(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波流速測定管１を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子２、３が配置され、前記各超音波振動子２、３から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信し、それらの受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを基準に超音波の伝搬時間を求め、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定方法において、
前記受信波（Ｊ）を一定周期でサンプリングするステップと、
前記受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚの直前直後のサンプル点Ｓ1、Ｓ1’を結ぶ線分Ｓ1Ｓ1’がゼロクロスする点を仮ゼロクロス点Ｎ0とし、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係を求めるステップと、
前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係に応じて、隣り合う各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1を内分し、その内分点Ｎiに対応し、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの値であり、サイン波形とみなすことができるサインサンプル値Ｗiを求めるステップと、
前記サインサンプル値Ｗｉを直線サンプル値Ｚｉに変換するステップと、
前記直線サンプル値Ｚｉに基づいて最小二乗法により近似直線ａｉ＋ｂを求めるステップと、
前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点を前記受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚとして特定するステップと、
を備えることを特徴とする超音波流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を利用してガスその他の流体の流速を測定する超音波流速測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、ガスその他の流体の流量を求めるに際し、まず流体の流速を連続的ないし定期的に測定し、これに基いて流量を演算することが行われている。そして、このような流体の流速測定方法の一つとして、超音波を利用した方法が知られている。
【０００３】
かかる超音波流速測定方法の原理を、図６にて説明すると次のとおりである。図６において、（１）は内部をガス等の流体が流れる超音波流速測定管である。この超音波流速測定管（１）内には、流れ方向の上流側及び下流側に、所定距離を隔てて超音波振動子（２）（３）が配置されている。この超音波振動子（２）（３）は、駆動パルス発生回路（４）からの駆動パルスにより駆動されて振動し、超音波を発生送信する一方、送信されてきた超音波を受信するもので、超音波振動子（３）（２）が振動したときの受信波（Ｊ）が受信増幅回路（５）から出力されるものとなされている。
【０００４】
そして、上流側の超音波振動子（２）から流れに対して順方向に送信された超音波が下流側の超音波振動子（３）で受波されるまでの伝搬時間と、下流側の超音波振動子（３）から流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側の超音波振動子（２）で受信されるまでの伝搬時間との差は、流速に関係することから、この超音波の伝搬時間差をクロック波を利用する等して求めることにより流体の流速を測定するものとなされている。
【０００５】
なお、図６において、（６）は各超音波振動子（２）（３）と駆動パルス発生回路（４）及び受信増幅回路（５）の接続を切り替える切替回路であり、まず駆動パルス発生回路（４）と上流側の超音波振動子（２）、下流側の超音波振動子（３）と受信増幅回路（５）を接続して、上流側から下流側への伝搬時間を測定したのち、該切替回路（６）の作動により駆動パルス発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続されるように切替えて、下流側から上流側への伝搬時間を測定するものとなされている。
【０００６】
ところで、一般に、超音波の伝搬時間は、受信増幅回路（５）から出力される受信波（Ｊ）の所定のゼロクロス点Ｚを基準に求められるが、従来、この受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚは以下の方法により特定されていた。
【０００７】
即ち、まず受信波（Ｊ）を一定周期でサンプリングし、それらサンプル値Ｐi（電圧値）をサイン波形として扱い、それらサイン波形のサンプル値Ｐiを直線のサンプル値Ｑiに変換する。例えば、図７に示すように、受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚとその直前のサンプル点との位相差がαθで、受信波（Ｊ）のサイン波形が下式［１０］で表される場合、下式［１１］によりサイン波形のサンプル値Ｐiを直線のサンプル値Ｑi に変換する。
Ｐi＝Ａｓｉｎ（ｉα＋αθ）・・・［１０］
Ｑi＝Ｐi×Ｂ（ｉα＋αθ）／Ａｓｉｎ（ｉα＋αθ）・・・［１１］
Ｑi：直線のサンプル値
Ｐi：サイン波形のサンプル値
ｉ：サンプル番号
Ａ、Ｂ：係数
αθ：受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚとその直前のサンプル点との位相差
そして、それら直線のサンプル値Ｑiから最小二乗法により近似直線を算出し、その近似直線のゼロクロス点を受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚとして特定する。
【０００８】
しかしながら、上述の方法だと、上式［１１］によりサイン波形のサンプル値Ｐiを直線のサンプル値Ｑiに変換するに際し、θが任意の値のときは（ｉα＋αθ）も任意の値となるので、マイコン等によるｓｉｎ（ｉα＋αθ）の計算処理が煩雑化し、受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを特定するのに時間がかかるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、受信波のゼロクロス点を短い時間で精度良く特定することができ、ひいては迅速かつ高精度の流速測定が可能な超音波流速測定方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するために、受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを特定するための近似直線を求めるに際し、受信波（Ｊ）のサンプル値Ｖiをそのまま直線サンプル値に変換するのではなく、受信波（Ｊ）の各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1を内分し、その内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを直線サンプル値Ｚiに変換するものである。
【００１１】
即ち、この発明は、超音波流速測定管１を流れる計測流体の上流側と下流側にそれぞれ超音波振動子２、３が配置され、前記各超音波振動子２、３から相互に超音波を発生送信するとともに、送信された超音波を相互に受信し、それらの受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを基準に超音波の伝搬時間を求め、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流速を測定する超音波流速測定方法において、前記受信波（Ｊ）を一定周期でサンプリングするステップと、前記受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚの直前直後のサンプル点Ｓ1、Ｓ1’を結ぶ線分Ｓ1Ｓ1’がゼロクロスする点を仮ゼロクロス点Ｎ0とし、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係を求めるステップと、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係に応じて、隣り合う各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1を内分し、その内分点Ｎiに対応し、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの値であり、サイン波形とみなすことができるサインサンプル値Ｗiを求めるステップと、前記サインサンプル値Ｗｉを直線サンプル値Ｚｉに変換するステップと、前記直線サンプル値Ｚｉに基づいて最小二乗法により近似直線ａｉ＋ｂを求めるステップと、前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点を前記受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚとして特定するステップと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、前記サインサンプリング値Ｗiは、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの電圧値であり、それらサインサンプリング値Ｗiで構成される波形は位相差αθを含まないサイン波形となるので、前記サインサンプリング値Ｗiを直線サンプル値Ｚｉに変換するときのマイコン等による処理が簡単化される。このため、受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを短い処理時間で精度良く特定することができ、ひいては迅速かつ高精度な流速測定が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明を実施するための超音波流速測定装置を示すものである。図１において、（１）は超音波流速測定管、（２）（３）は流れ方向の上流側および下流側に所定距離を隔てて配置された超音波振動子、（４）は駆動パルスを発生するパルス発生回路、（５）は超音波振動子（２）（３）で超音波を受信したときに受信波（Ｊ）を出力する受信増幅回路、（６）は超音波振動子（２）（３）とパルス発生回路（４）および受信増幅回路（５）の接続を切り替える切替回路であり、これらは図６に示したものと同じである。
【００１４】
（７）は、様々な処理を行う中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという）と、随時書き込み読み出しメモリー（ＲＡＭ）と、読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）とを備えたマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）で、前記パルス発生回路（４）、受信増幅回路（５）および切替回路（６）にそれぞれ接続されている。
【００１５】
このマイコン（７）は、超音波振動子（２）（３）から超音波を発生送信せしめ、その超音波が超音波振動子（３）（２）に受信されたあと、後述の受信波ゼロクロス特定処理によって受信増幅回路（５）から出力される受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを超音波受信タイミングとして特定する。そして、そのゼロクロス点Ｚを基準に順方向と逆方向の超音波の伝搬時間を測定し、それら超音波の伝搬時間の差に基づいて流体の流速を求める。
【００１６】
以下、上記受信波ゼロクロス特定処理について具体的に説明する。なお、この実施形態では、受信波（Ｊ）の第３波（Ｗ３）のゼロクロス点（Ｚ）を超音波受信タイミングとして特定する。
【００１７】
この受信波ゼロクロス特定処理は、第１のステップから第６のステップからなり、まず第１のステップでは、図２（ａ）に示すように、受信波（Ｊ）のゼロクロス点（Ｚ）付近の電圧値を一定周期Ｔｓでサンプリングする。なお、この実施形態では、受信波（Ｊ）のゼロクロス点（Ｚ）より前のサンプル点をＳ1、Ｓ2、・・・、Ｓnとし、それらのサンプル値をＶ1、Ｖ2、・・・、Ｖnとするとともに、受信波（Ｊ）のゼロクロス点（Ｚ）より後のサンプル点をＳ1’、Ｓ2’、・・・、Ｓn’とし、それらのサンプル値をＶ1’、Ｖ2’、・・・、Ｖn’とする。
【００１８】
第２のステップでは、図２（ｂ）に示すように、前記受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚの直前直後のサンプル点Ｓ1、Ｓ1’を結ぶ線分Ｓ1Ｓ1’がゼロクロスする点を仮ゼロクロス点Ｎ0とし、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係を求める。
【００１９】
この実施形態では、下式［１］に示すように、まず前記サンプル値Ｖ1、Ｖ1’に基づいて、前記サンプル点Ｓ1から仮ゼロクロス点Ｎ0までの時間Ｔｍを求め、さらに、下式［２］に示すように、前記時間Ｔｍとサンプリング周期Ｔｓに基づいて、仮ゼロクロス点Ｎ0による前記線分Ｓ1Ｓ1’の内分比θを求める。この内分比θは、前記サンプル点Ｓ１、Ｓ１’と仮ゼロクロス点Ｚの対応関係を表すものである。
Ｔｍ＝Ｔｓ×Ｖ1／（Ｖ1＋Ｖ1’）・・・［１］
θ＝Ｔｍ／Ｔｓ・・・［２］
Ｔｍ：サンプル点Ｓ1から仮ゼロクロス点Ｎ0までの時間
Ｔｓ：サンプリング周期
Ｖ１：受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚ直前のサンプリング値
Ｖ１’：受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚ直後のサンプリング値
θ：内分比
Ｔｓ：サンプリング周期
第３のステップでは、図２（ｃ）に示すように、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｚの対応関係に応じて、隣り合う各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1を内分し、その内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを求める。
【００２０】
この実施形態では、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係は、仮ゼロクロス点Ｎ0による前記線分Ｓ1Ｓ1’の内分比θであらわされるので、下式［３］に示すように、隣り合う各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分Ｓi、Ｓi+1を前記内分比θにより内分し、その内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを求める。また、下式［４］に示すように、サインサンプル値Ｗi ’についても上述と同様に求める。
Ｗi＝θＶi＋（１−θ）Ｖi＋１・・・［３］
Ｗi’＝θＶi’＋（１−θ）Ｖi+1’・・・［４］
これらサインサンプリング値Ｗi、Ｗi’は、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの電圧値であり、しかもサンプリング周期Ｔｓも非常に短い。このため、それらサインサンプリング値Ｗi、Ｗi’で構成される波形は位相差αθを含まないサイン波形とみなすことができる。
【００２１】
この実施形態では、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係は、仮ゼロクロス点Ｎ0による前記線分Ｓ1Ｓ1’の内分比θであらわされるので、下式［３］に示すように、隣り合う各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分Ｓi、Ｓi+1を前記内分比θにより内分し、その内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを求める。また、下式［４］に示すように、サインサンプル値Ｗi ’についても上述と同様に求める。
Ｗi＝θＶi＋（１−θ）Ｖi+1・・・［３］
Ｗi’＝θＶi’＋（１−θ）Ｖi+1’・・・［４］
これらサインサンプリング値Ｗi、Ｗi’は、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの電圧値であり、しかもサンプリング周期Ｔｓも非常に短い。このため、それらサインサンプリング値Ｗi、Ｗi’で構成される波形は位相差αθを含まないサイン波形とみなすことができる。
【００２２】
第５のステップでは、前記直線サンプル値Ｚｉ、Ｚｉ’に基づいて最小二乗法により近似直線ａｉ＋ｂを求める。この最小二乗法については公知であるのでその説明を省略する。
【００２３】
第６のステップでは、図３に示すように、前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点を前記受信波のゼロクロス点Ｚとして特定する。
【００２４】
この実施形態では、下式［７］に示すように、サンプル点Ｓ1から前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点までの前記サンプリング周期Ｔｓに対する時間比θｚを求め、さらに、下式［８］に示すように、前記時間比θｚに基づいて前記サンプル点Ｓ1から前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点までの時間Ｔｍｚを求める。
θｚ＝θ−ｂ／ａ・・・［７］
Ｔｍｚ＝θｚＴｓ＝（θ−ｂ／ａ）Ｔｓ・・・［８］
θｚ：サンプル点Ｓ1から前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点Ｚまでの前記サンプリング周期Ｔｓに対する時間比
θ：内分比
ａ、ｂ：係数
Ｔｍｚ：サンプル点Ｓ1から前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点Ｚまでの時間Ｔｓ：サンプリング周期
次に上記超音波流速測定装置を用いた超音波流速測定方法について図４に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下の説明及び図面において「ステップ」を「Ｓ」と略記する。
【００２５】
まず、Ｓ１で、マイコン（７）が、駆動パルス発生回路（４）から駆動パルスを発生させて、その駆動パルスを超音波振動子（２）に印加せしめることにより超音波振動子（２）から超音波を送信せしめる。
【００２６】
Ｓ２では、前記超音波振動子（２）から送信された超音波を超音波振動子（３）で受信し、受信増幅回路（５）から受信波を出力する。
【００２７】
Ｓ３では、マイコン（７）が、後述の受信波ゼロクロス特定処理により、前記受信増幅回路（７）から出力された受信波（Ｊ）の３波（Ｊ３）のゼロクロス点Ｚを超音波到達タイミングとして特定する。
【００２８】
Ｓ４では、マイコン（７）が、超音波が送信された時点から受信された時点（超音波到達タイミング）までの時間を超音波の伝搬時間としてクロック波により測定する。
【００２９】
Ｓ５では、逆方向の超音波の伝搬時間を測定したか否かを判定し、逆方向の超音波の伝搬時間を測定していない場合は（Ｓ５でＮＯ）、Ｓ６で、駆動パルス発生回路（４）と下流側の超音波振動子（３）、上流側の超音波振動子（２）と受信増幅回路（５）とが接続されるように切り換えて、上述のＳ１〜Ｓ４の処理により逆方向の超音波の伝搬時間を測定する。一方、逆方向の超音波の伝搬時間を測定した場合は（Ｓ５でＹＥＳ）、Ｓ７に進む。
【００３０】
Ｓ７では、順方向および逆方向の超音波の伝搬時間の差に基づいて流体の流速を求め、リターンする。なお、この実施形態では、流体の流速は、下式［９］により求められる。
Ｖ＝Ｌ／２×（ｔ2−ｔ1）／（ｔ1×ｔ2）・・・・［９］
Ｖ：流体の流速
Ｌ：測定管の長さ
ｔ1：順方向の超音波の伝搬時間
ｔ2：逆方向の超音波の伝搬時間
図５は、受信波ゼロクロス特定処理（図４のＳ３の処理）のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００３１】
まずＳ３１では、図２（ａ）に示すように、受信波（Ｊ）のゼロクロス点（Ｚ）付近の電圧値を一定周期Ｔｓでサンプリングする。
【００３２】
Ｓ３２では、図２（ｂ）に示すように、前記受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚの直前直後のサンプル点Ｓ1、Ｓ1’を結ぶ線分Ｓ1Ｓ1’がゼロクロスする点を仮ゼロクロス点Ｎ0とし、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｎ0の対応関係を求める。
【００３３】
Ｓ３３では、図２（ｃ）に示すように、前記サンプル点Ｓ1、Ｓ1’と仮ゼロクロス点Ｚの対応関係に応じて、隣り合う各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1を内分し、その内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを求める。これらサインサンプリング値Ｗi、Ｗi’は、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの電圧値であり、しかもサンプリング周期Ｔｓも非常に短い。このため、それらサインサンプリング値Ｗi、Ｗi’で構成される波形は位相差αθを含まないサイン波形とみなすことができる。
【００３４】
Ｓ３４では、上式［５］［６］に示すように、前記サインサンプル値Ｗｉ、Ｗｉ’を直線サンプル値Ｚｉ、Ｚｉ’に変換する。このように、サインサンプル値Ｗｉ、Ｗｉ’を直線サンプル値Ｚｉ、Ｚｉ’に変換するに際して、従来のような位相差θαを含まないｓｉｎｉαで除算するので、マイコンによる処理が簡単化される。
【００３５】
Ｓ３５では、前記直線サンプル値Ｚｉ、Ｚｉ’に基づいて最小二乗法により近似直線ａｉ＋ｂを求める。
【００３６】
Ｓ３６では、図３に示すように、前記近似直線ａｉ＋ｂのゼロクロス点を前記受信波のゼロクロス点Ｚとして特定し、リターンする。
【００３７】
このように、受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを特定するための近似直線を求めるに際し、受信波（Ｊ）のサンプル値Ｖiをそのまま直線サンプル値に変換するのではなく、受信波（Ｊ）の各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1の内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを直線サンプル値Ｚiに変換する。そして、前記サインサンプリング値Ｗiは、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの電圧値であり、それらサインサンプリング値Ｗiで構成される波形は位相差αθを含まないサイン波形となるので、前記サインサンプリング値Ｗiを直線サンプル値Ｚiに変換するときのマイコン等による処理が簡単化される。このため。受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを短い処理時間で精度良く特定することができ、ひいては迅速かつ高精度な流速測定が可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明によれば、受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを特定するための近似直線を求めるに際し、受信波（Ｊ）のサンプル値Ｖiをそのまま直線サンプル値に変換するのではなく、受信波（Ｊ）の各サンプル点Ｓi、Ｓi+1を結ぶ線分ＳiＳi+1の内分点Ｎiに対応するサインサンプル値Ｗiを直線サンプル値Ｚiに変換する。そして、前記サインサンプリング値Ｗiは、仮ゼロクロス点Ｚを基準としたサンプリング周期Ｔｓごとの電圧値であり、それらサインサンプリング値Ｗiで構成される波形は位相差αθを含まないサイン波形となるので、前記サインサンプリング値Ｗiを直線サンプル値Ｚiに変換するときのマイコン等による処理が簡単化される。このため。受信波（Ｊ）のゼロクロス点Ｚを短い処理時間で精度良く特定することができ、ひいては迅速かつ高精度な流速測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る超音波流速測定方法を実施するための超音波流速測定装置の構成概略図である。
【図２】受信波をサンプリングしてから直線サンプル値を求めるまでの状態を示す図である。
【図３】近似直線とサンプル点を結ぶ線分との関係を示す図である。
【図４】図１の超音波流速測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】図４の受信波特定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】従来の超音波流速測定装置の構成概略図である。
【図７】受信波のサンプル値を直線サンプル値に変換する状態を示す図である。
【符号の説明】
１・・・超音波流速測定管
２、３・・・超音波振動子
４・・・駆動パルス発生回路
５・・・受信増幅回路
６・・・切替回路
７・・・マイコン
【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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