(57)【要約】【課題】実際の入射角度にほぼ一致する入射角度を演算し、この入射角度を用いて、より正確な流速および流量を演算することによって、流量測定精度が向上した超音波流量計および流量測定方法を提供すること。【解決手段】被測定流体５０の流量を測定する超音波流量計３００において、入射された超音波信号のうち、被測定流体を透過した超音波信号を受信可能な複数の透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４によって受信された超音波信号の電圧振幅を測定する少なくとも一つの電圧振幅測定手段３４０と、電圧振幅測定手段３４０によって測定された複数の電圧振幅に基づいて入射された超音波信号の入射角度を決定する入射角度決定手段３７０と、入射角度決定手段３７０によって決定された入射角度に基づいて流量を演算する流速流量演算手段４４０と、を備えたことを特徴とするもの。【選択図】図１
2009236646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサから被測定流体に入射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流量を測定する超音波流量計において、
前記入射された超音波信号のうち、前記被測定流体を透過した超音波信号を受信可能な複数の透過超音波トランスデューサと、
この複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号の電圧振幅を測定する少なくとも一つの電圧振幅測定手段と、
この電圧振幅測定手段によって測定された複数の電圧振幅に基づいて前記入射された超音波信号の入射角度を決定する入射角度決定手段と、
この入射角度決定手段によって決定された入射角度に基づいて前記流量を演算する流速流量演算手段と、
を備えたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記超音波トランスデューサから前記透過超音波トランスデューサに超音波信号が入射された場合の入射角度と、この入射角度に対応付けられた前記透過超音波トランスデューサの識別情報とを記憶した記憶手段を有し、
前記入射角度決定手段は、
前記電圧振幅測定手段によって測定された複数の電圧振幅のうち最大電圧振幅を判別し、この最大電圧振幅を有する前記透過超音波トランスデューサの識別情報を得る識別情報取得手段と、
この識別情報取得手段によって得られた識別情報に対応する前記記憶手段の入射角度を得る入射角度取得手段とを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記超音波トランスデューサから前記透過超音波トランスデューサに超音波信号が入射された場合の入射角度と、この入射角度に対応付けられた前記透過超音波トランスデューサの識別情報とを記憶した記憶手段を有し、
前記入射角度決定手段は、
前記電圧振幅測定手段によって測定された電圧振幅を有する前記透過超音波トランスデューサの識別情報を得て、得られた識別情報に対応する前記記憶手段の入射角度と前記電圧振幅との近似曲線を生成する近似曲線生成手段と、
この近似曲線生成手段によって生成された近似曲線で最大電圧振幅となる入射角度を算出する入射角度算出手段とを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記流速流量演算手段は、前記入射角度決定手段によって決定された入射角度を用いて前記被測定流体の流速を演算し、この演算された流速を用いて前記流量を演算する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記流速流量演算手段は、擬似入射角度を用いて演算された前記被測定流体の流速と前記入射角度決定手段によって決定された入射角度とを用いて前記流量を演算する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号のいずれか一つを選択する選択手段を備え、
前記電圧振幅測定手段は、前記選択手段で選択された超音波信号の電圧振幅を、一つの電圧振幅測定手段によって測定する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項７】
外部から入力された入射角度決定指示信号に基づいて、前記電圧振幅測定手段による電圧振幅の測定を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項８】
タイマーからの入射角度決定指示信号に基づいて、前記電圧振幅測定手段による電圧振幅の測定を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波流量計。
【請求項９】
超音波トランスデューサから被測定流体に入射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流量を測定する超音波流量計の流量測定方法において、
前記入射された超音波信号のうち、前記被測定流体を透過した超音波信号を受信可能な複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号の電圧振幅を測定するステップと、
この測定された複数の電圧振幅に基づいて前記入射された超音波信号の入射角度を決定するステップと、
この決定された入射角度に基づいて前記流量を演算するステップと、
を備えたことを特徴とする超音波流量計の流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計および流量測定方法に関し、特に、流量測定精度の向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化学プラントなどで行われる流量制御で用いられる流量計として、超音波流量計が一般に知られている。超音波流量計の測定原理には、被測定流体中を浮遊する超音波反射体によって反射された超音波信号に基づいて、被測定流体の流量を測定するもの（パルスドップラー法、反射相関法など）が知られている。以下に、パルスドップラー法を用いた超音波流量計１０について図９を用いて説明する。
【０００３】
図９は、超音波流量計１０の構成図である。図９において、まず、超音波流量計１０の送受信切換手段７０は、制御手段１８０からの切換制御信号に応じて「送信側」に切り換える。
【０００４】
そして、発振手段８０は、制御手段１８０からの発振制御信号に応じて、正弦波電気信号を送信超音波増幅手段９０へ出力する。送信超音波増幅手段９０は、正弦波電気信号を増幅し、送受信切換手段７０を介して超音波トランスデューサ２０に、増幅された正弦波電気信号を出力する。超音波トランスデューサ２０は、増幅された正弦波電気信号を超音波信号に変換し、楔３０および測定管４０を介して被測定流体５０に、超音波信号ＴＡを入射する。
【０００５】
被測定流体５０の中を浮遊する超音波反射体６０は、管軸方向の矢印で表された流速Ｖで流れている。超音波反射体６０の流れは、被測定流体５０の流れに伴っているので、流速Ｖは被測定流体５０の流速と等しい。なお、超音波反射体６０の例として、気泡、パーティクルなどがある。
【０００６】
そして、入射された超音波信号ＴＡは超音波反射体６０によって反射される。超音波トランスデューサ２０は、反射された超音波信号ＲＡを受信して電気信号に変換し、この反射超音波電気信号を送受信切換手段７０へ出力する。なお、超音波トランスデューサ２０が受信する前に、送受信切換手段７０は、制御手段１８０からの切換制御信号に応じて「受信側」に切り換える。
【０００７】
反射超音波増幅手段１００は、送受信切換手段７０を介して入力された反射超音波電気信号を増幅して、増幅された反射超音波電気信号をＡＤ変換（アナログ／デジタル変換）手段１１０に出力する。
【０００８】
ＡＤ変換手段１１０は、反射超音波電気信号をデジタル値に変換する。流速演算手段１３０は、デジタル値を受け取り、このデジタル値を用いてドップラー周波数ｆｂを演算する。なお、ドップラー周波数ｆｂは、入射された超音波信号ＴＡの周波数ｆｔと反射された超音波信号ＲＡの周波数ｆｒとの差の絶対値である。
【０００９】
流速演算手段１３０は、ドップラー周波数ｆｂ、入射された超音波信号ＴＡの周波数ｆｔ、被測定流体５０内の音速Ｃおよび擬似入射角度ＫＳを用いて、流速Ｖを下記式（１）により演算する。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
ここで、超音波信号の被測定流体５０への入射角度について説明する。実際に入射された超音波信号ＴＡと被測定流体５０の流速Ｖとによって形成される角度をＫＡとする（以下において、「実際の入射角度ＫＡ」という）。
【００１２】
一方、スネルの法則を用い作図により求めた超音波信号ＴＳ（点線）と被測定流体５０の流速Ｖとによって形成される角度をＫＳとする（以下において、「擬似入射角度ＫＳ」という）。
【００１３】
なお、式（１）の演算において実際の入射角度ＫＡを用いれば、実際の流速Ｖを正確に求めることができる。しかし、実際の入射角度ＫＡではなく、擬似入射角度ＫＳを用いるのはつぎの理由による。実際の入射角度ＫＡは、超音波トランスデューサ２０が取り付けられる測定管４０の材質、測定管外径Ｄおよび測定管厚ｔ並びに入射超音波信号ＴＡの周波数ｆｔおよび被測定流体５０内の音速Ｃによって変化する。実際に取り付けられる個々の測定管に応じて実際の入射角度ＫＡを求めるのは煩雑となるため、簡便のために擬似入射角度ＫＳ（定数）を用いて流速Ｖを求めている。
【００１４】
そして、流速演算手段１３０は、測定管４０内の流速分布を演算し、流速分布を用いて被測定流体５０の平均流速を演算する。流量演算手段１４０は、平均流速を受け取り、平均流速に測定管内径を乗算して平均流量を演算する。出力手段１５０、通信手段１６０および表示手段１７０は、平均流量を受け取って出力、通信および表示を行う。
【００１５】
なお、特許文献１にはドップラー式超音波流量計、特許文献２には超音波の入射角度の算出について記載されている。
【００１６】
【特許文献１】特開平６−２９４６７０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０８９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、式（１）の演算は、実際の入射角度ＫＡではなく、擬似入射角度ＫＳを用いている。実際の入射角度ＫＡは、前述したように、超音波トランスデューサ２０が取り付けられる測定管４０の測定管厚ｔなどによって変化するため、擬似入射角度ＫＳ（定数）と一致しないことがある。例えば、測定管厚ｔが厚くなることによって生じる共鳴透過現象のために、実際の入射角度ＫＡは擬似入射角度ＫＳと一致しない。このため、実際の流速Ｖと式（１）で演算された流速Ｖとの間に誤差が生じ、流量測定精度が悪化することがある。
【００１８】
本発明の目的は、実際の入射角度ＫＡにほぼ一致する入射角度を演算し、この入射角度を用いて、より正確な流速Ｖおよび流量を演算することによって、流量測定精度が向上した超音波流量計および流量測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
超音波トランスデューサから被測定流体に入射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流量を測定する超音波流量計において、
前記入射された超音波信号のうち、前記被測定流体を透過した超音波信号を受信可能な複数の透過超音波トランスデューサと、
この複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号の電圧振幅を測定する少なくとも一つの電圧振幅測定手段と、
この電圧振幅測定手段によって測定された複数の電圧振幅に基づいて前記入射された超音波信号の入射角度を決定する入射角度決定手段と、
この入射角度決定手段によって決定された入射角度に基づいて前記流量を演算する流速流量演算手段と、
を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記超音波トランスデューサから前記透過超音波トランスデューサに超音波信号が入射された場合の入射角度と、この入射角度に対応付けられた前記透過超音波トランスデューサの識別情報とを記憶した記憶手段を有し、
前記入射角度決定手段は、
前記電圧振幅測定手段によって測定された複数の電圧振幅のうち最大電圧振幅を判別し、この最大電圧振幅を有する前記透過超音波トランスデューサの識別情報を得る識別情報取得手段と、
この識別情報取得手段によって得られた識別情報に対応する前記記憶手段の入射角度を得る入射角度取得手段とを備えた、
ことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記超音波トランスデューサから前記透過超音波トランスデューサに超音波信号が入射された場合の入射角度と、この入射角度に対応付けられた前記透過超音波トランスデューサの識別情報とを記憶した記憶手段を有し、
前記入射角度決定手段は、
前記電圧振幅測定手段によって測定された電圧振幅を有する前記透過超音波トランスデューサの識別情報を得て、得られた識別情報に対応する前記記憶手段の入射角度と前記電圧振幅との近似曲線を生成する近似曲線生成手段と、
この近似曲線生成手段によって生成された近似曲線で最大電圧振幅となる入射角度を算出する入射角度算出手段とを備えた、
ことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、
前記流速流量演算手段は、前記入射角度決定手段によって決定された入射角度を用いて前記被測定流体の流速を演算し、この演算された流速を用いて前記流量を演算する、
ことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、
前記流速流量演算手段は、擬似入射角度を用いて演算された前記被測定流体の流速と前記入射角度決定手段によって決定された入射角度とを用いて前記流量を演算する、
ことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、
前記複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号のいずれか一つを選択する選択手段を備え、
前記電圧振幅測定手段は、前記選択手段で選択された超音波信号の電圧振幅を、一つの電圧振幅測定手段によって測定する、
ことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、
外部から入力された入射角度決定指示信号に基づいて、前記電圧振幅測定手段による電圧振幅の測定を開始することを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、
タイマーからの入射角度決定指示信号に基づいて、前記電圧振幅測定手段による電圧振幅の測定を開始することを特徴とする。
請求項９の発明は、
超音波トランスデューサから被測定流体に入射された超音波信号に基づいて前記被測定流体の流量を測定する超音波流量計の流量測定方法において、
前記入射された超音波信号のうち、前記被測定流体を透過した超音波信号を受信可能な複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号の電圧振幅を測定するステップと、
この測定された複数の電圧振幅に基づいて前記入射された超音波信号の入射角度を決定するステップと、
この決定された入射角度に基づいて前記流量を演算するステップと、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複数の透過超音波トランスデューサによって受信された超音波信号の電圧振幅に基づいて、実際の入射角度ＫＡにほぼ一致する入射角度を演算し、この入射角度を用いて、より正確な流速Ｖおよび流量を演算することによって、超音波流量計および流量測定方法の流量測定精度の向上が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
［第１の実施例］
本発明の実施形態の一例を図１を用いて説明する。図１は、超音波流量計３００の構成図であり、図９と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００２２】
図１において、超音波流量計３００は、正弦波電気信号を送信超音波増幅手段９０へ出力する発振手段８０、正弦波電気信号を増幅し送受信切換手段７０を介して超音波トランスデューサ２０へ出力する送信超音波増幅手段９０、増幅された正弦波電気信号を超音波信号に変換し被測定流体５０に入射するとともに、超音波反射体によって反射された超音波信号を受信し電気信号に変換する超音波トランスデューサ２０、超音波トランスデューサ２０からの反射超音波電気信号を送受信切換手段７０を介して受け取り増幅する反射超音波増幅手段１００、増幅された反射超音波電気信号を反射超音波増幅手段１００から受け取りＡＤ変換するＡＤ変換手段１１０を備えている。
【００２３】
さらに、超音波流量計３００は、超音波トランスデューサ２０から被測定流体５０に入射され透過した超音波信号ＴＡ（以下、「透過超音波信号ＴＡ」という）を受信し電気信号に変換する複数（４つ）の透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４、複数の透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４からの透過超音波電気信号を受け取り、いずれか一つを選択し透過超音波増幅手段３３０に出力する選択手段３２０、選択された透過超音波電気信号を増幅する透過超音波増幅手段３３０、透過超音波増幅手段３３０から受け取った増幅後の透過超音波電気信号の電圧振幅を測定する電圧振幅測定手段３４０、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４の識別情報とこれに対応付けられた入射角度（識別情報／入射角度対応テーブル４１０）を記憶する記憶手段４００、電圧振幅測定手段３４０によって測定された複数の電圧振幅と識別情報／入射角度対応テーブル４１０のデータとから入射角度を決定する入射角度決定手段３７０、入射角度決定手段３７０によって決定された決定入射角度ＫＤを受け取り、決定入射角度ＫＤとＡＤ変換手段１１０のＡＤ変換値などを用いて被測定流体５０の流速および流量を演算する流速流量演算手段４４０、流速流量演算手段４４０から流量を受け取って外部へ出力、通信、表示する出力手段１５０、通信手段１６０、表示手段１７０、前述した各手段を制御する制御手段４９０、入射角度決定指示信号ＳＴ１、ＳＴ２を制御手段４９０へ出力する入力手段４７０、タイマー４８０を備えている。
【００２４】
また、電圧振幅測定手段３４０は、電圧振幅を検出する電圧振幅検出手段３５０と、ＡＤ変換を行うＡＤ変換手段３６０を備えている。入射角度決定手段３７０は、最大電圧振幅を有する透過超音波トランスデューサの識別情報を取得する識別情報取得手段３８０と、識別情報／入射角度対応テーブル４１０に記憶された入射角度を得る入射角度取得手段３９０を備えている。流速流量演算手段４４０は、流速を演算する流速演算手段４５０と、流量を演算する流量演算手段４６０を備えている。
【００２５】
また、複数の透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４は、透過超音波信号ＴＡを受信可能なように、測定管４０の外周に設置する。例えば、複数の透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４は、超音波トランスデューサ２０の反対側であって、透過超音波信号ＴＡが到達する近辺の測定管４０の外周に、管軸方向に並べて設置する。
【００２６】
なお、図１において、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４は左から、符号ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４とする。以下、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４の識別情報は、これらの符号とする。
【００２７】
つぎに、超音波信号の入射角度について説明する。実際の入射角度ＫＡは、透過超音波信号ＴＡと被測定流体５０の流速Ｖとによって形成される角度である。
【００２８】
また、超音波トランスデューサ２０から透過超音波トランスデューサＴＤ１に入射される超音波信号Ｔ１（点線）と、被測定流体５０の流速Ｖとによって形成される角度を入射角度Ｋ１とする。図示していないが、同様に、透過超音波トランスデューサＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４に入射される超音波信号と、被測定流体５０の流速Ｖとによって形成される角度を入射角度Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４とする。
【００２９】
例えば、入射角度Ｋ１は、超音波信号Ｔ１の周波数ｆｔおよび被測定流体５０内の音速Ｃを考慮に入れて、超音波トランスデューサ２０が実際に取り付けられる測定管４０の材質、測定管外径Ｄおよび測定管厚ｔを基に、作図によって求めることができる。
【００３０】
識別情報ＴＤ１〜ＴＤ４と入射角度Ｋ１〜Ｋ４に関し、記憶手段４００に記憶されている識別情報／入射角度対応テーブル４１０のデータ構成について、図２を用いて説明する。図２において、識別情報／入射角度対応テーブル４１０には予め、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４の識別情報（ＴＤ１〜ＴＤ４）４２０と、前述した作図によって求めた入射角度（Ｋ１〜Ｋ４）４３０とを、それぞれ対応付けて記憶させる。
【００３１】
つぎに、電圧振幅測定処理および入射角度決定処理について、図３に表したフローチャート図を用いて説明する。図３において、電圧振幅測定処理ＳＡ１はステップＳ１０〜Ｓ７０、入射角度決定処理ＳＡ２はステップＳ８０〜Ｓ１２０から構成される。
【００３２】
まず、制御手段４９０は、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４を選択するための選択番号ｎに「１」を設定し（ステップＳ１０）、例えば記憶手段４００に記憶させる。
【００３３】
そして、選択手段３２０は、制御手段４９０からの選択制御信号に応じて、選択番号ｎ（「１」）に対応するＣＨ１を選択する（ステップＳ２０）。これによって、透過超音波トランスデューサＴＤ１と透過超音波増幅手段３３０とが接続される。なお、選択手段３２０で選択される接点は４つあり、左からＣＨ１〜ＣＨ４とする。
【００３４】
そして、超音波トランスデューサ２０から被測定流体５０に透過超音波信号ＴＡが入射される（ステップＳ３０）。
【００３５】
そして、透過超音波トランスデューサＴＤ１は、受信した超音波信号を透過超音波電気信号に変換して、選択手段３２０を介して透過超音波増幅手段３３０に出力する。透過超音波増幅手段３３０は、透過超音波電気信号を増幅し、電圧振幅検出手段３５０に出力する。電圧振幅検出手段３５０は、例えば整流回路および平滑回路から構成され、増幅された透過超音波電気信号の電圧振幅に等しい直流電圧をＡＤ変換手段３６０に出力する。ＡＤ変換手段３６０は、ＡＤ変換によって、電圧振幅のデジタル値を得る（ステップＳ４０）。なお、透過超音波増幅手段３３０は、透過超音波電気信号を増幅しないで、インピーダンス変換を行ってもよい。
【００３６】
そして、ＡＤ変換手段３６０は、制御手段４９０からの転送制御信号に応じて、透過超音波トランスデューサＴＤ１によって受信された超音波信号（増幅された透過超音波電気信号）の電圧振幅のデジタル値を、記憶手段４００の電圧振幅４３２に記憶させる。これとともに、制御手段４９０は、電圧振幅４３２と対応付けて、現在選択している透過超音波トランスデューサＴＤ１の識別情報ＴＤ１を、記憶手段４００の識別情報４３１に記憶させる（ステップＳ５０）。
【００３７】
そして、制御手段４９０は、選択番号ｎに「１」を加算して、「２」とする（ステップＳ６０）。そして、制御手段４９０は、選択番号ｎが「４」を超えているか否かを判別して、超えていなければ（ステップＳ７０の「いいえ」）、ステップＳ２０から繰り返す。選択手段３２０のＣＨ２が選択され（ステップＳ２０）、透過超音波トランスデューサＴＤ２について同様の処理が行われる。
【００３８】
そして、ステップＳ２０〜Ｓ７０が４回（ＣＨ１〜ＣＨ４）繰り返される。これによって、識別情報４３１と電圧振幅４３２には、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４によって受信された超音波信号の電圧振幅（以下、「ＡＭＰＤ１〜ＡＭＰＤ４」という）と、これに対応する識別情報ＴＤ１〜ＴＤ４とが記憶される。即ち、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４は、受信した超音波信号の電圧振幅として、ＡＭＰＤ１〜ＡＭＰＤ４を有する。以上をもって、電圧振幅測定処理ＳＡ１が終了する。
【００３９】
なお、電圧振幅検出手段３５０を使用しないで、透過超音波増幅手段３３０の出力がＡＤ変換手段３６０に入力されてもよい。この場合、ＡＤ変換手段３６０は、所定周期のサンプリングでＡＤ変換されたデジタル値を比較して、最も大きいデジタル値を電圧振幅として電圧振幅４３２に記憶してもよい。
【００４０】
そして、選択番号ｎが「４」を超えていれば（ステップＳ７０の「はい」）、ステップＳ８０に進む。識別情報取得手段３８０は、識別情報４３１および電圧振幅４３２から記憶情報を受け取る。そして、識別情報取得手段３８０は、電圧振幅ＡＭＰＤ１とＡＭＰＤ２とを比較して、大きい方の電圧振幅を一時的に、その識別情報とともに最大電圧振幅４３３に記憶させる（ステップＳ８０）。
【００４１】
そして、識別情報取得手段３８０は、一時的に記憶された最大電圧振幅４３３とＡＭＰＤ３とを比較して、大きい方の電圧振幅を一時的に、その識別情報とともに最大電圧振幅４３３に記憶させる（ステップＳ９０）。
【００４２】
そして、識別情報取得手段３８０は、一時的に記憶された最大電圧振幅４３３とＡＭＰＤ４とを比較して、大きい方の電圧振幅を最終的に、その識別情報とともに最大電圧振幅４３３に記憶させる（ステップＳ１００）。
【００４３】
そして、識別情報取得手段３８０は、最大電圧振幅４３３から、最終的に記憶された最大電圧振幅を有する透過超音波トランスデューサの識別情報（ＴＤ１〜ＴＤ４のいずれか）を、最大振幅識別情報３８１に得る（ステップＳ１１０）。
【００４４】
そして、入射角度取得手段３９０は、最大振幅識別情報３８１を受け取る。入射角度取得手段３９０は、識別情報／入射角度対応テーブル４１０から、最大振幅識別情報と等しい識別情報４２０に対応付けられた入射角度４３０（以下、決定入射角度ＫＤという）を得る（ステップＳ１２０）。以上をもって、入射角度決定処理ＳＡ２が終了する。
【００４５】
ここで、実際に透過超音波信号ＴＡが、透過超音波トランスデューサＴＤ３とＴＤ４との間であって、ＴＤ３寄りに入射された場合について説明する。この場合、透過超音波トランスデューサＴＤ３によって受信された超音波信号の電圧振幅ＡＭＰＤ３の方が、透過超音波トランスデューサＴＤ４によって受信された超音波信号の電圧振幅ＡＭＰＤ４より大きい。また、透過超音波トランスデューサＴＤ１は、透過超音波トランスデューサＴＤ２よりも透過超音波信号ＴＡから離れているため、電圧振幅ＡＭＰＤ２の方が電圧振幅ＡＭＰＤ１より大きい。よって、電圧振幅の大小関係は、ＡＭＰＤ３＞ＡＭＰＤ４＞ＡＭＰＤ２＞ＡＭＰＤ１となる。
【００４６】
このため、最大電圧振幅４３３はＡＭＰＤ３となり、最大振幅識別情報３８１はＴＤ３となる。そして、決定入射角度ＫＤは、ＴＤ３に対応付けられた入射角度Ｋ３であり（図２）、実際の入射角度ＫＡにほぼ一致する。
【００４７】
また、電圧振幅測定処理ＳＡ１は、ユーザーなどによって外部から入力される入力角度決定指示信号ＳＴ１によって開始されてもよい。図１において、入力角度決定指示信号ＳＴ１は、入力手段４７０（接点スイッチなど）を介して制御手段４９０に入力される。そして、制御手段４９０は、入力角度決定指示信号ＳＴ１に応じて、図３のステップＳ１０を開始させる。入力角度決定指示信号ＳＴ１は、通信手段１６０を介して制御手段４９０に入力されてもよい。
【００４８】
また、電圧振幅測定処理ＳＡ１は、図１のタイマー４８０から所定周期で、制御手段４９０に入力される入力角度決定指示信号ＳＴ２によって開始されてもよい。制御手段４９０は、入力角度決定指示信号ＳＴ２に応じて、図３のステップＳ１０を開始させる。タイマー４８０の所定周期は、制御手段４９０によって変更可能である。
【００４９】
なお、図１において、他の構成例として、選択手段３２０を使用しないで、透過超音波増幅手段３３０と電圧振幅測定手段３４０とを４つ独立に設ける。そして、透過超音波増幅手段３３０が独立に透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４に接続され、電圧振幅測定が可能となる。
【００５０】
つぎに、流速流量演算処理について、図４に表したフローチャート図を用いて説明する。図４において、まず送受信切換手段７０は、制御手段４９０からの切換制御信号に応じて「送信側」に切り換える（ステップＳ２００）。
【００５１】
そして、発振手段８０は、制御手段４９０からの発振制御信号に応じて、正弦波電気信号を、送信超音波増幅手段９０および送受信切換手段７０を介して超音波トランスデューサ２０に出力する。超音波トランスデューサ２０は、増幅された正弦波電気信号を超音波信号に変換し、楔３０および測定管４０を介して被測定流体５０に、超音波信号ＴＡを入射する（ステップＳ２１０）。
【００５２】
そして、送受信切換手段７０は、制御手段４９０からの切換制御信号に応じて「受信側」に切り換える（ステップＳ２２０）。
【００５３】
そして、超音波トランスデューサ２０は、超音波反射体（図示省略）によって反射された超音波信号を受信し、電気信号（反射超音波電気信号）に変換して、反射超音波増幅手段１００を介してＡＤ変換手段１１０に出力する。ＡＤ変換手段１１０は、増幅された反射超音波電気信号をＡＤ変換する（ステップＳ２３０）。
【００５４】
そして、流速演算手段４５０は、ＡＤ変換されたデジタル値を受け取り、このデジタル値を用いてドップラー周波数ｆｂを演算する（ステップＳ２４０）。
【００５５】
そして、流速演算手段４５０は、ドップラー周波数ｆｂ、入射された超音波信号ＴＡの周波数ｆｔ、被測定流体５０内の音速Ｃおよび入射角度決定手段３７０によって決定された決定入射角度ＫＤを用いて、流速Ｖを下記式（２）により演算する（ステップ２５０）。
【００５６】
【数２】
2009236646.tif 000004
【００５７】
そして、流速演算手段４５０は、流速Ｖを用いて測定管４０内の流速分布を演算し、流速分布から被測定流体５０の平均流速を演算する（ステップＳ２６０）。そして、流量演算手段４６０は、平均流速を受け取り、平均流速に測定管内径を乗算して平均流量を演算する（ステップＳ２７０）。これによって、平均流量は、決定入射角度ＫＤを用いて演算された流速Ｖを用いて演算される。
【００５８】
つぎに、流速流量演算処理の他の例について、図５に表したフローチャート図を用いて説明する。図５において、ステップＳ３００〜Ｓ３４０は、図４のステップＳ２００〜Ｓ２４０と同じである。
【００５９】
そして、流速演算手段４５０は、擬似入射角度ＫＳなどを用いて、前述した式（１）により流速Ｖを演算する（ステップＳ３５０）。
【００６０】
そして、流速演算手段４５０は、流速Ｖを用いて測定管４０内の流速分布を演算し、流速分布から被測定流体５０の平均流速を演算する（ステップＳ３６０）。
【００６１】
そして、流量演算手段４６０は、平均流速を受け取り、平均流速に測定管内径とｓｉｎ（ＫＤ）／ｓｉｎ（ＫＳ）とを乗算した平均流量を演算する（ステップＳ３７０）。これによって、平均流量は、擬似入射角度ＫＳを用いて演算された流速Ｖと、決定入射角度ＫＤとを用いて演算される。
【００６２】
なお、流速流量演算処理（図４、５）は、電圧振幅測定処理／入射角度決定処理（図３）と異なるタイミングで実施しても、電圧振幅測定処理／入射角度決定処理に続けて実施してもよい。
【００６３】
本実施例によれば、実際の入射角度ＫＡにほぼ一致する決定入射角度ＫＤを演算し、この入射角度を用いて、より正確な流速Ｖおよび流量を演算することによって、超音波流量計および流量測定方法の流量測定精度の向上が実現できる。
【００６４】
また、周囲温度の変化に伴い、超音波信号ＴＡの周波数ｆｔおよび被測定流体５０内の音速Ｃが変化することによって、実際の入射角度ＫＡが変化する。決定入射角度ＫＤを演算した後に周囲温度が変化した場合、実際の入射角度ＫＡと決定入射角度ＫＤとの差が大きくなり、流速Ｖの誤差が大きくなることがある。このとき、ユーザーなどは、周囲温度が変化した後、外部から入力角度決定指示信号ＳＴ１を入力して、決定入射角度ＫＤを演算させる。これによって、決定入射角度ＫＤは実際の入射角度ＫＡにほぼ一致して、流量測定精度の向上を実現できる。
【００６５】
また、ユーザーなどからの入力角度決定指示信号ＳＴ１を必要とすることなく、タイマー４８０からの入力角度決定指示信号ＳＴ２によって、周期的に決定入射角度ＫＤを演算し、流量測定精度の向上を実現できる。
【００６６】
また、選択手段３２０を使用して、一つの電圧振幅測定手段３４０により電圧振幅測定をすることによって、電圧振幅測定手段３４０を実現する電気回路のコスト、配置スペースを低減できる。
【００６７】
また、図４に示したように、決定入射角度ＫＤを用いて流速Ｖを演算する（ステップＳ２５０）ことによって、より正確な流速分布の演算および流量測定精度の向上が実現できる。
【００６８】
また、図５に示したように、決定入射角度ＫＤは、平均流量の演算（ステップＳ３７０）で用いており、流速Ｖの演算（ステップＳ３５０）で用いていない。ここで、流速Ｖの演算は、背景技術で示した式（１）と同じである。このため、流速Ｖの演算が、ＣＰＵなどのプロセッサおよびプログラムによって実行される場合、式（１）を実行するプログラムが再利用でき、プログラム開発工数が低減できる。
【００６９】
［第２の実施例］
本発明の実施形態の他の例を図６を用いて説明する。図６は、超音波流量計６００の構成図であり、図１と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。以下、第１の実施例との相違点について説明する。
【００７０】
図６において、第１の実施例との相違点は、入射角度決定手段６１０の構成および動作である。入射角度決定手段６１０は、記憶手段４００の記憶情報に基づいて入射角度と電圧振幅との近似曲線を生成する近似曲線生成手段６２０と、近似曲線で最大電圧振幅となる入射角度（決定入射角度ＫＤ）を算出する入射角度算出手段６３０を備えている。
【００７１】
つぎに、電圧振幅測定処理および入射角度決定処理について、図７に表したフローチャート図を用いて説明する。図７において、電圧振幅測定処理ＳＢ１はステップＳ４００〜Ｓ４６０、入射角度決定処理ＳＢ２はステップＳ４７０〜Ｓ５００から構成される。
【００７２】
ステップＳ４００〜Ｓ４６０は、図３のステップＳ１０〜Ｓ７０と同じなので説明を省略する。
【００７３】
まず、近似曲線生成手段６２０は、電圧振幅４３２に記憶された電圧振幅ＡＭＰＤ１〜ＡＭＰＤ４および識別情報４３１に記憶された透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４の識別情報（ＴＤ１〜ＴＤ４）を得る（ステップＳ４７０）。
【００７４】
そして、近似曲線生成手段６２０は、識別情報／入射角度対応テーブル４１０から、得られた識別情報ＴＤ１〜ＴＤ４と等しい識別情報４２０に対応付けられた入射角度４３０を得る（ステップＳ４８０）。例えば、識別情報ＴＤ１〜ＴＤ４に対し、入射角度Ｋ１〜Ｋ４が得られる（図２参照）。
【００７５】
そして、近似曲線生成手段６２０は、入射角度Ｋ１〜Ｋ４と電圧振幅ＡＭＰＤ１〜ＡＭＰＤ４との近似曲線ＡＰを生成する（ステップＳ４９０）。
【００７６】
ここで、近似曲線ＡＰについて、近似曲線を描いた図８のグラフを用いて説明する。図８の横軸は入射角度（カッコ内は識別情報）、縦軸は電圧振幅である。
【００７７】
第１の実施例と同様に、実際に透過超音波信号ＴＡが、透過超音波トランスデューサＴＤ３とＴＤ４との間であって、ＴＤ３寄りに入射された場合について説明する。この場合、電圧振幅の大小関係は、ＡＭＰＤ３＞ＡＭＰＤ４＞ＡＭＰＤ２＞ＡＭＰＤ１となる。
【００７８】
図８において、横軸の入射角度Ｋ１〜Ｋ４と、これに対応する電圧振幅ＡＭＰＤ１〜ＡＭＰＤ４との交点がプロット（四角の記号）される。なお、入射角度Ｋ１〜Ｋ４の大小関係は、Ｋ４＜Ｋ３＜Ｋ２＜Ｋ１である。そして、近似曲線生成手段６２０は、入射角度Ｋ１〜Ｋ４と電圧振幅ＡＭＰＤ１〜ＡＭＰＤ４との近似曲線ＡＰを、ガウス曲線、最小自乗法または補間（スプライン補間など）などによって生成する。
【００７９】
図７に戻り、入射角度算出手段６３０は、近似曲線ＡＰの入射角度データと電圧振幅データとを受け取り、近似曲線ＡＰで最大電圧振幅となる入射角度を算出する（ステップＳ５００）。例えば、図８において、入射角度算出手段６３０は、近似曲線ＡＰで最大電圧振幅Ｖｍａｘとなる入射角度を算出し、この入射角度が、決定入射角度ＫＤとして流速流量演算手段４４０に出力される。
【００８０】
本実施例によれば、近似曲線ＡＰを用いるため、入射角度決定手段３７０（第１の実施例）で演算された決定入射角度ＫＤよりも、実際の入射角度ＫＡに近い決定入射角度ＫＤが演算でき、さらに正確な流速および流量の演算並びに流量測定精度の向上が実現できる。
【００８１】
なお、図３、４、５、７の各ステップによって、超音波流量計の流量測定方法が実現できる。
【００８２】
また、第１および第２の実施例において、透過超音波トランスデューサＴＤ１〜ＴＤ４は、４つに限定されず複数個を有すればよい。また、流量の測定原理は、パルスドップラー法のほか、反射相関法などを用いてもよい。
【００８３】
また、一つの超音波トランスデューサ２０によって、超音波信号の送信および受信の両方が可能であるが、送信トランスデューサと受信トランスデューサとは別々に設けられてもよい。
【００８４】
また、第１および第２の実施例において、例えば各手段は、プログラムを実行するＣＰＵなどのプロセッサによって実現されてもよく、論理回路などによって実現されてもよい。
【００８５】
なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。また、前述した各部の組み合わせ以外の組み合わせを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明を適用した超音波流量計の構成図の例である。
【図２】識別情報／入射角度対応テーブルのデータ構成図の例である。
【図３】電圧振幅測定処理および入射角度決定処理のフローチャート図の例である。
【図４】流速流量演算処理のフローチャート図の例である。
【図５】流速流量演算処理のフローチャート図の他の例である。
【図６】本発明を適用した超音波流量計の構成図の他の例である。
【図７】電圧振幅測定処理および入射角度決定処理のフローチャート図の他の例である。
【図８】近似曲線を表したグラフの例である。
【図９】背景技術で示した超音波流量計の構成図の例である。
【符号の説明】
【００８７】
２０  超音波トランスデューサ
４０  測定管
５０  被測定流体
６０  超音波反射体
３００、６００  超音波流量計
３２０  選択手段
３４０  電圧振幅測定手段
３７０、６１０  入射角度決定手段
３８０  識別情報取得手段
３９０  入射角度取得手段
４００  記憶手段
４１０  識別情報／入射角度対応テーブル
４４０  流速流量演算手段
４５０  流速演算手段
４６０  流量演算手段
４７０  入力手段
４８０  タイマー
６２０  近似曲線生成手段
６３０  入射角度算出手段
ＳＴ１、ＳＴ２  入射角度決定指示信号
ＴＤ１〜ＴＤ４  透過超音波トランスデューサ
【図１】
2009236646.tif 000005
【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】
2009236646.tif 000010
【図７】
2009236646.tif 000011
【図８】
2009236646.tif 000012
【図９】
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