知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024126035
(43)【公開日】2024-09-20
(54)【発明の名称】超音波流量計及び流量計測方法
(51)【国際特許分類】
G01F 1/66 20220101AFI20240912BHJP
【ＦＩ】
G01F1/66 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023034154
(22)【出願日】2023-03-07
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003166
【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 宏
(72)【発明者】
【氏名】小貝 和史
(72)【発明者】
【氏名】市毛 祐也
【テーマコード（参考）】
2F035
【Ｆターム（参考）】
2F035DA08
2F035DA14
2F035DA23
(57)【要約】
【課題】従来に対し、より精度よく流量を計測可能とする。
【解決手段】超音波を送信する送信部１１と、送信部１１に対して対向配置され、当該送信部１１により送信された超音波を受信する複数の受信部１２と、受信部１２による受信結果に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管２における流体の流量を算出する演算部１３とを備え、送信部１１は、出射方向を演算部１３により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う。
【選択図】図１
【解決手段】超音波を送信する送信部１１と、送信部１１に対して対向配置され、当該送信部１１により送信された超音波を受信する複数の受信部１２と、受信部１２による受信結果に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管２における流体の流量を算出する演算部１３とを備え、送信部１１は、出射方向を演算部１３により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波を送信する送信部と、
前記送信部に対して対向配置され、当該送信部により送信された超音波を受信する複数の受信部と、
前記受信部による受信結果に基づいて、前記送信部における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管における流体の流量を算出する演算部とを備え、
前記送信部は、出射方向を前記演算部により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う
ことを特徴とする超音波流量計。
前記送信部に対して対向配置され、当該送信部により送信された超音波を受信する複数の受信部と、
前記受信部による受信結果に基づいて、前記送信部における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管における流体の流量を算出する演算部とを備え、
前記送信部は、出射方向を前記演算部により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う
ことを特徴とする超音波流量計。
【請求項2】
前記演算部は、
前記受信部毎に設けられ、当該受信部による受信結果における代表値を検出する複数の代表値検出部と、
前記代表値検出部により検出された代表値の差を算出する比較部と、
前記比較部により算出された差に基づいて、前記送信部における超音波の出射調整方向を算出する出射調整方向演算部と、
前記出射調整方向演算部により算出された出射調整方向に基づいて、前記配管における流体の流速を算出する流速演算部と、
前記流速演算部により算出された流速に基づいて、前記配管における流体の流量を算出する流量演算部とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
前記受信部毎に設けられ、当該受信部による受信結果における代表値を検出する複数の代表値検出部と、
前記代表値検出部により検出された代表値の差を算出する比較部と、
前記比較部により算出された差に基づいて、前記送信部における超音波の出射調整方向を算出する出射調整方向演算部と、
前記出射調整方向演算部により算出された出射調整方向に基づいて、前記配管における流体の流速を算出する流速演算部と、
前記流速演算部により算出された流速に基づいて、前記配管における流体の流量を算出する流量演算部とを備えた
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】
前記送信部は、超音波としてバースト波を送信する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。
【請求項4】
超音波を送信する送信部と、前記送信部に対して対向配置され、当該送信部により送信された超音波を受信する複数の受信部とを備えた超音波流量計による流量計測方法であって、
演算部が、前記受信部による受信結果に基づいて、前記送信部における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管における流体の流量を算出するステップを有し、
前記送信部は、出射方向を前記演算部により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う
ことを特徴とする流量計測方法。
演算部が、前記受信部による受信結果に基づいて、前記送信部における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管における流体の流量を算出するステップを有し、
前記送信部は、出射方向を前記演算部により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う
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】
本開示は、流体の流量を計測する超音波流量計及び流量計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、流体の流量を計測する超音波流量計が知られている。この超音波流量計としては、例えば、伝播時間差を用いる方式及びドップラー現象を用いる方式の他に、音響強度分布を用いる方式がある。音響強度分布を用いる方式は、振幅式とも呼ばれる。
【0003】
従来、音響強度分布を用いる方式の超音波流量計では、流体の流れによって音響強度分布が変化することを利用し、流体の流量の計測を行っている（例えば特許文献１参照）。このような音響強度分布を用いる方式の超音波流量計では、音響強度分布が放物線状であると仮定し、信号強度のピークを算出している。そして、この超音波流量計では、そのピーク位置の変化から流量換算を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１８－０７７１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、音響強度分布の変化は非線形な要素が多い。すなわち、従来の音響強度分布を用いる方式の超音波流量計では、音響強度分布が放物線状であると仮定して信号強度のピークを算出しているが、実際には音響強度分布はピーク付近以外では放物線状にはなっていない。よって、この音響強度分布を用いる方式の超音波流量計では、超音波が流体により流される量を正確に算出できず、流量計測に誤差が生じやすい。
【0006】
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来に対し、より精度よく流量を計測可能となる超音波流量計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示に係る超音波流量計、超音波を送信する送信部と、送信部に対して対向配置され、当該送信部により送信された超音波を受信する複数の受信部と、受信部による受信結果に基づいて、送信部における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管における流体の流量を算出する演算部とを備え、送信部は、出射方向を演算部により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、上記のように構成したので、従来に対し、より精度よく流量を計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施の形態１に係る超音波流量計の構成例を示す図である。
【図2】実施の形態１における演算部の構成例を示す図である。
【図3】実施の形態１における演算部の動作例を示すフローチャートである。
【図4】実施の形態１に係る超音波流量計の動作例を説明する図であって、流速が０である場合を示す図である。
【図5】実施の形態１に係る超音波流量計の動作例を説明する図であって、流速が０ではなく且つ超音波の出射方向の調整を行わない場合を示す図である。
【図6】実施の形態１に係る超音波流量計の動作例を説明する図であって、流速が０ではなく且つ超音波の出射方向の調整を行う場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
超音波流量計１は、配管２を流れる流体における流量を計測する。この超音波流量計１は、例えば図１に示すように、送信部１１、複数の受信部１２、及び、演算部１３を備えている。
また、以下では、図１に示すように、超音波流量計１に、複数の受信部１２として第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２が設けられた場合を例にして説明を行うが、受信部１２が３つ以上設けられた場合についても同様である。
実施の形態１．
超音波流量計１は、配管２を流れる流体における流量を計測する。この超音波流量計１は、例えば図１に示すように、送信部１１、複数の受信部１２、及び、演算部１３を備えている。
また、以下では、図１に示すように、超音波流量計１に、複数の受信部１２として第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２が設けられた場合を例にして説明を行うが、受信部１２が３つ以上設けられた場合についても同様である。
【0011】
送信部１１は、配管２の側壁に取り付けられ、超音波を送信する送信側トランスデューサである。この送信部１１は、配管２の側壁外側に接するように取り付けられていてもよいし、配管２の側壁に設けられた穴に挿入されて配管２内の流体に直接接するように取り付けられていてもよいし、配管２の側壁内側で流体に囲まれるように取り付けられていてもよい。また、実施の形態１における送信部１では、超音波の駆動方法については限定されず、どのような形状の波であってもよいが、ここでは一例として連続波を用いる場合を想定する。
【0012】
なお、図１では、送信部１１は、超音波の基本の出射方向を、配管２において流体が流れる方向に対して垂直（略垂直の意味を含む）な方向としている（θ＝０）。
そして、送信部１１は、演算部１３により算出された出射調整方向に応じ、出射方向を当該出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う。この出射調整方向は、送信部１１における超音波の出射方向を調整するための方向であり、基本の出射方向に対して配管２における上流側に傾く方向である。なお、出射調整方向の初期値は０である。
そして、送信部１１は、演算部１３により算出された出射調整方向に応じ、出射方向を当該出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う。この出射調整方向は、送信部１１における超音波の出射方向を調整するための方向であり、基本の出射方向に対して配管２における上流側に傾く方向である。なお、出射調整方向の初期値は０である。
【0013】
この送信部１１としては、超音波の出射方向を調整可能な構成であればよく、フェーズドアレイ構成とされたものを用いることができる。例えば、送信部１１としてＰＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を用いることができる。
【0014】
第１の受信部１２－１は、配管２の側壁における送信部１１に対向する箇所に取り付けられ、送信部１１により送信された超音波を受信して電気信号に変換する受信側トランスデューサである。この第１の受信部１２－１は、配管２の側壁外側に接するように取り付けられていてもよいし、配管２の側壁に設けられた穴に挿入されて配管２内の流体に直接接するように取り付けられていてもよいし、配管２の側壁内側で流体に囲まれるように取り付けられていてもよい。
この第１の受信部１２－１により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
この第１の受信部１２－１により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
【0015】
この第１の受信部１２－１としては、超音波を受信可能な構成であればよい。例えば、第１の受信部１２－１として、ＰＭＵＴ、又は、ＰＺＴ等を用いた通常の超音波素子を用いることができる。
【0016】
第２の受信部１２－２は、配管２の側壁における送信部１１に対向する箇所に取り付けられ、送信部１１により送信された超音波を受信して電気信号に変換する受信側トランスデューサである。この第１の受信部１２－２は、配管２の側壁外側に接するように取り付けられていてもよいし、配管２の側壁に設けられた穴に挿入されて配管２内の流体に直接接するように取り付けられていてもよいし、配管２の側壁内側で流体に囲まれるように取り付けられていてもよい。
この第２の受信部１２－２により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
この第２の受信部１２－２により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
【0017】
この第２の受信部１２－２としては、超音波を受信可能な構成であればよい。例えば、第２の受信部１２－２として、ＰＭＵＴ、又は、ＰＺＴ等を用いた通常の超音波素子を用いることができる。
【0018】
なお、図１に示す超音波流量計１では、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２として、ＰＭＵＴによる二分割素子が用いられた場合を示している。
【0019】
演算部１３は、第１の受信部１２－１による受信結果及び第２の受信部１２－２による受信結果に基づいて、配管２における流体の流量を算出する。この際、演算部１３は、上記受信結果に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向に基づいて流量を算出する。この演算部１３の構成例については後述する。
【0020】
演算部１３は、例えば図２に示すように、複数の代表値検出部１３０１、比較部１３０２、出射調整方向演算部１３０３、流速演算部１３０４、及び、流量演算部１３０５を備えている。
また、以下では、図１に示すように、演算部１３に、複数の代表値検出部１３０１として第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２が設けられた場合を例にして説明を行うが、代表値検出部１３０１が３つ以上設けられた場合についても同様である。すなわち、演算部１３は、超音波流量計１が有する受信部１２の数に対応した数だけ代表値検出部１３０１を有していればよく、その数は限定されない。
また、以下では、図１に示すように、演算部１３に、複数の代表値検出部１３０１として第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２が設けられた場合を例にして説明を行うが、代表値検出部１３０１が３つ以上設けられた場合についても同様である。すなわち、演算部１３は、超音波流量計１が有する受信部１２の数に対応した数だけ代表値検出部１３０１を有していればよく、その数は限定されない。
【0021】
なお、演算部１３は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。
【0022】
第１の代表値検出部１３０１－１は、第１の受信部１２－１による受信結果に基づいて、当該受信結果における代表値を検出する。すなわち、第１の代表値検出部１３０１－１は、第１の受信部１２－１により得られた電気信号における代表値を検出する。
この第１の代表値検出部１３０１－１により検出された代表値を示す信号は、比較部１３０２に出力される。
この第１の代表値検出部１３０１－１により検出された代表値を示す信号は、比較部１３０２に出力される。
【0023】
第２の代表値検出部１３０１－２は、第２の受信部１２－２による受信結果に基づいて、当該受信結果における代表値を検出する。すなわち、第２の代表値検出部１３０１－２は、第２の受信部１２－２により得られた電気信号における代表値を検出する。
この第２の代表値検出部１３０１－２により検出された代表値を示す信号は、比較部１３０２に出力される。
この第２の代表値検出部１３０１－２により検出された代表値を示す信号は、比較部１３０２に出力される。
【0024】
比較部１３０２は、第１の代表値検出部１３０１－１により検出された代表値と、第２の代表値検出部１３０１－２により検出された代表値との差を算出する。
この比較部１３０２により算出された差を示す信号は、出射調整方向演算部１３０３に出力される。
この比較部１３０２により算出された差を示す信号は、出射調整方向演算部１３０３に出力される。
【0025】
出射調整方向演算部１３０３は、比較部１３０２により算出された差に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出する。この出射調整方向演算部１３０３は、例えば図２に示すように、積分部１３０６及び出射調整方向算出部１３０７を有している。
【0026】
積分部１３０６は、比較部１３０２により算出された差を、時間に対して積分する。
この積分部１３０６による積分結果を示す信号は、出射調整方向算出部１３０７に出力される。
この積分部１３０６による積分結果を示す信号は、出射調整方向算出部１３０７に出力される。
【0027】
出射調整方向算出部１３０７は、積分部１３０６による積分結果に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出する。
この出射調整方向算出部１３０７により算出された出射調整方向を示す信号は、流速演算部１３０４に出力される。
この出射調整方向算出部１３０７により算出された出射調整方向を示す信号は、流速演算部１３０４に出力される。
【0028】
流速演算部１３０４は、出射調整方向算出部１３０７により算出された出射調整方向に基づいて、配管２における流体の流速を算出する。
なお、この流速演算部１３０４による出射調整方向に基づく流速の算出では音速が必要となるが、この音速は従来から知られている方法で得ることが可能である。具体的には、流速演算部１３０４は、送信部１１による超音波の送信から第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２による超音波の受信までの時間に基づいて音速を算出することができる。また、流速演算部１３０４は、流体の音速温度特性が既知である場合には、流体の温度から当該音速温度特性に基づいて音速を算出することができる。
この流速演算部１３０４により算出された流速を示す信号は、流量演算部１３０５に出力される。
なお、この流速演算部１３０４による出射調整方向に基づく流速の算出では音速が必要となるが、この音速は従来から知られている方法で得ることが可能である。具体的には、流速演算部１３０４は、送信部１１による超音波の送信から第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２による超音波の受信までの時間に基づいて音速を算出することができる。また、流速演算部１３０４は、流体の音速温度特性が既知である場合には、流体の温度から当該音速温度特性に基づいて音速を算出することができる。
この流速演算部１３０４により算出された流速を示す信号は、流量演算部１３０５に出力される。
【0029】
流量演算部１３０５は、流速演算部１３０４により算出された流速に基づいて、配管２における流体の流量を算出する。この際、流量演算部１３０５は、流速演算部１３０４により算出された流速に対し、対象とする配管２の断面積を乗算することで、配管２における流体の流量を算出する。
【0030】
なお、図１に示す超音波流量計１では、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２が、送信部１１における基本の出射方向に対して対称（略対称の意味を含む）に取り付けられた場合を示している。
しかしながら、これに限らず、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２は、送信部１１における基本の出射方向に対してずれて配置されていてもよい。すなわち、実施の形態１に係る超音波流量計１では、複数の受信部１２が送信部１１に対してずれて配置されていたとしても、演算部１３において送信部１１における超音波の出射調整方向を算出することで、送信部１１は出射方向を適切に調整可能であり、上記ずれによる流量計測への影響を回避可能となる。
しかしながら、これに限らず、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２は、送信部１１における基本の出射方向に対してずれて配置されていてもよい。すなわち、実施の形態１に係る超音波流量計１では、複数の受信部１２が送信部１１に対してずれて配置されていたとしても、演算部１３において送信部１１における超音波の出射調整方向を算出することで、送信部１１は出射方向を適切に調整可能であり、上記ずれによる流量計測への影響を回避可能となる。
【0031】
次に、図１，２に示す実施の形態１における演算部１３の動作例について、図３を参照しながら説明する。
なお、以下では、第１の代表値検出部１３０１－１が第１の受信部１２－１による受信結果における代表値としてピーク値を検出し、第２の代表値検出部１３０１－２が第２の受信部１２－２による受信結果における代表値としてピーク値を検出する場合を示す。
なお、以下では、第１の代表値検出部１３０１－１が第１の受信部１２－１による受信結果における代表値としてピーク値を検出し、第２の代表値検出部１３０１－２が第２の受信部１２－２による受信結果における代表値としてピーク値を検出する場合を示す。
【0032】
ここで、実施の形態１に係る超音波流量計１では、配管２における流体の流れによって受信側での音響強度分布の中心が変わらないように、すなわち、複数の受信部１２で受信される超音波の強度が均等になるように、送信側での超音波の出射方向を配管２における上流側に偏向する。そして、実施の形態１に係る超音波流量計１では、送信側の偏向角を流速に換算して流量を求める。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１では、従来に対し、放物線状以外の音響強度分布に対しても考慮することができ、より正確に流量を計測することが可能となる。
【0033】
なお、近年、マイクロマシニング技術を用いて、アレイ状のピエゾ素子であるＰＭＵＴを作成することが可能となった。この技術では、ピエゾ素子を一次元又は二次元のアレイ状に構築可能である。
そして、このようにして作られたアレイ状の各々のピエゾ素子に対して独立に信号を送ることにより、超音波の出射角度を振るビームステアリング、及び、超音波を特定の位置で一点に集めるビームフォーカシング等が実現可能である。
そして、このようにして作られたアレイ状の各々のピエゾ素子に対して独立に信号を送ることにより、超音波の出射角度を振るビームステアリング、及び、超音波を特定の位置で一点に集めるビームフォーカシング等が実現可能である。
【0034】
【0035】
そして、送信部１１は、演算部１３により算出された出射調整方向に応じ、出射方向を当該出射調整方向となるように配管２における上流側に傾け、予め設定された期間、超音波を送信する。なお、初回では、出射調整方向は０である。
そして、第１の受信部１２－１は、上記期間、送信部１１により送信された超音波の受信を行って電気信号に変換する。この第１の受信部１２－１により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
同様に、第２の受信部１２－２は、上記期間、送信部１１により送信された超音波の受信を行って電気信号に変換する。この第２の受信部１２－２により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
そして、第１の受信部１２－１は、上記期間、送信部１１により送信された超音波の受信を行って電気信号に変換する。この第１の受信部１２－１により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
同様に、第２の受信部１２－２は、上記期間、送信部１１により送信された超音波の受信を行って電気信号に変換する。この第２の受信部１２－２により得られた電気信号は、演算部１３に出力される。
【0036】
次いで、第１の代表値検出部１３０１－１は、第１の受信部１２－１による受信結果における代表値としてピーク値を検出し、第２の代表値検出部１３０１－２は、第２の受信部１２－２による受信結果における代表値としてピーク値を検出する（ステップＳＴ１０２）。なお、第１の受信部１２－１による受信結果におけるピーク値をＰＡで表し、第２の受信部１２－２による受信結果におけるピーク値をＰＢで表す。
この第１の代表値検出部１３０１－１により検出されたピーク値を示す信号、及び、第２の代表値検出部１３０１－２により検出されたピーク値を示す信号は、比較部１３０２に出力される。
この第１の代表値検出部１３０１－１により検出されたピーク値を示す信号、及び、第２の代表値検出部１３０１－２により検出されたピーク値を示す信号は、比較部１３０２に出力される。
【0037】
なお、ここでは、第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２が検出対象とする代表値が、受信信号におけるピーク値である場合を示している。
しかしながら、これに限らず、第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２が検出対象とする代表値は、受信信号の振幅を代表する値であればよい。例えば、第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２は、代表値として、受信信号におけるピークトゥピーク値（ｐ－ｐ）、受信信号における絶対値の平均値、又は、受信信号における二乗平均値の平方根（ＲＭＳ）を検出してもよい。
しかしながら、これに限らず、第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２が検出対象とする代表値は、受信信号の振幅を代表する値であればよい。例えば、第１の代表値検出部１３０１－１及び第２の代表値検出部１３０１－２は、代表値として、受信信号におけるピークトゥピーク値（ｐ－ｐ）、受信信号における絶対値の平均値、又は、受信信号における二乗平均値の平方根（ＲＭＳ）を検出してもよい。
【0038】
次いで、比較部１３０２は、第１の代表値検出部１３０１－１による検出結果及び第２の代表値検出部１３０１－２による検出結果の差を算出する（ステップＳＴ１０３）。この際、比較部１３０２は、下式（１）に従い、ピーク値の差を算出する。
ＰＢ－ＰＡ （１）
この比較部１３０２により算出された差を示す信号は、積分部１３０６に出力される。
ＰＢ－ＰＡ （１）
この比較部１３０２により算出された差を示す信号は、積分部１３０６に出力される。
【0039】
次いで、積分部１３０６は、比較部１３０２により算出された差を、計測期間分だけ積分する（ステップＳＴ１０４）。この際、積分部１３０６は、下式（２）に従い、積分を行う。なお、式（２）において、Δｔは計測周期であり、ｋは積分感度定数であって予め設定される。
ｋ（ＰＢ－ＰＡ）Δｔ （２）
この積分部１３０６による積分結果を示す信号は、出射調整方向算出部１３０７に出力される。
ｋ（ＰＢ－ＰＡ）Δｔ （２）
この積分部１３０６による積分結果を示す信号は、出射調整方向算出部１３０７に出力される。
【0040】
なお、図２では、積分部１３０６が積分を行っているが、これに限らず、積分部１３０６は、計測間隔毎に分割して計測を実行している場合には区分求積法とみなして足し算を繰り返すことで積分を行うことができる。また、より精度よく積分するのであれば、積分部１３０６は、例えば台形公式又はシンプソン公式等を使うことも可能である。
【0041】
次いで、出射調整方向算出部１３０７は、積分部１３０６による積分結果に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出する（ステップＳＴ１０５）。すなわち、出射調整方向算出部１３０７は、下式（３）に従い、出射調整方向を算出する。これにより、送信部１１は超音波の出射方向を更新可能となる。
θ←θ＋ｋ（ＰＢ－ＰＡ）Δｔ （３）
この出射調整方向算出部１３０７により算出された出射調整方向を示す信号は、流速演算部１３０４に出力される。
θ←θ＋ｋ（ＰＢ－ＰＡ）Δｔ （３）
この出射調整方向算出部１３０７により算出された出射調整方向を示す信号は、流速演算部１３０４に出力される。
【0042】
次いで、流速演算部１３０４は、出射調整方向算出部１３０７により算出された出射調整方向に基づいて、配管２における流体の流速を算出する（ステップＳＴ１０６）。すなわち、流速演算部１３０４は、下式（４）又は下式（５）に従い、配管２における流体の流速を算出する。なお、式（４）及び式（５）において、Ｖは配管２における流体の流速を示し、Ｃは音速を示している。
θ＝ｓｉｎ－１（Ｖ／Ｃ） （４）
Ｖ＝Ｃｓｉｎθ （５）
この流速演算部１３０４により算出された流速を示す信号は、流量演算部１３０５に出力される。
θ＝ｓｉｎ－１（Ｖ／Ｃ） （４）
Ｖ＝Ｃｓｉｎθ （５）
この流速演算部１３０４により算出された流速を示す信号は、流量演算部１３０５に出力される。
【0043】
次いで、流量演算部１３０５は、流速演算部１３０４により算出された流速に基づいて、配管２における流体の流量を算出する（ステップＳＴ１０７）。この際、流量演算部１３０５は、流速演算部１３０４により算出された流速に対して、対象とする配管２の断面積を乗算することで、流量を算出する。なお、配管２における流体の流量をＱで表す。
【0044】
その後、演算部１３は、次の計測まで待機し、上記の処理を繰り返す。
【0045】
ここで、図４に示すように、配管２における流体に流れがない状態（Ｖ＝０）で送信部１１が基本の出射方向（θ＝０）で超音波の送信を行った場合、送信部１１により送信された超音波は、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２で均等に受信される。すなわち、第１の受信部１２－１における出力信号であるＶＡと、第２の受信部１２－２における出力信号であるＶＢとは等しくなる。
【0046】
一方、図５に示すように、配管２における流体に流れがある状態（Ｖ≠０）で送信部１１が基本の出射方向（θ＝０）で超音波の送信を行った場合、送信部１１により送信された超音波は配管２における下流側に流され、音響強度分布に偏りが生じる。その結果、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２での出力にも変化が生じる。すなわち、第２の受信部１２－２における出力信号であるＶＢは、第１の受信部１２－１における出力信号であるＶＡよりも大きくなる。
【0047】
そこで、実施の形態１に係る超音波流量計１では、図６に示すように、送信部１１における超音波の出射方向を配管２における上流側に傾けるように調整し、すなわちθ≠０とする。これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１では、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２における音響強度分布の偏りを小さくすることができる。すなわち、配管２における流体に流れがある場合であっても、超音波の出射方向を適切に調整すれば、第１の受信部１２－１における出力信号であるＶＡと、第２の受信部１２－２における出力信号であるＶＢとは等しくなる。
【0048】
そして、図１に示すように、超音波流量計１に対してフィードバックループを設けることで、この超音波流量計１は、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２での出力信号の振幅が自動的に等しくなるようにすることができる。
【0049】
ここで、従来技術では、音響強度分布が放物線状となっていると仮定して信号強度のピークを算出している。しかしながら、実際には、音響強度分布はピーク付近以外では放物線状にはなっていないので、従来技術では、超音波が流れにより流される量を正確に算出できない。
これに対し、実施の形態１に係る超音波流量計１では、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２で受信される信号強度が等しくなるように超音波の出射方向を変化させる。このため、この超音波流量計１では、超音波が流れにより流される量を正確に求めることができる。
これに対し、実施の形態１に係る超音波流量計１では、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２で受信される信号強度が等しくなるように超音波の出射方向を変化させる。このため、この超音波流量計１では、超音波が流れにより流される量を正確に求めることができる。
【0050】
なお、図７は実施の形態１における演算部１３による出射調整方向の算出方法を説明する図である。
上述したように、配管２における流体に流れがない場合には、図７Ａに示すように、送信部１１により送信された超音波は当該流体に流されず、そのまま第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２に到達する。
一方、配管２内における流体に流れがある場合には、図７Ｂに示すように、送信部１１により送信された超音波は配管２における下流側に流され、音響強度分布に偏りが生じる。
そのため、実施の形態１に係る超音波流量計１では、図７Ｃに示すように、送信部１１における超音波の出射方向を上流側に傾ける。この場合、θとＶとの関係は式（４），（５）のようになる。
上述したように、配管２における流体に流れがない場合には、図７Ａに示すように、送信部１１により送信された超音波は当該流体に流されず、そのまま第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２に到達する。
一方、配管２内における流体に流れがある場合には、図７Ｂに示すように、送信部１１により送信された超音波は配管２における下流側に流され、音響強度分布に偏りが生じる。
そのため、実施の形態１に係る超音波流量計１では、図７Ｃに示すように、送信部１１における超音波の出射方向を上流側に傾ける。この場合、θとＶとの関係は式（４），（５）のようになる。
【0051】
なお、上記では、演算部１３が積分部１３０６を有し、フィードバックとして「積分要素」（Ｉ）のみを用いた制御を行う場合を示した。
しかしながら、これに限らず、演算部１３は、積分部１３０６に代えて、比例制御、比例制御及び積分制御、並びに、比例制御、積分制御及び微分制御を行う制御部を有し、フィードバックとして「比例要素」（Ｐ）、「比例要素＋積分要素」（ＰＩ）又は「比例要素＋積分要素＋微分要素」（ＰＩＤ）を用いた制御を行ってもよい。これにより、フィードバックとして「積分要素」（Ｉ）のみを用いた制御を行う場合に対し、応答性が向上するものと考えられる。一方で、この場合、フィードバックとして「積分要素」（Ｉ）のみを用いた制御を行う場合に対し、制御が不安定になる可能性もある。そのため、この制御方法については適宜選択することが望ましい。
しかしながら、これに限らず、演算部１３は、積分部１３０６に代えて、比例制御、比例制御及び積分制御、並びに、比例制御、積分制御及び微分制御を行う制御部を有し、フィードバックとして「比例要素」（Ｐ）、「比例要素＋積分要素」（ＰＩ）又は「比例要素＋積分要素＋微分要素」（ＰＩＤ）を用いた制御を行ってもよい。これにより、フィードバックとして「積分要素」（Ｉ）のみを用いた制御を行う場合に対し、応答性が向上するものと考えられる。一方で、この場合、フィードバックとして「積分要素」（Ｉ）のみを用いた制御を行う場合に対し、制御が不安定になる可能性もある。そのため、この制御方法については適宜選択することが望ましい。
【0052】
また、上記では、送信部１１が、ビームステアリングとも呼ばれる出射角度の偏向のみを行う場合を示した。
しかしながら、これに限らず、送信部１１は、上記に加え、ビームフォーカシングとも呼ばれる超音波を集中させる処理を組み合わせて実施してもよい。すなわち、例えば、図７において実線で示すように、ビームフォーカシングを行わない場合には、超音波は末広がり状に広がりながら送信される。これに対し、図７において破線で示すように、ビームフォーカシングを行うことで、超音波の集中させて上記広がりを抑制可能となる。なお、このビームフォーカシングについては、配管２の口径又は流体の音速等の情報をもとに事前に若しくは計測と並行して設定される。
このビームフォーカシングによって、超音波流量計１では、超音波が集中することで受信側での音響強度が高くなり、Ｓ／Ｎが高まることから、ビームステアリングのみを行う場合に対して流量計測の精度が向上する。
しかしながら、これに限らず、送信部１１は、上記に加え、ビームフォーカシングとも呼ばれる超音波を集中させる処理を組み合わせて実施してもよい。すなわち、例えば、図７において実線で示すように、ビームフォーカシングを行わない場合には、超音波は末広がり状に広がりながら送信される。これに対し、図７において破線で示すように、ビームフォーカシングを行うことで、超音波の集中させて上記広がりを抑制可能となる。なお、このビームフォーカシングについては、配管２の口径又は流体の音速等の情報をもとに事前に若しくは計測と並行して設定される。
このビームフォーカシングによって、超音波流量計１では、超音波が集中することで受信側での音響強度が高くなり、Ｓ／Ｎが高まることから、ビームステアリングのみを行う場合に対して流量計測の精度が向上する。
【0053】
また、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２として、ＰＭＵＴではなく、ＰＺＴ等を用いた通常の超音波素子を２つ並べたものを使用してもよい。これにより、超音波流量計１では、感度が高い超音波素子を使うことでＳ／Ｎが良くなり、流量計測の精度が高まる。
【0054】
また、第１の受信部１２－１及び第２の受信部１２－２として、ＰＭＵＴによるフェーズドアレイ構成としたものを用いてもよい。これにより、超音波流量計１では、フェーズドアレイにより目的としない方向からの超音波の影響を受信信号から排除することができるため、Ｓ／Ｎが高まり、流量計測の精度が高まる。
【0055】
以上のように、この実施の形態１によれば、超音波流量計１は、超音波を送信する送信部１１と、送信部１１に対して対向配置され、当該送信部１１により送信された超音波を受信する複数の受信部１２と、受信部１２による受信結果に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出し、当該算出した出射調整方向から配管２における流体の流量を算出する演算部１３とを備え、送信部１１は、出射方向を演算部１３により算出された出射調整方向に変更した上で、超音波の送信を行う。
また、実施の形態１によれば、演算部１３は、受信部１２毎に設けられ、当該受信部１２による受信結果における代表値を検出する複数の代表値検出部１３０１と、代表値検出部１３０１により検出された代表値の差を算出する比較部１３０２と、比較部１３０２により算出された差に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出する出射調整方向演算部１３０３と、出射調整方向演算部１３０３により算出された出射調整方向に基づいて、配管２における流体の流速を算出する流速演算部１３０４と、流速演算部１３０４により算出された流速に基づいて、配管２における流体の流量を算出する流量演算部１３０５とを備えた。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、より精度よく流量を計測可能となる。
また、実施の形態１によれば、演算部１３は、受信部１２毎に設けられ、当該受信部１２による受信結果における代表値を検出する複数の代表値検出部１３０１と、代表値検出部１３０１により検出された代表値の差を算出する比較部１３０２と、比較部１３０２により算出された差に基づいて、送信部１１における超音波の出射調整方向を算出する出射調整方向演算部１３０３と、出射調整方向演算部１３０３により算出された出射調整方向に基づいて、配管２における流体の流速を算出する流速演算部１３０４と、流速演算部１３０４により算出された流速に基づいて、配管２における流体の流量を算出する流量演算部１３０５とを備えた。
これにより、実施の形態１に係る超音波流量計１は、従来に対し、より精度よく流量を計測可能となる。
【0056】
実施の形態２．
実施の形態１に係る超音波流量計１では、送信部１１により送信される超音波の駆動方法については限定していないが、実施の形態２ではこの駆動方法について示す。
実施の形態１に係る超音波流量計１では、送信部１１により送信される超音波の駆動方法については限定していないが、実施の形態２ではこの駆動方法について示す。
【0057】
実施の形態２における送信部１１では、超音波として、バースト波を用いる。
【0058】
ここで、送信部１１が、超音波として、連続波ではなく、バースト波を用いた場合での効果について説明する。
送信部１１が超音波としてバースト波を用いた場合、連続波を用いた場合に対し、計測レートを下げることができ、消費電力を下げることができる。
また、送信部１１が超音波としてバースト波を用いた場合、受信計測タイミングに制限を加えることができ、配管２内の流体を伝わる超音波と配管２等を伝わる超音波とを時間的に分離できるようになるため、連続波を用いた場合に対して流量計測の精度が高まる。以下、この点について図８及び図９を参照しながら説明する。
送信部１１が超音波としてバースト波を用いた場合、連続波を用いた場合に対し、計測レートを下げることができ、消費電力を下げることができる。
また、送信部１１が超音波としてバースト波を用いた場合、受信計測タイミングに制限を加えることができ、配管２内の流体を伝わる超音波と配管２等を伝わる超音波とを時間的に分離できるようになるため、連続波を用いた場合に対して流量計測の精度が高まる。以下、この点について図８及び図９を参照しながら説明する。
【0059】
ここで、例えば図８に示すように、送信部１１から受信部１２に伝わる超音波には、配管２における流体を介して受信部１２に伝わる流体伝播波以外に、配管２を介して受信部１２に伝わる配管伝播波、及び、配管２外を介して受信部１２に伝わる配管外伝播波が存在する。そのため、超音波流量計１では、この配管伝播波及び配管外伝播波による影響を無視できない場合、受信部１２により受信された超音波から、上記流体伝播波を抽出することが望ましい。
なお、配管伝播波は、通常、流体伝播波に対し、振幅は大きく、早く受信部１２に伝わる。また、配管外伝播波は、通常、流体伝播波に対し、振幅は小さく、遅く受信部１２に伝わる。
なお、配管伝播波は、通常、流体伝播波に対し、振幅は大きく、早く受信部１２に伝わる。また、配管外伝播波は、通常、流体伝播波に対し、振幅は小さく、遅く受信部１２に伝わる。
【0060】
しかしながら、例えば図９Ａに示すように、超音波流量計１が超音波として連続波を用いた場合には、初回の計測においても、流体伝播波は配管伝播波と混ざってしまい分離できない。更に、２回目以降の計測では３つの波がすべて重なってしまう。そのため、このような波形から流体伝播波を抽出することは困難である。
これに対し、例えば図９Ｂの上段に示すように、超音波流量計１が超音波としてバースト波を用いた場合には、流体伝播波が配管伝播波及び配管外伝播波と混ざってしまうことを回避できる。そのため、例えば図９Ｂの下段に示すように、超音波流量計１では、例えば受信部１２において、受信波形を時間的に切り分けることで、流体伝播波だけを抽出可能となる。
これに対し、例えば図９Ｂの上段に示すように、超音波流量計１が超音波としてバースト波を用いた場合には、流体伝播波が配管伝播波及び配管外伝播波と混ざってしまうことを回避できる。そのため、例えば図９Ｂの下段に示すように、超音波流量計１では、例えば受信部１２において、受信波形を時間的に切り分けることで、流体伝播波だけを抽出可能となる。
【0061】
以上のように、この実施の形態２によれば、送信部１１は、超音波としてバースト波を送信する。これにより、実施の形態２に係る超音波流量計１は、実施の形態１に係る超音波流量計１に対し、配管伝播波又は配管外伝播波による影響が無視できない場合であっても、精度よく流量を算出可能となる。
【0062】
なお、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【0063】
１ 超音波流量計
２ 配管
１１ 送信部
１２－１ 第１の受信部
１２－２ 第２の受信部
１３ 演算部
１３０１－１ 第１の代表値検出部
１３０１－２ 第２の代表値検出部
１３０２ 比較部
１３０３ 出射調整方向演算部
１３０４ 流速演算部
１３０５ 流量演算部
１３０６ 積分部
１３０７ 出射調整方向算出部
２ 配管
１１ 送信部
１２－１ 第１の受信部
１２－２ 第２の受信部
１３ 演算部
１３０１－１ 第１の代表値検出部
１３０１－２ 第２の代表値検出部
１３０２ 比較部
１３０３ 出射調整方向演算部
１３０４ 流速演算部
１３０５ 流量演算部
１３０６ 積分部
１３０７ 出射調整方向算出部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】