(57)【要約】【課題】被測定流体の濃度（密度）、流量（流速）の計測に用いる伝播時間ｔ１’（ｔ２’）を精度良く測定する。【解決手段】一対の超音波送受波器の一方から送信した超音波の受信先頭波Ｓ１を受信開始してから所定周期目の受信波Ｓ３を受信したことを検知する。この時以後の受信波Ｗ”のゼロクロス回数Ｓｃを計数して、これが所定回数に達した時点（Ｎｚ＝５→０）で受信タイミングｔｄを決定する。そして、超音波の送信開始時点ｔ０から受信タイミング決定ｔｄまでの送受信時間ｔ１（ｔ２）から、先頭波Ｓ１の受信開始時点から受信タイミング決定ｔｄまでの所定時間ｔｒ１（ｔｒ２）を差し引いて超音波送受波間距離の伝播時間ｔ１’（ｔ２’）を求める。【選択図】  図３
2005009893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる空間を挟んで一対の超音波送受波器を音響的に対向する位置関係に所定の距離を隔てて設け、この超音波送受波器の一方から送信した超音波が被測定流体中で伝播して他方の超音波送受波器によって受信されるまでの超音波伝播時間を流れの順方向と逆方向とでそれぞれ求めて、これらの超音波伝播時間に基づいて被測定流体の流量あるいは濃度を求める超音波式流体計測装置において、
超音波受信波の先頭から予め定められた周期目で受信され始めたことを検知する受信検知手段と、
前記受信検知以降の受信波のゼロクロス回数を計数して、予め定めた回数に達した時点で受信タイミングを決定する受信タイミング決定手段と、
超音波送信開始時点から前記受信タイミング決定までの送受信間時間から、受信先頭波の受信開始時点から前記受信タイミング決定までの時間を差し引いて超音波送受波間距離の伝播時間を求めるようにした超音波伝播時間算出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波式流体計測装置。
【請求項２】
少なくとも２つ以上の振幅増幅率が設定可能な受信波増幅手段と、
この受信波増幅手段が受信検知以降の振幅増幅率を増加させ、振幅が所定振幅レベルを超えた時の受信波を所定振幅レベルにホールドする振幅レベルホールド手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波式流体計測装置。
【請求項３】
受信タイミング決定手段に設定するゼロクロス回数において、受信検知以降の受信波の包絡線が干渉波によって所定振幅レベルより低下したタイミングを検知する干渉波検知手段と、
この干渉波検知タイミングに基づき前記ゼロクロス回数を変更するゼロクロス回数変更手段と、を備え、
前記ゼロクロス回数変更手段は、現在のゼロクロス回数に達する以前に干渉波検出手段にて振幅レベルの低下が検出された場合、現在のゼロクロス回数から所定振幅レベル低下時のゼロクロス回数に１を加えた回数を差し引いて、次回計測時のゼロクロス回数に変更することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波式流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定流体中の超音波伝播時間を利用した流体計測装置（流量計、濃度計）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特許文献１または特許文献２に開示されているように、超音波の伝播時間を検出して被測定流体の流量（流速）やガス濃度（密度）を計測することが知られている。以下、図９を用いて説明する。
【０００３】
図９は、従来の超音波伝播時間計測の説明図であり、横軸は時間ｔを示し、縦軸は送信駆動波（信号）Ｗｔ、流れ順方向の受信波Ｗｒ１、流れ逆方向の受信波Ｗｒ２を示している。なお、図中のｔ１，ｔ２は超音波送受波器２ａ，２ｂ間（図１参照）の伝播時間、ｔｒ１，ｔｒ２は超音波受信波の先頭波の受信時点から受信タイミングまでの遅れ時間、ｔｄ１，ｔｄ２は受信タイミング、Ｗｔｈは受信判定しきい値、Ｖｐは最大振幅電圧を示している。
【０００４】
被測定流体が流れる空間を挟んで一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを音響的に対向する位置関係に所定の距離Ｌｍを隔てて設け、この一方の超音波送受波器２ａから超音波を送信して、被測定流体中で伝播した超音波が他方の超音波送受波器２ｂによって受信される（図１参照）。
【０００５】
そして、超音波送受波器２ａ，２ｂ間の超音波伝播時間ｔ１，ｔ２を流れの順方向と逆方向とでそれぞれ求め、この超音波伝播時間ｔ１，ｔ２に基づいて、被測定流体の流量あるいは濃度を算出する。この超音波伝播時間ｔ１，ｔ２の測定では、いかに正確かつ精密に受信タイミングｔｄ１，ｔｄ２を検知するかが重要となる。
【０００６】
受信タイミング検知方法としては、図９に示す受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２の振幅値が、前回の受信波の最大振幅値Ｖｐ等を参照して定めた所定の受信判定しきい値Ｖｔｈを越えた時点で超音波の受信を検知し、その直後あるいは前後複数の受信波のゼロクロス時点ｔｄ１，ｔｄ２を検出し、超音波送信開始時点ｔ０から受信波のゼロクロス時点ｔｄ１，ｔｄ２までの伝播時間ｔ１，ｔ２を受信タイミングｔｄ１，ｔｄ２として計測する方法がある。
【０００７】
この方法は、被測定流体の温度や圧力変化または超音波送受波器の劣化等で受信信号強度が相似的に変動（図９の受信波Ｗｒ１の破線）する場合には、変動の度合に応じて受信判定しきい値Ｖｔｈを自動調整するとともに、受信振幅が変化しても時間的な位置関係が変化しないゼロクロス時点を検出することから有効な伝播時間計測方法であった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３２３３６１号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６２２６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電磁的ノイズや、被測定流体の流動音や超音波送受波器以外の他の発音器からの音響ノイズが受信信号に重畳した場合においては、図１０の受信波Ｗｒ１（Ｗｒ２）に示すように、ノイズ波形Ｗｎ及び超音波受信波形が加算された受信波形Ｗｒ’となる。このため、本来の受信波のゼロクロス時点である点Ｐ１で受信タイミングを検知したいが、ノイズが重畳したゼロクロス時点Ｐ２にて受信タイミングｔｄが検知されてしまい、検出誤差時間ｔｅが生じる。
【００１０】
更に検出誤差時間ｔｅはノイズ振幅だけでなく、ノイズ周波数および位相によっても変化するものであり、例えば図１０においてノイズ波形Ｗｎの位相が、ある時、１８０ｄｅｇ反転したとすると受信波形Ｗｒ’のうねりが反転し、今度は本来の受信波のゼロクロス時点Ｐ１より早くゼロクロス時点Ｐ２を検知することになるため、得られる伝播時間ｔ１（ｔ２）は短くなる。このように検出誤差時間ｔｅの量及び極性は一様とは限らない。
【００１１】
従って、特許文献１および特許文献２に記載されているような超音波伝播時間の計測だけでは伝播時間の精度を維持・向上することはできないという問題があった。
【００１２】
また、このような問題の解決手段として、一般的には、受信タイミングを検知する前に、受信波のみ通過するように設定したバンドパスフィルターを通してノイズを除去する方法や、逆に受信波形Ｗｒ’からフィルターにてノイズ成分を抽出して、ゼロクロスレベルの検知判定基準とする方法、あるいは抽出したノイズの逆位相波形を受信波形Ｗｒ’に加算することでノイズ成分を打ち消す方法などが考えられる。
【００１３】
しかし、これらの方法においては回路が複雑になるばかりでなく、例えばバンドパスフィルターの場合は、受信波の周波数に接近した周波数は取り除けず、一方、ノイズの逆位相波形により打ち消す方法では、ノイズの抽出や、逆位相へ変換する際の振幅的、時間的誤差が発生するためノイズ成分を完全に打ち消すことは容易ではない。このように、いずれの方法によっても問題を残すことになる。
【００１４】
ここで、伝播時間と濃度（密度）や流速、流量演算式の関係について説明する。なお、ここで用いる記号は図１０のものと同じとする。
超音波伝播時間測定回路３（図１参照）で検出される測定流体の流れ順方向（超音波送受波器２ａ→２ｂ）の送受信間時間と、流れ逆方向（超音波送受波器２ｂ→２ａ）の送受信間時間とは次式の関係にある。
【００１５】
【数１】
2005009893.tif 000003
【００１６】
【数２】
2005009893.tif 000004
ここで、（１），（２）式の右辺第１項ｔ１’，ｔ２’は、図１０に示すように、超音波送受波器２ａ，２ｂ間の純粋な超音波伝播時間である。Ｌｍは超音波送受波器２ａ，２ｂ間の距離、Ｃｇは被測定流体の音速、Ｖｇは被測定流体の流速、θは被測定流体の流れ方向と超音波の伝播方向との成す角度である。
【００１７】
そして、流速算出の式では、伝播時間ｔ１，ｔ２から遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２及び検出誤差時間ｔｅを差し引いて超音波送受波器２ａ，２ｂ間の純粋な超音波伝播時間ｔ１’（＝ｔ１−ｔｒ１−ｔｅ），ｔ２’（＝ｔ２−ｔｒ２−ｔｅ）から流速Ｖｇを求める必要がある。
【００１８】
【数３】
2005009893.tif 000005
また流量Ｑｖは、次式に示す通り、被測定流体の流れる測定管（空間）の断面積Ａ、配管内の流速分布補正係数Ｋ、および（３）式で算出した被測定流体の流速Ｖｇを積算することにより算出する。
【００１９】
【数４】
2005009893.tif 000006
このように流速Ｖｇ、流量Ｑｖの算出においては、（３）式おいて被測定流体の順方向及び逆方向の伝播時間の差分をとっているため、空気など音速が遅い測定流体の場合や、遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２、検出誤差時間ｔｅに対し、伝播時間ｔ１’，ｔ２’が十分に大きい場合に限れば、実用上無視可能であるが、水素ガス等、音速が早い場合や、小型の流量計のように超音波伝播距離Ｌｍが短い場合には流速および流量計測精度に及ぼす影響は無視できないことが理解できる。
【００２０】
また、被測定流体の密度（濃度）ρを求める場合には、まず次式の通りにして音速Ｃｇを算出する。
【００２１】
【数５】
2005009893.tif 000007
そして、次式により密度ρを算出する。
【００２２】
【数６】
2005009893.tif 000008
ここで、γは比熱比、Ｒはガス定数、Ｔはガス温度（Ｋ）である。このように密度ρを求める（６）式では、音速Ｃｇの２乗Ｃｇ２を代入することから遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２の影響および検出誤差時間ｔｅの影響は更に大きくなる関係にある。
【００２３】
以上より、特に音速Ｃｇが早い流体が測定対象である場合は、受信タイミングの正確な検知が、流速及び流量計測精度を確保するために大変重要な処理と言える。
【００２４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、被測定流体の密度変化のみならず、電磁的あるいは音響的ノイズが重畳するようなこともあっても、正確な受信開始タイミングを検出して、被測定流体の濃度（密度）および／または流量（流速）の計測に用いる伝播時間を、精度良く測定することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明では、超音波受信波の先頭から予め定められた周期目で受信され始めたことを検知し、この検知以降の受信波のゼロクロス回数を計数して、予め定めた回数に達した時点で受信タイミングを決定し、超音波送信開始時点から受信タイミング決定までの送受信間時間から、受信先頭波の受信開始時点から受信タイミングまでの時間を差し引いて超音波送受波間距離の伝播時間を求めるようにした。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、電磁ノイズや音響ノイズが重畳した超音波受信波に対し、受信開始を検知した後、受信波の振幅レベル（Ｓ）とノイズの振幅レベル（Ｎ）との比（Ｓ／Ｎ比）が最大値を迎える所定時間領域までゼロクロス回数を計数して待ち、所定のゼロクロス回数に達した時点を受信タイミングとして送受信間時間を求めることにより、ノイズ重畳によるゼロクロスタイミングの揺らぎが小さく、正確で純粋な超音波伝播時間を計測することができる。これにより精度の良い伝播時間が計測でき、この結果として精度の良い濃度（密度）および／または流量（流速）の計測が可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、超音波式流体計測装置の全体構成図である。なお、図中のＬｍは超音波送受波器（超音波振動子）２ａ，２ｂ間の距離、Ｃｇは被測定流体の音速、Ｖｇは被測定流体の流速、θは被測定流体の流れ方向と超音波の伝播方向との成す角度である。
【００２８】
被測定流体が流れる測定管（空間）１ｃを挟んで、一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを音響的に対向する位置関係に所定の距離を隔てて配設している。具体的には図示の通り、測定管１ｃに設けられた超音波送受波器２ａ，２ｂが互いに向かい合うように斜めに配置されている。この一方の超音波送受波器２ａから超音波を送信して、被測定流体中で伝播した超音波を他方の超音波送受波器２ｂによって受信する（超音波透過型）。
【００２９】
そして、超音波伝播時間測定回路３により超音波送受波器２ａ，２ｂ間の超音波伝播時間ｔ１，ｔ２を流れの順方向（２ａ→２ｂ）と逆方向（２ｂ→２ａ）とでそれぞれ求める。なお図示しないが、一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを被測定流体の流れ方向に所定の間隔を隔てて設け、一方の超音波送受波器２ａから送信した超音波を被測定流体中で伝播させ、測定管１ｃに反射させて他方の超音波送受波器２ｂにより受信するようにしてもよい（超音波反射型）。
【００３０】
図２は、超音波式流体計測装置の構成図であり、特に超音波伝播時間測定回路３の構成を示す図である。図３は、超音波伝播時間ｔ１，ｔ２の計測の説明図であり、横軸は時間、縦軸は各信号であり、Ｗｒ”は受信波（受信信号）、Ｓｒは受信検知信号、Ｇｒは感度調整電圧、Ｓｚは受信ゼロクロス信号、Ｓｃはゼロクロス計数信号、Ｓｄは受信タイミング決定信号を示している。なお、流量計においては、被測定流体の順方向および逆方向の２方向の伝播時間を計測するため、通常は時分割で処理するが、伝播時間計測の処理手順は全く同じであるため、ここでは時分割にかかるところの説明は省略する。
【００３１】
始めに送受信方向切替スイッチ３ｂによって、例えば一方の超音波送受波器２ａを送信側に選択した場合には、送信駆動回路３ａの生成する送信駆動信号Ｗｔが超音波送受波器２ａに伝達され、電気−音響変換されて被測定流体中に超音波が送信される。そして、送信駆動回路３ａは、送信駆動信号Ｗｔを生成すると同時に、超音波が送受波器２ａ，２ｂ間の距離Ｌｍを伝播する時間ｔ１，ｔ２の計数開始信号（ｓｔａｒｔ信号）を送受信間時間計数回路（タイムカウンタ）３ｆに対して出力する（図３のｔ０時点）。
【００３２】
また、送受信方向切替スイッチ３ｂによって受信側に選択された他方の超音波送受波器２ｂでは、超音波送受波器２ａから送信され被測定流体中を伝播した超音波を受信し、音響−電気変換された受信波Ｗｒ”が受信増幅回路３ｃへ入力される。
【００３３】
この受信増幅回路３ｃでは、受信波Ｗｒ”が、超音波信号以外の不要なノイズ信号を除去するためのフィルター回路（図示しない）を介して、次に述べる受信検知回路３ｄに必要な振幅レベルまで増幅し出力される。なお、この時の増幅率は、受信検知回路３ｄから入力される感度調整電圧Ｇｒで調整されるように構成してある。
【００３４】
受信検知回路３ｄでは、初期増幅電圧（低感度電圧）Ｇ０を出力して、超音波送受波器２ｂが受信波Ｗｒ”の先頭から予め定められた周期目（図３では３周期目（Ｓ３））で受信され始めたことを検知して、受信検知信号Ｓｒを出力する。なお、所定周期目は、受信波Ｗｒ”がしきい値Ｖｔｈに達した場合の周期目に設定する。
【００３５】
また、これと同時に感度調整電圧Ｇｒを受信増幅回路３ｃの増幅率を増大する電圧（高感度電圧）Ｇ１に切り替える（第３図−（４））。これにより受信検知（Ｓ３）以降の受信波Ｗｒ”は、受信信号飽和振幅レベルＶｓである振幅飽和領域まで増幅されて略矩形波形となる（第３図−（２））。これは、振幅が飽和振幅レベル（所定振幅レベル）Ｖｓを越えた時の受信信号Ｗｒ”を飽和振幅レベルＶｓにホールドするためである。
【００３６】
更に受信波Ｗｒ”は、次段の受信タイミング決定回路３ｅのカウンタ入力仕様に合わせて、例えば０−５Ｖのロジック信号へ変換される（第３図−（５）受信ゼロクロス信号Ｓｚ）。
【００３７】
ここで、受信検知回路３ｄおよび受信タイミング決定回路３ｅの具体例を図５において説明する。
受信検知回路３ｄでは、受信波Ｗｒ”は電圧コンパレータ３ｄ１を用いることで、ゼロレベルＬｚと比較されてロジック信号に変換される。これにより受信ゼロクロス信号Ｓｚを出力する。一方、受信検知信号Ｓｒも電圧コンパレータ３ｄ２によって、しきい値Ｖｔｈと比較されてロジック信号へ変換される。これにより受信検知信号Ｓｒを出力する。
【００３８】
また、受信タイミング決定回路３ｅでは、受信ゼロクロス信号Ｓｚはゲート３ｅ２（またはアナログスイッチ素子）にて信号伝達が制御されている。このゲート３ｅ２は、フリップフロップ素子３ｅ１で生成される信号で制御され、その制御信号は送信駆動信号Ｗｔでゲートを閉（Ｒｅｓｅｔ）に、そして受信検知信号Ｓｒでゲートを開（Ｓｅｔ）にするように設計されている。そして、受信検知以降のゼロクロス信号がダウンカウンタ３ｅ３に入力され、設定したゼロカウント回数計数して受信タイミング信号Ｓｄを出力する。
【００３９】
これにより、受信タイミング決定回路３ｅでは入力された受信ゼロクロス信号Ｓｚに対して、受信検知された以降、つまり受信検知信号Ｓｒ以降のゼロクロス信号Ｓｃを計数し、例えば受信検知以降のゼロクロス回数（カウント値）Ｎｚ＝５と予め設定されている場合は、第３図（６）に示すように、ゼロクロス計数信号Ｓｃが入力される毎にカウント値Ｎｚを−１（ダウンカウント）し、カウント値Ｎｚがゼロに達した時点（Ｎｚ＝０）で受信タイミング決定信号Ｓｄを出力する。この処理により受信検知（Ｓ３）以降の所定ゼロクロス回数（５回）で受信タイミングｔｄを決定する。
【００４０】
なお、ここではゼロクロス回数Ｎｚ＝５としたが、これは先頭波から数えると８周期目（第３図−Ｓ８）に相当する。一般的に圧電素子を振動板に貼り付けた形式の超音波送受波器では、送信駆動信号Ｗｔが印加されてから、徐々に振動振幅が増し、概略５周期目以降では最大振幅で振動する特性にある。従って、ゼロクロス回数Ｎｚは５以上を設定することで良好な結果を得ることができる。
【００４１】
ここで、再度図２を参照して説明する。
前述の受信タイミング決定回路３ｅからの受信タイミング信号Ｓｄは、送受信経過時間計数回路３ｆに入力される。この送受信経過時間計数回路３ｆには、送信駆動回路３ａの送信駆動信号Ｗｔも入力される。
【００４２】
そして、送受信経過時間計数回路３ｆは、受信タイミング決定回路３ｅからの受信タイミング信号Ｓｄを受けて、送信駆動回路３ａの送信駆動信号Ｗｔの出力と共に開始していた時間計数を停止させる。そして、この時間計数結果ｔ１（ｔ２）は、超音波伝播時間算出回路３ｇに入力される。
【００４３】
超音波伝播時間算出回路３ｇは、時間計数結果ｔ１（ｔ２）から、受信感度調整電圧Ｇｒ及びしきい値Ｖｔｈで定められた受信検知時間ｔａとゼロクロス計数時間ｔｂ（図３参照）とを差し引いて、本来求めたい超音波伝播時間ｔ１’（＝ｔ１−ｔｒ１−ｔｅ），ｔ２’（＝ｔ２−ｔｒ２−ｔｅ）を出力する。なお、検出誤差時間ｔｅは、本発明の効果にて省略することができる。
【００４４】
ここで前述の（３）式の遅れ時間ｔｒ１（ｔｒ２）は、次式の通り、受信検知時間ｔａと、ゼロクロス計数時間ｔｂとの和により表される。
【００４５】
ｔｒ１（ｔｒ２）＝ｔａ＋ｔｂ  ・・・（７）
ここで、受信検知時間ｔａは、受信波Ｗｒ”の先頭波（Ｓ１）の受信時点から受信検知時点（Ｓ３）までの時間である。ゼロクロス計数時間ｔｂは、受信検知時点（Ｓ３）から受信タイミング決定時点（ｔｄ）までの時間である。このゼロクロス計数時間ｔｂは、次式の通り、ゼロクロス回数（所定値）Ｎｚを超音波周波数ｆｕ（Ｈｚ）で割ることで求める。
【００４６】
ｔｂ＝Ｎｚ／ｆｕ  （ｓｅｃ）    ・・・（８）
以上により超音波伝播時間ｔ１’（ｔ２’）の計測が実行されることになる。すなわち、図５に示す通り、超音波送信開始時点ｔ０から受信タイミングｔｄまでの送受信間時間ｔ１（ｔ２）から、受信先頭波（Ｓ１）の受信開始時点から受信タイミング決定ｔｄまでの時間ｔｒ１（ｔｒ２）を差し引いて（ｔ１−ｔｒ１，ｔ２−ｔｒ２）、超音波送受波間距離Ｌｍの伝播時間ｔ１’（ｔ２’）を求める。
【００４７】
そして、流量／濃度演算回路４において、（３）式及び（４）式を用いて（（３）式及び（５）式においてｔ１−ｔｒ１−ｔｅ＝ｔ１’、ｔ２−ｔｒ２−ｔｅ＝ｔ２’とする。但し、ｔｅ＝０）被測定流体の流量値Ｑｖを、（５）式及び（６）式を用いて密度（濃度）値をそれぞれ算出して出力する。なお、（３）式と（５）式とでは、ｔ１（ｔ２）とｔｒ１（ｔｒ２）とを分離して表しているが、超音波伝播時間算出回路３ｇで得た超音波伝播時間ｔ１’（ｔ２’）は既に遅れ時間ｔｒ１（ｔｒ２）を差し引いているので、そのまま括弧内第１項および第２項の分母にｔ１’，ｔ２’を代入して流速Ｖｇ、音速Ｃｇを求めることになる。
【００４８】
次に、この一連の信号処理手順をコンピュータシステムで実施する場合の実施形態について、図８のフローチャートを用いて説明する。なお、後述する別の実施形態については、点線で囲んでおり、ここでの説明は省略する。
【００４９】
ステップ１００（図には「Ｓ１００」と示す。以下同様）では、電源を投入し、ステップ１０１では、ゼロクロス回数Ｎｚやしきい値Ｖｔｈ等の初期値が設定される。
【００５０】
ステップ１０２では、超音波送受波器２ａ，２ｂの送受信方向を切り替え、ステップ１０３では、送信駆動回路３ａから超音波の送信駆動信号Ｗｔを出力すると共に送受信経過時間計数回路３ｆの送受信間時間（ｔ０からの経過時間）の計数を開始する。
【００５１】
ステップ１０４では、超音波送受波器２ｂが受信する受信波Ｗｒ”が、先頭波から所定周期目の受信波（Ｓ３）を検知したか否か、すなわち受信検知タイミングを判断する。受信検知した場合には、ステップ１０５へ進む。一方、受信検知されない場合には、受信検知されるまで待つ。
【００５２】
ステップ１０５では、受信増幅回路３ｃの増幅率を上げて（Ｇ０→Ｇ１）、得られた受信波Ｗｒ”をデジタル変換して読み込み、ステップ１０６では、ゼロクロス回数Ｎｚをカウントして、ステップ１１０へ進む。
【００５３】
ステップ１１０では、ゼロクロス回数に達するまで計数を継続する。そして、ゼロクロス回数に達した（Ｎｚ＝０）時は、ステップ１１１で送受信経過時間計数回路３ｆの送受信間時間計数を停止して、この時の計数値ｔ１（ｔ２）を読み取る。
【００５４】
次に、ステップ１１２では、送受信間時間ｔ１（ｔ２）から、先頭波（Ｓ１）の受信時点から受信検知（Ｓ３）時点までの遅れ時間ｔａと、受信検知（Ｓ３）時点からゼロクロス回数に要した時間ｔｂとの和、すなわち遅れ時間ｔｒ１（ｔｒ２）を差し引いて（ｔ１−ｔｒ１，ｔ２−ｔｒ２）、超音波伝播時間ｔ１’（ｔ２’）を算出する。
【００５５】
ステップ１１３では、求めた超音波伝播時間ｔ１’（ｔ２’）から前述の（３）式〜（６）式を用いて流量Ｑｖおよび濃度（密度：ρ）を算出し出力する。以降、送受信方向の切り替え処理まで戻り、一連の処理を繰り返し実行する。
【００５６】
本実施形態によれば、被測定流体が流れる空間（測定管１ｃ）を挟んで一対の超音波送受波器２ａ，２ｂを音響的に対向する位置関係に所定の距離を隔てて設け、この超音波送受波器の一方２ａから送信した超音波が被測定流体中で伝播して他方の超音波送受波器２ｂによって受信されるまでの超音波伝播時間を流れの順方向と逆方向とでそれぞれ求めて、これらの超音波伝播時間に基づいて被測定流体の流量Ｑｖあるいは濃度（密度：ρ）を求める超音波式流体計測装置において、超音波受信波の先頭（Ｓ１）から予め定められた周期目（Ｓ３）で受信され始めたことを検知する受信検知手段（ステップ１０４，受信検知回路３ｄ）と、受信検知（Ｓ３）以降の受信波のゼロクロス回数Ｓｃを計数して、予め定めた回数（Ｎｚ＝５）に達した時点（Ｓ８）で受信タイミングｔｄを決定する受信タイミング決定手段（ステップ１１０，受信タイミング決定回路３ｅ）と、超音波送信開始時点ｔ０から受信タイミングｔｄまでの送受信間時間ｔ１（ｔ２）から、受信先頭波（Ｓ１）の受信開始時点から前記受信タイミング決定ｔｄまでの時間ｔｒ１（ｔｒ２）を差し引いて超音波送受波間距離Ｌｍの伝播時間ｔ１’（ｔ２’）を求めるようにした超音波伝播時間算出手段（ステップ１１２，超音波伝播時間算出回路３ｇ）と、を備えた。このため、電磁ノイズや音響ノイズが重畳した超音波受信波に対し、受信開始を検知した後、受信波の振幅レベル（Ｓ）とノイズの振幅レベル（Ｎ）との比（Ｓ／Ｎ比）が最大値を迎える所定時間領域までゼロクロス回数を計数して待ち、所定のゼロクロス回数に達した時点を受信タイミングとして送受信間時間を求めることにより、ノイズ重畳によるゼロクロスタイミングの揺らぎが小さく、正確で純粋な超音波伝播時間を計測することができる。これにより精度の良い伝播時間が計測でき、この結果として精度の良い濃度（密度）および／または流量（流速）の計測が可能となる。
【００５７】
また本実施形態によれば、少なくとも２つ以上の振幅増幅率（Ｇ０，Ｇ１）が設定可能な受信波増幅手段（ステップ１０５，受信増幅回路３ｃ）と、この受信波増幅手段が受信検知（Ｓ３）以降の振幅増幅率Ｇｒを増加させ、振幅が所定振幅レベルＶｓを超えた時の受信波Ｗｒ”を所定振幅レベルＶｓにホールドする振幅レベルホールド手段と、を備える。このため、受信検知（Ｓ３）以降の振幅情報が不要となり、この替わりに正確な時間情報が要求される時間領域の受信波Ｗｒ”を高倍率（Ｇ１）に増幅し（矩形波化）、ゼロクロス前後の振幅変化率を高めることで、ノイズ重畳した場合の時間軸のずれを少なくすることができる。そして、精度の良い伝播時間が計測でき、この結果として精度の良い濃度（密度）や流量（流速）の計測が可能となる。
【００５８】
次に、干渉波が発生した場合における超音波伝播時間の誤計測防止の実施形態について図２，４，６〜８を用いて説明する。
まず受信波Ｗｒ”に多重反射等により干渉波が発生すると、図４の受信波Ｗｒ”のＳ７に示すように、振幅が一時的にしきい値Ｖｔｈより低下する。また干渉波発生以降においては、位相変化の影響により、先頭波との時間的関連性（ゼロクロス時刻は周期の整数倍）にずれが生じるため、干渉波の発生以降の受信タイミング決定ｔｄには計測誤差が発生するおそれがある。
【００５９】
そこで本実施形態では、ゼロクロス計数を実行しながら同時に受信波Ｗｒ”の包絡線Ｗｅの低下を検知する。そして、図４の受信波Ｗｒ”のＳ７に示すように包絡線Ｗｅの低下を検知した時には、その時のゼロクロス計数値（図４ではＮｚ＝１）を記憶しておき、次回のゼロクロス回数を次式で求めた回数へと変更する。
【００６０】
次回のゼロクロス回数＝現在のゼロクロス回数−（包絡線低下時のゼロクロス計数値＋１）  ・・・（９）
例えば図４では、現在のゼロクロス回数は５であり（Ｎｚ＝５）、包絡線低下時のゼロクロス計数値は１であるため、（９）式から、次回のゼロクロス回数は３となる。そして、次回のゼロクロス計数は、受信検知以降のゼロクロス計数信号Ｓｃに示すように、回数が５から３へ変更される（Ｎｚ＝５→（３））ため、受信タイミングＳｄは干渉波の前のＳ６周期（ｔｄ’）で決定されることになり、計測誤差を回避できる。
【００６１】
続いて、本実施形態で追加した（図２の点線で囲んだ部分）干渉波検知回路３ｈおよびゼロクロス回数変更回路３ｉについて、図６及び図７を用いて説明する。
【００６２】
干渉波検知回路３ｈでは、図４の受信波Ｗｒ”の包絡線Ｗｅを生成するために、図６に示す通り、ピークホールド回路３ｈ２を用いて、受信波Ｗｒ”の周期毎の最大振幅値をホールドしている。そしてホールド値は、干渉による急峻な振幅低下に追従するために、周期毎の受信ゼロクロス信号Ｓｚでピーク値をサンプルするようにしている。
【００６３】
このサンプル信号は、単安定マルチバイブレータ３ｈ１により受信ゼロクロス信号Ｓｚを、ピークホールド時間に相当するパルス幅Ｐｗの信号として生成する。なお、この時のパルス幅Ｐｗの設定例は、次式の通り、１．２５を超音波周波数ｆｕ（Ｈｚ）で割って求める。
【００６４】
Ｐｗ＝１．２５／ｆｕ  （ｓｅｃ）  ・・・（１０）
この（１０）式の分子は次回のサンプルタイミングが、次回の振幅ピーク近辺のタイミングに整合させるための定数であり、１．２５は丁度次回の振幅ピークタイミングに相当する。このようにして生成した包絡線信号Ｗｅは、電圧コンパレータ３ｈ３に入力される。
【００６５】
この電圧コンパレータ３ｈ３は、包絡線信号Ｗｅと干渉波検知判定電圧（所定値）Ｖｈとを比較して、干渉波によるレベル低下があった（Ｗｅ＜Ｖｈ）場合、正パルスの干渉波検知信号Ｓｈを出力する。
【００６６】
また図７に示す通り、ゼロクロス回数変更回路３ｉは、ダウンカウンタ（ゼロクロス計数カウンタ）３ｅ３のカウント値（Ｄａｔａ）がデータレジスタ３ｉ１に入力され、干渉波検知信号Ｓｈが正パルスになった（干渉を検知）時のゼロクロスカウント値を記憶する。
【００６７】
続いてデジタルコンパレータ３ｉ２を用いて、記憶したゼロクロスカウント値がゼロに達しているか否かを判定し、もし達していない場合は、前述の（９）式を実行するためにデータレジスタ（メモリ）３ｉ１の記憶値に１を加え（加算器３ｉ３）、その結果をゼロクロス回数初期値Ｎｚｏから差し引く（減算器３ｉ４）。この結果はデジタルコンパレータ３ｉ２の判定結果で制御される切替スイッチ（セレクタ）３ｉ５で選択されて、次回のゼロクロス回数Ｎｚとして、ゼロクロス計数カウンタ３ｅ３へ入力される。
【００６８】
一方、干渉波が検出されずに正常にゼロクロス計数値Ｓｃがゼロに達した場合は、切替スイッチ３ｉ５にてゼロクロス回数初期値Ｎｚｏが次回のゼロクロス回数Ｎｚとなる。これにより干渉波が無くなった場合は、予め定めたゼロクロス回数に自動復帰させるようになっている。
【００６９】
以上により片方向の超音波伝播時間計測が実行されることになるが、これを被測定流体の流れの順逆双方向について交互に行い、双方向一対の超音波伝播時間ｔ１’（＝ｔ１−ｔｒ１−ｔｅ。但し、ｔｅ＝０），ｔ２’（＝ｔ２−ｔｒ２−ｔｅ。但し、ｔｅ＝０）を得る（図２参照）。そして、流量／濃度演算回路４において、（３）式及び（４）式を用いて（但し、各式においてｔ１＝ｔ１’、ｔ２＝ｔ２’として）被測定流体の流量値Ｑｖを、（５）式及び（６）式を用いて密度（濃度）値をそれぞれ算出して出力する。なお、（３）式と（５）式とでは、ｔ１（ｔ２）とｔｒ１（ｔｒ２）とを分離して表しているが、超音波伝播時間算出回路３ｇで得た超音波伝播時間ｔ１’，ｔ２’は既に遅れ時間ｔｒ１（ｔｒ２）を差し引いているので、そのまま括弧内第１項および第２項の分母にｔ１’，ｔ２’を代入して流速Ｖｇ、音速Ｃｇを求めることになる。
【００７０】
次に、干渉波が影響する場合における一連の信号処理手順をコンピュータシステムで実施する場合の実施形態について、図８のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の実施形態におけるフローチャートと同じものについては、説明を省略する。
【００７１】
本実施形態では、干渉波が影響する場合においても伝播時間を正確に測定するために、干渉波の有無を判断し、ゼロクロス回数Ｎｚを変更する。
ステップ１００〜ステップ１０６では、前述の実施形態と同じである。ステップ１０６でゼロクロス回数Ｎｚをカウントした後に、ステップ１０７へ進む。
【００７２】
ステップ１０７では、干渉波検知回路３ｈが干渉波を検知したか否かを判断する。干渉波が検知された場合には、計測エラー処理を行うためステップ１０８へ進む。一方、干渉波が検知されなかった場合には、ステップ１１０へ進む。
【００７３】
ステップ１０８では、今回の計測データは確からしさが無いため破棄し、代わりに前回の計測データに置き換える等の処理を行う。
これに合わせて、次回の計測でも干渉波により計測エラーを生じる可能性があるため、ステップ１０９で、ゼロクロス変更回路３ｉにより、次回のゼロクロス回数を、今回干渉波を検出したゼロクロス設定回数以下に変更する。そして、ステップ１１１へ進み、前述の処理を行う。
【００７４】
一方、ステップ１０７で干渉波が検出されない場合は、ステップ１１０でゼロクロス回数に達するまで計数を継続する。そして、ゼロクロス回数に達した（Ｎｚ＝０）時は、ステップ１１１で送受信経過時間計数回路３ｆの送受信間時間計数を停止して、この時の計数値ｔ１を読み取る。
【００７５】
本実施形態によれば、受信タイミング決定手段（ステップ１１０，受信タイミング決定回路３ｅ）に設定するゼロクロス回数Ｎｚにおいて、受信検知（Ｓ３）以降の受信波Ｗｒ”の包絡線Ｗｅが干渉波によって所定振幅レベルＶｔｈより低下したタイミングを検知する干渉波検知手段（ステップ１０７，コンパレータ３ｉ２）と、この干渉波検知タイミングに基づき前記ゼロクロス回数Ｎｚを変更するゼロクロス回数変更手段（ステップ１０９，加算器３ｉ３，減算器３ｉ４）と、を備え、このゼロクロス回数変更手段は、現在のゼロクロス回数（Ｎｚ＝５）に達する以前に干渉波検出手段にて所定振幅レベルＶｓの低下が検出された場合（Ｓ７）、現在のゼロクロス回数（Ｎｚ＝５）から所定振幅レベル低下時（Ｓ７）のゼロクロス回数に１を加えた回数を差し引いて（（９）式）、次回計測時のゼロクロス回数に変更する（ステップ１０９）。このため、超音波送受波器間や被測定流体の測定管１ｃの内壁等に反射した反射波と、受信波との干渉によりゼロクロスのタイミングずれや消失が生じた場合、そのゼロクロスを計数する前に受信タイミングを決定するように変更することから、誤った伝播時間の計測を防止することができ、この結果として信頼性の高い濃度（密度：ρ）や流量Ｑｖ（流速Ｖｇ）計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的な超音波流体計測装置の全体構成を説明する図
【図２】本発明の基本的構成の実施形態を説明する図
【図３】本発明の超音波伝播時間計測を説明する図
【図４】本発明の他の実施形態の超音波伝播時間計測を説明する図
【図５】本発明の受信検知回路および受信タイミング決定回路を示す図
【図６】本発明の干渉波検知回路を示す図
【図７】本発明のゼロクロス回数変更回路を示す図
【図８】本発明の信号処理のフローチャート
【図９】従来の超音波伝播時間計測を説明する図
【図１０】従来の超音波伝播時間計測の問題点を説明する図
【符号の説明】
１ｃ  測定管
２ａ、２ｂ  超音波送受波器
３  超音波伝播時間測定回路
３ａ  送信駆動回路
３ｂ  送受信方向切替スイッチ
３ｃ  受信増幅回路
３ｄ  受信検知回路
３ｄ１、３ｄ２  電圧コンパレータ
３ｅ  受信タイミング決定回路
３ｅ１  フリップフロップ素子
３ｅ２  ゲート
３ｅ３  ダウンカウンタ
３ｆ  送受信経過時間計数回路
３ｇ  超音波伝播時間算出回路
３ｈ  干渉波検知回路
３ｈ１  単安定マルチバイブレータ
３ｈ２  ピークホールド回路
３ｈ３  電圧コンパレータ
３ｉ  ゼロクロス回数変更回路
３ｉ１  データレジスタ
３ｉ２  コンパレータ
３ｉ３  加算器
３ｉ４  減算器
３ｉ５  切替スイッチ
４  流量／濃度演算回路
【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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