JP7460351B2

JP7460351B2 - 故障判定装置

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Publication number: JP7460351B2
Application number: JP2019193530A
Authority: JP
Inventors: 宏佐々木; 太輔小原; 園夏
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2024-04-02
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Also published as: JP2021067571A

Description

本発明は、超音波流量計の故障を判定する故障判定装置に関する。

超音波流量計は、流体の流れを横切るように２つの超音波送受信器を向かい合わせて配置し、順逆方向のそれぞれで超音波信号を送受信して、２つの超音波送受信器の間における超音波伝搬時間を測定し、順逆方向における超音波伝搬時間の伝搬時間差に基づいて流体の流量を求める。

ところで、超音波流量計では、例えば、受信した超音波信号の波形には、種々の状況において振幅異常をきたすことがある。このようなことが起こると、超音波信号の計測が正常に行えなくなり、流量の計測を正確に行えないなどの問題が発生する。このような、流量計測が正確に行えない異常状態に対し、受信信号強度が所定の範囲を外れ、また、伝搬時間が長すぎたら、警告を発することで、異常な状態を把握することが提案されている（特許文献１参照）。

特許第４６７３９５０号公報

しかしながら、上述した技術では、受信した超音波信号の大きな変化をとらえる指標としては有効だが、超音波流量計の故障を早期に発見するためには不十分である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、超音波流量計の故障が、より早期に発見できるようにすることを目的とする。

本発明に係る故障判定装置は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信することで計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計の故障を判定するものであり、超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値と、最大振幅のピーク値との比を求めるように構成された処理部と、処理部が求めた比を元に故障を判定するように構成された判定部とを備える。

また、本発明に係る故障判定装置は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計の故障を判定するものであり、超音波信号を受信した超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、ゼロクロス点のゼロクロス時刻を計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納するように構成された計測部と、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測するように構成された流量計算部と、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整するように構成された閾値調整部と、閾値電圧Ｖｓと、超音波信号の最大振幅のピーク値との比を求めるように構成された処理部と、処理部が求めた比を元に故障を判定するように構成された判定部とを備える。

上記故障判定装置の一構成例において、判定部は、処理部が求めた比と予め設定されている基準との差が、予め設定されている判定値を超えると、故障と判定する。

上記故障判定装置の一構成例において、処理部は、一方の方向の比と、他方の方向の比とを求め、判定部は、処理部が求めた、一方の方向の比と、他方の方向の比との差が、予め設定されている判定値を超えると、故障と判定する。

本発明に係る故障判定装置は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信することで計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計の故障を判定するものであり、超音波信号の最大振幅の位置より後の減衰する領域の振幅のピーク値の状態を求めるように構成された処理部と、処理部が求めた状態により、故障を判定するように構成された判定部とを備える。

上記故障判定装置の一構成例において、処理部は、減衰する領域の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超える回数を、ピーク値の状態として求め、判定部は、処理部が求めた回数が、設定されている基準回数を超えると、故障と判定する。

上記故障判定装置の一構成例において、処理部は、減衰する領域の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超えている状態が継続する時間を、ピーク値の状態として求め、判定部は、処理部が求めた時間が、設定されている基準時間を超えると、故障と判定する。

以上説明したことにより、本発明によれば、超音波流量計の故障が、より早期に発見できる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る故障判定装置１００の構成を示す構成図である。図２は、超音波流量計１３０の構成を示す構成図である。図３は、検出電圧とゼロクロス点との関係（片側閾値）を示す信号波形図である。図４は、先頭ゼロクロス時刻を示すヒストグラムである。図５は、本発明の実施の形態１に係る故障判定装置１００の動作（故障判定方法）を説明するためのフローチャートである。図６は、本発明の実施の形態２に係る故障判定装置１１０の構成を示す構成図である。図７は、本発明の実施の形態２に係る故障判定装置１１０の動作（故障判定方法）を説明するためのフローチャートである。図８は、本発明の実施の形態３に係る故障判定装置２００の構成を示す構成図である。図９は、本発明の実施の形態３に係る故障判定装置２００の動作（故障判定方法）を説明するためのフローチャートである。図１０は、本発明の実施の形態４に係る故障判定装置２１０の構成を示す構成図である。図１１は、本発明の実施の形態４に係る故障判定装置２１０の動作（故障判定方法）を説明するためのフローチャートである。図１２は、本発明の実施の形態に係る故障判定装置のハードウエア構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る故障判定装置について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る故障判定装置１００について、図１を参照して説明する。故障判定装置１００は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信することで計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計１３０の故障を判定する。

ここで、超音波流量計１３０について、図２を参照して説明する。超音波流量計１３０は、一対の超音波送受信器１３１，１３２の間で、配管１３３中を流れる計測対象となる流体１３４を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流量演算装置１４０において、流体１３４の流量を計測する。

超音波送受信器１３１は、配線を介して接続された流量演算装置１４０からの超音波駆動信号に応じて、配管１３３内に向けて超音波信号Ｕ１を送信する。同様に、超音波送受信器１３２は、配線を介して接続された流量演算装置１４０からの超音波駆動信号に応じて、配管１３３内に向けて超音波信号Ｕ２を送信する。超音波送受信器１３２（超音波送受信器１３１）は、配管１３３内を流れる流体を通過した、超音波送受信器１３１（超音波送受信器１３２）からの超音波信号Ｕ１（Ｕ２）を受信し、その受信結果を示す測定信号を、配線を介して流量演算装置１４０へ出力する。

この際、超音波信号Ｕ１，Ｕ２との間でやり取りされる超音波信号の伝搬時間ｔ１，ｔ２は、流体１３４の流れから受ける影響が異なるため、流体１３４の流量Ｑに応じた分だけ伝搬時間ｔ１と伝搬時間ｔ２の間に差、すなわち伝搬時間差Δｔが生じる。超音波流量計１３０は、このΔｔに基づいて流量Ｑを導出する。なお、本実施の形態に係る流量演算装置１４０で用いる、伝搬時間差Δｔから流量Ｑを求める演算方法については、一般的な超音波流量計１３０で用いられている公知の計算式を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。

流量演算装置１４０は、入出力Ｉ／Ｆ部１４１、記憶部１４２、制御部１４３、計測部１４４、流量計算部１４５、閾値調整部１４７、および出力部１４６を備える。

入出力Ｉ／Ｆ部１４１は、配線を介して超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２と接続されて、超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２との間で計測に用いる各種信号をやり取りする。記憶部１４２は、半導体メモリやハードディスクなどの記憶装置からなり、流量演算装置１４０での流量計測動作に用いる各種処理データやプログラムを記憶する。

計測部１４４は、超音波信号を受信した超音波送受信器１３１，１３２から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、ゼロクロス点のゼロクロス時刻を計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納する。

流量計算部１４５は、時刻配列Ｄ＃ｉから予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間差に基づいて、流体１３４の流量を計測する。

閾値調整部１４７は、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整する。

出力部１４６は、通信ネットワーク１５０を介して上位装置（図示せず）と接続し、定期的あるいは上位装置からの出力指示に応じて、記憶部１４２から流量Ｑを取得して上位装置へ出力する。

制御部１４３は、予め設定されている周期的な計測タイミングの到来、あるいはオペレータや上位装置（図示せず）からの任意のタイミングにおける指示に応じて、入出力Ｉ／Ｆ部１４１から、超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２に対して超音波駆動信号を出力し、超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２間で計測対象となる流体１３４を介して超音波信号Ｕ１，Ｕ２を両方向で交互に送受信する計測工程を、Ｎ回繰り返し実施する。

次に、図３および図４を参照して、流量演算装置１４０における流体１３４の流量を計測の原理について説明する。図３は、計測電圧とゼロクロス点との関係（片側閾値）を示す信号波形図である。図４は、先頭ゼロクロス時刻を示すヒストグラムである。なお、図３は、超音波信号Ｕ１もしくはＵ２のいずれか１つの超音波信号を受信した際の計測電圧を表している。超音波信号Ｕ１とＵ２に対応する計測電圧は振幅や伝搬時間が異なる。

超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２から流量演算装置１４０へ入力される測定信号を示す計測電圧Ｖｉｎは、図３に示すように、振幅が時間経過に従って増減する複数の正弦波様信号からなる。前述のように超音波信号Ｕ１，Ｕ２に対応する計測電圧の振幅は異なり、超音波信号Ｕ１，Ｕ２に対応して計測電圧に対する閾値電圧を別々に調整するため、一般に超音波信号Ｕ１，Ｕ２に対応する計測電圧の閾値電圧は異なる。

流量演算装置１４０は、Ｖｉｎが予め設定した閾値電圧Ｖｓと交差した（超えたまたは達した）トリガー点を検出した後に初めてゼロ電圧Ｖｚ（０Ｖ）と交差する複数のゼロクロス点のうちから目標ゼロクロス点を検出して、目標ゼロクロス点のゼロクロス時刻から計測電圧Ｖｉｎと対応する超音波信号Ｕ１，Ｕ２の受信時刻として特定し、得られた受信時刻により超音波信号Ｕ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ１，伝搬時間ｔ２さらには伝搬時間差Δｔを計算して、流量Ｑを導出する。

計測電圧Ｖｉｎは測定するごとに振幅が変化する。図３では平均的な振幅の計測電圧をＶｉｎ＃０、小さい振幅の計測電圧をＶｉｎ＃１、大きい振幅の計測電圧をＶｉｎ＃２として示している。後述する閾値電圧の調整手段により、Ｖｉｎ＃０の先頭からＮｍ個目の波を目標波として特定し、この目標波の１つ前の波のピーク電圧と閾値電圧とが同じ値になるように閾値調整部１４７により調整がなされている。この目標波の１つ前の波を追従波と呼ぶ。追従波に対応する有効ゼロクロス点を追従ゼロクロス点と呼ぶ。同様に目標波に対応する有効ゼロクロス点を目標ゼロクロス点と呼ぶ。この目標ゼロクロス点以降に検出されたゼロクロス点を計測ゼロクロス点として特定している。

なお、ここでは、計測電圧Ｖｉｎが、予め設定した閾値電圧Ｖｓと交差した（超えたまたは達した）トリガー点を基準として、トリガー点と交差するごとに、それ以降に最初にゼロ電圧と交差する点を有効ゼロクロス点と呼ぶこととする。例えば、閾値電圧Ｖｓが正側電圧である場合、トリガー点以降に最初にゼロ電圧と立下がりで交差した点が有効ゼロクロス点となる。また、閾値電圧Ｖｓが負側電圧である場合、トリガー点以降に最初にゼロ電圧と立ち上がりで交差した点が有効ゼロクロス点となる。なお、有効ゼロクロス点以降において、計測電圧がトリガー点と交差する前にゼロ電圧と交差しても、その点は有効ゼロクロスにはあたらないこととする。

図３では、Ｎｍ＝２の場合が例として示されている。前述のように、閾値電圧Ｖｓを、平均的な振幅の計測電圧Ｖｉｎ＃０における、先行波のピーク電圧とほぼ等しい値に設定した場合、計測電圧Ｖｉｎの振幅が小さくなったり（Ｖｉｎ＃１）、計測電圧Ｖｉｎの振幅が大きくなったり（Ｖｉｎ＃２）することで、先頭ゼロクロスが追従ゼロクロス（Ｚ１）となったり目標ゼロクロス（Ｚ２）となったりする。

この際、計測電圧Ｖｉｎに対して閾値電圧Ｖｓが適切に設定されていれば、先頭ゼロクロスは、時刻Ｔ１の追従ゼロクロスＺ１か時刻Ｔ２の目標ゼロクロスＺ２のいずれかとなる。これにより、図４に示すように、時刻Ｔ１，Ｔ２において、両者の先頭ゼロクロスが検出される度数Ｎ（Ｔ１），Ｎ（Ｔ２）はほぼ等しくなり、両者の確率はほぼ５０％となる。また、これら度合はＶｓに対する計測電圧Ｖｉｎの強度変動に応じて変化する。

流量演算装置１４０では、先頭ゼロクロス点が追従ゼロクロスになったり目標ゼロクロスになったりすることを使い、追従ゼロクロスが先頭ゼロクロスとなる度合に基づいて、計測電圧Ｖｉｎの強度変動に追従するようＶｓを調整する。ここでは、追従波は目標波の１周期前としたが、それに限ったことではなく、予め定めた周期分だけ前としてもよい。なお、周期とは、計測電圧Ｖｉｎを示す波の周期であり、超音波周期に相当する。

また、目標波で最初のトリガー点が発生した場合、時刻配列Ｄ＃ｉの先頭には目標ゼロクロス点の時刻が格納されるのに対して、追従波で最初のトリガー点が発生した場合には、目標ゼロクロス点以前に位置する追従ゼロクロス点を示す時刻がＤ＃ｉの先頭に格納されることになる。

図３に示すように、計測電圧Ｖｉｎが計測電圧Ｖｉｎ＃１である場合、目標波であるＰ３の計測電圧Ｖｉｎ＃１が時刻Ｔｓ１にて初めてＶｓを超えているため、Ｔｓ１以降に検出されたゼロクロス点Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４に対応するゼロクロス時刻Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が、時刻配列Ｄ＃１に対して格納されることになる。これにより、最初のトリガー点以降に最初に検出されたゼロクロス点、すなわちＤ＃１の先頭に格納されている先頭ゼロクロス点Ｚ２が、目標ゼロクロス点に相当することになる。

一方、ノイズ成分の重畳などの影響で計測電圧Ｖｉｎの信号強度が増大し、図３に示すように、計測電圧Ｖｉｎが計測電圧Ｖｉｎ＃２のように変化した場合、Ｐ３の手前の追従波であるＰ２の計測電圧Ｖｉｎ＃２が時刻Ｔｓ２にＶｓを超える。このため、Ｔｓ１より手前のＴｓ２以降に検出されたゼロクロス点Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４に対応するゼロクロス時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が、時刻配列Ｄ＃２に対して格納されることになる。これにより、最初のトリガー点以降に最初に検出されたゼロクロス点、すなわちＤ＃２の先頭に格納されている先頭ゼロクロス点Ｚ１が、追従ゼロクロス点に相当することになる。

流量演算装置１４０は、上述したような追従波または目標波でのトリガー点の発生状況と、Ｄ＃ｉの先頭ゼロクロス点に対応するゼロクロス点の位置との関連性を用い、Ｄ＃ｉのうち、トリガー点以降に最初に検出された先頭ゼロクロス点が、追従ゼロクロス点に相当する度合Ｒを計算し、得られた度合Ｒと予め設定されている閾値（度合閾値）との比較結果に基づいて閾値電圧Ｖｓを調整する。

次に、故障判定装置１００について説明する。故障判定装置１００は、処理部１０１，判定部１０２，表示部１０３を備える。処理部１０１は、超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値（指標ピーク値）と、最大振幅のピーク値との比（ピーク比）を求める。判定部１０２は、処理部１０１が求めた比を元に故障を判定する。実施の形態１では、判定部１０２は、処理部１０１が求めたピーク比と、予め設定されている基準（正常値）との差が予め設定されている判定値を超えると、故障と判定する。判定部１０２により故障が判定されると、この旨が表示部１０３に表示される。

ここで、超音波信号が振幅異常をきたす場合について説明する。第１に、送信が行われていないのに、基準レベル以上の超音波信号が常時受信される場合がある。これは超音波送受信器１３１，１３２の取り付け状態の不備によって、流量演算装置１４０がノイズによって誤動作しているときに発生する。

第２に、超音波の送信が行われても、基準レベル以上の波形の超音波信号が得られない場合がある。これは、超音波送受信器１３１，１３２、流量演算装置１４０に異常が生じていることによって生じ、原因としては、流体の流れに含まれる塵などが超音波送受信器１３１，１３２の箇所の配管１３３内壁に付着する場合が考えられる。また、上述した状態の原因として、配管１３３への超音波送受信器１３１，１３２の取り付け不備が生じていることなども考えられる。

上述したように、超音波流量計１３０に故障が発生していると、超音波信号に振幅異常が見られるようになる。この振幅異常は、超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値と、最大振幅のピーク値との比（ピーク比）と、正常値との差により判定することができる。言い換えると、処理部１０１が求めたピーク比と正常値との差が、判定値を超える場合、超音波流量計１３０に故障が発生しているものと判断できる。

ところで、正常値は、以下に示すことにより決定することができる。測定環境の温度や、音速（流体組成）などに基づいて正常な状態で期待される比率を正常値とすることができる。正常な状態で期待される比率は、出荷時などに設定した特性値と、計測中に取得可能な値から求めることができる。温度や音速を用いて関数またはテーブルで求めることもできる。

超音波信号の波形は、測定対象の流体温度や、測定対象の流体の組成などによって変化する。このため、超音波送受信器１３１，１３２が正常な状態であっても、受信される超音波信号の最大振幅に対する指標ピーク電圧の比は、温度や流体の組成により変化する。超音波流量計では、伝搬時間から流体の音速を求め、音速を求めた時の流体温度と比較することにより流体の組成を推定することができる。推定した流体組成と流体温度に応じて、センサが正常な状態で期待される、受信波の最大振幅に対する指標ピーク電圧を求め、正常値とすることで、測定の状況に対応させることができる。

次に、実施の形態１に係る故障判定装置１００の動作例について、図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、処理部１０１が、指標ピーク値と、最大振幅のピーク値との比（ピーク比）を求める。次に、ステップＳ１０２で、判定部１０２が、処理部１０１が求めたピーク比と正常値との差が、判定値を超えたか否かを判定する。ピーク比と正常値との差が、判定値を超えている場合（ステップＳ１０２のｙｅｓ）、ステップＳ１０３で、判定部１０２が、超音波流量計１３０か故障していると判定し、この旨が表示部１０３に表示される。

ところで、超音波信号の波形は、測定対象の流体温度や、測定対象の流体の組成などによって変化する。このため、超音波送受信器１３１，１３２が正常な状態であっても、受信される超音波信号の最大振幅に対する指標ピーク電圧の比は、温度や流体の組成により変化する。従って、予め設定されている基準（正常値）を、上述した環境などの条件の変化による波形変化が反映されるように更新することができる。この更新を、例えば、ピーク比を求めた後に実施し、更新した後、判定部１０２による判定（ステップＳ１０２）を実施することができる。

例えば、温度による波形変化を反映させる場合、事前に各温度におけるピーク比の正常値を測定し、温度とピーク比の正常値との関係を記憶しておく。実際の故障判定においては、測定対象の流体の温度測定結果に応じた正常値を、上記関係より求め、求めた正常値を設定して故障判定動作に用いる。

また、音速による波形変化を反映させる場合、事前に各音速におけるピーク比の正常値を測定し、音速とピーク比の正常値との関係を記憶しておく。実際の故障判定においては、伝搬時間から求めた音速に応じた正常値を、上記関係より求め、求めた正常値を設定して故障判定動作に用いる。

また、超音波流量計では、伝搬時間から流体の音速を求め、その時の流体温度と比較することにより流体の組成を推定することができる。流体組成による波形変化を反映させる場合、伝搬時間から求めた音速と、測定される測定対象の流体の温度とから、対象流体の種類を推定し、推定された種類に応じたピーク比の正常値を故障動作判定に用いる。

超音波流量計測中に取得できる順逆方向の伝搬時間、音速、温度情報などに基づいて、ピーク比の正常値を逐次更新することで、計測対象流体の組成や温度が変化した場合でも、正確な故障判定動作が可能になる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る故障判定装置１１０について、図６を参照して説明する。故障判定装置１１０は、処理部１１１，判定部１１２，表示部１０３を備える。処理部１１１は、超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値（指標ピーク値）と、最大振幅のピーク値との比（ピーク比）を求める。実施の形態２において、処理部１１１は、一方の方向（超音波信号Ｕ１）の比と、他方の方向（超音波信号Ｕ２）の比とを求める。

判定部１１２は、処理部１１１が求めた比を元に故障を判定する。実施の形態２では、判定部１１２は、処理部１１１が求めた、一方の方向の比と、他方の方向の比との差が、予め設定されている判定値を超えると、故障と判定する。判定部１１２により故障が判定されると、この旨が表示部１０３に表示される。

故障が発生するのは、超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２のどちらか一方であることが多い。この場合、超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２の故障した方が送受のいずれに使われるかで、超音波信号の波形に差異が生じる。超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２のいずれも故障していなければ、両者で計測される超音波信号の波形は、ほぼ等しい。従って、処理部１１１が求めた、一方の方向の比と、他方の方向の比との差が、予め設定されている判定値を超えることにより、超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２のいずれかが故障が発生しているものと判断できる。

次に、実施の形態２に係る故障判定装置１１０の動作例について、図７のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１１１で、処理部１１１が、指標ピーク値と、最大振幅のピーク値との比（ピーク比）を、一方の方向（超音波信号Ｕ１）、および他方の方向（超音波信号Ｕ２）の各々について求める。次に、ステップＳ１１２で、判定部１１２が、処理部１１１が求めた、一方の方向の比と、他方の方向の比との差が、判定値を超えたか否かを判定する。ピーク比と正常値との差が、判定値を超えている場合（ステップＳ１１２のｙｅｓ）、ステップＳ１１３で、判定部１１２が、超音波流量計１３０（超音波送受信器１３１，超音波送受信器１３２のいずれか）か故障していると判定し、この旨が表示部１０３に表示される。

ところで、上述した実施の形態では、処理部が、超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値（指標ピーク値）と、最大振幅のピーク値との比（ピーク比）を求めるようにしたが、これに限るものではない。指標ピーク値として閾値電圧Ｖｓを用い、処理部が、閾値電圧Ｖｓと、超音波信号の最大振幅のピーク値との比を求めるようにすることもできる。

閾値電圧Ｖｓは、同方向の連続した複数回の超音波送受信で得らえた超音波受信波形を平均した波形の特定の位置に存在する波のピーク電圧に追従する性質を持っているものと考えられる。従って、閾値電圧Ｖｓを、指標ピーク値として用いることができる。閾値電圧Ｖｓは、閾値調整部により流量計測動作中の超音波受信波形に追従する形で逐次更新される値である。従って、閾値電圧Ｖｓを指標ピーク値とすることで、ピーク電圧を把握するために回路部品を追加したり、ピーク確認用の動作を追加したりすることなしに、計測動作と並行してリアルタイムに指標ピーク値が取得できる。

所定の位置の振幅のピーク値を取得するためには、一般的に、超音波受信波の電圧波形をＡＤ変換などにより数値化し、極値を抽出することなどが考えられる。この取得方法を実現するためには、高性能な演算回路（ＣＰＵ）やＡＤ変換回路が必要となり、装置のコスト増を招き、また、故障判定動作に必要な消費電流が増大する場合がある。また、ピークの電圧の把握には一定の時間を要し、ピーク電圧の把握に時間を要している間は、通常の流量計測動作ができない場合もある。閾値電圧Ｖｓを利用すれば、これらの問題が抑制できる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る故障判定装置２００について、図８を参照して説明する。故障判定装置２００は、超音波流量計１３０の故障を判定する。故障判定装置２００は、処理部２０１、判定部２０２、表示部２０３を備える。

処理部２０１は、超音波信号の最大振幅の位置より後の減衰する領域の振幅のピーク値の状態を求める。実施の形態３において、処理部２０１は、減衰する領域の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超える回数を、ピーク値の状態として求める。

判定部２０２は、処理部２０１が求めた状態により、故障を判定する。実施の形態３において、判定部２０２は、処理部２０１が求めた回数が、設定されている基準回数を超えると、故障と判定する。

超音波流量計１３０の故障発生時の特徴は、受信（計測）された超音波信号の減衰側（超音波信号の最大振幅の位置より後の減衰する領域）の波形の変化としても現れる。減衰側の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超える回数が多い場合、故障が発生しているものと判定できる。

次に、実施の形態３に係る故障判定装置２００の動作例（故障判定方法）について、図９のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ２０１で、処理部２０１が、減衰する領域の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超える回数を求める。次に、ステップＳ２０２で、判定部２０２が、処理部２０１が求めた回数が、設定されている基準回数を超えた否かを判定する。処理部２０１が求めた回数が、設定されている基準回数を超えている場合（ステップＳ２０２のｙｅｓ）、ステップＳ２０３で、判定部２０２が、超音波流量計１３０か故障していると判定し、この旨が表示部２０３に表示される。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４に係る故障判定装置２１０について、図１０を参照して説明する。故障判定装置２１０は、超音波流量計１３０の故障を判定する。故障判定装置２００は、処理部２１１、判定部２１２、表示部２０３を備える。

処理部２１１は、超音波信号の最大振幅の位置より後の減衰する領域の振幅のピーク値の状態を求める。実施の形態４において、処理部２１１は、減衰する領域の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超えている状態が継続する時間を、ピーク値の状態として求める。

判定部２１２は、処理部２１１が求めた状態により、故障を判定する。実施の形態４において、判定部２１２は、処理部２１１が求めた時間が、設定されている基準時間を超えると、故障と判定する。

超音波流量計１３０の故障発生時の特徴は、受信（計測）された超音波信号の減衰側（超音波信号の最大振幅の位置より後の減衰する領域）の波形の変化としても現れる。減衰側の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超えて継続している時間が長い場合、故障が発生しているものと判定できる。

次に、実施の形態４に係る故障判定装置２１０の動作例（故障判定方法）について、図１１のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ２１１で、処理部２１１が、減衰する領域の振幅のピーク値が、設定されている基準ピーク値を超えている状態が継続する時間を測定する。次に、ステップＳ２１２で、判定部２１２が、処理部２０１が求めた回数が、設定されている基準回数を超えた否かを判定する。処理部２１１が測定した時間が、設定されている基準時間を超えている場合（ステップＳ２１２のｙｅｓ）、ステップＳ２１３で、判定部２１２が、超音波流量計１３０か故障していると判定し、この旨が表示部２０３に表示される。

なお、上述した実施の形態に係る故障判定装置は、図１２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）３０１と主記憶装置３０２と外部記憶装置３０３とネットワーク接続装置３０４となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置３０２に展開されたプログラムによりＣＰＵ３０１が動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能（故障判定方法）が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した故障判定方法をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置３０４は、ネットワーク３０５に接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

以上に説明したように、本発明によれば、超音波信号の波形の状態より故障を判定するので、超音波流量計の故障が、より早期に発見できるようになる。本発明によれば、特別な故障判定の動作を必要とせずに、通常の流量計測で得られたデータを用い、常時故障判定が実施できる。

１００…故障判定装置、１０１…処理部、１０２…判定部、１０３…表示部、１３０…超音波流量計。

Claims

一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した前記超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計の故障判定装置であって、
前記超音波信号を受信した前記超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが前記閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻を前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納するように構成された計測部と、
前記時刻配列Ｄ＃ｉに格納されている複数の前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻から目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、
これら目標ゼロクロス時刻から求めた前記伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測するように構成された流量計算部と、
前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ前記目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、前記度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて前記閾値電圧Ｖｓを調整するように構成された閾値調整部と
を有し、
前記超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値と、最大振幅のピーク値との比を求めるように構成された処理部と、
前記処理部が求めた比と予め設定されている基準との差が、予め設定されている判定値を超えると、故障と判定するように構成された判定部と
を備え、
前記処理部は、予め設定されている位置の振幅のピーク値として前記閾値電圧Ｖｓを用いて、前記閾値電圧Ｖｓと、前記超音波信号の最大振幅のピーク値との比を求める故障判定装置。
一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をＮ（Ｎは２以上の整数）回実施し、これら計測工程により計測した前記超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計の故障判定装置であって、
前記超音波信号を受信した前記超音波送受信器から出力される計測電圧Ｖｉｎ＃ｉ（ｉは１～Ｎの整数）と予め設定されている閾値電圧Ｖｓとを比較し、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが前記閾値電圧Ｖｓと交差したトリガー点以降に、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉが最初にゼロ電圧と交差するゼロクロス点を計測し、前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻を前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉと対応する時刻配列Ｄ＃ｉに順次格納するように構成された計測部と、
前記時刻配列Ｄ＃ｉに格納されている複数の前記ゼロクロス点のゼロクロス時刻から目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出し、これら目標ゼロクロス時刻から求めた前記伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測するように構成された流量計算部と、
前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉのうち、最初に計測された先頭ゼロクロス点が、予め定めた周期分だけ前記目標ゼロクロス点の前に位置する追従ゼロクロス点に相当する、前記計測電圧Ｖｉｎ＃ｉの度合を計算し、前記度合と予め設定されている閾値との比較結果に基づいて前記閾値電圧Ｖｓを調整するように構成された閾値調整部と
を有し、
前記超音波信号の、最大振幅の位置より前の、予め設定されている位置の振幅のピーク値と、最大振幅のピーク値との比を求めるように構成された処理部と、
一方の前記超音波送受信器から送信した超音波信号を他方の前記超音波送受信器で受信したときに前記処理部が求めた比と、他方の前記超音波送受信器から送信した超音波信号を一方の前記超音波送受信器で受信したときに前記処理部が求めた比との差が、予め設定されている判定値を超えると、故障と判定するように構成された判定部と
を備え、
前記処理部は、予め設定されている位置の振幅のピーク値として前記閾値電圧Ｖｓを用いて、前記閾値電圧Ｖｓと、前記超音波信号の最大振幅のピーク値との比を求める故障判定装置。