JP5228462B2 - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動子などを用い、超音波を利用して気体や液体などの流体の流速、流量を計測する流体の流れ計測装置に関する。

従来の流体の流れ計測装置を図９を参照して説明すると、流体が流れる流路１０１の上流側と下流側とに一対の超音波振動子１０２，１０３が配置されており、超音波が流体を斜めに横切るようにしてある。

そして、前記一対の超音波振動子１０２，１０３間を伝搬する超音波の伝搬時間差から流体の流速を計測し、これにもとづき流量を演算していた。例えば、伝搬時間差から流速を求め、管路の大きさや流れの状態を考慮して流量値を計算できる。

なお、図中の実線矢印１０４は流体の流れる方向を示し、破線矢印１０５は超音波の伝搬する方向を示している。流体の流れる方向と、超音波の伝搬する方向とは角θで交叉している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１３９５８号公報

しかしながら、前記従来の計測装置では、上流側の超音波振動子１０２から下流側の超音波振動子１０３へ超音波を伝播させて、超音波の伝搬時間Ｔｕｄを、また下流側の超音波振動子１０３から上流側の超音波振動子１０２へ超音波を伝播させ、超音波の伝搬時間Ｔｄｕを交互に計測し、計測した超音波の伝播時間Ｔｕｄ、Ｔｄｕなどを用いて時間差を求め流量を演算していた。

この際、所定の振幅が得られる受信波形の部分に参照レベルを設定してトリガーレベルとし、伝播時間を計測していた。したがって、トリガ−レベルよりも前の零クロス点を用いて超音波の伝搬時間を計測することができなかった。

このため、超音波の到達時間に不確かな時間が含まれることになり、誤差となる場合があり、高精度な流れ計測を実現することができないという課題を有していた。

即ち、超音波の受信波形は、一般に駆動回路で駆動される周波数で立上がり、順次、超音波変換器固有の振動周波数に変化する。

あるいは、流路の側壁などからの反射波の影響を受けるなどするため、超音波の受信波形は受信点に近い立上がり部分は周波数が安定しているが、トリガ−レベルを設定するような比較的受信振幅の大きい部分では、上流側と下流側とで受信する波形に差が発生し、伝播時間の誤差として検知されることになる。

また、流路１０１の側壁などで反射した超音波が受信波に若干遅れて到達し、受信波として受信されるので、受信波形がオフセット分を差し引いた場合にゼロ点を通過する零クロス点が不確かになることもあった。

さらに本来到達時間より長時間計測することは計測装置をそれだけの間余分に動作することになるため消費電流の増大という課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、トリガーレベルよりも前の受信した超音波の零クロス点の到達時間を少なくとも２つ以上使い、その平均値を求めて超音波の到達時間を計測することができるようにして超音波の伝播時間に含まれる誤差を少なくし、高精度な計測を実現しつつ、省電力動作を実現することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流速または流量計測装置は、被測定流体の流れる流路に配置され、超音波を送受信する一対の振動子と、一方の振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、受信手段の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段と、受信手段の信号が零クロス点として予め定めた範囲になる度に信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を送信開始からの経過時間として記憶する少なくとも２つ以上の受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段に記憶した経過時間を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段で求めた上流から下流への伝搬時間と下流から上流への伝搬時間の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段に記憶された複数の経過時間を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有し、前記受信点記憶手段は前記受信波判定手段の出力信号があるまで上書き更新するようにしたものである。

この構成により、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間をトリガ−レベルよりも前の受信した超音波の零クロス点の到達時間を少なくとも２つ以上使い、その平均値を求めて超音波の到達時間を計測することができるようにして超音波の伝播時間に含まれる誤差を少なくし、高精度な計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

本発明の、流速または流量計測装置は、トリガ−レベルよりも前の受信した超音波の零クロス点の到達時間を少なくとも２つ使い、その平均値を求めて超音波の到達時間を計測することができる。このため複数の零クロス点の平均値を用いることにより計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

第１の発明は被測定流体の流れる流路に配置され、超音波を送受信する一対の振動子と、一方の振動子を駆動する送信手段と、他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、受信手段の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段と、受信手段の信号が零クロス点として予め定めた範囲になる度に信号を出す受信点検知手段と、前記受信点検知手段の出力を送信開始からの経過時間として記憶する少なくとも２つ以上の受信点記憶手段と、前記受信点記憶手段に記憶した経過時間を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、前記計時手段で求めた上流から下流への伝搬時間と下流から上流への伝搬時間の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、前記送信手段と前記受信手段と前記受信波判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段に記憶された複数の経過時間を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有し、前記受信点記憶手段は前記受信波判定手段の出力信号があるまで上書き更新するようにしたものである。

この構成により、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間をトリガ−レベルよりも前の受信した超音波の零クロ
ス点の到達時間を少なくとも２つ以上使い、その平均値を求めて超音波の到達時間を計測することができるようにして超音波の伝播時間に含まれる誤差を少なくし、高精度な計測を実現しつつ、省電力動作を実現できる。

第２の発明は特に第１の発明の発明で制御手段は制御手段は、前記受信点記憶手段への通電を初回のみ予め推定される伝搬時間よりも十分短い時点から開始し、前記受信波判定手段の出力後に停止する電源供給手段を有することにより、最初の計測時は本来受信波が到達するよりも前に受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえることが可能になる。

第３の発明は特に第１の発明で制御手段は、前記受信点記憶手段への通電を２回目以降、前回の伝搬時間を基に初回よりも遅い時点からを開始するよう前記電源供給手段のタイミングを調節することにより、受信波が到達する直前から受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえるとともに省電力動作が可能になる。

第４の発明は特に第１の発明で制御手段は、前記受信点検知手段の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段を有し、前記電源供給手段は前記トリガ手段の出力により前記受信点記憶手段への通電を開始することにより、確実に受信波が到達したことを確認してから受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで信頼性が向上するとともにさらに短時間動作による省電力動作が可能になる。

第５の発明は特に第１の発明から第４の発明のいずれか１つにおける制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、これにより測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上や省電力動作を行うことができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態が本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１おいて、被測定流体が流れる流路３１の上流側と下流側とに第１の振動子３２、第２の振動子３３を設置して、それら振動子３２，３３間を伝搬する超音波がこの流路３１を斜めに横切るように設定されている。

また、前記第１の振動子３２と前記第２の振動子３３を駆動する送信手段３４と、前記第１の振動子３２と前記第２の振動子３３の受信信号を受け信号を増幅する受信手段３５と、受信手段３５の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段３６と、受信手段３５の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段３７と、前記受信点検知手段３７の出力を記憶する２つの受信点記憶手段３８と、前記受信点記憶手段３８の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段３９と、前記計時手段３９の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段４０とを有する。

さらに、送信手段３４と第１の振動子３２、および第２の振動子３３と受信手段３５の間に切換手段４１を設け、第１の振動子３２と第２の振動子３３が超音波の送受信を切換えて動作するようにしている。

受信点記憶手段３８は少なくとも２つ以上の記憶部を有し、記憶開始後は前記受信波判定手段３６の出力信号があるまで上書き更新するようになっている。

制御手段４２は、前記送信手段３４と前記受信手段３５と前記受信波判定手段３６と、受信点検知手段３７と、受信点記憶手段３８と、前記計時手段３９と前記流量演算手段４０と前記切換手段４１との少なくとも１つを制御する。

また、制御手段４２は受信点選択手段４３を有し、受信波判定手段３６により超音波が受信側振動子に到達したことを検知すると、本来の受信波到達点に近い時間まで遡るため受信点記憶手段３８に記憶されている受信点データから伝搬時間演算用として少なくとも２つ以上の値を選択して、伝搬時間を計時する前記計時手段３９に送る。

計時手段は送られてきた受信点データの平均値を用いて伝搬時間を求めその値を流量演算手段４０に渡す。

流量演算手段４０は伝播時間の差、すなわち上流側からの伝搬時間と下流側からの伝搬時間の差を本に流速を求め、流路の断面積との積より流量を求める。

通常の流速または流量計測の動作を説明する。

制御手段４２からスタート信号を受けた送信手段３４が第１の振動子３２を一定時間パルス駆動行うと同時に計時手段３９は時間計測始める。パルス駆動された第１の振動子３２からは超音波が送信される。

第１の振動子３２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第２の振動子３３で受信される。

第２の振動子３３の受信出力は、受信手段３５で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。

この超音波の受信を決定した時点で計時手段３９の動作を停止し、その時間情報ｔから（式１）によって流速を求める。

なお、計時手段３９から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、角度をφ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。

ｖ＝（１／ｃｏｓφ）＊（Ｌ／ｔ）−ｃ ・・・（１）
受信手段３５は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになって
いることが多い。

また、第１の超音波振動子３２と第２の超音波振動子３３との送信、受信方向を切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式２）、（式３）、（式４）より速度ｖを求めることができる。

なお、上流から下流への測定時間時間をｔ１、下流から上流への測定時間時間をｔ２とする。

ｔ１＝Ｌ／（ｃ＋ｖ＊ｃｏｓφ）・・・・・・・・（２）
ｔ２＝Ｌ／（ｃ−ｖ＊ｃｏｓφ）・・・・・・・・（３）
ｖ＝（Ｌ／２＊ｃｏｓφ）＊［（１／ｔ１）−（１／ｔ２）］・・・（４）
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。

流速ｖが求まると、それに流路３１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

従来の動作を図２，３で説明する。

制御手段４２による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに、送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。

そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ１で第１の超音波振動子３２から出た超音波は第２の超音波振動子３３に到達する。

その受信信号は受信手段３５で増幅されその信号レベルが予め定めた値（Ｖｒｅｆ）になると受信波判定手段３６が受信波が到達したことを判定して信号を出す。この信号を基に受信点検知手段３７が動作を開始し、Ｖｒｅｆ後の最初の零クロス点を受信点として信号を出し、この点までの時間を計時手段３９で求める。

切換手段４１で送受信を切換えて同様の動作を行い計時手段３９で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて流量演算手段４０が流量を算出する。

ここで図３（ａ）のｔａ点はＶｒｅｆより後になっている。これは受信波判定としてＶｒｅｆの値を用い、その後の零クロス点ｔａを受信点としているためである。例えば信号波を１００ｋＨｚ、伝搬時間を１００μｓ前後とすると、ｔａのような零クロス点は５μｓ毎に発生する。

受信波は図３でもわかるようにＶｒｅｆより前にも到達している。これがＶｒｅｆより前の信号を利用できればできるほど超音波の到達時間に不確かな時間が含まれにくくなる。さらに５μｓ前の信号を利用できれば１００μｓの伝搬時間を計測している場合は５％も計測時間を短縮することが可能になり、消費電流の削減を実現できる。

零クロス点の基準となる零基準をｐとする。もし、オフセットがプラス側に発生すると零基準はｑのようになり零クロス点は本来より早く到達してしまう。

反対にオフセットがマイナス側に発生すると零基準はｒのようになり零クロス点は本来より遅く発生してしまう。

同様にノイズが発生して受信波形がプラス側にずれると零クロス点は本来のｔａ点より遅く到達し、反対にノイズ等により受信波形がマイナス側にずれると零クロス点は本来のｔａ点より早く到達してしまう。

このように１点だけの受信点判定ではオフセットやノイズ等の外乱で受信時間の精度が悪くなることが考えられる。

そこで、Ｖｒｅｆより前の零クロス点を検出し、オフセットなどの外乱が発生しても制度よく受信点を求める方法を説明する。

単純に零クロス点を受信波の到達した点、例えば図３のａ点を求めることが出来ればよいが、その場合はＶｒｅｆを設定できない。それに近い次のｂ点を受信波到達点とするとＶｒｅｆは破線のＶｒｅｆ−ｓｕｂとしなければならない。この場合は零信号に近いため流量が流れた場合の波形の変化や少しのノイズ等で反応して誤検知する可能性がある。

このような現象を回避して通常のｔａより精度良く受信波の到達点を判定するには零クロス点を連続して２つ以上個求め、その平均値を用いればオフセットのズレを相殺することができる。

例えば、図３（ｂ）に示すようにオフセットが発生することにより従来の零クロス点はｔａ点からｔｂ、ｔｃ点にずれることがある。その場合受信波到達点としてＴａ時間は非常に不安定となる。

零クロス点を２つ用いて平均をとるとｔａに対してｔｘ、ｔｂに対してｔｙ、ｔｃに対してｔｚとなりその平均Ｔａ’は一定値となり安定する。ここではＶｒｅｆより後のｔｂを用いているが、この操作はＶｒｅｆより前の受信波を用いて零クロス点を２つ用いても同様の効果はある。

零クロス点を偶数個用いると零基準のズレによる受信点の変動を２個用いた場合よりより平均操作により絞り込むことが可能になる。

そこで、Ｖｒｅｆより前の零クロス点を検出し始める方法を説明する。

単純に零クロス点を受信波の到達した点、例えば図３のａ点から求めることが出来ればよいが、その場合はＶｒｅｆを設定できない。

それに近い次のｂ点を受信波到達点とするとＶｒｅｆは破線のＶｒｅｆ−ｓｕｂとしなければならない。

この場合は零信号に近いため流量が流れた場合の波形の変化や少しのノイズ等で反応して誤検知する可能性がある。

このような現象を回避して通常のｔａより短時間で受信波の到達点を判定するにはＶｒｅｆより前の零クロス点を少なくとも２つ以上検知し、その平均値をとればよい。

この動作を実現するには制御手段４２による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。

そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ１で第１の超音波振動子３２から出た超音波は第２の超音波振動子３３に到達する。

その受信信号は受信手段３５で増幅されその信号レベルが予め定めた値（Ｖｒｅｆ）になると受信波判定手段３６が受信波が到達したことを判定して信号を出す。

そのために、零クロス点として予め定めた範囲、例えばプラス１ｍＶ、マイナス１ｍＶ以内に入ると信号を出す受信点検知手段３７が動作を開始している。

そうすると図４の点ａになると受信点検知手段３７が信号を出力し、その出力を受信点記憶手段３８−１が記憶する。記憶する値は送信時点からの経過時間、もしくは経過時間を計測できる特定一定時間幅を有するパルス数等とすると後の演算が容易になる。

次に点ｂになると同様に受信点記憶手段３７が信号を出力し、受信点記憶手段３８−２に記憶する。同様に順次その次の点ｃにおける受信点データは受信点記憶手段３８−３に記憶する。

この場合、受信点データが受信点記憶手段３８の個数より多い場合は最も古い受信点から順次上書きするように制御手段４６が書き込む順番を制御するようにしてもよい。

例えば、図４（ｂ）のように受信点記憶手段３８−４まで記憶すると次は受信点記憶手段３８−１に戻って上書きしていくような構成である。

そして受信信号がＶｒｅｆを越えると初めて受信波判定手段３６が信号を出力する。

制御手段４６はこの受信波判定手段３６から信号が出力されると、これ以降の零クロス点で受信点検知手段３７が信号を出さないようにするか、もしくは受信点記憶手段３８への書き込みを禁止する。

この動作を行うことによりｔｘまでの零クロス点を少なくとも１つ以上記憶しているため、その中から２つ以上のを利用し、その平均値を用いて計時手段３９で伝搬時間を求める。

その際、制御手段４２は受信点選択手段４３を用い、受信波判定手段３６により超音波が受信側振動子に到達したことを検知すると本来の受信波到達点に近い時間、例えば図４（ａ）のａ点までさかのぼるため受信点記憶手段３８に記憶されている受信点データから伝搬時間演算用として最後に記憶した受信点データからできるだけ可能な限りさかのぼり少なくとも２つ以上の値を選択して伝搬時間を計時する前記計時手段３９に送る。

図４（ａ）のａ点に近いほど受信波形の歪みも無く正しい受信点を検出できるが、振幅が小さいためノイズの影響を受けやすい。

したがって、Ｖｒｅｆから数点前のたとえばｂ点やｃ点を用いその平均値を伝搬時間として、そこから予め定めた一定値を補正量として減算することでａ点を推定することも可能である。

受信点記憶手段３８には古いものから順次上書きされているため上書きされている値の次のデータが最も古いものとなっている。

さかのぼる個数については予め実験などによりその数を決めておいたり、あまり図４（ａ）のａ点近くのデータを用いるとノイズにより大きくきく誤差が出そうな場合はＶｒｅｆより数点前と予め決めた値にしておく事でも良い。

また、計時手段３９で使用する受信点データ（伝搬時間）は連続した２点もしくは偶数にするとオフセットを相殺することが可能なため有用である。

ただし、流路の特性や振動子の特性などにより立ち上がりからの奇数個数や立下りからの奇数個を用いることも設定としては可能である。

この構成により、上流側の超音波振動子と下流側の超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間、即ち、超音波の到達時間をトリガ−レベルよりも前の受信した超音波の零クロス点の到達時間を少なくとも連続して２つ以上使い、その平均値を求めて計測することができる。

このため、オフセットなどが重畳していても立ち上がりのゼロ点と立下りのゼロ点で相殺することができる。

切換手段４１で送受信を切換えて同様の動作を行い計時手段３９で求めた時間と先ほど求めた時間の差に基づいて流量演算手段４０が流量を算出する。

その結果、今までは図４のｔａまでかかっていた伝搬時間をｔｘもしくはそれ以前の零クロス点までで確定することができる。

具体的にはＴａ−Ｔｆの時間は送信周波数の半周期Ｔｆの整数分だけ伝搬時間の計測動作時間を短くすることができることになる。

今ままでは、図４（ａ）のｔａで伝搬時間を確定していたが、オフセットなどの影響が避けられなかった。

この方法では複数の零クロス点の平均値を用いることにより計測した超音波の伝搬時間あるいは到達時間に含まれる誤差を小さくすることができ、高精度な流れ計測を実現できる。また、零クロス点が多くなるような状態でも受信波判定手段の近傍における複数の零クロス点を確実にとらえることができるとともに、受信点記憶手段の数を適度に少なくして順次上書きすることで省電力動作が可能になる。

また受信点記憶手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８は記憶動作を行うのに電力を消費するがどの時点から通電して良いかは前もってわかっていない場合が多い。

あまり早く投入すると電力が無駄になるし、受信点を通過してから通電しても意味は無い。

そこで図５に示すように、制御手段４２内に電源供給手段４４を設けて電力制御を行う。タイミングは図６で説明する。

一番初めに計測を開始する場合はＴａが不明である。超音波振動子３２，３３の物理的距離からおおよその時間は推定できるが確かでは無い。

そこで制御手段４２は電源供給手段４４を用いて受信点記憶手段３８への通電タイミングを調節する。

まず、時刻ｔ０における開始信号から計測を開始するとともに送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。

そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ１で第１の超音波振動子３２から出た超音波は第２の超音波振動子３３に到達する。

その前時刻ｔ２に電源供給手段４３を用いて受信点記憶手段３８への通電を開始する。ｔ２はｔ１より十分短い時間とする。

このように、制御手段４２は受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８への通電を初回のみ長時間とする電源供給手段４４を有することにより、最初の計測時は本来受信波が到達するよりも前に受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえることが可能になる。

また初回により受信点が確定し伝搬時間が求まる。その場合は２回目以降の通電時間を調整することが容易になる。

例えば、図６で最初はｔ２において、受信点記憶手段３８への通電を開始したが、実際に超音波が伝搬して受信したのはｔ１である。

次の計測においては伝搬時間が大幅に変化することが無いため制御手段４２にある電源供給手段４４はｔ１に近くてまだ受信信号が到達していないｔ２まで通電するのを待つことが可能になる。

３回目は２回目の伝搬時間を用いたり、または１回目と２回目の移動平均を用いたりして伝播時間を予想し、通電時間を極力短くすることが可能になる。

このように制御手段４２で受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８への通電を２回目以降、前回の値を基に短く通電するよう電源供給手段４３のタイミングを調節することにより、受信波が到達する直前から受信波検知手段の出力を記憶する準備をすることで確実に受信波をとらえるとともに省電力動作が可能になる。

この説明では受信点記憶手段３８の通電時間のみ調節するようになっているが、受信信号を増幅する受信手段３５から下流の動作が電源投入時に不安定な状態が長く続かなければそれら一式もしくは特に電力を必要とする部位の通電を電源供給手段４４で調整すればさらに省電力が可能になる。

また図４（ａ）の零クロス点ａからｄの状態が図６のｔ３からｔ１の付近を拡大したものと同等とする。

この場合、受信手段３５は受信信号が到達する前から動作し、受信点検出手段３７も動作しａ，ｂ，ｃ，ｄ毎に信号を送出している。

図７において、制御手段４２はこの受信点検出手段３７の出力信号をカウントし予め予め定めた回数例えば２回とするとｂ点まで受信点が到達するとトリガ手段４５が電源供給手段４４を介して受信点記憶手段３８への通電を開始する。

受信確定するｔｘまでの通電時間をより短くすることができる。

このように制御手段４２は受信点検知手段３７の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段４５を有し電源供給手段４４は前記トリガ手段の出力により受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８への通電を開始することにより、そこ
からの零クロス点を複数個Ｖｒｅｆまでの数もしくは予め準備している複数の受信点記憶手段３８の個数だけ記憶する。

そしてその中から連続した２つの零クロス点データを用いて伝搬時間を求める。このように確実に受信波が到達したことを確認してから受信波検知手段３７の出力を記憶する準備をすることで信頼性が向上するとともにさらに短時間動作による省電力動作が可能になる。

また、図４における零クロス点は受信波にノイズが重畳されていなければほぼ送信周波数の半分の周期で発生してきている。

しかし実際に流路に流体が流れている場合はその流体により下流側で何かが動作している。

この動作や他の外来ノイズ等により受信波にスパイク状の信号が重畳されることもある。この場合ノイズが零クロスした点を受信点とすると伝搬時間の計算が大きくずれてしまう。これを防止するため図８に示すように制御手段４２に時間検定手段４６を設ける。

動作を説明する。まず図４と同様に零クロス点を受信し始めると受信点検知手段３７が信号を出力し、その出力を受信点記憶手段３８−１が記憶する。

記憶する値は送信時点からの経過時間、もしくは経過時間を計測できる特定一定時間幅を有するパルス数等とすると後の演算が容易になる。

次に、点ｂになると同様に受信点記憶手段３７が信号を出力し、受信点記憶手段３８−２が受信点データを記憶する。これを点ｃ、ｄと繰返しｔｘの点を記憶した後、受信信号がＶｒｅｆを越える。

この時初めて受信波判定手段３６が信号を出力する。制御手段はこの受信波判定手段３６から信号が出力されると、これ以降の零クロス点で受信点検知手段３７が信号を出さないようにするか、もしくは受信点記憶手段３８への書き込みを禁止する。

そして次の零クロス点ｔａの時間を受信点記憶手段３８を介さずに直接制御手段の時間検定手段４６に送る。時間検定手段４６は受信点記憶手段３８にある受信点データの値とｔａの値との差を順次求める。

この差が予め定めた範囲内であればａ、ｂ、ｃ、ｔｘ点のデータはノイズによるものではないと判断し、流量演算として採用できると判定する。そしてその中の２つ以上の零クロス点を用いて流量を演算する。

例えば、送信周波数が１００ｋＨｚとすると周期の１/２の周期は５μｓとなるそこでｔｘ−ｔａが予め定めた５μｓ近傍以内であればｔｘは有効な受信点であると判断する。

同様に、ａ−ｔａが５μｓの整数倍の近傍以内であれば有効な受信点と判断する。以下ｂ、ｃ、ｄ点についても同様に判断していく。

このように制御手段４２は受信波判定手段３６の出力後の受信点検知手段３７の出力と、受信点記憶手段３８の値の差を演算する時間検定手段４６を有し、前記時間検定手段４６の値が予め定めた値以内であれば計測を有効とすることで、ノイズなどによる零クロス点の誤検知を防止することができ正確な零クロス点を選定することで信頼性の向上が可能
になる。

また受信信号が図４の零クロス点ｔｘより先Ｖｒｅｆを越えた後は受信手段３５より後段の回路は計時手段３９、流量演算手段４０以外を動作する必要が無い。

したがって、受信波判定手段３６により受信波がＶｒｅｆを越えたことを検知すると制御手段４２は受信点記憶手段３８への通電を停止して省電力動作を行うとともに必要のない受信回路の通電動作を停止することが可能である。

停止を行う時点はＶｒｅｆを越えた直後でも良いし、また通電停止時の信号によりノイズが発生して計時手段３９などの動作に悪影響を与えてもよくないため次の零クロス点ｔａを検知してから通電停止してもよい。

このように制御手段４２は受信波判定手段３６の出力後の受信点検知手段３７の出力後予め定めた時間経過後に電源供給手段４３を介して受信点記憶手段３８への電源供給を停止することにより、余分な零クロス点を計測して記憶する動作を停止することができ省電力動作を実現することが可能になる。

なお、図３（ｂ）で受信到達点をｔｘ，ｔａ２点の平均値Ｔａ’を確定できると説明したが、従来の到達点Ｔａと異なるように見えるかもしれないので説明する。本来の受信到達点は図３のａ点となる。

この点だけを検出することは前述したように非常に困難である。そこでｔａまでの時間Ｔａを求め、予め決まった定数を差し引くことでａ点までの時間を求めている。

したがって、ｔｘとｔａを用いた場合は受信波の４分の１周期（ｔａ−ｔｘ）／２の値だけ予め決まった定数を調整すれば受信到達点ａまでの時間を演算することが可能である。ＴａよりＴａ’の方が誤差が少ないためａまでの時間が安定して求まるわけである。

この説明は２点の零クロス点を用いているが偶数個の零クロス点の場合も同様に安定する。

（実施の形態２）
実施の形態２の流体の流れ計測装置について図８を兼用して説明する。

実施の形態１と異なるところは、振動子３２，３３や送信手段３４、受信手段３５、受信手段３５の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段３６、受信手段３５の信号が予め定めた範囲になると信号を出す受信点検知手段３７、前記受信点検知手段３７の出力を記憶する受信点記憶手段３８、前記受信点記憶手段３８の信号を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段３９、前記計時手段３９の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段４０、送受信を切換える切換手段４１、さらに受信点選択手段４３との少なくとも１つを制御する制御手段４２の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体４７を用いていることである。

実施の形態１で示した制御手段４２の動作を行うには、予め実験等によりｔｘを求めるための受信点記憶手段の動作、通電方法を求めておいたり、経年変化、温度変化、システムの安定度に関して動作タイミングなどの相関を求め、ソフトをプログラムとして記憶媒体４７に格納しておく。

通常マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと利用が便利である。

切換手段４１の動作により送受信の方向が変化するため条件設定などの個数が増加してくるがこれをコンピュータによる動作で調整すると容易に実現可能である。

このように、制御手段４２の動作をプログラムで行うことができるようになると流量演算の補正係数の条件設定、変更や計測間隔の調整などが容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに流速または流量計測の精度向上を行うことができる。

なお、本実施の形態において、制御手段４２以外の動作もマイコン等によりプログラムで行ってもよい。

これにより制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、測定方法の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測の精度向上を行うことができる。

本発明の流速または流量計測装置は零クロス点を２つ以上、上書きして記憶し続け、受信波が確実に届いたことを示す受信波判定手段に出力信号があるとその動作を停止する。

これにより、比較的受信波形の振幅の大きい部分に受信波判定手段によるトリガ−点を設定し、安定してトリガ−を動作させるとともに、その前の零クロス点のうち最適な２点以上の平均値を伝播時間計測に用いることができるので、誤差の少ない伝播時間を計測することができるとともに、計測時間を短縮化できることで省電力動作を実現することが可能になる。

本発明の実施の形態１を示す流体の流れ計測装置の全体ブロック図 同計測装置におけるタイミング図 同計測装置における受信波を示すタイミング図 同計測装置における受信波の測定を示すタイミング図 同計測装置における受信波を示すタイミング図 同計測装置における受信点記憶手段の動作を示すタイミング図 本発明の流れ計測装置の他の動作を示す全体ブロック図 同計測装置におけるタイミング図 本発明の流れ計測装置の他の動作を示す全体ブロック図 本発明の流れ計測装置の他の動作、および実施の形態２を示す全体ブロック図 従来の流れ計測装置の断面図

符号の説明

３１ 流路
３２ 第１の振動子
３３ 第２の振動子
３４ 送信手段
３５ 受信手段
３６ 受信波判定手段
３７ 受信点検知手段
３８ 受信点記憶手段
３９ 計時手段
４０ 流量演算手段
４１ 切換手段
４２ 制御手段
４３ 受信点選択手段
４４ 電源供給手段
４５ トリガ手段
４６ 時間検定手段
４７ 記憶媒体

Claims (5)

1. 被測定流体の流れる流路に配置され、超音波を送受信する一対の振動子と、
   一方の振動子を駆動する送信手段と、
   他方の受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、
   受信手段の信号が予め定めた値になると信号を出す受信波判定手段と、
   受信手段の信号が零クロス点として予め定めた範囲になる度に信号を出す受信点検知手段と、
   前記受信点検知手段の出力を送信開始からの経過時間として記憶する少なくとも２つ以上の受信点記憶手段と、
   前記受信点記憶手段に記憶した経過時間を用いて振動子間を伝搬した超音波信号の伝搬時間を計時する計時手段と、
   前記計時手段で求めた上流から下流への伝搬時間と下流から上流への伝搬時間の計時差に基づいて流量を算出する流量演算手段と、
   前記送信手段と前記受信手段と前記受信波判定手段と受信点検知手段と前記受信点記憶手段と前記計時手段と前記流量演算手段との少なくとも１つを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記受信波判定手段の出力により、予め定めた数だけ逆のぼった受信点記憶手段に記憶された複数の経過時間を伝搬時間演算用として選択する受信点選択手段を有し、前記受信点記憶手段は前記受信波判定手段の出力信号があるまで上書き更新する流体の流れ計測装置。
2. 前記制御手段は、前記受信点記憶手段への通電を初回のみ予め推定される伝搬時間よりも十分短い時点から開始し、前記受信波判定手段の出力後に停止する電源供給手段を有する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 前記制御手段は、前記受信点記憶手段への通電を２回目以降、前回の伝搬時間を基に初回よりも遅い時点からを開始するよう前記電源供給手段のタイミングを調節する請求項２記載の流体の流れ計測装置。
4. 前記制御手段は、前記受信点検知手段の出力が予め定めた回数より多くなると信号を出すトリガ手段を有し、前記電源供給手段は前記トリガ手段の出力により前記受信点記憶手段
   への通電を開始する請求項３記載の流体の流れ計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項記載の制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
   

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