(57)【要約】【課題】  消費電力の増大を抑制しつつも、優れた流量計測精度を有する超音波流量計を提供する。【解決手段】  本発明の超音波流量計１００は、上流側と下流側に一対の超音波送受信器２ａ，２ｂを設け、超音波がそれら送受信器間を伝搬する時間を計測して流量を計測するものである。超音波送受信器２ａ，２ｂの一方で発振された第１波が他方に到達するよりも早く、同じ方向に第２波を発振する制御を行なう。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する流路に、前記流体の流れ方向上流側又は下流側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上流側又は下流側から到来する超音波を受信することが可能な一対の送受信器を設け、超音波がそれら送受信器間を伝搬する時間を時間計測部にて計測し、その計測結果に基づいて流量を求めるようにした超音波流量計において、
一方の前記送受信器で発振された第１波が他方に到達するよりも早く、同じ方向に第２波を発振する制御を行なうように構成されていることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
一方の前記送受信器で発振された前記第１波が他方に到達するよりも早く、且つ前記第１波を発振したあと該第１波を発振する際の駆動パルス印加時間よりも長い時間間隔をあけてから、前記第２波の発振を行なうように構成されている請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記第１波の伝搬時間を計測するのに使用する時間計測用クロックと、前記第２波の伝搬時間を計測するのに使用する時間計測用クロックとが兼用のものとされている請求項１又は２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前回の計測によって求められた流量に応じて、前記第１波が受信側の前記送受信器に到達するまでの間に、該第１波と同じ発振元の前記送受信器から超音波を発振すべき回数を変化させるように構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記流れ方向上流側の前記送受信器を超音波の発振元とする計測を順方向計測、前記流れ方向下流側の前記送受信器を超音波の発振元とする計測を逆方向計測としたとき、
前記第１波が受信側の前記送受信器に到達するよりも早く、同じ方向に第２波を発振する制御を、少なくとも前記逆方向計測において行ない、前記順方向計測よりも前記逆方向計測における超音波発振回数が多くなるようにした請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
流体が流通する流路に、前記流体の流れ方向上流側又は下流側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上流側又は下流側から到来する超音波を受信することが可能な一対の送受信器を設け、超音波がそれら送受信器間を伝搬する時間を時間計測部にて計測し、その計測結果に基づいて流量を求めるようにした超音波流量計において、
一方の前記送受信器で発振された超音波が、他方に到達したか否かを判定する到達判定部と、該到達判定部の判定に基づき、一方の前記送受信器で発振された第１波が他方に到達するよりも早く、該第１波を発振した前記送受信器に第２波の発振を行なわせる送信制御部とを備えたことを特徴とする超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関する。 
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、「伝搬時間逆数差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上流側及び下流側に一対の超音波送受信器を設け、超音波信号の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上流側の超音波送受信器（超音波素子）から流れ方向下流側の超音波送受信器（超音波素子）に到達するまでの時間（以下、順方向到達時間という）と、流れ方向下流側の超音波送受信器から流れ方向上流側の超音波送受信器に到達するまでの時間（以下、逆方向到達時間という）とを計測して、両者の時間の逆数差から流路を流れる流体の平均流速及び流量を求める方法である。図４を参照して説明する。
【０００３】
図４（ａ）は、超音波流量計の基本構成の概略図であり、図４（ｂ）は、計測手順を示したタイミング図である。図４（ａ）に示すごとく、超音波送受信器５０，５２が、流路５４の上流側と下流側に設置される。図４（ｂ）のタイミング図に示すごとく、まず、超音波送受信器５０に超音波駆動パルスを印加し、超音波送受信器５２で順方向受信波を検出する。このときの順方向到達時間は、到達時間計測用クロックを利用して計測される。逆方向到達時間は、超音波駆動パルスの印加側を切り替えることによって計測される。順方向到達時間をＴｊ、逆方向到達時間をＴｇ、静止流体中の音速をＣ、被計測流体の流速をＶ、超音波の伝搬距離（送受信器間距離）をＬとすれば、
Ｔｊ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）…（１）
Ｔｇ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）…（２）
となり、上記（１）（２）式よりより流速Ｖは、下記（３）式で得られる。
Ｖ＝Ｌ｛（１／Ｔｊ）−（１／Ｔｇ）｝／２…（３）
そして、流量Ｑ１を求めるには、流路５４の断面積Ｓ、計測インターバル時間等を考慮した補正係数Ｈを用いて、下記（４）式から求まる。
Ｑ１＝Ｖ・Ｓ・Ｈ…（４）
前回までの流量Ｑ０を用いれば、積算流量ＱはＱ＝Ｑ０＋Ｑ１で求まる。
【特許文献１】特開２００２−１３９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような超音波流量計において、しばしば問題となるのが計測精度である。計測精度を向上させるためには、計測回数を多くする必要がある。ただし、計測回数を多くすることにより、その分計測時間が長くなり、消費電力が増大する。したがって、何年間も電池交換無しで作動することが要求されるような超音波流量計では、計測回数を増やして計測精度を高めることが難しい。
【０００５】
上記問題に鑑み、本発明は、消費電力の増大を抑制しつつも、優れた流量計測精度を有する超音波流量計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の第一は、流体が流通する流路に、流体の流れ方向上流側又は下流側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上流側又は下流側から到来する超音波を受信することが可能な一対の送受信器を設け、超音波がそれら送受信器間を伝搬する時間を時間計測部にて計測し、その計測結果に基づいて流量を求めるようにした超音波流量計において、一方の送受信器で発振された第１波が他方に到達するよりも早く、同じ方向に第２波を発振する制御を行なうように構成されていることを主要な特徴とする。
【０００７】
他の局面において、上記課題を解決するために本発明の第二は、流体が流通する流路に、流体の流れ方向上流側又は下流側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上流側又は下流側から到来する超音波を受信することが可能な一対の送受信器を設け、超音波がそれら送受信器間を伝搬する時間を時間計測部にて計測し、その計測結果に基づいて流量を求めるようにした超音波流量計において、一方の送受信器で発振された超音波が、他方に到達したか否かを判定する到達判定部と、該到達判定部の判定に基づき、一方の送受信器で発振された第１波が他方に到達するよりも早く、該第１波を発振した送受信器に第２波の発振を行なわせる送信制御部とを備えたことを主要な特徴とする。
【０００８】
上記本発明は、第１波が受信側の送受信器に到達するよりも早く、同じ方向に第２波を送るための次の発振を行なう、すなわち、超音波を連続的に発振して計測回数を増やそうとするものである。この構成においては、第１波の伝搬時間を計測する期間と、第２波の伝搬時間を計測する期間とがオーバラップする。したがって、何回も送受信を繰り返し行なう従来のシングアラウンド制御と比べても、無駄な時間が少なくなる。同じ計測回数でも、本発明の方が早く済むから、単位計測回数あたりの消費電力は小である。また、複数回の伝搬時間計測を行なうので、計測精度にも優れる。もちろん、第１波が到達する前に、第３波、第４波…と２波以上続けて発振することも考え得る。
【０００９】
好適な態様において、一方の送受信器で発振された第１波が他方に到達するよりも早く、且つ第１波を発振したあと該第１波を発振する際の駆動パルス印加時間よりも長い時間間隔をあけてから、第２波の発振を行なうように構成される。超音波の発振は、矩形波等により行なうが、例えばデューティ５０％矩形波で連続して発振させるような場合、第１波と第２波との区別がしづらくなるかもしれない。そうした問題の発生は、上記のごとく、駆動パルス印加時間よりも長い時間間隔を取って第２波を発振することで防げる。
【００１０】
また、第１波の伝搬時間を計測するのに使用する時間計測用クロックと、第２波の伝搬時間を計測するのに使用する時間計測用クロックとが兼用のものとすることができる。時間計測用クロックを兼用（共有化）すれば、余分なクロック生成回路を設けず済むので、低消費電力化、部品コスト増の抑制に寄与する。
【００１１】
また、前回の計測によって求められた流量に応じて、第１波が受信側の送受信器に到達するまでの間に、該第１波と同じ発振元の送受信器から超音波を発振すべき回数を変化させるように構成することができる。この構成によれば、高流速時には、計測回数を増やして計測精度を高める一方、低流速時には計測回数を減らして消費電力の低減に努めるといったフレキシブルな制御を行なえるようになる。また、高流速に計測回数を増やす場合であっても、計測期間のオーバラップ度合いが高まることにより、単位計測回数（例えば１回）あたりの消費電力は、むしろ小さくなっていく。
【００１２】
また、流れ方向上流側の送受信器を超音波の発振元とする計測を順方向計測、流れ方向下流側の送受信器を超音波の発振元とする計測を逆方向計測としたとき、第１波が受信側の送受信器に到達するよりも早く、同じ方向に第２波を発振する制御を、少なくとも逆方向計測において行ない、順方向計測よりも逆方向計測における超音波発振回数が多くなるように構成することができる。この構成では、今から行なう計測が順方向計測か逆方向計測かを管理する順・逆判定部を設ければよい。逆方向計測時における超音波の伝搬時間は、順方向計測時よりも長くなるため、計測回数を増やして計測精度向上を図りやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例の基本構成を示す。この超音波流量計１００の流量測定用の流路１には、流量測定用ガス（流体）が流れ方向軸線Ｏに沿って図示の流れ方向に流通（平均流速Ｖ）している。流路１の壁部１０には、流れ方向上流側の超音波送受信器２ａと流れ方向下流側の超音波送受信器２ｂとが取り付けられている。図１に示すように、流れ方向軸線Ｏと超音波送受信器２ａとを含む流路断面において、超音波送受信器２ｂは超音波送受信器２ａの反対側に位置している。
【００１４】
測定用の流路１は、超音波送受信器２ａ−超音波送受信器２ｂ間において流れ方向軸線Ｏが直線状であり、軸断面の形状及び断面積が流れ方向において同一に形成されている。測定対象がガスの場合、測定用流路１の軸断面形状は壁部１０により閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態においては、流路１は矩形状に形成されている。
【００１５】
図１に示すように、超音波流量計１００には、超音波送受信器２ａ，２ｂにより得られる受信出力を増幅する増幅器４と、いわゆる「ゼロクロス法」により出力波形から超音波到達時点を検出するゼロクロスポイント検出部５と、超音波到達時間を測定する時間計測部６と、マイクロコンピュータ９とが備えられている。マイクロコンピュータ９は、送受信制御部１２、順・逆判定部１３、送信間隔制御部１４、流量判定部１５及び演算処理部１６として構成される。
【００１６】
超音波送受信器２ａ，２ｂは、圧電素子、振動板、電極等を用いて構成されたトランスデューサであり、これら超音波送受信器２ａ，２ｂから超音波を発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段７、あるいは超音波送受信器２ａ，２ｂの発生電圧を検出するための電圧検出回路等から構成される受信手段８に接続される。超音波送受信器２ａ，２ｂの接続先の切り替えは、リレー等で構成される送受切替部３によって行なわれる。送受切替部３は、送受信制御部１２としてのマイクロコンピュータ９によって制御される。例えば、流れ方向上流側（超音波送受信器２ａ側）から流れ方向下流側（超音波送受信器２ｂ側）に向けて超音波を送信する場合には、超音波送受信器２ａが送信側（発振元）となるので、送受切替部３は、始め、送信手段７と超音波送受信器２ａとを接続し、受信手段８と超音波送受信器２ｂとを接続することとなる。
【００１７】
ゼロクロスポイント検出部５は、超音波送受信器２ａ，２ｂの一方で発振された超音波が、他方で受信されたか否か検出する。受信波の検出には、いわゆるゼロクロス法が採用される。すなわち、差動型コンパレータ２２（図２参照）に入力設定されたしきい値ＶＴＨを超える（又は下回る）波形部分をトリガ波とし、このトリガ波の振幅（又は位相）がゼロとなるゼロクロス点を、増幅信号Ｖａ（又はその派生信号）の波形上でゼロクロスポイントパルス発生回路２４により検出する方法である。ゼロクロスポイント検出部５は、受信波を検出した旨の信号をマイクロコンピュータ９に入力する。
【００１８】
具体的に説明すると図２に示すように、超音波送受信器２ａ，２ｂの出力は、増幅器４（例えばオペアンプ）で電圧増幅（例えば非反転増幅）され、増幅信号Ｖａがゼロクロス型コンパレータ２１（第一コンパレータ）に入力（例えば非反転入力）され、差動型コンパレータ２２（第二コンパレータ）に入力（例えば反転入力）される。コンパレータ出力Ｖｂ，Ｖｃは、ＲＳフリップフロップ回路（以下、ＲＳＦＦ回路という）２３のポート＃Ｓ，＃Ｒへ各々入力される。ＲＳＦＦ回路２３のポート＃Ｑ出力Ｖｄにより、単安定マルチバイブレータ等で構成されるゼロクロスポイントパルス発生回路２４が出力波形Ｖａにおける超音波到達時点を検出し、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅを出力する。ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅに基づき、クロックパルス発生回路２５（例えば水晶発振子、無安定マルチバイブレータ）からのクロックパルス数をパルスカウンタ回路２６（例えばＪＫフリップフロップ回路）でカウントして到達時間検出信号Ｖｆが出力される。
【００１９】
次に、本発明の超音波流量計１における流量計測手順について説明する。本実施形態では、まず順方向計測を行なって、次に逆方向計測を行なうようにしているが、この逆でもよい。順方向計測と逆方向計測とを行なうことで、１ターンの計測としている。各ターンは、一定のインターバルを置いて繰り返し行なわれる。以下の説明は、順方向計測時のタイミング図である図３を参照しつつ行なう。
【００２０】
図３のタイミング図に示すごとく、順方向計測を行なうために、まず上流側に設置してある超音波送受信器２ａに超音波を発射させるための超音波駆動パルスを印加する。超音波駆動パルスの印加タイミングの制御は、マイクロコンピュータ９（送受信制御部１２）によってなされる。第１の超音波（第１波という）を発射させると同時に、到達時間計測用クロックをスタートさせる。到達時間計測用クロックは、時間計測部６のクロックパルス発生回路２５（図２）にて生成される。このように、マイクロコンピュータ９は、時間計測部６に到達時間計測を行なわせるために、該時間計測部６と超音波発射のタイミング（例えば、超音波駆動パルス印加と到達時間計測用クロックの同期をとる）を図っている。
【００２１】
なお、クロックパルス発生回路２５の初期動作が不安定な場合には、クロックパルス発生回路２５を予め作動させておき、安定化した到達時間計測用クロックに同期させる形で、超音波送受信器２ａに超音波駆動パルスを印加するようにしてもよい。また、本実施形態では、超音波駆動パルスとして矩形波を印加しているが、サイン波で駆動させたり、ステップ駆動にしたり、バースト駆動させたりしてもよい。また、時間計測の精度をさらに向上させるため、予め決められた計測ポイント（例：ゼロクロスポイント）までの時間を、三角波の立ち上がり電圧値をＡ／Ｄ変換することで求め、これを到達時間計測用クロックと併用することも考え得る。
【００２２】
次に、上記第１波が下流側の超音波送受信器２ｂに到達する前に、第１波を発振したのと同じ側、すなわち上流側の超音波送受信器２ａに再び超音波駆動パルスを印加する。すると、第１波とは分離された形の第２の超音波（第２波という）が発振される。第１波の発振から第２波の発振までの時間は、ｔ１で表わされる。本実施形態においては、第２波を発振させるための超音波駆動パルス印加は、到達時間計測用クロックに同期して行なうようにしている。したがって、上記時間ｔ１は、到達時間計測用クロックと同期している。
【００２３】
こうした構成により、第１波の計測と、第２波の計測と、同一の到達時間計測用クロックを用いることが可能になる。到達時間計測用クロックの共有化については、図３からも直ちに理解できるように、第３波以降にも適用されている。短時間で多くの回数の計測を行なうので、単位計測回数あたりのクロック生成時間は短い。また、仮に、クロック生成回路の初期動作不安定からくる計測精度低下を防ぐことが難しい場合でも、本発明のようにすれば、第２波、第３波といった計測にはそうした影響が及ばないことになるので好適である。本実施形態では第１波と第２波との時間間隔ｔ１と、第２波と第３波との時間間隔ｔ２は等しく設定している。
【００２４】
なお、複数の到達時間計測用クロックを生成するためにクロックパルス発生回路を複数設けることも考え得るが、低消費電力化、部品点数増を抑制する観点から、本実施形態のようにするのが望ましい。
【００２５】
タイミング図の最上列より直ちに理解できるように、第２波の発振は、第１波を発振する際の駆動パルス印加時間ｔ０よりも長い時間間隔をあけてから行なわれる。すなわち、第１波発振の駆動パルスの立ち上がりから、第２波発振の駆動パルスの立ち上がりまでの時間ｔ１は、上記ｔ０の２倍を超えている。このようにすれば、受信側の超音波送受信器２ｂにより（ゼロクロスポイント検出部５）、第１波と第２波とがはっきり識別される。このことは、第３波以降も同様である。時間間隔の制御は、送受信制御部１２の機能を担うマイクロコンピュータ９によってなされる。
【００２６】
また、第２波の発振は、第１波が受信側の超音波送受信器２ｂに到達する前に行なうことが重要である。本実施形態においては、送信側の超音波送受信器２ａで第１波を発振したのち、受信側の超音波送受信器２ｂに第１波が到達したか否かをマイクロコンピュータ９（到達判定部１７）にて判定し、該判定により第１波が未到達であることを確認し、第２波の発振を行なうようにしている。マイクロコンピュータ９は、ゼロクロスポイント検出部５から受信信号を取得したか否かによって、上記判定を行なっている。
【００２７】
こうした制御は、第３波以降にも適用している。なお、予め第１波が到達しそうな時間を予測して、第２波以降の超音波の発振タイミングを予めプログラムしておき、そのプログラムにしたがって順方向計測時の超音波駆動パルスの印加制御を行なうことも可能である。
【００２８】
第２波の発振が終了したら、受信側の超音波受信器２ｂに第１波が未到達であることをマイクロコンピュータ９の判定に基づいて確認するとともに、第２波の発振から時間ｔ２後に、再び超音波駆動パルスを印加して第３波を発振させる。第１波、第２波及び第３波は、この順に受信され、各波の到達に対応した時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が計測される。
【００２９】
ここで、上記Ｔ１は第１波の到達時間（伝搬時間）そのものである。第２波の到達時間は（Ｔ２−ｔ１）であり、第３波の到達時間は（Ｔ３−ｔ１−ｔ２）である。超音波駆動パルスの印加タイミングを到達時間計測用クロックに同期させているので、各波の到達時間は上記のごとく簡単に求まる。なお、マイクロコンピュータ９（演算処理部１６）で行なう流量演算には、例えば、各波の到達時間の平均を用いることができる。
【００３０】
上記のようにして順方向計測を行なった後、逆方向計測を行なう。計測方向の管理は、マイクロコンピュータ９（順・逆判定部１３）によって行なわれる。送受信制御部１２として機能するマイクロコンピュータ９は、送受切替部３を制御して、下流側の超音波送受信器２ｂを送信側、上流側の超音波送受信器２ａを受信側とする。そして、下流側の超音波送受信器２ｂに超音波駆動パルスを印加して、順方向計測同様の計測を行なう。
【００３１】
ここで、前回の計測で得られた流量値に基づき、現在、高流量でガス等が流れているとの判断がマイクロコンピュータ９（流量判定部１５）にてなされた場合、順方向は計測回数を３回としたが、逆方向では計測回数を増やして更なる計測精度の向上を図るといったことも可能である。本発明によれば、計測期間がオーバラップしているため、計測回数が増えた場合でも単位計測回数あたりの計測期間はむしろ小さくなる、つまり単位計測回数あたりの消費電力は小さくなっていく。
【００３２】
具体的には、例えば０〜１０００リットル／ｈｏｕｒなら低流量モード、１０００〜３０００リットル／ｈｏｕｒなら中流量モード、３０００リットル／ｈｏｕｒ以上なら高流量モードというように、流量に応じた複数の計測モードにて計測制御を行なうようにすることができる。流量の多いモードほど、１ターンでの同一方向の計測回数を多くする。マイクロコンピュータ９は、前回のターンで算出した流量が、いずれのモードの範囲内であるかを判定し、該判定結果に応じた計測モードで超音波駆動パルス印加の制御、送受切替部３の制御を行なう。
【００３３】
また、マイクロコンピュータ９（流量判定部１５）において、低流量時である旨の判断がなされた場合には、計測回数を２回に減らすようにしてもよい。そうすれば、消費電力減に資する。また、順方向計測時と逆方向計測時とで、計測回数を異ならせてもよい。逆方向計測時の超音波の到達時間は、流体の速度が重畳される分、順方向計測時に比して小さくなる。つまり、逆方向計測時には順方向計測時よりも計測回数を多くすることが容易であり、計測回数を増やせばいっそうの計測精度の向上を期待できる。
【００３４】
また、今から行なうべき計測が逆方向計測の場合には、順方向計測時より超音波の発振間隔を短くする制御を行なうようにしてもよい。すなわち、図３の例でいう第１波と第２波の発振間隔ｔ１、あるいは第２波と第３波の発振間隔ｔ２を、逆方向計測においてはそれよりも短くする。また、前回ターンで求めた流量に応じて、上記時間間隔を長短する制御を行なうようにしてもよい。このような、超音波の送信間隔の制御は、送信間隔制御部１４として機能するマイクロコンピュータ９が担う。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の超音波流量計を概念的に示す全体図。
【図２】計測部のブロック図。
【図３】本発明の超音波流量計における流量計測手順を示すタイミング図。
【図４】従来の超音波流量計の流量計測手順を説明する図。
【符号の説明】
【００３６】
１  流路
２ａ，２ｂ  超音波送受信器
３  送受切替部
５  ゼロクロスポイント検出部
６  時間計測部
９  マイクロコンピュータ（到達判定部、送信制御部）
１００  超音波流量計
【図１】
2005283478.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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