JP2023010248A - 超音波流量計及び流量演算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能とする。
【解決手段】超音波センサ２により受信された受信信号を取得する受信信号取得部４０１と、超音波センサ３により受信された受信信号を取得する受信信号取得部４０２と、受信信号取得部４０１及び受信信号取得部４０２による取得結果に基づいて、一対の超音波センサ２，３における超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部４０７とを備え、ゼロクロス点計測部４０３は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ３における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、ゼロクロス点計測部４０４は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ２における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、超音波を用いて流量の計測を行う超音波流量計及び流量演算方法に関する。

従来、一対の超音波センサにより送受信される超音波の伝播時間差に基づいて、測定対象である流体の流量を計測する超音波流量計が知られている。
この超音波流量計として、ゼロクロス方式の超音波流量計が知られている。ゼロクロス方式の超音波流量計では、受信信号が閾値を超えた後、受信信号のゼロクロス点を予め定められた数だけ検出し、検出したゼロクロス点までの超音波の伝搬時間を計時し、計測した伝搬時間に基づいて流体の流量を求める。

このような超音波流量計では、伝搬時間差の計測の際に、受信信号の強度又は受信回路が受ける電気的雑音（ノイズ）の影響により、計測誤差が生じる場合がある。

実際の超音波流量計の使用環境では、電源電圧の変動、装置の劣化、周囲温度、又は、計測対象である流体の組成の変化等が想定され、これらの外部要因に応じて超音波の送受信号の強度が変化する。また、設置環境によっては、計測信号に電気的雑音の影響が生じる場合があり、信号対ノイズ比は一定ではない。

特に、電池で長期間動作させる必要がある場合等に、計測精度を維持すること、及び、省電力であることの両立が要求される。

これに対し、特許文献１には、上流から下流への送信若しくは下流から上流への送信の伝搬時間を計測する計測回路と、流路内の流体の種類を判定する流体判別手段と、計測回路の定数を流体判別手段の値によって変更する回路定数補正手段とを有する超音波流量計が示されている。この超音波流量計では、流体の変化に伴って計測装置の状態を適切に保って流量を高精度で計測することができる。

また、特許文献２には、超音波の受信後に再度送信する繰り返し手段と、上流から下流への送信若しくは下流から上流への送信の繰り返し中の積算時間を計測する計時手段と、受信器の信号レベルに応じて繰り返し手段の回数を変更する回数設定手段とを備えた超音波流量計が示されている。この超音波流量計では、超音波の受信感度に応じて繰り返し回数を変化させ流量を高精度で計測することができる。

特許第４２９２６２０号 特許第４３６２８９０号

特許文献１に開示された超音波流量計では、受信感度が小さい流体と予想される状況において、超音波送信の駆動波数を多くすることにより受信感度を高くし、流量の計測精度を高めている。しかしながら、この超音波流量計では、超音波送信の駆動波数の増加に伴って受信時間及び消費電流が増加することに対する対処方法は考慮されていない。また、この超音波流量計では、駆動波数を増やすことによるセンサ特性差による伝搬時間差の計測誤差の増大についても考慮されていない。

また、特許文献２に開示された超音波流量計では、受信信号の強度を指標として、信号レベル低下時に送受信回数を増やすことで精度向上を図っている。しかしながら、この超音波流量計では、送受信回数を増やすことによる計測回路の立上げ、及び、データ送信の回数に比例した消費電流の増加が問題となる。

ここで、省電力を目指す場合には、特に、時間当たりの超音波の送受信回数の低減、及び、一回毎の送受信動作における受信回路の動作時間の短縮が、重要となる。
また、計測精度を高めたい場合には、信号雑音比の高い状態で受信を行う、又は、送受信回数を増やす等の方式が考えられる。しかしながら、受信回路の動作時間及び動作回数の増加は、消費電流の増加につながる。
また、超音波送信の駆動波数を増やすと、受信信号の後半部分の振幅が増大するので、信号雑音比は改善する反面、超音波センサの特性差、個体差の影響が大きく出る傾向があり、温度又は超音波センサの個体差に依存した計測誤差の発生が問題となる。

なお、超音波流量計における信号雑音比とノイズとの関係の一例について、図１０を参照しながら説明する。図１０では、３点のゼロクロス点の時間計測（ＺＣ１～ＺＣ３）を行った場合を示している。
図１０Ａは信号雑音比が高い場合でのゼロクロス点の時間計測を示している。この図１０Ａに示すように、信号雑音比が高い場合、ノイズが小さく、超音波の送受信強度は高くなる。すなわち、この場合、計測値に含まれるノイズ由来のランダムなばらつき（偶然誤差）は小さくなる。
一方、図１０Ｂは信号雑音比が低い場合でのゼロクロス点の時間計測を示している。この図１０Ｂに示すように、信号雑音比が低い場合、ノイズが大きく、超音波の送受信強度が低くなる。すなわち、この場合、計測値に含まれるノイズ由来のランダムなばらつき（偶然誤差）は大きくなる。よって、図１０Ｂの場合には、ゼロクロス点の時間の計測値が、ノイズの影響でランダムにばらついてしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能である超音波流量計を提供することを目的としている。

この発明に係る超音波流量計は、超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第１の受信信号取得部と、超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第２の受信信号取得部と、第１の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第１のゼロクロス点計測部と、第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第２のゼロクロス点計測部と、第１のゼロクロス点計測部による計測結果と第２のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出する時間差算出部と、時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する流量演算部と、第１の受信信号取得部及び第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、一対の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部とを備え、第１のゼロクロス点計測部は、駆動波数制御部により他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、第２のゼロクロス点計測部は、駆動波数制御部により一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行うことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能となる。

実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。 実施の形態１における演算部の構成例を示す図である。 実施の形態１における演算部による駆動波数制御例を示すフローチャートである。 実施の形態１における演算部による流量演算動作例を示すフローチャートである。 図５Ａ、図５Ｂは、実施の形態１における演算部の動作の具体例（駆動波数制御前の状態）を示す図であり、図５Ａは超音波の受信波形を示し、図５Ｂは超音波の送信波形を示している。 図６Ａ、図６Ｂは、実施の形態１における演算部の動作の具体例（駆動波数制御後の状態）を示す図であり、図６Ａは超音波の受信波形を示し、図６Ｂは超音波の送信波形を示している。 実施の形態２における演算部の構成例を示す図である。 実施の形態２における演算部による流量演算動作例を示すフローチャートである。 ゼロクロス点毎の時間差におけるゼロ点のドリフトを説明するための図である。 図１０Ａ、図１０Ｂは、超音波流量計における信号雑音比とノイズとの関係の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
超音波流量計は、超音波を用いて流体に対する計測を行う。この超音波流量計は、図１に示すように、測定管１、超音波センサ２、超音波センサ３及び演算部４を備えている。

測定管１は、内部に測定対象である流体が流れる円筒状部材である。

超音波センサ２は、測定管１の側壁における上流側に取付けられ、測定管１内で超音波センサ３との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波センサ２は、測定管１内で下流側（超音波センサ３）に対して超音波を送信し、下流側（超音波センサ３）からの超音波を受信信号として受信する。

超音波センサ３は、測定管１の側壁における下流側に取付けられ、測定管１内で超音波センサ２との間で超音波の送受信を行う超音波トランスデューサである。すなわち、超音波センサ３は、測定管１内で上流側（超音波センサ２）に対して超音波を送信し、上流側（超音波センサ２）からの超音波を受信信号として受信する。

なお、超音波センサ２及び超音波センサ３の位置関係は、超音波センサ２及び超音波センサ３で用いられる超音波の伝搬経路に応じて設計される。

演算部４は、超音波センサ２による送受信結果及び超音波センサ３による送受信結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を演算する。

この演算部４は、図２に示すように、受信信号取得部（第１の受信信号取得部）４０１、受信信号取得部（第２の受信信号取得部）４０２、ゼロクロス点計測部（第１のゼロクロス点計測部）４０３、ゼロクロス点計測部（第２のゼロクロス点計測部）４０４、時間差算出部４０５、流量演算部４０６及び駆動波数制御部４０７を備えている。

なお、演算部４は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

受信信号取得部４０１は、超音波センサ２により受信された受信信号を取得する。なお、受信信号取得部４０１は、超音波センサ２から取得した受信信号を増幅する機能（アンプ）を有している。

受信信号取得部４０２は、超音波センサ３により受信された受信信号を取得する。なお、受信信号取得部４０２は、超音波センサ３から取得した受信信号を増幅する機能（アンプ）を有している。

ゼロクロス点計測部４０３は、受信信号取得部４０１による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。ゼロクロス点計測部４０３は、上記の処理を、複数の受信信号毎（単位計測工程毎）に実施する。
なお、例えば図５に示すように、ゼロクロス点は、受信の開始後、受信信号の強度が閾値（閾値電圧）を超えた後に当該受信信号の強度がゼロとなる点である。なお、このゼロクロス点は、通常、受信信号の受信開始点から当該受信信号が最大振幅となる点までに生じた点が計測対象とされる。図５において、図５Ｂは超音波の送信波形を示し、図５Ａは超音波の受信波形（受信信号の波形）を示している。また、図５において、符号５１はゼロクロス点を示している。また、ゼロクロス点計測部４０３が１回の単位計測工程において、時間の計測を行うゼロクロス点の数は、事前に設定される。また、単位計測工程の回数は、事前に設定される。
なお、ゼロクロス点計測部４０３は、受信信号取得部４０１により取得された受信信号（増幅後の受信信号）を閾値と比較する機能（コンパレータ）を有している。

また、ゼロクロス点計測部４０３は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ３における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点（前半ゼロクロス点）の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点（後半ゼロクロス点）の時間計測を行う。休止時間は、超音波センサ３により送信される超音波の周波数及び駆動波数に基づいて設定される。

なお、前半ゼロクロス点は、受信信号の受信開始点から当該受信信号が最大振幅となる点までに生じた複数個のゼロクロス点を時間順に並べた際に、受信開始点に近い１つ以上のゼロクロス点を指す。
また、後半ゼロクロス点は、受信信号の受信開始点から当該受信信号が最大振幅となる点までに生じた複数個のゼロクロス点を時間順に並べた際に、受信開始点から遠い１つ以上のゼロクロス点を指し、前半ゼロクロス点より後に生じたゼロクロス点である。

ゼロクロス点計測部４０４は、受信信号取得部４０２による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。ゼロクロス点計測部４０４は、上記の処理を、複数の受信信号毎（単位計測工程毎）に実施する。
なお、ゼロクロス点計測部４０４が１回の単位計測工程において、時間の計測を行うゼロクロス点の数は、事前に設定される。また、単位計測工程の回数は、事前に設定される。
なお、ゼロクロス点計測部４０４は、受信信号取得部４０２により取得された受信信号（増幅後の受信信号）を閾値と比較する機能（コンパレータ）を有している。

また、ゼロクロス点計測部４０４は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ２における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点（前半ゼロクロス点）の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点（後半ゼロクロス点）の時間計測を行う。休止時間は、超音波センサ２により送信される超音波の周波数及び駆動波数に基づいて設定される。

なお、受信信号取得部４０１，４０２及びゼロクロス点計測部４０３，４０４による動作は、１系統の回路で実現可能である。すなわち、順方向の送受信と逆方向の送受信とに応じて、上記回路と超音波センサ２，３の接続が切替えられることで、上記の動作を実現可能である。

時間差算出部４０５は、ゼロクロス点計測部４０３による計測結果とゼロクロス点計測部４０４による計測結果との時間差を算出する。この際、まず、時間差算出部４０５は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０３による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。同様に、時間差算出部４０５は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０４による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。そして、時間差算出部４０５は、ゼロクロス点毎に上記２つの平均値の差分を算出することで、各ゼロクロス点での時間差を算出する。

流量演算部４０６は、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を算出する。流量演算部４０６の動作原理は、従来の流量演算の原理を採用可能であり、その説明を省略する。

駆動波数制御部４０７は、超音波センサ２及び超音波センサ３における超音波送信の駆動波数を制御する。この駆動波数制御部４０７は、受信信号取得部４０１により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、超音波センサ３における超音波送信の駆動波数を増やすように超音波センサ３を制御する。また、駆動波数制御部４０７は、受信信号取得部４０２により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、超音波センサ２における超音波送信の駆動波数を増やすように超音波センサ２を制御する。

次に、図２に示す実施の形態１における演算部４の動作例について説明する。
まず、図２に示す実施の形態１における演算部４による駆動波数制御例について、図３を参照しながら説明する。

図２に示す実施の形態１における演算部４による駆動波数制御例では、図３に示すように、まず、受信信号取得部４０１は、超音波センサ２により受信された受信信号を取得する（ステップＳＴ３０１）。

次いで、駆動波数制御部４０７は、受信信号取得部４０１により取得された受信信号について、強度が閾値以下であるか又はノイズが閾値以上であるかを判定する（ステップＳＴ３０２）。

このステップＳＴ３０２において、駆動波数制御部４０７が、強度が閾値より大きく且つノイズが閾値未満であると判定した場合、シーケンスはステップＳＴ３０１に戻る。
一方、ステップＳＴ３０２において、駆動波数制御部４０７は、強度が閾値以下であると判定した場合又はノイズが閾値以上であると判定した場合、超音波センサ３における超音波送信の駆動波数を増やすように超音波センサ３を制御する（ステップＳＴ３０３）。

なお上記では、駆動波数制御部４０７が、超音波センサ３における超音波送信の駆動波数を制御する場合の動作例について説明したが、超音波センサ２における超音波送信の駆動波数を制御する場合の動作例についても、受信信号取得部４０２により取得された受信信号を用いる点以外は上記と同様である。

次に、図２に示す実施の形態１における演算部４による流量演算動作例について、図４を参照しながら説明する。

図２に示す実施の形態１における演算部４による流量演算動作例では、図４に示すように、まず、受信信号取得部４０１及び受信信号取得部４０２は、受信信号を取得する（ステップＳＴ４０１）。
すなわち、受信信号取得部４０１は、超音波センサ２により受信された受信信号を取得する。
同様に、受信信号取得部４０２は、超音波センサ３により受信された受信信号を取得する。

次いで、ゼロクロス点計測部４０３及びゼロクロス点計測部４０４は、単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する（ステップＳＴ４０２）。
すなわち、ゼロクロス点計測部４０３は、単位計測工程毎に、受信信号取得部４０１による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。なお、ゼロクロス点計測部４０３は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ３における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半ゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。このように、超音波送信の駆動波数が増加された場合、ゼロクロス点計測部４０４は、後半ゼロクロス点については、受信信号における振幅の大きい部分のものを使用することで、信号雑音比を高めることができる。
同様に、ゼロクロス点計測部４０４は、単位計測工程毎に、受信信号取得部４０２による取得結果に基づいて、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する。なお、ゼロクロス点計測部４０４は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ２における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半ゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。このように、超音波送信の駆動波数が増加された場合、ゼロクロス点計測部４０４は、後半ゼロクロス点については、受信信号における振幅の大きい部分のものを使用することで、信号雑音比を高めることができる。

なお、ゼロクロス点計測部４０３及びゼロクロス点計測部４０４は、休止の有無に関わらず、時間計測の起点となる位置及び前半ゼロクロス点は同じ位置のものを使用することが望ましい。時間計測の起点となる位置及び前半ゼロクロス点として同じ位置のものを指定する方法としては、例えば特許文献３に開示された方法が挙げられるが、これに限らない。
特開２０２０－６３９７２号公報

図５では、ゼロクロス点計測部４０３及びゼロクロス点計測部４０４が、１回の単位計測工程において、１０点のゼロクロス点の時間を計測した場合を示している。また、単位計測工程の回数は、例えば３１回である。

なお、ゼロクロス点計測部４０３により計測された、ｋ回目の単位計測工程におけるｍ番目のゼロクロス点の時間を順ＺＣｍ（ｋ）と表す。
また、ゼロクロス点計測部４０４により計測された、ｋ回目の単位計測工程におけるｍ番目のゼロクロス点の時間を逆ＺＣｍ（ｋ）と表す。

次いで、時間差算出部４０５は、下式（１）に示すように、ゼロクロス点計測部４０３による計測結果とゼロクロス点計測部４０４による計測結果との時間差（ＺＣｍΔｔ）を算出する（ステップＳＴ４０３）。この際、まず、時間差算出部４０５は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０３による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。同様に、時間差算出部４０５は、ゼロクロス点毎に、ゼロクロス点計測部４０４による各単位計測工程での計測結果を平均化することで、平均値を算出する。そして、時間差算出部４０５は、ゼロクロス点毎に上記２つの平均値の差分を算出することで、各ゼロクロス点での時間差を算出する。
ＺＣｍΔｔ＝（Σ逆ＺＣｍ（ｋ）／ｋ）－（Σ順ＺＣｍ（ｋ）／ｋ） （１）

次いで、流量演算部４０６は、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を算出する（ステップＳＴ４０４）。この際、流量演算部４０６は、例えば従来手法を用いる場合、下式（２）に従って算出した時間差（Δｔ）に基づいて、流体の流量を算出可能である。
Δｔ＝ΣＺＣｍΔｔ／ｍ （２）

このように、実施の形態１に係る超音波流量計では、受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、超音波センサ２，３のうちの送信側の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を増やす。そして、実施の形態１に係る超音波流量計では、受信の際に、前半ゼロクロス点の時間計測が終了した後、計測を一旦休止して所定の周期が経過した後に、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。

そして、実施の形態１に係る超音波流量計は、上記の計測休止中において、メモリ（不図示）へのゼロクロス点の時間を示すデータの記録を停止し、また、受信回路（アンプ、コンパレータ及び電源回路等）への電流供給を停止することで、消費電流を低減可能となる。

次に、図２に示す実施の形態１における演算部４の動作の具体例について、図５，６を参照しながら説明する。なお図５，６では、演算部４が、前半ゼロクロス点を４点計測し、後半ゼロクロス点を６点計測する場合を示している。図５，６において、符号５２は前半ゼロクロス点の計測期間を示し、符号５３は後半ゼロクロス点の計測期間を示している。なお、図５，６におけるゼロクロス点の数及び波数は一例である。

図５は、駆動波数制御前の状態（通常の計測動作の場合）を示している。図５Ａは超音波の受信波形（受信信号の波形）を示し、図５Ｂは超音波の送信波形を示している。図５Ｂに示すように、超音波は、波数が５波の矩形波とされている。
この場合、図５Ａに示すように、演算部４は、途中で計測を休止することなく、前半ゼロクロス点の時間計測及び後半ゼロクロス点の時間計測を行う。

図５に対し、図６は、駆動波数制御後の状態（低信号状態での計測動作の場合）を示している。図６Ａは超音波の受信波形（受信信号の波形）を示し、図６Ｂは超音波の送信波形を示している。図６Ｂに示すように、超音波は、駆動波数制御前の５波に対して６波追加されて、波数が１１波の矩形波とされている。
この場合、図６Ａに示すように、演算部４は、まず、駆動波数制御前の場合と同様に、前半ゼロクロス点の時間計測を行う。その直後、演算部４は、所定の時間、計測を休止する。この際の休止時間は、例えば、駆動波数の増加数に応じた周期とする。図６では、波数が６波追加されているため、休止時間は６周期となる。その後、演算部４は、計測を再開し、後半ゼロクロス点の時間計測を行う。図６において、符号６１は休止期間を示している。

このように、実施の形態１に係る超音波流量計では、信号雑音比が低下して誤差が大きい状態が生じた際に、超音波送信の駆動波数を増やすことで計測精度を改善させ、系統誤差の影響が少ない超音波受信直後のゼロクロス点の時間を計測した後、計測を所定の時間休止し、信号雑音比が高く偶然誤差の影響を受け難い大振幅の信号が到達してからゼロクロス点の時間の計測を再開する。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計では、消費電流の低減と計測精度の向上を両立可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計は、超音波の送受信を行う一対の超音波センサ２，３のうちの超音波センサ２により受信された受信信号を取得する受信信号取得部４０１と、超音波センサ３により受信された受信信号を取得する受信信号取得部４０２と、受信信号取得部４０１による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するゼロクロス点計測部４０３と、受信信号取得部４０２による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するゼロクロス点計測部４０４と、ゼロクロス点計測部４０３による計測結果とゼロクロス点計測部４０４による計測結果との時間差を算出する時間差算出部４０５と、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する流量演算部４０６と、受信信号取得部４０１及び受信信号取得部４０２による取得結果に基づいて、一対の超音波センサ２，３における超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部４０７とを備え、ゼロクロス点計測部４０３は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ３における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、ゼロクロス点計測部４０４は、駆動波数制御部４０７により超音波センサ２における超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計は、従来に対し、計測精度を維持しつつ、消費電流の増加を回避可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る超音波流量計では、超音波センサ２，３における超音波送信の駆動波数を増やした際に生じ易い温度又は超音波センサ２，３の個体差による誤差を低減するための方法について説明する。

図７は実施の形態２における演算部４の構成例を示す図である。この図７に示す実施の形態２における演算部４では、図２に示す実施の形態１における演算部４に対し、平均値算出部（第１の平均値算出部）４０８、平均値算出部（第２の平均値算出部）４０９及び差分算出部４１０が追加され、流量演算部４０６の処理が変更されている。図７に示す実施の形態２における演算部４のその他の構成例は、図２に示す実施の形態１における演算部４の構成例と同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

平均値算出部４０８は、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、前半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する。

平均値算出部４０９は、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、後半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する。

差分算出部４１０は、平均値算出部４０８により算出された平均値と、平均値算出部４０９により算出された平均値との差分を、補正値として算出する。

流量演算部４０６は、時間差算出部４０５による算出結果及び差分算出部４１０による算出結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を算出する。この際、まず、流量演算部４０６は、時間差算出部４０５により算出された時間差を、差分算出部４１０により算出された補正値で補正する。そして、流量演算部４０６は、補正値で補正した時間差（補正後の時間差）に基づいて、流体の流量を算出する。流量演算部４０６の動作原理は、補正後の時間差を用いる点以外は、従来の流量演算の原理を採用可能であり、その説明を省略する。

次に、図７に示す実施の形態２における演算部４による流量演算動作例について、図８を参照しながら説明する。
ここで、一対の超音波センサ２，３は、センサ特性の差により、温度に伴って、流体計測で用いられる時間差（伝播時間差）のゼロ点がドリフトする現象がある。このドリフトの変動幅が所定の範囲内であれば、超音波流量計の計測精度は満たされる。一方、図９に示すように、上記流量計測で用いられる時間差をゼロクロス点毎に分解すると、時間軸における後ろのゼロクロス点になる程、温度変化による影響がより大きくなっていることがわかる。

そして、超音波流量計による流量計測において、前半ゼロクロス点の時間差だけを用いると、系統誤差（温度変化に伴うゼロ点のドリフト等）は小さくなるが、ＳＮが悪く、平均算出に使えるゼロクロス点の数も少なくなり、偶然誤差が大きくなってしまう。
一方、超音波流量計による流量計測において、後半ゼロクロス点の時間差を用いると、ＳＮはよく、偶然誤差は小さくなるが、系統誤差が大きくなってしまう。

そこで、実施の形態２に係る超音波流量計では、前半ゼロクロス点での時間差から系統誤差を定量し、その値を補正値として後半ゼロクロス点での時間差を補正した上で、流量計測を行う。これにより、実施の形態２に係る超音波流量計では、偶然誤差を低く抑えたまま、系統誤差を低減可能となる。

なお、図８に示すフローチャートのうち、ステップＳＴ８０１～８０３までの処理は、図４に示すステップＳＴ４０１～４０３までの処理と同様であり、その説明を省略する。

図７に示す実施の形態２における演算部４による流量演算動作例では、図８に示すように、平均値算出部４０８は、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、前半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する（ステップＳＴ８０４）。この際、例えば、平均値算出部４０８は、下式（３）に示すように、１番目から４番目のゼロクロス点での時間差の平均値（Δｔ＿ｆｏｒｗａｒｄ）を算出する。なお、平均値算出部４０８は、標準偏差を維持するため、上記の平均値の算出を複数回繰返して平均化することで、最終的な平均値（Δｔ＿ｆｏｒｗａｒｄ＿Ｎ）を算出してもよい。Ｎは、偶然誤差の影響を低減するのに十分な数とされる。
Δｔ＿ｆｏｒｗａｒｄ＝（ＺＣ１Δｔ＋ＺＣ２Δｔ＋ＺＣ３Δｔ＋ＺＣ４Δｔ）／４ （３）

次いで、平均値算出部４０９は、時間差算出部４０５による算出結果に基づいて、後半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する（ステップＳＴ８０５）。この際、例えば、平均値算出部４０９は、下式（４）に示すように、５番目から１０番目のゼロクロス点での時間差の平均値（Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ）を算出する。なお、平均値算出部４０９は、標準偏差を維持するため、上記の平均値の算出を複数回繰返して平均化することで、最終的な平均値（Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ＿Ｎ）を算出してもよい。Ｎは、偶然誤差の影響を低減するのに十分な数とされる。
Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ＝（ＺＣ５Δｔ＋ＺＣ６Δｔ＋ＺＣ７Δｔ＋ＺＣ８Δｔ＋ＺＣ９Δｔ＋ＺＣ１０Δｔ）／６ （４）

次いで、差分算出部４１０は、平均値算出部４０８により算出された平均値と、平均値算出部４０９により算出された平均値との差分を、補正値として算出する（ステップＳＴ８０６）。この際、上記の例では、下式（５）のように、差分算出部４１０は、５番目から１０番目のゼロクロス点での時間差の平均値から、１番目から４番目のゼロクロス点での時間差の平均値を差し引くことで、差分値（補正値）を算出する。この補正値は、後半ゼロクロス点での時間差における系統誤差を低減するための補正値である。
補正値＝Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ＿Ｎ－Δｔ＿ｆｏｒｗａｒｄ＿Ｎ （５）

次いで、流量演算部４０６は、時間差算出部４０５による算出結果及び差分算出部４１０による算出結果に基づいて、測定管１内における流体の流量を算出する（ステップＳＴ８０７）。この際、上記の例では、まず、流量演算部４０６は、下式（６）に示すように、５番目から１０番目のゼロクロス点での時間差の平均値から補正値を差し引くことで、補正後の５番目から１０番目のゼロクロス点での時間差の平均値（補正後Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ）を算出する。これにより、流量演算部４０６は、ＺＣ５Δｔ～ＺＣ１０Δｔの標準偏差を維持しつつ、ＺＣ５Δｔ～ＺＣ１０Δｔの温度特性をＺＣ１Δｔ～ＺＣ４Δｔの温度特性に近づくように補正することができる。そして、流量演算部４０６は、下式（７）に示すように、１番目から４番目のゼロクロス点での時間差の平均値、及び、補正後の５番目から１０番目のゼロクロス点での時間差の平均値の平均値を算出することで、補正後の時間差（補正後Δｔ）を算出する。そして、流量演算部４０６は、この補正後の時間差を用いて、流体の流量を演算する。
補正後Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ＝Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ－補正値 （６）
補正後Δｔ＝（Δｔ＿ｆｏｒｗａｒｄ＋補正後Δｔ＿ｂａｃｋｗａｒｄ）／２ （７）

なお上記では、一例として、演算部４が、５番目から１０番目のゼロクロス点での時間差と１番目から４番目のゼロクロス点での時間差との差を用いて補正値を得る場合を示した。しかしながら、これに限らず、演算部４は、他の前半ゼロクロス点での時間差と後半ゼロクロス点での時間差を用いて補正値を得てもよい。すなわち、演算部４が用いるゼロクロス点の数、前半ゼロクロス点に含めるゼロクロス点の数、及び、後半ゼロクロス点に含めるゼロクロス点の数は、上記の例に限らない。また、演算部４は、Ｒｉｓｅ－Ｆａｌｌペア（偶数個のゼロクロス点）の平均をとることで、基準電位（０点）のずれ及び信号強度（傾き）の変化に伴うゼロクロス点の誤差を緩和できる。

また、実施の形態２に係る超音波流量計は、上記に示した補正処理の有効又は無効を、測定管１を流れる流体の流量に応じて切替えるように構成されていてもよい。

このように、実施の形態２に係る超音波流量計では、前半ゼロクロス点での時間差と後半ゼロクロス点での時間差とを比較し、後半ゼロクロス点での系統誤差が前半ゼロクロス点での系統誤差と同じ水準になるように補正を行う。これにより、実施の形態２に係る超音波流量計では、全体の系統誤差を低減することが可能となる。その結果、実施の形態２に係る超音波流量計では、超音波センサ２，３における超音波の駆動波数を増やした際に生じ易い温度又は超音波センサ２，３の個体差による誤差を低減可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 測定管
２ 超音波センサ
３ 超音波センサ
４ 演算部
４０１ 受信信号取得部（第１の受信信号取得部）
４０２ 受信信号取得部（第２の受信信号取得部）
４０３ ゼロクロス点計測部（第１のゼロクロス点計測部）
４０４ ゼロクロス点計測部（第２のゼロクロス点計測部）
４０５ 時間差算出部
４０６ 流量演算部
４０７ 駆動波数制御部
４０８ 平均値算出部（第１の平均値算出部）
４０９ 平均値算出部（第２の平均値算出部）
４１０ 差分算出部

Claims (4)

1. 超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第１の受信信号取得部と、
   前記超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得する第２の受信信号取得部と、
   前記第１の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第１のゼロクロス点計測部と、
   前記第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測する第２のゼロクロス点計測部と、
   前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果と前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出する時間差算出部と、
   前記時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する流量演算部と、
   前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、前記一対の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を制御する駆動波数制御部とを備え、
   前記第１のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、
   前記第２のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う
   をことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記駆動波数制御部は、前記第１の受信信号取得部により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、前記他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を増やし、前記第２の受信信号取得部により取得された受信信号の強度が閾値以下となった場合又はノイズが閾値以上となった場合、前記一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を増やす
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記時間差算出部による算出結果に基づいて、前半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する第１の平均値算出部と、
   前記時間差算出部による算出結果に基づいて、後半ゼロクロス点での時間差の平均値を算出する第２の平均値算出部と、
   前記第１の平均値算出部による算出結果と前記第２の平均値算出部による算出結果との差分を、補正値として算出する差分算出部とを備え、
   前記流量演算部は、前記時間差算出部による算出結果及び前記差分算出部により算出された補正値に基づいて、測定対象である流体の流量を演算する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。
4. 第１の受信信号取得部が、超音波の送受信を行う一対の超音波センサのうちの一方の超音波センサにより受信された受信信号を取得するステップと、
   第２の受信信号取得部が、前記超音波センサのうちの他方の超音波センサにより受信された受信信号を取得するステップと、
   第１のゼロクロス点計測部が、前記第１の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するステップと、
   第２のゼロクロス点計測部が、前記第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、複数の単位計測工程毎に、送信の開始からゼロクロス点までの時間を複数回計測するステップと、
   時間差算出部が、前記第１のゼロクロス点計測部による計測結果と前記第２のゼロクロス点計測部による計測結果との時間差を算出するステップと、
   流量演算部が、前記時間差算出部による算出結果に基づいて、測定対象である流体の流量を演算するステップと、
   駆動波数制御部が、前記第１の受信信号取得部及び前記第２の受信信号取得部による取得結果に基づいて、前記一対の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数を制御するステップとを有し、
   前記第１のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記他方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行い、
   前記第２のゼロクロス点計測部は、前記駆動波数制御部により前記一方の超音波センサにおける超音波送信の駆動波数が増加された場合、前半のゼロクロス点の時間計測を行った後、計測を一旦休止した後に、後半のゼロクロス点の時間計測を行う
   ことを特徴とする超音波流量計による流量演算方法。

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