流体の流れ計測装置
【課題】脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い計測装置を提供する。
【解決手段】第１振動子２と第２振動子間３の送受信の方向を切り替えて超音波伝搬時間を計測する手順を単位計測工程と定め、単位計測工程で実行される双方向の伝搬時間を計時手段１２で求める。更に、計時手段１２で求めた双方向の伝搬時間差を時間差検出手段１６で求め、その変動量を変動量検出手段１７で求めている。そして、この変動量に従って、単位計測工程の実行回数を定めている。したがって、リアルタイムの状況判定が可能となり、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性を高めることができる。
【解決手段】第１振動子２と第２振動子間３の送受信の方向を切り替えて超音波伝搬時間を計測する手順を単位計測工程と定め、単位計測工程で実行される双方向の伝搬時間を計時手段１２で求める。更に、計時手段１２で求めた双方向の伝搬時間差を時間差検出手段１６で求め、その変動量を変動量検出手段１７で求めている。そして、この変動量に従って、単位計測工程の実行回数を定めている。したがって、リアルタイムの状況判定が可能となり、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより流体の流速および／または流量を計測する流れの計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の流量計においては、一対の振動子間の送受信を複数回繰り返すことにより、計測分解能を高めるシングアラウンド法という手法を用いたものが提案されている。この種の計測装置を家庭用のガスメータに適用した例を図７を用いて説明する。
【０００３】
流体管路４１の途中で、しかも上、下流側には、一対の超音波送受信用の第１，第２振動子４２，４３が斜めに対向するごとく配置されていて、超音波が流体を流れを斜めに横切るように伝搬するように設定されている。
【０００４】
また、前記超音波の伝搬時間を計測する計測部４４と、この計測部４４を制御する制御部４５と、前記計測部４４の計測結果を基に流体の流速および／または流量を演算する演算部４６とが設けてある。
【０００５】
今、音速をＣ、流速をｖ、の振動子間の距離をＬ、超音波の伝搬方向と流れの方向とがなす角度をθとし、上流側に配置された振動子４２から超音波を送信し、下流側に配置された振動子４３にで受信した場合の伝搬時間をｔ１、逆方向の伝搬時間をｔ２とした場合、ｔ１およびｔ２は次式で求めることができる。
【０００６】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （式１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （式２）
（式１）および（式２）を変形し、（式３）で流速ｖが求まる。
【０００７】
ｖ＝Ｌ・（１／ｔ１−１／ｔ２）／２ｃｏｓθ （式３）
必要に応じて、（式３）で求めた値に流体管路の断面積を掛ければ流体の流量を求めることができる。
【０００８】
ところで、（式３）において、括弧内の項は下記のように変形できる。
【０００９】
（ｔ２−ｔ１）／ｔ１ｔ２ （式４）
ここで、（式４）の分母の項は流速の変化に関わらずほぼ一定の値となるが、分子の項は流速とほぼ比例した値となる。
【００１０】
したがって、二つの伝搬時間の差を精度よく計測する必要がある。そのため、流速が遅くなるほど、微小な時間差を求める必要があり、単発現象として計測するには計測部４４は、例えば、ｎｓオーダーの非常に小さな時間分解能を有する必要がある。
【００１１】
これだけの時間分解能を実現するのは難しく、仮に実現できたとしても時間分解能を上げることによる消費電力の増大を招くこととなる。そのため、超音波の送信を何回も繰り返し実行し、その一連の繰り返し計測の所要時間を計測部４４で計測する。そして、その平均値を求めることにより必要な時間分解能を実現している。
【００１２】
すなわち、計測部４４の時間分解能をＴＡ、繰り返し回数をＭとすれば、この繰り返し計測の間、計測部４４を連続して動作させることにより、伝搬時間の計測分解能はＴＡ／
Ｍとすることができる。
【００１３】
この種の計測装置は、流体流路内の圧力が安定している時には精度の高い計測が実現できるが、例えば、一般家庭にエネルギー源として供給されるガス流量を計測するガスメータに適用した場合には、脈動現象と呼ばれる固有の課題に直面する。
【００１４】
これは、例えばＧＨＰと呼ばれるガスエンジンを利用した空調機のように、ガスエンジンの回転に同期して周辺のガス供給配管内の圧力に変動を及ぼす現象である。
【００１５】
この脈動が発生した場合、ガス器具を使用していない場合であっても、圧力の変動に同期してガスが配管内を移動し、その動きに影響されて、あたかもガスが流れているかの如き計測値が検出されてしまう。
【００１６】
この現象による影響を抑える方法として、繰り返し計測回数Ｍを計測精度が維持できる最低限の回数に抑えた上で、計測間隔を短くし、小刻みに比較的長時間連続して実行して連続して計測した結果を用いて流量演算を行うというものがある。
【００１７】
特に、計測間隔を圧力変動周期よりも充分短い間隔で行うことで、流速変動波形の位相状態を満遍なく捉えることができるようになり、それらを平均化することで、変動成分を取り除いた真の流速（流量）を検出する効果を狙っている（例えば、特許文献１参照）。
【００１８】
しかし、このような計測方法常時続けることは消費電力の点では得策ではない。
【００１９】
そこで、不要な消費電力を小さくするために、検出した流速の変動量に応じて、計測回数を制御する、すなわち、流量変動が小さく脈動がないと判断できる状況下においては計測回数を小さく、流量変動が大きく脈動があると判断される状況下においては、計測回数を大きくするというものである（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００２−３５０２０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、前記従来の構成では、複数回の流量計測値の変動値をもとに変動を検知するため、応答遅れが生じ、その結果、圧力変動起動時には、変動の影響を受けて誤計測の原因となったり、変動停止時には、不要な電力消費を招くなどの課題があった。
【００２２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い流体の流れ計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ流量計測装置は、流体流路に設けられ、超音波信号を発信、受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記両振動子の送受信方向を切り替えながら前記計時手段により順、逆双方向の超音波信号の伝搬時間を計測する単位計測工程を定められた間隔で複数回連続して実行し、前記実行回数分の伝搬時間を基に流速および／または流量を演算する演算手段と、前記１単位計測工程毎の順逆両方向の伝搬時間差を
求める時間差検出手段と、前記時間差検出手段で求めた相前後する二つの時間差の変動量を求める変動量検出手段と、前記変動量検出手段の値から流体流路内の圧力脈動の有無を判定する脈動検知手段と、前記脈動検知手段の判定結果を元に単位計測工程の実行回数を制御する計測制御手段とを備えたもので、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い流体の流れ計測装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の流量計測装置は、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置のブロック図
【図２】同装置の動作を説明するタイムチャート
【図３】同装置における計時手段の構成図
【図４】同装置における計時手段の動作を説明するタイムチャート
【図５】同装置における計時手段の動作を説明するタイムチャート
【図６】同装置における計時手段の動作を説明するタイムチャート
【図７】従来の流体の流れ計測装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
第１の発明は、流体流路に設けられ、超音波信号を発信、受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記両振動子の送受信方向を切り替えながら前記計時手段により順、逆双方向の超音波信号の伝搬時間を計測する単位計測工程を定められた間隔で複数回連続して実行し、前記実行回数分の伝搬時間を基に流速を演算する流速演算手段と、前記１単位計測工程毎の順逆両方向の伝搬時間差を求める時間差検出手段と、前記時間差検出手段で求めた相前後する二つの時間差の変動量を求める変動量検出手段と、前記変動量検出手段の値から流体流路内の圧力脈動の有無を判定する脈動検知手段と、前記脈動検知手段の判定結果を元に単位計測工程の実行回数を制御する計測制御手段とを備え構成としているもので、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い流体の流れ計測装置を提供できる。
【００２７】
第２の発明は、特に、第１の発明において、脈動検知手段を、変動量検出手段の出力と予め定めた閾値とを比較し、閾値より大の場合に脈動あり、閾値より小の場合には脈動なしと判定する構成としているので、複雑な演算を施すことなく脈動の有無を判定することが可能である。
【００２８】
第３の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動なしと判定した場合には、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を低減するように制御する構成としているので、脈動がない安定した使用条件では消費電力の低減が可能である。
【００２９】
第４の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動なしと判定した場合には、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最小値で打ち切る構成としているので、脈動がない安定した使用条件では消費電力の低減が可能である。
【００３０】
第５の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動ありと判定した場合には、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を増加するように制御する構成としているので、脈動がある条件では、脈動の影響を低減することが可能である。
【００３１】
第６の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動ありと判定した場合に
は、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最大値とする構成としているので、脈動がある条件では、脈動の影響を低減することが可能である。
【００３２】
第７の発明は、特に、第１から第６のいずれかの発明において、計時手段は基準クロックと前記クロックに基づいて計数を行うカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は、前記カウンタ回路の計数値を用いた減算回路により構成し、単位計測工程から脈動判定までの過程における乗除算を不要とした構成としているので、減算回路を動作させるだけの簡単な演算手法で脈動有無が判定できるので、消費電力が小さくかつ素早い判定が可能である。
【００３３】
第８の発明は、特に、第７の発明の計時手段において、周波数の異なる少なくとも２つ以上の基準クロックとカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は各カウンタ回路毎の時間差を算出し、脈動検知手段は、時間差検出手段で求められた全てのカウンタの計数差の組み合わせから脈動の有無を判定する構成としているので計測分解能を損なうことなく、素早い判定が可能である。
【００３４】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、以下述べる実施の形態が本発明を限定するものではない。
【００３５】
（実施の形態１）
図１において、流体流路１の途中で、しかも流れ方向上下流側に超音波信号送受信用の第１，第２振動子２，３が斜めに対向して配置され、流体中を超音波信号が斜めに伝搬して横切るようにしてある。
【００３６】
送信手段４は、例えば第１振動子２へ駆動信号を出力し、その結果、第１振動子２から出力された超音波信号を第２振動子が受信し、その受信信号が受信手段５で信号処理される。
【００３７】
切換手段６は第１振動子２と第２振動子３の送受信の役割を切り換えを行う。
【００３８】
計測制御手段７は、二つの振動子間で実行される送受信の動作全般を制御し、トリガ手段８、繰り返し手段９、遅延手段１０、計測工程制御手段１１とで構成されている。
【００３９】
先ず、トリガ手段８により計測開始のトリガ出力がなされると、切換手段６が第１振動子２と送信手段４、第２振動子３と受信手段５を接続して、第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とする計測が開始される。以降の説明のため、これを流れの順方向の計測と称する。
【００４０】
送信手段４から駆動信号が出力されると、第１振動子２から超音波信号が出力され、これが第２振動子３に到達すると受信手段５で受信処理を行う。
【００４１】
一旦、受信処理が行われると、繰り返し手段９の作用により、所定のシングアラウンド回数だけ、流れの順方向の計測が繰り返し実行される。本実施の形態ではシングアラウンド回数を４回とするが、これに限られるものではない。
【００４２】
４回の繰り返しが完了すると、遅延手段１０から所定の遅延時間が発生された後、トリガ手段８が切換手段６に対して送受信の切換信号を出力し、今度は、第２振動子３と送信手段４、第１振動子２と受信手段５が各々接続され、第２振動子３を送信側、第１振動子２を受信側とする計測が開始される。以降の説明のため、これを流れの逆方向の計測と称する。また、この時、トリガ手段８から計測開始のトリガ信号が出力される。
【００４３】
送受信の役割が切り換った、逆方向の計測においても、４回の繰り返し計測が実行される。以上のように、流れの順方向の計測（４回のシングアラウンド計測）と、逆方向の計測（４回のシングアラウンド）を交互に１回行う一連の動作を単位計測工程と称する。
【００４４】
最初に実行される単位計測工程を第１計測工程とすると、これが完了すると、遅延手段１０から遅延信号が出力されて、第１計測工程同様の動作が繰り返される。これを第２計測工程とする。計測工程制御手段１１によって、規定の回数の計測工程が実行された後、流量演算が実行される。
【００４５】
計時手段１２は、トリガ手段８のトリガ信号出力タイミングからシングアラウンド終了までの時間を計測し、第１加算手段１３は、各単位計測工程の順方向の計測における計時手段１２の計測値を積算し、第２加算手段１４は、各計測工程の逆方向の計測における計時手段１２の計測値を積算する。
【００４６】
そして、定められたＮ回の単位計測工程の動作が完了すると、演算手段１５が第１加算手段１３および第２加算手段１４の出力値を用いて流速を算出し、必要に応じてこれに流体流路１の断面積および係数を乗じて流量を演算する。
【００４７】
一方、時間差検出手段１６は、１単位計測工程が完了する毎に順方向の計測における計時手段１２の計測値と、逆方向の計測における計時手段１２の計測値の差を求める。
【００４８】
変動量検出手段１７は時間差検出手段１６で求めた相前後する２回の計測工程の時間差の変動量を求め、脈動検出手段１８では、変動量検出手段１７の出力を判定閾値と比較して脈動の有無を判定し、判定結果を計測工程制御手段１１に出力する。
【００４９】
計測工程制御手段１１は、脈動検出手段１８の判定結果に応じて、単位計測工程を何回実行して流速、および／または流量を求めるかを設定する。
【００５０】
次に、図２を用いて先に説明した各部の動作の流れを説明する。図２は第１計測工程で流れの順方向の計測開始を示すトリガ手段８の出力タイミングを原点として横軸が原点からの経過時間、縦軸が各部の動作を示している。
【００５１】
先ず、時間ｔ１で、計時手段１２で計測された第１計測工程の順方向の計測値Ｔｄ１が、時間差検出手段１６に出力されると同時にＴｄ１が第１加算手段１３に加算される。
【００５２】
その後、所定の遅延時間Ｔｉｎｔ経過した時間ｔ２から流れの逆方向の計測が開始され、時間ｔ３で、計時手段１２で計測された第１計測工程の逆方向の計測値Ｔｕ１が時間差検出手段１６に出力される。
【００５３】
ここで、時間差検出手段１６はふたつの計測値Ｔｄ１とＴｕ１の差、Ｔｄｅｆ１を（式５）を使って求める。
【００５４】
Ｔｄｅｆ１＝Ｔｕ１−Ｔｄ１ （式５）
また、それと同時にＴｕ１が第２加算手段１４に加算される。
【００５５】
以下、同様に第２計測工程以降においても、順方向、逆方向の計測が終わる毎に第１加算手段１３と第２加算手段１４で交互に加算処理が実行され、逆方向の計測が終わると時間差検出手段１６で減算処理が実行されることになる。
【００５６】
したがって、時間ｔ５で、第２計測工程の順方向の計測値Ｔｄ２が、時間ｔ７で、第２計測工程の逆方向の計測値Ｔｕ２が時間差検出手段１６に出力される。
【００５７】
そして、時間差検出手段１６で両者の差、Ｔｄｅｆ２が求められる。その後、変動量検出手段１７がＴｄｅｆ１とＴｄｅｆ２の変動量Δ１を（式６）を使って求める。
【００５８】
Δ１＝Ｔｄｅｆ２―Ｔｄｅｆ１ （式６）
ここで、流路内の圧力に変動がなくかつ流速に変化がないとすれば、Ｔｄ１とＴｄ２はほぼ同じ値を示し、Ｔｕ１とＴｕ２もほぼ同じ値を示す。したがって、Ｔｄｅｆ１およびＴｄｅｆ２もほぼ等しいので、Δ１はほぼ０と考えられる。
【００５９】
逆に圧力変動が発生している場合には、その圧力の変動と同期して流速変動が発生する。この場合、Ｔｄ１とＴｄ２の値は同じ値とならず、同様にＴｕ１とＴｕ２の値同じ値とはならないと考えられる。
【００６０】
したがって、Ｔｄｅｆ１とＴｄｅｆ２も違う値を示すものと考えられるので、Δ１は０にはならず、特に、圧力変動が激しければ、より大きな値が発生すると考えられる。
【００６１】
したがって、脈動検出手段１８では、単位計測工程が終了する毎に、変動量検出手段１７から出力される時間差検出手段１６の出力の変動量と予め定めた閾値とを比較して、閾値より小さければ脈動なし、閾値より大きければ脈動ありと判定する。
【００６２】
なお、１回の比較判定のみで脈動の有無を判定するよりも複数回の結果を元に連続して数回以上、脈動なしと判定するというように多数回一致の考えを用いれば、より判定の信頼性が上がることはいうまでもないが、本実施の形態の主旨は変動量の大小で脈動の有無を判定することにあるので、この主旨に反しない限りの同種の判定方法でも構わない。
【００６３】
本実施の形態においては５回連続して脈動なしと判定が続いた場合、すなわち６回続けて時間差検出手段１６の出力が安定していれば、脈動がないものとしてそれ以降の計測工程を打ち切り、流量演算手段１５で流量演算を行うものとする。
【００６４】
逆に５回連続して脈動なしの判定が続かない場合には、５回連続して脈動なしと判定されるまで以降の計測工程を延長して行い、予め定めた最大の計測工程分だけ計測を継続して行うものとする。
【００６５】
脈動がある場合には計測工程の実行回数が増えるので圧力変動に伴う流速変動があっても、変動分がある程度平均化されるため、より真値に近い値が得られる。
【００６６】
したがって、脈動が継続して発生している場合でも予め定めておいた単位計測工程の実行回数の最大値で計測を打ち切ったとしても、変動分の影響が低減されている。
【００６７】
次に、計時手段１２の構成について、図３および図４を用いて説明する。
【００６８】
計時手段１２は、クロック信号（ａ）を生成する発振回路１９、この発振回路１９から出力されるクロック信号の供給／停止を切り換えるＡＮＤ回路で構成されたゲート回路２０、このゲート回路２０を介して出力される基準クロック（ｂ）をカウントするカウンタ回路２１、このカウンタ回路２１の計数値を適当なタイミングで読み出すラッチ回路２２とで構成されている。
【００６９】
また、（ａ）〜（ｄ）は計時手段１２と各構成要素の間を伝送されるデジタル信号を示
している。
【００７０】
トリガ手段８から計測開始のトリガ信号が出力されると、信号（ｂ）が“Ｌ”となり、カウンタ回路２１がクリアされる。
【００７１】
同時に、信号（ｃ）が“Ｈ”となり、ゲート回路２０がアクティブとなるため、発振回路１９から出力されるクロック（ａ）がゲート回路２０を介して基準クロック（ｄ）としてカウンタ回路２１に供給される。
【００７２】
カウンタ回路２１は、基準クロックが供給される毎に１カウントずつインクリメントされるアップカウンタである。（ｅ）はカウンタ回路２１の計数値を示している。
【００７３】
そして、所定のシングアラウンド回数が終了すると、繰り返し手段９から制御信号が出力され、信号（ｃ）が“Ｌ”となりゲート回路２０がインアクティブとなり、以降、カウンタ回路２１への基準クロック（ｄ）の供給が停止される。
【００７４】
それと同時に信号（ｆ）が“Ｈ”となるので、このタイミングで、カウンタ回路２１の計数値がラッチ回路２２に出力される。
【００７５】
ラッチ回路２２で読み込んだ値は信号（ｇ）として、時間差検出手段１６や、第１加算手段１３、第２加算手段１４へ出力される。
【００７６】
図４は簡単のため、ゲート信号（ｃ）が“Ｈ”となる期間をクロックの３周期＋αという短い期間に定めた場合の各信号の動作を示したものであり、この場合であれば、計時手段１２の計測値は３ということになる。
【００７７】
図５は、計時手段１２の動作を更に詳細に示すものであり、横軸が経過時間、縦軸が（ａ）〜（ｃ）の信号の電圧レベルを示している。信号（ａ）は、送信手段４から出力される超音波駆動信号であり、周波数５００ｋＨｚ程度の矩形の交流信号が出力される。
【００７８】
（ｂ）は受信手段５で信号処理される超音波受信波形である。受信手段５では閾値電圧Ｖｒｅｆを超えた後に、最初に０Ｖに達する点（ゼロクロス点）を以って、受信完了とみなす波形整形回路（図示せず）をなしており、受信完了を検知すると再度、送信手段４から超音波駆動信号が出力される。
【００７９】
図５は途中の繰り返し部分を省略し、最後のシングアラウンドの受信完了点を示したものである。図５でシングアラウンドの開始時間をτ０と終了時間をτ１とすると、所要時間正確な値は
Ｔｘ＝τ１−τ０ （式７）
で表せるが、図５で示したように、計時手段１２はτ１の手前のクロックの立ち上がりタイミングτｓまでの時間を計数するので、この場合の計測値は
Ｔｙ＝τｓ−τ０ （式８）
と表せる。
【００８０】
この時、τ１とτｓの差は基準クロック１周期以内であるので、計測誤差は１クロック以内であることはいうまでもない。簡単のため、超音波受信波形の周期と基準クロックの周期は同程度で示しているが、実際の計測においては基準クロックの方を超音波受信波形の周期に比べて充分小さくとって、１クロック分の誤差は問題のない範囲に設定することは可能である。
【００８１】
また、基準クロックの周期をＴｓｃとすれば、Ｔｙは
Ｔｙ＝Ｎ×Ｔｓｃ （式９）
で表せる。
【００８２】
ここで、Ｎはカウンタ回路２１の計数値である。
【００８３】
したがって、時間差検出手段１６における演算はカウンタ回路２１の計数値の差を求める減算回路のみで構成できる。
【００８４】
そればかりか、変動検出手段１７における変動量の算出や、脈動検知手段１８の閾値判定までを単純な減算回路だけで構成できる。
【００８５】
このように、計時手段１２の構成を基準クロックとこれに同期してカウントされるカウンタ回路のみの単純な構成にすれば、時間差検出手段１６における時間差演算および変動検出手段１７における変動量の算出や、脈動検知手段１８の閾値判定までを単純な減算回路だけで構成できる。
【００８６】
したがって、標準偏差のなどの手順の煩雑な演算はもとより乗除算をも行わずに脈動の判定が可能となり、毎回の単位計測工程が終わる度に短時間で結果を出すことが可能であり、応答遅れなく、脈動判定が可能である。
【００８７】
一方、計測誤差を小さくするには、カウンタ回路２１の基準クロック周波数を上げれば良いが、周波数を上げ過ぎることは省電力の観点からは得策ではないので、周波数の異なるふたつのカウンタを使って、計時手段１２を構成する方法が従来から取られているが、この場合であっても、脈動判定は、減算回路のみの簡便な構成で実現可能である。
【００８８】
これについて、図６を使って説明する。図６においては、図５で用いたクロックを低速クロックとおき、このクロックを基準クロックとした低速カウンタ回路（図示せず）とこれよりも更に遥かに高い周波数（例えば数１００倍）の高速クロックを基準クロックとした高速カウンタ回路（図示せず）のふたつで計時手段が構成させるものとする。
【００８９】
ここで、低速クロック側の動作は先の図５と同じであるため説明を省略し、高速クロック側の動作について説明する。
【００９０】
高速クロックは、受信点τ１から動作を開始し、τ１の次の低速クロックの立ち上がりタイミングであるτ２まで動作し、高速カウンタ回路は、τ１からτ２までの時間を計数する。この時、求められた値がＴｚとすると次のような演算式でシングアラウンドの所要時間Ｔｙ２を求めることができる。
【００９１】
Ｔｙ２＝（τ２−τ０）−Ｔｚ＝（τｓ＋Ｔｓｃ−τ０）−Ｔｚ （式１０）
ただし、Ｔｓｃは低速クロックの周期である。ここで、（式８）を用いると
Ｔｙ２＝Ｔｙ＋Ｔｓｃ−Ｔｚ （式１１）
と表せる。更に、低速カウンタ回路の計数値をＮ、高速カウンタ回路の計数値をＭ、高速クロックの周期をＴｆｃとすれば（式１１）は更に次のように変形できる。
【００９２】
Ｔｙ２＝（Ｎ＋１）×Ｔｓｃ−Ｍ×Ｔｆｃ （式１２）
今度の場合の計測誤差は高速カウンタの周期Ｔｆｃの１クロック分となり図５に比べて格段に時間精度が高まる。しかも、消費電流の大きな高速クロックの動作時間が極めて短いので、いたずらに消費電力を増やすこともない。
【００９３】
ここで、ふたつのカウンタ回路で求めたそれぞれについて、時間差検出手段１６で順方向の計測値と逆方向の計測値の時間差を求め、更に、変動量検出手段１７で時間差の変動量を求めるならば、例えば次のような判定で脈動の有無を判定できる。
【００９４】
Δｓｎ＝０のかつ ｜Δｆｎ｜≦５の時 脈動なし
｜Δｓｎ｜≧１の時 脈動あり
ただし、ここでΔｓｎ、Δｆｎはそれぞれ変動量検出手段１７で求められた低速カウンタ回路側の変動値、高速カウンタ回路側の変動値を示している。
【００９５】
つまり、脈動がなければ、低速カウンタ回路側の変動値は０であり、高速カウンタ回路側で求めた値のみが僅かに変化するだけであるという考えに基づく。
【００９６】
したがって、計時手段１２を周波数の異なるふたつのカウンタ回路で構成した場合であったとしても、減算回路だけで、脈動の有無が判定できることに変わりはない。
【００９７】
ここでは、周波数が異なるふたつのカウンタ回路を用いて計時手段１２を構成する例について示したが、更に時間精度を上げるため周波数の異なる３つ以上のカウンタ回路を組合せて、計時手段１２を構成した場合であっても同様の効果があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の流体の流れ計測装置は、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い計測装置を提供できるので、ガスメータのみならず気体用流量計や液体用流量計にも適用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１ 流体流路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
７ 計測制御手段
１２ 計時手段
１５ 演算手段
１６ 時間差検出手段
１７ 変動量検出手段
１８ 脈動検出手段
２１ カウンタ回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波信号の伝搬時間を計測することにより流体の流速および／または流量を計測する流れの計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の流量計においては、一対の振動子間の送受信を複数回繰り返すことにより、計測分解能を高めるシングアラウンド法という手法を用いたものが提案されている。この種の計測装置を家庭用のガスメータに適用した例を図７を用いて説明する。
【０００３】
流体管路４１の途中で、しかも上、下流側には、一対の超音波送受信用の第１，第２振動子４２，４３が斜めに対向するごとく配置されていて、超音波が流体を流れを斜めに横切るように伝搬するように設定されている。
【０００４】
また、前記超音波の伝搬時間を計測する計測部４４と、この計測部４４を制御する制御部４５と、前記計測部４４の計測結果を基に流体の流速および／または流量を演算する演算部４６とが設けてある。
【０００５】
今、音速をＣ、流速をｖ、の振動子間の距離をＬ、超音波の伝搬方向と流れの方向とがなす角度をθとし、上流側に配置された振動子４２から超音波を送信し、下流側に配置された振動子４３にで受信した場合の伝搬時間をｔ１、逆方向の伝搬時間をｔ２とした場合、ｔ１およびｔ２は次式で求めることができる。
【０００６】
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋ｖｃｏｓθ） （式１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−ｖｃｏｓθ） （式２）
（式１）および（式２）を変形し、（式３）で流速ｖが求まる。
【０００７】
ｖ＝Ｌ・（１／ｔ１−１／ｔ２）／２ｃｏｓθ （式３）
必要に応じて、（式３）で求めた値に流体管路の断面積を掛ければ流体の流量を求めることができる。
【０００８】
ところで、（式３）において、括弧内の項は下記のように変形できる。
【０００９】
（ｔ２−ｔ１）／ｔ１ｔ２ （式４）
ここで、（式４）の分母の項は流速の変化に関わらずほぼ一定の値となるが、分子の項は流速とほぼ比例した値となる。
【００１０】
したがって、二つの伝搬時間の差を精度よく計測する必要がある。そのため、流速が遅くなるほど、微小な時間差を求める必要があり、単発現象として計測するには計測部４４は、例えば、ｎｓオーダーの非常に小さな時間分解能を有する必要がある。
【００１１】
これだけの時間分解能を実現するのは難しく、仮に実現できたとしても時間分解能を上げることによる消費電力の増大を招くこととなる。そのため、超音波の送信を何回も繰り返し実行し、その一連の繰り返し計測の所要時間を計測部４４で計測する。そして、その平均値を求めることにより必要な時間分解能を実現している。
【００１２】
すなわち、計測部４４の時間分解能をＴＡ、繰り返し回数をＭとすれば、この繰り返し計測の間、計測部４４を連続して動作させることにより、伝搬時間の計測分解能はＴＡ／
Ｍとすることができる。
【００１３】
この種の計測装置は、流体流路内の圧力が安定している時には精度の高い計測が実現できるが、例えば、一般家庭にエネルギー源として供給されるガス流量を計測するガスメータに適用した場合には、脈動現象と呼ばれる固有の課題に直面する。
【００１４】
これは、例えばＧＨＰと呼ばれるガスエンジンを利用した空調機のように、ガスエンジンの回転に同期して周辺のガス供給配管内の圧力に変動を及ぼす現象である。
【００１５】
この脈動が発生した場合、ガス器具を使用していない場合であっても、圧力の変動に同期してガスが配管内を移動し、その動きに影響されて、あたかもガスが流れているかの如き計測値が検出されてしまう。
【００１６】
この現象による影響を抑える方法として、繰り返し計測回数Ｍを計測精度が維持できる最低限の回数に抑えた上で、計測間隔を短くし、小刻みに比較的長時間連続して実行して連続して計測した結果を用いて流量演算を行うというものがある。
【００１７】
特に、計測間隔を圧力変動周期よりも充分短い間隔で行うことで、流速変動波形の位相状態を満遍なく捉えることができるようになり、それらを平均化することで、変動成分を取り除いた真の流速（流量）を検出する効果を狙っている（例えば、特許文献１参照）。
【００１８】
しかし、このような計測方法常時続けることは消費電力の点では得策ではない。
【００１９】
そこで、不要な消費電力を小さくするために、検出した流速の変動量に応じて、計測回数を制御する、すなわち、流量変動が小さく脈動がないと判断できる状況下においては計測回数を小さく、流量変動が大きく脈動があると判断される状況下においては、計測回数を大きくするというものである（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００２−３５０２０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、前記従来の構成では、複数回の流量計測値の変動値をもとに変動を検知するため、応答遅れが生じ、その結果、圧力変動起動時には、変動の影響を受けて誤計測の原因となったり、変動停止時には、不要な電力消費を招くなどの課題があった。
【００２２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い流体の流れ計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ流量計測装置は、流体流路に設けられ、超音波信号を発信、受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記両振動子の送受信方向を切り替えながら前記計時手段により順、逆双方向の超音波信号の伝搬時間を計測する単位計測工程を定められた間隔で複数回連続して実行し、前記実行回数分の伝搬時間を基に流速および／または流量を演算する演算手段と、前記１単位計測工程毎の順逆両方向の伝搬時間差を
求める時間差検出手段と、前記時間差検出手段で求めた相前後する二つの時間差の変動量を求める変動量検出手段と、前記変動量検出手段の値から流体流路内の圧力脈動の有無を判定する脈動検知手段と、前記脈動検知手段の判定結果を元に単位計測工程の実行回数を制御する計測制御手段とを備えたもので、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い流体の流れ計測装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の流量計測装置は、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における流体の流れ計測装置のブロック図
【図２】同装置の動作を説明するタイムチャート
【図３】同装置における計時手段の構成図
【図４】同装置における計時手段の動作を説明するタイムチャート
【図５】同装置における計時手段の動作を説明するタイムチャート
【図６】同装置における計時手段の動作を説明するタイムチャート
【図７】従来の流体の流れ計測装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
第１の発明は、流体流路に設けられ、超音波信号を発信、受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記両振動子の送受信方向を切り替えながら前記計時手段により順、逆双方向の超音波信号の伝搬時間を計測する単位計測工程を定められた間隔で複数回連続して実行し、前記実行回数分の伝搬時間を基に流速を演算する流速演算手段と、前記１単位計測工程毎の順逆両方向の伝搬時間差を求める時間差検出手段と、前記時間差検出手段で求めた相前後する二つの時間差の変動量を求める変動量検出手段と、前記変動量検出手段の値から流体流路内の圧力脈動の有無を判定する脈動検知手段と、前記脈動検知手段の判定結果を元に単位計測工程の実行回数を制御する計測制御手段とを備え構成としているもので、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い流体の流れ計測装置を提供できる。
【００２７】
第２の発明は、特に、第１の発明において、脈動検知手段を、変動量検出手段の出力と予め定めた閾値とを比較し、閾値より大の場合に脈動あり、閾値より小の場合には脈動なしと判定する構成としているので、複雑な演算を施すことなく脈動の有無を判定することが可能である。
【００２８】
第３の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動なしと判定した場合には、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を低減するように制御する構成としているので、脈動がない安定した使用条件では消費電力の低減が可能である。
【００２９】
第４の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動なしと判定した場合には、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最小値で打ち切る構成としているので、脈動がない安定した使用条件では消費電力の低減が可能である。
【００３０】
第５の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動ありと判定した場合には、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を増加するように制御する構成としているので、脈動がある条件では、脈動の影響を低減することが可能である。
【００３１】
第６の発明は、特に、第２の発明において、脈動検知手段が脈動ありと判定した場合に
は、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最大値とする構成としているので、脈動がある条件では、脈動の影響を低減することが可能である。
【００３２】
第７の発明は、特に、第１から第６のいずれかの発明において、計時手段は基準クロックと前記クロックに基づいて計数を行うカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は、前記カウンタ回路の計数値を用いた減算回路により構成し、単位計測工程から脈動判定までの過程における乗除算を不要とした構成としているので、減算回路を動作させるだけの簡単な演算手法で脈動有無が判定できるので、消費電力が小さくかつ素早い判定が可能である。
【００３３】
第８の発明は、特に、第７の発明の計時手段において、周波数の異なる少なくとも２つ以上の基準クロックとカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は各カウンタ回路毎の時間差を算出し、脈動検知手段は、時間差検出手段で求められた全てのカウンタの計数差の組み合わせから脈動の有無を判定する構成としているので計測分解能を損なうことなく、素早い判定が可能である。
【００３４】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、以下述べる実施の形態が本発明を限定するものではない。
【００３５】
（実施の形態１）
図１において、流体流路１の途中で、しかも流れ方向上下流側に超音波信号送受信用の第１，第２振動子２，３が斜めに対向して配置され、流体中を超音波信号が斜めに伝搬して横切るようにしてある。
【００３６】
送信手段４は、例えば第１振動子２へ駆動信号を出力し、その結果、第１振動子２から出力された超音波信号を第２振動子が受信し、その受信信号が受信手段５で信号処理される。
【００３７】
切換手段６は第１振動子２と第２振動子３の送受信の役割を切り換えを行う。
【００３８】
計測制御手段７は、二つの振動子間で実行される送受信の動作全般を制御し、トリガ手段８、繰り返し手段９、遅延手段１０、計測工程制御手段１１とで構成されている。
【００３９】
先ず、トリガ手段８により計測開始のトリガ出力がなされると、切換手段６が第１振動子２と送信手段４、第２振動子３と受信手段５を接続して、第１振動子２を送信側、第２振動子３を受信側とする計測が開始される。以降の説明のため、これを流れの順方向の計測と称する。
【００４０】
送信手段４から駆動信号が出力されると、第１振動子２から超音波信号が出力され、これが第２振動子３に到達すると受信手段５で受信処理を行う。
【００４１】
一旦、受信処理が行われると、繰り返し手段９の作用により、所定のシングアラウンド回数だけ、流れの順方向の計測が繰り返し実行される。本実施の形態ではシングアラウンド回数を４回とするが、これに限られるものではない。
【００４２】
４回の繰り返しが完了すると、遅延手段１０から所定の遅延時間が発生された後、トリガ手段８が切換手段６に対して送受信の切換信号を出力し、今度は、第２振動子３と送信手段４、第１振動子２と受信手段５が各々接続され、第２振動子３を送信側、第１振動子２を受信側とする計測が開始される。以降の説明のため、これを流れの逆方向の計測と称する。また、この時、トリガ手段８から計測開始のトリガ信号が出力される。
【００４３】
送受信の役割が切り換った、逆方向の計測においても、４回の繰り返し計測が実行される。以上のように、流れの順方向の計測（４回のシングアラウンド計測）と、逆方向の計測（４回のシングアラウンド）を交互に１回行う一連の動作を単位計測工程と称する。
【００４４】
最初に実行される単位計測工程を第１計測工程とすると、これが完了すると、遅延手段１０から遅延信号が出力されて、第１計測工程同様の動作が繰り返される。これを第２計測工程とする。計測工程制御手段１１によって、規定の回数の計測工程が実行された後、流量演算が実行される。
【００４５】
計時手段１２は、トリガ手段８のトリガ信号出力タイミングからシングアラウンド終了までの時間を計測し、第１加算手段１３は、各単位計測工程の順方向の計測における計時手段１２の計測値を積算し、第２加算手段１４は、各計測工程の逆方向の計測における計時手段１２の計測値を積算する。
【００４６】
そして、定められたＮ回の単位計測工程の動作が完了すると、演算手段１５が第１加算手段１３および第２加算手段１４の出力値を用いて流速を算出し、必要に応じてこれに流体流路１の断面積および係数を乗じて流量を演算する。
【００４７】
一方、時間差検出手段１６は、１単位計測工程が完了する毎に順方向の計測における計時手段１２の計測値と、逆方向の計測における計時手段１２の計測値の差を求める。
【００４８】
変動量検出手段１７は時間差検出手段１６で求めた相前後する２回の計測工程の時間差の変動量を求め、脈動検出手段１８では、変動量検出手段１７の出力を判定閾値と比較して脈動の有無を判定し、判定結果を計測工程制御手段１１に出力する。
【００４９】
計測工程制御手段１１は、脈動検出手段１８の判定結果に応じて、単位計測工程を何回実行して流速、および／または流量を求めるかを設定する。
【００５０】
次に、図２を用いて先に説明した各部の動作の流れを説明する。図２は第１計測工程で流れの順方向の計測開始を示すトリガ手段８の出力タイミングを原点として横軸が原点からの経過時間、縦軸が各部の動作を示している。
【００５１】
先ず、時間ｔ１で、計時手段１２で計測された第１計測工程の順方向の計測値Ｔｄ１が、時間差検出手段１６に出力されると同時にＴｄ１が第１加算手段１３に加算される。
【００５２】
その後、所定の遅延時間Ｔｉｎｔ経過した時間ｔ２から流れの逆方向の計測が開始され、時間ｔ３で、計時手段１２で計測された第１計測工程の逆方向の計測値Ｔｕ１が時間差検出手段１６に出力される。
【００５３】
ここで、時間差検出手段１６はふたつの計測値Ｔｄ１とＴｕ１の差、Ｔｄｅｆ１を（式５）を使って求める。
【００５４】
Ｔｄｅｆ１＝Ｔｕ１−Ｔｄ１ （式５）
また、それと同時にＴｕ１が第２加算手段１４に加算される。
【００５５】
以下、同様に第２計測工程以降においても、順方向、逆方向の計測が終わる毎に第１加算手段１３と第２加算手段１４で交互に加算処理が実行され、逆方向の計測が終わると時間差検出手段１６で減算処理が実行されることになる。
【００５６】
したがって、時間ｔ５で、第２計測工程の順方向の計測値Ｔｄ２が、時間ｔ７で、第２計測工程の逆方向の計測値Ｔｕ２が時間差検出手段１６に出力される。
【００５７】
そして、時間差検出手段１６で両者の差、Ｔｄｅｆ２が求められる。その後、変動量検出手段１７がＴｄｅｆ１とＴｄｅｆ２の変動量Δ１を（式６）を使って求める。
【００５８】
Δ１＝Ｔｄｅｆ２―Ｔｄｅｆ１ （式６）
ここで、流路内の圧力に変動がなくかつ流速に変化がないとすれば、Ｔｄ１とＴｄ２はほぼ同じ値を示し、Ｔｕ１とＴｕ２もほぼ同じ値を示す。したがって、Ｔｄｅｆ１およびＴｄｅｆ２もほぼ等しいので、Δ１はほぼ０と考えられる。
【００５９】
逆に圧力変動が発生している場合には、その圧力の変動と同期して流速変動が発生する。この場合、Ｔｄ１とＴｄ２の値は同じ値とならず、同様にＴｕ１とＴｕ２の値同じ値とはならないと考えられる。
【００６０】
したがって、Ｔｄｅｆ１とＴｄｅｆ２も違う値を示すものと考えられるので、Δ１は０にはならず、特に、圧力変動が激しければ、より大きな値が発生すると考えられる。
【００６１】
したがって、脈動検出手段１８では、単位計測工程が終了する毎に、変動量検出手段１７から出力される時間差検出手段１６の出力の変動量と予め定めた閾値とを比較して、閾値より小さければ脈動なし、閾値より大きければ脈動ありと判定する。
【００６２】
なお、１回の比較判定のみで脈動の有無を判定するよりも複数回の結果を元に連続して数回以上、脈動なしと判定するというように多数回一致の考えを用いれば、より判定の信頼性が上がることはいうまでもないが、本実施の形態の主旨は変動量の大小で脈動の有無を判定することにあるので、この主旨に反しない限りの同種の判定方法でも構わない。
【００６３】
本実施の形態においては５回連続して脈動なしと判定が続いた場合、すなわち６回続けて時間差検出手段１６の出力が安定していれば、脈動がないものとしてそれ以降の計測工程を打ち切り、流量演算手段１５で流量演算を行うものとする。
【００６４】
逆に５回連続して脈動なしの判定が続かない場合には、５回連続して脈動なしと判定されるまで以降の計測工程を延長して行い、予め定めた最大の計測工程分だけ計測を継続して行うものとする。
【００６５】
脈動がある場合には計測工程の実行回数が増えるので圧力変動に伴う流速変動があっても、変動分がある程度平均化されるため、より真値に近い値が得られる。
【００６６】
したがって、脈動が継続して発生している場合でも予め定めておいた単位計測工程の実行回数の最大値で計測を打ち切ったとしても、変動分の影響が低減されている。
【００６７】
次に、計時手段１２の構成について、図３および図４を用いて説明する。
【００６８】
計時手段１２は、クロック信号（ａ）を生成する発振回路１９、この発振回路１９から出力されるクロック信号の供給／停止を切り換えるＡＮＤ回路で構成されたゲート回路２０、このゲート回路２０を介して出力される基準クロック（ｂ）をカウントするカウンタ回路２１、このカウンタ回路２１の計数値を適当なタイミングで読み出すラッチ回路２２とで構成されている。
【００６９】
また、（ａ）〜（ｄ）は計時手段１２と各構成要素の間を伝送されるデジタル信号を示
している。
【００７０】
トリガ手段８から計測開始のトリガ信号が出力されると、信号（ｂ）が“Ｌ”となり、カウンタ回路２１がクリアされる。
【００７１】
同時に、信号（ｃ）が“Ｈ”となり、ゲート回路２０がアクティブとなるため、発振回路１９から出力されるクロック（ａ）がゲート回路２０を介して基準クロック（ｄ）としてカウンタ回路２１に供給される。
【００７２】
カウンタ回路２１は、基準クロックが供給される毎に１カウントずつインクリメントされるアップカウンタである。（ｅ）はカウンタ回路２１の計数値を示している。
【００７３】
そして、所定のシングアラウンド回数が終了すると、繰り返し手段９から制御信号が出力され、信号（ｃ）が“Ｌ”となりゲート回路２０がインアクティブとなり、以降、カウンタ回路２１への基準クロック（ｄ）の供給が停止される。
【００７４】
それと同時に信号（ｆ）が“Ｈ”となるので、このタイミングで、カウンタ回路２１の計数値がラッチ回路２２に出力される。
【００７５】
ラッチ回路２２で読み込んだ値は信号（ｇ）として、時間差検出手段１６や、第１加算手段１３、第２加算手段１４へ出力される。
【００７６】
図４は簡単のため、ゲート信号（ｃ）が“Ｈ”となる期間をクロックの３周期＋αという短い期間に定めた場合の各信号の動作を示したものであり、この場合であれば、計時手段１２の計測値は３ということになる。
【００７７】
図５は、計時手段１２の動作を更に詳細に示すものであり、横軸が経過時間、縦軸が（ａ）〜（ｃ）の信号の電圧レベルを示している。信号（ａ）は、送信手段４から出力される超音波駆動信号であり、周波数５００ｋＨｚ程度の矩形の交流信号が出力される。
【００７８】
（ｂ）は受信手段５で信号処理される超音波受信波形である。受信手段５では閾値電圧Ｖｒｅｆを超えた後に、最初に０Ｖに達する点（ゼロクロス点）を以って、受信完了とみなす波形整形回路（図示せず）をなしており、受信完了を検知すると再度、送信手段４から超音波駆動信号が出力される。
【００７９】
図５は途中の繰り返し部分を省略し、最後のシングアラウンドの受信完了点を示したものである。図５でシングアラウンドの開始時間をτ０と終了時間をτ１とすると、所要時間正確な値は
Ｔｘ＝τ１−τ０ （式７）
で表せるが、図５で示したように、計時手段１２はτ１の手前のクロックの立ち上がりタイミングτｓまでの時間を計数するので、この場合の計測値は
Ｔｙ＝τｓ−τ０ （式８）
と表せる。
【００８０】
この時、τ１とτｓの差は基準クロック１周期以内であるので、計測誤差は１クロック以内であることはいうまでもない。簡単のため、超音波受信波形の周期と基準クロックの周期は同程度で示しているが、実際の計測においては基準クロックの方を超音波受信波形の周期に比べて充分小さくとって、１クロック分の誤差は問題のない範囲に設定することは可能である。
【００８１】
また、基準クロックの周期をＴｓｃとすれば、Ｔｙは
Ｔｙ＝Ｎ×Ｔｓｃ （式９）
で表せる。
【００８２】
ここで、Ｎはカウンタ回路２１の計数値である。
【００８３】
したがって、時間差検出手段１６における演算はカウンタ回路２１の計数値の差を求める減算回路のみで構成できる。
【００８４】
そればかりか、変動検出手段１７における変動量の算出や、脈動検知手段１８の閾値判定までを単純な減算回路だけで構成できる。
【００８５】
このように、計時手段１２の構成を基準クロックとこれに同期してカウントされるカウンタ回路のみの単純な構成にすれば、時間差検出手段１６における時間差演算および変動検出手段１７における変動量の算出や、脈動検知手段１８の閾値判定までを単純な減算回路だけで構成できる。
【００８６】
したがって、標準偏差のなどの手順の煩雑な演算はもとより乗除算をも行わずに脈動の判定が可能となり、毎回の単位計測工程が終わる度に短時間で結果を出すことが可能であり、応答遅れなく、脈動判定が可能である。
【００８７】
一方、計測誤差を小さくするには、カウンタ回路２１の基準クロック周波数を上げれば良いが、周波数を上げ過ぎることは省電力の観点からは得策ではないので、周波数の異なるふたつのカウンタを使って、計時手段１２を構成する方法が従来から取られているが、この場合であっても、脈動判定は、減算回路のみの簡便な構成で実現可能である。
【００８８】
これについて、図６を使って説明する。図６においては、図５で用いたクロックを低速クロックとおき、このクロックを基準クロックとした低速カウンタ回路（図示せず）とこれよりも更に遥かに高い周波数（例えば数１００倍）の高速クロックを基準クロックとした高速カウンタ回路（図示せず）のふたつで計時手段が構成させるものとする。
【００８９】
ここで、低速クロック側の動作は先の図５と同じであるため説明を省略し、高速クロック側の動作について説明する。
【００９０】
高速クロックは、受信点τ１から動作を開始し、τ１の次の低速クロックの立ち上がりタイミングであるτ２まで動作し、高速カウンタ回路は、τ１からτ２までの時間を計数する。この時、求められた値がＴｚとすると次のような演算式でシングアラウンドの所要時間Ｔｙ２を求めることができる。
【００９１】
Ｔｙ２＝（τ２−τ０）−Ｔｚ＝（τｓ＋Ｔｓｃ−τ０）−Ｔｚ （式１０）
ただし、Ｔｓｃは低速クロックの周期である。ここで、（式８）を用いると
Ｔｙ２＝Ｔｙ＋Ｔｓｃ−Ｔｚ （式１１）
と表せる。更に、低速カウンタ回路の計数値をＮ、高速カウンタ回路の計数値をＭ、高速クロックの周期をＴｆｃとすれば（式１１）は更に次のように変形できる。
【００９２】
Ｔｙ２＝（Ｎ＋１）×Ｔｓｃ−Ｍ×Ｔｆｃ （式１２）
今度の場合の計測誤差は高速カウンタの周期Ｔｆｃの１クロック分となり図５に比べて格段に時間精度が高まる。しかも、消費電流の大きな高速クロックの動作時間が極めて短いので、いたずらに消費電力を増やすこともない。
【００９３】
ここで、ふたつのカウンタ回路で求めたそれぞれについて、時間差検出手段１６で順方向の計測値と逆方向の計測値の時間差を求め、更に、変動量検出手段１７で時間差の変動量を求めるならば、例えば次のような判定で脈動の有無を判定できる。
【００９４】
Δｓｎ＝０のかつ ｜Δｆｎ｜≦５の時 脈動なし
｜Δｓｎ｜≧１の時 脈動あり
ただし、ここでΔｓｎ、Δｆｎはそれぞれ変動量検出手段１７で求められた低速カウンタ回路側の変動値、高速カウンタ回路側の変動値を示している。
【００９５】
つまり、脈動がなければ、低速カウンタ回路側の変動値は０であり、高速カウンタ回路側で求めた値のみが僅かに変化するだけであるという考えに基づく。
【００９６】
したがって、計時手段１２を周波数の異なるふたつのカウンタ回路で構成した場合であったとしても、減算回路だけで、脈動の有無が判定できることに変わりはない。
【００９７】
ここでは、周波数が異なるふたつのカウンタ回路を用いて計時手段１２を構成する例について示したが、更に時間精度を上げるため周波数の異なる３つ以上のカウンタ回路を組合せて、計時手段１２を構成した場合であっても同様の効果があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の流体の流れ計測装置は、脈動の有無を瞬時に判定し、脈動有無に応じた計測方法に瞬時に切り替え可能な応答性の高い計測装置を提供できるので、ガスメータのみならず気体用流量計や液体用流量計にも適用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１ 流体流路
２ 第１振動子
３ 第２振動子
７ 計測制御手段
１２ 計時手段
１５ 演算手段
１６ 時間差検出手段
１７ 変動量検出手段
１８ 脈動検出手段
２１ カウンタ回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路に設けられ、超音波信号を発信、受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記両振動子の送受信方向を切り替えながら前記計時手段により順、逆双方向の超音波信号の伝搬時間を計測する単位計測工程を定められた間隔で複数回連続して実行し、前記実行回数分の伝搬時間を基に流速および／または流量を演算する演算手段と、前記１単位計測工程毎の順逆両方向の伝搬時間差を求める時間差検出手段と、前記時間差検出手段で求めた相前後する二つの時間差の変動量を求める変動量検出手段と、前記変動量検出手段の値から流体流路内の圧力脈動の有無を判定する脈動検知手段と、前記脈動検知手段の判定結果を元に単位計測工程の実行回数を制御する計測制御手段とを備えた流体の流れ計測装置。
【請求項２】
脈動検知手段は、変動量検出手段の出力と予め定めた閾値とを比較し、閾値より大の場合に脈動あり、閾値より小の場合には脈動なしと判定する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
【請求項３】
脈動検知手段が脈動なしと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を低減するように制御する請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項４】
脈動検知手段が脈動なしと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最小値で打ち切る請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項５】
脈動検知手段が脈動ありと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を増加するように制御する請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項６】
脈動検知手段が脈動ありと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最大値とする請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項７】
計時手段は、基準クロックと前記クロックに基づいて計数を行うカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は、前記カウンタ回路の計数値を用いた減算回路により構成し、単位計測工程から脈動判定までの過程における乗除算を不要とした請求項１〜６いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
【請求項８】
計時手段は、周波数の異なる少なくとも２つ以上の基準クロックとカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は各カウンタ回路毎の計数差を算出し、脈動検知手段は、時間差検出手段で求められた全てのカウンタ回路の計数差の組み合わせから脈動の有無を判定する請求項７記載の流体の流れ計測装置。
【請求項１】
流体流路に設けられ、超音波信号を発信、受信する第１振動子および第２振動子と、前記振動子間における超音波信号の伝搬時間を計測する計時手段と、前記両振動子の送受信方向を切り替えながら前記計時手段により順、逆双方向の超音波信号の伝搬時間を計測する単位計測工程を定められた間隔で複数回連続して実行し、前記実行回数分の伝搬時間を基に流速および／または流量を演算する演算手段と、前記１単位計測工程毎の順逆両方向の伝搬時間差を求める時間差検出手段と、前記時間差検出手段で求めた相前後する二つの時間差の変動量を求める変動量検出手段と、前記変動量検出手段の値から流体流路内の圧力脈動の有無を判定する脈動検知手段と、前記脈動検知手段の判定結果を元に単位計測工程の実行回数を制御する計測制御手段とを備えた流体の流れ計測装置。
【請求項２】
脈動検知手段は、変動量検出手段の出力と予め定めた閾値とを比較し、閾値より大の場合に脈動あり、閾値より小の場合には脈動なしと判定する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
【請求項３】
脈動検知手段が脈動なしと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を低減するように制御する請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項４】
脈動検知手段が脈動なしと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最小値で打ち切る請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項５】
脈動検知手段が脈動ありと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を増加するように制御する請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項６】
脈動検知手段が脈動ありと判定した場合に、計測制御手段は、単位計測工程の実行回数を予め定めた最大値とする請求項２記載の流体の流れ計測装置。
【請求項７】
計時手段は、基準クロックと前記クロックに基づいて計数を行うカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は、前記カウンタ回路の計数値を用いた減算回路により構成し、単位計測工程から脈動判定までの過程における乗除算を不要とした請求項１〜６いずれか１項記載の流体の流れ計測装置。
【請求項８】
計時手段は、周波数の異なる少なくとも２つ以上の基準クロックとカウンタ回路とで構成され、時間差検出手段は各カウンタ回路毎の計数差を算出し、脈動検知手段は、時間差検出手段で求められた全てのカウンタ回路の計数差の組み合わせから脈動の有無を判定する請求項７記載の流体の流れ計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２４３４３２（Ｐ２０１０−２４３４３２Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９４８１１（Ｐ２００９−９４８１１）
【出願日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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