特開 2024-43427 超音波流量計

(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】P2024043427

(43)【公開日】2024-03-29

(54)【発明の名称】超音波流量計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20220101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022148615

(22)【出願日】2022-09-16

(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】稲垣 克幸

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035DA08

2F035DA14

(57)【要約】

【課題】流量の目標値が変化するときの測定値の応答性と、流量の目標値が一定のときの測定値の安定性とを両立させることができる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１０は、一対の超音波振動子１２，１３間での超音波Ｕ１，Ｕ２の送受信によって流体Ｗ１の流量を測定する。また、超音波流量計１０が備える１次遅れフィルタ５２は、流量をサンプリングすることにより入力値を取得し、取得した入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより出力値を生成する。なお、１次遅れフィルタ５２は、今回の入力値と前回の出力値との差分が所定の閾値よりも大きい場合に、定常時の時定数を用いることで応答時間を短くし、今回の入力値と前回の出力値との差分が所定の閾値以下である場合に、時定数を大きくして流量の測定値を安定させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が流れる管路の上流側と下流側とに一対の超音波振動子を離間させて配置した構造を有し、前記一対の超音波振動子間での超音波の送受信によって前記流体の流量を測定する超音波流量計であって、
前記流量をサンプリングすることにより入力値を取得し、取得した前記入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより出力値を生成する１次遅れフィルタを備え、
前記１次遅れフィルタは、
今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が所定の閾値よりも大きい場合に、定常時の時定数を用いることで応答時間を短くし、
今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が所定の閾値以下である場合に、前記時定数を大きくして前記流量を安定させる
ことを特徴とする超音波流量計。

【請求項2】

前記１次遅れフィルタは、今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が前記所定の閾値以下である場合に、前記時定数にフィルタ変数Ｃ（１＜Ｃ≦ｎ、但しｎは１よりも大きい数）を乗じることにより、前記時定数を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。

【請求項3】

前記フィルタ変数Ｃは、ｎを上限として、前記差分の値が前記閾値より小さくなるほど大きくなる変数であることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。

【請求項4】

前記フィルタ変数Ｃは、累乗した状態で用いられることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波流量計。

【請求項5】

前記１次遅れフィルタは、今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が前記所定の閾値よりも大きい場合、前記時定数の大きさを一定に維持することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波流量計。

【請求項6】

前記流量の目標値は、ステップ状に変化するものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波流量計。

【請求項7】

前記超音波流量計は、前記一対の超音波振動子が前記管路を挟み込むように配置されたストレートタイプの超音波流量計であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波流量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一対の超音波振動子間での超音波の送受信によって流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波を利用して流体の流量を測定する超音波流量計が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。この超音波流量計では、流体が流れる管路の上流側及び下流側にそれぞれ超音波振動子が設置されている。そして、これらの超音波振動子を用いて超音波を送受信し、上流側から下流側に伝搬する超音波の伝搬時間と下流側から上流側に伝搬する超音波の伝搬時間との時間差に基づいて、流体の流量が算出される。

【0003】

ところで、超音波流量計による流量の測定値（算出値）は、通常、ノイズを含んでいるためにバラツキがある。そこで、測定値を１次遅れフィルタ（ローパスフィルタ）に通して平滑の度合を強くすれば、ノイズが低減されるために流量の測定値を安定させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－６７５７２号公報（図１等）

【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、１次遅れフィルタでは、平滑の度合を強くすると、流量の目標値（制御値）が急激に変化したときに、その変化した目標値に測定値が応答するのに要する時間が長くなるという問題がある。例えば、超音波流量計を実際に使用する際には、測定対象となる流体の流量の目標値がステップ状に変化することがある。この場合、目標値が一定のときの測定値の安定性を優先した１次遅れフィルタであると、目標値が変化するときの測定値の応答性が悪化してしまう。逆に、目標値が変化するときの測定値の応答性を優先した１次遅れフィルタであると、目標値が一定のときの測定値の安定性が悪化してしまう。

【0006】

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、流量の目標値が変化するときの測定値の応答性と、流量の目標値が一定のときの測定値の安定性とを両立させることができる超音波流量計を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流体が流れる管路の上流側と下流側とに一対の超音波振動子を離間させて配置した構造を有し、前記一対の超音波振動子間での超音波の送受信によって前記流体の流量を測定する超音波流量計であって、前記流量をサンプリングすることにより入力値を取得し、取得した前記入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより出力値を生成する１次遅れフィルタを備え、前記１次遅れフィルタは、今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が所定の閾値よりも大きい場合に、定常時の時定数を用いることで応答時間を短くし、今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が所定の閾値以下である場合に、前記時定数を大きくして前記流量を安定させることを特徴とする超音波流量計をその要旨とする。

【0008】

従って、請求項１に記載の発明によると、１次遅れフィルタが、今回の入力値と前回の出力値との差分が所定の閾値よりも大きい場合、即ち、流量の目標値が急激に変化した場合に、１次遅れフィルタの時定数として定常時の時定数を用いることにより、目標値の変化に対する応答時間の長さを短くする。また、１次遅れフィルタが、今回の入力値と前回の出力値との差分が所定の閾値以下である場合、即ち、流量の目標値の変化が小さく一定である場合に、時定数を大きくして入力値に含まれるノイズを低減することにより、測定値を安定させる。従って、流量の目標値が変化するときの測定値の応答性と、流量の目標値が一定のときの測定値の安定性とを両立させることが可能な超音波流量計を得ることができる。

【0009】

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記１次遅れフィルタは、今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が前記所定の閾値以下である場合に、前記時定数にフィルタ変数Ｃ（１＜Ｃ≦ｎ、但しｎは１よりも大きい数）を乗じることにより、前記時定数を大きくすることをその要旨とする。

【0010】

従って、請求項２に記載の発明によると、フィルタ変数Ｃを乗じることによって時定数を大きくするため、時定数が確実に大きくなる。従って、入力値に含まれるノイズを確実に低減して流量の測定値を安定させることができる。

【0011】

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記フィルタ変数Ｃは、ｎを上限として、前記差分の値が前記閾値より小さくなるほど大きくなる変数であることをその要旨とする。

【0012】

ところで、フィルタ変数Ｃを大きくして時定数を大きくすると、ノイズが低減されて流量の測定値が安定するものの、流量の目標値の変化に対する測定値の応答性が低下してしまう。しかし、請求項３に記載の発明では、流量の目標値の変化が小さい（即ち、今回の入力値と前回の出力値との差分が小さい）ために、目標値の変化に対する測定値の応答性が問題にならない場合に、フィルタ変数Ｃを大きくして時定数を大きくしている。従って、応答性を考慮することなく、ノイズを低減して測定値を安定させることができる。

【0013】

請求項４に記載の発明は、請求項２または３において、前記フィルタ変数Ｃは、累乗した状態で用いられることをその要旨とする。

【0014】

従って、請求項４に記載の発明によると、フィルタ変数Ｃを累乗した状態で乗じることによって時定数を大きくするため、フィルタ変数Ｃをそのまま乗じる場合よりも、時定数がよりいっそう大きくなる。従って、入力値に含まれるノイズをより確実に低減して流量の測定値を安定させることができる。

【0015】

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記１次遅れフィルタは、今回の前記入力値と前回の前記出力値との差分が前記所定の閾値よりも大きい場合、前記時定数の大きさを一定に維持することをその要旨とする。

【0016】

従って、請求項５に記載の発明によると、今回の入力値と前回の出力値との差分が大きいために、流量の目標値の変化が大きい場合に、時定数の大きさが、減少することなく一定に維持される。このため、入力値に含まれるノイズを低減して流量の測定値を安定させる機能を確保しつつ、測定値の応答時間の長さを短くすることができる。

【0017】

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記流量の目標値は、ステップ状に変化するものであることをその要旨とする。

【0018】

従って、請求項６に記載の発明によると、流量の目標値が、ステップ状、即ち急激に変化する。このため、今回の入力値と前回の出力値との差分が大きい場合、即ち、流量の目標値の変化が大きい場合に、定常時の時定数を用いることにより、測定値の応答時間の長さを確実に短くすることができる。

【0019】

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記超音波流量計は、前記一対の超音波振動子が前記管路を挟み込むように配置されたストレートタイプの超音波流量計であることをその要旨とする。

【0020】

従って、請求項７に記載の発明によると、超音波を送受信する経路が短いために、交互に送受信される２つの超音波の伝搬時間の差が出にくいストレートタイプの超音波流量計であっても、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間を遅延させることなく、流量の測定値を安定させることができる。

【発明の効果】

【0021】

以上詳述したように、請求項１～７に記載の発明によると、流量の目標値が変化するときの測定値の応答性と、流量の目標値が一定のときの測定値の安定性とを両立させることができる超音波流量計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本実施形態における超音波流量計を示す概略構成図。

【図2】可変１次フィルタを示すブロック線図。

【図3】計測処理を示すフローチャート。

【図4】経過時間と流量との関係を示すグラフ。

【図5】一般的な１次フィルタを示すブロック線図。

【図6】時定数を変更した場合における経過時間と流量との関係を示すグラフ。

【図7】SwitchPoint （閾値）を変更した場合における経過時間と流量との関係を示すグラフ。

【図8】FilterLevel を変更した場合における経過時間と流量との関係を示すグラフ。

【図9】フィルタ変数Ｃの累乗の態様を変更した場合における経過時間と流量との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

【0024】

図１に示されるように、超音波流量計１０は、流体Ｗ１（本実施形態では水）の流量を測定するための機器である。超音波流量計１０は、ストレート状に延設された管路１１を有するとともに、互いに離間して配置された一対の超音波振動子１２，１３を有している。本実施形態の超音波流量計１０は、一対の超音波振動子１２，１３が管路１１を挟み込むように配置されたストレートタイプの超音波流量計である。第１の超音波振動子１２は管路１１の上流側に配置され、第２の超音波振動子１３は管路１１の下流側に配置されている。そして、超音波振動子１２，１３は、流体Ｗ１の流れ方向に対して所定の角度（例えば、４５°の角度）で超音波Ｕ１，Ｕ２が伝搬するように配置されている。なお、超音波振動子１２，１３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。

【0025】

次に、超音波流量計１０の電気的構成について説明する。

【0026】

図１に示されるように、超音波流量計１０は、一対の超音波振動子１２，１３間での超音波Ｕ１，Ｕ２の送受信によって、流体Ｗ１の流量を測定する。超音波流量計１０は、制御部２１、演算部２２、フィルタリング装置２３及び表示装置２４を備えている。

【0027】

制御部２１は、送受切替回路３１、送信回路３２、受信回路３３及びタイマ３４を備え、超音波振動子１２，１３における超音波Ｕ１，Ｕ２の送受信タイミングや送受信方向を制御する。具体的には、タイマ３４から出力されるタイミング信号に基づいて、送信回路３２は、定期的（例えば１ｍｓごと）に送信信号を送受切替回路３１に出力し、送受切替回路３１は、その送信信号を第１の超音波振動子１２及び第２の超音波振動子１３に対して交互に出力する。

【0028】

送信信号に基づいて第１の超音波振動子１２から超音波Ｕ１が出力されると、超音波Ｕ１は、順方向（図１では右下方向）に伝搬して第２の超音波振動子１３で受信される。そして、第２の超音波振動子１３が受信した超音波Ｕ１は、受信信号に変換され、送受切替回路３１を介して受信回路３３に入力される。さらに、受信回路３３に入力された受信信号は、信号増幅されて演算部２２に出力される。また、送信信号に基づいて第２の超音波振動子１３から超音波Ｕ２が出力されると、超音波Ｕ２は、逆方向（図１では左上方向）に伝搬して第１の超音波振動子１２で受信される。そして、第１の超音波振動子１２が受信した超音波Ｕ２は、受信信号に変換され、送受切替回路３１を介して受信回路３３に入力される。さらに、受信回路３３に入力された受信信号は、信号増幅されて演算部２２に出力される。

【0029】

図１に示されるように、演算部２２は、伝搬時間演算手段４１、流速演算手段４２及び流量演算手段４３を備えている。演算部２２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等からなる周知のコンピュータにより構成され、各演算手段４１～４３は、ＣＰＵが有する演算処理機能を用いて実現されている。

【0030】

伝搬時間演算手段４１は、タイマ３４が計測した超音波Ｕ１，Ｕ２の送受信タイミングに基づいて、順方向に伝搬した超音波Ｕ１の伝搬時間ｔ１と逆方向に伝搬した超音波Ｕ２の伝搬時間ｔ２とを算出する。そして、流速演算手段４２は、算出した順方向の伝搬時間ｔ１と逆方向の伝搬時間ｔ２との差に基づいて、流体Ｗ１の流速を算出する。さらに、流量演算手段４３は、流速演算手段４２が算出した流体Ｗ１の流速と、管路１１の流路断面積とに基づいて、流体Ｗ１の流量を算出する。

【0031】

図１に示されるように、フィルタリング装置２３は、取得部５１、可変１次フィルタ５２（１次遅れフィルタ）及び出力部５３を備える。取得部５１は、流量演算手段４３が算出した流体Ｗ１の流量をサンプリングすることにより、可変１次フィルタ５２に入力される入力値を取得する。そして、取得部５１は、取得した入力値を可変１次フィルタ５２に出力する。

【0032】

図２に示されるように、可変１次フィルタ５２は、取得した入力値（input ）に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより出力値（output）を生成する。本実施形態の可変１次フィルタ５２は、ＲＣフィルタ（ローパスフィルタ）であり、入力値の高周波成分（ノイズ）を減衰させて、出力値として出力する。この可変１次フィルタ５２による演算では、今回の入力値に第１係数（１－（１／（１＋Ｔ／（ｔｃ・Ｃ））））を乗じた値と、前回の出力値に第２係数（１／（１＋Ｔ／（ｔｃ・Ｃ）））を乗じた値との合計が、現在の出力値として出力される。なお、Ｔはサンプリング時間（図４に示す経過時間（ｓ））、ｔｃは時定数（ｓ）、Ｃはフィルタ変数を示している。

【0033】

図１に示されるように、出力部５３は、データ出力用のインターフェース（例えば、ＲＳ４８５などのポート）であり、流量に関するデータ、具体的には、可変１次フィルタ５２にて生成された出力値を表示装置２４に出力する。表示装置２４は、例えば、液晶ディスプレイであり、可変１次フィルタ５２にて生成された出力値（流体Ｗ１の流量）を表示する。

【0034】

次に、超音波流量計１０によって行われる処理（計測処理）について説明する。

【0035】

図３に示されるステップＳ１０において、演算部２２の伝搬時間演算手段４１は、タイマ３４が計測した超音波Ｕ１の送受信タイミングに基づいて、順方向（図１では右下方向）に伝搬した超音波Ｕ１の伝搬時間ｔ１を算出し、ステップＳ２０の処理へ移行する。ステップＳ２０において、伝搬時間演算手段４１は、タイマ３４が計測した超音波Ｕ２の送受信タイミングに基づいて、逆方向（図１では左上方向）に伝搬した超音波Ｕ２の伝搬時間ｔ２を算出し、ステップＳ３０の処理へ移行する。

【0036】

ステップＳ３０において、演算部２２は、両方の伝搬時間ｔ１，ｔ２を、現時点でＮ回（本実施形態では５回）測定したか否かを判定する。各伝搬時間ｔ１，ｔ２の測定回数がＮ回未満（本実施形態では１回以上４回以下）である場合（ステップＳ３０：Ｎ）、演算部２２は、再びステップＳ１０の処理へ移行する。一方、各伝搬時間ｔ１，ｔ２の測定回数がＮ回以上である場合（ステップＳ３０：Ｙ）、演算部２２は、ステップＳ４０の処理へ移行する。

【0037】

ステップＳ４０において、演算部２２は流体Ｗ１の流量を算出する。詳述すると、演算部２２の流速演算手段４２は、伝搬時間演算手段４１が算出した伝搬時間ｔ１，ｔ２を用いて、流体Ｗ１の流速を算出する。次に、演算部２２の流量演算手段４３は、流速演算手段４２が算出した流体Ｗ１の流速と管路１１の流路断面積とに基づいて、流体Ｗ１の流量を算出し、ステップＳ５０の処理へ移行する。

【0038】

ステップＳ５０において、フィルタリング装置２３は、流体Ｗ１の流量に関する各種処理を行う。具体的に言うと、まず、フィルタリング装置２３の取得部５１は、流量演算手段４３が算出した流体Ｗ１の流量をサンプリングすることにより入力値を取得し、取得した入力値をフィルタリング装置２３の可変１次フィルタ５２に出力する。

【0039】

次に、可変１次フィルタ５２は、取得した入力値に含まれるノイズを低減することにより、入力値を平滑化するフィルタリング処理を実行する。具体的に言うと、可変１次フィルタ５２は、今回の入力値に第１係数（１－（１／（１＋Ｔ／（ｔｃ・Ｃ））））を乗じた値と、前回の出力値に第２係数（１／（１＋Ｔ／（ｔｃ・Ｃ）））を乗じた値との合計を算出し、算出した値を今回の出力値として出力する（図２参照）。これにより、今回の出力値は、今回の入力値からノイズを低減した値となる。

【0040】

また、可変１次フィルタ５２は、今回の入力値Ｆ(n)in と前回の出力値Ｆ(n-1)outとの差分ΔＦが所定の閾値Ｆｓよりも大きいか否かを判定する。なお、可変１次フィルタ５２は、流量の測定値が閾値Ｆｓ（ｍｌ／ｍｉｎ）に到達したことを契機として機能するようになっており、本実施形態では、閾値Ｆｓを「SwitchPoint 」という。

【0041】

今回の入力値Ｆ(n)in と前回の出力値Ｆ(n-1)outとの差分ΔＦが所定の閾値Ｆｓよりも大きい場合、可変１次フィルタ５２は、定常時（流量が一定になるとき）の時定数ｔｃを用いることで応答時間を短くする。具体的に言うと、可変１次フィルタ５２は、上記の差分ΔＦが閾値Ｆｓよりも大きい場合に、時定数ｔｃの大きさを一定に維持する処理を行う。なお、差分ΔＦが閾値Ｆｓよりも大きい場合（ΔＦ＞Ｆｓ）のフィルタ変数Ｃは、次式（１）にて算出することができる。
（数１）
Ｃ＝１ （１）
従って、可変１次フィルタ５２は、今回の入力値Ｆ(n)in に第１係数（１－（１／（１＋Ｔ／ｔｃ）））を乗じた値と、前回の出力値Ｆ(n-1)outに第２係数（１／（１＋Ｔ／ｔｃ））を乗じた値との合計を算出し、算出した値を今回の出力値として出力する。この場合、可変１次フィルタ５２は、一般的な１次フィルタ（図５参照）と同じ動作をする。

【0042】

一方、今回の入力値Ｆ(n)in と前回の出力値Ｆ(n-1)outとの差分ΔＦが所定の閾値Ｆｓ以下である場合、可変１次フィルタ５２は、時定数ｔｃを大きくして流量の測定値を安定させる。具体的に言うと、可変１次フィルタ５２は、上記の差分ΔＦが閾値Ｆｓ以下である場合に、時定数ｔｃにフィルタ変数Ｃ（１＜Ｃ≦ｎ、但しｎは１よりも大きい数）を乗じることにより、可変時定数ｔｃ・Ｃを算出する処理を行う。なお、フィルタ変数Ｃは、ｎを上限として、差分ΔＦの値が閾値Ｆｓより小さくなるほど大きくなる変数である。また、差分ΔＦが閾値Ｆｓ以下である場合（０≦ΔＦ≦Ｆｓ）のフィルタ変数Ｃは、次式（２）にて算出することができる。
（数２）
Ｃ＝１＋ＦＬ（１－ΔＦ／Ｆｓ） （２）
なお、ＦＬは、可変１次フィルタ５２の出力度合を示しており、本実施形態では「FilterLevel 」という。そして、可変１次フィルタ５２は、今回の入力値Ｆ(n)in に第１係数（１－（１／（１＋Ｔ／（ｔｃ・Ｃ））））を乗じた値と、前回の出力値Ｆ(n-1)outに第２係数（１／（１＋Ｔ／（ｔｃ・Ｃ）））を乗じた値との合計を算出し、算出した値を今回の出力値として出力する。例えば、ＦＬが「１（＝１００％）」である場合、フィルタ変数Ｃは最大で「２」となる。なお、差分ΔＦが０に近いほどフィルタ変数Ｃが「２」に近くなり、可変時定数ｔｃ・Ｃが大きくなる。

【0043】

このようにしてフィルタリング処理を実行することにより、可変１次フィルタ５２は、取得した入力値Ｆ(n)in に対して、時定数ｔｃを一定に維持したり、可変時定数ｔｃ・Ｃを算出したりしつつ、ノイズが低減された出力値を生成する。そして、フィルタリング装置２３は、ステップＳ６０の処理へ移行する。

【0044】

ステップＳ６０において、フィルタリング装置２３の出力部５３は、流量に関するデータ、即ち、可変１次フィルタ５２によって生成された出力値を表示装置２４に出力して、ステップＳ７０の処理へ移行する。ステップＳ７０において、表示装置２４は、出力部５３から出力された出力値（流体Ｗ１の流量）を表示画面に表示（更新）し、再びステップＳ１０の処理へ移行する。

【0045】

次に、フィルタの評価方法及びその結果を説明する。

【0046】

まず、流量の目標値（設定値）を設定した。具体的に言うと、経過時間が０（ｓ）～０．２（ｓ）の期間は、流量の目標値が０（ｍｌ／ｍｉｎ）となっている。そして、経過時間が０．２（ｓ）の時点で、流量の目標値が２００（ｍｌ／ｍｉｎ）に増加し、経過時間が０．４（ｓ）の時点で、流量の目標値が４００（ｍｌ／ｍｉｎ）に増加する。さらに、経過時間が０．６（ｓ）の時点では、流量の目標値が０（ｍｌ／ｍｉｎ）に減少するものの、経過時間が１（ｓ）になると、流量の目標値が再び増加して３００（ｍｌ／ｍｉｎ）になり、以降はその状態を維持する。なお、流量の目標値は、ステップ状に変化するようになっている。また、目標値（設定値）に沿って変化させた流量をサンプリングし、結果として得られたノイズを含むデータを、図４のグラフにプロットした。

【0047】

次に、測定用サンプルを次のように準備した。時定数ｔｃを０．０１（ｓ）（０．０１≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦０．０２）に設定した可変１次フィルタを準備し、これを実施例とした。一方、時定数ｔｃを０．０１（ｓ）に設定した１次フィルタ（図５参照）を準備し、これを比較例１とした。また、時定数ｔｃを０．０３（ｓ）に設定した１次フィルタを準備し、これを比較例２とした。なお、実施例の可変１次フィルタでは、SwitchPoint を１００（ｍｌ／ｍｉｎ）とし、FilterLevel を４０（％）とした。

【0048】

次に、各測定用サンプル（実施例及び比較例１，２）を用いて、目標値（設定値）に沿って変化させた流量を０．０１（ｓ）ごとにサンプリングすることにより入力値を取得した。そして、取得した入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより、出力値を生成した。さらに、出力値のデータを図４のグラフにプロットした。

【0049】

その結果、時定数ｔｃが０．０１（ｓ）の１次フィルタである比較例１では、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間の長さが短くなるものの、流量が一定となる定常時の振幅（ノイズ）が比較的大きいことが確認された。また、時定数ｔｃが０．０３（ｓ）の１次フィルタである比較例２では、定常時の振幅（ノイズ）が小さくなるものの、目標値の変化に対する測定値の応答時間の長さが比較的長いことが確認された。

【0050】

一方、可変１次フィルタである実施例では、定常時の振幅（ノイズ）が比較例２と同等となり、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間の長さが比較例１と同等となることが確認された。従って、可変１次フィルタを用いて流体Ｗ１の流量をフィルタリングすれば、目標値の変化に対する測定値の応答性と定常時の測定値の安定性とを両立できることが確認された。

【0051】

次に、可変１次フィルタの評価方法及びその結果を説明する。

【0052】

まず、流量の目標値を設定した。図６～図９に示されるように、経過時間が－０．２（ｓ）～０（ｓ）の期間は、流量の目標値が０（ｍｌ／ｍｉｎ）となっている。そして、経過時間が０（ｓ）の時点で、流量の目標値が１００（ｍｌ／ｍｉｎ）に増加し、以降はその状態を維持する。また、目標値に沿って変化させた流量をサンプリングし、結果として得られたノイズを含むデータを、図６～図９のグラフにそれぞれプロットした。

【0053】

次に、測定用サンプルを次のように準備した。時定数ｔｃを０．０１（ｓ）（０．０１≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦０．０２）、０．０２（ｓ）（０．０２≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦０．０４）、０．０５（ｓ）（０．０５≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦０．１）、０．１（ｓ）（０．１≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦０．２）、０．２（ｓ）（０．２≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦０．４）、０．５（ｓ）（０．５≦可変時定数ｔｃ・Ｃ≦１）に設定した可変１次フィルタを準備し、それぞれサンプルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ（図６参照）とした。なお、サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタでは、SwitchPoint （閾値）を５０（ｍｌ／ｍｉｎ）、FilterLevel を４０（％）とし、フィルタ変数Ｃを４乗（Multi ４）した状態で用いた。

【0054】

次に、各測定用サンプル（サンプルＡ～Ｆ）を用いて、目標値に沿って変化させた流量をサンプリングすることにより入力値を取得した。そして、取得した入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより、出力値を生成した。さらに、出力値のデータを図６のグラフにプロットした。

【0055】

その結果、サンプルＡ～Ｆのうち、時定数ｔｃが０．１（ｓ）、０．２（ｓ）、０．５（ｓ）の可変１次フィルタであるサンプルＤ～Ｆは、ノイズが小さくなるものの、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間の長さが非常に長いことが確認された（図６参照）。一方、時定数ｔｃが０．０１（ｓ）、０．０２（ｓ）、０．０５（ｓ）の可変１次フィルタであるサンプルＡ～Ｃは、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間の長さが短いことが確認された（図６参照）。特に、時定数ｔｃが０．０１（ｓ）の可変１次フィルタであるサンプルＡは、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間が最も短いことが確認された。従って、可変１次フィルタの時定数ｔｃは、０．０１ｓ以上０．０５ｓ以下であることが好ましい。

【0056】

また、各サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタのSwitchPoint （閾値）を、５（ｍｌ／ｍｉｎ）、１０（ｍｌ／ｍｉｎ）、２０（ｍｌ／ｍｉｎ）、５０（ｍｌ／ｍｉｎ）、１００（ｍｌ／ｍｉｎ）、２００（ｍｌ／ｍｉｎ）にそれぞれ変更した（図７参照）。このとき、サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタでは、時定数ｔｃを０．０５（ｓ）、FilterLevel を４０（％）とし、フィルタ変数Ｃを４乗した状態で用いた。

【0057】

次に、各サンプルＡ～Ｆを用いて、目標値に沿って変化させた流量をサンプリングすることにより入力値を取得した。そして、入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより、出力値を生成した。さらに、出力値のデータを図７のグラフにプロットした。

【0058】

その結果、SwitchPoint （閾値）が５（ｍｌ／ｍｉｎ）、１０（ｍｌ／ｍｉｎ）、２０（ｍｌ／ｍｉｎ）、５０（ｍｌ／ｍｉｎ）の可変１次フィルタであるサンプルＡ～Ｄでは、今回の入力値と前回の出力値との差分が閾値以下になりにくいため、時定数ｔｃにフィルタ変数Ｃを乗じて測定値を安定させる（ノイズを低減させる）ことが困難であることが確認された。また、SwitchPoint （閾値）が２００（ｍｌ／ｍｉｎ）の可変１次フィルタであるサンプルＦでは、上記の差分が閾値よりも大きくなりにくいため、定常時の時定数ｔｃを用いて応答時間を短くすることが困難であることが確認された。一方、SwitchPoint （閾値）が１００（ｍｌ／ｍｉｎ）の可変１次フィルタであるサンプルＥでは、上記の差分が閾値以下にも閾値より大きくもなりうるため、流量の目標値の変化に対する測定値の応答性と、流量が一定になるときの測定値の安定性とを両立できることが確認された。従って、可変１次フィルタのSwitchPoint は、５０ｍｌ／ｍｉｎよりも大きく、かつ２００ｍｌ／ｍｉｎ未満であることが好ましい。

【0059】

さらに、各サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタのFilterLevel を、０（％）、２０（％）、４０（％）、６０（％）、８０（％）、１００（％）にそれぞれ変更した（図８参照）。このとき、サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタでは、時定数ｔｃを０．０５（ｓ）、SwitchPoint （閾値）を５０（ｍｌ／ｍｉｎ）とし、フィルタ変数Ｃを４乗した状態で用いた。

【0060】

次に、各サンプルＡ～Ｆを用いて、目標値に沿って変化させた流量をサンプリングすることにより入力値を取得した。そして、入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより、出力値を生成した。さらに、出力値のデータを図８のグラフにプロットした。

【0061】

その結果、FilterLevel が０（％）、２０（％）の可変１次フィルタであるサンプルＡ，Ｂでは、上記式（２）にて算出されるフィルタ変数Ｃがあまり大きくならないため、時定数ｔｃにフィルタ変数Ｃを乗じたとしても、可変時定数ｔｃ・Ｃがあまり大きくならず、測定値が安定しない（ノイズが低減されにくい）ことが確認された。また、FilterLevel が６０（％）、８０（％）、１００（％）の可変１次フィルタであるサンプルＤ～Ｆでは、可変時定数ｔｃ・Ｃが大きくなりやすいために測定値が安定するものの、応答時間が長いために、流量が安定するまでに時間がかかることが確認された。一方、FilterLevel が４０（％）の可変１次フィルタであるサンプルＣでは、流量の目標値の変化に対する測定値の応答時間が短く、かつ流量が一定になるときの測定値が安定することが確認された。従って、可変１次フィルタのFilterLevel は、２０％よりも大きく、かつ６０％未満であることが好ましい。

【0062】

また、各サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタを、フィルタ変数Ｃを１乗（Multi １）、２乗（Multi ２）、４乗（Multi ４）、７乗（Multi ７）、１１乗（Multi １１）、１６乗（Multi １６）した状態でそれぞれ用いた（図９参照）。このとき、サンプルＡ～Ｆの可変１次フィルタでは、時定数ｔｃを０．０５（ｓ）、SwitchPoint （閾値）を５０（ｍｌ／ｍｉｎ）、FilterLevel を４０（％）とした。

【0063】

次に、各サンプルＡ～Ｆを用いて、目標値に沿って変化させた流量をサンプリングすることにより入力値を得た。そして、入力値に含まれるノイズを低減するフィルタリング処理を実行することにより、出力値を生成した。さらに、出力値のデータを図９のグラフにプロットした。

【0064】

その結果、フィルタ変数Ｃを７乗、１１乗、１６乗した状態で用いた可変１次フィルタであるサンプルＤ～Ｆでは、測定値が安定する（ノイズが低減される）ものの、経過時間が０（ｓ）以降の期間において、流量が目標値（１００（ｍｌ／ｍｉｎ））に到達しにくいことが確認された。一方、フィルタ変数Ｃを１乗、２乗、４乗した状態で用いた可変１次フィルタであるサンプルＡ～Ｃでは、流量が目標値（１００（ｍｌ／ｍｉｎ））に確実に到達することが確認された。特に、サンプルＣでは、測定値がより安定することも確認された。従って、フィルタ変数Ｃは、１乗以上６乗以下だけ累乗した状態で用いられることが好ましい。

【0065】

以上のことから、時定数ｔｃが０．０１（ｓ）、SwitchPoint （閾値）が１００（ｍｌ／ｍｉｎ）、FilterLevel が４０（％）であって、フィルタ変数Ｃが４乗された状態で用いられる可変１次フィルタを用いれば、流量の目標値の変化に対する測定値の応答性と、流量が一定になるときの測定値の安定性とを両立できることが確認された。

【0066】

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。

【0067】

（１）本実施形態の超音波流量計１０では、可変１次フィルタ５２が、今回の入力値と前回の出力値との差分が所定の閾値よりも大きい場合、即ち、流量の目標値が急激に変化した場合に、可変１次フィルタ５２の時定数ｔｃとして定常時の時定数ｔｃを用いることにより、目標値の変化に対する応答時間の長さを短くする。また、可変１次フィルタ５２が、今回の入力値と前回の出力値との差分が所定の閾値以下である場合、即ち、流量の目標値の変化が小さく一定である場合に、時定数ｔｃよりも大きい可変時定数ｔｃ・Ｃを算出して入力値に含まれるノイズを低減することにより、測定値を安定させる。従って、流量の目標値が変化するときの測定値の応答性と、流量の目標値が一定のときの測定値の安定性とを両立させることが可能な超音波流量計１０を得ることができる。また、本実施形態の超音波流量計１０では、時定数ｔｃを自動で適切な値（可変時定数ｔｃ・Ｃ）に変更するため、作業者がスイッチ等を切り替えるなどして時定数ｔｃを変更しなくても済む。

【0068】

（２）例えば、流量の目標値の変化が大きい場合に、可変１次フィルタ５２の時定数ｔｃを小さくすることにより、流量の測定値の応答時間を短くすることが考えられるが、測定値に含まれるノイズを十分に低減できないという問題がある。一方、本実施形態の可変１次フィルタ５２は、流量の目標値の変化が大きい場合、即ち、今回の入力値と前回の出力値との差分が閾値よりも大きい場合に、時定数ｔｃの大きさを小さくせずに、一定に維持する処理を行っている。その結果、定常時の時定数ｔｃが用いられるため、ノイズを低減する機能を維持しつつ、測定値の応答時間を短くすることができる。また、可変１次フィルタ５２は、時定数ｔｃを小さくする処理を行わなくても済むため、可変１次フィルタ５２にかかる負担を軽減することができる。

【0069】

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

【0070】

・上記実施形態の可変１次フィルタ５２では、時定数ｔｃにフィルタ変数Ｃをそのまま乗じることにより、可変時定数ｔｃ・Ｃを算出していた。しかし、可変１次フィルタ５２では、フィルタ変数Ｃを累乗（例えば、２乗、４乗など）した状態で時定数ｔｃに乗じることにより、可変時定数ｔｃ・Ｃを算出してもよい。このようにすれば、可変時定数ｔｃ・Ｃがよりいっそう大きくなるため、入力値に含まれるノイズをより確実に低減して測定値を安定させることができる。

【0071】

・上記実施形態の超音波流量計１０は、流体Ｗ１の流れ方向に対して所定の角度（例えば、４５°の角度）で超音波Ｕ１，Ｕ２が伝搬するように一対の超音波振動子１２，１３を配置するストレートタイプの超音波流量計であったが、これに限定されるものではない。例えば、流体Ｗ１の流れ方向と平行な方向に超音波Ｕ１，Ｕ２が伝搬するように、各超音波振動子１２，１３を設けてもよい。また、上記実施形態の超音波流量計１０では、一対の超音波振動子１２，１３が管路１１を挟み込むように配置されていた。しかし、各超音波振動子１２，１３を、管路１１を挟み込まずに配置し、第１の超音波振動子１２（第２の超音波振動子１３）から送信されて管路１１の内壁で反射した超音波Ｕ１（超音波Ｕ２）を、第２の超音波振動子１３（第１の超音波振動子１２）で受信させるようにしてもよい。

【0072】

・上記実施形態の超音波流量計１０の演算部２２は、ステップＳ３０において、超音波Ｕ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ１，ｔ２を、現時点でＮ回（５回）測定したか否かを判定していた。しかし、演算部２２は、伝搬時間ｔ１，ｔ２を２回以上４回以下だけ測定したか否かを判定してもよいし、伝搬時間ｔ１，ｔ２を６回以上測定したか否かを判定してもよい。

【0073】

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

【0074】

（１）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記時定数は、０．０１ｓ以上５．００ｓ以下であることを特徴とする超音波流量計。

【0075】

（２）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記閾値となる前記１次遅れフィルタのスイッチポイントは、１ｍｌ／ｍｉｎよりも大きく、かつ１０００ｍｌ／ｍｉｎ未満であることを特徴とする超音波流量計。

【0076】

（３）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記１次遅れフィルタのフィルタレベルは、１％よりも大きく、かつ１００％未満であることを特徴とする超音波流量計。

【0077】

（４）請求項４において、前記フィルタ変数Ｃは、１乗以上１６乗以下だけ累乗した状態で用いられることを特徴とする超音波流量計。

【0078】

（５）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記超音波流量計は、前記一対の超音波振動子間で送受信される前記超音波の伝搬時間を、現時点でＮ回（Ｎは２以上）測定したか否かを判定し、前記伝搬時間の測定回数がＮ回以上であると判定された場合に、前記伝搬時間を用いて前記流体の流速を算出し、算出した前記流体の流速と前記管路の流路断面積とに基づいて、前記流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。

【0079】

（６）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記超音波流量計は、前記流体の流量を表示する表示装置を備えることを特徴とする超音波流量計。このようにすれば、作業者が表示装置の表示を確認することにより、流体の流量に異常がないか否かを確認することができる。

【符号の説明】

【0080】

１０…超音波流量計
１１…管路
１２…超音波振動子としての第１の超音波振動子
１３…超音波振動子としての第２の超音波振動子
５２…１次遅れフィルタとしての可変１次フィルタ
ｔｃ…時定数
Ｕ１，Ｕ２…超音波
Ｗ１…流体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】