超音波流量計
【課題】 消費電流を減らして電池を小型・小容量にする。超音波の到達時間や総到達時間のサンプリング時点が脈動に同期しないようにして流量計測の精度を高める。
【解決手段】 送受波器２から超音波を順方向に送信し、送受波器３で受信する送受を連続してｎ回繰り返す。そして、総到達時間Ｔ１１をカウンタ８で計数する。同様に逆方向の総到達時間Ｔ２１を得る。このような測定をサンプリング間隔Ｔｓで複数回（ｍ回）繰り返す。総到達時間の順方向の総和ΣＴ１ｉと逆方向の総和ΣＴ２ｉを演算部９で求め、両総和に基づいて流速・流量を演算する。このような流量測定期間ＴＱを時間間隔をおいて繰り返し、期間ＴＱ毎の順方向総到達時間の最大値［Ｔ１ｉ］ｍａｘを記憶し、期間ＴＱ毎の変化が一定以上であると、サンプリング間隔Ｔｓを変える。
【解決手段】 送受波器２から超音波を順方向に送信し、送受波器３で受信する送受を連続してｎ回繰り返す。そして、総到達時間Ｔ１１をカウンタ８で計数する。同様に逆方向の総到達時間Ｔ２１を得る。このような測定をサンプリング間隔Ｔｓで複数回（ｍ回）繰り返す。総到達時間の順方向の総和ΣＴ１ｉと逆方向の総和ΣＴ２ｉを演算部９で求め、両総和に基づいて流速・流量を演算する。このような流量測定期間ＴＱを時間間隔をおいて繰り返し、期間ＴＱ毎の順方向総到達時間の最大値［Ｔ１ｉ］ｍａｘを記憶し、期間ＴＱ毎の変化が一定以上であると、サンプリング間隔Ｔｓを変える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計、特に電池電源で作動する超音波流量計の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計では、流体の流れと同じ順方向の超音波の伝搬時間と、流体の流れと逆の逆方向の超音波の伝搬時間とから流速を求め、この流速に流路断面積を乗じて流量（瞬間流量ともいう）を求めている。
【０００３】
図１で、流管１内の上流側と下流側に距離Ｌをおいて送受波器２，３を配置し、送受波器２から流体の流れに沿った方向（順方向）に超音波を送信して、この超音波が受信側の送受波器３に到達するまでの順方向到達時間ｔ１と、下流側の送受波器３から流体の流れと逆方向に超音波を送信して、この超音波が受信側の送受波器２に到達するまでの逆方向到達時間ｔ２とから、流速・流量を求める、いわゆる時間差法が周知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
静止流体中の音速をＣ、流体の流速をＶとすると、超音波の順方向伝搬速度は（Ｃ＋Ｖ）となり、逆方向伝搬速度は（Ｃ−Ｖ）となる。順方向と逆方向計測時において、それぞれ送信側の送受波器２，３から受信側の送受波器３，２に超音波が到達するまでの、順方向と逆方向の各到達時間ｔ１，ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２）
となる。一般に音速Ｃに比べて流速Ｖは小さく、Ｃ２≧Ｖ２であるから、
ｔ２−ｔ１＝２ＬＶ／Ｃ２ ・・・（３）
を得る。したがって、順方向と逆方向の各到達時間（伝搬時間ともいう）を直接測定し、その差である時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１を算出し、更に、流速Ｖを、
Ｖ＝Δｔ・Ｃ２／２Ｌ ・・・（４）
として演算し、この流速Ｖに流路断面積Ｓを乗じて流量（瞬間流量ともいう）を演算していた。このような流速・流量計測方法を時間差法と呼んでいる。
【０００５】
順方向と逆方向の到達時間（伝播時間）ｔ１，ｔ２を計測した後、流速・流量を演算するのに、上記時間差法とは違う時間逆数差法も用いられていた（例えば、特許文献１参照）。これは、
１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖ）／Ｌ ・・・（５）
１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖ）／Ｌ ・・・（６）
の関係に注目して、流速Ｖを、
Ｖ＝｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝Ｌ／２ ・・・（７）
として求め、更に流量Ｑを、
Ｑ＝Ｓ・Ｖ ・・・（８）
として求めるものである。この時間逆数差法では、流速Ｖを求める（７）式にはＣ項を含まず音速に無関係に流速測定ができる。
【０００６】
ところで、上記時間差法にしろ、時間逆数差法にしても、ｔ１，ｔ２は非常に小さいため、計測誤差が問題となる。そこで、送信側の送受波器２から超音波を送信して、受信側の送受波器の信号を入力とする（図示されていない）受信波検知部が受信波を検知すると、それと同時に再び送信側の送受波器２から超音波を送信させるようにし、このようにして一定回数（ｎ回）連続して順方向への超音波の送信を繰り返すようにして、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間Ｔ１を測定し、次に逆方向への超音波の送信を一定回数（ｎ回）連続して繰り返して、その最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間Ｔ２を測定すると、もともと順方向到達時間ｔ１や逆方向到達時間ｔ２は極めて小さく、一定回数の連続繰り返し送受信の間には流速Ｖはほとんど変化せずほぼ一定と見なせるため、
Ｔ１＝ｎｔ１ ・・・（９）
Ｔ２＝ｎｔ２ ・・・（１０）
と表せる。したがって、順方向の総到達時間Ｔ１と、逆方向の総到達時間Ｔ２とから、順方向到達時間ｔ１と逆方向到達時間ｔ２とを、
ｔ１＝Ｔ１／ｎ ・・・（１１）
ｔ２＝Ｔ２／ｎ ・・・（１２）
として演算し、（１１）（１２）式で求めたｔ１，ｔ２を前記（３）式に代入して、（４）式で流速Ｖを演算し、更に流路断面積Ｓを乗じて流量Ｑを求めると、測定精度の高いＴ１，Ｔ２に基づいて流速Ｖや流量Ｑを求めることができるため、流量計としての計測精度が向上する。例えば一定回数を整数ｎとすれば、計測精度はほぼｎ倍に向上する。
【０００７】
また、総到達時間Ｔ１とＴ２とから、
ｎ／Ｔ１＝１／ｔ１ ・・・（１３）
ｎ／Ｔ２＝１／ｔ２ ・・・（１４）
を求め、これらを前記（７）式に代入すれば、時間逆数差法での計測精度を向上し、流速Ｖや流量Ｑを高精度で計測できることになる。このとき、流速Ｖは、
Ｖ＝｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝ｎＬ／２ ・・・（１５）
となる。この流速Ｖに流路断面積Ｓを乗じて流量Ｑを求める。
【０００８】
都市ガスの使用量を計量するガスメータとして用いる超音波流量計では、電池電源で作動する電池駆動のものが要望されるため、消費電流を軽減しないと実用的に満足できる電池寿命が得られない。そこで、一定のサンプリング間隔で前記到達時間ｔ１やｔ２又は総到達時間Ｔ１とＴ２を計測して、計測した到達時間ｔ１とｔ２又は総到達時間Ｔ１とＴ２に基づいて流速Ｖとか流量Ｑを演算して求めている。そして、流量Ｑを積算することでガス使用量を算出している。サンプリング間隔を大きく（長時間に）すれば、平均消費電流が減少して電池寿命が長くできる。
【０００９】
また、ガスメータは、常時ガス流量を監視して、異常流量を検知するとガス供給を自動的に停止して、未然に事故を防止するためのセキュリティ機能（安全機能）が組み込まれるため、なるべく短時間で流量計測を行って、異常流量であるかないかの判断を速やかにできるようにしなければならない。また、ガスメータでは、ガス供給配管に接続されている他のガス機器の影響を受けて、ガス圧の脈動が発生し、ガス流量が脈動することがある。この脈動の周波数は３Ｈｚ〜６０Ｈｚである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−９００２９号公報（第２〜３頁、第５図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記従来の技術では、脈動を平均化するためサンプリング間隔を小さくし多く測定する場合でも、順方向と逆方向の到達時間ｔ１とｔ２を１回測定する都度流速・流量を演算していた。繰り返して連続的にｎ回送受信を行う方式の場合でも総到達時間Ｔ１とＴ２を１回測定する都度流速・流量の演算をしていた。これらの演算はメータ(流量計）に内蔵す
るマイコンで行っているため、演算の都度大きな電流を消費し、結果的に電池寿命に悪影響を与え、電池容量を大きくし、ガスメータの寸法、コストを上昇させる要因となるという第１の問題点があった。
【００１２】
また、サンプリング時期がガスの脈動と同期すると、計測値に大きな片寄りが発生して、流量Ｑの測定誤差が大きくなってガスメータのセキュリティ機能の判断に大きな誤差となるという第２の問題点があった。
【００１３】
そこで、本発明はこれらの問題点を解消できるガスメータに好適な超音波流量計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】
【００１４】
前記第１の目的を達成するために、参考例１のものは、超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計である。
【００１５】
交互に順方向と逆方向の送受信を複数回（ｍ回）繰り返したときの各回毎の超音波の到達時間を順に、ｔ１１，ｔ２１，ｔ１２，ｔ２２，…，ｔ１ｉ，ｔ２ｉ，…，ｔ１ｍ，ｔ２ｍとすると、順方向の到達時間の総和Σｔ１ｉは、
Σｔ１ｉ＝ｔ１１＋ｔ１２＋…＋ｔ１ｉ＋…＋ｔ１ｍ
となり、また、逆方向の到達時間の総和Σｔ２ｉは、
Σｔ２ｉ＝ｔ２１＋ｔ２２＋…＋ｔ２ｉ＋…＋ｔ２ｍ
となるため、これらの総和Σｔ１ｉとΣｔ２ｉとを用いて流量を演算する。こうすることで、順方向と逆方向の到達時間を１回測定する都度、例えばｔ１１とｔ２１を測定したら直ちにｔ１１とｔ２１を用いて流速Ｖを演算する従来方式と比較して、流量演算の回数が1／ｍに減る。よって、演算に要する消費電流が少なくて済む。
【００１６】
参考例２のものは、参考例１の超音波流量計において、前記一定のサンプリング間隔の１／２の間隔で順方向の超音波の到達時間と逆方向の超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とするものである。
【００１７】
参考例３のものは、同じく第１の目的を達成するために、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数繰り返して、最初の送信から一定回数目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を順方向と逆方向について求める流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の総到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計である。
【００１８】
このものでは、順方向と逆方向の総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）を交互に測定し、その複数回（ｍ回）を終了してからそれらの総和ΣＴ１ｉとΣＴ２ｉを演算し、この総和に基づいて流量を算出する。
【００１９】
ΣＴ１ｉ＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋…＋Ｔ１ｉ＋…＋Ｔ１ｍ
ΣＴ２ｉ＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋…＋Ｔ２ｉ＋…＋Ｔ２ｍ
である。Ｔ１１〜Ｔ１ｍは順方向の各総到達時間、Ｔ２１〜Ｔ２ｍは逆方向の各総到達時間で、この場合も従来技術と比較して流量演算回数が１／ｍに減少し、消費電流が減らせる。
【００２０】
参考例４のものは、参考例３の超音波流量計において、前記一定のサンプリング間隔の
１／２の間隔で順方向の超音波の総到達時間と逆方向の超音波の総到達時間の計測を行うことを特徴とするものである。
【００２１】
前記第１と第２の目的を達成するために、参考例５のものは、参考例１乃至４のいずれかに記載の超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）の間に、複数回（ｍ回）の到達時間又は総到達時間の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各到達時間又は総到達時間の順方向最大値［ｔ１ｉ］ｍａｘ又は［Ｔ１ｉ］ｍａｘ、順方向最小値［ｔ１ｉ］ｍｉｎ又は［Ｔ１ｉ］ｍｉｎ、逆方向最大値［ｔ２ｉ］ｍａｘ又は［Ｔ２ｉ］ｍａｘ、あるいは逆方向最小値［ｔ２ｉ］ｍｉｎ又は［Ｔ２ｉ］ｍｉｎのうち何れか１種類の値の流量測定期間毎の変化を監視し、その変化が一定以上のときには、サンプリング間隔（Ｔｓ）を変更するように構成したことを特徴とするものである。
【００２２】
脈動の周波数は通常数Ｈｚ以上で、同じ脈動が連続的に継続する。従って、脈動分を含めない真のガス流量が一定なら、脈動を含むガス流量の極大値と極小値は時間的にほぼ一定となる。従って、ｍ回の到達時間計測のどれかが極大極小をとらえれば、それらは最大値、最小値となり、毎回殆ど一定の値となる。しかし、サンプリングが同期あるいは同期に近い状態となると、図２のように極大極小をとらえていないため、最大値、最小値は毎回どの位置で同期するかにより、異なった値となる。よって、順方向か逆方向の最大値か最小値のいずれかの変化を監視することでサンプリングが同期していることを検知して同期しないようにサンプリング間隔（周期）を変更する。
【００２３】
図２は、実線で脈動と示したのは、脈動を含むガス流量を示し、脈動の周波数が３６Ｈｚ、サンプリング間隔が２８ｍＳの場合である。図中、白丸は順方向の総到達時間の計測時点を、四角は逆方向の総到達時間の測定時点を示す。サンプリング間隔（周期）と脈動周期との関係で、測定時点が脈動のどの部分に相当するか次第に変わっていく状況がわかる。図２は、ほぼ同期した状態を示す。この測定では偶然計測の最大値が真の極大値となっているが、この測定で得られた最小値Ｑｍｉｎは極小値をとらえていない。
【００２４】
参考例６のものは、参考例１乃至４のいずれかの超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）の間に、複数回（ｍ回）の到達時間（ｔ１ｉ，ｔ２ｉ）又は総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各流量測定期間（ＴＱ）毎の到達時間又は総到達時間の順方向あるいは逆方向の、最大値と最小値を出力できるようにし、各流量測定毎の最大値又は最小値の、前回の流量測定時からの変化が今回の（最大値−最小値）の一定分の１より大きいときに、前記サンプリング間隔（Ｔｓ）を変更するように構成したことを特徴とするものである。
【００２５】
到達時間測定又は総到達時間測定が脈動に同期していなくて真の最大値、最小値を検知できている場合、最大値と最小値の差に比べて、最大値あるいは最小値のそれぞれ変化は小さいといえる。よって、今回の（最大値−最小値）と、（前回最大値−今回最大値）の絶対値又は（前回最小値−今回最小値）の絶対値を比較することで確実に同期しているかどうかの判断が可能である。
【００２６】
参考例７のものは、参考例１乃至４又は６のいずれかの超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）の間に、複数回（ｍ回）の到達時間（ｔ１ｉ，ｔ２ｉ）又は総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で（即ちある測定期間（ＴＱ）毎に）行う流量計であって、
各流量測定期間（ＴＱ）内において、順方向あるいは逆方向の各到達時間又は総到達時間の増減回数を計数するとともに、計数した増減回数が一定以下のときは、前記サンプリ
ング間隔（Ｔｓ）を変更することを特徴とするものである。
【００２７】
脈動の周期が長いとき、サンプリング間隔（Ｔｓ）が小さすぎると、脈動の１部しか測定できず１回の測定では真の流量を得られないことが起きる。脈動の周期のちょうど整数倍の時間測定して流量を演算することが有効であるが、脈動の周期が分からないためそれは難しい。
【００２８】
結局、脈動の数周期（３周期以上）に相当する流量測定期間（ＴＱ）とすることが望ましい。
【００２９】
サンプリング周期が脈動周期より十分小さければ、到達時間や総到達時間の増減回数が、到達時間測定が脈動の何周期にわたっているかを示すことになり、その値が小さいときは平均化が効率よく行われていないことが分かる。その場合、サンプリング間隔を長くすることで、脈動の数周期間の測定にできる。
【００３０】
また、サンプリングが同期している場合、増減数が周期数を正しく反映しないことがあるが、参考例６のものを併用すると、同期することがないため更に有効である。
【００３１】
また、サンプリングと脈動の同期を防ぐことで、サンプリング間隔をそれほど小さくしないで脈動する流量の効率の良い平均化が可能である。図１０にサンプリング周期が脈動周期に比べ大きいケースでの脈動に同期していない例を示す。サンプリングが脈動のいろいろな位相にばらついていて効率よく平均化ができている。（真の流量ゼロに、±１ｍ3
／ｈの脈動がある場合。増減回数は、増と減の両方をカウント。平均はゼロ（真値）に近い値に平均化されている。）
図３は、脈動の１．３周期分程度しか測定を行っていないケースである。１周期分はうまくキャンセルされるが、残りの０．３周期分は誤差になる。
【００３２】
参考例８のものは、参考例７の超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）における順方向あるいは逆方向の到達時間（ｔ１ｉ，ｔ２ｉ）又は総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）の測定値がサンプリング毎に得られるたびに、それらの測定値の最大値と最小値及びそれらの中間値を得られるようにするとともに、取得した到達時間又は総到達時間が前記中間値を横切る回数を計数することで増減回数を検知することを特徴とするものである。
【００３３】
脈動はきれいな正弦波とは限らないため（主たる大きな周期の脈動、短い周期の小さな脈動が重畳されているような場合に）、単純に到達時間又は総到達時間の増減では脈動の何周期にわたって測定したかがわからないことが起こる。
【００３４】
このものでは、最大値と最小値の中間値を横切る回数を増減回数としているので、重畳された小さな脈動に惑わされることなく、主たる大きな脈動に対して何周期測定したかを知ることが可能である。
【００３５】
請求項１の発明は、前記第１と第２の目的を達成するために、
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向での超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから脈動モードに移行するとともに、
前記脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差が一定以下のときに脈動モードから通常モードに戻すことを特徴とする超音波流量計である。
【００３６】
通常モードでは、順方向や逆方向の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間又はその総和に基づいて流量を演算する。そして、一定以上の流量変化があると脈動モードに移行する。
【００３７】
脈動モードでは、前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）の到達時間の総和を計測する。順方向到達時間の総和は、例えば、
Σｔ１ｉ＝ｔ１１＋ｔ１２＋…＋ｔ１ｉ＋…＋ｔ１ｍ
であり、逆方向到達時間の総和は、例えば、
Σｔ２ｉ＝ｔ２１＋ｔ２２＋…＋ｔ２ｉ＋…＋ｔ２ｍ
である。
【００３８】
これらの総和Σｔ１ｉとΣｔ２ｉとに基づいて脈動時の流量を演算する。流量演算は、複数回（ｍ回）の到達時間の計測毎に行うだけであるので、演算に要する消費電流は少なくなる。
【００３９】
また、通常モードでは、流量の脈動がない定常流のときに使用するため、所定のサンプリング間隔を長く（大きく）定めても流量計測誤差は大きくならず、そのぶん消費電流を軽減できる。
【００４０】
請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計で、脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とするものである。
【００４１】
こうすることで、順方向の総到達時間の総和ΣＴ１ｉは、
ΣＴ１ｉ＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋…＋Ｔ１ｉ＋…＋Ｔ１ｍ
と表され、逆方向の総到達時間の総和ΣＴ２ｉは、
ΣＴ２ｉ＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋…＋Ｔ２ｉ＋…＋Ｔ２ｍ
となる。
【００４２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の超音波流量計において、複数の脈動モードを具備し、各脈動モードが異なるサンプリング間隔で超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とするものである。
【００４３】
この発明では、脈動の状態、例えば脈動の周波数に対応して脈動モード時のサンプリング間隔を切り替えて、計測誤差を軽減することができる。
【００４４】
請求項４の発明は、請求項１，２又は３の超音波流量計において、通常モードのサンプリング間隔よりも、脈動モードのサンプリング間隔を短く定めたことを特徴とするものである。
【００４５】
この発明では、脈動モードにおけるサンプリング間隔を短く（小さく）することにより、脈動、即ち流量変動に追従して正確な計測を行うことができる。
【００４６】
請求項５の発明は、請求項１〜４のうちの何れかの超音波流量計で、通常モードの
測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とするものである。
【００４７】
この発明では、所定のサンプリング間隔で測定した到達時間の前回の測定値と今回の測定値との差に基づいて計測モードを通常モードから脈動モードに簡単に切り替えることができる。
【００４８】
請求項６の発明は、前記第１と第２の目的を達成するために、超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なる第１のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第１の脈動モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔及び第１のサンプリング間隔とは異なる第２のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第２の脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから第１の脈動モードに移行するとともに、
各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めることを特徴とする超音波流量計である。
【００４９】
この発明では、各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差、及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めるので、脈動の状態に応じて、よりきめ細かい対応ができ、そのぶん計測精度が向上する。
【００５０】
なお、各到達時間の最大値と最小値は、前記参考例５又は６の場合と同様にして求めることができ、また各到達時間の増減回数は、前記参考例７の場合と同様にして求めることができる。
【００５１】
請求項７の発明は、請求項６の超音波流量計で、第１と第２の各脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とするものである。
【００５２】
この発明では、脈動時に、順方向と逆方向について、それぞれｎ×ｍ回の送受信の到達時間の和を直接計測し、その和に基づいて流量を演算できるため、計測精度がより向上する。
【００５３】
請求項８記載の発明は、請求項６又は７の超音波流量計で、通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とするものである。
【００５４】
この発明では、通常モード時において、前回と今回の測定値の差が一定以上の時に、流量変動が一定以上になったと判断して第１の脈動モードに切り替え、脈動に対応したサンプリングを行う。
【発明の効果】
【００５５】
参考例１〜８のものでは、流量演算の回数が従来技術の１／ｍと少なくなり、そのぶん消費電流が小さくなるため、電池の小型化を図ることができ、電池駆動の超音波流量計の実用化に寄与する。
【００５６】
また、サンプリング時点が脈動に同期することを防止でき、流量計測の精度が高くなる。そして、サンプリング間隔を最適値にすることができるため、脈動の数周期分を流量測定の１回分としてサンプリングすることが可能となり、この面からも流量計の計測精度を高くできる。
【００５７】
また更に、サンプリングの周期を脈動の周期に比べそれほど小さくすることなく脈動する流量の平均化が可能なため、更に消費電流を抑えることが可能である。
【００５８】
そして、請求項１〜８の発明では、脈動モード時の流量演算の回数が１／ｍに減少するので、そのぶん流量計の消費電流が減少する。
【００５９】
また、脈動がない定常流量時は、通常モードで、サンプリング間隔を長く（大きく）することにより、その計測モードでの消費電流を、脈動とは無関係に下げることができるため、結局、流量計としての消費電流が低減できる。
【００６０】
更にまた、特に参考例５〜８や請求項１〜８の発明では、サンプリング時点から脈動と同期することを回避できるため、同期による計測誤差を軽減でき、超音波流量計をガスメータとして利用する場合に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】超音波流量計の動作原理の説明図。
【図２】流量の脈動とサンプリング時点を示す図。
【図３】流量の脈動とサンプリング時点を示す図。
【図４】実施例１を示す図で、（ａ）は流量計のブロック図、（ｂ）は総到達時間の測定タイミングを示す図、（ｃ）は同図（ｂ）の一部を拡大した図。
【図５】図４のカウンタ８の詳細ブロック図。
【図６】実施例１のタイミング図。
【図７】実施例２の要部ブロック図。
【図８】実施例３の要部ブロック図。
【図９】実施例４の要部ブロック図。
【図１０】参考例８のものを説明するための説明図で、流量の脈動とサンプリング時点を示す図。
【図１１】実施例５のフロー図。
【図１２】実施例５の流量脈動とサンプリング時点を示す図。
【図１３】実施例５の流量脈動とサンプリング時点を示す図。
【図１４】実施例６のフロー図。
【図１５】実施例６のフロー図。
【図１６】実施例６のフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
次に、本発明の好ましい実施の形態をいくつかの実施例に従って説明する。
【実施例１】
【００６３】
図４（ａ）において、送受波器２と３は図１で説明したと同様に上流側と下流側に距離Ｌだけ離れて配設された送受波器で、超音波振動子で構成され、送信側としても受信側としても作動できるもので、切替スイッチＳ１とＳ２が図示の状態のときは、送受波器２は送波器駆動部４に接続されて送信側として作動し、送受波器３は受信波検知部５に接続されて受信側として作動する。
【００６４】
送波器駆動部４は測定制御部６からの第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器（この場合２）をまず駆動し、その後は受信側の送受波器（この場合３）に接続された受信波検知部５より受信波検知信号を受ける都度、送信側の送受波器（２）を駆動する。ただし、第１のカウンタ７から第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。
【００６５】
本実施例２では無意味なｎ＋１回目の駆動を行ってしまうようになっているが、受信側で無視するので問題はない。
【００６６】
第１のカウンタ７は受信波検知部５からの受信波検知信号を計数し、ｎ番目の受信波検知信号を第ｎ受信波検知信号として出力する。この第１のカウンタ７は測定制御部６からの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。
【００６７】
第２のカウンタ８は、図６のように、測定開始信号を入力リセットされた後、送信方向信号によって、順方向測定時の第１送信指令信号でカウントスタートし、第ｎ受信波検知信号でカウントストップすることを繰り返し、総到達時間（Ｔ１１，Ｔ１２，…，Ｔ１ｉ，Ｔ１ｍ）の総和を計数測定する。また、同様に、逆方向測定時の第１送信指令信号から
第ｎ受信波検知信号までの総到達時間（Ｔ２１，Ｔ２２，…，Ｔ２ｉ，Ｔ２ｍ）の総和を計数測定する。測定値の総到達時間の総和は順方向の値と逆方向の値とが別々にマイコンからなる演算部９が測定制御部６の測定終了信号が入力された後に読み取る（図４，図６参照）。
【００６８】
測定制御部６はマイコンからなる演算部９から測定開始信号が入力されると、送信方向信号を順方向のまま第１送信指令信号を出力し、一定時間後、送信方向信号を反転させて逆方向とし、再び第１送信指令信号を出力することを、演算部９のマイコンが設定した一定の複数回（ｍ回）繰り返すように構成してある。図４（ｂ）（ｃ）や図６に示す第１送信指令信号の間隔Ｔｓ１とＴｓ２も演算部９を構成するマイコンが測定制御部６に設定（セット）するようになっているが、これらの流れは図示していない。
【００６９】
また、測定制御部６は、前述のように演算部９を構成するマイコンにより設定（セット）された一定の複数回（ｍ回）第１送信指令信号を出力後、間隔Ｔｓ２をおいて測定終了信号をマイコンに出力し、マイコンはこの信号を受け取ると第２のカウンタ８の順方向総到達時間の総和ΣＴ１ｉと逆方向総到達時間の総和ΣＴ２ｉであるカウント値（測定値）を読み取る。演算部９は、こうして順方向総到達時間Ｔ１ｉの総和ΣＴ１ｉと、逆方向総到達時間Ｔ２ｉの総和ΣＴ２ｉを読み取り、両総和に基づいて流量を演算する。演算部９を構成するマイコンは、サンプリング期間ＴＱより長い時間間隔で測定開始信号を出力し、そして測定終了信号を受ける毎に上記動作を行い流量演算する。総和ΣＴ１ｉと総和ΣＴ２ｉは次式で表される。
【００７０】
ΣＴ１ｉ＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋Ｔ１３＋…＋Ｔ１ｍ−１＋Ｔ１ｍ ・・（１６）
ΣＴ２ｉ＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋Ｔ２３＋…＋Ｔ２ｍ−１＋Ｔ２ｍ ・・（１７）
もっともカウンタ８ａと８ｂは式（１６）と（１７）の演算は行わないで、直接ΣＴ１ｉとΣＴ２ｉを計測する。
【００７１】
図５は、図４（ａ）の第２のカウンタ８の構成を示す。順方向総到達時間総和カウンタ８ａと、逆方向総到達時間総和カウンタ８ｂは、ともに測定開始信号でカウント値（総到達時間の総和の測定値）が零リセットされ、第１送信指令信号で、基準クロック発振部８ｃからの基準クロックのカウント（計数）を開始し、第ｎ受信波検知信号でカウントを停止するように構成されている。基準クロックは、送信方向信号で切り換えられるスイッチＳ３によって、順方向測定時は順方向総到達時間総和カウンタ８ａのみに、逆方向測定時は逆方向総到達時間総和カウンタ８ｂのみに入力される。こうして、順方向と逆方向の各総到達時間の総和ΣＴ１ｉ，ΣＴ２ｉを夫々カウンタ８ａと８ｂで別々に測定する（図４(ｂ)(ｃ)、図６参照）。
【００７２】
なお、図４（ｂ）（ｃ）と、図６で、Ｔｓは一定のサンプリング間隔、Ｔｓ１は順方向測定とそれに続く逆方向測定との間隔時間、Ｔｓ２は逆方向測定とそれに続く順方向測定との間隔時間で、必ずしもＴｓ１＝Ｔｓ２に定める必要はないが、参考例２と参考例４ではＴｓ１＝Ｔｓ２に限定している。
【００７３】
上記実施例１では、順方向と逆方向にそれぞれ連続して一定回数（ｎ回）の超音波の送受を繰り返して、順方向と逆方向毎の総到達時間の総和Ｔ１１＋Ｔ１２＋…＋Ｔ１ｉ＋…＋Ｔ１ｍとＴ２１＋Ｔ２２＋…＋Ｔ２ｉ＋…＋Ｔ２ｍを計測し、これらに基づいて流量を算出する。ΣＴ１ｉとΣＴ２ｉは順方向と逆方向にそれぞれｎ×ｍ回の送受を行った到達時間の総和、例えば（ｎ×ｍ）ｔ１と（ｎ×ｍ）ｔ２に相当するので、次の（１８）式を用いて、時間差法に準じて流速Ｖを求め、流路断面積を乗じて流量を求める。
【００７４】
Ｖ＝（ΣＴ２ｉ−ΣＴ１ｉ）Ｃ２／２Ｌ（ｎ×ｍ）・・・（１８）
この（１８）式を用いて時間差法に準じて流速Ｖを求める代わりに、次のようにして、
時間逆数差法に準じて流速Ｖを求めることもできる。
【００７５】
この方法は、順逆それぞれの平均の到達時間を先ず求めて、それらを用いて流速Ｖを求める考え方とも言える。
【００７６】
即ち、
ｔ１＝ΣＴ１ｉ／ｎ・ｍ ・・・（１９）
ｔ２＝ΣＴ２ｉ／ｎ・ｍ ・・・（２０）
であり、時間逆数差法は前記（７）式のように次式であらわされる。
【００７７】
Ｖ＝｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝Ｌ／２ ・・・（７）
この（７）式に（１９）（２０）式を代入すれば、
Ｖ＝｛（１／ΣＴ１ｉ）−（１／ΣＴ２ｉ）｝ｎ・ｍ・Ｌ／２・・・（２１）
となり、この（２１）式を用いることで、到達時間の総和に相当するΣＴ１ｉとΣＴ２ｉを用いて、時間逆数差法に準じて、流速Ｖを求めることもできる。
【００７８】
なお、実施例１のように、順方向と逆方向の超音波の送受を一定回数（ｎ回）ずつ連続して繰り返すことなく、１回ずつの送受にして、直接到達時間ｔ１とｔ２をｍ回測定し、Σｔ１ｉ、すなわち、
Σｔ１ｉ＝ｔ１１＋ｔ１２＋…＋ｔ１ｉ＋…＋ｔ１ｍ
Σｔ２ｉ＝ｔ２１＋ｔ２２＋…＋ｔ２ｉ＋…＋ｔ２ｍ
として、順方向到達時間ｔ１ｉの総和Σｔ１ｉと逆方向到達時間ｔ２ｉの総和Σｔ２ｉに基づいて流速・流量を演算するようにすることもできる（参考例１，２）。
【実施例２】
【００７９】
図７は参考例５のものに対応する実施例２で、流量計全体の構成は図４（ａ）と類似で、その第２のカウンタ８の構成が図７のようになっていて、図４，５の実施例１と構成が異なる。
【００８０】
この実施例２では、総到達時間カウンタ８Ａとその最大値を保持する最大値ホールダ１０が図５の構成に追加されて図７のブロック図の構成になっている。最大値ホールダには送信方向信号が入力されていて図６の測定開始信号が入力されると内容が零リセットされ、図４（ｂ）や図６に示す１回の流量測定期間ＴＱの間の順方向総到達時間Ｔ１ｉの最大値［Ｔ１ｉ］ｍａｘを保持して図４（ａ）の演算部９へ出力する。
【００８１】
演算部９はこの最大値［Ｔ１ｉ］ｍａｘを記憶し、前回の流量測定期間ＴＱの間の順方向総到達時間の最大値の記憶値と比較して、その差を求め、差、すなわち変動が一定以上に大きいときは、一定複数回繰り返す総到達時間の総和の測定がガス流量の脈動と同期していると見なして、サンプリング間隔Ｔｓを変更する。こうすることで、脈動との同期を避けて、誤差の少ない流量計測を行う。
【００８２】
脈動の周波数は数Ｈｚ以上で、ほとんど変化しない。従って、脈動を除いた真の流量（ガスの使用流量）が一定なら、脈動を含むガス流量の最大値と最小値は変化せず、ほぼ一定値を保つと考えられる。しかし、総到達時間測定のサンプリング間隔Ｔｓが脈動と同期していると、図２のように、真の最大値や最小値を捉えていないため、流量測定毎に毎回異なった値になる。よって、順方向か逆方向の最大値か最小値のいずれかの変化を監視して、変化が一定以上のときは、サンプリング時期が脈動に同期していると見なして、サンプリング間隔を変え、測定誤差を小さくするものである。
【００８３】
実施例２は、順方向総到達時間の流量測定期間ＴＱ毎の最大値の変化に注目したが、順方向総到達時間の流量測定期間ＴＱ毎の最小値を監視して同期の有無を判断しても良いし、逆方向総到達時間の流量測定期間ＴＱ毎の最大値又は最小値の変化を捉えて同期の有無を判断しても良い。
【００８４】
また、総到達時間ではなくて、１回の送受の到達時間を複数回（ｍ回）繰り返して計測し、その総和Σｔ１ｉとΣｔ２ｉとから流量を求める参考例１や２のものにおいても同様にして脈動との同期を避けて計測精度の向上を図ることができる。
【実施例３】
【００８５】
実施例３を図８と前記実施例の図４〜６を用いて説明する。この実施例は参考例６のもののうち、総到達時間を計測して流量演算を行うものに対応する。
【００８６】
第２のカウンタ８の構成を図８に示す。順方向最大値と順方向最小値は演算部９に出力される。図７の説明と同様であるが、最小値ホールダ１１は送信方向信号が順方向を示すときのみ総到達時間の最小値を検知記憶し、測定開始信号入力時は、全ビット１（カウントできる最大数）にセットされる。その値より小さな総到達時間があればその値を記憶し続けるため測定終了時は総到達時間の最小値を記憶していることになる。
【００８７】
演算部９は、測定終了信号が測定制御部６より入力されると、順逆の総到達時間の総和とともに、この順方向最大値と順方向最小値を読み取り、順方向最大値の前回値との差を求め、（順方向最大値−順方向最小値）×１／４より大きいときは、制御部６へセットするサンプリング間隔を変更する。また、今回読み取った該最大値は、次回のための前回値として記憶する。
【００８８】
また、演算部９において、（順方向最大値−順方向最小値）が一定値より小さいときは、制御部６へセットするサンプリング間隔を変更することで後述する請求項１〜８の実施例５，６とできる。
【実施例４】
【００８９】
次に、参考例７と８のもののうち、総到達時間を計測して流量演算を行うものに対応する実施例を、図４〜６と図９に従って説明する。
【００９０】
この実施例４における第２のカウンタ８の構成を図９に示す。最大値最小値ホールダ１０，１１は図８の場合と同じで順方向の最大値、最小値をホールドする。これらの出力は中間値出力部１２に入力されていて、中間値出力部１２は２つの入力の中間値を出力する。なお、中間値出力部１２は加算器で構成されている。
【００９１】
この中間値は比較器１３のＡ入力に総到達時間カウンタの出力がＢ入力に入力されている。この比較器１３の出力はＡ入力がＢ入力より大きいと“High”となる信号で、出力更新信号として入力されている方向信号と第ｎ受信波検知信号で出力が更新されるようになっている。したがって、総到達時間カウンタがカウントアップする過程では出力は変化せず、あくまで順方向測定終了毎の結果を出力する。
【００９２】
よって、比較器１３の出力は、到達時間が中間値より小さいとき“High”、等しいか大きいとき“Low”となる。カウンタ１４はこの出力の立ち上がりをカウントする。したが
って、出力されるカウント値は到達時間が中間値より小さくなる回数をカウントすることになる。増減という見方でいうと減の数をカウントするものとできる。
【００９３】
回路の変更により、増をカウントするようにしても、増と減の両方をカウントするようにしても良い。
【実施例５】
【００９４】
次に請求項１〜５の発明に対応する実施例５を説明する。この実施例は、流量計全体のハードウェアの構成は、図４（ａ）を使う。その動作を図１１のフロー図に従って説明する。図４（ａ）自体の説明は前述の説明で詳記されているので、あらためて記述しない
。
【００９５】
図１１において、ステップ１０１で通常モードの測定を行う。この通常モードでは、所定のサンプリング間隔Ｔｓで順方向と逆方向の総到達時間を一定の複数回（ｍ回）計測する。順方向と逆方向の測定間隔Ｔｓ１は、サンプリング間隔Ｔｓに比較して小さい値に定める。そして、逆方向と次の順方向の測定間隔Ｔｓ２はＴｓに近い値に定める。換言すれば、
Ｔｓ１≪Ｔｓ
Ｔｓ２≒Ｔｓ
Ｔｓ１≪Ｔｓ２
に定める。
【００９６】
連続した送受信回数は、順方向と逆方向それぞれについて、ｎ＝１００回とし、所定のサンプリング間隔Ｔｓを１秒としている。こうすることで、ｎ＝１００回分の総到達時間を、順方向と逆方向の両方について、２秒のサンプリング間隔で計測し、定常時の流量を２秒毎に演算する。
【００９７】
そして、ステップ１０１の通常モードでの前回値と今回値との差が一定以上かどうか判断し、一定以上の時、つまり一定より大きい時は、流量の変化があるので脈動があると判断して、ステップ１０５の脈動モードに移行する（切り替える）。なお、ステップ１０３では、ステップ１０１の通常モードで計測した前回の到達時間（厳密には総到達時間）と今回の到達時間（総到達時間）との差から判断しても良いし、到達時間（厳密には総到達時間）から演算した前回の流量と今回の流量との差から判断しても良い。要するに、前回の計測値である総到達時間又は流量と、今回の計測値である到達時間又は流量との差が一定以上であるかないかで判断する。これが一定以上でない時、即ち、小さい時は脈動がない定常流と判断してステップ１０１に戻る。
【００９８】
ステップ１０５の脈動モードでは、サンプリング間隔Ｔｓは５６ｍｓ、連続する送受信回数ｎは４回、期間ＴＱ間に行うサンプリング回数、即ち前記一定複数回のｎは１６回と定めている。従って、４回の総到達時間を１６回のサンプリング回数まとめて計測した総到達時間の順方向と逆方向後との総和に基づいて流量を演算する。
【００９９】
なお、この実施例５では、脈動モードにおけるサンプリング間隔Ｔｓ＝５６ｍｓの１／２の間隔でＴｓ１とＴｓ２が定めてあり、Ｔｓ１＝Ｔｓ２＝Ｔｓ／２としてある。こうすることで、脈動の１周期の１／２以下のサンプリング間隔をもたせて、流動変動の全体像を確実に捉えることができ、いわゆるシャノンの定理に沿って、計測精度を高めることが可能となる。
【０１００】
本実施例では、２秒に１回通常モードによる定常測定か、脈動モードによる脈動時測定を行うが、ステップ１０３での差が一定以上の時は、再測定として脈動モードでの脈動測定を続けて実行することも可能である。実際に脈動であった場合、より正確な測定結果を得ることができる。またステップ１０３で流量変化を検知した結果を放棄し、変化前（即ち脈動が起こる前）の結果である前回値を採用することも可能である。
【０１０１】
ステップ１０５の脈動モードによる脈動時測定では、順方向と逆方向のそれぞれについて、連続したｎ＝４回の繰り返し送受信で、サンプリング間隔５６ｍｓで１６回ずつ行うサンプリングの（送受信回数がｎ×ｍ回）の総到達時間の総和から流量を演算するが、各サンプリング間隔毎に測定した総到達時間のうち順方向のみの最大値と最小値を基準発振部のクロック数で記憶するようになっている（ステップ１０６）。
【０１０２】
そして、その（最大値）−（最小値）が一定値より大きい時は、サンプリングが脈動に同期していないと判断して（ステップ１０７）、そのままのサンプリング周期５６ｍｓで脈動測定を継続する。即ち、ステップ１０６からステップ１０５に戻る。また、ステップ１０７で（最大値）−（最小値）が一定値より大きくない時（小さい時）は、サンプリングが脈動と同期していると判断して、ステップ１０９に移行し、サンプリング間隔（周期）Ｔｓを違う値１６ｍｓに変更して脈動時測定を続ける。
【０１０３】
なお、ステップ１０６で、ｍ回のサンプリング毎の最大値と最小値を、順方向だけについて記憶するようにし、それらの値の差が一定値以上のとき（ステップ１０７）に、同期していないと判断して脈動モード１０５に戻る条件にしたが、順方向と逆方向の両方向の最大値と最小値を記憶するようにして、（最大値）−（最小値）が順方向と逆方向の両方について、一定値より大きい時にサンプリングが脈動に同期していないと判断して、ステップ１０７からステップ１０５に戻るように条件付けをするようにすることもできる。このように順逆両方向の値に基づいて判断した方が精度良く判定できる。
【０１０４】
さて、ステップ１０９の脈動時測定の数値に基づき、（最大値）−（最小値）が一定以上に大きい時（ステップ１１１）は脈動があり同期を回避したと判断してサンプリング間隔はそのままでステップ１０５に戻る。また、（最大値）−（最小値）が一定未満の時は脈動はなく、定常流と判断してステップ１０１の通常モードに戻す。
【０１０５】
なお、上記説明では、ステップ１０３からステップ１０５に移行して、サンプリング間隔を５６ｍｓに変え、ステップ１０７からステップ１０９に移行してサンプリング間隔を１６ｍｓに変えたが、サンプリング間隔を上記説明と逆の関係、即ちステップ１０３からステップ１０５への移行で１６ｍｓ、ステップ１０９で５６ｍｓと定めても良い。
【０１０６】
サンプリング間隔Ｔｓが５６ｍｓの場合で、脈動の周波数が３７Ｈｚ、Ｔｓ１＝Ｔｓ２＝Ｔｓ／２、サンプリング開始点が脈動の波の０点から脈動の周期の１／１０の点である場合の流量波形（脈動波形）と順方向、逆方向の測定点（サンプリング点）との関係を図１２に示す。この条件の場合、流量の真の平均値は０、脈動の振幅は１ｍ3／ｈで、サン
プリング点が脈動と同期しているため測定値の平均は０．５８ｍ3／ｈとなった。なお、
図１２で横軸は時間、縦軸は流量で、流量変動は正弦波状の脈動そのものであり、平均値は０である。同期のため、（最大値）−（最小値）は一定値未満である。この脈動を１６ｍｓの間隔でサンプリングしたのが図１３である。同期を回避して、脈動の最大と最小を捉えていて、（最大値）−（最小値）が脈動のＰ−Ｐの幅とほぼ同じになり、大きな値となっている。ここでは、脈動波形に対してサンプリング点がばらつくことで、脈動波形のいろいろな位相で測定することになり、測定値の平均を求めることで真の平均値が得られる。
【０１０７】
上記実施例では、５６ｍｓと１６ｍｓの２つのサンプリング間隔（周期）を用いたが、同じ脈動周期に２つともが同期することがないように選べば、他のサンプリング間隔の組み合わせでも問題ない。また、２つではなく、３つ以上のサンプリング間隔を用意して、３つのサンプリング周期のすべてで最大値と最小値の差が一定未満のときに通常モードに切り替えて、定常測定をするようにしてもよい。
【実施例６】
【０１０８】
次に、請求項６〜８に対応する実施例６を説明する。ハードウェアの構成は実施例５と同様に図４（ａ）を使う。その動作を図１３〜１５のフロー図に従って説明する。図１４，１５，１６の各フロー図は全体のフローを分解した図で、図１５は図１４のａに、図１６は図１４のｂに接続されるものである。
【０１０９】
本実施例でも流量変化やサンプリングの同期判断結果により測定モードを切り替えるもので、測定モードとして、通常モード、第１の脈動モード及び第２の脈動モードの３つを持つものである。
【０１１０】
通常モードは、脈動（流量変動）がないときの測定モードで、順方向逆方向の両方でそれぞれｍが３２回の繰り返し測定を実施し、その両方の総到達時間の総和より流量を求めるモードであり、第１の脈動モード、第２の脈動モードは、実施例では連続してｎ＝４回の測定を順逆交互に等間隔（決められたサンプリング間隔）で各方向１６回、計６４回行い、各方向の総到達時間の総和より流量を求めるものである。第１の脈動モードと第２の脈動モードではサンプリング間隔が異なる。
【０１１１】
図１４〜１６のフロー１６，１５，１４図に沿って説明する。このフローは、２秒に１回実行されるものである。上記３つのモードに相当する図１６，１５，１４の３つの大きな流れに分けられている。
【０１１２】
１）通常モードからの切換
脈動のない（変動の小さい）ときは、図１６の流れで、測定は通常モード（ステップ２０３）がセットされていて通常モードで測定を行う。
【０１１３】
脈動もしくは流量変化により前回値との差がある範囲を超えたとき流量変化ありと判断し（ステップ２０５）、測定方法を通常モードから第１の脈動モードに変更する（ステップ２０７）。
【０１１４】
このときの流量値は、脈動による変化の影響が考えられるため、前回値を採用することも可能である。超えない場合は流量変化無しとして、通常モードを継続する（ステップ２０９）。
【０１１５】
２）第１の脈動モードからの切換
脈動モードでは、１サンプリングであるｎ＝４回の連続送受信の各総到達時間（実際は基準クロックのカウント値）のうち、順方向の最大値及び最小値と増減回数を記憶するようになっている。この点は実施例２と４に類似である。
【０１１６】
第１の脈動モードでは、フロー図において図１５の流れとなる（ステップ２１１）。はじめに最大と最小の差が一定値より小さいと判断したとき（ステップ２１３）は定常流、またはサンプリングによる同期と考えられ、測定モードを第２の脈動モードに変更する（ステップ２１５）。
【０１１７】
差が一定値より大きい時は増減回数を確認し（ステップ２１５）、ある回数より多い場合は脈動をうまく捉えているものとして第１の脈動モードを継続する（ステップ２１７）。
【０１１８】
少ない場合は、脈動の周期が長く収束が遅いと考えられるが、第２の脈動モードから第１の脈動モードに変更されて測定を行った場合（ステップ２１９でＹＥＳ）は、第１の脈動モードを優先し継続する（ステップ２１７）。
【０１１９】
通常のモードから変更された場合（ステップ２１９でＮＯ）は第２の脈動モードに変更する。
【０１２０】
３）第２の脈動モードからの切換
第２の脈動モード（ステップ２２１）では図１４の流れとなる。第１の脈動モード（図１５のステップ２１１）と同様に最大値、最小値、増減回数が記憶されており、最大と最小の差が小さいとき（ステップ２２３でＮＯ）は、第１の脈動モードで測定した最大、最小の差を確認（ステップ２２５）し、一定値より小さい場合は定常流と判断し、通常モードに変更する（ステップ２２７）。
【０１２１】
ステップ２２５において、第１の脈動モードで差が一定値より大きかったが増減数が少なかったため、第２の脈動モードに移行していた場合（ステップ２２５）は、第２の脈動
モードではサンプリングに同期しているものと判断し、第１の脈動モードに変更する（ステップ２３５）。
【０１２２】
第２の脈動モードでの差が大きいとき（ステップ２２３でＹＥＳ）は、第１の脈動モードと同様に増減回数を確認（ステップ２２９）し、一定回数より多いときは第２の脈動モードを継続する（ステップ２３１）。
【０１２３】
回数が少ないとき（ステップ２２９のＹＥＳ）は、第１の脈動モードで差が一定値より大きかったが増減回数が少なくて第２の脈動モードに移行していた場合（ステップ２３３のＮＯ）には第１の脈動モードを優先し第１の脈動モードに変更する（ステップ２３５）、第１の脈動モードで差が一定値より小さくて第２の脈動モードへ移行していた場合（ステップ２３３のＹＥＳ）は第２の脈動モードを維持する。
【０１２４】
本実施例では、総到達時間の増減回数が一定値以下の場合の時はサンプリングが脈動に同期していると判断しサンプリング間隔を切り替えるようにしているので、サンプリングの脈動同期に近い状態も検知できてサンプリング間隔を変更できるため、より効果的に脈動する流量の平均化が可能で、より精度の良い流量計測ができる。
【０１２５】
なお、この実施例６の場合も、前の実施例５と同様にＴｓ１＝Ｔｓ２＝Ｔｓ／２に定めていて、計測精度を高めるようにしている。
【０１２６】
また、いずれの実施例も流量を時間的に積算してガス使用量を算出し、ガスメータとして活用できる。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 流管
２，３ 送受波器
４ 送波器駆動部
５ 受信波検知部
７ 第１のカウンタ
８ 第２のカウンタ
８Ａ 総到達時間カウンタ
８ａ 順方向総到達時間総和カウンタ
８ｂ 逆方向総到達時間総和カウンタ
９ 演算部
１０ 最大値ホールダ
１１ 最小値ホールダ
１３ 比較器
１４ カウンタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計、特に電池電源で作動する超音波流量計の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計では、流体の流れと同じ順方向の超音波の伝搬時間と、流体の流れと逆の逆方向の超音波の伝搬時間とから流速を求め、この流速に流路断面積を乗じて流量（瞬間流量ともいう）を求めている。
【０００３】
図１で、流管１内の上流側と下流側に距離Ｌをおいて送受波器２，３を配置し、送受波器２から流体の流れに沿った方向（順方向）に超音波を送信して、この超音波が受信側の送受波器３に到達するまでの順方向到達時間ｔ１と、下流側の送受波器３から流体の流れと逆方向に超音波を送信して、この超音波が受信側の送受波器２に到達するまでの逆方向到達時間ｔ２とから、流速・流量を求める、いわゆる時間差法が周知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
静止流体中の音速をＣ、流体の流速をＶとすると、超音波の順方向伝搬速度は（Ｃ＋Ｖ）となり、逆方向伝搬速度は（Ｃ−Ｖ）となる。順方向と逆方向計測時において、それぞれ送信側の送受波器２，３から受信側の送受波器３，２に超音波が到達するまでの、順方向と逆方向の各到達時間ｔ１，ｔ２は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２）
となる。一般に音速Ｃに比べて流速Ｖは小さく、Ｃ２≧Ｖ２であるから、
ｔ２−ｔ１＝２ＬＶ／Ｃ２ ・・・（３）
を得る。したがって、順方向と逆方向の各到達時間（伝搬時間ともいう）を直接測定し、その差である時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１を算出し、更に、流速Ｖを、
Ｖ＝Δｔ・Ｃ２／２Ｌ ・・・（４）
として演算し、この流速Ｖに流路断面積Ｓを乗じて流量（瞬間流量ともいう）を演算していた。このような流速・流量計測方法を時間差法と呼んでいる。
【０００５】
順方向と逆方向の到達時間（伝播時間）ｔ１，ｔ２を計測した後、流速・流量を演算するのに、上記時間差法とは違う時間逆数差法も用いられていた（例えば、特許文献１参照）。これは、
１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖ）／Ｌ ・・・（５）
１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖ）／Ｌ ・・・（６）
の関係に注目して、流速Ｖを、
Ｖ＝｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝Ｌ／２ ・・・（７）
として求め、更に流量Ｑを、
Ｑ＝Ｓ・Ｖ ・・・（８）
として求めるものである。この時間逆数差法では、流速Ｖを求める（７）式にはＣ項を含まず音速に無関係に流速測定ができる。
【０００６】
ところで、上記時間差法にしろ、時間逆数差法にしても、ｔ１，ｔ２は非常に小さいため、計測誤差が問題となる。そこで、送信側の送受波器２から超音波を送信して、受信側の送受波器の信号を入力とする（図示されていない）受信波検知部が受信波を検知すると、それと同時に再び送信側の送受波器２から超音波を送信させるようにし、このようにして一定回数（ｎ回）連続して順方向への超音波の送信を繰り返すようにして、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間Ｔ１を測定し、次に逆方向への超音波の送信を一定回数（ｎ回）連続して繰り返して、その最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間Ｔ２を測定すると、もともと順方向到達時間ｔ１や逆方向到達時間ｔ２は極めて小さく、一定回数の連続繰り返し送受信の間には流速Ｖはほとんど変化せずほぼ一定と見なせるため、
Ｔ１＝ｎｔ１ ・・・（９）
Ｔ２＝ｎｔ２ ・・・（１０）
と表せる。したがって、順方向の総到達時間Ｔ１と、逆方向の総到達時間Ｔ２とから、順方向到達時間ｔ１と逆方向到達時間ｔ２とを、
ｔ１＝Ｔ１／ｎ ・・・（１１）
ｔ２＝Ｔ２／ｎ ・・・（１２）
として演算し、（１１）（１２）式で求めたｔ１，ｔ２を前記（３）式に代入して、（４）式で流速Ｖを演算し、更に流路断面積Ｓを乗じて流量Ｑを求めると、測定精度の高いＴ１，Ｔ２に基づいて流速Ｖや流量Ｑを求めることができるため、流量計としての計測精度が向上する。例えば一定回数を整数ｎとすれば、計測精度はほぼｎ倍に向上する。
【０００７】
また、総到達時間Ｔ１とＴ２とから、
ｎ／Ｔ１＝１／ｔ１ ・・・（１３）
ｎ／Ｔ２＝１／ｔ２ ・・・（１４）
を求め、これらを前記（７）式に代入すれば、時間逆数差法での計測精度を向上し、流速Ｖや流量Ｑを高精度で計測できることになる。このとき、流速Ｖは、
Ｖ＝｛（１／Ｔ１）−（１／Ｔ２）｝ｎＬ／２ ・・・（１５）
となる。この流速Ｖに流路断面積Ｓを乗じて流量Ｑを求める。
【０００８】
都市ガスの使用量を計量するガスメータとして用いる超音波流量計では、電池電源で作動する電池駆動のものが要望されるため、消費電流を軽減しないと実用的に満足できる電池寿命が得られない。そこで、一定のサンプリング間隔で前記到達時間ｔ１やｔ２又は総到達時間Ｔ１とＴ２を計測して、計測した到達時間ｔ１とｔ２又は総到達時間Ｔ１とＴ２に基づいて流速Ｖとか流量Ｑを演算して求めている。そして、流量Ｑを積算することでガス使用量を算出している。サンプリング間隔を大きく（長時間に）すれば、平均消費電流が減少して電池寿命が長くできる。
【０００９】
また、ガスメータは、常時ガス流量を監視して、異常流量を検知するとガス供給を自動的に停止して、未然に事故を防止するためのセキュリティ機能（安全機能）が組み込まれるため、なるべく短時間で流量計測を行って、異常流量であるかないかの判断を速やかにできるようにしなければならない。また、ガスメータでは、ガス供給配管に接続されている他のガス機器の影響を受けて、ガス圧の脈動が発生し、ガス流量が脈動することがある。この脈動の周波数は３Ｈｚ〜６０Ｈｚである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−９００２９号公報（第２〜３頁、第５図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記従来の技術では、脈動を平均化するためサンプリング間隔を小さくし多く測定する場合でも、順方向と逆方向の到達時間ｔ１とｔ２を１回測定する都度流速・流量を演算していた。繰り返して連続的にｎ回送受信を行う方式の場合でも総到達時間Ｔ１とＴ２を１回測定する都度流速・流量の演算をしていた。これらの演算はメータ(流量計）に内蔵す
るマイコンで行っているため、演算の都度大きな電流を消費し、結果的に電池寿命に悪影響を与え、電池容量を大きくし、ガスメータの寸法、コストを上昇させる要因となるという第１の問題点があった。
【００１２】
また、サンプリング時期がガスの脈動と同期すると、計測値に大きな片寄りが発生して、流量Ｑの測定誤差が大きくなってガスメータのセキュリティ機能の判断に大きな誤差となるという第２の問題点があった。
【００１３】
そこで、本発明はこれらの問題点を解消できるガスメータに好適な超音波流量計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】
【００１４】
前記第１の目的を達成するために、参考例１のものは、超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計である。
【００１５】
交互に順方向と逆方向の送受信を複数回（ｍ回）繰り返したときの各回毎の超音波の到達時間を順に、ｔ１１，ｔ２１，ｔ１２，ｔ２２，…，ｔ１ｉ，ｔ２ｉ，…，ｔ１ｍ，ｔ２ｍとすると、順方向の到達時間の総和Σｔ１ｉは、
Σｔ１ｉ＝ｔ１１＋ｔ１２＋…＋ｔ１ｉ＋…＋ｔ１ｍ
となり、また、逆方向の到達時間の総和Σｔ２ｉは、
Σｔ２ｉ＝ｔ２１＋ｔ２２＋…＋ｔ２ｉ＋…＋ｔ２ｍ
となるため、これらの総和Σｔ１ｉとΣｔ２ｉとを用いて流量を演算する。こうすることで、順方向と逆方向の到達時間を１回測定する都度、例えばｔ１１とｔ２１を測定したら直ちにｔ１１とｔ２１を用いて流速Ｖを演算する従来方式と比較して、流量演算の回数が1／ｍに減る。よって、演算に要する消費電流が少なくて済む。
【００１６】
参考例２のものは、参考例１の超音波流量計において、前記一定のサンプリング間隔の１／２の間隔で順方向の超音波の到達時間と逆方向の超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とするものである。
【００１７】
参考例３のものは、同じく第１の目的を達成するために、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数繰り返して、最初の送信から一定回数目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を順方向と逆方向について求める流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の総到達時間の計測を一定のサンプリング間隔で一定複数回繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和と、逆方向の超音波の総到達時間の一定複数回での総和とに基づいて流量を演算することを特徴とする超音波流量計である。
【００１８】
このものでは、順方向と逆方向の総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）を交互に測定し、その複数回（ｍ回）を終了してからそれらの総和ΣＴ１ｉとΣＴ２ｉを演算し、この総和に基づいて流量を算出する。
【００１９】
ΣＴ１ｉ＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋…＋Ｔ１ｉ＋…＋Ｔ１ｍ
ΣＴ２ｉ＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋…＋Ｔ２ｉ＋…＋Ｔ２ｍ
である。Ｔ１１〜Ｔ１ｍは順方向の各総到達時間、Ｔ２１〜Ｔ２ｍは逆方向の各総到達時間で、この場合も従来技術と比較して流量演算回数が１／ｍに減少し、消費電流が減らせる。
【００２０】
参考例４のものは、参考例３の超音波流量計において、前記一定のサンプリング間隔の
１／２の間隔で順方向の超音波の総到達時間と逆方向の超音波の総到達時間の計測を行うことを特徴とするものである。
【００２１】
前記第１と第２の目的を達成するために、参考例５のものは、参考例１乃至４のいずれかに記載の超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）の間に、複数回（ｍ回）の到達時間又は総到達時間の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各到達時間又は総到達時間の順方向最大値［ｔ１ｉ］ｍａｘ又は［Ｔ１ｉ］ｍａｘ、順方向最小値［ｔ１ｉ］ｍｉｎ又は［Ｔ１ｉ］ｍｉｎ、逆方向最大値［ｔ２ｉ］ｍａｘ又は［Ｔ２ｉ］ｍａｘ、あるいは逆方向最小値［ｔ２ｉ］ｍｉｎ又は［Ｔ２ｉ］ｍｉｎのうち何れか１種類の値の流量測定期間毎の変化を監視し、その変化が一定以上のときには、サンプリング間隔（Ｔｓ）を変更するように構成したことを特徴とするものである。
【００２２】
脈動の周波数は通常数Ｈｚ以上で、同じ脈動が連続的に継続する。従って、脈動分を含めない真のガス流量が一定なら、脈動を含むガス流量の極大値と極小値は時間的にほぼ一定となる。従って、ｍ回の到達時間計測のどれかが極大極小をとらえれば、それらは最大値、最小値となり、毎回殆ど一定の値となる。しかし、サンプリングが同期あるいは同期に近い状態となると、図２のように極大極小をとらえていないため、最大値、最小値は毎回どの位置で同期するかにより、異なった値となる。よって、順方向か逆方向の最大値か最小値のいずれかの変化を監視することでサンプリングが同期していることを検知して同期しないようにサンプリング間隔（周期）を変更する。
【００２３】
図２は、実線で脈動と示したのは、脈動を含むガス流量を示し、脈動の周波数が３６Ｈｚ、サンプリング間隔が２８ｍＳの場合である。図中、白丸は順方向の総到達時間の計測時点を、四角は逆方向の総到達時間の測定時点を示す。サンプリング間隔（周期）と脈動周期との関係で、測定時点が脈動のどの部分に相当するか次第に変わっていく状況がわかる。図２は、ほぼ同期した状態を示す。この測定では偶然計測の最大値が真の極大値となっているが、この測定で得られた最小値Ｑｍｉｎは極小値をとらえていない。
【００２４】
参考例６のものは、参考例１乃至４のいずれかの超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）の間に、複数回（ｍ回）の到達時間（ｔ１ｉ，ｔ２ｉ）又は総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で行う流量計であって、
各流量測定期間（ＴＱ）毎の到達時間又は総到達時間の順方向あるいは逆方向の、最大値と最小値を出力できるようにし、各流量測定毎の最大値又は最小値の、前回の流量測定時からの変化が今回の（最大値−最小値）の一定分の１より大きいときに、前記サンプリング間隔（Ｔｓ）を変更するように構成したことを特徴とするものである。
【００２５】
到達時間測定又は総到達時間測定が脈動に同期していなくて真の最大値、最小値を検知できている場合、最大値と最小値の差に比べて、最大値あるいは最小値のそれぞれ変化は小さいといえる。よって、今回の（最大値−最小値）と、（前回最大値−今回最大値）の絶対値又は（前回最小値−今回最小値）の絶対値を比較することで確実に同期しているかどうかの判断が可能である。
【００２６】
参考例７のものは、参考例１乃至４又は６のいずれかの超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）の間に、複数回（ｍ回）の到達時間（ｔ１ｉ，ｔ２ｉ）又は総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）の計測を行い、このような流量測定をある測定間隔で（即ちある測定期間（ＴＱ）毎に）行う流量計であって、
各流量測定期間（ＴＱ）内において、順方向あるいは逆方向の各到達時間又は総到達時間の増減回数を計数するとともに、計数した増減回数が一定以下のときは、前記サンプリ
ング間隔（Ｔｓ）を変更することを特徴とするものである。
【００２７】
脈動の周期が長いとき、サンプリング間隔（Ｔｓ）が小さすぎると、脈動の１部しか測定できず１回の測定では真の流量を得られないことが起きる。脈動の周期のちょうど整数倍の時間測定して流量を演算することが有効であるが、脈動の周期が分からないためそれは難しい。
【００２８】
結局、脈動の数周期（３周期以上）に相当する流量測定期間（ＴＱ）とすることが望ましい。
【００２９】
サンプリング周期が脈動周期より十分小さければ、到達時間や総到達時間の増減回数が、到達時間測定が脈動の何周期にわたっているかを示すことになり、その値が小さいときは平均化が効率よく行われていないことが分かる。その場合、サンプリング間隔を長くすることで、脈動の数周期間の測定にできる。
【００３０】
また、サンプリングが同期している場合、増減数が周期数を正しく反映しないことがあるが、参考例６のものを併用すると、同期することがないため更に有効である。
【００３１】
また、サンプリングと脈動の同期を防ぐことで、サンプリング間隔をそれほど小さくしないで脈動する流量の効率の良い平均化が可能である。図１０にサンプリング周期が脈動周期に比べ大きいケースでの脈動に同期していない例を示す。サンプリングが脈動のいろいろな位相にばらついていて効率よく平均化ができている。（真の流量ゼロに、±１ｍ3
／ｈの脈動がある場合。増減回数は、増と減の両方をカウント。平均はゼロ（真値）に近い値に平均化されている。）
図３は、脈動の１．３周期分程度しか測定を行っていないケースである。１周期分はうまくキャンセルされるが、残りの０．３周期分は誤差になる。
【００３２】
参考例８のものは、参考例７の超音波流量計において、１回の流量測定期間（ＴＱ）における順方向あるいは逆方向の到達時間（ｔ１ｉ，ｔ２ｉ）又は総到達時間（Ｔ１ｉ，Ｔ２ｉ）の測定値がサンプリング毎に得られるたびに、それらの測定値の最大値と最小値及びそれらの中間値を得られるようにするとともに、取得した到達時間又は総到達時間が前記中間値を横切る回数を計数することで増減回数を検知することを特徴とするものである。
【００３３】
脈動はきれいな正弦波とは限らないため（主たる大きな周期の脈動、短い周期の小さな脈動が重畳されているような場合に）、単純に到達時間又は総到達時間の増減では脈動の何周期にわたって測定したかがわからないことが起こる。
【００３４】
このものでは、最大値と最小値の中間値を横切る回数を増減回数としているので、重畳された小さな脈動に惑わされることなく、主たる大きな脈動に対して何周期測定したかを知ることが可能である。
【００３５】
請求項１の発明は、前記第１と第２の目的を達成するために、
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向での超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから脈動モードに移行するとともに、
前記脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差が一定以下のときに脈動モードから通常モードに戻すことを特徴とする超音波流量計である。
【００３６】
通常モードでは、順方向や逆方向の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間又はその総和に基づいて流量を演算する。そして、一定以上の流量変化があると脈動モードに移行する。
【００３７】
脈動モードでは、前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）の到達時間の総和を計測する。順方向到達時間の総和は、例えば、
Σｔ１ｉ＝ｔ１１＋ｔ１２＋…＋ｔ１ｉ＋…＋ｔ１ｍ
であり、逆方向到達時間の総和は、例えば、
Σｔ２ｉ＝ｔ２１＋ｔ２２＋…＋ｔ２ｉ＋…＋ｔ２ｍ
である。
【００３８】
これらの総和Σｔ１ｉとΣｔ２ｉとに基づいて脈動時の流量を演算する。流量演算は、複数回（ｍ回）の到達時間の計測毎に行うだけであるので、演算に要する消費電流は少なくなる。
【００３９】
また、通常モードでは、流量の脈動がない定常流のときに使用するため、所定のサンプリング間隔を長く（大きく）定めても流量計測誤差は大きくならず、そのぶん消費電流を軽減できる。
【００４０】
請求項２の発明は、請求項１の超音波流量計で、脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とするものである。
【００４１】
こうすることで、順方向の総到達時間の総和ΣＴ１ｉは、
ΣＴ１ｉ＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋…＋Ｔ１ｉ＋…＋Ｔ１ｍ
と表され、逆方向の総到達時間の総和ΣＴ２ｉは、
ΣＴ２ｉ＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋…＋Ｔ２ｉ＋…＋Ｔ２ｍ
となる。
【００４２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の超音波流量計において、複数の脈動モードを具備し、各脈動モードが異なるサンプリング間隔で超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とするものである。
【００４３】
この発明では、脈動の状態、例えば脈動の周波数に対応して脈動モード時のサンプリング間隔を切り替えて、計測誤差を軽減することができる。
【００４４】
請求項４の発明は、請求項１，２又は３の超音波流量計において、通常モードのサンプリング間隔よりも、脈動モードのサンプリング間隔を短く定めたことを特徴とするものである。
【００４５】
この発明では、脈動モードにおけるサンプリング間隔を短く（小さく）することにより、脈動、即ち流量変動に追従して正確な計測を行うことができる。
【００４６】
請求項５の発明は、請求項１〜４のうちの何れかの超音波流量計で、通常モードの
測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とするものである。
【００４７】
この発明では、所定のサンプリング間隔で測定した到達時間の前回の測定値と今回の測定値との差に基づいて計測モードを通常モードから脈動モードに簡単に切り替えることができる。
【００４８】
請求項６の発明は、前記第１と第２の目的を達成するために、超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なる第１のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第１の脈動モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔及び第１のサンプリング間隔とは異なる第２のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第２の脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから第１の脈動モードに移行するとともに、
各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めることを特徴とする超音波流量計である。
【００４９】
この発明では、各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差、及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めるので、脈動の状態に応じて、よりきめ細かい対応ができ、そのぶん計測精度が向上する。
【００５０】
なお、各到達時間の最大値と最小値は、前記参考例５又は６の場合と同様にして求めることができ、また各到達時間の増減回数は、前記参考例７の場合と同様にして求めることができる。
【００５１】
請求項７の発明は、請求項６の超音波流量計で、第１と第２の各脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とするものである。
【００５２】
この発明では、脈動時に、順方向と逆方向について、それぞれｎ×ｍ回の送受信の到達時間の和を直接計測し、その和に基づいて流量を演算できるため、計測精度がより向上する。
【００５３】
請求項８記載の発明は、請求項６又は７の超音波流量計で、通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とするものである。
【００５４】
この発明では、通常モード時において、前回と今回の測定値の差が一定以上の時に、流量変動が一定以上になったと判断して第１の脈動モードに切り替え、脈動に対応したサンプリングを行う。
【発明の効果】
【００５５】
参考例１〜８のものでは、流量演算の回数が従来技術の１／ｍと少なくなり、そのぶん消費電流が小さくなるため、電池の小型化を図ることができ、電池駆動の超音波流量計の実用化に寄与する。
【００５６】
また、サンプリング時点が脈動に同期することを防止でき、流量計測の精度が高くなる。そして、サンプリング間隔を最適値にすることができるため、脈動の数周期分を流量測定の１回分としてサンプリングすることが可能となり、この面からも流量計の計測精度を高くできる。
【００５７】
また更に、サンプリングの周期を脈動の周期に比べそれほど小さくすることなく脈動する流量の平均化が可能なため、更に消費電流を抑えることが可能である。
【００５８】
そして、請求項１〜８の発明では、脈動モード時の流量演算の回数が１／ｍに減少するので、そのぶん流量計の消費電流が減少する。
【００５９】
また、脈動がない定常流量時は、通常モードで、サンプリング間隔を長く（大きく）することにより、その計測モードでの消費電流を、脈動とは無関係に下げることができるため、結局、流量計としての消費電流が低減できる。
【００６０】
更にまた、特に参考例５〜８や請求項１〜８の発明では、サンプリング時点から脈動と同期することを回避できるため、同期による計測誤差を軽減でき、超音波流量計をガスメータとして利用する場合に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】超音波流量計の動作原理の説明図。
【図２】流量の脈動とサンプリング時点を示す図。
【図３】流量の脈動とサンプリング時点を示す図。
【図４】実施例１を示す図で、（ａ）は流量計のブロック図、（ｂ）は総到達時間の測定タイミングを示す図、（ｃ）は同図（ｂ）の一部を拡大した図。
【図５】図４のカウンタ８の詳細ブロック図。
【図６】実施例１のタイミング図。
【図７】実施例２の要部ブロック図。
【図８】実施例３の要部ブロック図。
【図９】実施例４の要部ブロック図。
【図１０】参考例８のものを説明するための説明図で、流量の脈動とサンプリング時点を示す図。
【図１１】実施例５のフロー図。
【図１２】実施例５の流量脈動とサンプリング時点を示す図。
【図１３】実施例５の流量脈動とサンプリング時点を示す図。
【図１４】実施例６のフロー図。
【図１５】実施例６のフロー図。
【図１６】実施例６のフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
次に、本発明の好ましい実施の形態をいくつかの実施例に従って説明する。
【実施例１】
【００６３】
図４（ａ）において、送受波器２と３は図１で説明したと同様に上流側と下流側に距離Ｌだけ離れて配設された送受波器で、超音波振動子で構成され、送信側としても受信側としても作動できるもので、切替スイッチＳ１とＳ２が図示の状態のときは、送受波器２は送波器駆動部４に接続されて送信側として作動し、送受波器３は受信波検知部５に接続されて受信側として作動する。
【００６４】
送波器駆動部４は測定制御部６からの第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器（この場合２）をまず駆動し、その後は受信側の送受波器（この場合３）に接続された受信波検知部５より受信波検知信号を受ける都度、送信側の送受波器（２）を駆動する。ただし、第１のカウンタ７から第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。
【００６５】
本実施例２では無意味なｎ＋１回目の駆動を行ってしまうようになっているが、受信側で無視するので問題はない。
【００６６】
第１のカウンタ７は受信波検知部５からの受信波検知信号を計数し、ｎ番目の受信波検知信号を第ｎ受信波検知信号として出力する。この第１のカウンタ７は測定制御部６からの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。
【００６７】
第２のカウンタ８は、図６のように、測定開始信号を入力リセットされた後、送信方向信号によって、順方向測定時の第１送信指令信号でカウントスタートし、第ｎ受信波検知信号でカウントストップすることを繰り返し、総到達時間（Ｔ１１，Ｔ１２，…，Ｔ１ｉ，Ｔ１ｍ）の総和を計数測定する。また、同様に、逆方向測定時の第１送信指令信号から
第ｎ受信波検知信号までの総到達時間（Ｔ２１，Ｔ２２，…，Ｔ２ｉ，Ｔ２ｍ）の総和を計数測定する。測定値の総到達時間の総和は順方向の値と逆方向の値とが別々にマイコンからなる演算部９が測定制御部６の測定終了信号が入力された後に読み取る（図４，図６参照）。
【００６８】
測定制御部６はマイコンからなる演算部９から測定開始信号が入力されると、送信方向信号を順方向のまま第１送信指令信号を出力し、一定時間後、送信方向信号を反転させて逆方向とし、再び第１送信指令信号を出力することを、演算部９のマイコンが設定した一定の複数回（ｍ回）繰り返すように構成してある。図４（ｂ）（ｃ）や図６に示す第１送信指令信号の間隔Ｔｓ１とＴｓ２も演算部９を構成するマイコンが測定制御部６に設定（セット）するようになっているが、これらの流れは図示していない。
【００６９】
また、測定制御部６は、前述のように演算部９を構成するマイコンにより設定（セット）された一定の複数回（ｍ回）第１送信指令信号を出力後、間隔Ｔｓ２をおいて測定終了信号をマイコンに出力し、マイコンはこの信号を受け取ると第２のカウンタ８の順方向総到達時間の総和ΣＴ１ｉと逆方向総到達時間の総和ΣＴ２ｉであるカウント値（測定値）を読み取る。演算部９は、こうして順方向総到達時間Ｔ１ｉの総和ΣＴ１ｉと、逆方向総到達時間Ｔ２ｉの総和ΣＴ２ｉを読み取り、両総和に基づいて流量を演算する。演算部９を構成するマイコンは、サンプリング期間ＴＱより長い時間間隔で測定開始信号を出力し、そして測定終了信号を受ける毎に上記動作を行い流量演算する。総和ΣＴ１ｉと総和ΣＴ２ｉは次式で表される。
【００７０】
ΣＴ１ｉ＝Ｔ１１＋Ｔ１２＋Ｔ１３＋…＋Ｔ１ｍ−１＋Ｔ１ｍ ・・（１６）
ΣＴ２ｉ＝Ｔ２１＋Ｔ２２＋Ｔ２３＋…＋Ｔ２ｍ−１＋Ｔ２ｍ ・・（１７）
もっともカウンタ８ａと８ｂは式（１６）と（１７）の演算は行わないで、直接ΣＴ１ｉとΣＴ２ｉを計測する。
【００７１】
図５は、図４（ａ）の第２のカウンタ８の構成を示す。順方向総到達時間総和カウンタ８ａと、逆方向総到達時間総和カウンタ８ｂは、ともに測定開始信号でカウント値（総到達時間の総和の測定値）が零リセットされ、第１送信指令信号で、基準クロック発振部８ｃからの基準クロックのカウント（計数）を開始し、第ｎ受信波検知信号でカウントを停止するように構成されている。基準クロックは、送信方向信号で切り換えられるスイッチＳ３によって、順方向測定時は順方向総到達時間総和カウンタ８ａのみに、逆方向測定時は逆方向総到達時間総和カウンタ８ｂのみに入力される。こうして、順方向と逆方向の各総到達時間の総和ΣＴ１ｉ，ΣＴ２ｉを夫々カウンタ８ａと８ｂで別々に測定する（図４(ｂ)(ｃ)、図６参照）。
【００７２】
なお、図４（ｂ）（ｃ）と、図６で、Ｔｓは一定のサンプリング間隔、Ｔｓ１は順方向測定とそれに続く逆方向測定との間隔時間、Ｔｓ２は逆方向測定とそれに続く順方向測定との間隔時間で、必ずしもＴｓ１＝Ｔｓ２に定める必要はないが、参考例２と参考例４ではＴｓ１＝Ｔｓ２に限定している。
【００７３】
上記実施例１では、順方向と逆方向にそれぞれ連続して一定回数（ｎ回）の超音波の送受を繰り返して、順方向と逆方向毎の総到達時間の総和Ｔ１１＋Ｔ１２＋…＋Ｔ１ｉ＋…＋Ｔ１ｍとＴ２１＋Ｔ２２＋…＋Ｔ２ｉ＋…＋Ｔ２ｍを計測し、これらに基づいて流量を算出する。ΣＴ１ｉとΣＴ２ｉは順方向と逆方向にそれぞれｎ×ｍ回の送受を行った到達時間の総和、例えば（ｎ×ｍ）ｔ１と（ｎ×ｍ）ｔ２に相当するので、次の（１８）式を用いて、時間差法に準じて流速Ｖを求め、流路断面積を乗じて流量を求める。
【００７４】
Ｖ＝（ΣＴ２ｉ−ΣＴ１ｉ）Ｃ２／２Ｌ（ｎ×ｍ）・・・（１８）
この（１８）式を用いて時間差法に準じて流速Ｖを求める代わりに、次のようにして、
時間逆数差法に準じて流速Ｖを求めることもできる。
【００７５】
この方法は、順逆それぞれの平均の到達時間を先ず求めて、それらを用いて流速Ｖを求める考え方とも言える。
【００７６】
即ち、
ｔ１＝ΣＴ１ｉ／ｎ・ｍ ・・・（１９）
ｔ２＝ΣＴ２ｉ／ｎ・ｍ ・・・（２０）
であり、時間逆数差法は前記（７）式のように次式であらわされる。
【００７７】
Ｖ＝｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝Ｌ／２ ・・・（７）
この（７）式に（１９）（２０）式を代入すれば、
Ｖ＝｛（１／ΣＴ１ｉ）−（１／ΣＴ２ｉ）｝ｎ・ｍ・Ｌ／２・・・（２１）
となり、この（２１）式を用いることで、到達時間の総和に相当するΣＴ１ｉとΣＴ２ｉを用いて、時間逆数差法に準じて、流速Ｖを求めることもできる。
【００７８】
なお、実施例１のように、順方向と逆方向の超音波の送受を一定回数（ｎ回）ずつ連続して繰り返すことなく、１回ずつの送受にして、直接到達時間ｔ１とｔ２をｍ回測定し、Σｔ１ｉ、すなわち、
Σｔ１ｉ＝ｔ１１＋ｔ１２＋…＋ｔ１ｉ＋…＋ｔ１ｍ
Σｔ２ｉ＝ｔ２１＋ｔ２２＋…＋ｔ２ｉ＋…＋ｔ２ｍ
として、順方向到達時間ｔ１ｉの総和Σｔ１ｉと逆方向到達時間ｔ２ｉの総和Σｔ２ｉに基づいて流速・流量を演算するようにすることもできる（参考例１，２）。
【実施例２】
【００７９】
図７は参考例５のものに対応する実施例２で、流量計全体の構成は図４（ａ）と類似で、その第２のカウンタ８の構成が図７のようになっていて、図４，５の実施例１と構成が異なる。
【００８０】
この実施例２では、総到達時間カウンタ８Ａとその最大値を保持する最大値ホールダ１０が図５の構成に追加されて図７のブロック図の構成になっている。最大値ホールダには送信方向信号が入力されていて図６の測定開始信号が入力されると内容が零リセットされ、図４（ｂ）や図６に示す１回の流量測定期間ＴＱの間の順方向総到達時間Ｔ１ｉの最大値［Ｔ１ｉ］ｍａｘを保持して図４（ａ）の演算部９へ出力する。
【００８１】
演算部９はこの最大値［Ｔ１ｉ］ｍａｘを記憶し、前回の流量測定期間ＴＱの間の順方向総到達時間の最大値の記憶値と比較して、その差を求め、差、すなわち変動が一定以上に大きいときは、一定複数回繰り返す総到達時間の総和の測定がガス流量の脈動と同期していると見なして、サンプリング間隔Ｔｓを変更する。こうすることで、脈動との同期を避けて、誤差の少ない流量計測を行う。
【００８２】
脈動の周波数は数Ｈｚ以上で、ほとんど変化しない。従って、脈動を除いた真の流量（ガスの使用流量）が一定なら、脈動を含むガス流量の最大値と最小値は変化せず、ほぼ一定値を保つと考えられる。しかし、総到達時間測定のサンプリング間隔Ｔｓが脈動と同期していると、図２のように、真の最大値や最小値を捉えていないため、流量測定毎に毎回異なった値になる。よって、順方向か逆方向の最大値か最小値のいずれかの変化を監視して、変化が一定以上のときは、サンプリング時期が脈動に同期していると見なして、サンプリング間隔を変え、測定誤差を小さくするものである。
【００８３】
実施例２は、順方向総到達時間の流量測定期間ＴＱ毎の最大値の変化に注目したが、順方向総到達時間の流量測定期間ＴＱ毎の最小値を監視して同期の有無を判断しても良いし、逆方向総到達時間の流量測定期間ＴＱ毎の最大値又は最小値の変化を捉えて同期の有無を判断しても良い。
【００８４】
また、総到達時間ではなくて、１回の送受の到達時間を複数回（ｍ回）繰り返して計測し、その総和Σｔ１ｉとΣｔ２ｉとから流量を求める参考例１や２のものにおいても同様にして脈動との同期を避けて計測精度の向上を図ることができる。
【実施例３】
【００８５】
実施例３を図８と前記実施例の図４〜６を用いて説明する。この実施例は参考例６のもののうち、総到達時間を計測して流量演算を行うものに対応する。
【００８６】
第２のカウンタ８の構成を図８に示す。順方向最大値と順方向最小値は演算部９に出力される。図７の説明と同様であるが、最小値ホールダ１１は送信方向信号が順方向を示すときのみ総到達時間の最小値を検知記憶し、測定開始信号入力時は、全ビット１（カウントできる最大数）にセットされる。その値より小さな総到達時間があればその値を記憶し続けるため測定終了時は総到達時間の最小値を記憶していることになる。
【００８７】
演算部９は、測定終了信号が測定制御部６より入力されると、順逆の総到達時間の総和とともに、この順方向最大値と順方向最小値を読み取り、順方向最大値の前回値との差を求め、（順方向最大値−順方向最小値）×１／４より大きいときは、制御部６へセットするサンプリング間隔を変更する。また、今回読み取った該最大値は、次回のための前回値として記憶する。
【００８８】
また、演算部９において、（順方向最大値−順方向最小値）が一定値より小さいときは、制御部６へセットするサンプリング間隔を変更することで後述する請求項１〜８の実施例５，６とできる。
【実施例４】
【００８９】
次に、参考例７と８のもののうち、総到達時間を計測して流量演算を行うものに対応する実施例を、図４〜６と図９に従って説明する。
【００９０】
この実施例４における第２のカウンタ８の構成を図９に示す。最大値最小値ホールダ１０，１１は図８の場合と同じで順方向の最大値、最小値をホールドする。これらの出力は中間値出力部１２に入力されていて、中間値出力部１２は２つの入力の中間値を出力する。なお、中間値出力部１２は加算器で構成されている。
【００９１】
この中間値は比較器１３のＡ入力に総到達時間カウンタの出力がＢ入力に入力されている。この比較器１３の出力はＡ入力がＢ入力より大きいと“High”となる信号で、出力更新信号として入力されている方向信号と第ｎ受信波検知信号で出力が更新されるようになっている。したがって、総到達時間カウンタがカウントアップする過程では出力は変化せず、あくまで順方向測定終了毎の結果を出力する。
【００９２】
よって、比較器１３の出力は、到達時間が中間値より小さいとき“High”、等しいか大きいとき“Low”となる。カウンタ１４はこの出力の立ち上がりをカウントする。したが
って、出力されるカウント値は到達時間が中間値より小さくなる回数をカウントすることになる。増減という見方でいうと減の数をカウントするものとできる。
【００９３】
回路の変更により、増をカウントするようにしても、増と減の両方をカウントするようにしても良い。
【実施例５】
【００９４】
次に請求項１〜５の発明に対応する実施例５を説明する。この実施例は、流量計全体のハードウェアの構成は、図４（ａ）を使う。その動作を図１１のフロー図に従って説明する。図４（ａ）自体の説明は前述の説明で詳記されているので、あらためて記述しない
。
【００９５】
図１１において、ステップ１０１で通常モードの測定を行う。この通常モードでは、所定のサンプリング間隔Ｔｓで順方向と逆方向の総到達時間を一定の複数回（ｍ回）計測する。順方向と逆方向の測定間隔Ｔｓ１は、サンプリング間隔Ｔｓに比較して小さい値に定める。そして、逆方向と次の順方向の測定間隔Ｔｓ２はＴｓに近い値に定める。換言すれば、
Ｔｓ１≪Ｔｓ
Ｔｓ２≒Ｔｓ
Ｔｓ１≪Ｔｓ２
に定める。
【００９６】
連続した送受信回数は、順方向と逆方向それぞれについて、ｎ＝１００回とし、所定のサンプリング間隔Ｔｓを１秒としている。こうすることで、ｎ＝１００回分の総到達時間を、順方向と逆方向の両方について、２秒のサンプリング間隔で計測し、定常時の流量を２秒毎に演算する。
【００９７】
そして、ステップ１０１の通常モードでの前回値と今回値との差が一定以上かどうか判断し、一定以上の時、つまり一定より大きい時は、流量の変化があるので脈動があると判断して、ステップ１０５の脈動モードに移行する（切り替える）。なお、ステップ１０３では、ステップ１０１の通常モードで計測した前回の到達時間（厳密には総到達時間）と今回の到達時間（総到達時間）との差から判断しても良いし、到達時間（厳密には総到達時間）から演算した前回の流量と今回の流量との差から判断しても良い。要するに、前回の計測値である総到達時間又は流量と、今回の計測値である到達時間又は流量との差が一定以上であるかないかで判断する。これが一定以上でない時、即ち、小さい時は脈動がない定常流と判断してステップ１０１に戻る。
【００９８】
ステップ１０５の脈動モードでは、サンプリング間隔Ｔｓは５６ｍｓ、連続する送受信回数ｎは４回、期間ＴＱ間に行うサンプリング回数、即ち前記一定複数回のｎは１６回と定めている。従って、４回の総到達時間を１６回のサンプリング回数まとめて計測した総到達時間の順方向と逆方向後との総和に基づいて流量を演算する。
【００９９】
なお、この実施例５では、脈動モードにおけるサンプリング間隔Ｔｓ＝５６ｍｓの１／２の間隔でＴｓ１とＴｓ２が定めてあり、Ｔｓ１＝Ｔｓ２＝Ｔｓ／２としてある。こうすることで、脈動の１周期の１／２以下のサンプリング間隔をもたせて、流動変動の全体像を確実に捉えることができ、いわゆるシャノンの定理に沿って、計測精度を高めることが可能となる。
【０１００】
本実施例では、２秒に１回通常モードによる定常測定か、脈動モードによる脈動時測定を行うが、ステップ１０３での差が一定以上の時は、再測定として脈動モードでの脈動測定を続けて実行することも可能である。実際に脈動であった場合、より正確な測定結果を得ることができる。またステップ１０３で流量変化を検知した結果を放棄し、変化前（即ち脈動が起こる前）の結果である前回値を採用することも可能である。
【０１０１】
ステップ１０５の脈動モードによる脈動時測定では、順方向と逆方向のそれぞれについて、連続したｎ＝４回の繰り返し送受信で、サンプリング間隔５６ｍｓで１６回ずつ行うサンプリングの（送受信回数がｎ×ｍ回）の総到達時間の総和から流量を演算するが、各サンプリング間隔毎に測定した総到達時間のうち順方向のみの最大値と最小値を基準発振部のクロック数で記憶するようになっている（ステップ１０６）。
【０１０２】
そして、その（最大値）−（最小値）が一定値より大きい時は、サンプリングが脈動に同期していないと判断して（ステップ１０７）、そのままのサンプリング周期５６ｍｓで脈動測定を継続する。即ち、ステップ１０６からステップ１０５に戻る。また、ステップ１０７で（最大値）−（最小値）が一定値より大きくない時（小さい時）は、サンプリングが脈動と同期していると判断して、ステップ１０９に移行し、サンプリング間隔（周期）Ｔｓを違う値１６ｍｓに変更して脈動時測定を続ける。
【０１０３】
なお、ステップ１０６で、ｍ回のサンプリング毎の最大値と最小値を、順方向だけについて記憶するようにし、それらの値の差が一定値以上のとき（ステップ１０７）に、同期していないと判断して脈動モード１０５に戻る条件にしたが、順方向と逆方向の両方向の最大値と最小値を記憶するようにして、（最大値）−（最小値）が順方向と逆方向の両方について、一定値より大きい時にサンプリングが脈動に同期していないと判断して、ステップ１０７からステップ１０５に戻るように条件付けをするようにすることもできる。このように順逆両方向の値に基づいて判断した方が精度良く判定できる。
【０１０４】
さて、ステップ１０９の脈動時測定の数値に基づき、（最大値）−（最小値）が一定以上に大きい時（ステップ１１１）は脈動があり同期を回避したと判断してサンプリング間隔はそのままでステップ１０５に戻る。また、（最大値）−（最小値）が一定未満の時は脈動はなく、定常流と判断してステップ１０１の通常モードに戻す。
【０１０５】
なお、上記説明では、ステップ１０３からステップ１０５に移行して、サンプリング間隔を５６ｍｓに変え、ステップ１０７からステップ１０９に移行してサンプリング間隔を１６ｍｓに変えたが、サンプリング間隔を上記説明と逆の関係、即ちステップ１０３からステップ１０５への移行で１６ｍｓ、ステップ１０９で５６ｍｓと定めても良い。
【０１０６】
サンプリング間隔Ｔｓが５６ｍｓの場合で、脈動の周波数が３７Ｈｚ、Ｔｓ１＝Ｔｓ２＝Ｔｓ／２、サンプリング開始点が脈動の波の０点から脈動の周期の１／１０の点である場合の流量波形（脈動波形）と順方向、逆方向の測定点（サンプリング点）との関係を図１２に示す。この条件の場合、流量の真の平均値は０、脈動の振幅は１ｍ3／ｈで、サン
プリング点が脈動と同期しているため測定値の平均は０．５８ｍ3／ｈとなった。なお、
図１２で横軸は時間、縦軸は流量で、流量変動は正弦波状の脈動そのものであり、平均値は０である。同期のため、（最大値）−（最小値）は一定値未満である。この脈動を１６ｍｓの間隔でサンプリングしたのが図１３である。同期を回避して、脈動の最大と最小を捉えていて、（最大値）−（最小値）が脈動のＰ−Ｐの幅とほぼ同じになり、大きな値となっている。ここでは、脈動波形に対してサンプリング点がばらつくことで、脈動波形のいろいろな位相で測定することになり、測定値の平均を求めることで真の平均値が得られる。
【０１０７】
上記実施例では、５６ｍｓと１６ｍｓの２つのサンプリング間隔（周期）を用いたが、同じ脈動周期に２つともが同期することがないように選べば、他のサンプリング間隔の組み合わせでも問題ない。また、２つではなく、３つ以上のサンプリング間隔を用意して、３つのサンプリング周期のすべてで最大値と最小値の差が一定未満のときに通常モードに切り替えて、定常測定をするようにしてもよい。
【実施例６】
【０１０８】
次に、請求項６〜８に対応する実施例６を説明する。ハードウェアの構成は実施例５と同様に図４（ａ）を使う。その動作を図１３〜１５のフロー図に従って説明する。図１４，１５，１６の各フロー図は全体のフローを分解した図で、図１５は図１４のａに、図１６は図１４のｂに接続されるものである。
【０１０９】
本実施例でも流量変化やサンプリングの同期判断結果により測定モードを切り替えるもので、測定モードとして、通常モード、第１の脈動モード及び第２の脈動モードの３つを持つものである。
【０１１０】
通常モードは、脈動（流量変動）がないときの測定モードで、順方向逆方向の両方でそれぞれｍが３２回の繰り返し測定を実施し、その両方の総到達時間の総和より流量を求めるモードであり、第１の脈動モード、第２の脈動モードは、実施例では連続してｎ＝４回の測定を順逆交互に等間隔（決められたサンプリング間隔）で各方向１６回、計６４回行い、各方向の総到達時間の総和より流量を求めるものである。第１の脈動モードと第２の脈動モードではサンプリング間隔が異なる。
【０１１１】
図１４〜１６のフロー１６，１５，１４図に沿って説明する。このフローは、２秒に１回実行されるものである。上記３つのモードに相当する図１６，１５，１４の３つの大きな流れに分けられている。
【０１１２】
１）通常モードからの切換
脈動のない（変動の小さい）ときは、図１６の流れで、測定は通常モード（ステップ２０３）がセットされていて通常モードで測定を行う。
【０１１３】
脈動もしくは流量変化により前回値との差がある範囲を超えたとき流量変化ありと判断し（ステップ２０５）、測定方法を通常モードから第１の脈動モードに変更する（ステップ２０７）。
【０１１４】
このときの流量値は、脈動による変化の影響が考えられるため、前回値を採用することも可能である。超えない場合は流量変化無しとして、通常モードを継続する（ステップ２０９）。
【０１１５】
２）第１の脈動モードからの切換
脈動モードでは、１サンプリングであるｎ＝４回の連続送受信の各総到達時間（実際は基準クロックのカウント値）のうち、順方向の最大値及び最小値と増減回数を記憶するようになっている。この点は実施例２と４に類似である。
【０１１６】
第１の脈動モードでは、フロー図において図１５の流れとなる（ステップ２１１）。はじめに最大と最小の差が一定値より小さいと判断したとき（ステップ２１３）は定常流、またはサンプリングによる同期と考えられ、測定モードを第２の脈動モードに変更する（ステップ２１５）。
【０１１７】
差が一定値より大きい時は増減回数を確認し（ステップ２１５）、ある回数より多い場合は脈動をうまく捉えているものとして第１の脈動モードを継続する（ステップ２１７）。
【０１１８】
少ない場合は、脈動の周期が長く収束が遅いと考えられるが、第２の脈動モードから第１の脈動モードに変更されて測定を行った場合（ステップ２１９でＹＥＳ）は、第１の脈動モードを優先し継続する（ステップ２１７）。
【０１１９】
通常のモードから変更された場合（ステップ２１９でＮＯ）は第２の脈動モードに変更する。
【０１２０】
３）第２の脈動モードからの切換
第２の脈動モード（ステップ２２１）では図１４の流れとなる。第１の脈動モード（図１５のステップ２１１）と同様に最大値、最小値、増減回数が記憶されており、最大と最小の差が小さいとき（ステップ２２３でＮＯ）は、第１の脈動モードで測定した最大、最小の差を確認（ステップ２２５）し、一定値より小さい場合は定常流と判断し、通常モードに変更する（ステップ２２７）。
【０１２１】
ステップ２２５において、第１の脈動モードで差が一定値より大きかったが増減数が少なかったため、第２の脈動モードに移行していた場合（ステップ２２５）は、第２の脈動
モードではサンプリングに同期しているものと判断し、第１の脈動モードに変更する（ステップ２３５）。
【０１２２】
第２の脈動モードでの差が大きいとき（ステップ２２３でＹＥＳ）は、第１の脈動モードと同様に増減回数を確認（ステップ２２９）し、一定回数より多いときは第２の脈動モードを継続する（ステップ２３１）。
【０１２３】
回数が少ないとき（ステップ２２９のＹＥＳ）は、第１の脈動モードで差が一定値より大きかったが増減回数が少なくて第２の脈動モードに移行していた場合（ステップ２３３のＮＯ）には第１の脈動モードを優先し第１の脈動モードに変更する（ステップ２３５）、第１の脈動モードで差が一定値より小さくて第２の脈動モードへ移行していた場合（ステップ２３３のＹＥＳ）は第２の脈動モードを維持する。
【０１２４】
本実施例では、総到達時間の増減回数が一定値以下の場合の時はサンプリングが脈動に同期していると判断しサンプリング間隔を切り替えるようにしているので、サンプリングの脈動同期に近い状態も検知できてサンプリング間隔を変更できるため、より効果的に脈動する流量の平均化が可能で、より精度の良い流量計測ができる。
【０１２５】
なお、この実施例６の場合も、前の実施例５と同様にＴｓ１＝Ｔｓ２＝Ｔｓ／２に定めていて、計測精度を高めるようにしている。
【０１２６】
また、いずれの実施例も流量を時間的に積算してガス使用量を算出し、ガスメータとして活用できる。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 流管
２，３ 送受波器
４ 送波器駆動部
５ 受信波検知部
７ 第１のカウンタ
８ 第２のカウンタ
８Ａ 総到達時間カウンタ
８ａ 順方向総到達時間総和カウンタ
８ｂ 逆方向総到達時間総和カウンタ
９ 演算部
１０ 最大値ホールダ
１１ 最小値ホールダ
１３ 比較器
１４ カウンタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向での超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから脈動モードに移行するとともに、
前記脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差が一定以下のときに脈動モードから通常モードに戻すことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
複数の脈動モードを具備し、各脈動モードが異なるサンプリング間隔で超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
【請求項４】
通常モードのサンプリング間隔よりも、脈動モードのサンプリング間隔を短く定めたことを特徴とする請求項１，２又は３記載の超音波流量計。
【請求項５】
通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とする請求項１乃至４のうち何れかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なる第１のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第１の脈動モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔及び第１のサンプリング間隔とは異なる第２のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第２の脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから第１の脈動モードに移行するとともに、
各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めることを特徴とする超音波流量計。
【請求項７】
第１と第２の各脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とする請求項６記載の超音波流量計。
【請求項８】
通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とする請求項６又は７記載の超音波流量計。
【請求項１】
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なるサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向での超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから脈動モードに移行するとともに、
前記脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差が一定以下のときに脈動モードから通常モードに戻すことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
複数の脈動モードを具備し、各脈動モードが異なるサンプリング間隔で超音波の到達時間の計測を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流量計。
【請求項４】
通常モードのサンプリング間隔よりも、脈動モードのサンプリング間隔を短く定めたことを特徴とする請求項１，２又は３記載の超音波流量計。
【請求項５】
通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とする請求項１乃至４のうち何れかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
超音波の到達時間の計測を、順方向と逆方向について行う流量計であって、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を所定のサンプリング間隔で行い、それらの到達時間に基づいて流量を演算する通常モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔と異なる第１のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第１の脈動モードと、
順方向と逆方向の超音波の到達時間の計測を前記所定のサンプリング間隔及び第１のサンプリング間隔とは異なる第２のサンプリング間隔で一定複数回（ｍ回）繰り返し、こうして計測した順方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和と、逆方向の超音波の到達時間の一定複数回（ｍ回）での総和とに基づいて流量を演算する第２の脈動モードとを具備し、
前記通常モードにおいて、一定以上の流速変化を認めたときに、通常モードから第１の脈動モードに移行するとともに、
各脈動モードにおいて、各到達時間の最大値と最小値の差及び各到達時間の増減回数に基づいてモードの切り替え又は継続を決めることを特徴とする超音波流量計。
【請求項７】
第１と第２の各脈動モードにおいて、まず送信側の送受波器から超音波を送信し、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると同時に再び送信側の送受波器から超音波を送信することを連続して一定回数（ｎ回）繰り返して、最初の送信から一定回数（ｎ回）目の受信までの総到達時間を計測するとともに、このようにして計測する総到達時間を前記到達時間として使用することを特徴とする請求項６記載の超音波流量計。
【請求項８】
通常モードの測定において、前回の測定値と今回の測定値との差が一定以上のときに脈動モードに移行することを特徴とする請求項６又は７記載の超音波流量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−１９８５８（Ｐ２０１０−１９８５８Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４５４７４（Ｐ２００９−２４５４７４）
【出願日】平成２１年１０月２６日（２００９．１０．２６）
【分割の表示】特願２００３−３４５４５４（Ｐ２００３−３４５４５４）の分割
【原出願日】平成１５年１０月３日（２００３．１０．３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【出願人】（０００１１６６３３）愛知時計電機株式会社 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２６日（２００９．１０．２６）
【分割の表示】特願２００３−３４５４５４（Ｐ２００３−３４５４５４）の分割
【原出願日】平成１５年１０月３日（２００３．１０．３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【出願人】（０００１１６６３３）愛知時計電機株式会社 (126)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]