(57)【要約】【課題】受信用超音波振動子の共振振動による計測誤差を低減し、精度の高い計測が可能な超音波流量計を提供する。【解決手段】超音波の送受信を行い、超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体が流路を移動する流量を計測する超音波流量計であって、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子１、２と、一対の超音波振動子のうち送信器として機能している送信用超音波振動子を駆動する送信部５１と、一対の超音波振動子のうち受信器として機能している受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部６と備える。送信部５１は、流量を計測するために送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで受信用超音波振動子を駆動する。【選択図】図１
2005189147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送受信を行い、前記超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体が流路を移動する流量を計測する超音波流量計であって、
それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を駆動する送信部と、
前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部と、
を備え、
前記送信部は、流量を計測するために前記送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで前記受信用超音波振動子を駆動する、超音波流量計。
【請求項２】
前記送信部は、前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する、請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を第１のタイミングで駆動する第１の駆動信号および前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子を第２のタイミングで駆動する第２の駆動信号を出力する送信部と、
前記受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部と、
前記一対の超音波振動子間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記一対の超音波振動子の一方に前記送信部を接続し、前記一対の超音波振動子の他方に前記受信部を接続する切り替え部と、
前記受信信号を検知する検知部と、
を備え、前記受信信号の検知に基づき、前記超音波が伝播経路を伝播する伝播時間を求め、双方向における前記伝播時間差から前記流体の流量を求める超音波流量計。
【請求項５】
シングアラウンド法により前記超音波の送受信を繰り返すことによって前記流体の流量を計測するために、前記検知部から受信信号を検知したことを示す検知信号を受け取り、所定の時間経過後に前記送信部へ次の第１および第２の駆動信号を出力するためのトリガ信号を出力する制御部をさらに有する請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第１のタイミングは一定であり、前記第２のタイミングは変化している請求項５に記載の超音波流量計
【請求項７】
前記第２のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている請求項４に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記第２のタイミングは前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化している請求項７に記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第２のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍になっている請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記第１の駆動信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第２の駆動信号が出力されるよう、前記第２のタイミングが定められている請求項９に記載の超音波流量計。
【請求項１１】
前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第２の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる請求項１から１０のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１２】
前記送信部は、前記トリガ信号を受け取って前記第１の駆動信号を生成する第１の波形生成部と、前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、前記遅延部から前記信号を受け取って、前記第２の駆動信号を生成する第２の波形生成部と、前記前記第１の駆動信号および前記第２の駆動信号を増幅する信号増幅部とを含む請求項１１に記載の超音波流量計。
【請求項１３】
前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信器用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第２の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる請求項１から１０のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１４】
前記送信部は、
前記制御部と前記切り替え部との間に挿入され、前記トリガ信号を受け取って前記第１の駆動信号を生成する第１の駆動信号生成部と、
前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、
前記遅延部から前記信号を受け取って前記第２の駆動信号を生成し、前記第２の駆動信号を前記切り替え部へ出力する第２の駆動信号生成部と、
前記第２の駆動信号生成部から第２の駆動信号が生成されている間、前記切り替え部と前記受信部との間の電気的接続を遮断するスイッチ部と、
を含む請求項１３に記載の超音波流量計。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに規定される超音波流量計を備えたガスメータ。
【請求項１６】
流体の流路中に超音波の伝播経路が形成されるよう、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能する一対の超音波振動子を配置し、前記伝播経路を伝播する超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体の流量を計測する、超音波による流量計測方法であって、
受信器として機能する受信用超音波振動子を前記送信器として用いる送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで駆動する流量計測方法。
【請求項１７】
前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する、請求項１６に記載の流量計測方法。
【請求項１８】
前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める請求項１７に記載の流量計測方法。
【請求項１９】
シングアラウンド法により、前記超音波の送受信を複数繰り返し、繰り返しに要した合計の時間から前記超音波の伝播時間を求める請求項１８に記載の流量計測方法。
【請求項２０】
前記送信用超音波振動子を第１のタイミングで駆動する第１の駆動信号および前記受信用超音波振動子を第２のタイミングで駆動する第２の駆動信号を出力するステップを包含し、
前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第１のタイミングを一定にし、前記第２のタイミングを変化させる請求項１９に記載の流量計測方法。
【請求項２１】
前記第２のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている請求項２０に記載の流量計測方法。
【請求項２２】
前記第２のタイミングを前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化させる請求項２１に記載の流量計測方法。
【請求項２３】
前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第２のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍に設定する請求項２２に記載の流量計測方法。
【請求項２４】
前記第１の信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第２の信号が出力されるよう、前記第２のタイミングを定める請求項２３に記載の流量計測方法。
【請求項２５】
前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第１および第２の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、
前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第２の信号を前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力させる請求項１６から２４のいずれかに記載の流量計測方法。
【請求項２６】
前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第１および第２の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、
前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第２の信号を前記送信部から前記受信器用超音波振動子へ出力させる請求項１６から２４のいずれかに記載の流量計測方法。
【請求項２７】
請求項１６から２６のいずれかに規定される流量計測方法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】
【技術分野】
【０００１】
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超音波による流量計測方法に関する。また、本発明はガスメータにも関する。
【背景技術】
【０００２】
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１２は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図である。流体が流れる流路１２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１３において破線で示すように、超音波振動子１および２の間に形成される超音波の伝播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】
超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波を伝播させる場合、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へ超音波を伝播させる場合、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へ超音波が伝播する時間と超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波が伝播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１２の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００５】
上述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。
【０００６】
図１２に示すように、超音波流量計は送信部３および受信部６を備え、超音波振動子１が切り替え部１０によって送信部３または受信部６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６の他方と接続される。
【０００７】
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６によって増幅される。受信信号のレベルをレベル検知部５で検知する。
【０００８】
図１４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１３は、受信信号１４からピークホールド信号１５を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号１５が所定のレベル１６に達したことを検知し、検知信号１７を生成する。ゼロクロス検知部７は、検知信号１７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１８を生成する。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅値が正から負、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間としている。遅延部４は、ゼロクロス検知信号１８を受け取った後、所定の時間が経過したタイミングでトリガ信号を生成する。繰り返し部８は、シングアラウンドによる計測を繰り返すかどうかを判断し、繰り返す場合には送信部３へトリガ信号を出力する。ゼロクロス検知信号３８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。
【０００９】
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−信号検知−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、この送受信ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ 。
【００１０】
計時部９では、所定の回数、送受信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１１へ送られる。次に、切り替え部１０を切り替えて、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。
【００１１】
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播時間となる。
【００１２】
超音波振動子１を送信側にしたときの伝播時間をＴ１とし、超音波振動子２を送信側にしたときの伝播時間をＴ２とする。また、図１３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（１）で表される。
【００１３】
【数１】
2005189147.tif 000003
これらの式から流速Ｖは以下の式（２）で表される。
【００１４】
【数２】
2005189147.tif 000004
【００１５】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００１６】
このような構造を備えた超音波流量計では、超音波振動子１と超音波振動子２との間における超音波の双方向の伝播時間差が流体の流速として計測される。このため、２つの超音波振動子に特性上の差異がある場合、計測誤差が生じる。
【００１７】
計測誤差を小さくする１つの方法は、特性が等しい２つの超音波振動子を用いることである。特性が等しい２つの超音波振動子を選択することは不可能ではない。しかし、適切な２つの超音波振動子を選択するためには、時間やコストを要する。このため、家庭用ガスメータなど、低コストで大量に生産することが求められる民生用の超音波流量計にはこの方法は適していない。
【００１８】
計測誤差を小さくする他の方法として、特許文献１および特許文献２は、超音波振動子１および超音波振動子２側から見て、切り替え部１０を含んだ送信部３の出力インピーダンスおよび受信部６の入力インピーダンスを等しくすることを開示している。この方法によれば、２つの超音波振動子に特性差が存在しても、超音波新装置１を受信器としたときおよび超音波振動子２を受信器としたときとで受信波に差異が生じないようにすることができる。
【特許文献１】特許第１９７８０１０号
【特許文献２】特許第２７７７０８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、本願発明者の研究によれば、送信回路側および受信回路側のインピーダンスを等しくして超音波流量計を作製しても、なお、計測誤差が生じることが分かった。詳細な検討の結果、この計測誤差は、送信用超音波振動子を駆動する駆動信号が受信用超音波振動子へ漏れることに起因することが分かった。
【００２０】
図１５に示すように、上述の構造を有する超音波流量計では、送信部３および受信部６と超音波振動子１および超音波振動子２との接続を切り替え部１０により行う。超音波振動子１および超音波振動子２のそれぞれは、送信部３にも受信部６にも切り替え部１０によって接続される必要があるため、切り替え部１０において、超音波振動子１および超音波振動子２にそれぞれ電気的に接続される配線は近接して配置される。このため、たとえは、送信部３が超音波振動子１と電気的に接続される場合であっても、送信部３と超音波振動子２とは寄生容量４２を介して電気的に接続されている。その結果、送信部３から出力される駆動信号Ｓｔは、切り替え部１０によって超音波振動子１へ出力されるとともに、寄生容量４２を介して伝播する漏れ信号Ｓｔ’として超音波振動子２へも出力される。
【００２１】
図１６は、送信部３から駆動信号Ｓｔが出力される場合の超音波振動子１および超音波振動子２の振動による変位を示している。図において、横軸は時間を表している。図１６に示すように、駆動信号Ｓｔによって超音波振動子１が振動するとき、寄生容量４２を介して伝播する漏れ信号Ｓｔ’によって超音波振動子２も振動を開始する。つまり、受信側の超音波振動子２は、計測すべき流体を伝播してくる超音波を受信する前に振動を開始する。
【００２２】
駆動信号Ｓｔによって振動した超音波振動子１は、流体へ超音波を送信する。一方、超音波振動子２では、駆動信号Ｓｔが減衰するにつれて漏れ信号Ｓｔ’も減衰するため、超音波振動子２の振動も減衰する。しかし、完全に振動が停止することはなく、超音波振動子２は、超音波振動子２自体の共振周波数で振動を続ける。その後、超音波振動子１から送信され、流体を伝播してきた超音波を受信して、受信信号Ｓｒとして超音波振動子１は振動する。このとき、漏れ信号Ｓｔ’に起因して生じていた共振振動と、受信信号Ｓｒとが重畳し、受信信号Ｓｒの波形は変形する。
【００２３】
図１７はこの場合におけるゼロクロス検知を説明している。漏れ信号Ｓｔ’に起因して生じていた共振振動成分２５が受信信号１４に重畳するため、超音波振動子２から受信信号として受信部６へ出力される信号は受信信号１４’となる。このため、真のゼロクロス検知時刻２６から遅れた時刻２７がゼロクロス検知時刻となる。
【００２４】
このような誤差は、超音波振動子２を送信器として用いる場合にも生じる。また、共振振動成分２５は超音波振動子の特性ごとに異なる。したがって、２つの超音波振動子の特性が完全に等しくなければこのような漏れ信号に基づく、計測誤差が生じる。
【００２５】
本願発明者の検討によれば、たとえば、超音波流量計が家庭用ガスメータに用いられるものである場合、漏れ信号に起因して生じていた共振振動成分２５の振幅が受信信号１４に対して−６８ｄＢ（約１００００分の４）であっても、最大で０．４Ｌ／ｈの計測誤差を引き起こす。家庭用ガスメータは、ガス漏れを検知する機能も求められており、１Ｌ／ｈ程度の流量に基づいてガス漏れの判別を行うため、漏れ信号による計測誤差は、ガス漏れ検知に影響が生じる程度に十分大きな値となる。
【００２６】
本発明は、このような従来技術の問題を解決し、計測誤差の小さい超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の超音波流量計は、超音波の送受信を行い、前記超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体が流路を移動する流量を計測する。超音波流量計は、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を駆動する送信部と、前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部とを備え、前記送信部は、流量を計測するために前記送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで前記受信用超音波振動子を駆動する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める。
【００３０】
また、本発明の超音波流量計は、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を第１のタイミングで駆動する第１の駆動信号および前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子を第２のタイミングで駆動する第２の駆動信号を出力する送信部と、前記受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部と、前記一対の超音波振動子間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記一対の超音波振動子の一方に前記送信部を接続し、前記一対の超音波振動子の他方に前記受信部を接続する切り替え部と、前記受信信号を検知する検知部とを備え、前記受信信号の検知に基づき、前記超音波が伝播経路を伝播する伝播時間を求め、双方向における前記伝播時間差から前記流体の流量を求める。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、シングアラウンド法により前記超音波の送受信を繰り返すことによって前記流体の流量を計測するために、前記検知部から受信信号を検知したことを示す検知信号を受け取り、所定の時間経過後に前記送信部へ次の第１および第２の駆動信号を出力するためのトリガ信号を出力する制御部をさらに有する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第１のタイミングは一定であり、前記第２のタイミングは変化している。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記第２のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記第２のタイミングは前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化している。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第２のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍になっている。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、前記第１の駆動信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第２の駆動信号が出力されるよう、前記第２のタイミングが定められている。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第２の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる。
【００３８】
ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記トリガ信号を受け取って前記第１の駆動信号を生成する第１の波形生成部と、前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、前記遅延部から前記信号を受け取って、前記第２の駆動信号を生成する第２の波形生成部と、前記前記第１の駆動信号および前記第２の駆動信号を増幅する信号増幅部とを含む。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信器用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第２の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記制御部と前記切り替え部との間に挿入され、前記トリガ信号を受け取って前記第１の駆動信号を生成する第１の駆動信号生成部と、前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、
前記遅延部から前記信号を受け取って前記第２の駆動信号を生成し、前記第２の駆動信号を前記切り替え部へ出力する第２の駆動信号生成部と、前記第２の駆動信号生成部から第２の駆動信号が生成されている間、前記切り替え部と前記受信部との間の電気的接続を遮断するスイッチ部とを含む。
【００４１】
本発明のガスメータは、上記いずれかに規定される超音波流量計を備えている。
【００４２】
本発明の超音波による流量計方法は、流体の流路中に超音波の伝播経路が形成されるよう、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能する一対の超音波振動子を配置し、前記伝播経路を伝播する超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体の流量を計測し、受信器として機能する受信用超音波振動子を前記送信器として用いる送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで駆動する。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、シングアラウンド法により、前記超音波の送受信を複数繰り返し、繰り返しに要した合計の時間から前記超音波の伝播時間を求める。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、前記方法は、前記送信用超音波振動子を第１のタイミングで駆動する第１の駆動信号および前記受信用超音波振動子を第２のタイミングで駆動する第２の駆動信号を出力するステップを包含し、前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第１のタイミングを一定にし、前記第２のタイミングを変化させる。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記第２のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている。
【００４８】
ある好ましい実施形態において、前記第２のタイミングを前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化させる。
【００４９】
ある好ましい実施形態において、前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第２のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍に設定する。
【００５０】
ある好ましい実施形態において、前記第１の信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第２の信号が出力されるよう、前記第２のタイミングを定める。
【００５１】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第１および第２の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第２の信号を前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力させる。
【００５２】
ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第１および第２の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第２の信号を前記送信部から前記受信器用超音波振動子へ出力させる。
【００５３】
本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかに規定される流量計測方法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。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、流量を計測するために送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで受信用超音波振動子を駆動する。このため、受信用超音波振動子の共振振動の位相を流体を伝播してきた超音波を受信することによって生じる振動の位相に対して調節することが可能となる。したがって、共振振動の位相を異ならせて、複数回受信することによって、共振振動の影響を低減することができ、測定誤差の小さい超音波流量計および超音波による流量計測方法が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
（第１の実施形態）
図１は、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。超音波流量計１０１は、流体の流路１２中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信部５１と、受信部６とを備えている。
【００５６】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２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１から送信された超音波は第２の超音波振動子２により受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第1の超音波振動子１により受信する。これら双方向の伝播路は、流路１２を流れる流体の流れる方向に対して角度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。以下、受信器として用いられる場合の超音波振動子を受信用超音波振動子と呼び、送信用超音波振動子を送信用超音波振動子と呼ぶ。上述したように、超音波の伝播方向に応じて、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のそれぞれが、受信用超音波振動子となり、送信用超音波振動子となる。
【００５７】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２としては、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、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類、また予測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、例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。
【００５８】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、切り替え部１０を介して送信部５１および受信部６に接続される。切り替え部１０は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子部等により構成されるものであってもよい。送信部５１と第１の超音波振動子１とが電気的に低インピーダンスで接続される時には、第２の超音波振動子２が受信部６と電気的に低インピーダンス（たとえば３０Ω）で接続される。このとき、選択しない組み合わせである、送信部５１および第２の超音波振動子２、ならびに、受信部６および第１の超音波振動子１は、図１５を参照して説明したように、容量結合によって高インピーダンス（たとえば１０ｋΩ）で接続される。つまり、送信部５１および第２の超音波振動子２、ならびに、受信部６および第１の超音波振動子１は、送信部５１および第１の超音波振動子１、ならびに、受信部６および第２の超音波振動子２よりもはるかに高いインピーダンスで電気的に接続される。
【００５９】
また、送信部５１および第２の超音波振動子２、ならびに、受信部６および第１の超音波振動子１が電気的に低インピーダンスで接続される時には、送信部５１および第１の超音波振動子１、ならびに、受信部６および第２の超音波振動子２が電気的に高インピーダンスで接続される。
【００６０】
送信部５１は、以下で詳細に説明するように、送信用超音波振動子から計測用超音波を送信するための第１の駆動信号、および、受信用超音波振動子を駆動するための第２の駆動信号を生成する。通常、受信用超音波振動子は超音波を受信して電気的信号を出力する。本発明では、受信用超音波振動子を積極的に駆動して振動させた状態で超音波を受信する。この受信用超音波振動子の駆動は、上述の切り替え部１０における送信部５１と受信用超音波振動子との高インピーダンス接続により行う。送信用超音波振動子を駆動する第１の駆動信号も高インピーダンス接続によって受信用超音波振動子に漏洩し、従来と同様振動するが、本発明では第１の駆動信号の後、第１の駆動信号とは異なるタイミングで生成する第２の駆動信号を用いて受信用超音波振動子を駆動する。これによって、受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減させる。
【００６１】
具体的には、送信部５１は、第１の波形生成部２０と、第２の波形生成部２１と、遅延部２２と、増幅部５２とを含む。遅延部２２と第２の波形部２１とは直列に接続され、かつ、第１の波形生成２０に対して並列に接続されている。これらの並列回路は、増幅部５２と制御部５４との間に挿入されている。
【００６２】
制御部５４からトリガ信号が出力されると、第１の波形生成部２０は、トリガ信号を受け取って、所定の第１のタイミングで第１の駆動信号を生成し、増幅部５２へ出力する。
また、遅延部２２は、トリガ信号を受け取ると、所定の遅延時間経過後である第２のタイミングで信号を第２の波形生成部２１出力する。第２の波形生成部２１は、信号を受け取って第２の駆動信号を出力する。つまり、第２の駆動信号は第２のタイミングで生成される。生成した第２の駆動信号は増幅部５２へ出力される。
【００６３】
第１の超音波振動子１を送信用に用いる場合には、切り替え部１０によって、送信部５１と第１の超音波振動子１が低インピーダンスで接続される。送信部５１で生成した第１の駆動信号および第２の駆動信号は第１の超音波振動子１を駆動し、超音波が流体中に送信される。このとき送信部５１と高インピーダンス接続された第２の超音波振動子２は、高インピーダンスにより減衰した第１の駆動信号および第２の駆動信号により駆動される。
【００６４】
その後、第２の超音波振動子２に到達した超音波が電気信号に変換され、受信信号の振幅が受信部６によって調節される。通常、受信用超音波振動子の出力は小さいため、受信信号は適当な増幅率で増幅される。しかし、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００６５】
超音波流量計１０１はさらに検知部５３、制御部５４および演算部５５を備える。受信部６によって増幅された受信信号は、検知部５３へ送られる。検知部５３は、受信信号を検知し、受信信号を受け取った時間を決定する。検知部５３は、ゼロクロス検知部７と、ピークホールド部１３と、レベル検知部５とを含む。図１４を参照して説明したように、ピークホールド部１３は、受信信号１４を受け取って、受信信号１４のピーク値をホールドしたピークホールド信号１５を生成する。レベル検知部５は、ピークホールド信号１５が所定のしきい値１６に達したとき、信号１７をゼロクロス検知部７へ出力する。ゼロクロス検知部７は、レベル検知部５から信号を受け取った直後に、受信信号１４の振幅が正から負へ、または、負から正へ変化する点をゼロクロスポイントとして検知し、検知信号１８生成する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とする。
【００６６】
制御部５４は、検知信号１８を受け取り、所定の遅延時間の経過後に送信部へトリガ信号を出力する。このために、制御部５４は遅延部４および繰り返し部８を含む。遅延部４は、検知信号に基づいて所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成する。繰り返し部８は、遅延部４のトリガ信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部４の出力を送信部５１へ出力する。送信部５１は、トリガ信号を受け取って上述したように次の第１の駆動信号および第２の駆動信号を生成する。このようにして、シングアラウンド法により超音波の送受信を繰り返す。
【００６７】
演算部５４は、計時部９および流量算出部１１を含む。計時部９は、所定の回数だけ、上述の送受信のループ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１１へ送る。流量算出部１１は、第１の超音波振動子１から第２の超音波振動子２に向かって超音波を伝播させた場合の伝播時間および第２の超音波振動子２から第１の超音波振動子１に向かって超音波を伝播させた場合の伝播時間をそれぞれ求め、伝播時間差から流速および流量を求める。
【００６８】
本実施形態において、上述の各構成要素は、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。流量算出部１１は、マイコン等によって実現される。このマイコンは、各構成要素の制御も行う。上述の各構成要素の機能がソフトウエアによって実現される場合には、各構成要素は、その機能を実現する手順あるいは工程を意味する。この場合、各構成要素は、たとえば、「ピークホールドステップ」、「ゼロ検知ステップ」等、「部」を「ステップ」に置き換えて呼んでもよい。また、ハードウエアあるいはソフトウエアのいずれによっても機能を実現することが可能であり、各構成要素の機能が実現しうる限り、その機能を実現する構成に制限はないので、「ピークホールド手段」、「ゼロ検知手段」等、「部」を「手段」に置き換えて各構成要素を呼んでもよい。以下の実施形態においても同様に各構成要素を構成し、また、各構成要素を参照することが可能である。
【００６９】
次に超音波流量計１０１において受信用超音波振動子が受信する信号について説明する。図２は、送信部５１から出力される信号、送信用超音波振動子の振動および受信用超音波振動子の振動の振幅を示している。図において横軸は時間を示しており、同じ時刻を基準にしている。上述したように送信部５１は、超音波を送信し、伝播時間を一度測定（検知）する場合に、第１の駆動信号６１および第２の駆動信号６２を出力する。第１の駆動信号６１は送信用超音波振動子を駆動するために用いられ、第２の駆動信号６２は受信用超音波振動子を駆動するため用いられる。図２に示すように、第１の駆動信号が時刻ｔ１で出力されると、第１の駆動信号により、ほぼ同時刻において送信用超音波振動子が波形６１ａで振動し始める。また、同時に、切り替え部における容量結合によって、第１の駆動信号が受信用超音波振動子にも出力される。このため、波形６１ｂで受信用超音波振動子が振動し始める。波形６１ｂの振幅は波形６１ａほど大きくはない。受信用超音波振動子の駆動は容量結合によるものであるため、第１の駆動信号が減衰しているからである。
【００７０】
第１の駆動信号６１の出力が終了すると、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動は減衰する。しかし、これらの超音波振動子はそれぞれの超音波振動子の共振周波数で振動を続ける。このため、受信用超音波振動子は波形６３で振動を続ける。送信用超音波振動子も同様に共振周波数で振動を続けるが、本発明では、送信器側の振動は重要ではないため、図２では図示していない。
【００７１】
時刻ｔ２で第２の駆動信号６２が送信部５１から出力されると、同様に、第２の駆動信号により、ほぼ同時刻において送信用超音波振動子が波形６２ａで振動し始める。また、同時に、波形６２ｂで受信用超音波振動子が振動し始める。その後第２の駆動信号６２の出力が終了すると、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動は減衰し、同様に、受信用超音波振動子は波形６４で示す共振周波数で振動を続ける。このとき、波形６４で示す共振振動の位相は、第２の駆動信号６２の出力時刻ｔ２で決定している。
【００７２】
その後、送信用超音波振動子が波形６１ａで示すように振動することによって生成した超音波が流体中を伝播し、受信用超音波振動子に到達する。このとき、波形６４で示す共振周波数で振動している受信用超音波振動子は、受け取った超音波によって、波形６１ｃで示すように振動する。つまり、共振振動に受信による振動が重畳される。図に示すように、流体中を伝播してきた超音波によって受信用超音波振動子が振動始める時刻は時刻ｔ１から時間ｔ３を経過後であり、この時間は超音波が流体中を伝播する伝播時間に等しい。シングアラウンド法により繰り返して行う計測中の数十回程度の計測に要する時間は十分に短く、このような短時間では流体の流量変化はほとんどない。つまり、ｔ３はシングアラウンド法による計測中、一定である。受信する超音波の位相は、第１の駆動信号が生成されるタイミング（時刻ｔ１）で決定する。一方、受信用超音波振動子が波形６４で示される共振振動を行う場合の位相は第２の駆動信号が生成されるタイミング（時刻ｔ２）で決定する。このため、これら２つの振動の位相は、任意に調節することができる。
【００７３】
共振振動に受信信号が重畳することによって、受信信号のゼロクロスポイントも共振振動の影響を受ける。特に２つの超音波振動子の共振周波数が異なる場合には、超音波の伝播方向によっても影響に差異が生じる。しかし、第２の駆動信号を生成するタイミングを共振周波数に基づいて定めることによって、共振振動による影響を調節することが可能となる。具体的には、一方向における超音波の伝播時間を求める際、共振振動の位相を異ならせて複数回超音波を送受信する。これにより、共振振動の影響をキャンセルさせることができる。たとえば、振動の位相をシングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化させることによって、共振振動の影響をキャンセルさせることができる。
【００７４】
以下、シングアラウンド法を用いて流量を計測する場合において、共振振動の影響をキャンセルさせる方法を説明する。ここでは、受信用超音波振動子の共振周波数を５００ｋＨｚ（周期２μｓ）とする。図３は、送信部５１から出力させる駆動信号の波形を示している。まずシングアラウンド法による計測の繰り返しのうち、第１回目の計測（繰り返し）では、第１の駆動信号２８を生成は、たとえば、制御部からトリガ信号を受け取ったタイミングで行う。また、第２の駆動信号２９を生成は、第１の駆動信号２８の生成から遅延時間３０を経過したタイミングで行う。遅延時間３０は送信部５１の遅延部２２によって作成、調整される。第２回目の計測では、図に示すように、第１の駆動信号２８および第２の駆動信号３０を生成する。第１の駆動信号２８の生成のタイミングは一回目の計測と同じである。これに対し、第２の駆動信号３０の生成は、第１の駆動信号２８の生成のタイミングから時間ｄ１だけ遅れている。ｄ１は受信用超音波振動子の共振振動の周期の１／１０である０．２μｓに設定されている。
【００７５】
以降、第１の駆動信号の生成タイミングは、計測ごとには変化せず一定であるが、第２の駆動信号の生成タイミングは、１／１０周期ずつ遅らせる。このため、第１０回目の計測では、第１の駆動信号２８の生成タイミングは、第１回目における第１の駆動信号２８の生成タイミングと一致しているが、第２の駆動信号３１の生成タイミングは、１回目における第２の駆動信号２９の生成タイミングから９／１０周期（１．８μｓ）である時間ｄ９だけ遅れている。第１１回目の計測において、第２の駆動信号２９の生成タイミングは、第１回目の計測における第２の駆動信号２９とちょうど１周期ずれるため、第１回目の計測における第２の駆動信号２９と同じタイミングとなる。
【００７６】
図４は、図３に示す駆動信号が送信部５１から出力されるときに、切り替え部１０を介して受信用超音波振動子へ漏れる信号の波形を示している。容量結合によって信号の漏れが生じるため、駆動信号の波形は異なっている。また、図４では見やすさのため、図３に示す駆動信号とほぼ等しい振幅で信号が示されているが、実際の振幅は送信部５１で生成される駆動信号の振幅よりも小さくなっている。
【００７７】
図に示すように、漏れた第１の駆動信号２８ｒのタイミングは送信部における第１の駆動信号の生成のタイミングとほぼ一致している。つまりシングアラウンドによる繰り返し中、漏れた第１の駆動信号２８ｒのタイミングは一定である。
【００７８】
漏れた第２の駆動信号のタイミングも、送信部５１において第２の駆動信号が生成されるタイミングとほぼ一致する。このため、第２回目の計測における漏れた第２の駆動信号３０ｒおよび第１０回目の計測における漏れた第２の駆動信号３１ｒの生成タイミングは、第１回目の計測における漏れた第２の駆動信号２９ｒの生成タイミングから時間ｄ１（１／１０周期）およびｄ９（９／１０周期）だけ遅れている。第１１回目の計測における漏れた第２の駆動信号２９ｒの生成のタイミングは第１回目と同じである。
【００７９】
図５は、図４に示す信号により駆動される受信用超音波振動子の振動波形を示している。漏れた第１の駆動信号２８ｒおよび漏れた第２の駆動信号２９ｒ、３０ｒ、３１ｒによって受信用超音波振動子が駆動され振動する。図に示すように、漏れた第１の駆動信号２８ｒによって生じる振動波形２８ｂのタイミングはシングアラウンドの繰り返し中、一定である。シングアラウンド法による繰り返しのいずれの計測においても、漏れた第１の駆動信号２８ｒの出力が終了すると、受信用超音波振動子は波形６５ｂで示すように、共振周波数で振動する。
【００８０】
漏れた第２の駆動信号によって駆動される受信用超音波振動子の振動のタイミングも、送信部５１において第２の駆動信号が生成されるタイミングとほぼ一致する。具体的には、第２回目の計測における漏れた第２の駆動信号３０ｒおよび第１０回目の計測における漏れた第２の駆動信号３１ｒによって生じる振動波形３０ｂ、３１ｂのタイミングは、第１回目の計測における漏れた第２の駆動信号２９ｒによって生じる振動波形２９ｂのタイミング時間ｄ１（１／１０周期）およびｄ９（９／１０周期）だけ遅れている。つまり、シングアラウンドによる計測ごとに、１／１０周期ずつ、漏れた第２の駆動信号による振動のタイミングが遅れている。
【００８１】
このため、漏れた第２の駆動信号による振動が減衰し、受信用超音波振動子が共振周波数で振動する場合の振動波形６６ｂ、６７ｂ、６８ｂの位相が、シングアラウンドによる計測ごとに、１／１０周期ずつ遅れている。具体的には、第２回目の計測における振動波形６７ｂおよび第１０回目の計測における振動波形６８ｂの位相は、第１回目の計測における振動波形６６ｂに対して時間ｄ１およびｄ９だけ遅れている。
【００８２】
図６は、受信用超音波振動子が図５に示すように振動している状態において、第１の駆動信号２８によって送信用超音波振動子から送信された超音波が流体中を伝播し、受信用超音波振動子に受信されたときの超音波振動子の振動を示している。図６に示すように、超音波の受信により振動波形２８ａが生じる。図２を参照して説明したように、シングアラウンドによる計測を１０回繰り返すのに要する時間は短いため、この間、流速に変化はなく、流体を伝播する超音波の伝播時間ｔ３は一定とみなせる。このため、振動波形２８ａが生じるタイミングも、シングアラウンドによるいずれの繰り返しにおいて一致する。
【００８３】
振動波形２８ａが生じる際、受信用超音波振動子は共振周波数で振動している。図に示すように、第１回目、２回目、１０回目および１１回目の計測では、振動波形６６ｂ、６７ｂ、６８ｂおよび６６ｂで振動しており、これらの振動波形に振動波形２８ａが重畳される。この際、共振振動の位相は、計測ごとに１／１０周期ずつ遅れ、１１回目の計測では、１回目の計測の時の位相と一致している。
【００８４】
受信した超音波による振動波形と共振振動の振動波形との重畳した振動波形が、受信用超音波振動子の実際の振動波形となり、受信用超音波振動子が出力する受信信号に対応する。このため、受信信号の波形は、共振振動の影響により変化し、ゼロクロスポイントも真の位置から変動する。しかし、受信用超音波振動子の共振振動は三角関数で近似することができ、シングアラウンドにより１回目から１０回目までの計測時間を合計した場合、位相が１／１０周期ずつずれた共振振動の影響が共振振動の１周期分合計される。このため、共振振動の影響は、１回目から１０回目までの計測時間を合計することによりキャンセルされ、得られる計測時間には共振周波数の影響が排除される。この場合、シングアラウンドの回数を１０の整数倍にしても同様の効果が得られる。
【００８５】
図７（ａ）は、位相の異なる共振振動の影響がキャンセルことを説明するグラフである。図において、波形３３は、周波数５００ｋＨｚ、周期２μｓで振動している信号を示している。この信号の位相を０．２μｓずらせて１周期分生成し、生成した９つの信号波形３３に重ね合わせると、波形３４に示される信号となる。図から明らかなようにほぼ完全に、信号の振幅が相殺されている。このことから上述したようにシングアラウンドによる計測を行うことによって、共振周波数による影響をキャンセルできる。
【００８６】
図７（ｂ）は、周波数５１０ｋＨｚ、周期１．９６μｓで振動している信号の波形３５を示している。この信号の周期を１０等分すると０．９６μｓとなるが、図７（ａ）と同様に、位相を０．２μｓずつ遅らせた９つの信号を生成し、波形３５に重ねあわせると、波形３６で示される信号が得られる。図に示すように、波形３６の最大振幅は波形３５の約２０％になっている。このことから、共振周波数から１０Ｈｚ程度異なった周波数を基準として位相をずらせ、シングアラウンドにより計測を繰り返しても、共振振動による影響をかなり低減することができることがわかる。
【００８７】
一般に、受信用超音波振動子の共振周波数をｆとし、Ｎを２以上の整数とした場合、第２の駆動信号を生成するタイミングは、シングアラウンドによる繰り返しの計測ごとに、１/（ｆＮ）ずつ位相を変化させる。そして、シングアラウンド回数をＮの整数倍（１以上）に設定すればよい。これにより、超音波の伝播時間の計測に共振周波数の影響が生じることを防止することができる。
【００８８】
Ｎの値は、１６〜５１２であることが好ましい。１６よりも小さいと、共振振動の１周期中で測定する測定点の数が少なくなり、計測時間を合計した場合に共振振動の影響が十分にはキャンセルされない可能性がある。一方５１２より大きい場合には、共振振動の１周期分を合計するために要するシングアラウンドの計測時間が長くなる。これにより、計測すべき流体の流速によっては、その間流速が一定と見なせない場合が生じ、計測誤差が生じる可能性がある。
【００８９】
このような効果を得て正しく流量の計測を行うためには、図６から明らかなように、流体中を伝播してきた超音波を受信用超音波振動子が受信する前に、第２の駆動信号が出力されていることが必要であり、第２の駆動信号に基づく振動波形２９ｂが十分に減衰し、受信用超音波振動子が共振周波数で振動していることがより好ましい。
【００９０】
また、図には示していないが、第２の駆動信号は送信用超音波振動子も駆動するため、第２の駆動信号によって送信用超音波振動子から送信された超音波を受信用超音波振動子が受信し、検知部５４において検知しないよう、検知部５４に第１の駆動信号による超音波を検知した後、所定の時間ゼロクロス検知を行わないよう、検知禁止時間を設けておくことが好ましい。
【００９１】
流量の計測では、図１に示すように、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の間において双方向の伝播時間を計測する必要がある。このため、受信用超音波振動子の共振周波数をｆは、その計測を行っているときに受信用超音波振動子となっている第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の共振周波数ｆを用いることが好ましい。しかし、図７を参照して説明したように、遅延させる位相は共振周波数から多少、異なっていても、共振振動の影響を低減させることができる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の共振周波数が一致していないが、その差異が１０％程度であれば、どちら一方の共振周波数、あるいは、これら２つの超音波振動子の共振周波数の平均値を用いて、双方向の伝播時間を計測してもよい。
【００９２】
次に、超音波流量計１０１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等のコンピュータにより、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ラグラムが、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。
【００９３】
まず、図１に示すように、送信部５１が第１の超音波振動子１と低インピーダンスで接続され、受信部６が第２の超音波振動子２に低インピーダンスで接続されるように切り替え部１０を切り替える。
【００９４】
図８に示すように、トリガ信号４５を送信部５１に入力する。トリガ信号に基づいて第１の駆動信号２８（図３）を生成するとともに、遅延部２２によって遅延時間３０の経過後に第２の駆動信号２９を生成する。増幅部３においてこれらを増幅し、第１の駆動信号および第２の駆動信号により、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。このとき、第２の超音波振動子２へ漏れた第１の駆動信号および第２の駆動信号によって、第２の超音波振動子２も駆動される。
【００９５】
流路１２を伝播した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信される。受信時に第２の超音波振動子２は共振振動しているため、この受信信号には、所定のタイミングで生成された第２の駆動信号により所定の位相で振動している共振振動成分が重畳している。受信部６によって受信信号１４が増幅される。
【００９６】
検知部５３において、受信信号１４がゼロクロス検知され、一回目の計測が完了する。制御部５４においてゼロクロス検知から所定の遅延時間４６を経過した後に次のトリガ信号４７を送信部５１へ出力する。このときトリガ信号の数がカウントされる。これによりシングアラウンドの１ループを構成する。
【００９７】
次のトリガ信号を受け取った送信部５１は、同様に２回目の計測のための第１および第２の駆動信号を生成する。第１の駆動信号を生成するタイミングは、１回目の計測の時のタイミングと同じであるが、第２の駆動信号は遅延部２２によって、１回目の計測のときのタイミングより、１／（ｆＮ）遅らせる。たとえば、共振周波数が５００ｋＨｚで、Ｎを１０にする場合には、０．２μｓである。
【００９８】
同様にして、０．２μｓずつ第２の駆動信号を生成する時間を遅らせながら、シングアラウンドにより計測を繰り返す。１１回目の計測では、第２の駆動信号を生成させる遅延時間は第１回目と同じ値を用いる。
【００９９】
所定の回数（例えば５０〜１０００回）であって、Ｎの整数倍となる回数、送受信のループを繰り返した後、計時部９は、ループを繰り返すのに要した全時間４８を計測し、測定結果を流量算出部１１へ送る。
【０１００】
流量算出部１１において、全時間４８をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４６を引いた値が式（１）に示すＴ１となる。
【０１０１】
次に、切り替え部１０を用いて、送信部３を第２の超音波振動子２へ低インピーダンスで接続し、受信部６を第１の超音波振動子１へ低インピーダンスで接続する。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２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。このとき、第２の駆動信号を生成するタイミングを定めるために用いる共振周波数には、第１の超音波振動子１の値を用いることが好ましい。しかし、２つの超音波振動子の共振周波数の差異が小さい場合には、第２の超音波振動子の共振周波数を用いてもよい。
【０１０２】
所定の回数、送受信のループを繰り返した後、計時部９では、ループを繰り返すのに要した全時間４８を計時し、測定結果を流量算出部１１へ送る。全時間４８をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間４６を引いた値が、式（１）に示すＴ２となる。
【０１０３】
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。更に流路１２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。
【０１０４】
このように、本実施形態によれば、切り替え部で生じる駆動信号のリークによって受信用超音波振動子が共振する場合でも、リークを積極的に利用して、共振振動の位相を制御することにより、流量計測の測定誤差を小さくすることができる。
【０１０５】
なお、上述の説明から明らかなように、受信用超音波振動子の共振振動による影響は、共振振動の位相を異ならせて、複数回超音波を受信すれば低減することが可能であり、複数回超音波を受信する方法はシングアラウンド法に限られない。たとえば、各計測において、超音波の送信時刻と受信（検知）時刻とを計測して伝播時間を求め、その合計値を用いて一方向の伝播時間を求めてもよい。
【０１０６】
また、本実施形態では、切り替え部によって生じる駆動信号の漏れにより、超音波振動子が共振する場合を説明したが、他の原因により受信用超音波振動子が共振する場合にも本発明はその共振の影響を効果的に低減することができる。たとえば、送信用超音波振動子から送信された超音波を受信することによって、受信用超音波振動子は振動するが、振動が減衰した後も受信用超音波振動子は共振周波数で振動し続ける場合がある。このような場合にも、上述したように、受信用超音波振動子を所定の位相で共振させることによって、共振の影響を低減することができる。
【０１０７】
（第２の実施形態）
図９は、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。超音波流量計１０２は、第１の実施形態の送信部５１に換えて送信部５６を備えている点で第１の実施形態とは異なっている。
【０１０８】
第１の実施形態では、受信用超音波振動子を駆動するために、切り替え部１０における信号の漏れを利用して受信用超音波振動子を駆動していたが、本実施形態では、送信部と受信用超音波振動子とを低インピーダンスで接続して駆動信号を与える。このために、送信部５１は、第１の駆動信号生成部５７と、第２の駆動信号生成部３８と、遅延部３９とスイッチ部４３とを含む。
【０１０９】
第１の駆動信号生成部５７は制御部５４と切り替え部１０との間に接続されている。制御部５４からトリガ信号が出力されると、第１の駆動信号生成部５７はトリガ信号に基づいて第１の駆動信号を生成し、切り替え部へ出力する。
【０１１０】
第２の駆動信号生成部３８と遅延部３９とは直列に接続され、制御部５４と切り替え部１０との間に接続されている。制御部５４からトリガ信号が出力されると、遅延部３９はトリガ信号を受け取ってから所定の遅延時間が経過した後、第２の駆動信号生成部３８および遅延部３９へ信号を出力する。第２の駆動信号生成部３８は、遅延部３９から受け取る信号に基づいて第２の駆動信号を生成し、切り替え部へ出力する。
【０１１１】
スイッチ部４３は、切り替え部１０と受信部６との間に接続されており、たとえば、スイッチ制御部４０とスイッチ４１とによって構成されている。スイッチ部４３は、遅延部３９から信号を受け取って、所定の期間、切り替え部１０と受信部６との間を電気的に遮断する。
【０１１２】
したがって、第１の超音波振動子１から第２の超音波振動子２に向かって超音波を送信し、流体中を伝播する超音波の伝播時間を求める場合には、切り替え部１０は、送信用超音波振動子である第１の超音波振動子１と第１の駆動信号生成部５７とを低インピーダンスで電気的に接続する。また、受信用超音波振動子である第２の超音波振動子２と第２の駆動信号生成部３８およびスイッチ部４１とを低インピーダンスで電気的に接続する。
【０１１３】
なお、第１の駆動信号生成部５７および第２の駆動信号生成部３８から出力される信号は、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子をそれぞれ駆動するための適切な振幅を備えるよう増幅されている。第２の駆動信号生成部３８から出力される第２の駆動信号は、受信用超音波振動子を共振振動させる程度の振幅を備えておればよく、流体中を伝播してくる超音波を受信する際に悪影響を与えないよう、第１の駆動信号の振幅に比べて、十分小さくなっている。
【０１１４】
図１０を参照して超音波流量計１０２の動作を説明する。図１０は、第１の駆動信号生成部５７および第２の駆動信号生成部３８の出力信号と送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動振幅とを時間軸をそろえて示している。
【０１１５】
図に示すように、第１の駆動信号生成部５７から第１の駆動信号６１が時刻ｔ１で出力されると、第１の駆動信号６１により、ほぼ同時刻において送信用超音波振動子が波形６１ａで振動し始める。また、同時に、切り替え部１０における容量結合によって、第１の駆動信号が受信用超音波振動子にも出力される。このため、波形６１ｂで受信用超音波振動子が振動し始める。第１の駆動信号６１の出力が終了すると、受信用超音波振動子は波形６３で振動を続ける。
【０１１６】
時刻ｔ２で第２の駆動信号生成部３８から第２の駆動信号６２が出力されると、切り替え部１０によって受信用超音波振動子である第２の超音波振動子２と第２の駆動信号生成部３８とが低インピーダンスで接続されているため、受信用超音波振動子は、第２の駆動信号を受け取って、波形６２ａ’で振動し始める。その後第２の駆動信号６２の出力が終了すると、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動は減衰し、同様に、受信用超音波振動子は波形６４’で示す共振周波数で振動を続ける。波形６４’で示す共振振動の位相は、で第２の駆動信号６２の出力時刻ｔ２で決定している。
【０１１７】
このとき、切り替え部１０と受信部６とはスイッチ部４３により、電気的に遮断されている。このため、第２の駆動信号が受信部６へ出力されることはなく、第２の駆動信号を検知することはない。
【０１１８】
その後、送信用超音波振動子から第１の駆動信号６１による超音波が流体中を伝播し、受信用超音波振動子に到達する。このとき、波形６４で示す共振周波数で振動している受信用超音波振動子は、受け取った超音波によって、波形６１ｃで示すように振動する。つまり、共振振動に受信による振動が重畳される。第１の実施形態で説明したように、流体中を伝播してきた超音波によって受信用超音波振動子が振動始める時刻は時刻ｔ１から時間ｔ３を経過後であり、この時間は超音波が流体中を伝播する伝播時間に等しい。この時間は一定である。一方、受信用超音波振動子が波形６４で示される共振振動を行う場合の位相は第２の駆動信号が生成されるタイミングで決定する。このため、第１実施形態と同様に、共振振動の波形６４’の位相を変化させながらシングアラウンドにより繰り返して計測を行うことにより、共振振動による影響をキャンセルさせることができる。
【０１１９】
本実施形態によれば、受信用超音波振動子を漏洩信号としてではなく、直接駆動する。このため、受信用超音波振動子を駆動する信号を制御しやすく、受信用超音波振動子の共振振動をより精確に制御することが可能となり、共振振動による影響を低減することができる。
【０１２０】
（第３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。
【０１２１】
図１１は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ１０３のブロック図を示している。配管７０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。
【０１２２】
ガスメータ１０３は、配管７０内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計７１と、緊急時に配管７０を流れるガスを遮断する遮断弁７２と、超音波流量計７１および遮断弁７２を制御するマイコンなどの信号処理装置７３と、超音波流量計７１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７４とを備える。
【０１２３】
本実施形態の超音波流量計７１には、第１または第２の実施形態の超音波流量計を用いる。
【０１２４】
超音波流量計７１によって計測される流量に関するデータは、信号処理装置７３で処理されて表示部７４に表示される。また、信号処理装置７３は、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や、低流量のガスが長時間流れている場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁７２を動作させ、ガスの供給を停止する。
【０１２５】
ガスメータ１０３は、計測される流量に関するデータやガス漏れに関する情報をガス会社などへ送信し、また、ガス会社から保守のために信号処理装置７３を遠隔操作するための通信部７５を備えていてもよい。あるいは、ホームセキュリティーシステム等と通信を行うための他のインターフェースを備えていてもよい。
【０１２６】
本実施形態のガスメータによれば、特に、ガスの流速が小さい場合であっても、正確に流量を計測することができる。このため、少量のガス漏れが生じている場合でも正しく、流量を検知して、ガス漏れの警告を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、天然ガスやプロパンガスなどをはじめ種々のガスの流量を計測するための流量計やガスメータに用いることができる。特に、流速が小さいガスの流速あるいは流量を精確に計測することが可能であり、流速変化の大きい流体の計測にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示す超音波流量計の受信用超音波振動子の振動状態を説明する図である。
【図３】送信部から出力される駆動信号のタイミングを説明する図である。
【図４】切り替え部において漏洩し、受信用超音波振動子に入力される駆動信号のタイミングを示す図である。
【図５】受信用超音波振動子の振動状態の時間変化を示す図である。
【図６】受信用超音波振動子の振動状態の時間変化を示す他の図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、位相の異なる信号を重ね合わせることによって信号が減衰することを示すグラフである。
【図８】シングアラウンド法による計測を説明する図である。
【図９】本発明の超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】図９に示す超音波流量計の受信用超音波振動子の振動状態を説明する図である。
【図１１】本発明によるガスメータの構造を示すブロック図である。
【図１２】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１３】図１２に示す超音波流量計が設置された流路の断面を示す図である。
【図１４】ゼロクロス検知を説明する図である。
【図１５】駆動信号の受信用超音波振動子への漏洩を説明する図である。
【図１６】送信用および受信用超音波振動子の振動状態を示す図である。
【図１７】受信用超音波振動子の共振振動により、受信信号の検知に誤差が生じることを説明する図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１    第１の超音波振動子
２    第２の超音波振動子
３    送信部
４、２２、３９    遅延部
５    レベル検知部
６    受信部
７    ゼロクロス検知部
８    繰り返し部
９    計時部
１０  切り替え部
１１  流量算出部
１２  流路
１３  ピークホールド部
２０  第１の波形生成部
２１  第２の波形生成部
３８  第２の駆動信号生成部
５１、５６  送信部
５２  増幅部
５３  検知部
５４  制御部
５５  演算部
５７  第１の駆動信号生成部
４３  スイッチ部
７１、１０１、１０２  超音波流量計
７２  遮断弁
７３  信号処理装置
７４  表示部
１０３  ガスメータ
【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】
2005189147.tif 000017
【図１４】
2005189147.tif 000018
【図１５】
2005189147.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
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