特許 7513449 超音波素子評価試験装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】超音波素子評価試験装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 25/10 20220101AFI20240702BHJP

   G01F 1/66 20220101ALI20240702BHJP

   G01N 29/30 20060101ALI20240702BHJP

   G01N 29/024 20060101ALI20240702BHJP

   H04R 1/44 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

G01F25/10 Z

G01F1/66 101

G01N29/30

G01N29/024

H04R1/44 330K

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020121254

(22)【出願日】2020-07-15

(65)【公開番号】P2022018266

(43)【公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-06-26

(73)【特許権者】

【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】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】安永 武史

(72)【発明者】

【氏名】夏 園

【審査官】羽飼 知佳

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－２７９２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３０９３３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｆ １／６６－ １／６６７

Ｇ０１Ｆ ２５／１０－２５／１７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験装置であって、
前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与えるように構成された温度制御装置と、
前記第１、第２の超音波素子の温度を取得するように構成された温度取得部と、
前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎に算出するように構成された平均値算出部と、
全温度帯および全温度サイクルにおける前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をドリフト幅として算出し、このドリフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価するように構成された評価部とを備えることを特徴とする超音波素子評価試験装置。

【請求項2】

配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験装置であって、
前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与えるように構成された温度制御装置と、
前記第１、第２の超音波素子の温度を取得するように構成された温度取得部と、
前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎および温度サイクル毎に算出するように構成された平均値算出部と、
同一温度における前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をシフト幅として温度毎に算出し、これらシフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価するように構成された評価部とを備えることを特徴とする超音波素子評価試験装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の超音波素子評価試験装置において、
前記温度制御装置は、前記上り勾配と前記下り勾配の温度範囲が同一で、前記上り勾配の時間変化率と前記下り勾配の時間変化率とが絶対値が同一で極性が逆になるように、前記流量計測部に温度サイクルを与えることを特徴とする超音波素子評価試験装置。

【請求項4】

配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験方法であって、
前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与える第１のステップと、
前記第１、第２の超音波素子の温度を取得する第２のステップと、
前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎に算出する第３のステップと、
全温度帯および全温度サイクルにおける前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をドリフト幅として算出する第４のステップと、
前記ドリフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する第５のステップとを含むことを特徴とする超音波素子評価試験方法。

【請求項5】

配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験方法であって、
前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与える第１のステップと、
前記第１、第２の超音波素子の温度を取得する第２のステップと、
前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎および温度サイクル毎に算出する第３のステップと、
同一温度における前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をシフト幅として温度毎に算出する第４のステップと、
前記シフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する第５のステップとを含むことを特徴とする超音波素子評価試験方法。

【請求項6】

請求項４または５記載の超音波素子評価試験方法において、
前記第１のステップは、前記上り勾配と前記下り勾配の温度範囲が同一で、前記上り勾配の時間変化率と前記下り勾配の時間変化率とが絶対値が同一で極性が逆になるように、前記流量計測部に温度サイクルを与えるステップを含むことを特徴とする超音波素子評価試験方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波流量計に係り、特に超音波流量計の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験装置および方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

超音波を用いて流量を計測する超音波流量計が知られている（特許文献１参照）。超音波流量計は、図１０に示すように、測定対象の流体が流れる配管１０に対し１対の超音波素子１１，１２を配置する。上流側の超音波素子１１を例えば５００ｋＨｚの共振周波数で駆動し、超音波素子１１から超音波を送信させる。

【0003】

超音波が配管１０内の流体中を伝搬して下流側の超音波素子１２を励起する。この超音波素子１２の出力を増幅することで受信信号が得られる。超音波の送信タイミングから受信信号の到達タイミングの時間計測を行うことで、超音波の伝搬時間を計測できる。同様に、下流側の超音波素子１２から超音波を送信し、上流側の超音波素子１１で受信して、超音波の伝播時間を計測する。

【0004】

超音波素子１１から超音波素子１２までの順方向（流体が流れる方向）の超音波の伝搬時間と超音波素子１２から超音波素子１１までの逆方向の超音波の伝搬時間とを比較することで、伝搬時間差Δｔが求められる。流体の流量がゼロの場合、原理的には伝搬時間差がゼロになるが、流体が流れている場合、流量に応じて伝搬時間差Δｔが生じる。したがって、伝搬時間差Δｔから流体の流量を算出することができる。

【0005】

このような超音波流量計に用いる超音波素子には、温度変化による特性の変化がある。超音波素子によっては温度変化によって伝搬時間差Δｔが変化する現象が起こる。温度変化によって伝搬時間差Δｔが変化すると、計測精度が悪化してしまうので事前に超音波素子を評価する必要がある。

【0006】

超音波素子の温度特性試験を行う際、評価する項目としては、Δｔシフト、Δｔドリフトがある。Δｔシフトは、同じ温度における伝搬時間差Δｔの値が異なる現象である。Δｔドリフトは、温度に応じて伝搬時間差Δｔの値が異なる現象である。超音波素子にΔｔシフト、Δｔドリフトが生じないかどうかを、温度特性試験にかけて一対の超音波素子を評価する。

【0007】

一般的に、超音波素子の温度特性の評価試験は温度を一定に保持して行われる（特許文献２参照）。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は従来の評価試験方法を説明する図である。従来の評価試験方法では、超音波流量計を温度制御装置に入れて、配管内の流体の流量が０の状態で、図１１（Ａ）に示すように温度をステップ状に変化させ、一定温度に保持さている部分での伝搬時間差Δｔを計測する。

【0008】

このような温度上昇と温度下降の温度サイクルを複数回繰り返して、各サイクルで伝搬時間差Δｔを計測する。同じ温度における伝搬時間差Δｔの最大値と最小値との差がΔｔシフト幅ＳＷ、異なる温度における伝搬時間差Δｔの最大値と最小値との差がΔｔドリフト幅ＤＷである。こうして、超音波素子にΔｔシフト、Δｔドリフトが生じていないかどうかを評価する。

【0009】

しかしながら、一定温度で保持する場合、保持した温度のみでしか伝搬時間差Δｔを計測することができず、他の温度でも評価しようとすると長時間の評価試験になってしまうという課題があった。

【0010】

そこで、別の方法として、温度を変化させながら伝搬時間差Δｔを計測する試験方法が考えられる。しかしながら、温度を変化させながら超音波素子の温度特性を調べる場合、超音波素子によっては温度を一定に保持したときと伝搬時間差Δｔが異なるものがあり、超音波素子の温度特性を正確に把握できないという課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０１９－１８４４８８号広報

【文献】特開２００８－１５７８５０号広報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、温度を一定に保持して行う従来の評価試験方法と比較して超音波素子の全温度帯の温度特性を連続的に、かつ迅速に評価することができる超音波素子評価試験装置および方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明は、配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験装置であって、前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与えるように構成された温度制御装置と、前記第１、第２の超音波素子の温度を取得するように構成された温度取得部と、前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎に算出するように構成された平均値算出部と、全温度帯および全温度サイクルにおける前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をドリフト幅として算出し、このドリフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価するように構成された評価部とを備えることを特徴とするものである。

【0014】

また、本発明は、配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験装置であって、前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与えるように構成された温度制御装置と、前記第１、第２の超音波素子の温度を取得するように構成された温度取得部と、前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎および温度サイクル毎に算出するように構成された平均値算出部と、同一温度における前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をシフト幅として温度毎に算出し、これらシフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価するように構成された評価部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の超音波素子評価試験装置の１構成例において、前記温度制御装置は、前記上り勾配と前記下り勾配の温度範囲が同一で、前記上り勾配の時間変化率と前記下り勾配の時間変化率とが絶対値が同一で極性が逆になるように、前記流量計測部に温度サイクルを与えることを特徴とするものである。

【0015】

また、本発明は、配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験方法であって、前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与える第１のステップと、前記第１、第２の超音波素子の温度を取得する第２のステップと、前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎に算出する第３のステップと、全温度帯および全温度サイクルにおける前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をドリフト幅として算出する第４のステップと、前記ドリフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する第５のステップとを含むことを特徴とするものである。

【0016】

また、本発明は、配管の上流側に配置された第１の超音波素子から超音波を送信して前記配管の下流側に配置された第２の超音波素子で受信する順方向のときの超音波の第１の伝搬時間と、前記第２の超音波素子から超音波を送信して前記第１の超音波素子で受信する逆方向のときの超音波の第２の伝搬時間とを計測して、前記第１の伝搬時間と前記第２の伝搬時間との伝搬時間情報に基づいて前記配管内の流体の流量を算出する流量計測部で使用する、前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する超音波素子評価試験方法であって、前記第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に温度が上昇する上り勾配と温度が下降する下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与える第１のステップと、前記第１、第２の超音波素子の温度を取得する第２のステップと、前記温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後または予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に、前記上り勾配と前記下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎および温度サイクル毎に算出する第３のステップと、同一温度における前記伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をシフト幅として温度毎に算出する第４のステップと、前記シフト幅に基づいて前記第１、第２の超音波素子の温度特性を評価する第５のステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の超音波素子評価試験方法の１構成例において、前記第１のステップは、前記上り勾配と前記下り勾配の温度範囲が同一で、前記上り勾配の時間変化率と前記下り勾配の時間変化率とが絶対値が同一で極性が逆になるように、前記流量計測部に温度サイクルを与えるステップを含むことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に上り勾配と下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与え、第１、第２の超音波素子の温度を取得し、上り勾配と下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎に算出し、全温度帯および全温度サイクルにおける伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をドリフト幅として算出することにより、簡易的かつ迅速に超音波素子の伝搬時間差ドリフトを評価することができる。

【0018】

また、本発明では、第１、第２の超音波素子を含む流量計測部に上り勾配と下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与え、第１、第２の超音波素子の温度を取得し、上り勾配と下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差の平均値を温度毎および温度サイクル毎に算出し、同一温度における伝搬時間差の平均値の最大値と最小値との差をシフト幅として温度毎に算出することにより、簡易的かつ迅速に超音波素子の伝搬時間差繰り返し再現性（伝搬時間差シフト）を評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】超音波流量計の超音波素子に生じる伝搬時間差の温度ヒステリシスを説明する図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施例に係る超音波素子評価試験装置の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、本発明の第１の実施例に係る評価試験における温度制御装置の動作を説明するフローチャートである。

【図4】図４は、本発明の第１の実施例に係る評価試験における超音波流量計の温度変化の１例を示す図、および各温度における超音波流量計の伝搬時間差の１例を示す図である。

【図5】図５は、本発明の第１の実施例に係る評価試験における温度取得部と平均値算出部と評価部と評価結果出力部の動作を説明するフローチャートである。

【図6】図６は、本発明の第１の実施例におけるΔｔドリフト幅の算出方法を説明する図である。

【図7】図７は、本発明の第２の実施例に係る評価試験における温度取得部と平均値算出部と評価部と評価結果出力部の動作を説明するフローチャートである。

【図8】図８は、本発明の第２の実施例におけるΔｔシフト幅の算出方法を説明する図である。

【図9】図９は、本発明の第１、第２の実施例に係る超音波素子評価試験装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【図10】図１０は、従来の超音波流量計の動作原理を説明する図である。

【図11】図１１は、従来の超音波流量計の超音波素子の評価試験方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

［発明の原理］
発明者は、鋭意研究の結果、超音波流量計の一対の超音波素子に図１（Ａ）に示すように上り勾配と下り勾配の温度勾配を与えると、図１（Ｂ）に示すように上り勾配と下り勾配で伝搬時間差Δｔが異なるという温度ヒステリシスが生じることを見出した。図１（Ａ）、図１（Ｂ）の例では、Ｔｕ０が上り勾配の場合を示し、Ｔｄ０が下り勾配の場合を示している。図１（Ａ）、図１（Ｂ）によれば、温度が一定の部分では、伝搬時間差Δｔが安定することが分かる。伝搬時間差Δｔの温度ヒステリシスは、超音波素子の個体差によって生じたり生じなかったりする。

【0021】

２つの超音波素子の温度が異なる場合、上り勾配と下り勾配で伝搬時間差が異なる（ヒステリシス）といった問題が発生する。このヒステリシスは、２つの超音波素子に温度が伝わる度合いに差があり、同時に２つの超音波素子の温度特性が上り勾配と下り勾配で異なることが原因であると考えられる（熱伝導の差により片方の超音波素子に温度が早く伝わることによりヒステリシスが発生する）。また、ヒステリシスの他の原因として、１つの超音波素子に熱が伝わる際、超音波素子の熱が直接伝わる部分と伝わりづらい部分で温度の分布があることが考えられる。この超音波素子単体における温度分布により超音波特性の上りと下りで超音波素子としての温度特性が異なり、伝搬時間差にヒステリシスが発生すると考えられる。
そして、発明者は、超音波流量計の一対の超音波素子に上り勾配と下り勾配の時間変化率が逆の温度勾配を同じ温度範囲で与えると、上り勾配の期間中のある温度Ｔにおける伝搬時間差Δｔと下り勾配の期間中の同温度Ｔにおける伝搬時間差Δｔとの平均値が、この温度Ｔで一定に保持されているときの伝搬時間差Δｔとほとんど一致することを発見した。

【0022】

したがって、本発明によれば、上り勾配と下り勾配の温度勾配を繰り返し与えることで、同温度での伝搬時間差Δｔ繰り返し再現性（Δｔシフト）を評価できる。また、連続的に温度を変化させて伝搬時間差Δｔを計測するため、Δｔドリフトに関しても全ての温度帯で評価できる。このように、本発明では、簡易的かつ迅速に超音波素子の温度特性を評価することができる。

【0023】

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施例に係る超音波素子評価試験装置の構成を示すブロック図である。超音波素子評価試験装置は、評価対象の超音波流量計１を収容し、超音波流量計１に上り勾配と下り勾配の温度サイクルを複数サイクル与える温度制御装置２と、順逆両方向を１組とする計測が上り勾配の期間中と下り勾配の期間中にそれぞれ複数組行われた結果を超音波流量計から取得し、超音波の伝搬時間から音速を算出して音速から換算した温度を超音波流量計１の一対の超音波素子の温度とする温度取得部３と、計測データ記憶のための記憶部４と、温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後に、上り勾配と下り勾配のそれぞれ同一温度における伝搬時間差Δｔの平均値を算出する平均値算出部５と、全温度帯および全温度サイクルにおける伝搬時間差Δｔの平均値の最大値と最小値との差をドリフト幅として算出し、ドリフト幅に基づいて超音波流量計１の一対の超音波素子の温度特性を評価する評価部６と、評価部６による評価結果を出力する評価結果出力部７とから構成される。

【0024】

超音波流量計１は、流体で満たされた配管１０と、配管１０の上流と下流に配置された１対の超音波素子１１，１２と、一方の超音波素子から超音波を送信させる送信部１３と、他方の超音波素子で受信された超音波受信信号を増幅する受信部１４と、超音波素子１１，１２と送信部１３と受信部１４との接続を切り替える切替部１５と、順方向と逆方向の超音波の伝搬時間差Δｔを算出して、伝搬時間差Δｔから流体の流量を算出する流量算出部１６とを備えている。

【0025】

超音波流量計１の送信部１３と受信部１４と切替部１５とは、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのＩＣに搭載される。流量算出部１６は、例えばマイクロコンピュータによって実現される。なお、図１では、記載を容易にするため、超音波流量計１の送信部１３と受信部１４と切替部１５と流量算出部１６とを温度制御装置２の外部に記載しているが、超音波流量計１（流量計測部）の全ての構成を温度制御装置２内に収容するようにしても構わない。
また、本発明では、１対の超音波素子１１，１２を含む流量計測部を備えているものであれば超音波流量計１でなくてもよく、流量計測部を備えた評価装置の温度を温度制御装置２によって制御するようにしてもよい。

【0026】

上流側の超音波素子１１から超音波を送信して、下流側の超音波素子１２で受信する順方向のとき、切替部１５は、送信部１３と超音波素子１１とを接続し、超音波素子１２と受信部１４とを接続する。このとき、送信部１３は、超音波素子１１に対して駆動用の送信パルスを供給する。これにより、超音波素子１１は、送信部１３からの送信パルスに応じて、配管１０内の流体に対して斜め方向に超音波を送信する。超音波素子１２は、超音波素子１１から送出され、配管１０の内壁で反射した超音波を受信する。受信部１４は、超音波素子１２の出力信号を増幅して超音波受信信号を出力する。

【0027】

反対に、下流側の超音波素子１２から超音波を送信して、上流側の超音波素子１１で受信する逆方向のとき、切替部１５は、送信部１３と超音波素子１２とを接続し、超音波素子１１と受信部１４とを接続する。このとき、送信部１３は、超音波素子１２に対して駆動用の送信パルスを供給する。これにより、超音波素子１２は、送信部１３からの送信パルスに応じて、配管１０内の流体に対して斜め方向に超音波を送信する。超音波素子１１は、超音波素子１２から送出され、配管１０の内壁で反射した超音波を受信する。受信部１４は、超音波素子１１の出力信号を増幅して超音波受信信号を出力する。

【0028】

流量算出部１６は、超音波素子１１から超音波を送信した時刻から受信部１４で受信信号を得るまでの時間を順方向の超音波の伝搬時間ｔｆ（第１の伝搬時間）とし、同様に超音波素子１２から超音波を送信した時刻から受信部１４で受信信号を得るまでの時間を逆方向の超音波の伝搬時間ｔｒ（第２の伝搬時間）として、伝搬時間ｔｆと伝搬時間ｔｒとの差を伝搬時間差Δｔとして算出する。また、流量算出部１６は、伝搬時間差Δｔから流体の流量を算出する。

【0029】

温度制御装置２は、槽内の空気を加熱するヒータ２０と、槽内の空気を冷却する冷却器２１と、槽内の温度を測定する温度センサ２２と、槽内の温度が目標温度になるようにヒータ２０と冷却器２１とを制御する制御部２３とを備えている。

【0030】

図３は超音波素子の温度特性の評価試験における温度制御装置２の動作を説明するフローチャートである。
温度制御装置２の制御部２３は、外部から設定される目標温度に従って温度勾配を繰り返し発生させる。制御部２３は、目標温度が上昇する上り勾配では（図３ステップＳ１００においてＹＥＳ）、目標温度と温度センサ２２によって計測される温度とが一致するようにヒータ２０を制御する（図３ステップＳ１０１）。また、制御部２３は、目標温度が下降する下り勾配では（図３ステップＳ１００においてＮＯ）、目標温度と温度センサ２２によって計測される温度とが一致するように冷却器２１を制御する（図３ステップＳ１０２）。

【0031】

図４（Ａ）は本実施例の評価試験における超音波流量計１の温度変化の１例を示す図、図４（Ｂ）は各温度における超音波流量計１の伝搬時間差Δｔの１例を示す図である。なお、図４（Ａ）のＴｕ０が従来の評価試験における上り勾配、Ｔｄ０が従来の評価試験における下り勾配、Ｔｕが本実施例の評価試験における上り勾配、Ｔｄが本実施例の評価試験における下り勾配を示している。

【0032】

温度制御装置２の制御部２３は、図４（Ａ）のＴｕ，Ｔｄで示すように上り勾配と下り勾配の温度サイクルを複数サイクル繰り返し発生させる。本実施例では、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄの温度範囲を同一としている。図４（Ａ）の例では、－３０℃から６０℃の温度範囲となっている。また、本実施例では、上り勾配Ｔｕの時間変化率（温度勾配の傾き）と下り勾配Ｔｄの時間変化率を、絶対値が同一で極性が逆になるようにしている。図４（Ａ）の例では、上り勾配Ｔｕの時間変化率が９０℃／ｈ、下り勾配Ｔｄの時間変化率が－９０℃／ｈである。

【0033】

図５は評価試験における温度取得部３と平均値算出部５と評価部６と評価結果出力部７の動作を説明するフローチャートである。
超音波流量計１の送信部１３と受信部１４と切替部１５と流量算出部１６とは、上り勾配Ｔｕの期間中に順逆両方向の計測を複数回行い、同様に下り勾配Ｔｄの期間中に順逆両方向の計測を複数回行う。

【0034】

すなわち、超音波流量計１の計測周期は、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄのそれぞれの所要時間（図４（Ａ）の例では１ｈ）よりも短い。したがって、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄのそれぞれの期間中に順方向の超音波の伝搬時間ｔｆと逆方向の超音波の伝搬時間ｔｒと、これら伝搬時間ｔｆ，ｔｒから算出された伝搬時間差Δｔとの組が複数組得られることになる。
なお、本実施例の評価試験においては、配管１０中の流体の流量を０とする。

【0035】

超音波素子評価試験装置の温度取得部３は、伝搬時間ｔｆ，ｔｒの組に基づいて超音波流量計１の配管１０内の流体中を伝搬した超音波の音速を算出する（図５ステップＳ２００）。超音波素子１１から配管１０の内壁を経由して超音波素子１２に至るまでの伝搬距離は既知である。温度取得部３は、伝搬距離を伝搬時間ｔｆとｔｒの平均値で割ることにより、音速を算出することができる。

【0036】

そして、温度取得部３は、音速から換算した温度を超音波素子１１，１２の温度とする（図５ステップＳ２０１）。配管１０内の流体中を伝搬した超音波の音速は流体の温度に依存する。したがって、既知の流体について、音速から温度を算出することが可能である。

【0037】

こうして、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄのそれぞれの期間中に伝搬時間ｔｆ，ｔｒから算出された温度と伝搬時間差Δｔとの組が複数組得られる。温度取得部３は、温度と伝搬時間差Δｔとを対応付けて記憶部４に格納する（図５ステップＳ２０２）。
温度取得部３は、以上のような音速と温度の算出を順逆両方向の計測によって伝搬時間ｔｆ，ｔｒが得られる度に行う。

【0038】

図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示した温度は、温度取得部３によって得られた温度である。図４（Ｂ）のΔｔｕは上り勾配Ｔｕ中の各温度の伝搬時間差Δｔを示し、Δｔｄは下り勾配Ｔｄ中の各温度の伝搬時間差Δｔを示している。
本実施例では、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄを合わせて１サイクルとし、２サイクル以上の温度勾配を超音波流量計１に与えるものとする。

【0039】

超音波素子評価試験装置の平均値算出部５は、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄの温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後に（図５ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、記憶部４に記憶されている温度と伝搬時間差Δｔに基づいて、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄのそれぞれ同一温度における伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅを温度毎に算出する（図５ステップＳ２０４）。

【0040】

こうして、図４（Ｂ）に示すように伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅを温度毎に求めることができる。
平均値算出部５は、伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅと温度とを対応付けて記憶部４に格納する（図５ステップＳ２０５）。

【0041】

次に、超音波素子評価試験装置の評価部６は、図６に示すように全温度帯および全温度サイクルにおける伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅの最大値と最小値との差をΔｔドリフト幅ＤＷとして算出する（図５ステップＳ２０６）。

【0042】

評価部６は、算出したΔｔドリフト幅ＤＷに基づいて評価対象の超音波素子１１，１２にΔｔドリフトが生じていないかどうかを評価する（図５ステップＳ２０７）。具体的には、評価部６は、算出したΔｔドリフト幅ＤＷが所定のドリフトしきい値を超えている場合、超音波素子１１，１２にΔｔドリフトが生じていると判断し、Δｔドリフト幅ＤＷがドリフトしきい値以下の場合、Δｔドリフトが生じていないと判断する。

【0043】

超音波素子評価試験装置の評価結果出力部７は、評価部６によるΔｔドリフトの評価結果を出力する（図５ステップＳ２０８）。出力方法の例としては、例えば評価結果の表示、評価結果の外部への送信などがある。

【0044】

こうして、本実施例の評価試験が終了する。本実施例では、簡易的かつ迅速に超音波素子１１，１２のΔｔドリフトを評価することができる。また、本実施例では、連続的に温度を変化させて全温度帯で伝搬時間差Δｔを計測するため、一定温度で保持して伝搬時間差Δｔを計測する従来の評価試験方法に比べて、評価する温度範囲での見落としがなくなる。

【0045】

なお、評価部６は、同一温度における伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅが所定の閾値よりも大きい場合、超音波素子１１，１２を異常品と判断し、評価結果出力部７が評価部６による判断結果を出力するようにしてもよい。

【0046】

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、超音波素子１１，１２のΔｔシフトを評価する例である。本実施例においても、超音波流量計と超音波素子評価試験装置の構成は第１の実施例と同様であるので、図２の符号を用いて説明する。
超音波素子の評価試験における温度制御装置２の動作は、第１の実施例の図３で説明したとおりである。

【0047】

図７は本実施例の評価試験における温度取得部３と平均値算出部５と評価部６と評価結果出力部７の動作を説明するフローチャートである。
超音波素子評価試験装置の温度取得部３の動作（図７ステップＳ２００～Ｓ２０２）は、第１の実施例と同じである。

【0048】

本実施例の平均値算出部５は、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄの温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後に（図７ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、記憶部４に記憶されている温度と伝搬時間差Δｔに基づいて、上り勾配Ｔｕと下り勾配Ｔｄのそれぞれ同一温度における伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅを温度毎および温度サイクル毎に算出する（図７ステップＳ２０４ａ）。平均値算出部５は、伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅと温度と温度サイクルの識別情報とを対応付けて記憶部４に格納する（図７ステップＳ２０５ａ）。

【0049】

本実施例の評価部６は、図８に示すように同一温度における伝搬時間差Δｔの平均値Δｔａｖｅの最大値と最小値との差をΔｔシフト幅ＳＷとして温度毎に算出する（図７ステップＳ２０９）。

【0050】

図８の例では、Δｔｕ１は１サイクル目の上り勾配Ｔｕ中の各温度の伝搬時間差Δｔ、Δｔｄ１は１サイクル目の下り勾配Ｔｄ中の各温度の伝搬時間差Δｔ、Δｔａｖｅ１は１サイクル目の伝搬時間差Δｔの平均値、Δｔｕ２は２サイクル目の上り勾配Ｔｕ中の各温度の伝搬時間差Δｔ、Δｔｄ２は２サイクル目の下り勾配Ｔｄ中の各温度の伝搬時間差Δｔ、Δｔａｖｅ２は２サイクル目の伝搬時間差Δｔの平均値を示している。

【0051】

評価部６は、算出したΔｔシフト幅ＳＷに基づいて評価対象の超音波素子１１，１２にΔｔシフトが生じていないかどうかを評価する（図７ステップＳ２１０）。具体的には、評価部６は、算出した温度毎のΔｔシフト幅ＳＷのうち少なくとも一部の温度でΔｔシフト幅ＳＷが所定のシフトしきい値を超えている場合、超音波素子１１，１２にΔｔシフトが生じていると判断し、温度毎の全てのΔｔシフト幅ＳＷがシフトしきい値以下の場合、Δｔシフトが生じていないと判断する。

【0052】

本実施例の評価結果出力部７は、第１の実施例と同様に評価部６によるΔｔシフトの評価結果を出力する（図７ステップＳ２１１）。
こうして、本実施例の評価試験が終了する。本実施例では、１サイクルが短時間で済むため、簡易的かつ迅速に超音波素子１１，１２のΔｔ繰り返し再現性（Δｔシフト）を評価することができる。

【0053】

なお、第１の実施例と第２の実施例を別々に実施する例で説明したが、第１の実施例のΔｔドリフトの評価と本実施例のΔｔシフトの評価を同時に実施してもよいことは言うまでもない。
また、第１、第２の実施例では、順逆両方向を１組とする計測が上り勾配の期間中と下り勾配の期間中にそれぞれ複数組行われた結果を取得し、伝搬時間ｔｆ，ｔｒから音速を算出して音速から換算した温度を超音波素子１１，１２の温度としている。本発明は、これに限るものではなく、温度取得部３は、基板など超音波流量計１に取り付けられた温度センサなどにより計測される温度や温度制御装置２内に設置されている温度センサにより計測される温度を、超音波素子１１，１２の温度として取得するようにしてもよい。
また、第１、第２の実施例では、平均値算出部５は、温度サイクルが予め規定されたサイクル数だけ終了した後に平均値を算出しているが、予め規定されたサイクル数の途中まで終了した後に平均値を算出するようにしてもよい。

【0054】

第１、第２の実施例で説明した超音波素子評価試験装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図９に示す。

【0055】

コンピュータは、ＣＰＵ１００と、記憶装置１０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）１０２とを備えている。Ｉ／Ｆ１０２には、超音波流量計１などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の超音波素子評価試験方法を実現させるためのプログラムは記憶装置１０１に格納される。ＣＰＵ１００は、記憶装置１０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明は、超音波流量計の超音波素子の温度特性を評価する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0057】

１…超音波流量計、２…温度制御装置、３…温度取得部、４…記憶部、５…平均値算出部、６…評価部、７…評価結果出力部、１０…配管、１１，１２…超音波素子、１３…送信部、１４…受信部、１５…切替部、１６…流量算出部、２０…ヒータ、２１…冷却器、２２…温度センサ、２３…制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】