(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器で、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
送信側の送受波器を発信させ、受信側の送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の発信から一定回数目（ｎ回目）の受信までの時間を測定し、その測定結果から到達時間を求めるようにしたものにおいて、
前記受信波検知部が受信波を検知してから再び送信側の送受波器を発信させるまでに時間を置くモードと、時間を置かずに即発信するモードとを具備し、通常の時間を置く測定モードとは別に即発信させるモードで測定を行い、その測定と時間的に近接して行う時間を置くモードでの測定結果と、前記即発信させるモードでの測定結果との差を、最初の発信から一定回数目の受信までの時間が長くなる分とし、この分を前記時間を置く測定モードにおける最初の発信から一定回数目の受信までの時間から差し引いて補正し、前記到達時間を求めるようにしたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
受信波検知部が受信波を検知してから再び送信側の送受波器を発信させるまでに置く時間を受信毎に変化させる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】
順方向測定と逆方向測定で共通の遅延回路を用いて前記時間を置くようにした請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】
一定時間おきに、最初の発信からｎ回目の受信までの時間が長くなる分を求めるようにした請求項１又は２記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体中の超音波の伝播時間を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流量を求め積算する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定原理の一例として、図５に示すように、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方の送受波器２への順方向伝播時間ｔ1 は、静止流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、
ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）
となる。
【０００３】
また、送受波器２から送受波器１への逆方向伝播時間ｔ2 は、
ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）
となる。
【０００４】
この伝播時間ｔ1 とｔ2 とから流速Ｖを、
Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ1 ）−（１／ｔ2 ）｝
として求めていた。
【０００５】
また、伝播時間計測の分解能を上げるために、単純に１回の送信から受信までの時間ｔを計測するのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間ｔをｎ個連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔを測定するようにしている。
【０００６】
このような測定方法を図６に示すブロック図により説明する。
送受波器１と２はそれぞれ超音波振動子で構成されていて、送信にも受信にも使用できる。
【０００７】
両送受波器は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。受信波検知部４は受信側の送受波器が接続され受信波を検知すると受信波検知信号を出力する。送受波器駆動部５はコントロール部６より第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器をまず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知信号を受ける度に駆動する。ただし第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。
【０００８】
第１のカウンタ７は受信波検知部４からの受信波検知信号をカウントしｎ番目の受信波検知信号を出力する。このカウンタ７はコントロール部６よりの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。
【０００９】
第２のカウンタ８は第１送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定する。その時間（カウント値）はコントロール部６が読み取る。この例では第１送信指令信号でカウント値がゼロクリアされ、内蔵された基準クロック発生器からの基準クロックのカウントを開始するように構成されている。
【００１０】
コントロール部６は一定間隔で送受切替信号を反転させて２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。
各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力する。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、カウンタ８の測定（カウント値）を読み取り、直前に行った逆向きでの測定値とを用いて、その間の流速流量を演算する。
【００１１】
このような測定方法において、超音波が受信側の送受波器に到達する時期、つまり到達ポイントを特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロスポイントを検知するようにしたものがある。
【００１２】
この検知方法について図７により説明する。
図７は発信のタイミングを示す発信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示している。
【００１３】
ａが到達点で、徐々に振幅が大きくなる。その後最大振幅となり徐々に小さくなる。
ところが到達点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次のような方法が行われている。
【００１４】
ノイズより十分大きな基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHを決め、このレベルに最初に達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検知とする方法である。
【００１５】
しきい値ＶTHは常に何番目かのある特定の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するように定めてあり、実際の到達時間ｔは、ａ点からｃ点までの時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ＋τに相当する値から時間τを減算することにより求めている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、受信波検知部４により受信波検知信号を受けると同時に送波器駆動部５によって送信側の送受波器を駆動し、次の送信を行うものにおいては次のような問題がある。
【００１７】
上記の送信側の送受波器から発信された超音波には、受信側の送受波器で反射して送信側の送受波器に戻り、さらにその送信側の送受波器で反射して受信側の送受波器へ到達する波がある。この波はノイズとなる。このようなノイズを以降１．５往復ノイズと言う。
【００１８】
すなわち、図８に示すように、第１駆動により受信波Ａが検知されるとこの検知と同時に第２駆動が行われて受信波Ｂが検知され、更にこの受信波の検知と同時に第３駆動が行われて受信波Ｃが検知されるが、この第３駆動による受信波Ｃの検知時には、上記第１駆動による１．５往復ノイズＤが受信側の送受波器に到達し、受信波Ｃに１．５往復ノイズＤが重なる。また、図では示されていないが、第４駆動による受信波は第２駆動による１．５往復ノイズと重なり、以下全ての受信波について同様のことが言える。
【００１９】
このような１．５往復ノイズは受信波を変形させるため、上記のゼロクロスポイントが正常な位置よりずれる結果になり、上記の到達時間の測定結果に影響を与える。
【００２０】
特に、流量がゼロ付近では流れが安定しているため、上記１．５往復ノイズは受信波に対し同じタイミングになる。そのため、ｎ回の繰り返しを行っても平均化されずに残ってしまう。
【００２１】
したがって、流量計測精度が悪い問題がある。
また、小型流量計においては、素子間の距離が短いため、１．５往復ノイズが大きく、また残響が残りやすいため、小型流量計の実現が困難な問題がある。
【００２２】
そこで本発明は上記の問題を解決する超音波流量計を提供することを目的とするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の第１の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器で、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
送信側の送受波器を発信させ、受信側の送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の発信から一定回数目（ｎ回目）の受信までの時間を測定し、その測定結果から到達時間を求めるようにしたものにおいて、
前記受信波検知部が受信波を検知してから再び送信側の送受波器を発信させるまでに時間を置くモードと、時間を置かずに即発信するモードとを具備し、通常の時間を置く測定モードとは別に即発信させるモードで測定を行い、その測定と時間的に近接して行う時間を置くモードでの測定結果と、前記即発信させるモードでの測定結果との差を、最初の発信から一定回数目の受信までの時間が長くなる分とし、この分を前記時間を置く測定モードにおける最初の発信から一定回数目の受信までの時間から差し引いて補正し、前記到達時間を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００２４】
本発明においては、受信波検知から次の発信までに時間を置くようにしているので、第３駆動による受信波が第１駆動による１．５往復ノイズと重ならない。したがって、これによる受信波の歪みがないため正確に受信波のゼロクロスポイントの検知ができる。以降の受信波についても同様である。
【００２５】
設定した遅延時間は、温度等で変化する場合がある。そのため、記憶した遅延時間と実際の遅延時間とに差が生じるおそれがあるが、本第１発明のように、一定時間置き、あるいは流速が安定する流量がゼロ付近の時、受信即発信を行い、近接して行われた受信から発信に時間を置く方法での測定結果との差をこの時間とすることで、常に正しい時間を記憶できる。
【００２６】
請求項２記載の第２の発明は、上記第１の発明において、受信波検知部が受信波を検知してから再び送信側の送受波器を発信させるまでに置く時間を受信毎に変化させることを特徴とするものである。
本発明においては、上記第１の発明における受信波検知から次の発信までの遅延時間を変化させることにより、受信波に対する残響の現れるパターンを変動させ繰り返しで平均化できる。
【００２７】
請求項３記載の第３の発明は、上記第１の発明において、順方向測定と逆方向測定で共通の遅延回路を用いて前記時間を置くようにしたものである。
【００２９】
請求項４記載の第４の発明は、上記第１又は第２の発明において、一定時間おきに、最初の発信からｎ回目の受信までの時間が長くなる分を求めるようにしたものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１及び図２は請求項１の発明に使用する遅延回路を用いた具体例を示す。
【００３２】
図１はブロック図であり、前記図６に示す構成において遅延回路部１０を付加したものである。すなわち、受信波検知部４と送波器駆動部５間に遅延回路部１０を設け、受信波検知部４が受信波を検知してから再び送波器駆動部５によって送信側の送受波器を発信させるまでに遅延回路部１０により一定の時間を置くようにしたものである。この遅延回路部１０としては例えば単安定マルチバイブレータを使用する。その他の構造は前記図６と同一構成であるため、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【００３３】
本構成において、図２に示すように第１駆動により送信側の送受波器から送信されると、その超音波はｔの時間後に受信側の送受波器に到達し、Ａの受信波が検知される。この受信波Ａの検知後に受信波検知部４から受信波検知信号が発信されるが、その信号は送波器駆動部５へ直ちに入力されるのではなく、遅延回路部１０により設定された一定の時間Δｔを置いて送波器駆動部５へ入力される。そのため、受信波Ａの検知時点Ｔ1 から一定時間Δｔを置いたＴ2 の時点で第２駆動による発信が行われる。
【００３４】
そして、Ｔ2 の時点からｔの時間後に第２駆動による受信波Ｂが検知され、更に該受信波Ｂの検知時点Ｔ3 から一定時間Δｔを置いたＴ4 の時点で第３駆動による発信が行われる。
【００３５】
更に、Ｔ4 の時点からｔの時間後に第３駆動による受信波Ｃが検知され、該受信波Ｃの検知時点Ｔ5 から一定時間Δｔを置いたＴ6 の時点で第４駆動による発信が行われ、以降同様に行われる。
【００３６】
一方、第１駆動による１．５往復ノイズＤは図２に示すように、第１駆動時点から３ｔの時点Ｔ5 ′において受信側の送受波器に到達するため、そのＴ5 ′と上記Ｔ5 とには時間差ｔ5 が生じ、上記第３駆動による受信波Ｃが第１駆動による１．５往復ノイズＤと重ならない。したがって、受信波の歪みがなく、正確に受信波のゼロクロスポイントの検知ができる。以降の受信波についても同様である。
【００３７】
なお、遅延回路１０によってカウンタ８の測定値はｎｔより増加するが、この増加分は、予め測定してコンロトール部６に記憶させておき、流速演算時にその値を減算することにより補正するようになっている。
【００３８】
図３は遅延回路部の異なる具体例を示す。
本具体例は、上記図１の構成における遅延回路部１０に遅延時間を変化させる手段を付加したものである。すなわち、上記図１の具体例のように、受信波検知部４と送波器駆動部５間に遅延回路部１０Ａを接続し、該遅延回路部１０Ａにカウンタ１１を接続し、かつ該カウンタ１１に上記コントロール部６からの第１送信指令信号を入力するようにしたものである。なお、遅延回路部１０Ａは単安定マルチバイブレータを使用し、遅延時間となる出力パルス幅を決める抵抗を遅延時間選択信号でスイッチングするようにした。また、カウンタ１１は３ビットのバイナリカウンタを使用した。
【００３９】
本具体例では上記時間Δｔを複数段階、例えば８段階に設定し、その８段階の遅延時間を順に切り替えるようにした。受信波検知信号を３ビットのバイナリカウンタでカウントしそのカウント値により８つの遅延時間より１つを順に選択するよう構成した。カウンタ１１は第１送信指令信号によりリセットされ同じパターンで遅延時間を選択するためトータルの遅延時間つまり最初の発信からｎ回目の受信までの時間が長くなる分は順方向逆方向に関係なく毎回一定の値となり、その値はあらかじめコントロール部６に記憶されていて演算時に使用する。
【００４０】
図１の具体例は１．５往復ノイズの影響をなくす方法であるが、図２の具体例は、さらに高精度をねらうもので、１．５往復ノイズ以外の残響ノイズの影響を小さくする方法である。
【００４１】
残響は発信に端を発する。したがって、発信に同期して同じパターンで現れるといって良い。また、受信波も流速が安定しているのなら発信に同期して同じタイミングで現れる。したがって、１．５往復ノイズだけでなく残響ノイズも受信波に同期して同じパターンで現れる。そのため、ｎ回の繰り返しを行っても平均化されずに誤差となる。この誤差は１．５往復ノイズに比べて小さいため影響度は小さいが微小流量域において高精度を確保するには無視できない。
【００４２】
そこで上記のように受信波検知から次の発信までの時間Δｔを変化させることにより、受信波に対する残響の現れるパターンを変動させ繰り返しで平均化されるようにしたものである。これにより誤差が小さくなる。
【００４３】
図４は請求項１に対応する第１実施例を示す。
本第１実施例は、上記図１の構成における遅延回路部１０と同様の遅延回路部１０Ｂと平行して、受信波検知部４の受信波検知から時間を置くことなく即送波器駆動部５へ信号を送る回路１２を設けるとともに、該回路１２と遅延回路部１０Ｂを切り替えるスイッチ１３を設け、該スイッチ１３を上記コントロール部６より切替制御するようにしたものである。
【００４４】
その他の構成は上記図１の具体例と同様である。
本第１実施例においては、コントロール部６よりの信号で、遅延した受信波検知信号または遅延しない受信波検知信号を選択できるようにしている。
【００４５】
コントロール部６は通常遅延した受信波検知信号を用いて測定を行うが、１時間に１回、通常の測定とは別に遅延しない受信波検知信号を用いて順逆の方向で測定しその測定値の平均値と、その直前と直後の順逆の通常測定での測定値の平均値と比較し、その差をトータルの遅延時間つまり最初の発信からｎ回目の受信までの時間が長くなる分として記憶し、その値を毎回の通常測定の補正に使うようにしている。
【００４６】
上記図１と図２の具体例では、受信検知から次の発信までに時間を置くため、最初の発信から一定回数目の受信までの時間が長くなる。この分は順方向と逆方向で共通の遅延回路を用いることにより同じ値（時間）になるよう構成し、その時間をあらかじめ記憶しておき、到達時間を求めるときに減算するようにしている。
【００４７】
しかし、この時間は温度等で変化する。よって記憶した時間と実際の時間とに差が生じ誤差となる。
これに対し、本第１実施例ではこの差を常に最小に保つようにするもので、一定時間置き、あるいは流速が安定する流量がゼロ付近の時、受信即発信の測定を行い、近接して行われた受信から発信に時間を置く方法での測定結果との差をこの時間とすることで、常に正しい時間を記憶できる。
【００４８】
したがって、常に誤差を最小にすることができる。
なお、本第１実施例における遅延回路部１０Ｂを、上記図２の具体例に示す遅延回路部１０Ａとカウンタ１１とで構成し、遅延時間Δｔの選択と遅延時間のない即発信とにより測定を行うようにしてもよい。これにより、上記図２の具体例と第１実施例の効果を発揮し、より計測精度を高めることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のようであるから、受信波が１．５往復ノイズと重ならないため、該１．５往復ノイズの影響を受けることなく、受信波のゼロクロスポイントの検知が正確にできる。そのため、流量計測精度の向上を図ることができ、特に微小流量域での精度の向上を図ることができる。
【００５０】
更に残響ノイズの影響を受けることなく計測でき、計測精度をより高め、特に小型流量計の実現が可能になる。
更に温度変化等による計測誤差を最小にし計測精度をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連する具体例を示すブロック図。
【図２】図１の具体例における受信波と１．５往復ノイズとの関係を示す図。
【図３】本発明に関連する他の具体例の要部を示すブロック図。
【図４】本発明の第１実施例の要部を示すブロック図。
【図５】超音波流量計の原理を説明する略図。
【図６】従来の超音波流量計のブロック図。
【図７】受信波のゼロクロスポイントを説明する図。
【図８】従来技術による受信波と１．５往復ノイズとの関係を示す図。
【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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