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(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】P2023035287
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】クランプオン式超音波流量センサ
(51)【国際特許分類】
G01F 1/66 20220101AFI20230306BHJP
【ＦＩ】
G01F1/66 Z
G01F1/66 101
G01F1/66 103
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021142014
(22)【出願日】2021-08-31
(71)【出願人】
【識別番号】000129253
【氏名又は名称】株式会社キーエンス
(74)【代理人】
【識別番号】100108523
【弁理士】
【氏名又は名称】中川 雅博
(74)【代理人】
【識別番号】100187931
【弁理士】
【氏名又は名称】澤村 英幸
(72)【発明者】
【氏名】和田 真樹
(72)【発明者】
【氏名】川口 泰範
(72)【発明者】
【氏名】山▲崎▼ 健太郎
【テーマコード（参考）】
2F035
【Ｆターム（参考）】
2F035DA07
2F035DA08
2F035DA09
2F035DA12
2F035DA13
2F035DA14
2F035DA19
(57)【要約】
【課題】配管に対する超音波素子の取り付け状態を含む流量の測定状態の異常を容易に判定することが可能なクランプオン式超音波流量センサを提供する。
【解決手段】配管の外周面上に２つの超音波素子が取り付けられる。配管内の流体の流量を測定する測定モードにおいて、流量算出部３１０は、２つの超音波素子を制御することにより配管内の流体の流量を算出する。流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードにおいて、測定判定部３２０は、一方の超音波素子を制御することにより超音波素子から配管内部の流体に向けて超音波を送信させる。また、測定判定部３２０は２つの超音波素子のうち一方の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子から出力される信号に基づいて流体の流量の測定状態を判定する。
【選択図】図２３
【解決手段】配管の外周面上に２つの超音波素子が取り付けられる。配管内の流体の流量を測定する測定モードにおいて、流量算出部３１０は、２つの超音波素子を制御することにより配管内の流体の流量を算出する。流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードにおいて、測定判定部３２０は、一方の超音波素子を制御することにより超音波素子から配管内部の流体に向けて超音波を送信させる。また、測定判定部３２０は２つの超音波素子のうち一方の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子から出力される信号に基づいて流体の流量の測定状態を判定する。
【選択図】図２３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、
前記配管の外周面の一部分に取り付けられ、超音波を前記配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する第１の超音波素子と、
前記配管の外周面の他の部分に取り付けられ、超音波を前記配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する第２の超音波素子と、
前記流体の流量を測定する測定モードと前記流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードとで動作可能に構成された制御部とを備え、
前記制御部は、
前記測定モードにおいて前記第１および第２の超音波素子を制御することにより前記流体の流量を算出する流量算出部と、
前記診断モードにおいて前記第１の超音波素子を制御することにより前記第１の超音波素子から超音波を送信させるとともに前記第１および第２の超音波素子のうち前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子から出力される信号に基づいて、前記測定モードとは異なるシーケンスにより前記流体の流量の測定状態を判定する測定判定部とを含む、クランプオン式超音波流量センサ。
前記配管の外周面の一部分に取り付けられ、超音波を前記配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する第１の超音波素子と、
前記配管の外周面の他の部分に取り付けられ、超音波を前記配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する第２の超音波素子と、
前記流体の流量を測定する測定モードと前記流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードとで動作可能に構成された制御部とを備え、
前記制御部は、
前記測定モードにおいて前記第１および第２の超音波素子を制御することにより前記流体の流量を算出する流量算出部と、
前記診断モードにおいて前記第１の超音波素子を制御することにより前記第１の超音波素子から超音波を送信させるとともに前記第１および第２の超音波素子のうち前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子から出力される信号に基づいて、前記測定モードとは異なるシーケンスにより前記流体の流量の測定状態を判定する測定判定部とを含む、クランプオン式超音波流量センサ。
【請求項2】
前記流体の流量の測定状態は、複数の診断項目にそれぞれ対応する複数の測定状態を含み、
前記制御部は、前記診断モードにある状態で、前記診断モードのシーケンスとして予め定められた前記複数の診断項目の順に従って前記複数の測定状態の判定を実行する、請求項１記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記制御部は、前記診断モードにある状態で、前記診断モードのシーケンスとして予め定められた前記複数の診断項目の順に従って前記複数の測定状態の判定を実行する、請求項１記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項3】
前記複数の診断項目は、前記第１の超音波素子が異常であるか否かを判定するための第１の診断項目、前記第１の超音波素子の取り付け状態が異常であるか否かを判定するための第２の診断項目、前記配管内が前記流体で満たされているか否かを判定するための第３の診断項目、および前記配管内の前記流体に予め定められた量以上の気泡が存在するか否かを判定するための第４の診断項目を含み、
前記制御部は、前記診断モードにある状態で、前記診断モードのシーケンスとして、前記第１および第２の診断項目に対応する測定状態の判定を行った後、前記第３および第４の診断項目に対応する測定状態の判定を行う、請求項２記載のクランプオン式超音波センサ。
前記制御部は、前記診断モードにある状態で、前記診断モードのシーケンスとして、前記第１および第２の診断項目に対応する測定状態の判定を行った後、前記第３および第４の診断項目に対応する測定状態の判定を行う、請求項２記載のクランプオン式超音波センサ。
【請求項4】
前記制御部が移行すべき動作モードの入力を受け付け、前記制御部の動作モードを受け付けた動作モードに切り替えるモード切替部をさらに備えた、請求項１～３のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項5】
前記流量算出部は、
前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間の超音波の伝播時間差に基づいて前記流体の流量を算出する第１の算出部を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間の超音波の伝播時間差に基づいて前記流体の流量を算出する第１の算出部を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項6】
前記流量算出部は、
前記第１の超音波素子が超音波を送信することにより前記第１の超音波素子に受信される超音波の周波数シフトに基づいて前記流体の流量を算出する第２の算出部とを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記第１の超音波素子が超音波を送信することにより前記第１の超音波素子に受信される超音波の周波数シフトに基づいて前記流体の流量を算出する第２の算出部とを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項7】
前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、前記第１の超音波素子を含み、
前記第１の超音波素子と前記配管との間には、超音波を伝達する伝達部材が設けられ、
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記伝達部材内の第１の部分に対応する時間軸の第１の範囲で、超音波の強度が予め定められた第１の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記第１の超音波素子が異常であるか否かを判定する素子判定部を含む、請求項１記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記第１の超音波素子と前記配管との間には、超音波を伝達する伝達部材が設けられ、
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記伝達部材内の第１の部分に対応する時間軸の第１の範囲で、超音波の強度が予め定められた第１の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記第１の超音波素子が異常であるか否かを判定する素子判定部を含む、請求項１記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項8】
前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、前記第１の超音波素子を含み、
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記配管の外周面を含む第２の部分に対応する時間軸の第２の範囲で、超音波の強度が予め定められた第２の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記第１の超音波素子の取り付け状態が異常であるか否かを判定する取り付け判定部を含む、請求項１または７記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記配管の外周面を含む第２の部分に対応する時間軸の第２の範囲で、超音波の強度が予め定められた第２の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記第１の超音波素子の取り付け状態が異常であるか否かを判定する取り付け判定部を含む、請求項１または７記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項9】
前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、前記第１の超音波素子を含み、
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記配管の内周面を含む第３の部分に対応する時間軸の第３の範囲で、超音波の強度が予め定められた第３の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記配管内が前記流体で満たされているか否かを判定する充満判定部を含む、請求項１、７または８のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記配管の内周面を含む第３の部分に対応する時間軸の第３の範囲で、超音波の強度が予め定められた第３の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記配管内が前記流体で満たされているか否かを判定する充満判定部を含む、請求項１、７または８のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項10】
前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、前記第１の超音波素子を含み、
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記配管内の第４の部分に対応する時間軸の第４の範囲で、超音波の強度が予め定められた第４の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記配管内の前記流体に予め定められた量以上の気泡が存在するか否かを判定する気泡判定部を含む、請求項１または７～９のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記測定判定部は、前記第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち前記配管内の第４の部分に対応する時間軸の第４の範囲で、超音波の強度が予め定められた第４の条件を満たすか否かに基づいて、前記測定状態として前記配管内の前記流体に予め定められた量以上の気泡が存在するか否かを判定する気泡判定部を含む、請求項１または７～９のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項11】
前記第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、前記第２の超音波素子を含み、
前記測定判定部は、前記第２の超音波素子から出力される信号に基づいて、前記測定状態として前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間の超音波の伝達状態を判定する送受信判定部を含む、請求項１または７～１０のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記測定判定部は、前記第２の超音波素子から出力される信号に基づいて、前記測定状態として前記第１の超音波素子と前記第２の超音波素子との間の超音波の伝達状態を判定する送受信判定部を含む、請求項１または７～１０のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項12】
前記測定判定部により判定された前記流体の流量の測定状態を表示する表示部をさらに備える、請求項１または７～１１のいずれか一項に記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項13】
前記測定判定部は、前記流体の流量の測定状態を複数種類判定し、
前記表示部は、前記測定判定部による判定結果を前記流体の流量の測定状態の種類ごとに表示する、請求項１２記載のクランプオン式超音波流量センサ。
前記表示部は、前記測定判定部による判定結果を前記流体の流量の測定状態の種類ごとに表示する、請求項１２記載のクランプオン式超音波流量センサ。
【請求項14】
配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、
前記配管の外周面の一部分に取り付けられ、超音波を前記配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する超音波素子と、
前記流体の流量を測定する測定モードと前記流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードとで動作可能に構成された制御部とを備え、
前記制御部は、
前記測定モードにおいて前記超音波素子を制御することにより前記流体の流量を算出する流量算出部と、
前記診断モードにおいて前記超音波素子を制御することにより前記超音波素子から超音波を送信させるとともに前記超音波素子から出力される信号に基づいて前記流体の流量の測定状態を判定する測定判定部とを含む、クランプオン式超音波流量センサ。
前記配管の外周面の一部分に取り付けられ、超音波を前記配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する超音波素子と、
前記流体の流量を測定する測定モードと前記流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードとで動作可能に構成された制御部とを備え、
前記制御部は、
前記測定モードにおいて前記超音波素子を制御することにより前記流体の流量を算出する流量算出部と、
前記診断モードにおいて前記超音波素子を制御することにより前記超音波素子から超音波を送信させるとともに前記超音波素子から出力される信号に基づいて前記流体の流量の測定状態を判定する測定判定部とを含む、クランプオン式超音波流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサに関する。
【背景技術】
【0002】
配管に取り付けられることにより、配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量センサが知られている。例えば、特許文献１に記載された超音波流量スイッチにおいては、上クランプ部材および下クランプ部材が配管を挟み込むように配置され、ねじを用いて結合される。また、２つの超音波素子を収容する筐体部が上クランプ部材に着脱可能に固定される。この状態で、一方の超音波素子から配管内の流体を通して他方の超音波素子に超音波が送信され、他方の超音波素子から配管内の流体を通して一方の超音波素子に超音波が送信される。
【0003】
一方の超音波素子により超音波が送信される時点から他方の超音波素子により当該超音波が受信される時点までの時間と、他方の超音波素子により超音波が送信される時点から一方の超音波素子により当該超音波が受信される時点までの時間との時間差が算出される。算出された時間差と予め定められた数式とに基づいて、配管内を流れる流体の流量が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第６４５３１５６号公報
【特許文献2】特開２００３－３２９５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の超音波流量スイッチにおいては、各超音波素子から配管内の流体に到達する超音波の減衰、および配管内の流体から各超音波素子に到達する超音波の減衰を低減するために、各超音波素子と配管との間に音響カプラントが設けられる。音響カプラントと配管の外周面との間に隙間等が生じていると、各超音波素子と配管内の流体との間で発生する超音波の減衰を低減させることはできない。そのため、流量の測定精度が低下する。この場合、使用者は、配管に対する音響カプラントの接触状態を調整する必要がある。
【0006】
流量の測定精度の低下は、配管に対する音響カプラントの接触状態以外の要因によっても発生する。例えば、長期にわたる各超音波素子の使用により、各超音波素子の特性が劣化する場合にも、流量の測定精度の低下が発生する。そのため、上記の超音波流量スイッチによる流量の測定精度が低下する場合に、使用者は、その発生原因を把握することが難しい。
【0007】
配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量センサとして、特許文献２には、流量を算出するために用いられる２つの超音波振動子の劣化を診断する超音波流量計が提案されている。しかしながら、特許文献２に記載された超音波流量計は、２つの超音波振動子が配管の流路内に配置されている、いわゆるインラインタイプの超音波流量センサである。そのため、配管の外周面に超音波素子を取り付けるタイプの超音波流量センサにおいて、その超音波素子の取り付け状態の良否を判定することは想定されていない。
【0008】
本発明の目的は、配管に対する超音波素子の取り付け状態を含む流量の測定状態の異常を使用者が容易に把握することを可能にするクランプオン式超音波流量センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
（１）第１の発明に係るクランプオン式超音波流量センサは、配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、配管の外周面の一部分に取り付けられ、超音波を配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する第１の超音波素子と、配管の外周面の他の部分に取り付けられ、超音波を配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する第２の超音波素子と、流体の流量を測定する測定モードと流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードとで動作可能に構成された制御部とを備え、制御部は、測定モードにおいて第１および第２の超音波素子を制御することにより流体の流量を算出する流量算出部と、診断モードにおいて第１の超音波素子を制御することにより第１の超音波素子から超音波を送信させるとともに第１および第２の超音波素子のうち第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子から出力される信号に基づいて、測定モードとは異なるシーケンスにより流体の流量の測定状態を判定する測定判定部とを含む。
【0010】
そのクランプオン式超音波流量センサにおいては、制御部が測定モードにあるときに、第１および第２の超音波素子が制御されることにより、配管内を流れる流体の流量が測定される。一方、制御部が診断モードにあるときに、第１の超音波素子から配管に向けて超音波が送信される。
【0011】
配管に対する第１の超音波素子の取り付け状態に異常があると、第１の超音波素子から配管に向けて送信された超音波は、配管に伝達されないかまたは配管の表面で大きく減衰する。また、配管内部から第１の超音波素子に伝達されるべき超音波は、第１の超音波素子に伝達されないかまたは配管の表面で大きく減衰する。第２の超音波素子についても第１の超音波素子と同様に、配管に対する第２の超音波素子の取り付け状態に異常があると、第２の超音波素子から配管に向けて送信された超音波は、配管に伝達されないかまたは配管の表面で大きく減衰する。また、配管内部から第２の超音波素子に伝達されるべき超音波は、第２の超音波素子に伝達されないかまたは配管の表面で大きく減衰する。
【0012】
そのため、送信された超音波を受信すべき超音波素子の出力信号によれば、少なくとも配管に対する第１の超音波素子の取り付け状態を容易に判定することができる。したがって、使用者は、配管に対する超音波素子の取り付け状態を含む流量の測定状態の異常を容易に把握することが可能になる。
【0013】
（２）流体の流量の測定状態は、複数の診断項目にそれぞれ対応する複数の測定状態を含み、制御部は、診断モードにある状態で、診断モードのシーケンスとして予め定められた複数の診断項目の順に従って複数の測定状態の判定を実行してもよい。これにより、複数の診断項目の順が適切に定められることにより、複数の測定状態の判定を適切に行うことが可能になる。
【0014】
（３）複数の診断項目は、第１の超音波素子が異常であるか否かを判定するための第１の診断項目、第１の超音波素子の取り付け状態が異常であるか否かを判定するための第２の診断項目、配管内が流体で満たされているか否かを判定するための第３の診断項目、および配管内の流体に予め定められた量以上の気泡が存在するか否かを判定するための第４の診断項目を含み、制御部は、診断モードにある状態で、診断モードのシーケンスとして、第１および第２の診断項目に対応する測定状態の判定を行った後、第３および第４の診断項目に対応する測定状態の判定を行ってもよい。
【0015】
第１および第２の診断項目に対応する測定状態は、例えば第１の超音波素子から送信されて配管の表面に至る超音波の経路に対応する超音波波形に基づいて判定することが可能である。
【0016】
一方、第３および第４の診断項目に対応する測定状態は、例えば第１の超音波素子から送信されて配管の表面から配管の内部に至る超音波の経路に対応する超音波波形に基づいて判定することが可能である。
【0017】
そのため、第１の超音波素子から送信されて配管の表面に至る超音波の経路に対応する超音波波形が正常でない場合、第３および第４の診断項目に対応する測定状態については、正確な判定を行うことができない。上記の構成によれば、第１および第２の診断項目に対応する測定状態の判定後に第３および第４の診断項目に対応する測定状態が判定されるので、第３および第４の診断項目に対応する測定状態の判定の精度が向上する。
【0018】
（４）クランプオン式超音波流量センサは、制御部が移行すべき動作モードの入力を受け付け、制御部の動作モードを受け付けた動作モードに切り替えるモード切替部をさらに備えてもよい。この場合、使用者は、所望のタイミングでクランプオン式超音波流量センサにおける測定状態の異常を判定することができる。
【0019】
（５）流量算出部は、第１の超音波素子と第２の超音波素子との間の超音波の伝播時間差に基づいて流体の流量を算出する第１の算出部を含んでもよい。それにより、気泡または粒子等の含有率が低い流体について、高い精度で流量を算出することができる。
【0020】
（６）流量算出部は、第１の超音波素子が超音波を送信することにより第１の超音波素子に受信される超音波の周波数シフトに基づいて流体の流量を算出する第２の算出部とを含んでもよい。それにより、気泡または粒子等の含有率が比較的高い流体について、高い精度で流量を算出することができる。
【0021】
（７）第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、第１の超音波素子を含み、第１の超音波素子と配管との間には、超音波を伝達する伝達部材が設けられ、測定判定部は、第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち伝達部材内の第１の部分に対応する時間軸の第１の範囲で、超音波の強度が予め定められた第１の条件を満たすか否かに基づいて、測定状態として第１の超音波素子が異常であるか否かを判定する素子判定部を含んでもよい。
【0022】
この場合、使用者は、クランプオン式超音波流量センサにおける測定状態として、第１の超音波素子が異常であるか否かを容易に判定することができる。
【0023】
（８）第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、第１の超音波素子を含み、測定判定部は、第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち配管の外周面を含む第２の部分に対応する時間軸の第２の範囲で、超音波の強度が予め定められた第２の条件を満たすか否かに基づいて、測定状態として第１の超音波素子の取り付け状態が異常であるか否かを判定する取り付け判定部を含んでもよい。
【0024】
この場合、使用者は、クランプオン式超音波流量センサにおける測定状態として、第１の超音波素子の取り付け状態が異常であるか否かを容易に判定することができる。
【0025】
（９）第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、第１の超音波素子を含み、測定判定部は、第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち配管の内周面を含む第３の部分に対応する時間軸の第３の範囲で、超音波の強度が予め定められた第３の条件を満たすか否かに基づいて、測定状態として配管内が流体で満たされているか否かを判定する充満判定部を含んでもよい。
【0026】
この場合、使用者は、クランプオン式超音波流量センサにおける測定状態として、配管内が流体で満たされているか否かを容易に判定することができる。
【0027】
（１０）第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、第１の超音波素子を含み、測定判定部は、第１の超音波素子から出力される信号により示される超音波の強度の変化を示す超音波波形において、超音波の経路のうち配管内の第４の部分に対応する時間軸の第４の範囲で、超音波の強度が予め定められた第４の条件を満たすか否かに基づいて、測定状態として配管内の流体に予め定められた量以上の気泡が存在するか否かを判定する気泡判定部を含んでもよい。
【0028】
この場合、使用者は、クランプオン式超音波流量センサにおける測定状態として、配管内の流体に予め定められた量以上の気泡が存在するか否かを容易に判定することができる。
【0029】
（１１）第１の超音波素子から送信された超音波を受信すべき超音波素子は、第２の超音波素子を含み、測定判定部は、第２の超音波素子から出力される信号に基づいて、測定状態として第１の超音波素子と第２の超音波素子との間の超音波の伝達状態を判定する送受信判定部を含んでもよい。
【0030】
この場合、使用者は、クランプオン式超音波流量センサにおける測定状態として、第１の超音波素子と第２の超音波素子との間の超音波の伝達状態が正常であるか否かを容易に判定することができる。
【0031】
（１２）クランプオン式超音波流量センサは、測定判定部により判定された流体の流量の測定状態を表示する表示部をさらに備えてもよい。それにより、使用者は配管を流れる流体の流量の測定状態を容易に把握することができる。
【0032】
（１３）測定判定部は、流体の流量の測定状態を複数種類判定し、表示部は、測定判定部による判定結果を流体の流量の測定状態の種類ごとに表示してもよい。それにより、使用者は配管を流れる流体の流量の測定状態を、測定状態の種類ごとに容易に把握することができる。
【0033】
（１４）第２の発明に係るクランプオン式超音波流量センサは、配管内を流れる流体の流量を測定するクランプオン式超音波流量センサであって、配管の外周面の一部分に取り付けられ、超音波を配管に向けて送信可能かつ超音波を受信可能であるとともに超音波の受信時に受信した超音波の強度を示す信号を出力する超音波素子と、流体の流量を測定する測定モードと流体の流量の測定に関する状態を診断するための診断モードとで動作可能に構成された制御部とを備え、制御部は、測定モードにおいて超音波素子を制御することにより流体の流量を算出する流量算出部と、診断モードにおいて超音波素子を制御することにより超音波素子から超音波を送信させるとともに超音波素子から出力される信号に基づいて流体の流量の測定状態を判定する測定判定部とを含んでもよい。
【0034】
そのクランプオン式超音波流量センサにおいては、制御部が測定モードにあるときに、超音波素子が制御されることにより、配管内を流れる流体の流量が測定される。一方、制御部が診断モードにあるときに、超音波素子から配管に向けて超音波が送信される。
【0035】
配管に対する超音波素子の取り付け状態に異常があると、超音波素子から配管に向けて送信された超音波は、配管に伝達されないかまたは配管の表面で大きく減衰する。また、配管内部から超音波素子に伝達されるべき超音波は、超音波素子に伝達されないかまたは配管の表面で大きく減衰する。
【0036】
そのため、送信された超音波を受信すべき超音波素子の出力信号によれば、少なくとも配管に対する超音波素子の取り付け状態を容易に判定することができる。したがって、使用者は、配管に対する超音波素子の取り付け状態を含む流量の測定状態の異常を容易に把握することが可能になる。
【発明の効果】
【0037】
本発明によれば、使用者は、配管に対する超音波素子の取り付け状態を含む流量の測定状態の異常を容易に把握することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の一実施の形態に係る超音波流量センサの側面図である。
【図3】伝播時間差方式でのセンサヘッドの動作を説明するための図である。
【図4】パルスドップラ方式でのセンサヘッドの動作を説明するための図である。
【図5】パルスドップラ方式でのより具体的なセンサヘッドの動作を説明するための図である。
【図6】時間ごとに検出された超音波の信号強度とドップラ周波数との関係を示す図である。
【図7】伝播時間差方式およびパルスドップラ方式で算出される流体の流量を示す図である。
【図8】超音波流量センサによる流量の測定状態の異常について想定される原因を説明するための図である。
【図9】超音波流量センサによる流量の測定状態の異常について想定される原因を説明するための図である。
【図10】超音波流量センサによる流量の測定状態の異常について想定される原因を説明するための図である。
【図11】超音波流量センサによる流量の測定状態の異常について想定される原因を説明するための図である。
【図12】超音波流量センサによる流量の測定状態の異常について想定される原因を説明するための図である。
【図24】異常診断機能を実現するための異常診断処理の流れを示すフローチャートである。
【図25】異常診断機能を実現するための異常診断処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、本発明の一実施の形態に係るクランプオン式超音波流量センサについて図面を参照しながら説明する。以下の説明では、クランプオン式超音波流量センサを超音波流量センサと略記する。
【0040】
［１］超音波流量センサの概略構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る超音波流量センサの側面図である。図１に示すように、超音波流量センサ１００は、センサヘッド１０、クランプ部２０および表示器３０により構成される。センサヘッド１０は、配管Ｐに取り付けられ、配管Ｐに流れる流体の流量を算出する。配管Ｐの最大の内径（直径）は、例えばＪＩＳ規格に規定される管呼び径「５０Ａ」に対応する内径である。例えば、管呼び径「５０Ａ」の鋼管の内径は、５２．９ｍｍである。以下の説明では、水平に延びる配管Ｐの上面にセンサヘッド１０が取り付けられる例について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る超音波流量センサの側面図である。図１に示すように、超音波流量センサ１００は、センサヘッド１０、クランプ部２０および表示器３０により構成される。センサヘッド１０は、配管Ｐに取り付けられ、配管Ｐに流れる流体の流量を算出する。配管Ｐの最大の内径（直径）は、例えばＪＩＳ規格に規定される管呼び径「５０Ａ」に対応する内径である。例えば、管呼び径「５０Ａ」の鋼管の内径は、５２．９ｍｍである。以下の説明では、水平に延びる配管Ｐの上面にセンサヘッド１０が取り付けられる例について説明する。
【0041】
センサヘッド１０はコネクタ１２を含む。コネクタ１２はセンサヘッド１０の上面に設けられる。
【0042】
クランプ部２０は、上クランプ部材２１および下クランプ部材２２を含む。上クランプ部材２１および下クランプ部材２２は、配管Ｐを挟み込むように配置され、複数のクランプ固定ねじ２３により互いに結合される。これにより、クランプ部２０が配管Ｐの外周面に取り付けられる。図１に一点鎖線の矢印で示すように、２個のセンサ固定ねじ１０１がセンサヘッド１０を通して上クランプ部材２１の上面に螺合される。これにより、センサヘッド１０は、下面が配管Ｐと接触する状態でクランプ部２０により保持される。
【0043】
表示器３０は、筐体部３１、コネクタ３２、制御部３３、記憶素子３４、操作部３５、表示部３６、表示灯３７、接続ポート３８，３９および電源回路４０を含む。筐体部３１は、略直方体形状を有し、図１に点線の矢印で示すようにセンサヘッド１０の上面に取り付け可能である。制御部３３、記憶素子３４および電源回路４０は、筐体部３１の内部に設けられる。
【0044】
コネクタ３２は、筐体部３１の下面に設けられる。コネクタ１２とコネクタ３２とが接続することで、表示器３０とセンサヘッド１０とが通信可能となる。本実施の形態において、コネクタ１２とコネクタ３２とは、直接接続する場合と、間接的に接続する場合との二通りで接続する。コネクタ１２とコネクタ３２とが直接接続する場合は、筐体部３１がセンサヘッド１０の上面に取り付けられることにより、コネクタ１２とコネクタ３２とが接続する。コネクタ１２とコネクタ３２とが図示しないケーブルを介して接続する場合は、筐体部３１は、センサヘッド１０に取り付けられていても、センサヘッド１０から取り外されていてもよい。すなわちコネクタ１２とコネクタ３２とが二通りで接続するため、表示器３０がセンサヘッド１０に対して着脱自在な状態で、表示器３０のコネクタ３２とセンサヘッド１０のコネクタ１２とが接続する。
【0045】
制御部３３は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）および記憶部を含む。制御部３３は、記憶素子３４、表示部３６および表示灯３７の動作を制御する。また、制御部３３は、センサヘッド１０により算出された流量と、所定のしきい値とを比較し、比較結果に基づいて切替用信号を生成する。したがって、生成される切替用信号は、センサヘッド１０により算出される流量値が、当該流量値が所定のしきい値以上の値である状態と、当該流量値が所定のしきい値より小さい値である状態との二つの状態のいずれの状態であるかを示す二値化された信号である。この切替用信号は、他の装置を制御可能な外部装置が、配管Ｐを流れる流体の流量に応じて、他の装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるために用いられる。このように、他の装置が配管Ｐを流れる流体の流量に応じて制御されるとき、超音波流量センサ１００は、配管Ｐ内にしきい値以上の流量の流体が流れているか否かに基づいて他の装置の動作状態を変化させる流量スイッチとして機能すると言える。
【0046】
なお、本実施の形態において、切替用信号は、センサヘッド１０により算出される流量値と所定のしきい値との比較により生成されるが、配管Ｐを流れる流体の流量が一定量以上であることと一定量より少ないことが切替用信号に反映される制御であればよい。後述するように、本例においてセンサヘッド１０により算出される流量値は、センサヘッド１０により算出される流体の流速と、配管Ｐの断面積とに基づいて算出されるため、例えば、算出される流速と、流速に係るしきい値とが比較され、切替用信号が生成される構成であってもよい。
【0047】
記憶素子３４は、例えばリングバッファを含む。記憶素子３４は、所定の時間間隔で、時刻とセンサヘッド１０により算出された流量とが対応付けられたログデータを順次記憶する。ログデータは、最大流量、最小流量、積算流量または切替用信号のレベル等を含んでもよい。記憶素子３４の全記憶領域にログデータが記憶された場合、最先に記憶されたログデータが最新のログデータに上書きされる。そのため、記憶素子３４に一度記憶されたログデータは、最新のログデータにより上書きされるまで一定期間保持される。
【0048】
操作部３５は、使用者による入力操作を受け付け可能に筐体部３１の上面に設けられる。図１では、表示器３０の上面から延びる吹き出し内に操作部３５の平面図が示される。本実施の形態においては、操作部３５は、決定ボタン３５ａと４つの選択ボタン３５ｂ～３５ｅとを含む。４つの選択ボタン３５ｂ～３５ｅは、決定ボタン３５ａを取り囲むように配置されている。より具体的には、使用者が予め定められた位置関係で超音波流量センサ１００を平面視した場合に、選択ボタン３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅは、決定ボタン３５ａに対して上下左右にこの順で位置するように配置されている。使用者は、操作部３５を操作することにより種々のパラメータを入力することができる。
【0049】
操作部３５から入力されるパラメータは、流量を算出するための初期設定に係るパラメータと、使用頻度が高いパラメータと、使用頻度が低いパラメータと、を含む。初期設定に係るパラメータは、例えば、配管Ｐの材質および規格上の配管Ｐの外径を含む。使用者の利便性のために、初期設定に係るパラメータとして入力される配管Ｐの外径は、規格により定義される呼び径が入力されることが好ましい。
【0050】
使用頻度が高いパラメータは、例えば、応答時間、表示分解能、ヒステリシス、ゼロカット流量、流体が流れる方向、後述するマイクロバブルの密度検知の周期等を含む。これらの使用頻度が高いパラメータは切替用信号との関連性がある。このため、使用者が当該超音波流量センサ１００からの実際の出力結果に基づいて出力を調整する際に、任意の値に設定される。
【0051】
使用頻度が低いパラメータは、例えば、流量算出モード、配管Ｐの外径、配管Ｐの厚み、配管Ｐ中の音速および流体の動粘度を含む。これらのパラメータはセンサヘッド１０により算出される流量値に影響があるパラメータである。このため、使用頻度が低いパラメータは、使用者が超音波流量センサ１００の出力自体ではなく、出力が得られるまでの過程の値を調整する際に、任意の値に変更される。
【0052】
なお、使用頻度が低いパラメータに含まれる配管Ｐの寸法に係るパラメータは、呼び径に対応する値を使用者が微調整するときに値が変更されるパラメータである。上記のパラメータの一部または全部は、選択式で入力されてもよい。操作部３５から入力されたパラメータは、センサヘッド１０に与えられる。また、使用者は、操作部３５を操作することにより流量についての所望のしきい値を入力することができる。
【0053】
上記の例の他、操作部３５から入力可能なパラメータは、後述する異常診断処理に用いられる複数の監視範囲（図８の時間軸上の第１～第４の範囲ＴＡ１～ＴＡ４等）を含んでもよい。
【0054】
表示部３６は、筐体部３１の上面に設けられる。表示部３６は、センサヘッド１０により算出された流体の流量等を表示する。すなわち、流量を表示する表示部３６を備えた表示器３０がセンサヘッド１０に対して着脱自在であるため、使用者は表示器３０を好適な位置に配置することで好適な位置で、配管Ｐのセンサヘッド１０が設けられた部分の流量を視認することができる。
【0055】
また、本実施の形態に係る超音波流量センサ１００においては、当該超音波流量センサ１００による流量の測定状態に異常が発生しているか否かを判定する複数種類の異常判定が行われる。それにより、表示部３６は、異常判定の結果を表示する。異常判定の詳細および表示部３６における判定結果の表示の詳細については、後述する。
【0056】
表示灯３７は、例えば異なる色で発光する複数の発光ダイオードを含み、筐体部３１の上面に設けられる。表示灯３７は、制御部３３により生成された切替用信号のレベルを識別可能な態様で点灯または点滅する。すなわち、表示灯３７は、配管Ｐを流れる流体の流量が一定量以上であることを示す表示と、配管Ｐを流れる流体の流量が一定量より少ないことを示す表示とを識別可能な態様で点灯または点滅する。表示部３６と同様に、表示灯３７は表示器３０に設けられるため、使用者は、好適な位置で、配管Ｐのセンサヘッド１０が設けられた部分の流量の状態を視認することができる。
【0057】
接続ポート３８は、例えばＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）ポートを含み、筐体部３１の側面に設けられる。接続ポート３８が図示しないケーブルにより外部の情報処理装置に接続されることにより、記憶素子３４に記憶されたログデータが情報処理装置に出力される。接続ポート３９は、例えばＭ１２ポートを含み、筐体部３１の端面に設けられる。接続ポート３９が図示しないケーブルによりパーソナルコンピュータまたはプログラマブルロジックコントローラ等の外部装置に接続されることにより、制御部３３により生成された切替用信号が外部装置に出力される。
【0058】
電源回路４０は、外部の商用電源により供給される電圧を超音波流量センサ１００に適した電圧に変換し、変換された電圧を制御部３３、記憶素子３４、表示部３６および表示灯３７に供給する。また、電源回路４０は、変換された電圧を、コネクタ３２を通してセンサヘッド１０の各部に供給する。
【0059】
図２は、図１のセンサヘッド１０の構成を示す模式的横断面図である。図２に示すように、センサヘッド１０は、筐体部１１、コネクタ１２、制御基板１３、２つのウェッジ材１４、２つの超音波素子１５、音響カプラント１６、超音波遮蔽板１７および表示灯１８を含む。
【0060】
筐体部１１は、下部が開口した略直方体形状である。筐体部１１の上面には、コネクタ１２が露出する。筐体部１１の下部の開口では、ウェッジ材１４が露出する。筐体部１１は、制御基板１３と超音波素子１５とを収容する。
【0061】
コネクタ１２は、筐体部１１の上面に設けられる。上記のように、コネクタ１２は、図１の表示器３０の筐体部３１が筐体部１１に取り付けられたときに、コネクタ３２に接続可能な位置にある。
【0062】
制御基板１３は、送信回路１３１、受信回路１３２および制御部１３３を含み、筐体部１１の内部に設けられる。送信回路１３１は、２つの超音波素子１５の各々に対して、超音波を送信するための駆動信号を出力する。受信回路１３２は、増幅回路を含み、２つの超音波素子１５の各々が超音波を受信することにより出力する信号を増幅する。また、受信回路１３２は、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器を含み、２つの超音波素子１５の各々から出力されるアナログ形式の信号をデジタル形式の信号に変換し、制御部１３３に与える。
【0063】
制御部１３３は、例えばＣＰＵおよび記憶部３３１（図２３）を含み、送信回路１３１、受信回路１３２および表示灯１８の動作を制御する。記憶部３３１には、配管Ｐ内の流体の流量を算出するための流量測定プログラムが記憶されている。また、記憶部３３１には、流量の測定状態について異常が発生しているか否かを判定するための異常診断プログラムが記憶されている。
【0064】
制御部１３３は、流量測定プログラムおよび異常診断プログラムを実行する。この場合、制御部１３３は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御することにより、２つの超音波素子１５の各々を動作させる。流量測定プログラムが実行されることにより、制御部１３３は、２つの超音波素子１５から得られる各種信号と予め定められたパラメータとに基づいて、配管Ｐに流れる流体の流量を算出する。流量の算出方法の詳細については後述する。
【0065】
また、異常診断プログラムが実行されることにより、制御部１３３は、２つの超音波素子１５から得られる各種信号と予め定められたパラメータとに基づいて、流量の測定状態に異常が発生しているか否かの判定を行う。流量の測定状態に異常が発生しているか否かの判定方法の詳細については後述する。
【0066】
各ウェッジ材１４は、センサヘッド１０がクランプ部２０に取り付けられた状態で、各超音波素子１５と配管Ｐとの間に位置する。各ウェッジ材１４は、非金属でかつ高い剛性および高い音響透過性を有する材料により形成される。また、各ウェッジ材１４は、高い耐環境性を有する材料により形成されることが好ましい。本例では、各ウェッジ材１４は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂と、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂とにより形成されるが、ＵＬＴＥＭ（登録商標）樹脂により形成されてもよい。各ウェッジ材１４は、斜め上方を向く素子結合面１４ａと、下方を向く配管結合面１４ｂとを有する。
【0067】
以下の説明では、２つのウェッジ材１４を区別する場合は、一方のウェッジ材１４をウェッジ材１４Ａと呼び、他方のウェッジ材１４をウェッジ材１４Ｂと呼ぶ。ウェッジ材１４Ａ，１４Ｂは、素子結合面１４ａが斜め上外方を向くように筐体部１１の長手方向に配列された状態で、筐体部１１の下部の開口に取り付けられる。これにより、筐体部１１の内部に水および油等の液体が浸入不可能な空間が形成される。
【0068】
各超音波素子１５は、送信モードと受信モードとで選択的に動作可能に構成される。送信モードにおいて、超音波素子１５は、送信回路１３１から超音波を送信するための駆動信号を受けることにより超音波を送信する。受信モードにおいて、超音波素子１５は、外部から超音波を受けることにより、受けた超音波の強度を示すアナログ形式の信号を出力する。各超音波素子１５は、コンポジット素子により構成されてもよい。この場合、送信される超音波の残響時間が短いため、同一の超音波素子１５を送信モードで動作してから受信モードで動作するときのノイズが低減される。後述するパルスドップラ方式では、反射体により反射される超音波信号を、当該超音波信号の強度が高い位置で受信するために、超音波を送信する超音波素子１５が反射体により反射される超音波信号を受信することが好ましい。したがって、パルスドップラ方式で、超音波信号の受信強度を向上するために、超音波素子１５がコンポジット素子であることが好ましい。なお、伝播時間差方式においても、送信モードで動作してから受信モードで動作するときのノイズが低減されるため、一定の効果がある。
【0069】
以下の説明では、２つの超音波素子１５を区別する場合は、一方の超音波素子１５を超音波素子１５Ａと呼び、他方の超音波素子１５を超音波素子１５Ｂと呼ぶ。超音波素子１５Ａ，１５Ｂは、ウェッジ材１４Ａ，１４Ｂの素子結合面１４ａにそれぞれ接合される。これにより、超音波素子１５Ａ，１５Ｂは、配管Ｐに対して所定の角度を成す状態で、筐体部１１の内部に設けられる。
【0070】
音響カプラント１６は、固体形状を有し、高分子ゴムまたはゲル状物質等からなる軟質弾性体材料により形成される。音響カプラント１６は、各ウェッジ材１４の配管結合面１４ｂに接触するように筐体部１１の下部に設けられる。音響カプラント１６の下面は、筐体部１１の下面よりもわずかに突出する。音響カプラント１６は、その下面が配管Ｐと接触されることにより、各ウェッジ材１４と配管Ｐとの音響インピーダンスを整合させる。したがって、音響カプラント１６は、各ウェッジ材１４の音響インピーダンス値と配管Ｐの音響インピーダンス値との間の音響インピーダンス値を有することが好ましい。
【0071】
超音波遮蔽板１７は、例えば発泡ゴムにより形成され、平板形状を有する。超音波遮蔽板１７は、立てられた状態で音響カプラント１６を貫通するようにウェッジ材１４Ａ，１４Ｂ間に配置される。この場合、配管Ｐを通過しない超音波の成分がウェッジ材１４Ａ，１４Ｂ間で直接伝達されることが防止される。
【0072】
表示灯１８は、例えば複数の発光ダイオードを含み、表示器３０の表示灯３７と同様に切替用信号のレベルを識別可能な態様で点灯または点滅する。そのため、表示器３０がセンサヘッド１０に直接接続されている場合には、使用者は、表示器３０の表示灯３７を視認することにより、切替用信号のレベルを容易に識別することができる。一方で、表示器３０とセンサヘッド１０とをケーブルで接続することにより、表示器３０をセンサヘッド１０から分離することができる。この状態においては、使用者は、表示器３０を任意の設置面に設置することができる。表示器３０がセンサヘッド１０から分離された状態でも、使用者は、センサヘッド１０の表示灯１８を視認することにより、切替用信号のレベルを容易に識別することができる。
【0073】
上記のように、センサヘッド１０は、２個のセンサ固定ねじ１０１により図１のクランプ部２０に固定される。これにより、音響カプラント１６が配管Ｐに押圧された状態で、センサヘッド１０が配管Ｐに取り付けられる。この状態で、センサヘッド１０が動作する。以下、センサヘッド１０の動作について説明する。
【0074】
［２］センサヘッドの動作
使用者は、図１の操作部３５を操作することにより、センサヘッド１０の流量算出モードとして、伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかを選択することができる。伝播時間差モードでは、センサヘッド１０が伝播時間差方式で動作して流量を算出する。パルスドップラモードでは、センサヘッド１０がパルスドップラ方式で動作して流量を算出する。ハイブリッドモードでは、センサヘッド１０が伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で動作して流量を算出する。
使用者は、図１の操作部３５を操作することにより、センサヘッド１０の流量算出モードとして、伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかを選択することができる。伝播時間差モードでは、センサヘッド１０が伝播時間差方式で動作して流量を算出する。パルスドップラモードでは、センサヘッド１０がパルスドップラ方式で動作して流量を算出する。ハイブリッドモードでは、センサヘッド１０が伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で動作して流量を算出する。
【0075】
図３は、伝播時間差方式でのセンサヘッド１０の動作を説明するための図である。伝播時間差方式では、まず超音波素子１５Ａが超音波を送信し、かつ、超音波素子１５Ｂが超音波を受信する。超音波素子１５Ａにより斜め下方に送信された超音波は、矢印Ａ１で示すようにウェッジ材１４Ａに入射される。ウェッジ材１４Ａに入射された超音波は、音響カプラント１６を透過し、矢印Ａ２で示すように配管Ｐ内の流体に入射される。流体を通過した超音波は、配管Ｐの内壁で反射して矢印Ａ３方向に流体内を伝播する。矢印Ａ３方向に伝播する超音波は、音響カプラント１６を透過し、矢印Ａ４で示すようにウェッジ材１４Ｂに入射される。ウェッジ材１４Ｂに入射された超音波は、超音波素子１５Ｂにより受信される。制御部１３３は、超音波素子１５Ａにより送信された超音波が超音波素子１５Ｂにより受信されるまでの伝播時間ＡＢを測定する。
【0076】
超音波素子１５Ｂが超音波素子１５Ａから送信された超音波を受信した後、超音波素子１５Ｂが超音波を送信し、かつ、超音波素子１５Ａが超音波素子１５Ｂから送信された超音波を受信する。超音波素子１５Ｂにより斜め下方に送信された超音波は、矢印Ｂ１で示すようにウェッジ材１４Ｂに入射される。ウェッジ材１４Ｂに入射された超音波は、音響カプラント１６を透過し、矢印Ｂ２で示すように配管Ｐ内の流体に入射される。流体を通過した超音波は、配管Ｐの内壁で反射して矢印Ｂ３方向に流体内を伝播する。矢印Ｂ３方向に伝播する超音波は、音響カプラント１６を透過し、矢印Ｂ４で示すようにウェッジ材１４Ａに入射される。ウェッジ材１４Ａに入射された超音波は、超音波素子１５Ａにより受信される。制御部１３３は、超音波素子１５Ｂにより送信された超音波が超音波素子１５Ａにより受信されるまでの伝播時間ＢＡを測定する。
【0077】
伝播時間ＡＢと伝播時間ＢＡとの測定の後、制御基板１３の制御部１３３は、伝播時間差Δｔを測定する。伝播時間差Δｔは、伝播時間ＡＢと、伝播時間ＢＡとの差である。制御部１３３は、伝播時間差Δｔに基づいて、配管Ｐ内を流れる流体の流量Ｖを下記式（１）により算出する。
【0078】
ここで、Ｃ’はウェッジ材１４中の超音波の速度であり、θ’はウェッジ材１４への超音波の入射角である。Ｃは流体中の超音波の速度であり、θは流体への超音波の入射角である。ｄは配管Ｐの内径であり、λは管摩擦係数（ブラジウス係数）である。速度Ｃ’、入射角θ’、入射角θおよびブラジウス係数は、既知であり、制御部１３３の記憶部３３１（図２３）に予め定められたパラメータとして記憶されている。
【0079】
伝播時間差モードでの伝播時間差方式による流量の算出において、速度Ｃおよび配管Ｐの内径ｄは、使用者により入力される。なお、式（１）または後述する式（２）におけるｄ２π／４は配管Ｐの断面積であり、流量Ｖから断面積を除した値が配管Ｐに流れる流体の流速となる。
【0080】
【数1】
【0081】
このように、伝播時間差方式においては、流体の流れ方向に沿って伝播する超音波信号を送信する超音波素子と、流体の流れ方向に逆らって伝播する超音波信号を送信する超音波素子との２つの超音波素子が必要で、これらの超音波素子のそれぞれが他方の超音波素子から送信される超音波信号を受信可能な位置に配置される。本例においては、超音波素子１５Ａと超音波素子１５Ｂとの両方が配管Ｐの上方に配置されるため、配管Ｐの一方側からの作業で、超音波素子１５を配置することができる。特に、本例においては、超音波素子１５Ａと超音波素子１５Ｂの両方が筐体部１１に収容されるため、センサヘッド１０の取付作業が容易である。
【0082】
なお、本実施の形態においては、速度Ｃが使用者により入力されるが、配管Ｐ中の音速が入力されてもよい。配管Ｐ中の音速は、配管Ｐの材質から特定される値が実際の値から乖離しにくいため、使用者は、配管Ｐの材質と音速とを対応付ける表を参照して、容易に精度の高い値を入力することができる。また、配管Ｐ中の音速は、超音波素子１５の一方から他方への伝播時間から流体中の伝播時間を算出するために使用されるが、超音波素子１５の一方から他方への伝播経路に占める配管Ｐの割合は微小であるため、配管Ｐ中の超音波の伝播速度の誤差が算出される流量Ｖに与える影響は小さい。このため、使用者が入力する値に求められる精度は低く、使用者は簡便な方法で値を入力することができる。なお、配管Ｐ中の音速が入力される例では、流体中の超音波信号の伝播時間を経て、伝播時間差方式にて送信される超音波信号の流体中の速度が算出される。当該速度は速度Ｃに近似する値であるため、速度Ｃが入力される場合の流量Ｖに近似した流量Ｖが算出される。このように、入力される値を適宜変更することにより、値を入力する使用者の負担を軽減することができる。なお、配管Ｐ中の音速は、使用者が配管Ｐの材質と、規格により定義される呼び径とを選択し、これらの情報に基づいて制御部１３３が算出してもよい。
【0083】
図４は、パルスドップラ方式でのセンサヘッド１０の動作を説明するための図である。パルスドップラ方式では、超音波素子１５Ｂの動作モードが送信モードと受信モードとで交互に切り替わる。送信モード時に、超音波素子１５Ｂにより数パルスのパルス状の超音波信号が送信される。超音波素子１５Ｂにより斜め下方に送信された超音波は、矢印Ｃ１で示すようにウェッジ材１４Ｂに入射される。ウェッジ材１４Ｂに入射された超音波は、音響カプラント１６を透過し、矢印Ｃ２で示すように配管Ｐ内の流体に入射される。
【0084】
ここで、配管Ｐを流れる流体には、超音波を反射する反射体としてマイクロバブルが含まれる。マイクロバブルとは、例えば、直径１０μｍ以上５０μｍ以下の微小な気泡である。また、マイクロバブルは、工作機械の加工点を冷却する水溶性切削油等のクーラント液中に発生しやすい。クーラント液は、界面活性剤を含み、また、空気に触れたものが循環して再度用いられるため、当該循環系の一部を構成する配管Ｐを流れるクーラント液中に、マイクロバブルが多量に発生しやすい。
【0085】
マイクロバブルにより反射された超音波の一部は、矢印Ｃ３で示すように音響カプラント１６を透過し、矢印Ｃ４で示すようにウェッジ材１４Ｂに入射される。ウェッジ材１４Ｂに入射された超音波は、受信モード時に、超音波素子１５Ｂにより受信される。このように、パルスドップラ方式においては、超音波素子１５Ｂから送信された超音波がマイクロバブルに反射されて超音波素子１５Ｂに到達するまでの時間は短く、また、マイクロバブルの位置により決定されるため、超音波素子１５Ｂは残響時間が短いコンポジット素子であることが好ましい。
【0086】
制御部１３３は、ドップラ周波数Δｆを測定する。ドップラ周波数Δｆは、超音波素子１５Ｂにより送信された超音波の周波数と、超音波素子１５Ｂにより受信された超音波の周波数との差であり、配管Ｐを流れるマイクロバブルの流速、すなわち流体の流速に比例する。制御部１３３は、測定されたドップラ周波数Δｆに基づいて、配管Ｐ内を流れる流体の流量Ｖを下記式（２）により算出する。ここで、ｆは超音波素子１５Ｂにより送信される超音波の周波数である。周波数ｆは、既知であり、制御部１３３の記憶部３３１に予め定められたパラメータとして記憶されている。周波数ｆの詳細については後述する。
【0087】
【数2】
【0088】
このように、パルスドップラ方式においては、パルス状の超音波信号が流体に送信され、かつ、当該超音波信号が流体に含まれる反射体により反射されるときの超音波信号の周波数が計測できればよい。本例では、単一の超音波素子１５Ｂがパルス状の超音波信号を送信し、かつ、マイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数を計測するため、パルスドップラ方式に必要な超音波素子の数が最小であり、センサヘッド１０の小型化に一定の効果がある。特に本例では、超音波素子１５Ｂがコンポジット素子により構成され、残響時間が短いため、マイクロバブルに反射された超音波信号の周波数を計測するときに、超音波信号の送信したときの残響による影響が生じにくい。
【0089】
なお、パルスドップラ方式で流量を算出するセンサヘッド１０は、超音波信号を送信する超音波素子と別に、反射体により反射される超音波の周波数を計測する超音波素子を備えてもよい。この場合、周波数を計測する超音波素子が超音波信号を送信する超音波素子と別の超音波素子であるため、残響による検出精度低下が生じにくい。
【0090】
図５は、パルスドップラ方式でのより具体的なセンサヘッド１０の動作を説明するための図である。図５に示すように、流体は、配管Ｐの流路内を均一な速度で流れるのではなく、所定の速度分布で流れる。配管Ｐの流路の中央近傍を流れる流体の流速は、配管Ｐの内壁近傍を流れる流体の流速と比較して大きい。
【0091】
ここで、パルスドップラ方式では、超音波素子１５Ｂにより送信された超音波がマイクロバブルに到達するまでの時間、およびマイクロバブルにより反射された超音波が超音波素子１５Ｂに到達するまでの時間は、マイクロバブルが流れる深さごとに異なる。本例において、マイクロバブルが流れる深さとは、配管Ｐの径方向におけるマイクロバブルの位置である。そこで、制御部１３３は、超音波が送信されてからマイクロバブルにより反射された超音波が受信されるまでの時間ごとのドップラ周波数を測定する。
【0092】
本実施の形態では、コネクタ１２は、超音波素子１５Ｂより超音波素子１５Ａに近い位置に設けられる。換言すれば、コネクタ１２と超音波素子１５Ａとの距離は、コネクタ１２と超音波素子１５Ｂとの距離より小さい。制御基板１３のうちコネクタ１２が接続される部分の近傍に、電源回路４０が設けられる。パルスドップラ方式において超音波素子１５が受信する超音波信号の周波数は電源回路４０の影響を受けやすい。このため、コネクタ１２との距離が比較的大きい超音波素子１５Ｂがパルスドップラ方式で超音波信号を受信することが好ましい。
【0093】
図６は、時間ごとに検出された超音波の信号強度とドップラ周波数との関係を示す図である。図６の横軸は、ドップラ周波数を示す。図６の縦軸は、超音波の信号強度を示す。図６の例では、複数の時間にそれぞれ対応する波形Ｓ１～Ｓ４が、実線、点線、一点鎖線および二点鎖線によりそれぞれ示される。波形Ｓ１～Ｓ４は、図５の深さｄ１～ｄ４を流れるマイクロバブルによりそれぞれ反射された超音波について検出された波形であり、互いに異なる複数の時間ｔ１～ｔ４にそれぞれ検出される。
【0094】
制御部１３３は、波形Ｓ１～Ｓ４の重心位置を深さｄ１～ｄ４にそれぞれ対応するドップラ周波数として測定する。また、制御部１３３は、測定されたドップラ周波数に基づいて、各深さｄ１～ｄ４における流体（マイクロバブル）の流速をそれぞれ算出する。なお、上記のように、流体の流速は、式（２）の流量Ｖから断面積を除した値として算出される。
【0095】
このように、パルスドップラ方式においては、流体（マイクロバブル）の位置を空間分解し、流体の速度分布を特定することができる。図５および図６の例では、深さｄ１～ｄ４ごとの流体の流速が算出されるが、深さの点数は配管Ｐの径または制御部１３３の処理速度等に応じて適宜決定されてもよい。制御部１３３は、特定された流体の速度分布を平均化し、平均化された速度分布に配管Ｐの流路の断面積を乗じることにより流体の流量を算出する。
【0096】
ハイブリッドモードにおいては、センサヘッド１０は、伝播時間差方式とパルスドップラ方式とを交互に実行する。伝播時間差方式での動作期間およびパルスドップラ方式での動作期間は、例えばそれぞれ１５０ｍｓであるが、実施の形態はこれに限定されない。伝播時間差方式での動作期間またはパルスドップラ方式での動作期間は、１５０ｍｓよりも短くてもよいし、１５０ｍｓよりも長くてもよい。また、伝播時間差方式での動作期間とパルスドップラ方式での動作期間とは同じでなくてもよい。
【0097】
また、本例では、超音波素子１５Ｂが、伝播時間差方式において超音波信号を送受信し、かつ、パルスドップラ方式においてパルス状の超音波信号を送信し、反射体に反射された超音波の周波数を計測する。この構成によれば、伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で流量の算出が可能なセンサヘッド１０において、超音波素子の数を最小にすることができるため、センサヘッド１０の小型化に一定の効果がある。
【0098】
伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で流量の算出が可能なセンサヘッド１０は、伝播時間差方式での流量算出に用いられる超音波素子と、パルスドップラ方式での流量算出に用いられる超音波素子とが別々に設けられる構成であってもよい。例えば、本実施の形態における超音波素子１５Ａと超音波素子１５Ｂとが伝播時間差方式での流量算出にのみ用いられ、パルスドップラ方式での流量算出に用いられる超音波素子が別途設けられる構成である。この構成において、伝播時間差方式での流量算出に用いられる超音波素子は、パルスドップラ方式での流量算出に用いられず、パルスドップラ方式での流量算出に用いられる超音波素子は、伝播時間差方式での流量算出に用いられない。したがって、この構成によるハイブリッドモードでは、伝播時間差方式での動作期間とパルスドップラ方式での動作期間が重複してもよく、動作期間が切り替わる間での流量の変化による影響を受けにくい。
【0099】
図７は、伝播時間差方式およびパルスドップラ方式で算出される流体の流量を示す図である。図７の横軸は、実際の流量に対する、流体に含まれるマイクロバブルの密度を示す。図７の縦軸は、算出される流体の流量の相対値を示す。また、伝播時間差方式で測定される流量を太い実線で示し、パルスドップラ方式で測定される流量を細い実線で示す。
【0100】
図７に示すように、伝播時間差方式においては、マイクロバブルの密度が比較的低い場合には、１００％の流量が算出される。しかしながら、マイクロバブルの密度が比較的高い場合には、流量を算出することができない。一方、パルスドップラ方式においては、マイクロバブルの密度が比較的高い場合に、１００％に近い流量が算出される。特に、マイクロバブルの密度が値Ｖ１と、値Ｖ１よりも高い値Ｖ２との間にある場合に、比較的高い精度で流量が算出される。
【0101】
そこで、ハイブリッドモードにおいては、制御部１３３は、伝播時間差方式により算出される流量と、パルスドップラ方式により算出される流量とを合成した流量を、算出した流量として扱う。したがって、ハイブリッドモードにおいては、上述した切替用信号は伝播時間差方式による流量値とパルスドップラ方式による流量値とが合成された流量値に基づいて生成され、また、表示灯３７は伝播時間差方式による流量値とパルスドップラ方式による流量値とが合成された流量値に基づいて、点灯または点滅する。
【0102】
ハイブリッドモードにおいて、制御部１３３は、流量算出の安定度に基づいて、伝播時間差方式で算出された流量と、パルスドップラ方式で算出された流量との合成割合を決定する。流量算出の安定度は、例えば検出された超音波の信号強度を含む。ハイブリッドモードにおいて、制御部１３３は、算出された流量を配管Ｐの外径または流体の動粘度等のパラメータに基づいて補正してもよい。
【0103】
［３］超音波流量センサ１００による流量の測定状態の異常
上記の構成を有する超音波流量センサ１００においては、種々の原因により配管Ｐ内の流体の流量測定ができなくなったり、測定精度が著しく低下する場合がある。このように、流量測定ができない場合および測定精度が著しく低下した場合、すなわち流量の測定状態に異常が生じた場合、使用者はその異常を生じさせた原因を把握したうえで、その原因に応じた復旧作業を行う必要がある。流量の測定状態の異常について、想定される原因を説明する。
上記の構成を有する超音波流量センサ１００においては、種々の原因により配管Ｐ内の流体の流量測定ができなくなったり、測定精度が著しく低下する場合がある。このように、流量測定ができない場合および測定精度が著しく低下した場合、すなわち流量の測定状態に異常が生じた場合、使用者はその異常を生じさせた原因を把握したうえで、その原因に応じた復旧作業を行う必要がある。流量の測定状態の異常について、想定される原因を説明する。
【0104】
図８～図１２は、超音波流量センサ１００による流量の測定状態の異常について想定される原因を説明するための図である。図８の上段に、一の超音波素子１５Ａから配管Ｐに向けて出射された超音波がウェッジ材１４Ａ、音響カプラント１６、配管Ｐを通して配管Ｐ内の流体ＦＬに適切に入射する状態が模式的断面図で示される。また、図８の下段に、超音波素子１５Ａの動作モードが送信モードと受信モードとで交互に切り替えられることにより得られる超音波波形がグラフ上に示される。図８の下段のグラフにおいては、横軸が時間を表し、縦軸が超音波の信号強度（電圧）を表す。その横軸（時間軸）は、図８の上段に太い実線で示される超音波の経路に対応する。
【0105】
（１）超音波素子１５の異常
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち超音波素子１５Ａおよびウェッジ材１４Ａの一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ１内の部分）に対応する時間軸の第１の範囲ＴＡ１では、比較的大きい信号強度を有する波形が発生する。しかしながら、超音波素子１５Ａの劣化等により、当該超音波素子１５Ａから超音波が発信されないかまたは発信される超音波の強度が著しく低下していると、図９に示すように、配管Ｐ内の流体ＦＬに超音波を到達させることができない。したがって、センサヘッド１０から配管Ｐ内に超音波を伝達させるためには、超音波素子１５を、正常に動作可能な超音波素子１５に交換する必要がある。以下の説明では、超音波素子１５に起因して発生する測定状態の異常を「素子異常」と呼ぶ。
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち超音波素子１５Ａおよびウェッジ材１４Ａの一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ１内の部分）に対応する時間軸の第１の範囲ＴＡ１では、比較的大きい信号強度を有する波形が発生する。しかしながら、超音波素子１５Ａの劣化等により、当該超音波素子１５Ａから超音波が発信されないかまたは発信される超音波の強度が著しく低下していると、図９に示すように、配管Ｐ内の流体ＦＬに超音波を到達させることができない。したがって、センサヘッド１０から配管Ｐ内に超音波を伝達させるためには、超音波素子１５を、正常に動作可能な超音波素子１５に交換する必要がある。以下の説明では、超音波素子１５に起因して発生する測定状態の異常を「素子異常」と呼ぶ。
【0106】
（２）取り付け状態の異常
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち配管Ｐの外周面を含む一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ２内の部分）に対応する時間軸の第２の範囲ＴＡ２では、比較的小さい信号強度を有する波形が発生する。この波形は、ウェッジ材１４と配管Ｐとの間の音響インピーダンスの差に起因して発生する。図１０に示すように、例えば音響カプラント１６と配管Ｐとの間に隙間が形成されると、ウェッジ材１４と配管Ｐとの間の音響インピーダンスが整合しない。この場合、第２の範囲ＴＡ２で著しく大きい信号強度を有する波形が発生し、配管Ｐ内にほとんど超音波が伝達されない。したがって、センサヘッド１０から配管Ｐ内に超音波を伝達させるためには、音響カプラント１６を配管Ｐの外周面上に密着させる必要がある。以下の説明では、配管Ｐに対するセンサヘッド１０の取り付け状態に起因して発生する測定状態の異常を「取り付け異常」と呼ぶ。
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち配管Ｐの外周面を含む一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ２内の部分）に対応する時間軸の第２の範囲ＴＡ２では、比較的小さい信号強度を有する波形が発生する。この波形は、ウェッジ材１４と配管Ｐとの間の音響インピーダンスの差に起因して発生する。図１０に示すように、例えば音響カプラント１６と配管Ｐとの間に隙間が形成されると、ウェッジ材１４と配管Ｐとの間の音響インピーダンスが整合しない。この場合、第２の範囲ＴＡ２で著しく大きい信号強度を有する波形が発生し、配管Ｐ内にほとんど超音波が伝達されない。したがって、センサヘッド１０から配管Ｐ内に超音波を伝達させるためには、音響カプラント１６を配管Ｐの外周面上に密着させる必要がある。以下の説明では、配管Ｐに対するセンサヘッド１０の取り付け状態に起因して発生する測定状態の異常を「取り付け異常」と呼ぶ。
【0107】
（３）配管Ｐ内に流体が満たされていないときの異常
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち配管Ｐの内周面を含む一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ３内の部分）に対応する時間軸の第３の範囲ＴＡ３では、比較的小さい信号強度を有する波形が発生する。この波形は、配管Ｐと流体ＦＬとの間の音響インピーダンスの差に起因して発生する。そのため、図１１に示すように、配管Ｐ内に流体ＦＬが満たされていないことにより超音波の経路上に空気ＡＲの層が存在すると、第３の範囲ＴＡ３で著しく大きい信号強度を有する波形が発生し、配管Ｐ内の流体ＦＬにほとんど超音波が伝達されない。したがって、センサヘッド１０から配管Ｐ内の流体ＦＬに超音波を伝達させるためには、配管Ｐに対するセンサヘッド１０の取り付け位置を変更するかまたはセンサヘッド１０の姿勢を変更する必要がある。以下の説明では、配管Ｐ内の流体ＦＬの充満不足に起因して発生する測定状態の異常を「非充満異常」と呼ぶ。
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち配管Ｐの内周面を含む一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ３内の部分）に対応する時間軸の第３の範囲ＴＡ３では、比較的小さい信号強度を有する波形が発生する。この波形は、配管Ｐと流体ＦＬとの間の音響インピーダンスの差に起因して発生する。そのため、図１１に示すように、配管Ｐ内に流体ＦＬが満たされていないことにより超音波の経路上に空気ＡＲの層が存在すると、第３の範囲ＴＡ３で著しく大きい信号強度を有する波形が発生し、配管Ｐ内の流体ＦＬにほとんど超音波が伝達されない。したがって、センサヘッド１０から配管Ｐ内の流体ＦＬに超音波を伝達させるためには、配管Ｐに対するセンサヘッド１０の取り付け位置を変更するかまたはセンサヘッド１０の姿勢を変更する必要がある。以下の説明では、配管Ｐ内の流体ＦＬの充満不足に起因して発生する測定状態の異常を「非充満異常」と呼ぶ。
【0108】
（４）流体ＦＬ内に過剰な量の気泡が存在するときの異常
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち配管Ｐ内の一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ４内の部分）に対応する時間軸の第４の範囲ＴＡ４では、極めて小さい信号強度を有する波形が発生する。この波形は、流体ＦＬ内を進行する超音波の波形である。そのため、流体ＦＬ内に超音波の進行を阻害するものが存在しない場合、その信号レベルはノイズレベルと同等になる。
超音波が配管Ｐ内に適切に送信される場合、図８に示すように、超音波の経路のうち配管Ｐ内の一部分（例えば、上段の楕円ＵＰ４内の部分）に対応する時間軸の第４の範囲ＴＡ４では、極めて小さい信号強度を有する波形が発生する。この波形は、流体ＦＬ内を進行する超音波の波形である。そのため、流体ＦＬ内に超音波の進行を阻害するものが存在しない場合、その信号レベルはノイズレベルと同等になる。
【0109】
しかしながら、図１２に示すように、例えば流体ＦＬ内に過剰な量のマイクロバブルが存在する、すなわち流体ＦＬにおけるマイクロバブルの密度が著しく高い場合には、流体ＦＬ内を進行する超音波は著しく大きく減衰する。このような超音波の著しく大きい減衰は、図７を用いて説明したパルスドップラ方式による流体ＦＬの流量算出も不可能にする。
【0110】
したがって、流体ＦＬ内のマイクロバブルに起因する測定不良の発生時には、配管Ｐ内部におけるマイクロバブルの密度が小さい部分に向けて超音波が伝達されるように、配管Ｐに対するセンサヘッド１０の取り付け位置および取り付け姿勢を変更する必要がある。あるいは、流体ＦＬ内のマイクロバブルの密度が高くなっている原因が流体ＦＬの流速に起因するものであれば、配管Ｐ内を流れる流体ＦＬの速度を変更する必要がある。以下の説明では、流体ＦＬ内に過剰な量の気泡が存在することに起因して発生する測定状態の異常を「気泡異常」と呼ぶ。
【0111】
［４］測定状態の異常診断機能
上記のように、流量の測定状態の異常には、複数種類の原因がある。そのため、流量の測定状態に何らかの異常が生じた場合、使用者は、その異常の原因を把握するとともに、把握した原因に応じて当該異常を解消するための作業を行う必要がある。しかしながら、配管Ｐにセンサヘッド１０が取り付けられた状態で、異常の発生原因を把握することは容易ではない。
上記のように、流量の測定状態の異常には、複数種類の原因がある。そのため、流量の測定状態に何らかの異常が生じた場合、使用者は、その異常の原因を把握するとともに、把握した原因に応じて当該異常を解消するための作業を行う必要がある。しかしながら、配管Ｐにセンサヘッド１０が取り付けられた状態で、異常の発生原因を把握することは容易ではない。
【0112】
そこで、本実施の形態に係る超音波流量センサ１００は、使用者の要求に応答して流量の測定状態に異常があるか否かを判定するとともにその異常の種類を特定するための異常診断機能を有する。
【0113】
異常診断機能の使用時には、一時的に超音波流量センサ１００による流体ＦＬの流量測定動作が停止される。この状態で、２つの超音波素子１５の各々について、複数種類の異常にそれぞれ対応する複数の異常判定が以下の順に行われる。以下に説明する複数種類の異常にそれぞれ対応する複数の異常判定の順は、本発明の診断モードにおいて予め設定されたシーケンスの例に相当する。
【0114】
（１）素子異常判定
素子異常の有無が判定される。この判定時には、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより、当該超音波素子１５が受信モードにあるときに取得される超音波波形のうち時間軸における第１の範囲ＴＡ１（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度が予め定められた第１のしきい値以上であるか否かが判定される。
素子異常の有無が判定される。この判定時には、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより、当該超音波素子１５が受信モードにあるときに取得される超音波波形のうち時間軸における第１の範囲ＴＡ１（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度が予め定められた第１のしきい値以上であるか否かが判定される。
【0115】
抽出された超音波波形の強度が第１のしきい値以上である場合、素子異常は生じていない、すなわち一方の超音波素子１５は正常であると判定される。抽出された超音波波形の強度が第１のしきい値よりも小さい場合、一方の超音波素子１５について素子異常の発生が判定される。この判定動作は、一方の超音波素子１５についての判定終了後に、他方の超音波素子１５についても同様に行われる。
【0116】
なお、第１のしきい値および第１の範囲ＴＡ１は、超音波素子１５の仕様等に応じて予め定められるパラメータであり、例えば超音波流量センサ１００の工場出荷時に制御部１３３の記憶部３３１（図２３）に記憶される。さらに、第１の範囲ＴＡ１は、使用者が、表示器３０の操作部３５を操作することにより制御部１３３の記憶部３３１に記憶されてもよい。また、制御部１３３の記憶部３３１に記憶された第１のしきい値および第１の範囲ＴＡ１は、使用者の操作部３５の操作により変更されてもよい。
【0117】
（２）取り付け異常判定
取り付け異常の有無が判定される。この判定時においても、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより取得される超音波波形のうち時間軸における第２の範囲ＴＡ２（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度が予め定められた第２のしきい値以下であるか否かが判定される。
取り付け異常の有無が判定される。この判定時においても、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより取得される超音波波形のうち時間軸における第２の範囲ＴＡ２（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度が予め定められた第２のしきい値以下であるか否かが判定される。
【0118】
抽出された超音波波形の強度が第２のしきい値以下である場合、取り付け異常は生じていない、すなわち一方の超音波素子１５は配管Ｐに正常に取り付けられていると判定される。抽出された超音波波形の強度が第２のしきい値よりも大きい場合、一方の超音波素子１５について取り付け異常の発生が判定される。この判定動作は、一方の超音波素子１５についての判定終了後に、他方の超音波素子１５についても同様に行われる。
【0119】
なお、第２のしきい値および第２の範囲ＴＡ２は、超音波素子１５の仕様等に応じて予め定められるパラメータであり、例えば超音波流量センサ１００の工場出荷時に制御部１３３の記憶部３３１に記憶される。さらに、第２の範囲ＴＡ２は、使用者が、表示器３０の操作部３５を操作することにより制御部１３３の記憶部３３１に記憶されてもよい。また、制御部１３３の記憶部３３１に記憶された第２のしきい値および第２の範囲ＴＡ２は、使用者の操作部３５の操作により変更されてもよい。
【0120】
（３）非充満異常判定
非充満異常の有無が判定される。この判定時においても、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより取得される超音波波形のうち時間軸における第３の範囲ＴＡ３（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度が予め定められた第３のしきい値以下であるか否かが判定される。
非充満異常の有無が判定される。この判定時においても、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより取得される超音波波形のうち時間軸における第３の範囲ＴＡ３（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度が予め定められた第３のしきい値以下であるか否かが判定される。
【0121】
抽出された超音波波形の強度が第３のしきい値以下である場合、非充満異常は生じていない、すなわち配管Ｐ内には流体ＦＬが満たされており、一方の超音波素子１５から送信される超音波は配管Ｐ内部の流体ＦＬに正常に伝達されていると判定される。抽出された超音波波形の強度が第３のしきい値よりも大きい場合、一方の超音波素子１５について非充満異常の発生が判定される。すなわち、一方の超音波素子１５から送信される超音波は配管Ｐ内部の流体ＦＬに伝達されていないと判定される。この判定動作は、一方の超音波素子１５についての判定終了後に、他方の超音波素子１５についても同様に行われる。
【0122】
なお、第３のしきい値および第３の範囲ＴＡ３は、超音波素子１５の仕様等に応じて予め定められるパラメータであり、例えば超音波流量センサ１００の工場出荷時に制御部１３３の記憶部３３１に記憶される。さらに、第３の範囲ＴＡ３は、使用者が、表示器３０の操作部３５を操作することにより制御部１３３の記憶部３３１に記憶されてもよい。また、制御部１３３の記憶部３３１に記憶された第３のしきい値および第３の範囲ＴＡ３は、使用者の操作部３５の操作により変更されてもよい。
【0123】
（４）気泡異常判定
気泡異常の有無が判定される。この判定時においても、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより取得される超音波波形のうち時間軸における第４の範囲ＴＡ４（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度分布が予め定められた条件（以下、気泡条件と呼ぶ。）に従うか否かが判定される。ここで、気泡条件は、例えば抽出された超音波波形の包絡線の傾きが予め定められた第４のしきい値以下で維持されることである。
気泡異常の有無が判定される。この判定時においても、例えば一方の超音波素子１５が、送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより取得される超音波波形のうち時間軸における第４の範囲ＴＡ４（図８）内に位置する部分が抽出される。抽出された超音波波形の強度分布が予め定められた条件（以下、気泡条件と呼ぶ。）に従うか否かが判定される。ここで、気泡条件は、例えば抽出された超音波波形の包絡線の傾きが予め定められた第４のしきい値以下で維持されることである。
【0124】
抽出された超音波波形の強度分布が気泡条件に従う場合、気泡異常は生じていない、すなわち配管Ｐ内の流体ＦＬには、過剰な量のマイクロバブルは存在しないと判定される。抽出された超音波波形の強度分布が気泡条件に従わない場合、配管Ｐ内の流体ＦＬに過剰な量のマイクロバブルが存在することが判定される。この判定動作は、一方の超音波素子１５についての判定終了後に、他方の超音波素子１５についても同様に行われる。
【0125】
なお、第４のしきい値および第４の範囲ＴＡ４は、超音波素子１５の仕様等に応じて予め定められるパラメータであり、例えば超音波流量センサ１００の工場出荷時に制御部１３３の記憶部３３１に記憶される。さらに、第４の範囲ＴＡ４は、使用者が、表示器３０の操作部３５を操作することにより制御部１３３の記憶部３３１に記憶されてもよい。また、制御部１３３の記憶部３３１に記憶された第４のしきい値および第４の範囲ＴＡ４は、使用者の操作部３５の操作により変更されてもよい。
【0126】
（５）送受信異常判定
超音波流量センサ１００は、２つの超音波素子１５を備える。例えば、伝搬時間差方式では、２つの超音波素子１５間で超音波が送受信されることにより、流量が算出される。そのため、センサヘッド１０が配管Ｐに取り付けられた状態で、超音波素子１５Ａから送信された超音波は超音波素子１５Ｂで受信される必要がある。また、超音波素子１５Ｂから送信された超音波は超音波素子１５Ａで受信される必要がある。
超音波流量センサ１００は、２つの超音波素子１５を備える。例えば、伝搬時間差方式では、２つの超音波素子１５間で超音波が送受信されることにより、流量が算出される。そのため、センサヘッド１０が配管Ｐに取り付けられた状態で、超音波素子１５Ａから送信された超音波は超音波素子１５Ｂで受信される必要がある。また、超音波素子１５Ｂから送信された超音波は超音波素子１５Ａで受信される必要がある。
【0127】
上記の素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定、および気泡異常判定によれば、２つの超音波素子１５の各々について、測定状態の異常を判定することができるが、２つの超音波素子１５間の超音波の送受信に異常が生じているかを判定することができない。
【0128】
そこで、素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定、および気泡異常判定の前または後（本例では４つの異常判定後）に、２つの超音波素子１５間の超音波の送受信に異常が生じているかが判定される。この判定時には、例えば一方の超音波素子１５Ａが送信モードで動作し、他方の超音波素子１５Ｂが受信モードで動作する。それにより、超音波素子１５Ｂの出力信号から取得される波形に基づいて、超音波素子１５Ａから送信された超音波を受信しているか否かが判定される。また超音波素子１５Ｂが超音波素子１５Ａからの超音波を受信している場合には、受信した超音波の信号強度が予め定められた第５のしきい値以上であるか否かが判定される。
【0129】
超音波素子１５Ｂが超音波素子１５Ａから超音波を受信しかつその超音波の信号強度が第５のしきい値以上である場合、超音波素子１５Ａから超音波素子１５Ｂへの超音波の伝達状態は正常であると判定される。超音波素子１５Ｂが超音波素子１５Ａから送信された超音波を受信していない場合、超音波素子１５Ａから超音波素子１５Ｂへの超音波の伝達状態は異常であると判定される。また、超音波素子１５Ｂが超音波素子１５Ａから受信した超音波の信号強度が第５のしきい値よりも小さい場合、超音波素子１５Ａから超音波素子１５Ｂへの超音波の伝達状態は異常であると判定される。この判定動作は、送受信の関係を逆転させた状態でも行われる。すなわち、一方の超音波素子１５Ａを受信モードで動作させ、他方の超音波素子１５Ｂが送信モードで動作させる。その上で、超音波素子１５Ｂから超音波素子１５Ａに超音波が適切に伝達されたか否かが判定される。
【0130】
なお、第５のしきい値は、超音波素子１５の仕様等に応じて予め定められるパラメータであり、例えば超音波流量センサ１００の工場出荷時に制御部１３３の記憶部３３１に記憶される。また、制御部１３３の記憶部３３１に記憶された第５のしきい値は、使用者の操作部３５の操作により変更されてもよい。
【0131】
（６）異常診断機能の停止
上記のように、素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定、気泡異常判定、および送受信異常判定は、判定に要する超音波の伝搬経路がこの順で大きくなっている。そのため、上記の複数の判定のうちいずれかで、測定状態の異常の発生が判定されると、当該判定に続く異常判定は、適切に行われない可能性が高い。そこで、本実施の形態に係る異常診断機能においては、複数の異常判定のうちいずれか一の異常判定において異常の発生が判定された場合に、完了した判定結果のみが使用者に提示され、異常診断が終了する。このように、異常の発生が判定されると、その異常判定以降に行われるべき異常判定は行われない。それにより、判定が実施された診断項目については、その判定結果が一定の信頼性を有することになる。
上記のように、素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定、気泡異常判定、および送受信異常判定は、判定に要する超音波の伝搬経路がこの順で大きくなっている。そのため、上記の複数の判定のうちいずれかで、測定状態の異常の発生が判定されると、当該判定に続く異常判定は、適切に行われない可能性が高い。そこで、本実施の形態に係る異常診断機能においては、複数の異常判定のうちいずれか一の異常判定において異常の発生が判定された場合に、完了した判定結果のみが使用者に提示され、異常診断が終了する。このように、異常の発生が判定されると、その異常判定以降に行われるべき異常判定は行われない。それにより、判定が実施された診断項目については、その判定結果が一定の信頼性を有することになる。
【0132】
［５］表示器３０の表示部３６における画面表示例
使用者は、例えば図１の表示部３６に表示される画面を参照しつつ操作部３５を操作することにより、異常診断機能の使用を超音波流量センサ１００に指令することができる。図１３～図２２は、異常診断機能の使用時に図１の表示部３６に表示される画面の遷移例を示す図である。
使用者は、例えば図１の表示部３６に表示される画面を参照しつつ操作部３５を操作することにより、異常診断機能の使用を超音波流量センサ１００に指令することができる。図１３～図２２は、異常診断機能の使用時に図１の表示部３６に表示される画面の遷移例を示す図である。
【0133】
図１３には、初期画面が示される。図１３に示すように、表示部３６の画面上には、メイン表示領域３６１およびサブ表示領域３６２が設定される。初期画面においては、メイン表示領域３６１に、超音波流量センサ１００の各種機能を示す複数（本例では４つ）の機能アイコン３６１ａが表示される。これらの機能アイコン３６１ａには、チェックボックスと「状態」の文字列とが組み合わされた機能アイコン３６１ａが含まれる。この機能アイコン３６１ａは、超音波流量センサ１００による流量の測定状態を確認するためのアイコンである。サブ表示領域３６２には、使用者が操作すべき図１の操作部３５のボタン（決定ボタン３５ａおよび選択ボタン３５ｂ～３５ｅ）が模式的に表示される。
【0134】
使用者は、サブ表示領域３６２を参照しつつ操作部３５を操作することにより、メイン表示領域３６１上でカーソルを移動させ、所望の機能アイコン３６１ａを選択することができる。図１３の例では、カーソルが二点鎖線の枠により示される。
【0135】
図１３の初期画面において、超音波流量センサ１００による流量の測定状態を確認するための機能アイコン３６１ａが選択され、その選択が決定される。この場合、図１４に示すように、メイン表示領域３６１に診断実行アイコン３６１ｂおよび詳細表示アイコン３６１ｃが表示される。
【0136】
診断実行アイコン３６１ｂは、測定状態の異常診断機能を使用するため、すなわち後述する異常診断処理の実行を指定するためのアイコンである。一方、詳細表示アイコン３６１ｃは、例えば測定状態に関連する各種パラメータの設定内容、および応答遅れ等の超音波流量センサ１００の動作の不具合に関する各種情報を表示させるためのアイコンである。使用者は、メイン表示領域３６１上でカーソルを移動させ、診断実行アイコン３６１ｂおよび詳細表示アイコン３６１ｃのいずれか一方を選択することができる。図１４の例では、図１３の例と同様に、カーソルが二点鎖線の枠により示される。
【0137】
図１４の画面において、診断実行アイコン３６１ｂが選択され、その選択が決定される。この場合、図１５に示すように、表示部３６上に確認ウィンドウ３６３が表示される。確認ウィンドウ３６３には、異常診断処理の実行中には、配管Ｐ内の流体ＦＬの流量を測定すること等が一時的にできなくなる旨のメッセージ（後述する測定モードから診断モードへの移行を確認するためのメッセージ）が表示される。また、使用者が操作すべき図１の操作部３５のボタン（決定ボタン３５ａおよび選択ボタン３５ｂ～３５ｅ）が模式的に表示される。
【0138】
使用者は、確認ウィンドウ３６３を視認しつつ操作部３５の決定ボタン３５ａ（図１）を操作することにより、異常診断処理の実行を指令することができる。一方、使用者は、操作部３５の選択ボタン３５ｄを操作することにより、表示部３６の表示状態を図１４の表示状態に戻すことができる。
【0139】
図１５の画面において、操作部３５の決定ボタン３５ａ（図１）が操作されることにより、異常診断処理が開始される。この場合、図１６に示すように、メイン表示領域３６１に、進捗メータ３６１ｄおよびセンサヘッド１０の模式図とともに診断が開始されたことを示すメッセージが表示される。進捗メータ３６１ｄは、メイン表示領域３６１内で一方向に直線状に並ぶ複数の発光部を含む。進捗メータ３６１ｄにおいては、異常診断処理が進むにつれて複数の発光部が例えば左から右に向かって順に点灯する。それにより、異常診断処理の進行の度合いが表示される。
【0140】
異常診断処理が開始されると、まず、超音波素子１５Ａ，１５Ｂの各々について素子異常判定が行われる。このとき、表示部３６のメイン表示領域３６１には、図１７に示すように、素子異常判定が行われている状態を示すセンサヘッド１０の模式図とともに現在素子異常判定が行われていることを示すメッセージが表示される。また、現在の判定対象となっている超音波素子（図１７の例では超音波素子１５Ａ）を示す文字列が表示されるとともに、進捗メータ３６１ｄの表示態様が更新される。
【0141】
次に、超音波素子１５Ａ，１５Ｂの各々について素子異常判定が終了すると、取り付け異常判定が行われる。このとき、表示部３６のメイン表示領域３６１には、図１８に示すように、取り付け異常判定が行われている状態を示すセンサヘッド１０の模式図とともに現在取り付け異常判定が行われていることを示すメッセージが表示される。また、現在の判定対象となっている超音波素子（図１８の例では超音波素子１５Ａ）を示す文字列が表示されるとともに、進捗メータ３６１ｄの表示態様が更新される。
【0142】
次に、超音波素子１５Ａ，１５Ｂの各々について取り付け異常判定が終了すると、非充満異常判定が行われる。このとき、表示部３６のメイン表示領域３６１には、図１９に示すように、非充満異常判定が行われている状態を示すセンサヘッド１０の模式図とともに現在非充満異常判定が行われていることを示すメッセージが表示される。また、現在の判定対象となっている超音波素子（図１９の例では超音波素子１５Ａ）を示す文字列が表示されるとともに、進捗メータ３６１ｄの表示態様が更新される。
【0143】
次に、超音波素子１５Ａ，１５Ｂの各々について非充満異常判定が終了すると、気泡異常判定が行われる。このとき、表示部３６のメイン表示領域３６１には、図２０に示すように、気泡異常判定が行われている状態を示すセンサヘッド１０の模式図とともに現在気泡異常判定が行われていることを示すメッセージが表示される。また、現在の判定対象となっている超音波素子（図２０の例では超音波素子１５Ａ）を示す文字列が表示されるとともに、進捗メータ３６１ｄの表示態様が更新される。
【0144】
次に、超音波素子１５Ａ，１５Ｂの各々について気泡異常判定が終了すると、送受信異常判定が行われる。このとき、表示部３６のメイン表示領域３６１には、図２１に示すように、送受信異常判定が行われている状態を示すセンサヘッド１０の模式図とともに現在送受信異常判定が行われていることを示すメッセージが表示される。また、現在の送受信異常判定において２つの超音波素子間でどのようにして超音波が送信および受信されているのかを示す文字列が表示されるとともに、進捗メータ３６１ｄの表示態様が更新される。なお、図２１の例では、超音波素子１５Ａから送信された超音波が超音波素子１５Ｂにより受信されるように、超音波の送受信が行われることが示されている。
【0145】
最後に、超音波素子１５Ａ，１５Ｂの各々について上記の一連の異常判定が終了すると、表示部３６のメイン表示領域３６１には、図２２に示すように、判定結果一覧３６１ｅとメッセージ枠３６１ｆとが表示される。
【0146】
図２２に示される判定結果一覧３６１ｅにおいては、素子異常、取り付け異常、非充満異常、気泡異常、および送受信異常の文字列の各々の先頭に、判定結果を示す複数種類のマークが付されている。具体的には、判定結果が異常なしであったものについては、正常であることを示すマークとしてチェックマークが付されている（素子異常）。一方、判定結果が異常ありであったものについては、異常を示すマークとして警告マークが付されている（取り付け異常）。他方、異常判定が実施されなかったものについては、異常判定が行われなかったことを示すマークとしてハイフンが付されている。メッセージ枠３６１ｆには、複数の判定結果に応じたメッセージが提示される。図２２の例では、取り付け異常の発生に対応する復旧作業の内容が示される。
【0147】
上記の図１６～図２２で示される表示部３６の表示態様において、サブ表示領域３６２には、操作部３５の決定ボタン３５ａを示すマークと、停止の文字列が表示されている。これにより、使用者は、異常診断処理の実行中および実行後の所望のタイミングで決定ボタン３５ａを操作することができる。異常診断処理中に決定ボタン３５ａが操作されると、その処理が中断され、超音波流量センサ１００は異常診断処理の開始前の状態に戻る。
【0148】
【0149】
［６］制御基板１３における制御部１３３の機能的な構成
図２３は、図３の制御基板１３における制御部１３３の機能的な構成を説明するためのブロック図である。図２３に示すように、制御部１３３は、記憶部３３１を含むとともに、機能部として流量算出部３１０、測定判定部３２０、モード切替部３３２および表示制御部３３３を含む。これらの機能部は、制御部１３３のＣＰＵが記憶部３３１に記憶された流量測定プログラムおよび異常診断プログラムを実行することにより実現される。なお、上記の複数の機能部のうち一部または全てが電子回路等のハードウェアにより実現されてもよい。
図２３は、図３の制御基板１３における制御部１３３の機能的な構成を説明するためのブロック図である。図２３に示すように、制御部１３３は、記憶部３３１を含むとともに、機能部として流量算出部３１０、測定判定部３２０、モード切替部３３２および表示制御部３３３を含む。これらの機能部は、制御部１３３のＣＰＵが記憶部３３１に記憶された流量測定プログラムおよび異常診断プログラムを実行することにより実現される。なお、上記の複数の機能部のうち一部または全てが電子回路等のハードウェアにより実現されてもよい。
【0150】
流量算出部３１０は、第１の算出部３１１および第２の算出部３１２を含む。第１の算出部３１１は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御することにより、２つの超音波素子１５Ａ，１５Ｂ間で超音波を伝搬させる。それにより、第１の算出部３１１は、２つの超音波素子１５Ａ，１５Ｂ間の超音波の伝搬時間差に基づいて配管Ｐ内の流体ＦＬの流量を算出する。
【0151】
第２の算出部３１２は、送信回路１３１を制御することにより、一の超音波素子（例えば超音波素子１５Ａ）から配管Ｐ内の流体ＦＬに超音波を送信させる。また、第２の算出部３１２は、一の超音波素子が流体ＦＬから超音波を受信することにより受信回路１３２に出力された信号を受けることにより、超音波の周波数シフトに基づいて配管Ｐ内の流体ＦＬの流量を算出する。
【0152】
測定判定部３２０は、素子判定部３２１、取り付け判定部３２２、充満判定部３２３、気泡判定部３２４および送受信判定部３２５を含む。素子判定部３２１は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御するとともに記憶部３３１に記憶された第１のしきい値および第１の範囲ＴＡ１等に基づいて上記の素子異常判定を行う。
【0153】
取り付け判定部３２２は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御するとともに記憶部３３１に記憶された第２のしきい値および第２の範囲ＴＡ２等に基づいて上記の素子異常判定を行う。充満判定部３２３は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御するとともに記憶部３３１に記憶された第３のしきい値および第３の範囲ＴＡ３等に基づいて上記の非充満異常判定を行う。
【0154】
気泡判定部３２４は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御するとともに記憶部３３１に記憶された第４のしきい値および第４の範囲ＴＡ４等に基づいて上記の気泡異常判定を行う。送受信判定部３２５は、送信回路１３１および受信回路１３２を制御するとともに記憶部３３１に記憶された第５のしきい値等に基づいて上記の気泡異常判定を行う。
【0155】
モード切替部３３２は、使用者が操作部３５を操作することにより異常診断処理の実行が指令された場合に、流量算出部３１０による流量測定の動作を停止させ、測定判定部３２０による異常診断の動作を開始させる。また、モード切替部３３２は、測定判定部３２０による異常診断の終了が指令された場合に、測定判定部３２０による異常診断の動作を停止させ、流量算出部３１０による流量測定の動作を開始させる。
【0156】
表示制御部３３３は、超音波流量センサ１００による流量の測定状態について測定判定部３２０による複数種類の判定結果をそれぞれ表示器３０の表示部３６に表示させる。また、表示制御部３３３は、測定判定部３２０において行われる各種異常判定に関する情報（診断進捗画面等）を表示部３６に表示させる。
【0157】
［７］異常診断処理
図２４および図２５は、異常診断機能を実現するための異常診断処理の流れを示すフローチャートである。図２４および図２５の異常診断処理は、制御部１３３のＣＰＵが記憶部３３１に記憶された異常診断プログラムを実行することにより行われ、超音波流量センサ１００の電源がオン状態にあるときに所定周期で繰り返される。初期状態においては、超音波流量センサ１００は、通常の運転状態にある、すなわち配管Ｐ内の流体ＦＬの流量を所定周期で測定している状態にあるものとする。
図２４および図２５は、異常診断機能を実現するための異常診断処理の流れを示すフローチャートである。図２４および図２５の異常診断処理は、制御部１３３のＣＰＵが記憶部３３１に記憶された異常診断プログラムを実行することにより行われ、超音波流量センサ１００の電源がオン状態にあるときに所定周期で繰り返される。初期状態においては、超音波流量センサ１００は、通常の運転状態にある、すなわち配管Ｐ内の流体ＦＬの流量を所定周期で測定している状態にあるものとする。
【0158】
以下の説明では、超音波流量センサ１００が通常の運転状態にあるときの制御部１３３の動作モードを測定モードと呼ぶ。制御部１３３は、測定モードにおいて、２つの超音波素子１５のうち少なくとも一方の超音波素子１５から超音波を送信し、予め定められた超音波素子１５が超音波を受信することにより出力される信号に基づいて配管Ｐ内の流体の流量を測定する一連の処理を、予め定められた順（シーケンス）に従って実行する。
【0159】
また、以下の説明では、超音波流量センサ１００において異常診断機能が使用されるときの制御部１３３の動作モードを診断モードと呼ぶ。制御部１３３は、測定モードにおいて、２つの超音波素子１５のうち少なくとも一方の超音波素子１５から超音波を送信し、予め定められた超音波素子１５が超音波を受信することにより出力される信号に基づいて、複数の異常判定を予め定められた順（シーケンス）に従って実行する。
【0160】
図２４に示すように、最初に、モード切替部３３２は、使用者が操作部３５を操作することにより、異常診断処理の実行が指令されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この指令は、例えば図１４の診断実行アイコン３６１ｂが選択され、その選択が決定されることによりモード切替部３３２に与えられる。異常診断処理の実行が指令されない場合、モード切替部３３２は、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。一方、異常診断処理の実行が指令されると、図２３の表示制御部３３３は、測定モードから診断モードへの切り替えを確認するための確認ウィンドウ３６３を表示器３０の表示部３６に表示させる（ステップＳ１０２）。
【0161】
その後、モード切替部３３２は、異常診断処理の実行が再指令されたか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この再指令は、例えば図１５の表示状態で操作部３５の決定ボタン３５ａ（図１）が操作されることによりモード切替部３３２に与えられる。異常診断処理の実行が再指令されない場合、モード切替部３３２は、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。一方、異常診断処理の実行が再指令されると、モード切替部３３２は、制御部１３３の動作モードを測定モードから診断モードに切り替える（ステップＳ１０４）。これにより、配管Ｐ内の流体の流量を測定する超音波流量センサ１００の挙動が、複数の異常判定を順次行うように切り替えられる。また、表示制御部３３３は、異常診断処理中の現在の処理内容を示す診断進捗画面の表示を開始する（ステップＳ１０５）。
【0162】
次に、測定判定部３２０の素子判定部３２１は、２つの超音波素子１５の各々について素子異常判定を行い（ステップＳ１０６）、素子異常がないかを判定する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７において素子異常がある場合、表示制御部３３３は、現時点で得られた全ての判定結果を示す結果一覧の画面を表示部３６に表示させる（ステップＳ１２０）。その後、表示制御部３３３は後述するステップＳ１１７の処理に進む。
【0163】
ステップＳ１０７において素子異常がない場合、測定判定部３２０の取り付け判定部３２２は、２つの超音波素子１５の各々について取り付け異常判定を行い（ステップＳ１０８）、取り付け異常がないかを判定する（ステップＳ１０９）。
【0164】
ステップＳ１０９において取り付け異常がある場合、表示制御部３３３は、上記のステップＳ１２０の処理に進む。ステップＳ１０９において取り付け異常がない場合、測定判定部３２０の充満判定部３２３は、２つの超音波素子１５の各々について非充満異常判定を行い（ステップＳ１１０）、非充満異常がないかを判定する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１において非充満異常がある場合、表示制御部３３３は、上記のステップＳ１２０の処理に進む。
【0165】
ステップＳ１１１において非充満異常がない場合、測定判定部３２０の気泡判定部３２４は、２つの超音波素子１５の各々について気泡異常判定を行い（ステップＳ１１２）、気泡異常がないかを判定する（ステップＳ１１３）。ステップＳ１１３において気泡異常がある場合、表示制御部３３３は、上記のステップＳ１２０の処理に進む。
【0166】
ステップＳ１１３において気泡異常がない場合、測定判定部３２０の送受信判定部３２５は、２つの超音波素子１５間で送受信異常判定を行い（ステップＳ１１４）、送受信異常がないかを判定する（ステップＳ１１５）。ステップＳ１１５において送受信異常がある場合、表示制御部３３３は、上記のステップＳ１２０の処理に進む。
【0167】
ステップＳ１１５において送受信異常がない場合、表示制御部３３３は、全ての判定結果について正常であったことを示す結果一覧の画面を表示部３６に表示させる（ステップＳ１１６）。その後、表示制御部３３３は、例えば使用者による結果一覧の表示終了の指令を受けることにより、各種異常判定の判定結果の一覧表示を終了する（ステップＳ１１７）。最後に、モード切替部３３２は、制御部１３３の動作モードを診断モードから測定モードに切り替える（ステップＳ１１８）。これにより、異常診断処理が終了する。
【0168】
なお、上記の異常診断処理においては、ステップＳ１１４，Ｓ１１５の処理がステップＳ１０３～Ｓ１０６の処理の間に行われてもよい。
【0169】
［８］効果
上記の超音波流量センサ１００は、制御部１３３が測定モードにありかつセンサヘッド１０が配管Ｐに取り付けられた状態で、伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかのモードで動作する。それにより、配管Ｐ内の流体の流量が測定される。
上記の超音波流量センサ１００は、制御部１３３が測定モードにありかつセンサヘッド１０が配管Ｐに取り付けられた状態で、伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかのモードで動作する。それにより、配管Ｐ内の流体の流量が測定される。
【0170】
使用者は、表示器３０の操作部３５を操作することにより、超音波流量センサ１００に異常診断機能の使用を指令することができる。この場合、超音波流量センサ１００においては、測定モードのシーケンスが中断されることにより、配管Ｐ内の流体の流量の測定が停止される。また、診断モードのシーケンスが開始されることにより、まず超音波素子１５Ａが送信モードと受信モードとで交互に切り替えられて動作する。それにより、超音波素子１５Ａから配管Ｐに向けて超音波が送信されるとともに外部で反射された超音波が超音波素子１５Ａにより受信される。超音波素子１５Ａの出力信号に基づいて、当該超音波素子１５Ａについての素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定および気泡異常判定が予め定められらシーケンスに従って行われる。
【0171】
超音波素子１５Ｂについても、超音波素子１５Ａと同様に、素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定および気泡異常判定が行われる。さらに、超音波素子１５Ａ，１５Ｂ間で超音波の送受信が行われることにより、送受信異常判定が行われる。その後、各種判定結果が表示器３０の表示部３６に表示される。それにより、使用者は、超音波流量センサ１００による流量の測定状態の異常を容易に把握することが可能になる。
【0172】
［９］他の実施の形態
（１）上記実施の形態において、センサヘッド１０は伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかの流量算出モードで動作可能に構成されるが、実施の形態はこれに限定されない。センサヘッド１０は、パルスドップラモードで動作可能に構成されればよい。したがって、センサヘッド１０は、伝播時間差モードまたはハイブリッドモードで動作可能に構成されなくてもよい。この場合、超音波流量センサ１００は超音波素子１５Ａ，１５Ｂのうちいずれか一方を含まなくてもよい。なお、超音波流量センサ１００が超音波素子１５Ａ，１５Ｂのうちいずれか一方を含まない場合には、異常診断機能に送受信異常判定は含まれない。
（１）上記実施の形態において、センサヘッド１０は伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかの流量算出モードで動作可能に構成されるが、実施の形態はこれに限定されない。センサヘッド１０は、パルスドップラモードで動作可能に構成されればよい。したがって、センサヘッド１０は、伝播時間差モードまたはハイブリッドモードで動作可能に構成されなくてもよい。この場合、超音波流量センサ１００は超音波素子１５Ａ，１５Ｂのうちいずれか一方を含まなくてもよい。なお、超音波流量センサ１００が超音波素子１５Ａ，１５Ｂのうちいずれか一方を含まない場合には、異常診断機能に送受信異常判定は含まれない。
【0173】
（２）上記実施の形態において、異常診断機能の各種異常判定は、使用者が操作部３５を操作することによる指令に応答して行われるが、実施の形態はこれに限定されない。異常診断機能の各種異常判定は、予め定められたタイミングで制御部１３３により自動的に行われてもよい。
【0174】
（３）上記実施の形態において、超音波素子１５Ａ，１５Ｂは超音波流量センサ１００の一部として設けられるが、実施の形態はこれに限定されない。配管Ｐ内を流れる流体を通して２つの超音波素子１５Ａ，１５Ｂ間で超音波を送受信可能である限り、２つの超音波素子１５Ａ，１５Ｂは互い別体として設けられてもよい。
【0175】
（４）上記実施の形態において、超音波素子１５Ａと超音波素子１５Ｂとが配管Ｐが延びる方向に沿って並ぶように配置されるが、実施の形態はこれに限定されない。超音波素子１５Ａと超音波素子１５Ｂとは、配管Ｐを挟んで対向するように配置されてもよい。
【0176】
（５）上記実施の形態に係る異常診断処理においては、素子異常判定、取り付け異常判定、非充満異常判定、気泡異常判定および送受信異常判定がこの順で行われるが、これらの複数の異常判定のうちの一部が行われなくてもよい。例えば、異常診断処理においては、素子異常判定、取り付け異常判定、気泡異常判定および送受信異常判定がこの順で行われ、非充満異常判定が行われなくてもよい。
【0177】
［１０］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【0178】
上記実施の形態においては、配管Ｐが配管の例であり、流体ＦＬが流体の例であり、超音波流量センサ１００がクランプオン式超音波流量センサの例であり、超音波素子１５，１５Ａが第１の超音波素子および超音波素子の例であり、超音波素子１５，１５Ｂが第２の超音波素子の例であり、制御部１３３が制御部の例であり、流量算出部３１０が流量算出部の例であり、測定判定部３２０が測定判定部の例であり、モード切替部３３２がモード切替部の例であり、第１の算出部３１１が第１の算出部の例であり、第２の算出部３１２が第２の算出部の例である。
【0179】
また、ウェッジ材１４および音響カプラント１６が伝達部材の例であり、第１の範囲ＴＡ１が第１の範囲の例であり、素子判定部３２１が素子判定部の例であり、第２の範囲ＴＡ２が第２の範囲の例であり、取り付け判定部３２２が取り付け判定部の例であり、第３の範囲ＴＡ３が第３の範囲の例であり、充満判定部３２３が充満判定部の例であり、第４の範囲ＴＡ４が第４の範囲の例であり、気泡判定部３２４が気泡判定部の例であり、送受信判定部３２５が送受信判定部の例であり、表示部３６が表示部の例である。
【符号の説明】
【0180】
１０…センサヘッド，１１，３１…筐体部，１２，３２…コネクタ，１３…制御基板，１４，１４Ａ，１４Ｂ…ウェッジ材，１４ａ…素子結合面，１４ｂ…配管結合面，１５，１５Ａ，１５Ｂ…超音波素子，１６…音響カプラント，１７…超音波遮蔽板，１８…表示灯，２０…クランプ部，２１…上クランプ部材，２２…下クランプ部材，２３…クランプ固定ねじ，３０…表示器，３３，１３３…制御部，３４…記憶素子，３５…操作部，３５ａ…決定ボタン，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ…選択ボタン，３６…表示部，３７…表示灯，３８，３９…接続ポート，４０…電源回路，１００…超音波流量センサ，１０１…固定ねじ，１３１…送信回路，１３２…受信回路，３１０…流量算出部,３１１…第１の算出部，３１２…第２の算出部，３２０…測定判定部，３２１…素子判定部，３２２…取り付け判定部，３２３…充満判定部，３２４…気泡判定部，３２５…送受信判定部，３３１…記憶部，３３２…モード切替部，３３３…表示制御部，３６１…メイン表示領域，３６１ａ…機能アイコン，３６１ｂ…診断実行アイコン，３６１ｃ…詳細表示アイコン，３６１ｄ…進捗メータ，３６１ｅ…判定結果一覧，３６１ｆ…メッセージ枠，３６２…サブ表示領域，３６３…確認ウィンドウ，ＡＲ…空気，ＦＬ…流体，Ｐ…配管，ＴＡ１…第１の範囲，ＴＡ２…第２の範囲，ＴＡ３…第３の範囲，ＴＡ４…第４の範囲
【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17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】