超音波流体計測装置
【課題】受信時点の特定に対するノイズの影響を回避するとともに、受信信号の周期遷移による誤差を補正して、流量計測の基礎となる超音波の伝搬時間を正確に測定する。
【解決手段】２つのトランスデューサ２ａ，２ｂの間での超音波Ｗｔの送受信により被験流体の流量Ｑ等を算出する。受信側のトランスデューサが出力を発生した後、所定の検知許可時刻ｔｇａ以降の周期の波における受信時点ｔｄａを特定する。各トランスデューサを送信用に設定した場合のそれぞれについて特定した受信時点ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａをもとに、被験流体に関する音速換算値を第１の音速Ｃｇ１として算出する。被験流体の音速を参照上の第２の音速Ｃｇ２として測定し、算出したＣｇ１及び測定したＣｇ２をもとに、特定した受信時点ｔｄａの周期誤差を補正する。
【解決手段】２つのトランスデューサ２ａ，２ｂの間での超音波Ｗｔの送受信により被験流体の流量Ｑ等を算出する。受信側のトランスデューサが出力を発生した後、所定の検知許可時刻ｔｇａ以降の周期の波における受信時点ｔｄａを特定する。各トランスデューサを送信用に設定した場合のそれぞれについて特定した受信時点ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａをもとに、被験流体に関する音速換算値を第１の音速Ｃｇ１として算出する。被験流体の音速を参照上の第２の音速Ｃｇ２として測定し、算出したＣｇ１及び測定したＣｇ２をもとに、特定した受信時点ｔｄａの周期誤差を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、超音波の受信信号に重畳するノイズの影響によらず、流量演算等の基礎となる超音波の伝搬時間を正確に測定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対のトランスデューサを流れの方向にずらして配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサにより受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサにより受信されるまでの第２の伝搬時間を測定し、測定された各伝搬時間をもとに、被験流体の流量等を算出する流体計測装置が知られている。この超音波流体計測装置では、第１及び第２の伝搬時間を測定する際に、ゼロクロス点と呼ばれる、トランスデューサの出力電圧がゼロレベルを過ぎる時点を特定し、超音波が発射された時点からこのゼロクロス点までの経過時間を測定する。受信側のトランスデューサへの先頭波の到達時点からゼロクロス点までの時間を検知遅れ時間として設定し、測定した経過時間からこの検知遅れ時間を減算して、伝搬時間を算出する。
【０００３】
このため、正確な流量等の算出には、ゼロクロス点を正確に特定することが重要となる。被験流体の温度、圧力の変化又はトランスデューサの劣化等に対応してゼロクロス点が特定される超音波流体計測装置として、次のものが知られている。すなわち、前回の計測時に得られた受信信号の最大振幅を検出し、検出した最大振幅に基づいてゼロクロス点を特定する際の判定の基準となる閾値を算出する。受信信号が算出した閾値を超えた直後にゼロレベルを過ぎる時点をゼロクロス点として特定するのである（特許文献１）。被験流体の温度等の変化に対し、受信信号の大きさが相対的に変化するものの、その位相は不変であることから、ゼロクロス点の特定精度を維持することができる。
【特許文献１】特開２００２−３２３３６１号公報（段落番号００２６，００２７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この公知の超音波流体計測装置には、次のような問題がある。すなわち、被験流体として水素ガス等の音響エネルギーの減衰が大きい流体を採用する場合は、受信信号の大きさが減少する一方、これに重畳する電磁ノイズ又は音響ノイズが相対的に大きくなり、ゼロクロス点の正確な特定が困難となることである。水素ガス等を被験流体とする場合は、音響減衰により受信信号自体が小さくなることで、その周期毎の振幅増加量が減少し、ノイズの大きさがこれを上回るからである。このため、先頭波の到達から６周期目の波でゼロクロス点が特定されるように設定した場合を想定すると、重畳したノイズの大きさ次第では、その１つ前の５周期目の波でゼロクロス点が特定されることが考えられる。他方、ノイズの影響緩和を狙いとして、判定閾値を大きめに設定したとすると、受信信号の大きさのばらつき等により、本来の６周期目ではなく、その１つ後の７周期目でゼロクロス点が特定されることが考えられる。このように特定されたゼロクロス点に含まれる誤差は、受信信号の１周期相当分を単位とする大きな計測誤差を来す。水素ガス等の流体は、音速が高いことが一般的に知られているが、このような音速の高い被験流体において、ゼロクロス点に含まれる誤差が流量等の計測精度に及ぼす影響がより顕著となることは、超音波流体計測装置に関する流量等の一般式から容易に理解し得るところである。また、装置自体が小型であり、トランスデューサの間隔が短い場合も、この影響が顕著となる。
【０００５】
本発明は、受信時点の特定に対するノイズの影響を回避するとともに、これに関連して生じる場合のある受信信号の周期遷移による誤差を補正することで、超音波の伝搬時間を正確に測定し、被験流体の流量等を高い精度で測定することのできる超音波流体計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、超音波流体計測装置を提供する。本発明に係る装置は、被験流体の測定管を横断させて超音波伝搬線（すなわち、第１の超音波伝搬線）が設定されるとともに、この超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、超音波伝搬線上でこの第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサとを含んで構成される。第１のトランスデューサ又は第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサが出力を発生した後、所定の検知許可時刻以降の周期の波における受信時点を特定する。第１のトランスデューサから発射された超音波に関して特定した受信時点と、第２のトランスデューサから発射された超音波に関して特定した受信時点とをもとに、被験流体に関する音速換算値を第１の音速として算出する。被験流体の音速を参照上の第２の音速として測定し、算出した第１の音速及び測定した第２の音速をもとに、特定した受信時点の周期誤差を補正する。この周期誤差を補正した受信時点をもとに、被験流体に関する所定の演算を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、受信時点の特定を所定の検知許可時刻以降の周期の波を対象に行うことで、この特定に対するノイズの影響を回避し、受信時点を正確に特定することができる。また、検知許可時刻の採用に伴い、被験流体の音速等の変化により受信信号の位相に大きなずれが生じた場合に、このずれに起因して特定した受信時点に周期誤差が生じることとなるが、第１及び第２の音速に基づいてこの周期誤差を補正し、伝搬時間の測定精度を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
以下の説明において、Ｌｍは、超音波の送受信を行うトランスデューサ（超音波振動子）の間の距離を、Ｃｇは、被験流体の音速を、Ｖｇは、被験流体の流速を、Ｔｇは、被験流体の温度を、Ｃｗは、被験流体の湿度を示す。また、θは、測定管１の中心軸と第１の超音波伝搬線Ａｔ１とのなす角を示す。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置（以下、単に「計測装置」という。）１０１の構成を示している。本実施形態では、「被験流体」として、水素ガスを採用することとしている。計測装置１０１を燃料電池のアノード配管に設置することで、燃料ガスとしての水素ガスの流量等を検出することができる。本実施形態では、この場合を想定し、「被験流体」として、特に湿度を持たせた水素ガスを採用する。
【００１０】
測定管１は、流量等の計測用通路を形成するものであり、軸方向の各端に形成されたフランジ（図示せず。）により、隣接する配管６（図１には、上流側のもののみを示す。）に接続されている。上流側の配管６には、方向切換弁７が介装されており、測定管１は、方向切換弁７により、配管６と他の配管８とに対して選択的に接続されるように構成されている。他の配管８には、窒素ガスを充填したタンク９が接続されており、タンク９内の窒素ガスを測定管１に流通させることができる。配管６は、図示しない燃料電池のアノード配管に接続されており、配管６を介して所定の湿度を持たせた水素ガスを測定管１に流通させることができる。なお、タンク９内の窒素ガスは、後述する検知遅れ時間ｔｒの校正処理に際して校正流体として採用され、他の配管８を介して測定管１に供給される。
【００１１】
測定管１は、直線状の中心軸との間に角度θを形成する軸（第１の超音波伝搬軸Ａｔ１に一致する。）を中心として、流れの方向に関して前後にずれた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース１ａ，１ｂに、第１のトランスデューサ２ａと、第２のトランスデューサ２ｂとが夫々収納されている。
各トランスデューサ２ａ，２ｂは、測定用超音波Ｗｔを発生させる振動板を含んで構成され、伝搬時間測定回路３及び流量・濃度演算回路４を含んで構成される計測コントローラ５に接続されている。計測コントローラ５は、各トランスデューサ２ａ，２ｂに対し、超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生させるとともに、発射された超音波Ｗｔを受信したトランスデューサから出力された受信信号ｓ１，ｓ２を入力する。各トランスデューサ２ａ，２ｂは、計測コントローラ５からの駆動信号を受け、第１の超音波伝搬線Ａｔ１に沿って超音波Ｗｔを発射する。計測コントローラ５は、入力した受信信号ｓ１，ｓ２をもとに、測定管１を流れる被験流体の流量Ｑ及び密度ρを算出し、出力する。密度ρは、被験流体の濃度に相関する。出力された流量Ｑ等は、図示しないモニターに表示されるか、あるいは燃料電池のコントローラに出力され、燃料電池の制御に反映される。
【００１２】
また、本実施形態では、第１の超音波伝搬線Ａｔ１に加え、測定管１の中心軸に対して垂直に第２の超音波伝搬線Ａｔ２が設定されており、この中心軸を基準とする各側で測定管１を筒状に膨出させて、トランスデューサケース１ｃ，１ｄが形成されている。この一対のトランスデューサケース１ｃ，１ｄに、第１及び第２のトランスデューサ１ａ，１ｂと同様の構成の第３のトランスデューサ２ｃ及び第４のトランスデューサ２ｄが夫々収納されている。第３及び第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄは、後述する周期補正量Ｎの調整処理に際して参照として採用される「第２の音速（Ｃｇ２）」を測定するためのものである。第３及び第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄは、第１及び第２のトランスデューサ２ａ，２ｂと同様に、計測コントローラ５からの駆動信号を受け、第２の超音波伝搬線Ａｔ２に沿って超音波Ｗｔを発射する。発射された超音波Ｗｔを受信したトランスデューサにより、計測コントローラ５に対して受信信号ｓ３，ｓ４が出力される。
【００１３】
ここで、計測装置１０１による流量Ｑ及び密度ρの検出原理について、図２を参照して説明する。
図２は、超音波の送信波Ｗｔ及び受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２を示している。第１のトランスデューサ２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波をＷｒ１とし、第２のトランスデューサ２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波をＷｒ２とする。超音波Ｗｔが発射された後、受信信号ｓ１，ｓ２が所定のレベルＶｔｈに達した後の時点（ここでは、その後の最初の立ち下がりのゼロクロス点）を受信時点ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａとして特定し、受信側のトランスデューサにより先頭の超音波（以下「先頭波」という。）が受信されてから受信時点ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａが特定されるまでの時間を検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２とし、超音波Ｗｔが発射されてから先頭波が受信側のトランスデューサに到達するまでの時間を伝搬時間ｔ１，ｔ２とする。既述の通り被験流体の音速及び流速、超音波Ｗｔの伝搬距離をＣｇ，Ｖｇ，Ｌｍとすると、超音波Ｗｔを順方向に発射したときと、逆方向に発射したときとで、これらの時刻ｔｄａ及び時間ｔｒ，ｔの間には、下式（１）及び（２）の関係が成り立つ。なお、本実施形態では、所定のレベルＶｔｈによる受信時点ｔｄａの特定に代え、受信波Ｗｒの振幅が信号処理上充分な大きさを持つに至る時刻をトランスデューサの特性に基づいて設定し、これを「検知許可時刻」として、検知許可時刻ｔｇａ（図４）後のゼロクロス点を特定することとしている。
【００１４】
ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ１ ・・・（１）
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ２ ・・・（２）
流量Ｑを検出する場合は、（１）及び（２）式をもとに、流速Ｖｇに関する次式（３）を得る。
【００１５】
Ｖｇ＝{Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）}×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（３）
（３）式により算出した流速Ｖｇを次式（４）に代入し、流量Ｑを算出する。なお、測定管１の断面積をＡとし、測定管１における流速分布係数をＫとする。
Ｑ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ ・・・（４）
他方、密度ρを検出する場合は、次式（５）により音速Ｃｇを算出する。
【００１６】
Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（５）
（５）式により算出した音速Ｃｇを次式（６）に代入し、密度ρを算出する。なお、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとする。
ρ＝γ×｛Ｒ×Ｔ／（２２．４×Ｃｇ２）｝ ・・・（６）
本実施形態では、超音波伝搬線Ａｔ（すなわち、第１の超音波伝搬線Ａｔ１）を直線状に設定し、一対のトランスデューサ２ａ，２ｂを、中心軸を基準とした測定管１の各側に配置している。しかしながら、このような配置に限らず、超音波伝搬線Ａｔを測定管１の内壁上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサ２ａ，２ｂを測定管１の片側のみに配置してもよい。
【００１７】
図３は、計測コントローラ５の構成をブロック毎に示している。計測コントローラ５の構成について、図４に示すタイムチャートを参照しつつ、図３により説明する。
本実施形態では、計測コントローラ５に対し、超音波Ｗｔの発射後、検知許可時刻ｔｇａ前における受信時点ｔｄａの特定を禁止する機能を持たせ、受信波Ｗｒに重畳したノイズにより誤った受信時点が特定されるのを回避することとしている。また、濃度等の変化により被験流体の音速に変化が生じた場合に、特定した受信時点ｔｄａに含まれる周期誤差を補正する機能を持たせ、受信時点ｔｄａの変化に後述する「折り返し」が生じた場合に、この折り返しによる伝搬時間ｔの測定誤差を解消することとしている。なお、この折り返しは、音速の変化に限らず、被験流体の流量の変化によっても生じる場合があるが、ここでは、音速の変化により代表して説明する。
【００１８】
方向切替スイッチ３ａは、第１及び第２のトランスデューサ２ａ，２ｂのうち一方（たとえば、トランスデューサ２ｂ）を送信用に設定するとともに、他方（２ａ）を受信用に設定する。
送信駆動部３ｂは、送信用に選択されたトランスデューサ２ｂに対する駆動信号を発生させる。発生した駆動信号は、方向切替スイッチ３ａを介してトランスデューサ２ｂに出力され、このトランスデューサ２ｂから超音波Ｗｔが発射される（時刻ｔ０）。送信駆動部３ｂは、駆動信号の発生と同時に、受信制御部３ｃ及び受信時間測定部３ｆに対し、計時開始信号ｓｔａｒｔを出力する。
【００１９】
受信制御部３ｃは、次の受信検知部３ｅに対し、超音波Ｗｔの発射（すなわち、ｓｔａｒｔの入力）から所定の検知許可時刻ｔｇａに至るまでの間、受信時点ｔｄａの特定を禁止する受信制御信号Ｓｇを出力する。Ｓｇは、この禁止期間ｔｇに亘りＬｏレベルに設定され、禁止期間ｔｇの経過に伴いＨｉレベルに切り換えられる。ＳｇがＬｏレベルに設定されている間、受信検知部３ｅによる受信時点ｔｄａの特定が禁止され、ＳｇがＨｉレベルに切り換えられることで、この特定が許可される。ｔｇの長さは、禁止期間設定部３ｄにより設定される。本実施形態では、禁止期間設定部３ｄは、ｔｇとして、超音波Ｗｔの発射後、受信信号ｓ（＝ｓ１）が重畳するノイズに対して充分な大きさを持つに至るまでの長さに相当する所定の値を保持する。
【００２０】
受信検知部３ｅは、方向切替スイッチ３ａにより受信用に選択されたトランスデューサ２ａから受信信号ｓを入力する。受信検知部３ｅは、受信制御部３ｃから入力した受信制御信号Ｓｇが禁止の解除を示すＨｉレベルに切り換えられるまで、受信信号ｓを矩形信号Ｓｂに変換しつつ、受信時点ｔｄａの特定を留保する。ＳｇがＨｉレベルに切り換えられた後、最初に得られた矩形信号Ｓｂ（＝Ｐ６）の立ち上がり点Ｃ１（又は立ち下がり点）を受信時点ｔｄａ（＝ｔｄ２ａ）として特定するとともに、特定した受信時点ｔｄａにおいて、受信時間測定部３ｆに対し、計時終了信号ｓｔｏｐを出力する。
【００２１】
受信時間測定部３ｆは、計時開始信号ｓｔａｒｔの入力によりタイマーを作動させるとともに、計時終了信号ｓｔｏｐの入力によりこのタイマーを停止させ、計時結果の時間ｔｄ（＝ｔｄ２）を受信時間として伝搬時間算出部３ｇ（及び後述する検知遅れ時間算出部３ｈ、補正量算出部３ｉ、音速算出部３ｊ）に出力する。
伝搬時間算出部３ｇは、受信時間ｔｄ、検知遅れ時間ｔｒ（＝ｔｒ２）及び周期補正量Ｎをもとに、下式（７）により伝搬時間ｔ（＝ｔ２）を算出するとともに、算出したｔをこの伝搬時間測定回路３の演算結果として流量・濃度演算回路４に出力する。ｔｒは、後述する校正処理に従い検知遅れ時間算出部３ｈにより算出され、Ｎは、被験流体の音速の変化に起因する受信時点ｔｄａの周期誤差を補正するためのものとして、補正量算出部３ｉにより算出される。なお、受信波Ｗｒ（＝Ｗｒ２）の周期をｔｐとする。
【００２２】
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ−ｔｃ
＝ｔｄ−ｔｒ−Ｎ×ｔｐ ・・・（７）
検知遅れ時間算出部３ｈは、校正処理により、測定管１に音速Ｃｇｃａｌが既知の校正流体（ここでは、窒素ガス）を充填した状態で超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信時間ｔｄｃａｌをもとに、既知の音速Ｃｇｃａｌに基づいて得られる伝搬時間ｔｃａｌをこのｔｄｃａｌから減算することで、検知遅れ時間ｔｒを算出する。検知遅れ時間算出部３ｈは、算出したｔｒを保持する。音速Ｃｇｃａｌは、乾燥状態での音速Ｃｇ０を校正流体の実際の温度Ｔｇ及び湿度Ｃｗ等により補正して算出することができる。この校正処理は、校正流体の流れのない状態で行うのが好ましい。
【００２３】
ｔｒ＝ｔｄｃａｌ−ｔｃａｌ ・・・（８）
ｔｃａｌ＝Ｌｍ１／Ｃｇｃａｌ ・・・（９）
また、検知遅れ時間ｔｒの算出は、下式（１０）又は（１１）により簡単に行うこととしてもよい。すなわち、矩形信号Ｓｂの立ち上がり点Ｃ１を受信時点ｔｄａとして特定する場合のｔｒは、（１０）式により、受信波Ｗｒの周期ｔｐに整数ｎを乗算することにより与えられる。他方、矩形信号Ｓｂの立ち下がり点を受信時点ｔｄａとして特定する場合のｔｒは、（１１）式により、Ｗｒの半周期ｔｐ／２に整数ｍを乗算することにより与えられる。たとえば、図４に示す例において、先頭波Ｓ１から６周期目の波Ｓ６の立ち上がり点Ｃを受信時点ｔｄａ（＝ｔｄ２ａ）として特定する場合のｔｒは、（１０）式によりｔｒ＝５×ｔｐとして与えられる。
【００２４】
ｔｒ＝ｎ×ｔｐ ・・・（１０）
ｔｒ＝ｍ×ｔｐ／２ ・・・（１１）
補正量算出部３ｉは、校正時を基準とした被験流体の音速Ｃｇの変化に対する補正量として周期補正量Ｎを算出し、算出したＮを伝搬時間算出部３ｇに出力する。本実施形態では、Ｎは、受信時点ｔｄａの「折り返し」に対する基本補正量Ｎを、「第２の音速」Ｃｇ２を参照して得られる音速調整量ΔＮにより補正して算出する。ΔＮは、後述する調整量算出部３ｌにより算出される。
【００２５】
Ｎ＝Ｎ＋ΔＮ ・・・（１２）
音速算出部３ｊは、第３又は第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄのうち一方（ここでは、トランスデューサ２ｃ）を送信用に設定して超音波Ｗｔを発射した場合に以上と同様にして得られる受信時間ｔｄを入力し、下式（１３）及び（１４）により第２の音速Ｃｇ２を算出する。音速算出部３ｊは、算出したＣｇ２を誤差判定部３ｋに出力する。なお、（１４）式において、ｔｒとして検知遅れ時間算出部３ｈにより保持されるｔｒが、Ｎとして補正量算出部３ｉにより前回の計測時に算出された周期補正量Ｎが採用される。また、本実施形態では、第２の超音波伝搬線Ａｔ２が測定管１の中心軸に対して垂直に設定されており、超音波Ｗｔの伝搬方向により受信時間ｔｄに差が生じないため、（１３）式の１つにより音速Ｃｇ２を算出することとしている。しかしながら、Ａｔ２は、中心軸に対して傾斜させて設定することもでき、この場合は、第３及び第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄから超音波Ｗｔを発射した場合の各受信時間ｔｄ３，ｔｄ４をもとに、下式（１５）により音速Ｃｇ２を算出する。
【００２６】
Ｃｇ２＝Ｌｍ２／ｔ ・・・（１３）
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ−Ｎ×ｔｐ ・・・（１４）
Ｃｇ２＝（Ｌｍ２／２）×（１／ｔ３＋１／ｔ４） ・・・（１５）
誤差判定部３ｋは、第２の音速Ｃｇ２と「第１の音速」Ｃｇ１とを比較し、被験流体の音速に、受信波Ｗｒ（＝Ｗｒ２）の位相に１周期を超えるずれを与えるだけの変化が生じたか否かを判定する。本実施形態では、この判定として、Ｃｇ１，Ｃｇ２の差の絶対値ＡＢＳ（＝｜Ｃｇ１−Ｃｇ２｜）が所定の値（＝Ｃｔｈ）を超えるか否かを判定し、その判定結果を、Ｃｇ１，Ｃｇ２の各値とともに調整量算出部３ｌに出力する。音速Ｃｇ１は、伝搬時間算出部３ｇにより算出された伝搬時間ｔ１，ｔ２に基づいて下式（１６）により算出され、音速記憶部３ｎに保持されており、この判定に際して誤差判定部３ｋに入力される。
【００２７】
Ｃｇ１＝（Ｌｍ１／２）×（１／ｔ１＋１／ｔ２） ・・・（１６）
調整量算出部３ｌは、差の絶対値ＡＢＳが所定の値Ｃｔｈを超える場合に、この差（＝Ｃｇ１−Ｃｇ２）の極性に応じた音速調整量ΔＮを算出する。本実施形態では、補正量算出部３ｉにより、受信時点ｔｄａの変化の折り返しに対する基本補正量Ｎを算出することとするが、このＮによる周期誤差の補正は、性質上、１回の計測の間に、受信波Ｗｒの位相に１周期を超える（すなわち、２周期以上の）ずれが生じた場合に対応することができない（この点について、更に後述する。）。本実施形態に係る音速調整量ΔＮは、この１周期を超える分のずれを調整し、折り返しの検出漏れを補償するものである。調整量算出部３ｌは、算出したΔＮを補正量算出部３ｉに出力する。
【００２８】
流量・濃度演算回路４は、伝搬時間ｔ（＝ｔ１，ｔ２）をもとに、（３）〜（６）式により被験流体の流量Ｑ及び密度ρを算出する。流量・濃度演算回路４は、誤差判定部３ｋによる差の絶対値ＡＢＳが所定の値Ｃｔｈを超えるとの判定後、音速調整量ΔＮによる補正によりＡＢＳがＣｔｈ以下となるまでの間、この判定前に算出した流量Ｑ等を保持し、出力対象のデバイスに提供する。たとえば、燃料電池のコントローラに出力する場合に、誤った流量Ｑの出力を防止し、制御を安定させるためである。
【００２９】
ここで、周期補正量Ｎによる周期誤差の補正について、更に説明する。
図５は、計測時において、被験流体の濃度を増大させたときの受信波Ｗｒの位相の変化、及び信号処理の動作を示している。前回の計測で得られた受信波Ｗｒを点線で、今回の計測で得られた受信波Ｗｒ’を実線で示している。濃度の増大により被験流体の音速Ｃｇが上昇することで、受信波Ｗｒの位相が早まり、超音波Ｗｔの伝播時間ｔが短縮されている。
【００３０】
受信波Ｗｒのうち、先頭波Ｓ１から４周期目の波Ｓ４を対象とし、受信時点ｔｄａとして、その波Ｓ４の減少方向のゼロクロス点Ｆを採用する場合について説明する。前回の計測では、受信制御信号Ｓｇは、この４番目の周期において、ゼロクロス点Ｆに至る前にＨｉレベルに切り換えられており、受信時点ｔｄａの特定が許可されている。矩形信号Ｓｂは、この特定の許可に伴いＨｉレベルに遷移し、その直後の立ち下がり点ＩでＬｏレベルに遷移している。このため、矩形信号Ｓｂのうち、最初の立ち下がり点Ｉを検出することで、正確な受信時点ｔｄａを特定することができる。他方、今回の計測では、被験流体の音速Ｃｇが上昇したことで、受信波Ｗｒの位相が前回の計測時におけるよりも早まっている。このため、受信制御信号Ｓｇによる制約がないとすれば、音速Ｃｇの上昇に応じ、特定される受信時点ｔｄａも早まることとなる。しかしながら、このＣｇの変化が大きく、ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる時点ｔｇａが本来のゼロクロス点Ｆ’よりも遅くなったとすると、このＦ’後に受信時点ｔｄａの特定が許可されるため、次の５周期目の波Ｓ５に対応する矩形信号Ｐ５の立ち下がり点Ｊ’により受信時点ｔｄｂが特定されることとなり、特定されたｔｄｂには、受信波Ｗｒの１周期相当の誤差（＝ｔｃ）が含まれることとなる。このように特定された受信時点ｔｄａが本来の方向とは逆に変化することを、受信時点ｔｄａの「折り返し」という。
【００３１】
補正量算出部３ｉは、この折り返しを次のように検出し、受信時点ｔｄａの周期誤差を補正する。すなわち、補正量算出部３ｉに対し、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる時点（「検知許可時刻」に相当する。）ｔｇａを始期として、受信波Ｗｒの１周期相当の長さ（＝ｔｐ）を持たせた折返検出期間（＝ｔｇａ〜ｔｇａ＋ｔｐ）が設定されるとともに、この折返検出期間が３つに等分され、区間毎に対応させた検出判定値ａ＝１〜３が設定されている。ｔｇａから受信時点ｔｄａまでの時間ｔｍを算出するとともに、算出したｔｍに基づいてｔｄａがこの３つの区間のいずれにあるかを判定し、検出判定値ａを算出する。本実施形態では、ｔｇａから遅い区間に対する検出判定値ａほど大きな値に設定されている。音速Ｃｇの上昇により受信波Ｗｒの位相が早まる場合に、仮に折り返しが生じないとすれば、Ｃｇの上昇に伴い検出判定値ａは減少するはずであるから、今回の計測時と前回の計測時とで検出判定値ａの差（＝ａｎ−ａｎ−１：ｎは、計測の順を示す。）を算出すれば、この差は、１以下の値として与えられることとなる。このため、算出した差が２であるときは、受信時点ｔｄａの変化に折り返しが生じたと判定することができ、かつこの差の極性（＝＋，−）をもとに、折り返しの方向を判断することもできる。なお、折返検出期間を分割する数は、３に限らず、想定される音速Ｃｇの変化の大きさに応じ、適宜に設定することができる。
【００３２】
図５の説明から明らかなように、この折り返しの検出による補正の方法では、１回の計測の間に、受信波Ｗｒの位相に１周期を超える（すなわち、２周期以上の）ずれが生じた場合に対応することができない。受信時点ｔｄａの変化に２回以上の折り返しが生じた場合は、先の１回の折り返しは、検出漏れとしてカウントされないからである。調整量算出部３ｌは、第１及び第２の音速Ｃｇ１，Ｃｇ２をもとに、この１周期超過分のずれ（又は検出漏れ）を解消するための音速調整量ΔＮを算出する。
【００３３】
次に、計測コントローラ５の動作をフローチャートにより説明する。
図６は、計測制御に関する基本ルーチンのフローチャートである。なお、この基本ルーチン及び後述する補正量調整ルーチンによる超音波Ｗｔの送受信及び流量Ｑ等の演算は、時分割により行われる（図８）。計測コントローラ５は、計測装置１０１に対する電源の投入後、基本ルーチンを所定の時間毎に実行する。計測の開始に際し、計測コントローラ５は、検知遅れ時間ｔｒとして仮の値を設定する。
【００３４】
Ｓ１０１では、トランスデューサ２ａ，２ｂの間で超音波Ｗｔの伝搬方向を切り換えるとともに、トランスデューサ２ｃ，２ｄの間で超音波Ｗｔの伝搬方向を設定する。本実施形態では、第２の超音波伝搬線Ａｔ２が測定管１の中心軸に対して垂直に設定されているので、トランスデューサ２ｃを常に送信用として、トランスデューサ２ｄを常に受信用として採用する。
【００３５】
Ｓ１０２では、トランスデューサ２ａ〜２ｄのうち送信用に選択したものから超音波Ｗｔを発射させるとともに、タイマーをスタートさせ、受信時間ｔｄの測定を開始する。
Ｓ１０３では、禁止期間ｔｇが経過したか否かを判定する。経過したときは、Ｓ１０４へ進み、経過していないときは、ｔｇが経過するまで、このステップの処理を繰り返す。
Ｓ１０４では、矩形信号Ｓｇの立ち上がり点又は立ち下がり点により受信時点ｔｄａを特定し、超音波Ｗｔの発射時点ｔ０から特定したｔｄａまでの経過時間を受信時間ｔｄとして測定する。
【００３６】
Ｓ１０５では、校正時であるか、又は計測時であるかを判定する。校正時であるときは、Ｓ１０６へ進み、計測時であるときは、Ｓ１０９へ進む。校正時には、測定管１に校正流体である窒素ガスを充填し、計測時には、測定管１に被験流体である水素ガスを流通させる。
Ｓ１０６では、（９）式により、校正流体（音速Ｃｇｃａｌが既知である。）を媒体とした超音波Ｗｔの伝搬時間ｔｃａｌを算出する。
【００３７】
Ｓ１０７では、測定したｔｄ（＝ｔｄｃａｌ）及び算出したｔｃａｌをもとに、（８）式により検知遅れ時間ｔｒを算出する。算出したｔｒは、検知遅れ時間算出部３ｈに記憶する。
Ｓ１０８では、周期補正量Ｎを０に設定する。
Ｓ１０９では、受信時点ｔｄａの変化の折り返しを検出し、その折り返しの方向、すなわち、検出判定値ａの差（＝ａｎ−ａｎ−１）の値及びその極性に応じて周期補正量Ｎに１を加算し、又はＮから１を減算する。すなわち、被験流体の濃度が上昇し、音速Ｃｇが上昇する場合は、この差が１以上であるときにＮに１を加算し、受信時点ｔｄａの特定に受信波Ｗｒの１周期相当の遅れが生じたことを記憶する。他方、Ｃｇが低下する場合は、この差が−１以下であるときにＮから１を減算し、ｔｄａの特定にＷｒの１周期相当の進みが生じたことを記憶する。結果、このＮは、校正時に得られた基準となる受信波Ｗｒに対し、計測時に得られたＷｒに何周期相当の位相のずれが生じたかを示すことになる。なお、このステップで算出されるＮは、周期補正量Ｎの「基本値」を与えるものである。
【００３８】
Ｓ１１０では、Ｓ１０９で算出したＮに後述する補正量調整ルーチンで算出される音速調整量ΔＮを加算する。
Ｎ＝Ｎ＋ΔＮ ・・・（１７）
Ｓ１１１では、受信時間ｔｄ、検知遅れ時間ｔｒ及び（ΔＮによる補正後の）周期補正量Ｎをもとに、（７）式により伝搬時間ｔ（＝ｔ１，ｔ２）を算出する。
【００３９】
Ｓ１１２では、調整実行フラグＦＬＧが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ１１３へ進み、０でないときは、このルーチンを終了する。このＦＬＧは、補正量調整ルーチンで０又は１に設定されるものである。音速調整量ΔＮによる周期誤差の補正が行われている間、ＦＬＧが１に設定され、次のＳ１１３の処理による流量Ｑ等の演算が禁止される。このため、燃料電池の制御は、このΔＮによる補正の開始前に算出された流量Ｑ等に基づいて行われる。
【００４０】
Ｓ１１３では、算出したｔをもとに、（３）〜（６）式により被験流体の流量Ｑ及び濃度ρを算出する。
図７は、補正量調整ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１１１ａでは、第１の音速Ｃｇ１を読み込む。Ｃｇ１は、トランスデューサ２ａ，２ｂの間での超音波Ｗｔの送受信毎に、伝搬時間ｔ１，ｔ２に基づいて（１６）式により算出され、音速記憶部３ｎに記憶されている。
【００４１】
Ｓ１１１ｂでは、第２の音速Ｃｇ２を算出する。Ｃｇ２は、トランスデューサ２ｃを送信用に選択した場合に得られる伝搬時間ｔ（＝ｔ３）をもとに、（１３）式により算出される。
Ｓ１１１ｃでは、読み込んだＣｇ１と算出したＣｇ２との差の絶対値ＡＢＳ（＝｜Ｃｇ１−Ｃｇ２｜）が所定の値Ｃｔｈよりも大きいか否かを判定する。Ｃｔｈよりも大きいときは、Ｓ１１１ｄへ進み、Ｃｔｈ以下であるときは、Ｓ１１１ｈへ進む。
【００４２】
Ｓ１１１ｄでは、受信波Ｗｒの位相に１周期を超えるずれが生じた（言い換えれば、１回以上の折り返しの未検出があった）として、調整実行フラグＦＬＧを１に設定し、この１周期超過分のずれを解消するための処理を行う。
Ｓ１１１ｅでは、第１の音速Ｃｇ１が第２の音速Ｃｇ２よりも大きいか否かを判定する。Ｃｇ２よりも大きいときは、Ｓ１１１ｆへ進み、Ｃｇ２以下であるときは、Ｓ１１１ｇへ進む。
【００４３】
Ｓ１１１ｆでは、実際の値よりも高い音速Ｃｇのもとで伝搬時間ｔ１，ｔ２が測定されたことになるので、音速調整量ΔＮを−１に設定し、受信時点ｔｄａが早まる方向の周期誤差を調整する。
Ｓ１１１ｇでは、実際の値よりも低いＣｇのもとでｔ１，ｔ２が測定されたことになるので、ΔＮを１に設定し、ｔｄａが遅れる方向の周期誤差を調整する。
【００４４】
Ｓ１１１ｈでは、Ｗｒの位相に１周期を超える大きなずれは生じていない、又はそのような大きなずれのΔＮによる調整が終了したとして、調整実行フラグＦＬＧを０に設定する。
Ｓ１１１ｉでは、ΔＮを０に設定する。
本実施形態に関し、図３に示す受信検知部３ｃが「受信時点特定手段」に、音速記憶部３ｎが「音速算出手段」に、音速算出部３ｊが「音速測定手段」に、補正量算出部３ｉ、誤差判定部３ｋ及び調整量算出部３ｌが「周期誤差補正手段」に（このうち、補正量算出部３ｉが「基本補正量算出手段」に、調整量算出部３ｌが「音速調整量算出手段」に相当する。）、流量・濃度演算回路４が「演算手段」及び「出力保持手段」に相当する。
【００４５】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、超音波Ｗｔの発射後、検知許可時刻ｔｇａを終期とする所定の禁止期間ｔｇが経過するまでの間、受信時点ｔｄａの特定を禁止し、このｔｇの経過後の波を対象にｔｄａの特定を許可することとしたので、この特定に対するノイズの影響を回避し、ｔｄａを正確に特定することができる。また、禁止期間ｔｇの採用に伴い、被験流体の音速Ｃｇの変化により受信波Ｗｒの位相に１周期を超える大きなずれが生じた場合に、音速調整量ΔＮによりこのずれに起因するｔｄａの周期誤差を補正し、伝搬時間ｔ１，ｔ２の測定精度を維持することができる。
【００４６】
また、音速調整量ΔＮの算出に関し、流量計測用のものとは別に調整用のトランスデューサ２ｃ，２ｄを採用し、かつこのトランスデューサ２ｃ，２ｄを、トランスデューサ２ａ，２ｂの間の距離Ｌｍ１よりも短い距離Ｌｍ２で設置したので、１周期超過分のずれを的確に解消することができる。
更に、２つの音速Ｃｇ１，Ｃｇ２の差の絶対値ＡＢＳが所定の値Ｃｔｈよりも大きいときにのみ、音速調整量ΔＮによる調整を行うこととしたので、頻繁な調整による流量演算等への悪影響を回避することができる。
【００４７】
更に、ΔＮによる調整が終了するまでの間、計測装置１０１の出力としてこの調整の開始前に算出された流量Ｑ等を保持することとしたので、流量Ｑ等を基礎情報とする制御又は動作（燃料電池の制御、モニターの表示）を安定させることができる。
なお、ここでは、周期補正量として無次元数Ｎを採用し、音速調整量ΔＮによりこのＮを１ずつ増減させて受信時点ｔｄａの周期誤差を補正することとしたが、周期補正量は、Ｎに限らず、時間ｔｃとして定めることもできる。この場合は、Ｃｇ１及びＣｇ２の差の絶対値ＡＢＳ（＝｜Ｃｇ１−Ｃｇ２｜）と所定の値Ｃｔｈとの比較の結果に応じ（図７のＳ１１１ｃ）、次式（１８）により受信波Ｗｒの周期ｔｐをｔｃから減算し、又はこれをｔｃに加算すればよい。補正後のｔｃは、（７）式に代入され、伝搬時間ｔの算出に反映される。
【００４８】
ＡＢＳ＞Ｃｔｈ、かつＣｇ１＞Ｃｇ２；
ｔｃ＝ｔｃ−ｔｐ
ＡＢＳ＞Ｃｔｈ、かつＣｇ１≦Ｃｇ２；
ｔｃ＝ｔｃ＋ｔｐ ・・・（１８）
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００４９】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る計測コントローラ５の構成をブロック毎に示している。計測コントローラ５以外の計測装置１０１の構成は、第１の実施形態のものと同様である。本実施形態では、周期誤差の補正を、禁止期間ｔｇ（又は検知許可時刻ｔｇａ）を変更することにより行う。すなわち、受信波Ｗｒの周期遷移による誤差を補正するため、以上では、周期補正量Ｎにより検知遅れ時間ｔｒ（又は受信時点ｔｄａ）を補正することとしたが（（７）式）、ここでは、このＮによりｔｇを延長又は短縮する。このため、先頭波Ｓ１の到達時刻から受信時点ｔｄａまでの時間が一定となり、伝搬時間ｔを算出する下式（１９）において、ｔｒの補正のための時間ｔｃは、登場しない。
【００５０】
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ ・・・（１９）
計測コントローラ５は、図９に示す構成を有し、図６に示す基本ルーチンに従い計測制御を実行する。図９において、方向切替スイッチ３ａにより２つのトランスデューサ２ａ，２ｂのうちから送信用のトランスデューサが選択され、超音波Ｗｔが発射される。受信用に選択されたトランスデューサから出力された受信信号ｓは、受信検知部３ｅに入力され、矩形信号Ｓｂに変換される。変換されたＳｂは、受信時間測定部３ｆに出力され、これに基づいて禁止期間ｔｇが経過した後の受信時点ｔｄａが特定される。特定されたｔｄａは、伝搬時間算出部３ｇに出力され、伝搬時間ｔの算出に用いられる。流量・濃度演算回路４は、算出されたｔに基づいて被験流体の流量Ｑ及び濃度ρを算出する。
【００５１】
他方、補正量算出部３ｉは、第１の実施形態におけると同様に、折返検出期間（＝ｔｇａ〜ｔｇａ＋ｔｐ）における受信時点ｔｄａの変化の履歴をもとに、ｔｄａの折り返しを検出して、周期補正量Ｎを算出する（図６のＳ１０９）が、算出したＮを禁止期間設定部３ｄに出力する。周期補正量Ｎが校正時を基準とした被験流体の音速Ｃｇの変化に対する補正量であることは、第１の実施形態におけると同様である（Ｓ１０８）。また、調整量算出部３ｌから第１及び第２の音速Ｃｇ１，Ｃｇ２の差に応じた音速調整量ΔＮを入力し、入力したΔＮにより周期補正量Ｎを補正する（Ｓ１１０、図７のＳ１１１ｃ〜Ｓ１１１ｇ）。
【００５２】
禁止期間設定部３ｄは、ΔＮによる補正後の周期補正量Ｎを入力し、これをもとに、次式（２０）により禁止期間ｔｇの長さを変更する。このため、次回の計測において、変更後のｔｇにより受信時点ｔｇａが特定されることになるので、ｔｇａにおける周期誤差が解消される。
ｔｇ＝ｔｇ−Ｎ×ｔｐ ・・・（２０）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る計測装置１０１の構成を示している。本実施形態では、流量計測用の一対のトランスデューサ２ａ，２ｂ以外に、調整用の一対のトランスデューサ２ｂ，２ｃを採用し、かつ流量計測用のものと調整用のものとで一方のトランスデューサ２ｂを共用することとしている。測定管１の中心軸に対し、第１の超音波伝搬線Ａｔ１を傾斜させる一方、第２の超音波伝搬線Ａｔ２を垂直に設定し、Ａｔ１上で下流側に位置するトランスデューサ（すなわち、第２のトランスデューサ）２ｂを共用している。計測コントローラ５の構成、計測制御の基本ルーチン及び補正量調整ルーチンの流れは、第１の実施形態におけると同様である。本実施形態によれば、使用するトランスデューサ２ａ〜２ｃの数が少なくて済むため、第１の実施形態のものに対し、製作費用を削減することができる。
【００５３】
更に、別の実施形態として、第１の実施形態で折り返しの検出及び音速Ｃｇ１，Ｃｇ２の差に応じた調整により得られた周期補正量Ｎを、受信時間ｔｄ及び検知遅れ時間ｔｒをもとに、下式（２１）により直接的に算出することとしてもよい。ｔａは、被験流体の実際の音速Ｃｇのもとで得られる超音波Ｗｔの伝搬時間であり、密度センサ等により検出したＣｇをもとに、下式（２２）により算出することができる。調整用に採用されたトランスデューサ２ｃ，２ｄの間の距離が受信波Ｗｒの周期遷移が生じないほどに短く、実際の音速Ｃｇを測定可能である場合は、トランスデューサ２ｃ，２ｄにより測定されたＣｇを採用することができる。なお、（２１）式において、ＩＮＴは、小数点以下を切り捨て、整数部分を抽出する演算子である。
【００５４】
Ｎ＝ＩＮＴ｛（ｔｄ−ｔｒ−ｔａ）／ｔｐ｝ ・・・（２１）
ｔａ＝Ｌｍ１／Ｃｇ ・・・（２２）
以上では、判定閾値Ｃｔｈを一定としたが、図１１に示す傾向を持たせたテーブルデータの検索によりこれを可変としてもよく、被験流体の音速Ｃｇがある程度の幅をもって変動する場合に、周期補正量Ｎの調整に適度な不感帯を設定し、流量Ｑ等の計測を安定させることができる。Ｃｔｈは、Ｃｇ２に対して受信波Ｗｒの１周期相当の差を持たせた音速として定められるので、下式（２３）により算出することができる。図１１は、この（２３）式が示すＣｔｈの特性を示しており、Ｃｔｈは、Ｃｇ２が増大するほど、大きな値として設定され、かつＣｇ２の増大に対して指数曲線的に変化する。
【００５５】
Ｃｔｈ＝Ｃｇ２−（Ｌｍ２／（Ｌｍ２／Ｃｇ２＋ｔｐ）） ・・・（２３）
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成
【図２】同上実施形態に係る受信時点の特定原理及び伝搬時間の説明
【図３】同上実施形態に係る計測コントローラの構成
【図４】受信時点の特定に関する信号処理の説明
【図５】折り返しの検出に関する信号処理の説明
【図６】計測制御の基本ルーチンのフローチャート
【図７】補正量調整ルーチンのフローチャート
【図８】計測制御の各処理の順を示すタイムチャート
【図９】本発明の第２の実施形態に係る計測コントローラの構成
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成
【図１１】判定閾値Ｃｔｈの設定テーブル
【符号の説明】
【００５７】
１０１…超音波流体計測装置、１…測定管、１ａ〜１ｄ…トランスデューサケース、２ａ〜２ｄ…トランスデューサ、３…伝搬時間測定回路、４…流量・濃度演算回路、５…計測コントローラ、６…配管、７…方向切換弁、８…配管、９…タンク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流体計測装置に関し、詳細には、超音波の受信信号に重畳するノイズの影響によらず、流量演算等の基礎となる超音波の伝搬時間を正確に測定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対のトランスデューサを流れの方向にずらして配置し、上流側のトランスデューサから流れに対して順方向に超音波を発射し、これが下流側のトランスデューサにより受信されるまでの第１の伝搬時間を測定するとともに、下流側のトランスデューサから流れに対して逆方向に超音波を発射し、これが上流側のトランスデューサにより受信されるまでの第２の伝搬時間を測定し、測定された各伝搬時間をもとに、被験流体の流量等を算出する流体計測装置が知られている。この超音波流体計測装置では、第１及び第２の伝搬時間を測定する際に、ゼロクロス点と呼ばれる、トランスデューサの出力電圧がゼロレベルを過ぎる時点を特定し、超音波が発射された時点からこのゼロクロス点までの経過時間を測定する。受信側のトランスデューサへの先頭波の到達時点からゼロクロス点までの時間を検知遅れ時間として設定し、測定した経過時間からこの検知遅れ時間を減算して、伝搬時間を算出する。
【０００３】
このため、正確な流量等の算出には、ゼロクロス点を正確に特定することが重要となる。被験流体の温度、圧力の変化又はトランスデューサの劣化等に対応してゼロクロス点が特定される超音波流体計測装置として、次のものが知られている。すなわち、前回の計測時に得られた受信信号の最大振幅を検出し、検出した最大振幅に基づいてゼロクロス点を特定する際の判定の基準となる閾値を算出する。受信信号が算出した閾値を超えた直後にゼロレベルを過ぎる時点をゼロクロス点として特定するのである（特許文献１）。被験流体の温度等の変化に対し、受信信号の大きさが相対的に変化するものの、その位相は不変であることから、ゼロクロス点の特定精度を維持することができる。
【特許文献１】特開２００２−３２３３６１号公報（段落番号００２６，００２７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この公知の超音波流体計測装置には、次のような問題がある。すなわち、被験流体として水素ガス等の音響エネルギーの減衰が大きい流体を採用する場合は、受信信号の大きさが減少する一方、これに重畳する電磁ノイズ又は音響ノイズが相対的に大きくなり、ゼロクロス点の正確な特定が困難となることである。水素ガス等を被験流体とする場合は、音響減衰により受信信号自体が小さくなることで、その周期毎の振幅増加量が減少し、ノイズの大きさがこれを上回るからである。このため、先頭波の到達から６周期目の波でゼロクロス点が特定されるように設定した場合を想定すると、重畳したノイズの大きさ次第では、その１つ前の５周期目の波でゼロクロス点が特定されることが考えられる。他方、ノイズの影響緩和を狙いとして、判定閾値を大きめに設定したとすると、受信信号の大きさのばらつき等により、本来の６周期目ではなく、その１つ後の７周期目でゼロクロス点が特定されることが考えられる。このように特定されたゼロクロス点に含まれる誤差は、受信信号の１周期相当分を単位とする大きな計測誤差を来す。水素ガス等の流体は、音速が高いことが一般的に知られているが、このような音速の高い被験流体において、ゼロクロス点に含まれる誤差が流量等の計測精度に及ぼす影響がより顕著となることは、超音波流体計測装置に関する流量等の一般式から容易に理解し得るところである。また、装置自体が小型であり、トランスデューサの間隔が短い場合も、この影響が顕著となる。
【０００５】
本発明は、受信時点の特定に対するノイズの影響を回避するとともに、これに関連して生じる場合のある受信信号の周期遷移による誤差を補正することで、超音波の伝搬時間を正確に測定し、被験流体の流量等を高い精度で測定することのできる超音波流体計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、超音波流体計測装置を提供する。本発明に係る装置は、被験流体の測定管を横断させて超音波伝搬線（すなわち、第１の超音波伝搬線）が設定されるとともに、この超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、超音波伝搬線上でこの第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサとを含んで構成される。第１のトランスデューサ又は第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサが出力を発生した後、所定の検知許可時刻以降の周期の波における受信時点を特定する。第１のトランスデューサから発射された超音波に関して特定した受信時点と、第２のトランスデューサから発射された超音波に関して特定した受信時点とをもとに、被験流体に関する音速換算値を第１の音速として算出する。被験流体の音速を参照上の第２の音速として測定し、算出した第１の音速及び測定した第２の音速をもとに、特定した受信時点の周期誤差を補正する。この周期誤差を補正した受信時点をもとに、被験流体に関する所定の演算を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、受信時点の特定を所定の検知許可時刻以降の周期の波を対象に行うことで、この特定に対するノイズの影響を回避し、受信時点を正確に特定することができる。また、検知許可時刻の採用に伴い、被験流体の音速等の変化により受信信号の位相に大きなずれが生じた場合に、このずれに起因して特定した受信時点に周期誤差が生じることとなるが、第１及び第２の音速に基づいてこの周期誤差を補正し、伝搬時間の測定精度を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
以下の説明において、Ｌｍは、超音波の送受信を行うトランスデューサ（超音波振動子）の間の距離を、Ｃｇは、被験流体の音速を、Ｖｇは、被験流体の流速を、Ｔｇは、被験流体の温度を、Ｃｗは、被験流体の湿度を示す。また、θは、測定管１の中心軸と第１の超音波伝搬線Ａｔ１とのなす角を示す。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置（以下、単に「計測装置」という。）１０１の構成を示している。本実施形態では、「被験流体」として、水素ガスを採用することとしている。計測装置１０１を燃料電池のアノード配管に設置することで、燃料ガスとしての水素ガスの流量等を検出することができる。本実施形態では、この場合を想定し、「被験流体」として、特に湿度を持たせた水素ガスを採用する。
【００１０】
測定管１は、流量等の計測用通路を形成するものであり、軸方向の各端に形成されたフランジ（図示せず。）により、隣接する配管６（図１には、上流側のもののみを示す。）に接続されている。上流側の配管６には、方向切換弁７が介装されており、測定管１は、方向切換弁７により、配管６と他の配管８とに対して選択的に接続されるように構成されている。他の配管８には、窒素ガスを充填したタンク９が接続されており、タンク９内の窒素ガスを測定管１に流通させることができる。配管６は、図示しない燃料電池のアノード配管に接続されており、配管６を介して所定の湿度を持たせた水素ガスを測定管１に流通させることができる。なお、タンク９内の窒素ガスは、後述する検知遅れ時間ｔｒの校正処理に際して校正流体として採用され、他の配管８を介して測定管１に供給される。
【００１１】
測定管１は、直線状の中心軸との間に角度θを形成する軸（第１の超音波伝搬軸Ａｔ１に一致する。）を中心として、流れの方向に関して前後にずれた２箇所で筒状に膨出している。このように形成される一対のトランスデューサケース１ａ，１ｂに、第１のトランスデューサ２ａと、第２のトランスデューサ２ｂとが夫々収納されている。
各トランスデューサ２ａ，２ｂは、測定用超音波Ｗｔを発生させる振動板を含んで構成され、伝搬時間測定回路３及び流量・濃度演算回路４を含んで構成される計測コントローラ５に接続されている。計測コントローラ５は、各トランスデューサ２ａ，２ｂに対し、超音波Ｗｔを発射させるための駆動信号を発生させるとともに、発射された超音波Ｗｔを受信したトランスデューサから出力された受信信号ｓ１，ｓ２を入力する。各トランスデューサ２ａ，２ｂは、計測コントローラ５からの駆動信号を受け、第１の超音波伝搬線Ａｔ１に沿って超音波Ｗｔを発射する。計測コントローラ５は、入力した受信信号ｓ１，ｓ２をもとに、測定管１を流れる被験流体の流量Ｑ及び密度ρを算出し、出力する。密度ρは、被験流体の濃度に相関する。出力された流量Ｑ等は、図示しないモニターに表示されるか、あるいは燃料電池のコントローラに出力され、燃料電池の制御に反映される。
【００１２】
また、本実施形態では、第１の超音波伝搬線Ａｔ１に加え、測定管１の中心軸に対して垂直に第２の超音波伝搬線Ａｔ２が設定されており、この中心軸を基準とする各側で測定管１を筒状に膨出させて、トランスデューサケース１ｃ，１ｄが形成されている。この一対のトランスデューサケース１ｃ，１ｄに、第１及び第２のトランスデューサ１ａ，１ｂと同様の構成の第３のトランスデューサ２ｃ及び第４のトランスデューサ２ｄが夫々収納されている。第３及び第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄは、後述する周期補正量Ｎの調整処理に際して参照として採用される「第２の音速（Ｃｇ２）」を測定するためのものである。第３及び第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄは、第１及び第２のトランスデューサ２ａ，２ｂと同様に、計測コントローラ５からの駆動信号を受け、第２の超音波伝搬線Ａｔ２に沿って超音波Ｗｔを発射する。発射された超音波Ｗｔを受信したトランスデューサにより、計測コントローラ５に対して受信信号ｓ３，ｓ４が出力される。
【００１３】
ここで、計測装置１０１による流量Ｑ及び密度ρの検出原理について、図２を参照して説明する。
図２は、超音波の送信波Ｗｔ及び受信波Ｗｒ１，Ｗｒ２を示している。第１のトランスデューサ２ａから流れに対して順方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波をＷｒ１とし、第２のトランスデューサ２ｂから流れに対して逆方向に超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信波をＷｒ２とする。超音波Ｗｔが発射された後、受信信号ｓ１，ｓ２が所定のレベルＶｔｈに達した後の時点（ここでは、その後の最初の立ち下がりのゼロクロス点）を受信時点ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａとして特定し、受信側のトランスデューサにより先頭の超音波（以下「先頭波」という。）が受信されてから受信時点ｔｄ１ａ，ｔｄ２ａが特定されるまでの時間を検知遅れ時間ｔｒ１，ｔｒ２とし、超音波Ｗｔが発射されてから先頭波が受信側のトランスデューサに到達するまでの時間を伝搬時間ｔ１，ｔ２とする。既述の通り被験流体の音速及び流速、超音波Ｗｔの伝搬距離をＣｇ，Ｖｇ，Ｌｍとすると、超音波Ｗｔを順方向に発射したときと、逆方向に発射したときとで、これらの時刻ｔｄａ及び時間ｔｒ，ｔの間には、下式（１）及び（２）の関係が成り立つ。なお、本実施形態では、所定のレベルＶｔｈによる受信時点ｔｄａの特定に代え、受信波Ｗｒの振幅が信号処理上充分な大きさを持つに至る時刻をトランスデューサの特性に基づいて設定し、これを「検知許可時刻」として、検知許可時刻ｔｇａ（図４）後のゼロクロス点を特定することとしている。
【００１４】
ｔｄ１＝ｔ１＋ｔｒ１
＝Ｌｍ／（Ｃｇ＋Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ１ ・・・（１）
ｔｄ２＝ｔ２＋ｔｒ２
＝Ｌｍ／（Ｃｇ−Ｖｇ×ｃｏｓθ）＋ｔｒ２ ・・・（２）
流量Ｑを検出する場合は、（１）及び（２）式をもとに、流速Ｖｇに関する次式（３）を得る。
【００１５】
Ｖｇ＝{Ｌｍ／（２×ｃｏｓθ）}×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）−１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（３）
（３）式により算出した流速Ｖｇを次式（４）に代入し、流量Ｑを算出する。なお、測定管１の断面積をＡとし、測定管１における流速分布係数をＫとする。
Ｑ＝Ｖｇ×Ａ×Ｋ ・・・（４）
他方、密度ρを検出する場合は、次式（５）により音速Ｃｇを算出する。
【００１６】
Ｃｇ＝（Ｌｍ／２）×｛１／（ｔｄ１−ｔｒ１）＋１／（ｔｄ２−ｔｒ２）｝ ・・・（５）
（５）式により算出した音速Ｃｇを次式（６）に代入し、密度ρを算出する。なお、比熱比をγとし、ガス定数をＲとし、温度をＴとする。
ρ＝γ×｛Ｒ×Ｔ／（２２．４×Ｃｇ２）｝ ・・・（６）
本実施形態では、超音波伝搬線Ａｔ（すなわち、第１の超音波伝搬線Ａｔ１）を直線状に設定し、一対のトランスデューサ２ａ，２ｂを、中心軸を基準とした測定管１の各側に配置している。しかしながら、このような配置に限らず、超音波伝搬線Ａｔを測定管１の内壁上で屈曲させて設定することで、双方のトランスデューサ２ａ，２ｂを測定管１の片側のみに配置してもよい。
【００１７】
図３は、計測コントローラ５の構成をブロック毎に示している。計測コントローラ５の構成について、図４に示すタイムチャートを参照しつつ、図３により説明する。
本実施形態では、計測コントローラ５に対し、超音波Ｗｔの発射後、検知許可時刻ｔｇａ前における受信時点ｔｄａの特定を禁止する機能を持たせ、受信波Ｗｒに重畳したノイズにより誤った受信時点が特定されるのを回避することとしている。また、濃度等の変化により被験流体の音速に変化が生じた場合に、特定した受信時点ｔｄａに含まれる周期誤差を補正する機能を持たせ、受信時点ｔｄａの変化に後述する「折り返し」が生じた場合に、この折り返しによる伝搬時間ｔの測定誤差を解消することとしている。なお、この折り返しは、音速の変化に限らず、被験流体の流量の変化によっても生じる場合があるが、ここでは、音速の変化により代表して説明する。
【００１８】
方向切替スイッチ３ａは、第１及び第２のトランスデューサ２ａ，２ｂのうち一方（たとえば、トランスデューサ２ｂ）を送信用に設定するとともに、他方（２ａ）を受信用に設定する。
送信駆動部３ｂは、送信用に選択されたトランスデューサ２ｂに対する駆動信号を発生させる。発生した駆動信号は、方向切替スイッチ３ａを介してトランスデューサ２ｂに出力され、このトランスデューサ２ｂから超音波Ｗｔが発射される（時刻ｔ０）。送信駆動部３ｂは、駆動信号の発生と同時に、受信制御部３ｃ及び受信時間測定部３ｆに対し、計時開始信号ｓｔａｒｔを出力する。
【００１９】
受信制御部３ｃは、次の受信検知部３ｅに対し、超音波Ｗｔの発射（すなわち、ｓｔａｒｔの入力）から所定の検知許可時刻ｔｇａに至るまでの間、受信時点ｔｄａの特定を禁止する受信制御信号Ｓｇを出力する。Ｓｇは、この禁止期間ｔｇに亘りＬｏレベルに設定され、禁止期間ｔｇの経過に伴いＨｉレベルに切り換えられる。ＳｇがＬｏレベルに設定されている間、受信検知部３ｅによる受信時点ｔｄａの特定が禁止され、ＳｇがＨｉレベルに切り換えられることで、この特定が許可される。ｔｇの長さは、禁止期間設定部３ｄにより設定される。本実施形態では、禁止期間設定部３ｄは、ｔｇとして、超音波Ｗｔの発射後、受信信号ｓ（＝ｓ１）が重畳するノイズに対して充分な大きさを持つに至るまでの長さに相当する所定の値を保持する。
【００２０】
受信検知部３ｅは、方向切替スイッチ３ａにより受信用に選択されたトランスデューサ２ａから受信信号ｓを入力する。受信検知部３ｅは、受信制御部３ｃから入力した受信制御信号Ｓｇが禁止の解除を示すＨｉレベルに切り換えられるまで、受信信号ｓを矩形信号Ｓｂに変換しつつ、受信時点ｔｄａの特定を留保する。ＳｇがＨｉレベルに切り換えられた後、最初に得られた矩形信号Ｓｂ（＝Ｐ６）の立ち上がり点Ｃ１（又は立ち下がり点）を受信時点ｔｄａ（＝ｔｄ２ａ）として特定するとともに、特定した受信時点ｔｄａにおいて、受信時間測定部３ｆに対し、計時終了信号ｓｔｏｐを出力する。
【００２１】
受信時間測定部３ｆは、計時開始信号ｓｔａｒｔの入力によりタイマーを作動させるとともに、計時終了信号ｓｔｏｐの入力によりこのタイマーを停止させ、計時結果の時間ｔｄ（＝ｔｄ２）を受信時間として伝搬時間算出部３ｇ（及び後述する検知遅れ時間算出部３ｈ、補正量算出部３ｉ、音速算出部３ｊ）に出力する。
伝搬時間算出部３ｇは、受信時間ｔｄ、検知遅れ時間ｔｒ（＝ｔｒ２）及び周期補正量Ｎをもとに、下式（７）により伝搬時間ｔ（＝ｔ２）を算出するとともに、算出したｔをこの伝搬時間測定回路３の演算結果として流量・濃度演算回路４に出力する。ｔｒは、後述する校正処理に従い検知遅れ時間算出部３ｈにより算出され、Ｎは、被験流体の音速の変化に起因する受信時点ｔｄａの周期誤差を補正するためのものとして、補正量算出部３ｉにより算出される。なお、受信波Ｗｒ（＝Ｗｒ２）の周期をｔｐとする。
【００２２】
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ−ｔｃ
＝ｔｄ−ｔｒ−Ｎ×ｔｐ ・・・（７）
検知遅れ時間算出部３ｈは、校正処理により、測定管１に音速Ｃｇｃａｌが既知の校正流体（ここでは、窒素ガス）を充填した状態で超音波Ｗｔを発射した場合に得られる受信時間ｔｄｃａｌをもとに、既知の音速Ｃｇｃａｌに基づいて得られる伝搬時間ｔｃａｌをこのｔｄｃａｌから減算することで、検知遅れ時間ｔｒを算出する。検知遅れ時間算出部３ｈは、算出したｔｒを保持する。音速Ｃｇｃａｌは、乾燥状態での音速Ｃｇ０を校正流体の実際の温度Ｔｇ及び湿度Ｃｗ等により補正して算出することができる。この校正処理は、校正流体の流れのない状態で行うのが好ましい。
【００２３】
ｔｒ＝ｔｄｃａｌ−ｔｃａｌ ・・・（８）
ｔｃａｌ＝Ｌｍ１／Ｃｇｃａｌ ・・・（９）
また、検知遅れ時間ｔｒの算出は、下式（１０）又は（１１）により簡単に行うこととしてもよい。すなわち、矩形信号Ｓｂの立ち上がり点Ｃ１を受信時点ｔｄａとして特定する場合のｔｒは、（１０）式により、受信波Ｗｒの周期ｔｐに整数ｎを乗算することにより与えられる。他方、矩形信号Ｓｂの立ち下がり点を受信時点ｔｄａとして特定する場合のｔｒは、（１１）式により、Ｗｒの半周期ｔｐ／２に整数ｍを乗算することにより与えられる。たとえば、図４に示す例において、先頭波Ｓ１から６周期目の波Ｓ６の立ち上がり点Ｃを受信時点ｔｄａ（＝ｔｄ２ａ）として特定する場合のｔｒは、（１０）式によりｔｒ＝５×ｔｐとして与えられる。
【００２４】
ｔｒ＝ｎ×ｔｐ ・・・（１０）
ｔｒ＝ｍ×ｔｐ／２ ・・・（１１）
補正量算出部３ｉは、校正時を基準とした被験流体の音速Ｃｇの変化に対する補正量として周期補正量Ｎを算出し、算出したＮを伝搬時間算出部３ｇに出力する。本実施形態では、Ｎは、受信時点ｔｄａの「折り返し」に対する基本補正量Ｎを、「第２の音速」Ｃｇ２を参照して得られる音速調整量ΔＮにより補正して算出する。ΔＮは、後述する調整量算出部３ｌにより算出される。
【００２５】
Ｎ＝Ｎ＋ΔＮ ・・・（１２）
音速算出部３ｊは、第３又は第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄのうち一方（ここでは、トランスデューサ２ｃ）を送信用に設定して超音波Ｗｔを発射した場合に以上と同様にして得られる受信時間ｔｄを入力し、下式（１３）及び（１４）により第２の音速Ｃｇ２を算出する。音速算出部３ｊは、算出したＣｇ２を誤差判定部３ｋに出力する。なお、（１４）式において、ｔｒとして検知遅れ時間算出部３ｈにより保持されるｔｒが、Ｎとして補正量算出部３ｉにより前回の計測時に算出された周期補正量Ｎが採用される。また、本実施形態では、第２の超音波伝搬線Ａｔ２が測定管１の中心軸に対して垂直に設定されており、超音波Ｗｔの伝搬方向により受信時間ｔｄに差が生じないため、（１３）式の１つにより音速Ｃｇ２を算出することとしている。しかしながら、Ａｔ２は、中心軸に対して傾斜させて設定することもでき、この場合は、第３及び第４のトランスデューサ２ｃ，２ｄから超音波Ｗｔを発射した場合の各受信時間ｔｄ３，ｔｄ４をもとに、下式（１５）により音速Ｃｇ２を算出する。
【００２６】
Ｃｇ２＝Ｌｍ２／ｔ ・・・（１３）
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ−Ｎ×ｔｐ ・・・（１４）
Ｃｇ２＝（Ｌｍ２／２）×（１／ｔ３＋１／ｔ４） ・・・（１５）
誤差判定部３ｋは、第２の音速Ｃｇ２と「第１の音速」Ｃｇ１とを比較し、被験流体の音速に、受信波Ｗｒ（＝Ｗｒ２）の位相に１周期を超えるずれを与えるだけの変化が生じたか否かを判定する。本実施形態では、この判定として、Ｃｇ１，Ｃｇ２の差の絶対値ＡＢＳ（＝｜Ｃｇ１−Ｃｇ２｜）が所定の値（＝Ｃｔｈ）を超えるか否かを判定し、その判定結果を、Ｃｇ１，Ｃｇ２の各値とともに調整量算出部３ｌに出力する。音速Ｃｇ１は、伝搬時間算出部３ｇにより算出された伝搬時間ｔ１，ｔ２に基づいて下式（１６）により算出され、音速記憶部３ｎに保持されており、この判定に際して誤差判定部３ｋに入力される。
【００２７】
Ｃｇ１＝（Ｌｍ１／２）×（１／ｔ１＋１／ｔ２） ・・・（１６）
調整量算出部３ｌは、差の絶対値ＡＢＳが所定の値Ｃｔｈを超える場合に、この差（＝Ｃｇ１−Ｃｇ２）の極性に応じた音速調整量ΔＮを算出する。本実施形態では、補正量算出部３ｉにより、受信時点ｔｄａの変化の折り返しに対する基本補正量Ｎを算出することとするが、このＮによる周期誤差の補正は、性質上、１回の計測の間に、受信波Ｗｒの位相に１周期を超える（すなわち、２周期以上の）ずれが生じた場合に対応することができない（この点について、更に後述する。）。本実施形態に係る音速調整量ΔＮは、この１周期を超える分のずれを調整し、折り返しの検出漏れを補償するものである。調整量算出部３ｌは、算出したΔＮを補正量算出部３ｉに出力する。
【００２８】
流量・濃度演算回路４は、伝搬時間ｔ（＝ｔ１，ｔ２）をもとに、（３）〜（６）式により被験流体の流量Ｑ及び密度ρを算出する。流量・濃度演算回路４は、誤差判定部３ｋによる差の絶対値ＡＢＳが所定の値Ｃｔｈを超えるとの判定後、音速調整量ΔＮによる補正によりＡＢＳがＣｔｈ以下となるまでの間、この判定前に算出した流量Ｑ等を保持し、出力対象のデバイスに提供する。たとえば、燃料電池のコントローラに出力する場合に、誤った流量Ｑの出力を防止し、制御を安定させるためである。
【００２９】
ここで、周期補正量Ｎによる周期誤差の補正について、更に説明する。
図５は、計測時において、被験流体の濃度を増大させたときの受信波Ｗｒの位相の変化、及び信号処理の動作を示している。前回の計測で得られた受信波Ｗｒを点線で、今回の計測で得られた受信波Ｗｒ’を実線で示している。濃度の増大により被験流体の音速Ｃｇが上昇することで、受信波Ｗｒの位相が早まり、超音波Ｗｔの伝播時間ｔが短縮されている。
【００３０】
受信波Ｗｒのうち、先頭波Ｓ１から４周期目の波Ｓ４を対象とし、受信時点ｔｄａとして、その波Ｓ４の減少方向のゼロクロス点Ｆを採用する場合について説明する。前回の計測では、受信制御信号Ｓｇは、この４番目の周期において、ゼロクロス点Ｆに至る前にＨｉレベルに切り換えられており、受信時点ｔｄａの特定が許可されている。矩形信号Ｓｂは、この特定の許可に伴いＨｉレベルに遷移し、その直後の立ち下がり点ＩでＬｏレベルに遷移している。このため、矩形信号Ｓｂのうち、最初の立ち下がり点Ｉを検出することで、正確な受信時点ｔｄａを特定することができる。他方、今回の計測では、被験流体の音速Ｃｇが上昇したことで、受信波Ｗｒの位相が前回の計測時におけるよりも早まっている。このため、受信制御信号Ｓｇによる制約がないとすれば、音速Ｃｇの上昇に応じ、特定される受信時点ｔｄａも早まることとなる。しかしながら、このＣｇの変化が大きく、ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる時点ｔｇａが本来のゼロクロス点Ｆ’よりも遅くなったとすると、このＦ’後に受信時点ｔｄａの特定が許可されるため、次の５周期目の波Ｓ５に対応する矩形信号Ｐ５の立ち下がり点Ｊ’により受信時点ｔｄｂが特定されることとなり、特定されたｔｄｂには、受信波Ｗｒの１周期相当の誤差（＝ｔｃ）が含まれることとなる。このように特定された受信時点ｔｄａが本来の方向とは逆に変化することを、受信時点ｔｄａの「折り返し」という。
【００３１】
補正量算出部３ｉは、この折り返しを次のように検出し、受信時点ｔｄａの周期誤差を補正する。すなわち、補正量算出部３ｉに対し、受信制御信号ＳｇがＨｉレベルに切り換えられる時点（「検知許可時刻」に相当する。）ｔｇａを始期として、受信波Ｗｒの１周期相当の長さ（＝ｔｐ）を持たせた折返検出期間（＝ｔｇａ〜ｔｇａ＋ｔｐ）が設定されるとともに、この折返検出期間が３つに等分され、区間毎に対応させた検出判定値ａ＝１〜３が設定されている。ｔｇａから受信時点ｔｄａまでの時間ｔｍを算出するとともに、算出したｔｍに基づいてｔｄａがこの３つの区間のいずれにあるかを判定し、検出判定値ａを算出する。本実施形態では、ｔｇａから遅い区間に対する検出判定値ａほど大きな値に設定されている。音速Ｃｇの上昇により受信波Ｗｒの位相が早まる場合に、仮に折り返しが生じないとすれば、Ｃｇの上昇に伴い検出判定値ａは減少するはずであるから、今回の計測時と前回の計測時とで検出判定値ａの差（＝ａｎ−ａｎ−１：ｎは、計測の順を示す。）を算出すれば、この差は、１以下の値として与えられることとなる。このため、算出した差が２であるときは、受信時点ｔｄａの変化に折り返しが生じたと判定することができ、かつこの差の極性（＝＋，−）をもとに、折り返しの方向を判断することもできる。なお、折返検出期間を分割する数は、３に限らず、想定される音速Ｃｇの変化の大きさに応じ、適宜に設定することができる。
【００３２】
図５の説明から明らかなように、この折り返しの検出による補正の方法では、１回の計測の間に、受信波Ｗｒの位相に１周期を超える（すなわち、２周期以上の）ずれが生じた場合に対応することができない。受信時点ｔｄａの変化に２回以上の折り返しが生じた場合は、先の１回の折り返しは、検出漏れとしてカウントされないからである。調整量算出部３ｌは、第１及び第２の音速Ｃｇ１，Ｃｇ２をもとに、この１周期超過分のずれ（又は検出漏れ）を解消するための音速調整量ΔＮを算出する。
【００３３】
次に、計測コントローラ５の動作をフローチャートにより説明する。
図６は、計測制御に関する基本ルーチンのフローチャートである。なお、この基本ルーチン及び後述する補正量調整ルーチンによる超音波Ｗｔの送受信及び流量Ｑ等の演算は、時分割により行われる（図８）。計測コントローラ５は、計測装置１０１に対する電源の投入後、基本ルーチンを所定の時間毎に実行する。計測の開始に際し、計測コントローラ５は、検知遅れ時間ｔｒとして仮の値を設定する。
【００３４】
Ｓ１０１では、トランスデューサ２ａ，２ｂの間で超音波Ｗｔの伝搬方向を切り換えるとともに、トランスデューサ２ｃ，２ｄの間で超音波Ｗｔの伝搬方向を設定する。本実施形態では、第２の超音波伝搬線Ａｔ２が測定管１の中心軸に対して垂直に設定されているので、トランスデューサ２ｃを常に送信用として、トランスデューサ２ｄを常に受信用として採用する。
【００３５】
Ｓ１０２では、トランスデューサ２ａ〜２ｄのうち送信用に選択したものから超音波Ｗｔを発射させるとともに、タイマーをスタートさせ、受信時間ｔｄの測定を開始する。
Ｓ１０３では、禁止期間ｔｇが経過したか否かを判定する。経過したときは、Ｓ１０４へ進み、経過していないときは、ｔｇが経過するまで、このステップの処理を繰り返す。
Ｓ１０４では、矩形信号Ｓｇの立ち上がり点又は立ち下がり点により受信時点ｔｄａを特定し、超音波Ｗｔの発射時点ｔ０から特定したｔｄａまでの経過時間を受信時間ｔｄとして測定する。
【００３６】
Ｓ１０５では、校正時であるか、又は計測時であるかを判定する。校正時であるときは、Ｓ１０６へ進み、計測時であるときは、Ｓ１０９へ進む。校正時には、測定管１に校正流体である窒素ガスを充填し、計測時には、測定管１に被験流体である水素ガスを流通させる。
Ｓ１０６では、（９）式により、校正流体（音速Ｃｇｃａｌが既知である。）を媒体とした超音波Ｗｔの伝搬時間ｔｃａｌを算出する。
【００３７】
Ｓ１０７では、測定したｔｄ（＝ｔｄｃａｌ）及び算出したｔｃａｌをもとに、（８）式により検知遅れ時間ｔｒを算出する。算出したｔｒは、検知遅れ時間算出部３ｈに記憶する。
Ｓ１０８では、周期補正量Ｎを０に設定する。
Ｓ１０９では、受信時点ｔｄａの変化の折り返しを検出し、その折り返しの方向、すなわち、検出判定値ａの差（＝ａｎ−ａｎ−１）の値及びその極性に応じて周期補正量Ｎに１を加算し、又はＮから１を減算する。すなわち、被験流体の濃度が上昇し、音速Ｃｇが上昇する場合は、この差が１以上であるときにＮに１を加算し、受信時点ｔｄａの特定に受信波Ｗｒの１周期相当の遅れが生じたことを記憶する。他方、Ｃｇが低下する場合は、この差が−１以下であるときにＮから１を減算し、ｔｄａの特定にＷｒの１周期相当の進みが生じたことを記憶する。結果、このＮは、校正時に得られた基準となる受信波Ｗｒに対し、計測時に得られたＷｒに何周期相当の位相のずれが生じたかを示すことになる。なお、このステップで算出されるＮは、周期補正量Ｎの「基本値」を与えるものである。
【００３８】
Ｓ１１０では、Ｓ１０９で算出したＮに後述する補正量調整ルーチンで算出される音速調整量ΔＮを加算する。
Ｎ＝Ｎ＋ΔＮ ・・・（１７）
Ｓ１１１では、受信時間ｔｄ、検知遅れ時間ｔｒ及び（ΔＮによる補正後の）周期補正量Ｎをもとに、（７）式により伝搬時間ｔ（＝ｔ１，ｔ２）を算出する。
【００３９】
Ｓ１１２では、調整実行フラグＦＬＧが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ１１３へ進み、０でないときは、このルーチンを終了する。このＦＬＧは、補正量調整ルーチンで０又は１に設定されるものである。音速調整量ΔＮによる周期誤差の補正が行われている間、ＦＬＧが１に設定され、次のＳ１１３の処理による流量Ｑ等の演算が禁止される。このため、燃料電池の制御は、このΔＮによる補正の開始前に算出された流量Ｑ等に基づいて行われる。
【００４０】
Ｓ１１３では、算出したｔをもとに、（３）〜（６）式により被験流体の流量Ｑ及び濃度ρを算出する。
図７は、補正量調整ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１１１ａでは、第１の音速Ｃｇ１を読み込む。Ｃｇ１は、トランスデューサ２ａ，２ｂの間での超音波Ｗｔの送受信毎に、伝搬時間ｔ１，ｔ２に基づいて（１６）式により算出され、音速記憶部３ｎに記憶されている。
【００４１】
Ｓ１１１ｂでは、第２の音速Ｃｇ２を算出する。Ｃｇ２は、トランスデューサ２ｃを送信用に選択した場合に得られる伝搬時間ｔ（＝ｔ３）をもとに、（１３）式により算出される。
Ｓ１１１ｃでは、読み込んだＣｇ１と算出したＣｇ２との差の絶対値ＡＢＳ（＝｜Ｃｇ１−Ｃｇ２｜）が所定の値Ｃｔｈよりも大きいか否かを判定する。Ｃｔｈよりも大きいときは、Ｓ１１１ｄへ進み、Ｃｔｈ以下であるときは、Ｓ１１１ｈへ進む。
【００４２】
Ｓ１１１ｄでは、受信波Ｗｒの位相に１周期を超えるずれが生じた（言い換えれば、１回以上の折り返しの未検出があった）として、調整実行フラグＦＬＧを１に設定し、この１周期超過分のずれを解消するための処理を行う。
Ｓ１１１ｅでは、第１の音速Ｃｇ１が第２の音速Ｃｇ２よりも大きいか否かを判定する。Ｃｇ２よりも大きいときは、Ｓ１１１ｆへ進み、Ｃｇ２以下であるときは、Ｓ１１１ｇへ進む。
【００４３】
Ｓ１１１ｆでは、実際の値よりも高い音速Ｃｇのもとで伝搬時間ｔ１，ｔ２が測定されたことになるので、音速調整量ΔＮを−１に設定し、受信時点ｔｄａが早まる方向の周期誤差を調整する。
Ｓ１１１ｇでは、実際の値よりも低いＣｇのもとでｔ１，ｔ２が測定されたことになるので、ΔＮを１に設定し、ｔｄａが遅れる方向の周期誤差を調整する。
【００４４】
Ｓ１１１ｈでは、Ｗｒの位相に１周期を超える大きなずれは生じていない、又はそのような大きなずれのΔＮによる調整が終了したとして、調整実行フラグＦＬＧを０に設定する。
Ｓ１１１ｉでは、ΔＮを０に設定する。
本実施形態に関し、図３に示す受信検知部３ｃが「受信時点特定手段」に、音速記憶部３ｎが「音速算出手段」に、音速算出部３ｊが「音速測定手段」に、補正量算出部３ｉ、誤差判定部３ｋ及び調整量算出部３ｌが「周期誤差補正手段」に（このうち、補正量算出部３ｉが「基本補正量算出手段」に、調整量算出部３ｌが「音速調整量算出手段」に相当する。）、流量・濃度演算回路４が「演算手段」及び「出力保持手段」に相当する。
【００４５】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、超音波Ｗｔの発射後、検知許可時刻ｔｇａを終期とする所定の禁止期間ｔｇが経過するまでの間、受信時点ｔｄａの特定を禁止し、このｔｇの経過後の波を対象にｔｄａの特定を許可することとしたので、この特定に対するノイズの影響を回避し、ｔｄａを正確に特定することができる。また、禁止期間ｔｇの採用に伴い、被験流体の音速Ｃｇの変化により受信波Ｗｒの位相に１周期を超える大きなずれが生じた場合に、音速調整量ΔＮによりこのずれに起因するｔｄａの周期誤差を補正し、伝搬時間ｔ１，ｔ２の測定精度を維持することができる。
【００４６】
また、音速調整量ΔＮの算出に関し、流量計測用のものとは別に調整用のトランスデューサ２ｃ，２ｄを採用し、かつこのトランスデューサ２ｃ，２ｄを、トランスデューサ２ａ，２ｂの間の距離Ｌｍ１よりも短い距離Ｌｍ２で設置したので、１周期超過分のずれを的確に解消することができる。
更に、２つの音速Ｃｇ１，Ｃｇ２の差の絶対値ＡＢＳが所定の値Ｃｔｈよりも大きいときにのみ、音速調整量ΔＮによる調整を行うこととしたので、頻繁な調整による流量演算等への悪影響を回避することができる。
【００４７】
更に、ΔＮによる調整が終了するまでの間、計測装置１０１の出力としてこの調整の開始前に算出された流量Ｑ等を保持することとしたので、流量Ｑ等を基礎情報とする制御又は動作（燃料電池の制御、モニターの表示）を安定させることができる。
なお、ここでは、周期補正量として無次元数Ｎを採用し、音速調整量ΔＮによりこのＮを１ずつ増減させて受信時点ｔｄａの周期誤差を補正することとしたが、周期補正量は、Ｎに限らず、時間ｔｃとして定めることもできる。この場合は、Ｃｇ１及びＣｇ２の差の絶対値ＡＢＳ（＝｜Ｃｇ１−Ｃｇ２｜）と所定の値Ｃｔｈとの比較の結果に応じ（図７のＳ１１１ｃ）、次式（１８）により受信波Ｗｒの周期ｔｐをｔｃから減算し、又はこれをｔｃに加算すればよい。補正後のｔｃは、（７）式に代入され、伝搬時間ｔの算出に反映される。
【００４８】
ＡＢＳ＞Ｃｔｈ、かつＣｇ１＞Ｃｇ２；
ｔｃ＝ｔｃ−ｔｐ
ＡＢＳ＞Ｃｔｈ、かつＣｇ１≦Ｃｇ２；
ｔｃ＝ｔｃ＋ｔｐ ・・・（１８）
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００４９】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る計測コントローラ５の構成をブロック毎に示している。計測コントローラ５以外の計測装置１０１の構成は、第１の実施形態のものと同様である。本実施形態では、周期誤差の補正を、禁止期間ｔｇ（又は検知許可時刻ｔｇａ）を変更することにより行う。すなわち、受信波Ｗｒの周期遷移による誤差を補正するため、以上では、周期補正量Ｎにより検知遅れ時間ｔｒ（又は受信時点ｔｄａ）を補正することとしたが（（７）式）、ここでは、このＮによりｔｇを延長又は短縮する。このため、先頭波Ｓ１の到達時刻から受信時点ｔｄａまでの時間が一定となり、伝搬時間ｔを算出する下式（１９）において、ｔｒの補正のための時間ｔｃは、登場しない。
【００５０】
ｔ＝ｔｄ−ｔｒ ・・・（１９）
計測コントローラ５は、図９に示す構成を有し、図６に示す基本ルーチンに従い計測制御を実行する。図９において、方向切替スイッチ３ａにより２つのトランスデューサ２ａ，２ｂのうちから送信用のトランスデューサが選択され、超音波Ｗｔが発射される。受信用に選択されたトランスデューサから出力された受信信号ｓは、受信検知部３ｅに入力され、矩形信号Ｓｂに変換される。変換されたＳｂは、受信時間測定部３ｆに出力され、これに基づいて禁止期間ｔｇが経過した後の受信時点ｔｄａが特定される。特定されたｔｄａは、伝搬時間算出部３ｇに出力され、伝搬時間ｔの算出に用いられる。流量・濃度演算回路４は、算出されたｔに基づいて被験流体の流量Ｑ及び濃度ρを算出する。
【００５１】
他方、補正量算出部３ｉは、第１の実施形態におけると同様に、折返検出期間（＝ｔｇａ〜ｔｇａ＋ｔｐ）における受信時点ｔｄａの変化の履歴をもとに、ｔｄａの折り返しを検出して、周期補正量Ｎを算出する（図６のＳ１０９）が、算出したＮを禁止期間設定部３ｄに出力する。周期補正量Ｎが校正時を基準とした被験流体の音速Ｃｇの変化に対する補正量であることは、第１の実施形態におけると同様である（Ｓ１０８）。また、調整量算出部３ｌから第１及び第２の音速Ｃｇ１，Ｃｇ２の差に応じた音速調整量ΔＮを入力し、入力したΔＮにより周期補正量Ｎを補正する（Ｓ１１０、図７のＳ１１１ｃ〜Ｓ１１１ｇ）。
【００５２】
禁止期間設定部３ｄは、ΔＮによる補正後の周期補正量Ｎを入力し、これをもとに、次式（２０）により禁止期間ｔｇの長さを変更する。このため、次回の計測において、変更後のｔｇにより受信時点ｔｇａが特定されることになるので、ｔｇａにおける周期誤差が解消される。
ｔｇ＝ｔｇ−Ｎ×ｔｐ ・・・（２０）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る計測装置１０１の構成を示している。本実施形態では、流量計測用の一対のトランスデューサ２ａ，２ｂ以外に、調整用の一対のトランスデューサ２ｂ，２ｃを採用し、かつ流量計測用のものと調整用のものとで一方のトランスデューサ２ｂを共用することとしている。測定管１の中心軸に対し、第１の超音波伝搬線Ａｔ１を傾斜させる一方、第２の超音波伝搬線Ａｔ２を垂直に設定し、Ａｔ１上で下流側に位置するトランスデューサ（すなわち、第２のトランスデューサ）２ｂを共用している。計測コントローラ５の構成、計測制御の基本ルーチン及び補正量調整ルーチンの流れは、第１の実施形態におけると同様である。本実施形態によれば、使用するトランスデューサ２ａ〜２ｃの数が少なくて済むため、第１の実施形態のものに対し、製作費用を削減することができる。
【００５３】
更に、別の実施形態として、第１の実施形態で折り返しの検出及び音速Ｃｇ１，Ｃｇ２の差に応じた調整により得られた周期補正量Ｎを、受信時間ｔｄ及び検知遅れ時間ｔｒをもとに、下式（２１）により直接的に算出することとしてもよい。ｔａは、被験流体の実際の音速Ｃｇのもとで得られる超音波Ｗｔの伝搬時間であり、密度センサ等により検出したＣｇをもとに、下式（２２）により算出することができる。調整用に採用されたトランスデューサ２ｃ，２ｄの間の距離が受信波Ｗｒの周期遷移が生じないほどに短く、実際の音速Ｃｇを測定可能である場合は、トランスデューサ２ｃ，２ｄにより測定されたＣｇを採用することができる。なお、（２１）式において、ＩＮＴは、小数点以下を切り捨て、整数部分を抽出する演算子である。
【００５４】
Ｎ＝ＩＮＴ｛（ｔｄ−ｔｒ−ｔａ）／ｔｐ｝ ・・・（２１）
ｔａ＝Ｌｍ１／Ｃｇ ・・・（２２）
以上では、判定閾値Ｃｔｈを一定としたが、図１１に示す傾向を持たせたテーブルデータの検索によりこれを可変としてもよく、被験流体の音速Ｃｇがある程度の幅をもって変動する場合に、周期補正量Ｎの調整に適度な不感帯を設定し、流量Ｑ等の計測を安定させることができる。Ｃｔｈは、Ｃｇ２に対して受信波Ｗｒの１周期相当の差を持たせた音速として定められるので、下式（２３）により算出することができる。図１１は、この（２３）式が示すＣｔｈの特性を示しており、Ｃｔｈは、Ｃｇ２が増大するほど、大きな値として設定され、かつＣｇ２の増大に対して指数曲線的に変化する。
【００５５】
Ｃｔｈ＝Ｃｇ２−（Ｌｍ２／（Ｌｍ２／Ｃｇ２＋ｔｐ）） ・・・（２３）
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成
【図２】同上実施形態に係る受信時点の特定原理及び伝搬時間の説明
【図３】同上実施形態に係る計測コントローラの構成
【図４】受信時点の特定に関する信号処理の説明
【図５】折り返しの検出に関する信号処理の説明
【図６】計測制御の基本ルーチンのフローチャート
【図７】補正量調整ルーチンのフローチャート
【図８】計測制御の各処理の順を示すタイムチャート
【図９】本発明の第２の実施形態に係る計測コントローラの構成
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波流体計測装置の構成
【図１１】判定閾値Ｃｔｈの設定テーブル
【符号の説明】
【００５７】
１０１…超音波流体計測装置、１…測定管、１ａ〜１ｄ…トランスデューサケース、２ａ〜２ｄ…トランスデューサ、３…伝搬時間測定回路、４…流量・濃度演算回路、５…計測コントローラ、６…配管、７…方向切換弁、８…配管、９…タンク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験流体の測定管と、
この測定管を横断させて設定した第１の超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
この第１の超音波伝搬線上で前記第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、
前記第１のトランスデューサ又は前記第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサが出力を発生した後、所定の検知許可時刻以降の周期の波における受信時点を特定する受信時点特定手段と、
前記受信時点特定手段により特定された、前記第１のトランスデューサから発射された超音波の受信時点及び前記第２のトランスデューサから発射された超音波の受信時点をもとに、前記被験流体に関する音速換算値を第１の音速として算出する音速算出手段と、
前記被験流体の音速を参照上の第２の音速として測定する音速測定手段と、
前記音速算出手段により算出された第１の音速及び前記音速測定手段により測定された第２の音速をもとに、前記受信時点特定手段により特定された受信時点の周期誤差を補正する周期誤差補正手段と、
この手段により前記周期誤差が補正された受信時点をもとに、前記被験流体に関する所定の演算を行う演算手段と、を含んで構成される超音波流体計測装置。
【請求項２】
前記音速測定手段は、前記測定管を横断させて設定した、前記第１の超音波伝搬線とは異なる第２の超音波伝搬線上で、前記第１及び第２のトランスデューサの間の距離よりも短い距離で設置された第３のトランスデューサ及び第４のトランスデューサを含んで構成され、この第３又は第４のトランスデューサから発射された超音波について特定される受信時点をもとに得られる音速換算値を、前記第２の音速として出力する請求項１に記載の超音波流体計測装置。
【請求項３】
前記第３及び第４のトランスデューサが前記測定管の中心軸を基準とする各側に設置された請求項２に記載の超音波流体計測装置。
【請求項４】
前記第２の超音波伝搬線が前記測定管の中心軸に対して垂直に設定された請求項３に記載の超音波流体計測装置。
【請求項５】
前記第３及び第４のトランスデューサのうち一方が前記第１のトランスデューサ又は前記第２のトランスデューサにより兼用される請求項３又は４に記載の超音波流体計測装置。
【請求項６】
前記周期誤差補正手段は、
前記検知許可時刻から開始し、かつ前記受信したトランスデューサの出力波の１周期相当の長さを持つ期間を前記受信時点の折返検出期間として、この期間における前記受信時点の変化の履歴をもとに、前記周期誤差の補正量の基本値を算出する基本補正量算出手段と、
前記第１及び第２の音速をもとに、前記補正量の音速調整量を算出する音速調整量算出手段と、を含んで構成され、
前記基本補正量算出手段により算出された基本補正量を前記音速調整量算出手段により算出された音速調整量により補正し、この補正後の最終補正量により前記周期誤差を補正する請求項２〜５のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項７】
前記周期誤差補正手段は、前記第１及び第２の音速の差の絶対値が所定の値よりも大きいときにのみ、前記音速調整量による補正を行う請求項６に記載の超音波流体計測装置。
【請求項８】
前記所定の値は、前記第２の音速が高いときほど、大きな値として設定される請求項７に記載の超音波流体計測装置。
【請求項９】
前記所定の値よりも大きい前記差の絶対値が得られた後、前記音速調整量による補正により前記所定の値以下の前記差の絶対値が得られるまでの間、前記演算手段の出力としてこの期間前の出力を保持する出力保持手段を更に含んで構成される請求項７又は８に記載の超音波流体計測装置。
【請求項１０】
前記演算手段は、前記所定の演算として、前記補正された受信時点に基づいて前記被験流体の流量又は濃度を算出する請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項１】
被験流体の測定管と、
この測定管を横断させて設定した第１の超音波伝搬線上に設置され、流れに対して順方向に超音波を発射する第１のトランスデューサと、
この第１の超音波伝搬線上で前記第１のトランスデューサよりも下流に設置され、流れに対して逆方向に超音波を発射する第２のトランスデューサと、
前記第１のトランスデューサ又は前記第２のトランスデューサから発射された超音波を受信したトランスデューサが出力を発生した後、所定の検知許可時刻以降の周期の波における受信時点を特定する受信時点特定手段と、
前記受信時点特定手段により特定された、前記第１のトランスデューサから発射された超音波の受信時点及び前記第２のトランスデューサから発射された超音波の受信時点をもとに、前記被験流体に関する音速換算値を第１の音速として算出する音速算出手段と、
前記被験流体の音速を参照上の第２の音速として測定する音速測定手段と、
前記音速算出手段により算出された第１の音速及び前記音速測定手段により測定された第２の音速をもとに、前記受信時点特定手段により特定された受信時点の周期誤差を補正する周期誤差補正手段と、
この手段により前記周期誤差が補正された受信時点をもとに、前記被験流体に関する所定の演算を行う演算手段と、を含んで構成される超音波流体計測装置。
【請求項２】
前記音速測定手段は、前記測定管を横断させて設定した、前記第１の超音波伝搬線とは異なる第２の超音波伝搬線上で、前記第１及び第２のトランスデューサの間の距離よりも短い距離で設置された第３のトランスデューサ及び第４のトランスデューサを含んで構成され、この第３又は第４のトランスデューサから発射された超音波について特定される受信時点をもとに得られる音速換算値を、前記第２の音速として出力する請求項１に記載の超音波流体計測装置。
【請求項３】
前記第３及び第４のトランスデューサが前記測定管の中心軸を基準とする各側に設置された請求項２に記載の超音波流体計測装置。
【請求項４】
前記第２の超音波伝搬線が前記測定管の中心軸に対して垂直に設定された請求項３に記載の超音波流体計測装置。
【請求項５】
前記第３及び第４のトランスデューサのうち一方が前記第１のトランスデューサ又は前記第２のトランスデューサにより兼用される請求項３又は４に記載の超音波流体計測装置。
【請求項６】
前記周期誤差補正手段は、
前記検知許可時刻から開始し、かつ前記受信したトランスデューサの出力波の１周期相当の長さを持つ期間を前記受信時点の折返検出期間として、この期間における前記受信時点の変化の履歴をもとに、前記周期誤差の補正量の基本値を算出する基本補正量算出手段と、
前記第１及び第２の音速をもとに、前記補正量の音速調整量を算出する音速調整量算出手段と、を含んで構成され、
前記基本補正量算出手段により算出された基本補正量を前記音速調整量算出手段により算出された音速調整量により補正し、この補正後の最終補正量により前記周期誤差を補正する請求項２〜５のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【請求項７】
前記周期誤差補正手段は、前記第１及び第２の音速の差の絶対値が所定の値よりも大きいときにのみ、前記音速調整量による補正を行う請求項６に記載の超音波流体計測装置。
【請求項８】
前記所定の値は、前記第２の音速が高いときほど、大きな値として設定される請求項７に記載の超音波流体計測装置。
【請求項９】
前記所定の値よりも大きい前記差の絶対値が得られた後、前記音速調整量による補正により前記所定の値以下の前記差の絶対値が得られるまでの間、前記演算手段の出力としてこの期間前の出力を保持する出力保持手段を更に含んで構成される請求項７又は８に記載の超音波流体計測装置。
【請求項１０】
前記演算手段は、前記所定の演算として、前記補正された受信時点に基づいて前記被験流体の流量又は濃度を算出する請求項１〜９のいずれかに記載の超音波流体計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２４０２２０（Ｐ２００７−２４０２２０Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６０３９３（Ｐ２００６−６０３９３）
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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