(57)【要約】    【課題】超音波流体計測装置において、振動板への異物の付着等、トランスデューサの異常によらず、伝搬時間を正確に測定し、流量等を正確に検出する。    【解決手段】受信波Ｗｒの実際の周波数ｆｒを検出し、伝搬時間ｔの測定に、検出した受信波周波数ｆｒを反映させる。超音波の送信時点ｔ０からゼロクロス点までの経過時間ｔｄから、所定の検知遅れ時間ｔｒを減算して、伝搬時間ｔを算出する場合は、受信波周波数ｆｒによりこの所定の検知遅れ時間ｔｒを補正する。受信波周波数ｆｒが低いときほど、検知遅れ時間ｔｒを増大補正するとよい（ｔｒ’＝ｔｒ＋δｔ）。【選択図】  図３
2005345256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験流体を流通させる測定管と、
この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、
第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサが出力を発生してから所定の検知遅れ時間が経過した時点を受信時点として特定する受信時点特定手段と、
前記受信したトランスデューサの出力波形の周波数を受信波周波数として検出する受信波周波数検出手段と、
特定された受信時点及び検出された受信波周波数をもとに、第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波の、受信側のトランスデューサまでの各伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、
測定された伝搬時間をもとに、被験流体に関する所定の演算を行う演算手段と、を含んで構成される超音波流体計測装置。
【請求項２】
前記伝搬時間測定手段は、第1又は第２のトランスデューサからの超音波の発射後、受信時点が特定されるまでの時間を経過時間として測定するとともに、測定した経過時間から所定の検知遅れ時間を減算して、伝搬時間を算出するものであり、前記検出された受信波周波数に応じ、この所定の検知遅れ時間を異ならせる請求項１に記載の超音波流体計測装置。
【請求項３】
前記伝搬時間測定手段は、前記検出された受信波周波数が低いときほど、前記所定の検知遅れ時間を増大させる請求項２に記載の超音波流体計測装置。
【請求項４】
前記伝搬時間測定手段は、前記特定された受信時点をもとに、第１又は第２のトランスデューサからの超音波の発射後、受信時点が特定されるまでの時間を経過時間として測定するとともに、測定した経過時間と、前記検出された受信波周波数とをもとに、伝搬時間を算出し、
前記伝搬時間測定手段と、前記受信波周波数検出手段とは、経過時間の測定及び受信波周波数の検出を時分割により交互に行う請求項１に記載の超音波流体計測装置。
【請求項５】
前記受信波周波数検出手段は、前記受信したトランスデューサの出力波形の、所定の期間に亘る平均周波数を受信波周波数として検出する請求項１〜４のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項６】
前記検出された受信波周波数をもとに、第１又は第２のトランスデューサに関する所定の異常を検出する異常検出手段を更に含んで構成される請求項１〜５のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項７】
前記異常検出手段は、前記所定の異常として、第１又は第２のトランスデューサの振動板への異物の付着を検出する請求項６に記載の超音波流体計測装置。
【請求項８】
前記異常検出手段は、第１のトランスデューサを受信側とした場合に検出される受信波周波数の単位時間当たりの変化量を、第１の変化量として算出するとともに、第２のトランスデューサを受信側とした場合に検出される受信波周波数の単位時間当たりの変化量を、第２の変化量として算出し、第１の変化量よりも第２の変化量が大きいときは、第２のトランスデューサへの異物の付着を検出する請求項７に記載の超音波流体計測装置。
【請求項９】
前記異常検出手段は、前記所定の異常として、第１又は第２のトランスデューサの劣化を検出する請求項６に記載の超音波流体計測装置。
【請求項１０】
第１又は第２のトランスデューサからの超音波の発射後、所定の時間が経過するまでの間、前記受信時点特定手段による受信時点の特定を禁止する受信時点特定禁止手段を更に含んで構成される請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項１１】
前記特定された受信時点の、予め設定された基準時点に対する変動率を算出するとともに、前記伝搬時間測定手段に対し、算出した変動率に応じた受信時点の補正を行う受信時点補正手段を更に含んで構成される請求項１０に記載の超音波流体計測装置。
【請求項１２】
前記受信時点補正手段は、前記受信時点の補正の基礎として、前記検出された受信波周波数を含む請求項１１に記載の超音波流体計測装置。
【請求項１３】
前記演算手段は、測定された伝搬時間をもとに、被験流体の流量又は濃度を算出する請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、振動板への異物の付着等によるトランスデューサの特性変化によらず、流量演算等の基礎となる超音波の伝搬時間を正確に測定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対のトランスデューサを流れの方向にずらして配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサにより受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサにより受信されるまでの第２の伝搬時間を測定し、測定された各伝搬時間をもとに、被験流体の流量等を検出する流体計測装置が知られている。この超音波流体計測装置では、第１及び第２の伝搬時間を測定する際に、ゼロクロス点と呼ばれる、トランスデューサの出力電圧がゼロレベルを過ぎる時点を特定し、超音波が発射された時点からこのゼロクロス点までの時間を経過時間として測定する。受信側のトランスデューサへの先頭波の到達時点からゼロクロス点までの時間を検知遅れ時間として設定し、この検知遅れ時間を経過時間から減算して、伝搬時間を算出する。
【０００３】
ここで、検知遅れ時間は、常に一定ではなく、トランスデューサの（詳細には、トランスデューサの振動板の）固有振動数の製造上のばらつきや、使用環境（たとえば、温度）の相違等、種々の条件により変化する。検知遅れ時間が変化したにも拘わらず一定の検知遅れ時間を保持することは、伝搬時間、延いては流量等に検出誤差を来す原因となる。
検知遅れ時間の変化に対応した超音波流体計測装置として、次のものが知られている。すなわち、送信側のトランスデューサから超音波を発射するとともに、この送信側のトランスデューサの出力信号（トランスデューサは、送信時であっても自身の振動により出力を発生する。）における、ｎ周期目の波のゼロクロス点を特定する。他方、受信側のトランスデューサの出力信号における、対応するｎ周期目の波のゼロクロス点を特定し、特定した２つのゼロクロス点間の時間を、伝搬時間として測定するものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開平０９−０２６３４１号公報（段落番号００３１〜００３５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この公知の超音波流体計測装置には、次のような実用上の問題がある。すなわち、このものは、送信側及び受信側のトランスデューサの各出力信号に関してゼロクロス点を特定し、特定したゼロクロス間の時間を伝搬時間として測定することで、検知遅れ時間に生じた変化を相殺するものである。このため、双方の検知遅れ時間に等しい変化が生じていることが前提となるが、実際には、両者の変化が常に等しいとは限らない。１つの超音波流体計測装置内であっても、上流側及び下流側の各トランスデューサでばらつきがあり、固有振動数が異なる場合があるし、使用環境によっては、一方のトランスデューサにのみ特性変化が現れる場合もあるからである。後者の例として、超音波流体計測装置を蒸気配管における流量測定に採用する場合が挙げられる。この場合は、下流側のトランスデューサに結露が生じ易く、上流側に比べ、下流側でトランスデューサの特性変化が顕著となる傾向がある。また、経年劣化による特性変化も双方のトランスデューサで等しいとは限らず、一方のトランスデューサで劣化が急速に進行する場合もある。双方の検知遅れ時間の変化に差が生じた場合は、上記の装置ではこの変化を相殺することができず、伝搬時間及び流量等に誤差を来す。
【０００５】
本発明は、トランスデューサの製造上のばらつきや、使用開始後の特性変化によらず、超音波の伝搬時間を正確に測定し、流量等を正確に検出することのできる超音波流体計測装置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】
【０００６】
本発明は、超音波流体計測装置を提供する。本発明に係る装置は、被験流体を流通させる測定管と、この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサとを含んで構成される。第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサが出力を発生してから所定の検知遅れ時間が経過した時点を受信時点として特定するとともに、この受信したトランスデューサの出力波形の周波数を受信波周波数として検出する。特定した受信時点及び検出した受信波周波数をもとに、第１又は第２のトランスデューサから発射された超音波の、受信側のトランスデューサまでの各伝搬時間を測定し、測定した伝搬時間をもとに、被験流体に関する所定の演算（たとえば、流量の算出）を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、受信波周波数を検出し、検出した受信波周波数を伝搬時間の測定に反映させて、流量等の演算を行うこととしたので、トランスデューサに製造上のばらつき（特に、振動板の固有振動数のばらつき）があり、あるいはトランスデューサに特性変化が生じた場合の伝搬時間の測定精度を向上させることができ、流量等を正確に算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波流体計測装置（以下「計測装置」という。）１の構成を示している。本実施形態では、被験流体として、水素ガスを採用している。計測装置１を燃料電池のアノード配管に設置することで、燃料ガスとしての水素ガスの流量等を検出することができる。
【０００９】
測定管１１は、流量等の計測用通路を形成しており、軸方向の各端に形成されたフランジ１１１ａ，１１１ｂを介し、隣接する配管２，２に接続されている。上流側の配管２には、方向切換弁３が介装されており、測定管１１は、この方向切換弁３により配管２と、他の配管４とに選択的に接続されるように構成されている。他の配管４には、校正流体としての窒素ガスを充填したタンク５が接続されており、タンク５内の窒素ガスを測定管１１に流通させることができる。配管２は、図示しない燃料電池のアノード配管に接続されており、配管２を介して水素ガスを測定管１１に流通させることができる。なお、校正流体（すなわち、窒素ガス）は、後述する検知遅れ時間ｔｒの校正処理（校正時の受信波周波数ｆｒを同時に検出する。）において、計測装置１に供給される。
【００１０】
測定管１１は、管軸Ａｐとの間に角度θを形成する軸（超音波伝搬軸Ａｔに一致する。）を中心として、管軸方向にずれた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに、上流側トランスデューサ（「第１のトランスデューサ」に相当する。）１２ａと、下流側トランスデューサ（「第２のトランスデューサ」に相当する。）１２ｂとが夫々収納されている。
【００１１】
これらのトランスデューサ１２ａ，１２ｂは、測定用超音波Ｗｔを発生させる振動板を含んで構成され、伝搬時間測定部１３１及び流量・濃度演算部１３２を含んで構成されるコントロールユニット１３に接続されている。コントロールユニット１３は、各トランスデューサ１２ａ，１２ｂに対し、超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生させるとともに、発射された超音波Ｗｔを受けたトランスデューサから出力された受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２を入力する。各トランスデューサ１２ａ，１２ｂは、コントロールユニット１３からの駆動信号を受け、超音波伝搬線Ａｔに沿って超音波Ｗｔを発射する。コントロールユニット１３は、入力した受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２をもとに、測定管１１を流れる水素ガスの流量Ｑ及び密度（濃度を示す。）ρを算出し、出力する。出力された流量Ｑ等は、図示しないモニターに表示される。
【００１２】
ここで、計測装置１による流量Ｑ及び密度ρの検出原理について、図２を参照して説明する。
図２は、超音波の送信波Ｗｔ及び受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２の波形を示している。上流側トランスデューサ１２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波をＷｒ１とし、下流側トランスデューサ１２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波をＷｒ２としている。超音波Ｗｔが発射された後、受信信号（電圧Ｖで示す。）が所定のレベルＶｔｈに達した後の時点（ここでは、その後の最初の立ち下がりのゼロクロス点）を受信時点ｔｄｉ（ｉ＝１，２）として特定し、受信側のトランスデューサにより先頭の超音波（以下「先頭波」という。）が受信されてから受信時点ｔｄｉが特定されるまでの時間を検知遅れ時間ｔｒｉとし、超音波Ｗｔが発射されてから先頭波が受信側のトランスデューサに到達するまでの時間を伝搬時間ｔｉとする。水素ガスの音速及び流速、並びに超音波Ｗｔの伝搬距離をＣｇ，Ｖｇ，Ｌｍ（図１）とすると、超音波Ｗｔを順方向に発射したときと、逆方向に発射したときとで、これらの時刻ｔｄｉ及び時間ｔｒｉ，ｔｉの間には、下式（１）、（２）の関係が成り立つ。
【００１３】
ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ１  ・・・（１）
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ２  ・・・（２）
流量Ｑを検出する場合は、（１）及び（２）式をもとに、流速Ｖｇに関する次式（３）を得る。
【００１４】
Ｖｇ＝[Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）]×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝  ・・・（３）
（３）式により算出した流速Ｖｇを次式（４）に代入し、流量Ｑを算出する。なお、測定管１１の断面積をＡとし、測定管１１における流速分布係数をＫとする。
Ｑ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ  ・・・（４）
他方、密度ρを検出する場合は、次式（５）により音速Ｃｇを算出する。
【００１５】
Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝  ・・・（５）
（５）式により算出した音速Ｃｇを次式（６）に代入し、密度ρを算出する。なお、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとする。
ρ＝γ×｛Ｒ×Ｔ／（２２．４×Ｃｇ2）｝  ・・・（６）
なお、本実施形態では、超音波伝搬線Ａｔを直線状に設定し、一対のトランスデューサ１２ａ，１２ｂを、管軸Ａｐを中心とした測定管１１の各側に配置している。しかしながら、本発明によれば、このような配置に限らず、超音波伝搬線Ａｔを管壁上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサを測定管１１の片側のみに配置することもできる。
【００１６】
また、受信時点ｔｄｉには、既述のように受信信号が所定のレベルＶｔｈに達した後の時点を採用するばかりでなく、受信信号が所定のレベルＶｔｈに達する時点を直接的に採用してもよい。
ここで、本実施形態に係る伝搬時間の測定原理（検知遅れ時間ｔｒの補正を含む。）について、図３，４を参照して詳細に説明する。
【００１７】
計測装置１では、流速Ｖｇ及び流量Ｑの演算において、各伝搬時間ｔ１，ｔ２の差分を採ることとしている（（３）式）。このため、精度を確保するうえで伝搬時間ｔ１，ｔ２を正確に測定することが必要となる。空気等、音速が低い被験流体を採用する場合や、検知遅れ時間ｔｒに対し、伝搬時間ｔが充分に長い場合は別として、本実施形態のように被験流体に水素ガス（音速が高い。）を採用する場合や、伝搬距離Ｌｍが短い場合は、伝搬時間ｔの測定に際して検知遅れ時間ｔｒの変化の影響を無視することはできない。たとえば、異物の付着等によりトランスデューサの固有振動数が変化し、検知遅れ時間ｔｒが変化したときは、この固有振動数の変化に応じて検知遅れ時間ｔｒを補正することが必要である。
【００１８】
図３は、送信波Ｗｔ及び受信波Ｗｒの波形を、図４は、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの周波数特性を示している。トランスデューサ１２ａ，１２ｂは、振動板を含んで構成され、この振動板の固有振動数ｆｒは、振動板のばね定数及び等価質量をｋ，ｍとして、次式（７）により算出される。
ｆｒ＝（１／２π）×√（ｋ／ｍ）  ・・・（７）
ここで、振動板に異物が付着（たとえば、燃料ガスに含まれる加湿水蒸気の結露や、埃の付着による。）すると、その質量に応じた分だけ等価質量ｍが見かけ上増加し、固有振動数ｆｒがより小さな値ｆｒ’に低下する（図４）。この固有振動数ｆｒの変化に伴い、受信波Ｗｒは、周期ｔｐが延長し、実線で示すＷｒから点線で示すＷｒ’に変化する（図３）。
【００１９】
図３において、特定される受信時点ｔｄは、先頭波Ｓ１の到達時点から検知遅れ時間ｔｒが経過した時点として特定され、この検知遅れ時間ｔｒは、受信側のトランスデューサの固有振動数ｆｒ又は受信波Ｗｒの周期ｔｐにより変化する。異物の付着等により固有振動数ｆｒが低下した場合の受信時点ｔｄ’は、本来の受信時点ｔｄよりも固有振動数ｆｒの変化に応じた時間（以下「誤差時間」という。）δｔだけ遅れた時点として特定される。この誤差時間δｔは、受信時点ｔｄ’が特定されるまでに到達した波の数（以下「検知時交番数」という。）Ｎｒに応じ、次式（８）により算出される。
【００２０】
δｔ＝Ｎｒ×（１／ｆｒ’−１／ｆｒ）  ・・・（８）
以上から、前回の校正後、固有振動数ｆｒの変化により実際の検知遅れ時間ｔｒが変化した場合は、受信時点ｔｄ’は、校正により設定された検知遅れ時間をｔｒとして、次式（９）により算出される。
ｔｄ’＝ｔｄ＋δｔ
＝ｔ＋ｔｒ＋δｔ  ・・・（９）
本実施形態では、伝搬時間ｔの測定に際し、受信波Ｗｒからその実際の周波数（以下「受信波周波数」という。）ｆｒ’を検出して、誤差時間δｔを算出するとともに、算出した誤差時間δｔを検知遅れ時間ｔｒに加算することで、固有振動数ｆｒの変化による測定誤差を回避することとしている。なお、検知時交番数Ｎｒは、校正時に検知遅れ時間ｔｒとともに設定され、校正時に得られる受信波周波数をｆｒとして、次式（１０）により算出される。
【００２１】
Ｎｒ＝ｔｒ×ｆｒ  ・・・（１０）
図５は、本実施形態に係るコントロールユニット１３の構成を示している。コントロールユニット１３の構成について、図６に示すタイムチャートを参照しつつ、図５により説明する。
本実施形態では、コントロールユニット１３に対し、超音波Ｗｔの発射後、所定の禁止期間ｔｇが経過するまでの間、受信時点の特定を禁止する機能を持たせ、受信波Ｗｒに重畳したノイズにより誤った受信時点が特定されるのを防止することとしている。また、被験流体の音速等の変化による受信時点ｔｄ（又は検知時交番数Ｎｒ）のずれを補正する機能を持たせ、経過時間ｔｄの変化に後述する「折り返し」が生じた場合に、この折り返しによる伝搬時間ｔの測定誤差を回避することとしている。
【００２２】
方向切替スイッチ１３１ａは、一方のトランスデューサ（例えば、上流側トランスデューサ１２ａ）を送信用に選択するとともに、他方の下流側トランスデューサ１２ｂを受信用に選択する。
送信駆動部１３１ｂは、送信用のトランスデューサ１２ａに対する駆動信号を発生させる。発生した駆動信号は、方向切替スイッチ１３１ａを介してトランスデューサ１２ａに出力され、超音波Ｗｔが発射される（時刻ｔ０）。送信駆動部１３１ｂは、駆動信号を発生させるのと同時に、禁止期間設定部１３１ｃ及び経過時間測定部１３１ｆに対し、計時開始信号ｓｔａｒｔを出力する。
【００２３】
禁止期間設定部１３１ｃは、計測開始信号ｓｔａｒｔを受けると、受信検知部１３１ｄに対し、所定の禁止期間ｔｇに亘り受信時点の特定を禁止する受信制御信号Ｓｇを出力する。受信制御信号Ｓｇは、禁止期間ｔｇにＬｏレベルに設定され、禁止期間ｔｇの経過後にＨｉレベルに切り換えられる。受信制御信号ＳｇがＬｏレベルに設定されている間、受信検知部１３１ｄによる受信時点の特定が禁止又は実質的に禁止され、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられることで、受信時点の特定が許可される。受信時点は、受信時点の特定が許可された後の最初の立ち下がりのゼロクロス点として特定される。なお、禁止期間ｔｇは、禁止期間記憶部１３１ｅに記憶されており、禁止期間設定部１３１ｃに読み込まれる。なお、禁止期間ｔｇには、受信波Ｗｒが定常化するまでの期間や、受信波Ｗｒの周期毎の振幅変動量ΔＶｓ（＝Ｖｓn−Ｖｓn-1）がノイズ成分の振幅よりも充分に大きくなる（たとえば、２倍の大きさとなる。）までの期間を採用することができる。前者の場合は、受信波Ｗｒの振幅が最大値に達した時点で定常化したものとすることができる。禁止期間ｔｇを超音波Ｗｔが発射された後、受信信号が所定のレベルＶｔｈに達するまでの期間として設定すれば、受信時点ｔｄｉとして、その後の最初の立ち下がりのゼロクロス点を特定することができる（図２）。
【００２４】
受信検知部１３１ｄは、方向切替スイッチ１３１ａにより受信用に選択されたトランスデューサ１２ｂから受信信号Ｗｒを入力する。受信検知部１３１ｄは、禁止期間設定部１３１ｃから入力した受信制御信号Ｓｇが禁止の解除を示すＨｉレベルに切り換えられるまで、受信信号Ｗｒを矩形信号Ｓｂに変換しつつ、受信時点の特定を保留する。受信検知部１３１ｄは、受信時点として、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられた後、最初に得られた矩形信号Ｓｂ（＝Ｐ６）の立ち下がり点（以下「ゼロクロス点」という。）Ｂを特定するとともに、特定したゼロクロス点Ｂにおいて、経過時間測定部１３１ｆに対し、計時終了信号ｓｔｏｐを出力する。
【００２５】
経過時間測定部１３１ｆは、計時開始信号ｓｔａｒｔの入力によりタイマーを作動させるとともに、計時終了信号ｓｔｏｐの入力によりタイマーを停止させ、経過時間として、その計時結果ｔｄを伝搬時間算出部１３１ｈに出力する。
他方、受信波周波数検出部１３１ｇは、経過時間ｔｄの測定と並行して、受信検知部１３１ｄから矩形信号Ｓｂを入力し、入力した矩形信号Ｓｂをもとに、受信波周波数ｆｒを検出する。すなわち、受信波周波数検出部１３１ｇは、単位時間当たりに入力した矩形信号Ｓｂの数を計数するか、あるいは矩形信号Ｓｂの入力周期ｔｐを算出するとともに、その逆数を算出して、受信波周波数ｆｒを検出する。受信波周波数検出部１３１ｇは、検出した受信波周波数ｆｒを検知遅れ時間設定部１３１ｉ、周期遷移補正部１３１ｊ及び異常検出部１３１ｋに出力する。
【００２６】
伝搬時間算出部１３１ｈは、入力した経過時間ｔｄと、検知遅れ時間ｔｒ及び周期遷移補正量ｔｃとをもとに、下式（１１）により伝搬時間ｔを算出する。伝搬時間算出部１３１ｈは、算出した伝搬時間ｔを流量／濃度演算部１３２に出力する。なお、検知遅れ時間ｔｒは、検知遅れ時間設定部１３１ｉにより設定され、周期遷移補正量ｔｃは、周期遷移補正部１３１ｊにより設定される。検知遅れ時間ｔｒ及び周期遷移補正量ｔｃは、ともに伝搬時間算出部１３１ｈに読み込まれる。
【００２７】
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ’−ｔｃ
＝ｔｄ−（ｔｒ＋δｔ）−ｔｃ  ・・・（１１）
検知遅れ時間設定部１３１ｉは、後述する校正処理に従い更新された検知遅れ時間ｔｒを保持する。検知遅れ時間設定部１３１ｉは、入力した受信波周波数ｆｒをもとに、（８）式により誤差時間δｔを算出し、検知遅れ時間ｔｒを補正する（ｔｒ’＝ｔｒ＋δｔ）。
【００２８】
周期遷移補正部１３１ｊは、入力した伝搬時間ｔｄ、禁止期間ｔｇ及び受信波周波数ｆｒをもとに、周期遷移補正量ｔｃを算出する。
また、異常検出部１３１ｋは、入力した受信波周波数ｆｒをもとに、振動板への異物の付着や経年劣化等、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの異常を検出する。異常を検出したときは、警報又は警告灯等を作動させ、操作者に異常の認識を促す。異常検出部１３１ｋは、校正時及び計測時に得られる各受信波周波数ｆｒ，ｆｒ’の差を算出し、この差の絶対値が所定の値よりも大きいときに、受信波周波数の変化が大きく、異常が発生しているものと判定する。また、受信波周波数ｆｒ’の計測周期毎の変化量を算出し、この変化量が所定の値よりも大きいときに、異常が発生しているものと判定することもできる。特に、下流側トランスデューサ１２ｂを受信側とした場合に得られる変化量（「第２の変化量」に相当する。）と、上流側トランスデューサ１２ａを受信側とした場合に得られる変化量（「第１の変化量」に相当する。）とを比較することで、下流側トランスデューサ１２ｂへの異物の付着を高い精度で検出することができる。すなわち、前者の変化量が後者の変化量よりも大きいときは、下流側トランスデューサ１２ｂに異物が付着しているものと判定するのである。
【００２９】
流量・濃度演算部１３２は、入力した伝搬時間ｔをもとに、（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ及び密度ρを算出する。
ここで、周期遷移補正部１３１ｊの動作について説明する。
周期遷移補正部１３１ｊは、経過時間ｔｄの変化に折り返し（以下、単に「折り返し」という。）が生じたことで、１周期以上の誤差を含んでゼロクロス点を特定した場合に、この誤差を補償するための周期遷移補正量ｔｃを算出する。周期遷移補正部１３１ｊは、経過時間ｔｄ及び禁止期間ｔｇをもとに、折り返しが生じたことを検出し、これを検出したときは、その方向に応じた周期遷移補正量ｔｃを算出し、伝搬時間算出部１３１ｈに出力する。
【００３０】
ここで、経過時間ｔｄの変化の折り返しについて、図６に示すタイムチャート（順方向に超音波を発射したものとする。）により説明する。
本実施形態では、受信波Ｗｒのうち、６周期目の波Ｓ６を対象とし、受信時点として、その波Ｓ６の減少方向のゼロクロス点Ｂを特定している。まず、１回目の計測において、受信制御信号Ｓｇがこの波Ｓ６の到達時点以前にＨｉレベルに切り換えられ、ゼロクロス点Ｂの特定が許可されている。矩形信号Ｓｂは、波Ｓ６の到達に伴いＨｉレベルに遷移し、その後のゼロクロス点ＢでＬｏレベルに遷移している。このため、矩形信号Ｓｂのうち、最初の立ち下がり点を検出することで、正しいゼロクロス点Ｂを特定することができる。次の計測では、被験流体の音速が高くなるか、あるいは流量Ｑが増大し、受信波Ｗｒの位相が前回の計測時よりも早まっているものとする。この場合は、音速等の変化量に応じ、測定される経過時間ｔｄは短くなるのが通常である。ところが、音速等の変化が大きく、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる時点が本来のゼロクロス点Ｂよりも遅くなったとすると、この本来のゼロクロス点Ｂ後にゼロクロス点の特定が許可されるため、次の７周期目の波Ｓ７に対応する矩形信号Ｐ７でゼロクロス点Ｃが特定されることとなり、測定された経過時間ｔｄ’’には、１周期分の誤差（＝ｔｃ）が含まれることとなる。このように経過時間ｔｄが本来の方向とは逆に変化することを、折り返しという。
【００３１】
周期遷移補正部１３１ｊは、経過時間ｔｄ及び禁止期間ｔｇの差ｔｍ（＝ｔｄ−ｔｇ）を算出する。この差ｔｍは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられてからゼロクロス点が特定されるまでの時間である。周期遷移補正部１３１ｊは、この差ｔｍと、前回の計測時に算出した差ｔｍn-1とを入力し、これらの差Ｄｔｍ（＝ｔｍ−ｔｍn-1）を算出する。算出した差Ｄｔｍを超音波の周期ｔｐで除算することで、差Ｄｔｍを、周期ｔｐを基準とした差ｔｍの変化率（「変動率」に相当する。）Ｘに変換する。得られた変化率Ｘの絶対値が所定の値ＳＲよりも大きいか否かを判定し、大きいときは、折り返しが生じたものと判定する。この所定の値ＳＲは、流量Ｑの変化の速さと、計測の実行間隔とに応じて決定される。たとえば、受信波形Ｗｒに１周期分のずれを与える流量Ｑの変化が１秒をかけて行われ、かつ計測の実行間隔が０．１秒である場合は、流量Ｑが時間に対して直線的に変化するものとすれば、差ｔｍ（すなわち、経過時間ｔｄ）は、０．１（＝１×０．１）の割合で変化することとなり、この０．１を超える値の変化率Ｘが算出されたときに、折り返しが生じたものと判断することができる。周期遷移補正部１３１ｊは、折り返しの検出と並行して、差Ｄｔｍをその絶対値で除算し、経過時間ｔｄの変化の方向を判定する。経過時間ｔｄが短くなる場合は、“−”を、経過時間が長くなる場合は、“＋”を設定する。商Ｄｔｍ／｜Ｄｔｍ｜に設定した符号“−”又は“＋”を付加し、判定値を設定する。この判定値の符号は、補正の方向を示す。折り返しを検出したときは、前回の計測時に算出した周期遷移数Ｎｃn-1にこの判定値（＝−１，１）を加算し、今回の周期遷移数Ｎｃを算出する。周期遷移補正部１３１ｊは、算出した周期遷移数Ｎｃ及び受信波周波数ｆｒ（＝ｆｒ’）をもとに、次式（１２）により周期遷移補正量ｔｃを算出する。
【００３２】
ｔｃ＝Ｎｃ×ｔｐ’＝Ｎｃ／ｆｒ’  ・・・（１２）
次に、コントロールユニット１３の動作について、図７に示すフローチャートにより説明する。
計測装置１の電源が投入されると、このルーチンが開始され、初期設定が行われる。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
【００３３】
Ｓ１０１では、超音波の伝搬方向を切り替える。
Ｓ１０２では、送信用のトランスデューサから超音波を発射するとともに、経過時間ｔｄの計時を開始する。
Ｓ１０３では、禁止期間ｔｇが経過し、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられて、受信時点の特定が許可されたか否かを判定する。許可されないうちは、この判定を繰り返し、許可されたときは、Ｓ１０４へ進む。
【００３４】
Ｓ１０４では、ゼロクロス点Ｂ（すなわち、受信時点の特定が許可された後の最初の立ち下がり点）を特定するとともに、このゼロクロス点Ｂの時刻を経過時間ｔｄとして測定する。
Ｓ１０５では、校正時であるか、計測時であるかを判定する。本実施形態では、校正及び計測の切換えをスイッチにより手動で行うこととしており、スイッチの出力信号を検出して、この判定を行うようにしている。校正時には、測定管１１に窒素ガス（音速が既知である。）を充填し、計測時には、測定管１１に水素ガスを流通させる。
【００３５】
Ｓ１０６では、校正時に得られる矩形信号Ｓｂ（図６）をもとに、受信波Ｗｒの周期ｔｐを検出して、基準となる受信波周波数ｆｒを検出する。
Ｓ１０７では、窒素ガスの音速に応じた校正用伝搬時間を（１）式により算出する。なお、校正流体の流量Ｖｇは、配管４に簡易なセンサを設置し、このセンサにより検出することができる。また、校正流体として、窒素ガスや水素ガス等の単一組成のガスを採用する場合は、音速Ｃｇは、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとし、モル質量をＭとして、次式（１３）により算出することができる。
【００３６】
Ｃｇ＝√（γ×Ｒ×Ｔ／Ｍ）  ・・・（１３）
Ｓ１０８では、経過時間ｔｄから校正用伝搬時間を減算して、検知遅れ時間ｔｒを算出する。校正では、超音波を複数回発射し、発射毎に測定した経過時間を平均して得たものを経過時間ｔｄとするとよい。算出した検知遅れ時間ｔｒは、検知遅れ時間設定部１３１ｉに記憶する。校正を終えると、スイッチが切り換わり、測定管１１に水素ガスが流通する。
【００３７】
Ｓ１０９では、計測時に得られる矩形信号Ｓｂ’（図６）をもとに、受信波Ｗｒの周期ｔｐ’を検出して、実際の受信波周波数ｆｒ’を検出する。
Ｓ１１０では、検出した受信波周波数ｆｒ’をもとに、振動板への異物の付着等、トランスデューサ１２ａ，１２ｂに異常が発生しているか否かを判定し、異常が発生しているときは、Ｓ１１１へ進み、警告灯等を作動させる。
【００３８】
Ｓ１１２では、校正時及び計測時に得られる各受信波周波数ｆｒ，ｆｒ’、並びに検知時交番数Ｎｒをもとに、（８）式により誤差時間δｔを算出するとともに、検知遅れ時間ｔｒを補正する（ｔｒ’＝ｔｒ＋δｔ）。
Ｓ１１３では、経過時間ｔｄ及び禁止期間ｔｇをもとに、折り返しに対する補正の要否を判定し、必要であるときは、受信波周波数ｆｒ’をもとに、（１２）式により周期遷移補正量ｔｃを算出する。
【００３９】
Ｓ１１４では、経過時間ｔｄから補正後の検知遅れ時間ｔｒ’及び周期遷移補正量ｔｃを減算して、伝搬時間ｔを算出する。
Ｓ１１５では、算出した伝搬時間ｔをもとに、（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ及び密度ρを算出する。
本実施形態に関し、コントロールユニット１３のうち、受信検知部１３１ｄが受信時点特定手段を、受信波周波数検出部１３１ｇが受信波周波数検出手段を、経過時間測定部１３１ｆ、伝搬時間算出部１３１ｈ及び検知遅れ時間設定部１３１ｉが伝搬時間測定手段を、流量・濃度演算部１３２が演算手段を、異常検出部１３１ｋが異常検出手段を、禁止期間設定部１３１ｃが受信時点特定禁止手段を、周期遷移補正部１３１ｊが受信時点補正手段を構成する。
【００４０】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、伝搬時間ｔの測定に際し、受信波周波数ｆｒを検出し、検出した受信波周波数ｆｒにより検知遅れ時間ｔｒを補正することとしたので、固有振動数のばらつき等、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの製造上のばらつきや、経年劣化等によるトランスデューサ１２ａ，１２ｂの特性変化により伝搬時間ｔ、延いては流量Ｑ等に生じる誤差を抑制することができる。
【００４１】
第２に、検出した受信波周波数ｆｒをもとに、振動板への異物の付着等、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの異常を検出することとしたので、部品点数又は演算負荷の増大を極力抑えて、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの異常を検出し、計測装置１の適正な管理を図ることができる。
第３に、超音波の発射後、所定の禁止期間ｔｇが経過するまでの間、受信時点（すなわち、ゼロクロス点Ｂ）の特定を禁止することとしたので、受信波Ｗｒに重畳したノイズにより誤ったゼロクロス点（たとえば、図６の点Ｃ）が特定されるのを防止することができる。また、これに付随して、周期遷移補正量ｔｃを算出し、伝搬時間ｔの算出において、これを経過時間ｔｄから減算することとしたので、被験流体の音速の変化等により経過時間ｔｄの変化に折り返しが生じたときに、この折り返しによる誤差を補正し、正確な伝搬時間ｔを算出することができる。
【００４２】
第４に、周期遷移補正量ｔｃの演算の基礎として、受信波周波数ｆｒを採用することとしたので、周期遷移補正量ｔｃを的確なものとすることができる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態に係る計測装置のコントロールユニット１３の構成を示している。本実施形態では、受信波周波数ｆｒを検出するための特別な構成を設けず、経過時間ｔｄの測定及び受信波周波数ｆｒの検出の各機能を経過時間・周波数測定部１３１ｌに兼ねさせることとしている。経過時間・周波数測定部１３１ｌが設けられ、受信波周波数検出部１３１ｇを備えないこと以外の構成は、先の実施形態のものと同様である。
【００４３】
経過時間・周波数測定部１３１ｌは、送信駆動部１３１ｂから計時開始信号ｓｔａｒｔを入力するとともに、受信検知部１３１ｄから計時終了信号ｓｔｏｐ及び受信波Ｗｒの変換出力（すなわち、矩形信号）Ｓｂを入力する。経過時間・周波数測定部１３１ｌは、計時開始信号ｓｔａｒｔの入力によりタイマーを作動させるとともに、計時終了信号ｓｔｏｐの入力によりタイマーを停止させて、経過時間ｔｄを測定し、測定した経過時間ｔｄを伝搬時間算出部１３１ｈ、検知遅れ時間設定部１３１ｉ及び周期遷移補正部１３１ｊに出力する。また、経過時間・周波数測定部１３１ｌは、矩形信号Ｓｂの入力周期ｔｐを算出するとともに、その逆数を算出して、受信波周波数ｆｒを検出し、検出した受信波周波数ｆｒを検知遅れ時間設定部１３１ｉ、周期遷移補正部１３１ｊ及び異常検出部１３１ｋに出力する。
【００４４】
図９は、経過時間・周波数測定部１３１ｌの具体的な構成を示している。
クロックｌ１０１は、アンドゲートｌ１０５を介してカウンタｌ１０６に接続されている。
経過時間測定信号発生部ｌ１０２は、測定切替スイッチｌ１０４を介してアンドゲートｌ１０５及びカウンタｌ１０６に接続されている。経過時間測定信号発生部ｌ１０２は、送信駆動部１３１ｂ及び受信検知部１３１ｄから計時開始信号ｓｔａｒｔ、計時終了信号ｓｔｏｐを入力し、計時開始信号ｓｔａｒｔを入力してから計時終了信号ｓｔｏｐを入力するまでの間、アンドゲートｌ１０５を開放させる。
【００４５】
周期測定信号発生部ｌ１０３は、経過時間測定信号発生部ｌ１０２と同様に測定切替スイッチｌ１０４を介してアンドゲートｌ１０５等に接続されている。周期測定信号発生部ｌ１０３は、受信検知部１３１ｄから受信波Ｗｒの変換出力（すなわち、矩形信号）Ｓｂを入力し、たとえば、矩形信号Ｓｂの１つの立ち上がりを入力してから次の立ち上がりを入力するまでの間、アンドゲートｌ１０５を開放させる。
【００４６】
測定切替スイッチｌ１０４は、制御信号（たとえば、受信検知部１３１ｄからの計時終了信号ｓｔｏｐ）の入力に同期して、経過時間ｔｄと周期ｔｐとの間で測定対象を切り替える。
カウンタｌ１０６は、クロックｌ１０１からパルス信号を入力し、クロック周波数により定められる時間分解能で経過時間ｔｄ又は周期ｔｐ（＝１／ｆｒ）を測定する。測定した経過時間ｔｄ等は、出力選択スイッチｌ１０７を介し、伝搬時間算出部１３１ｈ等の対応する演算部に出力される。
【００４７】
出力選択スイッチｌ１０７は、測定切替スイッチｌ１０４と接続されており、このスイッチｌ１０７と連動して、経過時間ｔｄ又は周期ｔｐの出力対象を選択する。
なお、本実施形態では、矩形信号Ｓｂの１つのパルスを対象として周期ｔｐを測定した。しかしながら、所定の期間におけるパルスの発生回数ｎを計数し、この期間の長さを計数した発生回数ｎで除算することで、周期ｔｐを平均周期として算出し、ノイズ等の影響を緩和することができる。
【００４８】
本実施形態に関し、伝搬時間算出部１３１ｈ、検知遅れ時間設定部１３１ｉ及び経過時間・周波数測定部１３１ｌが伝搬時間測定手段を構成し、経過時間・周波数測定部１３１ｌが受信波周波数検出手段としての機能を兼ねる。
本実施形態によれば、特に、経過時間・周波数測定部１３１ｌにより経過時間の測定及び受信波周波数の検出の機能を兼ねることとしたので、部品点数を削減し、コストを抑制するとともに、消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る計測装置の構成
【図２】計測装置の作動原理
【図３】伝搬時間の測定原理
【図４】固有振動数の違いに応じたトランスデューサの周波数特性の変化
【図５】本発明の一実施形態に係るコントロールユニットの構成
【図６】計測装置の動作を示すタイムチャート
【図７】計測ルーチンのフローチャート
【図８】本発明の他の実施形態に係るコントロールユニットの構成
【図９】経過時間・周波数測定部の構成
【符号の説明】
【００５０】
１…超音波流体計測装置、１１…測定管、１２ａ，１２ｂ…トランスデューサ、１３…コントロールユニット、１３１…伝搬時間測定部、１３２…流量・濃度演算部、３…方向切換弁、５…校正ガスタンク。
【図１】
2005345256.tif 000003
【図２】
2005345256.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005345256.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005345256.tif 000008
【図７】
2005345256.tif 000009
【図８】
2005345256.tif 000010
【図９】
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