(57)【要約】【課題】  コンパクトな構成でありながら高流速、大流量が計測可能であり、尚且つ小流量時の計測精度、分解能にも優れた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において、超音波素子２ａ，２ｂはそれぞれ、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信すると同時にその超音波を到来方向へ反射するように構成されている。超音波素子２ａで発振された超音波は、下手側の超音波素子２ｂで受信・反射される。この１回反射超音波が、発振元の超音波素子２ａにて受信・反射される。さらに、この２回反射超音波が、下手側の超音波素子２ｂに受信される。超音波が、素子間を１往復半するのに要する合計伝搬時間を、順方向と逆方向の両方で計測し、これを流量演算に用いる。【選択図】  図１
2005283434.tif 000002
【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手側又は下手側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上手側又は下手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手段にて計測し、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、
前記送受信器はそれぞれ、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信すると同時にその超音波を到来方向へ反射するように構成され、
一方の前記送受信器で発振させた超音波を、両送受信器間で反射させたのち他方の前記送受信器で受信し、発振から受信までの合計の伝搬時間を前記時間計測手段にて計測するようにした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せた超音波を、両方の前記送受信器で１回ずつ反射させたのち他方の前記送受信器で受信し、超音波が前記送受信器間を１往復半するときの合計伝搬時間を前記時間計測手段にて計測するようになっており、
超音波の発振の向きが前記流体の流れに対して順方向の場合と逆方向の場合とで２通りの前記合計伝搬時間を求め、これらに基づいて前記流体の流量を求めるようにした請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
一方の前記送受信器で発振された超音波が、他方の前記送受信器で最初に反射されるまでの時間を計測および記憶するように構成され、
その記憶した時間内は超音波受信検出を行なわないようにするためのマスク時間設定手段を備えた請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流体の流れ方向上手側の前記送受信器から発振された超音波を、流れ方向下手側の前記送受信器で最初に受信し、その最初に受信した超音波の振幅が予め定めた設定振幅以下である場合において、
前記合計伝搬時間を流量演算に用いる低流速モードから、上手側の前記送受信器から超音波を発振して下手側の前記送受信器で直接に超音波を受信するまでの直接伝搬時間を流量演算に用いる高流速モードに切り替えるモード切替制御手段を備えた請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項５】
一方の前記送受信器から発振された超音波を、他方の前記送受信器で最初に受信したときの波形と、反射を経て戻ってきた超音波の波形とを比較する波形比較手段を備えた請求項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】
一方の前記送受信器から発振された超音波を、他方の前記送受信器で最初に受信したときの超音波受信出力の増幅率と、いずれかの前記送受信器で反射されて戻ってきた超音波を受信したときの超音波受信出力の増幅率とを異ならせることが可能な可変増幅器を備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【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手側及び下手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、流れ方向上手側の超音波送受信器（超音波素子）から流れ方向下手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、流れ方向下手側の超音波送受信器から流れ方向上手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。
【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】
【０００３】
こうした超音波流量計では、流路の圧力損失を考慮する必要がある。すなわち、高流速や大流量が計測可能な超音波流量計を考えた場合、流路の断面積を大きくする必要がある。流路断面積を大きくすると、大きな圧力損失を生じさせずに、流体を流すことが可能になるからである。
【０００４】
しかしながら、流路断面積を大きくしたことにより、平均流速、単位断面積あたりの平均流量が小さくなる。このような構成の超音波流量計においては、低流速、小流量時の計測精度を確保することが難しい。それを補うために、超音波素子間を長くすることが考えられる。
【０００５】
超音波素子間を長くすると、流路中に伝搬させる超音波が流体の流れによる流速、流量にさらされる時間が長くなるので、小流量時の計測精度を確保しやすい。しかしながら、超音波伝搬距離を長くすることに起因して、超音波流量計の大型化の問題が新たに生じてくる。
【０００６】
上記のような事情に鑑み、本発明は、コンパクトな構成でありながら高流速、大流量が計測可能であり、尚且つ小流量時の計測精度、分解能にも優れた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および発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、流体が流通する流路に、流体の流れ方向上手側又は下手側に向けて超音波を発振することが可能であって、流れ方向上手側又は下手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手段にて計測し、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、上記送受信器はそれぞれ、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信すると同時にその超音波を到来方向へ反射するように構成され、一方の送受信器で発振させた超音波を、両送受信器間で反射させたのち他方の送受信器で受信し、発振から受信までの合計の伝搬時間を時間計測手段にて計測するようにしたことを主要な特徴とする。
【０００８】
上記本発明の超音波流量計においては、一方の送受信器（上手側送受信器）で発振させた超音波を、両方の送受信器で少なくとも１回ずつ反射させたのち他方の送受信器（下手側送受信器）で受信するようにしたものである。いったん発振された超音波は、各送受信器の持つ反射作用により、それら送受信器間を行き来することとなる。つまり、両送受信器の実質的な間隔増を伴わずに、超音波の伝搬距離を長くすることができる。したがって、大流量計測を要する場合であっても、当該超音波流量計の大型化を招来することがない。また、超音波の伝搬時間が長くなるので、小流量時の計測精度、分解能にも優れた超音波流量計を実現可能である。
【０００９】
具体的には、一方の送受信器で発振させた超音波を、両方の送受信器で１回ずつ反射させたのち他方の送受信器で受信し、超音波が送受信器間を１往復半するときの合計伝搬時間を時間計測手段にて計測する。そして、超音波の発振の向きが流体の流れに対して順方向の場合と逆方向の場合とで２通りの合計伝搬時間を求め、これらに基づいて流体の流量を求めることができる。送受信器間を超音波が１往復半するのに必要な時間を計測することとしたので、反射された超音波を受信するときの精度と、伝搬距離を長く取ることとの両立を図ることができる。なお、受信した超音波が何回の反射を経たものであるのか、あるいは発振元の送受信器から直接伝搬してきたものなのかを記憶するためのカウンタを、時間計測手段とともに設けることができる。これにより、超音波の反射回数を正確にカウントすることができる。
【００１０】
また、送受信器に超音波を発振すべき旨の信号を送信手段より出力して、実際に送受信器から超音波が発振されるまでの遅延時間と、超音波が送受信器に到達してから実際に検出回路で検出されるまでの遅延時間とを予め求めておき、流速、流量演算時においてその遅延時間を合計伝搬時間から控除（減算）することができる。すなわち、最初は、超音波送受信時に生じる遅延時間や送受信時の超音波受信波形１．５波分などを加算したオフセット時間を計測し、後で上記の合計伝搬時間から減算する。こうすることより、より正確な伝搬時間が求められるので、計測精度が向上する。
【００１１】
また、本発明の超音波流量計は、一方の送受信器で発振された超音波が、他方の送受信器で最初に反射されるまでの時間を計測および記憶するように構成することができる。この場合、その記憶した時間内は超音波受信を行なわないようにするためのマスク時間設定手段を設けることができる。すなわち、一方の送受信器で発振された超音波が、他方の送受信器に最初に達したあとは、再び超音波が反射されて戻ってくるまで、随分と時間が空く。この空き時間において、超音波受信を行なわなければ、電気的なノイズなど、外来ノイズを拾い難くなるので、誤検出の可能性が低減し、信頼性の向上を見込めるようになる。
【００１２】
また、流体の流れ方向上手側の送受信器から発振された超音波を、流れ方向下手側の送受信器で最初に受信し、その最初に受信した超音波の振幅が予め定めた設定振幅以下である場合において、合計伝搬時間を流量演算に用いる低流速モードから、上手側の送受信器から超音波を発振して下手側の送受信器で直接に超音波を受信するまでの直接伝搬時間を流量演算に用いる高流速モードに切り替えるモード切替制御手段を設けることができる。つまり、超音波受信振幅の大小を見ることにより、今現在が低流速であるか高流速であるかをまず判断し、該判断に応じて、低流速モードで流量演算を行なうのか、高流速モードで流量演算を行なうのかを決定するようにしたのである。低流速モードでは、反射を介在させて超音波の伝搬距離を長く取ったときの、合計伝搬時間を流量演算に用いる。高流速モードでは、反射を介在しない直接伝搬時間を流量演算に用いる（つまり従来通り）。このように、流速に応じて計測モードを切り替えるようにすれば、高流速時の流量判定の迅速化が望める上、低流速時、高流速時ともに高い計測精度を得ることができるようになる。
【００１３】
もちろん、上記の逆も考え得る。すなわち、発振元を流れ方向下手側の送受信器とし、上手側の送受信器で最初に受信した超音波の振幅に応じて、低流速モードと高流速モードとの選択を行なう。ただし、モード切替の為の設定振幅については、発振元が上手側の場合と、下手側の場合とで異ならせる。なぜなら、送受信器に対する超音波駆動パルスの振幅が同じでも、超音波の発振の向きが流体の流れに対して順方向の場合と逆方向の場合とで、受信波の振幅は相違するからである。具体的には、下手側の送受信器を発振元とし上手側の送受信器で受信する場合の受信波の振幅は、その逆の場合よりも大きくなる。
【００１４】
また、一方の送受信器から発振された超音波を、他方の送受信器で最初に受信したときの波形と、反射を経て戻ってきた超音波の波形とを比較する波形比較手段を設けることができる。発振元の送受信器から超音波を直接受信したときの超音波受信出力と、２回の反射を経た超音波を受信したときの超音波受信出力とを比較することは、実際には同一超音波を比較しているに他ならない。したがって、この比較結果で、大きな差異があれば正確な受信を行なえていないことになり、流路にノイズが入ったとか、回路にノイズが入ったとか、何らかの異常が生じたと考えられる。そうした場合に、再度始めから流速測定をやり直すといった処理を行なうことで、より正確な流量を求めることができるようになり、ひいては当該超音波流量計の信頼性向上に資する。なお、超音波の波形は、サンプルアンドホールド回路によってデジタル化する方法や、一定のスレッショルド電圧を持つシュミットトリガ回路を用いて２値化する方法で容易に記録できる。つまり、Ａ／Ｄ変換した波形同士を比べるのである。
【００１５】
また、一方の送受信器から発振された超音波を、他方の送受信器で最初に受信したときの超音波受信出力の増幅率と、いずれかの送受信器で反射されて戻ってきた超音波を受信したときの超音波受信出力の増幅率とを異ならせることが可能な可変増幅器を設けることができる。具体的には、マイクロコンピュータからの制御信号を受けて、増幅器のフィードバック抵抗をアナログスイッチ等のスイッチで切り替えるようにしたものを用いることができる。このような構成によれば、反射等を経ることによって超音波が減衰しても、最適な増幅率を設定できるようになるから、安定した超音波受信出力が得られる。したがって、高い計測精度を実現できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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、流れ方向上手側の超音波素子２ａと流れ方向下手側の超音波素子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と超音波素子２ａとを含む流路断面において、超音波素子２ｂは超音波素子２ａの反対側に位置している。
【００１７】
測定用の流路１は、超音波素子２ａ−超音波素子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、図５びＡ−Ａ断面で示されるように、流路１は矩形状に形成され、流路１の流れ方向直交断面のうち一方の短辺１１ａを形成する壁面（取付面）に超音波素子２ａが取り付けられる。そして、他方の短辺１１ｂを形成する壁面に超音波素子２ｂが取り付けられる。
【００１８】
超音波素子２ａ，２ｂは、圧電素子、振動板、電極等から構成されたトランスデューサであり、これら超音波素子２ａ，２ｂ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２２、あるいは超音波素子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３２に接続される。超音波素子２ａ，２ｂの接続先の切り替えは、アナログスイッチ等で構成される切替手段３によって行なわれる。切替手段３は、マイクロコンピュータ９によって制御される。例えば、流れ方向上手側（超音波素子２ａ側）から流れ方向下手側（超音波素子２ａ側）に向けて超音波を送信する場合には、超音波素子２ａが送信側（発振元）となるので、切替手段３は、始め、送信手段２２と超音波素子２ａとを接続し、受信手段３２と超音波素子２ｂとを接続することとなる。
【００１９】
また、超音波素子２ａ，２ｂは、流れ方向上手側又は下手側から到来する超音波を受信すると同時に、その超音波を他方の超音波素子２ａ又は２ｂに向けて反射する超音波反射器としての機能を有する。超音波素子２ａ又は２ｂで反射された超音波は、もと来た径路を逆戻りし、他方の超音波素子２ａ又は２ｂで受信される。マイクロコンピュータ９は、超音波を発振するタイミング、反射を経た超音波を受信するタイミングを見計らって切替手段３を制御し、超音波素子２ａ，２ｂの各々の接続先を、送信手段２２から受信手段３２、あるいはその逆に切り替える制御を行なう。
【００２０】
なお、図１中の断面図に示すごとく超音波素子２ａ，２ｂは、互いの向かい合う端面が、壁部１０接触するような配置となっている。このようにすれば、超音波の乱反射を低減できるとともに、反射効率が向上する。
【００２１】
図１において、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の進行方向（超音波素子２ａ，２ｂを結ぶライン）とガスの流れ方向（流れ方向軸線Ｏ）とのなす角をθ、超音波素子２ａ−超音波素子２ｂ間の距離をＬ（＝Ｄ／ｃｏｓθ）とすると、超音波が距離Ｌだけ伝搬するときの順方向到達時間Ｔｄ及び逆方向到達時間Ｔｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｄ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）…（１）
Ｔｕ＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ）…（２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｄ−１／Ｔｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ…（３）
したがって、順方向到達時間Ｔｄと逆方向到達時間Ｔｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。“Ａ”は流路１の断面積である。
ｖ＝（１／２Ｔｄ−１／２Ｔｕ）Ｌ／ｃｏｓθ…（４）
Ｑ＝ｖ・Ａ…（５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（到達時間Ｔｄ，Ｔｕ）と一定値（Ｌ，θ）とから流速ｖが得られる利点を有している。
【００２２】
図１に示すごとく、超音波流量計１００には計測部として、超音波素子２ａ，２ｂにより得られる超音波受信出力を増幅する増幅器４と、後述する「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手段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、何回目の反射波を検出したのか計数および記憶するカウンタとしての機能と、超音波到達時間を計測する時間計測手段としての機能を持つ。
【００２３】
増幅器４は、超音波素子２ａ，２ｂの一方で発振され他方で受信された直接受信信号を増幅する機能、超音波素子２ａ，２ｂの一方で反射され他方で受信された反射受信信号を増幅する機能を有する。この増幅器４は、直接受信信号の増幅率よりも反射受信信号の増幅率が大となるように制御可能な増幅回路によって構成される。増幅率の切り替え制御は、マイクロコンピュータ９に行なわせる。
【００２４】
また、時間計測手段としてのマイクロコンピュータ９は、超音波素子２ａ，２ｂの一方が超音波を発振してから、他方がその超音波を受信するまでの直接到達時間と、超音波素子２ａ，２ｂの一方で反射された超音波を他方が受信するまでの反射到達時間とを計測する。
【００２５】
図２のブロック図に示すごとく、超音波素子２ａ、２ｂによる超音波受信出力は、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がゼロクロスポイント検出手段６に入力される。ゼロクロスポイント検出手段６において、増幅信号Ｖａはゼロクロス型コンパレータ５１（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５２（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）５３のポート＃Ｓ，＃Ｒへ各々入力される。ＲＳＦＦ回路５３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５４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を時間計測手段たるマイクロコンピュータ９に向けて出力する。マイクロコンピュータ９は、ゼロクロスポイント検出信号Ｖｅの入力によって、超音波の伝搬時間を知る。
【００２６】
次に、超音波流量計１００の作動について説明する。
まず、図３のタイムチャートに示すごとく、送信手段２２の送信信号に基づき、上手側の超音波素子２ａより流路１に超音波が発振（放射）される。超音波素子２ａで超音波が発振されてから、その超音波を下手側の超音波素子２ｂが最初に受信するまでの時間Ｔ１１は、Ｔ１１＝（Ｔｄ＋α）となる。ここで遅延時間αは、超音波素子２ｂで超音波を受信したときの超音波受信波形１．５波分（ゼロクロス検出のマージン）の時間や、超音波素子２ａを駆動してから流路１内に実際に超音波が発振されるまでの時間を含むものである。順方向到達時間Ｔｄは、上手側の超音波素子２ａから下手側の超音波素子２ｂに超音波が至るのに要する伝搬時間である。Ｔｕは逆方向到達時間である。
【００２７】
一方、超音波素子２ｂの端面では、超音波素子２ａから発振された超音波が受信と同時に反射される。その反射された超音波を１回反射超音波とする。超音波素子２ｂで超音波が反射されたのち、マイクロコンピュータ９は切替手段３を制御して、受信手投２２と超音波素子２ａとを接続する。そして、流路１を伝搬してくる１回反射超音波を超音波素子２ａで受信する。超音波素子２ｂで超音波の受信・反射が行なわれてから、１回反射超音波を超音波素子２ａが受信するまでの時間は、図３中に示すごとくＴ１２（＝Ｔｕ）となる。
【００２８】
さらに、１回反射超音波を受信した超音波素子２ａの端面では、１回反射超音波が反射される。そのように２回の反射を経た超音波を２回反射超音波とする。２回反射超音波を受信するために、切替手段３が作動して、受信手段２２と超音波素子２ｂとを接続する。そして、流路１を伝搬してくる２回反射超音波を超音波素子２ｂで受信する。超音波素子２ａで１回反射超音波の受信・反射が行なわれてから、２回反射超音波を超音波素子２ｂが受信するまでの時間はＴ１３となる。これらの時間を合計した合計伝搬時間Ｔ１は、図３から直ちに理解できるよう、下記のようになる。
Ｔ１＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋Ｔ１３
＝（Ｔｄ＋α）＋Ｔｕ＋Ｔｄ
＝２Ｔｄ＋Ｔｕ＋α…（６）
【００２９】
合計伝搬時間Ｔ１を計測するために、何回目の反射波の受信であるかをマイクロコンピュータ９のカウンタに記憶させている。すなわち、ゼロクロスポイント検出手段６にてゼロクロスを検出すると、マイクロコンピュータ９のメモリ領域に割り当てられたカウンタを１だけカウントアップする。カウンタの値が１であれば、まだ、直接伝搬された超音波しか受信していないことになるので、２回反射超音波を検出するまで上記の動作を繰り返す。カウンタの値が「３」に達すれば、その時点までを超音波素子２ａより超音波を発振してから、超音波素子２ｂで２回反射超音波を受信するまでの時間とする。
【００３０】
なお、超音波の２回反射波を検出する場合、伝搬した距離により超音波が減衰する。そのため、２回反射超音波を検出するために受信出力の増幅率を確保する必要がある。そのため、反射超音波を検出する場合には、超音波の距離減衰に比例した増幅率で超音波受信出力を受信、検出が可能となるようにする。例えば、図７に示すごとく、アナログスイッチのＯＮ／ＯＦＦによりフィードバック抵抗が変化し、２通り（複数通り）の増幅率を得られるようにした増幅器４２を好適に採用することができる。アナログスイッチのＯＮ／ＯＦＦは、マイクロコンピュータ９によって制御すればよい。図７では２通りの増幅率としているが、例えば３通りの増幅率が得られるようにすれば、段階的に大きい増幅率に切り替えていくといった制御を行なえるようになるので、よりいっそうの計測精度向上を見込める。
【００３１】
次に、下流側の超音波素子２ｂから超音波を送信し、上手側の超音波素子２ａで２回反射超音波を受信するまでの合計伝搬時間Ｔ２を計測する。図４のタイムチャートに示すごとく、主要な動作は既に説明した通りである。すなわち、切替手段３は、始めに超音波素子２ｂを送信側とするため、送信手段２２と超音波素子２ｂとを接続し、超音波素子２ａと受信手段３２とを接続する。送信手段２２の送信信号に基づき、超音波素子２ｂより流路１に超音波が発振される。下手側の超音波素子２ｂで超音波が発振されたのち、その超音波を上手側の超音波素子２ａが最初に受信するまでの時間Ｔ２１は、Ｔ２１＝（Ｔｕ＋β）となる。遅延時間βは、超音波素子２ａで超音波を受信したときの超音波受信波形１．５波分の時間や、超音波素子２ｂを駆動してから流路１内に実際に超音波が発振されるまでの時間を含むものである。
【００３２】
超音波素子２ａの端面では、超音波素子２ｂより発振された超音波が受信と同時に反射される。その１回反射超音波は、再び流路１を伝搬して発振元の超音波素子２ｂで受信される。超音波素子２ａで超音波の受信・反射が行なわれてから、１回反射超音波を超音波素子２ｂが受信するまでの時間はＴ２２となる。さらに、超音波素子２ｂで１回反射超音波の受信・反射が行なわれてから、２回反射超音波を超音波素子２ａが受信するまでの時間はＴ２３となる。これらの時間を合計した合計伝搬時間Ｔ２は、次のようになる。
Ｔ２＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋Ｔ２３
＝（Ｔｕ＋β）＋Ｔｄ＋Ｔｕ
＝Ｔｄ＋２Ｔｕ＋β…（７）
【００３３】
そして、［｛２×（６）式｝−（７）式］から下記（８）式を算出する。［（６）式−｛２×（７）式｝］から下記（９）式を算出する。
２Ｔｄ＝２／３｛（２Ｔ１−Ｔ２）−（２α−β）｝…（８）
２Ｔｕ＝２／３｛（２Ｔ２−Ｔ１）−（２β−α）｝…（９）
【００３４】
ここで、α≒０，β≒０とすれば、上記（８）式及び（９）式と、前述した（４）式及び（５）式より流路１を流れるガス等の流量を求めることができる。このように、本発明の超音波流量計１００においては、反射作用によって超音波の伝搬距離を長く取ることで、流量計測精度の向上を図っている。
【００３５】
なお、いっそうの流量計測精度の向上を狙う場合には、上記α及びβを予め求めておき、流量演算に組み込むようにするとよい。具体的に、上記αは、次のようにして算出できる。まず、超音波素子２ａから流路１内に超音波を発振して、他方の超音波素子２ｂが超音波を受信するまでの時間Ｔｄと、超音波素子２ｂで受信・反射してから、超音波素子２ａで受信するまでの時間Ｔｕを計測する。上記αは、超音波素子２ａを駆動したときのオフセット時間なので、α＝Ｔｄ−Ｔｕで求められる。これと同様な処理を行なえば、上記βは、β＝Ｔｕ−Ｔｄから求めることができる。こうして超音波流量計に固有のα及びβが既知となり、より正確な２Ｔｄと２Ｔｕが得られるので、流量計測精度がいっそう良好となる。
【００３６】
本発明の超音波流量計１００には、以下に説明するいくつかの有意な機能を付加することができ、そうした場合に、さらなる計測精度向上、誤作動防止といった効果を得ることができるようになる。
【００３７】
まず、図６のブロック図に示すごとく、ある一定期間において超音波受信検出を行なわないようにするためのマスク時間設定手段５を、増幅器４とゼロクロスポイント検出手段６との間に配置することができる。マスク時間設定手段５としては、マイクロコンピュータ９によって制御されるアナログスイッチを示せる。マイクロコンピュータ９は、上手側の超音波素子２ａより超音波を発振した後、下手側の超音波素子２ｂで受信・反射されるまでの時間Ｔ１１（図３、４参照）を計測および記憶する。下手側の超音波素子２ｂが超音波を受信することにより、マイクロコンピュータ９にはゼロクロス検出信号が入力される。この入力に応じて、マイクロコンピュータ９は、記憶した時間Ｔ１１をマスク時間設定手段５に設定し、受信信号が検出される可能性が明らかに無い期間において、ノイズなどにより受信信号として検出されるのを防止する。これにより、当該超音波流量計の耐ノイズ性が高くなる。
【００３８】
具体的には、マスク時間設定手段５として構成されるスイッチをＴ１１のあいだオフし、これにより増幅器４とゼロクロスポイント検出手段６とを遮断し、反射波の信号受信が行なわれる可能性のない期間において、超音波素子２ａ，２ｂの受信信号が、時間計測手段であるマイクロコンピュータ９に伝達されないようにすることができる。また、マスク時間設定手段５はＣＲによって構成することもでき、その場合にはＣＲの時定数をＴ１１とすることができる。
【００３９】
また、図６のブロック図に示すごとく、増幅器４の後段に、超音波素子２ａ，２ｂが受信した超音波の波形や振幅をモニタするモニタ回路７を配置することができる。具体的には、このモニタ回路７をサンプルアンドホールド回路等のＡ／Ｄ変換回路で構成すれば、超音波の波形をデジタル化してマイクロコンピュータ９のメモリに記録することができる。また、一定のスレッショルド電圧を有するシュミットトリガ回路をモニタ回路７に組み込めば、超音波の波形を２値化してマイクロコンピュータ９のメモリに記録することができる。すなわち、モニタ回路７を設けることにより、次のような機能を超音波流量計１００に付与することができるようになる。
【００４０】
まず、流路１内に高流速、大流量が発生した場合を想定する。この場合、上手側の超音波素子２ａから超音波を発振し、下手側の超音波素子２ｂでその超音波を受信すると、超音波受信出力の振幅は、流れが無い場合の振幅に比して小さくなる。伝搬時間差法を採用した超音波流量計においては、高流速の場合には、伝搬距離が短くても流速計測精度は比較的良好である。したがって、これまで説明してきたように、超音波が素子間を１．５往復する時間を計測するべき事情が特に無いことになる。そうだとすれば、従来通り、単に片道分の伝搬時間を順方向と逆方向とで計測し、これらを流量演算に用いるようにしてよいことになる。
【００４１】
すなわち、マイクロコンピュータ９は、（ａ）超音波が素子間を１．５往復するのに要した合計伝搬時間を順方向と逆方向とで計測し、これらを流量演算に用いる低流速モードと、（ｂ）超音波が一方の超音波素子で発振され、他方の超音波素子に直に伝搬するのに要した片道伝搬時間を順方向と逆方向とで計測し、これらを流量演算に用いる高流速モードと、をモニタ回路７から取得する振幅データに基づいて選択する（切り替える）制御を行なう。これにより、高流速時の流量演算を簡素化でき、消費電力減に資することとなる一方、低流速時の計測精度も良好となる。好適には、通常は低流速モードで計測を行ない、超音波受信出力の振幅が一定レベル以下のときに高流速モードに切り替わるようにする。
【００４２】
なお、下手側の超音波素子２ｂから超音波を発振し、上手側の超音波素子２ａでその超音波を受信すると、超音波受信出力の振幅は、流れが無い場合の振幅に比して大きくなる現象が見られる場合がある。したがって、計測モード切替の閾値となる設定振幅は、何れの方向の受信波を計測モードの切替に使用するかに応じて定めることが必要である。
【００４３】
また、増幅器４の出力波形をモニタ回路７で２値化し、マイクロコンピュータ９に入力してメモリに記録する構成とすれば、次のような処理を行なうことができる。例えば、超音波素子２ａで発振され、最初に超音波素子２ｂで受信した超音波の波形を、２値化した波形データの形で記録する。同様にして、超音波素子２ｂが受信する２回反射超音波の波形データを記録する。そして、最初の受信波形と後の受信波形とが、どの程度一致するのかを調べる。振幅の大小はあるものの、最初に受信した超音波と２回反射超音波との波形は近いはずなので、通常は波形データの一致割合は高いものとなる。
【００４４】
しかしながら、ノイズが入る等の不具合が発生した場合、波形データの一致割合が著しく低下する。こうした知見より、波形データの比較結果が波形比較プログラムに予め設定した一致割合を下回るなど、明らかに異常を示す場合には、もう一度超音波を送信したり、異常を出力したりといったエラー処理を行なうことが可能になる。このことは、より正確な流量計測を行なうことに直結する。
【００４５】
また、超音波の２回反射を検出するだけでも、計測精度、計測分僻能は向上するが、それ以上に計測精度、計測分解能を確保する必要がある場合は、２回反射波を検出した後に、最初に超音波を発振した超音波素子を再び駆動して、流路１内に超音波を発振し、再度、２回反射超音波を検出し、直後に再び最初に超音波を発振した超音波素子を駆動する動作をある一定回数繰り返す制御、いわゆるシングアラウンド制御を行なうようにしてもよい。シングアラウンド制御によれば計測時間をいっそう長く取れるので、計測精度を低下させることなく比較的低精度のクロックを用いることができる。したがって、部品コスト等の面で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明にかかる超音波流量計の一実施例の基本構成を示す説明図。
【図２】計測部のブロック図。
【図３】本発明の超音波流量計の作動を説明するためのタイムチャート。
【図４】同じく本発明の超音波流量計の作動を説明するためのタイムチャート。
【図５】図１のＡ−Ａ断面図。
【図６】図１の超音波流量計の変形例を示すブロック図。
【図７】複数の増幅率を持つ増幅器の回路図。
【符号の説明】
【００４７】
１  流路
２ａ  超音波素子（上手側送受信器）
２ｂ  超音波素子（下手側送受信器）
３  切替手段
４  増幅器
５  マスク時間設定手段
９  マイクロコンピュータ（カウンタ、時間計測手段、波形比較手段）
１００  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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