(57)【要約】【課題】  一定の検出精度を確保し、かつ低電力消費化を実現した超音波流量計を提供する。【解決手段】  超音波流量計１であって、流体ＧＦが流通する流路３内の上流側と下流側に一対の超音波送受信素子２ａ，２ｂを設けられるとともに、所定の流量計測期間Ｔにおいて測定用超音波の送出を繰り返し、その測定用超音波を受信する毎に、次回送出される測定用超音波がそれら一対の超音波送受信素子２ａ，２ｂ間で予め決められたロック波数になるようその発振周波数を制御して、流量計測期間Ｔ内に制御されたその発振周波数を基に流速および流量を求める。流量計測期間Ｔにおける各測定用超音波の送出時間間隔は、計測開始側よりも計測終了側の方が短くなるように予め定められている。【選択図】図２
2009250762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
前記流路形成部に対し前記被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が前記被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々前記測定用超音波を送出可能な対をなす超音波送受信素子と、
１度の流量計測に際して予め定められた流量計測期間が設定され、当該流量計測期間内において、各前記超音波送受信素子に対し前記測定用超音波を繰り返し送出させるとともに、少なくとも一方の前記超音波送受信素子の送出時間間隔が、計測開始側よりも計測終了側の方が短くなる予め定められた計測終了側送出増型の時間間隔に定めている出力タイミング制御手段と、
前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する前記超音波送受信素子により送信された前記測定用超音波を他方の前記超音波送受信素子が受信する毎に、当該測定用超音波の送信から受信までに要した超音波伝播時間と、当該測定用超音波の発信周波数にて予め決められたロック波数の出力が完了するまでに要するロック波数出力時間とを比較してそれら双方の時間が一致するように、次回に送出される前記測定用超音波の発信周波数の制御を実行する周波数制御手段と、
前記流量計測期間内においてそれぞれの前記周波数制御手段により周波数制御された発信周波数に基づいて、前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記出力制御手段は、前記計測終了側送出増型の時間間隔として、前記流量計測期間内の前記計測開始側から前記計測終了側に向かうにつれて、前記測定用超音波を送出する時間間隔が減じられる時間間隔が定められている請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記出力制御手段は、少なくとも前記流量計測期間の前記計測開始側において、前記計測終了側送出増型の時間間隔を、当該時間間隔に従い順次送信された前記測定用超音波のうち初回の受信波の受信タイミングに、当該測定用超音波よりも以前に送信された測定用超音波の初回以降の残響反射波の受信タイミングが重ならないように予め定められている請求項１又は請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記出力制御手段は、少なくとも前記流量計測期間の前記計測開始側において、前記計測終了側送出増型の時間間隔を、当該時間間隔に従い順次送信された前記測定用超音波のうち初回の受信波の受信タイミングが、当該測定用超音波よりも以前に送信された測定用超音波の初回以降に到来する受信波である第ｎ次反射波（ｎは予め定められた１以上の自然数）の受信タイミングよりも後になるように予め定められている請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する前記超音波送受信素子が前回送出した前記測定用超音波の発信周波数と、前記周波数制御手段により制御された、次回送出する前記測定用超音波の発信周波数とを比較する周波数比較手段と、
比較された双方の前記発信周波数の周波数差が予め定められた低閾レベルを下回る流量安定状態であるか否かを判定する流量安定状態検出手段と、
を備え、前記出力制御手段は、前記流量計測期間の前記計測開始に際して、前記計測終了側送出増型の時間間隔を、対応する前記超音波送受信素子の送出時間間隔として初期設定する一方で、前記流量安定状態検出手段により前記流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される前記測定用超音波の送出時間間隔がそれ以前よりも長くなるよう設定を変更する送出時間間隔可変手段を備える請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する前記超音波送受信素子が前回送出した前記測定用超音波の発信周波数と、前記周波数制御手段により制御された、次回送出する前記測定用超音波の発信周波数とを比較する周波数比較手段と、
比較された双方の前記発信周波数の周波数差が予め定められた低閾レベルを下回る流量安定状態であるか否かを判定する流量安定状態検出手段と、
を備え、前記出力制御手段は、前記流量計測期間の前記計測開始に際して、前記計測終了側送出増型の時間間隔を、対応する前記超音波送受信素子の送出時間間隔として初期設定する一方で、前記流量安定状態検出手段により前記流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される前記測定用超音波の送出回数をそれ以前よりも少なくなるよう設定を変更する送出回数可変手段を備える請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、少なくとも前記流量計測期間の間、対応する前記超音波送受信素子の前記発信周波数の計測用クロック信号を継続出力するクロック信号出力手段を備え、
前記流量算出手段は、前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに対応する前記計測用クロック信号のクロック数をカウントするカウント手段を備え、前記流量計測期間内においてカウントされた、前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応する前記クロック数の総数に基づいて、前記被測定流体の流量を算出するものである請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項８】
前記カウント手段は、前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応する前記クロック数をカウントするカウンタを有して構成され、前記流量算出手段は、前記流量計測期間の計測開始に際して双方のカウント値をリセットする一方で、前記流量計測期間の計測終了に伴い双方の前記カウント値を同時に記憶保持し、記憶保持された双方の前記カウント値に基づいて、前記被測定流体の流量を算出するものである請求項７に記載の超音波流量計。
【請求項９】
前記流量計測期間が１秒の整数倍の時間にて定められている請求項７又は請求項８に記載の超音波流量計。
【請求項１０】
超音波流量計自身に定められる計測可能最小流量を計測した際に一方の前記超音波送受信素子の発信周波数と他方の前記超音波送受信素子の発信周波数との差が１Ｈｚ以上の差として表れるように、対をなす双方の前記超音波送受信素子の発信周波数レベルが定められている請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項１１】
各前記超音波送受信素子の発信周波数が、それら各超音波送受信素子自身の共振周波数よりも高い周波数とされている請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項１２】
前記対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する前記超音波送受信素子が前回送出した前記測定用超音波の発信周波数と、前記周波数制御手段により制御された、次回送出する前記測定用超音波の発信周波数とを比較する周波数比較手段と、
比較された双方の前記発信周波数の周波数差が予め定められた高閾レベルを上回る流量急変状態であるか否かを判定する流量急変状態検出手段と、
を備え、前記周波数制御手段は、自身に設定する周波数制御モードを、前記流量急変状態が検出されなかった場合には通常モードに設定する一方で、前記流量急変状態が検出された場合には、前記通常モードよりもすばやく前記周波数差に対し発信周波数を追従させる周波数制御を実行する追従性優先モードに設定するモード切替手段を備える請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項１３】
前記周波数制御手段はＰＬＬ回路として構成されており、前記追従性優先モードにおいて当該ＰＬＬ回路内部に設けられたループフィルタの時定数が、前記通常モードにおける時定数よりも小さくなるようにする請求項１２記載の超音波流量計。
【請求項１４】
前記出力制御手段は、前記対をなす超音波送受信素子の双方の前記送出時間間隔を、前記計測終了側送出増型の時間間隔として予め定められている請求項１ないし請求項１３のいずれか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、超音波を利用してガス、水道水等の流体の流速、流量を計測する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特公平３−３９２４６号公報
【０００３】
従来の超音波流量計の一例として、フェーズロックドループ（ＰＬＬ）を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の超音波流量計における計測原理は、例えば流路の流体流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波素子を設け、ＰＬＬにより一対の超音波素子間で超音波が予め決められた波数（以下、ロック波数という）となるように制御し、流れ方向上手側の超音波素子（以下、順方向超音波素子という）から流れ方向下手側の超音波素子（以下、逆方向超音波素子という）に向けて超音波を発射したときの送信周波数（以下、順方向送信周波数という）と、逆方向超音波素子から順方向超音波素子に向けて超音波を発射したときの送信周波数（以下、逆方向送信周波数という）とを計測し、計測された順方向送信周波数および逆方向送信周波数を基に流路を流れる流体の平均流速を求め、さらに平均流速に流路断面積を乗算することで流量を求めるというものである。
【０００４】
いま、図２に示すように、ロック波数をＮ、順方向送信周波数をｆｊ、逆方向送信周波数をｆｇ、順方向超音波素子２ａ，逆方向超音波素子２ｂ間の距離（以下、伝搬長という）をＬ、流体の流速をＶとすると、順方向超音波素子２ａから逆方向超音波素子２ｂに超音波を伝搬させたときの計測（以下、順方向計測という）で、下式（１）が得られ、逆方向超音波素子２ｂから順方向超音波素子２ａに超音波を伝搬させたときの計測（以下、逆方向計測という）で、下式（２）が得られる。
Ｌ／(Ｃ＋Ｖ)＝Ｎ／ｆｊ  →  Ｌｆｊ／Ｎ＝Ｃ＋Ｖ  ・・・（１）
Ｌ／(Ｃ−Ｖ)＝Ｎ／ｆｇ  →  Ｌｆｇ／Ｎ＝Ｃ−Ｖ  ・・・（２）
式（１）−式（２）から下式（３）が得られ、式（１）＋式（２）から下式（４）が得られる。
Ｖ＝(Ｌ／２Ｎ)×(ｆｊ−ｆｇ)  ・・・（３）
Ｃ＝(Ｌ／２Ｎ)×(ｆｊ＋ｆｇ)  ・・・（４）
【０００５】
そして、流量Ｑが、流路の断面積Ｓ、補正係数Ｈを用いて、下式（５）で求められる。
Ｑ＝Ｖ・Ｓ・Ｈ  ・・・（５）
また、前回までの積算流量ΣＱ０を用いれば、積算流量ΣＱ１は、ΣＱ１＝ΣＱ０＋Ｑで求められる。さらに、計測流体が空気であるなら、式（４）によって求められた音速Ｃから、簡易式Ｃ＝３３１．６８＋０．６１τにより、温度τが求まるので、温度τに対する補正が可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来の超音波流量計による流量計測においては、順方向超音波素子２ａから逆方向超音波素子２ｂへの超音波の伝搬時間（以下、順方向伝搬時間という）Ｔｊの計測中および逆方向超音波素子２ｂから順方向超音波素子２ａへの超音波の伝搬時間（以下、逆方向伝搬時間という）Ｔｇの計測中には、一対の超音波素子２ａ，２ｂ間で超音波パルスを連続的に送信し続けていた。このため、送信側の超音波素子は、超音波パルスを発射し続けており、この動作により多くの電力を消費するという問題点があった。電池等の限られた電源で長時間動作しなければならない超音波流量計にとっては、電力消費をできる限り抑えるために、送信側の超音波素子からの超音波パルスの出力回数Ｍを極力抑えることが望ましい。ただし、単純に出力回数Ｍを減じただけでは、流量Ｑの計測精度に問題が生じてしまうし、減じる遅延回路が複雑化すればコスト面にも問題が生ずる。
【０００７】
本発明の課題は、求められる一定以上の検出精度を確保し、かつ低電力消費化を実現した超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波流量計は、
被測定流体の流路を形成する流路形成部と、
流路形成部に対し被測定流体の流通方向において互いに異なる位置に設けられ、一方が被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波を送出可能な対をなす超音波送受信素子と、
１度の流量計測に際して予め定められた流量計測期間が定められ、当該流量計測期間内において、各超音波送受信素子に対し測定用超音波を繰り返し送出させるとともに、少なくとも一方の超音波送受信素子の送出時間間隔が、計測開始側よりも計測終了側の方が短くなる予め定められた計測終了側送出増型の時間間隔に定めている出力タイミング制御手段と、
対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する超音波送受信素子により送信された測定用超音波を他方の超音波送受信素子が受信する毎に、当該測定用超音波の送信から受信までに要した超音波伝播時間と、当該測定用超音波の発信周波数にて予め決められたロック波数の出力が完了するまでに要するロック波数出力時間とを比較してそれら双方の時間が一致するように、次回に送出される測定用超音波の発信周波数に対する周波数制御を実行する周波数制御手段と、
流量計測期間内においてそれぞれの周波数制御手段により周波数制御された発信周波数に基づいて、被測定流体の流量を算出する流量算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の構成によると、流量計測期間において出力される測定用超音波は、少なくとも計測後半において集中的に実施されれば、計測前半においてはわずかな回数でよいので、測定用超音波の出力回数を減じ、電力消費を抑制することができる。また、計測前半で比較的荒い周波数制御を行い、計測後半でより高精度の周波数のあわせ込みが行われる制御となるので、周波数制御を効率的に行うことができる。特に、流量計測期間を繰り返す形で行う流量計測において、前回の流量計測期間においてあわせ込まれた発信周波数を次回の流量計測期間における初回の発信周波数として利用するように構成するようにすれば、次回の流量計測期間における初回の発信周波数を、ある程度適切な周波数に設定することになり、結果として流量計測制度を高くすることができる。また、予め定められた時間間隔に基づいて測定用超音波が出力されるシンプルな構成となっているので、送出時間間隔の設定に複雑な制御が不要なり、低コストでの実現が可能となる。
【００１０】
なお、出力制御手段は、対をなす超音波送受信素子の双方の送出時間間隔を、計測終了側送出増型の時間間隔として予め定めておくこともできる。これにより、対をなす超音波送受信素子の双方において、測定用超音波の出力回数を減じ、電力消費を抑制することができる。
【００１１】
また、出力制御手段は、計測終了側送出増型の時間間隔として、流量計測期間内の計測開始側から計測終了側に向かうにつれて、測定用超音波を送出する時間間隔が減じられる時間間隔を定めているものとできる。この構成によると、測定用超音波の発信周波数を計測終了時に正確にあわせ込むことができる。
【００１２】
周波数制御手段は、対応する超音波送受信素子から送出された前記測定用超音波のうち対をなす他方の超音波送受信素子にて最初に受信した初回受信波に基づいて、前記超音波伝播時間を特定するものである。この構成によると、減衰の最も少ない初回受信波を使用することで、前記超音波伝播時間を高い精度で得ることができる。このとき、出力制御手段は、少なくとも流量計測期間の計測開始側において、計測終了側送出増型の時間間隔を、当該時間間隔に従い順次送信された測定用超音波のうち初回の受信波の受信タイミングに、当該測定用超音波よりも以前に送信された測定用超音波の初回以降の残響反射波の受信タイミングが重ならないように定めておくことができる。この構成によると、流量計測期間の計測開始側において、測定用超音波の初回の受信波を周波数制御に使用するとともに、残りの残響反射波が、他のタイミングで送出される測定用超音波の初回の受信波に重ならないように、測定用超音波の送出時間タイミング（送出時間間隔）が定められるので、流量計測期間の計測開始側において各初回受信波を周波数制御に使用するに際して、残響反射波の影響を確実に排除することができ、精度の高い周波数制御を実現できる。つまり、流量計測期間の計測開始側において実行される比較的荒い周波数制御において、より精度の高い周波数制御が可能となる。
【００１３】
また、この場合の出力制御手段は、少なくとも流量計測期間の計測開始側において、計測終了側送出増型の時間間隔を、当該時間間隔に従い順次送信された測定用超音波のうち初回の受信波の受信タイミングが、当該測定用超音波よりも以前に送信された測定用超音波の初回以降に到来する受信波である第ｎ次反射波（ｎは予め定められた１以上の自然数）の受信タイミングよりも後になるように予め定めておくことができる。残響反射波は反射を重ねるごとに弱まるので、その減衰が一定以上となっていることを考慮して定められた第ｎ次反射波の受信以降に、次の測定用超音波の初回受信波が受信されるようになっていれば、残響反射波による影響を確実に排除することができ、精度の高い周波数制御を実現できる。つまり、流量計測期間の計測開始側において実行される比較的荒い周波数制御において、より精度の高い周波数制御が可能となる。
【００１４】
また、本発明の超音波流量計は、対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する超音波送受信素子が前回送出した測定用超音波の発信周波数と、周波数制御手段により制御された、次回送出する測定用超音波の発信周波数とを比較する周波数比較手段と、比較された双方の発信周波数の周波数差が予め定められた低閾レベルを下回る流量安定状態であるか否かを判定する流量安定状態検出手段と、を備えて構成することができる。
【００１５】
この場合、出力制御手段は、流量計測期間の計測開始に際して、計測終了側送出増型の時間間隔を、対応する超音波送受信素子の送出時間間隔として初期設定する一方で、流量安定状態検出手段により流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される測定用超音波の送出時間間隔がそれ以前よりも長くなるよう設定を変更する送出時間間隔可変手段を備えて構成することができる。例えば、送出時間間隔可変手段は、流量安定状態検出手段により流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される測定用超音波の送出時間間隔がそれ以前よりも長くなる予め用意された送出時間間隔に設定を変更することができる。流量が安定している時には周波数制御を何度も行う必要はないから、上記構成のように測定用超音波の送出間隔を長くして出力を減じれば、無駄な電力消費を抑制することができる。
【００１６】
また、この場合の出力制御手段は、流量計測期間の計測開始に際して、計測終了側送出増型の時間間隔を、対応する超音波送受信素子の送出時間間隔として初期設定する一方で、流量安定状態検出手段により流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される測定用超音波の送出回数をそれ以前よりも少なくなるよう設定を変更する送出回数可変手段を備えて構成することもできる。例えば、送出時間間隔可変手段は、流量安定状態検出手段により流量安定状態が検出された場合に次回の送出タイミングにおける測定用超音波の送出をスキップするように設定することができる。流量が安定している時には周波数制御を何度も行う必要はないから、上記構成のように測定用超音波の送出回数を減じれば、無駄な電力消費を抑制することができる。
【００１７】
本発明は、対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、少なくとも流量計測期間の間、対応する超音波送受信素子の発信周波数の計測用クロック信号を継続出力するクロック信号出力手段を備えて構成される。対をなす超音波送受信素子は、対応するクロック信号出力手段が出力する計測用クロック信号の周波数の超音波を送出する。この場合の流量算出手段は、対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに対応する計測用クロック信号のクロック数をカウントするカウント手段を備えて構成することができ、流量計測期間内においてカウントされた、対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応するクロック数の総カウント値に基づいて、被測定流体の流量を算出するものとすることができる。この構成によると、超音波送受信素子の発信周波数ｆｊ，ｆｇがカウンタの総カウント値に反映されるので、対をなす双方の超音波送受信素子に対応する総カウント値を利用したシンプルな演算で流量算出ができる。
【００１８】
カウント手段は、対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応するクロック数をカウントするカウンタを有して構成され、流量算出手段は、流量計測期間の計測開始に際して双方のカウント値をリセットする一方で、流量計測期間の計測終了に伴い双方のカウント値を同時に記憶保持し、記憶保持された双方のカウント値に基づいて、被測定流体の流量を算出するように構成できる。流量計測期間の計測終了に伴い双方のカウント値が同時に記憶保持されるので、対をなす双方の超音波送受信素子において流量計測期間にばらつきが生じず、より高い精度の流量算出が可能となる。
【００１９】
なお、流量計測期間は、１秒の整数倍の時間、より望ましくは１秒にて定めることができる。流量計測期間が１秒であれば、カウンタ値がそのまま発信周波数ｆｊ，ｆｇとして得ることができるし、その整数倍であれば、その整数値でカウンタ値を割るだけで、発信周波数ｆｊ，ｆｇを得ることができ、流量算出の演算が簡易な処理で可能となる。
【００２０】
また、超音波流量計自身に定められる計測可能最小流量を計測した際に一方の超音波送受信素子の発信周波数と他方の超音波送受信素子の発信周波数との差が１Ｈｚ以上の差として表れるように、対をなす双方の超音波送受信素子の発信周波数レベルを定めることができる。この構成によると、規定の計測可能最小流量を確実に算出可能な超音波流量計とすることができる。特に上記のようなカウンタを備える構成であれば、計測可能最小流量を計測した際の発振周波数の差が１Ｈｚ以上であることが必須となる。
【００２１】
各超音波送受信素子の発信周波数は、それら各超音波送受信素子自身の共振周波数よりも高い周波数とすることができる。この構成によれば、周波数制御により可変する発信周波数が共振周波数から外れても、問題なく周波数制御を実施することができるし、より高い発信周波数とすることで計測分解能を増すこともできる。従来技術においては、超音波送受信素子自身の共振周波数がそのまま発振周波数として使用されており、計測分解能を柔軟に設計することができなかった。
【００２２】
本発明の超音波流量計は、対をなす超音波送受信素子のそれぞれに対応して設けられるとともに、対応する超音波送受信素子が前回送出した測定用超音波の発信周波数と、周波数制御手段により制御された、次回送出する測定用超音波の発信周波数とを比較する周波数比較手段と、比較された双方の発信周波数の周波数差が予め定められた高閾レベルを上回る流量急変状態であるか否かを判定する流量急変状態検出手段と、を備えて構成することができる。そして、この場合の周波数制御手段は、自身に設定する周波数制御モードを、流量急変状態が検出されなかった場合には通常モードに設定する一方で、流量急変状態が検出された場合には、通常モードよりもすばやく周波数差に対し発信周波数を追従させる周波数制御を実行する追従性優先モードに設定するモード切替手段を備えて構成することができる。この構成によると、流量が急変した場合には、発信周波数の安定性等を犠牲にしてでも、周波数制御が急激な流量変化に対応できるよう追従性を優先させることで計測精度を高めることができる。
【００２３】
具体的にいえば、周波数制御手段はＰＬＬ回路として構成することができ、追従性優先モードにおいて当該ＰＬＬ回路内部に設けられたループフィルタの時定数を、通常モードにおける時定数よりも小さくなるようにするものとすることができる。この構成によると、時定数が変更されるような構成により、上記モード切り替えを簡易に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の超音波流量計の一実施形態を、図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の超音波流量計の一実施形態であり、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の基本構成を示すブロック図である。この超音波流量計１は、図１に示すように、被測定流体ＧＦの流路を形成する流路形成部３と、流路形成部３に対し被測定流体ＧＦの流通方向Ｏにおいて互いに異なる位置に設けられ、一方が被測定流体ＧＦへの測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波として、予め定められた向きへの指向性を有する超音波ビーム（測定用超音波）を送出可能な対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂとを備えている。流路形成部３と超音波送受信素子２ａ，２ｂとが流量計本体１０を構成し、該流量計本体１０と制御回路部２０とにより超音波流量計１の全体が構成されている。そして、このように構成された超音波流量計１は、被測定流体ＧＦが流通する流路形成部３内に設けられた一対の超音波送受信素子２ａ，２ｂ間で超音波が予め決められたロック波数になるように測定用超音波ビームの発振周波数を制御し、該周波数を基に流速および流量を求めるものである。
【００２６】
流路形成部３は例えば金属製である。測定対象がガスの場合、流路形成部３の軸断面形状は壁部３Ｊにより閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等のいずれを採用してもよい。本実施形態では、流路形成部３は矩形状の流路断面を有するものとして形成され、上壁部３Ｊａの上流側に上流側超音波送受信素子２ａが、また、上壁部３Ｊａの下流側に下流側超音波送受信素子２ｂが取り付けられており、さらにいえば、上流側超音波送受信素子２ａ及び下流側超音波送受信素子２ｂから発振された超音波は下壁３ｊｂによって角度θで反射し、相手側の超音波素子に到達する構造になっている。具体的には、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂの取り付け角が、図１に示すように、いずれもθ（本実施形態においてはθ＝４５°）となるように取り付けられている。なお、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂが、流路を挟む形で振り分けて配置される、即ち、上壁部３Ｊａに上流側超音波送受信素子２ａが、下壁部３Ｊｂに下流側超音波送受信素子２ｂが配置され、超音波を反射させないで送受信する構造であってもよい。
【００２７】
超音波送受信素子２ａ，２ｂは、一方が被測定流体への測定用超音波の送出側となり、他方が該測定用超音波の受信側となるように機能するとともに、各々測定用超音波を送出可能に構成されている。本実施形態においては、周知の超音波トランスデューサ２ａ，２ｂとして構成されており、いずれも、駆動電圧の印加により測定用の超音波ビームを送出する超音波送出機能と、超音波ビームの受信により電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備える。いずれも全く同一の構造を有するので、その一方で代表させて説明する（以下、符号「２」により代表させる）。
【００２８】
制御回路部２０は、図１に示すように、制御部２１と、送信部２２及び切替部２４を有する超音波駆動機構と、受信部２３、切替部２４、２値化部２５を有する受信超音波処理部と、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂに対応して設けられた周波数制御部３０Ａ，３０Ｂと、カウンタ３６Ａ，３６Ｂとを有して構成されている。
【００２９】
切替部２４は、超音波送受信素子２ａ，２ｂの送信側と受信側を切り替えるスイッチである。具体的にいえば、超音波送受信素子２ａが送出側、超音波送受信素子２ｂが受信側となる第一駆動モードと、その逆で、超音波送受信素子２ｂが送出側、超音波送受信素子２ａが受信側となる第二駆動モードとの間で駆動モードを切り替える駆動モード切替手段として機能するものである。送信部２２は、超音波送受信素子２ａ，２ｂに対して駆動信号を入力するための回路である。具体的にいえば、超音波送受信素子２ａ，２ｂに測定用の超音波ビームを送出するための駆動パルス（パルス状の駆動電圧）を発生する駆動電圧回路等から構成されている。受信部６は、超音波送受信素子２ａ，２ｂから出力される受信信号を所定の増幅率で増幅し、２値化部２５に入力する。
【００３０】
２値化部２５は、ゼロクロス点検出手段として機能しており、図５に示すように、入力された受信信号の波形から、予め定められた閾レベル（振幅閾値）を超える半波によるゼロクロス点に対応したパルス波形を出力するゼロクロスコンパレータ部を有して構成されている。具体的にいえば、入力された受信信号の波形から、上記閾レベルを上回る最初の振幅を検出して、検出された振幅の次に到来するゼロクロス点を出力する。また、本実施形態においては、２値化部２５からゼロクロス点がパルス出力され、その出力パルス信号SIGinが周波数制御部３０Ａ，３０Ｂに入力される。
【００３１】
周波数制御部３０Ａ，３０Ｂは、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂのそれぞれに対応して設けられている。これら周波数制御部３０Ａ，３０Ｂは、各々が対応する超音波送受信素子２ａ，２ｂにより送信された測定用の超音波ビームを他方の超音波送受信素子２ｂ，２ａが受信する毎に、当該超音波ビームの送信から受信までに要した超音波伝播時間Ｔ０と、当該測定用超音波の発信周波数にて予め決められたロック波数Ｎの出力が完了するまでに要するロック波数出力時間Ｔａとを比較してそれら双方の時間が一致するように、次回に送出される測定用の超音波ビームの発信周波数を制御する。
【００３２】
なお、本実施形態においては、周波数制御部３０Ａが超音波送受信素子２ａに対応し，周波数制御部３０Ｂが超音波送受信素子２ｂに対応している。いずれも全く同一の構造を有するので、その一方を代表させて共通の説明する場合は、その符号を「３０」に代表させる。なお、以下で説明する周波数制御部３０Ａ，３０Ｂに対応する各手段（３１Ａ，３１Ｂ）、（３２Ａ，３２Ｂ）、（３３Ａ，３３Ｂ）、（３４Ａ，３４Ｂ）、（３５Ａ，３５Ｂ）、（３６Ａ，３６Ｂ）も、その一方を代表させて共通の説明する場合は、それらの符号からそれぞれ「Ａ」及び「Ｂ」を除いた「３１」，「３２」，「３３」，「３４」，「３５」，「３６」にて代表させる。
【００３３】
周波数制御部３０は、周波数制御手段として機能するものであり、周知のＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路として構成されており、位相比較部をなすＰＤ（Phase Detector）３２と、ループフィルタをなすＬＦ（本実施形態においてはＬＰＦ：low Pass Filter）３３と、電圧制御発振部をなすＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）３４と、分周部をなすDivider(Ｎ)３５と、を有した位相同期回路として構成されている。
【００３４】
ＶＣＯ３４は、入力された電圧信号に応じた送信周波数（発信周波数）のクロックVCOoutを出力する電圧制御発信器であり、ＬＦ３３からの入力を受け、その入力に基づいて周波数制御された信号（計測用クロック信号VCOout）をDivider(Ｎ)３５及びカウンタ３６に継続して出力するように接続されている。そして、周波数制御された発信周波数のクロック信号VCOoutに基づいて、測定用の超音波ビームが、対応する超音波送受信素子２ａ，２ｂから送出されるよう構成されている。つまり、ＶＣＯ３４は、少なくとも計測単位期間の間、波数カウント用の信号として、対応する超音波送受信素子の発信周波数のクロック信号VCOoutを継続出力するクロック信号出力手段として機能するものである。
【００３５】
なお、各超音波送受信素子２ａ，２ｂの発信周波数レベルは、超音波流量計１自身に定められる計測可能最小流量を計測した際に一方の超音波送受信素子２ａ，２ｂの発信周波数と他方の超音波送受信素子の発信周波数との差が、少なくとも１Ｈｚ程度の差として表れるように定められている。より具体的にいえば、各超音波送受信素子２ａ，２ｂの発信周波数が、それら各超音波送受信素子２ａ，２ｂ自身の共振周波数よりも高い周波数となるように設定されている。
【００３６】
Divider(Ｎ)３５は、入力された周波数をＮ分割（Ｎはロック波数であり、整数）して出力する分周器であり、ＶＣＯ３４からクロックパルスVCOoutの入力を受け、Ｎパルスに対し１パルスの出力パルス信号COMPinがＰＤ３２の一方の入力端子に入力されるよう接続されている。
【００３７】
ＰＤ３２は、２つの入力信号の位相を比較して、その位相差に比例した位相比較出力信号を出力する位相比較器であり、一方の入力端子がスイッチ（ＳＷ）３１の一方の接点端子に、他方の入力端子がDivider(Ｎ)３５の出力端子に接続される一方で、出力端子がＬＦ３３を介してＶＣＯ３４に接続されている。
【００３８】
スイッチＳＷ３１は、対応するＰＤ３２の双方の入力端子を、Divider(Ｎ)３５の出力に接続した第一接続状態（ＰＤ３２が２値化部２５と非接続の状態）と、対応するＰＤ３２の一方の入力端子をDivider(Ｎ)３５の出力に接続し、他方の入力端子を２値化部２５の出力に接続した第二接続状態（ＰＤ３２が２値化部２５と接続した状態）との間で切り替えるものである。具体的にいえば、制御部２１により、２値化部２５から出力されるゼロクロス点に対応したパルス波形の入力に先立って第一接続状態から第二接続状態に切り替えられる。そして、ＰＤ３２では、このゼロクロス点に対応したパルス波形と、このパルス波形の入力の前後に到来するDivider(Ｎ)３５からのパルス波形の入力とで位相比較が行われる。そして、位相比較後には、第二接続状態から第一接続状態への切り替えがなされる。
【００３９】
なお、本実施形態においては制御部２１によりスイッチＳＷ３１が切り替えられるように構成されており、第一接続状態から第二接続状態への切替タイミングは、２値化部２５にてゼロクロス点を検出する前の、対応する超音波送受信素子２ａ，２ｂから発信された超音波ビームが他方の超音波送受信素子２ｂ，２ａに受信されたことを示す信号の検出タイミングとされている。具体的にいえば、受信部２３が、予め定められた電圧レベル以上の受信信号（受信波）を検出するに伴い受信検出信号を出力し、制御部２１が、当該受信信号の入力を受けるに伴い、対応する側のスイッチＳＷ３１に対し、スイッチ切替信号を出力する形で行う。逆に、第二接続状態から第一接続状態への切替タイミングは、制御部２１が、２値化部２５から出力されるゼロクロス点に対応した出力パルス信号SIGinの立下りを検出するに伴い、対応する側のスイッチＳＷ３１に対し、スイッチ切替信号を出力する形で行う。
【００４０】
ただし、スイッチＳＷ３１は、対応する超音波送受信素子２ｂにより受信した受信信号のゼロクロス点に対応したパルス波形（ゼロクロス出力）のみをＰＤ３２に入力するように切り替えられる。スイッチＳＷ３１Ａの場合は、超音波送受信素子２ｂにより受信した受信信号のゼロクロス点に対応したパルス波形（ゼロクロス出力）のみをＰＤ３２Ａに入力するようスイッチ切り替えを行い（第一接続状態→第二接続状態）、他方の超音波送受信素子２ａにより受信した受信信号のゼロクロス点に対応したパルス波形（ゼロクロス出力）についてはＰＤ３２Ａへの入力がされないようにスイッチ切り替えを行わない（第一接続状態を保持）。スイッチＳＷ３１Ｂの場合は、超音波送受信素子２ｂにより受信した受信信号のゼロクロス点に対応したパルス波形（ゼロクロス出力）のみをＰＤ３２Ａに入力するようスイッチ切り替えを行い（第一接続状態→第二接続状態）、他方の超音波送受信素子２ａにより受信した受信信号のゼロクロス点に対応したパルス波形（ゼロクロス出力）はＰＤ３２Ａに入力されないようスイッチ切り替えがなされない（第一接続状態を保持）。
【００４１】
ＬＦ３３は、位相比較出力信号を入力し、該位相比較出力信号を平均化して出力するループフィルタであって、予め定められた時定数が設定されており、入力側にＰＤ３２の出力側が、出力側にＶＣＯ３４の入力側が接続されている。
【００４２】
このように構成された周波数制御部３０では、上記第一接続状態においては、ＰＤ３２の双方の入力端子がDivider(Ｎ)３５から同じ信号COMPinを受けるため位相差Δφ１は検出されず、このためＶＣＯ３４が実行する周波数制御において発信周波数に変更はない。他方、上記第二接続状態においては、図４に示すように、一方の入力端子が２値化部２５から出力される信号SIGinを受け、他方の入力端子がDivider(Ｎ)３５から出力される信号COMPinを受けて、双方の信号の位相を比較して、その位相差Δφ１に比例した位相比較出力信号が出力されるので、ＶＣＯ３４は、その位相差に応じて発信周波数を可変する周波数制御を実行する。つまり、ＶＣＯ３４は、ＰＤ３２に入力される信号SIGinと信号COMPinの位相差がゼロとなるように、即ち、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂ間の波数が予め決められたロック波数Ｎとなるように位相調整を行う。なお、図４は、本実施形態に係る超音波流量計１における各種信号のタイミングチャートである。
【００４３】
カウンタ３６は、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂのそれぞれに対応して設けられ、それぞれが対応するＶＣＯ３４から出力されるクロックVCOoutをカウントするように構成されている。つまり、カウンタ３６は、対応するＶＣＯ３４から継続出力される波数カウント用信号の出力波数をカウントするカウント手段として機能するものである。
【００４４】
制御部２１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備える周知のマイコンであり、上記ＶＣＯ３４から出力される発振周波数とは異なる独自のクロックにより駆動するよう構成されている。この制御部２１は、図２に示すように、自身のクロックに基づいて、所定の流量計測期間Ｔ内において各超音波送受信素子２ａ，２ｂに対し測定用の超音波ビームを予め定められた送信時間間隔にて繰り返し送出させる出力タイミング制御手段として機能するものである。具体的にいえば、制御部２１は、自身の記憶部に、１度の流量計測に際して予め定められた流量計測期間Ｔを記憶するとともに、当該流量計測期間Ｔ内において各超音波送受信素子２ａ，２ｂに対し測定用の超音波ビームを予め定められた送信時間間隔にて送出させるためのタイミングテーブルを、各超音波送受信素子２ａ，２ｂ毎に記憶している。そして、制御部２１は、双方のＶＣＯ３４Ａ，３４Ｂにて周波数制御された発信周波数の超音波ビームを送出するための送出指令信号を、上記送信時間間隔に送信部２２に出力する。
【００４５】
一方で、制御部２１は、上記流量計測期間Ｔ内においてそれぞれの周波数制御部３０Ａ，３０Ｂにより周波数制御された発信周波数に基づいて、被測定流体ＧＦの流量を算出する流量算出手段として機能するように構成されている。具体的にいえば、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂのそれぞれに対応するカウンタ３６ａ，３６ｂの流量計測期間Ｔ内における総カウント値が、上記流量計測期間Ｔ内における各超音波送受信素子２ａ，２ｂの発信周波数ｆｊ、ｆｇを反映した値であるから、流量計測期間Ｔ内におけるカウンタ３６ａ，３６ｂの総カウント値を取得して、それら双方の総カウント値に基づいて、被測定流体ＧＦの流量を算出する。
【００４６】
以下、被測定流体ＧＦの流量を算出方法について説明する。
【００４７】
制御部２１は、流量計測期間Ｔの開始前にカウンタ３６ａ，３６ｂがそれぞれ記憶しているカウント値をゼロリセットする。そして、このゼロリセットの完了に伴い流量計測期間Ｔが開始される。具体的にいえば、このゼロリセットの完了に伴い制御部２１が、自身のクロックに基づいて、流量計測期間Ｔの時間カウント（ここでは１秒間）を開始する。
【００４８】
流量計測期間Ｔが開始されると、対をなす双方の超音波送受信素子２ａ，２ｂから、予め定められた送信時間間隔（送信タイミング：図３（ａ）の計測点）にて、測定用の超音波ビームを送出するための送出指令信号が、ＶＣＯ３４Ａのクロックと同期する形で制御部２１から出力される。これを受けた送信部２２は、対応する超音波送受信素子２ａ，２ｂに対し駆動信号を入力する。
【００４９】
ただし、送出指令信号の出力と同時に、当該超音波ビームを送出すべき超音波送受信素子２ａ，２ｂから当該超音波ビームが出力されるよう、切替部２４に対し駆動モード切替信号を出力して、上述した駆動モードの切り替えを行う。
【００５０】
なお、以降では、今回の測定用の超音波ビームを送出が超音波送受信素子２ａからなされ、これを超音波送受信素子２ｂが受信する駆動モードであるものとして説明を行う。
【００５１】
また、ここで、対応する周波数制御部３０Ａにおいて、今回送出される測定用超音波ビームの送信から受信までに要する超音波伝播時間Ｔ０と、当該超音波ビームの発信周波数にてロック波数の出力が完了するまでに要するロック波数出力時間とが比較可能となるようなタイミングで、Divider(Ｎ)３５Ａから出力される出力パルス信号COMPinがＰＤ３２Ａに入力するための設定を行う。本実施形態においては、上記送出指令信号の出力と同時に、対応するDivider(Ｎ)３５Ａのリセットを行う。このリセットにより、対応するDivider(Ｎ)３５Ａからは、その後、対応するＶＣＯ３４からロック波数Ｎのクロックが出力されるに伴い出力パルス信号COMPinが出力され、これがＰＤ３２Ａに入力される。なお、Divider(Ｎ)３５Ａのリセットを上記のように行わず、常時分周させておく構成もありうる。
【００５２】
送信部２２からの駆動信号の入力に伴い超音波送受信素子２ａは、流路形成部３内に測定用の超音波ビームを送出する。この送出は、該超音波送受信素子２ａに対応するＶＣＯ３４Ａのクロックと同期する形でなされる。つまり、該超音波送受信素子２ａからは、対応するＶＣＯ３４Ａのそのときの発振周波数ｆａ０にて超音波発振がなされる。なお、発振周波数ｆａ０は、対応するＶＣＯ３４Ａが前回の流量計測期間Ｔにおいて発振した最後の発振周波数をそのまま利用して発振させている。具体的にいえば、ＶＣＯ３４は、ＰＤ３２により検出される位相差に基づく発振周波数のクロックを流量計測期間Ｔではない期間においても継続して出力するものであるから、前回の流量計測期間Ｔの終了後もそのときのままの同じ発振周波数のクロックを継続して出力しているので、初回である今回の超音波発振ではその発振周波数をそのまま利用して超音波ビームを送出する。
【００５３】
超音波送受信素子２ａから流路形成部３内に測定用の超音波ビームを送出すると、送出された超音波ビームが伝搬し、超音波送受信素子２ｂにてこれが受信される。そして、この受信波を受信部２３にて増幅した超音波受信出力（受信信号）が２値化部２５に入力されて、特定の振幅以上となった次のゼロクロス点の出力（出力パルス信号SIGin）がなされる（図４参照）。このとき、受信部２３が超音波送受信素子２ｂから受信信号を受信するに伴い、制御部２１が、対応するスイッチ３１Ａを第一接続状態から第二接続状態に切り替えられる。ただし、切り替えられて第二接続状態となったスイッチ３１Ａは、２値化部２５から出力されるゼロクロス点の出力パルスの立下りを制御部２１が検出するに伴い第一接続状態に戻る。
【００５４】
２値化部２５から出力されたゼロクロス点出力SIGinは、対応する周波数制御部３０Ａを構成するＰＤ３２Ａの一方の入力端子から入力される。ＰＤ３２Ａの他方の入力端子からは、この第二接続状態においては、Divider(Ｎ)３５Ａの出力COMPinが入力される。ＰＤ３２Ａでは、双方の入力端子から入力される双方の信号SIGin、COMPinとで位相比較を行う。具体的には、図４に示すように、双方の入力パルスの信号エッジを比較する形で行う。その結果、このＰＤ３２Ａの出力にはSIGinとCOMPinの位相差(時間差)Δφ１が反映される。このとき、対応するＶＣＯ３４Ａは、この位相差Δφ１が反映された電圧信号の入力を受け、この位相差Δφ１がゼロとなるように自身の発振周波数を可変する周波数制御を実行する。
【００５５】
具体的にいえば、周波数制御部３０Ａでは、図４に示すように、測定用超音波ビームの送信から受信のゼロクロス点までの時間（超音波伝播時間）Ｔ０を、ＶＣＯ３４Ａの発振周波数ｆａ０でＮ個の周波数でロックする時間（ロック波数出力時間）Ｎ／ｆａ０と比較する。例えば、超音波伝搬時間Ｔ０に対して、発振周波数が、（Ｎ−１）／ｆａ０≦Ｔ１≦（Ｎ＋１）／ｆａ０を満足するような周波数であれば、ＶＣＯ３４の発振周波数を可変する必要はなく、上記条件を満足していない場合に、位相差Δφ１がゼロとなるよう発振周波数ｆａ０からｆａ１へと周波数を変更する。さらにいえば、上記条件を満たしていない場合において、超音波伝播時間Ｔ０が、発振周波数ｆａ０でＮ個カウントした時間Ｔａより小さい、即ち超音波伝播時間Ｔ０がＮ／ｆａ０よりも小さい場合は、変更後の発振周波数ｆａ１を発振時の発振周波数ｆａ０よりも高い周波数とし、他方、発振周波数ｆａ０でＮ個カウントした時間Ｔａよりも大きい場合、即ち超音波伝播時間Ｔ１がＮ／ｆａ０よりも大きい場合は、変更後の発振周波数ｆａ１は、発振時の発振周波数ｆａ０より低い周波数とする制御がなされる。
【００５６】
なお、ＶＣＯ３４は、ＰＤ３２により検出される位相差に基づく発振周波数のクロックを常に継続して出力するものであるから、上記周波数制御以降においても、変更後の発振周波数ｆａ１のクロックを継続して出力し、次回の超音波送受信素子２ａからの測定用超音波ビームの送出は、この発振周波数ｆａ１のクロックと同期する形でなされる。
【００５７】
超音波送受信素子２ａからの測定用超音波ビームの出力及び該出力後の周波数制御部３０Ａによる周波数制御までの処理は、上記のような流れで実行される。これらの処理は、流量計測期間Ｔが経過するまで、予め定められた送信時間間隔おきに繰り返し実行される。このとき、カウンタ３６Ａには、その流量計測期間ＴにおいてＶＣＯ３４Ａから出力された全てのクロックがカウントされている。つまり、超音波受信毎に周波数制御されたクロックが一定期間Ｔの間カウントされ続けている。
【００５８】
他方、超音波送受信素子２ｂからの測定用超音波ビームの出力及び該出力後の周波数制御部３０Ｂによる周波数制御までの処理も、上記した、超音波送受信素子２ａからの測定用超音波ビームの出力及び該出力後の周波数制御部３０Ａによる周波数制御までの処理と同様であり、流量計測期間Ｔが経過するまで、予め定められた送信時間間隔おきに繰り返し実行される。そして、カウンタ３６Ｂには、カウンタ３６Ａと同様、その流量計測期間ＴにおいてＶＣＯ３４Ｂから出力された全てのクロックがカウントされている。
【００５９】
これらカウンタ３６Ａ，３６Ｂは、流量計測期間Ｔの計測終了に伴い制御部２１により双方のカウント値が同時に記憶保持される。具体的には、制御部２１に設けられた記憶部の所定の記憶領域に各カウンタ３６Ａ，３６Ｂの、計測終了時におけるカウント値を同時に記憶する。なお、制御部２１に対し各カウンタ３６Ａ，３６Ｂを、ラッチ回路を介して接続するように構成し、計測終了に伴い制御部２１から制御信号を出力し、その制御信号に基づいて、双方のカウンタ３６Ａ，３６Ｂのカウンタ値を同時に記憶保持して、保持された値を制御部２１が読み出すようにしてもよい。
【００６０】
その後、制御部２１は、記憶保持された各カウンタ値を読み出すとともに、これら双方のカウント値に基づいて、被測定流体ＧＦの流量Ｑを算出する。なお、流量計測期間Ｔは、１秒の整数倍の時間にて定めることができる。流量計測期間が１秒であれば、流量計測期間Ｔにおけるカウント総数をそのまま発信周波数ｆｊ，ｆｇとして得ることができる、即ち、本実施形態においては記憶保持されたカウンタ値をそのまま発信周波数ｆｊ，ｆｇとして得ることができるし、その整数倍であれば、その整数値で上記カウント総数を割る演算だけで、発信周波数ｆｊ，ｆｇを得ることができ、流量算出の演算が簡易な処理で可能となる。本実施形態の流量計測期間Ｔは１秒にて定められている。
【００６１】
つまり、超音波送受信素子２ａ，２ｂの取り付け角度を図１のようにθと定めると、流速Ｖは、発信周波数ｆｊ，ｆｇに基づく以下の（式１）を制御部２１において演算することで得られる。
Ｖ＝（Ｌ／２・Ｎ・ｃｏｓθ）×（ｆｊ−ｆｇ）  ・・・（式１）
【００６２】
そして、流量Ｑは、流路３の断面積Ｓ及び補正係数Hを用い、以下の（式２）を制御部２１において演算することで得られる。
Ｑ＝Ｖ・Ｓ・Ｈ  ・・・（式２）
【００６３】
また、積算流量ΣＱ１は、前回までの積算流量ΣQ0を用い、以下の（式３）を制御部２１において演算することで得られる。
ΣＱ１＝ΣＱ０＋Ｑ  ・・・（式３）
【００６４】
ただし、本発明の超音波流量計は、以下の点を主な特徴とするものである。即ち、少なくとも一方の超音波送受信素子２ａ，２ｂの送出時間間隔（本実施形態においては超音波送受信素子２ａ，２ｂの双方の送出時間間隔）として、図３（ａ）に示すような、計測開始側よりも計測終了側の方が短くなる計測終了側送出増型の時間間隔が予め定められる点である。これにより、周波数制御部３０Ａ，３０Ｂでは、予め定められた流量計測期間Ｔ内において、計測開始初期時は送受信回数を減らして伝搬時間Ｔ０を粗く監視し、計測終了時（流量算出時間）に近づくに従い超音波送受信回数を徐々に増加して、当該計測終了時（流量算出時間経過時）には、位相差を完全にゼロに追従させる形でＶＣＯ３４Ａ，３４Ｂの発振周波数を制御する構成となっている。
【００６５】
従来は、図３（ｂ）に示すように、一定周期にて測定用超音波ビームが出力されていたのに対し、図３（ａ）に示すような計測終了側送出増型の時間間隔にて測定用超音波ビームを出力するようにしたことで、従来よりも流量計測が効率化され、一定の計測精度を確保しながら超音波発振に伴う電力消費を抑制することが可能となっている。また、予め定められた時間間隔に基づいて測定用超音波が出力されるシンプルな構成となっているので、送出時間間隔の設定に複雑な制御は必要なく、低コストでの実現が可能であるという利点もある。
【００６６】
また、測定用超音波ビームの受信信号には、図４に示すように、周波数制御に使用される初回の受信波（本実施形態においては第一次反射波）だけでなく、残響反射波（ノイズ：本実施形態においては図４の第三次反射波等）も含まれている。ただし、振幅が小さいため残響反射波がゼロクロス点として検出されることはない。ところが、残響反射波は、図６に示すように、後に出力された測定用超音波ビームの初回受信波に重なって（加算されて）、その初回受信波のゼロクロス位相点をずらす可能性があった。これに対し、本発明では、流量計測期間Ｔの計測開始側（計測開始初期側）にて測定用超音波ビームの送出間隔が長いので、該計測開始側における測定用超音波ビームの送信時間間隔（各送信タイミング）を、先に送信された測定用超音波ビームの初回の受信波の受信タイミングに、当該測定用超音波ビームよりも以前に送信された測定用超音波ビームの残響反射波の受信タイミングが重ならないように予め定めることができる。これにより、上記のゼロクロス位相点ずれを防止できる利点がある。
【００６７】
さらにいえば、流量計測期間Ｔの計測開始側（計測開始初期側）にて測定用超音波ビームの送出間隔が長いので、測定用超音波ビームを受信した後、当該測定用超音波ビームの残響反射波（ノイズ）が十分に減衰する時間が経過してから、次の測定用超音波ビームを受信するように、流量計測期間Ｔの計測開始側（計測開始初期側）における測定用超音波ビームの各送信タイミングを定めることもできる。具体的にいえば、十分に減衰したと判断できる残響反射波として第ｍ次反射波（ｍは予め定められた１以上の自然数）を予め特定しておき、計測開始側における測定用超音波ビームの送信時間間隔（各送信タイミング）を、送信された測定用超音波ビームの初回の受信波の受信タイミングが、当該測定用超音波ビームよりも以前に送信された測定用超音波ビームの該第ｎ次反射波（ｎ＝ｍ−１）の受信タイミングよりも後になるように予め定めることができる。これにより、上記のゼロクロス位相点ずれを防止できる利点がある。
【００６８】
なお、本実施形態においては、超音波送受信素子２ａ，２ｂの双方の送出時間間隔として、上記計測終了側送出増型の時間間隔が双方に定められている。さらにいえば、その計測終了側送出増型の時間間隔として、図３（ａ）に示すような、流量計測期間Ｔ内の計測開始側から計測終了側に向かうにつれて、測定用超音波を送出する時間間隔が減じられる時間間隔が定められており、特に、流量計測期間Ｔの計測開始側（計測開始初期側）における測定用超音波ビームの送信時間間隔（各送信タイミング）を、送信された測定用超音波ビームの初回受信波の受信タイミングが、当該測定用超音波ビームよりも以前に送信された測定用超音波ビームの第３次反射波の受信タイミングよりも後になるように予め定めている。
【００６９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。以下では、上記実施形態を第一実施形態とし、それとは異なる実施形態について説明を行う。なお、共通の構成については同符号を付することにより説明を略する。
【００７０】
上記第一実施形態においては、双方の超音波送受信素子２ａ，２ｂに対し、予め定められた計測終了側送出増型の送出時間間隔が設定され、流量計測期間Ｔの計測終了までその時間間隔での測定用超音波ビームの出力がなされているが、例えば、流量変化が一定レベルを下回る流量安定状態においては、対応する周波数制御部３０Ａ，３０Ｂにて発振周波数を制御したところで変化がほとんど無いので、そのような周波数制御を何度も行うことは無駄である。さらにいえば、そのような周波数制御を行うための測定用超音波ビームの出力は無駄である。従って、流量安定状態においては、測定用超音波ビームの送出時間間隔が長くなる、あるいは測定用超音波ビームの送出回数が減じられるように、予め定められた送出時間間隔とは異なる時間間隔での測定用超音波ビームの送出が可能となるように構成してもよい。
【００７１】
例えば、以下のような構成を備えることで実現することができる。即ち、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂのそれぞれに対応して設けられ、対応する超音波送受信素子が前回送出した測定用超音波ビームの発信周波数と、周波数制御手段により制御された、次回送出する測定用超音波ビームの発信周波数とを比較する周波数比較手段を備え、さらに、比較された双方の発信周波数の周波数差が予め定められた低閾レベルを下回る流量安定状態であるか否かを判定する流量安定状態検出手段を備えた構成とする。そして、出力制御手段として機能する制御部２１が、流量計測期間Ｔの計測開始に際して、上記計測終了側送出増型の時間間隔を、対応する超音波送受信素子２ａ，２ｂの送出時間間隔として初期設定する一方で、送出時間間隔可変手段としても機能して、流量安定状態検出手段により流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される測定用超音波ビームの送出時間間隔がそれ以前よりも長くなるよう設定を変更するように構成することができる。
【００７２】
なお、上記構成において、出力制御手段として機能する制御部２１が、流量計測期間Ｔの計測開始に際して、上記計測終了側送出増型の時間間隔を、対応する超音波送受信素子２ａ，２ｂの送出時間間隔として初期設定する一方で、送出回数可変手段としても機能して、流量安定状態検出手段により流量安定状態が検出された場合には、それ以降に送出される測定用超音波の送出回数をそれ以前よりも少なくなるよう設定を変更するように構成することもできる。
【００７３】
具体的には、図７に示すように、周波数比較手段をＰＤ３２Ａ，３２Ｂとして備え、これらＰＤ３２Ａ，３２Ｂからの出力が制御部２１にも入力させる。ＰＤ３２Ａ，３２Ｂから出力される信号は、図４の位相差Δφ１を反映した電圧信号であり、位相差Δφ１が大きいほど高電圧が出力されるから、制御部２１では、入力される当該電圧信号が、自身の記憶部に予め記憶しておいた低電圧レベル（低閾レベル）を下回るか否かを判定し、下回る場合を上記流量安定状態として特定するようにする。つまり、当該制御部２１を流量安定状態検出手段として機能させるのである。そして、制御部２１では、流量安定状態が特定された場合に、次回の測定用超音波ビームの送出タイミングを予め定められた時間だけ遅らせるようにする。あるいは、次回の測定用超音波ビームの送出を省略するようにする。これにより、少なくとも次回の測定用超音波ビームが送出されるまでの時間が長くなり、結果として、測定用超音波ビームの無駄な送出を抑制できる。
【００７４】
また、上記第一実施形態においては、例えば、流量変化が一定レベルを上回る流量急変状態において、周波数制御部３０Ａ，３０Ｂの周波数制御がその急激な流量変化に対応できるよう追従性を優先させるようなモード変更が可能となるように構成してもよく、計測精度を高めることができる。
【００７５】
例えば、以下のような構成を備えることで実現することができる。即ち、対をなす超音波送受信素子２ａ，２ｂのそれぞれに対応して設けられ、対応する超音波送受信素子が前回送出した測定用超音波ビームの発信周波数と、周波数制御手段により制御された、次回送出する測定用超音波ビームの発信周波数とを比較する周波数比較手段を備え、さらに、比較された双方の発信周波数の周波数差が予め定められた高閾レベルを上回る流量急変状態であるか否かを判定する流量急変状態検出手段を備えた構成とする。そして、制御部２１が、モード切替手段として機能し、周波数制御手段として機能する周波数制御部３０Ａ，３０Ｂに設定される周波数制御モードとして、流量急変状態が検出されなかった場合には通常モードを設定する一方で、流量急変状態が検出された場合には、通常モードよりもすばやく周波数差に対し発信周波数を追従させる周波数制御を実行する追従性優先モードを設定するように構成することができる。
【００７６】
具体的には、図８に示すように、周波数比較手段をＰＤ３２Ａ，３２Ｂとして備え、これらＰＤ３２Ａ，３２Ｂからの出力が制御部２１にも入力させる。ＰＤ３２Ａ，３２Ｂから出力される信号は、図４の位相差Δφ１を反映した電圧信号であり、位相差Δφ１が大きいほど高電圧が出力されるから、制御部２１では、入力される当該電圧信号が、自身の記憶部に予め記憶しておいた高電圧レベル（高閾レベル）を上回るか否かを判定し、上回る場合を上記流量急変状態として特定するようにする。つまり、当該制御部２１を流量急変状態検出手段として機能させるのである。さらに、制御部２１をＬＦ（ループフィルタ）３３Ａ，３３Ｂに接続して、該制御部２１から出力されるモード切替信号に基づいて、該ＬＦ３３Ａ，３３Ｂの時定数τが切り替わるように構成する。そして、流量急変状態が特定された場合に、該時定数τを流量急変状態が特定されていないときに設定される値よりも小さく設定し、これにより、通常モードから追従性優先モードに切り替えるようにする。流量急変状態が特定されなくなった場合には、該時定数τを流量急変状態が特定されていないときに設定される値に戻し、これにより、追従性優先モードから通常モードに切り替えるようにする。
【００７７】
なお、時定数の切替は、例えば図９に示す構成により実現することができる。即ち、ＬＦ３３として、時定数の小さいフィルタ３３１と時定数の大きいフィルタ３３２とを並列に備え、スイッチ３３３，３３４によって接続するフィルタ３３１，３３２を選択可能に構成する。そして、スイッチ３３３，３３４の切り替えは制御部２１からのモード切替信号に基づいてなされるようにし、流量急変状態が特定されている場合には、時定数の小さいフィルタ３３１が、流量急変状態が特定されていない場合には、時定数の大きいフィルタ３３２が接続されるようにする。
【００７８】
なお、上記した実施形態において、各々の構成・特徴をそれぞれ組み合わせた構成とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る超音波流量計の簡易ブロック図。
【図２】本発明の超音波流量計における流速の測定原理を説明する図。
【図３】流量計測期間Ｔにおける超音波送出時間間隔を示す図。
【図４】各種信号出力のタイミングチャート。
【図５】ゼロクロス点を説明する図。
【図６】受信波形の重なりを説明する図。
【図７】本発明の第二実施形態に係る超音波流量計の簡易ブロック図。
【図８】本発明の第三実施形態に係る超音波流量計の簡易ブロック図。
【図９】図８中のＬＦの内部構成図。
【符号の説明】
【００８０】
１  超音波流量計
ＧＦ  被測定流体
３  流路形成部
２（２ａ，２ｂ）  超音波送受信素子
２１  制御部
２２  送信部
２３  受信部
２４  切替部
２５  ２値化部
３０（３０Ａ，３０Ｂ）  周波数制御部（ＰＬＬ回路）
３１（３１Ａ，３１Ｂ）  スイッチ
３２（３２Ａ，３２Ｂ）  ＰＤ（位相比較器）
３３（３３Ａ，３３Ｂ）  ＬＦ（ループフィルタ）
３４（３４Ａ，３４Ｂ）  ＶＣＯ（電圧制御発信器）
３５（３５Ａ，３５Ｂ）  Divider(Ｎ)（分周器）
３６（３６Ａ，３６Ｂ）  カウンタ
Ｔ０  超音波伝播時間
Ｔａ  ロック波数出力時間
【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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【図９】
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