(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波流速測定管を流れる流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子を配置し、前記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信することによって、流体の流れに対して順方向および逆方向の超音波の伝搬時間をそれぞれ測定することを複数回繰り返し、順方向および逆方向の超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定方法において、
前記超音波の伝搬時間の測定間隔を、前の測定における超音波の伝搬時間に比例して、測定波と直前の反射波の位相差を一定にするように調整することを特徴とする超音波流速測定方法。
【請求項２】
前記超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtは、
Ｉt＝Ｋ×ｔ(0)
Ｋ：係数
ｔ(0)：直前の測定における超音波の伝搬時間
である請求項１に記載の超音波流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を利用してガスその他の流速を測定する超音波流速測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ガスその他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、これに基づいて流量を演算することが行われている。そして、このような流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知られている。  かかる超音波流速測定方法の原理を、図８にて説明すると次のとおりである。図８において、（１）は内部をガス等の流体が流れる流速測定管である。この流速測定管（１）内には、流れ方向の上流側および下流側に、所定距離を隔てて超音波振動子（２）（３）が配置されている。この超音波振動子（２）（３）は、駆動パルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、その超音波振動子（２）（３）が振動したときの受信波（Ｗ）が受信増幅回路（５）から出力されるものとなされている。
【０００３】
そして、上流側の超音波振動子（２）から流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音波振動子（３）で受信されるまでの伝搬時間と、下流側の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側の超音波振動子（２）に受信されるまでの伝搬時間との差は、流速に関係することから、この伝搬時間差を求めることにより流体の流速を測定するものとなされている。なお、図８において、（６）は超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）および受信増幅回路（５）の接続を切り替える切替回路であり、まず駆動パルス発生回路（４）と上流側の超音波振動子（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路（５）を接続して、上流側から下流側への超音波の順方向の伝搬時間を測定したのち、駆動パルス発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続されるように切り替えて、下流側から上流側への超音波の逆方向の伝搬時間を測定するものとなされている。
【０００４】
ところで、従来、超音波の伝搬時間のばらつきによる誤差を軽減するために、超音波の伝搬時間の測定を、所定時間（例えば２秒）ごとに順方向および逆方向についてそれぞれ複数回（例えば８回）繰り返し、それら順方向および逆方向の超音波の伝搬時間の平均値をそれぞれ求め、それら順方向および逆方向の伝搬時間の各平均値をそれぞれ順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２とし、それら順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２の差に基づいて所定時間内の流体の流速Ｖを算出することが行われていた。
【０００５】
このとき、受信増幅回路（５）からは、図２に示すように、流速測定管（１）のどこにも反射せずに超音波振動子（２）（３）に受信される直進超音波に対応する受信波（以下、測定波（Ｗ１）という）に続いて、超音波流速測定管（１）または超音波振動子（２）（３）に何回か反射して超音波振動子（２）（３）に受信される反射超音波に対応する数次の受信波（以下、反射波（Ｗｎ）という）が出力される。この反射波（Ｗｎ）は、反射次数が大きくなるごとにその振幅が減少するが、数次の反射波（Ｗｎ）でも完全に減衰しないため、測定間隔が数ｍｓ程度の場合には、測定波（Ｗ１）が前の測定における反射波（Ｗｎ）の干渉を受ける。このような反射波（Ｗｎ）の干渉の程度は、測定間隔を長くするほど小さくなるが、測定間隔を長くすると流速測定に時間がかかり、流速が変化したときのレスポンスが悪くなる。
【０００６】
このため、流速測定の時間短縮のためには反射波（Ｗｎ）の干渉を許容せざるを得ないが、このように測定波（Ｗ１）が前の測定における反射波（Ｗｎ）の干渉を受けると、測定波（Ｗ１）と前の測定における反射波（Ｗｎ）の位相差により、両波の合成波の位相が僅かに変化して、受信波到達タイミングに用いるゼロクロス時点がずれる。そして、上述のように超音波の伝搬時間の測定間隔を一定にした場合、流体の温度や流速が変化すると、それに伴って両波の位相差が変化して、受信波到達タイミングに用いるゼロクロス時点もばらつくことから、超音波の伝搬時間を精度よく測定することができないという問題があった。
【０００７】
このような問題は、振幅が比較的に小さい測定波（Ｗ１）の初期波（２〜３波）のゼロクロス時点を受信波到達タイミングに用いる場合や、流体が小流量で伝搬時間差が小さい場合に特に生じやすい。
【０００８】
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、超音波の伝搬時間の測定を複数回繰り返す場合において、測定波に対する前の測定における反射波の干渉を無くすあるいは一定にすることができ、ひいては超音波の伝搬時間を精度良く測定することが可能な超音波流速測定方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、超音波流速測定管を流れる流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子を配置し、前記各超音波振動子から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信することによって、流体の流れに対して順方向および逆方向の超音波の伝搬時間をそれぞれ測定することを複数回繰り返し、順方向および逆方向の超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定方法において、
前記超音波の伝搬時間の測定間隔を、前の測定における超音波の伝搬時間に比例して調整することを特徴とする。
【００１０】
これによれば、流体の温度変化や流速変化等により超音波の伝搬時間が変化しても、その変化した超音波の伝搬時間に比例して超音波の伝搬時間の測定間隔を調整するので、測定波に対する前の測定における反射波の干渉を無くす又は一定にすることができる。このため、流体の温度変化や流速変化にかかわらず、測定波と前の測定における反射波の位相差が一定となり、受信波到達タイミングに用いるゼロクロス時点がばらつかなくなり、超音波の伝搬時間を精度よく測定することが可能となる。
【００１１】
なお、超音波の伝搬時間の測定間隔は、その直前に測定された超音波の伝搬時間に比例して調整するのが最も望ましいが、温度が一定あるいはほとんど変化していない場合などには、それよりも前に測定された超音波の伝搬時間に比例して調整するものとしてもよい。
【００１２】
また、前記超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtは、
Ｉt＝Ｋ×ｔ(0)
Ｋ：係数
ｔ(0)：直前の測定における超音波の伝搬時間
である場合、超音波の伝搬時間の測定間隔を直前の測定における超音波の伝搬時間ｔ(0)に比例して調整するので、測定波に対する前の測定における反射波の干渉をより確実に無くすあるいは一定にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態に係る超音波流速測定方法を含む流量測定方法を実施する流量測定装置を示すものである。
【００１４】
なお、この実施形態では、超音波の伝搬時間の測定を、所定時間（２秒）ごとに順方向および逆方向についてそれぞれ８回繰り返し、それら順方向および逆方向の各８個の超音波の伝搬時間の平均値をそれぞれ求め、その順方向および逆方向の伝搬時間の各平均値をそれぞれ順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２とする。そして、それら順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２の差に基づいて所定時間（２秒）内の流体の流速Ｖを算出し、さらにその流体の流速Ｖに基づいて所定時間（２秒）内の流体の流量Ｑを算出する。
【００１５】
図１において、（１）はガス等の流体が流れる流速測定管、（２）（３）は流速測定管（１）内において上流側と下流側に所定距離Ｌを隔てて配置された超音波振動子、（４）は駆動パルス（Ｋ）を発生する駆動パルス発生回路、（５）は超音波振動子（２）（３）で超音波を受信したときに受信波（Ｗ）を出力する受信増幅回路、（６）は超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）および受信増幅回路（６）の接続を切り替える回路であり、これらは図８に示したものと同じである。
【００１６】
また、（７）は所定時間（２秒）内に測定された順方向および逆方向の各８個の超音波の伝搬時間を記憶する伝搬時間記憶部、（８）は所定時間（２秒）ごとに算出された流体の流量Ｑを積算記憶する流量記憶部、（９）は中央演算処理装置（ＣＰＵ）などからなる制御部である。
【００１７】
この制御部（９）は、各部の制御や、データの転送、種々の演算、およびデータの格納などを行い、この実施形態では、伝搬時間測定処理、測定間隔調整処理、および流量演算処理を図示略のメインプログラムにより実行するものとなされている。
【００１８】
前記伝搬時間測定処理は、駆動パルス発生回路（４）から駆動パルス（Ｋ）を発生せしめることにより超音波振動子（２）（３）から超音波を送信し、その送信された超音波を超音波振動子（３）（２）で受信して、受信増幅回路（５）から出力された受信波（Ｗ）に基づいて超音波の伝搬時間を測定する処理である。
【００１９】
この受信増幅回路（５）から出力される受信波（Ｗ）は、図２に示すように、超音波流速測定管（１）のどこにも反射せずに超音波振動子（２）（３）に受信される直進超音波に対応する測定波（Ｗ１）と、それに続く超音波流速測定管（１）または超音波振動子（２）（３）に何回か反射して超音波振動子（２）（３）に受信される反射超音波に対応する数次の反射波（Ｗｎ）とからなり、前記測定波（Ｗ１）は直前の測定における反射波（Ｗｎ）の干渉を受けている。なお、この実施形態では、受信波（Ｗ）の測定波（Ｗ１）の３波目のゼロクロス時点を受信波到達タイミングに用いるものとする。
【００２０】
前記測定間隔調整処理は、流体の温度が変化して超音波の伝搬時間が変化した場合に、その直前の測定における超音波の伝搬時間ｔ(0)に比例して超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを調整する処理である。この実施形態では、超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtは下式［１］により求める。
Ｉt＝Ｋ×ｔ(0)・・・［１］
Ｋ：係数
ｔ(0)：直前の測定における超音波の伝搬時間
超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを上式［１］とするのは以下の理由による。
【００２１】
すなわち、ある測定における測定波（Ｗ１）と直前の測定における反射波（Ｗｎ）の位相を一定にするためには、両測定における超音波の伝搬時間t(0)に測定間隔Ｉtを加えた時間と反射波（Ｗｎ）の伝搬時間ｔ(n)を等しくすればよいことから、
ｔ(0)＝ｔ(n)−Ｉt・・・［２］
ｔ(n)：直前の測定におけるｎ次の反射波の伝搬時間
が成立すればよい。なお、ある測定と直前の測定との間には温度変化がないか、あるいは温度変化があっても微小なものと仮定する。
【００２２】
音速を仮にＣとし、伝搬時間ｔ(0)の測定波の伝搬距離をＬ(0)とすれば、
ｔ(0)＝Ｌ(0)／Ｃ・・・［３］
となる。一方、伝搬時間ｔ(n)のｎ次反射波の伝搬距離をＬ(n)とすれば、
ｔ(n)＝Ｌ(n)／Ｃ・・・［４］
となる。なお、説明を簡単にするために、流体は微少流量で流速が無視できるものと仮定する。
【００２３】
ここで、測定波（Ｗ１）および反射波（Ｗｎ）の伝搬経路は音速Ｃに影響しないので、伝搬距離Ｌ(0)およびＬ(n)は定数となる。また、Ｌ(n)＝ｋＬ(0)と表されるので、上式［４］は、
Ｉt＝（ｋ−１）Ｌ(0)／Ｃ・・・［５］
となり、ｋおよび（ｋ−１）は定数であるから、Ｋ＝ｋ−１として、
Ｉt＝Ｋ×Ｌ(0)／Ｃ
＝Ｋ×ｔ(0)・・・［１］
となり、測定間隔Ｉtを直前の測定における伝搬時間ｔ(0)に比例して調整すればよいことになる。
【００２４】
これによれば、流体の温度変化により直前の測定における超音波の伝搬時間ｔ(0)が変化しても、その直前の測定における超音波の伝搬時間ｔ(0)に比例して超音波の伝搬時間の測定間隔を調整するので、測定波（Ｗ１）に対する直前の測定における反射波（Ｗｎ）の干渉を無くす又は一定にすることができる。このため、流体の温度変化や流速変化にかかわらず、ある測定における測定波（Ｗ１）と直前の測定における反射波（Ｗｎ）との位相差が一定となり、受信波到達タイミングに用いるゼロクロス時点がばらつかなくなり、超音波の伝搬時間を精度よく測定することが可能となる。
【００２５】
前記流量演算処理は、所定時間（２秒）内に測定した順方向および逆方向の各８個の超音波の伝搬時間の平均値をそれぞれ求め、その順方向および逆方向の伝搬時間の各平均値をそれぞれ順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２として、それら順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２の差に基づいて所定時間（２秒）内の流体の流速Ｖを算出し、さらにその流体の流速Ｖに基づいて所定時間（２秒）内の流体の流量Ｑを算出する処理である。
【００２６】
なお、この実施形態では、流体の流速および流量は下式［６］［７］により求めるものとする。
Ｖ＝Ｌ／２×（ｔ２−ｔ１）／（ｔ１×ｔ２）・・・・［６］
Ｖ：流体の流速
Ｌ：測定管の長さ
Ｑ＝Ｖ×Ｓ×ｔ・・・［７］
Ｑ：流体の流速
Ｓ：測定管の断面積
ｔ：所定時間（２秒）
次にこの発明の一実施形態に係る超音波流速測定方法を含む流量測定方法について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下の説明及び図面において「ステップ」を「Ｓ」と略記する。
【００２７】
まず、Ｓ１にて、駆動パルス発生回路（４）から駆動パルス（Ｋ）を発生せしめることにより超音波振動子（２）（３）から超音波を送信し、その送信された超音波を超音波振動子（３）（２）で受信して、受信増幅回路（５）から出力された受信波（Ｗ）に基づいて超音波の伝搬時間を測定する。この伝搬時間測定処理については後で詳述する。
【００２８】
Ｓ２では、Ｓ１の処理で測定した超音波の伝搬時間が変化したか否かを判定し、超音波の伝搬時間が変化した場合は（Ｓ２でＹＥＳ）、Ｓ３で、上式［１］により直前の測定における超音波の伝搬時間ｔ(0)に比例して超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを調整する。超音波の伝搬時間が変化していない場合は（Ｓ２でＮＯ）、そのままＳ４に進む。
【００２９】
Ｓ４では、前記測定間隔Ｉtに基づいて測定時間が到来したか否かを判定し、測定時間が到来した場合は（Ｓ４でＹＥＳ）、Ｓ５に進む一方、測定時間が到来していない場合は（Ｓ４でＮＯ）、測定時間が到来するまでこの判定処理を繰り返す。
【００３０】
Ｓ５では、超音波の伝搬時間を所定時間（２秒）内に８回測定したか否かを判定し、８回測定した場合は（Ｓ５でＹＥＳ）、Ｓ４の流量演算処理に進む一方、未だ８回測定していない場合は（Ｓ５でＮＯ）、Ｓ１に戻り、再び超音波の伝搬時間を測定する。
【００３１】
Ｓ６では、前記流量演算処理は、所定時間（２秒）内に測定した順方向および逆方向の各８個の超音波の伝搬時間の平均値をそれぞれ求め、その順方向および逆方向の伝搬時間の各平均値をそれぞれ順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２として、それら順方向および逆方向の伝搬時間ｔ１、ｔ２の差に基づいて所定時間（２秒）内の流体の流速Ｖを算出し、さらにその流体の流速Ｖに基づいて所定時間（２秒）内の流体の流量Ｑを算出し、リターンする。この流量演算処理については後で詳述する。
【００３２】
図４は、伝搬時間測定処理（図３のＳ１の処理）のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００３３】
まず、Ｓ１１では、制御部（９）が、駆動パルス発生回路（５）から駆動パルス（Ｋ）を発生させて、その駆動パルス（Ｋ）を超音波振動子（２）に印加せしめることにより超音波振動子（２）から超音波を送信せしめる。
【００３４】
Ｓ１２では、前記超音波振動子（２）から送信された超音波を超音波振動子（３）で受信し、受信増幅回路（５）から受信波（Ｗ）を出力する。
【００３５】
Ｓ１３では、制御部（９）が、前記受信増幅回路（５）から出力された受信波（Ｗ）の測定波（Ｗ１）の３波目のゼロクロス時点を受信波到達タイミングと特定し、超音波が送信されてからその受信波到達タイミングまでの時間を超音波の伝搬時間としてクロック波により測定する。
【００３６】
Ｓ１４では、制御部（９）が、上述の測定した超音波の伝搬時間を伝搬時間記憶部（７）に記憶せしめる。
【００３７】
Ｓ１５では、制御部（９）が、逆方向の超音波の伝搬時間を測定したか否かを判定し、逆方向の超音波の伝搬時間を測定していない場合は（Ｓ１５でＮＯ）、Ｓ１６で、駆動パルス発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続されるように切り替えて、下流側から上流側への超音波の逆方向の伝搬時間を測定する。一方、逆方向の超音波の伝搬時間を測定した場合は（Ｓ１５でＹＥＳ）、リターンして次の測定に備える。
【００３８】
図５は、流量演算処理（図３のＳ５の処理）のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００３９】
まず、Ｓ６１では、制御部（９）が、前記伝搬時間記憶部（７）に記憶されている順方向および逆方向の各８個の超音波の伝搬時間の平均値をそれぞれ求め、それら平均値を順方向および逆方向の超音波の伝搬時間ｔ１、ｔ２とする。
【００４０】
Ｓ６２では、それら順方向の超音波の伝搬時間ｔ１と逆方向の超音波の伝搬時間ｔ２の差に基づいて、上式［６］により流体の流速Ｖを求める。
【００４１】
Ｓ６３では、その流体の流速Ｖに基づいて、上式［７］により流体の流量Ｑを求める。
【００４２】
Ｓ６４では、その流体の流量Ｑを前記流量記憶部（８）に積算して、流体の全流量を求め、リターンする。
【００４３】
なお、この実施形態では、超音波の伝搬時間を所定時間ごとに８回繰り返すものとしたが、所定時間ごとに１回としてもよいし、あるいは８回以外の複数回繰り返すものとしてもよい。
【００４４】
また、超音波の伝搬時間の測定間隔は、直前の測定における超音波の伝搬時間ｔ(0)に比例して調整するものとしたが、それよりも前の測定における超音波の伝搬時間に比例して調整するものとしてもよい。
【００４５】
また、超音波の伝搬時間が変化した場合に、超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを調整するものとしたが、流体の温度を直接測定し、その流体の温度が変化した場合に、超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを調整するものとしてもよい。また、流体温度以外の要因（例えば流速）が変化した場合に、超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを調整するものとしてもよい。さらに、上記各変化に関わらず、常時、超音波の伝搬時間の測定間隔Ｉtを調整するものとしてもよい。
【００４６】
また、受信波（Ｗ）の測定波（Ｗ１）の３波目のゼロクロス時点を受信波到達タイミングに用いるものとしたが、それ以外の波のゼロクロス時点や一定時点を受信波到達タイミングに用いるものとしてもよい。
【００４７】
また、超音波の伝搬時間差に、超音波の伝搬時間を制御部（９）のクロック制御単位で割った余りに所定の係数を乗じた値を加えることにより補正するものとしてもよい。
【００４８】
即ち、図７の破線に示すように、制御部（９）のクロックによる制約から超音波の伝搬時間差に誤差が生じることがある。この誤差をできるだけ軽減するたには、クロック制御単位を短くすればよいが、現在のクロック制御単位（４．１７μｓ）より短い制御を行うのは難しい。超音波の伝搬時間差は、ほぼ直線状（ｓｉｎ波の一部と考えられる）であり、かつクロック制御単位（４．１７μｓ）ごとの繰り返しとなるために、上記誤差は超音波の伝搬時間（２．０３５ｎｓ単位）をクロック制御単位（４．１７μｓ）で割った余りに比例すると考えられる。そこで、この余り値に所定の係数を乗じた値を伝搬時間差に加えることにより補正すると、図８に示すように、超音波の伝搬時間差がほぼ一定となる。なお、図７および図８の実線は、流体の温度変化に基づく超音波の伝搬時間を示すものである。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、流体の温度変化や流速変化等により超音波の伝搬時間が変化しても、その変化した超音波の伝搬時間に比例して超音波の伝搬時間の測定間隔を調整するので、測定波に対する前の測定における反射波の干渉を無くす又は一定にすることができる。このため、流体の温度変化や流速変化にかかわらず、測定波と前の測定における反射波の位相差が一定となり、受信波到達タイミングに用いるゼロクロス時点がばらつかなくなり、超音波の伝搬時間を精度よく測定することが可能となる。
【００５０】
請求項２に係る発明によれば、超音波の伝搬時間の測定間隔を直前の測定における超音波の伝搬時間に比例して調整するので、測定波に対する前の測定における反射波の干渉をより確実に無くすあるいは一定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を実施するための流量測定装置の一例を示すブロック図である。
【図２】駆動パルスと受信波の相対関係を示す図である。
【図３】図１の流量測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】図３の伝搬時間測定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図３の流量演算処理のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】補正前の超音波の伝搬時間差と温度との関係を示す図である。
【図７】補正後の超音波の伝搬時間差と温度との関係を示す図である。
【図８】従来の流量測定装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・流速測定管
２、３・・・超音波振動子
４・・・駆動パルス発生回路
５・・・受信増幅回路
６・・・切替回路
７・・・伝搬時間記憶部
８・・・流量記憶部
９・・・制御部
【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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【図８】
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