(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の伝播時間差に基づいて流体が流路を流れる流量を計測する超音波流量計であって、
超音波を送受信する少なくとも２つの超音波振動子と、
前記超音波振動子を駆動するための駆動信号を発生する送信回路と、
前記２つの超音波振動子の特性の差を示す第１の特性差、および／または前記２つの超音波振動子の少なくとも一方の過去における特性と現在における特性との差を示す第２の特性差を検出し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差に基づいて流量計の状態を示す診断信号を生成する自己診断手段と、
を備え、前記超音波振動子の特性は、前記超音波振動子によって生じる前記駆動信号の反射波に基づくものである超音波流量計。
【請求項２】
前記自己診断手段は、前記反射波の包絡線信号を検出し、前記包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記自己診断手段は、前記反射波と前記駆動信号との定在波比を前記超音波振動子の特性として検出する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記自己診断手段は、前記駆動信号のリターンロスを前記超音波振動子の特性として検出する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記自己診断手段は、前記反射波の位相を前記超音波振動子の特性として検出する請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記自己診断手段は、前記流体が静止している時に前記第１の特性差および／または前記第１の特性差を検出する請求項１から５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値以下であるという条件を満たす場合、正常であることを示す診断信号を生成する請求項６に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第２の値以上であるという条件を満たす場合、故障であることを示す診断信号を生成する請求項７に記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値と第２の値との間の値であるという条件を満たす場合、特性が変動していることを示す診断信号を生成する請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する動作を複数回実行し、所定数を越える回数にわたって連続して前記特性差が前記条件を満たす場合、前記診断信号を生成する請求項７から９のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項１１】
ガスが流れる流路と、
前記流路に設けられた請求項１から１０のいずれかに記載の超音波流量計と、
前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、
前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置と、
を備えたガスメータ。
【請求項１２】
前記超音波流量計から出力される前記診断信号を送信するための通信装置を更に備える請求項１１に記載のガスメータ。
【請求項１３】
超音波の伝播時間差に基づいて流体が流路を流れる流量を計測する超音波流量計の自己診断方法であって、
超音波を送受信する少なくとも２つの超音波振動子の特性の差を示す第１の特性差、および／または前記２つの超音波振動子の少なくとも一方の過去における特性と現在における特性との差を示す第２の特性差を検出するステップと、
前記第１の特性差および／または前記第２の特性差に基づいて流量計の状態を示す診断信号を生成するステップと、
を包含し、前記超音波振動子の特性は、前記超音波振動子を駆動するための駆動信号が前記超音波振動子において反射された反射波に基づくものである、超音波流量計の自己診断方法。
【請求項１４】
前記反射波の包絡線信号を検出し、前記包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する請求項１３に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項１５】
前記反射波と前記駆動信号との定在波比を前記超音波振動子の特性として検出する請求項１３に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項１６】
前記駆動信号のリターンロスを前記超音波振動子の特性として検出する請求項１３に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項１７】
前記反射波の位相を前記超音波振動子の特性として検出する請求項１３に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項１８】
前記流体が静止している時に前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する請求項１４から１７のいずれかに記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項１９】
前記診断信号を生成するステップにおいて、
前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値以下であるという条件を満たす場合、正常であることを示す診断信号を生成し、
前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第２の値以上であるという条件を満たす場合、故障であることを示す診断信号を生成し、
前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値と第２の値との間の値であるという条件を満たす場合、特性が変動していることを示す診断信号を生成する請求項１８に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項２０】
前記特性が変動していることを示す信号が生成された場合、前記２つの超音波振動子を用いて、流体が静止している状態における流量値を計測し、計測された値を用いて、前記超音波流量計を補正するステップを更に包含する請求項１９に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【請求項２１】
前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する動作を複数回実行し、所定数を越える回数にわたって連続して前記特性差が同じ条件を満たす場合、対応する前記診断信号を生成する請求項２０に記載の超音波流量計の自己診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計および超音波流量計の自己診断方法に関する。また、本発明はガスメータにも関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波流量計は、構造が簡単である、機械的可動部分が少ない、流量の測定可能な範囲が広い、流量計による圧力損失がないなどの特徴を備えている。また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波流量計の計測精度を向上させることも可能になってきた。このため、ガスメータをはじめ、気体や液体の流量の計測が必要なさまざま分野において超音波流量計を用いる研究がなされている。
【０００３】
以下、従来の超音波流量計の構造および測定原理を説明する。図１２は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図であり、流体が流れる流路１４を挟むように超音波振動子１および２が配置される。超音波振動子１および２は、それぞれ送信器および受信器として機能する。超音波振動子１を送信器として用いる場合には超音波振動子２を受信器として用い、超音波振動子２を送信器として用いる場合には超音波振動子１を受信器として用いる。図１２に示すように、超音波振動子１および２の間に形成される超音波の伝播路は流体の流れる方向に対して角度θだけ傾いている。
【０００４】
超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波を伝播させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波を伝播させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、超音波振動子１から超音波振動子２へ超音波が伝播する時間と超音波振動子２から超音波振動子１へ超音波が伝播する時間との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路１４の断面積と流速との積から流量を求めることができる。
【０００５】
上述の原理に従って流体の流量を求める具体的な方法として、シングアラウンド法による計測方法を具体的に説明する。
【０００６】
図１２に示すように、超音波流量計は送信回路３および受信回路６を備え、超音波振動子１は、切り替え回路１０によって送信回路３または受信回路６の一方と選択的に接続される。この時、超音波振動子２は、超音波振動子１が接続されなかった送信回路３または受信回路６の他方と接続される。
【０００７】
送信回路３と超音波振動子１とが接続される場合、送信回路３が超音波振動子１を駆動し、発生した超音波は流体の流れを横切って超音波振動子２に到達する。超音波振動子２によって受信された超音波は、電気信号に変換され、受信信号が受信回路６によって増幅される。ゼロクロス検知回路７では、受信信号が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知され、ゼロクロス検知信号が生成される。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅が正から負または負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを超音波振動子２において超音波が到達した時刻としている。ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し送信回路３へ入力する。ゼロクロス検知信号の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。
【０００８】
送信回路３はトリガ信号に基づいて超音波振動子１を駆動し、次の超音波を発生させる。ゼロクロス検知信号の発生から次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−増幅・遅延−送信のループの繰り返すことをシングアラウンドと呼び、ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ。
【０００９】
計時回路９では、所定の回数、ループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果が流量算出手段１１へ送られる。次に、切り替え回路１０を切り替えて、超音波振動子２を送信器として用い、超音波振動子１を受信器として用いて、同様に計測を行う。
【００１０】
上述の方法によって計測した時間から遅延時間とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が超音波の伝播時間となる。超音波振動子１を送信側にしたときの伝播時間をｔ１とし、超音波振動子２を送信側にしたときの伝播時間をｔ２とする。
【００１１】
また、図１２に示すように、超音波振動子１と超音波振動子２との間の距離をＬとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれＶおよびＣとする。
【００１２】
この時、ｔ１およびｔ２は以下の式で表される。
【００１３】
【数１】
0004153721.tif 000002
【００１４】
これらの式から流速Ｖは以下の式で表される。
【００１５】
【数２】
0004153721.tif 000003
【００１６】
流体の流速Ｖが求まれば、流路１４の断面積と流速Ｖとの積から流量Ｑが求まる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の超音波流量計では、超音波振動子１と超音波振動子２との間伝播する超音波の伝播時間ｔ１およびｔ２をゼロクロス検知により、計測している。このため、超音波振動子１から送信した超音波を超音波振動子２で受信したときの波形と超音波振動子２から送信した超音波を超音波振動子１で受信したときの波形とは一致している必要がある。
【００１８】
しかし、実際には超音波振動子１と超音波振動子２との特性の違いから、波形は完全には一致しない。図１３は、流体の流速がゼロであり、超音波振動子１と超音波振動子２との特性が異なる場合において、超音波振動子１から送信した超音波を超音波振動子２で受信したときの波形１８と超音波振動子２から送信した超音波を超音波振動子１で受信したときの波形１９とを示している。受信信号がレベルａを超えた直後のゼロクロスポイントは、波形１８および波形１９ではそれぞれ点１８ａおよび１９ａとなり、これらの点は一致しない。つまり、測定すべき気体や液体が流れていない場合であっても、誤った流量を示してしまう。
【００１９】
また、超音波振動子１は圧電素子で構成されており、圧電素子の特性は一般に温度依存性がある。図１４は、流体の流速がゼロである場合において、上記伝播時間ｔ１とｔ２との差Δｔの温度依存性を示している。図１４において曲線２０ａで示すように、温度に対してほぼ比例してΔｔが変化する場合や、曲線２０ｂあるいは曲線２０ｃで示すように、温度の上昇と共に急激にΔｔが増大したり、減少したりする場合がある。これは、超音波振動子１および超音波振動子２の特性の温度依存性が異なっており、その結果、組み合わせた特性の変化の傾向にも種々のパターンが考えられるからである。
【００２０】
したがって、従来の超音波流量計を用いて例えばガスメータを作製した場合、２つの超音波振動子の特性差によって生じる誤差のために、ガスを使っていないのにガスを使用していると計測される可能性や、その特性差の温度依存性のために１日のうちでも気温が低い朝方と日中とでは、同じガス器具を使用していても使用量が異なって計測される可能性がある。ガスメータにガス漏れ検知機能を付加した場合には、単に計測に誤差が生じるだけではなく、その検知機能の信頼性を低下させる可能性もある。
【００２１】
また、超音波振動子の特性の温度変化に加えて、超音波流量計を長い期間使用している間に超音波振動子が劣化し、特性が経年変化する。特性の経年変化も上述したように、２つの超音波振動子においてまったく同じように生じるとは限らないため、流量の計測に誤差を生じさせる原因となる。
【００２２】
更に、超音波振動子１および２に配線を接続するための端子が腐食し、腐食部分の抵抗値が上昇することによって、配線と超音波振動子１および２との電気的接続が不完全となったり、超音波振動子１および２の振動によって、配線との接続が断線してしまうといった故障も超音波流量計を長い期間使用している間に生じる可能性がある。何らかの原因により、超音波振動子１および２そのものが破壊してしまうことも考えられる。
【００２３】
このような超音波振動子の特性差によって生じる計測誤差や超音波流量計の故障は、超音波流量計に高い信頼性が求められる場合には特に問題となる。
【００２４】
本発明は、このような従来の問題を解決し、超音波振動子の特性の変化による計測誤差や故障を自己診断によって検知することのできる超音波流量計およびガスメータを提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波流量計は、超音波を送受信する少なくとも２つの超音波振動子と、前記２つの超音波振動子の特性の差を示す第１の特性差、および／または前記２つの超音波振動子の少なくとも一方の過去における特性と現在における特性との差を示す第２の特性差を検出し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差に基づいて流量計の状態を示す診断信号を生成する自己診断手段とを備え、超音波の伝播時間差に基づいて流体が流路を流れる流量を計測する。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、前記超音波振動子を駆動するための駆動信号を発生する送信回路を更に備え、前記超音波振動子の特性は、前記超音波振動子によって生じる前記駆動信号の反射波に基づく。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記反射波の包絡線信号を検出し、前記包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記反射波と前記駆動信号との定在波比を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記駆動信号のリターンロスを前記超音波振動子の特性として検出する。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記反射波の位相を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記流体が静止している時に前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値以下であるという条件を満たす場合、正常であることを示す診断信号を生成する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第２の値以上であるという条件を満たす場合、故障であることを示す診断信号を生成する。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値と第２の値との間の値であるという条件を満たす場合、特性が変動していることを示す診断信号を生成する。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記自己診断手段は、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する動作を複数回実行し、所定数を越える回数にわたって連続して前記特性差が前記条件を満たす場合、前記診断信号を生成する。
【００３６】
また、本発明のガスメータは、ガスが流れる流路と、前記流路に設けられた上記いずれかの超音波流量計と、前記流路を流れるガスを遮断する遮断弁と、前記超音波流量計および遮断弁を制御する制御装置とを備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、ガスメータは、前記超音波流量計から出力される前記診断信号を送信するための通信装置を更に備える。
【００３８】
また、本発明の超音波流量計の自己診断方法は、超音波の伝播時間差に基づいて流体が流路を流れる流量を計測し、超音波を送受信する少なくとも２つの超音波振動子の特性の差を示す第１の特性差、および／または前記２つの超音波振動子の少なくとも一方の過去における特性と現在における特性との差を示す第２の特性差を検出するステップと、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差に基づいて流量計の状態を示す診断信号を生成するステップとを包含する。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記超音波振動子の特性は、前記超音波振動子を駆動するための駆動信号が前記超音波振動子において反射された反射波に基づく。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の包絡線信号を検出し、前記包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記反射波と前記駆動信号との定在波比を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記駆動信号のリターンロスを前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記反射波の位相を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記流体が静止している時に前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記診断信号を生成するステップにおいて、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値以下であるという条件を満たす場合、正常であることを示す診断信号を生成し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第２の値以上であるという条件を満たす場合、故障であることを示す診断信号を生成し、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差が第１の値と第２の値との間の値であるという条件を満たす場合、特性が変動していることを示す診断信号を生成する。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、上記自己診断方法は、前記特性が変動していることを示す信号が生成された場合、前記２つの超音波振動子を用いて、流体が静止している状態における流量値を計測し、計測された値を用いて、前記超音波流量計を補正するステップを更に包含する。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記第１の特性差および／または前記第２の特性差を検出する動作を複数回実行し、所定数を越える回数にわたって連続して前記特性差が同じ条件を満たす場合、対応する前記診断信号を生成する。
【００４８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明による超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計５１は、流体の流路１４中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２と、送信回路３と、反射波検知回路４と、受信回路６とを備えている。
【００４９】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第１の超音波振動子１から送信された超音波は第２の超音波振動子２によって受信され、第２の超音波振動子２から送信された超音波は第１の超音波振動子１によって受信する。これら双方向の伝播路は、流路１４を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、１０〜４０度の範囲内から選択される。
【００５０】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２としては、おおよそ２０ＫＨｚ以上の周波数で駆動され、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類また、予測される流速に応じて最適な周波数が適宜選択される。本実施形態では、例えば厚み振動モードで振動し、２００ＫＨｚの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。
【００５１】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、切り替え手段１２を介して送信回路３へ接続されており、切り替え手段１２による選択によって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のどちらか一方が選択的に送信回路３へ選択的に接続される。
【００５２】
また、超音波流量計５１は、送信回路３と切り替え手段１２との間に設けられた方向性結合器１５および方向性結合器１５に接続された自己診断手段４０を更に備える。自己診断手段４０は以下において詳細に説明する。
【００５３】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、切り替え手段１３を介して受信回路６に接続される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波は電気信号に変換され、受信信号が受信回路６によって増幅される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信回路６は受信信号を増幅しなくてもよい。
【００５４】
送信回路３に第１の超音波振動子１が接続されるときには、受信回路６が第２の超音波振動子２に接続され、送信回路３に第２の超音波振動子２が接続されるときには、受信回路６が第１の超音波振動子１に接続されるよう切り替え手段１２と切り替え手段１３とは連動していることが好ましい。切り替え手段１２および切り替え手段１３は、リレーのような機械的なものであってもよいし、電子回路等によって構成されるものであってもよい。
【００５５】
受信回路６によって増幅された受信信号は、ゼロクロス検知回路７へ送られ、ゼロクロス検知回路７において、受信信号が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知される。これにより、ゼロクロス検知信号が生成される。
【００５６】
繰り返し回路８は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成し、トリガ信号を送信回路３へ出力する。送信回路３は、トリガ信号に基づいて、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を駆動する。
【００５７】
計時回路９は、所定の回数、シングアラウンドを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出手段１０へ送る。
【００５８】
図１および図２を参照して、まず流体の流量を計測する手順を説明する。流量の測定手順は従来と同じである。図２に示すように、トリガ信号２１を発振回路３に入力し駆動信号を生成させ、第１の超音波振動子１から超音波を発生させる。流路１４を伝播した超音波は、第２の超音波振動子２によって受信され、受信回路６によって受信信号２２として検知される。ゼロクロス検知回路７では、受信信号２２が所定のレベルに達した直後のゼロクロスポイントが検知され、ゼロクロス検知信号が生成される。繰り返し回路８は、ゼロクロス検知信号に基づいて、所定の遅延時間２３を経た後にトリガ信号２１’を生成し、送信回路３へトリガ信号２１’を出力する。これにより、シングアラウンドの１ループを構成する。
【００５９】
所定の回数（例えば５０〜１０００回）、シングアラウンドを繰り返した後、計時回路９は、ループを繰り返すのに要した全時間２４を計測し、測定結果を流量算出手段１１へ送る。全時間２４から遅延時間２３とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が、式（１）に示すｔ１となる。
【００６０】
次に、切り替え手段１２および１３を用いて、送信回路３を第２の超音波振動子２へ接続し、受信回路３を第１の超音波振動子１へ接続する。そして、上述の手順と同様の手順により、第２の超音波振動子２から超音波を発生させ、第１の超音波振動子１で超音波を受信する。所定の回数、シングアラウンドを繰り返した後、計時回路９は、ループを繰り返すのに要した全時間２４を計測し、測定結果を流量算出手段１１へ送る。全時間２４から遅延時間２３とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、更にシングアラウンド回数で除した値が、式（１）に示すｔ２となる。
【００６１】
式（２）に、ｔ１およびｔ２の値と角度θを代入することによって、流体の流速Ｖが求まる。更に流路１４の断面積をＳとすれば、流量ＱはＶ×Ｓによって求めることができる。この流量Ｑは、単位時間あたりに流体が移動する量であり、流量Ｑを積分することによって流体の量を求めることができる。
【００６２】
続いて、自己診断手段４０を説明する。図１に示すように、自己診断手段４０は、反射波検出回路４および判定手段５を含む。反射波検出回路４は第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において生じる駆動信号の反射波を検知し、検知した反射波に基づいて、判定手段５が超音波流量計５１の状態を診断する。この反射波は、送信回路３の出力インピーダンスと第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のインピーダンスとが整合していないために生じる。
【００６３】
図３は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の厚さ振動モードにおけるインピーダンス曲線を示している。図３に示すように、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、共振周波数ｆｒにおいて、最も電気機械変換効率が高く、かつ安定して駆動させることができる。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２は、共振周波数で駆動される。
【００６４】
第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の電気音響特性が等しい場合、インピーダンス曲線はおおよそ一致し、共振周波数におけるインピーダンスが等しくなる。この時、送信回路３の出力インピーダンスと第１の超音波振動子１の共振周波数における入力インピーダンスとの差および送信回路３の出力インピーダンスと第２の超音波振動子２の共振周波数における入力インピーダンスとの差が等しくなるため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性は等しくなる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性が等しいということは、第１の超音波振動子１の電気音響特性と第２の超音波振動子２の電気音響特性とが等しく、測定誤差を含まない正確な計測が可能であることを示している。
【００６５】
一方、端子の腐食や断線などにより、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の１つとその配線との接触抵抗が増大していたり、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の１つが故障していたりする場合、その超音波振動子の入力インピーダンスは著しく大きくなり、故障している超音波振動子による反射波も著しく大きくなる。その結果、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性が大きく異なる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性が大きく異なるということは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれかが故障しており、計測ができないことを示している。
【００６６】
気温の変化や圧電素子の経年劣化により、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性が変化する場合、通常、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２がまったく同じようにその特性を変化させることはない。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性の差が生じる。したがって、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２によって生じる反射波の特性の差が生じているということは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれかあるいは両方において、特性の変動が生じており、計測結果に誤差が含まれる可能性のあることを示している。
【００６７】
このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波をそれぞれ測定し、その値を比較することにより、超音波流量計５１の状態を診断することができる。なお、流体が大流量で流れることによって第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のインピーダンスが変化し得るので、反射波の測定は、低流量であるときに行うことが好ましく、流体静止しているとき行うことがより好ましい。
【００６８】
図４は、図１に示す自己診断手段４０の具体的な構成を示す。自己診断手段４０の反射波検知回路４は、検波回路４１、サンプル・ホールド回路４２およびＡ／Ｄ変換回路４３を含む。検波回路４１は、定電圧ダイオード４１ａおよびコンデンサ４１ｂを含む公知の包絡線検波回路によって構成されており、反射波の一部（−２０ｄＢ）が端子４１ｃから入力されると、その包絡線信号を端子４１ｄから出力する。以下において詳述するように、本実施形態では、反射波の特性として反射波の包絡線信号を検知し、検知した包絡線信号の所定の時刻における強度を前記超音波振動子の特性として検出する。
【００６９】
検波回路４１からの出力は、サンプル・ホールド回路４２へ入力される。サンプル・ホールド回路４２は、オペアンプ４２ａを含む公知の回路により、構成され、コントロール端子４２ｂへ入力されるコントロール信号に基づいて、入力端子４２ｃから入力される信号をホールドし、出力端子４２ｄからホールドした信号を出力する。
【００７０】
図５は、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２に基づく反射波が、反射波検出回路４へ入力された場合に検波回路４１の出力端子４１ｄから出力される信号と出力端子４２ｄから出力される信号を示している。
【００７１】
送信トリガ信号２１によって、送信器３から第１の超音波振動子１へ送られる駆動信号は第１の超音波振動子１において反射し、反射波が検波回路４１により、検波される。その結果、包絡線信号１５が端子４１ｄから出力される。検波された包絡線信号１５はサンプル・ホールド回路４２の入力端子４２ｃに入力される。
【００７２】
送信トリガ信号２１から所定の時間ｔ２遅れたタイミングでパルス２６が立ち上がるコントロール信号がコントロール端子４２ｂから入力されると、サンプル・ホールド回路４２は、パルス２６が立ち上がる時の包絡線信号１５の電圧値をパルス２６の期間保持して、出力端子４２ｄから電圧値１７を出力する。コントロール信号は、超音波流量計５１の他の回路を制御するマイコンによって生成される。
【００７３】
同様にして、送信器３から第２の超音波振動子２へ送られる駆動信号は、第２の超音波振動子２において反射される。反射波は検波回路４１によって検波され、包絡線信号１６が端子４１ｄから出力される。包絡線信号１６もサンプル・ホールド回路４２の入力端子４２ｃに入力され、出力端子４２ｄから電圧値１８が出力される。
【００７４】
第１の超音波振動子１による反射波に基づく電圧値１７および第２の超音波振動子２による反射波に基づく電圧値１８は、Ａ／Ｄ変換回路４３により、デジタル信号に変換され、判定手段５へ入力される。
【００７５】
判定手段５は、超音波流量計５１の他の回路や他の手段を制御するマイコンなどによって構成することができる。判定手段５は、電圧値１７および電圧値１８のうちの少なくとも一方をステップ５ａにおいて保持し、電圧値１７および電圧値１８をステップ５ｂにおいて比較する。ステップ５ｃでは、比較結果に基づいて超音波流量計の状態を判断し、診断信号を生成する。
【００７６】
次に、超音波流計５１を用いて自己診断を行う手順を図１および図６を参照して更に詳しく説明する。まず、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の診断に影響を与えないよう、図１に示す流路１４内の流体を静止させる（ステップ６１Ａ）。そして、第１の超音波振動子１が送信回路３に接続されるように切り替え手段１２および１３を操作し(ステップ６１Ｂ）、送信回路３から駆動信号を出力する。第１の超音波振動子１による反射波を信号検出回路４において検出し、得られた電圧値Ｓ1をメモリに蓄える（ステップ６１Ｃ）。
【００７７】
また、第２の超音波振動子２が送信回路３に接続されるように切り替え手段１２および１３を操作して（ステップ６１Ｄ）、送信回路３から駆動信号を出力する。第２の超音波振動子２による反射波を信号検出回路４において検出し、得られた電圧値Ｓ2をメモリに蓄える(ステップ６１Ｅ）。
【００７８】
次に２つの電圧値Ｓ1およびＳ2を比較して診断を行う(ステップ６１Ｆ）。診断を行うための評価関数として例えば以下の関数を考える。
【００７９】
評価関数（１）が、ｆ（Ｓ1，Ｓ2）(０．０１を満たす場合、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の特性は実質的にほぼ等しく、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との入力インピーダンス差は実質的に無視しうる程度に小さい。つまり、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差は無視しうる程度に小さく、超音波流量計５１の測定結果に影響を及ぼすほどの測定誤差は生じていない。したがって、この場合には、超音波流量計５１が正常であることを示す診断信号を生成して自己診断を終了する（ステップ６１Ｇ）。
【００８０】
評価関数（１）が、ｆ（Ｓ1，Ｓ2）(０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の特性は大きく異なっており、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との入力インピーダンス差も著しく大きい。この場合には、超音波流量計５１が故障であることを示す診断信号を生成して自己診断を終了する（ステップ６１Ｈ）。
【００８１】
評価関数（１）が、０．０１＜ｆ（Ｓ1，Ｓ2）＜０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との入力インピーダンス差が生じている。これは、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差が発生し、流量の計測に誤差が含まれる可能性があることを示している。しかし、超音波流量計５１の周りの環境が一時的に不均一な状態になっていて、そのことにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性差を生じさせている可能性もある。例えば、超音波流量計５１が戸外に設置されており、朝方など、周囲の気温が低い状態において、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の一方にのみ朝日が照射され、照射部分の温度が上昇する場合が考えられる。
【００８２】
したがって、評価関数（１）が、０．０１＜ｆ（Ｓ1，Ｓ2）＜０．３を満たす場合には、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性差が一時的なものであるかを判断するために、適当な時間が経過した後、再度自己診断を行う(ステップ６１Ｂ）。そして所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後、評価関数（１）の値が、ｆ（Ｓ1，Ｓ2）(０．０１を満たすようになった場合には、上述したように、超音波流量計５１が正常であることを示す診断信号を生成して自己診断を終了する（ステップ６１Ｇ）。
【００８３】
一方、所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後も評価関数（１）が、０．０１＜ｆ（Ｓ1，Ｓ2）＜０．３の範囲にある場合には、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性差が生じている。この場合には、超音波流量計５１の特性が変動していることを示す診断信号を生成する（ステップ６１Ｊ）。そして、流体が静止したままの状態で流量の測定を行い（ステップ６１Ｋ）、求めた流量値をオフセット値として、流量算出手段１０あるいは超音波流量計５１を制御するマイコンのメモリに格納し（ステップ６１Ｌ）、このオフセット値に基づいて流量を補正して流量の計測を行う。
【００８４】
このように本実施形態によれば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性の変化をこれらの駆動信号に対する反射波によって評価し、超音波流量計の自己診断に用いる。このため、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性変化を検出するための新たなセンサを用いることなく、また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を超音波流量計に組み込んだままで診断を行うことができる。したがって、簡単な構成により、容易に超音波振動子の経時変化および、故障の発生を検知することができる。
【００８５】
また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の所定の時刻における強度を検出する場合に比べて、反射波の包絡線信号の所定の時刻における強度を検出することによって、高速のＡ/Ｄ変換回路を必要としないという利点がある。
【００８６】
なお、上述の２つの電圧値Ｓ１およびＳ２を比較して診断する際、正常（ステップ６１Ｇ）あるいは異常（ステップ６１Ｈ）であるという診断は、２つの電圧値Ｓ１およびＳ２を一度比較することによってのみ行った。しかし、診断をより確実に行うために、２つの超音波振動子に特性差が生じていると診断する場合のように、所定数を越える回数にわたって連続して、同じ診断結果が得られる場合に正常あるいは故障であると診断してもよい。
【００８７】
また、上記診断を行うタイミングは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の予想される特性変化に応じて任意に設定される。例えば、超音波流量計５１をガスメータとして用いる場合には、１日のうちの気温差が計測に誤差を与える可能性がある。このような場合には、１日に数回診断を行ってもよい。第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の経年変化による測定誤差だけが問題となる場合には、数日から数ヶ月の間隔で診断を行うようにしてもよい。
【００８８】
上記実施形態では、第１の超音波振動子１の反射波に基づく電圧値Ｓ1と第２の超音波振動子２の反射波に基づく電圧Ｓ2との差を評価して、超音波流量計５１の状態を診断していた。この診断に加えて、または、この診断に換えて、電圧値Ｓ1および電圧値Ｓ2のそれぞれの過去の値と現在の値とを比較して、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の特性の経時変化を調べ、超音波流量計５１の自己診断をおこなってもよい。
【００８９】
図７は、第１の超音波振動子１の経時変化を診断する手順を示している。まず、上述と同様にして図１に示す流路１４内の流体を静止させる（ステップ７１Ａ）。そして、第１の超音波振動子１が送信回路３に接続されるように切り替え手段１２および１３を操作し(ステップ７１Ｂ）、送信回路３から駆動信号を出力する。第１の超音波振動子１による反射波を信号検出回路４において検出し、得られた電圧値Ｓ1nをメモリに蓄える（ステップ７１Ｃ）。ここで、ｎは１から始まる自然数であり、Ｓ1nはｎ回目の検出により得られた電圧値Ｓ1を示すものとする。Ｓ2nについても同様に定義する。同じ手順によって、あらかじめ過去の検出値である電圧値Ｓ1n-1および値Ｓ2n-1は、メモリに蓄えられている。図６に示す自己診断も併用する場合には、図６のステップ６１Ｃにおいて記憶した電圧値Ｓ1を自己診断のたびにＳ11、Ｓ12、・・Ｓ1n-1、Ｓ1nとして保存しておく。同様に、図６のステップ６１Ｅにおいて記憶した電圧値Ｓ2を自己診断のたびにＳ21、Ｓ22、・・Ｓ2n-1、Ｓ2nとして保存しておく。このようにすれば、あらためて電圧値を検出、記憶しなくてもよい。
【００９０】
次に２つの電圧値Ｓ1nおよびＳ1n-1を比較して診断を行う。診断を行うための評価関数として例えば以下の関数を考える。
【００９１】
本実施形態では、評価関数（２）として評価関数（１）と同じ関数を用いるが、異なる関数を用いてもよい。また、以下に説明するように、評価基準として同じ値を用いているが、上述の診断手順に用いた値と異なる評価基準を設定してもよい。
【００９２】
評価関数（２）が、ｆ（Ｓ1n，Ｓ1n-1）(０．０１を満たす場合、第１の超音波振動子１による反射波の特性は電圧値Ｓ1n-1を測定した時と電圧値Ｓ1nを測定した時とで実質的に等しく、入力インピーダンスの差は実質的に無視しうる程度に小さい。つまり、第１の超音波振動子１の特性の経時変化による特性差は無視しうる程度に小さい。この場合には、超音波流量計５１の第１の超音波振動子が正常であることを示す診断信号を生成する（ステップ７１Ｇ）。
【００９３】
評価関数（２）が、ｆ（Ｓ1n，Ｓ1n-1）(０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１よる反射波の特性は電圧値Ｓ1n-1を測定した時と電圧値Ｓ1nを測定した時とで大きく異なっており、入力インピーダンス差も著しく大きい。この場合には、超音波流量計５１の第１の超音波流量計１が故障であることを示す診断信号を生成する（ステップ７１Ｈ）。
【００９４】
評価関数（２）が、０．０１＜ｆ（Ｓ1n，Ｓ1n-1）＜０．３を満たす場合、第１の超音波振動子１よる反射波の特性は電圧値Ｓ1n-1を測定した時と電圧値Ｓ1nを測定した時とで特性差が発生し、流量の計測に誤差が含まれる可能性があることを示している。しかし、上述したように特性差が、外的要因による一時的なものである可能性がある。したがって、評価関数（２）が、０．０１＜ｆ（Ｓ1n，Ｓ1n-1）＜０．３を満たす場合には、第１の超音波振動子１の特性差が一時的なものであるかを判断するために、適当な時間が経過した後、再度自己診断を行う(ステップ７１Ｂ）。そして所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後、評価関数（２）の値が、ｆ（Ｓ1n，Ｓ1n-1）(０．０１を満たすようになった場合には、上述したように、第１の超音波振動子が正常であることを示す診断信号を生成了する（ステップ７１Ｇ）。
【００９５】
一方、所定の時間間隔で数回診断を繰り返した後も評価関数（２）が、０．０１＜ｆ（Ｓ1n，Ｓ1n-1）＜０．３の範囲にある場合には、第１の超音波振動子１の特性に経時変化が生じているので、特性が変動していることを示す診断信号を生成する（ステップ７１Ｊ）。
【００９６】
同様にして、第２の超音波振動子２についても診断を行なう。そして、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の少なくとも一方が、故障である場合には、超音波流量計５１が故障であることを示す診断信号を生成する。また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が正常である場合には、超音波流量計５１が正常であることを示す診断信号を生成する。
【００９７】
第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２の少なくとも一方において、特性に経時変化が生じている場合には、図７に示すように、流体が静止したままの状態で流量の測定を行い（ステップ７１Ｋ）、求めた流量値をオフセット値として、流量算出手段１０あるいは超音波流量計５１を制御するマイコンのメモリに格納し（ステップ７１Ｌ）、このオフセット値に基づいて流量を補正して流量の計測を行う。
【００９８】
この自己診断によれば、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれが故障しているか、または、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のいずれに特性の経時変化が生じているかを判断することもできる。
【００９９】
また、電圧値Ｓ1nおよび電圧値Ｓ2nを逐次マイコン等に記憶しておいて、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の初期特性からの変動を診断してもよい。例えば、電圧値Ｓ1nが初期値である電圧値Ｓ11から所定の割合（例えば５０％）以上変化した場合には、仮に第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差が上記図６あるいは図７で説明した手順において正常と判断される範囲、あるいは補正が必要と判断される範囲であっても、超音波流量計５１は故障している、または、超音波流量計５１を新しいものに交換する必要があると判断してもよい。第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の初期特性からのずれが大きくなっており、超音波波流量計５１の測定精度を保証できない可能性があるからである。このような自己診断を行なう機能を超音波流量計５１に付加すれば、超音波流量計５１が故障して動作しなくなる前に、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を修理したり、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２を新しいものに交換したりすることできる。
【０１００】
（第２の実施形態）
図８は、本発明による超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計５２は、第１の実施形態の超音波流量計５１の自己診断手段４０に換えて、自己診断手段４６を備えている。超音波流量計５２の送信回路３、受信回路６、ゼロクロス検知回路７、繰り返し回路８、計時回路９および流量算出手段１０は第１の実施形態の対応する回路あるいは手段と同じ構成によって形成されている。また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を用いて流量を計測する方法は第１の実施形態で説明した方法と同じである。
【０１０１】
本実施形態では、送信回路３から出力される駆動信号を進行波とし、駆動信号が第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２により、反射されて生じる反射波と進行波とを用いて定在波比（ＶＳＷＲ）を計算し、その値を超音波流量計５２の自己診断に利用する。第１の実施形態で説明したように、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性の変化に基づいて反射波の大きさも変動するため、定在波比を検出することによって好適に超音波流量計５２を診断することができる。
【０１０２】
図８に示すように、超音波流量計５２の自己診断手段４６は、反射波検知回路４４ａ、進行波検知回路４４ｂ、ピーク検知回路４５ａ、ピーク検知回路４５ｂ、Ａ／Ｄ変換回路４３および判定手段５を含んでいる。また、送信回路３と切り替え手段１２との間には、方向性結合器１５ａおよび方向性結合器１５ｂが挿入されている。
【０１０３】
送信回路３から出力される駆動信号は進行波として切り替え手段１２を介して、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２へ伝播し、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２からは駆動信号の反射波が送信回路３へ向かって伝播する。方向性結合器１５ａは、進行波および反射波のうち、反射波の一部（−２０ｄＢ）のみを反射波検知回路４４ａへ導く。また、方向性結合器１５ｂは、進行波の一部（−２０ｄＢ）のみを進行波検知回路へ導く。
【０１０４】
反射波検知回路４４ａおよび進行波検知回路４４ｂは、それぞれ、コイルを含む回路によって構成され、反射波および進行波を検知する。ピーク検知回路４５ａは、反射波検知回路４４ａにおいて検知された信号のピーク電圧ｖｒを検出し、Ａ／Ｄ変換回路４３へピーク電圧ｖｒを出力する。ピーク検知回路４５ｂも、反射波検知回路４４ｂにおいて検知された信号のピーク電圧ｖｆを検出し、Ａ／Ｄ変換回路４３へピーク電圧ｖｆを出力する。Ａ／Ｄ変換回路４３は、ピーク電圧ｖｒおよびピーク電圧ｖｆをデジタル信号に変換し、判定手段５へ出力される。
【０１０５】
判定手段５では、まず、定在波比が求められる。定在波比Ｒは、以下の式（３）によって求められる。
【０１０６】
切り替え手段１２を切り替え、上述の手順に従って、第１の超音波振動子１に基づく反射波による定在波比Ｒ1と第２の超音波振動子２に基づく反射波による定在波比Ｒ2とを求める。求めた定在波比Ｒ1および定在波比Ｒ2を用いて、判定手段５では、第１の実施形態で説明したように図６または図７に示す手順に従って、超音波流量計５２の診断が行われる。
【０１０７】
具体的には、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差に基づいて、超音波流量計５２の診断を行う場合には、図６に示す診断手順において電圧値Ｓ1およびＳ2に換えて定在波比Ｒ1および定在波比Ｒ2を用いて評価関数（１）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５２が正常であることを示す信号、超音波流量計５２が異常であることを示す信号および超音波流量計５２の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５２の補正が必要である場合には、図６に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られ値を用いて流量補正を行う。
【０１０８】
また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のそれぞれの特性の経時変化に基づいて超音波流量計５２の診断を行う場合には、図７に示す診断手順において電圧値Ｓ1およびＳ2に換えて定在波比Ｒ1および定在波比Ｒ2を用いて評価関数（２）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５２が正常であることを示す信号、超音波流量計５２が異常であることを示す信号および超音波流量計５２の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５２の補正が必要である場合には、図７に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られた値を用いて流量補正を行う。
【０１０９】
このように、送信回路から出力される駆動信号を進行波とし、進行波と、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波との定在波比を測定することによって、超音波流量計５２を診断することができる。また、定在波比を用いることによって簡単に反射の度合いを知ることができるという効果を得ることもできる。
【０１１０】
（第３の実施形態）
図９は、本発明による超音波流量計の第９の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計５３は、第１の実施形態の超音波流量計５１の自己診断手段４０に換えて、自己診断手段４７を備えている。
【０１１１】
自己診断手段４７は、リターンロスブリッジ４９と、検波回路４８とＡ／Ｄ変換回路４３と判定手段５とを含む。また、図９に示すように、切り替え手段１２と送信回路３との間には、切り替え手段８１が設けられており、リターンロスブリッジ４９を介して送信回路３と切り替え手段１２とを接続する経路および送信回路３と切り替え手段１２とを直接接続する経路のいずれかを切り替え手段８１によって選択できるようになっている。
【０１１２】
超音波流量計５３の送信回路３、受信回路６、ゼロクロス検知回路７、繰り返し回路８、計時回路９および流量算出手段１０は、第１の実施形態の対応する回路および手段と同じ構成によって形成されている。切り替え手段８１を用いて送信回路３と切り替え手段１２とを直接接続し、第１の実施形態と同じ方法をもちいることにより、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を用いて流量を計測することができる。
【０１１３】
切り替え手段８１によって、リターンロスブリッジ４９を介して送信回路３と切り替え手段１２とを接続すれば、超音波流量計５３の自己診断を行うことができる。本実施形態では、送信回路３から出力される駆動信号のリターンロスを検知する。駆動信号のリターンロスは、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２を駆動することによって生じる。送信回路３と第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２とのインピーダンスの整合性が高い場合には、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において生じる駆動信号の反射波は小さい。この場合にはリターンロスは大きくなる。一方、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２のインピーダンスと送信回路３の出力インピーダンスが異なる場合には第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において生じる駆動信号の反射波が大きい。この場合にはリターンロスは小さくなる。このように、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２における反射波の大きさによってリターンロスの大きさも変化するため、第１の実施形態で説明したように、リターンロスを測定することによって第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２の特性の変化を知ることができる。
【０１１４】
自己診断手段４７のリターンロスブリッジ４９には、公知のリターンロスブリッジを用いることができる。リターンロスブリッジ４９において、送信回路３から出力された駆動信号は、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２へ伝播される。第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２において反射された駆動信号が検波回路４９へ導かれる。検波回路４９では、第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２から戻ってきた信号を検知し、検知した信号はＡ／Ｄ変換回路４３においてデジタル信号に変換され、変換された信号が判定手段５へ入力される。
【０１１５】
超音波流量計５１において自己診断を行う場合には、まず、切り替え手段３を切り替えて、送信回路３から出力される信号が自己診断手段４７のリターンロスブリッジ４９を介して第１の超音波振動子１または第２の超音波振動子２へ伝播されるようにする。切り替え手段１２によって、第１の超音波振動子１がリターンロスブリッジ４９へ接続されるようにする。送信回路３から流量測定に用いる信号よりも長いバースト信号（例えば、波数が１０以上）を駆動信号として出力し、第１の超音波振動子１によって生じる反射波であるリターンロスＬ1を検波回路４８で検出する。検出した値をＡ／Ｄ変換回路４３で変換して、判定手段５へ入力する。
【０１１６】
次に、切り替え手段１２によって、第２の超音波振動子１がリターンロスブリッジ４９へ接続されるようにする。同様の手順によって、第２の超音波振動子２によって生じる反射波であるリターンロスＬ2を検波回路４８で検出する。検出した値をＡ／Ｄ変換回路４３で変換して、判定手段５へ入力する。
【０１１７】
判定手段５は、得られたリターンロスＬ1およびリターンロスＬ2を用いて、図６または図７に示す手順に従って、超音波流量計５２の診断を行う。具体的には、第１の超音波振動子１と第２の超音波振動子２との特性差に基づいて、超音波流量計５３の診断を行う場合には、図６に示す診断手順において電圧値Ｓ1およびＳ2に換えてリターンロスＬ1およびリターンロスＬ2を用いて評価関数（１）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５３が正常であることを示す信号、超音波流量計５３が異常であることを示す信号および超音波流量計５３の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５３の補正が必要である場合には、図６に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られ値を用いて流量補正を行う。
【０１１８】
また、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２のそれぞれの特性の経時変化に基づいて超音波流量計５２の診断を行う場合には、図７に示す診断手順において電圧値Ｓ1およびＳ2に換えてリターンロスＬ1およびリターンロスＬ2を用いて評価関数（２）の値を求める。そして、求めた値に基づいて、超音波流量計５３が正常であることを示す信号、超音波流量計５３が異常であることを示す信号および超音波流量計５３の補正が必要であることを示す信号を生成させる。また、超音波流量計５３の補正が必要である場合には、図７に示すように、流体が静止している状態で流量を測定し、得られた値を用いて流量補正を行う。
【０１１９】
このように、送信回路から出力される駆動信号を進行波とし、進行波と、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波とのリターンロスを測定することによって、超音波流量計５３を診断することができる。また、リターンロスを用いることによって簡単に反射の度合いを知ることができるという効果を得ることもできる。
【０１２０】
なお、第１から第３の実施形態において、反射の特性として、反射波の包絡線信号、定在波比、およびリターンロスを検出する例を示した。これらのほかに、反射波の特性として、第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２による反射波の位相を検出しその位相差に基づいて、診断してもよい。
【０１２１】
（第４の実施形態）
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
図１０に示すように、ガスメータ５４は、配管８２ａおよび配管８２ｂとの間に設けられ、配管８２ａから配管８２ｂへ流れるガスの流量を計測する。配管８２ａおよび配管８２ｂを流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。
【０１２２】
配管８２ａおよび配管８２ｂはガスメータ５４の上部に接続される。ガスの流量は、ガスメータ５４に設けられた表示部８３に表示される。また、自己診断の結果をガス会社等へ送信するためのアンテナ８４がガスメータ５４に設けられている。
【０１２３】
図１１は、ガスメータ５４の内部の構造を模式的に示している。ガスメータ５４は、配管８２ａおよび配管８２ｂに接続される流路８５を含む。流路８５は、その途中において、主流路８５ａおよび計測用流路８５ｂに分かれており、主流路８５ａには遮断弁８７が設けられている。また、計測流路８５ｂには２つの遮断弁８６が設けられている。
【０１２４】
ガスメータ５４には、第１から第３の実施形態の超音波流量計を用いることができる。ガスメータ５４には、例えば第１の実施形態の超音波流量計５１を用いる。計測用流路８５ｂの２つの遮断弁８６に挟まれた領域に、超音波流量計５１の第１の超音波振動子１および第２の超音波振動子２が設けられ、送信回路３等の他の回路５１’が基板８８上に形成される。基板８８上には、表示部８３、マイコンなどを含む制御装置８９、および通信装置９０が設けられている。制御装置８９は、超音波流量計５１、通信装置９０、遮断弁８６および遮断弁８７を制御している。
【０１２５】
計測用流路８５ｂと主流路８５ａとは常に比例した流量のガスが流れるように構成されており、計測用流路８５ｂに流れるガスの流量を超音波流量計５１で計測し、その値に所定の補正を乗ずることによって、計測用流路８５ｂおよび主流路８５ａを流れるガスの流量を計測することができる。
【０１２６】
超音波流量計５１によって計測される流量に関するデータは、制御装置８９によって処理されて表示部８３に表示される。また、制御装置８９は、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁８６および遮断弁８７を動作させ、ガスの供給を停止する。そして、通信装置８８を用いて、ガス漏れであるという情報をガス会社へ送信する。また、所定の期間に配管８５を流れたガスの流量を制御装置８９に記憶しておき、その値をガスの使用量として、通信装置９０を用いてガス会社等へ送信してもよい。
【０１２７】
自己診断を行う場合、まず、遮断弁８６によって、計測用流路８５ｂ内のガスを静止させる。そして、第１から第３の実施形態で説明した手順によって自己診断を行う。通信装置９０を用いて、逐次、診断結果をガス会社等に送信してもよいし、ガスメータ５４が故障している診断された場合や、ガスメータ５４の超音波振動子に劣化が生じていると診断された場合にのみ、診断結果をガス会社へ送信してもよい。
【０１２８】
上述したように、自己診断の際、超音波振動子が設けられた流路内のガスを静止させる必要がある。一回の自己診断に要する時間は数秒であるが、自己診断中にガスの供給が止まることによって不都合が生じないよう、本実施形態では計測用流路８５ｂを主流路８５ａから分岐させている。ガスを使用していないときに自己診断を行う場合や、自己診断中にガスの供給が止まっても問題がない場合には、計測用流路８５ｂを主流路とし、主流路８５ａは設けなくともよい。
【０１２９】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波流量計の２つの超音波振動子の特性の経時変化や特性の温度変化、または、超音波振動子と配線とを接続する端子の腐食によるインピーダンス変化に起因する測定精度の低下を診断することができ、診断によって測定精度の低下を未然に防ぐこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波流量計の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】シングアラウンド法による測定を説明する図である。
【図３】本発明で用いる超音波振動子の電気的特性を示すインピーダンス曲線図である。
【図４】図１に示す超音波流量計の自己診断手段の具体的な構成を示す回路図である。
【図５】図４に示す回路において、検出される信号を説明する図である。
【図６】自己診断の手順を説明するフローチャートである。
【図７】自己診断の手順を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の超音波流量計の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図９】本発明の超音波流量計の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態であるガスメータを示す外観図である。
【図１１】図１０のガスメータの構造を示す模式図である。
【図１２】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図１３】従来の超音波流量計において生じる受信波形の差異を示す図である。
【図１４】従来の超音波流量計の特性の変化の温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  第１の超音波振動子
２  第２の超音波振動子
３  送信回路
４  信号検知回路
５  判定手段
６  受信回路
７  ゼロクロス検知回路
８  繰り返し回路
９  計時回路
１２、１３、８１  切り替え手段
１１  流量算出手段
１４  流路
４０  自己診断回路
４１  検知回路
４２  サンプル・ホールド回路
４３  Ａ／Ｄ変換回路
【図１】
0004153721.tif 000004
【図２】
0004153721.tif 000005
【図３】
0004153721.tif 000006
【図４】
0004153721.tif 000007
【図５】
0004153721.tif 000008
【図６】
0004153721.tif 000009
【図７】
0004153721.tif 000010
【図８】
0004153721.tif 000011
【図９】
0004153721.tif 000012
【図１０】
0004153721.tif 000013
【図１１】
0004153721.tif 000014
【図１２】
0004153721.tif 000015
【図１３】
0004153721.tif 000016
【図１４】
0004153721.tif 000017