(57)【要約】【課題】  音響ノイズの影響を受けにくい超音波流量計を提供。【解決手段】  少なくとも１対の超音波送受波器２，３と、前記超音波送受波器の送受方向を切り替える切替部４と、所定の周期範囲外の波を検知した時、周期異常信号を出力する周期監視部８と、前記周期異常信号が入力されると受信ポイントの検知に失敗したと判断して、周期異常信号が入力された時点からの波の波高値から、受信ポイントの検知を最初から行い、検知に成功したら受信信号を出力する受信判定部９を備え、夫々の方向に複数回ずつ超音波の発信を行い、夫々の方向において、前記受信ポイントの検知に成功した超音波の伝搬時間の平均値に基づいて被計測流体の流速又は／及び流量を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に所定の距離を離して設置された少なくとも１対の超音波送受波器で超音波の送受を行い、上流側の超音波送受波器から下流側の超音波送受波器までの超音波の伝搬時間と、下流側の超音波送受波器から上流側の超音波送受波器までの超音波の伝搬時間とに基づいて、被計測流体の流速又は／及び流量を求める超音波流量計であって、
前記超音波送受波器の送受方向を切り替える切替部と、
所定の周期範囲外の波を検知した時、周期異常信号を出力する周期監視部と、
前記周期異常信号が入力されると受信ポイントの検知に失敗したと判断して、周期異常信号が入力された時点からの波の波高値から、受信ポイントの検知を最初から行い、検知に成功したら受信信号を出力する受信判定部を備え、
夫々の方向に複数回ずつ超音波の発信を行い、夫々の方向において、前記受信ポイントの検知に成功した超音波の伝搬時間の平均値に基づいて被計測流体の流速又は／及び流量を求めることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記受信判定部は、前記受信ポイントの検知開始から波の波高値を監視して、その直前の波に対して所定倍以上の波高値となった波があった時、その波のゼロクロス点を受信ポイントとして検知し、受信ポイントの検知に失敗と判断したときは、その時点から、受信ポイントの検知を最初から行うことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記受信判定部は、電圧が指数関数的に並ぶよう決められた複数の基準電圧レベルを有し、受信ポイント検知開始から、ある波がその直前の波が越えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから所定数を一気に越えた時、その波はその直前の波の所定倍以上あると判断し、
少なくとも、複数の基準電圧レベルのうち大きい方から前記所定数番目を超えた波が、その直前の波が越えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから所定数を一気に越えなかったときは、受信ポイントの検知に失敗したと判断することを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記受信判定部は、前記受信ポイントの検知後も、所定数の波の周期が、所定の周期範囲内であることを、受信ポイントの検知の成功の条件とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一対の超音波送受波器（以下、送受波器ともいう）を設け、この超音波送受波器間における、上流側から下流側への超音波の伝搬時間と、下流側から上流側への超音波の伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を測定する超音波流量計が知られている。
【０００３】
この超音波の周波数は使用する送受波器により、特定の周波数を用いている。そのため、この周波数近くの超音波が超音波流量計の外から飛来すると音響ノイズとなり、送受波器により超音波を正しく受信できないことが生じる。
【０００４】
大きな圧力損失が発生するような流れの絞りがあると、音響ノイズが発生することが知られている。そのため、従来、超音波流量計は、音響ノイズ源から離して設置する必要があり、音響ノイズからの距離が確保できない場合には設置できない場合もあり、超音波流量計の弱点となっていた。
【０００５】
従来、流路内にストレーナーなどを設けることにより、機械的に音響ノイズの通りを防ぐ方法が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６９５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来技術のように、流路内にストレーナー等を設けると、流れを阻害するため、圧力損失が大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、圧力損失が小さく、音響ノイズの影響を受けにくい超音波流量計を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に所定の距離を離して設置された少なくとも１対の超音波送受波器で超音波の送受を行い、上流側の超音波送受波器から下流側の超音波送受波器までの超音波の伝搬時間と、下流側の超音波送受波器から上流側の超音波送受波器までの超音波の伝搬時間とに基づいて、被計測流体の流速又は／及び流量を求める超音波流量計であって、
前記超音波送受波器の送受方向を切り替える切替部と、
所定の周期範囲外の波を検知した時、周期異常信号を出力する周期監視部と、
前記周期異常信号が入力されると受信ポイントの検知に失敗したと判断して、周期異常信号が入力された時点からの波の波高値から、受信ポイントの検知を最初から行い、検知に成功したら受信信号を出力する受信判定部を備え、
夫々の方向に複数回ずつ超音波の発信を行い、夫々の方向において、前記受信ポイントの検知に成功した超音波の伝搬時間の平均値に基づいて被計測流体の流速又は／及び流量を求めることを特徴とする超音波流量計である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、前記受信判定部は、前記受信ポイントの検知開始から波の波高値を監視して、その直前の波に対して所定倍以上の波高値となった波があった時、その波のゼロクロス点を受信ポイントとして検知し、受信ポイントの検知に失敗と判断したときは、その時点から、受信ポイントの検知を最初から行うことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の超音波流量計において、前記受信判定部は、電圧が指数関数的に並ぶよう決められた複数の基準電圧レベルを有し、受信ポイント検知開始から、ある波がその直前の波が越えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから所定数を一気に越えた時、その波はその直前の波の所定倍以上あると判断し、
少なくとも、複数の基準電圧レベルのうち大きい方から前記所定数番目を超えた波が、その直前の波が越えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから所定数を一気に越えなかったときは、受信ポイントの検知に失敗したと判断することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の超音波流量計において、前記受信判定部は、前記受信ポイントの検知後も、所定数の波の周期が、所定の周期範囲内であることを、受信ポイントの検知の成功の条件とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
所定の周期範囲外の波を検知した時、周期異常信号を出力し、該周期異常信号が入力されると受信ポイントの検知に失敗したと判断して、周期異常信号が入力された時点からの波の波高値から、受信ポイントの検知を最初から行うようにしたことにより、音響ノイズを信号波と誤って認識することを防ぐことができ、精度よく被計測流体の流量等を測定することができ、バルブやガバナ等の音響ノイズの発生源の近くに、超音波流量計を設置することができる。
【００１３】
また、ストレーナーなどを設けることなく、受信信号を電気的に処理することで、音響ノイズと信号波との識別を行っているために、従来技術よりも圧力損失を抑えることができる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、波の周波数に加えて、直前の波に対して所定倍以上の波高値となっているか否かも含めて、受信ポイントの検知成功とするために、より音響ノイズを信号波と誤って認識することを防ぐことができ、精度よく被計測流体の流量等を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１における超音波流量計のブロック図。
【図２】受信波の一例。
【図３】本発明の実施例２における受信方法を説明するための図。
【図４】本発明の実施例３における受信判定部のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態を図に示す実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
図１は、本実施例１の超音波流量計１の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、該超音波流量計１は、被計測流体であるガス等の気体、水道水等の液体が流れる流路（図示しない）と、１対の超音波送受波器（以下、送受波器ともいう）２，３と、切替部４と、制御部５と、発信部６と、増幅部７と、周期監視部８と、受信判定部９と、到達時間積算部１０を有する。
【００１７】
前記超音波流量計１は、被計測流体が流れる図示しない流路を有し、該流路の上流側と下流側には、一定の距離を隔て、１対の超音波送受波器２，３が、相対して設けられている。
【００１８】
この２つの送受波器２と３は、切替部４により何れか一方を送信側とした時、他方を受信側として使用するように、相互に切り替えることができるようになっている。
【００１９】
発信部６は、制御部５から発信指令信号が送られると、該発信指令信号に応答して駆動信号を、切替部４を介して送信側の送受波器２（３）に送る。また、制御部５は、発信部６へ発信指令信号を送ると共に、到達時間積算部１０へも該発信指令信号を送る。
【００２０】
前記切替部４は、制御部５からの方向切替信号に応答して、順方向（上流側から下流側方向）での超音波の送受の場合には、制御部５から発信部６に発信指令信号が送られると、発信部６からの駆動信号を上流側の送受波器２に送るとともに、下流側の送受波器３からの信号を増幅部７に送る。また、逆方向（下流側から上流側方向）での超音波の送受の場合には、制御部５から発信部６に発信指令信号が送られると、発信部６からの駆動信号を下流側の送受波器３に送るとともに、上流側の送受波器２からの信号を増幅部７に送る。
【００２１】
前記送信側の送受波器２（３）は、切替部４を介して送られてくる駆動信号により駆動して超音波を発生し、受信側の送受波器３（２）に向けて送信する。受信側の送受波器３（２）は、発信された超音波を受信して、電気信号に変換し受信信号として、切替部４を介して増幅部７に送る。
【００２２】
前記増幅部７は、所定の増幅度で、受信側の送受波器３（２）から切替部４を介して送られてくる受信信号を増幅する。この増幅された受信信号は、周期監視部８と、受信判定部９に送られる。
【００２３】
周期監視部８は、受信信号における前回のゼロクロス点と今回のゼロクロス点までの時間が所定の時間範囲（所定の周期範囲）に入っているかを監視し、その時間が所定の時間範囲に入っていない（時間範囲外の）場合には、周期異常信号を受信判定部９に出力する。前記所定の時間範囲とは、送受波器２（３）から発信される超音波の半波長の時間を中心として、所定の時間幅を持たせた時間範囲である。この所定の時間範囲は、超音波流量計１の設置状況等に応じて調節できるようになっている。
【００２４】
受信判定部９は、発信部６に発信指令信号が送られ、受信ポイントの検知が開始されると、増幅された受信信号の波高値から受信ポイントを検知する。本実施例では、基準電圧レベルを設け、該基準電圧レベルを最初に超えた波のゼロクロス点を受信ポイントとした。しかし、周期監視部８からの周期異常信号が入力されると、検知した受信ポイントは誤っていたものと判断しその受信ポイントを破棄し、周期異常信号が入力された時点から受信ポイントの検知を再スタートするようになっている。
【００２５】
受信判定部９において、受信ポイントの検知が成功したら受信信号を、到達時間積算部１０へ送る。
【００２６】
該到達時間積算部１０は、発信指令信号から受信ポイントまでの時間を計測して到達時間を記憶する。なお、制御部５から発信部６へ、次の発信指令信号が送られるまでの間に、若しくは、制御部５から発信指令信号が、発信されてから所定時間内に、受信信号が到達時間積算部１０に入力されない場合は、今回の超音波の送信では、受信ポイントが検知できず、受信ポイントの検知に失敗したとして、到達時間は記憶されない。
【００２７】
制御部５は、切替部４に方向切替信号を送り、送受波器２（３）間の超音波の発信方向を切り替えて、順方向と逆方向での到達時間の計測を夫々所定回数ずつ行う。本実施例では片側６４回ずつ、計１２８回計測を行うようになっている。なお、順方向と逆方向の計測は、１回ずつ交互に切り替えながら行ってもよいし、順方向又は逆方向の計測を所定の回数行った後に、交互に切り替えて、総計測数が所定の回数になるまで行うるようにしてもよい。この所定回数の計測を行った後に、制御部５は、受信ポイントの検知に成功した順方向と逆方向の夫々の到達時間を、到達時間積算部１０から読み出し、その夫々の平均値より、被計測流体の流速及び／又は流量を演算するようになっている。
【００２８】
順方向と逆方向の夫々の到達時間から、夫々の平均値を演算する方法としては、任意の手段を用いることができるが、例えば、受信信号を到達時間積算部１０に入力したり、周期監視部８から到達時間積算部１０に周期異常信号を超音波の受信の成功又は失敗を示す信号として入力して、順方向、逆方向の夫々に対して受信ポイントの検知に成功した時の到達時間を加算する機能と、受信ポイントの検知に成功した回数をカウントする機能を持たせ、制御部５は、一定時間後に、到達時間積算部１０から順方向と逆方向の夫々の到達時間積算値と、受信検知成功数を読み取り、夫々の平均値を演算する。
【００２９】
次に、図２に示す受信波の一例を基に、受信ポイントの検知方法について説明する。
この図２に、音響ノイズ分が小さいタイミングでの信号波を示す。この信号波より前の音響ノイズにおいて、Ａ，Ｂ，Ｃ点において、基準電圧レベルを超えているが、直前のゼロクロス点から各点直後のゼロクロス点までの時間が、所定の時間範囲に入っていないため周期監視部８から周期異常信号が出力される。このため、受信ポイントの検知には失敗したと判断して破棄され、再度、各周期異常信号が入力された時点から、受信ポイントの検知を最初から実行される。一方、最後の異常周期信号が出力されて以降、信号波におけるＤ点が、基準電圧レベルを最初に超え、その波の周期が、所定の周期範囲に入っているために、周期監視部８からは周期異常信号が出力されず、受信ポイントとして検知される。
【００３０】
このように、受信時に音響ノイズが小さければ、その他の時間帯に音響ノイズが大きくても受信ポイントの検知が可能になり、本実施例では各６４回の超音波の送信のうちで、何回かで受信ポイントの検知に成功すれば、流速及び／又は流量の演算が可能になる。例えば、６４回の送信のうち音響ノイズの少ない信号波を１回でも検知できれば、その信号波を基にして流量等を演算することができる。
【００３１】
更に、音響ノイズは、被計測流体の流量が大きくなるほど大きくなることが知られていて、超音波の送受を阻害するレベルの音響ノイズが発生している場合は、被計測流体の流量が大きい場合であると言える。この場合、順方向と逆方向での到達時間差が大きくなり、１回の測定結果でも十分な分解能を得ることができる。
【００３２】
また、音響ノイズが大きい回の信号波は検知せず、音響ノイズの小さい信号波の時だけを採用して被計測流体の流速及び／又は流量を算出するようにしたことにより、精度よく流速及び／又は流量を計測でき、ガバナやバルブ等の音響ノイズの発生源の近くや、音響ノイズが大きい場所にも超音波流量計１を設置することが可能となる。
【００３３】
また、本願は、電気的に処理し、前記従来技術のように、ストレーナー等を設置する必要がないために、前記従来技術よりも圧力損失を低くすることができる。
【００３４】
なお、前記実施例１では、増幅部７で増幅された受信信号を、周期監視部８と受信判定部９に入力し、周期監視部８と受信判定部９の夫々においてゼロレベルと比較して、受信信号の周期を監視したり、受信ポイントの検知等を行ったが、増幅された受信信号とゼロレベルとの比較を、周期監視部８又は受信判定部９の何れか一方で行い、その結果を他方に供給するようにしてもよい。
【００３５】
また、増幅部７と周期監視部８と受信判定部９は、制御部５から発信指令信号が発信されてから、音速の最大値と超音波送受波器２，３間の距離を加味して決定した所定時間後、受信ポイント検知あるいはタイムアウトまでの時間のみ動作するようにすることで、消費電流を抑えるようにしてもよい。
【００３６】
なお、前記実施例においては、超音波送受波器２，３を、流路の上流側と下流側とで１対設けたが、超音波送受波器は、上流側と下流側とで少なくとも１対あればよく、２対等の複数対設けてもよい。
【００３７】
［実施例２］
実施例２は、前記実施例１とは、受信判定部が異なり、それ以外は前記実施例１と同様である。
【００３８】
実施例２の受信判定部は、図３に示すように、複数の基準電圧レベルを有し、この複数の基準電圧レベルにおける電圧は指数関数的に設定され、その電圧の数及び値は信号波の波形に応じて任意に設定する。この受信判定部は、ある波が、その直前の波が越えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから所定数を一気に超えた場合に、その波の波高値は、直前の波の波高値に対して所定倍以上であることが、ピークホールド回路やＡＤ変換回路を使用することなく判別できる。また、複数の基準電圧レベルのうち大きいほうから所定番目のレベルを越えた波が、その直前の波が越えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから所定数を一気に越えなかった場合は、それ以上検知を続けても所定数の基準電圧レベルが残されていないために、受信波の検知は失敗したと判定するようになっている。
【００３９】
本実施例２においては、基準電圧レベルとして、Ｔｈ１、Ｔｈ２（＝１．６×Ｔｈ１）、Ｔｈ３（＝１．６×Ｔｈ２＝２．５６×Ｔｈ１）、Ｔｈ４（＝１．６×Ｔｈ３＝４．１０×Ｔｈ１）、Ｔｈ５（＝１．６×Ｔｈ４＝６．５５×Ｔｈ１）、Ｔｈ６（＝１．６×Ｔｈ５＝１０．４９×Ｔｈ１）の６段階設けられている。
【００４０】
初めは、最も電圧下位の３つの基準電圧レベルであるＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３で待ち構えるようになっている。受信信号中のある波が、その３つの基準電圧レベルのうち幾つかを越えると、次の波の受信時には、その前の波が越えた基準電圧レベルを除いた内で最も下位３つの基準電圧レベルで、待ち構えるようになっている。なお、周期異常信号が入力されると、待ち受ける基準電圧レベルを、最初の段階である最も下位の３つの基準電圧レベルであるＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３に変更するようになっている。
【００４１】
受信ポイントの検知方法を、図３を基にして説明する。
第１波受信時にはＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３の３つの基準電圧レベルで待ち受け、第１波がＴｈ１を越えると、第３波受信時は、Ｔｈ２、Ｔｈ３、Ｔｈ４の３つの基準電圧レベルで待ち受ける。そして、第３波が、一気にその３つの基準電圧レベル全てを越え、第３波は、その直前の波である第１波に対して、１．６×１．６＝２．５６倍以上の大きさを有していることが分かる。このように、ある波が、３つのレベルを全て超えた場合には、直前の２．５６倍以上であることが分かる。本実施例の超音波流量計１における信号波は、図３に示すような波形をしており、第３波は第１波の約４倍、第５波は第３波の１．２〜１．３倍の大きさであるという特徴を有しており、ある波が、直前の波の２倍以上、すなわち、ある波が、直前の波が超えていない基準電圧レベルのうち小さいほうから３つ一気に越えた場合には、その波は、第３波である可能性が高く、そのような波のゼロクロス点を受信ポイントとする。
【００４２】
なお、第４レベルのＴｈ４を越えた波が、３レベルを一気に超えなかった場合は、超えられていない基準電圧レベルは３つ以上なく、次の波が今の波の２倍以上であるか否かを判定することができないために、受信に失敗したとして、初期のＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３の３つの基準電圧レベルに切り替えるようになっている。
【００４３】
また、最初の波が、最も電圧下位の基準電圧レベルＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３を、３つ一気に超えた場合には、それはたまたま周期が信号波と合致した音響ノイズとして受信に失敗したとみなすようになっている。必ず、直前の波が、基準電圧レベルの幾つかを越え、ある波が３つの基準電圧レベルを一気に超えた場合に、信号波（第３波）と判定することで、より音響ノイズを信号波と誤って判断することを防ぐことができる。
【００４４】
なお、この第３波は、前記実施例１と同様に周期監視部８により、その波の周期が所定の時間範囲に入っている場合のみ、受信ポイントとして検知するようになっている。
【００４５】
本実施例２においても、前記実施例１と同様の効果を奏する。
更に、本実施例２では、音響ノイズが、信号波と同じ周波数となる瞬間もあり、波の周期が所定の範囲内であっても音響ノイズの可能性があるが、波の周期に加えて、ある波の波高値が、直前の波に対して所定倍以上であることを、受信ポイントの検知条件とすることで、より音響ノイズを信号波と誤って判断することを防ぐことができる。
【００４６】
なお、ピークホールド回路やＡＤ変換回路等を使用して、ある波の波高値が、直前の波に対して所定倍以上である場合で、かつ、周期異常信号が入力されていない場合に、その波のゼロクロスポイントを受信ポイントとして判定するようにしてもよい。
【００４７】
［実施例３］
実施例３は、前記実施例１，２とは、受信判定部が異なり、それ以外は前記実施例１，２と同様である。
【００４８】
本実施例の受信判定部１１は、図４に示すように構成されている。増幅部７で増幅された受信信号は、ゼロ比較部１２と基準電圧レベル比較部１３に入力される。ゼロ比較部１２は、受信信号がゼロレベルとなった時、ゼロクロス信号を出力する。
【００４９】
基準電圧レベル比較部１３では、前記実施例２と同様に、複数の基準電圧レベルを有し、前記実施例２の受信ポイントの検知と同様の方法で、第３波を検知し、第３波を検知すると第３波検知信号が、受信点検知部１４に出力される。なお、基準電圧レベル比較部における基準電圧レベルの切替えは、ゼロ比較部１２からのゼロクロス信号が入力されるタイミングで行われる。
【００５０】
受信点検知部１４は、第３波検知信号後のゼロクロス信号入力のタイミングを受信ポイントとして、波数計数部１５と到達時間積算部１０に受信信号を出力する。
【００５１】
波数計数部１５には、前記ゼロクロス信号が入力されていて、受信信号入力後の検知後の波数をカウントするようになっている。また、波数計数部１５には、周期監視部８から異常周期信号が入力されていて（図示せず）、受信信号入力後も、所定数の波の周期が、所定の周期範囲に入っているか否かを判定するようになっている。所定数の波の周期が、所定の周期範囲に入っている場合には、受信ポイントの検知に成功したとし、また、入っていない場合には受信ポイントの検知に失敗したとして、到達時間積算部１０に波数判定信号を出力し、到達時間積算部１０では、受信ポイントの検知に成功した場合は、到達時間の加算や、受信ポイントの検知の成功数のカウントが増加され、一方、失敗した場合には、到達時間の加算や、受信ポイントの検知の成功数のカウントはされないようになっている。なお、受信ポイントの検知前と後とで、前記所定の周期範囲の幅を変更するようにしてもよい、例えば、受信ポイントの検知後は、受信ポイントの検知前よりも、所定の周期範囲の幅を狭くする。
【００５２】
また、異常周期信号が、基準電圧レベル比較部１３に入力されると（図示せず）、基準電圧レベルが最初の状態に戻される。異常周期信号が、受信点検知部１４に入力されると、その時点から受信ポイントの検知が再開される。異常周期信号が、波数計数部１５に入力されると、計数値がリセットされる。
【符号の説明】
【００５３】
１  超音波流量計
２，３  超音波送受波器
５  制御部
８  周期監視部
９，１１  受信判定部
Ｔｈ１〜６  基準電圧レベル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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