JPH1090029A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積算流量の測定誤差を、消費電力を増大させ
ないで向上する。 【解決手段】 上流の送受波器１から超音波パルスを発
射し下流の送受波器２で受ける順方向の送・受信をｎ回
繰り返す。次に切替部４を切り替えて、下流の送受波器
２から超音波パルスを発射して上流の送受波器１で受け
る逆方向の送・受信をｎ回繰り返す。こうした動作を間
隔をおいて何回も行い、それぞれ順方向と逆方向のｎ回
分の合計の伝搬時間Ｔ₁ ，Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，Ｔ₂ ′，…を
第２のカウンタで求める。Ｔ₁ ，Ｔ₁ ′を使って平均流
速を求める。次にＴ₁ ′，Ｔ₂ を使って、次にＴ₂ ，Ｔ
₂ ′を使って平均流速を順に求め、これから積算流量を
演算する。第２のカウンタ１１の基準クロックは非同期
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波流量計の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５において、静止流体中の音速をＣ、
流体の流れの速さをＶとすると、音波の伝搬方向が流れ
に沿った方向（以下順方向と言う）と一致すればその伝
搬速度はＣ＋Ｖとなり、流れに逆らった方向（以下逆方
向と言う）の場合にはＣ−Ｖとなる。

【０００３】距離Ｌを隔てて１対の送受波器１，２を流
管３の上流と下流に離して配設し、一方の送受波器１を
送波器として作動させ、この送受波器１から超音波パル
スを順方向に発射したとき、受波器として働く他方の送
受波器２に超音波パルスが到達するに要する時間（伝搬
時間）ｔ₀ は、 ｔ₀ ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１） となる。

【０００４】また、送波器と受波器を切り替えて、送受
波器２から超音波パルスを逆方向に発射したとき、他方
の送受波器１に超音波パルスが到達するに要する時間
（伝搬時間）ｔ₀ ′は、 ｔ₀ ′＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２） となる。

【０００５】順方向と逆方向の超音波パルスの上記伝搬
時間ｔ₀ ，ｔ₀ ′を測定し、これらから流体の流速Ｖを
算出するのに、次の（３）式を用いる時間逆数差法と、
（４）式を用いる時間差法があり、（３）式の時間逆数
差法では音速Ｃに無関係に流速Ｖが求められる。

【０００６】 Ｖ＝（Ｌ／２）・｛（１／ｔ₀ ）−（１／ｔ₀ ′）｝・・・（３） Ｖ＝（Ｃ² ／２Ｌ）・（ｔ₀ ′−ｔ₀ ） ・・・（４） もっとも、時間差法を用いる（４）式は、静止流体中の
音速Ｃに対して流体の流速Ｖが非常に小さくＣ² ≫Ｖ²
として成り立つ式であり、工業的用途ではこのような関
係が成立する。

【０００７】なお、実際には、伝搬時間の測定精度を上
げて、流量計の精度を向上するために、順方向や逆方向
の伝搬時間を測定するのに、１回ずつの超音波パルスの
送受信ではなく、受信と同時に次の送信を行い、同一方
向の送受信を複数（ｎ）回連続して繰り返し、最初の１
回目の送信から最後のｎ回目の受信までの時間を、順方
向と逆方向についてそれぞれ求め、それらの値を１／ｎ
して超音波パルスの送信からそれを受信までの１回の伝
搬時間ｔ₀ ，ｔ₀ ′を求めていた。

【０００８】こうすることで、測定精度はｎ倍に向上
し、例えばｎを１００とすれば精度は１００倍に向上す
る。このような超音波流量計の構成を図６に示す。

【０００９】同図において、１，２は図示してない流管
の上流と下流に離して配設した１対の送受波器で、それ
ぞれ送信側としても受信側としても働くように、送信側
と受信側とに切り替え使用する。

【００１０】４は第１の切替器５と第２の切替器６とか
らなる切替部で、マイクロコンピュータで構成したコン
トロール部７からの送受切替信号を受けて作動し、送受
切替信号が順方向を指示するときは切替器５，６が図示
の状態となって上流側の送受波器１を送波器駆動部８と
接続して送波器として使用すると共に、下流側の送受波
器２を受信波検知部９に接続して受波器として使用す
る。そして、送受切替信号が逆方向を指示するときは切
替器５，６が図示の状態から切り替わり、下流側の送受
波器２を送波器駆動部８と接続して送波器として使用す
ると共に、上流側の送受波器１を受信波検知部９に接続
して受波器として使用する。

【００１１】受信波検知部９は、第２の切替器６を介し
て受信側としての送受波器２又は１に接続され、受信波
を検知する都度受信波検知信号を出力する。従って、こ
の受信波検知信号は送信側としての送受波器１又は２が
超音波パルスを発射すると順方向又は逆方向の伝搬時間
だけ遅れて出力される。

【００１２】送波器駆動部８は、コントロール部７から
第１送信指令信号を受けた時に、送信側の送受波器１又
は２を駆動して、送受波器１又は２から１回目の超音波
パルスを順方向又は逆方向に発射させ、その後は受信波
検知部９からの受信波検知信号を受ける毎に、第ｎ受信
波検知信号を受けるまで送信側の送受波器１又は２を駆
動して、送受波器１又は２から超音波パルスを順方向又
は逆方向に発射させる。第ｎ受信波検知信号が入力され
ると駆動を停止する。

【００１３】こうして、送信側の送受波器１は、順方向
測定時に第１送信指令信号が送波器駆動部８に入力され
ると１回目の超音波パルスを順方向に発射し、その後、
受信波検知部９からの受信波検知信号が送波器駆動部８
に入力される都度、第ｎ受信波検知信号が送波器駆動部
８に入力されるまで繰り返して超音波パルスを発射す
る。

【００１４】同様にして、逆方向測定時には、送信側の
送受波器２は第１送信指令信号が送波器駆動部８に入力
されると１回目の超音波パルスを逆方向に発射し、その
後受信波検知部９からの受信波検知信号が送波器駆動部
８に入力される毎に、第ｎ受信波検知信号が送波器駆動
部８に入力されるまで、繰り返して超音波パルスを発射
する。

【００１５】１０は受信波検知部９からの受信波検知信
号の数を計数する第１のカウンタで、第１の送信指令信
号を受けて計数値が零にリセットされ、ｎ番目の受信波
検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号を出力する。

【００１６】１１は第２のカウンタで基準クロック発振
器を内蔵しており、該基準クロック発振器の基準クロッ
クを順方向測定時と逆方向測定時のそれぞれのときに、
第１送信指令信号を受けてから第ｎ受信波検知信号を受
けるまでの間計数する。従って、そのカウント値は、順
方向測定時と逆方向測定時における第１送信指令信号か
ら第ｎ受信波検知信号までの時間になる。

【００１７】コントロール部７は、順方向測定か逆方向
測定かを指示する送受切替信号を交互に切り替えながら
その都度送受切替信号と同期した第１送信指令信号を送
波器駆動部８に出力し、第ｎ受信波検知信号を第１のカ
ウンタ１０から受けると第２のカウンタ１１のカウント
値を読み取り、順方向測定時と逆方向測定時の第２のカ
ウンタ１１の両カウント値に基づいて、流速、流量、さ
らには積算流量の演算を行う。

【００１８】図６の構成の従来の超音波流量計の作用を
図７、図８に従って以下に説明する。送受切替信号が切
り替えられて順方向を指示すると共に第１送信指令信号
Ｐ₁がわずかに遅れて出力されると、送信側の送受波器
１から第１の超音波パルスが順方向に発射され、伝搬時
間経過後に超音波パルスが受信側の送受波器２に到達
し、受信波検知部９がその受信波を検知して第１の受信
波検知信号を出力する。

【００１９】送波器駆動部８はこの受信波検知信号を受
けて送受波器１を再度駆動するので、送受波器１は順方
向に第２の超音波パルスを発射する。この超音波パルス
が送受波器２に到達すると受信波検知部９が第２の受信
波検知信号を出力する。このようにして、送信側として
の送受波器１が繰り返して間欠的に順方向に超音波パル
スを発射し、それを受信側の送受波器２が受信する都度
受信波検知部９が受信波検知信号を出力する。このよう
にして、第ｎ受信波検知Ｑ₁ が入力されるまで送波器駆
動部８は送受波器１を間欠的に繰り返して駆動する。

【００２０】図７では、最初の順方向測定時の第１送信
指令信号Ｐ₁ に続く第１，第２，第３，…，第_n-1 ，第
_n の受信波検知信号にそれぞれ１，２，３，…，_n-1 ，
_n の符号を付けている。

【００２１】そして、最初の順方向測定時の第１送信指
令信号Ｐ₁ から第ｎ受信波検知信号Ｑ₁ までの時間Ｔ₁
が第２のカウンタ１１のカウント値として測定（計数）
される。

【００２２】次に送受切替信号が切り替えられて逆方向
を指示すると、切替部４を構成する第１の切替器５と第
２の切替器６が（図６の状態から）切り替わり、第１送
信指令信号Ｐ₁ ′がコントロール部７から送波器駆動部
８へ入力される。

【００２３】すると、送信側としての送受波器２から逆
方向の第１の超音波パルスが発射される。これを受信側
としての送受波器１が受信すると、受信波検知部１から
第１の受信波検知信号が出力され、これが送波器駆動部
８に入力されて送受波器２から逆方向の第２の超音波パ
ルスを発射する。そして、この超音波パルスを送受波器
１が受信すると受信波検知部９から第２の受信波検知信
号が出力される。

【００２４】このようにして、送受波器２が繰り返して
間欠的に逆方向に超音波パルスを発射し、それを送受波
器１が受信する都度受信波検知部９が受信波検知信号を
出力する。そして、第ｎ受信波検知信号Ｑ₁ ′が入力さ
れるまで送波器駆動部８は送受波器２を繰り返して駆動
する。

【００２５】図７では、この逆方向測定時の第１送信指
令信号Ｐ₁ ′に続く第１，第２，第３，…，第_n-1 ，第
_n の受信波検知信号にもそれぞれ１，２，３，
…，_n-1 ，_nの符号を付けている。

【００２６】そして、この逆方向測定時の第１送信指令
信号Ｐ₁ ′から第ｎ受信波検知信号Ｑ₁ ′までの時間Ｔ
₁ ′が第２のカウンタ１１のカウント値として測定（計
数）される。

【００２７】次に送受切替信号が切り替えられて再度順
方向を指示すると、切替部４の第１と第２の切替器５，
６が図６の状態に戻り、第１送信指令信号Ｐ₂ がコント
ロール部７から出力されて送受波器１からの第１の超音
波パルスが順方向に発射される。そしてその後最初の順
方向測定の場合と同様に符号１，２，３，…，_n-1 ， _n
を付した第１，第２，第３，…，第_n-1 ，第_n の受信波
検知信号が受信波検知部９から出力され、かつ第１のカ
ウンタ１０から第ｎ受信波検知信号Ｑ₂ まで順方向の送
・受信が繰り返される。

【００２８】また、この順方向測定時における第１送信
指令信号Ｐ₂ から第_n 受信波検知信号Ｑ₂ までの時間Ｔ
₂ が第２のカウンタ１１のカウント値として計数・測定
される。

【００２９】図７では、以上に述べたような、最初の順
方向測定から、それに続く逆方向測定及び再度の順方向
測定の三つの測定段階だけを図示しているが、図８では
最初の順方向測定を含めて、六つの測定段階の手順を図
示している。

【００３０】なお、図８では横軸（時間軸）を縮尺して
図示すると共に全体を見易くするために図７で示した受
信波検知信号は省略した。 図８で、Ｐ₁ 〜Ｑ₁ の時間はＴ₁ Ｐ₁ ′〜Ｑ₁ ′の時間はＴ₁ ′ Ｐ₂ 〜Ｑ₂ の時間はＴ₂ Ｐ₂ ′〜Ｑ₂ ′の時間はＴ₂ ′ Ｐ₃ 〜Ｑ₃ の時間はＴ₃ Ｐ₃ ′〜Ｑ₃ ′の時間はＴ₃ ′ となっている。そして、この図８で、ダッシュを付けて
ないのは順方向測定時のもので、ダッシュを付けたのは
逆方向測定時のものを意味している。

【００３１】ところで、順方向の測定時間Ｔ₁ と逆方向
の測定時間Ｔ₁ ′を測定するときの流体の流速は必ずし
も同じではなく、一般的には異なる値となる。そして、
このことは、測定時間Ｔ₂ ，Ｔ₂ ′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′をそ
れぞれ測定するときの流体の流速についても言える。

【００３２】また、測定時間Ｔ₁ は通常極めて小さい。
１対の超音波送受波器１と２の距離Ｌを例えば０．２
ｍ、静止流体中の音速Ｃを４４０ｍ／Ｓとすると、流体
が静止しているとき、つまり流量が零のときの伝搬時間
ｔ₀₀は、ｔ₀₀＝Ｌ／Ｃ＝０．２／４４０＝４５４μＳと
なり、同一方向測定時の繰り返し送・受信の回数ｎを１
００とすると、ｎｔ₀₀＝１００×４５４μＳ＝４５ｍＳ
となる。

【００３３】流体の速度Ｖは音速Ｃに比較して小さいの
で、Ｔ₁ ，Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，Ｔ₂ ′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′等もほ
ぼ４５ｍＳ前後の値となり、これ位の時間を測定してい
る間では流速は殆ど変化しない。

【００３４】従って、測定時間Ｔ₁ ，Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，Ｔ
₂ ′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′，…をそれぞれ測定するときの流速
をそれぞれＶ₁ ，Ｖ₁ ′，Ｖ₂ ，Ｖ₂ ′，Ｖ₃ ，
Ｖ₃ ′，…と表し、それぞれの測定時における伝搬時間
をｔ₁ ，ｔ₁ ′，ｔ₂ ，ｔ₂ ′，ｔ ₃ ，ｔ₃ ′，…と表
せば、 ｔ₁ ＝Ｔ₁ ／ｎ ｔ₁ ′＝Ｔ₁ ′／ｎ ｔ₂ ＝Ｔ₂ ／ｎ ｔ₂ ′＝Ｔ₂ ′／ｎ ｔ₃ ＝Ｔ₃ ／ｎ ｔ₃ ′＝Ｔ₃ ′／ｎ ・・・・・ が成立する。

【００３５】一般的に添字をｒで表すと、 ｔｒ ＝Ｔｒ ／ｎ ｔｒ′＝Ｔｒ′／ｎ となる。

【００３６】そこで、前記時間逆数差法を活用して、 ｔｒ ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｒ） ・・・（５） ｔｒ′＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｒ′） ・・・（６） （Ｖｒ＋Ｖｒ′）／２＝（Ｌ／２）・｛（１／ｔｒ）−（１／ｔｒ′）｝ ・・・（７） が得られる。

【００３７】また、工業的用途では、前述のようにＣ²
≫Ｖｒ² ，Ｃ² ≫（Ｖｒ′）² が成立するため、前記時
間差法を活用して、 （Ｖｒ＋Ｖｒ′）／２＝（Ｃ² ／２Ｌ）・（ｔｒ′−ｔｒ）・・・（８） が得られる。

【００３８】（７）（８）式の左辺は、順方向測定時の
流速Ｖｒと逆方向測定時の流速Ｖｒ′の平均流速であ
り、（７）式と（８）式は前記（３）式と（４）式にそ
れぞれ相当する。

【００３９】こうして、順方向の測定値（カウント値）
Ｔｒと逆方向のカウント値Ｔｒ′に基づいて、平均流速
を求めていた。（７）（８）式をＴｒ，Ｔｒ′を用いて
あらわせば、次の（７′）式と（８′）式になる。 （Ｖｒ＋Ｖｒ′）／２＝（Ｌ／２）・｛（ｎ／Ｔｒ）−（ｎ／Ｔｒ′）｝ ・・・（７′） （Ｖｒ＋Ｖｒ′）／２＝（Ｃ² ／２Ｌ）・｛（Ｔｒ′／ｎ）−（Ｔｒ／ｎ）｝ ・・・（８′） そして、流量を求めるには、（７′）式又は（８′）式
で求めた平均流速に流管の断面積（流れの断面積）Ｓを
乗じていた。また、積算流量は流量を時間で積分するこ
とで演算していた。

【００４０】平均流速を求める計算を、図８に従っても
う少し具体的に説明する。なお、計算式は音速Ｃの影響
のない時間逆数差法の（７′）式を用いる。１）．測定
値Ｔ₁ とＴ′から平均流速（Ｖ₁ ＋Ｖ₁ ′）／２を演算
する。

【００４１】（Ｖ₁ ＋Ｖ₁ ′）／２＝（Ｌ／２）・｛ｎ
／Ｔ₁ ）−（ｎ／Ｔ₁ ′）｝ ２）．測定値Ｔ₂ とＴ₂ ′から平均流速（Ｖ₂ ＋
Ｖ₂ ′）／２を演算する。 （Ｖ₂ ＋Ｖ₂ ′）／２＝（Ｌ／２）・｛ｎ／Ｔ₂ ）−
（ｎ／Ｔ₂ ′）｝ ３）．測定値Ｔ₃ とＴ₃ ′から平均流速（Ｖ₃ ＋
Ｖ₃ ′）／２を演算する。

【００４２】（Ｖ₃ ＋Ｖ₃ ′）／２＝（Ｌ／２）・
｛（ｎ／Ｔ₃ ）−（ｎ／Ｔ₃ ′）｝ 上述のように、順方向測定値Ｔｒとその次の逆方向測定
値Ｔｒ′との組み合わせによって、平均流速（Ｖｒ＋Ｖ
ｒ′）／２を求めていた。

【００４３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術では、
図９に示すように流速Ｖが時間ｔにつれて変化する場合
の積算流量の値を求めるときに大きな誤差を生じる。

【００４４】図９では、流速Ｖは時間ｔの１次関数 Ｖ＝ａｔ で表されると仮定している。ａは比例定数である。

【００４５】Ｖ＝ａｔで表される直線上に×印を付けた
ところが、順方向又は逆方向の測定値Ｔｒ又はＴｒ′を
測定している点（以下測定点と言う）で、一定時間（単
位時間）Ｔの間に、ロ，ハ，ニ，ホの４回の測定を行っ
ている。

【００４６】測定点イ，ハ，ホは何れも順方向測定を、
測定点ロ，ニ，ヘは何れも逆方向測定を行う点である。
測定点イとロの経過時間の中央ｔ＝（Ｔ／２Ｍ）から、
測定点ホとヘの経過時間の中央ｔ＝Ｔ＋（Ｔ／２Ｍ）ま
での積算流量の真の値は右上がりの傾斜した平行線でハ
ッチングした部分（つまり、ほぼ直角３角形の部分）の
面積に流管の断面積Ｓを乗じた（９）式となる。

【００４７】 積算流量の真値＝（ａＴ² ／２）・｛１＋（１／Ｍ）｝・Ｓ・・・（９） そして、前記従来の技術での測定点イとロの平均流速、
測定点ハとニの平均流速及び測定点ホとヘの平均流速か
ら演算して得られる積算流量は図９で上下方向の平行線
でハッチングした部分の面積に流管の断面積Ｓを乗じた
（１０）式となる。

【００４８】 積算流量の測定値＝（ａＴ² ／２）・｛（３／２）＋（１／Ｍ）｝・Ｓ ・・・（１０） 従って測定誤差Δは、 Δ＝（ａＴ² ／４）・Ｓ となり、ごくおおざっぱな表現で＋５０％程度の大きな
ものとなる。

【００４９】なお、Ｔ／Ｍは順方向の測定点イ，ハ，ホ
と、対応する逆方向の測定点ロ，ニ，ヘとのそれぞれの
時間間隔（測定間隔）である（図９参照）。このよう
に、前記従来技術では、流速が時間的に変化するときに
大きな測定誤差を生じるという第１の問題点があった。

【００５０】また、第１送信指令信号と第２のカウンタ
１１の基準クロックとが同期しているために生じる第２
の問題点があった。この第２の問題点を図１０に従って
以下に説明する。

【００５１】流速が比較的一定しているときには、順方
向の測定時間Ｔｒと逆方向の測定時間Ｔｒ′も時間的に
変化しない。そこで、例えば順方向の測定時間Ｔｒが基
準クロックの周期即ち分解能（分解時間とも言う）ｔｃ
のＮ倍強の数値、 Ｔｒ＝Ｎｔｃ＋α であったとする。但しＮは整数で、またｔｃ＞αであ
る。

【００５２】すると、図１０に示すように、第２のカウ
ンタ１１のカウント値はＮとなり、いわゆる量子化誤差
（カウント誤差とも言う）αが残るという第２の問題点
があった。

【００５３】そこで、本発明はこれらの問題点を解消で
きる超音波流量計を提供することを目的とする。

【００５４】

【課題を解決するための手段】前記第１の問題点を解消
するために、請求項１の発明は、流管（３）の上流と下
流に離れて配設され、かつ送信側と受信側に切替可能の
一対の超音波送受波器（１）（２）を有し、順方向に一
定の複数（ｎ）回連続して超音波の送・受信を繰り返す
と共に送受波器（１）（２）を切り替えて逆方向に一定
の複数（ｎ）回連続して超音波の送・受信を繰り返し
て、順方向における第１回の送信から一定の複数（ｎ）
回目の受信までの時間（Ｔ_r ）と、逆方向における第１
回の送信から一定の複数（ｎ）回目の受信までの時間
（Ｔ_r ′）とを求める順方向測定と逆方向測定の組み合
せを、第１組，第２組，第３組，…，と順に行い、各測
定時間（Ｔ_r ）（Ｔ_r ′）に基づいて積算流量を求める
超音波流量計において、第１組の順方向測定時間
（Ｔ₁ ）と逆方向時間（Ｔ₁ ′）に基づく平均流速
｛（Ｖ₁ ＋Ｖ₁ ′）／２｝、第１組の逆方向測定時間
（Ｔ₁ ′）と第２組の順方向測定時間（Ｔ₂ ）に基づく
平均流速｛（Ｖ₁ ′＋Ｖ₂ ）／２｝、第２組の順方向測
定時間（Ｔ₂ ）と第２組の逆方向測定時間（Ｔ₂ ′）に
基づく平均流速｛（Ｖ ₂ ＋Ｖ₂ ′）／２｝、第２組の逆
方向測定時間（Ｔ₂ ′）と第３組の順方向時間（Ｔ₃ ）
に基づく平均流速｛（Ｖ₂ ′＋Ｖ₃ ）／２｝、…を順次
演算し、こうして求めた平均流速を介して積算流量を演
算することを特徴とする超音波流量計である。

【００５５】請求項２の発明は、流管（３）の上流と下
流に離れて配設され、流体の流れの中を流れと同方向あ
るいは斜め方向に超音波の送受信をする送信側としても
受信側としても働く１対の超音波送受波器（１）（２）
と、コントロール部からの送受切替信号が順方向を指示
する時は上流側の送受波器（１）を送波器駆動部（８）
と接続すると共に下流側の送受波器（２）を受信波検知
部（９）と接続し、送受切替信号が逆方向を指示する時
は下流側の送受波器（２）を送波器駆動部（８）と接続
すると共に上流側の送受波器（１）を受信波検知部
（９）に接続する切替部（４）と、受信側の送受波器
（２又は１）が接続され、受信波を検知する受信波検知
部（９）と、コントロール部からの第１送信指令信号を
入力した時に送信側の送受波器（１又は２）を駆動し、
その後は受信波検知部（９）からの受信波検知信号毎に
第ｎ受信波検知信号が入力されるまで駆動を行う送波器
駆動部（８）と、受信波検知部（９）からの受信波検知
信号を受け、ｎ番目の受信波検知信号を検知して第ｎ受
信波検知信号を出力する第１のカウンタ（１０）と、順
方向測定時と逆方向測定時毎に第１送信指令信号から第
ｎ受信波検知信号までの時間（Ｔ₁ ，Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，Ｔ
₂ ′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′，…）を測定する第２のカウンタ
（１１）と、送受切替信号を順方向と逆方向に交互に切
り替えながらその都度第１送信指令信号を出力し、第ｎ
受信波検知信号を受けると第２のカウンタ（１１）のカ
ウント値である時間測定値を読み取って流速、流量、積
算流量等の演算を行うコントロール部を有する超音波流
量計において、隣り合う順方向測定と逆方向測定との時
間間隔を一定間隔に定めると共に、測定した第１組の順
方向測定時間（Ｔ₁ ）と逆方向測定時間（Ｔ₁ ′）、そ
して次に前回使用した第１組の逆方向測定時間
（Ｔ₁ ′）と第２組の順方向測定時間（Ｔ₂ ）、そして
次に前回使った第２組の順方向測定時間（Ｔ₂ ）と第２
組の逆方向測定時間（Ｔ₂ ′）、…を使用して順次平均
流速｛（Ｖ₁ ＋Ｖ₁ ′）／２｝｛（Ｖ₁ ′＋Ｖ₂ ）／
２｝｛（Ｖ₂ ＋Ｖ₂ ′）／２｝をコントロール部（７
Ａ）で演算することを特徴とする超音波流量計である。

【００５６】そして、前記第１と第２の問題点を解消す
るために、請求項３の発明は、請求項２の超音波流量計
において、第２のカウンタ（１１）で時間（Ｔ₁ ，
Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，Ｔ₂ ′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′，…）を測定する
ための基準クロックと第１送信指令信号とを非同期とし
たことを特徴とするものである。

【００５７】

【発明の実施の形態】以下図１〜図４に従って本発明の
好ましい実施の形態を説明する。図１のブロック図は、
主としてコントロール部７Ａを除く他の部分については
先に説明した図６の従来技術と同じであるので、重複す
る部分の説明は省略して、主として異なる部分について
説明する。

【００５８】コントロール部７Ａはマイクロコンピュー
タで構成されていて、送受切替信号を一定の時間間隔で
順方向測定と逆方向測定とに切り替えながら、この切替
に同期して第１送信指令信号Ｐ₁ ，Ｐ₁ ′，Ｐ₂ ，
Ｐ₃ ′，…を順に出力する。

【００５９】順方向測定と逆方向測定の時間間隔は図３
に示すように等間隔Ｔ／４である。なおＴは図９の従来
技術におけるＴと同じ一定時間（単位時間）に定めてあ
る。そのため、この一定の単位時間当りの測定回数は図
３の符号ロ，ハ，ニ，ホで示す４回であって、この単位
時間当りの測定回数は図９の従来技術と同じである。

【００６０】そして、この図３においても、符号イ，
ハ，ホを付けた×印のところは順方向測定時期を、符号
ロ，ニ，ヘを付けた×印のところは逆方向測定時期を示
している。イは第１組の順方向測定、ロは第１組の逆方
向測定、同様にハとニは第２組の順方向と逆方向測定、
ホとヘは第３組の順方向と逆方向測定の各時期を示して
いる。

【００６１】これの順方向や逆方向の測定時期を、図２
にも対応するところに符号イ〜ヘを付けて示す。符号イ
で示す順方向測定時では、Ｐ₁ からＱ₁ までの時間を測
定して測定値Ｔ₁ を得ている。また符号ロで示す逆方向
測定時では、Ｐ₁ ′からＱ₁′までの時間を測定して測
定値Ｔ₁ ′を得ている。このイ，ロがそれぞれ第１組の
順方向測定と逆方向測定である。

【００６２】同様に第２組の順方向と逆方向の測定はそ
れぞれハとニで行われ、測定値Ｔ₂，Ｔ₂ ′を得てい
る。そして第３組の順方向と逆方向の測定はそれぞれホ
とヘで行われ、測定値Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′を得ている。

【００６３】こうして得た第１組の順方向測定時間Ｔ₁
と逆方向測定時間Ｔ₁ ′とから前記（７′）式又は
（８′）式を用いて、コントロール部７Ａで平均流速
（Ｖ₁ ＋Ｖ ₁ ′）／２を演算する。そして、この平均流
速に流管の断面積Ｓを乗ずると流量が求められる。さら
に経過時間を掛けることで体積が求まる。

【００６４】次に前回に用いた第１組の逆方向測定時間
Ｔ₁ ′と第２組の順方向測定時間Ｔ ₂ とから、同様にし
て平均流速（Ｖ₁ ′＋Ｖ₂ ）／２や流量、体積を求め
る。このような手順を順に繰り返して積算流量を求め
る。

【００６５】こうした手順で求めたロからホまでの積算
流量を図３で上下方向の平行線のハッチングで示す。こ
の積算流量は時間ｔ＝Ｔ／４からｔ＝Ｔまでの三つの長
方形の面積の合計に流管の断面積Ｓ′を乗じた（１１）
式となる。

【００６６】 積算流量の測定値＝（１５／３２）ａＴ² Ｓ ・・・（１１） また、この間の真の積算流量は、図３の傾斜した平行線
でハッチングした台形の面積に流管の断面積Ｓ′を乗じ
たもので、次の（１２）式で表される。

【００６７】 真の積算流量＝（１５／３２）ａＴ² Ｓ ・・・（１２） 従って測定誤差は零となる。また、第２のカウンタ（１
１）の基準クロックが第１送信指令信号と同期しないで
非同期となっているため、流速が変化しないでほぼ一定
のときに、何回も測定を繰り返した場合、同一方向、例
えば順方向の測定時間の真値がＮｔｃ＋αであったとす
ると、何回かの順方向時間の真値Ｎｔｃ＋αの間の第２
のカウンタ１１によるカウント値（測定時間）は、第１
送信指令信号と基準クロックとのタイミングの違いによ
って異なる値をとったり、同じ値となったりする。

【００６８】図４に、第１送信指令信号Ｐｒと基準クロ
ックの位相のずれのいくつかの場合を示す。同図ＡとＣ
の場合には第２のカウンタ１１のカウント値（測定時
間）はＮとなり、何回も測定を行った場合にカウント値
がＮになる確率は１−（α／ｔｃ）で、同図Ｂのように
カウント値がＮ＋１になる確率はα／ｔｃである。

【００６９】従って多数回測定して平均した値は、カウ
ント値を時間に換算して表すと、 Ｎｔｃ｛１−（α／ｔｃ）｝＋（Ｎ＋１）ｔｃ（α／ｔ
ｃ）＝Ｎｔｃ＋α となって、図３に示す真値Ｎｔｃ＋αと同じになり、い
わゆる量子化誤差αが表に出てこなくなって誤差がなく
なる。

【００７０】従って、長時間に亘って積算流量を演算す
れば、量子化誤差αに起因する誤差をなくすことができ
る。一般的に言って、この種の超音波流量計では、測定
誤差を軽減して流量計の精度を上げるには、第２のカウ
ンタ１１の分解能（分解時間）を向上するようにその基
準クロックの周波数を高くするとか、単位時間当りの測
定回数を多くする等の方法が手っ取り早い解決手段であ
るが、このような方法では、基準クロック発振器やカウ
ンタの消費電流が増大するという難点があったが、本発
明では、基準クロックの周波数や単位時間当りの測定回
数を変えないで流量計の精度向上が実現できる。

【００７１】

【発明の効果】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、流量が時間の経過につれて変化する
場合でも、積算流量の誤差をなくすことができ、流量計
の精度が向上する。

【００７２】また、請求項３の発明では、さらに加え
て、第２のカウンタ（１１）の基準クロックの分解時間
（分解能）に伴う量子化誤差の積算流量への悪影響を低
減でき、その面からも流量計の精度を上げることができ
る。

【００７３】しかも、このような流量計の精度向上を消
費電力の増大を伴うことなく実現できるという効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のブロック図である。

【図２】図１の実施の形態の作図を説明するタイミング
図である。

【図３】図１の実施の形態で、流速が時間的に変化する
場合の積算流量の誤差を説明する図である。

【図４】図１の実施の形態で基準クロックの位相による
カウント誤差を説明するタイミング図である。

【図５】超音波流量計の原理を説明する略図である。

【図６】従来技術のブロック図である。

【図７】従来技術のタイミング図である。

【図８】同じく従来技術のタイミング図である。

【図９】従来技術において、流速が時間的に変化する場
合の積算流量の誤差を説明する図である。

【図１０】図６の従来技術における基準クロックに起因
するカウント誤差を説明する図である。

【符号の説明】

１，２ 送受波器 ３ 流管 ４ 切替部 ７Ａ コントロール部 ８ 送波器駆動部 ９ 受信波検知部 １０ 第１のカウンタ １１ 第２のカウンタ Ｔ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ ，Ｔｒ 順方向測定時間 Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ′，Ｔ₃ ′，Ｔｒ′ 逆方向測定時間 Ｖ₁ ，Ｖ₂ ，Ｖ₃ 順方向測定時の流
速 Ｖ₁ ′，Ｖ₂ ′，Ｖ₃ ′ 逆方向測定時の流
速 （Ｖ₁ ＋Ｖ₁ ′）／２，（Ｖ₁ ′＋Ｖ₂ ）／２，（Ｖ₂
＋Ｖ₂ ′）／２，（Ｖ₂ ′＋Ｖ₃ ）／２
平均流速

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流管（３）の上流と下流に離れて配設さ
   れ、かつ送信側と受信側に切替可能の一対の超音波送受
   波器（１）（２）を有し、順方向に一定の複数（ｎ）回
   連続して超音波の送・受信を繰り返すと共に送受波器
   （１）（２）を切り替えて逆方向に一定の複数（ｎ）回
   連続して超音波の送・受信を繰り返して、順方向におけ
   る第１回の送信から一定の複数（ｎ）回目の受信までの
   時間（Ｔ _r ）と、逆方向における第１回の送信から一定
   の複数（ｎ）回目の受信までの時間（Ｔ_r ′）とを求め
   る順方向測定と逆方向測定の組み合せを、第１組，第２
   組，第３組，…，と順に行い、各測定時間（Ｔ_r ）（Ｔ
   _r ′）に基づいて積算流量を求める超音波流量計におい
   て、 第１組の順方向測定時間（Ｔ₁ ）と逆方向時間
   （Ｔ₁ ′）に基づく平均流速｛（Ｖ₁ ＋Ｖ₁ ′）／
   ２｝、第１組の逆方向測定時間（Ｔ₁ ′）と第２組の順
   方向測定時間（Ｔ₂ ）に基づく平均流速｛（Ｖ₁ ′＋Ｖ
   ₂ ）／２｝、第２組の順方向測定時間（Ｔ₂ ）と第２組
   の逆方向測定時間（Ｔ₂ ′）に基づく平均流速｛（Ｖ ₂
   ＋Ｖ₂ ′）／２｝、第２組の逆方向測定時間（Ｔ₂ ′）
   と第３組の順方向時間（Ｔ₃ ）に基づく平均流速｛（Ｖ
   ₂ ′＋Ｖ₃ ）／２｝、…を順次演算し、こうして求めた
   平均流速を介して積算流量を演算することを特徴とする
   超音波流量計。
2. 【請求項２】 流管（３）の上流と下流に離れて配設さ
   れ、流体の流れの中を流れと同方向あるいは斜め方向に
   超音波の送受信をする送信側としても受信側としても働
   く１対の超音波送受波器（１）（２）と、 コントロール部からの送受切替信号が順方向を指示する
   時は上流側の送受波器（１）を送波器駆動部（８）と接
   続すると共に下流側の送受波器（２）を受信波検知部
   （９）と接続し、送受切替信号が逆方向を指示する時は
   下流側の送受波器（２）を送波器駆動部（８）と接続す
   ると共に上流側の送受波器（１）を受信波検知部（９）
   に接続する切替部（４）と、 受信側の送受波器（２又は１）が接続され、受信波を検
   知する受信波検知部（９）と、 コントロール部からの第１送信指令信号を入力した時に
   送信側の送受波器（１又は２）を駆動し、その後は受信
   波検知部（９）からの受信波検知信号毎に第ｎ受信波検
   知信号が入力されるまで駆動を行う送波器駆動部（８）
   と、 受信波検知部（９）からの受信波検知信号を受け、ｎ番
   目の受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号を出
   力する第１のカウンタ（１０）と、 順方向測定時と逆方向測定時毎に第１送信指令信号から
   第ｎ受信波検知信号までの時間（Ｔ₁ ，Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，
   Ｔ₂ ′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′，…）を測定する第２のカウンタ
   （１１）と、 送受切替信号を順方向と逆方向に交互に切り替えながら
   その都度第１送信指令信号を出力し、第ｎ受信波検知信
   号を受けると第２のカウンタ（１１）のカウント値であ
   る時間測定値を読み取って流速、流量、積算流量等の演
   算を行うコントロール部を有する超音波流量計におい
   て、 隣り合う順方向測定と逆方向測定との時間間隔を一定間
   隔に定めると共に、測定した第１組の順方向測定時間
   （Ｔ₁ ）と逆方向測定時間（Ｔ₁ ′）、そして次に前回
   使用した第１組の逆方向測定時間（Ｔ₁ ′）と第２組の
   順方向測定時間（Ｔ₂ ）、そして次に前回使った第２組
   の順方向測定時間（Ｔ₂ ）と第２組の逆方向測定時間
   （Ｔ₂ ′）、…を使用して順次平均流速｛（Ｖ₁ ＋
   Ｖ₁ ′）／２｝｛（Ｖ₁ ′＋Ｖ₂ ）／２｝｛（Ｖ₂ ＋Ｖ
   ₂ ′）／２｝をコントロール部（７Ａ）で演算すること
   を特徴とする超音波流量計。
3. 【請求項３】 第２のカウンタ（１１）で時間（Ｔ₁ ，
   Ｔ₁ ′，Ｔ₂ ，Ｔ₂′，Ｔ₃ ，Ｔ₃ ′，…）を測定する
   ための基準クロックと第１送信指令信号とを非同期とし
   たことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。