部６と受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態から、抵抗Ｒ２を介して受信部６と前記受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態に切り換える。Ｒ２はＲ１よりもダンピング抵抗１５の抵抗値分大きくなっている。以降、受信側の入力抵抗が高くなったまま、受信信号３７を受信する。このため、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達する超音波がなくなると、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１の振動は早く減衰する。図２に示すように、受信信号３７の尾の部分の振動は速く減衰し、領域５０において振幅は実質的に無視しうるほど小さくなる。
【００７３】
次の超音波を第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から送信するためのトリガ信号が繰り返し部８から出力されると、第２の切り替え部１４は、トリガ信号を受け取り、第１の切り替え部１０がダンピング抵抗１５を介さずに受信部６に接続されるよう切り換える。このため時間Ｂ１において、受信側の入力抵抗は初期値であるＲ１に低下する。
【００７４】
トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から次の超音波が送信され、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１で受信する。受信信号は第１の切り替え部１０および第２の切り替え部１４を介して受信部６に入力され増幅される。ゼロクロス検知部７は、受信部６から出力される受信信号３８を受け取って、ゼロクロス指令信号が生成された直後におけるゼロクロスポイントＡ２を検知し、ゼロクロス検知信号を生成する。これにより受信信号３７が検知される。
【００７５】
第２の切り替え部１４は、ゼロクロス検知信号を受け取り、再び、第１の切り替え部１０がダンピング抵抗１５を介して受信部６に接続されるよう切り換える。これにより、受信側の入力抵抗はＲ２に増大する。
【００７６】
このように、各超音波を受信する間に受信側の入力抵抗が増大する。特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗が検知前に比べて増大する。これにより、受信に用いられる第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の振動を早く減衰させることができる。
【００７７】
次に、超音波流量計１０１を用いて流体の流量を計測する手順を説明する。以下に説明する手順はマイコン等のコンピュータにより、各構成要素を順次制御することによって行われ、その手順をコンピュータに実行させるためのプラグラムが、ＲＯＭやＲＡＭ、ハードディスク、磁気記録媒体などの情報記録媒体に保存されている。
【００７８】
まず、図１に示すように、第１の切り替え手段１０を用いて、送信部３を第１の超音波振動子１へ接続し、第２の切り替え部１４を第２の超音波振動子２へ接続する。
【００７９】
図３に示すように、トリガ信号３９を送信部３に入力し、駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。流路１２を伝搬した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信され、受信信号が第２の切り替え部１４を介して、または、第２の切り替え部１４およびダンピング抵抗１５を介して受信部６へ送られ、受信信号１８として増幅される。
【００８０】
ピークホールド部１３、およびレベル検知部５によって、受信信号１８が所定のレベルを超えた直後のゼロクロスポイントがゼロクロス検知部７で検知される。遅延部４は、ゼロクロス検知部７から出力されるゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間４０を経た後に、送信部３へトリガ信号３９’を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９は、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００８１】
上述したように各超音波を受信信号１８として受信する際、ゼロクロス検知信号およびトリガ信号に基づいて第２の切り替え部１４が動作し、各超音波を受信する間に受信側の入力抵抗が増大する。このため第２の超音波振動子２の振動は早く減衰し、次の超音波を受信する際、直前の超音波による振動が残存して悪影響を与えることがない。
【００８２】
次に、切り替え手段１０を用いて、送信部３を第２の超音波振動子２へ接続し、第２の切り替え部１４を第１の超音波振動子１へ接続する。そして上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時部９では、ループを繰り返すのに要した全時間４１を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。流量算出部において、全時間４１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４０を引いた値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００８３】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。さらに流路１２の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流量が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００８４】
このように、本実施形態によれば、各超音波を受信する間に、第２の切り替え部１４およびダンピング抵抗１５によって受信側の入力抵抗が増大する。特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗が検知前に比べて増大する。これにより、受信に用いられる第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の振動を早く減衰させることができる。したがって、次の受信波形との干渉を抑制することができる。また、特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる場合、検知時の受信側の入力抵抗を小さい値にすることができる。このため、受信時の感度および精度を高くし、かつ、超音波振動子の減衰を早くすることができる。また、遅延時間を長く設定しなくても、連続する受信信号間の干渉を避けることができるため、計測時間を短くすることができ、消費電力も低減することができる。
【００８５】
なお、本実施形態では、第２の切り替え部１４は、繰り返し部８から出力されるトリガ信号に基づいて、ダンピング抵抗１５を介さずに第１の切り替え部１０と受信部６とを接続するよう切り換えを行う。しかし、この切り替えは他のタイミングに基づいて行ってもよい。たとえば、第２の切り替え部１４自体が、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間を計測し、所定の時間経過後にダンピング抵抗１５を介さずに第１の切り替え部１０と受信部６とを接続するよう切り換えを行ってもよい。
【００８６】
また、本実施形態では、常に、各超音波を受信する際、受信側の入力抵抗を増大させていた。しかし、受信した波形の重なりが問題とならない場合には、受信側の入力抵抗を変化させないように超音波流量計１０１を動作させてもよい。たとえば、第２の切り替え部１４に切り替え動作を行うかどうかの指令を受ける端子１４ａを設け、端子１４ａから動作の指令信号を受けているときのみ第２の切り替え部１４が切り替え動作を行うようにしてもよい。この場合、動作の指令信号を受けていないとき、あるいは非動作の指令信号を受けているときには、第２の切り替え部１４は第１の切り替え部１０と受信部６との間をダンピング抵抗１５を介さないように接続した状態を保っている。
【００８７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。図４において、第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図４に示す超音波流量計１０２は、第１の切り替え部１０と受信部６との間に並列に接続されているダンピング抵抗１５およびスイッチ部１６を備えている点で第１の実施形態の超音波流量計１０１と異なっている。
【００８８】
スイッチ部１６は、ゼロクロス検知部７から出力されるゼロクロス信号を受け取り、ゼロクロス信号に基づいて、ＯＦＦ状態となる。つまり、第１の切り替え部１０と受信部６との間はダンピング抵抗１５によってのみ接続される。また、スイッチ部１６は、繰り返し部８から出力されるトリガ信号を受け取り、トリガ信号に基づいて、ＯＮ状態となる。このとき、スイッチ部１６は第１の切り替え部１０と受信部６とを低抵抗で接続する。スイッチ部１６のＯＮ抵抗は少なくともダンピング抵抗１５よりも小さくなっており、好ましくはスイッチ部１６のＯＮ抵抗は２０Ω以下である。
【００８９】
ダンピング抵抗１５およびスイッチ部１６は第１の実施形態と同様、減衰部として機能する。初期状態においてスイッチ部１６はＯＮ状態にある。このため、第１の切り替え部１０と受信部６とはダンピング抵抗１５およびスイッチ部１６によって電気的に接続される。ＯＮ状態のスイッチ部１６は低抵抗であるので、受信部６を含む受信側の入力抵抗は小さい。
【００９０】
第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から超音波を送信し、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１で受信した場合、受信信号は第１の切り替え部１０およびスイッチ部１６を介して受信部６に入力され増幅される。受信部６から出力される受信信号は、ゼロクロス検知部７においてゼロクロス検知され、ゼロクロス検知信号を生成する。これにより受信信号３７が検知される。
【００９１】
スイッチ部１６は、ゼロクロス検知信号を受け取り、ＯＦＦ状態をとる。このため、第１の切り替え部１０がダンピング抵抗１５のみを介して受信部６に接続される。これにより、受信側の入力抵抗は増大する。言い換えれば、ダンピング抵抗１５とスイッチ部１６との合成抵抗による低抵抗を介して受信部６と受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態から、ダンピング抵抗１５のみによる高抵抗を介して受信部６と前記受信に用いられる超音波振動子との間を接続した状態に切り換える。以降、受信側の入力抵抗が高くなったまま、受信を続ける。このため、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達する超音波がなくなると、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１の振動は早く減衰する。
【００９２】
次の超音波を第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から送信するためのトリガ信号が繰り返し部８から出力されると、スイッチ部１６は、トリガ信号を受け取り、ＯＮ状態をとなる。これにより、再び受信側の入力抵抗は小さくなる。
【００９３】
このように、本実施形態によれば、各超音波を受信する間に、ダンピング抵抗１５およびスイッチ部１６によって受信側の入力抵抗が増大する。特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗が検知前に比べて増大する。これにより、受信に用いられる第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の振動を早く減衰させ、次の受信波形との干渉を抑制することができる。
【００９４】
また、特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる場合、検知時の受信側の入力抵抗を小さい値にすることができる。このため、受信時の感度および精度を高くし、かつ、超音波振動子の減衰を早くすることができる。また、遅延時間を長く設定しなくても、連続する受信信号間の干渉を避けることができるため、計測時間を短くすることができ、消費電力も低減することができる。
【００９５】
なお、第１の実施形態において説明したように、スイッチ部１６にスイッチング動作を行うかどうかの指令を受ける端子１６ａを設け、端子１６ａから動作の指令信号を受けているときのみ、スイッチ部１６が動作するようにしてもよい。この場合、動作の指令信号を受けていないとき、あるいは非動作の指令信号を受けているときには、スイッチ部１６はＯＮ状態を保っている。
【００９６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。図５において、第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図５に示す超音波流量計１０３は、可変ダンピング抵抗２１および可変コントロール部２２を備えている点で第１の実施形態の超音波流量計１０１と異なっている。
【００９７】
可変ダンピング抵抗２１は、第１の切り替え部１０と受信部６との間に接続されており、可変コントロール部２２の制御によって抵抗値が変化する。可変コントロール部２２は、ゼロクロス検知部７から出力されるゼロクロス信号に基づいて、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値を増大させる。また、繰り返し部８から出力されるトリガ信号に基づいて、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値を初期値に戻す。
【００９８】
図６は、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値の変化を示している。図６に示すように、可変ダンピング抵抗２１は、初期状態において抵抗値Ｒ１を有している。ゼロクロス検知部７からの出力であるゼロクロス信号を可変コントロール部２２が受け取るまでは、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値は変化せず、初期値Ｒ１を保っている。
【００９９】
ゼロクロス検知信号を可変コントロール部２２が受け取ると、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値を増加させ始める。図６に示すように可変コントロール部２２がトリガ信号を受け取るとき、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値はＲ２に達している。トリガ信号を可変コントロール部２２が受け取ると、可変コントロール部２２は可変ダンピング抵抗２１の抵抗値が初期値であるＲ１に低下するよう、可変コントロール部２２を制御する。
【０１００】
このように、可変コントロール部２２はゼロクロス検知信号およびトリガ信号に基づいて、可変ダンピング抵抗２１の制御を繰り返す。可変ダンピング抵抗２１の抵抗値の時間に対する変化の仕方は、超音波振動子の振動の状態に応じて設定することができる。たとえば経過時間に対して比例するよう抵抗値を増加させてもよいし、指数関数的に増加させてもよい。抵抗値Ｒ１は小さいほうが好ましく、たとえば５Ωから２０Ωである。また、抵抗値Ｒ２は、たとえば、１ｋΩから１０ｋΩである。
【０１０１】
可変ダンピング抵抗２１は第１の切り替え部１０と受信部６との間に接続されているので、可変ダンピング抵抗２１が上述のように変化することによって受信側の入力抵抗が変化し、可変ダンピング抵抗２１および可変コントロール部２２は第１の実施形態と同様、減衰部として機能する。
【０１０２】
初期状態において可変ダンピング抵抗２１は初期値Ｒ１をとっているため、受信部６を含む受信側の入力抵抗は小さい。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から超音波を送信し、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１で受信した場合、受信信号は第１の切り替え部１０および可変ダンピング抵抗２１を介して受信部６に入力され増幅される。受信部６から出力される受信信号は、ゼロクロス検知部７においてゼロクロス検知され、ゼロクロス検知信号を生成する。これにより受信信号３７が検知される。
【０１０３】
可変コントロール部２２は、ゼロクロス検知信号を受け取り、抵抗値が徐々に増大するように可変ダンピング抵抗を制御する。このため、受信側の入力抵抗は徐々に増大する。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達する超音波がなくなるとき、受信側の入力抵抗の値は大きくなっているので第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１の振動は早く減衰する。
【０１０４】
次の超音波を第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から送信するためのトリガ信号が繰り返し部８から出力されると、可変コントロール部２２は、トリガ信号を受け取り、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値を初期値に戻す。これにより、再び受信側の入力抵抗は小さくなる。
【０１０５】
このように、本実施形態によれば、各超音波を受信する間に、可変ダンピング抵抗２１および可変コントロール部２２によって受信側の入力抵抗が増大する。特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗が検知前に比べて増大する。これにより、受信に用いられる第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の振動を早く減衰させ、次の受信波形との干渉を抑制することができる。
【０１０６】
また、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる場合、検知時の受信側の入力抵抗を小さい値にすることができる。このため、受信時の感度および精度を高くし、かつ、超音波振動子の減衰を早くすることができる。遅延時間を長く設定しなくても、連続する受信信号間の干渉を避けることができるため、計測時間を短くすることができ、消費電力も低減することができる。本実施形態の場合、可変ダンピング抵抗２１の抵抗値を連続的に変化させるので、スイッチの切り替えなどによるノイズが発生しにくく、誤動作を引き起こす可能性が少ないという効果も得られる。
【０１０７】
なお、第１の実施形態において説明したように、可変コントロール部２２に可変ダンピング抵抗を制御するかどうかの指令を受ける端子２２ａを設けてもよい。そして、端子２２ａから動作の指令信号を受けているときのみ、可変コントロール部２２抵抗を制御するようにしてもよい。この場合、動作の指令信号を受けていないとき、あるいは非動作の指令信号を受けているときには、可変ダンピング抵抗２１は低抵抗を保つ。
【０１０８】
また、本実施形態ではゼロクロス検知信号およびトリガ信号に基づいて可変ダンピング抵抗２１の制御を行っているが、トリガ信号のみに基づいて、可変ダンピング抵抗２１を制御してもよい。たとえば、トリガ信号に基づいて、可変コントロール部２２は可変ダンピング抵抗２１の値を初期値である低抵抗値に設定する。その後、所定の時間までは可変ダンピング抵抗２１が初期値を維持するよう制御する。あるいは所定の時間までは抵抗値がゆっくり増加するように制御する。これにより、ゼロクロス検知を行う際の可変ダンピング抵抗２１の抵抗値を小さくし、受信側の入力抵抗を小さくすることによって、感度および精度のよいゼロクロス検知を行うことができる。所定時間が経過したら上述のように可変ダンピング抵抗２１を増加させる。これによって、受信側の入力抵抗を高くして超音波振動子の振動を早く減衰させることができる。
【０１０９】
（第４の実施形態）
図７は、本発明による超音波流量計の第４の実施形態を示すブロック図である。図７において、第１の実施形態の超音波流量計１０１と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図７に示す超音波流量計１０４は、受信信号を増幅するための増幅部として音波減衰量自動補正（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  Ｔｉｍｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能を備えた受信部２６（以下ＳＴＣ受信部と略す）を備えている点で第１の実施形態の超音波流量計１０１と異なっている。
【０１１０】
ＳＴＣ受信部２６は、超音波振動装置などに一般的に用いられる。超音波診断において、測定対象物の内部において反射する超音波は、表面近傍において反射する超音波に比べて、反射する地点までの距離が長くなる。このため、表面で反射する超音波に比べて、伝播時間が長く、遅れて受信される。また、振幅の減衰が大きい。このため、ＳＴＣ受信部２６は、所定の周期で時間の経過とともに増幅の利得が大きくなるように信号を増幅する。このとき、利得が大きくなるにつれて入力抵抗は高くなる。
【０１１１】
ＳＴＣ受信部２６は、第１の切り替え部１０とゼロクロス検知部７との間に接続される。したがって、ＳＴＣ受信部２６の出力はゼロクロス検知部７へ入力される。
【０１１２】
また、超音波流量計１０４は、固定遅延部２８を備えており、繰り返し部８の出力であるトリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する。この出力信号は、ＳＴＣ受信部２６へ入力される。
【０１１３】
図８は、ＳＴＣ受信部２６の利得の変化を示している。図８に示すように、初期状態において、ＳＴＣ受信部２６はＧ１の利得で入力信号を増幅する。そして時間の経過に伴って利得は大きくなってゆく。利得の時間に対する変化の仕方は、超音波振動子の振動の状態に応じて設定することができる。たとえば経過時間に対して比例するよう抵抗値を増加させてもよいし、指数関数的に増加させてもよい。
【０１１４】
繰り返し部８からトリガ信号出力され、さらに固定遅延部２８に設定された所定の時間の後、固定遅延部２８から信号が出力され、ＳＴＣ受信部２６はその出力信号を受け取る。そして、このときの利得Ｇ２を急激に減少させて初期値であるＧ１に設定する。固定遅延部２８から信号が出力されるタイミングは、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が超音波を送信し、送信された各超音波が第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達して受信する直前になるよう設定される。
【０１１５】
上述したように、ＳＴＣ受信部２６の利得は入力抵抗に対応、または比例しており、利得が小さい時には入力抵抗も小さく、利得が大きくなるにつれて入力抵抗も大きくなる。ＳＴＣ受信部２６の利得を大きくすることによって、入力抵抗を高くし、超音波振動子の振動を早く減衰させることができる。たとえば利得Ｇ１のとき受信側の入力抵抗は５Ωから２０Ωの範囲にあり、利得Ｇ２の時に受信側の入力抵抗は１ｋΩから２ｋΩの範囲にあるよう、ＳＴＣ受信部２６は設定されている。
【０１１６】
なお、利得が大きいほど、受信信号の振幅も大きく増幅される。このため、受信した超音波の末尾部分における小さな振幅部分ほど大きな増幅率で増幅される。
しかし、これは超音波振動子の振動を早く減衰させるという目的と矛盾するものではない。なぜなら、振幅が大きくなるのはＳＴＣ受信部２６から出力される受信信号であり、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１の振動を助長するわけではないからである。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１自体は、ＳＴＣ受信部２６の利得の増大に伴って入力抵抗が増大することにより、その振動が早く減衰する。また、ＳＴＣ受信部２６から出力される受信信号において、末尾部分ほど大きな増幅率で振幅が増幅されているが、ゼロクロス検知によって検知するのは受信信号の初めの部分であり、ゼロクロス検知後、受信信号の波形は計測に利用されない。このため、受信信号の位置によってその振幅の増幅のされ方が異なっていても問題が生じることはない。
【０１１７】
超音波流量計１０４を用いて流量を計測する場合、初期状態においてＳＴＣ受信部２６の利得はＧ１であり入力抵抗は小さくなっている。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から超音波を送信し、第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１で受信した場合、受信信号は第１の切り替え部１０を介してＳＴＣ受信部２６に入力され増幅される。受信部６から出力される受信信号は、ゼロクロス検知部７においてゼロクロス検知され、ゼロクロス検知信号を生成する。これにより受信信号３７が検知される。
【０１１８】
ＳＴＣ受信部２６の利得は時間の経過とともに増大し、入力抵抗も増大する。第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達する超音波がなくなるとき、受信側の入力抵抗の値は大きくなっているので第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１の振動は早く減衰する。
【０１１９】
次の超音波を第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から送信するためのトリガ信号が繰り返し部８から出力されると、所定の時間経過後に固定遅延部２８から信号が出力され、ＳＴＣ受信部２６の利得が初期値に戻る。これにより、再び受信側の入力抵抗は小さくなる。
【０１２０】
このように、本実施形態によれば、各超音波を受信する間に、ＳＴＣ受信部２６の入力抵抗が増大する。これにより、受信に用いられる第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の振動を早く減衰させ、次の受信波形との干渉を抑制することができる。また、特に本実施形態の場合、入力抵抗が連続的に変化するので、スイッチの切り替えなどによるノイズが発生しにくく、誤動作を引き起こす可能性が少ない。また、遅延時間を長く設定しなくても、連続する受信信号間の干渉を避けることができるため、計測時間を短くすることができ、消費電力も低減することができる。
【０１２１】
なお、第１の実施形態において説明したように、ＳＴＣ受信部２６に利得の変化させるかどうかの指令を受ける端子２６ａを設けてもよい。そして、端子２６ａから動作の指令信号を受けているときのみ、利得を変化させてもよい。この場合、動作の指令信号を受けていないとき、あるいは非動作の指令信号を受けているときには、ＳＴＣ受信部２６は初期値であるＧ１の利得を保つ。
【０１２２】
（第５の実施形態）
図９は、本発明による超音波流量計の第５の実施形態を示すブロック図である。図９において、第４の実施形態の超音波流量計１０４と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。図９に示す超音波流量計１０５は、遅延時間を変化させるために、波形整形部２９、周波数−電圧変換部（以下、Ｆ／Ｖコンバータと呼ぶ）３０、固定遅延３１、および遅延時間決定部２６を備えている点で第４の実施形態の超音波流量計１０４と異なっている。
【０１２３】
波形整形部２９は、ＳＴＣ受信部２６から増幅された受信信号を受け取り、受信信号を２値化する。Ｆ／Ｖコンバータ３０は、２値化された受信信号を受け取って、その周波数に基づいて電圧を発生する。また、トリガ信号から所定の時間経過した後に出力される信号を固定遅延部２８から受け取る。そして、固定遅延部２８から出力信号を受け取ったとき以降の電圧を遅延時間決定部２６へ出力する。固定遅延部２８の出力信号は、受信信号の尾部であって次の受信信号の波形と重なる部分を受信するタイミングで生成される。このため、Ｆ／Ｖコンバータ３０が出力する電圧は、次の受信信号の波形と重なる部分の周波数に比例しており、この電圧に基づいて、受信信号の尾部であって次の受信信号の波形と重なる部分の周期を推定することができる。
【０１２４】
遅延時間決定部２６は、この周期を求め、周期を複数に分割した単位時間を計算する。そして、シングアラウンド１回ごとにこの単位時間の長さ分ずつ長くなった付加遅延時間を発生させ、遅延部４へ出力する。遅延部４は、通常の設定における固定した遅延時間と、遅延時間決定部２６から受け取る付加遅延時間とを加え、これらの合計の時間を用いて、トリガ信号を生成する。
【０１２５】
繰り返し部８は、各シングアラウンドにおける付加遅延時間を合計した値が、受信信号の尾部であって次の受信信号の波形と重なる部分の周期の整数倍となるように全シングアラウンド回数を設定する。
【０１２６】
第４の実施形態において説明したように、ＳＴＣ受信部２６は、時間の経過とともにその利得を増大させる。このため、受信信号における減衰した尾部の振幅が大きくなり、尾部の周期を推定あるいは計測することが可能となる。受信信号の尾部と次の受信信号との重なりあるいは干渉によって生じるゼロクロス検知の計測誤差は、尾部の周期に依存する。したがって、上述したように付加遅延時間を生成してシングアラウンド方による計測を行えば、ゼロクロス検知の計測誤差がキャンセルしあう。このため、受信信号の尾部と次の受信信号との重なりによって生じる誤差を排除した計測を行うことができる。
【０１２７】
固定遅延部３１は、上述の固定遅延部２８の出力を受け取って、所定の時間経過した後にＳＴＣ受信部２６へ信号を出力する。固定遅延部３１から信号が出力されるタイミングは、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２が超音波を送信し、送信された各超音波が第２の超音波振動子２または第１の超音波振動子１に到達して受信する直前になるよう設定される。
【０１２８】
このように本実施形態によれば、第４の実施形態で説明した効果に加えて、受信信号の尾部と次の受信信号との重なりによって生じる誤差を排除することができる。したがって、精度の高い計測が可能となる。
【０１２９】
なお、本実施形態では、Ｆ／Ｖコンバータ３０を用いたが、Ｆ／Ｖコンバータ３０の替わりＡ／Ｄコンバータを用い、波形データから自己回帰モデルによるスペクトルの推定を行い、周期を計測することも可能である。また、フーリエ変換を用いて計測を行ってもよい。さらに、ＳＴＣ受信部２６の利得の変化あるいは入力抵抗の変化は固定されているので、Ａ／Ｄコンバータを用いて得られる波形データから、振幅の減衰の仕方を評価することにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の劣化の程度を評価してもよい。
【０１３０】
（第６の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
【０１３１】
図１０は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ１０６のブロック図を示している。配管７０内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【０１３２】
ガスメータ１０６は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計７１と、緊急時に配管７０を流れるガスを遮断する遮断弁７２と、超音波流量計７１および遮断弁７２を制御するマイコンなどの制御装置７３と、超音波流量計１０６を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部７４とを備える。また、温度計７５を備えていてもよい。超音波流量計７１には、第１から第５の実施形態の超音波流量計を用いることができる。
【０１３３】
超音波流量計７１によって計測される流量に関するデータは、マイコン７３で処理されて表示部７４に表示される。また、マイコン７３は、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１３４】
また、第１から第５の実施形態において説明したように、超音波流量計７１において、超音波振動子が超音波を受信する間に、受信側の入力抵抗が増大する。このため、受信信号と次の受信信号との干渉を抑制することができる。また、特に、ゼロクロスポイントにおいて受信信号を検知した後、受信側の入力抵抗を検知前に比べて増大させる場合、検知時の受信側の入力抵抗を小さい値にすることができる。このため、受信時の感度および精度を高くし、かつ、超音波振動子の減衰を早くして、ガスメータの計測誤差を低減することができる。
【０１３５】
受信側の入力抵抗を可変にする動作は、流量の計測ごとに常に行うようにしてもよいが、上記各実施形態で説明したように、この動作を行わせるための指令を受ける端子を設け、マイコン７３が指令を出したときのみ、受信側の入力抵抗を変化させてもよい。
【０１３６】
たとえば、マイコン７３が計測した流量に関するデータを監視し、超音波振動子の劣化等により計測した流量に誤差が生じていると判断した場合にのみ、受信側の入力抵抗を変化させてもよい。あるいは、温度計７５によってガスメータ１０６の設置された環境温度を監視し、環境温度が所定の値以上になった場合に、受信信号と次の受信信号との干渉による影響が大きいと判断して、受信側の入力抵抗を変化させてもよい。また、あるいは、ガスメータ１０６の初期設定として、受信信号と次の受信信号との干渉が生じないよう、遅延時間を十分長く設定しておき、超音波流量計７１の電池の起電力をモニターする。そして、電池の起電力が所定の値以下になった場合には、電池の消費を低減するために、遅延時間を短くするとともに、受信信号と次の受信信号との干渉による影響を抑制するために受信側の入力抵抗を変化させてもよい。
【０１３７】
なお、上記各実施形態では、シングアラウンド法により流量を計測する流量計を説明したが、本発明は、たとえば、双方向に一回、超音波を伝播させ、その伝播時間差から流量を求める流量計にも適用することが可能である。そのような流量計に本発明を適用した場合、振動子の減衰を早く収束させることによって、計測時間を短くすることが可能となり、繰り返し計測する場合に、計測間隔を短くできるという効果が得られる。
【０１３８】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波を受信する間に、受信側の入力抵抗を増大させることによって、受信に用いられる超音波振動子の振動を早く減衰させることができる。したがって、次の受信波形との干渉を抑制することができる。また、検知時の受信側の入力抵抗を小さい値にすることによって受信時の感度および精度を高くすることができる。したがって、精度の高い計測が可能な超音波流量計を実現することができる。また、遅延時間を長く設定しなくても、連続する受信信号間の干渉を避けることができるため、計測時間を短くすることができ、消費電力も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示す超音波流量計における受信側入力抵抗の変化を示す図である。
【図３】シングアラウンド法による測定を説明する図である。
【図４】本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図５】本発明による超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図６】図５に示す超音波流量計における受信側入力抵抗の変化を示す図である。
【図７】本発明による超音波流量計の第４の実施形態を示すブロック図である。
【図８】図７に示す超音波流量計の受信部における利得の変化を示す図である。
【図９】本発明による超音波流量計の第５の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】本発明によるガスメータの実施形態を示すブロック図である。
【図１１】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１２】受信波のゼロクロス検知方法を説明する図である。
【図１３】連続する受信波の渉を説明する図である。
【符号の説明】
１  第１の超音波振動子
２  第２の超音波振動子
３  送信部
４  遅延部
５  レベル検知部
６  受信部
７  ゼロクロス検知部
８  繰り返し部
９  計時部
１０  第１の切り替え部
１１  流量算出部
１３  ピークホールド部
１４  第２の切り替え部
１５  ダンピング抵抗
１６  スイッチ部
２１  可変ダンピング抵抗
２２  可変コントロール部
２６遅延時間決定部
２８、３１  固定遅延部
２９  波形整形部
３０  Ｆ／Ｖコンバータ
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  超音波流量計
【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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