TW202212782A - 傳播時間測定裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種能夠抑制抖動的影響、且進行傳播時間的高精度的測定的技術。基於輸入至第一振子的發送訊號及自第二振子輸出的接收訊號而求得音響訊號的傳播時間的裝置包括：類比數位轉換器，輸入有自第二振子輸出的接收訊號；旁路線，使輸入至第一振子的發送訊號分岐，並朝類比數位轉換器的輸入引導；以及訊號處理部，基於經類比數位轉換器轉換成數位訊號的發送訊號及接收訊號，求得音響訊號自第一振子至第二振子的傳播時間。

Description

傳播時間測定裝置

本發明是有關於一種測定音響訊號的傳播時間的技術。

已實際應用一種裝置，藉由安裝於配管外側的感測器（sensor）測定音響訊號在配管內部傳播的傳播時間，且基於所述傳播時間，能夠非破壞性地測量在配管內流動的流體的流速或流量。此種裝置一般使用超音波作為音響訊號，而將其稱為「超音波流量計」或「超音波式流量計」等。

例如於專利文獻1中，揭示了一種裝置，使用配置於配管上游側及下游側的一對超音波振子，基於朝流體的流動的正方向傳播的超音波與朝反方向傳播的超音波的傳播時間差而求得流體的流量。於專利文獻1的裝置中，藉由計算上游側的超音波振子的接收訊號與下游側的超音波振子的接收訊號的相關函數，而計算傳播時間差。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2008-304281號公報

[發明所欲解決的課題]

現有的超音波流量計有如下所述的的擔憂：因類比/數位（analog/digital，A/D）轉換器或放大器等在電路中產生的抖動（jitter）（時間軸方向的訊號波形的波動）或延遲的影響，而無法準確地測定訊號的傳播時間。因此，現有的超音波流量計無法用於微小流量的測定等的、被要求高精度的用途。

本發明鑒於所述實際情況而完成，其目的在於提供一種能夠抑制抖動或延遲的影響、且進行傳播時間的高精度的測定的技術。 [解決問題之手段]

本揭示的傳播時間測定裝置包括：多個振子、類比數位轉換器、旁路（bypass）線以及訊號處理部；所述多個振子相對於供流體流動的配管配置於互不相同的位置，且包含將作為電訊號的發送訊號轉換成音響訊號的第一振子、及接收自所述第一振子發送且於所述配管內的流體中傳播的所述音響訊號並轉換成作為電訊號的接收訊號的第二振子；所述類比數位轉換器輸入有自所述第二振子輸出的所述接收訊號；所述旁路線使輸入至所述第一振子的所述發送訊號分岐，並朝所述類比數位轉換器的輸入引導；所述訊號處理部基於經所述類比數位轉換器轉換成數位訊號的所述發送訊號及所述接收訊號，求得所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間。

使輸入至第一振子的發送訊號分岐並輸入至輸入有自第二振子輸出的接收訊號的類比數位轉換器。由於在單一的類比數位轉換器輸入有接收訊號及發送訊號，因此將發送訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動與將接收訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動大致相同或近似。因此，在求得音響訊號的傳播時間時，發送訊號的基準時間與接收訊號的基準時間大致一致或近似，而可減小抖動的影響。又，藉由單一的類比數位轉換器對發送訊號及接收訊號進行A/D轉換。因此，因A/D轉換所致的發送訊號的延遲時間、即對發送訊號進行A/D轉換所需的時間、與因A/D轉換所致的接收訊號的延遲時間、即對接收訊號進行A/D轉換所需的時間為大致一致或近似。因此，可抑制因A/D轉換所致的訊號的延遲對音響訊號的傳播時間的測定帶來的影響。

本揭示的傳播時間測定裝置可包括衰減器，所述衰減器設置於所述旁路線，對在所述旁路線中傳播的所述發送訊號進行衰減。若在旁路線中傳播的發送訊號的訊號位準大，則有輸入至類比數位轉換器的發送訊號的訊號位準自類比數位轉換器的測定範圍偏移的情況。利用衰減器對在旁路線中傳播的發送訊號進行衰減，藉此輸入至類比數位轉換器的發送訊號的訊號位準處於類比數位轉換器的測定範圍內。

所述衰減器可包含被動元件。利用電阻、電容器（condenser）等被動元件構成衰減器，藉此對在旁路線中傳播的發送訊號進行衰減時的發送訊號的延遲時間、即衰減器對發送訊號進行衰減所需的時間變得微小。

所述傳播時間測定裝置可更包括放大器，所述放大器設置於所述第二振子與所述類比數位轉換器之間，對輸入至所述類比數位轉換器的所述發送訊號及所述接收訊號進行放大。由於在配管內的流體中傳播音響訊號時音響訊號衰減，因此有如下所述的情況：在第二振子將音響訊號轉換成接收訊號時接收訊號的訊號位準變小，因此輸入至類比數位轉換器的接收訊號的訊號位準成為類比數位轉換器的測定範圍外。利用放大器對接收訊號進行放大，藉此輸入至類比數位轉換器的接收訊號的訊號位準處於類比數位轉換器的測定範圍內。

所述旁路線可連接於所述第二振子與所述放大器之間的訊號線。藉此，輸入至第一振子的發送訊號及自第二振子輸出的接收訊號經由訊號線輸入至放大器。因此，對發送訊號進行放大時的發送訊號的延遲時間、即對發送訊號進行放大所需的時間、與對接收訊號進行放大時的接收訊號的延遲時間、即對接收訊號進行放大所需的時間大致一致。如此般，由於發送訊號與接收訊號受到因同一放大器所致的延遲，因此可抑制因放大器所致的訊號延遲對音響訊號的傳播時間的測定帶來的影響。即，於音響訊號的傳播時間的測定中，可忽視因放大器所致的訊號延遲的影響。

所述傳播時間測定裝置可更包括：發送訊號生成器，生成所述發送訊號；以及第二放大器，設置於所述發送訊號生成器與所述第一振子之間，對輸入至所述第一振子的所述發送訊號進行放大。由於在配管內的流體中傳播音響訊號時音響訊號衰減，因此藉由對輸入至第一振子的發送訊號進行放大，而可增大第二振子輸出的接收訊號的訊號位準。藉此，輸入至類比數位轉換器的接收訊號的訊號位準處於類比數位轉換器的測定範圍內。

所述旁路線可連接於所述第二放大器與所述第一振子之間的訊號線。藉此，經第二放大器放大的發送訊號輸入至第一振子，且由旁路線分岐並輸入至類比數位轉換器。此種情況下，第一振子將經放大的發送訊號轉換成音響訊號，第二振子接收音響訊號並將接收訊號輸出。因此，經旁路線分岐後輸入至類比數位轉換器的發送訊號、與自第二振子輸出後輸入至類比數位轉換器的發送訊號受到由同一第二放大器所致的放大的延遲，因此可抑制因第二放大器所致的訊號延遲對音響訊號的傳播時間的測定帶來的影響。即，於音響訊號的傳播時間的測定中，可忽視因第二放大器所致的訊號延遲的影響。

所述第一振子與所述第二振子可以隔著所述配管而相向的方式配置。又，所述第一振子與所述第二振子亦可配置於所述配管的長度方向上的不同的位置。

所述傳播時間測定裝置可更包括切換部，所述切換部以對所述第二振子輸入所述發送訊號、自接收到自所述第二振子發送的音響訊號的所述第一振子輸出的所述接收訊號與經由所述旁路線分岐後的所述發送訊號輸入至所述類比數位轉換器的方式進行切換；所述訊號處理部基於經所述類比數位轉換器轉換成數位訊號的所述發送訊號及所述接收訊號，求得所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間。根據此種結構，可精度良好地求得在同一傳播路徑中，自上游側朝下游側傳播音響訊號時的傳播時間、與自下游側朝上游側傳播音響訊號時的傳播時間。

所述訊號處理部可基於所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間、與所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間的差，求得所述配管內的流體的流速及/或流量。藉此，可高精度地測定配管內的流體的資訊。

可將本發明視為具有所述結構的至少一部分的傳播時間測定裝置，亦可視為流速測定裝置、流量測定裝置、流量計、流量感測器等，還可視為生成發送訊號的發送訊號生成裝置、發送電路等。又，可將本發明視為具有所述處理的至少一部分的傳播時間測定方法、流速測定方法、流量測定方法、發送訊號生成方法，或亦可視為用於實現所述方法的程式或將所述程式非暫時性地予以記錄的記錄媒體。再者，可使所述結構及處理各者盡可能地相互組合而構成本發明。 [發明的效果]

根據本發明，可提供一種能夠抑制抖動的影響、且進行傳播時間的高精度的測定的技術。

＜應用例＞ 參照圖1，說明傳播時間測定裝置的應用例。

傳播時間測定裝置1包括兩個以上的振子101，利用另一振子（例如101b）接收自任一振子（例如101a）發送的音響訊號，而測定音響訊號在兩個振子之間的路徑中進行傳播所需的時間（傳播時間）。由於各振子101相對於配管120配置於互不相同的位置，故在兩個振子101之間傳播的音響訊號通過（橫切）配管120的內部。因此，音響訊號的傳播時間並非一定，受到在配管120內流動的流體121的狀態（例如：流速、流量、氣泡或異物的存在等）的影響而變化。因此，藉由利用由傳播時間測定裝置1測定的傳播時間，而可非破壞性地測量配管120內的流體121的狀態。

再者，流體121只要為可傳播音響訊號的物質即可，可為液體亦可為氣體。音響訊號典型而言為超音波，但亦可包含可聽區的音波。

例如，在將賦予發送側的振子101的驅動用電訊號稱為「發送訊號」、將自接收側的振子101輸出的電訊號稱為「接收訊號」時，傳播時間測定裝置1自對發送訊號及接收訊號進行傳播的共用的訊號線取得發送訊號且取得接收訊號。傳播時間測定裝置1基於所取得的發送訊號及接收訊號，求得接收訊號相對於發送訊號的遲延（lag）（時間延遲）。所述遲延相當於音響訊號自發送側的振子101至接收側的振子101的傳播時間。以下，在需要對兩個振子予以區別時表述為「第一振子101a」、「第二振子101b」，在對兩者進行共通的說明時簡單使用「振子101」的表述。

傳播時間測定裝置1包括：訊號線201a，與發送側的第一振子101a連接；訊號線201b，與接收側的第二振子101b連接；以及旁路線201c，與訊號線201a及訊號線201b連接。訊號線201a的一端與第一振子101a連接，訊號線201a的另一端與切換器105連接。訊號線201b的一端與第二振子101b連接，訊號線201b的另一端與切換器105連接。切換器105以對第二振子101b輸入發送訊號、自接收到自第二振子發送的音響訊號的第一振子101a輸出接收訊號的方式進行切換。藉此，第二振子101b為發送側，第一振子101a為接收側。

發送訊號生成器103及A/D（analog/digital，類比數位）轉換器104與切換器105連接。發送訊號生成器103生成發送訊號，將發送訊號輸出至連接發送訊號生成器103與切換器105的訊號線201d。輸出至訊號線201d的發送訊號在與切換器105連接的訊號線201a中傳播並輸入至第一振子101a。自第二振子101b輸出的接收訊號在訊號線201b、及連接A/D轉換器104與切換器105的訊號線201e中傳播，並輸入至A/D轉換器104。旁路線201c使輸入至第一振子101a的發送訊號分岐，並朝A/D轉換器104的輸入引導。藉此，由發送訊號生成器103生成的發送訊號輸入至第一振子101a，且輸入至A/D轉換器104。輸入至A/D轉換器104的發送訊號及接收訊號自類比訊號轉換成數位訊號，並輸出至訊號處理部111。訊號處理部111基於轉換成數位訊號的發送訊號及接收訊號，求得音響訊號自第一振子101a至第二振子101b的傳播時間。

於輸入有發送訊號的A/D轉換器、與輸入有接收訊號的A/D轉換器不同的情況下，將發送訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動與將接收訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動有可能大不相同。抖動是指訊號邊緣自具有週期性的訊號的理想的時序進行位置變動，在訊號具有抖動的情況下，訊號的基準時間變動。因此，在發送訊號的抖動與接收訊號的抖動大不相同的情況下，無法使測定音響訊號的傳播時間時的發送訊號的基準時間與接收訊號的基準時間一致。

因此，傳播時間測定裝置1使輸入至第一振子101a的發送訊號分岐並輸入至輸入有自第二振子101b輸出的接收訊號的A/D轉換器104。由於在單一的A/D轉換器104輸入有接收訊號及發送訊號，因此將發送訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動與將接收訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動大致相同或近似。因此，可使測定音響訊號的傳播時間時的發送訊號的基準時間與接收訊號的基準時間大致一致或近似，而可減小測定音響訊號的傳播時間時的抖動的影響。

＜實施形態＞ （裝置結構） 參照圖1及圖2，對傳播時間測定裝置1的具體的結構進行說明。圖1是示意性地表示傳播時間測定裝置1的結構的框圖，圖2是表示振子朝向配管的設置例的剖視圖。本實施形態的傳播時間測定裝置1是用於非破壞性地測量在配管120內流動的流體121的流速及流量的裝置，亦將其稱為超音波流量計或超音波流量感測器。

傳播時間測定裝置1具有裝置本體100、以及多個振子101。裝置本體100與第一振子101a之間是由訊號線201a連接，裝置本體100與第二振子101b之間是由訊號線201b連接。於本實施形態中，設置有配置於配管120的長度方向上的上游側的第一振子101a、以及配置於較第一振子101a更靠下游側的第二振子101b此兩個振子101。再者，振子101的數目不限於兩個，亦可於配管120設置三個以上的振子101

振子101是將電訊號與音響訊號相互轉換的元件，亦將其稱為轉換器（transducer）。作為振子101，可使用例如藉由壓電效應將電壓與力進行相互轉換的壓電元件等。如圖2所示般，各振子101埋設於包含樹脂等的夾持具（clamp）30中。當利用夾持具30夾著配管120時，以兩個振子101（101a、101b）隔著配管120而相向、且連結兩個振子101（101a、101b）的直線相對於配管120的軸線為規定的角度θ的方式設置第一振子101a、第二振子101b。藉由採用此種夾持結構，可對於已設置的配管120簡單地（並且無需對配管120施加改修）將振子101安裝於適當的位置。再者，為了使夾持具30與配管120之間密接、且謀求音響阻抗（impedance）的整合，可於夾持具30與配管120之間塗佈滑脂（grease）或凝膠（gel）等。將角度θ稱為音響訊號的傳播角度。傳播角度θ為任意角度，但在利用後述的傳播時間差法的情況下可設定成0度＜θ＜90度，較佳的是設定為20度＜θ＜60度的範圍。

裝置本體100具有：控制電路102、發送訊號生成器103、A/D轉換器104、切換器105、以及輸出器106。控制電路102是進行傳播時間測定裝置1的各部的控制、訊號處理、運算處理等的電路。發送訊號生成器103是基於自控制電路102輸入的控制訊號（觸發訊號），生成規定的電壓的發送訊號（類比訊號）並輸出至訊號線201d的電路。A/D轉換器104是基於自控制電路102輸入的控制訊號，將發送訊號及接收訊號（類比訊號）以規定的取樣週期進行A/D轉換，並將發送訊號及接收訊號（數位訊號）朝控制電路102輸出的電路。

切換器105是基於自控制電路102輸入的切換訊號，將發送訊號的輸入目的地與接收訊號的輸出源進行切換的開關（switch）。切換器105對訊號線201a及訊號線201b、與訊號線201d及訊號線201e的連接關係進行切換。切換器105以對第二振子101b輸入發送訊號、自接收到自第二振子101b發送的音響訊號的第一振子101a輸出的接收訊號與經由旁路線201c而分岐的發送訊號輸入至A/D轉換器104的方式進行切換。藉此，第二振子101b為發送側，第一振子101a為接收側。輸出器106是將由控制電路102進行的訊號處理或運算處理的結果等的資訊予以輸出的元件，是例如顯示器等。再者，亦可於裝置本體100設置用於由使用者進行操作的輸入部（例如，按鈕（button）、觸控面板（touch panel）等），或設置對外部裝置（例如，外部的電腦（computer）或伺服器（server）等）發送資訊的通訊電路（例如無線網路模組（Wireless Fidelity module，WiFi模組）等）。

如圖1所示般，控制電路102包括訊號處理部111、以及儲存部112。訊號處理部111具有基於發送訊號與接收訊號計算音響訊號的傳播時間、進而根據傳播時間計算流體121的流速及/或流量的功能。儲存部112儲存由訊號處理部111計算出的音響訊號的傳播時間或流體121的流速及/或流量等。又，儲存部112儲存訊號處理部111進行計算時所需的資料。

控制電路102例如可包括電腦，所述電腦具有：中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）（處理器（processor））、隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）、非揮發性儲存裝置（例如唯讀記憶體（Read Only Memory，ROM）、快閃記憶體（Flash memory）、硬碟（hard disk）等）、以及輸入/輸出（Input/Output，I/O）等。此種情況下，CPU將保存於儲存裝置的程式於RAM展開、並執行所述程式，藉此提供訊號處理部111的功能。與電腦的形態無關。例如，可為個人電腦（Personal computer），亦可為組入用電腦，還可為智慧型手機（smartphone）或平板（tablet）終端機等。或者是，亦可使控制電路102所提供的功能的全部或一部分由如專用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或現場可程式閘陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的電路構成。或者是，亦可利用分散式運算或雲端運算（Cloud computing）的技術，由控制電路102與其他電腦協同而進行後述的處理。

與配管120的材質、尺寸、形狀無關。例如，可使用金屬配管或樹脂配管。又，配管120的尺寸可為由日本工業標準（Japanese Industrial Standards，JIS）或美國國家標準協會（American National Standards Institute，ANSI）決定的規格尺寸，亦可為單獨的尺寸。本實施形態的方法具有可高精度地進行微小流量的測定的優點，故可尤佳應用於測定1/8英吋管、1/4英吋管、1/2英吋管等小型配管。又，不限於直線狀配管，亦可為具有屈曲部的配管或曲線狀配管等，配管的剖面形狀亦為任意。

於發送訊號及接收訊號分別自不同的訊號線輸入至A/D轉換器的情況下，發送訊號在訊號線中傳播時產生的抖動與接收訊號在訊號線中傳播時產生的抖動有可能大不相同。於發送訊號的抖動與接收訊號的抖動大不相同的情況下，無法使測定音響訊號的傳播時間時的發送訊號的基準時間與接收訊號的基準時間一致。於傳播時間測定裝置1中，由發送訊號生成器103生成的發送訊號自訊號線201d朝訊號線201a傳播並輸入至第一振子101a。又，由發送訊號生成器103生成的發送訊號自訊號線201a分岐，於旁路線201c、訊號線201b及訊號線201e中傳播並輸入至A/D轉換器104。自第二振子101b輸出的接收訊號在訊號線201b及訊號線201e中傳播並輸入至A/D轉換器104。發送訊號及接收訊號經由訊號線201b及訊號線201e輸入至A/D轉換器104，因此發送訊號在訊號線201b及訊號線201e中傳播時產生的抖動與接收訊號在訊號線201b及訊號線201e中傳播時產生的抖動大致相同或近似。因此，可使測定音響訊號的傳播時間時的發送訊號的基準時間與接收訊號的基準時間大致一致或近似，而可減小測定音響訊號的傳播時間時的抖動的影響。

放大器301設置於連接A/D轉換器104與切換器105的訊號線201e。在訊號線201b與訊號線201e處於電性連接的狀態時，設置於第二振子101b與A/D轉換器104之間的放大器301對輸入至A/D轉換器104的發送訊號及接收訊號進行放大。即，放大器301對在訊號線201e中傳播的發送訊號及接收訊號進行放大並輸出至A/D轉換器104。A/D轉換器104將經放大器301放大的發送訊號及接收訊號自類比訊號轉換成數位訊號。由於在配管120內的流體121中傳播音響訊號時，音響訊號衰減，因此有在第二振子101b將音響訊號轉換成接收訊號時接收訊號的訊號位準小的情況。因此，有輸入至A/D轉換器104的接收訊號的訊號位準處於A/D轉換器104的測定範圍外的情況。利用放大器301對接收訊號進行放大，藉此可使輸入至A/D轉換器104的接收訊號的訊號位準處於A/D轉換器104的測定範圍內。

放大器302設置於連接發送訊號生成器103與切換器105的訊號線201d。於訊號線201a與訊號線201d處於電性連接的狀態時，設置於第一振子101a與發送訊號生成器103之間的放大器302對輸入至第一振子101a的發送訊號進行放大。即，放大器302對由發送訊號生成器103生成、自訊號線201d在訊號線201a中傳播並輸入至第一振子101a的發送訊號進行放大。放大器302是第二放大器的一例。由於在配管120內的流體121中傳播音響訊號時音響訊號衰減，因此藉由對輸入至第一振子101a的發送訊號進行放大，而可增大第二振子101b輸出的接收訊號的訊號位準。藉此，可使輸入至A/D轉換器104的接收訊號的訊號位準處於A/D轉換器104的測定範圍內。在訊號線201a與訊號線201d處於電性連接的狀態時，旁路線201c連接於放大器302與第一振子101a之間的訊號線201a。經放大器302放大的發送訊號輸入至第一振子101a，且由旁路線201c分岐後輸入至A/D轉換器104。此種情況下，第一振子101a將放大後的發送訊號轉換成音響訊號，且第二振子101b接收音響訊號並將接收訊號輸出。因此，由旁路線201c分岐後輸入至A/D轉換器104的發送訊號、與自第二振子101b輸出後輸入至A/D轉換器104的發送訊號受到由同一放大器302所致的放大的延遲，故可抑制因放大器302所致的訊號延遲對音響訊號的傳播時間的測定帶來的影響。即，於音響訊號的傳播時間的測定中，可忽視因放大器302所致的訊號延遲的影響。

衰減器303設置於與訊號線201a及訊號線201b連接的旁路線201c。衰減器303將在旁路線201c中傳播的發送訊號進行衰減。經衰減器303衰減的發送訊號在旁路線201c、訊號線201b、訊號線201e中傳播並輸入至A/D轉換器104。因在旁路線201c中傳播的發送訊號的訊號位準大，因此有輸入至A/D轉換器104的發送訊號的訊號位準為A/D轉換器104的測定範圍外的情況。藉由利用衰減器303將在旁路線201c中傳播的發送訊號進行衰減，而可使輸入至A/D轉換器104的發送訊號的訊號位準處於A/D轉換器104的測定範圍內。在訊號線201b與訊號線201e處於電性連接的狀態時，旁路線201c連接於第二振子101b與放大器301之間的訊號線201b。藉此，輸入至第一振子101a的發送訊號及自第二振子101b輸出的接收訊號經由訊號線201b輸入至放大器301。因此，對發送訊號進行放大時的發送訊號的延遲時間、即對發送訊號進行放大所需的時間、與對接收訊號進行放大時的接收訊號的延遲時間、即對接收訊號進行放大所需的時間大致一致。如此般，由於發送訊號與接收訊號受到因同一放大器301所致的延遲，因此可抑制因放大器301所致的訊號延遲對音響訊號的傳播時間的測定帶來的影響。即，於音響訊號的傳播時間的測定中，可忽視因放大器301所致的訊號延遲的影響。

如圖3所示般，衰減器303可包含被動元件。圖3所示的衰減器303包含：電容器401、電容器402、以及電阻403、電阻404、電阻405。利用被動元件構成衰減器303，藉此可使將在旁路線201c中傳播的發送訊號進行衰減時的發送訊號的延遲時間（衰減器303對發送訊號進行衰減所需的時間）微小化

（測定動作） 沿著圖4的流程圖，對傳播時間測定裝置1的測定動作的流程進行說明。

於步驟S100中，控制電路102以自訊號線201a對第一振子101a輸入發送訊號、自第二振子101b朝訊號線201b輸出接收訊號的方式對切換器105進行控制。藉此，第一振子101a為發送側，第二振子101b為接收側。

於步驟S101中，控制電路102將控制訊號輸出至發送訊號生成器103及A/D轉換器104，發送訊號生成器103基於自控制電路102輸入的控制訊號，生成規定的電壓的發送訊號（類比訊號）並輸出至訊號線201d。自發送訊號生成器103輸出的發送訊號經放大器302放大後輸入至訊號線201a。

於步驟S102中，發送訊號在訊號線201a中傳播並輸入至第一振子101a，第一振子101a輸出基於發送訊號的音響訊號。音響訊號經由夾持具30、配管120、及流體121，到達第二振子101b。於步驟S103中，在訊號線201a中傳播的發送訊號分岐，在旁路線201c、訊號線201b、訊號線201e中傳播並輸入至A/D轉換器104。在旁路線201c中傳播的發送訊號經衰減器303衰減，並經放大器301放大後，輸入至A/D轉換器104。於步驟S104中，A/D轉換器104將發送訊號自數位訊號轉換成類比訊號，並輸出至控制電路102。於A/D轉換器104中經A/D轉換的發送訊號被取入控制電路102，並保存於儲存部112。

於步驟S105中，第二振子101b接收音響訊號，將音響訊號轉換成接收訊號並輸出至訊號線201b。由於在傳播過程中音響訊號衰減，故接收訊號的振幅（電壓）與發送訊號相比為1/100～1/1000左右的等級。於步驟S106中，接收訊號於訊號線201b、訊號線201e中傳播並輸入至A/D轉換器104。於訊號線201e中傳播的接收訊號經放大器301放大後，輸入至A/D轉換器104。於步驟S107中，A/D轉換器104將接收訊號自數位訊號轉換成類比訊號，並輸出至控制電路102。於A/D轉換器104中經A/D轉換的接收訊號被取入於控制電路102，並保存於儲存部112。於步驟S108中，訊號處理部111自儲存部112讀取發送訊號與接收訊號，並計算音響訊號的傳播時間。

於步驟S109中，控制電路102控制切換器105，以對第二振子101b輸入發送訊號、自接收到自第二振子101b發送的音響訊號的第一振子101a輸出的接收訊號與經由旁路線201c分岐的發送訊號輸入至A/D轉換器104的方式進行切換。即，藉由調換發送側的振子101與接收側的振子101，而第二振子101b為發送側，第一振子101a為接收側。藉此，可精度良好地求得於同一傳播路徑中，自上游側朝下游側傳播音響訊號時的傳播時間、與自下游側朝上游側傳播音響訊號時的傳播時間。以後的步驟S110～步驟S117的處理與步驟S101～步驟S108的處理相同（其中，「將第一振子101a」替換成「第二振子101b」，將「第二振子101b」替換成「第一振子101a」）。

藉由以上處理，可獲得音響訊號自第一振子101a至第二振子101b的傳播時間Tab、與音響訊號自第二振子101b至第一振子101a的傳播時間Tba。於配管120內的流體121流動的情況下，於傳播時間Tab與傳播時間Tba之間產生與流體121的流速相應的時間差。因此，可利用傳播時間Tab與傳播時間Tba，計算流體121的流速及流量。

於步驟S118中，訊號處理部111藉由下述式而求得流體121的流速V。 [數1]

此處，V為流體的流速，L為配管內部的傳播路徑長，θ為傳播角度，Tab為自上游側振子至下游側振子的傳播時間，Tba為自下游側振子至上游側振子的傳播時間，To為流體以外的部分的傳播時間。再者，流體以外的部分的傳播時間To例如為音響訊號在夾持具30及配管120的部分進行傳播的時間，若已知配管120的規格（內徑、外徑、材質等），則可藉由實驗或模擬而預先求得。

於步驟S119中，訊號處理部111藉由下述式而求得流體的流量Q。 [數2] Q=V×A

此處，Q為流體的流量，V為流體的流速，A為配管內部的剖面積。將剖面積A設為已知。可利用補正係數對流速V進行補正。訊號處理部111可藉由將流速V除以補正係數而算出流速V'，使用流速V'來取代流速V，藉由所述式求得流體的流量Q。

於步驟S120中，訊號處理部111將處理結果（例如，傳播時間、流速、流量等）輸出至輸出器106。

（本實施形態的優點） 根據以上所述的本實施形態的結構，使輸入至第一振子101a的發送訊號分岐並輸入至輸入有自第二振子101b輸出的接收訊號的A/D轉換器104。由於在單一的A/D轉換器104輸入有接收訊號及發送訊號，因此將發送訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動與將接收訊號自類比訊號轉換成數位訊號時產生的抖動大致相同或近似。因此，可使測定音響訊號的傳播時間時的發送訊號的基準時間與接收訊號的基準時間一致，而可減小測定音響訊號的傳播時間時的抖動的影響。即，可高精度地求得音響訊號的傳播時間。因此，亦可應用於測定微小流量等、被要求高精度的場景。又，即便使用廉價的A/D轉換器，仍可減小測定音響訊號的傳播時間時的抖動的影響，因此可謀求裝置的成本降低。

參照圖5對音響訊號的傳播時間進行說明。圖5是控制訊號、發送訊號及接收訊號的時序圖。圖5（A）表示控制訊號的波形。圖5（B）表示自放大器302輸出的發送訊號的波形。圖5（B）的時間T1是控制訊號的上升開始時間與自放大器302輸出的發送訊號的上升開始時間的時間差。換言之，時間T1是自放大器302輸出的發送訊號的延遲時間（放大器302對發送訊號進行放大所需的時間）。圖5（C）表示自衰減器303輸出的發送訊號的波形與自第二振子101b輸出的接收訊號的波形。圖5（C）的時間T2是自衰減器303輸出的發送訊號的上升開始時間與自第二振子101b輸出的接收訊號的上升開始時間的時間差。圖5（D）表示自放大器301輸出的發送訊號的波形與自放大器301輸出的接收訊號的波形。圖5（D）的左側的時間T3是自放大器301輸出的發送訊號的延遲時間（放大器301對發送訊號進行放大所需的時間）。圖5（D）的右側的時間T3是自放大器301輸出的接收訊號的延遲時間（放大器301對接收訊號進行放大所需的時間）。圖5（E）表示A/D轉換器104對訊號的取入時間。在控制訊號自控制電路102輸入至A/D轉換器104之後的規定時間內，進行A/D轉換器104對訊號的取入。圖5（F）表示輸入至控制電路102的發送訊號的波形與輸入至控制電路102的接收訊號的波形。圖5（F）的時間T4是輸入至控制電路102的發送訊號的上升開始時間（Tos）與輸入至控制電路102的接收訊號的上升開始時間（Tor）的時間差。

訊號處理部111藉由自輸入至控制電路102的發送訊號的上升開始時間（Tos）減去輸入至控制電路102的接收訊號的上升開始時間（Tor），而算出音響訊號自第一振子101a至第二振子101b的傳播時間Tab。自放大器301輸出的發送訊號的延遲時間T3與自放大器301輸出的接收訊號的延遲時間T3相同。因此，由訊號處理部111算出的傳播時間Tab（=T4）中，自放大器301輸出的發送訊號的延遲時間T3與自放大器301輸出的接收訊號的延遲時間T3抵消（T4=Tos-Tor-（T3-T3））。如此般，發送訊號及接收訊號受到由同一放大器301所致的訊號延遲的影響（延遲時間T3），因此於傳播時間Tab（=T4）的測定中，可忽視由放大器301所致的訊號延遲的影響。又，發送訊號及接收訊號受到由同一放大器302所致的訊號延遲的影響（延遲時間T1）。因此，於傳播時間Tab（=T4）的測定中，可忽視由放大器302所致的訊號延遲的影響。例如，在將發送訊號及接收訊號分別由不同的放大器放大並輸入至A/D轉換器104的情況下，放大後的發送訊號及接收訊號的延遲時間產生偏差。根據本實施形態的結構，由於將發送訊號及接收訊號利用單一的放大器301放大後輸入至A/D轉換器104，因此可抑制放大後的發送訊號及接收訊號的延遲時間的偏差。因此，可減小測定音響訊號的傳播時間時的發送訊號及接收訊號的延遲時間的偏差帶來的影響，而可高精度地求得音響訊號的傳播時間。

＜其他＞ 所述實施形態僅例示性地說明本發明的結構例。本發明不限定於上文所述的具體性的形態，可在其技術性思想範圍內進行各種變形。例如，於所述實施形態的裝置中，在測定出音響訊號的傳播時間後，利用所述傳播時間的測定值而計算流體的流速及流量，但不是必須進行流速及流量的計算。傳播時間測定裝置1可僅進行測定傳播時間的處理。此種情況下，可僅執行圖4的流程中的步驟S100～S108的處理。又，若僅測定傳播時間，則傳播角度θ可為90度。又，於所述實施形態中，例示了能夠將配管以夾入的方式進行安裝的夾合（clamp on）型裝置，但亦可採用配管組入型的裝置結構。又，振子的數目可為三個以上，亦可區分用於音響訊號自上游側朝下游側傳播的振子對、與用於音響訊號自下游側朝上游側傳播的振子對。

又，所述實施形態的傳播時間測定裝置1採用具有放大器301、放大器302及衰減器303的結構，但並非必須設置放大器301、放大器302及衰減器303。於由發送訊號生成器103生成的發送訊號的訊號位準充分大時，可省略放大器301及衰減器303的設置。於由發送訊號生成器103生成的發送訊號的訊號位準充分大、且自第二振子101b輸出的接收訊號的訊號位準充分大時，可省略放大器301、放大器302及衰減器303的設置。又，於A/D轉換器104的測定範圍大時，可省略放大器301、放大器302及衰減器303中的至少一個的設置。

＜附記1＞ （1）一種傳播時間測定裝置（1），其特徵在於包括：多個振子（101a、101b），所述多個振子（101a、101b）相對於供流體（121）流動的配管（120）配置於互不相同的位置，且至少包括將作為電訊號的發送訊號轉換成音響訊號的第一振子（101a）、及接收自所述第一振子（101a）發送且於所述配管（120）內的流體（121）中傳播的所述音響訊號並轉換成作為電訊號的接收訊號的第二振子（101b）； 類比數位轉換器（104），輸入有自所述第二振子（101b）輸出的所述接收訊號； 旁路線（201c），使輸入至所述第一振子（101a）的所述發送訊號分岐，並朝所述類比數位轉換器（104）的輸入引導；以及 訊號處理部（111），基於經所述類比數位轉換器（104）轉換成數位訊號的所述發送訊號及所述接收訊號，求得所述音響訊號自所述第一振子（101a）至所述第二振子（101b）的傳播時間。

1:傳播時間測定裝置 30:夾持具 100:裝置本體 101:振子 101a:第一振子 101b:第二振子 102:控制電路 103:發送訊號生成器 104:A/D轉換器 105:切換器 106:輸出器 111:訊號處理部 112:儲存部 120:配管 121:流體 201a、201b、201d、201e:訊號線 201c:旁路線 301:放大器 302:放大器（第二放大器） 303:衰減器 401、402:電容器 403、404、405:電阻 S100～S120:步驟 T1:控制訊號的上升開始時間與自放大器輸出的發送訊號的上升開始時間的時間差（延遲時間） T2:自衰減器輸出的發送訊號的上升開始時間與自第二振子輸出的接收訊號的上升開始時間的時間差 T3:延遲時間 T4:輸入至控制電路的發送訊號的上升開始時間與輸入至控制電路的接收訊號的上升開始時間的時間差 Tor:輸入至控制電路的接收訊號的上升開始時間 Tos:輸入至控制電路的發送訊號的上升開始時間 θ:連結兩個振子的直線相對於配管的軸線所成的角度（音響訊號的傳播角度）

圖1是示意性地表示傳播時間測定裝置的結構的圖。 圖2是表示振子朝向配管的設置例的剖視圖。 圖3是表示衰減器的一例的圖。 圖4是表示第一實施形態的傳播時間測定裝置的測定動作的流程的流程圖（flow chart）。 圖5是控制訊號、發送訊號及接收訊號的時序圖。

1:傳播時間測定裝置

100:裝置本體

101:振子

101a:第一振子

101b:第二振子

102:控制電路

103:發送訊號生成器

104:A/D轉換器

105:切換器

106:輸出器

111:訊號處理部

112:儲存部

120:配管

121:流體

201a、201b、201d、201e:訊號線

201c:旁路線

301:放大器

302:放大器(第二放大器)

303:衰減器

Claims (11)

1. 一種傳播時間測定裝置，其特徵在於包括：多個振子，所述多個振子相對於供流體流動的配管配置於互不相同的位置，且至少包括將作為電訊號的發送訊號轉換成音響訊號的第一振子、及接收自所述第一振子發送且於所述配管內的流體中傳播的所述音響訊號並轉換成作為電訊號的接收訊號的第二振子； 類比數位轉換器，輸入有自所述第二振子輸出的所述接收訊號； 旁路線，使輸入至所述第一振子的所述發送訊號分岐，並朝所述類比數位轉換器的輸入引導；以及 訊號處理部，基於經所述類比數位轉換器轉換成數位訊號的所述發送訊號及所述接收訊號，求得所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間。
2. 如請求項1所述的傳播時間測定裝置，其中包括衰減器，所述衰減器設置於所述旁路線，對在所述旁路線中傳播的所述發送訊號進行衰減。
3. 如請求項2所述的傳播時間測定裝置，其中所述衰減器包含被動元件。
4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，更包括放大器，所述放大器設置於所述第二振子與所述類比數位轉換器之間，對輸入至所述類比數位轉換器的所述發送訊號及所述接收訊號進行放大。
5. 如請求項4所述的傳播時間測定裝置，其中所述旁路線連接於所述第二振子與所述放大器之間的訊號線。
6. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，更包括：發送訊號生成器，生成所述發送訊號；以及 第二放大器，設置於所述發送訊號生成器與所述第一振子之間，對輸入至所述第一振子的所述發送訊號進行放大。
7. 如請求項6所述的傳播時間測定裝置，其中所述旁路線連接於所述第二放大器與所述第一振子之間的訊號線。
8. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述第一振子與所述第二振子以隔著所述配管而相向的方式配置。
9. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述第一振子與所述第二振子配置於所述配管的長度方向上的不同的位置。
10. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，更包括切換部，所述切換部以對所述第二振子輸入所述發送訊號、自接收到自所述第二振子發送的音響訊號的所述第一振子輸出的所述接收訊號與經由所述旁路線分岐後的所述發送訊號輸入至所述類比數位轉換器的方式進行切換， 所述訊號處理部基於經所述類比數位轉換器轉換成數位訊號的所述發送訊號及所述接收訊號，求得所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間。
11. 如請求項10所述的傳播時間測定裝置，其中所述訊號處理部基於所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間、與所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間的差，求得所述配管內的流體的流速及/或流量。

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