JP2018138891A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動子の特性変化の影響を受けることなく、超音波信号の伝播時間の誤計測を防いで、優れた測定精度を安定して発揮することができる超音波流量計を提供する。【解決手段】伝播時間検出回路１０９は、一対の超音波振動子１０２、１０３間での上流側から下流側への超音波信号の伝播時間と、下流側から上流側への超音波信号の伝播時間を検出する。標準偏差算出回路１２０は、伝播時間差の標準偏差を算出し、標準偏差判定回路１１２は、算出した標準偏差値が予め設定された基準値以下か否かを判定する。送信信号設定回路１１５は、標準偏差判定回路１１２の判定結果に基づき標準偏差値が基準値以下となるように、超音波振動子１０２、１０３に印加する送信信号の回数や周波数を設定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は超音波流量計に関する。

一般に、超音波流量計には、一対の超音波振動子が、流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて対向して設置されている。このような超音波流量計では、超音波振動子にて相互に超音波信号の送受信を複数回繰り返し行い、超音波振動子間での超音波信号の伝播時間を検出する。そして、順方向と逆方向との超音波信号の伝播時間差を求め、この伝播時間差に基づいて、流路を流れる流体の流量値を測定する。

すなわち、流路に流体が流れていない場合、超音波振動子が相互に超音波信号の送受信を行っても、順方向（上流側から下流側）に送られる超音波信号の伝播時間と、逆方向（下流側から上流側）に送られる超音波信号の伝播時間とは、互いに等しくなる。つまり、順方向と逆方向で伝播時間に差が生じることはない。

一方、流路に流体が流れていれば、順方向に送られる超音波信号は流体の流れに乗って速くなり、流体の速度が速ければ速いほど、２つの超音波振動子間を伝わる超音波信号の伝播時間は短くなる。反対に、逆方向に送られる超音波信号は流体の流れに逆らうため遅くなり、流体の速度に比例して超音波信号の伝播時間は長くなる。

このように、流路に流体が流れている場合は、２つの超音波振動子間での順方向の超音波信号の伝播時間と、逆方向の超音波信号の伝播時間との間には、時間差つまり伝播時間時間差が生じることになり、その差は流体の流速に応じて変動する。そこで超音波流量計では、この伝播時間差から流路内を流れる流体の流速を求め、その流速と流路の断面積とを乗算することによって、流体の体積流量を求めている。この種の超音波流量計は、構造が簡単である、レンジアビリティが大きい、圧力損失が少ないなど、多くのメリットがあり、広く普及している。

しかし、超音波流量計においては、経年変化や温度変化に伴い、超音波振動子の内部インピーダンスが変化すると、超音波振動子の送受信感度が低下することがある。超音波振動子の送受信感度の低下とは、例えば、送信側の超音波振動子において、超音波振動子に加える送信信号の振幅が一定であるにも関わらず、超音波振動子からの送信信号の音圧レベルが低下することである。また、受信側の超音波振動子では、超音波振動子に加わる音圧レベルが一定であるにも関わらず、超音波振動子での受信信号の振幅が低下するといった不具合が生じる。

超音波振動子の送受信感度が低下すると、ＳＮ比が低下するなどして、ゼロクロスポイントの時間的な位置が変移する。また、ノイズ混入などによってＳＮ比が低下すれば、同じくゼロクロスポイントの時間的な位置が変移する。ゼロクロスポイントは超音波信号の伝播時間の受信ポイントなので、ゼロクロスポイントの変移は超音波信号の伝播時間が誤って計測される可能性がある。

超音波信号の伝播時間差に基づいて流体量を求める超音波流量計では、超音波信号の伝播時間が誤って計測されると、実際の流量に変化がなくても流量値が変化したり、ばらついたりする。このため、伝播時間の誤計測は、超音波流量計の測定精度を低下させる要因となっている。

そこで従来から、超音波信号の伝播時間の誤計測による測定精度の低下を防ぐ技術が提案されている。例えば、超音波信号の伝播時間の誤計測の発生割合を計測し、誤計測の発生割合の計測値が予め設定された既定値を超えると、誤計測の発生割合が高まっていることをアラーム表示する超音波流量計が知られている。このような超音波流量計によれば、誤計測の発生割合の増大をアラーム表示することで、超音波流量計の保守や超音波振動子の交換などをユーザーに通知することができ、測定精度の低下を回避することが可能である。

特開平９−２３６４６３号公報

超音波流量計において、超音波信号の伝播時間の誤計測が発生しているといっても、経年変化などによる機器の寿命から導かれる慢性的なものなのか、あるいは、温度変化による一過性のものなのかを、判断することは困難であり、誤計測の発生割合を定量的に算出することは難しい。そのため、従来では、誤計測の発生傾向などをユーザーに通知することで保守点検や交換などをユーザーに促すことはできても、超音波信号の伝播時間の誤計測それ自体を防ぐことは困難であった。

しかも、伝播時間の誤計測には様々な原因が考えられる。そのため、誤計測を解消するには誤計測の原因を判定することが必須であるが、流量の測定を実施しながら誤計測の原因を見つけることは難しく、点検や修理作業が不可欠となる。したがって、常に優れた測定精度を維持できる超音波流量計が求められていた。

本発明の実施形態は、以上の点を鑑みて提案されたものであり、超音波振動子の特性変化の影響を受けることなく、超音波信号の伝播時間の誤計測を防ぐことにより優れた測定精度を安定して発揮することができる超音波流量計を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態の超音波流量計は、（１）〜（５）の構成要素を備えている。
（１）流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて対向設置し、相互に超音波信号の送受信を行う一対の超音波振動子。
（２）前記一対の超音波振動子間での上流側から下流側への超音波信号の伝播時間と、下流側から上流側への超音波信号の伝播時間を検出する伝播時間検出部。
（３）前記伝播時間検出部が検出した上流側から下流側への超音波信号の伝播時間と、下流側から上流側への超音波信号の伝播時間との伝播時間差を求め、当該伝播時間差に基づいて前記流路を流れる流体の流量値を求める流量計測部。
（４）前記伝播時間差の標準偏差値を算出する標準偏差算出部。
（５）前記標準偏差算出部の算出した前記標準偏差値が予め決められた基準値以下となるように前記超音波振動子に印加する送信信号を設定する送信信号設定部。

第１の実施形態の構成を示すブロック図 第１の実施形態の信号波形図 第１の実施形態において伝播時間差の標準偏差値の変動を示すグラフ 第１の実施形態の信号波形図 第１の実施形態において伝播時間差の標準偏差値の変動を示すグラフ 第１の実施形態において受信信号とコンパレータの動作に関係を示す波形図

［１］第１の実施形態
［構成］
第１の実施形態の構成について図１〜図６を参照して説明する。図１は第１の実施形態の構成を示すブロック図である。

（全体構成）
図１に示すように、第１の実施形態に係る超音波流量計は、超音波信号を利用して、管状の流路１０１に流れる流体の流量を測定する機器であり、一対の超音波振動子１０２、１０３と、本体部分に内蔵される複数の回路あるいは素子１０４〜１２０とを備えている。流路１０１内部を流れる流体は、例えばガスや空気などの気体あるいは各種の液体などであり、図１の左側の上流側から右側の下流側へと流れている。

符号１０４〜１２０は、具体的には、送受信切替回路１０４、送信回路１０５、受信回路１０６、フィルタ回路１０７、コンパレータ１０８、伝播時間検出回路１０９、流量計測回路１１０、振幅判定回路１１１、標準偏差判定回路１１２、脈動判定回路１１３、ＳＮ比判定回路１１４、送信信号設定回路１１５、脈動周波数算出回路１１６、周波数設定信号生成回路１１７、検出回数増加信号生成回路１１８、増幅器１１９、標準偏差算出回路１２０である。

このうち、振幅判定回路１１１、脈動判定回路１１３及びＳＮ比判定回路１１４は、超音波振動子１０２、１０３の送受信感度を判定する感度判定部である。また、図示しないが、超音波流量計には、本体部分に内蔵される回路等に電力を供給するバッテリーが設けられている。続いて、各構成要素について説明する。

（超音波振動子）
一対の超音波振動子１０２、１０３は、流路１０１の上流側と下流側に、距離Ｌの間隔をおいて同軸上に互いに対向して設置されている。超音波振動子１０２、１０３では、一方が送信回路１０５からの送信信号入力により超音波信号を発生させて他方へと送信し、他方が超音波信号を受信する。各超音波振動子１０２、１０３は、送信側と受信側とを入れ替えることで、振動子１０２、１０３間での超音波信号の送受信を相互に複数回繰り返すようになっている。超音波振動子１０２、１０３が相互に超音波信号の送受信を繰り返し行う時の超音波信号の周波数を、繰り返し周波数と呼んでいる。

（送受信切替回路）
送受信切替回路１０４は、超音波振動子１０２、１０３に接続されている。送受信切替回路１０４は、送信回路１０５が出力する超音波振動子１０２、１０３への送信信号と、受信回路１０６が入力する超音波振動子１０２、１０３からの受信信号とを、切り替える回路である。

（送信回路）
送信回路１０５は、送信信号設定回路１１５の設定した値に基づいて、超音波振動子１０２、１０３に印加するパルスを生成する回路である。

（受信回路）
受信回路１０６は、超音波振動子１０２、１０３が出力した超音波信号を、受信信号として受け取る回路である。また、受信回路１０６には、受信信号を増幅するための増幅器１１９が内蔵されている。増幅器１１９は、入力信号に応じて増幅度を変化させる機能を有する。さらに、受信回路１０６は、振幅判定回路１１１から判定結果を受け取り、超音波信号の受信信号の振幅値が基準の振幅値と一致するように、内蔵された増幅器１１９で受信信号を増幅させてフィルタ回路１０７に出力する。

（フィルタ回路）
フィルタ回路１０７は、受信回路１０６から増幅した受信信号を受け取り、受信信号に含まれるノイズを除去して、コンパレータ１０８及び振幅判定回路１１１に出力する回路である。

（コンパレータ）
コンパレータ１０８は、フィルタ回路１０７からノイズを除去した受信信号を入力して、アナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を伝播時間検出回路１０９に出力する素子である。コンパレータ１０８は、入力した受信信号の第４波目の立下りのゼロクロスポイントを検知してパルスを立ち上げ、次のゼロクロスポイントでパルスを立ち下げるように動作する。

（伝播時間検出回路）
伝播時間検出回路１０９は、コンパレータ１０８からの受信信号と送信回路１０５の送信信号を入力し、超音波振動子１０２、１０３による超音波信号の送信から受信までの伝播時間を検出する回路である。伝播時間検出回路１０９は、検出した超音波信号の伝播時間を、流量計測回路１１０及び脈動判定回路１１３に出力する。伝播時間検出回路１０９が検出する超音波信号の伝播時間には、超音波信号が上流側から下流側へと送られる場合の順方向の伝播時間と、反対に下流側から上流側へと送られる場合の逆方向の伝播時間とがある。

（流量計測回路）
流量計測回路１１０は、伝播時間検出回路１０９から順方向の伝播時間と逆方向の伝播時間を受け取り、これら２つの伝播時間差を求める。流量計測回路１１０は、求めた伝播時間差から流路１０１に流れる流体の流速を算出し、流速と流路１０１の断面積とを乗算することにより、流体の流量を求める。また、流量計測回路１１０は、求めた伝播時間差を標準偏差判定回路１１２に出力すると共に、求めた流体の流量を流量表示部（不図示）に出力する。

（標準偏差算出回路及び標準偏差判定回路）
標準偏差算出回路１２０は、流量計測回路１１０から伝播時間差を入力して、伝播時間差の標準偏差値を算出する。標準偏差判定回路１１２は、算出した伝播時間差の標準偏差値を、予め設定された基準値と比較して、伝播時間差の標準偏差値が基準値以下か否かを判定する。

標準偏差判定回路１１２は、標準偏差値が基準値を越えたと判定した場合、振幅判定回路１１１、脈動判定回路１１３及びＳＮ比判定回路１１４に基準値超過信号を出力する。これらの感度判定部である３つの回路１１１、１１３、１１４は、基準値超過信号を入力することで、動作を開始するようになっている。

（振幅判定回路）
振幅判定回路１１１は、超音波振動子１０２、１０３の受信信号の振幅値を判定する部分であって、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を受け取ることで動作を開始する。具体的には、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を受け取ると、フィルタ回路１０７からの受信信号の振幅値と、予め記憶された既定の振幅値とを比較して、受信信号の振幅値が既定の振幅値よりも大きいか否かを判定する。

振幅判定回路１１１では、既定の振幅値として、例えば、図４に示す受信信号Ｒｓの第４波の波高値Ｗｈを採用する。振幅判定回路１１１は、この波高値Ｗｈを基準値Ｖrとして、図示しない内蔵のデータ保持回路に保持するものとする。振幅判定回路１１１は、受信信号の振幅値に関する判定結果を、受信回路１０６及びＳＮ比判定回路１１４に出力する。

（脈動判定回路）
脈動判定回路１１３は、流体に発生する脈動を判定する部分であって、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を受け取ることで動作を開始する。脈動判定回路１１３は、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を受け取ると、標準偏差算出回路１２０が算出した標準偏差値の変動に周期性が存在するか否かで、流体の脈動を判定する。

（脈動周波数算出回路）
脈動判定回路１１３には、脈動周波数算出回路１１６と、周波数設定信号生成回路１１７が組み込まれている。脈動周波数算出回路１１６は、伝播時間検出回路１０９が出力する伝播時間の時系列データを取り込み、このデータから脈動発生の真の周波数である脈動周波数を算出する。

（周波数設定信号生成回路）
周波数設定信号生成回路１１７は、脈動周波数算出回路１１６から脈動周波数を受け取り、脈動周波数に基づき、超音波振動子１０２、１０３での繰り返し周波数を、脈動周波数の２〜５倍の周波数に設定する周波数設定信号を生成する。

すなわち、周波数設定信号とは、超音波振動子１０２、１０３での繰り返し周波数を、脈動周波数よりも、２〜５倍高速にするための信号である。既に述べたように、信号超音波振動子１０２、１０３での繰り返し周波数とは、超音波振動子１０２、１０３が相互に超音波信号の送受信を繰り返し行う時の超音波信号の周波数である。周波数設定信号生成回路１１７は、生成した周波数設定信号を送信信号設定回路１１５に出力する。

（ＳＮ比判定回路）
ＳＮ比判定回路１１４は、超音波信号の受信信号のＳＮ比を判定する部分であって、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を受け取ることで動作を開始する。具体的には、ＳＮ比判定回路１１４は、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を受け取ると、フィルタ回路１０７からの受信信号のＳＮ比を求め、前もって記憶した基準ＳＮ比と比較して、ＳＮ比の大きさを判定する。また、ＳＮ比判定回路１１４は、振幅判定回路１１１の判定結果を受け取る。

ＳＮ比判定回路１１４は、検出回数増加信号生成回路１１８を組み込んでいる。ＳＮ比判定回路１１４においてＳＮ比が基準ＳＮ比よりも小さいと判定し、且つ振幅判定回路１１１からの判定結果が受信信号の振幅値の方が既定の振幅値よりも大きいという場合、検出回数増加信号生成回路１１８は、検出回数増加信号を生成して、これを送信信号設定回路１１５に出力する。

検出回数増加信号とは、超音波振動子１０２、１０３間での超音波信号の送受信の繰り返しによる超音波信号の伝播時間の検出回数を、増加させる信号である。検出回数の増加回数は、ＳＮ比判定回路１１４や振幅判定回路１１１の判定結果などに基づいて適宜選択可能である。

（送信信号設定回路）
送信信号設定回路１１５は、脈動判定回路１１３の周波数設定信号生成回路１１７から周波数設定信号を、ＳＮ比判定回路１１４の検出回数増加信号生成回路１１８から検出回数増加信号を、それぞれ受け取る。送信信号設定回路１１５は、標準偏差判定回路１１２の判定した標準偏差値が基準値以下となるように、超音波振動子１０２、１０３に印加する送信信号の回数や周波数を設定し、設定した値を送信回路１０５に送る。

［作用］
第１の実施形態の作用について、図２〜図６を参照して説明する。図２は第１の実施形態にて送受信される信号の波形図である。以下では、上流側の超音波振動子１０２を超音波信号の送信側、下流側の超音波振動子１０３を超音波信号の受信側として説明する。送信回路１０５では、図２（ａ）に示すようなパルスを生成して、生成したパルスを送受信切替回路１０４を介して超音波振動子１０２に印加する。

超音波振動子１０２は、パルスの振幅の大きさに応じた音圧の超音波信号を、下流側の超音波振動子１０３に向けて出力する。超音波振動子１０２から出力された超音波信号は、流路１０１に流れる流体を媒体にして、その音速と距離Ｌおよび流体の流速Ｖで決まる伝播時間を要して、下流側の超音波振動子１０３に到達する。

超音波振動子１０３は超音波振動子１０２から超音波信号を受け取ると、図２（ｂ）に示すような電気信号の受信信号Ｒｓに変換して、送受信切替回路１０４を介して受信回路１０６に出力する。受信信号Ｒｓを、受信回路１０６に内蔵された増幅器１１９が増幅し、フィルタ回路１０７はノイズ成分を除去した後、コンパレータ１０８と振幅判定回路１１１に出力する。図２（ｂ）に示すＺｐは、受信信号Ｒｓの第４波目の立下りのゼロクロスポイント、Ｚｎはその次のゼロクロスポイントである。

コンパレータ１０８は、図２（ｃ）に示すように、受信信号Ｒｓの第４波目の立下りのゼロクロスポイントＺｐを検知してパルスが立ち上げ、次のゼロクロスポイントＺｎでパルスが立ち下げる。伝播時間検出回路１０９では、図２（ｄ）に示すように、図２（ａ）に示した送信回路１０５からの送信信号を入力して、その立ち上がりに同期して信号を立上げ、図２（ｃ）に示したコンパレータ１０９からの出力信号を入力して、その立ち上がりに同期して信号が立ち下げる。このときの信号のパルス幅Ｔが、超音波信号の送信から受信までの伝播時間である。伝播時間検出回路１０９は、このように検出した超音波信号の伝播時間を、流量計測回路１１０に出力する。

流量計測回路１１０では、順方向と逆方向それぞれの超音波信号の伝播時間を、複数回積算する。さらに、流量計測回路１１０では、積算値の伝播時間差から流路１０１内を流れる流体の流速を算出し、その流速と流路１０１の断面積とを乗算して、流体の体積流量を求める。流量計測回路１１０は、伝播時間差のデータを標準偏差算出回路１２０に出力する。

標準偏差算出回路１２０では、流量計測回路１１０から受け取った伝播時間差のデータを、複数個のデータ毎例えば１０個のデータ毎にまとめて、各データの標準偏差値σを求め、求めた標準偏差値σを時系列データとする。図３のグラフに示すように、伝播時間差の標準偏差値σは、時間の経過と共に変動する。

図３において、点線で示したＨｄは、任意に設定した標準偏差値σの基準値である。標準偏差判定回路１１２は、標準偏差算出回路１２０が求めた標準偏差値σが基準値Ｈｄ以上になった場合、振幅判定回路１１１、脈動判定回路１１３及びＳＮ比判定回路１１４に対して基準値超過信号を出力する。

（振幅判定回路及び増幅器の動作）
振幅判定回路１１１及び受信回路１０６の増幅器１１９の動作について図４を用いて説明する。標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を入力した振幅判定回路１１１は、図４に示した基準値Ｖｒと、フィルタ回路１０７からの受信信号Ｒｓの第４波の波高値とを比較して、その比較結果の信号を、受信回路１０６に内蔵する増幅器１１９に入力する。受信回路１０６の増幅器１１９は、入力信号に応じて増幅度を変化させる。

そのため、例えば、フィルタ回路１０７からの受信信号Ｒｓの第４波の波高値と基準値Ｖｒとが同等の場合、振幅判定回路１１１は受信回路１０６の増幅器１１９に対して、差の電圧０Ｖの信号を出力する。このとき、受信回路１０６の増幅器１１９は、０Ｖの入力電圧において、現在の増幅度に変更を行なわない。

また、振幅判定回路１１１に入力されるフィルタ回路１０７からの受信信号が、Ｒｓ-ａ（図４にて点線で示す）となって、その波高値Ｗｈ-ａが基準値Ｖｒと比較して低かったとする。この場合、振幅判定回路１１１は、波高値Ｗｈ-ａと基準値Ｖｒとの差分ΔＶａを求め、これを比較結果として受信回路１０６に送る。受信回路１０６の増幅器１１９は、差分ΔＶａの電圧信号を入力したことで増幅度を増加させ、フィルタ回路１０７からの受信信号Ｒｓ-ａの波高値Ｗｈ-ａは基準値Ｖｒと同等になる。

また、振幅判定回路１１１に入力されるフィルタ回路１０７からの受信信号が、Ｒｓ-ｂ（図４にて一点鎖線で示す）となって、その波高値Ｗｈ-ｂが基準値Ｖｒと比較して高かったとする。この場合も、上述の受信信号Ｒｓ−ａと同様に、振幅判定回路１１１は、波高値Ｗｈ-ｂと基準値Ｖｒとの差分ΔＶｂを求め、これを比較結果として受信回路１０６に送る。受信回路１０６の増幅器１１９は、差分ΔＶｂの電圧信号を入力したことで増幅度を減少させ、フィルタ回路１０７からの受信信号Ｒｓ-ｂの波高値Ｗｈ-ｂが基準値Ｖrと同等になる。

（脈動判定回路の動作）
脈動判定回路１１３の動作について図５を用いて説明する。脈動判定回路１１３は、標準偏差判定回路１１２から基準値超過信号を入力すると、標準偏差値の変動に周期性の有無を判定している。図５に示すように、標準偏差値σが周期ｔｓで変動している場合、脈動判定回路１１３は流体に脈動が発生していると判定する。脈動周波数算出回路１１６は、流体の脈動発生有りと判定した脈動判定回路１１３の判定結果を受けて、伝播時間検出回路１０９からの伝播時間の時系列データに基づき、脈動周波数を算出する。

この算出した脈動周波数に応じて、周波数設定信号生成回路１１７が周波数補正信号を生成し、周波数設定信号を送信信号設定回路１１５に出力する。送信信号設定回路１１５は、脈動判定回路１１３から周波数設定信号を受け取り、脈動周波数の２倍以上の周波数で、超音波振動子１０２、１０３間にて超音波信号の送受信を繰り返し行うように、超音波振動子１０２、１０３に印加する送信信号の回数や周波数を設定する。

（ＳＮ比判定回路の動作）
ＳＮ比判定回路１１４が標準偏差判定回路１１２からの基準値超過信号を入力すると、フィルタ回路１０７の出力信号のＳＮ比が基準のＳＮ比よりも小さいか否かを判定する。ＳＮ比判定回路１１４が、フィルタ回路１０７の出力信号のＳＮ比の方が基準のＳＮ比よりも小さいと判定し、且つ、振幅判定回路１１１から入力した判定結果が、受信信号の波高値が基準値Ｖｒより大きい場合には、検出回数増加信号生成回路１１８が検出回数増加信号を生成する。そして、検出回数増加信号生成回路１１８が検出回数増加信号を送信信号設定回路１１５に出力する。送信信号設定回路１１５で、は検出回数増加信号を受けたことで、超音波振動子１０２、１０３間での超音波信号の送受信の繰り返しによる超音波信号の伝播時間の検出回数を増加させる設定を行う。

［効果］
以上の構成を有する第１の実施形態では、標準偏差算出回路１２０が超音波信号の伝播時間差の標準偏差値を算出し、算出した標準偏差値が予め設定された基準値以下か否かを、標準偏差判定回路１１２が判定して、送信信号設定回路１１５は、標準偏差判定回路１１２の判定結果に基づいて、伝播時間差の標準偏差値が基準値以下となるように超音波振動子１０２、１０３に印加する送信信号を設定する。

超音波振動子１０２、１０３は、送信信号設定回路１１５の設定した送信信号に従って相互に超音波信号の送受信を行い、超音波信号の伝播時間差の標準偏差値は常に基準値以下になる。そのため、伝播時間検出回路１０９は、送信から受信に要する伝播時間を高い精度で検出することができる。

したがって、送受信感度など超音波振動子１０２、１０３の特性が変化して超音波信号の伝播時間の誤計測が起きている場合に、単に誤計測の発生をユーザに通知するのではなく、誤計測それ自体を回避することが可能である。その結果、第１の実施形態では流量計測回路１１０において、伝播時間差を正確に求めることができ、流体の流量値に変化やばらつきが生じることがない。このような第１の実施形態によれば、優れた測定精度を安定して発揮することができ、信頼性が向上する。

（受信信号の振幅低下対策）
伝播時間の誤計測については、ノイズ混入などによるＳＮ比の低下や、超音波振動子１０２、１０３における受信信号の振幅低下、さらには流体における脈動の発生など、種々の原因が考えられる。そこで、超音波流量計において伝播時間の誤計測を防ぐためには、原因に応じた対策を施すことが重要である。例えば、受信信号の振幅低下を原因とした伝播時間の誤計測について、図６の波形図を用いて説明する。図６は、図２（ｂ）のＰで示した部分の時間を拡大した図である。

図６に示すように、受信信号の振幅に違いが生じると、受信信号Ｒｓ、Ｒｓ−ａ、Ｒｓ-ｃは、それぞれ傾きが変化して、コンパレータ１０８のゼロクロスポイントＺｐの時間的位置が変移する。そのため、コンパレータ１０８の立上り位置が変化して、超音波信号の送受信に要する伝播時間が変化することになる。つまり、超音波振動子１０２が超音波信号を送信してから、超音波振動子１０３が超音波信号を受信してコンパレータ１０８がアナログの受信信号をデジタル信号に変換するまでの到達時間が変化する。その結果、超音波信号の伝播時間が誤って計測されることになる。

そこで、第１の実施形態では、振幅判定回路１１１が、フィルタ回路１０７からの受信信号の振幅値と、予め記憶された既定の振幅値とを比較し、既定の振幅値に対する受信信号の振幅値の大きさを判定して、判定結果を、受信回路１０６に出力する。このとき、既定の振幅値としては、受信信号Ｒｓの第４波の波高値Ｗｈを採用している。第４波は振幅及びＳＮ比が大きく、ゼロクロスポイントが変移し難いので、伝播時間の変化による測定精度に影響を抑えることができる。

受信回路１０６では、増幅器１１９が基準値Ｖｒと受信信号の波高値との差分の大きさに基づいて、増幅度の増加又は減少させる制御を行う。そのため、超音波振動子１０２、１０３の感度低下などによって受信信号の振幅が低下しても、受信信号の増幅度を適正に補正して、受信信号の波高値を常に一定にすることが可能である。

したがって、伝播時間検出回路１０９は送信から受信に要する伝播時間を高い精度で検出することができ、超音波信号の伝播時間の誤計測を回避することが可能である。その結果、流量計測回路１１０において、伝播時間差を正確に求めることができ、流体の流量値に変化やばらつきが生じることなく、超音波流量計は優れた測定精度を安定して発揮することができる。

（脈動対策）
超音波流量計では流体に脈動が発生した場合、脈動による流速変動を生じるため、伝播時間の誤計測が起きる。そこで、第１の実施形態では、脈動判定回路１１３が、標準偏差算出回路１２０が算出した標準偏差値の変動に周期性が存在するか否かで、流体の脈動を判定する。そして、脈動周波数算出回路１１６が脈動周波数を算出して、周波数設定信号生成回路１１７が周波数設定信号を生成する。

周波数設定信号は、超音波振動子１０２、１０３での繰り返し周波数を、脈動周波数の２〜５倍の周波数に設定する信号なので、これを受けた送信信号設定回路１１５は、超音波振動子１０２、１０３間で送受信される超音波信号の繰り返し周波数を、脈動周波数の２〜５倍に高速化させる。そのため、流体に脈動が発生しても、脈動による流速変動を正確に測定することができ、しいては流量の測定精度を高めることが可能となる。

（ＳＮ比低下対策）
超音波流量計では、ＳＮ比が低下すると、ゼロクロスポイントの時間的な位置が変移するので、受信信号の振幅低下の場合と同様、超音波信号の送受信に要する伝播時間が変化して、超音波信号の伝播時間の誤計測が余儀なくされた。

そこで、第１の実施形態では、ＳＮ比判定回路１１４によってフィルタ回路１０７の出力信号のＳＮ比が基準のＳＮ比よりも小さいと判定し、且つ、振幅判定回路１１１から入力した判定結果が、受信信号の波高値が基準値Ｖｒより大きい場合には、ＳＮ比判定回路１１４は検出回数増加信号を送信信号設定回路１１５に出力する。

検出回数増加信号を受けた送信信号設定回路１１５は、超音波振動子１０２、１０３間での超音波信号の送受信の繰り返しによる超音波信号の伝播時間の検出回数を増加させる。超音波信号の伝播時間の検出回数が増加すれば、伝播時間差の標準偏差は検出回数の平方根に反比例して小さくなる。例えば、検出回数を１回から２５回に増やせば、伝播時間差の標準偏差は１／５に向上する。標準偏差が小さくなれば、伝播時間差の標準偏差値σも小さくなり、超音波流量計における測定精度は向上する。

また、第１の実施形態では、検出回数増加に際して、受信信号の波高値が基準値Ｖｒより大きい場合は、振幅判定回路１１１の比較結果を参照している。その理由は、受信信号の波高値が基準値Ｖｒより大きい場合、受信信号の振幅が大きいにも関わらずにＳＮ比が低減するからである。このようにＳＮ比が低減した場合、超音波信号の伝播時間の検出回数を増加させることで標準偏差値σを小さくし、測定精度の向上を図ることが可能である。

以上述べたように、第１の実施形態では、超音波振動子１０２、１０３の感度判定部として、振幅判定回路１１１、脈動判定回路１１３及びＳＮ比判定回路１１４を備えている。そのため、第１の実施形態によれば、伝播時間の誤計測の原因と考えられる受信信号の振幅低下、脈動の発生、またはＳＮ比の低下を検知、超音波振動子１０２、１０３の送受信感度について判定することができる。

したがって、第１の実施形態では、伝播時間の誤計測の原因がどこにあるのかを把握した上で、伝播時間差の標準偏差値が基準値以下となるように、超音波振動子１０２、１０３に印加する送信信号を的確に設定することが可能であり、伝播時間の誤計測を確実に防ぐことができる。

しかも、第１の実施形態では、超音波振動子１０２、１０３の感度判定部である振幅判定回路１１１、脈動判定回路１１３及びＳＮ比判定回路１１４がいずれも、標準偏差判定回路１１２が基準値よりも標準偏差値の方が大きいと判定してから、動作を開始している。つまり、各回路の動作開始は動作が必要となったタイミングからでよく、上記の感度判定部を常時動作させる場合に比べて、消費電力を格段に低減させることができる。これにより、超音波流量計に組み込まれたバッテリーの寿命を長持ちさせることが可能となり、省エネに寄与することができる。

［２］他の実施形態
上記の実施形態は、一例であって、発明の範囲を限定するものではなく、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上述した例では、超音波信号の伝播時間の受信ポイントとなるゼロクロスポイントを、第４波としたが、第３波や第５波であってもよい。ただし、第１波や第２波または第６波以降の受信信号は、振幅が小さくＳＮ比も小さいので、ゼロクロスポイントの対象波形とはしないものとする。また、脈動判定回路１１３の周波数設定信号生成回路１１７が生成する周波数設定信号に関しては、上記実施形態では、脈動周波数の２倍以上から５倍程度までとしたが、５倍以上の周波数であっても良い。

１０１…流路
１０２…上流側の超音波振動子
１０３…下流側の超音波振動子
１０４…送受信切替回路
１０５…送信回路
１０６…受信回路
１０７…フィルタ回路
１０８…コンパレータ
１０９…伝播時間検出回路
１１０…流量計測回路
１１１…振幅判定回路
１１２…標準偏差判定回路
１１３…脈動判定回路
１１４…ＳＮ比判定回路
１１５…送信信号設定回路
１１６…脈動周波数算出回路
１１７…周波数設定信号生成回路
１１８…検出回数増加信号生成回路
１１９…増幅器
１２０…標準偏差算出回路

Claims (10)

1. 流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて対向設置し、相互に超音波信号の送受信を行う一対の超音波振動子と、
   前記一対の超音波振動子間での上流側から下流側への超音波信号の伝播時間と、下流側から上流側への超音波信号の伝播時間を検出する伝播時間検出部と、
   前記伝播時間検出部が検出した上流側から下流側への超音波信号の伝播時間と、下流側から上流側への超音波信号の伝播時間との伝播時間差を求め、当該伝播時間差に基づいて前記流路を流れる流体の流量値を求める流量計測部と、
   前記伝播時間差の標準偏差値を算出する標準偏差算出部と、
   前記標準偏差算出部の算出した前記標準偏差値が予め決められた基準値以下となるように前記超音波振動子に印加する送信信号を設定する送信信号設定部と、
   を備えた超音波流量計。
2. 前記標準偏差算出部の算出した前記標準偏差値が予め設定された基準値以下か否かを判定する標準偏差判定部を備えた請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記超音波振動子の送受信感度を判定する感度判定部を備え、
   前記送信信号設定部は、前記感度判定部の判定結果に基づいて送信信号を設定するように構成した請求項１又は２に記載の超音波流量計。
4. 前記感度判定部は、前記標準偏差判定部が前記基準値よりも前記標準偏差値の方が大きいと判定した場合に、動作するように構成した請求項３に記載の超音波流量計。
5. 前記感度判定部として、超音波信号を受信する側の前記超音波振動子から超音波信号の受信信号を受け取り、予め記憶された基準振幅値と比較して当該受信信号の振幅値の大きさを判定する振幅判定部を備えると共に、
   前記振幅判定部から判定結果を受け取り、超音波信号の受信信号の振幅値が前記基準振幅値と一致するように受信信号の増幅度を増減させる受信部と、
   を備えた請求項３又は４に記載の超音波流量計。
6. 前記振幅判定部は、前記基準振幅値として超音波信号の受信信号の第４波の波高値を記憶するように構成した請求項５に記載の超音波流量計。
7. 前記感度判定部として、前記標準偏差値の変動に周期性があるか否かにより前記流体の脈動を判定する脈動判定部を備え、
   前記脈動判定部には、
   前記流体に脈動があると判定した場合に、超音波信号の伝播時間に基づいて脈動発生の真の周波数である脈動周波数を求める脈動周波数算出部と、
   前記超音波振動子にて相互に超音波信号の送受信を複数回行って前記超音波振動子間での超音波信号の伝播時間を検出する際に用いる前記超音波振動子での繰り返し周波数を、前記脈動周波数よりも高速にする周波数設定信号を生成し、当該周波数設定信号を前記送信信号設定部に出力する周波数設定信号生成部と、
   を設けた請求項３〜６のいずれかに記載の超音波流量計。
8. 前記周波数設定信号は、前記超音波振動子での繰り返し周波数を、前記脈動周波数の２〜５倍の周波数に設定する信号である請求項７に記載の超音波流量計。
9. 前記感度判定部として、超音波信号の受信信号のＳＮ比が予め設定された基準ＳＮ比よりも小さいか否かを判定するＳＮ比判定部を備え、
   前記ＳＮ比判定部には、
   前記ＳＮ比判定部が超音波信号の受信信号のＳＮ比が前記基準ＳＮ比よりも小さいと判定した場合に、当該判定に基づいて、超音波信号の送信と受信との繰り返しによる超音波信号の伝播時間の検出回数を増加させる検出回数増加信号を生成し、当該検出回数増加信号を前記送信信号設定部に出力する検出回数増加信号生成部を設けた請求項３〜８のいずれかに記載の超音波流量計。
10. 前記検出回数増加信号生成部は、前記振幅判定部が前記基準値よりも前記標準偏差値の方が大きいと判定した場合に、前記検出回数増加信号を生成するように構成した請求項９に記載の超音波流量計。

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