JP4572546B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波を利用してガス、水などの流体の流れを計測する流体の流れ計測装置に関するものである。

従来のこの種の流体の流れ計測装置は、図１０に示すようなものが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。この装置は流体の流れる流路３１に設置した第１超音波振動子３２および第２超音波振動子３３と、第１超音波振動子３２、第２超音波振動子３３の送受信を切り換える切換手段３４と、第１超音波振動子３２及び第２超音波振動子３３を駆動する送信手段３５と、受信側の超音波振動子で受信し切換手段３４を通過した信号を所定の振幅まで増幅する増幅手段３６と、増幅手段３６で増幅された受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段３７と、図１１に示すように基準比較手段３７で基準電圧と比較し大小関係が反転した後の増幅信号の最初のゼロクロス点ａで繰り返し手段３９へ出力信号Ｄを出力する判定手段３８と、この判定手段３８からの信号をカウントし予め設定された回数だけカウントすると共に判定手段３８からの信号を制御手段４２へ出力する繰り返し手段３９と、繰り返し手段３９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段４０と、計時手段４０の計時した時間に応じて流量を算出する流量算出手段４１と、流量算出手段４１から算出された流量出力、繰り返し手段３９からの信号を受け送信手段３５の動作を制御する制御手段４２と、判定手段３８、繰り返し手段３９、計時手段４０、流量算出手段４１、制御手段４２から構成されている。

この装置は制御手段４２により送信手段３５を動作させ超音波振動子３２で発信された超音波信号が、流れの中を伝搬し第２超音波振動子３３で受信され、増幅手段３６で増幅後、基準比較手段３７と判定手段３８で信号処理され、繰り返し手段３９を通り制御手段４２に入力される。この動作を予め設定されたｎ回数繰り返し行い、この間の時間を計時手段４０により測定する。そして、第１超音波振動子３２と第２超音波振動子３３とを切換手段３４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流（この方向を正流とする）と下流から上流（この方向を逆流とする）のそれぞれの伝搬時間を測定し、被測定流体の流速を求め、式１より流量Ｑを求めていた。

ここで、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、上流から下流へのｎ回分の測定時間をｔ１、下流から上流へのｎ回分の測定時間をｔ２、被測定流体の流速をｖ、流路の断面積をＳ、センサ角度をφ、流量をＱとする。

Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ・Ｌ／２・ｃｏｓφ（（ｎ／ｔ１）−（ｎ／ｔ２））・・・（式１）
実際には、式１に流量に応じた係数をさらに乗じて流量を算出する。

また、増幅手段３６のゲインは、受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整しており、受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲に入るように調整される。これは繰り返し手段３９に設定された回数の計測を繰り返し中に、図１２の点線で示す受信信号ｂに示すように受信信号のピーク電圧値が所定の電圧範囲の下限より下回った回数と、同じく図１２の点線で示す受信信号ｃに示すように所定の電圧範囲の上限より上回った回数をカウントしておきその大小関係で次回の流量計測時のゲインを調整する。例えば下限より下回った回数が多ければゲインをアップして、図１２の実線で示す受信信号ａのように電圧範囲の上限、下限の内に入るようにする。

また、増幅手段３６により増幅された受信信号の電圧と比較する基準比較手段３７の基準電圧は判定手段３８により検知するゼロクロス点の位置を決めるもので図１１を例にすると受信信号の３波目のゼロクロス点ａを判定手段３８により検知するよう、受信信号の２波と３波のピーク電圧の中点の電圧に設定される。そうすることにより何らかの原因で受信信号の２波のピーク電圧が上昇、または３波のピーク電圧が減少しても双方に対してマージンをとれ、安定に判定手段３８により３波目のゼロクロス点ａが検知できるものである。
特開２００３−１０６８８２号公報

しかしながら上記従来の流体の流れ計測装置は、基準比較手段３７において所定の振幅レベルに増幅された受信信号と比較する基準電圧の電圧設定方法として、固定抵抗器と半固定抵抗器を用い抵抗分圧で設定することが多く用いられてきた。この方法では所定の電圧を発生するように基準電圧を監視しながら半固定抵抗器を手動で調節を行うので基準電圧設定に時間が掛かり、また、調整ミスの発生の可能性も有していた。

さらに調整後の経年変化、また、機械振動、熱衝撃等を受けることによって調整位置が変化することもあった。そして温度変化や流量の変化、または超音波振動子の経年変化等でその感度が変化すると再度、基準電圧を設定し直す必要があるという課題を有していた。また、このような流体の流れ計測装置は電池を電源とするので低消費電力であることが求められている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、基準電圧の設定を迅速かつ、精度良く行い、常に最適な基準電圧に保ち、かつ低消費電力である流体の流れ計測装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ計測装置は基準設定手段の基準電圧を最小から最大に変化させたときの時間差計時手段の計時する時間差により受信波の各波のピーク電圧位置を認識してこのピーク電圧比を基に受信波の特定の波の間に基準電圧を設定するようにしたものである。

これによって基準設定手段が設定する基準電圧は超音波信号の受信波に基づき、受信波の特定の波のピーク電圧間に設定され、時間差計時手段が計時する時間差が最適となる基準電圧に人手を介することなく、設定動作が迅速かつ、精度良く行われ、かつ継続的に最適な基準電圧に保つ流体の流れ計測装置とすることができる。

本発明の流体の流れ計測装置は、基準電圧を最小から最大に変化させ、そのときの時間差計時手段の計時する時間差が大きく変化する複数の変曲点の内、基準電圧を最小から最大に変化させ、そのときの時間差計時手段の計時する時間差が大きく変化する複数の変曲点から受信波の各波のピーク電圧を認識し、ピーク電圧の比より特定の２波、３波のピーク電圧間の中点の電圧、または任意の点に基準電圧を自動的に設定する基準設定手段としたことにより、超音波の受信波の中で受信信号の電圧変動に対して、一番安定して超音波信号の到達時期を検知出来る電圧に設定出来、また、流量計測時の時間差計時手段の計時する時間差が基準電圧を設定した際の時間差を基に決定される所定の時間差の幅から逸脱した場合に基準電圧の再設定が行われる。

これにより基準電圧の設定が人手を介することなく迅速に行われかつ、設定後、流量計測時に基準電圧が最適な電圧に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る効果がある。

第１の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記振動子を駆動する送信手段と、前記振動子の送受信を切り換える切換手段と、前記振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、前記超音波信号の送受信の累積時間を計時する計時手段と、前記計時手段の計時した時間に基づいて流速及びまたは流量を算出する流量算出手段と、前記第１振動子及び前記第２振動子のうち受信側の振動子の受信信号の電圧と基準電圧とを比較する基準比較手段と、前記基準比較手段と前記増幅手段の出力とから超音波信号の到達時期を判定する判定手段と、前記基準比較手段と前記判定手段の出力の時間差を計時する時間差計時手段と、前記基準比較手段の基準電圧を設定する基準設定手段を備えた流体の流れ計測装置において、基準電圧を最小から最大に変化させたときの前記時間差計時手段の計時する時間差により受信波の各波のピーク電圧位置を認識してこのピーク電圧比を基に受信波の特定の波の間に基準電圧を設定する基準設定手段とした流体の流れ計測装置とすることにより、基準電圧の設定を迅速かつ、精度良く行い、超音波の受信信号の変動に対し一番安定な基準電圧に設定出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第２の発明は、時間差計時手段の計時する時間差を流体の流れ計測装置本体の調整時に記憶する時間差記憶手段を設け、前記時間差記憶手段に記憶されている時間差を流量計測後に基準設定手段が基準電圧を設定する際に用いる時間差の目標値とする１項記載の流体の流れ計測装置とすることにより、自動的に基準電圧の補正を行い、常に最適な基準電圧に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第３の発明は、基準設定手段は流体の流れ計測装置本体の調整時に基準電圧を受信波の特定の波間に設定した際の特定の波のピーク電圧間に基準電圧の設定範囲を限定する請求項２記載の流体の流れ計測装置とすることにより、流量計測中の超音波の受信信号の変動により基準電圧との大小関係が崩れたことを検知して基準電圧を再設定することで、最適な基準電圧に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第４の発明は基準設定手段は流体の流れ計測装置本体の調整時に基準電圧を受信波の特定の波間に設定した際の特定の波のピーク電圧間の所定の割合の区間に基準電圧の設定範囲を限定する請求項２記載の流体の流れ計測装置とすることにより、より迅速に常に最適な基準電圧に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第５の発明は基準設定手段は流量算出手段が算出した流量が所定流量以上になるまで基準電圧調整動作を行わない請求項１〜４記載の流体の流れ計測装置とすることにより、設定が迅速で常に最適な基準電圧に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第６の発明は基準設定手段は流量算出手段が算出した流量が所定流量以上の状態から流量ゼロに戻った際に、前回の流量ゼロ時の基準電圧位置と比較して所定以上異なれば受信波の特定の波の間に設定する基準電圧の初期化をやり直す請求項１〜５記載の流体の流れ計測装置とすることにより、流路を流れる流体の流量の影響により超音波信号の送受信の方向別に超音波の受信信号と基準電圧との大小関係が崩れたことを検知して超音波信号の送受信の方向別に増幅手段の増幅度を変更することで基準電圧を再設定することで、基準比較手段の基準電圧を最適に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第７の発明は基準設定手段は流量算出手段が算出した流量が所定流量以上の状態から流量ゼロに戻った際に、前回の流量ゼロ時の基準電圧位置と比較して所定値以内であれば再度所定流量以上になるまで基準電圧調整動作を行わない請求項７記載の流体の流れ計測装置とすることにより、流路を流れる流体の流量の影響により超音波信号の送受信の方向で超音波の受信信号と基準電圧との大小関係が崩れた場合に超音波信号の送受信の方向毎に基準比較手段の基準電圧を設定することで、基準比較手段の基準電圧を最適に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第８の発明は基準設定手段は流量算出手段が算出した流量が、予め設定された複数の流量域の中で流量域を移ったときに基準電圧の調整動作を行う請求項１〜７記載の流体の流れ計測装置とすることにより、時間差計時手段の計時した時間差の変曲点の判定を確実に行うことが出来、その変曲点の中点または任意の点の電圧を基準電圧とすることで基準比較手段の基準電圧を最適に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第９の発明は基準設定手段は増幅手段の増幅度を調整後に基準電圧の変更を行う第１〜８の発明の流体の流れ計測装置とすることにより、時間差計時手段の計時した時間差の変曲点の判定を確実に行うことが出来、その変曲点の中点または任意の点の電圧を基準電圧とすることで基準比較手段の基準電圧を最適に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。

第１０の発明は第１〜９のいずれかの発明の流体の流れ計測装置の手段の全てもしくは一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。そして、プログラムであるのでマイコンなどを用いて本発明の流量計側装置の一部あるいは全てを容易に実現することができ超音波振動子の変更または経年変化等の特性の変化や動作を実現するための設定条件や定数の変更が柔軟に対応に出来る。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布が簡単にできる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置のブロック図を示すものである。図２及び図５は同第１の実施例の流体の流れ計測装置の動作説明図であり、図３、及び図４は同フローチャートである。

図１において、流路１の途中に超音波を送信する第１超音波振動子２（第１振動子）と受信する第２超音波振動子３（第２振動子）が流れ方向に対し、角度φで配置されている。５は第１超音波振動子２への送信手段であり、４は第１超音波振動子２、第２超音波振動子３の送受信を切り換える切換手段、６は受信側の超音波振動子で受信した信号を制御手段１２からの指示によるゲインで増幅する増幅手段、７は前記増幅手段６で増幅された信号と基準電圧とを比較し信号を出力する基準比較手段である。

８は基準比較手段７の出力と前記増幅手段６で増幅された信号とから超音波の到達時期を判定する判定手段、９は判定手段８の信号をカウントし予め設定された回数だけ制御手段１２へ繰り返し信号を出力する繰り返し手段である。１０は繰り返し手段９で予め設定された回数をカウントした時間を計時する計時手段であり、１１は計時手段１０の計時した時間に応じて流体の流速を検出し、さらに管路の大きさや流れの状態を考慮して流量を算出する流量算出手段（算出手段）である。

また、１２は流量算出手段１１、繰り返し手段９からの信号を受け送信手段５、増幅手段６の動作を制御する制御手段である。１３は基準比較手段７の出力と判定手段８の出力との時間差を計時する時間差計時手段、１４は基準比較手段７の基準電圧を設定し、かつ２波と３波のピーク電圧値を記憶する基準設定手段、１５は基準設定手段１４が基準電圧を設定後の時間差計時手段１３の計時する時間差を記憶する時間差記憶手段である。

以上のように構成された流体の流れ計測装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず制御手段１２は図示していないモード切替のための入力により製造工程時に製造工程専用のモードで以下の様に動作を開始する。電源投入後、制御手段１２は、ゲイン調整のために暫定の基準電圧を設定する（図３のステップ１）。ゲイン調整は図２に示すように例えば受信波の最大振幅である５波のピーク電圧値を所定の電圧値になるようにゲインを調整し設定するものであり、このときの基準電圧は１波のピーク電圧より高く、５波のピーク電圧より低ければどのような値の電圧でもよい。また、ゲイン調整中は基準電圧は固定である。これは基準電圧を変更することで基準電圧が５波のピーク電圧以上になったり、１波のピーク電圧以下になり基準比較手段７、判定手段８が正しく動作しなくなることを防ぐためである。

流体の流れ計測装置のゲイン調整自体は従来例と同等であるので本実施の形態ではその説明は省略する。

最初に、受信側の第２超音波振動子３で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整した後（ステップ２）、基準設定手段１４は基準電圧を設定範囲の最小電圧に設定する（ステップ３）。

最低の基準電圧に設定後、制御手段１２は繰り返し手段９の繰り返し回数を１回に設定して、送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信する（ステップ４）。

第１超音波振動子２より送信された超音波信号は流路１の流れの中を伝搬し、第２超音波振動子３で受信され、増幅手段６で増幅されて、基準比較手段７、判定手段８へ出力される。ここで図２に増幅後の受信信号の様子を示す。つまり図２に示すように基準比較手段７は増幅手段６の出力（受信信号Ａ）と基準電圧とを比較し（図３のステップ５）、その大小関係が反転した時点（タイミングｃ）で時間差計時手段１３と判定手段８に出力信号Ｃを出力する。

時間差計時手段１３は基準比較手段７からの出力信号Ｃを入力すると計時を開始し（ステップ６）、判定手段８ではタイミングｃ以降の増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点ａを超音波の到達ポイントと判定し（ステップ７）、出力信号Ｄを繰り返し手段９、時間差計時手段１３に出力する。時間差計時手段１３は、この判定手段８の出力信号Ｄを受けると計時を終了し（ステップ８）、計時した時間差Ｔｄを基準設定手段１４へ出力する。基準設定手段１４は、基準電圧を基準電圧の可変範囲の１制御単位分（例えば２ｍＶ）だけ増加させる（ステップ９）。制御手段１２は繰り返し手段９に設定された繰り返し回数が１回であるので、繰り返し動作が終了した旨の信号を繰り返し手段９より入力して、再度送信手段５を動作させ、第１超音波振動子２より超音波信号を送信する。基準設定手段１４が基準電圧の設定範囲の最大電圧に基準電圧を設定するまで、ここまでの動作を繰り返す。

基準設定手段１４が基準電圧の最大電圧まで設定が終わると、基準設定手段１４は基準電圧を設定範囲の最小電圧から最大電圧に変化させたときの時間差計時手段１３の計時する時間差が大きく変化する（例えば前回の時間差と比較して１．３倍以上変化するか）変曲点は複数存在している。

この変曲点について図５、図６を用いて説明する。図５は基準設定手段１４が基準電圧を設定範囲の最小電圧から最大電圧に変化させたときの時間差計時手段１３の計時した時間差を示した図である。時間差計時手段１３の計時した時間差は図２に示すように基準比較手段１３と判定手段８の出力の時間差であるので受信信号の各波（１波、２波、３波．．．）のピーク電圧付近（図６において、それぞれｐ１、ｐ２、ｐ３．．．とする。）に基準電圧がある場合に時間差が最小（ｐ１、ｐ２、ｐ３．．．に対応してそれぞれＴｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３．．．とする。）になり、その値は超音波の周期の約１／４（駆動周波数が５００ＫＨｚの場合、５００ｎｓ）になる。

そこから基準電圧を増加させ、各波のピーク電圧を超えると時間差計時手段１３の計時した時間差は急に大きくなり、図５に示すように時間差の変曲点（時間差の最小であるＴｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３．．．）として現れる。例えば、基準電圧が２波のピークｐ２付近（但しｐ２を越えない）にあった場合から２波のピーク電圧ｐ２を超えた場合、変曲点はＴｐ２となる。これは時間差の変曲点になる基準電圧が受信信号の各波のピーク電圧付近の電圧となることを意味している。

これらのピーク電圧の比は流路、センサによりほぼ一定の値となることが実験で確認されている。例えば図６に示すように１波のピーク電圧ｐ１と２波のピーク電圧ｐ２の比ｐ２／ｐ１≒２．５、２波のピーク電圧ｐ２と３波のピーク電圧ｐ３の比ｐ３／ｐ２≒１．８、更に３波のピーク電圧ｐ３と４波のピーク電圧ｐ４の比ｐ４／ｐ３≒１．３といった具合である。

このように各波のピーク電圧の比が一定の値を示すことから、受信波の各波を認識することが可能である。つまり、あるピーク電圧と一つ前（基準電圧が低い方に一つ前）のピーク電圧との比が２．５倍程度となるピーク電圧は２波のピーク電圧であり、１．８倍程度となるのは３波のピーク電圧である。基準設定手段１４では以上のようにピーク電圧の比を確認し、そのピーク電圧比によって受信波の特定の波（２波と３波）のピーク電圧を認識し、その特定の波（２波、３波）のピーク電圧の中点のＶｒｅｆに基準電圧を設定する（図３のステップ１１）。

そしてこの特定の波（２波、３波）のピーク電圧の中点のＶｒｅｆに基準電圧を設定した後の時間差計時手段１３が計時する時間差を時間差記憶手段１５が記憶し、また２波のピーク電圧と３波のピーク電圧（基準電圧の設定範囲）を基準設定手段が記憶して（ステップ１２）、製造工程専用のモードを終了する。

２波のピーク電圧と３波のピーク電圧を記憶することで、製造工程時における超音波信号の到達時期を検知するためのポイント（例えば図２における３波の負のゼロクロス点ａ）を検知できる基準電圧の設定可能範囲が記憶される。

基準電圧を２波、３波間に設定する意図はピーク電圧の幅が一番広い基準電圧範囲（図６において２波、３波のピーク電圧範囲）に基準電圧を設定すれば、受信信号の各波のピーク電圧差の一番大きい部分に設定することになり、例えば図５において２波、３波のピーク電圧の中点のＶｒｅｆに基準電圧を設定すれば２波、３波のピーク電圧と基準電圧との間にマージンを大きく取ることが出来、受信信号の電圧変動に対して最も安定に判定手段８が超音波の受信信号の到達時期を検知出来るからである。

製造工程での基準電圧の設定後、流体の流れ計測装置の設置現場で、図示していないモード切替のための入力により制御手段１２が通常モードに切り替後、電源を投入すると以下の様に動作を開始する。最初に受信側の超音波振動子で受信した信号を一定振幅となるようゲインを調整した後（図４のステップ２１）、制御手段１２は繰り返し手段９に繰り返し回数１回を設定して基準電圧の確認動作を開始する。動作を開始した後の基準設定手段１４の動作を図４を用いて説明する。動作を開始すると制御手段１２は送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（ステップ２２）、増幅手段６で増幅された第２超音波振動子３で受信された超音波信号は基準比較手段７、判定手段８へ出力され、基準比較手段７で受信信号と基準電圧とを比較し（ステップ２３）、その大小関係が反転した時点から時間差計時手段１３で計時を開始し（ステップ２４）、判定手段８により増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点を検知するまで、時間差の計時を行う（ステップ２５、２６）。

時間差計時手段１３で計時された時間差と時間差記憶手段１５に記憶されている時間差とを比較して（ステップ２７）、所定値以上であれば基準電圧設定をやり直す（ステップ２８）。所定値以内（例えば±２０％）であれば基準電圧の変更は行わず、流速計測，流量演算の処理へ移行する。つまり、製造時に時間差記憶手段１５に記憶した時と被計測流体や構成部品の特性等の条件の変化が無ければ、ゲイン調整された受信波と基準電圧の関係には変化が無く、時間差記憶手段１５に記憶された時間差とステップ２６で時間差計時手段１３が計時した時間差は同じになるが、何らかの要因で２つの時間差が所定値以上異なる場合は、基準電圧の設定をやり直す。図７に流量計測処理について示す。

制御手段１２は繰り返し手段９に正規の繰り返し回数（例えば２５６回）を設定して流量計測を開始する。流量計測を開始すると制御手段１２は送信手段５を動作させ第１超音波振動子２より超音波信号を送信し（図７のステップ３２）、増幅手段６で増幅された第２超音波振動子３で受信された超音波信号は基準比較手段７、判定手段８へ出力され、基準比較手段７で受信信号と基準電圧とを比較し（ステップ３３）、その大小関係が反転した時点から時間差計時手段１３で計時を開始し（ステップ３４）、判定手段８により増幅手段６出力の符号が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点を検知するまで、時間差の計時を行う（ステップ３５、３６）。判定手段８によりゼロクロス点（超音波の到達ポイント）の検知後、制御手段１２は送信手段５を再度動作させ超音波振動子２より超音波信号を送信する。この一連の動作を予め設定された２５６回数繰り返し行い（ステップ３１）、所定の繰り返し回数終了後、基準設定手段１４は繰り返し回数分の時間差計時手段１３が計時した時間差の平均値を算出し（ステップ３７）、これに基づいて流量算出手段１１にて流速を算出して流量を算出する。

流量算出手段１１において算出された流量が所定の流量（例えば４００Ｌ／ｈ）以上か否かを判定し、所定流量以上であれば（ステップ３８）、基準設定手段１４の算出した時間差の平均値が予め設定された所定値（例えば製造時に設定された基準電圧が受信波の２波と３波の中点にある場合の時間差計時手段１３が計時した時間差の１２０％）と比較する（ステップ３９）。所定値以上であれば、現在の基準電圧が製造時に記憶した基準電圧の設定範囲の上限（製造工程時の３波のピーク電圧）を越えたか否かを判定し（ステップ４３）、上限を越えていた場合は流量計測を終了する。設定範囲の上限を越えていなかった場合は基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分、基準電圧を増加させる（ステップ４４）。

また、基準設定手段１４の算出した時間差の平均値と予め設定されステップ２４とは異なる別の所定値（例えば製造時に設定された基準電圧が受信波の２波と３波の中点にある場合の時間差の８０％）と比較して（ステップ４０）、所定値未満でなければ流量計測を終了する。所定値未満であった場合、現在の基準電圧が製造時に記憶した基準電圧の設定範囲の下限（製造工程時の２波のピーク電圧）を下回ったか否かを判定し（ステップ４１）、下限を下回っていなかった場合は基準電圧を１制御単位（２ｍＶ）分、基準電圧を減少させる（ステップ４２）。

また、設定範囲の下限を下回った場合は流量計測を終了する。つまり所定流量（４００Ｌ／ｈ）以上で、基準設定手段１４の算出した時間差の平均値が、製造時の基準電圧設定時の時間差の８０〜１２０％内である場合は、基準電圧はそのままで、時間差の平均値が１２０％以上である場合に、基準電圧が製造工程時の３波のピーク電圧を越えない範囲で基準電圧を流量計測毎に増加させる。また、製造時の基準電圧設定時の時間差の平均値が８０％未満である場合に、基準電圧が製造工程時の２波のピーク電圧を下回らない範囲で基準電圧を流量計測毎に減少させることになる。

以上のように所定の繰り返し回数終了後、状況に応じて基準電圧を変更していく。また、計時手段１０により流量計測開始から所定の繰り返し回数終了までの時間を測定して、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３とを切換手段４により切り替えて、同様な動作を行い、被測定流体の上流から下流と下流から上流のそれぞれの伝搬時間を測定し、これらの時間差より流量算出手段１１で流路の大きさや流れの状態を考慮して流量値を求める。

なお、図７のステップ４３において基準設定手段１４の算出した時間差の平均値が予め設定された所定値（例えば、製造時に設定された基準電圧が受信波の２波と３波の中点にある場合の時間差計時手段１３が計時した時間差の１２０％）以上である場合に、現在の基準電圧が製造時に記憶した基準電圧の設定範囲の上限（製造工程時の３波のピーク電圧）を越えたか否かを判定したが、設定範囲の上限の９０％を越えたか否かを判定するように、また、ステップ４１で現在の基準電圧が製造時に記憶した基準電圧の設定範囲の下限（製造工程時の２波のピーク電圧）を下回ったか否かを判定したが、下限の１０％増しの値を下回ったか否かを判定するようにしてもよく、この場合には基準設定手段１４の設定する基準電圧が製造工程時の２波のピーク電圧と３波のピーク電圧間の１０％〜９０％間に安定して設定されることになる。

また、流量算出手段１１は、流体の流速を検出し、さらに管路の大きさや流れの状態を考慮して流量を算出するものとしたが、流量を算出しない場合でも、求められた流体の流速により、流速の変化を判定できることとなり、流体の漏洩を検出することを可能とする。

（実施の形態２）
また、図８を用いて基準設定手段１４の他の動作を説明する。

図８は基準設定手段１４の他の動作を説明するフローチャートである。

図８に於いて所定の繰り返し回数の動作を終え、時間差の平均値を算出するまでのステップ３１〜３７迄の動作は図７の動作と同じなので、時間差の平均値を算出後のステップ５１から説明を行う。基準設定手段１４が繰り返し回数分の時間差計時手段１３が計時した時間差の平均値を算出すると、流量算出手段１１により算出された流量が０Ｌ／ｈであったか否かを判定し（ステップ５１）、０Ｌ／ｈであった場合は現在の基準電圧と製造時に設定した基準電圧との差を判定し（ステップ５２）、予め設定された設定値以上異なれば、初期設定動作で行った基準電圧の設定動作を再度実行する（ステップ５３）。所定値以内であれば基準電圧は変更せずそのまま処理を終了する。また、ステップ５１での流量判定で０Ｌ／ｈでなかった場合、前述のステップ３９以降の手順で基準電圧の設定を行う。

（実施の形態３）
さらに図９を用いて基準設定手段１４の他の動作を説明する。

図９は基準設定手段１４の他の動作を説明するフローチャートである。

図９に於いて所定の繰り返し回数の動作を終え、時間差の平均値を算出するまでのステップ３１〜３７迄の動作は図７の動作と同じなので、時間差の平均値を算出後のステップ６１から説明を行う。基準設定手段１４が繰り返し回数分の時間差計時手段１３が計時した時間差の平均値を算出すると、流量算出手段１１により算出された流量により複数の流量ゾーン分けを行う（図９のステップ６１）。

例えば流量が０〜４００Ｌ／ｈ未満、４００以上〜１０００Ｌ／ｈ未満、１０００Ｌ／ｈ以上の３つのゾーンに分け、所定の繰り返し回数の動作を終え、流量算出手段１１により算出した流量が前回計測した流量の流量ゾーンと比較し、同じであれば（ステップ６２）、基準電圧は変更せずそのまま処理を終了する。

今回計測した流量が前回計測した流量ゾーンと異なれば、ステップ３９以降の処理を行う。ステップ３９以降は図７と同じであり、説明を省略する。

つまり、前回計測時 １００Ｌ／ｈで、今回計測時が３００Ｌ／ｈであれば同じ流量ゾーンであるので基準電圧はそのままで、前回計測時 １００Ｌ／ｈで、今回計測時が５００Ｌ／ｈであれば違う流量ゾーンになるのでステップ３９以降の基準電圧の変更処理を行う。

また、本実施の形態では、時間差計時手段１３の計時する時間差が大きく変化する複数の変曲点の内、特定の波（２波と３波ピーク電圧）の変曲点間の中点に基準電圧を設定するとしたが、受信信号の電圧変動の方向（増加もしくは減少）に特徴があり、例えば受信信号の電圧変動が増加することは無く、減少することのみであれば基準電圧を時間差の変曲点間の中点ではなく、それよりも低い電圧に設定する方が受信信号の電圧変動（減少）に対して基準電圧とのマージンを大きく取れる。このような場合は、例えば時間差の最大間隔の変曲点間の１／３の点というように設定する基準電圧は受信信号の電圧変動に応じて任意の点に設定すればよい。

製造時に於いて被計測流体（ＬＰＧ等）を本流体の流れ計測装置に注入し基準電圧を受信波形の各波のピーク電圧比により自動的に特定の波間（２波−３波間）の中点に設定することで、設置現場に於いては被計測流体が流体の流れ計測装置に充填されてなくとも正しい基準電圧が設定され、動作開始後の基準電圧の自動調整により基準電圧が変更されても、製造時の特定の波間（２波−３波間）にその変更範囲を限定することで誤った電圧に設定されることを防ぐことが出来る。

以上のように本実施の形態においては製造工程等のおける初期設定時に基準電圧を設定範囲の最小電圧から最大電圧に変化させ、そのときの時間差計時手段１３の計時する時間差が大きく変化する複数の変曲点から受信波形の各波のピーク電圧を認識し、ピーク電圧の比より受信波形の波、例えば特定の２波、３波のピーク電圧間の中点の電圧、または任意の点に基準電圧を自動的に設定する基準設定手段１４としたことにより、超音波の受信波形の中で受信信号の電圧変動に対して、一番安定して超音波信号の到達時期を検知出来る２波、３波のピーク電圧間に基準電圧を確実かつ自動で設定でき、また、製造時の基準
電圧の設定後、設置現場で流量計測を行う迄に何らかの要因で部品の特性に変化が起き、時間差記憶手段１５に記憶されている製造時の時間差と時間差計時手段１３が計時した時間差とを比較して大きく異なれば基準電圧を再設定する。２つの時間差が同じであれば、基準電圧を再設定なしに流量計測を開始する。さらに流量計測時の時間差計時手段１３の計時する時間差が基準電圧を設定した際の時間差を基に決定される所定の時間差の幅から逸脱した場合に基準電圧の再設定が行われる。

これにより基準電圧の設定が人手を介することなく迅速に行われかつ、設定後も、流量計測時に基準電圧が最適な電圧に保つことの出来る流体の流れ計測装置とすることが出来る。さらに所定流量未満、または同一流量ゾーン等の必要以上に基準電圧の再設定を行わないので低消費電力で流量計測を行うことが出来る。

また、本実施の形態の流体の流れ計測装置の動作を実行させるプログラムを格納した記録媒体とすることにより、制御手段１２や基準設定手段１４の所定比率や繰り返し手段９の繰り返し回数等の設定値の変更や超音波振動子の変更または経年変化等にも柔軟に対応できるものである。

以上のように、本発明に係る流体の流れ計測装置は、基準電圧の設定を迅速かつ精度良く行うことが可能となるので、ガス，水などの流体の流速，流量などの計測に適用できる。

本発明の実施例１における流体の流れ計測装置のブロック図 同装置の動作を説明する図 同装置のフローチャート 同装置のフローチャート 同装置の動作を説明する図 同装置の動作を説明する図 同装置のフローチャート 同装置の他の動作を説明するフローチャート 同装置の他の動作を説明するフローチャート 従来の流体の流れ計測装置のブロック図 従来の流体の流れ計測装置の動作説明図 従来の流体の流れ計測装置の増幅手段の動作説明図

符号の説明

１ 流路
２ 第１超音波振動子（第１振動子）
３ 第２超音波振動子（第２振動子）
４ 切換手段
５ 送信手段
６ 増幅手段
７ 基準比較手段
８ 判定手段
９ 繰り返し手段
１０ 計時手段
１１ 流量算出手段（算出手段）
１２ 制御手段
１３ 時間差計時手段
１４ 基準設定手段
１５ 時間差記憶手段

Claims (3)

1. 流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、
   前記第１振動子及び前記第２振動子を駆動する送信手段と、
   前記第１振動子及び前記第２振動子の送受信を切り換える切換手段と、
   前記第１振動子及び前記第２振動子の受信信号を増幅する増幅手段と、
   前記超音波信号の送受信の累積時間を計時する計時手段と、
   前記計時手段の計時した時間に基づいて流速及びまたは流量を算出する算出手段と、
   前記増幅手段から出力される受信信号の電圧と基準電圧とを比較し、その大小関係が反転した時点で信号を出力する基準比較手段と、
   前記基準比較手段から出力される信号を受信後、前記増幅手段から出力される受信信号の電圧が正から負に変わる最初の負のゼロクロス点を判定した時点で信号を出力する判定手段と、
   前記基準比較手段と前記判定手段のそれぞれから出力される信号の時間差を計時する時間差計時手段と、
   前記基準電圧を設定範囲の最小電圧から最大電圧に変化させたときの前記時間差計時手段の計時する時間差が急激に変化する値をピーク電圧として複数認識し、前記複数のピーク電圧のうち任意の第１ピーク電圧値と第２ピーク電圧値の比が所定の値となった場合に、前記第１ピーク電圧と前記第２ピーク電圧の中間の値を前記基準電圧として設定する基準設定手段と、
   前記時間差計時手段の計時する時間差を前記基準電圧の設定時に記憶する時間差記憶手段と、
   を備えた流体の流れ計測装置において、
   前記基準電圧の設定後に前記時間差計時手段が計時した値と前記時間差記憶手段に記憶された値との差が所定値以上であれば、前記基準設定手段に前記基準電圧を再度設定させ、前記基準電圧の設定後に前記時間差計時手段が計時した値と前記時間差記憶手段に記憶された値との差が所定値未満であれば、流量測定を行い、前記流量測定により算出された流量が所定値以上の場合に前記基準電圧を変更する、
   流体の流れ計測装置。
2. 前記基準設定手段は前記算出手段が算出した流量が、予め設定された複数の流量域の中で流量域を移ったときに前記基準電圧の調整動作を行う請求項１記載の流体の流れ計測装置
   。
3. 前記基準設定手段は前記増幅手段の増幅度を調整後に前記基準電圧の変更を行う請求項１記載の流体の流れ計測装置。

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