(57)【要約】【課題】超音波の直接伝搬時間と反射伝搬時間を用いて流量計測を行う超音波流量計であって、消費電力が低く、電池による長時間の使用が可能な超音波流量計を提供する。【解決手段】上手側超音波素子２と下手側超音波素子の間を伝搬する超音波の、直接伝搬時間と反射伝搬時間とを時間計測手段５において測定する。その測定された時間を用いて流量演算手段が流量を求める。流量が一定値以下であると流量判定手段９が判定した場合は、受信検知手段４に連続的に電源を供給し、流量が一定値以上の場合は、反射伝搬時間を受信する時間帯に、受信検知手段４への電源供給を切断するように制御手段７が制御する。【選択図】図１
2007064881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を通過させるための流路と、
超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備え、前記流路の流れ方向上手側および下手側に配置された一対の超音波素子であって、一方の超音波素子から他方の超音波素子へ向けて超音波を発信し、その発信した超音波を前記他方の超音波素子で受信して電気信号を出力する上手側超音波素子および下手側超音波素子と、
前記上手側超音波素子または下手側超音波素子に駆動電圧を印加して超音波を発信させる送信手段と、
前記超音波素子からの前記電気信号が入力されることにより、前記上手側超音波素子または下手側超音波素子が前記超音波を受信したことを検知する受信検知手段と、
前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該下手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの順方向直接伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該上手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの逆方向直接伝搬時間と、前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって伝搬し、該下手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記上手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの上手側反射伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって伝搬し、該上手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記下手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの下手側反射伝搬時間とを測定する時間計測手段と、
前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間および前記上手側反射伝搬時間および前記下手側反射伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を相対的に高精度で演算する高精度演算と、前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を簡易的に演算する簡易演算とを切り替えて行うことが可能な流量演算手段と、
その流量演算手段によって演算された流量が所定の値以上であるか否かを判定する流量判定手段と、
その流量判定手段によって前記流体の流量が所定の値以下であると判断された際には、前記直接波および前記反射波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行うことにより、これら直接波および反射波の双方を検知可能な双方検知状態にし、前記流量判断手段によって前記流体の流量が所定の値以上であると判断された際には、前記直接波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行い、前記反射波の検知をする時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断することにより、前記反射波の検知を行わない反射波非検知状態にする制御手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記制御手段は、前記反射波非検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記制御手段は、前記双方検知状態にした際には前記流量演算手段に前記高精度演算を行わせ、前記反射波非検知状態にした際には前記流量演算手段に前記簡易演算を行わせる請求項１または２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流量演算手段によって演算された流量の時間的変動率が所定の数値内に収まっているか否かを判定する流量安定判定手段を備え、
その流量安定判定手段により、前記流量の時間的変動率が所定数値内に収まっていると判断された際に、前記上手側超音波素子および前記下手側超音波素子のうち一方の超音波素子からのみ超音波を発信させ、他方の超音波素子においてその超音波の直接波を受信するとともに、その直接波の受信に対応する時間帯のみ前記受信検知手段への電源供給を行い、該超音波の受信がされない時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断する片側検知状態となるようにされている請求項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】
前記片側検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記片側検知状態の直前における前記順方向直接伝搬時間であって予め記憶されている値をＴ１’’とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をｔ１’とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をｔ２’とし、前記片側検知状態とされている間に測定された前記順方向直接伝搬時間をＴＴ１とし、前記片側検知状態において前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔｔ１とし、前記片側検知状態において前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔｔ２とし、前記流体の流速をＶとし、前記流体の流量をＱとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をＳとした場合、前記片側検知状態における前記流量演算は、
ΔＴ＝Ｔ１’’―ＴＴ１
ｔｔ１＝ｔ１’−ΔＴ
ｔｔ２＝ｔ２’＋ΔＴ
を演算し、さらに
Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔｔ１−１／ｔｔ２）
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより流量Ｑを求めるものとされている請求項４または５記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記受信検知手段が前記片側検知状態とされている間に、所定時間毎に発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替える請求項４ないし６のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記順方向直接伝搬時間をＴ１とし、前記逆方向直接伝搬時間をＴ２とし、前記上手側反射伝搬時間をτ１とし、前記下手側反射伝搬時間をτ２とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記上手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をｔＴ１とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記下手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をｔＴ２とし、前記上手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をｔＲ１とし、前記下手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をｔＲ２とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔ１とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔ２とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面までの距離であって予め記憶されている値をＬとし、前記流体の流速をＶとし、前記流体の流量をＱとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をＳとし、前記流体が流動していない状態において前記順方向直接伝搬時間Ｔ１から前記逆方向直接伝搬時間Ｔ２を減じた値であって予め記憶されている値をΔδ０とした場合、前記高精度演算は、
ｔ１＝（τ１＋τ２−２×Ｔ２−Δδ０）／２
ｔ２＝（τ１＋τ２−２×Ｔ２＋Δδ０）／２
を演算することにより前記ｔ１およびｔ２を求め、さらに
Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔ１−１／ｔ２）
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより流量Ｑを求めるものとされている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記反射波非検知状態における前記順方向直接伝搬時間をＴ１’とし、前記反射波非検知状態における前記逆方向直接伝搬時間をＴ２’とし、前記Ｔ１から前記ｔ１を減じた値であって予め記憶された値をＪ１とし、前記Ｔ２から前記ｔ２を減じた値であって予め記憶された値をＧ１とした場合、前記簡易演算は、
Ｖ＝（Ｌ／２）×{１／（Ｔ１’―Ｊ１）−１／（Ｔ２’−Ｇ１）}
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより流量Ｑを求めるものとされている請求項１ないし８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ものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−２３９８６８号公報
【０００３】
従来から、都市ガスや水などの流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用する超音波流量計が知られている。流量の計測には、例えば以下の方法が採用される。すなわち、流路の流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波素子を設け、一方の超音波素子（送信側超音波素子）から他方の超音波素子（受信側超音波素子）へ超音波（直接波）が到達する直接伝搬時間を測定し、その直接波が受信側超音波素子の表面で反射して戻るまでの反射伝搬時間を測定して、これらの伝播時間を用いて流量計測を行うのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波素子としては圧電素子が用いられ、超音波発信に際して駆動電圧回路が用いられる場合が多い。また、受信した超音波を検知するための電圧検出回路が用いられており、これら駆動電圧回路や電圧検出回路は消費電力が大きいという問題がある。従来の超音波流量計（例えばガスメータ）では電池を用いて動作させているため、消費電力が大きいと、長時間（例えば１０年程度）使用しようとしても電池がもたないという問題があった。そのため、消費電力が低く、電池による長時間の使用が可能な超音波流量計が求められていた。
【０００５】
本発明は上述のような事情を背景になされたもので、特に、超音波の直接伝搬時間と反射伝搬時間を用いて流量計測を行う超音波流量計であって、消費電力が低く、電池による長時間の使用が可能な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】
【０００６】
本発明は、
流体を通過させるための流路と、
超音波発信機能と超音波受信機能とを複合して備え、前記流路の流れ方向上手側および下手側に配置された一対の超音波素子であって、一方の超音波素子から他方の超音波素子へ向けて超音波を発信し、その発信した超音波を前記他方の超音波素子で受信して電気信号を出力する上手側超音波素子および下手側超音波素子と、
前記上手側超音波素子または下手側超音波素子に駆動電圧を印加して超音波を発信させる送信手段と、
前記超音波素子からの前記電気信号が入力されることにより、前記上手側超音波素子または下手側超音波素子が前記超音波を受信したことを検知する受信検知手段と、
前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該下手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの順方向直接伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって直接に伝搬し、該上手側超音波素子においてその直接波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの逆方向直接伝搬時間と、前記上手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記下手側超音波素子に向かって伝搬し、該下手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記上手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの上手側反射伝搬時間と、前記下手側超音波素子に対して前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから、発信された超音波が前記上手側超音波素子に向かって伝搬し、該上手側超音波素子の表面において反射して反射波となり、前記下手側超音波素子においてその反射波が受信されたことを前記受信検知手段が検知するまでの下手側反射伝搬時間とを測定する時間計測手段と、
前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間および前記上手側反射伝搬時間および前記下手側反射伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を相対的に高精度で演算する高精度演算と、前記順方向直接伝搬時間および前記逆方向直接伝搬時間を用いることにより前記流体の流量を簡易的に演算する簡易演算とを切り替えて行うことが可能な流量演算手段と、
その流量演算手段によって演算された流量が所定の値以上であるか否かを判定する流量判定手段と、
その流量判定手段によって前記流体の流量が所定の値以下であると判断された際には、前記直接波および前記反射波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行うことにより、これら直接波および反射波の双方を検知可能な双方検知状態にし、前記流量判断手段によって前記流体の流量が所定の値以上であると判断された際には、前記直接波を検知する時間帯に前記受信検知手段への電源供給を行い、前記反射波の検知をする時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断することにより、前記反射波の検知を行わない反射波非検知状態にする制御手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計である。
【０００７】
上記本発明によると、流量が所定の値以上であるか否かを判定する流量判定手段を備えている。そして、この流量判定手段によって流量が所定値以下である場合は直接波と反射波の双方を検知し（双方検知状態）、流量が所定以上であると判定された場合は、直接波を検知する時間だけ受信検知手段に電源供給をし、反射波が伝搬している間は受信検知手段の電源供給を切断する（反射波非検知状態）。これにより、受信検知手段の消費電力が低くすることができる。
【０００８】
流量が所定値以下の場合に双方検知状態にし、所定値以下の場合は反射波非検知状態とする理由は次のとおりである。すなわち、双方検知状態の場合は流量を比較的高精度に求めることができ（高精度演算）、反射波非検知状態の場合は多少精度が劣るものの簡易に流量を求めることができる（簡易演算）。通常、流量が少ない時は高い測定精度が要求され、流量が多い時は多少精度が悪化しても許容されることが多い。そのため、流量が少ない時は双方検知状態にするとともに高精度演算をして、相対的に高い精度で流量計測をする。また、流量が多い時は反射波非検知状態にするとともに簡易演算を行って、消費電力を低く抑えるのである。なお、高精度演算および簡易演算の詳細な内容については後述する。
【０００９】
また、本発明は以下のようにすることができる。
前記制御手段は、前記反射波非検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する超音波流量計。
すなわち、反射波非検知状態となっている間は測定精度が低くなるので、この反射波非検知状態が所定の時間以上続いた場合は、受信検知手段を双方検知手段にし、高精度演算を行って、流量の確認を行うのである。これにより、計測流量に対する信頼性および計測精度を高くすることができる。
【００１０】
さらに本発明は、
前記制御手段は、前記双方検知状態にした際には前記流量演算手段に前記高精度演算を行わせ、前記反射波非検知状態にした際には前記流量演算手段に前記簡易演算を行わせる超音波流量計
としてもよい。すなわち、反射波非検知状態の間は簡易演算を行うことにより演算時間の短縮が図れ、低消費電力化が可能となる。また、上述したように、反射波非検知状態の間は受信検知手段の電源を周期的に切断しているため、低消費電力化が達成されている。つまり、演算時間の短縮による低消費電力化と、受信検知手段の電源切断による低消費電力化とが重畳的に達成され、一層、低消費電力化を進めることが可能となる。
【００１１】
また、次の構成を採用してもよい。
前記流量演算手段によって演算された流量の時間的変動率が所定の数値内に収まっているか否かを判定する流量安定判定手段を備え、
その流量安定判定手段により、前記流量の時間的変動率が所定数値内に収まっていると判断された際に、前記上手側超音波素子および前記下手側超音波素子のうち一方の超音波素子からのみ超音波を発信させ、他方の超音波素子においてその超音波の直接波を受信するとともに、その直接波の受信に対応する時間帯のみ前記受信検知手段への電源供給を行い、該超音波の受信がされない時間帯に前記受信検知手段への電源供給を切断する片側検知状態となるようにされている超音波流量計。
【００１２】
上記発明によると、一定の時間以上流量が安定していると流量安定判定手段が判定した場合、流量変動が起きるまでは一方の超音波素子を発信専用とし、他方の超音波素子を受信専用とする。そして、片側からの直接伝搬時間を計測し、反対側の直接伝搬時間を推測して流量を求めるのである。これにより、超音波素子の駆動回数および受信回数を低減でき、消費電力を低くすることができる。なお、この場合における流量演算方法については、後に詳述する。
【００１３】
また、本発明は、
前記片側検知状態が所定の時間以上続いた際に、一定の時間前記双方検知状態にするとともに、前記流量演算手段によって前記高精度演算を行うことにより前記流体の流量を相対的に高精度に計測する超音波流量計
とすることができる。すなわち、片側検知状態にしている間は流量測定の精度が多少悪くなっているので、一定時間ごとに双方検知状態に戻し、高精度演算を行って、流量の確認をするのである。これにより、計測流量に対する信頼性および計測精度を高くすることが可能となる。
【００１４】
さらに本発明は、以下のようにしてもよい。
前記片側検知状態の直前における前記順方向直接伝搬時間であって予め記憶されている値をＴ１’’とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をｔ１’とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間であって予め記憶されている値をｔ２’とし、前記片側検知状態とされている間に測定された前記順方向直接伝搬時間をＴＴ１とし、前記片側検知状態において前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔｔ１とし、前記片側検知状態において前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔｔ２とし、前記流体の流速をＶとし、前記流体の流量をＱとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をＳとした場合、前記片側検知状態における前記流量演算は、
ΔＴ＝Ｔ１’’―ＴＴ１
ｔｔ１＝ｔ１’−ΔＴ
ｔｔ２＝ｔ２’＋ΔＴ
を演算し、さらに
Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔｔ１−１／ｔｔ２）
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより流量Ｑを求めるものとされている超音波流量計。
【００１５】
上記演算方法を採用することにより、演算時間の短縮が図れ、低消費電力化を達成できる。また、上述したように、片側検知状態にしている間は超音波素子の駆動回数および受信回数を低減でき、消費電力を低くすることができる。つまり、演算時間の短縮化による低消費電力化と、超音波素子の駆動回数等の低減による低消費電力化とが重畳的に達成され、一層、低消費電力化を進めることが可能となる。
【００１６】
一方、本発明は、
前記受信検知手段が前記片側検知状態とされている間に、所定時間毎に発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替える超音波流量計
とすることができる。これにより、片側だけの超音波素子からのみ超音波発信をすることによる疲労や故障を防止でき、信頼性の向上および測定精度の向上を図れる。
【００１７】
また、本発明は、以下ようにしてもよい。
前記順方向直接伝搬時間をＴ１とし、前記逆方向直接伝搬時間をＴ２とし、前記上手側反射伝搬時間をτ１とし、前記下手側反射伝搬時間をτ２とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記上手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をｔＴ１とし、前記送信手段が前記駆動電圧を印加してから前記下手側超音波素子から超音波が発信されるまでの送信遅延時間をｔＴ２とし、前記上手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をｔＲ１とし、前記下手側超音波素子が超音波を受信してから前記受信検知手段がその受信を検知するまでの受信遅延時間をｔＲ２とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔ１とし、前記下手側超音波素子の表面から前記上手側超音波素子の表面に超音波が到達する時間をｔ２とし、前記上手側超音波素子の表面から前記下手側超音波素子の表面までの距離であって予め記憶されている値をＬとし、前記流体の流速をＶとし、前記流体の流量をＱとし、前記流路の断面積であって予め記憶されている値をＳとし、前記流体が流動していない状態において前記順方向直接伝搬時間Ｔ１から前記逆方向直接伝搬時間Ｔ２を減じた値であって予め記憶されている値をΔδ０とした場合、前記高精度演算は、
ｔ１＝（τ１＋τ２−２×Ｔ２−Δδ０）／２
ｔ２＝（τ１＋τ２−２×Ｔ２＋Δδ０）／２
を演算することにより前記ｔ１およびｔ２を求め、さらに
Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔ１−１／ｔ２）
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより流量Ｑを求めるものとされている超音波流量計
【００１８】
一方、本発明は、以下の構成を採用することができる。
前記反射波非検知状態における前記順方向直接伝搬時間をＴ１’とし、前記反射波非検知状態における前記逆方向直接伝搬時間をＴ２’とし、前記Ｔ１から前記ｔ１を減じた値であって予め記憶された値をＪ１とし、前記Ｔ２から前記ｔ２を減じた値であって予め記憶された値をＧ１とした場合、前記簡易演算は、
Ｖ＝（Ｌ／２）×{１／（Ｔ１’―Ｊ１）−１／（Ｔ２’−Ｇ１）}
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより流量Ｑを求めるものとされている超音波流量計
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る超音波流量計の一実施形態を表すブロック構成図である。このように超音波流量計１は、流体が流れる流路と、その流路の上手側に配置された上手側超音波素子２、下手側に配置された下手側超音波素子３、駆動電圧回路等から構成される送信手段６、電圧検出回路等から構成される受信検知手段４、時間計測手段５、流量演算手段８、制御手段７、流量判定手段９、流量安定判定手段１０、送信側スイッチ１１、受信側スイッチ１２を含むものである。このうち、流量演算手段８、制御手段７、流量判定手段９、流量安定判定手段１０は、後述するようにマイコン等を用いて構成される。
【００２０】
上手側超音波素子２および下手側超音波素子３は圧電素子等からなり、超音波発信機能と超音波受信機能を複合して備えるものである。また、送信側スイッチ１１および受信側スイッチ１２は制御手段７によって制御され、発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替えるのに用いられる。送信手段６は制御手段の制御によって、発信側の超音波素子に対して駆動電圧を印加する。そして送信手段６は、その駆動電圧を印加したタイミングを時間計測手段５に知らせる。一方、超音波素子２，３が超音波を受信すると、当該超音波素子は電気信号を出力し、その電気信号は受信側スイッチ１２を通って受信検知手段４に入力される。受信検知手段４はこの電気信号を検知することにより、超音波が受信側の超音波素子に到達したことを検知し、そのタイミングを時間計測手段５へ知らせる。時間計測手段５は、送信手段６から送られた駆動電圧の印加タイミングと、受信検知手段４から送られる受信信号のタイミングとによって、超音波伝搬時間を計測する。
【００２１】
より詳しくは、時間計測手段５は、図２のタイミングチャートに示す４種類の時間を計測する。すなわち、送信手段６が上手側超音波素子２に駆動電圧を印加したタイミング（１）から、発信された超音波が直接波として下手側超音波素子３に到達し、それを受信検知手段４が検知する（２）までの順方向直接伝搬時間と、タイミング（１）から、発信された超音波が下手側超音波素子３の表面において反射して反射波となり、その反射波が上手側超音波素子２に到達し、それを受信検知手段４が検知する（３）までの上手側反射伝搬時間と、送信手段６が下手側超音波素子３に駆動電圧を印加したタイミング（４）から、発信された超音波が直接波として上手側超音波素子２に到達し、それを受信検知手段４が検知する（５）までの逆方向直接伝搬時間と、タイミング（４）から、発信された超音波が上手側超音波素子２の表面において反射して反射波となり、その反射波が下手側超音波素子３に到達し、それを受信検知手段４が検知する（６）までの下手側反射伝搬時間である。
【００２２】
図１に戻る。流量演算手段８は、順方向直接伝搬時間、逆方向直接伝搬時間、上手側反射伝搬時間、下手側反射伝搬時間を用いて流速Ｖを相対的に高精度で演算可能な高精度演算（詳細は後述する）と、順方向直接伝搬時間および逆方向直接伝搬時間を用いて、精度は多少悪くなるものの高速で演算可能な簡易演算との、２種類の演算を切り替えて実行できるようにされている。この演算の切り替えは、制御手段７によって行われる。
【００２３】
流量演算手段８によって求められた流量は、流量判定手段９および流量安定判定手段１０に送られる。流量判定手段９は、流量が予め定められた値以上か否かを判定する。流量判定手段９により、流量が所定値以下であると判断された場合は、制御手段７は図２に示すように、受信検知手段４に連続的に電源供給を行い、直接波および反射波の双方を検知可能な状態（双方検知状態）にする。つまり、順方向直接伝搬時間、逆方向直接伝搬時間、上手側反射伝搬時間、下手側反射伝搬時間を全て測定可能な状態にし、上述の高精度演算を行うことにより、精度の高い流量測定を行う。一方、流量判定手段９により、流量が所定値以上であると判断された場合は、制御手段７は、反射波の検知をする時間帯に受信検知手段４への電源供給を切断することにより、反射波の検知を行わない状態（反射波非検知状態）にする。
【００２４】
反射波非検知状態における具体的なタイミングチャートを図３に示す。まず、（７）にて上手側超音波素子２から超音波を発信し、（８）にてその超音波（直接波）を下手側超音波素子３で受信する。制御手段７は、直接波が到達する少し前から受信検知手段４に電源供給し始め、（８）の直接波を検知した直後に受信検知手段４の電源をＯＦＦにする。反射波が上手側超音波素子２へ到達するまでの時間帯には、受信検知手段４への電源供給は行わない。反射波が到達した後、（９）にて下手側超音波素子３から超音波を発射して、（１０）にてその超音波（直接波）を上手側超音波素子２で受信する。制御手段７は、直接波が到達する少し前から受信検知手段４に電源を供給し始め、（１０）の直接波を検知した直後に受信検知手段４の電源をＯＦＦにする。反射波が下手側超音波素子３へ到達するまでの時間帯には、受信検知手段４への電源供給を行わない。以降、流量が所定値以上の場合はこの計測を繰り返す。また、流量判定手段９により流量が所定値以下に変化したと判断された場合は、双方検知状態に戻す。
【００２５】
このように反射波非検知状態では、受信検知部４の電源供給を周期的に切断するので、消費電力を低くすることができる。また、流量が多い場合は測定誤差の許容量が大きくなる（多少、測定精度が悪くなっても許容される）ため、簡易演算によって流量計算ができる。そのためＣＰＵの稼動時間が少なくなり、低消費電力化を一層進めることができる。一方、流量が少ない場合は流量測定に高い精度が要求されるため、双方検知状態にして高精度演算を行うことにより、相対的に高い精度で流量を測定する。
【００２６】
なお、反射波非検知状態が所定時間以上続く場合は、定期的に双方検知状態に戻して、流量の確認計測をしてもよい。例えば図４に示すように、反射波非検知状態が所定時間続いた場合は、（１３）〜（１４）の間、双方検知状態にするのである。この間は、各超音波素子２，３が受信した直接波および反射波を両方とも検知できるように、受信検知手段４への電源供給を制御している。そして、高精度演算によって流量を演算することにより、流量測定の信頼性を高める。また、流量判定手段９により流量が所定値以上であると判定された場合は、図４のように（１４）から反射波非検知状態に再び戻す。また、流量が所定値以下であると判定された場合は反射波被検知状態に戻さず、双方検知状態を続ける。
【００２７】
一方、流量安定判定手段１０により流量の時間的変動率が所定範囲以内に収まっている（流量が安定している）と判断された場合は、図５に示すように、一方の超音波素子を発信専用にし、他方の超音波素子を受信専用にすることができる。より詳しくは、一方の超音波素子からのみ超音波を発信させ、他方の超音波素子において直接波を受信するとともに、その直接波に対応する時間帯のみ受信検知手段４への電源供給を行い、超音波の受信がされない時間帯には受信検知手段への電源供給を切断するように、制御手段７が制御している（片側検知状態）。これにより、超音波の発信回数および受信回数を減らすことができ、低消費電力化を更に進めることができる。片側検知状態における流量演算方法については後に詳述する。なお、片側検知状態になっている間に、流量安定判定部１０により流量が安定していないと判定された場合は、双方検知状態に戻す。
【００２８】
また、図６のようにすることもできる。すなわち、（１６）の前までは上手側超音波素子３からのみ超音波を発信し（片側検知状態）、一定時間以上経過した場合、（１６）において下手側超音波素子３からも超音波を発信して、直接波および反射波の検知を行って高精度演算を１回行う。これにより、流量測定の信頼性を高めることができる。この測定結果を受けて、流量安定判定手段１０が、流量が安定していると判定した場合は、引き続き片側検知状態を続ける。そして、所定時間が経過した後、上記と同様の測定を（１７）にて再び行う。
【００２９】
また、図７のようにしてもよい。すなわち、片側検知状態を続ける場合において（１９）までは上手側超音波素子２を発信専用とし、下手側超音波素子３を受信専用としているが、所定時間経過後に（１８）にて下手側超音波素子３を発信専用にし、上手側超音波素子２を受信専用に切り替える。これにより、発信状態が長時間続くことによる超音波素子の疲労を防ぐことができ、故障率の低減に繋がる。なお、流量安定判定手段１０により、流量が安定していないと判断された場合は、双方検知状態に戻す。
【００３０】
次に、図８を用いて流量を演算する方法について説明する。まず、図８に記した符号の定義を以下に示す。
Ｔ１  順方向直接伝搬時間
Ｔ２  逆方向直接伝搬時間
τ１  上手側反射伝搬時間
τ２  下手側反射伝搬時間
ｔＴ１  送信手段６が駆動電圧を印加してから上手側超音波素子２から超音波が発信されるまでの送信遅延時間
ｔＴ２  送信手段６が駆動電圧を印加してから下手側超音波素子３から超音波が発信されるまでの送信遅延時間
ｔＲ１  上手側超音波素子２が超音波を受信してから受信検知手段４がその受信を検知するまでの受信遅延時間
ｔＲ２  下手側超音波素子３が超音波を受信してから受信検知手段４がその受信を検知するまでの受信遅延時間
ｔ１  上手側超音波素子２の表面から下手側超音波素子３の表面に超音波が到達する時間
ｔ２  下手側超音波素子３の表面から上手側超音波素子２の表面に超音波が到達する時間
Ｌ  上手側超音波素子２の表面から下手側超音波素子３の表面までの距離
Ｖ  流体の流速
Ｑ  流体の流量
Ｓ  流路の断面積
Δδ０＝Ｔ１−Ｔ２＝（ｔＴ１−ｔＴ２）−（ｔＲ１−ｔＲ２）    （流量＝０の時の値）
これらの値のうち、Ｌ，Ｓ，Δδ０は予めＲＯＭ等に記憶されている。
【００３１】
まず、高精度演算について説明する。図８および上記定義から、
Ｔ１＝ｔＴ１＋ｔ１＋ｔＲ２              （式１）
Ｔ２＝ｔＴ２＋ｔ２＋ｔＲ１              （式２）
τ１＝ｔＴ１＋ｔ１＋ｔ２＋ｔＲ１        （式３）
τ２＝ｔＴ２＋ｔ１＋ｔ２＋ｔＲ２        （式４）
と表せる。これらの式から、
（式３）＋（式４）−２×（式２）より
ｔ１＝（τ１＋τ２−２×Ｔ２−Δδ０）／２
ｔ２＝（τ１＋τ２−２×Ｔ２＋Δδ０）／２
を演算することにより、ｔ１およびｔ２を求めることができる。また、流速Ｖは
Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔ１−１／ｔ２）
から求めることができ、流量Ｑは断面積Ｓを用いて
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
として求めることができる。
【００３２】
次に、簡易演算について説明する。まず、符号を定義を以下に示す。
Ｔ１’  反射波非検知状態における順方向直接伝搬時間
Ｔ２’  反射波非検知状態における逆方向直接伝搬時間
Ｊ１    Ｔ１−ｔ１
Ｇ１    Ｔ２−ｔ２
Ｊ１およびＧ１は、予め遅延項として記憶しておく。これらの値を用いて、
Ｖ＝（Ｌ／２）×{１／（Ｔ１’―Ｊ１）−１／（Ｔ２’−Ｇ１）}
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
を演算することにより、流速Ｖおよび流量Ｑを求めることができる。
【００３３】
次に、片側検知状態における流量演算方法について説明する。まず、以下のように符号の定義をする。
Ｔ１’’  片側検知状態の直前における順方向直接伝搬時間
Ｔ２’’  片側検知状態の直前における逆方向直接伝搬時間
ｔ１’    上手側超音波素子２の表面から下手側超音波素子３の表面に超音波が到達する時間
ｔ２’    下手側超音波素子３の表面から上手側超音波素子２の表面に超音波が到達する時間
ＴＴ１    片側検知状態とされている間に測定された順方向直接伝搬時間
ｔｔ１    片側検知状態において上手側超音波素子２の表面から下手側超音波素子３の表面に超音波が到達する時間
ｔｔ２    片側検知状態において下手側超音波素子３の表面から上手側超音波素子２の表面に超音波が到達する時間
これらの値のうち、Ｔ１’’，Ｔ２’’，ｔ１’，ｔ２’は予め記憶されている。
ΔＴ＝Ｔ１’’−ＴＴ１
ｔｔ１＝ｔ１’−ΔＴ      （式５）
ｔｔ２＝ｔ２’＋ΔＴ      （式６）
上記（式５）および（式６）を用いて
Ｖ＝（Ｌ／２）×（１／ｔｔ１−１／ｔｔ２）
Ｑ＝Ｓ×Ｖ
として流速Ｖおよび流量Ｑを求めることができる。
【００３４】
なお、図１に示した制御手段７、流量演算手段８、流量判定手段９、流量安定判定手段１０は、具体的には、図９に示すようにマイコン１３を用いて構成されている。マイコン１３はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏを含む構成とされ、ＲＯＭの内部には、図１０に示すように制御プログラムＰ７，流量演算プログラムＰ８，流量判定プログラムＰ９，流量安定判定プログラムＰ１０が記憶されている。そしてＣＰＵがこれらのプログラムを読み出して実行することにより、上述の制御手段７、流量演算手段８、流量判定手段９、流量安定判定手段１０の機能が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る超音波流量計の概略ブロック図。
【図２】双方検知状態におけるタイミングチャート。
【図３】反射波非検知状態におけるタイミングチャート。
【図４】反射波非検知状態を一定時間続けた後に、双方検知状態に一時的に戻すタイミングチャート。
【図５】片側検知状態におけるタイミングチャート。
【図６】片側検知状態を一定時間続けた後に、双方検知状態に一時的に戻すタイミングチャート。
【図７】片側検知状態を一定時間続けた後に、発信側の超音波素子と受信側の超音波素子を切り替えるタイミングチャート。
【図８】流量演算方法を説明するための図。
【図９】図１をマイコン１３によって構成した実施形態。
【図１０】ＲＯＭの記憶領域を模式的に記したもの。
【符号の説明】
【００３６】
１  超音波流量計
２  上手側超音波素子
３  下手側超音波素子
４  受信検知手段
５  時間計測手段
６  送信手段
７  制御手段
８  流量演算手段
９  流量判定手段
１０  流量安定判定手段
１１  送信側スイッチ
１２  受信側スイッチ
Ｖ  流速
【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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