2022-99415 ガイド波式の超音波流量計、流量計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022099415

(43)【公開日】2022-07-05

(54)【発明の名称】ガイド波式の超音波流量計、流量計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20220101AFI20220628BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 Z

G01F1/66 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020213171

(22)【出願日】2020-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000243364

【氏名又は名称】本多電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114605

【弁理士】

【氏名又は名称】渥美 久彦

(72)【発明者】

【氏名】石黒 裕也

(72)【発明者】

【氏名】松下 尚孝

(72)【発明者】

【氏名】外村 啓真

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 克幸

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035DA07

2F035DA08

2F035DA13

2F035DA14

2F035DA19

2F035DA22

(57)【要約】

【課題】環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができるガイド波式の超音波流量計を提供すること。
【解決手段】本発明の超音波流量計１１は、一方の超音波振動子２１Ａから送信した超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って伝播させて他方の超音波振動子２１Ｂで受信する送受信動作を流れの正方向及び逆方向で複数回ずつ行う。超音波流量計１１は、送信タイミング制御部、波形合成部、流量算出部を備える。送信タイミング制御部は、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせ、送信タイミングを制御する。波形合成部は、同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する。流量算出部は、波形合成された受信信号から算出される伝播時間の差に基づき、流体の流量を算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置した構造を備え、一方の前記超音波振動子から送信した超音波ガイド波を前記チューブ長手方向に沿って伝播させて他方の前記超音波振動子で受信する送受信動作を流れの正方向及び逆方向について複数回ずつ行い、正方向の伝播時間及び逆方向の伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する超音波流量計であって、
同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることにより、送信タイミングを制御する送信タイミング制御部と、
同じ方向への複数回の前記送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する波形合成部と、
波形合成された前記受信信号から算出される前記伝播時間の差に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部と
を備えることを特徴とするガイド波式の超音波流量計。

【請求項2】

前記送信タイミング制御部は、
送信の間隔の基準となる第１設定時間とその第１設定時間よりも短い複数種類の第２設定時間とを設定するとともに、複数種類の前記第２設定時間のうちから毎回異なるものを１つ選択して前記第１設定時間に加算及び／又は減算することにより、
同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせる
ことを特徴とする請求項１に記載のガイド波式の超音波流量計。

【請求項3】

前記送信タイミング制御部は、
前記超音波振動子の発振周波数から求められる周期をＴ、ｎを２以上の自然数、ｋを１以上ｎ以下の自然数、送信の間隔の基準となる第１設定時間をｔとし、同じ方向にｎ回連続して前記超音波ガイド波を送受信するときのｋ回目の送信と（ｋ＋１）回目の送信との間隔をｔ_ｋと定義した場合、
ｔ_ｋ＝ｔ＋（ｋ－1）・Ｔ／ｎとなるように、前記送信タイミングを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載のガイド波式の超音波流量計。

【請求項4】

前記自然数ｎは、４以上かつ３２以下の偶数であることを特徴とする請求項３に記載のガイド波式の超音波流量計。

【請求項5】

流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置し、前記超音波振動子によって超音波ガイド波を発生させて流量を計測する方法であって、
上流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を下流側の前記超音波振動子で受信する正方向送受信ステップと、
下流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を上流側の前記超音波振動子で受信する逆方向送受信ステップと、
前記正方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第１波形合成信号を得るとともに、前記逆方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第２波形合成信号を得る波形合成ステップと、
前記第１波形合成信号から正方向の伝播時間を求めかつ前記第２波形合成信号から逆方向の伝播時間を求めることで伝播時間の差を算出し、その伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出ステップと
を含むことを特徴とする流量計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直管状のチューブの長手方向に沿って超音波ガイド波を伝播させることで流体の流量を計測するガイド波式の超音波流量計、及びそれにおける流量計測方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

流体の流量を計測するための装置として、超音波流量計がよく知られている。 従来の一般的な超音波流量計の場合、一対の超音波振動子を対向させて配置するために、流路となるチューブの部分が屈曲した形状となっている。そのため、圧力損失大きい、液溜りが生じてしまうといったデメリットがある。このような事情のもと、流路が屈曲していない直管状のチューブを用いたストレートタイプの超音波タイプの流量計に対する強い要望がある。ストレートタイプの超音波流量計のなかでも、チューブ長手方向に沿って伝播する超音波ガイド波を流量の計測に利用する、ガイド波式の超音波流量計が従来いくつか提案されている（例えば特許文献１を参照）。

【0003】

具体例を挙げて説明すると、一般的なガイド波式の超音波流量計は、流体が流れる直管状のチューブを備えており、そのチューブの外周面に一対の超音波振動子が配置されている。これらの超音波振動子は例えば円環状をなしており、チューブ長手方向に互いに離間して配置されている。チューブ内における一対の超音波振動子間の領域は計測部となっている。そして、流体がチューブ内を流れているときに、一方の超音波振動子から超音波ガイド波を送信して他方の超音波振動子で受信する。このような送受信動作を流れに沿った正方向及び逆方向について複数回ずつ行い、超音波ガイド波の伝播時間差を計算することにより、流量が算出されるようになっている。なお、同じ方向に対して送受信動作を複数回行う場合には、送信の時間間隔を一定に設定することが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許５８１２７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、円環状の超音波振動子を駆動した場合、超音波ガイド波は計測部に面している内側端面から発信されるばかりでなく、計測部に面していない外側端面からも同様に発信される。つまり、超音波ガイド波は、計測に使用する受信側の超音波振動子に向かって伝播するばかりでなく、計測とは関係のない反対方向にも同じ分だけ伝播する。便宜上、計測に用いる前者の超音波ガイド波を「主要信号」と呼び、計測に用いない後者の超音波ガイド波を「不要信号」あるいは「音響ノイズ」と呼ぶことにする。

【0006】

一般的にガイド波式の超音波流量計では、超音波ガイド波の減衰が小さいことが知られている。それゆえ、長時間減衰しない不要信号がチューブ端や継手等で反射して残響となって計測部に戻ってきてしまい、必要信号の波形に音響ノイズとなって加算されることがある。このような音響ノイズは、測定誤差を生じさせる大きな原因となっている。

【0007】

ここで、図６を用いて説明する。例えばガイド波式の超音波流量計を使用する環境の温度が一定の条件下（例えばＴ１［℃］の条件下）であれば、一定の時間間隔で送信を行っても、音響ノイズが必要信号に加算されるタイミングは常に一定であり、時間差は生じない。この場合にはその環境温度（Ｔ１［℃］）にてゼロ点調整を行って音響ノイズの影響をキャンセルすることができる。それゆえ、測定誤差は生じにくい。しかしながら、環境温度が一定でない条件下（例えばＴ１→Ｔ２［℃］となるような条件下）では、チューブの膨張等に起因して、音響ノイズが必要信号に加算されるタイミングが変わり、時間差が生じてしまう。即ち、温度条件の変化によってゼロ点のシフトが発生する。従って、ある温度でゼロ点調整を行って音響ノイズの影響をキャンセルできたとしても、温度変化により発生する時間差によって、音響ノイズが違うタイミングで加算されてしまう。この場合の音響ノイズはキャンセル不能であるため、結果として測定誤差が生じやすくなる。つまり、キャンセル不能な音響ノイズを発生させやすい上記従来装置は、温度特性に劣るものであったので、測定精度の向上のために音響ノイズの影響を軽減する何らかの対策が必要であると考えられていた。

【0008】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができるガイド波式の超音波流量計、流量計測方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置した構造を備え、一方の前記超音波振動子から送信した超音波ガイド波を前記チューブ長手方向に沿って伝播させて他方の前記超音波振動子で受信する送受信動作を流れの正方向及び逆方向について複数回ずつ行い、正方向の伝播時間及び逆方向の伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する超音波流量計であって、同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることにより、送信タイミングを制御する送信タイミング制御部と、同じ方向への複数回の前記送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する波形合成部と、波形合成された前記受信信号から算出される前記伝播時間の差に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部とを備えることを特徴とするガイド波式の超音波流量計をその要旨とする。

【0010】

従って、請求項１に記載の発明によると、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔が毎回異なるものとなるように、送信タイミング制御部が送信タイミングを制御する。そして波形合成部が同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成することにより、音響ノイズのみがキャンセルされる。即ち、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う一方、毎回の送信において位相が異なる不要信号（音響ノイズ）は弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。よって、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、Ｓ／Ｎ比が改善される結果、測定精度を向上させることができる。

【0011】

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記送信タイミング制御部は、送信の間隔の基準となる第１設定時間とその第１設定時間よりも短い複数種類の第２設定時間とを設定するとともに、複数種類の前記第２設定時間のうちから毎回異なるものを１つ選択して前記第１設定時間に加算及び／又は減算することにより、同じ方向への複数回の前記送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることをその要旨とする。

【0012】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記送信タイミング制御部は、前記超音波振動子の発振周波数から求められる周期をＴ、ｎを２以上の自然数、ｋを１以上ｎ以下の自然数、送信の間隔の基準となる第１設定時間をｔとし、同じ方向にｎ回連続して前記超音波ガイド波を送受信するときのｋ回目の送信と（ｋ＋１）回目の送信との間隔をｔ_ｋと定義した場合、ｔ_ｋ＝ｔ＋（ｋ－1）・Ｔ／ｎとなるように、前記送信タイミングを制御することをその要旨とする。

【0013】

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記自然数ｎは、４以上かつ３２以下の偶数であることをその要旨とする。

【0014】

請求項５に記載の発明は、流体が流れる直管状のチューブの外周面に超音波振動子をチューブ長手方向に離間させて一対配置し、前記超音波振動子によって超音波ガイド波を発生させて流量を計測する方法であって、上流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を下流側の前記超音波振動子で受信する正方向送受信ステップと、下流側の前記超音波振動子から前記超音波ガイド波を複数回送信するとともに当該送信の間隔を毎回異ならせることにより送信タイミングを変化させ、前記チューブ長手方向に沿って伝播した超音波ガイド波を上流側の前記超音波振動子で受信する逆方向送受信ステップと、前記正方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第１波形合成信号を得るとともに、前記逆方向送受信ステップで受信した複数の受信信号の波形を合成して第２波形合成信号を得る波形合成ステップと、前記第１波形合成信号から正方向の伝播時間を求めかつ前記第２波形合成信号から逆方向の伝播時間を求めることで伝播時間の差を算出し、その伝播時間の差に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出ステップとを含むことをその要旨とする。

【0015】

従って、請求項５に記載の発明によると、正方向送受信ステップ及び逆方向送受信ステップでは、複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔が毎回異なるタイミングとなるように、それぞれ送信が行われる。波形合成ステップでは、同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成することにより、第１波形合成信号及び第２波形合成信号が得られる。このようにして得られた第１波形合成信号及び第２波形合成信号では、いずれも不要信号である音響ノイズのみがキャンセルされる。即ち、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う一方、毎回の送信において位相が異なる不要信号（音響ノイズ）は弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。それゆえ、流量算出ステップにおいて、低ノイズの第１波形合成信号及び第２波形合成信号に基づくことにより、正確に流量計算を行うことが可能となる。よって、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、Ｓ／Ｎ比が改善される結果、測定精度を向上させることができる。

【発明の効果】

【0016】

以上詳述したように、請求項１～５に記載の発明によると、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明を具体化した実施形態のガイド波式の超音波流量計を示す斜視図。

【図2】実施形態のガイド波式の超音波流量計を示す断面図。

【図3】（ａ）は従来例における超音波ガイド波の送信タイミングと、本実施形態における超音波ガイド波の送信タイミングとを比較して説明するためのタイムチャート、（ｂ）は本実施形態の送信タイミングで超音波ガイド波の送信を行ったときの信号波形を示すグラフ。

【図4】（ａ）は本実施形態において同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）における所定の領域Ｒ１を拡大したグラフ。

【図5】（ａ）は従来例において同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）における所定の領域Ｒ１を拡大したグラフ。

【図6】従来の問題点を説明するためのグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を具体化した一実施形態のガイド波式の超音波流量計を図１～図５に基づき詳細に説明する。

【0019】

図１、図２に示されるように、本実施形態の超音波流量計１１は、直管状のチューブ１２の長手方向に沿って進む超音波ガイド波を利用して、チューブ１２内を流れる液体の流量を計測するための装置である。この超音波流量計１１は、流量計測管としての直管状のチューブ１２を備えていることから、ストレートタイプの超音波流量計と称されることがある。チューブ１２を流れる液体としては任意であって特に限定されないが、本実施形態では加熱された高温の液体（半導体洗浄液など）がチューブ１２に流される。

【0020】

チューブ１２は可撓性を有する樹脂製であって、ここではフッ素樹脂の一種である四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）を材料として用いて形成されている。勿論、チューブ１２はＰＦＡ以外の樹脂材料を用いて形成されてもよく、例えば、ポリ塩化ビニル樹脂、シリコーンゴム、ポリエチレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などを用いて形成されてもよい。

【0021】

図１、図２に示されるように、この超音波流量計１１は、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを備えている。これらの超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは、チューブ１２の外周面１３に配設されている。便宜上、図１及び図２において左側に位置する超音波振動子を第１の超音波振動子２１Ａとし、図１及び図２において右側に位置する超音波振動子を第２の超音波振動子２１Ｂとする。第１の超音波振動子２１Ａと第２の超音波振動子２１Ｂとは、チューブ長手方向に沿って互いに離間した状態で配置されている。本実施形態の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂはともに円環状であって、同じ寸法を有する。具体的には、これら超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスを用いて形成された圧電素子である。円環状をなす超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは中心孔２４を有しており、その中心孔２４の内周面はチューブ１２の外周面１３に対して密着されている。このとき、中心孔２４の内周面とチューブ１２の外周面１３とは直接接して密着していてもよいが、音響整合層として機能するカップリング材層などを介して密着していてもよく、あるいは接着剤層を介して密着していてもよい。

【0022】

チューブ１２内における一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂ間の領域は、計測部３１となっている。これら超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは、それぞれ第１側端面２２及び第２速端面２３を有している。第１の超音波振動子２１Ａの第１側端面２２と、第２の超音波振動子２１Ｂの第１側端面２２とは、計測部３１に面した状態で互いに対向して配置されている。第１の超音波振動子２１Ａの第２側端面２３及び第２の超音波振動子２１Ｂの第２側端面２３は、計測部３１に面しておらず、それぞれ計測部３１がある方向とは反対方向（即ち計測部３１の外部領域３２）を向くように配置されている。

【0023】

次に、図１に基づいて超音波流量計１１の電気的構成について説明する。

【0024】

この超音波流量計１１は計測制御装置４１を備えている。この計測制御装置４１は、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動して計測部３１内で送受信を行うことにより、チューブ１２内を流れる液体の流量を演算によって求めるための装置である。本実施形態の計測制御装置４１は、信号処理部４２、演算処理部４３、入力装置４４及び表示装置４５等を備えている。信号処理部４２は、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動するための駆動信号を出力する回路などを含んでいる。

【0025】

なお、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを駆動するときの周波数は特に限定されず高周波数であればよいが、超音波ガイド波を励起させうる周波数であることが必要である。本実施形態では例えば２００ｋＨｚ～３００ｋＨｚ程度に設定している。

【0026】

演算処理部４３は、従来周知のＣＰＵ４６やメモリ４７等を含んで構成された処理回路である。メモリ４７には、制御プログラムやデータが記憶されており、ＣＰＵ４６は、メモリ４７に記憶されている制御プログラムに基づいて流量計算のための演算処理や表示処理を行う。

【0027】

また、入力装置４４は、各種の操作ボタンを有し、測定の開始・終了、表示モードの設定などを行う。表示装置４５は、例えば液晶ディスプレイであり、演算処理部４３にて算出された流量を表示する。

【0028】

本実施形態のＣＰＵ４６は、送信タイミング制御部としての役割を担っている。送信タイミング制御部であるＣＰＵ４６は、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔を毎回異ならせることにより、送信タイミングを制御する。具体的にいうと、ＣＰＵ４６は、送信の間隔の基準となる第１設定時間ｔと、その第１設定時間ｔよりも短い複数種類の第２設定時間ｔ´とを設定する。そしてＣＰＵ４６は、複数種類の第２設定時間ｔ´のうちから毎回異なるものを１つ選択して、第１設定時間ｔに加算することにより、送信タイミングの制御を行う。換言すると、本実施形態では、第１設定時間ｔに対して毎回異なる第２設定時間ｔ´（即ち毎回異なる遅延時間）が加算されることで、送信タイミングが少しずつ遅延するようになっている。なお、複数種類の第２設定時間ｔ´は、限定されず任意に決定されるが、例えば第１設定時間ｔの半分以下の長さ、好ましくは数分の１以下の長さに設定される。より詳しく説明すると、本実施形態において複数種類の第２設定時間ｔ´は下記のようにして決定される。

【0029】

超音波振動子２１Ａ、２１Ｂの発振周波数から求められる周期をＴと定義する。ｎを２以上の自然数と定義する。ｋを１以上ｎ以下の自然数と定義する。送信の間隔の基準となる第１設定時間は、既に示したようにｔである。そして、同じ方向にｎ回連続して超音波ガイド波を送受信するときのｋ回目の送信と（ｋ＋１）回目の送信との間隔をｔ_ｋと定義する。この場合において、ＣＰＵ４６は、ｋ回目の送信と（ｋ＋１）回目の送信との間隔ｔ_ｋがｔ＋（ｋ－1）・Ｔ／ｎとなるように送信タイミングを設定し、その設定に基づいて送信タイミングを制御するようになっている。つまり、ＣＰＵ４６は、複数種類の第２設定時間ｔ´を（ｋ－1）・Ｔ／ｎに設定し、超音波ガイド波の送信時に第１設定時間ｔにこれを加算して送信タイミングを設定すると把握することもできる。周期Ｔを除する自然数ｎは、２以上であれば特に限定されないが、偶数（２の倍数）であることが好ましく、４以上かつ３２以下の偶数であることがより好ましい。ｎの値が小さすぎると音響ノイズを十分に平均化できないおそれがある。また、ｎの値が必要以上に大きくなったとしても、音響ノイズを平均化する効果の大幅な向上は期待できず、かえって演算処理の負担増大や、演算処理の所要時間の増加につながるおそれがある。以上のような事情を考慮して、本実施形態ではｎ＝８に設定している。

【0030】

図３（ａ）は、従来例における超音波ガイド波の送信タイミング（上段）と、本実施形態における超音波ガイド波の送信タイミング（下段）とを比較して説明するためのタイムチャートである。横軸は時間軸であり、縦棒は左から順に、１回目、２回目、３回目・・・の送信タイミングを示している。上段のタイムチャートでは、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔ｔ_ｋが、毎回ｔに設定される。即ち間隔ｔ_ｋは一定とされているため、送信タイミングに遅延は生じない。これに対し、下段のタイムチャートでは、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔ｔ_ｋは、毎回一定時間ずつ長くなっている。具体的には、１回目の送信と２回目の送信との間隔ｔ₁がｔ、２回目の送信と３回目の送信との間隔ｔ_２がｔ＋Ｔ／ｎ、３回目の送信と４回目の送信との間隔ｔ_３がｔ＋２・Ｔ／ｎ、４回目の送信と５回目の送信との間隔ｔ_４がｔ＋３・Ｔ／ｎ、・・・となるように、送信タイミングが設定される。つまり、毎回の送信ごとにＴ／ｎずつ遅延時間が増えていく。

【0031】

図３（ｂ）は、図３（ａ）下段のタイムチャートのような送信タイミングで超音波ガイド波の送信を行ったときの信号波形を示すグラフである。これによると、主要信号については、毎回の送信において位相が同じであることがわかる。一方、不要信号（音響ノイズ）については、毎回の送信において位相が異なることがわかる。

【0032】

図４（ａ）は、本実施形態において同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を示すグラフであり、図４（ｂ）は図４（ａ）における所定の領域Ｒ１を拡大したグラフである。図４（ｂ）によると、主要信号については、いずれも位相が同じである。それゆえ、８回の送信により得られた８つの受信波形における主要信号の部分は、重なり合っている。一方、不要信号（音響ノイズ）については、いずれも位相が少しずつ異なる。それゆえ、８回の送信により得られた８つの受信波形における不要信号は、時間方向に少しずつずれている。

【0033】

図５（ａ）は、従来例において同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を示すグラフであり、図５（ｂ）は図５（ａ）における所定の領域Ｒ１を拡大したグラフである。図５（ｂ）によると、主要信号については、いずれも位相が同じである。それゆえ、８回の送信により得られた８つの受信波形における主要信号の部分は、重なり合っている。一方、不要信号（音響ノイズ）についても、いずれも位相が同じである。それゆえ、８回の送信により得られた８つの受信波形における不要信号も、重なり合っている。従って、図４（ｂ）と比較すると、不要信号（音響ノイズ）のレベルが大きく、周期性を持った状態を保っている。

【0034】

本実施形態のＣＰＵ４６は、さらに波形合成部としての役割を担っている。波形合成部であるＣＰＵ４６は、同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成する。波形合成を行うと、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う。その一方で、毎回の送信において位相が異なる不要信号（音響ノイズ）は弱め合って平均化される。その結果、波形合成された受信信号中において音響ノイズのみがキャンセルされる。

【0035】

本実施形態のＣＰＵ４６は、さらに流量算出部としての役割を担っている。流量算出部であるＣＰＵ４６は、波形合成された受信信号から算出される伝播時間の差に基づいて、流体の流量を算出する。

【0036】

次に、このように構成された超音波流量計１１における測定動作について説明する。

【0037】

流量の測定は液体がチューブ１２内を所定方向に流れているときに行われる。例えば、図１及び図２の左側から右側に向かって液体が流れているものとする。このとき、第１の超音波振動子２１Ａが上流側に位置する超音波振動子、第２の超音波振動子２１Ｂが下流側に位置する超音波振動子ということになる。この状態で操作ボタンを操作して流量測定の開始を指示すると、ＣＰＵ４６の指令によって信号処理部４２が駆動される。すると、一対の超音波振動子２１Ａ、２１Ｂに超音波ガイド波の送受信を開始する。

【0038】

まず、ＣＰＵ４６は正方向送受信ステップを実行し、上流側である第１の超音波振動子２１Ａに超音波ガイド波を８回送信させる。このとき、当該送信の間隔ｔ_ｋがＴ／８ずつ長くなるよう設定にして、毎回の送信タイミングを一定時間ずつ遅延させる。そして、超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って計測部３１内を流れの正方向に伝播させ、その超音波ガイド波を下流側である第２の超音波振動子２１Ｂで受信する。第２の超音波振動子２１Ｂが受信した受信８回分の受信信号は、メモリ４７内に逐次格納される。

【0039】

また、ＣＰＵ４６は逆方向送受信ステップを実行し、下流側である第２の超音波振動子２１Ｂに超音波ガイド波を８回送信させる。このとき、当該送信の間隔ｔ_ｋがＴ／８ずつ長くなるよう設定にして、毎回の送信タイミングを一定時間ずつ遅延させる。そして、超音波ガイド波をチューブ長手方向に沿って計測部３１内を流れの逆方向に伝播させ、その超音波ガイド波を上流側である第１の超音波振動子２１Ａで受信する。第１の超音波振動子２１Ａが受信した８回分の受信信号も、メモリ４７内に逐次格納される。

【0040】

次に、ＣＰＵ４６は波形合成ステップを実行する。即ち、正方向送受信ステップで受信した８回分の受信信号の波形を合成して第１波形合成信号を得るとともに、逆方向送受信ステップで受信した８回分の受信信号の波形を合成して第２波形合成信号を得る。このステップにより得られた第１波形合成信号及び第２波形合成信号において、主要信号は互いに強め合う。一方、不要信号（音響ノイズ）は互いに弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。つまり、波形合成ステップを経ることで受信信号のＳ／Ｎ比が改善される。

【0041】

次に、ＣＰＵ４６は流量算出ステップを実行する。即ち、第１波形合成信号から正方向の伝播時間を求め、かつ第２波形合成信号から逆方向の伝播時間を求めたうえで、その差を算出する。そして、この伝播時間の差に基づいて流体の流速を算出し、さらに流速に基づいて流量を算出する。その結果、表示装置４５が算出された流量値を表示するようになっている。

【0042】

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

【0043】

（１）本実施形態のガイド波式の超音波流量計１１では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔が毎回異なるものとなるように、送信タイミング制御部が超音波ガイド波の送信タイミングを制御する。そして波形合成部が同じ方向への複数回の送受信動作で受信した複数の受信信号の波形を合成することにより、音響ノイズのみがキャンセルされる。即ち、毎回の送信において位相が同じ主要信号は強め合う一方、毎回の送信において位相が異なる不要信号（音響ノイズ）は弱め合って平均化されることで、キャンセルされる。よって、環境温度が一定でなくても音響ノイズの影響を軽減することができ、Ｓ／Ｎ比が改善される結果、測定精度を向上させることができる。従って、温度特性及び測定精度に優れたガイド波式の超音波流量計１１を実現することができる。

【0044】

（２）本実施形態では、送信タイミング制御部が、超音波ガイド波の送信タイミングを一定時間ずつ遅延させるように制御している。またこの場合において送信タイミング制御部は、遅延時間（即ち第２設定時間ｔ´）を、超音波振動子２１Ａ、２１Ｂの発振周波数から求められる周期Ｔに基づいて設定している。このように遅延時間を設定し、毎回Ｔ／８ずつ送信タイミングをずらしていくことにより、比較的少ない送信回数であっても効果的かつ安定的に音響ノイズをキャンセルすることが可能となる。

【0045】

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

【0046】

・上記実施形態では超音波振動子２１Ａ、２１Ｂは円環状であったが、例えば超音波振動子を半円環状とし、これらを２つ組み合わせて配置することで、全体として環状をなすような構造としてもよい。あるいは、超音波振動子を四半円環状とし、これらを４つ組み合わせて配置することで、全体として環状をなすような構造としてもよい。また、半円環状や四半円環状ではない形状（例えば円板状や円柱状など）の超音波振動子を複数個用い、それらが全体として環状をなすように配置してもよい。具体的には、複数個の超音波振動子を用いるとともに、それらをチューブ１２の中心軸線に対して回転対称になるように、チューブ１２における同一位置にて周方向に沿って均等な角度で配置してもよい。

【0047】

・上記実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる超音波振動子２１Ａ、２１Ｂを用いたが、超音波振動子２１Ａ、２１Ｂの形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系（ニオブ酸アルカリ系）の圧電セラミックスからなる超音波振動子などを用いても勿論よい。

【0048】

・上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの回数を８回（即ちｎ＝８）に設定したが、８回以外の回数に設定しても勿論構わない。また、上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔ｔ_ｋを、毎回一定時間ずつ長くなるように設定したが、これに限定されない。つまり、本実施形態では毎回の送信ごとにＴ／ｎずつ遅延時間が増えていくように設定したが、これに限定されない。その具体例としては、例えば、１回目の送信と２回目の送信との間隔ｔ₁がｔ、２回目の送信と３回目の送信との間隔ｔ_２がｔ＋Ｔ／ｎ、３回目の送信と４回目の送信との間隔ｔ_３がｔ＋３・Ｔ／ｎ、４回目の送信と５回目の送信との間隔ｔ_４がｔ＋６・Ｔ／ｎ、・・・となるように、送信タイミングを設定してもよい。

【0049】

・上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔ｔ_ｋを、毎回一定時間ずつ長くなるように設定したが、これに限定されず毎回一定時間ずつ短くなるように設定してもよい。

【0050】

・上記実施形態では、同じ方向への複数回の送受信動作において複数回の送信を行うときの間隔ｔ_ｋを毎回一定時間ずつ変更したが、これに限定されない。即ち、当該間隔ｔ_ｋを設定するにあたり、複数種類の第２設定時間ｔ´のなかから１つをアトランダムに選択して第１設定時間ｔに加算するようにしてもよい。

【0051】

・上記実施形態では、送信タイミング制御部は、遅延時間（即ち第２設定時間ｔ´）を、超音波振動子２１Ａ、２１Ｂの発振周波数から求められる周期Ｔに基づいて設定していたが、発振周波数や周期Ｔとは無関係に遅延時間を設定しても勿論構わない。

【符号の説明】

【0052】

１１…ガイド波式の超音波流量計
１２…チューブ
１３…（チューブの）外周面
２１Ａ…（第１の）超音波振動子
２１Ｂ…（第２の）超音波振動子
４６…送信タイミング制御部、波形合成部、流量算出部としてのＣＰＵ
ｔ…第１設定時間
ｔ´…第２設定時間
Ｔ…周期
ｎ…自然数
ｋ…１以上ｎ以下の自然数
ｔ_ｋ…間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】