JP2022048471A - 伝搬時間測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ジッタの影響を抑制し、且つ、伝搬時間の高精度な測定が可能な技術を提供する。【解決手段】第１振動子に入力される送信信号及び第２振動子から出力される受信信号に基づいて音響信号の伝搬時間を求める装置は、第２振動子から出力される受信信号が入力されるアナログデジタル変換器と、第１振動子に入力される送信信号を分岐させ、アナログデジタル変換器の入力へ導くバイパス線と、アナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換された送信信号及び受信信号に基づいて、第１振動子から第２振動子までの音響信号の伝搬時間を求める信号処理部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、音響信号の伝搬時間を測定する技術に関する。

配管の外側に取り付けたセンサによって配管内部を伝搬する音響信号の伝搬時間を測定し、その伝搬時間に基づき、配管内を流れる流体の流速や流量を非破壊で計測可能な装置が実用化されている。この種の装置は、音響信号として超音波を用いることが一般的であり、「超音波流量計」あるいは「超音波式流量計」などと呼ばれる。

例えば特許文献１には、配管の上流側及び下流側に配置された一対の超音波振動子を用いて、流体の流れの正方向に伝搬した超音波と逆方向に伝搬した超音波との伝搬時間差に基づいて流体の流量を求める装置が開示されている。特許文献１の装置では、上流側の超音波振動子の受信信号と下流側の超音波振動子の受信信号の相関関数を計算することにより、伝搬時間差を計算している。

特開２００８－３０４２８１号公報

従来の超音波流量計においては、Ａ／Ｄ変換器や増幅器などの電気回路で発生するジッタ（時間軸方向の信号波形の揺らぎ）や遅延の影響により、信号の伝搬時間を正確に測定できないおそれがある。それゆえ、従来の超音波流量計は、微少流量の測定などの、高い精度が要求される用途には利用することができなかった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ジッタや遅延の影響を抑制し、且つ、伝搬時間の高精度な測定が可能な技術を提供することにある。

本開示に係る伝搬時間測定装置は、流体を流す配管に対し互いに異なる位置に配置される複数の振動子であって、電気信号としての送信信号を音響信号に変換する第１振動子と、前記第１振動子から送信されて前記配管内の流体を伝搬した前記音響信号を受信し電気信号としての受信信号に変換する第２振動子とを少なくとも含む、複数の振動子と、前記第２振動子から出力される前記受信信号が入力されるアナログデジタル変換器と、前記第１振動子に入力される前記送信信号を分岐させ、前記アナログデジタル変換器の入力へ導くバイパス線と、前記アナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換された前記送信信号及び前記受信信号に基づいて、前記第１振動子から前記第２振動子までの前記音響信号の伝搬時間を求める信号処理部と、を備える。

第２振動子から出力される受信信号が入力されるアナログデジタル変換器に、第１振動子に入力される送信信号を分岐させて入力する。単一のアナログデジタル変換器に受信信号及び送信信号が入力されるため、送信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタと受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタとが略同じ又は近似することになる。したがって、音響信号の伝搬時間を求める際、送信信号の基準時間と受信信号の基準時間とが略一致又は近似し、ジッタの影響を低減
することができる。また、単一のアナログデジタル変換器により送信信号及び受信信号をＡ／Ｄ変換する。そのため、Ａ／Ｄ変換による送信信号の遅延時間、すなわち、送信信号をＡ／Ｄ変換するのに要する時間と、Ａ／Ｄ変換による受信信号の遅延時間、すなわち、受信信号をＡ／Ｄ変換するのに要する時間とが略一致又は近似することになる。したがって、音響信号の伝搬時間の測定に対するＡ／Ｄ変換による信号の遅延の影響を抑制することができる。

本開示に係る伝搬時間測定装置は、前記バイパス線に設けられており、前記バイパス線を伝搬する前記送信信号を減衰する減衰器を備えてもよい。バイパス線を伝搬する送信信号の信号レベルが大きいと、アナログデジタル変換器に入力される送信信号の信号レベルがアナログデジタル変換器の測定レンジから外れる場合がある。バイパス線を伝搬する送信信号を減衰器によって減衰することで、アナログデジタル変換器に入力される送信信号の信号レベルがアナログデジタル変換器の測定レンジ内に収まる。

前記減衰器は受動素子で構成されていてもよい。減衰器を抵抗、コンデンサなどの受動素子で構成することにより、バイパス線を伝搬する送信信号を減衰する際の送信信号の遅延時間、すなわち、減衰器が送信信号を減衰するのに要する時間が微小となる。

前記伝搬時間測定装置は、前記第２振動子と前記アナログデジタル変換器のあいだに設けられ、前記アナログデジタル変換器に入力される前記送信信号及び前記受信信号を増幅する増幅器をさらに備えてもよい。配管内の流体を音響信号が伝搬するときに音響信号が減衰するため、第２振動子が音響信号を受信信号に変換したときに受信信号の信号レベルが小さくなることで、アナログデジタル変換器に入力される受信信号の信号レベルがアナログデジタル変換器の測定レンジ外になる場合がある。増幅器によって受信信号を増幅することで、アナログデジタル変換器に入力される受信信号の信号レベルがアナログデジタル変換器の測定レンジ内に収まる。

前記バイパス線は、前記第２振動子と前記増幅器のあいだの信号線に接続されてもよい。これにより、第１振動子に入力される送信信号及び第２振動子から出力された受信信号が信号線を介して増幅器に入力される。したがって、送信信号を増幅する際の送信信号の遅延時間、すなわち、送信信号を増幅するのに要する時間と、受信信号を増幅する際の受信信号の遅延時間、すなわち、受信信号を増幅するのに要する時間とが略一致する。このように、送信信号と受信信号が同じ増幅器による遅延を受けるため、音響信号の伝搬時間の測定に対する増幅器による信号遅延の影響を抑制することができる。すなわち、音響信号の伝搬時間の測定において、増幅器による信号遅延の影響を無視することができる。

前記伝搬時間測定装置は、前記送信信号を生成する送信信号生成器と、前記送信信号生成器と前記第１振動子のあいだに設けられ、前記第１振動子に入力される前記送信信号を増幅する第２増幅器をさらに備えてもよい。配管内の流体を音響信号が伝搬するときに音響信号が減衰するため、第１振動子に入力される送信信号を増幅しておくことで、第２振動子が出力する受信信号の信号レベルを大きくすることができる。これにより、アナログデジタル変換器に入力される受信信号の信号レベルがアナログデジタル変換器の測定レンジ内に収まる。

前記バイパス線は、前記第２増幅器と前記第１振動子のあいだの信号線に接続されてもよい。これにより、第２増幅器により増幅された送信信号が、第１振動子に入力されると共に、バイパス線により分岐してアナログデジタル変換器に入力される。この場合、増幅された送信信号を第１振動子が音響信号に変換し、第２振動子が音響信号を受信して受信信号を出力する。そのため、バイパス線により分岐してアナログデジタル変換器に入力された送信信号と、第２振動子から出力されてアナログデジタル変換器に入力された送信信
号とは、同じ第２増幅器による増幅の遅延を受けるため、音響信号の伝搬時間の測定に対する第２増幅器による信号遅延の影響を抑制することができる。すなわち、音響信号の伝搬時間の測定において、第２増幅器による信号遅延の影響を無視することができる。

前記第１振動子と前記第２振動子は、前記配管を挟んで対向するように配置されてもよい。また、前記第１振動子と前記第２振動子は、前記配管の長手方向の異なる位置に配置されてもよい。

前記伝搬時間測定装置は、前記第２振動子に前記送信信号が入力され、前記第２振動子から送信された音響信号を受信した前記第１振動子から出力された前記受信信号と前記バイパス線を介して分岐した前記送信信号とが前記アナログデジタル変換器に入力されるように切り替えを行う切り替え部をさらに備え、前記信号処理部は、前記アナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換された前記送信信号及び前記受信信号に基づいて、前記第２振動子から前記第１振動子までの前記音響信号の伝搬時間を求めてもよい。この構成によれば、同一の伝搬経路について、上流側から下流側に音響信号が伝搬するときの伝搬時間と、下流側から上流側に音響信号が伝搬するときの伝搬時間とを、精度よく求めることができる。

前記信号処理部は、前記第１振動子から前記第２振動子までの前記音響信号の伝搬時間と、前記第２振動子から前記第１振動子までの前記音響信号の伝搬時間との差に基づいて、前記配管内の流体の流速及び／又は流量を求めてもよい。これにより、配管内の流体の情報を高精度に測定することができる。

本発明は、上記構成の少なくとも一部を有する伝搬時間測定装置として捉えてもよいし、流速測定装置、流量測定装置、流量計、流量センサなどとして捉えてもよいし、送信信号を生成する送信信号生成装置、送信回路などとして捉えてもよい。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む伝搬時間測定方法、流速測定方法、流量測定方法、送信信号生成方法として捉えてもよく、または、かかる方法を実現するためのプログラムやそのプログラムを非一時的に記録した記録媒体として捉えることもできる。なお、上記構成および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明によれば、ジッタの影響を抑制し、且つ、伝搬時間の高精度な測定が可能な技術を提供することができる。

図１は、伝搬時間測定装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、配管への振動子の設置例を示す断面図である。 図３は、減衰器の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態における伝搬時間測定装置の測定動作の流れを示すフローチャートである。 図５は、制御信号、送信信号及び受信信号のタイムチャートである。

＜適用例＞
図１を参照して、伝搬時間測定装置の適用例を説明する。

伝搬時間測定装置１は、２個以上の振動子１０１を備え、いずれかの振動子（例えば１０１ａ）から送信した音響信号を他の振動子（例えば１０１ｂ）で受信し、２つの振動子のあいだの経路を音響信号が伝搬するのに要した時間（伝搬時間）を測定する。各振動子
１０１は配管１２０に対し互いに異なる位置に配置されているため、２つの振動子１０１のあいだを伝搬する音響信号は配管１２０の内部を通過する（横切る）。そのため、音響信号の伝搬時間は、一定ではなく、配管１２０内を流れる流体１２１の状態（例えば、流速、流量、気泡や異物の存在など）の影響を受けて変化する。したがって、伝搬時間測定装置１で測定した伝搬時間を利用することにより、配管１２０内の流体１２１の状態を非破壊で計測することができる。

なお、流体１２１は、音響信号を伝搬可能な物質であればよく、液体であっても、気体であってもよい。音響信号は、典型的には超音波であるが、可聴域の音波を含んでいてもよい。

例えば、送信側の振動子１０１に与える駆動用の電気信号を「送信信号」、受信側の振動子１０１から出力される電気信号を「受信信号」と呼ぶとき、伝搬時間測定装置１は、送信信号及び受信信号が伝搬する共通の信号線から送信信号と共に受信信号を取得する。伝搬時間測定装置１は、取得した送信信号及び受信信号に基づいて、送信信号に対する受信信号のラグ（時間遅れ）を求める。このラグが送信側の振動子１０１から受信側の振動子１０１までの音響信号の伝搬時間に相当する。以下、２つの振動子１０１を区別する必要がある場合は「第１振動子１０１ａ」、「第２振動子１０１ｂ」と表記し、両者に共通する説明の場合は単に「振動子１０１」という表記を用いる。

伝搬時間測定装置１は、送信側の第１振動子１０１ａに接続された信号線２０１ａと、受信側の第２振動子１０１ｂに接続された信号線２０１ｂと、信号線２０１ａ及び信号線２０１ｂに接続されたバイパス線２０１ｃとを備える。信号線２０１ａの一端が第１振動子１０１ａに接続されており、信号線２０１ａの他端が切り替え器１０５に接続されている。信号線２０１ｂの一端が第２振動子１０１ｂに接続されており、信号線２０１ｂの他端が切り替え器１０５に接続されている。切り替え器１０５は、第２振動子１０１ｂに送信信号が入力され、第２振動子から送信された音響信号を受信した第１振動子１０１ａから受信信号が出力されるように切り替えを行う。これにより、第２振動子１０１ｂが送信側となり、第１振動子１０１ａが受信側となる。

送信信号生成器１０３及びＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換器１０４が切り替え器１０５に接続されている。送信信号生成器１０３は、送信信号を生成して、送信信号生成器１０３と切り替え器１０５とを接続する信号線２０１ｄに送信信号を出力する。信号線２０１ｄに出力された送信信号は、切り替え器１０５に接続された信号線２０１ａを伝搬して第１振動子１０１ａに入力される。第２振動子１０１ｂから出力される受信信号が、信号線２０１ｂと、Ａ／Ｄ変換器１０４と切り替え器１０５とを接続する信号線２０１ｅとを伝搬して、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される。バイパス線２０１ｃは、第１振動子１０１ａに入力される送信信号を分岐させ、Ａ／Ｄ変換器１０４の入力へ導く。これにより、送信信号生成器１０３によって生成された送信信号は、第１振動子１０１ａに入力されると共に、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される。Ａ／Ｄ変換器１０４に入力された送信信号及び受信信号は、アナログ信号からデジタル信号に変換され、信号処理部１１１に出力される。信号処理部１１１は、デジタル信号に変換された送信信号及び受信信号に基づいて、第１振動子１０１ａから第２振動子１０１ｂまでの音響信号の伝搬時間を求める。

送信信号が入力されるＡ／Ｄ変換器と、受信信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とが異なる場合、送信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタと受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタとが大きく異なる可能性がある。ジッタは、周期性のある信号における理想的なタイミングからの信号エッジの位置変動であり、信号がジッタを有する場合、信号の基準時間が変動する。そのため、送信信号のジッタと受信信号のジッタとが大きく異なる場合、音響信号の伝搬時間を測定す
る際の送信信号の基準時間と受信信号の基準時間とを一致させることができない。

そこで、伝搬時間測定装置１は、第２振動子１０１ｂから出力される受信信号が入力されるＡ／Ｄ変換器１０４に、第１振動子１０１ａに入力される送信信号を分岐させて入力する。単一のＡ／Ｄ変換器１０４に受信信号及び送信信号が入力されるため、送信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタと受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタとが略同じ又は近似することになる。したがって、音響信号の伝搬時間を測定する際の送信信号の基準時間と受信信号の基準時間とを略一致又は近似させることができ、音響信号の伝搬時間を測定する際のジッタの影響を低減することができる。

＜実施形態＞
（装置構成）
図１及び図２を参照して、伝搬時間測定装置１の具体的な構成を説明する。図１は、伝搬時間測定装置１の構成を模式的に示すブロック図であり、図２は、配管への振動子の設置例を示す断面図である。本実施形態の伝搬時間測定装置１は、配管１２０内を流れる流体１２１の流速及び流量を非破壊で計測するための装置であり、超音波流量計又は超音波流量センサとも称される。

伝搬時間測定装置１は、装置本体１００と複数の振動子１０１とを有する。装置本体１００と第１振動子１０１ａの間は信号線２０１ａで接続され、装置本体１００と第２振動子１０１ｂの間は信号線２０１ｂで接続されている。本実施形態では、配管１２０の長手方向の上流側に配置される第１振動子１０１ａと、第１振動子１０１ａよりも下流側に配置される第２振動子１０１ｂの２つの振動子１０１が設けられている。なお、振動子１０１の数は２つに限られず、３つ以上の振動子１０１が配管１２０に設けられていてもよい。

振動子１０１は、電気信号と音響信号を相互に変換するデバイスであり、トランスデューサとも呼ばれる。振動子１０１としては、例えばピエゾ効果によって電圧と力を相互に変換する圧電素子などを用いることができる。図２に示すように、各振動子１０１は樹脂などで構成されたクランプ３０中に埋設されている。クランプ３０で配管１２０を挟み込むと、２つの振動子１０１（１０１ａ、１０１ｂ）が配管１２０を挟んで対向し、且つ、２つの振動子１０１（１０１ａ、１０１ｂ）を結ぶ直線が配管１２０の軸線に対し所定の角度θをなすように、第１振動子１０１ａ、第２振動子１０１ｂが設置される。このようなクランプ構造を採用することで、既設の配管１２０に対し簡単に（しかも配管１２０に改修を加えることなく）振動子１０１を適切な位置に取り付けることができる。なお、クランプ３０と配管１２０の間を密着させ、且つ、音響インピーダンスの整合をはかるために、クランプ３０と配管１２０の間にグリスやジェルなどが塗布されるとよい。角度θは音響信号の伝搬角度と呼ばれる。伝搬角度θは任意であるが、後述する伝搬時間差法を利用する場合には０度＜θ＜９０度、好ましくは２０度＜θ＜６０度の範囲に設定されるとよい。

装置本体１００は、制御回路１０２、送信信号生成器１０３、Ａ／Ｄ変換器１０４、切り替え器１０５及び出力器１０６を有する。制御回路１０２は、伝搬時間測定装置１の各部の制御、信号処理、演算処理などを行う回路である。送信信号生成器１０３は、制御回路１０２から入力された制御信号（トリガ信号）を基に、所定の電圧の送信信号（アナログ信号）を生成して信号線２０１ｄに出力する回路である。Ａ／Ｄ変換器１０４は、制御回路１０２から入力された制御信号を基に、送信信号及び受信信号（アナログ信号）を所定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換し、送信信号及び受信信号（デジタル信号）を制御回路１０２へ出力する回路である。

切り替え器１０５は、制御回路１０２から入力された切り替え信号を基に、送信信号の入力先と受信信号の出力元とを切り変えるスイッチである。切り替え器１０５は、信号線２０１ａ及び２０１ｂと、信号線２０１ｄ及び２０１ｅとの接続関係を切り替える。切り替え器１０５は、第２振動子１０１ｂに送信信号が入力され、第２振動子１０１ｂから送信された音響信号を受信した第１振動子１０１ａから出力された受信信号とバイパス線２０１ｃを介して分岐した送信信号とがＡ／Ｄ変換器１０４に入力されるように切り替えを行う。これにより、第２振動子１０１ｂが送信側となり、第１振動子１０１ａが受信側となる。出力器１０６は、制御回路１０２による信号処理や演算処理の結果などの情報を出力するデバイスであり、例えば表示器などである。なお、装置本体１００に、ユーザが操作するための入力部（例えば、ボタン、タッチパネルなど）を設けたり、外部装置（例えば、外部のコンピュータやサーバなど）に情報を送信する通信回路（例えばＷｉＦｉモジュールなど）を設けたりしてもよい。

図１に示すように、制御回路１０２は、信号処理部１１１及び記憶部１１２を有する。信号処理部１１１は、送信信号と受信信号に基づき音響信号の伝搬時間を計算し、さらに伝搬時間から流体１２１の流速及び／又は流量を計算する機能を有する。記憶部１１２は、信号処理部１１１によって計算された音響信号の伝搬時間や流体１２１の流速及び／又は流量などを記憶する。また、記憶部１１２は、信号処理部１１１が計算を行う際に必要なデータを記憶する。

制御回路１０２は、例えば、ＣＰＵ（プロセッサ）、ＲＡＭ、不揮発性の記憶装置（例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクなど）、Ｉ／Ｏなどを有するコンピュータにより構成してもよい。この場合、ＣＰＵが、記憶装置に格納されたプログラムをＲＡＭに展開し、当該プログラムを実行することによって、信号処理部１１１の機能が提供される。コンピュータの形態は問わない。例えば、パーソナルコンピュータでもよいし、組み込み用のコンピュータでもよいし、スマートフォンやタブレット端末などでもよい。あるいは、制御回路１０２が提供する機能の全部又は一部をＡＳＩＣやＦＰＧＡのような回路で構成してもよい。あるいは、分散コンピューティングやクラウドコンピューティングの技術を利用し、制御回路１０２が他のコンピュータと協働して後述する処理を行ってもよい。

配管１２０の材質、サイズ、形状は問わない。例えば、金属配管や樹脂配管を用いてもよい。また配管１２０のサイズは、ＪＩＳやＡＮＳＩで定められた規格サイズのものでもよいし、独自のサイズのものでもよい。本実施形態の方法は、微少流量の測定を高精度に行うことができるという利点を有するため、１／８インチ管、１／４インチ管、１／２インチ管などの小型の配管の測定に特に好ましく適用できる。また、直線状の配管に限らず、屈曲部を有する配管や曲線状の配管などでもよく、配管の断面形状も任意である。

送信信号及び受信信号のそれぞれが異なる信号線からＡ／Ｄ変換器に入力される場合、送信信号が信号線を伝搬する際に発生するジッタと、受信信号が信号線を伝搬する際に発生するジッタとが大きく異なる可能性がある。送信信号のジッタと受信信号のジッタとが大きく異なる場合、音響信号の伝搬時間を測定する際の送信信号の基準時間と受信信号の基準時間とを一致させることができない。伝搬時間測定装置１では、送信信号生成器１０３によって生成された送信信号は、信号線２０１ｄから信号線２０１ａに伝搬して第１振動子１０１ａに入力される。また、送信信号生成器１０３によって生成された送信信号は、信号線２０１ａから分岐し、バイパス線２０１ｃ、信号線２０１ｂ及び２０１ｅを伝搬してＡ／Ｄ変換器１０４に入力される。第２振動子１０１ｂから出力された受信信号は、信号線２０１ｂ及び２０１ｅを伝搬してＡ／Ｄ変換器１０４に入力される。送信信号及び受信信号が、信号線２０１ｂ及び２０１ｅを介してＡ／Ｄ変換器１０４に入力されるため
、送信信号が信号線２０１ｂ及び２０１ｅを伝搬する際に発生するジッタと、受信信号が信号線２０１ｂ及び２０１ｅを伝搬する際に発生するジッタとが略同じ又は近似することになる。したがって、音響信号の伝搬時間を測定する際の送信信号の基準時間と受信信号の基準時間とを略一致又は近似させることができ、音響信号の伝搬時間を測定する際のジッタの影響を低減することができる。

増幅器３０１が、Ａ／Ｄ変換器１０４と切り替え器１０５とを接続する信号線２０１ｅに設けられている。信号線２０１ｂと信号線２０１ｅとが電気的に接続された状態にあるとき、第２振動子１０１ｂとＡ／Ｄ変換器１０４のあいだに設けられた増幅器３０１は、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される送信信号及び受信信号を増幅する。すなわち、増幅器３０１は、信号線２０１ｅを伝搬する送信信号及び受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１０４に出力する。Ａ／Ｄ変換器１０４は、増幅器３０１によって増幅された送信信号及び受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。配管１２０内の流体１２１を音響信号が伝搬するときに音響信号が減衰するため、第２振動子１０１ｂが音響信号を受信信号に変換したときに受信信号の信号レベルが小さい場合がある。そのため、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される受信信号の信号レベルがＡ／Ｄ変換器１０４の測定レンジ外になる場合がある。増幅器３０１によって受信信号を増幅することで、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される受信信号の信号レベルをＡ／Ｄ変換器１０４の測定レンジ内に収めることができる。

増幅器３０２が、送信信号生成器１０３と切り替え器１０５とを接続する信号線２０１ｄに設けられている。信号線２０１ａと信号線２０１ｄとが電気的に接続された状態にあるとき、第１振動子１０１ａと送信信号生成器１０３とのあいだに設けられた増幅器３０２は、第１振動子１０１ａに入力される送信信号を増幅する。すなわち、増幅器３０２は、送信信号生成器１０３によって生成され、信号線２０１ｄから信号線２０１ａに伝搬して第１振動子１０１ａに入力される送信信号を増幅する。増幅器３０２は、第２増幅器の一例である。配管１２０内の流体１２１を音響信号が伝搬するときに音響信号が減衰するため、第１振動子１０１ａに入力される送信信号を増幅しておくことで、第２振動子１０１ｂが出力する受信信号の信号レベルを大きくすることができる。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される受信信号の信号レベルをＡ／Ｄ変換器１０４の測定レンジ内に収めることができる。信号線２０１ａと信号線２０１ｄが電気的に接続された状態にあるとき、バイパス線２０１ｃは、増幅器３０２と第１振動子１０１ａのあいだの信号線２０１ａに接続されている。増幅器３０２により増幅された送信信号が、第１振動子１０１ａに入力されると共に、バイパス線２０１ｃにより分岐してＡ／Ｄ変換器１０４に入力される。この場合、増幅された送信信号を第１振動子１０１ａが音響信号に変換し、第２振動子１０１ｂが音響信号を受信して受信信号を出力する。そのため、バイパス線２０１ｃにより分岐してＡ／Ｄ変換器１０４に入力された送信信号と、第２振動子１０１ｂから出力されてＡ／Ｄ変換器１０４に入力された送信信号とは、同じ増幅器３０２による増幅の遅延を受けるため、音響信号の伝搬時間の測定に対する増幅器３０２による信号遅延の影響を抑制することができる。すなわち、音響信号の伝搬時間の測定において、増幅器３０２による信号遅延の影響を無視することができる。

減衰器３０３が、信号線２０１ａ及び信号線２０１ｂに接続されたバイパス線２０１ｃに設けられている。減衰器３０３は、バイパス線２０１ｃを伝搬する送信信号を減衰する。減衰器３０３によって減衰された送信信号は、バイパス線２０１ｃ、信号線２０１ｂ、２０１ｅを伝搬してＡ／Ｄ変換器１０４に入力される。バイパス線２０１ｃを伝搬する送信信号の信号レベルが大きいことにより、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される送信信号の信号レベルがＡ／Ｄ変換器１０４の測定レンジ外になる場合がある。バイパス線２０１ｃを伝搬する送信信号を減衰器３０３によって減衰することで、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される送信信号の信号レベルをＡ／Ｄ変換器１０４の測定レンジ内に収めることができる。信号線２０１ｂと信号線２０１ｅが電気的に接続された状態にあるとき、バイパス線２０
１ｃは、第１振動子１０１ｂと増幅器３０１のあいだの信号線２０１ｂに接続されている。これにより、第１振動子１０１ａに入力される送信信号及び第２振動子１０１ｂから出力された受信信号が信号線２０１ｂを介して増幅器３０１に入力される。したがって、送信信号を増幅する際の送信信号の遅延時間、すなわち、送信信号を増幅するのに要する時間と、受信信号を増幅する際の受信信号の遅延時間、すなわち、受信信号を増幅するのに要する時間とが略一致する。このように、送信信号と受信信号が同じ増幅器３０１による遅延を受けるため、音響信号の伝搬時間の測定に対する増幅器３０１による信号遅延の影響を抑制することができる。すなわち、音響信号の伝搬時間の測定において、増幅器３０１による信号遅延の影響を無視することができる。

図３に示すように、減衰器３０３は、受動素子で構成されてもよい。図３に示す減衰器３０３は、コンデンサ４０１、４０２と、抵抗４０３、４０４、４０５とで構成されている。減衰器３０３を受動素子で構成することにより、バイパス線２０１ｃを伝搬する送信信号を減衰する際の送信信号の遅延時間（減衰器３０３が送信信号を減衰するのに要する時間）を微小とすることができる。

（測定動作）
図４のフローチャートに沿って、伝搬時間測定装置１の測定動作の流れを説明する。

ステップＳ１００において、制御回路１０２は、信号線２０１ａから第１振動子１０１ａに送信信号が入力され、第２振動子１０１ｂから信号線２０１ｂへ受信信号が出力されるように、切り替え器１０５を制御する。これにより、第１振動子１０１ａが送信側となり、第２振動子１０１ｂが受信側となる。

ステップＳ１０１において、制御回路１０２は、制御信号を送信信号生成器１０３及びＡ／Ｄ変換器１０４に出力し、送信信号生成器１０３は、制御回路１０２から入力された制御信号を基に、所定の電圧の送信信号（アナログ信号）を生成して信号線２０１ｄに出力する。送信信号生成器１０３から出力された送信信号は、増幅器３０２によって増幅されて信号線２０１ａに入力される。

ステップＳ１０２において、送信信号が信号線２０１ａを伝搬して第１振動子１０１ａに入力され、第１振動子１０１ａが送信信号に基づく音響信号を出力する。音響信号は、クランプ３０、配管１２０、及び流体１２１を経由して、第２振動子１０１ｂへと到達する。ステップＳ１０３において、信号線２０１ａを伝搬する送信信号が分岐し、バイパス線２０１ｃ、信号線２０１ｂ、２０１ｅを伝搬してＡ／Ｄ変換器１０４に入力される。バイパス線２０１ｃを伝搬する送信信号は、減衰器３０３によって減衰され、増幅器３０１によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される。ステップＳ１０４において、Ａ／Ｄ変換器１０４は、送信信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して、制御回路１０２に出力する。Ａ／Ｄ変換器１０４でＡ／Ｄ変換された送信信号は、制御回路１０２に取り込まれて記憶部１１２に格納される。

ステップＳ１０５において、第２振動子１０１ｂは音響信号を受信し、音響信号を受信信号に変換して信号線２０１ｂに出力する。伝搬の過程で音響信号が減衰するため、受信信号の振幅（電圧）は送信信号に比べて１／１００～１／１０００程度のオーダーとなる。ステップＳ１０６において、受信信号が信号線２０１ｂ、２０１ｅを伝搬してＡ／Ｄ変換器１０４に入力される。信号線２０１ｅを伝搬する受信信号は、増幅器３０１によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力される。ステップＳ１０７において、Ａ／Ｄ変換器１０４は、受信信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して、制御回路１０２に出力する。Ａ／Ｄ変換器１０４でＡ／Ｄ変換された受信信号は、制御回路１０２に取り込まれて記憶部１１２に格納される。ステップＳ１０８において、信号処理部１１１は、記
憶部１１２から送信信号と受信信号を読み込み、音響信号の伝搬時間を計算する。

ステップＳ１０９において、制御回路１０２は、切り替え器１０５を制御し、第２振動子１０１ｂに送信信号が入力され、第２振動子１０１ｂから送信された音響信号を受信した第１振動子１０１ａから出力された受信信号とバイパス線２０１ｃを介して分岐した送信信号とがＡ／Ｄ変換器１０４に入力されるように切り替えを行う。すなわち、送信側の振動子１０１と受信側の振動子１０１とが入れ替わることで、第２振動子１０１ｂが送信側となり、第１振動子１０１ａが受信側となる。これにより、同一の伝搬経路について、上流側から下流側に音響信号が伝搬するときの伝搬時間と、下流側から上流側に音響信号が伝搬するときの伝搬時間とを、精度よく求めることができる。以降のステップＳ１１０～Ｓ１１７の処理は、ステップＳ１０１～Ｓ１０８の処理と同様である（ただし、「第１振動子１０１ａ」は「第２振動子１０１ｂ」と読み替え、「第２振動子１０１ｂ」は「第１振動子１０１ａ」と読み替える。）。

以上の処理によって、第１振動子１０１ａから第２振動子１０１ｂまでの音響信号の伝搬時間Ｔａｂと、第２振動子１０１ｂから第１振動子１０１ａまでの音響信号の伝搬時間Ｔｂａが得られる。配管１２０内の流体１２１が流れている場合、伝搬時間ＴａｂとＴｂａのあいだに流体１２１の流速に応じた時間差が生じる。したがって、伝搬時間ＴａｂとＴｂａを利用して、流体１２１の流速及び流量を計算することができる。

ステップＳ１１８において、信号処理部１１１は、下記式により流体１２１の流速Ｖを求める。

ここで、Ｖは流体の流速、Ｌは配管内部における伝搬経路長、θは伝搬角度、Ｔａｂは上流側の振動子から下流側の振動子までの伝搬時間、Ｔｂａは下流側の振動子から上流側の振動子までの伝搬時間、Ｔｏは流体以外の部分の伝搬時間である。なお、流体以外の部分の伝搬時間Ｔｏは、例えば、クランプ３０及び配管１２０の部分を音響信号が伝搬している時間であり、配管１２０の仕様（内径、外径、材質など）がわかれば実験又はシミュレーションにより予め求めておくことができる。

ステップＳ１１９において、信号処理部１１１は、下記式により流体の流量Ｑを求める。

ここで、Ｑは流体の流量、Ｖは流体の流速、Ａは配管内部の断面積である。断面積Ａは既知であるものとする。流速Ｖを補正係数で補正してもよい。信号処理部１１１は、流速Ｖを補正係数で除することで流速Ｖ’を算出し、流速Ｖに代えて流速Ｖ’を用いて、上記式により流体の流量Ｑを求めてもよい。

ステップＳ１２０において、信号処理部１１１は、処理結果（例えば、伝搬時間、流速、流量など）を出力器１０６に出力する。

（本実施形態の利点）
以上述べた本実施形態の構成によれば、第２振動子１０１ｂから出力される受信信号が
入力されるＡ／Ｄ変換器１０４に、第１振動子１０１ａに入力される送信信号を分岐させて入力する。単一のＡ／Ｄ変換器１０４に受信信号及び送信信号が入力されるため、送信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタと受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際に発生するジッタとが略同じ又は近似することになる。したがって、音響信号の伝搬時間を測定する際の送信信号の基準時間と受信信号の基準時間とを一致させることができ、音響信号の伝搬時間を測定する際のジッタの影響を低減することができる。すなわち、音響信号の伝搬時間を精度よく求めることが可能となる。よって、微少流量の測定など、高い精度が要求される場面への適用も可能である。また、安価なＡ／Ｄ変換器を用いても、音響信号の伝搬時間を測定する際のジッタの影響を低減することができるため、装置のコストダウンを図ることができる。

図５を参照して、音響信号の伝搬時間について説明する。図５は、制御信号、送信信号及び受信信号のタイムチャートである。図５（Ａ）は、制御信号の波形を示している。図５（Ｂ）は、増幅器３０２から出力された送信信号の波形を示している。図５（Ｂ）の時間Ｔ１は、制御信号の立ち上がり開始時間と増幅器３０２から出力された送信信号の立ち上がり開始時間との時間差である。換言すれば、時間Ｔ１は、増幅器３０２から出力された送信信号の遅延時間（増幅器３０２が送信信号を増幅するのに要する時間）である。図５（Ｃ）は、減衰器３０３から出力された送信信号の波形と、第２振動子１０１ｂから出力された受信信号の波形とを示している。図５（Ｃ）の時間Ｔ２は、減衰器３０３から出力された送信信号の立ち上がり開始時間と第２振動子１０１ｂから出力された受信信号の立ち上がり開始時間との時間差である。図５（Ｄ）は、増幅器３０１から出力された送信信号の波形と、増幅器３０１から出力された受信信号の波形とを示している。図５（Ｄ）の左側の時間Ｔ３は、増幅器３０１から出力された送信信号の遅延時間（増幅器３０１が送信信号を増幅するのに要する時間）である。図５（Ｄ）の右側の時間Ｔ３は、増幅器３０１から出力された受信信号の遅延時間（増幅器３０１が受信信号を増幅するのに要する時間）である。図５（Ｅ）は、Ａ／Ｄ変換器１０４による信号の取り込み時間を示している。制御回路１０２からＡ／Ｄ変換器１０４に制御信号が入力されてから所定時間、Ａ／Ｄ変換器１０４による信号の取り込みが行われる。図５（Ｆ）は、制御回路１０２に入力された送信信号の波形と、制御回路１０２に入力された受信信号の波形とを示している。図５（Ｆ）の時間Ｔ４は、制御回路１０２に入力された送信信号の立ち上がり開始時間（Ｔｏｓ）と制御回路１０２に入力された受信信号の立ち上がり開始時間（Ｔｏｒ）との時間差である。

信号処理部１１１は、制御回路１０２に入力された送信信号の立ち上がり開始時間（Ｔｏｓ）から制御回路１０２に入力された受信信号の立ち上がり開始時間（Ｔｏｒ）を減算することにより、第１振動子１０１ａから第２振動子１０１ｂまでの音響信号の伝搬時間Ｔａｂを算出する。増幅器３０１から出力された送信信号の遅延時間Ｔ３と増幅器３０１から出力された受信信号の遅延時間Ｔ３とは同じである。そのため、信号処理部１１１によって算出される伝搬時間Ｔａｂ（＝Ｔ４）は、増幅器３０１から出力された送信信号の遅延時間Ｔ３と増幅器３０１から出力された受信信号の遅延時間Ｔ３とが相殺されている（Ｔ４＝Ｔｏｓ－Ｔｏｒ－（Ｔ３－Ｔ３））。このように、送信信号及び受信信号は、同じ増幅器３０１による信号遅延の影響（遅延時間Ｔ３）を受けるため、伝搬時間Ｔａｂ（＝Ｔ４）の測定において、増幅器３０１による信号遅延の影響を無視することができる。また、送信信号及び受信信号は、同じ増幅器３０２による信号遅延の影響（遅延時間Ｔ１）を受ける。そのため、伝搬時間Ｔａｂ（＝Ｔ４）の測定において、増幅器３０２による信号遅延の影響を無視することができる。例えば、送信信号及び受信信号のそれぞれを異なる増幅器で増幅してＡ／Ｄ変換器１０４に入力する場合、増幅された送信信号及び受信信号の遅延時間がばらつく。本実施形態の構成によれば、送信信号及び受信信号を単一の増幅器３０１で増幅してＡ／Ｄ変換器１０４に入力するため、増幅された送信信号及び受信信号の遅延時間のばらつきを抑止することができる。したがって、音響信号の伝搬時間
を測定する際の送信信号及び受信信号の遅延時間のばらつきの影響を低減することができ、音響信号の伝搬時間を精度よく求めることが可能となる。

＜その他＞
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態の装置では、音響信号の伝搬時間を測定した後、その伝搬時間の測定値を利用して流体の流速及び流量を計算したが、流速及び流量の計算は必須ではない。伝搬時間測定装置１は、単に伝搬時間を測定する処理を行うだけでもよい。その場合は、図４のフローにおけるステップＳ１００～Ｓ１０８の処理を実行するだけでもよい。また、単に伝搬時間を測定するだけであれば、伝搬角度θは９０度でもよい。また、上記実施形態では、配管を挟み込むように取り付け可能なクランプオン型の装置を例示したが、配管組み込み型の装置構成を採用してもよい。また、振動子の数は３つ以上でもよく、上流側から下流側への音響信号の伝搬に用いる振動子対と、下流側から上流側への音響信号の伝搬に用いる振動子対を分けてもよい。

また、上記実施形態の伝搬時間測定装置１は、増幅器３０１、３０２及び減衰器３０３を有する構成を採用しているが、増幅器３０１、３０２及び減衰器３０３の設置は必須ではない。送信信号生成器１０３によって生成された送信信号の信号レベルが十分に大きい場合には、増幅器３０１及び減衰器３０３の設置を省略してもよい。送信信号生成器１０３によって生成された送信信号の信号レベルが十分に大きく、かつ、第２振動子１０１ｂから出力された受信信号の信号レベルが十分に大きい場合には、増幅器３０１、３０２及び減衰器３０３の設置を省略してもよい。また、Ａ／Ｄ変換器１０４の測定レンジが大きい場合、増幅器３０１、３０２及び減衰器３０３のうちの少なくとも一つの設置を省略してもよい。

＜付記１＞
（１） 流体（１２１）を流す配管（１２０）に対し互いに異なる位置に配置される複数の振動子（１０１ａ、１０１ｂ）であって、電気信号としての送信信号を音響信号に変換する第１振動子（１０１ａ）と、前記第１振動子（１０１ａ）から送信されて前記配管（１２０）内の流体（１２１）を伝搬した前記音響信号を受信し電気信号としての受信信号に変換する第２振動子（１０１ｂ）とを少なくとも含む、複数の振動子（１０１ａ、１０１ｂ）と、
前記第２振動子（１０１ｂ）から出力される前記受信信号が入力されるアナログデジタル変換器（１０４）と、
前記第１振動子（１０１ａ）に入力される前記送信信号を分岐させ、前記アナログデジタル変換器（１０４）の入力へ導くバイパス線（２０１ｃ）と、
前記アナログデジタル変換器（１０４）によってデジタル信号に変換された前記送信信号及び前記受信信号に基づいて、前記第１振動子（１０１ａ）から前記第２振動子（１０１ｂ）までの前記音響信号の伝搬時間を求める信号処理部（１１１）と、を備える
ことを特徴とする伝搬時間測定装置（１）。

１：伝搬時間測定装置
１０１：振動子
１０１ａ：第１振動子
１０１ｂ：第２振動子
１０２：制御回路
１０３：送信信号生成器
１０４：Ａ／Ｄ変換器
１１１：信号処理部
１２０：配管
１２１：流体
２０１ａ、２０１ｂ：信号線
２０１ｃ：バイパス線

Claims (11)

1. 流体を流す配管に対し互いに異なる位置に配置される複数の振動子であって、電気信号としての送信信号を音響信号に変換する第１振動子と、前記第１振動子から送信されて前記配管内の流体を伝搬した前記音響信号を受信し電気信号としての受信信号に変換する第２振動子とを少なくとも含む、複数の振動子と、
   前記第２振動子から出力される前記受信信号が入力されるアナログデジタル変換器と、
   前記第１振動子に入力される前記送信信号を分岐させ、前記アナログデジタル変換器の入力へ導くバイパス線と、
   前記アナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換された前記送信信号及び前記受信信号に基づいて、前記第１振動子から前記第２振動子までの前記音響信号の伝搬時間を求める信号処理部と、を備える
   ことを特徴とする伝搬時間測定装置。
2. 前記バイパス線に設けられており、前記バイパス線を伝搬する前記送信信号を減衰する減衰器を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝搬時間測定装置。
3. 前記減衰器は受動素子で構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の伝搬時間測定装置。
4. 前記第２振動子と前記アナログデジタル変換器のあいだに設けられ、前記アナログデジタル変換器に入力される前記送信信号及び前記受信信号を増幅する増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の伝搬時間測定装置。
5. 前記バイパス線は、前記第２振動子と前記増幅器のあいだの信号線に接続されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の伝搬時間測定装置。
6. 前記送信信号を生成する送信信号生成器と、
   前記送信信号生成器と前記第１振動子のあいだに設けられ、前記第１振動子に入力される前記送信信号を増幅する第２増幅器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の伝搬時間測定装置。
7. 前記バイパス線は、前記第２増幅器と前記第１振動子のあいだの信号線に接続されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の伝搬時間測定装置。
8. 前記第１振動子と前記第２振動子は、前記配管を挟んで対向するように配置される
   ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の伝搬時間測定装置。
9. 前記第１振動子と前記第２振動子は、前記配管の長手方向の異なる位置に配置される
   ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の伝搬時間測定装置。
10. 前記第２振動子に前記送信信号が入力され、前記第２振動子から送信された音響信号を受信した前記第１振動子から出力された前記受信信号と前記バイパス線を介して分岐した前記送信信号とが前記アナログデジタル変換器に入力されるように切り替えを行う切り替え部をさらに備え、
    前記信号処理部は、前記アナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換された前記送信信号及び前記受信信号に基づいて、前記第２振動子から前記第１振動子までの前記音響信号の伝搬時間を求める
    ことを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の伝搬時間測定装置。
11. 前記信号処理部は、前記第１振動子から前記第２振動子までの前記音響信号の伝搬時間と、前記第２振動子から前記第１振動子までの前記音響信号の伝搬時間との差に基づいて、前記配管内の流体の流速及び／又は流量を求める
    ことを特徴とする請求項１０に記載の伝搬時間測定装置。

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