(57)【要約】【課題】流速分布が変化しても精度の高い計測を行うことができる超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波を送信し、流体の流路７３中に超音波が伝播する経路を形成するよう配置される第１の超音波振動子７１と、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、第１の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含み、第１の超音波振動子７１から送信される超音波を受信するように配置される第２の超音波振動子７２と、共通電極と複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部７５と、信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部７６とを備え、加算部７６で得られた信号に基づいて流路を移動する流体の流量を計測する超音波流量計。【選択図】  図３
2005003498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信し、流体の流路中に前記超音波が伝播する経路を形成するよう配置される第１の超音波振動子と、
対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含み、前記第１の超音波振動子から送信される超音波を受信するように配置される第２の超音波振動子と、
前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、
前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部と、
を備え、前記加算部で得られた信号に基づいて流路を移動する流体の流量を計測する超音波流量計。
【請求項２】
前記複数の分割電極は、前記第１の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられている請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅部を含む請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅部を含み、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなっている請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記複数の増幅部は、オートゲインコントロールを備える請求項３または４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号のうち少なくとも１つを減衰させる減衰部を含む請求項１または２に記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号を異なる減衰率で減衰させる少なくとも２つの減衰部を含み、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなっている請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記加算部で得られた信号を増幅する増幅部をさらに備える請求項６または７に記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記超音波の伝播経路における前記超音波の伝播方向と直交する方向の流路の最大幅は、その方向における前記第１または第２の超音波振動子の送受波面の幅より小さいかまたはほぼ等しくなっている請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記信号強度変換部は、前記複数の分割電極の単位面積あたりの受信信号の強度が互いに等しくなるよう前記複数の受信信号を増幅または減衰する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項１１】
対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子をそれぞれ含む第１および第２の超音波振動子と、
前記第１または第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、
前記第１または第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動電圧を印加する送信部と、
前記第１の超音波振動子および前記第２の超音波振動子を前記信号強度変換部および前記送信部と選択的に接続する切り替え部と、
前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部と、
を備え、
前記第１および第２の超音波振動子間で超音波が双方向に伝播する経路を流体の流路中に形成するように配置し、前記加算部で得られた信号に基づいて超音波の双方向の伝播時間を求め、前記伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を求める超音波流量計。
【請求項１２】
前記送信部は、前記第１または第２の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間に駆動信号を印加する請求項１１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、
を備えたガスメータ。
【請求項１４】
第１の超音波振動子と、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含む第２の超音波振動子とを用いて流体の流量を計測する超音波流量計の制御方法であって、
流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第１の超音波振動子から第２の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ（Ａ）と、
前記第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ（Ｂ）と、
前記複数の受信信号を加算するステップ（Ｃ）と、
前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ（Ｄ）と、
を包含する超音波流量計の制御方法。
【請求項１５】
前記複数の分割電極は、前記第１の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられており、
前記ステップ（Ｂ）において、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなるよう、前記複数の信号を増幅する請求項１４に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項１６】
前記複数の分割電極は、前記第１の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられており、
前記ステップ（Ｂ）において、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなるよう、前記複数の受信信号を減衰させる請求項１４に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項１７】
前記ステップ（Ｂ）において、前記複数の分割電極の単位面積あたりの受信信号の強度が互いに等しくなるよう前記複数の受信信号を増幅または減衰する請求項１４に記載の超音波流量計の制御方法。
【請求項１８】
対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子をそれぞれ含む第１および第２の超音波振動子を用いて流体の流量を計測する超音波流量計の制御方法であって、
前記第１または第２の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動信号を印加することにより、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第１または第２の超音波振動子から第２または第１の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ（Ａ）と、
前記第２または第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ（Ｂ）と、
前記複数の受信信号を加算するステップ（Ｃ）と、
前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ（Ｄ）と、
を包含する超音波流量計の制御方法。
【請求項１９】
請求項１４から１８のいずれかの超音波流量計の制御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ガスメータに関する。
【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１５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１５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１５に示すように、流体が流れる流路１３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１５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】
図１６は、超音波振動子１、２に用いられる超音波振動子２０の構造を模式的に示している。超音波振動子２０は、圧電素子２１およびケース２５を含み、圧電素子２１はケース２５内に収納されている。ケース２５内には不活性ガスが封止されている。圧電素子２１は第１および第２の主面を有する圧電体２６とだい１および第２の主面全体にそれぞれ設けられた一対の電極２２、２３を有する。電極２２、２３には配線２７、２８がそれぞれ接続されており、ケース２５の外部へ引き出されている。圧電素子２１は電極２２がケース２５の内側面に接触するようにケース２５の面２５ａに取り付けられている。
【０００５】
配線２７、２８および電極２２、２３を介して圧電体２６に電圧を印加することにより、圧電体２６が超音波領域の波長で振動し、ケース２５を介して超音波が出射する。また、ケース２５の面２５ａが超音波を受けると、圧電体２６が振動し、振動に応じた起電力が、電極２２、２３の間に生じる。
【０００６】
面２５ａと流体との間で効率よく超音波の伝達が行えるよう、一層もしくは二層以上の複合層からなる音響整合層２４を設けられていることもある。
【０００７】
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１３の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００８】
こ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。
【０００９】
図１５に示すように、超音波流量計は送信部３および受信部４を備え、超音波振動子１は切り替え部５によって送信部３または受信部４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４の他方と接続される。
【００１０】
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４によって増幅される。
【００１１】
図１７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６は、受信信号３０からピークホールド信号３１を生成する。レベル検知部７は、ピークホールド信号３１が所定のレベル３２に達したことを検知し、検知信号３３を生成する。ゼロクロス検知部８は、検知信号３３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３４を生成する。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刻としている。ゼロクロス検知信号３４に基づいて、遅延部９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１０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３４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。
【００１２】
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。
【００１３】
計時部１１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１２へ送られる。次に、切り替え部５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。
【００１４】
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。
【００１５】
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１５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。
【００１６】
【数１】
2005003498.tif 000003
【００１７】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１８】
【数２】
2005003498.tif 000004
【００１９】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１３における流体の進行方向に垂直な断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００２０】
流体の流れが理想的である場合、上述した方法により、流体の流量を正しく求めることができる。しかし、実際の流量計測において、流体は粘性を有するため、流体の壁面近傍では流速が小さくなり、流路を流れる流体の流速は流路１３の断面において一定ではなくなる。
【００２１】
図１８は、超音波振動子１および超音波振動子２間を伝播する超音波の伝播方向（以下超音波伝播方向と呼ぶ）および流体の移動方向（以下、流体移動方向と呼ぶ）に対して平行な面（ｙ−ｚ面）における流路１３を流れる流体の速度分布を模式的に示している。流路１３に一様の速度で流体３５が流入する場合、流路１３の壁面において流体３５の速度はゼロとなるが、壁面から離れると、速度は著しく大きくなる。このため、速度勾配の非常に大きな境界層と呼ばれる領域が壁面に沿って形成される。流入直後では、境界層は壁面近傍にのみ存在するため、流体は矢印で表される速度分布３６を持つ。境界層は流体の移動に伴って流路１３の中心に向かって発達する。境界層が流路１３の中心まで達すると、流体は矢印３７で示される速度分布を持ち、速度分布３７は一定となる。流体の速度分布が一定となるまでの距離は助走距離と呼ばれ、流体の速度分布が安定した位置において超音波振動子１および２の伝播経路が形成されるよう、超音波振動子１および２は配置される。
【００２２】
このとき、図１８に示すように、超音波の伝播経路は流路１３の全体を横切る。このため、超音波振動子１および２によって計測される流速は、矢印で表される速度分布３７の平均の値となり、流体の速度分布の全体を反映し、ほぼ正確な流速が求めることができる。
【００２３】
図１８の矢印で示される速度分布３７は、図１９（ａ）に示すように、流体移動方向に平行であり、図１８に示す面と直行する面（ｘ−ｙ面）においても同様に生じている。図に示すように超音波伝播方向と直交する方向（ｘ方向）において、超音波の伝播路の幅Ｌ１より流路１３の幅Ｌ２のほうが大きい場合、計測のための超音波が伝播しない領域１３ａが生じる。つまり、領域１３ａを流れる流体は流量の計測に寄与しない。このような場合には、速度分布３７を仮定し、速度分布３７に基づいて、計測により求められる流速から領域１３ａの流速を推定して、流路１３を移動する流体の流量を求める。具体的には、計測値と実際の流量とを整合させるための補正係数を導入し、計測値に補正係数をかけ合わせたものを用いて流量を求める。
【００２４】
補正係数は、速度分布３７に依存する。このため、流量によって速度分布３７が変化する場合には、流量ごとに補正係数を求めておく必要がある。また、補正係数は流路１３の形状に依存するため、器差をなくすために、流路１３ごとに補正係数を用意する必要がある。
【００２５】
このような問題を解決するため、特許文献１は、図１９（ｂ）に示すように、超音波伝播方向と直交する方向（ｘ方向）において、超音波の伝播路の幅Ｌ１を流路１３の幅Ｌ２と等しくした流路１３’を用いることを開示している。この流路１３’はｘ方向の幅がｚ方向の幅に比べて小さくなった扁平形状を備える。流路１３’によれば、超音波振動子１および２の間に形成される超音波の伝播経路はｚ−ｙ平面においてもｘ−ｙ平面においても流路１３を完全に横切るため、流体に流速分布がある場合でも、流速分布の全体を反映した計測が可能となる。このため、流速分布が変化しても、正しく流量を求めることが可能となる。また助走期間を短くすることができ、また、超音波流量計の外形を小さくすることが可能となる。
【００２６】
【特許文献１】
特開平８−２３３６２８号公報
【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
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に示す流路１３’を用いても、なお、超音波流量計により計測した流量と実際に流路１３’を移動する流体の流量は完全には一致しない。本願発明者の検討によれば、超音波振動子１、２の送受波面における受信感度はその位置により変化し、送受波面の周辺部に比べて中心部における受信感度が高くなっている。図１９（ｂ）に示すように、流速分布３７をもつ流体が流れる場合、中央付近の流速３７ａを持つ部分が、壁面に近い流速３７ｂの流速を持つ部分に比べて高い感度で計測される。このため、超音波の伝播経路が流路１３を完全に横切っていても流速分布３７の真の平均流速を求めることができず、計測誤差が生じでしまう。
【００２８】
本発明はこのような従来の超音波流量計の問題を解決し、精度の高い計測を行うことができる超音波流量計およびガスメータを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような超音波流量計を制御する方法を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、超音波を送信し、流体の流路中に前記超音波が伝播する経路を形成するよう配置される第１の超音波振動子と、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含み、前記第１の超音波振動子から送信される超音波を受信するように配置される第２の超音波振動子と、前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部とを備え、前記加算部で得られた信号に基づいて流路を移動する流体の流量を計測する。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記複数の分割電極は、前記第１の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられている。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅部を含む。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号をそれぞれ異なる増幅率で増幅する複数の増幅部を含み、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなっている。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記複数の増幅部は、オートゲインコントロールを備える。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号のうち少なくとも１つを減衰させる減衰部を含む。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の受信信号を異なる減衰率で減衰させる少なくとも２つの減衰部を含み、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなっている。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記加算部で得られた信号を増幅する増幅部をさらに備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記超音波の伝播経路における前記超音波の伝播方向と直交する方向の流路の最大幅は、その方向における前記第１または第２の超音波振動子の送受波面の幅より小さいかまたはほぼ等しくなっている。
【００３８】
ある好ましい実施形態において、前記信号強度変換部は、前記複数の分割電極の単位面積あたりの受信信号の強度が互いに等しくなるよう前記複数の受信信号を増幅または減衰する。
【００３９】
また、本発明の超音波流量計は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子をそれぞれ含む第１および第２の超音波振動子と、前記第１または第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信した複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させる信号強度変換部と、前記第１または第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動電圧を印加する送信部と、前記第１の超音波振動子および前記第２の超音波振動子を前記信号強度変換部および前記送信部と選択的に接続する切り替え部と、前記信号強度変換部により変換された複数の受信信号を加算する加算部とを備え、前記第１および第２の超音波振動子間で超音波が双方向に伝播する経路を流体の流路中に形成するように配置し、前記加算部で得られた信号に基づいて超音波の双方向の伝播時間を求め、前記伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を求める。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記第１または第２の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間に駆動信号を印加する。
【００４１】
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を備える。
【００４２】
本発明の超音波流量計の制御方法は、第１の超音波振動子と、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面にそれぞれ設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子を含む第２の超音波振動子とを用いて流体の流量を計測する、超音波流量計の制御方法であって、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第１の超音波振動子から第２の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ（Ａ）と、前記第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ（Ｂ）と、前記複数の受信信号を加算するステップ（Ｃ）と、前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ（Ｄ）とを包含する。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記複数の分割電極は、前記第１の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられており、前記ステップ（Ｂ）において、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率が大きくなるよう、前記複数の信号を増幅する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記複数の分割電極は、前記第１の主面の中心からの距離に対応して規定される複数の領域にそれぞれ設けられており、前記ステップ（Ｂ）において、前記分割電極の位置が前記第１の主面の中心から離れるにつれて、前記分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率が小さくなるよう、前記複数の受信信号を減衰させる。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｂ）において、前記複数の分割電極の単位面積あたりの受信信号の強度が互いに等しくなるよう前記複数の受信信号を増幅または減衰する。
【００４６】
また本発明の超音波流量計の制御方法は、対向する第１および第２の主面を有する圧電体、前記第１の主面に設けられた複数の分割電極、ならびに、前記第２の主面に設けられた共通電極を有する圧電素子をそれぞれ含む第１および第２の超音波振動子を用いて流体の流量を計測する超音波流量計の制御方法であって、前記第１または第２の超音波振動子の前記圧電体に均一な駆動電圧が印加されるよう、前記共通電極と前記複数の分割電極との間にそれぞれ駆動信号を印加することにより、流体の流路中に超音波が伝播する経路を形成するよう第１または第２の超音波振動子から第２または第１の超音波振動子に向けて超音波を送信するステップ（Ａ）と、前記第２または第２の超音波振動子の前記共通電極と前記複数の分割電極とによってそれぞれ受信される複数の受信信号を異なる割合で増幅または減衰させるステップ（Ｂ）と、前記複数の受信信号を加算するステップ（Ｃ）と、前記加算により得られた信号に基づいて前記流路を移動する流体の流量を求めるステップ（Ｄ）とを包含する。
【００４７】
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流量計の制御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。
【００４８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、図１および図２を参照しながら、本発明による超音波流量計の第１の実施形態で用いる超音波振動子４１を説明する。超音波振動子４１は、圧電素子４２と圧電素子４２を収納するケース４３を含む。図２に示すように、圧電素子４２は、対向する第１の主面４４ａおよび第２の主面４４ｂを備えた圧電体４４と、共通電極４５と、分割電極４６、４７、４８とを有する。本実施形態では、第１の主面４４ａおよび第２の主面４４ｂはたとえば、円形を有しており、共通電極４５は、第２の主面４４ｂのほぼ全体を覆うように形成されている。一方、分割電極４６、４７、４８は、第１の主面の中心４４ｃからの距離に応じて確定された３つの領域にそれぞれ形成されている。具体的には、分割電極４６は３つの分割電極４６、４７、４８のうち、最も中心に近い領域に形成されており、分割電極４８は最も外周側に形成されている。図２に示すように本実施形態では、分割電極４６は円形を有し、分割電極４７、４８はリング状に形成されている。これらの分割電極の中心は中心４４ｃと一致する。
【００４９】
図１に示すように、圧電素子４２は、共通電極４５がケース４３の面４３ａの内側に接触するようにケース４３に収納されており、ケース４３が作る空間４３ｃは封止されている。共通電極４５および分割電極４６、４７、４８には配線４９、５０、５１、５２が接続され、ケース４３の外部へ引き出されている。空間４３ｃには窒素などの不活性ガスが充填されている。
【００５０】
面４３ａを介して流体と圧電素子４２との間で効率よく超音波の伝達が行えるよう、一層もしくは二層以上の複合層からなる音響整合層５３を面４３ａの外側に設けてもよい。また、ケース４３が導電性を備えている場合には、共通電極４５を省略し、圧電体４４の第２の主面４４ｂを直接ケース４３の面４３ａに接合し、ケース４３に配線４９を接続してもよい。
【００５１】
以下において詳述するように、圧電素子４２において、第２の主面４４ｂに形成される電極は３つの分割電極４６、４７、４８に分割されている。これは、超音波振動子４１を用いて超音波を受信する際、超音波を受ける領域を複数に分割し、分割した領域ごとに受信した信号の増幅率を異ならせるためである。一方、超音波振動子４１を用いて超音波を送信する場合には、圧電体４４に均一な駆動電圧が印加されるよう共通電極４５と分割電極４６、４７、４８との間に駆動信号を印加する。これにより、圧電体４４の形状で定まる振動モードで圧電素子４２を振動させることができる。
【００５２】
次に、本発明による超音波流量計の第１の実施形態の構造を説明する。図３は流路７３に設けられた超音波流量計６１の構成を示すブロック図である。図４は、流路７３近傍の断面を拡大して示している。超音波流量計６１は、流体の流路７３中に超音波が双方向に伝搬する経路を形成するように配置される第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２を備えている。第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２はそれぞれの送受波面が互いに平行となり、送受波面の中心が同一線上に位置するよう配置されている。
【００５３】
第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２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７１から送信された超音波は第２の超音波振動子６２により受信され、第２の超音波振動子７２から送信された超音波は第１の超音波振動子７１により受信する。これら双方向の伝搬路は、流路７３を流れる流体の流れる方向３５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。
【００５４】
図４に示すように、超音波の伝播経路における前記超音波の伝播方向と直交する方向（ｘ方向）の流路の最大幅Ｌ２は、その方向における前記第１または第２の超音波振動子の送受波面の幅Ｌ１より小さいかまたはほぼ等しくなっている。このため、超音波の伝播経路はｚ−ｙ平面においてもｘ−ｙ平面においても流路７３を完全に横切る。
【００５５】
第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２には、図１および図２に示した超音波振動子４１を用いる。たとえば、第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２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る。測定すべき流体の状態や種類、また予想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、たとえば、厚み振動モードで振動し、５００ｋＨｚの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。
【００５６】
超音波流量計６１は、切り替え部７４、送信部３、信号強度変換部７５、および加算部７６をさらに備える。切り替え部７４は、送信部３および信号強度変換部７５を選択的に第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２に接続する。送信部３と第１の超音波振動子７１とが接続される場合には、信号強度変換部７５と第２の超音波振動子７２とが接続され、送信部３と第２の超音波振動子７２とが接続される場合には、信号強度変換部７５と第１の超音波振動子７１とが接続される。
【００５７】
送信部３は、第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２の３つの分割電極４６、４７、４８へそれぞれ独立した信号を印加することができるよう、３本の配線により切り替え部７４と接続される。信号強度変換部７５も３つの分割電極４６、４７、４８からそれぞれ独立した信号を受け取ることができるよう、３本の配線により切り替え部７４と接続される。送信部３から分割電極４６、４７、４８に印加される駆動信号は、圧電体４４に印加される駆動電圧が均一になるよう設定されている。
【００５８】
切り替え部７４が、送信部３と第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２の分割電極４６、４７、４８のそれぞれと共通に接続するように構成されている場合には、送信部３と切り替え部７４とは１本の配線により接続されていてもよい。この場合には、送信部３から出力される駆動信号が、分割電極４６、４７、４８に共通に印加される。
【００５９】
信号強度変換部７５は、第１の増幅部７５ａ、第２の増幅部７５ｂおよび第３の増幅部７５ｃを含み、切り替え部７４を介して、第１の増幅部７５ａ、第２の増幅部７５ｂおよび第３の増幅部７５ｃは、分割電極４６、４７、４８にそれぞれ接続される。第１の増幅部７５ａ、第２の増幅部７５ｂおよび第３の増幅部７５ｃは、分割電極４６、４７、４８と共通電極４５とによってそれぞれ受信した受信信号を異なる割合で増幅する。具体的には、第３の増幅部７５ｃの増幅率が一番大きく、第１の増幅部７５ａが一番小さくなっている。第２の増幅部７５ｂの増幅率は、第３の増幅部７５ｃの増幅率と第１の増幅部５３ａの増幅率との間の値になっている。つまり、分割電極の位置が第１の主面の中心から離れるにつれて分割電極から得られる受信信号を増幅する増幅率は大きくなっている。増幅率の具体的な設定値については以下において詳述する。第１の増幅部７５ａ、第２の増幅部７５ｂおよび第３の増幅部７５ｃにおいて増幅された受信信号は加算部７６において加算される。
【００６０】
超音波流量計６１は、加算部７６で得られた受信信号に基づいて流体の流量を求める。たとえば、従来と同様、受信信号をゼロクロス検知法により検知し、シングアラウンド法によって超音波の伝播時間を累積することによって計測精度を向上させて超音波の伝播時間を計測する。具体的には、超音波流量計６１は、ピークホールド部６、レベル検知部７、ゼロクロス検知部８、遅延部９、繰り返し部１０、計時部１１、および流量算出部１２をさらに備える。図１７を参照して説明すると、加算部７６によって加算された受信信号３０は、ゼロクロス検知部８とピークホールド部６とへ送られる。ピークホールド部６は、受信信号３０のピーク値を保持しその値をピークホールド信号３１として出力を生成する。レベル検知部７は、ピークホールド信号３１が所定のレベル３２に達したことを検知し、ゼロクロス指令信号３３を生成する。ゼロクロス検知部７は、ゼロクロス指令信号３３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３４を遅延部９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３４はピークホールド部６にも入力される。ピークホールド部６は、ゼロクロス検知信号に基づいてピークホールド信号３１をリセットする。
【００６１】
遅延部９は、ゼロクロス検知信号３４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１０は、遅延部９の出力信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部９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７１または第２の超音波振動子７２を駆動する。
【００６２】
計時部１１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１２へ送る。流量算出部１２は、計時部１１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。
【００６３】
上述の各部は、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。超音波流量計６１は、これら各部を制御するマイコン７７を備えている。
【００６４】
次に、信号強度変換部７５の各増幅部における増幅率について説明する。
【００６５】
図５は、超音波流量計６１の第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２間に形成される超音波の伝播経路付近における流体の流速分布と、超音波の信号強度分布を模式的に示している。図５に示すように、流路７３を流れる流体のｘ−ｙ平面における流量の分布は矢印３７で示すようになっており、流路７３を構成する壁面近傍３７ａ、３７ｃの流速は中央近傍３７ｂに比べて小さくなっている。
【００６６】
一方、一般に超音波が圧電素子から送信される場合、送信位置に近い近距離音場では、その信号は周波数に依存する複雑な強度分布を示すが、所定距離を伝播すると、強度分布が一定となる。流体の流量を測定する場合には、誤差が少なく、安定して計測を行うことができるように、伝播する超音波の強度分布が一定となる距離を隔てて超音波の送受信が行われる。たとえば第１の超音波振動子７１から送信した超音波が第２の超音波振動子７２に到達する際には、図５中、Ｉで示される強度分布を持つ。このため、第２の超音波振動子７２が受信する超音波のうち、流体３７の流速が大きい中央部近傍３７ｃを通過した成分は信号強度が強く、流体３７の流速が小さい壁面近傍３７ａおよび３７ｂを通過した成分は信号強度が弱い。このような受信信号を超音波の信号強度Ｉを考慮せずに増幅した場合、相対的に信号強度が強い流体３７の流速が大きい中央部近傍３７ｃの影響がより大きくなり、相対的に信号強度が弱い流体３７の流速が小さい壁面近傍３７ａ、３７ｂの影響がより小さくなる。つまり、流体３７の流速が大きい中央部近傍３７ｃの影響を過大に評価することとなり、平均の流量あるいは流路７３を移動する流量が真の値よりも大きくなってしまう。
【００６７】
超音波流量計６１はこの問題を解決するため、受信した超音波信号の強度分布を補正するように受信信号を増幅する。図６は、第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２の圧電振動子の半径方向の位置に対する、受信信号の強度、信号強度変換部７３の各増幅部の増幅率および増幅後の受信信号の強度を示している。図６において、横軸は、圧電振動子の第１の主面の一端から半径方向における距離を示している。第１の主面の中心４４ｃは横軸の中央に位置している。図に示すように、横軸中央付近に分割電極４６が形成されて領域が位置し、分割電極４６の外側に分割電極４７および分割電極４８が形成された領域がそれぞれ位置する。
【００６８】
図６の上部に示すように、受信する超音波の信号は第１の主面の中心４４ｃを通り第１の主面に対して垂直な線に対して回転対称となる強度分布を持つのに対して、分割電極４６、４７、４８は、第１の主面の中心４４ｃを中心として同心円状に配置されている。このため、各分割電極で受ける超音波の信号の強度分布は全体を１つの電極で受信する場合に比べて小さくなっている。
【００６９】
各分割電極で受信した信号を増幅する場合の増幅率は、図６の中央部に示すように設定する。具体的には、受信信号の信号強度がもっとも強い成分を受ける分割電極４６による受信信号を増幅する増幅率ａ１を小さくし、受信信号の信号強度がもっとも弱い成分を受ける分割電極４８による受信信号を増幅する増幅率ａ３を大きくする。分割電極４７による受信信号を増幅する増幅率はａ１とａ３の間の値に設定する。
【００７０】
このように、１つの電極で受ける受信信号の信号強度の分布を小さくし、電極ごとに増幅率を変化させることによって、図６の下部に示すように、増幅後の受信信号の強度分布は増幅前に比べて小さくなる。増幅前の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれＩｍａｘおよびＩｍｉｎとし、増幅後の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれＩ’ｍａｘおよびＩ’ｍｉｎとした場合、少なくともＩｍａｘ／Ｉｍｉｎ＞Ｉ’ｍａｘ／Ｉ’ｍｉｎであり、好ましくは、１≦Ｉ’ｍａｘ／Ｉ’ｍｉｎ≦２を満たすことが好ましい。より好ましくは、図６の下部において、破線で示すように各分割電極による受信信号の平均の信号強度がおおよそ一致するよう、増幅率ａ１、ａ２、ａ３が定められている。受信信号の強度分布は送信部３から出力する駆動信号が一定である限り、ほとんど変化しないため、一度、増幅率ａ１、ａ２、ａ３を決定すれば、測定ごとにこれらの値を調整する必要はない。しかし、超音波流量計７１を設置する環境（温度など）が大きく変化し、受信信号の強度分布に変化が生じる場合には、第１の増幅部７５ａ、第２の増幅部７５ｂおよび第３の増幅部７５ｃにそれぞれオートゲインコントロールを設け、増幅後の受信信号が上述の関係を満たすように増幅率ａ１、ａ２、ａ３を自動調整してもよい。
【００７１】
このように、受信した超音波の信号強度の分布が小さくなるよう信号強度変換部７５における各増幅部の増幅率を分割電極ごとに異ならせることにより、流体中の流速が遅い部分の流速を正しく評価することができる。このため、流路７３を移動する流体に速度分布が生じている場合や、速度分布が流量によって変化する場合でも、速度分布を反映した正確な平均の流速を求めることが可能となる。
【００７２】
本実施形態で用いる第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２の圧電素子は３つの分割電極を備えているが、図６の上部に示すように、受信する超音波信号の強度分布が大きい場合には、３つ以上に分割された電極を用いて信号を検出し、それぞれ異なる増幅率で信号を増幅してもよい。
【００７３】
各増幅部において異なる増幅率で増幅された信号は加算部７６において加算される。加算部７６から出力される受信信号は、従来の超音波流量計における受信信号と同様に扱うことができる。
【００７４】
次に、超音波流量計６１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７７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ログラムが、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。
【００７５】
図３に示すように、切り替え部７４を用いて、送信部３を第１の超音波振動子７１へ接続し、信号強度変換部３５を第２の超音波振動子７２に接続する。
【００７６】
図７に示すように、トリガ信号７８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７１から超音波を発生させる。このとき、第１の超音波振動子７１の圧電体全体に均一な電圧が印加されるよう分割電極４６、４７、４８に印加する駆動信号が設定される。上述したように、分割電極４６、４７、４８が共通に送信部３と接続されるようにしてもよい。
【００７７】
流路７３を横切って第２の超音波振動子７２に到達した超音波は、共通電極４５と分割電極４６、４７、４８とを用いてそれぞれ受信され、信号強度変換部７５によって上述したように分割電極ごとに異なる増幅率で増幅される。信号強度変換部７５から出力される増幅された各受信信号は、加算部７６によって加算され、図７に示す受信信号７９となる。
【００７８】
加算部７６の出力である受信信号７９は、ピークホールド部６およびゼロクロス検知部８へ入力され、受信信号７９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８で検知される。遅延部９は、ゼロクロス検知部８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８０を経た後に、送信部３へトリガ信号７８’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１１は、ループを繰り返すのに要した全時間８１を計測し、測定結果を流量算出部１２へ送る。流量算出部において、全時間８１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間８０を引いた値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００７９】
次に、切り替え部７４を用いて、送信部３を第２の超音波振動子７２へ接続し、信号強度変換部７５を第１の超音波振動子７１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７２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子７１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１１では、ループを繰り返すのに要した全時間８１を計測し、測定結果を流量算出部１２へ送る。流量算出部において、全時間８１をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間８０を引いた値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００８０】
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７３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。
【００８１】
このように本実施形態によれば、受信側超音波振動子の圧電振動子の電極を分割し、到達する超音波信号のうち信号強度が弱くなる部分に対応する電極によって検出される信号をより大きな増幅度で増幅する。このため、受信信号の強度分布が小さくなるよう補償して受信信号を増幅することができ、流体に流速分布が生じている場合でも、分布が生じている流速のいずれの成分の寄与も正しく評価した真の平均流速を求めることが可能となる。したがって、流体の流速分布がある場合でも、正確に流量を計測できる超音波流量計が実現する。
【００８２】
また、本実施形態の超音波流量計によれば、流体に流速分布があっても、真の平均流速を求めることができるため、流量を補正するための流量係数を用いる必要がなく、さらに、流量の変動により、流速分布が変化しても、流量係数を用いることなく正確な平均流速および流量を求めることができる。
【００８３】
（第２の実施形態）
本発明による超音波流量計の第２の実施形態の構造を説明する。図８は流路７３に設けられた超音波流量計６２の構成を示すブロック図である。図８において第１の実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。超音波流量計６２は、第１の実施形態の信号強度変換部７５に換えて信号強度変換部８２を備え、信号強度変換部８２によって強度が変換された各受信信号を加算部７６で加算した後、増幅部８３において加算された受信信号を増幅する点で、第１の実施形態の超音波流量計６１とは異なる。
【００８４】
図８に示すように、信号強度変換部８２は、第１の減衰部８２ａおよび第２の減衰部８２ｂを含む。切り替え部７２によって信号強度変換部８２が受信側の超音波振動子として用いられる第１の超音波振動子７１または第２の超音波振動子７２と接続された場合、第１の減衰部８２ａおよび第２の減衰部８２ｂは図１および図２に示す圧電素子４１の分割電極４６および分割電極４７とそれぞれ電気的に接続される。第１の減衰部８２ａおよび第２の減衰部８２ｂは、分割電極４６、４７と共通電極４５とによってそれぞれ受信した受信信号を異なる割合で減衰させる。具体的には、第１の減衰部８２ａの減衰率は第２の減衰部８２ｂの減衰率より大きくなっている。分割電極４８と共通電極４５とによって受信した受信信号は減衰されることなく加算部７６へ入力される。このため、分割電極の位置が第１の主面の中心から離れるにつれて分割電極から得られる受信信号を減衰させる減衰率は小さくなっている。
【００８５】
信号強度変換部８２は、受信した超音波信号の強度分布を補正するように受信信号を減衰させる。図９は、第１の実施形態と同様、第１の超音波振動子７１および第２の超音波振動子７２の圧電振動子の半径方向の位置に対する、受信信号の強度、信号強度変換部７３の各増幅部の増幅率および増幅後の受信信号の強度を示している。
【００８６】
図９の上部に示すように、受信する超音波の信号強度が分布している場合、図９の中央部に示すように、分割電極によって受信信号を減衰させる減衰部の減衰率を変化させる。受信信号の信号強度がもっとも強い成分を受ける分割電極４６による受信信号を減衰させる減衰率ｄ１を大きくし、次に受信信号の信号強度が強い部分を受ける分割電極４７による受信信号を減衰させる減衰率ｄ２を小さくする。受信信号の信号強度がもっとも弱い部分を受ける分割電極４８による受信信号は減衰させない。
【００８７】
このように減衰率を変化させることによって、図９の下部に示すように、減衰後の受信信号の強度分布は減衰前に比べて小さくなる。第１の実施形態と同様、減衰前の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれＩｍａｘおよびＩｍｉｎとし、減衰後の受信信号の最大および最小の強度をそれぞれＩ’ｍａｘおよびＩ’ｍｉｎとした場合、少なくともＩｍａｘ／Ｉｍｉｎ＞Ｉ’ｍａｘ／Ｉ’ｍｉｎであり、好ましくは、１≦Ｉ’ｍａｘ／Ｉ’ｍｉｎ≦２を満たすことが好ましい。より好ましくは、図９の下部において、破線で示すように各分割電極による受信信号の平均の信号強度がおおよそ一致するよう、減衰率ｄ１、ｄ２が定められている。受信信号の強度分布は送信部３から出力する駆動信号が一定である限り、ほとんど変化しないため、一度、減衰率ｄ１、ｄ２、ａ３を決定すれば、測定ごとにこれらの値を調整する必要はない。しかし、第１の実施形態で説明したように、第１の減衰部８２ａおよび第２の増幅部８２ｂにそれぞれオートアッテネートコントロールを設け、減衰後の受信信号が上述の関係を満たすように減衰率ｄ１、ｄ２、を自動調整してもよい。
【００８８】
信号強度変換部８２によって強度が変換された各受信信号を加算部７６で加算した後、増幅部８３において加算された受信信号は、第１の実施形態と同様にしてゼロクロス検知部８により検知され、流速が求められる。
【００８９】
本実施形態によれば、受信側超音波振動子の圧電振動子の電極を分割し、到達する超音波信号のうち信号強度が大きくなる部分に対応する電極によって検出される信号をより大きな減衰率でいったん減衰させる。その後、分割した電極によりそれぞれ受信された信号を加算することにより、信号強度の分布が小さくなるよう信号の強度分布が補償された受信信号が得られる。この受信信号を増幅して、超音波の伝播時間を求めることにより、受信信号を増幅することができ、流体に流速分布が生じている場合でも、分布が生じている流速のいずれの成分の寄与も正しく評価した真の平均流速を求めることが可能となる。したがって、流体の流速分布がある場合でも、正確に流量を計測できる超音波流量計が実現する。
（第５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。
【００９０】
図１０は、配管９０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ６３のブロック図を示している。配管９０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。
【００９１】
ガスメータ６３は、配管９０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計９１と、緊急時に配管９０を流れるガスを遮断する遮断弁９２と、超音波流量計９１および遮断弁９２を制御するマイコン９３と、超音波流量計６３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９４とを備える。超音波流量計９１には、第１および第２の実施形態の超音波流量計を用いることができる。マイコン９３は超音波流量計９１のマイコン（図３等のマイコン７７）を用いてもよい。図に示すように、ガスメータ６３は、ガス会社などへ計測した流量に関するデータを送信したり、ガス会社からガスメータ６３を制御するための通信ユニット９５を備えていてもよい。
【００９２】
マイコン９３は超音波流量計６３によって計測される流量に関するデータを表示部９４に表示するとともに、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９２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【００９３】
第１のおよび第２の実施形態で説明したように超音波流量計６３は、流体に流速分布が生じている場合でも、分布が生じている流速のいずれの成分の寄与も正しく評価した真の平均流速を求めることができる。このため、ガスメータ６３によれば、気温の変化等によって配管９０を流れるガスの流速分布が大きく変化することがあっても、高い精度で流量を計測することが可能である。
【００９４】
本発明は上記各実施形態で説明した超音波流量計およびガスメータに限定されるものではなく、各実施形態で説明した超音波流量計およびガスメータに種々の改変を加えてもよい。具体的には上記各実施形態で用いる超音波振動子の圧電素子は円柱状の圧電体と同心円により分割される分割電極を備えていたが圧電素子は他の構造を備えていてもよい。たとえば図１１に示す圧電素子１４２は、正方形の共通電極１４５と、圧電体１４４と、分割電極１４６、１４７とを備える。圧電体１４４は、複数の溝１４４ｅおよび溝１４４ｄによって分割され、マトリクス状に配置された複数の圧電部１４４ａを含む。各圧電部１４４ａの第１の主面１４４ａ側に分割電極１４４、１４７が設けられ、第２の主面１４４ｂ側には共通電極１４５が設けられている。溝１４４ｅおよび溝１４４ｄの位置および数は圧電体１４４の振動モード、不要な振動モードの影響、取り扱いの容易性などを考慮して決定される。
【００９５】
分割電極１４６は中央の４つの圧電部１４４ａの第１の主面１４４ａを覆うように設けられ、分割電極１４７は、その周囲に設けられた圧電部１４４ａの第１の主面１４４ａを覆うように設けられている。
【００９６】
圧電素子１４２を有する超音波振動子を用いて超音波の送受信を行う場合、分割電極１４７の領域の受信信号の強度は分割電極１４６の領域の受信信号の強度に比べて小さくなる。このため、分割電極１４７による受信信号を増幅する場合の増幅度を分割電極１４６の場合に比べて大きくすることによって、受信信号の強度分布を小さくすることができる。圧電素子１４２によれば、外形が正方形であるため、複数の圧電素子１４２を母基板から一度に複数製造することが可能となる。このため圧電素子１４２は量産性に優れ、製造コストを低減することができる。また、溝１４４ｅおよび溝１４４ｄによって圧電体１４４を分割することにより、不要な振動モードを減少させることができる。
【００９７】
また、図１２に示す圧電体素子１４２’を有する超音波振動子を本発明の超音波流量計に採用してもよい。圧電素子１４２’の圧電体１４４’は、図１１に示す圧電素子１４２の圧電体１４４において、矢印Ｄで示す四隅の圧電部１４４ａが取り去られている。四隅に圧電部が形成されていないため、分割電極１４６の外側には４つに分断された分割電極１４７ａが形成される。圧電体素子１４２’を有する超音波振動子を用いる場合には、４つの分割電極１４７ａを他の配線などにおり共通に接続することが好ましい。
【００９８】
また、図１３に示す圧電体素子２４２を有する超音波振動子を本発明の超音波流量計に採用してもよい。圧電体素子２４２は、正方形の共通電極２４５と、圧電体２４４と、分割電極２４６、２４７とを備える。圧電体２４４の第１の主面２４４ａには互いに平行な複数の溝２４４ｄが設けられており、溝２４４ｄは第２の主面２４４ｂには達していない。このため、圧電体２４４をひとつの部品として取り扱うことが可能であり、圧電体２４４の取り扱いが容易になる。第１の主面２４４ａには分割電極分割電極２４６、２４７が設けられており、第２の主面２４４ｂには共通電極２４５が設けられている。
【００９９】
また、図１４に示すように、上記各実施形態において、超音波流量計を設ける流路７３を規定する壁面に拡散板９６を設けてもよい。拡散板９６は、送信側の超音波振動子から送信された超音波が壁面にあたる場合に、壁面で反射した超音波が受信側の超音波振動子に入射しないよう、超音波を拡散させる。このような拡散板を設けることにより、送信側の超音波振動子から受信側の超音波振動子へ到達する超音波は壁面において反射せず、直接流路を横切って伝播するものだけとなり、より高い精度で流体の流速および流量を計測することが可能となる。
【０１００】
第１の実施形態の信号強度変換部は、増幅部のみを含み、第２の実施形態の信号強度変換部は減衰部のみを含んでいたが、超音波振動子に到達する超音波の信号強度分布が小さくなるよう、信号を変換することができる限り、信号強度変換部は増幅部および減衰部を含んでいてもよい。
【０１０１】
上記第１から第３の実施形態では第１の超音波振動子および第２の超音波振動子を用いて双方向に超音波を伝播させ、その伝播時間差により、流体の流速および流量を求めていた。しかし、式（１）から明らかなように、流体中の超音波の音速Ｃがわかっている場合には、第１の超音波振動子から第２の超音波振動子への伝播時間ｔ１または第２の超音波振動子から第１の超音波振動子への伝播時間ｔ２を計測することにより、流体の流速Ｖを求めることができる。つまり、第１から第５の実施形態において、第１の超音波振動子および第２の超音波振動子間の一方向の超音波の伝播時間を計測することにより、流体の流速および流量を求めもよい。
【０１０２】
また、本発明によれば、流路に生じた流速分布全体を正しく評価した平均流速および流量を求めることができるため、計測値と真の値との差異を補正するための流量係数を用いる必要はない。しかし、流路が特殊な形状をしていたり、流速が著しく変化する場合には、本発明の流量計を用いた上で、必要に応じて流量係数を設定してもよい。
【０１０３】
また、上記各実施形態では、流路を移動する流体が層流となっている場合を例示しているが、流体が乱流となっていても、同様に高い精度で流速および流量を求めることができる。流体が乱流になっている場合、流体中の速度分布は均一となる。このため、分割電極の１つで検出した受信信号のみを用いても、流体の流速および流量を正確に求めることができる。たとえば、図１および図２に示す分割電極４６と共通電極４５とを用いて検出される受信信号のみを用い、流体の流速および流量を求めてもよい。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明によれば、受信した超音波の信号強度の分布が小さくなるよう信号強度変換部における各増幅部の増幅率を分割電極ごとに異ならせることにより、流体中の流速が遅い部分の流速を正しく評価することができる。このため、流路を移動する流体に速度分布が生じている場合や、速度分布が流量によって変化する場合でも、速度分布を反映した正確な平均の流速を求めることが可能となる。
【０１０５】
したがって、流体に速度分布が生じていたり、速度分布が変化する場合であっても高い制度で流量を求めることのできる超音波流量計およびガスメータが得られる。
【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の実施形態で用いる超音波振動子４１の断面図である。
【図２】図１に示す超音波振動子の圧電素子を示す斜視図である。
【図３】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４】図３に示す超音波流量計が設けられる流路の断面を示す模式図である。
【図５】図４に示す領域における流体の流速分布と超音波の信号強度分布との関係を示す図である。
【図６】図３に示す超音波流量計において、受信信号の強度分布、各分割電極で受信した信号を増幅するときの増幅率および増幅後の受信信号を説明する図である。
【図７】シングアラウンド法による流量の計測を説明する図である。
【図８】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９】図８に示す超音波流量計において、受信信号の強度分布、各分割電極で受信した信号を増幅するときの増幅率および増幅後の受信信号を説明する図である。
【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】本発明で用いる超音波振動子に用いられる圧電素子の他の形態を示す斜視図である。
【図１２】本発明で用いる超音波振動子に用いられる圧電素子の他の形態を示す斜視図である。
【図１３】本発明で用いる超音波振動子に用いられる圧電素子の他の形態を示す斜視図である。
【図１４】本発明の超音波流量計を設置する流路に拡散板を設ける例を示す図である。
【図１５】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１６】従来の超音波流量計に用いられる超音波振動子の構造を示す断面図である。
【図１７】ゼロクロス検知法による受信信号の検知を説明する図である。
【図１８】流路を移動する流体の流速分布を説明する図である。
【図１９】（ａ）および（ｂ）は、従来の超音波流量計が設けられた流路の断面を示す模式図である。
【符号の説明】
１、２、４１  超音波振動子
３  送信部
４  受信部
５、７４  切り替え部
６  ピークホールド部
７  レベル検知部
８  ゼロクロス検知部
９  遅延部
１０  繰り返し部
１１  計時部
１２  流量算出部
１３、７３  流路
４２  圧電振動子
４３  ケース
４４  圧電体
４５  共通電極
４６、４７、４８  分割電極
６１、６２  超音波流量計
６３  ガスメータ
７１  第１の超音波振動子
７２  第２の超音波振動子
７５、８２  信号強度変換部
７６  加算部
７７  マイコン
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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