JP2000213971A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波流量計の低消費電力化および高分解能
化 【解決手段】 受信検知回路７の出力を受け送信器２へ
出力し再度超音波の送信を行わせる遅延手段１０と、受
信検知回路の検知回数をカウントするカウンタ１２と、
伝播時間を測定するタイマ５と、遅延手段１０の遅延時
間をカウンタ１２の値に応じて順次変更制御する遅延制
御部１１とを備えている。これによって、測定毎に遅延
時間を遅延制御部１１が変更するので、測定分解能を高
くすることができ、かつ受信検知から次の送信までの間
に遅延時間が入るので、以前送信した超音波の反射波と
本来受信すべき超音波とを重複受信しないようにして高
精度の測定を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に超音波によっ
て流量を測定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波流速計は、図７に示すよう
に、流体管路１に超音波振動子２および３を流れの方向
に相対して設置し、制御部４はタイマ５をスタートさせ
ると同時に駆動回路６に発信信号を出力する。駆動回路
６の出力を受けた超音波振動子２から超音波を送信し、
超音波振動子３で受信する。そして、超音波振動子３の
出力を受けた受信検知回路７で超音波を検知し、タイマ
５によって超音波が送信されてから検知されるまでの時
間を測定し、この時間から演算部８によって流体管路１
の中の流速を演算によって求めていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、測定分解能がタイマ５の分解能によって制
限され、単に測定値を平均処理したのでは測定精度が上
がらず、分解能が必要な測定を行うにはタイマ５の分解
能を高くする必要かある。つまりタイマ５を高い周波数
で動作させる必要があった。しかしタイマ５の動作クロ
ックを高周波数に変更すると、消費電流や、高周波ノイ
ズが増大したり、又回路規模が増大するなどの課題があ
った。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波流量計に
おいては、超音波信号を送信する送信器と、前記送信器
から送信され流体を伝搬した超音波信号を受信する受信
器と、前記受信器の出力を受け超音波信号を検知する受
信検知回路と、前記受信検知回路の出力を受け前記送信
器へ出力し再度超音波の送信を行わせる遅延手段と、前
記受信検知回路の検知回数をカウントするカウンタと、
少なくとも前記送信器による超音波発信開始から前記カ
ウンタがあらかじめ設定した値に達するまでの時間を測
定するタイマと、前記タイマの出力信号より流量を演算
によって求める演算部と、前記遅延手段の遅延時間を前
記カウンタの値に応じて順次変更制御する遅延制御部と
を備えたものである。

【０００５】この本発明によれば、遅延時間とタイマの
分解能の差で決まる分解能で測定を行うことができ、遅
延時間を適当な値とすることによって、簡単な構成で高
精度の測定を行うことができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】超音波信号を送信する送信器と、
前記送信器から送信され流体を伝搬した超音波信号を受
信する受信器と、前記受信器の出力を受け超音波信号を
検知する受信検知回路と、前記受信検知回路の出力を受
け前記送信器へ出力し再度超音波の送信を行わせる遅延
手段と、前記受信検知回路の検知回数をカウントするカ
ウンタと、少なくとも前記送信器による超音波発信開始
から前記カウンタがあらかじめ設定した値に達するまで
の時間を測定するタイマと、前記タイマの出力信号より
流量を演算によって求める演算部と、前記遅延手段の遅
延時間を順次変更制御する遅延制御部とを有するもので
ある。

【０００７】そして前記送信器から流れ方向に超音波を
発生し、この超音波を前記受信器で検出すると前記遅延
手段を経て再び送信器から超音波を発生させ、この繰り
返しを前記カウンタの出力が設定回数になるまで繰り返
す。その時間を前記タイマで計測する。逆に第２の超音
波振動子から流れに逆らって超音波を発生し同様の繰り
返し時間を計測し、この時間の差から流体の速度を演算
する。このため測定毎に遅延時間を遅延制御部が変更す
ることによって、測定分解能を高くすることができ、な
おかつ受信検知から次の送信までの間に遅延時間が入る
ので、以前送信した超音波の反射波と本来受信すべき超
音波とを重複して受信することを防ぐことができる。

【０００８】そして、遅延時間を順次変え超音波の送受
信を行うので、測定精度を遅延時間とタイマの分解能の
差で決まる分解能で測定を行うことができる。よって遅
延時間を適当な値とすることによって簡単な構成で、高
精度の測定を行うことができる。さらに繰り返し動作に
伴う雑音で発生する測定誤差や、送受信器の自己振動で
発生する測定誤差を計測中に遅延時間を変更し規則性を
乱すことで均一に分散しなおかつ繰り返し測定によって
平均化を行う必要がないのでまたくり返し計測によって
平均化を同時に行なうので安定な測定をすばやく行うこ
とができる。

【０００９】なお、伝搬時間が温度によって変化するた
めシングアラウンド方式では超音波の送信間隔は温度特
性を持つ。このため測定間隔の規則性によって起こる誤
差も温度特性を持つ。したがって、同じ流量でも温度が
変化すると測定結果が変化するという現象があるもの
の、本発明ではこの誤差を均一に分散させ平均化するの
で、温度変動に影響されない超音波流量計を実現できる
ものである。

【００１０】また遅延制御部は、演算部の出力が設定値
以上のときには遅延時間を一定とするように遅延手段を
制御するものである。流量が大きく時間の測定分解能が
必要でないときには遅延時間を入れずに測定を行うの
で、少ない測定回数で流量が測定でき、低消費力で測定
できる。

【００１１】また超音波信号を送信する送信器と、前記
送信器から送信され流体を伝搬した超音波信号を受信す
る受信器と、前記受信器が受信し出力する信号から超音
波の受信を検知する受信検知回路と、少なくとも前記送
信器が超音波発信してから前記受信検知回路が受信検知
するまでの時間を測定する第１のタイマと、前記受信検
知回路が受信検知してから前記第１のタイマ値が変化す
るまでの時間を測定する第２のタイマと、前記第１のタ
イマおよび前記第２タイマの測定時間より流量を演算に
よって求める演算部とを有するものである。

【００１２】そして前記第１のタイマの値から前記第２
のタイマの値を引いた値によって流量の演算を行うの
で、計時分解能は前記第２のタイマと同等になる。そし
て第２のタイマの動作時間は非常に短いので消費電力を
小さくすることができ、分解能の高い流量計を低消費電
力で実現することができる。

【００１３】また第２のタイマを第１のタイマで補正す
る構成とするものである。このため補正後流量測定する
までの間前記第２のタイマが安定に動作すれば正確な流
量測定ができるので、前記第２のタイマに長期的な安定
性がなくても正確な測定を行うことができる。さらに一
般的な部品で容易に高精度の流量計を実現できる。

【００１４】また温度センサを設け、温度センサの出力
が設定値以上変化した時に第２のタイマを第１のタイマ
で補正するものである。このため、前記第２のタイマが
温度変化に対して特性が変化するものであっても温度変
化が起こる都度補正し正確な測定を行うことができる。
と同時に、必要なときだけ補正を行うので、消費電力を
小さくすることができる。

【００１５】また回路の電源電圧を検知する電圧センサ
を設け、電圧センサの出力が設定値以上変化した時に第
２のタイマを第１のタイマで補正する構成とするもので
ある。このため、前記第２のタイマが電源電圧変化に対
して特性が変化するものであっても電源電圧変化が起こ
る都度補正し正確な測定を行うことができる。同時に、
定期的に補正を行う必要がないので、消費電力を小さく
することができる。

【００１６】また計測の直後に第２のタイマを第１のタ
イマで補正する構成とするものである。そして計測から
補正までの時間が短く前記第２のタイマの動作が計測中
と近い状態で補正するので、簡単な構成で正確な補正を
行うことができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１８】（実施例１）図１を用いて請求項１および
２を説明する。図１は本発明の実施例１の超音波流量計
のブロック図である。

【００１９】図１において、流体管路１の途中に超音波
を発信する第１の超音波振動子２と受信する第２の超音
波振動子３を流れ方向に配置している。制御部４はトリ
ガ回路９に計測開始の信号を出力すると同時にタイマ５
の時間計測をスタートさせる。トリガ回路９はタイマ５
のカウントＵＰタイミングを入力しておりカウントＵＰ
タイミングと同じタイミングで駆動回路６に計測信号を
出力する。駆動回路６は信号入力があると超音波振動子
２を駆動し超音波を発信する。発信された超音波は流体
を伝播し超音波振動子３で受信される。受信検知回路７
は超音波振動子３の出力を入力し信号処理して遅延手段
１０に出力する。遅延手段１０は遅延制御部１１によっ
て設定された時間だけ信号を遅らせて駆動回路６へ出力
する。信号を入力した駆動回路６は再度超音波振動子２
を駆動し超音波を発信する。この繰り返しはカウンタ１
２で数えられ設定値になるまで繰り返される。カウンタ
１２は繰り返し回数が設定値になると、タイマ５をスト
ップさせる。演算部８ではタイマの時間計測結果を受け
取り演算によって流量を求める。

【００２０】タイマ５で計測した時間は超音波の伝播時
間と遅延時間の繰り返し回数倍とを含んでいる。そのた
め演算部８ではタイマ５の測定結果をｎで割ってさらに
遅延時間を引き伝播時間（１）を求める。さらに同様に
測定を行うが、この時ディレイ時間のトータルが変わる
ようい伝播時間（２）を求める。さらに同様に伝播時間
（３）、（４）を求め、平均化することによって超音波
の伝播時間を求める。

【００２１】こうすることによって、測定分解能をディ
レイ時間の分解能で得ることができる。つまり、ディレ
イ時間の分解能をタイマ５の分解能よりも大きくするこ
とによってより高精度な測定を行うことができる。

【００２２】さらに遅延手段１０を適当な時間たとえば
伝播時間の約２／３に設定することによって超音波振動
子２から発信した超音波が、その前の繰り返しのときに
超音波音波振動子２から発信し超音波振動子３と２反射
して再度超音波振動子３に到達する超音波と重複しない
ようにし、誤差原因を未然に避けることができる。

【００２３】また演算部８の計算結果があらかじめ演算
部に設定した値よりも大きい場合演算部８は遅延制御部
１１に切り替え停止信号を出力し切り替え器１１の動作
を停止させる。演算部８の演算結果が大きい場合つまり
測定流量が多い場合には、伝搬時間の変化が大きくな
り、タイマの分解能と比べ十分変化している場合には測
定精度は相対的に高くなる。このため遅延制御部１１の
動作を止めても測定精度が落ちることはない。このため
遅延時間を短く固定することによって計測時間が短くな
り低消費電力化を行うことができると同時に、遅延時間
の切り換えに伴うノイズの発生を押さえることができ
る。

【００２４】また、図２は遅延手段の一例を示すブロッ
ク図である。図において１２は遅延回路であり、外部か
らの入力がＯＲ回路１３を通して入ってくると一定時間
遅れて出力を発生する。遅延回路１２の出力は同回路の
入力にＡＮＤ回路１４とＯＲ回路１３を通してフィード
バックされており、ＡＮＤ回路１４の他端がＬＯになる
まで動作を繰り返す。１５はカウンタであり遅延回路１
２の出力を数え、設定部１６が設定された値に達すると
外部へ出力を行うと同時に、ＡＮＤ回路１４の入力の一
方をＬＯとする。遅延回路１２は遅延時間がタイマ５の
時間分解能よりも短い時間としている。カウンタ１５の
設定回数を変えることで、遅延時間を容易に変更するこ
とができる。そのため簡単な構成で容易に遅延時間を変
更することができ、変更間隔を均一にすることができ
る。

【００２５】（実施例２）図３から図５を用いて請求項
３を説明する。図３は本発明の実施例２の超音波流速計
のブロック図である。

【００２６】図３において、流体管路１の途中に超音波
を発信する第１の超音波振動子２と受信する第２の超音
波振動子３を流れ方向に配置している。制御部４は駆動
回路６に計測開始の信号を出力すると同時にタイマ５の
時間計測をスタートさせる。駆動回路６は信号入力があ
ると超音波振動子２を駆動し超音波を発信する。発信さ
れた超音波は流体を伝播し超音波振動子３で受信され
る。受信検知回路７は受信した超音波信号を入力し信号
処理してタイマ５およびタイマ１８へ出力する。タイマ
５は受信検知回路７からの入力信号をうけ時間計測をス
トップさせる。タイマ１８は受信検知回路７の出力を受
け計時を開始し、タイマ５から出力されているカウント
アップタイミングに同期し計時をストップさせる。演算
部８ではタイマ５およびタイマ１８の時間計測結果を受
け取り演算によって流量を求める。

【００２７】図４にタイマ５およびタイマ１８の動作タ
イミングを示す。図４に示すようにタイマ５はＡで示す
部分を余分に測定している。タイマ５の測定分解能が図
４のＢで示す間隔となっているため測定誤差となるＡの
部分は測定のほぼ毎回に発生している。そこで余分なＡ
部をタイマ１８で測定し演算部８で引き、より分解能の
高い超音波の伝播時間を求め正確な流量値を得ている。

【００２８】また本実施例ではタイマ１８に、図５に示
す回路を用いている。動作はＡＮＤ回路１８の入力信号
の一部と、出力がカウンタの値に変わった以外は実施例
１の図２に示した回路と同じであり説明は省略する。水
晶振動子を使用したタイマなどではクロックが安定する
までに時間がかかり、このようなすばやい立ち上がり動
作が求められる回路では使用できない。しかし図５に示
すような回路を使うことによって、非同期ですばやく動
作するタイマを容易に実現することができる。

【００２９】また遅延手段としては、ディレイライン、
インバータを複数つないだものなどを使用することがで
きる。

【００３０】（実施例３）図６を用いて請求項４から７
を説明する。図６は本発明の実施例３の超音波流速計の
ブロック図である。

【００３１】図６において、図３と異なるところは遅延
制御部１１の出力がタイマ１８のスタート入力につなが
っているところと、制御部４に温度センサ１９と電源電
圧センサ２０の出力が接続されているところである。計
測時の動作は実施例２と同等なので省略する。

【００３２】次に動作を説明すると、制御部４はタイマ
５をスタートすると同時にタイマ１８のスタート入力に
信号出力しタイマ１８をスタートする。タイマ５がカウ
ントアップするタイミングとなると、タイマ５からタイ
マ１８にカウントアップタイミングと同期した信号が発
生しタイマ１８を停止させる。この値を演算部８で処理
し、タイマ１８の１クロックあたりの時間を求め演算に
使用するタイマ１８の１クロックあたりの時間を補正す
る。

【００３３】この動作を温度センサ１９または、電源電
圧センサ２０の出力がそれぞれ設定した値以上変動した
場合に行う。このようにすることで、タイマ１８は温
度、電源電圧に対する安定度は不要となり、安価な部品
を使用することができるようになる。さらに、頻繁に補
正を行う必要もなく、消費電力を低く押さえる事ができ
る。

【００３４】また、測定の直後に補正を行うことによっ
て、より測定時に近い状態で正確に補正を行うことがで
きる。また、低消費電力化のために電源供給を停止して
スリープ動作を行う様にしている場合、補正のためだけ
に電源を投入する必要がなく効率がよくなる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかのように本発明の
超音波流速計によれば次の効果を奏する。

【００３６】（１）測定毎に遅延時間を遅延制御部が変
更し数回測定を行い平均化演算を行うことによって、低
い分解能のタイマで測定時間の分解能をあげることがで
きるので、流量の測定分解能をあげることができる。ま
た同じ分解能のタイマを使用した超音波流量計に比べ低
消費電力の超音波流量計を実現することができる。なお
かつ受信検知から次の送信までの間に遅延時間が入るの
で、以前送信した超音波の反射波と本来受信すべき超音
波とを重複して受信することを防ぐことができる。そし
て、遅延時間を順次変え超音波の送受信を行うので、測
定精度を遅延時間とタイマの分解能の差で決まる分解能
で測定を行うことができる。よって遅延時間を適当な値
とすることによって簡単な構成で、高精度の測定を行う
ことができる。さらに繰り返し動作に伴う雑音で発生す
る測定誤差や、送受信器の自己振動で発生する測定誤差
を計測中に遅延時間を変更し規則性を乱すことで均一に
分散するので安定な測定をすばやく行うことができる。

【００３７】（２）一定以上の流量が流れた時には遅延
時間を入れないように遅延制御部が制御するので、少流
量から大流量まで分解能を落とすことなく測定できると
ともに、低消費電力の超音波流量計を実現することがで
きる。

【００３８】（３）第２のタイマによって、受信検知か
ら次のタイマのカウントアップ・タイムまでの時間を測
定することによって、第１のタイマより分解能が高い測
定をすることができる。また、同じ分解能の超音波流量
計と比較して、受信検知後にわずかな時間第２のタイマ
を動作させればよいので、消費電力も小さくすることが
できる。

【００３９】（４）第２のタイマを第１のタイマで補正
するので、第２のタイマは短い時間の安定度さえあれば
よく、特殊な部品を使用する必要がない。このため高分
解能の流量計を容易に実現できる。

【００４０】（５）温度センサの出力が設定値以上変動
した場合に第１のタイマによって第２のタイマを補正す
るので、第２のタイマが温度の変化によって動作が大き
く変化するものであっても使用することが可能となる。

【００４１】（６）電圧センサの出力が設定値以上変動
した場合に第１のタイマによって第２のタイマを補正す
るので、第２のタイマが電圧の変化によって動作が大き
く変化するものであっても使用することが可能となる。

【００４２】（７）第２のタイマを使用した直後に補正
を行うので、第２のタイマの動作が計測中とほとんど同
じ状態で補正することができ、分解能の良い補正を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における超音波流量計のブロ
ック図

【図２】同流量計の遅延手段の一例を示すブロック図

【図３】本発明の実施例２における超音波流量計のブロ
ック図

【図４】同流量計のタイマ５およびタイマ１８の動作タ
イミング図

【図５】同流量計のタイマ１８の詳細なブロック図

【図６】本発明の実施例３における超音波流量計のブロ
ック図

【図７】従来の超音波流量計を示す図

【符号の説明】

２ 送信器 ３ 受信器 ４ 制御部 ５ タイマ ５Ａ 第１のタイマ ７ 受信検知回路 ８ 演算部 １０ 遅延手段 １１ 遅延制御部 １２ カウンタ １８ 第２のタイマ １９ 温度センサ ２０ 電源電圧センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黄地 謙三 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 足立 明久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 芝 文一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA14 DA19 DA22

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波信号を送信する送信器と、前記送信
   器から送信され流体を介して伝搬した超音波信号を受信
   する受信器と、前記受信器の出力を受け超音波信号を検
   知する受信検知回路と、前記受信検知回路の出力を受け
   前記送信器へ出力し再度超音波の送信を行わせる遅延手
   段と、前記受信検知回路の検知回数をカウントするカウ
   ンタと、前記送信器による超音波発信開始から前記カウ
   ンタがあらかじめ設定した値に達するまでの時間を測定
   するタイマと、前記タイマの出力信号より流量を演算に
   よって求める演算部と、前記遅延手段の遅延時間を前記
   カウンタの値に応じて順次変更制御する遅延制御部とを
   有した超音波流量計。
2. 【請求項２】遅延制御部は、演算部の出力が設定値以上
   のときには遅延時間を一定とするように遅延手段を制御
   する請求項１記載の超音波流量計。
3. 【請求項３】超音波信号を送信する送信器と、前記送信
   器から送信され流体を介して伝搬した超音波信号を受信
   する受信器と、前記受信器の出力を受け超音波信号を検
   知する受信検知回路と、前記送信器が超音波発信してか
   ら前記受信検知回路が受信検知するまでの時間を測定す
   る第１のタイマと、前記受信検知回路が受信検知してか
   ら前記第１のタイマの値が変化するまでの時間を測定す
   る第２のタイマと、前記第１のタイマおよび前記第２の
   タイマの測定時間より流量を演算によって求める演算部
   とを有した超音波流量計。
4. 【請求項４】第２のタイマを第１のタイマで補正する構
   成とした請求項３記載の超音波流量計。
5. 【請求項５】温度センサを設け、温度センサの出力が設
   定値以上変化した時に第２のタイマを第１のタイマで補
   正する構成とした請求項３記載の超音波流量計。
6. 【請求項６】回路の電源電圧を検知する電圧センサを設
   け、電圧センサの出力が設定値以上変化した時に第２の
   タイマを第１のタイマで補正する請求項３記載の超音波
   流量計。
7. 【請求項７】第２のタイマによる時間測定の直後に前記
   第２のタイマを第１のタイマで補正する構成とした請求
   項３記載の超音波流量計。