WO2024134908A1 - 超音波流量計及び計測方法 - Google Patents

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WO2024134908A1
WO2024134908A1 PCT/JP2022/047760 JP2022047760W WO2024134908A1 WO 2024134908 A1 WO2024134908 A1 WO 2024134908A1 JP 2022047760 W JP2022047760 W JP 2022047760W WO 2024134908 A1 WO2024134908 A1 WO 2024134908A1
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propagation time
buffer
propagation
time
difference
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PCT/JP2022/047760
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English (en)
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Inventor
和行 山田
Original Assignee
富士電機株式会社
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Application filed by 富士電機株式会社 filed Critical 富士電機株式会社
Publication of WO2024134908A1 publication Critical patent/WO2024134908A1/ja

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  • This disclosure relates to an ultrasonic flow meter and a measurement method.
  • a measuring device that transmits ultrasonic waves from one sensor to another, extracts a waveform (trigger waveform) that crosses a trigger level from the received ultrasonic waveform, and measures the time to the zero-cross point where the extracted trigger waveform crosses the zero line.
  • This measuring device measures the time from the transmission of the ultrasonic waves to the zero-cross point as the ultrasonic propagation time, and uses the measured propagation time to calculate the flow rate of the fluid through which the ultrasonic waves are propagating.
  • the received waveform of the ultrasonic waves may change, causing a time lag in the trigger waveform.
  • the measurement accuracy of the ultrasonic propagation time may decrease, and there is a risk of large calculation errors in the physical quantities of the medium through which the ultrasonic waves propagate (for example, the flow rate of the fluid).
  • the present disclosure provides an ultrasonic flowmeter and measurement method that can suppress deterioration in the measurement accuracy of ultrasonic propagation time.
  • a time measurement unit that measures a plurality of propagation times from a point in time when transmission of an ultrasonic wave starts to each crossing point in time when the received signal of the ultrasonic wave crosses a reference level after the received signal crosses a threshold voltage;
  • An ultrasonic flowmeter comprising: a flow measuring unit that extracts a specific propagation time from the plurality of propagation times, the difference of which from a reference propagation time is within a first predetermined range, and calculates the flow rate of a fluid through which the ultrasonic wave propagates using the specific propagation time.
  • a measurement method is provided in which a specific propagation time whose difference from a reference propagation time is within a first predetermined range is extracted from the multiple propagation times, and a physical quantity of a medium through which the ultrasonic wave propagates is calculated using the specific propagation time.
  • the present disclosure provides an ultrasonic flowmeter and measurement method that can suppress deterioration in the measurement accuracy of ultrasonic propagation time.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating Snell's law for determining the angle of incidence in a fluid.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a receiving unit.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a reception timing signal. 4 is a waveform diagram for explaining the propagation time of an ultrasonic wave from sensor 1 to sensor 2.
  • FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the propagation time of an ultrasonic wave from a sensor 2 to a sensor 1.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating Snell's law for determining the angle of incidence in a fluid.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a receiving unit.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a reception timing signal. 4 is a
  • FIG. 11 is a waveform diagram for explaining a time shift of a trigger waveform.
  • 11 is a flowchart illustrating a flow of a propagation time determination process.
  • 11 is a flowchart illustrating a flow of a propagation time difference calculation process.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an ultrasonic flowmeter according to one embodiment.
  • the ultrasonic flowmeter uses ultrasonic waves to measure the flow rate of a fluid (gas or liquid) flowing through a flow path.
  • the ultrasonic flowmeter includes two or more ultrasonic transducers arranged along or within a measurement pipeline.
  • the two or more ultrasonic transducers include a transmitting transducer and a receiving transducer.
  • the transmitting transducer and the receiving transducer are arranged so that the direction connecting the transmitting transducer and the receiving transducer is oblique to or coincident with the direction of the fluid flow.
  • the ultrasonic flowmeter measures the flow rate of the fluid in the measurement pipeline from the propagation time of ultrasonic waves transmitted and received between the transmitting transducer and the receiving transducer.
  • the ultrasonic flowmeter 300 shown in FIG. 1 includes an ultrasonic probe 10a, an ultrasonic probe 10b, a control unit 35, a transmitting unit 31, a switch 33a, a switch 33b, a receiving unit 32, a time measuring unit 40, and a flow measuring unit 50.
  • the control unit 35 controls switching between transmitting ultrasonic waves e from the ultrasonic transducer 11a of the ultrasonic probe 10a and transmitting ultrasonic waves e from the ultrasonic transducer 11b of the ultrasonic probe 10b toward the fluid 102 in the pipe 100.
  • the ultrasonic probe 10a is disposed upstream of the fluid 102 flowing through the pipe 100 so as to face the outer surface of the pipe 100.
  • the ultrasonic probe 10a has an ultrasonic transducer 11a and a resin wedge 12a.
  • the ultrasonic probe 10b is disposed downstream of the fluid 102 flowing through the pipe 100 so as to face the outer surface of the pipe 100.
  • the ultrasonic probe 10b has an ultrasonic transducer 11b and a resin wedge 12b.
  • the wedge 12a has a surface that is inclined with respect to the outer surface of the pipe 100, and the ultrasonic transducer 11a is attached to that surface. Therefore, the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 11a enter the pipe 100 from the wedge 12a at a predetermined inclination angle, then propagate through the fluid 102 and reach the ultrasonic transducer 11b.
  • the wedge 12b has a surface that is inclined with respect to the outer surface of the pipe 100, and the ultrasonic transducer 11b is attached to that surface. Therefore, the ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer 11b enter the pipe 100 from the wedge 12b at a predetermined inclination angle, then propagate through the fluid 102 and reach the ultrasonic transducer 11a.
  • the ultrasonic transducer 11a is selectively connected to the transmitting unit 31 or the receiving unit 32 by the switching operation of the switch 33a.
  • the ultrasonic transducer 11b is selectively connected to the receiving unit 32 or the transmitting unit 31 by the switching operation of the switch 33b.
  • the control unit 35 is a circuit that generates selection signals a and b that select the transducer from which ultrasonic transducer 11a or 11b should transmit ultrasonic waves (i.e., one of the transducers to be excited), and a transmission timing signal c that indicates the timing of ultrasonic transmission.
  • switch 33a selects ultrasonic transducer 11a as the transducer to transmit ultrasonic waves e in accordance with selection signal a from control unit 35.
  • switch 33b selects ultrasonic transducer 11b as the transducer to receive ultrasonic waves e in accordance with selection signal b from control unit 35.
  • the transmitting unit 31 is a circuit that transmits an electrical signal d (e.g., one or more pulse signals that excite the ultrasonic transducer 11a) to the ultrasonic transducer 11a via the switch 33a in accordance with a transmission timing signal c from the control unit 35, and causes the ultrasonic transducer 11a to generate an ultrasonic wave e.
  • the generated ultrasonic wave e passes through the wedge 12a and the pipe 100, and enters the fluid 102 in the pipe 100.
  • the ultrasonic wave e that enters the fluid 102 in the pipe 100 propagates to the ultrasonic transducer 11b of the ultrasonic probe 10b installed on the outer surface of the opposite side of the pipe 100, and is converted into an electrical signal by the ultrasonic transducer 11b.
  • the electrical signal output from the ultrasonic transducer 11b is received as a reception signal f by the receiving unit 32 via the switch 33b.
  • the time measurement unit 40 measures the time from when the ultrasonic wave e is transmitted from the ultrasonic transducer 11a to when it is received by the ultrasonic transducer 11b as the propagation time Tab.
  • the time measurement unit 40 is a circuit that measures the propagation time Tab based on, for example, a transmission timing signal c indicating the timing at which the transmission of the ultrasonic wave e from the ultrasonic transducer 11a begins, and a reception timing signal g indicating the timing at which the ultrasonic wave e is received by the ultrasonic transducer 11b.
  • the ultrasonic flowmeter 300 switches between switches 33a and 33b in response to a signal from the control unit 35, reversing the transmission/reception relationship between the ultrasonic probes 10a and 10b.
  • switch 33a selects ultrasonic transducer 11a as the transducer to receive ultrasonic waves e in accordance with selection signal a from control unit 35.
  • switch 33b selects ultrasonic transducer 11b as the transducer to transmit ultrasonic waves e in accordance with selection signal b from control unit 35.
  • the transmitting unit 31 is a circuit that transmits an electrical signal d (e.g., one or more pulse signals that excite the ultrasonic transducer 11b) to the ultrasonic transducer 11b via the switch 33b in accordance with a transmission timing signal c from the control unit 35, and causes the ultrasonic transducer 11b to generate an ultrasonic wave e.
  • the generated ultrasonic wave e passes through the wedge 12b and the pipe 100, and enters the fluid 102 in the pipe 100.
  • the ultrasonic wave e that enters the fluid 102 in the pipe 100 propagates to the ultrasonic transducer 11a of the ultrasonic probe 10a installed on the outer surface of the opposite side of the pipe 100, and is converted into an electrical signal by the ultrasonic transducer 11a.
  • the electrical signal output from the ultrasonic transducer 11a is received as a reception signal f by the receiving unit 32 via the switch 33a.
  • the time measurement unit 40 measures the time from when the ultrasonic wave e is transmitted from the ultrasonic transducer 11b to when it is received by the ultrasonic transducer 11a as the propagation time Tba.
  • the time measurement unit 40 is a circuit that measures the propagation time Tba based on, for example, a transmission timing signal c indicating the timing at which the transmission of the ultrasonic wave e from the ultrasonic transducer 11b begins, and a reception timing signal g indicating the timing at which the ultrasonic wave e is received by the ultrasonic transducer 11a.
  • the order in which the propagation times Tab and Tba are measured may be reversed.
  • the flow rate measurement unit 50 calculates the flow rate Q of the fluid 102 using the measurement times (propagation times Tab and Tba) obtained from the time measurement unit 40. Next, the calculation of the flow rate Q will be described.
  • Cf is the sound speed in the fluid 102 in the pipe 100
  • V is the flow velocity of the fluid 102
  • ⁇ fs is the angle of incidence in the fluid (the angle of refraction from the pipe 100 to the fluid 102 or the angle of incidence from the fluid 102 to the pipe 100)
  • Lf is the length of the propagation path 110 of the ultrasonic wave e in the pipe 100.
  • V Lf/(2 sin ⁇ fs ) ⁇ ((1/Tab) ⁇ (1/Tba)) (3) It becomes.
  • A is the cross-sectional area of the pipe 100.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining Snell's law for determining the angle of incidence ⁇ fs in a fluid.
  • Cp is the speed of sound in the pipe 100
  • ⁇ p is the angle of incidence in the pipe (the angle of refraction from the wedge 12a to the pipe 100, the angle of incidence from the pipe 100 to the fluid 102, or the angle of incidence from the pipe 100 to the wedge 12a).
  • Cf is the speed of sound in the fluid 102
  • ⁇ fs is the angle of incidence in the fluid (the angle of refraction from the pipe 100 to the fluid 102 or the angle of incidence from the fluid 102 to the pipe 100).
  • the flow rate measurement unit 50 can calculate the flow rate Q based on equations (1) to (5).
  • the flow measurement unit 50 is, for example, an arithmetic circuit equipped with a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory.
  • the arithmetic circuit may include at least one of the control unit 35 and the time measurement unit 40.
  • Each function of the flow measurement unit 50, the control unit 35 and the time measurement unit 40 (the processing performed by each unit) is realized, for example, by the processor operating according to a program stored in the memory.
  • Each function may be realized by an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • the control unit 35 or the time measurement unit 40 may be realized by a logic circuit.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the receiving unit.
  • the receiving unit 32 has an amplifier circuit 36 and a reception timing detection circuit 38.
  • the amplifier circuit 36 amplifies the reception signal f input via the switch 33a or switch 33b, and outputs a reception wave i which is the amplified reception signal f.
  • the reception timing detection circuit 38 generates a reception timing signal g which indicates the timing at which the ultrasonic transducer 11a or ultrasonic transducer 11b receives the ultrasonic wave e based on the input reception wave i.
  • the reception timing detection circuit 38 detects the point in time at which the reception wave i crosses the reference level VCOM after crossing the threshold voltage VTHLD (FIG. 4 illustrates the zero-cross point in time q8x or the zero-cross point in time q10x).
  • the reception timing detection circuit 38 detects a specific vibration half wave whose amplitude crosses the threshold voltage VTHLD among a plurality of vibration half waves included in the reception wave i. For example, the reception timing detection circuit 38 detects the eighth vibration half wave whose amplitude crosses the threshold voltage VTHLD at the trigger time c8x, or the tenth vibration half wave whose amplitude crosses the threshold voltage VTHLD at the trigger time c10x, as the specific vibration half wave.
  • the reception timing detection circuit 38 detects the time when the rear end of the specific vibration half wave crosses the reference level VCOM (FIG. 4 illustrates the zero cross time q8x or the zero cross time q10x) and outputs the stop pulse STOP generated at that time as the reception timing signal g.
  • the time measurement unit 40 ( Figure 3) measures the time from the transmission timing signal c, which indicates the start timing of transmission of ultrasound e from the ultrasound transducer 11a, to the reception timing signal g (stop pulse STOP), which indicates the reception timing of the ultrasound e at the ultrasound transducer 11b. The time measurement unit 40 outputs the measurement of this time as the propagation time Tab. Similarly, the time measurement unit 40 measures the time from the transmission timing signal c, which indicates the start timing of transmission of ultrasound e from the ultrasound transducer 11b, to the reception timing signal g (stop pulse STOP), which indicates the reception timing of the ultrasound e at the ultrasound transducer 11a. The time measurement unit 40 outputs the measurement of this time as the propagation time Tba.
  • the reception timing signal g (stop pulse STOP) may be generated based on the vibration half wave one wave before or one wave after. In this case, a measurement error of the propagation time Tab or the propagation time Tba may occur.
  • the reception timing detection circuit 38 detects a plurality of specific vibration half waves whose amplitude crosses the threshold voltage VTHLD among a plurality of vibration half waves included in the reception wave i.
  • the reception timing detection circuit 38 detects a plurality of time points (for example, four or more zero crossing time points) at which the rear ends of the plurality of specific vibration half waves cross the reference level VCOM , and outputs a plurality of stop pulses STOP generated at the plurality of time points as a plurality of reception timing signals g.
  • the time measurement unit 40 measures the time from the transmission timing signal c, which indicates the timing at which transmission of the ultrasonic wave e from the ultrasonic transducer 11a begins, to the reception timing signal g (stop pulse STOP), which indicates the timing at which the ultrasonic wave e is received by the ultrasonic transducer 11b, for multiple zero-crossing points.
  • the time measurement unit 40 outputs the measurement value of the time up to each zero-crossing point as multiple propagation times Tab.
  • the time measurement unit 40 measures the time from the transmission timing signal c, which indicates the timing at which transmission of the ultrasonic wave e from the ultrasonic transducer 11b begins, to the reception timing signal g (stop pulse STOP), which indicates the timing at which the ultrasonic wave e is received by the ultrasonic transducer 11a, for multiple zero-crossing times.
  • the time measurement unit 40 outputs the measurement value of the time up to each zero-crossing point as multiple propagation times Tba.
  • the flow rate measurement unit 50 extracts a specific propagation time Tabs from among the multiple propagation times Tab, the difference of which from the reference propagation time Tr is within a first predetermined range, and extracts a specific propagation time Tbas from among the multiple propagation times Tba, the difference of which from the reference propagation time Tr is within a first predetermined range. This allows propagation times (propagation times Tabs, Tbas) with relatively small errors to be extracted from the multiple propagation times, thereby suppressing a decrease in the measurement accuracy of the propagation time of the ultrasonic waves.
  • the flow rate measurement unit 50 uses the specific propagation times Tabs, Tbas to calculate the flow rate Q of the fluid through which the ultrasonic waves propagate based on the above equations (1) to (5), thereby improving the calculation accuracy of the flow rate Q.
  • FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the propagation time Tab of ultrasonic waves from sensor 1 to sensor 2.
  • FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the propagation time Tba of ultrasonic waves from sensor 2 to sensor 1.
  • sensor 1 corresponds to the ultrasonic probe 10a
  • sensor 2 corresponds to the ultrasonic probe 10b
  • the transmission signal corresponds to the electrical signal d or ultrasonic wave e
  • the reception signal corresponds to the reception signal f or reception wave i.
  • the trigger level corresponds to the threshold voltage VTHLD
  • the trigger waveform corresponds to the specific vibration half wave
  • the zero crossing point corresponds to the zero crossing time point.
  • t represents time.
  • the reception timing detection circuit 38 detects five zero crossing points where the reception signal crosses a reference level (zero level in this example) after crossing the trigger level.
  • the time measurement unit 40 measures five propagation times Tab (UT1, UT2, UT3, UT4, UT5) from the start of transmission of the transmission signal to each of the five zero crossing points (see Fig. 7).
  • UT1 ( T11 ) is the propagation time from the start of transmission to the first zero crossing point.
  • UT2 ( T11 + T12 ) is the propagation time from the start of transmission to the second zero crossing point.
  • UT3 ( T11 + T12 + T13 ) is the propagation time from the start of transmission to the third crossing point.
  • UT4 ( T11 + T12 + T13 + T14 ) is the propagation time from the start of transmission to the fourth crossing point, and
  • UT5 ( T11 + T12 + T13 + T14 + T15 ) is the propagation time from the start of transmission to the fifth crossing point.
  • UT1, UT2, UT3, and UT4 are respectively an example of a first propagation time, an example of a second propagation time longer than the first propagation time, an example of a third propagation time longer than the second propagation time, and an example of a fourth propagation time longer than the third propagation time.
  • the reception timing detection circuit 38 detects five zero crossing points where the reception signal crosses a reference level (zero level in this example) after crossing the trigger level.
  • the time measurement unit 40 measures five propagation times Tba (DT1, DT2, DT3, DT4, DT5) from the start of transmission of the transmission signal to each of the five zero crossing points (see Fig. 7).
  • Tba propagation times
  • DT1 ( T21 ) is the propagation time from the start of transmission to the first zero crossing point.
  • DT2 ( T21 + T22 ) is the propagation time from the start of transmission to the second zero crossing point.
  • DT3 ( T21 + T22 + T23 ) is the propagation time from the start of transmission to the third crossing point.
  • DT4 ( T21 + T22 + T23 + T24 ) is the propagation time from the start of transmission to the fourth crossing point, and
  • DT5 ( T21 + T22 + T23 + T24 + T25 ) is the propagation time from the start of transmission to the fifth crossing point.
  • DT1, DT2, DT3, and DT4 are, respectively, an example of the fifth propagation time, an example of the sixth propagation time longer than the fifth propagation time, an example of the seventh propagation time longer than the sixth propagation time, and an example of the eighth propagation time longer than the seventh propagation time.
  • FIG. 8 is a waveform diagram for explaining the time shift of the trigger waveform.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating the flow of the propagation time determination process executed by the flow measurement unit 50. The propagation time determination process is repeated periodically.
  • the flow measurement unit 50 uses the propagation time UT2 from the start of transmission to the second zero crossing point as the reference propagation time to determine an appropriate propagation time from among the five propagation times Tab (UT1, UT2, UT3, UT4, UT5).
  • the flow measurement unit 50 uses the propagation time DT2 from the start of transmission to the second zero crossing point as the reference propagation time to determine an appropriate propagation time from among the five propagation times Tba (DT1, DT2, DT3, DT4, DT5).
  • Fig. 8 and Fig. 9 are used in common for the case of transmitting ultrasonic waves from sensor 1 to sensor 2 (when * is U) and the case of transmitting ultrasonic waves from sensor 2 to sensor 1 (when * is D).
  • the "reference value" shown in Fig. 9 and Fig. 10 is an example of the above-mentioned reference propagation time Tr. Next, the processing in Fig. 9 will be explained with reference to Fig. 8.
  • Flow A of the propagation time determination process includes steps S11 to S15.
  • the flow measurement unit 50 determines whether the difference between the currently measured propagation time *T2 and a reference value is within a first predetermined range (step S11), and if the difference is within the first predetermined range, determines *T2 to be the true propagation time.
  • the flow measurement unit 50 updates the reference value (step S12) and the previous value (step S13) to *T2. If the difference between the currently measured propagation time *T2 and the reference value is within the first predetermined range, the flow measurement unit 50 determines that there is no time lag between the currently measured propagation time *T2 and the reference value.
  • the flow measurement unit 50 stores the five propagation times *T1, *T2, *T3, *T4, and *T5 measured this time in five buffers *T1b, *T2b, *T3b, *T4b, and *T5b, respectively (step S14). As a result, the true propagation time is stored in buffer *T2b. The flow measurement unit 50 clears the counter (step S15).
  • buffers UT1b, UT2b, and UT3b are an example of a first buffer, an example of a second buffer, and an example of a third buffer, respectively.
  • Buffers DT1b, DT2b, and DT3b are an example of a fourth buffer, an example of a fifth buffer, and an example of a sixth buffer, respectively.
  • Flow B of the propagation time determination process includes steps S21 to S25.
  • the flow measurement unit 50 determines whether the difference between the propagation time *T2 measured this time and the reference value is within the first predetermined range (step S21), since the difference between the propagation time *T2 measured this time and the reference value is outside the first predetermined range. If the difference is within the first predetermined range, the flow measurement unit 50 determines that *T1 is the true propagation time. Next, the flow measurement unit 50 updates the reference value (step S22) and the previous value (step S23) to *T1.
  • the flow measurement unit 50 determines that a time shift between the reference propagation time (*T2 in FIG. 8(a)) and the propagation time *T2 at which the trigger waveform has moved backward (FIG. 8(b)) has been detected.
  • the flow measurement unit 50 shifts and stores the four propagation times *T1, *T2, *T3, and *T4 measured this time into four buffers *T2b, *T3b, *T4b, and *T5b, respectively, and stores zero in buffer *T1b (step S24).
  • the true propagation time is stored in buffer *T2b.
  • the flow measurement unit 50 clears the counter (step S25).
  • Flow C of the propagation time determination process includes steps S31 to S35.
  • the flow measurement unit 50 determines whether the difference between the propagation time *T2 measured this time and the reference value and the difference between the propagation time *T1 measured this time and the reference value are outside the first predetermined range (step S31). If the difference is within the first predetermined range, the flow measurement unit 50 determines that *T3 is the true propagation time. Next, the flow measurement unit 50 updates the reference value (step S32) and the previous value (step S33) to *T3. If the difference between the propagation time *T3 measured this time and the reference value is within the first predetermined range, the flow measurement unit 50 determines that a time shift between the reference propagation time (*T2 in FIG.
  • the flow measurement unit 50 shifts and stores the four currently measured propagation times *T2, *T3, *T4, and *T5 in four buffers *T1b, *T2b, *T3b, and *T4b, respectively, and also stores zero in buffer *T5b (step S34). As a result, the true propagation time is stored in buffer *T2b.
  • the flow measurement unit 50 clears the counter (step S35).
  • Flow D of the propagation time determination process includes steps S41 to S47.
  • Flow D is a flow that is executed to determine a reference value, for example, when the flow measurement unit 50 is started.
  • the flow measurement unit 50 increments the counter by one (step 41). If the number of times that the difference between the propagation time *T2 measured this time and the previous value falls within the third predetermined range has reached a specified number of consecutive times, the flow measurement unit 50 updates the reference value and the previous value to *T2. As a result, the reference value and the previous value are updated to a stable *T2.
  • the flow measurement unit 50 determines whether the difference between the propagation time *T2 measured this time and the previous value is within the third predetermined range (step S42), and if the difference is within the third predetermined range, executes step S43, and if the difference is outside the third predetermined range, executes step S45. If the difference is within the third predetermined range, the flow measurement unit 50 determines whether the counter is equal to or greater than a specified value, and if the counter is equal to or greater than the specified value, updates the reference value to *T2 (step S44), and if the counter is less than the specified value, executes step S46. The flow measurement unit 50 clears the counter (step S45) and updates the previous value to *T2 (step S46). The flow measurement unit 50 stores zero in five buffers *T1b, *T2b, *T3b, *T4b, and *T5b while passing through flow D (step S47).
  • the propagation time determination process in Figure 9 compares the propagation time measured this time with a reference value to detect the time shift of the trigger waveform forward or backward from the reference waveform.
  • the propagation time determination process then rearranges and stores the propagation times *T1, *T2, *T3, *T4, *T5 in buffers *T1b, *T2b, *T3b, *T4b, *T5b to correct the time shift.
  • This allows the flow measurement unit 50 to store the true propagation time (the forward propagation time, which is a specific propagation time Tabs) extracted from the five propagation times Tab (UT1, UT2, UT3, UT4, UT5) in buffer UT2b.
  • the flow rate measurement unit 50 can store in the buffer DT2b the true propagation time (the reverse propagation time, which is the specific propagation time Tbas) extracted from the five propagation times Tba (DT1, DT2, DT3, DT4, DT5).
  • the flow rate measurement unit 50 uses the forward propagation time stored in the buffer UT2b and the reverse propagation time stored in the buffer DT2b to calculate the flow rate Q of the fluid through which the ultrasonic waves propagate based on the above equations (1) to (5), thereby improving the calculation accuracy of the flow rate Q.
  • Flow E of the propagation time difference calculation process includes steps S51 to S52.
  • the flow measurement unit 50 determines whether the difference between the propagation time stored in buffer UT2b and the propagation time stored in buffer DT2b is within a second predetermined range (step S51). If the difference is within the second predetermined range, the flow measurement unit 50 determines that there is no time lag between the propagation time stored in buffer UT2b and the propagation time stored in buffer DT2b.
  • the flow measurement unit 50 calculates the propagation time difference ⁇ T using the propagation time stored in buffer UT2b and the propagation time stored in buffer DT2b (step S52), and calculates the flow rate Q based on the above equations (1) to (5).
  • Flow F of the propagation time difference calculation process includes steps S61 to S63.
  • the flow measurement unit 50 determines whether the difference between the propagation time stored in buffer UT2b and the propagation time stored in buffer DT1b is within the second predetermined range (step S61). If the difference is within the second predetermined range, the flow measurement unit 50 determines that there is a time lag between the propagation time from sensor 1 to sensor 2 and the propagation time from sensor 2 to sensor 1 that is similar to the time lag between the reference propagation time (*T2 in FIG.
  • the flow rate measurement unit 50 uses the propagation times stored in the buffers UT2b and DT3b to calculate the propagation time difference ⁇ T (step S72), and calculates the flow rate Q based on the above equations (1) to (5).
  • the flow rate measurement unit 50 updates the reference value to the propagation time stored in the buffer DT3b. This improves the accuracy of the reference value.
  • Flow H of the propagation time difference calculation process includes the process of step S81.
  • the flow measurement unit 50 determines that the time difference between the propagation time stored in buffer UT2b and the propagation time stored in buffer DT2b is two or more wavelengths, clears the reference value to zero (step S81), and starts over from flow D of the propagation time determination process (FIG. 9).
  • the ultrasonic flowmeter and measurement method of this embodiment can prevent measurement anomalies even if a time lag occurs in the trigger waveform of the received signal when measuring flow using the transit time difference method, and can automatically determine the optimal transit time from five transit times to calculate the flow rate Q with high accuracy.
  • the measurement method of this embodiment is not limited to ultrasonic flowmeters, and may be applied to devices that measure the physical quantities of a medium through which ultrasonic waves propagate.
  • the measurement method of this embodiment may be applied to other devices such as ultrasonic level meters that use ultrasonic waves to measure the height level of a fluid, such as a water level, and ultrasonic thickness gauges that use ultrasonic waves to measure the thickness of an object.

Abstract

超音波の送信が開始する時点から、前記超音波の受信信号が閾値電圧をクロスした以降に前記受信信号が基準レベルをクロスする各クロス時点までの複数の伝搬時間を計測する時間計測部と、前記複数の伝搬時間の中から基準伝搬時間との差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間を抽出し、前記特定の伝搬時間を用いて、前記超音波が伝搬する流体の流量を演算する流量計測部と、を備える、超音波流量計。

Description

超音波流量計及び計測方法
　本開示は、超音波流量計及び計測方法に関する。
　一方のセンサから他方のセンサへ超音波を送信し、超音波の受信波形の中からトリガレベルと交差する波形（トリガ波形）を抽出し、抽出されたトリガ波形がゼロ線と交差するゼロクロス点までの時間を計測する計測装置が知られている。この計測装置は、超音波の送信からゼロクロス点までの時間を超音波の伝搬時間として計測し、計測された伝搬時間を用いて、超音波が伝搬する流体の流量を演算する。
特開２００７－３２２１９４号公報
　しかしながら、超音波が伝搬する流体等の媒質に異物が混入したり、媒質の温度が変化したりすると、超音波の受信波形が変化し、トリガ波形に時間ずれが生ずる場合がある。この場合、超音波の伝搬時間の計測精度が低下し、超音波が伝搬する媒質の物理量（例えば、流体の流量など）の演算誤差が大きくなるおそれがある。
　本開示は、超音波の伝搬時間の計測精度の低下を抑制可能な超音波流量計及び計測方法を提供する。
　本開示の第一態様として、
　超音波の送信が開始する時点から、前記超音波の受信信号が閾値電圧をクロスした以降に前記受信信号が基準レベルをクロスする各クロス時点までの複数の伝搬時間を計測する時間計測部と、
　前記複数の伝搬時間の中から基準伝搬時間との差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間を抽出し、前記特定の伝搬時間を用いて、前記超音波が伝搬する流体の流量を演算する流量計測部と、を備える、超音波流量計が提供される。
　本開示の第二態様として、
　超音波の送信が開始する時点から、前記超音波の受信信号が閾値電圧をクロスした以降に前記受信信号が基準レベルをクロスする各クロス時点までの複数の伝搬時間を計測し、
　前記複数の伝搬時間の中から基準伝搬時間との差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間を抽出し、前記特定の伝搬時間を用いて、前記超音波が伝搬する媒質の物理量を演算する、計測方法が提供される。
　本開示によれば、超音波の伝搬時間の計測精度の低下を抑制可能な超音波流量計及び計測方法を提供できる。
一実施形態の超音波流量計の一構成例を示す図である。 流体内入射角を決定するスネルの法則について説明する図である。 受信部の一構成例を示す図である。 受信タイミング信号を説明するための図である。 センサ１からセンサ２への超音波の伝搬時間を説明するための波形図である。 センサ２からセンサ１への超音波の伝搬時間を説明するための波形図である。 五つの伝搬時間Ｔａｂ（UT1, UT2, UT3, UT4, UT5）及び五つの伝搬時間Ｔｂａ（DT1, DT2, DT3, DT4, DT5）を説明するための波形図である。 トリガ波形の時間ずれを説明するための波形図である。 伝搬時間判定処理の流れを例示するフローチャートである。 伝搬時間差演算処理の流れを例示するフローチャートである。
　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して説明する。
　図１は、一実施形態の超音波流量計の一構成例を示す図である。超音波流量計は、流路内を流れる流体（気体又は液体）の流量を超音波によって計測する。超音波流量計は、測定管路に沿って又は測定管路内に配置された２つ以上の超音波振動子を備える。２つ以上の超音波振動子は、送信側振動子と受信側振動子を含む。送信側振動子と受信側振動子は、送信側振動子と受信側振動子とを結ぶ方向が流体の流れ方向に斜交または一致するように配置されている。超音波流量計は、送信側振動子と受信側振動子との間で送受される超音波の伝搬時間から、測定管路内の流体の流量を計測する。
　図１に示す超音波流量計３００は、超音波プローブ１０ａ、超音波プローブ１０ｂ、制御部３５、送信部３１、スイッチ３３ａ、スイッチ３３ｂ、受信部３２、時間計測部４０及び流量計測部５０を備える。
　制御部３５は、配管１００内の流体１０２に向けて、超音波プローブ１０ａの超音波振動子１１ａから超音波ｅを送信するか、超音波プローブ１０ｂの超音波振動子１１ｂから超音波ｅを送信するかを切り替える制御を行う。
　超音波プローブ１０ａは、配管１００の外面に対向するように、配管１００内を流れる流体１０２の上流側に配置されている。超音波プローブ１０ａは、超音波振動子１１ａと樹脂製の楔１２ａを有する。超音波プローブ１０ｂは、配管１００の外面に対向するように、配管１００内を流れる流体１０２の下流側に配置されている。超音波プローブ１０ｂは、超音波振動子１１ｂと樹脂製の楔１２ｂを有する。
　楔１２ａは、配管１００の外面に対して傾斜した表面を有し、その表面に超音波振動子１１ａが取り付けられている。このため、超音波振動子１１ａで発生した超音波は、楔１２ａから配管１００に所定の傾斜角度で入射してから、流体１０２を伝搬して、超音波振動子１１ｂに到達する。
　楔１２ｂは、配管１００の外面に対して傾斜した表面を有し、その表面に超音波振動子１１ｂが取り付けられている。このため、超音波振動子１１ｂで発生した超音波は、楔１２ｂから配管１００に所定の傾斜角度で入射してから、流体１０２を伝搬して、超音波振動子１１ａに到達する。
　超音波振動子１１ａは、スイッチ３３ａの切り替え動作によって送信部３１又は受信部３２に選択的に接続される。超音波振動子１１ｂは、スイッチ３３ｂの切り替え動作によって受信部３２又は送信部３１に選択的に接続される。
　制御部３５は、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂのうちで超音波を送信すべき振動子（つまり、励振対象となる一方の振動子）を選択する選択信号ａ，ｂと、超音波送信のタイミングを指示する送信タイミング信号ｃとを生成する回路である。
　超音波ｅを送信すべき振動子として超音波振動子１１ａが選択される場合、スイッチ３３ａは、制御部３５からの選択信号ａに従って、超音波ｅを送信する振動子として超音波振動子１１ａを選択する。一方、スイッチ３３ｂは、制御部３５からの選択信号ｂに従って、超音波ｅを受信する振動子として超音波振動子１１ｂを選択する。
　送信部３１は、制御部３５からの送信タイミング信号ｃに従って、スイッチ３３ａを介して超音波振動子１１ａに電気信号ｄ（例えば、超音波振動子１１ａを励振させる一又は複数のパルス信号）を送信し、超音波振動子１１ａに超音波ｅを発生させる回路である。発生した超音波ｅは、楔１２ａ及び配管１００を透過し、配管１００内の流体１０２に入射する。配管１００内の流体１０２に入射した超音波ｅは、配管１００の反対側の外面に設置される超音波プローブ１０ｂの超音波振動子１１ｂに伝搬し、超音波振動子１１ｂで電気信号に変換される。超音波振動子１１ｂから出力される電気信号は、スイッチ３３ｂを介して受信部３２で受信信号ｆとして受信される。
　時間計測部４０は、超音波ｅが超音波振動子１１ａから送信されてから超音波振動子１１ｂで受信されるまでの時間を伝搬時間Ｔａｂとして計測する。時間計測部４０は、例えば、超音波振動子１１ａからの超音波ｅの送信が開始するタイミングを示す送信タイミング信号ｃと、超音波振動子１１ｂで超音波ｅを受信したタイミングを示す受信タイミング信号ｇとに基づいて、伝搬時間Ｔａｂを計測する回路である。
　次に、超音波流量計３００は、制御部３５からの信号によって、スイッチ３３ａとスイッチ３３ｂの切り替えを行って、超音波プローブ１０ａと超音波プローブ１０ｂの送受信関係を反対にする。
　超音波ｅを送信すべき振動子として超音波振動子１１ｂが選択される場合、スイッチ３３ａは、制御部３５からの選択信号ａに従って、超音波ｅを受信する振動子として超音波振動子１１ａを選択する。一方、スイッチ３３ｂは、制御部３５からの選択信号ｂに従って、超音波ｅを送信する振動子として超音波振動子１１ｂを選択する。
　送信部３１は、制御部３５からの送信タイミング信号ｃに従って、スイッチ３３ｂを介して超音波振動子１１ｂに電気信号ｄ（例えば、超音波振動子１１ｂを励振させる一又は複数のパルス信号）を送信し、超音波振動子１１ｂに超音波ｅを発生させる回路である。発生した超音波ｅは、楔１２ｂ及び配管１００を透過し、配管１００内の流体１０２に入射する。配管１００内の流体１０２に入射した超音波ｅは、配管１００の反対側の外面に設置される超音波プローブ１０ａの超音波振動子１１ａに伝搬し、超音波振動子１１ａで電気信号に変換される。超音波振動子１１ａから出力される電気信号は、スイッチ３３ａを介して受信部３２で受信信号ｆとして受信される。
　時間計測部４０は、超音波ｅが超音波振動子１１ｂから送信されてから超音波振動子１１ａで受信されるまでの時間を伝搬時間Ｔｂａとして計測する。時間計測部４０は、例えば、超音波振動子１１ｂからの超音波ｅの送信が開始するタイミングを示す送信タイミング信号ｃと、超音波振動子１１ａで超音波ｅを受信したタイミングを示す受信タイミング信号ｇとに基づいて、伝搬時間Ｔｂａを計測する回路である。
　なお、伝搬時間Ｔａｂと伝搬時間Ｔｂａを計測する順番は、逆でもよい。
　流量計測部５０は、時間計測部４０より得られた計測時間（伝搬時間Ｔａｂと伝搬時間Ｔｂａ）を用いて、流体１０２の流量Ｑを演算する。次に、流量Ｑの演算について説明する。
　伝搬時間Ｔａｂ，Ｔｂａについて、
　Ｔａｂ＝Ｌｆ／（Ｃｆ＋Ｖsinθｆｓ）　　　・・・（１）
　Ｔｂａ＝Ｌｆ／（Ｃｆ－Ｖsinθｆｓ）　　　・・・（２）
という関係が成立する。ここで、Ｃｆは配管１００内の流体１０２中での音速、Ｖは流体１０２の流速、θｆｓは流体内入射角（配管１００から流体１０２への屈折角又は流体１０２から配管１００への入射角）、Ｌｆは配管１００内の超音波ｅの伝搬経路１１０の長さである。
　式（１）及び式（２）より、Ｖについて解くと、
　Ｖ＝Ｌｆ／（２sinθｆｓ）×（（１／Ｔａｂ）－（１／Ｔｂａ））　　　・・・（３）
となる。
　流量Ｑは、
　Ｑ＝Ｖ×Ａ　　　・・・（４）
である。ここで、Ａは配管１００の断面積である。断面積Ａは、配管１００の内半径ｒを用いて、
　Ａ＝π×ｒ２　　　・・・（５）
と表される。
　図２は、流体内入射角θｆｓを決定するスネルの法則について説明する図である。スネルの法則によれば、
　Ｃｗ／sinθｗ　＝　Ｃｐ／sinθｐ　＝　Ｃｆ／sinθｆｓ　　　・・・（６）
という関係式が成立する。ここで、Ｃｗは楔１２ａ中での音速、θｗは楔内入射角（楔１２ａから配管１００への入射角又は配管１００から楔１２ａへの屈折角）である。Ｃｐは配管１００中での音速、θｐは配管内入射角（楔１２ａから配管１００への屈折角、配管１００から流体１０２への入射角、又は配管１００から楔１２ａへの入射角）である。Ｃｆは流体１０２中での音速、θｆｓは流体内入射角（配管１００から流体１０２への屈折角又は流体１０２から配管１００への入射角）である。
　Ｃｗ、sinθｗ及びＣｆは、既知の値なので、式（６）から流体内入射角θｆｓを求めることができる。したがって、流量計測部５０は、式（１）～（５）に基づいて、流量Ｑを演算できる。
　流量計測部５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ及びメモリを備える演算回路である。演算回路は、制御部３５と時間計測部４０の少なくとも一方を含んでもよい。流量計測部５０、制御部３５及び時間計測部４０の各機能（各部が行う処理）は、例えば、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。各機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよい。制御部３５又は時間計測部４０は、論理回路により実現されてもよい。
　図３は、受信部の一構成例を示す図である。受信部３２は、増幅回路３６及び受信タイミング検出回路３８を有する。増幅回路３６は、スイッチ３３ａ又はスイッチ３３ｂを介して入力される受信信号ｆを増幅し、増幅された受信信号ｆである受信波ｉを出力する。受信タイミング検出回路３８は、入力される受信波ｉに基づいて、超音波振動子１１ａ又は超音波振動子１１ｂで超音波ｅを受信したタイミングを示す受信タイミング信号ｇを生成する。
　図４は、受信タイミング信号ｇを説明するための図である。受信タイミング検出回路３８は、受信波ｉが閾値電圧ＶＴＨＬＤをクロスした以降に受信波ｉが基準レベルＶＣＯＭをクロスする時点（図４は、ゼロクロス時点ｑ８ｘ又はゼロクロス時点ｑ１０ｘを例示）を検出する。
　受信タイミング検出回路３８は、受信波ｉに含まれる複数の振動半波のうち、振幅が閾値電圧ＶＴＨＬＤをクロスする特定の振動半波を検出する。例えば、受信タイミング検出回路３８は、特定の振動半波として、振幅が閾値電圧ＶＴＨＬＤをトリガ時点ｃ８ｘでクロスする第８振動半波、又は、振幅が閾値電圧ＶＴＨＬＤをトリガ時点ｃ１０ｘでクロスする第１０振動半波を検出する。受信タイミング検出回路３８は、特定の振動半波の後端が基準レベルＶＣＯＭをクロスする時点（図４は、ゼロクロス時点ｑ８ｘ又はゼロクロス時点ｑ１０ｘを例示）を検出し、当該時点で発生するストップパルスＳＴＯＰを受信タイミング信号ｇとして出力する。
　時間計測部４０（図３）は、超音波振動子１１ａからの超音波ｅの送信開始タイミングを示す送信タイミング信号ｃから、超音波振動子１１ｂでの超音波ｅの受信タイミングを示す受信タイミング信号ｇ（ストップパルスＳＴＯＰ）までの時間を計測する。時間計測部４０は、当該時間の計測値を伝搬時間Ｔａｂとして出力する。同様に、時間計測部４０は、超音波振動子１１ｂからの超音波ｅの送信開始タイミングを示す送信タイミング信号ｃから、超音波振動子１１ａでの超音波ｅの受信タイミングを示す受信タイミング信号ｇ（ストップパルスＳＴＯＰ）までの時間を計測する。時間計測部４０は、当該時間の計測値を伝搬時間Ｔｂａとして出力する。
　しかしながら、図４に示す受信波ｉの振幅又は閾値電圧ＶＴＨＬＤが想定値から外れていると、受信タイミング信号ｇ（ストップパルスＳＴＯＰ）が一波前又は一波後の振動半波を基準に生成されるおそれがある。この場合、伝搬時間Ｔａｂ又は伝搬時間Ｔｂａの計測誤差が生じるおそれがある。
　本実施形態の超音波流量計では、受信タイミング検出回路３８は、受信波ｉに含まれる複数の振動半波のうち、振幅が閾値電圧ＶＴＨＬＤをクロスする複数の特定の振動半波を検出する。受信タイミング検出回路３８は、複数の特定の振動半波の後端が基準レベルＶＣＯＭをクロスする複数の時点（例えば、４つ以上の複数のゼロクロス時点）を検出し、それらの複数の時点で発生する複数のストップパルスＳＴＯＰを複数の受信タイミング信号ｇとして出力する。
　そして、時間計測部４０は、超音波振動子１１ａからの超音波ｅの送信開始タイミングを示す送信タイミング信号ｃから、超音波振動子１１ｂでの超音波ｅの受信タイミングを示す受信タイミング信号ｇ（ストップパルスＳＴＯＰ）までの時間を、複数のゼロクロス時点について計測する。時間計測部４０は、各々のゼロクロス時点までの当該時間の計測値を複数の伝搬時間Ｔａｂとして出力する。同様に、時間計測部４０は、超音波振動子１１ｂからの超音波ｅの送信開始タイミングを示す送信タイミング信号ｃから、超音波振動子１１ａでの超音波ｅの受信タイミングを示す受信タイミング信号ｇ（ストップパルスＳＴＯＰ）までの時間を、複数のゼロクロス時間について計測する。時間計測部４０は、各々のゼロクロス時点までの当該時間の計測値を複数の伝搬時間Ｔｂａとして出力する。
　流量計測部５０は、複数の伝搬時間Ｔａｂの中から基準伝搬時間Ｔｒとの差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間Ｔａｂｓを抽出し、複数の伝搬時間Ｔｂａの中から基準伝搬時間Ｔｒとの差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間Ｔｂａｓを抽出する。これにより、複数の伝搬時間の中から、誤差の比較的小さな伝搬時間（伝搬時間Ｔａｂｓ，Ｔｂａｓ）が抽出されるので、超音波の伝搬時間の計測精度の低下が抑制される。流量計測部５０は、当該特定の伝搬時間Ｔａｂｓ，Ｔｂａｓを用いて、上記の式（１）～（５）に基づいて、超音波が伝搬する流体の流量Ｑを演算することで、流量Ｑの演算精度が向上する。
　次に、超音波の伝搬時間の計測精度の低下を抑制可能な本実施形態の超音波流量計及び計測方法について、より詳細に説明する。
　図５は、センサ１からセンサ２への超音波の伝搬時間Ｔａｂを説明するための波形図である。図６は、センサ２からセンサ１への超音波の伝搬時間Ｔｂａを説明するための波形図である。
　図５及び図６において、センサ１とは、上記の超音波プローブ１０ａに対応し、センサ２とは、上記の超音波プローブ１０ｂに対応する。送信信号とは、上記の電気信号ｄ又は超音波ｅに対応し、受信信号とは、上記の受信信号ｆ又は受信波ｉに対応する。トリガレベルは、上記の閾値電圧ＶＴＨＬＤに対応し、トリガ波形は、上記の特定の振動半波に対応し、ゼロクロス点は、上記のゼロクロス時点に対応する。ｔは、時間を表す。
　図５において、センサ１からセンサ２への超音波の送信の場合、受信タイミング検出回路３８は、受信信号がトリガレベルをクロスした以降に受信信号が基準レベル（この例では、ゼロレベル）をクロスする五つのゼロクロス点を検出する。時間計測部４０は、送信信号の送信開始時点から五つの各ゼロクロス点までの五つの伝搬時間Ｔａｂ（UT1, UT2, UT3, UT4, UT5）を計測する（図７参照）。図５及び図７において、UT1(T11)は、送信開始時点から第１ゼロクロス点までの伝搬時間である。UT2(T11+T12)は、送信開始時点から第２ゼロクロス点までの伝搬時間である。UT3(T11+T12+T13)は、送信開始時点から第３クロス点までの伝搬時間である。UT4(T11+T12+T13+T14)は、送信開始時点から第４クロス点までの伝搬時間である。UT5(T11+T12+T13+T14+T15)は、送信開始時点から第５クロス点までの伝搬時間である。
　UT1, UT2, UT3, UT4は、それぞれ、第１伝搬時間の一例、第１伝搬時間よりも長い第２伝搬時間の一例、第２伝搬時間よりも長い第３伝搬時間の一例、第３伝搬時間よりも長い第４伝搬時間の一例である。
　図６において、センサ２からセンサ１への超音波の送信の場合、受信タイミング検出回路３８は、受信信号がトリガレベルをクロスした以降に受信信号が基準レベル（この例では、ゼロレベル）をクロスする五つのゼロクロス点を検出する。時間計測部４０は、送信信号の送信開始時点から五つの各ゼロクロス点までの五つの伝搬時間Ｔｂａ（DT1, DT2, DT3, DT4, DT5）を計測する（図７参照）。図６及び図７において、DT1(T21)は、送信開始時点から第１ゼロクロス点までの伝搬時間である。DT2(T21+T22)は、送信開始時点から第２ゼロクロス点までの伝搬時間である。DT3(T21+T22+T23)は、送信開始時点から第３クロス点までの伝搬時間である。DT4(T21+T22+T23+T24)は、送信開始時点から第４クロス点までの伝搬時間である。DT5(T21+T22+T23+T24+T25)は、送信開始時点から第５クロス点までの伝搬時間である。
　DT1, DT2, DT3, DT4,は、それぞれ、第５伝搬時間の一例と、第５伝搬時間よりも長い第６伝搬時間の一例と、第６伝搬時間よりも長い第７伝搬時間の一例と、第７伝搬時間よりも長い第８伝搬時間の一例である。
　図８は、トリガ波形の時間ずれを説明するための波形図である。図９は、流量計測部５０により実行される伝搬時間判定処理の流れを例示するフローチャートである。伝搬時間判定処理は、周期的に繰り返される。この例では、流量計測部５０は、送信開始時点から第２ゼロクロス点までの伝搬時間UT2を基準の伝搬時間として用いて、五つの伝搬時間Ｔａｂ（UT1, UT2, UT3, UT4, UT5）の中から適切な伝搬時間を判定する。同様に、この例では、流量計測部５０は、送信開始時点から第２ゼロクロス点までの伝搬時間DT2を基準の伝搬時間として用いて、五つの伝搬時間Ｔｂａ（DT1, DT2, DT3, DT4, DT5）の中から適切な伝搬時間を判定する。
　なお、図８及び図９において、*は、U又はDを表す。図８及び図９は、センサ１からセンサ２への超音波の送信の場合（*がUの場合）とセンサ２からセンサ１への超音波の送信の場合（*がDの場合）とで共用される。また、図９及び図１０に示す“基準値”は、上記の基準伝搬時間Ｔｒの一例である。次に、図９の処理について、図８を参照して説明する。
　伝搬時間判定処理（図９）のフローＡは、ステップＳ１１～Ｓ１５の処理を含む。フローＡでは、流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T2と基準値との差分が第１所定範囲以内か否かを判定し（ステップＳ１１）、当該差分が第１所定範囲以内であれば、*T2を真の伝搬時間と判定する。続いて、流量計測部５０は、基準値（ステップＳ１２）と前回値（ステップＳ１３）を*T2に更新する。流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T2と基準値との差分が第１所定範囲以内の場合、今回計測した伝搬時間*T2と基準値との間に時間ずれが無いと判定する。流量計測部５０は、今回計測した五つの伝搬時間*T1, *T2, *T3, *T4, *T5を、五つのバッファ*T1b, *T2b, *T3b, *T4b, *T5bにそれぞれ格納する（ステップＳ１４）。これにより、真の伝搬時間は、バッファ*T2bに格納されたことになる。流量計測部５０は、カウンタをクリアする（ステップＳ１５）。
　なお、バッファUT1b, UT2b, UT3bは、それぞれ、第１バッファの一例、第２バッファの一例、第３バッファの一例である。バッファDT1b, DT2b, DT3bは、それぞれ、第４バッファの一例、第５バッファの一例、第６バッファの一例である。
　伝搬時間判定処理（図９）のフローＢは、ステップＳ２１～Ｓ２５の処理を含む。フローＢでは、流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T2と基準値との差分が第１所定範囲外なので、今回計測した伝搬時間*T1と基準値との差分が第１所定範囲以内か否かを判定する（ステップＳ２１）。流量計測部５０は、当該差分が第１所定範囲以内であれば、*T1を真の伝搬時間と判定する。続いて、流量計測部５０は、基準値（ステップＳ２２）と前回値（ステップＳ２３）を*T1に更新する。流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T1と基準値との差分が第１所定範囲以内であれば、基準の伝搬時間（図８（ａ）の*T2）と、トリガ波形が後方へ移動（図８（ｂ））した伝搬時間*T2との時間ずれが検出されたと判定する。流量計測部５０は、今回計測した四つの伝搬時間*T1, *T2, *T3, *T4を、四つのバッファ*T2b, *T3b, *T4b, *T5bに、それぞれシフトして格納するとともに、ゼロをバッファ*T1bに格納する（ステップＳ２４）。これにより、真の伝搬時間は、バッファ*T2bに格納されたことになる。流量計測部５０は、カウンタをクリアする（ステップＳ２５）。
　伝搬時間判定処理（図９）のフローＣは、ステップＳ３１～Ｓ３５の処理を含む。フローＣでは、流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T2と基準値との差分及び今回計測した伝搬時間*T1と基準値との差分が第１所定範囲外なので、今回計測した伝搬時間*T3と基準値との差分が第１所定範囲以内か否かを判定する（ステップＳ３１）。流量計測部５０は、当該差分が第１所定範囲以内であれば、*T3を真の伝搬時間と判定する。続いて、流量計測部５０は、基準値（ステップＳ３２）と前回値（ステップＳ３３）を*T3に更新する。流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T3と基準値との差分が第１所定範囲以内であれば、基準の伝搬時間（図８（ａ）の*T2）と、トリガ波形が前方へ移動（図８（ｃ））した伝搬時間*T2との時間ずれが検出されたと判定する。流量計測部５０は、今回計測した四つの伝搬時間*T2, *T3, *T4, *T5を、四つのバッファ*T1b, *T2b, *T3b, *T4bに、それぞれシフトして格納するとともに、ゼロをバッファ*T5bに格納する（ステップＳ３４）。これにより、真の伝搬時間は、バッファ*T2bに格納されたことになる。流量計測部５０は、カウンタをクリアする（ステップＳ３５）。
　伝搬時間判定処理（図９）のフローＤは、ステップＳ４１～Ｓ４７の処理を含む。フローＤは、例えば流量計測部５０の起動時などに、基準値を決めるために実行されるフローである。流量計測部５０は、カウンタを一つインクリメントする（ステップ４１）。流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T2と前回値との差分が第３所定範囲以内となる回数が連続で規定値回数に達している場合、基準値と前回値を*T2に更新する。これにより、基準値と前回値は、安定した*T2に更新される。具体的には、流量計測部５０は、今回計測した伝搬時間*T2と前回値との差分が第３所定範囲以内か否かを判定し（ステップＳ４２）、当該差分が第３所定範囲以内であれば、ステップＳ４３を実行し、当該差分が第３所定範囲外であれば、ステップＳ４５を実行する。当該差分が第３所定範囲以内である場合、流量計測部５０は、カウンタが規定値以上か否かを判定し、カウンタが規定値以上であれば、基準値を*T2に更新し（ステップＳ４４）、カウンタが規定値未満であれば、ステップＳ４６を実行する。流量計測部５０は、カウンタをクリアし（ステップＳ４５）、前回値を*T2に更新する（ステップＳ４６）。流量計測部５０は、フローＤを通る間は、五つのバッファ*T1b, *T2b, *T3b, *T4b, *T5bにゼロを格納する（ステップＳ４７）。
　図９の伝搬時間判定処理は、今回計測した伝搬時間と基準値を比較して、基準波形に対して前方または後方へのトリガ波形の時間ずれを検出する。そして、伝搬時間判定処理は、伝搬時間*T1, *T2, *T3, *T4, *T5をバッファ*T1b, *T2b, *T3b, *T4b, *T5bへ並び替えて格納して時間ずれを修正する。これにより、流量計測部５０は、五つの伝搬時間Ｔａｂ（UT1, UT2, UT3, UT4, UT5）の中から抽出された真の伝搬時間（特定の伝搬時間Ｔａｂｓである順方向伝搬時間）をバッファUT2bに格納できる。また、流量計測部５０は、五つの伝搬時間Ｔｂａ（DT1, DT2, DT3, DT4, DT5）の中から抽出された真の伝搬時間（特定の伝搬時間Ｔｂａｓである逆方向伝搬時間）をバッファDT2bに格納できる。流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された順方向伝搬時間とバッファDT2bに格納された逆方向伝搬時間とを用いて、上記の式（１）～（５）に基づいて、超音波が伝搬する流体の流量Ｑを演算することで、流量Ｑの演算精度が向上する。
　次に、バッファUT2bに格納された順方向伝搬時間とバッファDT2bに格納された逆方向伝搬時間との差が第２所定範囲以内の場合、当該逆方向伝搬時間と当該順方向伝搬時間を用いて流量Ｑを演算する計測方法について、図１０を参照して説明する。この計測方法により、より最適な伝搬時間が抽出され、流量Ｑの演算精度が更に向上する。
　図１０は、流量計測部５０により実行される伝搬時間差演算処理の流れを例示するフローチャートである。伝搬時間差演算処理は、周期的に繰り返される。伝搬時間差演算処理は、伝搬時間判定処理（図９）の後に続けて実行され、伝搬時間差演算処理の終了後に、伝搬時間判定処理が再び実行される。伝搬時間差演算処理では、伝搬時間判定処理で複数のバッファに格納された複数の伝搬時間から伝搬時間差ΔTを演算する。
　伝搬時間差演算処理（図１０）のフローＥは、ステップＳ５１～Ｓ５２の処理を含む。フローＥでは、流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT2bに格納された伝搬時間との差分が第２所定範囲以内か否かを判定する（ステップＳ５１）。流量計測部５０は、当該差分が第２所定範囲以内であれば、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT2bに格納された伝搬時間との間に時間ずれが無いと判定する。流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT2bに格納された伝搬時間を用いて、伝搬時間差ΔTを演算するとともに（ステップＳ５２）、上記の式（１）～（５）に基づいて、流量Ｑを演算する。
　伝搬時間差演算処理（図１０）のフローＦは、ステップＳ６１～Ｓ６３の処理を含む。フローＦでは、流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT2bに格納された伝搬時間との差分が第２所定範囲外なので、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT1bに格納された伝搬時間との差分が第２所定範囲以内か否かを判定する（ステップＳ６１）。流量計測部５０は、当該差分が第２所定範囲以内であれば、センサ１からセンサ２への伝搬時間とセンサ２からセンサ１への伝搬時間との間には、基準の伝搬時間（図８（ａ）の*T2）と、トリガ波形が後方へ移動（図８（ｂ））した伝搬時間*T2との時間ずれと同様の時間ずれがあると判定する。よって、流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT1bに格納された伝搬時間を用いて、伝搬時間差ΔTを演算するとともに（ステップＳ６２）、上記の式（１）～（５）に基づいて、流量Ｑを演算する。続いて、流量計測部５０は、基準値を、バッファDT1bに格納された伝搬時間に更新する。これにより、基準値の精度が向上する。
　伝搬時間差演算処理（図１０）のフローＧは、ステップＳ７１～Ｓ７３の処理を含む。フローＧでは、流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT1bに格納された伝搬時間との差分が第２所定範囲外なので、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT3bに格納された伝搬時間との差分が第２所定範囲以内か否かを判定する（ステップＳ７１）。流量計測部５０は、当該差分が第２所定範囲以内であれば、センサ１からセンサ２への伝搬時間とセンサ２からセンサ１への伝搬時間との間には、基準の伝搬時間（図８（ａ）の*T2）と、トリガ波形が前方へ移動（図８（ｃ））した伝搬時間*T2との時間ずれと同様の時間ずれがあると判定する。よって、流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT3bに格納された伝搬時間を用いて、伝搬時間差ΔTを演算するとともに（ステップＳ７２）、上記の式（１）～（５）に基づいて、流量Ｑを演算する。続いて、流量計測部５０は、基準値を、バッファDT3bに格納された伝搬時間に更新する。これにより、基準値の精度が向上する。
　伝搬時間差演算処理（図１０）のフローＨは、ステップＳ８１の処理を含む。フローＨでは、流量計測部５０は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT2bに格納された伝搬時間との間の時間ずれが二波長以上あると判定し、基準値をゼロにクリアして（ステップＳ８１）、伝搬時間判定処理（図９）のフローＤからやり直す。
　図１０の伝搬時間差演算処理は、バッファUT2bに格納された伝搬時間とバッファDT2bに格納された伝搬時間との間に時間ずれがある場合（差分が第２所定範囲外の場合）、バッファDT2bに格納された伝搬時間を使用せずに、DT1bまたはDT3bに格納された伝搬時間を使用して、伝搬時間差ΔTを演算し、流量Ｑを演算する。
　本時実施形態の超音波流量計及び計測方法によれば、伝搬時間差法による流量計測の際に、受信信号のトリガ波形に時間ずれが生じた場合でも、測定異常を防止し、五つの伝搬時間の中から最適な伝搬時間を自動判定して、高精度な流量Ｑを演算できる。
　以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　本実施形態の計測方法は、超音波流量計に限られず、超音波が伝搬する媒質の物理量を計測する機器に適用されてもよい。例えば、本実施形態の計測方法は、水位等の流体の高さレベルを超音波によって計測する超音波レベル計、物体の厚さを超音波によって計測する超音波厚さ計などの他の機器に適用されてもよい。
　１０ａ，１０ｂ　超音波プローブ
　１１ａ，１１ｂ　超音波振動子
　１２ａ，１２ｂ　楔
　３１　送信部
　３２　受信部
　３３ａ，３３ｂ　スイッチ
　３５　制御部
　３８　受信タイミング検出回路
　４０　時間計測部
　５０　流量計測部
　１００　配管
　１０２　流体
　１１０　伝搬経路
　３００　超音波流量計

Claims (11)

  1. 　超音波の送信が開始する時点から、前記超音波の受信信号が閾値電圧をクロスした以降に前記受信信号が基準レベルをクロスする各クロス時点までの複数の伝搬時間を計測する時間計測部と、
    　前記複数の伝搬時間の中から基準伝搬時間との差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間を抽出し、前記特定の伝搬時間を用いて、前記超音波が伝搬する流体の流量を演算する流量計測部と、を備える、超音波流量計。
  2. 　前記流量計測部は、第１センサから送信された前記超音波が第２センサにより受信されたときの前記複数の伝搬時間の中から抽出された前記特定の伝搬時間である順方向伝搬時間と、前記第２センサから送信された前記超音波が前記第１センサにより受信されたときの前記複数の伝搬時間の中から抽出された前記特定の伝搬時間である逆方向伝搬時間と、を用いて、前記流量を演算する、請求項１に記載の超音波流量計。
  3. 　前記流量計測部は、前記順方向伝搬時間と前記逆方向伝搬時間との差が第２所定範囲以内の場合、前記順方向伝搬時間と前記逆方向伝搬時間を用いて、前記流量を演算する、請求項２に記載の超音波流量計。
  4. 　前記第１センサから送信された前記超音波が前記第２センサにより受信されたときの前記複数の伝搬時間は、前記順方向伝搬時間である第２順方向伝搬時間と、前記第２順方向伝搬時間よりも短い第１順方向伝搬時間と、前記第２順方向伝搬時間よりも長い第３順方向伝搬時間と、を含み、
    　前記流量計測部は、前記第１順方向伝搬時間と前記第２順方向伝搬時間と前記第３順方向伝搬時間とのうちで前記逆方向伝搬時間との差が前記第２所定範囲以内の特定の順方向伝搬時間を抽出し、前記特定の順方向伝搬時間と前記逆方向伝搬時間を用いて、前記流量を演算する、請求項３に記載の超音波流量計。
  5. 　前記流量計測部は、前記基準伝搬時間を、前記特定の順方向伝搬時間に更新する、請求項４に記載の超音波流量計。
  6. 　前記流量計測部は、前記基準伝搬時間を、前記特定の伝搬時間に更新する、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波流量計。
  7. 　第１センサから送信された前記超音波が第２センサにより受信されたときの前記複数の伝搬時間は、第１伝搬時間と、前記第１伝搬時間よりも長い第２伝搬時間と、前記第２伝搬時間よりも長い第３伝搬時間と、前記第３伝搬時間よりも長い第４伝搬時間とを含み、
    　前記第２センサから送信された前記超音波が前記第１センサにより受信されたときの前記複数の伝搬時間は、第５伝搬時間と、前記第５伝搬時間よりも長い第６伝搬時間と、前記第６伝搬時間よりも長い第７伝搬時間と、前記第７伝搬時間よりも長い第８伝搬時間とを含み、
    　前記流量計測部は、前記第２伝搬時間と前記基準伝搬時間との差が前記第１所定範囲以内の場合、第１バッファ、第２バッファ及び第３バッファに、前記第１伝搬時間、前記第２伝搬時間及び前記第３伝搬時間を格納し、
    　前記流量計測部は、前記第１伝搬時間と前記基準伝搬時間との差が前記第１所定範囲以内の場合、前記第１バッファ、前記第２バッファ及び前記第３バッファに、ゼロ、前記第１伝搬時間及び前記第２伝搬時間を格納し、
    　前記流量計測部は、前記第３伝搬時間と前記基準伝搬時間との差が前記第１所定範囲以内の場合、前記第１バッファ、前記第２バッファ及び前記第３バッファに、前記第２伝搬時間、前記第３伝搬時間及び前記第４伝搬時間を格納し、
    　前記流量計測部は、前記第６伝搬時間と前記基準伝搬時間との差が前記第１所定範囲以内の場合、第４バッファ、第５バッファ及び第６バッファに、前記第５伝搬時間、前記第６伝搬時間及び前記第７伝搬時間を格納し、
    　前記流量計測部は、前記第５伝搬時間と前記基準伝搬時間との差が前記第１所定範囲以内の場合、前記第４バッファ、前記第５バッファ及び前記第６バッファに、ゼロ、前記第５伝搬時間及び前記第６伝搬時間を格納し、
    　前記流量計測部は、前記第７伝搬時間と前記基準伝搬時間との差が前記第１所定範囲以内の場合、前記第４バッファ、前記第５バッファ及び前記第６バッファに、前記第６伝搬時間、前記第７伝搬時間及び前記第８伝搬時間を格納する、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波流量計。
  8. 　前記流量計測部は、
    　前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第５バッファに格納された伝搬時間との差が第２所定範囲以内の場合、前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第５バッファに格納された伝搬時間とを用いて、前記流量を演算し、
    　前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第４バッファに格納された伝搬時間との差が前記第２所定範囲以内の場合、前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第４バッファに格納された伝搬時間とを用いて、前記流量を演算し、
    　前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第６バッファに格納された伝搬時間との差が前記第２所定範囲以内の場合、前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第６バッファに格納された伝搬時間とを用いて、前記流量を演算する、請求項７に記載の超音波流量計。
  9. 　前記流量計測部は、
    　前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第４バッファに格納された伝搬時間との差が前記第２所定範囲以内の場合、前記基準伝搬時間を、前記第４バッファに格納された伝搬時間に更新し、
    　前記第２バッファに格納された伝搬時間と前記第６バッファに格納された伝搬時間との差が前記第２所定範囲以内の場合、前記第６バッファに格納された伝搬時間に更新する、請求項８に記載の超音波流量計。
  10. 　超音波の送信が開始する時点から、前記超音波の受信信号が閾値電圧をクロスした以降に前記受信信号が基準レベルをクロスする各クロス時点までの複数の伝搬時間を計測し、
    　前記複数の伝搬時間の中から基準伝搬時間との差が第１所定範囲以内の特定の伝搬時間を抽出し、前記特定の伝搬時間を用いて、前記超音波が伝搬する媒質の物理量を演算する、計測方法。
  11. 　前記媒質の物理量は、前記超音波が伝搬する流体の流量である、請求項１０に記載の計測方法。
PCT/JP2022/047760 2022-12-23 超音波流量計及び計測方法 WO2024134908A1 (ja)

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