(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する第１の流量計測部と、
パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する第２の流量計測部と、測定対象の流体が流通する前記配管に装着され、各々が音響信号と電気信号の相互変換を行う複数の第１および第２のトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部を前記第１の流量計測部および前記第２の流量計測部に共用させるためのトランスデューサ切替手段と、を備え、
複数の前記第１および第２のトランスデューサ部は、前記配管の軸を挟んで互いに反対側の位置に、前記流体の流通方向に互いにずれた位置に装着され、
前記第１の流量計測部では、前記第１のトランスデューサ部から送信され、前記第２のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間と、前記第２のトランスデューサ部から送信され、前記第１のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間との時間差を計測して前記流体の流量を計測し、
前記第２の流量計測部では、前記第１および第２のトランスデューサ部の各々を用いて測定された流速分布のうち、当該トランスデューサ部から見た前記配管の中央から反対側の配管壁までの測定値を組み合わせて、前記配管の直径全域の流速分布を求めることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記第１の流量計測部は、
前記配管に装着され、音響信号と電気信号の相互変換を行う一対のトランスデューサ部と、
前記トランスデューサ部に超音波発振のための送信パルスを印加する送信パルス生成部と、
前記トランスデューサ部にて受信した超音波の受信信号を入力する受信信号増幅制御部と、
前記受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
一対の前記トランスデューサ部の発振側と受信側を交互に切り換えて測定された伝播時間から伝播時間差を演算する伝播時間演算部と、
前記伝播時間差に基づいて流量を演算する流量演算部と、
前記第２の流量計測部と共通に設けられ、前記送信パルス生成部および前記Ａ／Ｄ変換部を制御する送受信タイミング制御部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記第２の流量計測部は、
前記配管に装着される音響信号と電気信号の相互変換を行うトランスデューサ部と、
前記トランスデューサ部に超音波発振のための送信パルスを印加する送信パルス生成部と、
前記トランスデューサ部にて受信した音響信号を入力する受信信号増幅制御部と、
前記受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記トランスデューサ部と前記流体との間で送受信される超音波のドップラーシフト周波数に基づいて、前記流体の前記配管断面内おける流速分布を計測する流速分布演算部と、
前記流速分布を積分して流量を演算する積分演算部と、
前記第１の流量計測部と共通に設けられ、前記送信パルス生成部および前記Ａ／Ｄ変換部を制御する送受信タイミング制御部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
超音波を用いて配管中の流体の流量測定を行う超音波流量測定方法であって、
前記配管に装着され音響信号と電気信号の相互変換を行う複数のトランスデューサ部を、互いに異なる測定原理を用いる複数の流量計測部にて共有し、個々の前記流量計測部に対する前記トランスデューサ部の接続を切り換えて流量計測を行うとともに、
複数の前記流量計測部は、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する第１の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する第２の流量計測部からなり、
第１および第２の前記トランスデューサ部を、前記配管の軸を挟んで互いに反対側の位置に、前記流体の流通方向に互いにずれた位置に装着し、
前記第１の流量計測部では、前記第１のトランスデューサ部から送信され、前記第２のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間と、前記第２のトランスデューサ部から送信され、前記第１のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間との時間差を計測して前記流体の流量を計測し、
前記第２の流量計測部では、前記第１および第２のトランスデューサ部の各々を用いて測定された流速分布のうち、当該トランスデューサ部から見た前記配管の中央から反対側の配管壁までの測定値を組み合わせて、前記配管の直径全域の流速分布を求めることを特徴とする超音波流量測定方法。
【請求項５】
伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサと、
少なくとも前記１対の電気／超音波トランスデューサにパルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とに必要なパルス信号を与えるハードウェア手段と、
前記１対の電気／超音波トランスデューサを含む任意のトランスデューサから得られる受信信号からドップラー周波数を検出する検出回路と、
前記１対のトランスデューサにより上流から下流への超音波パルス送信で得た第１の受信信号と下流から上流への超音波パルス送信で得た第２の受信信号とを増幅し、アナログ／デジタル変換を行う変換回路と、
検出された前記ドップラー周波数からパルスドップラー方式により流量を算出し、かつ前記変換回路の出力から伝搬時間差方式により流量を算出する制御手段とを備えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを同時並列的に行うことができるとともに、
前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは前記伝播時間差方式および前記パルスドップラー方式にて共用されるとともに、前記パルスドップラー方式では、単一の前記電気／超音波トランスデューサを送受信に兼用し、
前記ハードウェア手段のパルスドップラー方式用のパルス信号出力および前記変換手段の入力と共用される前記１対の電気／超音波トランスデューサの一方のトランスデューサとの間に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続するスイッチ手段をさらに備え、
前記検出回路は、前記一方のトランスデューサから出力された超音波パルスのエコーである受信信号から前記ドップラー周波数を検出することを特徴とする超音波流量計。
【請求項６】
前記制御手段と前記ハードウェア手段とは、連携して、外部からのコマンドまたは信号に応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モードを切り替えることを特徴とする請求項５記載の超音波流量計。
【請求項７】
伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサと、
前記１対の電気／超音波トランスデューサに伝搬時間差方式の流量計測に必要なパルス信号を与え、前記１対の電気／超音波トランスデューサの一方にパルスドップラー方式の流量計測に必要なパルス信号を生成出力するパルス生成手段と、
前記１対の電気／超音波トランスデューサを含む任意の１つのトランスデューサを用いて、パルスドップラー方式の流量計算に必要なドップラー周波数を検出する検出回路と、
以上の資源により、上流から下流への超音波パルス送信により得た第１の受信信号と下流から上流への超音波パルス送信により得た第２の受信信号との増幅およびアナログ／デジタル変換を可能とする切り替え手段と、
前記の検出されたドップラー周波数からパルスドップラー方式により流量を算出し、かつ前記アナログ／デジタル変換の結果から伝搬時間差方式により流量を算出する制御手段とを備えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを切り替えて実施することができ、
前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは前記伝播時間差方式および前記パルスドップラー方式にて共用されるとともに、前記パルスドップラー方式では、単一の前記電気／超音波トランスデューサを送受信に兼用し、
前記検出回路が、その前方の段に増幅器を備え、かつ後方の段に実部データおよび虚部データをそれぞれ処理する１対のアナログ／デジタル変換器を備え、
前記切り替え手段が、前記１対のアナログ／デジタル変換器の直前に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続し、伝搬時間差方式の計測期間は、前記増幅器の出力を前記１対のアナログ／デジタル変換器の一方の入力に接続する１対の２択スイッチ手段を含み、
共通端子が前記パルス生成手段の出力端子および前記検出回路の入力端子に接続され、
１対の接点が前記１対の電気／超音波トランスデューサにそれぞれ接続された第２のスイッチ手段をさらに備え、
前記切り替え手段は、前記１対のスイッチ手段および前記第２の２択スイッチ手段の切り替え制御を行い、パルスドップラー方式の計測期間中は、前記増幅器の入力を前記一方のトランスデューサに接続し、伝搬時間差方式の計測期間は伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って第２のスイッチ手段を切り替えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項８】
前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは、複数対のトランスデューサであり、
第２のスイッチ手段は、前記複数の２倍の接点を有する択一スイッチであり、前記複数の２倍の接点は、前記複数対のトランスデューサに１対１に接続され、
前記切り替え手段は、前記複数対のトランスデューサの各対にパルスドップラー方式の計測期間と伝搬時間差方式の計測期間とを割り当て、前記各対に対して、パルスドップラー方式の計測期間中は、前記増幅器の入力が当該トランスデューサ対の一方に接続され、
伝搬時間差方式の計測期間は前記増幅器と当該トランスデューサ対とが伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って接続されるように第２のスイッチ手段を切り替えることを特徴とする請求項７記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記制御手段および前記切り替え手段は、連携して、外部からのコマンドまたは信号に応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モードを切り替えることを特徴とする請求項７乃至請求項８の何れか一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、測定対象の流体に超音波を照射して流体の流量を計測する超音波流量計に関し、特に多様な流体の流量計測等に適用して有効な超音波流量計および超音波流量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
配管の外壁に検出器を設置して、管の外側から管内を流れる流体に超音波を投射し、超音波が流体内部を伝播する際の変化を計測して配管内部の流量を測定するクランプオンタイプの超音波流量計は、既設配管であっても特別な設置工事が不要、流体の温度や圧、腐食性等の影響を受けないなどの多くの利点を持っている。【０００３】
このような超音波流量計における流量計測方法としては、パルスドップラー法と伝播時間差法が知られている。
パルスドップラー法の流量計測は、図１Ａに示されるように、少なくとも１つの送受信一体型の検出器を有し、計測対象となる液体中に超音波パルスを放射し、流体中に混在する気泡などの異物によって反射された超音波エコー波を受信する。このエコー波の周波数が、流速に比例した大きさだけシフトする原理を応用したものである。このエコー波は、流体の検出器に近い部分からは早い時間で、遠くなるにつれ遅れて帰ってくるので、これを利用して測線上の位置での流速の分布Ｖｘが得られ、これを式（１）のように配管の全断面（Ａ）について積分することにより流量が得られる。【０００４】
【数１】
0004544247.tif 000002
本法は後述の伝播時間差法と比較して、高精度・高速応答が可能で、かつ耐気泡性に優れている。しかしその反面、不純物が少ない流体では計測できなくなり、計測可能流速範囲に制約があるという技術的課題がある。【０００５】
この計測可能範囲については特許文献１に記載がある。すなわち計測可能最大流速ＶＭＡＸは、【０００６】
【数２】
0004544247.tif 000003
となる。ただし、Ｃｆ：流体の音速、Ｄ：配管の内径、ｆ０：超音波の送信周波数である。【０００７】
これはパルスドップラー法は、図１Ｂおよび図１Ｃに示されるように、繰り返し周波数ｆｐｒｆにてドップラーシフト周波数ｆｄをサンプリングしてｆｄを求めているためで、サンプリング定理より、【０００８】
【数３】
0004544247.tif 000004
となる必要がある。また、配管の測線上の全域の流速分布を測定するためには、配管の反対管壁部からのエコー波が返ってくるまで次の測定を行うことができないので、【０００９】
【数４】
0004544247.tif 000005
となる必要がある。更に、ドップラーシフト周波数ｆｄは、測定流体の流速がＶｆのとき、【００１０】
【数５】
0004544247.tif 000006
となる。式（３）〜（５）を組み合わせると、式（２）となり、測定可能流速に上限があることが分かる。【００１１】
パルスドップラー法のもう一つの課題として検出器側の管壁部分の流速を正常に検出できない点が挙げられる。すなわち、パルスドップラー法の流量計測では、少なくとも１つの送受信一体型検出器を用いれば流速分布が測定可能であるが、検出器側の管壁近傍部分では流速測定精度が低下し、このため、たとえば、特許文献２では、正常に検出された反対側の管壁部分の流速分布を検出器の装着側の管壁部分まで外挿して流体の流量を求める方法が開示されている。また、特許文献３では、計測した流速分布に対し流体断面の中央にて２分割して２つの分割分布を作成し、ばらつきの小さい分割分布を２倍して流体断面全体の流量を求める方法が開示されている。【００１２】
しかし、これらの方法は、いずれも流体の流れが凸型で対称な流れを想定しており、流れの曲がりや合流などの非対称な流れの場合には、流量計測精度が低下する。また、流れに軸方向成分しかないことを想定しており、流れの曲がりや合流などにより径方向成分が生じると、やはり流量計測精度が低下する。【００１３】
一方、伝播時間差法は、図２Ａに示されるように、１対の送受信一体型検出器を有し、上流側から下流側への超音波伝達時間Ｔ１（図２Ｂ参照）と下流側から上流側への超音波伝達時間Ｔ２（図２Ｃ参照）とを比較して、式（６）および式（７）により、平均流速Ｖｔと、流量Ｑを算出する方式である。【００１４】
【数６】
0004544247.tif 000007
【００１５】
【数７】
0004544247.tif 000008
ただし、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１、Ｄ：配管の直径、θｆ：超音波の流体に対する入射角、Ｔ０：静止水での伝播時間（＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２）、τ：配管壁および楔内での伝播時間、Ｋ：平均流速の換算係数である。【００１６】
本方式は上述のパルスドップラー法と比較して、精度が低い、応答が遅い、気泡や不純物に弱いといった問題があるが、気泡や不純物の無い流体でも測定ができる、パルスドップラー法のような計測可能範囲の制約が無いという長所がある。【００１７】
このように、流量計測において、パルスドップラー法と伝播時間差法は一長一短あるが、従来は、流量計単体としてパルスドップラー法か伝播時間差法のいずれかの方法で計測を行なっていたため、計測対象の流体の速度、気泡量などの状況により、計測精度が低下したり、計測ができなくなるという技術的課題があった。
【特許文献１】特開２００４−１２２０５号公報
【特許文献２】特開平１０−２８１８３２号公報
【特許文献３】特開２００４−１２２０４号公報
【発明の開示】
【００１８】
本発明の目的は、流速や気泡量等の流体の状態に影響されることなく、計測精度および計測可能範囲を向上させることが可能な超音波流量計および超音波流量測定方法を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、超音波流量計における製造コストの削減および検出器の設置の簡略化を実現することにある。
本発明の他の目的は、コスト増を抑制しつつ、単一の検出器を用いる場合のパルスドップラー法に固有の技術的課題を解消して、流量の計測精度の向上を実現することにある。
【００２０】
さらに、本発明は、計測対象の流体の速度分布や気泡量などの状況に応じて両方式を切り替えることにより流速の広い範囲にわたり高精度の流量計測を可能とする流量計測方法および装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明の第１の観点は、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する第１の流量計測部と、
パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する第２の流量計測部と、測定対象の流体が流通する前記配管に装着され、各々が音響信号と電気信号の相互変換を行う複数の第１および第２のトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部を前記第１の流量計測部および前記第２の流量計測部に共用させるためのトランスデューサ切替手段と、を備え、
複数の前記第１および第２のトランスデューサ部は、前記配管の軸を挟んで互いに反対側の位置に、前記流体の流通方向に互いにずれた位置に装着され、
前記第１の流量計測部では、前記第１のトランスデューサ部から送信され、前記第２のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間と、前記第２のトランスデューサ部から送信され、前記第１のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間との時間差を計測して前記流体の流量を計測し、
前記第２の流量計測部では、前記第１および第２のトランスデューサ部の各々を用いて測定された流速分布のうち、当該トランスデューサ部から見た前記配管の中央から反対側の配管壁までの測定値を組み合わせて、前記配管の直径全域の流速分布を求める超音波流量計を提供する。
【００２３】
本発明の第２の観点は、超音波を用いて配管中の流体の流量測定を行う超音波流量測定方法であって、
前記配管に装着され音響信号と電気信号の相互変換を行う複数のトランスデューサ部を、互いに異なる測定原理を用いる複数の流量計測部にて共有し、個々の前記流量計測部に対する前記トランスデューサ部の接続を切り換えて流量計測を行うとともに、
複数の前記流量計測部は、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する第１の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する第２の流量計測部からなり、
第１および第２の前記トランスデューサ部を、前記配管の軸を挟んで互いに反対側の位置に、前記流体の流通方向に互いにずれた位置に装着し、
前記第１の流量計測部では、前記第１のトランスデューサ部から送信され、前記第２のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間と、前記第２のトランスデューサ部から送信され、前記第１のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間との時間差を計測して前記流体の流量を計測し、
前記第２の流量計測部では、前記第１および第２のトランスデューサ部の各々を用いて測定された流速分布のうち、当該トランスデューサ部から見た前記配管の中央から反対側の配管壁までの測定値を組み合わせて、前記配管の直径全域の流速分布を求める超音波流量測定方法を提供する。
【００２４】
複数の超音波流量計は、たとえば、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する第１の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する第２の流量計測部からなる構成とすることができる。
【００２５】
そして、二つの検出器を必要とする伝播時間差法に用いられる一対の検出器の少なくとも一方を、少なくとも一つの検出器で動作可能なパルスドップラー法で利用可能なように、検出器切替部を設けることができる。
【００２６】
一対の検出器は、配管の軸を挟んで互いに反対側の位置に、流体の流通方向に互いにずれた位置に配置する構成とすることができる。あるいは、一対の検出器を、配管の同一側面側に、流体の流通方向に沿って離間した位置に配置する構成とすることもできる。
【００２７】
このように、本発明の超音波流量計では、測定原理の異なる第１の流量計測部と第２の流量計測部を備えて、互いに独立に、あるいは両方を同時併用する構成としたので、互いに他の方法の欠点を補い合って、流速や気泡等の測定対象の流体の多様な状態に影響されることなく、流体の流量を広範囲にかつ高精度に測定することが可能になる。
【００２８】
また、検出器を複数の測定法で共用することで、検出器の数量を削減でき、検出器の製造コストや設置コストを削減でき、低コストにて流体の流量を広範囲にかつ高精度に測定することが可能になる。
【００２９】
また、一対の検出器の双方を共有化してパルスドップラー法の計測を行い、双方の検出器を用いた場合の測定結果を組み合わせることにより、コスト増を抑えつつ、単一の検出器を用いる場合の、検出器の配置側の管壁近傍の測定精度の低下を防止して、流量の計測精度を高めることが可能になる。
【００３０】
さらに、本発明の第３の観点は、伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサと、
少なくとも前記１対の電気／超音波トランスデューサにパルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とに必要なパルス信号を与えるハードウェア手段と、
前記１対の電気／超音波トランスデューサを含む任意のトランスデューサから得られる受信信号からドップラー周波数を検出する検出回路と、
前記１対のトランスデューサにより上流から下流への超音波パルス送信で得た第１の受信信号と下流から上流への超音波パルス送信で得た第２の受信信号とを増幅し、アナログ／デジタル変換を行う変換回路と、
検出された前記ドップラー周波数からパルスドップラー方式により流量を算出し、かつ前記変換回路の出力から伝搬時間差方式により流量を算出する制御手段とを備えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを同時並列的に行うことができるとともに、
前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは前記伝播時間差方式および前記パルスドップラー方式にて共用されるとともに、前記パルスドップラー方式では、単一の前記電気／超音波トランスデューサを送受信に兼用し、
前記ハードウェア手段のパルスドップラー方式用のパルス信号出力および前記変換手段の入力と共用される前記１対の電気／超音波トランスデューサの一方のトランスデューサとの間に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続するスイッチ手段をさらに備え、
前記検出回路は、前記一方のトランスデューサから出力された超音波パルスのエコーである受信信号から前記ドップラー周波数を検出することを特徴とする。
【００３１】
後述の第４の実施の形態では、パルスドップラー方式の流量計測専用の第２の電気／超音波トランスデューサをさらに備え、ハードウェア手段は、１対の電気／超音波トランスデューサと第２の電気／超音波トランスデューサの両方に送信パルス信号を与え、検出回路は、第２の電気／超音波トランスデューサから得られる受信信号からドップラー周波数を検出する。
【００３２】
後述の第５の実施の形態では、前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは１対のみであり、  ハードウェア手段のパルスドップラー方式用のパルス信号出力および変換手段の入力と１対のみの電気／超音波トランスデューサの一方のトランスデューサとの間に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続するスイッチ手段をさらに備え、検出回路は、一方のトランスデューサから出力された超音波パルスのエコーである受信信号からドップラー周波数を検出する。
【００３３】
制御手段およびハードウェア手段は、連携して、外部からのコマンドまたは信号に応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モードを切り替えてもよい。
【００３４】
さらに、本発明の第４の観点は、伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサと、
前記１対の電気／超音波トランスデューサに伝搬時間差方式の流量計測に必要なパルス信号を与え、前記１対の電気／超音波トランスデューサの一方にパルスドップラー方式の流量計測に必要なパルス信号を生成出力するパルス生成手段と、
前記１対の電気／超音波トランスデューサを含む任意の１つのトランスデューサを用いて、パルスドップラー方式の流量計算に必要なドップラー周波数を検出する検出回路と、
以上の資源により、上流から下流への超音波パルス送信により得た第１の受信信号と下流から上流への超音波パルス送信により得た第２の受信信号との増幅およびアナログ／デジタル変換を可能とする切り替え手段と、
前記の検出されたドップラー周波数からパルスドップラー方式により流量を算出し、かつ前記アナログ／デジタル変換の結果から伝搬時間差方式により流量を算出する制御手段とを備えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを切り替えて実施することができ、
前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは前記伝播時間差方式および前記パルスドップラー方式にて共用されるとともに、前記パルスドップラー方式では、単一の前記電気／超音波トランスデューサを送受信に兼用し、
前記検出回路が、その前方の段に増幅器を備え、かつ後方の段に実部データおよび虚部データをそれぞれ処理する１対のアナログ／デジタル変換器を備え、
前記切り替え手段が、前記１対のアナログ／デジタル変換器の直前に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続し、伝搬時間差方式の計測期間は、前記増幅器の出力を前記１対のアナログ／デジタル変換器の一方の入力に接続する１対の２択スイッチ手段を含み、
共通端子が前記パルス生成手段の出力端子および前記検出回路の入力端子に接続され、
１対の接点が前記１対の電気／超音波トランスデューサにそれぞれ接続された第２のスイッチ手段をさらに備え、
前記切り替え手段は、前記１対のスイッチ手段および前記第２の２択スイッチ手段の切り替え制御を行い、パルスドップラー方式の計測期間中は、前記増幅器の入力を前記一方のトランスデューサに接続し、伝搬時間差方式の計測期間は伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って第２のスイッチ手段を切り替えることを特徴とする。
【００３５】
後述の第６の実施の形態では、検出回路が、その前方の段に増幅器を備え、かつ後方の段に実部データおよび虚部データをそれぞれ処理する１対のアナログ／デジタル変換器を備え、切り替え手段が、１対のアナログ／デジタル変換器の直前に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続し、伝搬時間差方式の計測期間は、増幅器の出力を１対のアナログ／デジタル変換器の一方の入力に接続する１対の２択スイッチ手段を含み、共通端子がハードウェア手段の前記唯一の出力端子および変換手段の入力端子に接続され、１対の接点が１対のみの電気／超音波トランスデューサのそれぞれ接続された第２のスイッチ手段をさらに備え、切り替え手段は、１対のスイッチ手段および第２の２択スイッチ手段の切り替え制御を行い、パルスドップラー方式の計測期間中は、増幅器の入力を前記一方のトランスデューサに接続し、伝搬時間差方式の計測期間は伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って第２のスイッチ手段を切り替える。
【００３６】
後述の第７の実施の形態では、前記の少なくとも１対の電気／超音波トランスデューサは、複数対のトランスデューサであり、第２のスイッチ手段は、前記複数の２倍の接点を有する択一スイッチであり、前記複数の２倍の接点は、前記複数対のトランスデューサに１対１に接続され、切り替え手段は、前記複数対のトランスデューサの各対にパルスドップラー方式の計測期間と伝搬時間差方式の計測期間とを割り当て、各対に対して、パルスドップラー方式の計測期間中は、増幅器の入力が当該トランスデューサ対の一方に接続され、伝搬時間差方式の計測期間は増幅器と当該トランスデューサ対とが伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って接続されるように第２のスイッチ手段を切り替える。
【００３７】
制御手段および切り替え手段は、連携して、外部からのコマンドまたは信号に応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モードを切り替えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】超音波を用いたパルスドップラー法による流量測定の原理を説明する概念図である。
【図１Ｂ】超音波を用いたパルスドップラー法による流量測定の原理を説明する概念図である。
【図１Ｃ】超音波を用いたパルスドップラー法による流量測定の原理を説明する概念図である。
【図２Ａ】超音波を用いた伝播時間差法による流量測定の原理を説明する概念図である。
【図２Ｂ】超音波を用いた伝播時間差法による流量測定の原理を説明する線図である。
【図２Ｃ】超音波を用いた伝播時間差法による流量測定の原理を説明する線図である。
【図３】本発明の一実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図である。
【図４】本発明の他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図である。
【図５】その作用の一例を示す概念図である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示すブロック図である。
【図７】その作用の一例を説明する概念図である。
【図８】その作用の一例を説明する概念図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。
【図１０】送信パルス発生器１２２、トランスデューサ１１１ｕ、１１１ｄおよび受信信号処理部１４０が行う伝搬時間差方式の流量計測動作の例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第５の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態により両方式の計測動作を同時に並行して行う過程におけるスイッチの状態と信号のタイミングを示す図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。
【図１４】本発明の第６の実施の形態の超音波流量計１０３の動作におけるスイッチＳＷ１、ＳＷ３およびＳＷ４の状態を示す説明図である。
【図１５Ａ】本発明の第７の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。
【図１５Ｂ】本発明の第７の実施の形態による超音波流量計におけるトランデューサの配置例を示す略断面図である。
【図１５Ｃ】本発明の第７の実施の形態による超音波流量計におけるトランデューサの配置例を示す略断面図である。
【図１６】本発明の第７の実施の形態により、トランスデューサ対の１つ（例えば、Ｔ＝１１１，１１２or１１３）に対して行われる超音波流量計１０４の動作における、スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ３およびＳＷ４の状態を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明では、各図および各実施の形態に共通する構成要素には同一の符号を付して、重複した説明は割愛する。【００４０】
〔第１の実施の形態〕
図３は、本発明の一実施の形態である超音波流量測定方法を実施する超音波流量計の構成の一例を示す概念図である。【００４１】
本実施の形態の超音波流量計は、測定対象の流体５１が流通する配管５０に装着され、各々が超音波の送受信器として機能する圧電素子等を備えた複数の検出器４１、検出器４２、検出器４３（トランスデューサ部）を備えている。すなわち、検出器４１〜検出器４３の各々は、一例として、図７に例示されるように、超音波振動等の音響信号と電気信号の相互変換を行う圧電素子４０ａと、この圧電素子４０ａと配管５０の外壁面との間に介在し、圧電素子４０ａで発生した超音波振動を所定の入射角度で配管５０に伝達し、配管５０側の超音波振動を圧電素子４０ａに伝達する楔体４０ｂで構成されている。【００４２】
一対の検出器４１および検出器４２は、配管５０の軸を挟んで互いに反対側に、流体５１の流通方向に上流側および下流側にずれた位置に配置されており、互いに他から放射される超音波の伝播経路上に位置している。このような検出器の取り付け方を、便宜上“Ｚ法”と略称する。【００４３】
また、検出器４３は、超音波の放射経路が、配管５０の中心軸を通り、その装着位置から下流側に傾斜するように設置されている。
一対の検出器４１および検出器４２は、検出器切替スイッチ１５を介して、当該検出器切替スイッチ１５、受信信号増幅制御部１１、Ａ／Ｄ変換部１２、伝播時間演算部１３、流量演算部１４と、送信パルス生成部３１および送受信タイミング制御部３２からなる伝播時間差方式部１０（第１の流量計測部）に接続されている。【００４４】
この伝播時間差方式部１０では、送受信タイミング制御部３２から出力される送信起動信号３２ａに同期して送信パルス生成部３１から出力される送信パルス電力を検出器切替スイッチ１５を介して一方の検出器４１に印加して超音波を発振させ、その直後に、検出器切替スイッチ１５を検出器４２側に切り換えて当該検出器４２に到達する超音波を受信して電気信号に変換して受信信号増幅制御部１１に入力して増幅し、さらに、この受信信号を、送受信タイミング制御部３２から出力されるＡ／Ｄサンプリングクロック３２ｂに同期してＡ／Ｄ変換部１２にてディジタル変換して伝播時間演算部１３に入力する動作を、検出器切替スイッチ１５の切替動作により、検出器４１と検出器４２で送信側と受信側を入れ換えて交互に実行する。【００４５】
そして、伝播時間演算部１３では、図２Ａ〜図２Ｃの測定原理により、検出器４１と検出器４２の間の超音波の配管５０内を経由した伝達遅延時間に基づいて流体５１の流速を検出し、流量演算部１４では、この流速から流量を演算して計測値出力切替スイッチ３４を介して出力する動作が行われる。【００４６】
また、検出器４３は、受信信号増幅制御部２１、Ａ／Ｄ変換部２２、流速分布演算部２３、積分演算部２４と、伝播時間差方式部１０と共通の送信パルス生成部３１および送受信タイミング制御部３２からなるパルスドップラー方式部２０（第２の流量計測部）に接続されている。【００４７】
そして、このパルスドップラー方式部２０では、送受信タイミング制御部３２から出力される送信起動信号３２ａに同期して送信パルス生成部３１から出力される送信パルス電力を検出器４３に印加して超音波を配管５０内に放射し、流体５１内の気泡等で反射されたエコー波を受信信号増幅制御部２１で検出して増幅し、送受信タイミング制御部３２から出力されるＡ／Ｄサンプリングクロック３２ｃに同期してＡ／Ｄ変換部２２でディジタル信号に変換して流速分布演算部２３に入力し、流速分布演算部２３では、図１Ａ〜図１Ｃに例示した原理にて配管５０内の流速分布を演算し、積分演算部２４にて流量に変換して計測値出力切替スイッチ３４に出力する動作が行われる。【００４８】
伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０の出力側には、計測値出力切替スイッチ３４が設けられ、この計測値出力切替スイッチ３４を介して、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０の出力が選択的に出力される構成となっている。【００４９】
この計測値出力切替スイッチ３４と、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０に共通に設けられた送信パルス生成部３１および送受信タイミング制御部３２は、計測方式切替制御部３３から出力される出力選択信号３３ａおよび計測方式選択信号３３ｂにて、上述の伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０のいずれの動作を行うか等が制御される。【００５０】
また、伝播時間差方式部１０の伝播時間演算部１３およびパルスドップラー方式部２０の流速分布演算部２３の各々からは、計測状態データ１３ａおよび計測状態データ２３ａが、計測方式切替制御部３３に入力され、計測方式切替制御部３３は、このデータに基づいて伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０のいずれを動作させるか、あるいは並行動作させるか、等の判断を行う。【００５１】
このように、本実施の形態では、計測状態データ１３ａや計測状態データ２３ａ等の情報に基づいて、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０の動作状況を判断しながら、計測方式切替制御部３３が、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０、さらには計測値出力切替スイッチ３４を制御して、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０のいずれを動作させて流量の検出を行うかを切り換えながら配管５０における流体５１の流量計測を行うので、伝播時間差方式部１０とパルスドップラー方式部２０の長所を合わせて、制限のない広い測定範囲で高精度にて流量測定を行うことが可能になる。【００５２】
たとえば、計測状態データ２３ａによってパルスドップラー方式部２０で計測中に測定可能範囲を超過したこと、あるいは、流体５１内に気泡や不純物がなく、超音波エコーでの測定が不能になった等の事象を検出した場合には、伝播時間差方式部１０を起動するとともに、計測値出力切替スイッチ３４の出力を伝播時間差方式部１０側に切り換えて、計測を継続することが可能になる。【００５３】
このように、計測方式切替制御部３３は、計測状態データ１３ａおよび計測状態データ２３ａに基づく各々の測定結果から、配管５０内の流体５１の状態を把握し、出力選択信号３３ａによる送信パルス生成部３１および送受信タイミング制御部３２に切換制御、および計測方式選択信号３３ｂによる計測値出力切替スイッチ３４の切換制御にて、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０の両方式を並列して動作させて流量測定を行うか、もしくは伝播時間差方式部１０またはパルスドップラー方式部２０のいずれか適する方式に切り替えることで、流体５１の状態に影響されることなく、広い測定範囲にて、かつ高い測定精度を実現することが可能になる。【００５４】
〔第２の実施の形態〕
図４は、本発明の他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図である。この図４の構成は、上述の図３の構成において、パルスドップラー方式部２０の受信信号増幅制御部２１の前段に検出器切替スイッチ３５を配置し、伝播時間差方式部１０の一対の検出器４１（第１のトランスデューサ部）および検出器４２（第２のトランスデューサ部）の双方を、パルスドップラー方式部２０と共有することで、検出器の数を減らした例を示すものである。【００５５】
すなわち、図４の構成例では、伝播時間差方式部１０で用いる一対の検出器４１および検出器４２を検出器切替スイッチ３５を介してパルスドップラー方式部２０に接続して片方もしくは双方を共有することで、パルスドップラー方式部２０に専用の検出器４３を省略し、全体の検出器の個数を、図３の３個から２個に減らした構成となっている。【００５６】
伝播時間差方式部１０の伝播時間差法では、検出器の取り付け方に、前述の“Ｚ法”と後述の“Ｖ法”がある。
“Ｚ法”では、図４に例示されるように、一対の検出器４１および検出器４２を、配管５０の中心軸を挟んで互いに反対側の壁面に、上流側および下流側にずらして配置したものであり、検出器４１および検出器４２の各々から放射される超音波の進路上に互いに他の検出器が位置する。【００５７】
そして、この“Ｚ法”で取り付けた場合には、１対の検出器４１および検出器４２の双方を、検出器切替スイッチ３５の切換動作で共有化し、図５に例示されるように、検出器４１および検出器４２の各々で測定された流速分布のうち、配管中央から反対側（当該検出器から遠い側）の配管壁までの部分を組み合わせて、配管直径全域の流速分布を求めることにより、非対称な流れに対しても、精度良く流量計測ができる。【００５８】
すなわち、図４の構成例におけるパルスドップラー方式部２０は、流速分布演算部は、検出器切替スイッチ３５を検出器４１の側に接続して検出された流速分布（図５の左側半分）を演算するための流速分布演算部２３−１と、検出器切替スイッチ３５を検出器４２の側に接続して検出された流速分布（図５の右側半分）を演算するための流速分布演算部２３−２と、検出器切替スイッチ３５の切換動作に連動して、送受信タイミング制御部３２からの選択信号３２ｄにより流速分布演算部２３−１または流速分布演算部２３−２のいずれを動作させるかを切り換える入力切替スイッチ２３−３を備えている。【００５９】
これにより、図５に例示されるように、パルスドップラー方式部２０を検出器４１に接続した状態では、流速分布演算部２３−１を動作させて、当該検出器４１から遠い側の半断面領域の流速分布５１ａを計測し、検出器４２に接続した状態では、当該検出器４２から遠い側の半断面領域の流速分布５１ｂを計測し、後段の積分演算部２４では、流速分布演算部２３−１（検出器４１）と流速分布演算部２３−２（検出器４２）の流速分布を足し合わせた全断面領域の流速分布５１ｃに基づいて流量の演算を行って流量測定値として出力する。【００６０】
このように、図４および図５の本実施の形態では、伝播時間差方式部１０の伝播時間差法に必要な一対の検出器４１および検出器４２を、検出器切替スイッチ３５を介して、パルスドップラー法を用いるパルスドップラー方式部２０の側に共用させ、単一の検出器を用いる場合のパルスドップラー法の技術的課題である、検出器近傍側の流速分布測定の精度低下を、検出器４１および検出器４２による計測データの足し合わせにて補い合うことで、測定精度の向上を実現することができる。【００６１】
また、パルスドップラー方式部２０側における検出器４１（または検出器４２）を使用しての流量計測中に、当該パルスドップラー方式部２０に接続されていない側の検出器４２（または検出器４１）を伝播時間差方式部１０に接続して、音響信号を受信することで、パルスドップラー方式部２０側の計測処理と並行して、伝播時間差方式部１０による流量分布の計測を行わせることができる。【００６２】
〔第３の実施の形態〕
図６は、本発明のさらに他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示すブロック図であり、図７および図８は、その作用の一例を説明する概念図である。【００６３】
この図６の実施の形態では、配管５０の同一側面において軸方向に、下流側に検出器４１を配置し、上流側に検出器４２を配置し、伝播時間差方式部１０における測定時に、検出器４１および検出器４２から放射される超音波の伝播経路が、配管５０の中心軸を横切って反対側の壁面に反射されることによりＶ字形となるようにしたものである。このような検出器の配置方法を便宜的に“Ｖ法”と略称する。【００６４】
そして、この図６の実施の形態において、伝播時間差方式部１０では、検出器４１から超音波を送出し、反対側の壁面で反射して他方の検出器４２に入射する音響信号を検出して配管５０における流体５１の流速分布を計測する。【００６５】
一方、パルスドップラー方式部２０では、検出器切替スイッチ３５により、検出器４１および検出器４２を使用して後述のような流速分布の測定動作を行う。
すなわち、パルスドップラー法において、一つの検出器にて流速の測定を行う場合、図７に示されるように、流体５１の流速Ｖｆ（流れ方向）は、配管５０の軸に平行であることを前提とし、流体５１に対する超音波の入射角がθｆであるとき、ドップラーシフト周波数ｆｄ∝Ｖｆ・ｓｉｎθｆとなることを利用して流速を求めている。【００６６】
このため、流体５１の流れ方向（流速Ｖｆｘ）が配管５０の軸方向に平行でなく、配管５０の径方向の誤差成分Ｖｆｈを持つ場合には、図８に示されるように、一つの検出器４１による流速分布αは、式（８）となり、計測される流速値に誤差成分：Ｖｆｈ・ｃｏｓθｆを含むことになる。【００６７】
【数８】
0004544247.tif 000009
【００６８】
【数９】
0004544247.tif 000010
そこで、図６の実施の形態のように、検出器４１および検出器４２を“Ｖ法”で取り付けた場合には、１対の検出器４１および検出器４２の双方を、伝播時間差方式部１０およびパルスドップラー方式部２０にて共有し、各々の検出器で測定された流速分布の差をとることにより径方向の成分Ｖｆｈをキャンセルし、軸方向の流速分布のみを算出でき、精度良く流量計測ができる。【００６９】
すなわち、図８に示されるように、一方の検出器４１による式（８）の流速分布αと、他方の検出器４２による式（９）の流速分布βを、パルスドップラー方式部２０の流速分布演算部２３−１および流速分布演算部２３−２でそれぞれ演算し、後段の積分演算部２４では、これらの差分の平均値＝（α−β）／２を求めて流速分布とすることにより、配管５０の流体５１において非対称流や径方向成分がある場合でも、精度よく流速分布およびそれに基づく流量測定が可能となる。【００７０】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、配管５０を流通する流体５１の状態に応じて、パルスドップラー法のパルスドップラー方式部２０と、伝播時間差法の伝播時間差方式部１０を並列、もしくは切替えて流量計測を行なえるようになり、計測精度、計測可能範囲を向上することが可能となる。また、その際に、検出器４１および検出器４２を両方式で共有化することで、必要な検出器の数量が削減され超音波流量計の製品コストの低減、検出器の設置作業の簡略化を実現できる。【００７１】
また、少なくとも一対の検出器が必要な伝播時間差方式部１０の当該検出器を、少なくとも一つの検出器しか必要としないパルスドップラー方式部２０にて共有し、パルスドップラー方式部２０においては、個々の検出器を用いて測定された複数の流速の測定結果を組み合わせることで、コスト増を抑えつつ、非対称流や径方向成分がある流れのときのパルスドップラー法の流量の計測精度を高めることができる。【００７２】
上述の各実施の形態の説明では、超音波による流量検出法として、伝播時間差法、およびパルスドップラー法を用いる場合を例示したが、これに限らず、超音波を用いて流体の流速ならびに流量の計測を行う超音波流量測定技術に広く適用することができる。【００７３】
〔第４の実施の形態〕
図９は、本発明の第４の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。図９において、本発明の超音波流量計１０１は、パルスドップラー方式の計測系（１１０＋１３０）と伝搬時間差方式の計測系（１１１＋１４０）とを兼ね備えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを同時に並行して実施することが可能である。【００７４】
即ち、超音波流量計１０１は、パルスドップラー方式の流量計測を行うために計測対象の流体を通す配管の外壁に取り付けられ超音波の送受信を行う電気／超音波トランスデューサ（以下、単に「トランスデューサ」と称する）１１０、伝搬時間差方式の流量計測を行うために上記の配管の上流側と下流側の対抗する外壁に取り付けられる一対のトランスデューサ１１１ｕおよび１１１ｄ（一括して、単に「１１１」と記す）、上記のトランスデューサ１１０および１１１に供給する送信パルスのタイミングおよびトランスデューサからの受信信号の処理タイミングを制御する送受信タイミング制御部１２０、送受信タイミング制御部１２０からの送信起動信号に応じてトランスデューサ１１０，１１２への送信パルスは発生する送信パルス発生器１２２、パルスドップラー方式計測用のトランスデューサ１１０からの受信信号からドップラー周波数を検出するドップラー周波数検出部１３０、伝搬時間差方式計測用のトランスデューサ１１１からの受信信号を処理する受信信号処理部１４０、伝搬時間差方式の計測に関する送受信信号の切り替えを行うスイッチＳＷ、およびドップラー周波数検出部１３０からの実部データと虚部データから流量を算出するとともに受信信号処理部１４０から渡されるデータからも流量を算出する演算制御部１５０からなる。演算制御部１５０は、図示しないＣＰＵ（中央情報処理装置）を含むマイクロコンピュータからなり、典型的にはＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）に格納されたプログラムの制御下で動作して超音波流量計１０１全体を制御する。送受信タイミング制御部１２０は、個別部品でも構成できるが、例えばＰＡＬ（programmable array logic）などを用いて容易に実現することができる。【００７５】
ドップラー周波数検出部１３０は、トランスデューサ１１０からの信号を増幅する増幅器１３１，入力が増幅器１３１の出力に接続された直交検波器１３２、直交検波器１３２からの実部データ出力と虚部データ出力にそれぞれ接続される一対のフィルタ１３３Ｒおよび１３３Ｉ、ならびにフィルタ１３３Ｒおよび１３３Ｉにそれぞれ接続された一対のアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１３４Ｒおよび１３４Ｉからなる。また、受信信号処理部１４０は、増幅器１３１と同様の増幅器１３１ＰとＡ／Ｄ変換器１３４Ｐからなる。【００７６】
次に、本発明の本実施の形態による超音波流量計１０１の動作を簡単に説明する。まず、演算制御部１５０が流量計測開始指示ＭＳを送受信タイミング制御部１２０に送る。これに応じて、送受信タイミング制御部１２０は、パルスドップラー方式計測用の送信パルスＴＤおよび伝搬時間差方式計測用の第１の送信パルス（即ち、例えば上流のトランスデューサ１１１ｕに与える送信パルス）ＴＰ１を送信するべき旨の指示を送信パルス発生器１２２に与え、送信パルス発生器１２２は、即座に送信パルスＴＤおよびＴＰ１を発信・出力する。これにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測が同時に開始される。【００７７】
ドップラー周波数検出部１３０と演算制御部１５０が行うパルスドップラー方式の流量算出処理は、従来の方式は勿論、今後考案される流量算出方式も含めて、如何なる流量算出方式で行ってもよい。同様に、受信信号処理部１４０および演算制御部１５０が行う伝搬時間差方式の流量算出処理は、従来の方式は勿論、今後考案される流量算出方式も含めて、如何なる流量算出方式で行ってもよい。【００７８】
まず、パルスドップラー方式の流量計測では、送信パルスＴＤがトランスデューサ１１０に印加されると、トランスデューサ１１０から超音波信号が配管内に送出され、このエコーがトランスデューサ１１０で電気信号に変換され、これが受信信号ＲＤとしてトランスデューサ１１０から取り出される。受信信号ＲＤは、ドップラー周波数検出部１３０に入力され、ドップラー周波数の検出が行われる。演算制御部１５０は、ドップラー周波数検出部１３０から受け取ったデータを基に流速分布および流量を算出する。【００７９】
図１０は、送信パルス発生器１２２、トランスデューサ１１１ｕ、１１１ｄおよび受信信号処理部１４０が行う伝搬時間差方式の流量計測動作の例を示すフローチャートである。図１０において、スイッチＳＷの共通端子を接点ａに接続し（ステップ２０２）、送信パルス発生器１２２に第１の送信パルスＴＰ１を送信させる（ステップ２０４）。これにより、超音波パルスが上流側のトランスデューサ１１１ｕから下流側のトランスデューサ１１１ｄに向けて出力される（ステップ２０６）。次に、スイッチＳＷの共通端子を接点ｂに接続し（ステップ２０８）、トランスデューサ１１１ｄからの受信信号ＲＰ１を受信信号処理部１４０にて所定の間隔で標本化しＡ／Ｄ変換して、結果を演算制御部１５０に渡す（ステップ２１０）。Ａ／Ｄ変換が終了した後（ステップ２１２）、送信パルス発生器１２２に第２の送信パルスＴＰ２を送信させる（ステップ２１４）。これにより、超音波パルスが下流側のトランスデューサ１１１ｄから上流側のトランスデューサ１１１ｕに向けて出力される（ステップ２１６）。次に、再びスイッチＳＷの共通端子を接点ａに接続し（ステップ２１８）、トランスデューサ１１１ｕからの受信信号ＲＰ２を受信信号処理部１４０にて所定の間隔で標本化しＡ／Ｄ変換して、結果を演算制御部１５０に渡す（ステップ２２０）。Ａ／Ｄ変換が終了した後（ステップ２２２）、以上の処理を所定の回数だけ繰り返したか否かを判断し、所定の回数に達するまで処理を繰り返す（ステップ２２４）。１５０では、受信信号処理部１４０から受け取ったデータを元に流速および流量を算出する。【００８０】
以上述べたように、図９の超音波流量計１０１は、パルスドップラー方式の計測系（１１０＋１３０）と伝搬時間差方式の計測系（１１１＋１４０）とを完備しているので、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを同時に並行して実施することが可能である。【００８１】
〔第５の実施の形態〕
図１１は、本発明の第５の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。図１１において、本実施の形態の超音波流量計１０２は、パルスドップラー方式計測用のトランスデューサ１１０が除去された代わりに、スイッチＳＷ１が追加され、スイッチＳＷがＳＷ２に置き換わり、送受信タイミング制御部が１２０から１２０ａに置き換わった点を除けば、図９の超音波流量計１０１と同じである。したがって、相違点のみを説明する。まず、スイッチＳＷの代わりとなったＳＷ２の接点ａおよびｂは、スイッチＳＷ１の接点ａおよびｂにもそれぞれ接続される。スイッチＳＷ１の共通端子は、送信パルス発生器１２２の送信信号ＴＤ出力端子およびドップラー周波数検出部１３０の入力端子に接続される。スイッチＳＷ１およびＳＷ２のａ接点が上流側のトランスデューサ１１１ｕに、スイッチＳＷ１およびＳＷ２のｂ接点が下流側トランスデューサ１１１ｄにそれぞれ接続される。【００８２】
本実施の形態の超音波流量計１０２では、ドップラー周波数検出部１３０と受信信号処理部１４０とを兼ね備え、１対のトランスデューサ１１１ｕ、１１１ｄは伝搬時間差方式の計測で用いられるとともに、ドップラー方式の流量計測にも利用できるように、スイッチＳＷ１による信号の切り替えが必要となる。【００８３】
次に、本発明の第５の実施の形態の超音波流量計１０２の動作を説明する。まず、演算制御部１５０が流量計測開始指示ＭＳを送受信タイミング制御部１２０ａに送る。これに応じて、送受信タイミング制御部１２０ａは、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式の共用の送信パルスＴＤ（ＴＰ１）を送信するべき旨の指示を送信パルス発生器１２２に与え、送信パルス発生器１２２は、即座に送信パルスＴＤ兼ＴＰ１を発信・出力する。これにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測が同時に開始される。図１２は、本発明の第５の実施の形態によりパルスドップラー方式および伝搬時間差方式の両方式の計測動作を同時に並行して行う際のスイッチの状態および各種信号のタイミングを示す図である。図１２において、送受信タイミング制御部１２０ａは、初期設定としてスイッチＳＷ１の共通端子を接点ａに接続し（以降、単に「スイッチＳＷ１をａ側に切り替える」のように表現する）、スイッチＳＷ２をｂ側に切り替えておく。上述のように、送信パルス発生器１２２から送信信号ＴＤ兼ＴＰ１が出力されると、この信号はスイッチＳＷ１の接点ａ（以下、単に「ＳＷ１ａ」のように記す）から上流側トランスデューサ１１１ｕに供給される。トランスデューサ１１１ｕから出力された超音波パルスは流体を伝搬する過程で、一部は反射されてトランスデューサ１１１ｕに戻り、その他は下流のトランスデューサ１１１ｄで感知される。【００８４】
下流側トランスデューサ１１１ｄで感知され変換された受信信号ＲＰ１は、接点ＳＷ２ｂを介してスイッチＳＷ２から受信信号処理部１４０の入力端子に供給され、伝搬時間差方式の流量計測に使用される。【００８５】
一方、トランスデューサ１１１ｕに戻った超音波パルスは、電気信号に変換され受信信号ＲＤとなり、これがスイッチＳＷ１の接点ａを介してスイッチＳＷ１からドップラー周波数検出部１３０の入力端子に供給され、パルスドップラー方式の流量計算に使用される。【００８６】
次に、送受信タイミング制御部１２０ａは、スイッチＳＷ１をｂ側に切り替え、スイッチＳＷ２をａ側に切り替える。そして、送信パルス発生器１２２にパルスドップラー式計測用の送信信号ＴＤ（これは、伝搬時間差方式の流量計測で用いる２番目の送信信号ＴＰ２の役も果たす）を発生させる。この送信信号ＴＤ（＝ＴＰ２）は、スイッチＳＷ１の接点ｂを介して下流のトランスデューサ１１１ｄに供給される。信号ＴＤはトランスデューサ１１１ｄから超音波パルスとして出力される。この超音波パルスは、上流側のトランスデューサ１１１ｕで電気信号に変換され受信信号ＲＰ２となる。受信信号ＲＰ２は、スイッチＳＷ２の接点ａを介してスイッチＳＷ２から受信信号処理部１４０の入力端子に供給され、前述のＲＰ１とともに伝搬時間差方式の流量計算に使用される。また、トランスデューサ１１１ｄから出力された超音波パルスは、流体内の気泡などで散乱され、散乱波の一部はエコーとしてトランスデューサ１１１ｄに戻り、送信パルスＴＤのエコー信号としてスイッチＳＷ１のｂ接点を介してドップラー周波数検出部１３０に供給される。【００８７】
以上の計測周期を所定の回数だけ繰り返すことにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とが同時に並行して実施される。
なお、以上の説明では、１計測周期にパルスドップラー方式の計測を２回行ったが、何れか１回のみ行ってもよい。【００８８】
また、以上述べた両方式同時並列動作では、送信パルス発生器１２２の伝搬時間差方式用のパルス出力を使用しなかった。したがって、両方式を同時並列的に行う分には、送信パルス生成器１２２は、一種類のパルスを生成する機能があれば十分である。しかし、図１１の超音波流量計で、異なる仕様の送信パルスを用いて両方式切り替えて動作させる場合を想定して、送信パルス発生器１２２にパルスドップラー方式の出力端子と伝搬時間差方式の出力端子を示した。【００８９】
〔第６の実施の形態〕
図１３は、本発明の第６の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。図１３において、本実施の形態の超音波流量計１０３は、スイッチＳＷ２および受信信号処理部１４０が除去され、送受信タイミング制御部が１２０ａから１２０ｂに置き換わり、送信パルス発生器が１２２から１２２ａに置き換わり、さらにドップラー周波数検出部が１３０から１３０ａに置き換わった点を除けば、図１１の超音波流量計１０２と同じである。したがって、相違点のみを説明する。ドップラー周波数検出部１３０ａは、フィルタ１３３ＲとＡ／Ｄ変換器１３４Ｒとの間にスイッチＳＷ３が挿入され、フィルタ１３３ＩとＡ／Ｄ変換器１３４Ｉとの間にスイッチＳＷ４が挿入されたことを除けば、ドップラー周波数検出部１３０と同じである。【００９０】
即ち、本実施の形態では、ドップラー周波数検出部の増幅器およびＡ／Ｄ変換器が、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式の両方に用いられる。したがって、両方式の計測信号処理を同時並行的に行うことはできないが、両方式を交互に、またはマイクロコンピュータなどの上位のシステムからの切り替え指示により、何れかの方式を選択して、流量計測を行うことが可能となる。【００９１】
なお、本実施の形態では、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測を交互に行うので、送信パルス発生器１２２ａは、送信信号出力端子を１つのみ有し、送信信号Ｔｍ（ｍ＝Ｄ，Ｐ１またはＰ２）を発生・出力する。【００９２】
図１４は、本実施の形態の超音波流量計１０３の動作におけるスイッチＳＷ１、ＳＷ３およびＳＷ４の状態を示す説明図である。まず、パルスドップラー方式の計測の場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ３およびＳＷ４をすべてａ側に切り替える。これにより、トランスデューサ１１１ｕ、スイッチＳＷ１およびドップラー周波数検出部１３０ａからなる回路は、図９のトランスデューサ１１０およびドップラー周波数検出部１３０からなる回路と同じになり、パルスドップラー方式の計測が可能であることがわかる。なお、スイッチＳＷ３およびＳＷ４をａ側に、スイッチＳＷ１をｂ側に切り替えれば、下流側のトランスデューサ１１１ｄを用いたパルスドップラー方式の計測が可能となることは、当業者には明らかである。【００９３】
また、伝搬時間差方式の計測の場合は、スイッチＳＷ３およびＳＷ４をともにｂ側に切り替えればよい。これにより、スイッチＳＷ１，増幅器１３１、スイッチＳＷ４およびＡ／Ｄ変換器１３４Ｉからなる回路は、図９のスイッチＳＷ，増幅器１３１ＰおよびＡ／Ｄ変換器１３４Ｐからなる回路と同じになり、伝搬時間差方式の計測が可能であることがわかる。伝搬時間差方式の計測中、スイッチＳＷ１に対しては、図１０のスイッチＳＷと全く同様の切り替え制御が行われる。なお、ＳＷ３は、スイッチ機能としては不要であるが、直交検波後の正弦および余弦の成分をＡ／Ｄ変換器するまでの信号経路を等しくすることが望ましいため、本実施の形態では図示した。【００９４】
〔第７の実施の形態〕
図１５Ａは、本発明の第７の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図である。図１５Ａにおいて、本実施の形態の超音波流量計１０４は、送受信タイミング制御部が１２０ｂから１２０ｃに置き換わり、スイッチＳＷ１が６接点択一スイッチＳＷ１ａに置き換わり、トランスデューサ対１１２および１１３が追加された点を除けば、図１３の超音波流量計１０３と同じである。したがって、相違点のみを説明する。図１５Ｂおよび図１５Ｃに示すように、トランスデューサ対１１１，１１２および１１３は、配管の周囲にほぼ等間隔に配置される。６接点択一スイッチＳＷ１０１ａは、１つの共通端子と６個の接点を有するスイッチである。６個の接点には、上流側と下流側のトランスデューサ１１１ｕ、１１１ｄ、１１２ｕ、１１２ｄ、１１３ｕおよび１１３ｄが順に接続されている。したがって、スイッチＳＷ１ａは、トランスデューサ対１１１，１１２および１１３用の部分スイッチＳＷ１−１１，ＳＷ１−１２およびＳＷ１−１３が一体になったものと考えることにする。例えば、部分スイッチＳＷ１―１１の上流側のトランスデューサに接続された接点をＳＷ１−１１ｕと表し、下流側のトランスデューサに接続された接点をＳＷ１−１１ｄと表す。また、説明を簡単にするため、任意のトランスデューサをＴ（＝１１１，１１２or１１３）であらわし、例えば、「上流側のトランスデューサＴｕが接続されるのは、部分スイッチＳＷ１−Ｔの接点ＳＷ１−Ｔａである」という具合に表現する。【００９５】
本実施の形態の超音波流量計１０４では、トランスデューサ対１１１，１１２および１１３の各について、パルスドップラー方式の計測と伝搬時間差方式の計測を行う。
図１６は、本実施の形態により、トランスデューサ対の１つ、例えば、Ｔ（＝１１１，１１２or１１３）に対して行われる超音波流量計１０４の動作における、ＳＷ３およびＳＷ４の状態を示す説明図である。パルスドップラー方式の計測の場合、ＳＷ３およびＳＷ４をともにａ側に切り替え、スイッチＳＷ１−Ｔを例えばＳＷ１−Ｔｕ側に切り替える。これにより、上流側のトランスデューサＴｕ、スイッチＳＷ１ａおよびドップラー周波数検出部１３０ａからなる回路は、図９のトランスデューサ１１０およびドップラー周波数検出部１３０からなる回路と同じになり、パルスドップラー方式の計測が可能であることがわかる。勿論、スイッチＳＷ１−ＴをＳＷ１−Ｔｄ側に切り替え下流側のトランスデューサＴｄを用いても、ドップラー方式の計測が可能であることは、当業者には自明である。【００９６】
また、伝搬時間差方式の計測の場合は、スイッチＳＷ３およびＳＷ４をともにｂ側に切り替えればよい。これにより、スイッチＳＷ１−Ｔ，増幅器１３１、スイッチＳＷ４およびＡ／Ｄ変換器１３４Ｉからなる回路は、図９のスイッチＳＷ，増幅器１３１ＰおよびＡ／Ｄ変換器１３４Ｐからなる回路と同じになり、伝搬時間差方式の計測が可能であることがわかる。伝搬時間差方式の計測中、スイッチＳＷ１−Ｔに対しては、図１０のスイッチＳＷと全く同様の切り替え制御が行われる（ただし、接点を区別するｕおよびｄは、ａおよびｂにそれぞれ対応する）。【００９７】
この実施の形態では、トランスデューサを３対用いる例で説明したが、２対でも、４対以上でも、トランスデューサの個数と、スイッチＳＷ１ａの接点数を一致させて調節することにより、実現することができる。【００９８】
以上は、本発明の説明のために実施の形態を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って上述の実施の形態に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。【００９９】
例えば、第２に実施の形態においては、トランスデューサ１１１ｕを用いて各計測周期の最初の送信パルスによるエコー信号からパルスドップラー方式の計測を行ったが、トランスデューサ１１１ｄを用いて第２の送信パルスによるエコー信号からパルスドップラー方式の計測を行ってもよい。【０１００】
なお、第３および第４の実施の形態では、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とを交互に切り替える例であったが、両方式の切り替え方法は、この他にも種々の方法が考えられる。例えば、外部（例えば、利用者または上位のシステム）からの方式切り替えコマンドまたは信号を演算制御部１５０ａが受けられるようにし、この方式切り替えコマンドまたは信号に応じて、演算制御部１５０ａが送受信タイミング制御部１２０ｂに方式を切り替えさせるようにしてもよい。【０１０１】
また、第４および第５の実施の形態においては、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とを同時並列的に行う例を説明したが、例えば、外部（例えば、利用者または上位のシステム）からの方式切り替えコマンドまたは信号を演算制御部１５０が受けられるようにし、この方式切り替えコマンドまたは信号に応じて、演算制御部１５０ａが送受信タイミング制御部にパルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モードを切り替えさせるようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によれば、流速や気泡量等の流体の状態に影響されることなく、流体の流量を広範囲にかつ高精度に測定することが可能となる。
また、流体の流速や気泡量等の状態に影響されることなく、計測精度および計測可能範囲を向上させることが可能な超音波流量計における製造コストの削減および検出器の設置の簡略化を実現することができる。【０１０３】
また、コスト増を抑制しつつ、単一の検出器を用いる場合のパルスドップラー法に固有の技術的課題を解消して、流量の計測精度の向上を実現することができる。
また、本発明によれば、パルスドップラー方式および伝搬時間差方式の両方式による流量計測に必要な資源を備えることにより、両方式の流量計測ができるので、流速の広い範囲にわたり高精度の流量計測が可能となる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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