JP2007024681A - 超音波流体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波流体計測装置において、一対のトランスデューサ間における超音波の伝搬時間を正確に測定する。
【解決手段】 被験流体を流通させる測定管１１に設けられたケース１１２ａ内にトランスデューサ１２ａを収容し、このトランスデューサ１２ａの振動板１２１ｂが被験流体に接する面の反対側の面にヒータ１２１ｅを設けた。このヒータ１２１ｅへの供給電流が温度調整手段１３１ｍで制御され、振動板１２１ｂが所定の温度に調整されるので、温度に依存する振動板１２１ｂのばね定数を一定に保つことができ、その固有振動数の変動を抑制できる。よって、トランスデューサの受信周波数を一定に保つことができ、簡単な構成で被験流体に関する所定の演算の精度を維持することができる。また、トランスデューサの振動板１２１ｂの結露を防止し、超音波の受信障害を回避できる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、一対のトランスデューサから発射された超音波の受信波周波数を規定値に制御することで、被験流体に関する所定の演算の基礎となる超音波の伝搬時間を正確に測定する技術に関する。

従来、一対のトランスデューサを流れの方向にずらして配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサで受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサで受信されるまでの第２の伝搬時間を測定し、これら第１及び第２の伝搬時間をもとに、被験流体の流量等を算出する超音波流体計測装置が知られている。この超音波流体計測装置では、第１及び第２の伝搬時間を測定する際に、ゼロクロス点と呼ばれる、トランスデューサの出力電圧がゼロレベルを過ぎる時点を特定し、超音波が発射された時点からこのゼロクロス点までの時間を経過時間として測定する。受信側のトランスデューサに先頭波が到達した時点からゼロクロス点までの経過時間を検知遅れ時間として設定し、この検知遅れ時間を経過時間から減算して、伝搬時間を算出する。

ここで、検知遅れ時間は、常に一定ではなく、トランスデューサの振動板の固有振動数の製造上のばらつきや、使用環境（たとえば、温度）の相違等、種々の条件により変化する。検知遅れ時間が変化したにも拘わらず、一定の検知遅れ時間を保持することは、伝搬時間の検出誤差となり、延いては被験流体の流量等が正確に算出できなくなる。
このような検知遅れ時間の変化に対応した超音波流体計測装置として、次のものが知られている。すなわち、送信側のトランスデューサから超音波を発射するとともに、この送信側のトランスデューサの出力信号（トランスデューサは、送信時であっても自身の振動により出力信号を発生する。）における、第ｎ周期目の波のゼロクロス点を特定する。また、受信側のトランスデューサの出力信号における、対応する第ｎ周期目の波のゼロクロス点を特定し、これらの特定された２つのゼロクロス点間の時間を、伝搬時間として測定するものである（特許文献１）。
特開平０９−２６３４１号公報（段落番号００３１〜００３５）

しかしながら、この公知の超音波流体計測装置には、次のような実用上の問題がある。すなわち、この装置は、送信側及び受信側のトランスデューサの各出力信号に関してゼロクロス点を特定し、これらのゼロクロス間の時間を伝搬時間として測定することで、検知遅れ時間に生じた変化を相殺するものである。このため、双方の検知遅れ時間に等しい変化が生じていることが前提となるが、実際には、両者の変化が常に等しいとは限らない。同じ超音波流体計測装置内であっても、上流側及び下流側の各トランスデューサで製造上のばらつきがあり、固有振動数が異なる場合がある。また、使用環境によっては、一方のトランスデューサにのみ特性変化が現れる場合もあるからである。後者の例として、超音波流体計測装置を蒸気配管における流量測定に採用する場合が挙げられる。この場合は、特に下流側のトランスデューサの振動板に結露が生じ易く、上流側に比べ、下流側でトランスデューサの特性変化が顕著となる傾向がある。また、経年劣化による特性変化も双方のトランスデューサで等しいとは限らず、一方のトランスデューサで劣化が急速に進行する場合もある。双方の検知遅れ時間の変化に差が生じた場合は、上記の装置ではこの変化を相殺することができず、伝搬時間及び流量等に誤差を来す。

そこで、本発明は、簡単な構成でトランスデューサの振動板の固有振動数を一定に保つことで、一対のトランスデューサ間における超音波の伝搬時間を正確に測定し、測定管内の被験流体の流量等を正確に演算することができる超音波流体計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波流体計測装置は、被験流体を流通させる測定管と、この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、前記第１又は第２のトランスデューサのうち、少なくとも一方の振動板を所定の温度に調整する温度調整手段と、を含んで構成される。第１及び第２のトランスデューサの振動板は、温度調整手段により所定の温度に調整されるとともに、第１及び第２のトランスデューサからそれぞれ発射された超音波を受信側のトランスデューサで受信した時点を特定し、この特定した受信時点をもとに、第１又は第２のトランスデューサが超音波を発射してから受信側のトランスデューサに伝搬するまでの時間を測定し、この測定した伝搬時間をもとに、被験流体に関する所定の演算（たとえば、流量の算出）を行うようにした。

本発明によれば、前記温度調整手段によって、第１及び第２のトランスデューサの振動板が所定の温度に調整されるので、温度に依存する振動板のばね定数を一定に保つことができる。よって、振動板の固有振動数の変動が抑制されるので、トランスデューサの受信波周波数を一定に保つことができ、検出した超音波送受信間時間から、実際に被験流体中を伝播するのに有した伝播時間を算出する際の周波数変化を補正する演算及び補正係数が不要になる。したがって、簡単な構成で被験流体に関する所定の演算の精度を維持することができ、装置の小型化とローコスト化を図ることができる。また、補正演算誤差による計測誤差も改善することができる。更に、トランスデューサの振動板を所定の温度に調整することにより、該振動板の結露を防止し、超音波の受信障害を回避できるといった副次的効果も得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波流体計測装置（以下「計測装置」という。）１の構成を示している。本実施形態では、被験流体として、水素ガスを採用している。計測装置１を燃料電池のアノード配管に設置することで、燃料ガスとしての水素ガスの流量等を検出することができる。なお、本発明に係る計測装置１の測定対象は、アノード配管内の水素ガスに限られず、カソード配管内の空気をはじめ全ての流体組成に適用できる。

測定管１１は、被験流体の流量等の計測用通路を形成しており、軸方向の各端に形成されたフランジ１１１ａ，１１１ｂを介し、隣接する配管２，２に接続されている。上流側の配管２には、方向切換弁３が介装されており、測定管１１は、この方向切換弁３により配管２と、他の配管４とに選択的に接続されるように構成されている。他の配管４には、較正流体としての窒素ガスを充填したタンク５が接続されており、タンク５内の窒素ガスを測定管１１に流通させることができる。配管２は、図示しない燃料電池のアノード配管に接続されており、配管２を介して水素ガスを測定管１１に流通させることができる。なお、較正流体（すなわち、窒素ガス）は、後述する検知遅れ時間ｔｒの較正処理（較正時の受信波周波数ｆｒを同時に検出する。）において、計測装置１に供給される。なお、被験流体の組成（密度）変化量が少ない場合や、要求する計測精度の長期安定性が満足ゆく用途においては、製造時あるいは定期検査時にのみ較正流体を充填したタンク５を接続して較正作業を行うようにしても良い。

測定管１１は、管軸Ａｐに対し角度θを形成する軸（超音波伝搬線Ａｔに一致する。）を中心として、管軸方向にずれた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース１１２ａ，１１２ｂに、上流側トランスデューサ（「第１のトランスデューサ」に相当する。）１２ａと、下流側トランスデューサ（「第２のトランスデューサ」に相当する。）１２ｂと、が夫々収納されている。

これらのトランスデューサ１２ａ，１２ｂは、測定用の超音波Ｗｔを発生させる振動板を含んで構成され、コントロールユニット１３に接続されている。コントロールユニット１３は、伝搬時間測定部１３１及び流量・濃度演算部１３２を含んで構成され、各トランスデューサ１２ａ，１２ｂに対し、超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生させるとともに、発射された超音波Ｗｔを受信した各トランスデューサから出力された受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２を入力する。各トランスデューサ１２ａ，１２ｂは、コントロールユニット１３からの駆動信号を受け、超音波伝搬線Ａｔに沿って超音波Ｗｔを発射する。コントロールユニット１３は、入力した受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２をもとに、測定管１１を流れる水素ガスの流量Ｑ及び密度（濃度を示す。）ρを算出し、出力する。出力された流量Ｑ等は、図示省略のモニターに表示される。

ここで、計測装置１による流量Ｑ及び密度ρの検出原理について、図２を参照して説明する。
図２は、超音波の送信波Ｗｔ及び受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２の波形を示している。上流側トランスデューサ１２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔを発射した場合に下流側トランスデューサ１２ｂで得られる受信波をＷｒ１とし、また下流側トランスデューサ１２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔを発射した場合に上流側トランスデューサ１２ａで得られる受信波をＷｒ２としている。超音波Ｗｔが発射された後、受信信号（電圧Ｖで示す。）が所定のレベルＶｔｈに達した後の所定の時点（ここでは、最初の立下りのゼロクロス点）を受信時点ｔｄｉ（ｉ＝１，２）として特定する。つまり、受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２にはノイズが含まれており、しかも受信側のトランスデューサに最初に到達する超音波（以下「先頭波」という。）は振幅が小さいことから、先頭波の受信時点を正確に計測するのは困難であり、振幅が一定以上となるところを受信時点として特定する。また、受信側のトランスデューサが先頭波を受信してから、受信時点ｔｄｉが特定されるまでの時間を検知遅れ時間ｔｒｉとし、超音波Ｗｔが発射されてから先頭波が受信側のトランスデューサに到達するまでの時間を伝搬時間ｔｉとする。ここで、図１に示すように、水素ガス中における音速をＣｇ、水素ガスの流速をＶｇとし、また超音波Ｗｔの伝搬距離をＬｍとすると、超音波Ｗｔを順方向に発射したときと、逆方向に発射したときとで、これらの時刻ｔｄｉ及び時間ｔｒｉ，ｔｉの間には、下式（１）、（２）の関係が成り立つ。

ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ１ ・・・（１）
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ２ ・・・（２）
流量Ｑを検出する場合は、（１）及び（２）式から、音速Ｃｇを消去し、流速Ｖｇに関する次式（３）を得る。

Ｖｇ＝｛Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）｝×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（３）
（３）式により算出した流速Ｖｇを次式（４）に代入し、流量Ｑを算出する。なお、測定管１１の断面積をＡとし、測定管１１における流速分布係数をＫとする。
Ｑ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ ・・・（４）
他方、密度ρを検出する場合は、（１）及び（２）式から、流速Ｖｇを消去し、音速Ｃｇに関する次式（５）を得る。

Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（５）
（５）式により算出した音速Ｃｇを次式（６）に代入し、密度ρを算出する。なお、被験流体の比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、絶対温度をＴとする。
ρ＝γ×｛Ｒ×Ｔ／（２２．４×Ｃｇ²）｝ ・・・（６）
なお、図１に示す実施形態では、超音波伝搬線Ａｔを直線状に設定し、一対のトランスデューサ１２ａ，１２ｂを、管軸Ａｐを中心とした測定管１１の対向する両側の管壁に配置している。しかしながら、本発明によれば、このような配置に限らず、超音波伝搬線Ａｔを管壁上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサを測定管１１の片側のみに配置することもできる。

なお、前述の説明では、受信信号が所定のレベルＶｔｈに達した後の最初の立ち下がりのゼロクロス点を受信時点ｔｄｉとして特定したが、トランスデューサの出力が所定のレベルＶｔｈに達した時点を直接受信時点として特定してもよい。
ここで、本実施形態における超音波Ｗｔの伝搬時間の基本的な測定原理（検知遅れ時間ｔｒの補正を含む。）について、図３，４を参照して詳細に説明する。

計測装置１では、被験流体の流速Ｖｇ及び流量Ｑの演算において、超音波Ｗｔの各伝搬時間ｔ１，ｔ２の差分を採ることとしている（上記（３）式参照）。このため、被験流体に関する所定の演算の精度を確保するうえで伝搬時間ｔ１，ｔ２を正確に測定することが必要となる。空気等の音速が低い被験流体を採用する場合や、検知遅れ時間ｔｒに対し、伝搬時間ｔが充分に長い場合は別として、本実施形態のように、水素ガス等の音速が高いガスを被験流体として採用する場合や、超音波Ｗｔの伝搬距離Ｌｍが短い場合には、伝搬時間ｔの測定に際して検知遅れ時間ｔｒの変化の影響を無視することはできない。たとえば、トランスデューサの振動板に異物が付着して該振動板の固有振動数が変化し、検知遅れ時間ｔｒが変化したときは、この固有振動数の変化に応じて検知遅れ時間ｔｒを補正することが必要である。

図３は、送信波Ｗｔ及び受信波Ｗｒの波形を示している。また、図４は、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの周波数特性を示している。ここで、トランスデューサ１２ａ，１２ｂは、図５に示すように、測定管１１から筒状に膨出したトランスデューサケース１１２ａ内に収納されシール材１２１ｃで密封されており、超音波を送受信する振動板１２１ｂを含んで構成されている。この振動板１２１ｂの固有振動数ｆｒは、振動板１２１ｂのばね定数をｋとし、その等価質量をｍとすると、次式（７）により算出される。

ｆｒ＝（１／２π）×√（ｋ／ｍ） ・・・（７）
ここで、振動板１２１ｂに異物（たとえば、燃料ガスに含まれる加湿水蒸気の結露や、埃の付着による。）が付着したときには、その異物の質量に応じた分だけ振動板１２１ｂの等価質量ｍが見かけ上増加するので、図４に示すように、固有振動数ｆｒがより小さな値ｆｒ’に低下する。この振動板１２１ｂの固有振動数ｆｒが変化すると、図３に示すように、受信波Ｗｒは、その周期ｔｐが延長し、実線で示すＷｒから点線で示すＷｒ’に変化する。

図３において、特定される受信時点ｔｄは、先頭波Ｓ１の到達時点から所定の検知遅れ時間ｔｒが経過した時点として特定されるが、この検知遅れ時間ｔｒは、受信側のトランスデューサの振動板１２１ｂの固有振動数ｆｒ又は受信波Ｗｒの周期ｔｐの変化に伴って変化する。振動板１２１ｂに異物が付着して固有振動数ｆｒが低下した場合における受信時点ｔｄ’は、本来の受信時点ｔｄよりも固有振動数ｆｒの変化に応じた時間（以下「誤差時間」という。）δｔだけ遅れた時点として特定される。この誤差時間δｔは、受信時点ｔｄ’が特定されるまでに到達した波の数（以下「検知時交番数」という。）Ｎｒに応じ、次式（８）により算出される。

δｔ＝Ｎｒ×（１／ｆｒ’−１／ｆｒ） ・・・（８）
以上から、前回の較正後、固有振動数ｆｒの変化により実際の検知遅れ時間ｔｒが変化した場合は、受信時点ｔｄ’は次式（９）の関係となる。
ｔｄ’＝ｔｄ＋δｔ
＝（ｔ＋ｔｒ）＋δｔ ・・・（９）
従って、振動板１２１ｂの固有振動数ｆｒの変化による測定誤差を回避するためには、伝搬時間ｔの測定に際し、受信波Ｗｒからその実際の周波数（以下「受信波周波数」という。）ｆｒ’を検出して、誤差時間δｔを算出するとともに、算出した誤差時間δｔを検知遅れ時間ｔｒに加算する補正演算が必要になる。なお、補正係数となる検知時交番数Ｎｒは、較正時に検知遅れ時間ｔｒとともに設定され、較正時に得られる受信波周波数をｆｒとして、次式（１０）により算出される。

Ｎｒ＝ｔｒ×ｆｒ ・・・（１０）
本発明では、以上のような補正係数の記憶や、計測サンプリング毎に高速実行される補正演算や、さらにはトランスデューサの製造ばらつきを吸収するための較正作業をも省略して、簡単な構成にて補正演算と同様の効果を得ることができる。これについて、以下に説明する。

図６は、図１に示すコントロールユニット１３における伝搬時間測定部１３１、及び流量・濃度演算部１３２の構成を示すブロック図である。このコントロールユニット１３の構成について、図７に示すタイムチャートを参照しながら説明する。
本実施形態では、一対のトランスデューサ１２ａ，１２ｂから発射された超音波Ｗｔの受信波周波数を規定値に制御する機能をもたせ、簡単な構成で被験流体に関する所定の演算の基礎となる超音波の伝搬時間を正確に測定することとしている。また、コントロールユニット１３に対し、超音波Ｗｔの発射後、所定の禁止期間ｔｇが経過するまでの間、受信時点の特定を禁止する機能を持たせ、受信波Ｗｒに重畳したノイズにより誤った受信時点が特定されるのを防止することとしている。また、被験流体の音速等の変化による受信時点ｔｄ（又は検知時交番数Ｎｒ）のずれを補正する機能を持たせ、経過時間ｔｄの変化に後述する「折り返し」が生じた場合に、この折り返しによる伝搬時間ｔの測定誤差を回避することとしている。

図６に示す方向切替スイッチ１３１ａは、一方のトランスデューサ（例えば、上流側トランスデューサ１２ａ）を送信用に選択するとともに、他方の下流側トランスデューサ１２ｂを受信用に選択する。
送信駆動部１３１ｂは、送信用のトランスデューサ１２ａに対する駆動信号を発生させる。発生した駆動信号は、方向切替スイッチ１３１ａを介してトランスデューサ１２ａに出力されて、超音波Ｗｔが発射される。この超音波Ｗｔの発射時刻をｔ０とする（図７参照）。送信駆動部１３１ｂは、駆動信号を発生させるのと同時に、禁止期間設定部１３１ｃ及び経過時間測定部１３１ｆに対し、計時開始信号ｓｔａｒｔを出力する。

禁止期間設定部１３１ｃは、計測開始信号ｓｔａｒｔを受けると、受信検知部１３１ｄに対し、受信制御信号Ｓｇを出力する。この受信制御信号Ｓｇは、図７に示すように、所定の禁止期間ｔｇに亘り受信時点の特定を禁止する信号であって、禁止期間ｔｇはＬｏレベルに設定され、禁止期間ｔｇの経過後にＨｉレベルに切り換えられる。この受信制御信号ＳｇがＬｏレベルに設定されている間は、受信検知部１３１ｄによる受信時点の特定が禁止又は実質的に禁止され、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられることで、受信時点の特定が許可される。

本実施例の場合には、受信時点ｔｄは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルとなって受信時点の特定が許可された後における最初の立下りゼロクロス点Ａとして特定される。なお、禁止期間ｔｇは、図６に示す禁止期間記憶部１３１ｅに記憶されており、禁止期間設定部１３１ｃに読み込まれる。この禁止期間ｔｇの例として、受信波Ｗｒが定常化するまでの期間とすることができる。この場合は、受信波Ｗｒの振幅が最大値に達した時点で定常化したものとする。また、禁止期間ｔｇの他の例として、図７に示すように、受信波Ｗｒの周期毎の振幅変動量ΔＶｓ（＝Ｖｓ_n−Ｖｓ_n-1）がノイズ成分Ｗｎの振幅よりも充分に大きくなる（たとえば、２倍の大きさとなる。）までの期間を採用してもよい。さらに、他の例として、超音波Ｗｔが発射された後、受信信号が所定のレベルＶｔｈ（図２参照）に達した後の時点として設定すれば、受信時点ｔｄｉを禁止期間ｔｇとして特定することができる（このとき、図２と図７のタイムチャートは同等のものとみなせる）。

図６に示す受信検知部１３１ｄは、方向切替スイッチ１３１ａにより受信用に選択されたトランスデューサ１２ｂから受信信号Ｗｒを入力する。この受信検知部１３１ｄは、禁止期間設定部１３１ｃから入力した受信制御信号Ｓｇが禁止の解除を示すＨｉレベルに切り換えられるまで、受信信号Ｗｒを矩形信号Ｓｂに変換しつつ、受信時点の特定を保留する。また、受信検知部１３１ｄは、受信時点として、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられた後で、最初に得られた矩形信号Ｓｂ（＝Ｐ６）の立ち下がり点（以下「ゼロクロス点」という。）Ｂを特定するとともに、この特定したゼロクロス点Ｂにおいて、経過時間測定部１３１ｆに対し、計時終了信号ｓｔｏｐを出力する。

経過時間測定部１３１ｆは、計時開始信号ｓｔａｒｔの入力によりタイマーを作動させるとともに、計時終了信号ｓｔｏｐの入力によりタイマーを停止させ、この計時開始信号ｓｔａｒｔの入力から計時終了信号ｓｔｏｐの入力までの経過時間を測定し、その計時結果ｔｄを伝搬時間算出部１３１ｈに出力する。
他方、受信波周波数検出部１３１ｇは、受信側のトランスデューサの出力波形の周波数を受信波周波数として検出する受信波周波数検出手段となるもので、経過時間測定部１３１ｆにおける経過時間ｔｄの測定と並行して、受信検知部１３１ｄから矩形信号Ｓｂを入力し、この入力した矩形信号Ｓｂをもとに、受信波周波数ｆｒを検出する。すなわち、受信波周波数検出部１３１ｇは、単位時間当たりに入力した矩形信号Ｓｂの数を計数するか、あるいは矩形信号Ｓｂの入力周期ｔｐを算出するとともに、その逆数を算出して、受信波周波数ｆｒを検出する。そして、受信波周波数検出部１３１ｇは、検出した受信波周波数ｆｒを、検知遅れ時間設定部１３１ｉ、周期遷移補正部１３１ｊ及び起動判定部１３１ｋに出力する。

このとき、前記矩形信号Ｓｂを計数する範囲は、図７に示すように、前回の計測において算出された伝播時間ｔを引用して、超音波Ｗｔが発射された時刻ｔ０から伝播時間ｔが経過した時点までの期間とする。また、前記矩形信号Ｓｂを計数する範囲は、受信波Ｗｒの振幅がノイズ成分Ｗｎの振幅よりも大きくなる周期数（たとえば、Ｐ２）が経過してから受信特定時点ｔｄまでの期間を採用してもよい。また、図１に示す測定管１１に対し、被験流体（水素ガス）に代えて、タンク５から音速が既知の較正流体（窒素ガス）を流通して、所定の検知遅れ時間ｔｒを予め求めておき、この検知遅れ時間ｔｒの間に受信した周波数ｆｒを受信波周波数検出部１３１ｇで検出してもよい。

このような構成により、被験流体の流量Ｑ及び濃度ρの検出に無関係なノイズ成分Ｗｎの周波数の検出を防ぐことができ、周波数検出誤差を最小にすることができる。
また、図６に示す伝搬時間算出部１３１ｈは、入力した経過時間ｔｄと、検知遅れ時間ｔｒと、後述する周期遷移補正量ｔｃとをもとに、下式（１１）により伝搬時間ｔを算出し、この伝搬時間ｔを流量・濃度演算部１３２に出力する。

ｔ＝ｔｄ−ｔｒ−ｔｃ ・・・（１１）
なお、検知遅れ時間ｔｒは、後述する検知遅れ時間設定部１３１ｉで設定され、周期遷移補正量ｔｃは、後述する周期遷移補正部１３１ｊにより設定される。この検知遅れ時間ｔｒ及び周期遷移補正量ｔｃは、ともに伝搬時間算出部１３１ｈに読み込まれる。
検知遅れ時間設定部１３１ｉは、後述する較正処理に従い更新された検知遅れ時間ｔｒを保持する。

周期遷移補正部１３１ｊは、入力した伝搬時間ｔｄ、禁止期間ｔｇ及び受信波周波数ｆｒをもとに、周期遷移補正量ｔｃを算出する。
ここで、周期遷移補正部１３１ｊの動作について説明する。
周期遷移補正部１３１ｊは、経過時間ｔｄの変化に折り返し（以下、単に「折り返し」という。）が生じたことで、１周期以上の誤差を含んでゼロクロス点を特定した場合に、この誤差を補償するための周期遷移補正量ｔｃを算出する。周期遷移補正部１３１ｊは、経過時間ｔｄ及び禁止期間ｔｇをもとに、折り返しが生じたことを検出し、これを検出したときは、その方向に応じた周期遷移補正量ｔｃを算出し、伝搬時間算出部１３１hに出力する。

ここで、経過時間ｔｄの変化の折り返しについて、図７に示すタイムチャート（順方向に超音波を発射したものとする。）により説明する。
本実施例では、受信波Ｗｒのうち、６周期目の波Ｓ６を対象とし、その減少方向のゼロクロス点Ｂを受信時点として特定している。まず、１回目の計測において、受信制御信号Ｓｇがこの波Ｓ６の到達時点以前にＨｉレベルに切り換えられ、ゼロクロス点Ｂの特定が許可されている。矩形信号Ｓｂは、波Ｓ６の到達に伴いＨｉレベルに遷移し、その後のゼロクロス点ＢでＬｏレベルに遷移している。このため、矩形信号Ｓｂのうち、最初の立ち下がり点を検出することで、正しいゼロクロス点Ｂを特定することができる。次の計測では、被験流体の音速が高くなるか、あるいは流量Ｑが増大し、受信波Ｗｒの位相が前回の計測時よりも早まっているものとする。この場合は、音速等の変化量に応じ、測定される経過時間ｔｄは短くなるのが通常である。ところが、音速等の変化が大きく、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる時点が本来のゼロクロス点Ｂよりも遅くなったとすると、この本来のゼロクロス点Ｂ後にゼロクロス点の特定が許可されるため次の７周期目の波Ｓ７に対応する矩形信号Ｐ７でゼロクロス点Ｃが特定されることとなり、測定された経過時間ｔｄ’には、１周期分の誤差（＝ｔｃ）が含まれることとなる。このように経過時間ｔｄが本来の方向とは逆に変化することを、折り返しという。

周期遷移補正部１３１ｊは、経過時間ｔｄ及び禁止期間ｔｇの差ｔｍ（＝ｔｄ−ｔｇ）を算出する。この差ｔｍは、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられてからゼロクロス点が特定されるまでの時間である。周期遷移補正部１３１ｊは、この差ｔｍと、前回の計測時に算出した差ｔｍ_n-1とを入力し、これらの差Ｄｔｍ（＝ｔｍ−ｔｍ_n-1）を算出する。算出した差Ｄｔｍを超音波の周期ｔｐで除算することで、差Ｄｔｍを、周期ｔｐを基準とした差ｔｍの変化率（「変動率」に相当する。）Ｘに変換する。得られた変化率Ｘの絶対値が所定の値よりも大きいか否かを判定し、大きいときは折り返しが生じたものと判定する。なお、所定の値は、流量Ｑの変化の速さと計測の実行間隔とから決定される。受信波形Ｗｒに１周期分のズレを与える流量Ｑの変化が１秒をかけて行われ、計測の実行間隔が０．１秒である場合は、流量Ｑの変化が時間に対して直線的に変化するとすれば、差ｔｍ（すなわち、経過時間ｔｄ）は、０．１（＝１×０．１）の割合で変化することになり、この０．１を超える変化率Ｘが算出されたときは、折り返しが生じたものと判断することができる。周期遷移補正部１３１ｊは、折り返しの検出と並行して、差Ｄｔｍをその絶対値で除算し、経過時間ｔｄの変化の方向を判定する。経過時間ｔｄが短くなる場合は“−”を設定し、経過時間が長くなる場合は“＋”を設定する。この設定した符号“−”又は“＋”を商Ｄｔｍ／｜Ｄｔｍ｜に付加し、判定値を設定する。この判定値の符号は、補正の方向を示す。そして、折り返しを検出したときは、前回の計測時に算出した周期遷移数Ｎｃ_n-1に、この判定値（＝−１，１）を減算又は加算し、今回の周期遷移数を算出する。周期遷移補正部１３１ｊは、算出した周期遷移数及び受信波周波数ｆｒ（＝ｆｒ’）をもとに、次式（１２）により周期遷移補正量ｔｃを算出する。

ｔｃ＝Ｎｃ×ｔｐ’＝Ｎｃ／ｆｒ’ ・・・（１２）
ここでも受信周波数が変数として存在するが、本発明ではｔｐ’あるいはｆｒ’を定数化することができる。
また、温度調整部１３１ｍは、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの振動板１２１ｂを所定の温度に調整する温度調整手段となるもので、トランスデューサ１２ａ（１２ｂ）の振動板に貼付した発熱体に電力を供給し、この供給電流により振動板を所定の温度に調整するようになっている。その実施例を図５及び図８を参照して説明する。図５において、トランスデューサ１２ａの振動板１２１ｂが測定管１１内の被験流体と接する面の反対側の面には、電気音響変換素子（圧電素子）１２１ｄの振動を妨げないように、同心円状の板状ヒータ１２１ｅが接着されている。

この板状ヒータ１２１ｅに供給されるヒータ電流Ｉｈと、その発熱温度Ｔｄとの関係を図８のＩｈ−Ｔｄ線図を参照して説明する。図８に示すグラフの横軸は、被験流体の温度Ｔｇであり、Ｔｌは被験流体の取り得る最低温度（０℃）を示し、Ｔｈは被験流体の取り得る最大温度で、かつ振動板１２１ｂの調整温度Ｔｓを示す。これにより、温度調整部１３１ｍからのヒータ電流Ｉｈは、最低温度Ｔｌの時に最大電流Ｉｓを必要とする。また、被験流体の温度と振動板１２１ｂの調整温度Ｔｓが一致するＴｈでは、加温が不要なのでヒータ電流Ｉｈは０となる。つまり、被験流体の温度と調整温度Ｔｓとの差分に応じたヒータ電流Ｉｈを板状ヒータ１２１ｅに供給することで、トランスデューサ１２ａ（１２ｂ）の振動板１２１ｂを一定温度に保つことができる。

このような構成により、振動板１２１ｂの固有振動数を一定に保つことができるので、音響−電気変換された受信信号Ｗｒ１，Ｗｒ２は一定周波数となる。トランスデューサの受信周波数が一定（たとえば、４０ｋＨｚ）に保たれると、検出した超音波送受信間時間から、実際に被験流体中を伝播するのに有した伝播時間ｔを算出する際の周波数変化の補正演算および補正係数が不要になる。したがって、精度を落とすことなく装置の簡素化を図ることができ、ローコストと小型化が可能になる。また、補正演算誤差に因る計測誤差も改善する。

また、トランスデューサの振動板１２１ｂの固有振動数は、被験流体の最大温度Ｔｈにおいて所定の受信波周波数となるように設定されている。
このような構成により、被験流体の温度変化に係わらず、振動板１２１ｂを一定温度に加温すれば良く、簡素化と計測精度維持が図れる。また、振動板１２１ｂの温度が常に被験流体温度より高くなることから、被験流体に接する側の表面の結露が防止でき、音波受信障害を回避できるといった副次効果も得る。

また、本実施形態によれば、トランスデューサ１２ａ（１２ｂ）を格納するトランスデューサケース１１２ａ全体を外部から加温する方式に対して、加温のための電力を節約できると共に、加温面積がトランスデューサ１２ａ（１２ｂ）の振動板１２１ｂのみと小さいことから、被験流体が熱せられて本来の流体温度が変化して生じる計測誤差を実用上無視することができる。

また、温度調整部１３１ｍは、受信波周波数検出部１３１ｇで検出した受信波周波数が所定の周波数となるように、振動板１２１ｂの温度を調整するように構成されている。
このような構成により、振動板１２１ｂの温度を検出する手段を設けることなく、振動板１２１ｂを所定の温度に保つことができる。よって、簡単な構成で振動板１２１ｂの固有振動数が変動しなくなるので、トランスデューサ１２ａ（１２ｂ）の受信周波数を一定に保つことができる。

なお、電流制御の方法としては、図示省略の温度センサによりトランスデューサの温度Ｔｄを検出してフィードバック制御する方法が一般的であるが、ここでは受信周波数ｆｒと設定したい周波数ｆｓとの差分εｔがゼロとなるように、ヒータ電流Ｉｈを制御する方法が良い結果を生む。この温度調整部１３１ｍの制御ブロックを図９に示す。
また、温度調整部１３１ｍの他の実施例としては、図５に示す振動板１２１ｂを加熱するヒータとして、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータを用いた構成がある。ＰＴＣヒータとは、正の抵抗温度係数の自己温度制御特性を有するヒータであって、チタン酸バリウム等を主成分とする。このＰＴＣヒータは、図５に示す板状ヒータ１２１ｅと同様に、トランスデューサ１２ａ（１２ｂ）の振動板１２１ｂに接着する。このＰＴＣヒータは、特定の温度以上となると、その抵抗値Ｒｈが急増する特性を有するものである。よって、図８のＴｄ−Ｒｈ線図に示すように、抵抗値Ｒｈが急増する臨界温度が、振動板１２１ｂの設定温度Ｔｓに合致する材質を主成分として選択することで、自己温度調整される。素子毎に調整温度のばらつきがあるので、事前の較正を必要とするが、それを補って余りあるほどの低コスト化が図れる。

このような構成により、温度検出手段を設けることなく、振動板１２１ｂを所定の温度に保つことができる。
また、温度調整部１３１ｍの更に他の実施例を図１０に示す。この例による温度調整部１３１ｍは、トランスデューサ１２ａ’（１２ｂ’）の振動板１２１ｂが測定管１１内の被験流体と接する面の反対側の面の近傍に、コイル１２１ｈを設けたものである。このコイル１２１ｈは、電磁誘導発生手段となるもので、温度調整部１３１ｍからの供給電流により電磁誘導を発生して振動板１２１ｂを加熱するようになっている。このコイル１２１ｈは、トランスデューサの振動板１２１ｂと適切な空隙を有してトランスデューサのボディー１２１ａに固定されている。コイル１２１ｈに交流電流を流すと、矢印Ｈに示す経路に磁束が通り、振動板１２１ｂには円周方向に誘導電流（渦電流）Ｉｅが流れる。この誘導電流と、振動板１２１ｂの持つ電気抵抗によりジュール熱が生じて、振動板１２１ｂが発熱する。また、温度制御方法としては、図９の制御ブロックに示すように、受信周波数ｆｒと、設定したい周波数ｆｓとの差分εｔがゼロとなるように、フィードバック制御を用いて、コイル通電電流を調整することで実現することができる。

このような構成により、振動板１２１ｂの温度調整を非接触で行うことにより、振動板１２１ｂの振幅特性や、過渡応答特性に影響を及ぼさないようにすることができる。したがって、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの音響設計の自由度を広げることができる。また、ヒータの接着不良や剥がれ等を考慮する必要もない。
次に、図６に示す起動判定部１３１ｋについて説明する。起動判定部１３１ｋは、受信波周波数検出部１３１ｇで検出した受信波周波数ｆｒが所定の周波数範囲にある場合に、流量・濃度演算部１３２に所定の演算を開始させる起動信号Ｓｕを出力する起動信号出力手段となるものである。温度低下によりトランスデューサ１２ａの振動板１２１ｂの表面が結氷した場合は、振動板１２１ｂのばね定数ｋが大きくなるので、受信波周波数ｆｒが高くなる（上記（７）式参照）。一方、振動板１２１ｂの表面に液滴が付着した場合は、振動板１２１ｂの等価質量ｍが増加するので、受信波周波数ｆｒが低くなる（上記（７）式参照）。そして、振動板１２１ｂの表面が、適度な乾燥状態から湿潤状態の場合には、正規の受信波周波数を検出することができる。よって、振動板１２１ｂの表面状態と受信周波数ｆｒとの関係を予め求めておくことで、計測誤差を悪化させる原因となる振動板１２１ｂの結氷や、液滴付着状態を判定できる。たとえば、振動板１２１ｂの表面が結氷した状態の受信波周波数を最小許容受信周波数ｆｌとし、表面に液滴が付着した状態の受信波周波数を最大許容受信周波数ｆｈとする。そして、図１１の表に示すように、受信波周波数ｆｒが最大許容周波数ｆｈの値以上となったとき、あるいは、最小許容周波数ｆｌの値以下となったときは、起動信号Ｓｕの出力をＯＦＦにする（たとえば、出力電圧を０Ｖとする）。一方、受信波周波数ｆｒの値が最小許容周波数ｆｌより大きく、かつ最大許容周波数ｆｈより小さい範囲内にあるときには、起動信号Ｓｕの出力をＯＮにする（たとえば、出力電圧を５Ｖとする）。

このように判定された起動信号Ｓｕは、図６に示す流量・濃度演算部１３２の計測出力の更新を禁止又は許可するために使われる。
これは振動板１２１ｂへの異物の付着や経年劣化等により、トランスデューサ１２ａ，１２ｂが正常な機能が得られなくなった場合や、被験流体に含まれる水蒸気が凍結した場合、または測定管１１内の圧力上昇や、配管周囲温度の低下により振動板１２１ｂに著しい結露あるいは液滴が付着したために、受信信号Ｗｒの信頼性が低下して正常な検出動作が保証できないことを判別するものである。

このような構成により、飛沫水や凝縮水がトランスデューサの振動板１２１ｂに付着した際、または脱離した際に、周波数急変による一時的な計測誤差が出力される。よって、その利用先の例えば流量制御の場合、計測誤差による誤った制御がなされることを防止できる。
そして、流量・濃度演算部１３２が起動信号Ｓｕを入力したときには、伝播時間算出部１３１ｈから入力した伝搬時間ｔをもとに、上記（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ及び密度ρを算出する。このように判定された起動信号Ｓｕを用いて、被験流体の流量Ｑや濃度ρの計測を開始することで、誤った出力を防止することができる。

次に、図６に示す解凍検出部１３１ｏについて説明する。解凍検出部１３１ｏは、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの結氷が解凍している否かを検出する解凍検出手段となるもので、解凍状態で解凍信号Ｓｔを出力するようになっている。振動板１２１ｂが結氷した場合は、温度低下によるばね定数ｋの増加が支配的となるため、図１１の表に示すように、受信波周波数ｆｒのみから結氷状態を判断することができる。したがって、例えば０℃のときの周波数を最大許容受信周波数ｆｈに設定して、これを受信周波数ｆｒと比較することにより、振動板１２１ｂが解凍しているか否かを判断する。受信波周波数ｆｒが最大許容受信周波数ｆｈの値以上のときは、解凍信号Ｓｔの出力をＯＦＦにする。一方、受信波周波数ｆｒが最大許容受信周波数ｆｈの値より小さいときは、解凍信号Ｓｔの出力をＯＮにする。そして、この判定結果を用いて、被験流体の流量Ｑおよび濃度ρの計測を開始することで、誤った出力を防止することができる。

ここで、上記のように、トランスデューサ１２ａの振動板１２１ｂが結氷した場合は、受信周波数ｆｒは高くなる。一方、振動板１２１ｂの周りが乾燥した場合も、振動板の等価質量ｍのみとなることから、やはり受信周波数ｆｒは高くなる。つまり、受信周波数ｆｒだけでは結氷と乾燥の判別がつき難い場合がある。図８のグラフを参照して説明したように、低温時ではヒータ電流Ｉｈが高くなる一方、温度上昇するとヒータ電流Ｉｈは低くなる。よって、振動板１２１ｂの表面状態と、ヒータ電流Ｉｈとの関係を予め求めておくことで、計測誤差を悪化させる原因となる振動板１２１ｂが結氷しているか否かを判定できる。たとえば、振動板１２１ｂの表面が結氷した状態のヒータ電流Ｉｈを閾値電流Ｉｔｈとする。そして、図１２の表に示すように、受信波周波数ｆｒが所定の周波数ｆｔｈより大きい場合において、ヒータ電流Ｉｈが閾値電流Ｉｔｈより大きいときは結氷状態と判定し、逆に閾値電流Ｉｔｈより小さいときには乾燥状態と判定する。

次に、図６に示す乾燥検出部１３１ｎについて説明する。乾燥検出部１３１ｎは、トランスデューサ１２ａ，１２ｂが乾燥しているか否かを検出する乾燥検出手段であって、乾燥状態で乾燥信号Ｓｄを出力するようになっている。図１２に示すように、振動板１２１ｂが乾燥している場合は、ヒータ電流Ｉｈが閾値電流Ｉｔｈより低く、かつ、受信波周波数ｆｒが所定の周波数ｆｔｈより高い。一方、振動板１２１ｂが湿潤している場合は、受信波周波数ｆｒが所定の周波数ｆｔｈより低い。よって、振動板１２１ｂの表面状態と、周波数との関係を予め求めておくことで、計測誤差を悪化させる被験流体の湿潤状態を判定できる。この乾燥検出部１３１ｎによる乾燥検出は、図１２の表に示すように、受信波周波数ｆｒと、ヒータの温度情報と組み合わせることから正しく判定することができる。なお、温度情報としては温度調整部１３１ｍから出力したヒータ電流Ｉｈから得られる。

次に、本発明を燃料電池に適用した例について、図１３を参照して説明する。本発明に係る計測装置１を燃料電池システムに装着することで、燃料電池の運転制御に利用することができる。コントロールユニット１３から出力した起動信号Ｓｕや解凍信号Ｓｔを、発電制御装置７の低温起動判定へ入力することにより、トランスデューサを装着した配管内部の解凍状態を判断して燃料電池の適切な起動開始時期を知ることができる。たとえば、低温起動時は、振動板１２１ｂの結氷の解凍を検出した場合に、燃料電池（スタック）６内の液体も解凍したと判断して発電制御装置７により発電を開始する。逆に、振動板１２１ｂに液滴が付着した状態にある場合は、燃料電池６内も大量の液滴により燃料供給が局部的に閉塞していると推定することができる。この場合は、一時的に水供給制御バルブ１０を閉めて加湿量を低下させると共に、燃料供給量を上げて燃料電池６内の液滴を排出させて閉塞部を解消する等の運転制御が可能である。また、起動信号ＳｕがＯＦＦの時には、警報又は警告灯等を作動させ、操作者に異常の認識を促すことにも利用できる。また、コントロールユニット１３から出力した乾燥信号Ｓｄを加湿器９の水供給バルブ１０へフィードバックすることで、燃料電池へ供給される燃料ガスを適切に湿潤させることが可能になる。これにより燃料電池の性能劣化を抑制しつつ効率良く発電することができる。

次に、コントロールユニット１３の動作について、図１４に示すフローチャートにより説明する。
計測装置１の電源が投入されると、このルーチンが開始され、初期設定が行われる。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ１０１では、振動板を所定温度まで加温する。

Ｓ１０２では、超音波の伝搬方向を切り替える。
Ｓ１０３では、送信用のトランスデューサから超音波を発射するとともに、経過時間ｔｄの計時を開始する。
Ｓ１０４では、禁止期間ｔｇが経過し、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられて、受信時点の特定が許可されたか否かを判定する。許可されないうちは、この判定を繰り返し、許可されたときは、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、受信時点の特定が許可された後の最初の立下りゼロクロス点Ｂを受信時点として特定するとともに、このゼロクロス点Ｂの時刻をもとに、経過時間ｔｄをとして測定する。
Ｓ１０６では、較正時であるか、計測時であるかを判定する。本実施形態では、較正及び計測の切換えをスイッチにより手動で行うこととしており、スイッチの出力信号を検出して、この判定を行うようにしている。較正時には、測定管１１にタンク５から窒素ガス（音速が既知である。）を充填し、計測時には、測定管１１に水素ガスを流通させる。

Ｓ１０７では、較正時に得られる矩形信号Ｓｂ（図７）をもとに、受信波Ｗｒの周期ｔｐを検出して、基準となる受信波周波数ｆｒを検出する。これは振動板の固有振動数のばらつきやＳ１０１の加温誤差をキャンセルするために実施される。（ここで測定された受信周波数が、以降、そのトランスデューサを用いて伝播時間を算出する際のＮｒやｔｃの算出に使用される。）
Ｓ１０８では、窒素ガスの音速に応じた較正用伝搬時間を（１）式により算出する。なお、較正流体の流量Ｖｇは、配管４に簡易なセンサを設置し、このセンサにより検出することができる。また、較正流体として、窒素ガスや水素ガス等の単一組成のガスを採用する場合は、音速Ｃｇは、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとし、モル質量をＭとして、次式（１３）により算出することができる。

Ｃｇ＝√（γ×Ｒ×Ｔ／Ｍ） ・・・（１３）
Ｓ１０９では、経過時間ｔｄから較正用伝搬時間を減算して、検知遅れ時間ｔｒを算出する。較正では、超音波を複数回発射し、発射毎に測定した経過時間を平均して得たものを経過時間ｔｄとするとよい。算出した検知遅れ時間ｔｒは、検知遅れ時間設定部１３１ｉに記憶する。較正を終えると、スイッチが切り換わり、測定管１１に水素ガスが流通する。

Ｓ１０６でスイッチを計測に切換えると、Ｓ１１０に進む。Ｓ１１０では、計測時に得られる矩形信号Ｓｂ’（図７）をもとに、受信波Ｗｒの周期ｔｐ’を検出して、受信波周波数ｆｒを検出する。
Ｓ１１１では、検出した受信波周波数ｆｒをもとに、振動板への異物の付着等、トランスデューサ１２ａ，１２ｂに異常が発生しているか否かを判定し、異常が発生しているときは、Ｓ１１７へ進む。これによって異常時に計測演算および出力が禁止される。

Ｓ１１７では受信周波数ｆｒをもとに被験流体の状態を判定して対応した信号を出力する。
Ｓ１１８では、目標の設定周波数との差分をキャンセルする方向に温度調整手段または後述する送信周波数可変手段を調整する。
一方、Ｓ１１１で異常発生なしと判定したときは、Ｓ１１２に進む。Ｓ１１２では、受信周波数が所定の周波数にあること検知して計測値の有効性を示す起動信号を出力する。

Ｓ１１３では、経過時間ｔｄ及び禁止期間ｔｇをもとに、折り返しに対する補正の要否を判定し、必要であるときは、受信波周波数ｆｒをもとに、（１２）式により周期遷移補正量ｔｃを算出する。
Ｓ１１４では、経過時間ｔｄから検知遅れ時間ｔｒ及び周期遷移補正量ｔｃを減算して、伝搬時間ｔを算出する。

Ｓ１１５では、算出した伝搬時間ｔをもとに、上記（３）〜（６）式により水素ガスの流量Ｑ及び密度ρを算出する。
本実施形態に関し、コントロールユニット１３のうち、受信検知部１３１ｄが受信時点特定手段を、経過時間測定部１３１ｆ、伝搬時間算出部１３１ｈ及び検知遅れ時間設定部１３１ｉが伝搬時間測定手段を、流量・濃度演算部１３２が演算手段を、禁止期間設定部１３１ｃが受信時点特定禁止手段を構成する。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図１５は、本実施形態に係る計測装置１のコントロールユニット１３の他の構成を示している。本実施形態では、トランスデューサ１２ａ，１２ｂから発射される超音波の送信周波数を可変制御可能とされた送信周波数可変部１３１ｐを更に備えて構成されたものである。この送信周波数可変部１３１ｐは、受信波周波数検出部１３１ｇで検出した受信波周波数ｆｒが所定の周波数となるように、トランスデューサ１２ａ，１２ｂの送信周波数を制御するもので、受信波周波数ｆｒと設定周波数（目標値）ｆｓとの差分をキャンセルするように送信周波数を調整するようになっている。この送信周波数可変部１３１ｐも、前述のフィードバック制御による振動板の温度調整と同様の構成で、簡単に実現できる。

図１６は、送信周波数可変部１３１ｐのブロック図を示す。ここで、受信波周波数ｆｒを入力し、この受信波周波数ｆｒと設定周波数ｆｓとの差分εｆがキャンセルされる方向に出力ｆｔが調整される。制御応答性は帰還関数Ｈに微分、積分要素を入れることで調整できる。
そして、図１５における送信駆動部１３１ｂは、外部入力（ｆｔ）により駆動周波数を可変する機能を備えている。その他の構成と作用は、図６に示す実施形態のものと同様である。

図１５に示す実施形態においては、送信周波数可変部１３１ｐと、受信周波数検出部１３１ｇと、温度調整部１３１ｍとを備え、前記温度調整部１３１ｍによりトランスデューサ１２ａ，１２ｂの振動板を所定の温度に調整し、被験流体を伝播して受信された信号の周波数を前記受信周波数検出部１３１ｇで検出し、この受信周波数ｆｒと、所定の指示周波数ｆｓとの周波数の差分εｆがゼロとなるように、前記送信周波数可変部１３１ｐで送信周波数を調整するようにした。

このような構成により、温度調整部１３１ｍだけでは取り切れない周波数誤差や変動を、更に精密に取り除くことが可能となる。つまり、被験流体の温度や湿潤状態の急変が生じた場合には、温度調整部１３１ｍによる温度調整だけでは部材の熱容量の関係で応答遅れが比較的大きいが、このような動的な変化に対してもタイムリーに応答することができる。よって、被験流体の温度が急激に変化して振動板の温度調整部１３１ｍの応答速度が一時的に間に合わないときでも、受信周波数ｆｒと所定の指示周波数ｆｓとの差分εｆをゼロにすることで、温度調整部１３１ｍでは取り切れない周波数誤差や変動を、更に精密に取り除くことが可能となる。

また、振動板の加温可能範囲を超えたより広い受信周波数変化があったときも同様に、受信周波数ｆｒと所定の指示周波数ｆｓとの差分εｆをゼロにすることができる。これにより、変化速度または変化量の大きい被験流体条件でも周波数変化の補正演算および補正係数を不要とし、補正演算誤差に因る計測誤差を改善する。
さらに、送信周波数可変部１３１ｐにより送信周波数の調整が連続的（アナログ的）に行われる構成のため、トランスデューサの固有振動数にばらつきがあっても較正の必要がないという効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る計測装置の構成図 計測装置の作動原理を示すタイムチャート 伝搬時間の測定原理を示すタイムチャート 固有振動数の違いによるトランスデューサの周波数特性の変化を示すグラフ 本発明の温度調整手段の一実施形態を示す断面図 本発明の一実施形態に係るコントロールユニットの構成を示すブロック図 計測装置の動作を示すタイムチャート 温度調整手段の調整作動を示すグラフ 本発明の温度制御手段の制御ブロック図 本発明の温度調整手段の他の実施形態を示す断面図 被験流体の状態判定条件を示す表 被験流体の他の状態判定条件を示す表 本発明を燃料電池に適用した例を示す構成図 計測ルーチンのフローチャート 本発明の他の実施形態に係るコントロールユニットの構成 本発明の送信周波数可変手段の制御ブロック図

符号の説明

１…超音波流体計測装置，２…配管，３…方向切換弁，４…配管，５…タンク，６…燃料電池，７…発電制御装置（パワーコントローラ），８…駆動負荷（モータ），９…加湿器，１０…制御バルブ，１１…測定管，１２ａ，１２ｂ…超音波トランスデューサ，１２１ａ…超音波トランスデューサボディー，１２１ｂ…振動板（ダイヤフラム），１２１ｃ…シール材，１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｉ…電線，１２１ｅ…ヒータ，１２１ｈ…コイル，１３…コントロールユニット，１３１…伝搬時間測定部，１３１ｇ…受信周波数検出部，１３１ｍ…温度調整部，１３１ｋ…起動判定部，１３１ｎ…乾燥検出部，１３１ｏ…解凍検出部，１３１ｐ…送信周波数調整部，１３２…流量・濃度演算部

Claims (12)

1. 被験流体を流通させる測定管と、
   この測定管を横断させて設定した超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
   この超音波伝搬線上で、第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、
   前記第１又は第２のトランスデューサのうち、少なくとも一方の振動板を所定の温度に調整する温度調整手段と、
   前記第１及び第２のトランスデューサからそれぞれ発射された超音波を受信側のトランスデューサで受信して所定の検知遅れ時間が経過した時点を受信時点として特定する受信時点特定手段と、
   この特定された受信時点をもとに、前記第１及び第２のトランスデューサが超音波を発射してから前記受信側のトランスデューサに伝搬するまでの伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段と、
   この測定された伝搬時間をもとに、前記測定管内の被験流体に関する所定の演算を行う演算手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする超音波流体計測装置。
2. 前記受信側のトランスデューサの出力波形の周波数を受信波周波数として検出する受信波周波数検出手段を備えて構成され、
   前記温度調整手段は、前記受信波周波数検出手段で検出した受信波周波数が所定の周波数となるように前記振動板の温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波流体計測装置。
3. 前記第１及び第２のトランスデューサから発射される超音波の送信周波数を可変制御可能とされた送信周波数可変手段を備えて構成され、
   前記送信周波数可変手段は、前記受信波周波数検出手段で検出した受信波周波数が所定の周波数となるように前記第１又は第２のトランスデューサの送信周波数を制御することを特徴とする請求項２に記載の超音波流体計測装置。
4. 前記測定管に音速が既知の較正流体を流通して前記検知遅れ時間を予め求めておき、
   前記受信波周波数検出手段は、前記検知遅れ時間の間に受信した周波数を検出することを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波流体計測装置。
5. 前記第１又は第２のトランスデューサの振動板が前記被験流体に接する面の反対側の面にヒータを設け、
   前記温度調整手段は、前記ヒータの発熱を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。
6. 前記ヒータは、自己温度制御特性を有するＰＴＣヒータであることを特徴とする請求項５に記載の超音波流体計測装置。
7. 前記第１又は第２のトランスデューサの振動板が前記被験流体に接する面の反対側の面の近傍に電磁誘導発生手段を設け、
   前記温度調整手段は、前記電磁誘導発生手段による誘導加熱を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。
8. 前記演算手段は、前記受信波周波数検出手段で検出した受信波周波数と所定の周波数との比較結果に基づいて、前記被験流体に関する所定の演算を禁止することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。
9. 前記受信波周波数検出手段で検出した受信波周波数が所定の周波数範囲にある場合に、前記演算手段に所定の演算を開始させる起動信号を出力する起動信号出力手段を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。
10. 前記温度調整手段の調整量をもとに、前記第１又は第２のトランスデューサの振動板の結氷が解凍したことを示す解凍信号を出力する解凍検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。
11. 前記受信波周波数検出手段で検出した受信波周波数をもとに、前記被験流体が乾燥状態であることを示す乾燥信号を出力する乾燥検出手段を備えたことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。
12. 前記第１又は第２のトランスデューサの振動板の固有振動数は、前記被験流体の取り得る最大温度において所定の受信波周波数となるように設定したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の超音波流体計測装置。

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