JP2007187506A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】気体の実流量を計測する超音波流量計で、密度測定用の特別の送波器や受波器を設けることなく、質量流量や標準状態の体積流量を算出する。
【解決手段】超音波送受波器１と２の間で、順方向と逆方向に超音波の送受信をし、両方向の到達時間から実流量を求める。受信波の第３波のピーク値から媒体の音響インピーダンスを求め、到達時間から求めた音速で割って流体の密度を算出する。前記実流量に密度を乗算して質量流量を求める。実流量と密度はノルマル流量換算部１３に入力され、０℃、１気圧の標準状態における体積流量に換算される。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波流量計の改良に関する。

気体流量計では、流体である気体が、温度や圧力の変化で体積が変わるため、測定時の温度、圧力で計測した体積流量（実流量）を基準状態、例えば標準状態０℃、１気圧における体積流量に換算している。

超音波の到達時間から流速を求めて実流量を計測する超音波流量計では、実流量を計測するための超音波送受波器としての超音波センサとは別に、温度を計測する温度センサと、圧力を計測する圧力センサとを設け、実流量計側部で計測した実流量を温度センサと圧力センサで計測した温度と圧力を用いて基準状態、例えば標準状態０℃、１気圧の体積流量に換算している。

このような超音波流量計では、実流量を計測するための一対の超音波センサの他に、温度センサと圧力センサを必要とするので、流量計のコストが上がるばかりでなく、大形になるとういう欠点がある。そこで、温度センサと圧力センサを必要としない質量流量計が提案されている（特許文献１参照）。

この超音波流量計は、超音波が伝播する流体の音響インピーダンスにより変化する超音波の音圧レベルを測定し、その値より流体の密度を求め、その値を体積流量（実流量）に乗算することで質量流量、即ち標準状態における体積流量に換算している。流体の密度を求めるのに、受信信号の音圧レベルの値から求める代わりに、受信信号を一定レベルに増幅するようにして、この増幅器の増幅度から密度を求めることもできるとしている。

また、この超音波流量計では、流体の実流量を計測するための一対の超音波センサの他に、流体の密度を検出するために、別の一対の超音波センサ（送波器と受波器）を必要とし、この送波器と受波器間を伝播する超音波を、流速がほぼ零のところを通すようにしている。
特開平１０−９００２８号公報

前記特許文献１の超音波質量流量計では、密度測定用に、実流量計測用とは別に一対の超音波センサとしての送波器と受波器を必要とし、かつ、これらの超音波センサを流速がほぼ零のところに配設するために、バイパス流路を設けるなど流路に工夫を施す必要がある。そのため、流量計がコスト高となり、かつ、構造が複雑となるという問題点があった。

そこで、本願発明は、かかる問題点を解消できる超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明は、一対の超音波送受波器間の超音波の到達時間から実流量を求める超音波流量計において、前記到達時間から音速を求め、該音速と超音波の受信波の大きさとから気体の密度を求めて、特定の温度と圧力における体積流量又は質量流量に換算することを最も主要な特徴とする。

そこで、前記目的を達成するために、請求項１の発明は、気体の流れの上流と下流に超音波送受波器を配置し、両送受波器間で超音波の送受信を行い、順方向と逆方向の超音波到達時間から実流量を求める超音波流量計において、
前記到達時間から音速を求め、該音速と超音波の受信波の大きさとから流体の密度を求めて、特定の温度と圧力における体積流量又は質量流量に換算することを特徴とする超音波流量計である。

受信波の大きさは媒体（流体）の音響インピーダンスに比例する。音響インピーダンスは［密度×音速］であらわされる。従って、受信波の大きさから音響インピーダンスを、到達時間から音速を求め、こうして求めた音響インピーダンスと音速とから次式により密度を求める。

密度＝音響インピーダンス／音速
超音波の受信波の大きさとしては、ピーク値を使うことができる。

請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計において、受信波の特定番目の波のピーク値を受信波の大きさとすることを特徴とするものである。

超音波流量計を小形にすると、狭い流管内を超音波が伝播するときに管壁の反射等による干渉で、受信波の後部における波形の歪みが大きくなり、しかも干渉の仕方が温度や流速の変化に応じて変わるため、受信波のピーク値を受信波の大きさとして流体の密度を求めると、流量計測誤差が大きくなる虞がある。この発明では、干渉の影響が少ない受信波初期の特定番目の波、例えば第３波のピーク値を受信波の大きさとして使う。

請求項３の発明は、請求項２の超音波流量計において、ある基準レベル電圧を最初に超えた波のゼロクロスポイントを超音波の到達ポイントとして、超音波の送受信を複数回行い、該複数回の送受信における超音波の各到達時間を監視して、基準レベル電圧と到達時間の関係から特定番目の波のピーク値を検知することを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３の超音波流量計において、超音波の到達時間を監視しながら、基準レベル電圧を変更し、到達時間が大幅に変わったときの基準レベル電圧を特定番目の波のピーク値と見做すことを特徴とするものである。

受信波のうちの特定番目の波（例えば第3波）が基準レベル電圧を超えなくて、次の波（例えば第５波）が基準レベル電圧を超えた場合、前記次の波（第５波）のゼロクロスポイントが超音波の到達点となる。従って、本来の機能として、特定番目の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知して到達点とした場合に比較して、前記次の波（第５波）のゼロクロスポイントを検知して到達点とすると、到達時間が超音波の1周期ぶん長くなる。そこで、基準レベル電圧を小さなレベルから順に少しずづ大きくしていき、各基準レベル電圧毎にその基準レベル電圧を最初に超える波のゼロクロスポイントを検知することで到達時間を計測すると、ある基準レベル電圧を超えると到達時間が急に大きくなる。このときの波のピーク値は、そのときの前記ある基準レベル電圧にほぼ等しい。

請求項５の発明は、請求項３の超音波流量計において、記憶した定常的ノイズの大きさとしての標準偏差と、受信波の特定番目の波がある基準レベル電圧を超えた回数の比率から受信波の大きさを検出することを特徴とするものである。

受信波には常にノイズが重畳している。このノイズが受信波のある点に重畳する頻度は大きなノイズ程まれで、小さなノイズ程多くなり、その分布は正規分布と想定できる。つまり、ノイズの大きさが零を平均に標準偏差σ＝２０ｍＶと分っているとき、ある波が設定した基準レベル電圧を超える回数が５０％の比率である場合、その波の大きさはその基準レベル電圧とほぼ等しいとできる。設定した基準レベル電圧を超える比率が仮に約１６％であると、波の大きさは基準レベル電圧より−σ、つまりその時の基準レベル電圧より２０ｍＶ小さい値であると、正規分布表の数値から推定できる。

請求項６の発明は、請求項５の超音波流量計において、近接した２つの基準レベル電圧を超える回数の比率から定常的ノイズの大きさを知るようにしたことを特徴とするものである。

前述のように、受信波に重畳するノイズの大きさは零を平均とするほぼ正規分布と想定することが可能である。例えば２５０ｍＶの基準レベル電圧に対して、ある波が約８４％の比率で超え、その後基準レベル電圧を３００ｍＶに変えたときに約１６％の比率で超えたとすると、２５０ｍＶから３００ｍＶの間、即ち基準レベル電圧が５０ｍＶ変る間に約（８４−１６）即ち６８％が入ることになり、これは−σから＋σに相当することが正規分布表から読み取れる。つまり、ノイズの標準偏差σは（５０ｍＶ／２）の２５ｍＶとでき、また、このときの波の大きさは、前記２５０ｍＶと３００ｍＶの中央値の２７５ｍＶと検知できる。

請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れかに１つの超音波流量計において、超音波の到達時間から、さらに温度を検知し、検出した受信波の大きさを、前記温度で補正するようにしたことを特徴とするものである。

一方の送受波器で受信された超音波の信号は増幅器で増幅される。増幅後の受信波の大きさは、送受波器の静電容量の影響を受けるが、該静電容量は一定の温度特性を持つ。従って、温度と受信波の大きさとの関係（特性）を予め記憶しておいて、到達時間から音速（＝超音波の伝播距離／到達時間）を求め、音速から温度を導き、この温度で受信波の大きさを補正する。

請求項８の発明は、請求項１乃至７の何れか１つの超音波流量計において、超音波の到達時間から気体の流速を求め、その流速に基づき受信波の大きさを補正するようにしたことを特徴とするものである。

受信波の大きさは流速によって変化する。従って、流速と受信波の大きさとの関係（傾向）を予め測定して記憶し、流速零のとき（即ち流量零のとき）の受信波の大きさに換算することで、流れがある場合でも、流量零時相当の正しい受信波の大きさを求めることができる。

請求項９の発明は、請求項１乃至８の何れか１つの超音波流量計において、基準状態の圧力、温度での受信波の大きさに基づき受信波の大きさを補正することを特徴とするものである。

受信波の大きさは、個々の送受波器毎の感度の違いで異なる。主に、送受波器毎の静電容量の違いに起因する。従って、前もって基準状態（例えば標準状態）での受信波の大きさを測定して記憶し、流量計測時の受信波の大きさと記憶してある前記基準状態での受信波の大きさとの比率を使って補正する。

請求項１０の発明は、請求項１乃至９の何れか１つの超音波流量計において、超音波の到達時間からガス種を検知して、検知したガス種の基準温度、圧力における密度より基準状態の体積流量に換算することを特徴とするものである。

ガスの種類が違うと密度が異なる。想定するガス種に対し、基準状態例えば標準状態の体積への換算係数を用意することで対応する。また、想定するガス種の音速は分っているため、どのガス種かは、測定した到達時間から音速を算出して、その音速により判断する。

請求項１１の発明は、請求項１乃至１０の何れか１つの超音波流量計において、順方向と逆方向の到達時間が等しい時に受信波の大きさ検知を行うことを特徴とするものである。

両方向の到達時間が等しいとき、即ち流速（流量）が零のときの安定した受信波の大きさを求めて流量計測を行う。

請求項１２の発明は、請求項３、７乃至１１のいずれかに記載の超音波流量計においてある基準レベル電圧を最初に超えた受信波の特定番目の波が、少なくともその基準レベル電圧の所定倍以上の基準レベル電圧まで一気に超えたときに、狙った波を捕らえたとして、その特定番目の波のゼロクロスポイントを受信点とする超音波流量計であって、超音波の送受信の複数回において狙った波を捕らえたとしたとき、前記最初に超えた基準レベル電圧の履歴から受信波の大きさを求めるようにしたことを特徴とするものである。

特定番目の波、例えば第３波が直前の波、例えば第１波の所定倍以上の大きさであるとき、その関係を利用して特定番目の波を検知する。直前の波、例えば第１波がどの基準レベル電圧まで超えたかで、狙った特定番目の波が最初に超えた基準レベル電圧が決まる。従って、履歴中に記憶した基準レベル電圧は第１波の大きさを示すものと言える。第１波にはノイズが重畳している。従って、特定番目の波が超える基準レベル電圧は重畳されたノイズの大きさによって異なる。よってある基準レベル電圧を超えた頻度とノイズの大きさ（標準偏差）とから第１波の大きさが検知可能である。また、ある基準レベル電圧を超えた頻度と別の基準レベル電圧を超えた頻度からノイズの大きさを推定して第１波の大きさを検知することが可能である。

本発明の超音波流量計は上述のように構成されているので、実流量計測用の一対の超音波送受波器（超音波センサ）の信号に基づいて、音速や流体の密度を求め、基準状態、例えば標準状態での体積流量又は質量流量に換算するため、前記特許文献１の従来技術のような、流体の密度を検出するための専用の送波器と受波器を要しないばかりでなく、これらの送波器や受波器を配設するためのほぼ流速が零の特別のバイパス流路などを工夫する必要がないので、流量計の構成が簡単になり、コスト低減と小形・軽量化に寄与する。

また、さらに、請求項２の発明では、流管の管壁による超音波の反射波の干渉の影響が少ない受信波初期の第３波等の特定波のピーク値を用いるので、受信波の大きさとしての特定のピーク値を高い精度で得られ、そのぶん流量計の計測精度が向上する。

また、さらに、請求項３と４の発明では、基準レベル電圧を最初に超えた波のゼロクロスポイントを超音波の到達ポイントとする従来から通常に使用されている受信回路を使用できるので、コスト面で有利になる。また、基準レベル電圧として、マイコン等のコンピュータで、ディジタル値として基準レベル電圧を発生させ、そのディジタル値をＤ／Ａ変換して用いるようにすると、きめ細かく基準レベル電圧を変更できるため、精度の高いピーク値検知が可能となり、結果的に流量計の計測精度が向上する。

また、受信側の送受波器の信号を増幅する受信部の増幅度として複数の種類（複数段）を用意し、受信波の大きさを検知できる範囲に増幅度を切替え調整することも可能で、増幅度も加味してピーク値を特定するように何種類かの（つまり複数の）増幅度を用意すれば広い範囲の受信波に対応できる。圧力が大きくなると密度が大きく受信波の振幅（大きさ）も大きくなるので、増幅度の種類を多くすることにより広い密度範囲に対応可能となる。

また、さらに、請求項５の発明では、受信波の特定番目の波、例えば第３波のピーク値をより細かく検知できるため、そのぶん流量計の計測精度を高くできる。

また、さらに、請求項６の発明では、予めノイズの大きさを測定して記憶するという面倒な手順を必要としない。また、電源用の電池の電圧低下や受信部に用いる増幅器の変更等で、Ｓ／Ｎが変化することが起こるような場合でも、ノイズの大きさを正しく把握できる利点がある。

また、さらに、請求項７の発明では、受信波の大きさをより精確に得られ、そのぶん流量計の計測精度が向上する。

また、さらに、請求項８の発明では、流れがある場合でも流量零時相当の正しい受信波の大きさを求めることが可能で、流量計の計測精度が向上する。

また、さらに、請求項９の発明では、送受波器の感度等の個体差に関係なく正しい受信波の大きさを検知でき、流量計の計測精度が向上する。

また、さらに、請求項１０の発明では、ガス種が異なっても、基準状態、例えば標準状態における正しい体積流量や質量流量が得られる効果がある。

また、さらに、請求項１１の発明では、流速（流量）が零のときの安定した受信波の大きさを検知するため、受信波の大きさを精度良く検知でき、流量計の計測精度が向上する。

また、さらに、請求項１２の発明では、通常の到達時間の測定を行う中で受信波の大きさを検知できるため、受信波の大きさ検知だけのために余分な消費電流を要しない利点がある。また、流管壁面からの反射波の悪影響の少ない受信波の前の方の波である第１波の大きさを受信波の大きさとすることができるため正確な流量計測ができる利点がある。

次に本発明を実施するための最良の形態を図の実施例に基づいて説明する。

図１は実施例１のブロック図である。超音波送受波器（以下、単に送受波器ともいう）１と２は、図示されてない被計測気体を流す流管の上流と下流にそれぞれ配置され、超音波の送信にも受信にも使えるようになっている。切り替え部３で上流側の送受波器１を発信部４に接続し、下流側の送受波器２を受信部５に接続したときは、矢印Ａに示すように順方向への超音波の送受信を行う。切り替え部３を切り替えて、下流側の送受波器２を発信部４に接続し、上流側の送受波器１を受信部５に接続したときは、矢印Ｂに示すように逆方向への超音波の送受信を行う。

発信部４は制御部６からの信号を受け、切り替え部３を介して発信側の送受波器１又は２を駆動する。駆動波は図２（ａ）に示すバースト駆動波を用いている。駆動波の振幅とパルス幅は一定に固定してある。

受信部５は受信側の送受波器２又は１からの信号を入力して増幅する。受信部５の増幅器で増幅された後の受信波の波形を図３に示す。受信波は１番目の波（第１波ともいう）から、２番目の波（第２波）、３番目の波（第３波）、４番目の波（第４波）、５番目の波（第５波）と次第に大きくなり、その後６番目の波（第６波）以後次第に減衰して小さくなる。

図１の受信ポイント検知部７は、受信部５で増幅した後の受信波を入力して受信点の検知を行う。即ち、図３に示す一定の基準レベル電圧Ｖ_ＴＨを最初に超えた波（図示の場合は３番目の波である第３波）のゼロクロスポイントａを受信検知ポイント（受信点）とする。この受信検知ポイントａは真の受信ポイントｂ（真の受信点）とは異なる。さらに受信波は、電子回路内の遅延や送受波器内部での音波の伝播時間が遅れとなっているため、これらを総合した遅れ時間を、送信側送受波器を駆動する駆動波のスタート時点から受信検知ポイントであるゼロクロスポイントａまでの時間から差し引いた値を到達時間として、その後の演算に使用する。

受信ポイント検知部７から、受信ポイントを検知した信号が到達時間測定部８に入力されて到達時間が測定（算出）される。この到達時間の値は、実流量換算部９に入力され、順方向と逆方向の到達時間の逆数差に係数を掛けることで流速を求め、さらに流管の断面積を乗じて、測定時の温度と圧力における体積流量すなわち実流量を求める。

また、到達時間の値は、到達時間測定部８から音速換算部１０にも入力される。音速換算部１０では、順方向と逆方向の到達時間の逆数和に係数を掛けて音速を算出する。

受信部５からの出力は、受信波大きさ検知部１１にも入力されていて、ここで受信波の大きさが検知される。受信波の大きさを検知するには、ピーク値ホールド回路で保持した受信波のピーク値をＡ／Ｄ変換回路でディジタル信号に変換してマイコン等のコンピュータで読み取っている。

受信波の大きさを検知するには、他の方法もある。例えば、Ｄ／Ａ変換回路のディジタル値を超音波の送受信毎に変更しながら、Ｄ／Ａ変換回路の出力であるアナログの出力電圧を受信波と比較して、大小関係が反転するときのアナログ出力電圧をもって受信波の大きさとすることもできる。

受信波大きさ検知部１１の出力は密度換算部１２に入力される。そして、先ず送受波器１と２の感度の個体差が誤差にならないように、基準状態の圧力、温度での受信波の大きさを基に算出し記憶しておいた基準の大きさに対する比率を用いて受信波の大きさを補正する。

同じ圧力、温度でも受信波の大きさは送受信波毎の感度の違い（個体差）により異なる。よって、ここでは、この感度の違いによる送受波器の個体差をキャンセルするために、ある特定圧力、温度での受信波が基準の大きさに対し何倍あるかを係数として記憶し、受信波の大きさを検知する時、求まった受信波の大きさを前記係数で割って補正を行っている。

密度換算部１２には、音速換算部１０から音速の値が入力されている。また、本実施例では受信部５の増幅器の増幅度は一定の増幅度に固定されていて、その増幅度（これを基準増幅度とも呼ぶ）に合致した受信波の大きさ対音響インピーダンスの関係を表わすテーブル・・・このテーブルは予め密度換算部１２に備えてある・・・を用いて、前記受信波の大きさから音響インピーダンスを求める。そして、音響インピーダンスは流体の密度と音速の積であるので、テーブルから求めた前記音響インピーダンスを音速で割ることで、流体の密度を算出して求める。

なお、受信波の大きさ検知を、順方向と逆方向の到達時間が等しいとき、即ち、流速・流量が零のときにおこなうことで、流速により受信波の大きさが変化することによる密度算出への悪影響を減らすようにしているが、流れがあるときに受信波の大きさ検知を行うことも可能である。その場合、流速によって受信波の大きさは変化するので、さらに流速に基づいて受信波の大きさを補正することを行う。また、受信波の大きさ検知を複数回行い、平均値を採用することも可能である。

本実施例１では、１分毎に１回受信波の大きさ検知を行い、その都度密度換算を行っているが、１０分間の検知データ、即ち１０回分の検知データの平均値を使用して密度換算を行うことも可能で、この場合は、１０分間毎に１回の密度換算を行うことになる。

この実施例では、一定時間間隔で受信波の大きさを検知して密度換算をしているが、流量又は流速が一定以上変化した時には直ちに受信波の大きさを検知して密度を求めるようにすると、密度の変化を素早く検知でき、速応性が向上する。

実流量換算部９と密度換算部１２の各出力は、ノルマル流量換算部１３に入力され、次の（１）式で標準状態０℃、１気圧でのノルマル流量に換算される。

ノルマル流量＝実流量×（密度／標準状態の温度、圧力での密度）・・・・（１）
また、次の（２）式で質量流量に換算することもできる。

質量流量＝実流量×密度 ・・・・・（２）
さらにまた、０℃、１気圧の標準状態（即ちノルマル状態）におけるノルマル流量に換算する代りに、測定時の状態と違う基準状態の温度、圧力での体積流に換算することもできる。このときの換算式を次の（３）式に示す。

基準状態の体積流量＝実流量×（密度／基準状態の温度、圧力での密度）・（３）
なお、発信の駆動波は、ピーク値、パルス幅ともに一定にして測定を繰り返すようにしている。

この実施例２は、流量計全体のブロック図は見掛け上は前記実施例１の図１と同じであるので、図１を用いて説明する。

この実施例２は、超音波の到達時間から実流量を求める実流量換算と、受信波の大きさ検知とを、時間的に別々に行う。実流量換算は１秒毎に行い、受信波の大きさ検知は１分間隔で行うようにしている。受信波の大きさ検知には、送信側の送受波器１又は２を到達時間測定時の図２（ａ）に示すバースト駆動波とはことなる同図（ｂ）に示す連続駆動波で励振する。

本実施例２では、受信波の大きさを検知する時には、発信部４からの送受波器駆動信号は、到達時間測定に使用する図２（ａ）のバースト駆動波ではなく、図２（ｂ）に示す連続波である。図２（ｂ）の連続波で駆動すると受信波は図３のような形ではなく、振幅が一定の正弦波に似た波形となる。本実施例においては、受信波大きさ検知部１１においては、前記実施例１の説明中で述べたＤ／Ａ変換回路で作成したアナログ出力電圧と受信波とを比較して受信波の大きさを検知する。すなわち、Ｄ／Ａ変換回路の入力であるディジタル値を変更しながらＤ／Ａ変換回路の出力電圧と受信波とを比較し、大小関係が反転するときのディジタル値を受信波の大きさとする。受信波の大きさが検知できたら連続波での送受波器駆動信号は停止する。また、本実施例では、受信波のピーク値とＤ／Ａ変換回路の出力値との比較を行なっていて、連続駆動時の受信波のピーク値を受信波の大きさとしているが、受信波を半波整流して、さらに平滑して平均化したものを受信波の大きさとすることも可能である。こうすると、受信波の一部であるピーク値ではなくて、反射波等音響的ノイズも含めた受信波全体の平均値を受信波の大きさとすることになり、干渉の仕方に影響されずに誤差の少ない受信波大きさ検知が期待できる。受信波の大きさ検知は、実流量換算のための到達時間測定機能は停止させて行い、その度に検知した受信波の大きさと直前に測定した到達時間とから求めた音速とで密度換算を行う。その結果は実流量換算毎に行うノルマル流量換算に使用される。発信部４、受信部大きさ検知部１１以外のブロックの働きは前記実施例１と同じである。

この実施例３は、受信波の特定番目の波（例えば第３波）のピーク値を受信波の大きさとしたものである。

先に実施例１では、図３に従って説明したように、一定の基準レベル電圧Ｖ_ＴＨを最初に超えた波、即ち図示の場合は３番目の波である第３波のゼロクロスポイントａを受信検知ポイント（検知点）としていた。そして、受信波の大きさとしては受信波のピーク値である第５波のピーク値を用いることができる。

本実施例３における、受信波の特定番目の波（例えば第３波）のピーク値を受信波の大きさとする場合について、図４を用いて以下に説明する。

基準レベル電圧をレベル１からレベル５までの５種類（５段階）用意する。基準レベル電圧を最も低いレベルのレベル１として受信ポイント検知を行うと、第３波が最初に基準レベル電圧であるレベル１を超えて、第３波のゼロクロスポイントが受信点として検知される。この受信点を図４に示すポイント１として示す。次に基準レベル電圧をレベル２にすると、同様にポイント１が受信点として検知され、レベル３にした場合も同様にポイント１が受信点として検知される。

しかし、次に基準レベル電圧をレベル４にすると、第３波はレベル４まで届かないため、第５波が最初に基準レベル電圧のレベル４を超える波となり、第５波のゼロクロスポイントであるポイント２が受信検知ポイントとなる。従って、毎回の送受信の都度基準レベル電圧を順に１段階ずつ大きくしていき、各基準レベル電圧毎にその基準レベル電圧を最初に超える波のゼロクロスポイントを検知することで到達時間を計測すると、基準レベル電圧のある大きさのところで到達時間が急に大きくなる。図４では、基準レベル電圧がレベル１からレベル３までは、受信波検知ポイントがポイント１のままで変らないが、レベル４に上げると受信波検知ポイントがそれまでのポイント１からポイント２に移るため、到達時間が急に超音波の１周期分だけ大きく変化する。

本実施例では、毎回の送受信毎の到達時間を監視していて、レベル３からレベル４での測定に移ったときに、到達時間が超音波の１周期分長くなったことを検知し、第３波のピーク値がレベル３とレベル４との間にあることを認識する。こうして、受信波の大きさを第３波のピーク値として検知する。

次に、図５に従って、本実施例３の全体構成を説明する。図１の実施例１と比較して本実施例３のブロック図は、図５に示すように、受信波大きさ検知部１１の位置が異なり、到達時間測定部８と受信ポイント検知部７との接続関係及び受信ポイント検知部７と制御部６との接続関係もわずかに異なる。なお、本実施例３も、実流量換算と受信波の大きさ検知を実施例２と同様に時間的に別々に行う。

受信ポイント検知部７の出力である受信検知信号は、制御部６にも出力されていて、制御部６はこの信号が入力されると新たな発信を行うよう発信部４へ信号を出力し、連続して送受信が繰り返されるように構成されている。

受信ポイント検知部７へ到達時間測定部８から基準レベル電圧選択信号が出力されていて、基準レベル電圧を低いレベルから順に高いレベルに選択変更しながら送受信を行い、各到達時間が到達時間測定部８に記憶される。用意されたレベル数分の送受信を完了すると、受信波大きさ検知部１１は到達時間測定部８から基準レベル電圧のレベルと到達時間をペア（対）としたレベル数分のデータを読み取り、到達時間の変化が大きかったレベルを受信波の大きさとして採用する。

また、制御部６から増幅度選択信号が受信部５と受信波大きさ検知部１１へ入力されていて、用意された基準レベル電圧で第３波の大きさ（ピーク値）が検知できる増幅度を採用するように構成してある。受信波の大きさとしての第３波の大きさ（ピーク値）は、使用した増幅度と検知したときの基準レベル電圧のレベルとから算出される。

本実施例３では毎回の送受信毎、即ち１回の送受信毎に基準レベル電圧のレベルを切り替えたが、数回の送受信毎にレベルを１段ずつ切替えるようにする方法も可能である。

また、基準レベル電圧の変更は、送受信毎に低いレベルから順に行う必要もない。例えば、最初は粗くレベルを変化させ、到達時間の変化があった２つのレベル間をさらに細かくレベル変化させて受信ポイントを検知することで、より精密な受信波の大きさ検知が可能となる。

受信波には常に定常的なノイズが重畳している。このノイズが受信波のある点に重畳する頻度は、大きなノイズ程まれで、小さなノイズ程多くなる。その分布を正規分布と想定する。図６にその分布を示す。同図で横軸はノイズを含む第３波のピーク値を、縦軸はその発生頻度を示す。ノイズを含まない第３波のピーク値、即ち第３波の真のピーク値を中心として、この中心で最も発生頻度が大きい。そして、ノイズを含む第３波のピーク値が真のピーク値（前記中心）から離れる程、発生頻度が小さくなる。中心から右方に離れてピーク値が大きくなる程、また中心から左方に離れてピーク値が小さくなる程、ともに発生頻度が小さくなる。この分布は、ノイズの標準偏差σで決まる。つまり、ある基準レベル電圧に対して、受信波の第３波が、これを超える確率は正規分布表等で推定が可能であり、逆に、基準レベル電圧、ノイズの標準偏差、それと基準レベル電圧を超える確率が実際に測定した比率として分れば、真のピーク値が推定可能である。

本実施例は、この方法により基準レベル電圧を超える特定番目の波のピーク値を正確に検知するもので、流量計全体の構成、働きとも、図５の実施例３とほぼ同じである。ただし、到達時間測定部８から受信ポイント検知部７へ出力される基準レベル電圧選択信号は、あるレベルに固定された状態で連続して送受信が繰り返される。到達時間測定部８は、前述のように基準レベル電圧を固定した状態で毎回の各到達時間を測定して記憶する。その後受信波大きさ検知部１１は、各到達時間を読み取り、基準レベル電圧を超えた比率を計算する。第３波のゼロクロスポイントを受信点としたか、第５波のゼロクロスポイントを受信点としたかで基準ポイントを超えたかどうかを判断して、前記比率を算出する。

この比率とノイズの標準偏差σ及びその時の基準レベル電圧で、第３波の真のピーク値を算出する。本実施例では、正規分布表は受信波大きさ検知部１１にテーブルのかたちで記憶しておき使用している。以下、増幅度の設定等は実施例３の場合と同様である。

なお、ノイズの大きさは受信部５の増幅度を変更すると変わる可能性もある。そこで、本実施例４では、各増幅度それぞれでのノイズの標準偏差σを記憶するようにしている。温度等でも変化する可能性がある。そこで、電圧的に近接した基準レベル電圧を２つ用意し、それぞれのレベルで一定の複数回到達時間の測定を行い、電圧の明確な前記２つのレベルに対して超える比率から、その時のノイズの大きさ（標準偏差σ）を算出できる。

本実施例５の全体構成のブロック図を図７に、受信ポイント検知部７の動作説明を図８に示す。この実施例５は請求項１２に対応する。

受信ポイント検知部７は、図８に示すように、基準レベル電圧として指数関数的な複数のレベル１〜レベル９が用意されている。これらのレベル１〜レベル９の基準レベル電圧は、隣接するレベル同士の比が同じに定められている。即ち、レベル２／レベル１＝レベル３／レベル２＝レベル４／レベル３＝レベル５／レベル４＝レベル６／レベル５＝レベル７／レベル６＝レベル８／レベル７＝レベル９／レベル８とすることで、レベル１からレベル９までの基準レベル電圧が指数関数的な関係に定められている。受信波のある波が最初にある基準レベル電圧を超え、そのまま所定数の基準レベル電圧を超えた時に、狙った特定番目の波を捕らえたとして、その波のゼロクロスポイントを到達ポイント（受信点）として検知し、到達時間測定部８へ出力する。

図８において、各基準レベル１〜９は、１段下のレベルに対して約１．３倍の大きさで用意されている。即ち、前記レベル２／レベル１からレベル９／レベル８であらわした電圧比が約１．３に定めてある。本実施例では、ある波が最初にある基準レベル電圧を超えて、さらにそのレベルを含めて４つ以上のレベルを超えたとき、その波は第３波であるとして、その第３波のゼロクロスポイントを受信ポイント検知部７で検知して受信点としている。

受信波は、最初に到達する波から順に第１波、第２波、第３波と名付けると、片側のプラス側では、第１波、第３波、第５波・・・となり、各波のピーク値の直前の波のピーク値に対する比率は、最初ほど大きく、だんだんと小さくなることが分っている。特に第３波のピーク値は第１波のピーク値に対する比率が大きいため、検知が容易である。本実施例では、前の波のピーク値に対する比率が３倍以上あることを検知して第３波と判断するようになっている。因みに、第５波のピーク値は第３波のピーク値の１．５倍以下である。

つまり、前述の１．３倍間隔の基準レベル電圧を一気に４段階超えるということは、前の波の少なくとも１．３の３乗である２．２倍以上のピーク値があると言え、確実に第３波を検知できる。前述のように第５波のピーク値は第３波のピーク値の１．５倍以下であるため、４レベルを一気に超えることはない。従って、間違って第５波を検知してしまうという誤動作は起こり得ない。

図８では、最初の波がレベル１まで達している。そして、つづく波がレベル２から少なくともレベル５までの４つのレベルを一気に超えている。よって、図のように最初の波が第１波、つづく波が第３波であると判断される。そして、第３波と判断された波のゼロクロスポイントが受信点として到達時間測定部８へ出力される。

また、第１波とされた波が超えずに、第３波とされた波が最初に超えた基準レベル電圧即ちレベル２を出力する。図の場合、この出力としてレベル２であることを示すデータを出力する。

このレベル２は、第１波の大きさ（ピーク値）を示すデータとできる。つまり、第１波が超えられなかったレベルであり、超えることができたのはその１つ下のレベルであるレベル１であることを示している。そして、図７の受信波大きさ検知部１１において、連続する同方向（即ち、順方向又は逆方向の何れかの方向）の送受信の一定複数回分のデータから、ある基準レベル電圧を超える頻度（割合）を算出し、その頻度（割合）から第１波の大きさを検出して密度換算部１２へ算出する構成としている。この構成は、前記請求項９の作用説明と、実施例４の説明における基準レベル電圧選択信号をあるレベルに固定した状態で、連続して送受信を繰り返す動作の場合と同様である。他の部分の動作は、実施例１や２の場合と同じである。

本発明の実施例のブロック図。 駆動波形を示す図で（ａ）はバースト駆動波、（ｂ）は連続駆動波である。 受信ポイント検知部の動作を説明する図。 受信ポイント検知部の動作を説明する図。 本発明の実施例のブロック図。 第３波のピーク値の発生頻度を示す分布図。 本発明の実施例のブロック図。 受信ポイント検知部の動作を説明する図。

符号の説明

１、２ 送受波器
４ 発信部
５ 受信部
６ 制御部
７ 受信ポイント検知部
８ 到達時間測定部
９ 実流量換算部
１０ 音速換算部
１１ 受信波大きさ検知部
１２ 密度換算部
１３ ノルマル流量換算部
ａ 受信点

Claims (12)

1. 気体の流れの上流と下流に超音波送受波器を配置し、両送受波器間で超音波の送受信を行い、順方向と逆方向の超音波到達時間から実流量を求める超音波流量計において、
   前記到達時間から音速を求め、該音速と超音波の受信波の大きさとから流体の密度を求めて、特定の温度と圧力における体積流量又は質量流量に換算することを特徴とする超音波流量計。
2. 受信波の特定番目の波のピーク値を受信波の大きさとすることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. ある基準レベル電圧を最初に超えた波のゼロクロスポイントを超音波の到達ポイントとして、超音波の送受信を複数回行い、該複数回の送受信における超音波の各到達時間を監視して、基準レベル電圧と到達時間の関係から特定番目の波のピーク値を検知することを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
4. 超音波の到達時間を監視しながら、基準レベル電圧を変更し、到達時間が大幅に変わったときの基準レベル電圧を特定番目の波のピーク値と見做すことを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
5. 記憶した定常的ノイズの大きさとしての標準偏差と、受信波の特定番目の波がある基準レベル電圧を超えた回数の比率から受信波の大きさを検出することを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
6. 近接した２つの基準レベル電圧を超える回数の比率から定常的ノイズの大きさを知るようにしたことを特徴とする請求項５記載の超音波流量計。
7. 超音波の到達時間から、さらに温度を検知し、検出した受信波の大きさを、前記温度で補正するようにしたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の超音波流量計。
8. 超音波の到達時間から気体の流速を求め、その流速に基づき受信波の大きさを補正するようにしたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の超音波流量計。
9. 基準状態の圧力、温度での受信波の大きさに基づき受信波の大きさを補正することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の超音波流量計。
10. 超音波の到達時間からガス種を検知して、検知したガス種の基準温度、圧力における密度より基準状態の体積流量に換算することを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の超音波流量計。
11. 順方向と逆方向の到達時間が等しい時に受信波の大きさ検知を行うことを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の超音波流量計。
12. ある基準レベル電圧を最初に超えた受信波の特定番目の波が、少なくともその基準レベル電圧の所定倍以上の基準レベル電圧まで一気に超えたときに、狙った波を捕らえたとして、その特定番目の波のゼロクロスポイントを受信点とする超音波流量計であって、超音波の送受信の複数回において狙った波を捕らえたとしたとき、前記最初に超えた基準レベル電圧の履歴から受信波の大きさを求めるようにしたことを特徴とする請求項３、７乃至１１のいずれかに記載の超音波流量計。

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