JP2000266579A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents

Ultrasonic flowmeter

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JP2000266579A
JP2000266579A JP11072376A JP7237699A JP2000266579A JP 2000266579 A JP2000266579 A JP 2000266579A JP 11072376 A JP11072376 A JP 11072376A JP 7237699 A JP7237699 A JP 7237699A JP 2000266579 A JP2000266579 A JP 2000266579A
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一造 伊藤
Shusuke Takahashi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic flowmeter which enables ideal use of an oxygen consumption meter. SOLUTION: A transmitter 4 and receivers 5a, 5b and 5c are arranged at an open hole of a wall part of a passage. When inhaled or exhaled air flows through the passage, an ultrasonic wave as burst wave is transmitted from the transmitter 4 to detect first phase differences Δϕ and Δϕ' as such between received signals of the receivers 5a and 5c and second phase differences ΔϕC1 and ΔϕC2 as such between the received signal of the receiver 5b and a reference wave. Phase comparators 32 and 36 for detecting the first and second phase differences are provided to determine the flow rate of the inhaled or exhaled air based on the first phase differences and the second phase differences. Sample holding circuits 34 and 38 are provided to sample an output alone corresponding to a signal received by the receivers 5a-5c at a time zone when the burst wave propagating the exhaled or inhaled air is expected to be received out of outputs of the phase comparators 32 and 36.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波の送信器
と受信器とを有し、呼吸気の流量を測定する超音波流量
計に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic flowmeter having an ultrasonic transmitter and a receiver for measuring the flow of respiratory gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】酸素消費量計は、運動時に体内で消費さ
れる酸素量や体内から排出される二酸化炭素量を測定す
ることを目的として使用され、肺機能評価、代謝量の測
定、基礎体力の解析、最適運動負荷量の選択などに有力
なデータを提供する医療評価機器として定着している。
以前の酸素消費量計は、ある時間の運動負荷に対して、
その時間内の平均的な運動量に対しての酸素消費量が測
定されていたが、近年になって、より詳細な解析が必要
になり、ブレスバイブレス方式と呼ばれる、一呼吸毎の
データが要求されるようになってきた。酸素消費量計
は、主に、呼吸気の流量計、二酸化炭素濃度計、酸素濃
度計から構成され、上記のように一呼吸毎のデータが要
求されるようになると、これらの構成要素についてもよ
り高機能化が求められるようになってきている。
2. Description of the Related Art Oxygen consumption meters are used to measure the amount of oxygen consumed in the body during exercise and the amount of carbon dioxide emitted from the body, and are used to evaluate lung function, measure metabolic rate, and measure basic physical fitness. It has been established as a medical evaluation device that provides powerful data for analysis of human body and selection of optimal exercise load.
Previous oxygen consumption meter, for exercise load of a certain time,
Oxygen consumption relative to the average amount of exercise during that time was measured, but in recent years, more detailed analysis has been required, and data per breath, called the breath-by-breath method, has been required. It has come to be. The oxygen consumption meter is mainly composed of a respiratory air flow meter, a carbon dioxide concentration meter, and an oximeter, and when data for each breath is required as described above, these components are also considered. More sophisticated functions are being demanded.

【0003】これまでに酸素消費量計の流量計として、
実用化されているものは、熱線式流量計、層流式流量
計、タービン式流量計がある。
[0003] As a flow meter of an oxygen consumption meter,
Practical ones include a hot wire flow meter, a laminar flow meter, and a turbine flow meter.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
各種流量計は以下のような問題点がある。熱線式は、熱
伝達特性を良好にするために、機械的に強固な構造を取
り難い。また、層流式は、微小な細管を束ねた絞り機構
により呼吸気の流れを強制的に層流にするために、圧力
損失が大きい。このため、呼吸気の量が、実際よりも大
幅に低下することがある。加えて、呼気ガスに含まれる
飽和蒸気が細管に結露し、閉塞するという不具合が懸念
される。さらに、タービン式は、回転する可動部の経時
的な劣化が避けられず、また機械動作の慣性により応答
性が低く、特に、呼気と吸気が切り替わったときに正確
に流量を測定できない懸念がある。また、これらの流量
計は、流路中に呼吸気の流れの障害となる構造を配置せ
ざるをえないので、使用後の滅菌作業に適さない構造と
なっている。
However, the above-mentioned various flow meters have the following problems. In the hot wire method, it is difficult to take a mechanically strong structure in order to improve heat transfer characteristics. In the laminar flow method, a pressure loss is large because the flow of the respiratory air is forcibly changed to a laminar flow by a restricting mechanism in which minute thin tubes are bundled. For this reason, the amount of respiratory air may be significantly lower than actual. In addition, there is a concern that the saturated vapor contained in the exhaled gas will condense on the thin tube and block it. Furthermore, in the turbine type, the deterioration of the rotating movable part over time is inevitable, and the responsiveness is low due to the inertia of the mechanical operation. In particular, there is a concern that the flow rate cannot be measured accurately when exhalation and inspiration are switched. . In addition, these flowmeters have a structure that is not suitable for sterilization work after use because a structure that obstructs the flow of respiratory air must be arranged in the flow path.

【0005】一方、一般に使用されている流量計として
超音波流量計があり、工業用や実験用に広く使用されて
いる。この超音波流量計は、流体が通る管路に1組以上
の超音波送受信器を設け、送信器から発せられた超音波
が受信器によって受信されるまでの伝播時間に基づいて
流体の流量を測定するものである。具体的には、次のよ
うに2種類知られている。1つは、2組の送受信器を、
管路中の異なる箇所に設け、一方の組の送信器から他方
の組の受信器に向けて、次に前記他方の組の送信器から
前記一方の組の受信器に向けて、パルス波を発し、それ
ぞれの組の受信器にパルス波が伝播する時間の差に基づ
いて流量を求めるものである。もう1種類は、送信器か
ら連続波としての超音波を発し、複数の受信器が受信す
る受信波の位相差に基づいて検出するものである。しか
しながら、これら超音波流量計のうち前者は、計測され
る時間差がごくわずかな値であることから、測定には種
々の工夫を要し、複雑な回路構成となり、高価であるの
で、酸素消費量計には適用しにくい。また、後者は、連
続波であることから、管内の反射波や漏洩波が問題とな
り、目的とする送信器から直接送信された超音波のみS
/N比よく検出することが困難であった。このため、測
定対象となる流体は、音響インピーダンスが大きく、伝
播する超音波の受信時の振幅が大きい液体に限定され、
流体として呼吸気が対象である酸素消費量計には適用し
にくい。
On the other hand, there is an ultrasonic flow meter as a generally used flow meter, which is widely used for industrial and experimental purposes. In this ultrasonic flowmeter, one or more sets of ultrasonic transceivers are provided in a conduit through which the fluid passes, and the flow rate of the fluid is determined based on the propagation time until the ultrasonic waves emitted from the transmitter are received by the receiver. It is to be measured. Specifically, two types are known as follows. One is to use two sets of transceivers,
Provided at different points in the pipeline, from one set of transmitters to the other set of receivers, and then from the other set of transmitters to the one set of receivers, pulsed The flow rate is determined based on the difference between the times at which the pulse wave is emitted and propagated to each set of receivers. The other type emits a continuous wave ultrasonic wave from a transmitter and detects the ultrasonic wave based on the phase difference between the received waves received by a plurality of receivers. However, the former of these ultrasonic flow meters has a very small difference in the measured time, so various measures are required for the measurement, a complicated circuit configuration is required, and the cost is high. Difficult to apply to meter. Further, since the latter is a continuous wave, a reflected wave or a leaked wave in the tube poses a problem, and only ultrasonic waves directly transmitted from a target transmitter are used.
It was difficult to detect with good / N ratio. For this reason, the fluid to be measured is limited to a liquid having a large acoustic impedance and a large amplitude at the time of receiving the propagating ultrasonic wave,
It is difficult to apply to an oxygen consumption meter that uses respiratory gas as a fluid.

【0006】本発明は、上記実状に鑑みてなされたもの
で、上記の各種問題を解決し、酸素消費量計に好適に用
いることができる超音波流量計を提供することを目的と
している。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an ultrasonic flowmeter which can solve the above-mentioned various problems and can be suitably used for an oxygen consumption meter.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の請求項1に記載の発明は、呼吸気が流れる
流路の壁部の開孔に、1個の超音波送信器とこの超音波
送信器に対向するように3個の超音波受信器とが設けら
れ、前記3個の超音波受信器のうち第1の超音波受信器
は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線
が呼吸気の流れる方向に対して+θの角度を有するよう
に設置され、第2の超音波受信器は、この超音波受信器
と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対して−
θの角度を有するように設置され、第3の超音波受信器
は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線
が前記方向に対してほぼ直交するように設置され、呼吸
気が前記流路を流れているときに前記超音波送信器より
超音波をバースト波として送信し、前記第1の超音波受
信器と前記第2の超音波受信器との受信信号の位相差で
ある第1の位相差と、前記第3の超音波受信器の受信信
号と基準波との位相差である第2の位相差とを検出し、
前記第1の位相差と前記第2の位相差に基づいて、前記
呼吸気の流量を求めることを特徴とする超音波流量計で
ある。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 of the present invention provides an ultrasonic transmitter and an ultrasonic transmitter in a hole of a wall of a flow path through which breathing air flows. Three ultrasonic receivers are provided so as to face the ultrasonic transmitter, and a first ultrasonic receiver among the three ultrasonic receivers includes the ultrasonic receiver and the ultrasonic receiver. A straight line connecting the transmitter and the transmitter is installed so that the straight line connecting the transmitter and the ultrasonic transmitter has an angle of + θ with respect to the direction of the breathing air. -For the direction
θ, the third ultrasonic receiver is installed such that a straight line connecting the ultrasonic receiver and the ultrasonic transmitter is substantially orthogonal to the direction, Transmits ultrasonic waves as a burst wave from the ultrasonic transmitter when flowing through the flow path, and calculates a phase difference between reception signals of the first ultrasonic receiver and the second ultrasonic receiver. Detecting a certain first phase difference and a second phase difference that is a phase difference between a received signal of the third ultrasonic receiver and a reference wave;
An ultrasonic flowmeter, wherein the flow rate of the respiratory gas is obtained based on the first phase difference and the second phase difference.

【0008】請求項1に記載の発明によれば、呼吸気が
流れる流路の壁部の開孔に、1個の超音波送信器と3個
の超音波受信器を設置した超音波流量計であることか
ら、従来酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流
式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決
することができる。すなわち、流路の壁部の開孔に受信
器、送信器を埋め込んだ構造であるので、構造が単純で
流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にし
やすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのまま
で計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生
じにくい。また、滅菌操作も容易である。さらに、ター
ビン式のように機械的な動作がほとんどないことから、
経時的な劣化もほとんどなく、応答性の点でも改善され
る。
According to the first aspect of the present invention, an ultrasonic flowmeter in which one ultrasonic transmitter and three ultrasonic receivers are installed in an opening in a wall of a flow path through which breathing air flows. Therefore, it is possible to solve various problems of a hot wire type, a laminar flow type, and a turbine type flow meter conventionally used for an oxygen consumption meter. That is, since the receiver and transmitter are embedded in the opening in the wall of the flow path, the structure is simple and there are no obstacles on the flow path. The measurement can be performed with the normal momentum of the respiratory gas as it is, and it is unlikely to be blocked by saturated vapor or the like. Also, the sterilization operation is easy. Furthermore, since there is almost no mechanical operation like a turbine type,
There is almost no deterioration over time, and the responsiveness is improved.

【0009】また、請求項1に記載の発明は、3つの受
信器を用い2種類の位相差を検出する方式なので、従来
の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構
成で済み、コストを抑えることができる。さらに、送信
波としてバースト波を用いているので、連続波を用いて
いた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的
とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、
流体が気体であっても十分に適用可能となる。
The first aspect of the present invention is a system for detecting two types of phase differences using three receivers, and therefore has a simple circuit configuration as compared with a conventional time difference type ultrasonic flow meter. And cost can be reduced. Furthermore, since a burst wave is used as a transmission wave, compared with a conventional phase difference type ultrasonic flowmeter using a continuous wave, it is possible to efficiently detect only a target reception wave,
Even if the fluid is a gas, it is sufficiently applicable.

【0010】ここで、バースト波とは、限られた一定時
間連続する連続波であって、連続波と連続波との間があ
る程度間隔がある波のことである。また、角度θは、9
0度以外の値である。さらに、基準波とは、呼吸気の流
れがないときに送信器より発信されたバースト波であ
る。この場合、基準波の位相データについては、実際に
受信器により受信された受信信号から得てもよいし、計
算により求めることも可能であるので信号発生回路等か
ら得るように構成してもよい。
Here, the burst wave is a continuous wave that is continuous for a limited period of time and has a certain interval between the continuous waves. The angle θ is 9
It is a value other than 0 degrees. Further, the reference wave is a burst wave transmitted from the transmitter when there is no flow of respiratory gas. In this case, the phase data of the reference wave may be obtained from the received signal actually received by the receiver or may be obtained by calculation, and thus may be obtained from a signal generation circuit or the like. .

【0011】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の超音波流量計において、前記第1の超音波受信器と前
記第2の超音波受信器の受信信号の位相を比較しその結
果を出力する第1の位相比較器と、前記第3の超音波受
信器の受信信号と前記基準波に相当する基準波信号の位
相を比較しその結果を出力する第2の位相比較器と、前
記第1の位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器か
ら送信され呼吸気を伝播してきた前記バースト波が受信
されると予想される時間帯に、前記第1及び第2の超音
波受信器により受信された信号に対応する出力のみサン
プリングする第1のサンプルホールド回路と、前記第2
の位相比較器の出力のうち、前記時間帯に前記第3の超
音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサ
ンプリングする第2のサンプルホールド回路と、を備え
ることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the ultrasonic flowmeter according to the first aspect, the phases of the reception signals of the first ultrasonic receiver and the second ultrasonic receiver are compared to each other. A first phase comparator that outputs a result, a second phase comparator that compares a phase of a reference signal corresponding to the reference wave with a reception signal of the third ultrasonic receiver, and outputs a result of the comparison. , When the burst wave transmitted from the ultrasonic transmitter and propagating through the respiratory gas is expected to be received, the first and second ultrasonic signals are output from the first phase comparator. A first sample and hold circuit for sampling only an output corresponding to a signal received by the sound wave receiver;
And a second sample-and-hold circuit that samples only the output corresponding to the signal received by the third ultrasonic receiver in the time period among the outputs of the phase comparator.

【0012】請求項2に記載の発明によれば、サンプル
ホールド回路により、位相比較器の出力のうち、前記超
音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきたバースト
波が受信されると予想される時間帯に受信された信号に
対応する出力のみサンプリングされることから、受信信
号のうち流路の壁部を伝播する信号や反射信号等の各種
ノイズが除かれて、目的とする信号のみ取り出され、以
後の演算処理を正確に行うことができる。
According to the second aspect of the present invention, it is expected that the sample hold circuit receives, from the output of the phase comparator, a burst wave transmitted from the ultrasonic transmitter and transmitted through the respiratory gas. Since only the output corresponding to the signal received during a certain time period is sampled, various noises such as a signal propagating through the wall of the flow path and a reflected signal are removed from the received signal, and only the intended signal is extracted. Thus, the subsequent arithmetic processing can be performed accurately.

【0013】請求項3に記載の発明は、請求項2に記載
の超音波流量計において、前記3個の超音波受信器によ
り前記バースト波が受信されない時間帯に、前記第1の
位相比較器に対して、90度の位相差を有する2つの模
擬信号を入力し、前記第2の位相比較器に対して、前記
基準波信号と、この基準波信号と90度の位相差を有す
る模擬信号を入力することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the ultrasonic flowmeter according to the second aspect, the first phase comparator is used during a time period when the burst waves are not received by the three ultrasonic receivers. , Two simulation signals having a phase difference of 90 degrees are input to the second phase comparator, and the reference signal and a simulation signal having a phase difference of 90 degrees from the reference signal are input to the second phase comparator. Is input.

【0014】請求項3に記載の発明によれば、バースト
波が受信されていない時にも、第1および第2の位相比
較器には、90度の位相差を有する2つの信号が入力さ
れることから、これにより、第1および第2の位相比較
器の動作を安定化させることができる。
According to the third aspect of the present invention, even when the burst wave is not received, two signals having a phase difference of 90 degrees are input to the first and second phase comparators. Therefore, this makes it possible to stabilize the operations of the first and second phase comparators.

【0015】請求項4に記載の発明は、請求項2または
3に記載の超音波流量計において、前記第1の位相比較
器の出力のうち、直流成分をカットするフィルタを備え
ることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the ultrasonic flowmeter according to the second or third aspect, further comprising a filter for cutting a direct current component from the output of the first phase comparator. I do.

【0016】請求項4に記載の発明によれば、フィルタ
により第1の位相比較器の出力のうち直流成分をカット
することから、この超音波流量計に備えられる回路内部
で発生するオフセット電圧の影響や、信号の時間的な不
安定さによる演算誤差の影響が除かれ、第1の位相差に
ついて安定した出力を取り出すことができる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the DC component is cut out of the output of the first phase comparator by the filter, the offset voltage generated inside the circuit provided in the ultrasonic flowmeter can be reduced. The influence of the calculation error due to the influence of the signal and the temporal instability of the signal is removed, and a stable output can be obtained for the first phase difference.

【0017】請求項1〜4のいずれかに記載の超音波流
量計は上記のように優れた作用・効果を有することか
ら、請求項5に記載の発明のように、酸素消費量計に好
適に用いることができる。
Since the ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 4 has the above-mentioned excellent functions and effects, it is suitable for an oxygen consumption meter as in the invention according to claim 5. Can be used.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図1〜図5の図面を参照しながら説明する。図1
は、本発明の超音波流量計の基本的な構成を示す図であ
る。図1の超音波流量計1は、酸素消費量計に備えられ
るもので、マスク3、プラスチック製の流路2とから主
に構成され、流路2の壁部に形成された複数の開孔(図
2に1つだけ図示)に、1つの送信器(超音波送信器)
4と、3つの受信器(超音波受信器)5a、5b、5c
が対向するように設けられている。受信器(第3の超音
波受信器)5bは、送信器4の正面に位置するように設
けられ、受信器5a、5c(第1、第2の超音波受信
器)は、送信器4と受信器5a、5cを結ぶ直線が流路
2の呼吸気の流れの方向に対して、±θの角度を有する
ように、受信器5bの左右に設けられている。送信器4
は一定の間隔で超音波を発し、その超音波を受信器5
a、5b、5cが受信するようになっている。送信器4
が発する超音波は、限られた一定時間連続する連続波で
あって、連続波と連続波との間がある程度間隔があり、
ここではバースト波という。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an ultrasonic flowmeter of the present invention. The ultrasonic flow meter 1 shown in FIG. 1 is provided in an oxygen consumption meter and mainly includes a mask 3 and a plastic flow path 2, and has a plurality of openings formed in a wall of the flow path 2. (Only one is shown in FIG. 2), one transmitter (ultrasonic transmitter)
4 and three receivers (ultrasonic receivers) 5a, 5b, 5c
Are provided so as to face each other. The receiver (third ultrasonic receiver) 5b is provided so as to be located in front of the transmitter 4, and the receivers 5a and 5c (first and second ultrasonic receivers) are The receivers 5a and 5c are provided on the left and right sides of the receiver 5b such that a straight line connecting the receivers 5a and 5c has an angle of ± θ with respect to the direction of the flow of the respiratory gas in the flow path 2. Transmitter 4
Emits ultrasonic waves at regular intervals and outputs the ultrasonic waves to the receiver 5
a, 5b, and 5c receive. Transmitter 4
Is a continuous wave that is continuous for a limited period of time, there is a certain interval between the continuous wave,
Here, it is called a burst wave.

【0019】送信器4と、受信器5a〜5cは、ほぼ同
様の構造を有し、図2にそれらの構造の概略を示した。
送信器4(受信器5a〜5c)は、流路2内の開孔2a
内に填め込まれた金属ホルダ12内部に、超音波を発す
る圧電素子14が接着剤13を介して固定されてなるも
ので、防滴構造となっている。金属ホルダ12と開孔2
aの間は、ゴム等の材質のOリング11,11によりシ
ールされている。開孔2aの上部、すなわち金属ホルダ
12の上部は、ゴム等からなる弾性板10によって被わ
れ、この弾性板10上は固定板18によって被われてい
る。そして、金属ホルダ12は、固定板18、弾性板1
0を貫通して流路2の壁部2bにねじ込まれた締結ネジ
17,17により、開孔2a内に固定されている。圧電
素子14と接続されるリード線18、18は弾性板1
0、固定板18を貫通して送受信器の外部に延出してい
る。なお、前記弾性板10は、流路2を経由して送受信
器間を伝播する超音波成分を軽減するため、設けられて
いる。
The transmitter 4 and the receivers 5a to 5c have substantially the same structure, and FIG. 2 schematically shows the structure.
The transmitter 4 (receivers 5a to 5c) has an opening 2a in the flow path 2.
A piezoelectric element 14 that emits ultrasonic waves is fixed via an adhesive 13 inside a metal holder 12 inserted therein, and has a drip-proof structure. Metal holder 12 and opening 2
The space between a is sealed by O-rings 11 made of a material such as rubber. The upper part of the opening 2a, that is, the upper part of the metal holder 12 is covered with an elastic plate 10 made of rubber or the like, and the elastic plate 10 is covered with a fixing plate 18. The metal holder 12 includes the fixing plate 18 and the elastic plate 1.
0, and is fixed in the opening 2a by fastening screws 17, 17 screwed into the wall portion 2b of the flow channel 2. The lead wires 18 connected to the piezoelectric element 14 are the elastic plates 1.
0, penetrating through the fixing plate 18 and extending to the outside of the transceiver. The elastic plate 10 is provided to reduce an ultrasonic component propagating between the transmitter and the receiver via the flow path 2.

【0020】ここで、図1で示す送信器4から受信器5
a〜5cに送信される超音波の伝播について、次のよう
に解析される。この超音波流量計1では、超音波を発生
させる際、前記圧電素子13に対して、駆動電圧を印加
し(図4(a))、それを受けて、発信器4から(送信
波)は、図4(b)に示すように、一定時間連続したバ
ースト波としての超音波が発せられる。
Here, the transmitter 4 to the receiver 5 shown in FIG.
The propagation of the ultrasonic waves transmitted to a to 5c is analyzed as follows. In the ultrasonic flow meter 1, when generating an ultrasonic wave, a drive voltage is applied to the piezoelectric element 13 (FIG. 4A), and upon receiving the drive voltage, the transmitter 4 transmits a (transmitted wave). As shown in FIG. 4 (b), an ultrasonic wave is emitted as a continuous burst wave for a certain period of time.

【0021】ある時刻に送信器4からバースト波が発生
した時、流体(ここでは吸気)を伝播して受信器5a〜
5cに超音波が到達するまでの時間は、受信器5a、5
b、5cそれぞれに到達した時間を、Ta、Tb、Tc
とすると、 Ta=L/(C1+V1cosθ) (1) Tc=L/(C1−V1cosθ) (2) Tb=D/C1 (3) である。ここで、Lは送信器4と受信器5a、5cとの
距離、Dは流路2の径、C1は吸気時の音速、V1は吸
気の流速である。また、Ta−TcをΔTとすると、 ΔT=−2Dcotθ・V1/(C12−V12cos2θ) (4) ここで、C12≫V12cos2θであるから、 ΔT=−2Dcotθ・V1/C12 (5) となる。
When a burst wave is generated from the transmitter 4 at a certain time, a fluid (here, suction) is propagated and the receivers 5a to 5a.
The time until the ultrasonic wave reaches 5c is determined by the receivers 5a and 5c.
Ta, Tb, and Tc are the times of arrival at b, 5c, respectively.
Then, Ta = L / (C1 + V1cosθ) (1) Tc = L / (C1−V1cosθ) (2) Tb = D / C1 (3) Here, L is the distance between the transmitter 4 and the receivers 5a and 5c, D is the diameter of the flow path 2, C1 is the sound speed at the time of intake, and V1 is the flow rate of the intake. Furthermore, when the Ta-Tc and ΔT, ΔT = -2Dcotθ · V1 / (C1 2 -V1 2 cos 2 θ) (4) where, because a C1 2 »V1 2 cos 2 θ, ΔT = -2Dcotθ · V1 / C1 2 (5)

【0022】呼気時において、受信器5a、5b、5c
それぞれに到達した時間を、Ta’、Tb’、Tc’と
すると、上記と同様に表され、 Tb’=D/C2 (6) ΔT’=2Dcotθ・V2/C22 (7) である。ただし、C2は呼気時の音速、V2は呼気の流
速、ΔT’=Ta−Tcである。
At the time of exhalation, the receivers 5a, 5b, 5c
The time reaching the respective, Ta ', Tb', 'When, expressed in the same manner as described above, Tb' Tc is = D / C2 (6) ΔT '= 2Dcotθ · V2 / C2 2 (7). Here, C2 is the sound speed at the time of expiration, V2 is the flow speed of expiration, and ΔT ′ = Ta−Tc.

【0023】式(5)、式(7)から明らかなように、
呼吸気の流速V1、V2は、ΔT、ΔT’と、C1、C
2と、図1に示すD、θの値から、求めることができ
る。
As is apparent from equations (5) and (7),
The flow rates V1 and V2 of the respiratory gas are ΔT, ΔT ′, C1, C
2 and the values of D and θ shown in FIG.

【0024】前述のように、送信波が限られた一定時間
連続であることから、受信器5a〜5cが受信する超音
波(受信波)もある程度の時間連続である。その受信波
が連続している時間内における、受信器5a、5cが受
信する受信波の位相差(第1位相差とする)Δφ(吸気
時)、Δφ’(呼気時)は、受信波の角周波数をωとす
ると、(8)式、(9)式のように表すことができる。 Δφ=ωΔT (8) Δφ’=ωΔT’ (9) 本実施の形態では、時間差ΔT、ΔT’を、これらをω
倍した第1位相差Δφ、Δφ’として検出し、高感度に
検出できるようになっている。
As described above, since the transmission waves are continuous for a limited period of time, the ultrasonic waves (received waves) received by the receivers 5a to 5c are also continuous for some time. The phase difference (first phase difference) Δφ (during inspiration) and Δφ ′ (during expiration) of the reception waves received by the receivers 5a and 5c within the time period in which the reception waves are continuous are the same as those of the reception waves. Assuming that the angular frequency is ω, the angular frequency can be expressed as in equations (8) and (9). Δφ = ωΔT (8) Δφ ′ = ωΔT ′ (9) In the present embodiment, the time differences ΔT and ΔT ′ are represented by ω
Detected as the first phase differences Δφ and Δφ 'which are multiplied, and can be detected with high sensitivity.

【0025】そして、受信器5bが吸気の流れがあると
きに受信した受信波と、基準波との位相差をΔφC1
し、呼気の流れがあるときに受信した受信波と基準波と
の位相差をΔφC2とすると、 ΔφC1=ωΔTb (10) ΔφC2=ωΔTb’ (11) となる。
The phase difference between the received wave received by the receiver 5b when there is an inspiratory flow and the reference wave is Δφ C1 , and the position of the received wave and the reference wave received when there is an expiratory flow is Assuming that the phase difference is Δφ C2 , Δφ C1 = ωΔTb (10) Δφ C2 = ωΔTb '(11)

【0026】後述する信号処理回路80においては、前
記基準波は、校正時の受信信号に対して90度の位相差
になるように設定されている。よって、実際に位相比較
器36(図3)の出力であるΔφC1について、吸気の場
合を例にすると、 ΔφC1=ωΔTb∽ω(D/C0−D/C1)=ωD(1/C0−1/C1) =ωDΔC1/C02 となる。ただし、C0は機器の流量校正時の音速(既
知)で、C1=C0+ΔC1である。また、ΔC1はC
0に対する音速の変化幅を表し、C0≫ΔC1である。
すなわち、位相比較器36の出力は音速の変化(ΔC
1)に対応するものである。C0は既知であることか
ら、これによりC1は算出される。呼気の場合のΔφC2
も同様に求められる。なお、当然のことながら、基準波
の音速は予想される呼吸気の音速変化幅のほぼ中央付近
に選択されることが望ましい。
In the signal processing circuit 80 described later, the reference wave is set so as to have a phase difference of 90 degrees with respect to the received signal at the time of calibration. Therefore, for Δφ C1 which is actually the output of the phase comparator 36 (FIG. 3), taking the case of intake as an example, Δφ C1 = ωΔTb∽ω (D / C0−D / C1) = ωD (1 / C0−) a 1 / C1) = ωDΔC1 / C0 2. Here, C0 is the sound speed (known) at the time of the flow rate calibration of the device, and C1 = C0 + ΔC1. ΔC1 is C
It represents the width of change of the sound speed with respect to 0, and C0≫ΔC1.
That is, the output of the phase comparator 36 indicates a change in the speed of sound (ΔC
This corresponds to 1). Since C0 is known, C1 is thereby calculated. Δφ C2 for exhalation
Is similarly required. Naturally, it is desirable that the sound speed of the reference wave be selected near the center of the expected sound speed change width of the respiratory gas.

【0027】そして、第2位相差ΔφC1、ΔφC2から音
速C1、C2が、第1位相差Δφ、Δφ’からΔT、Δ
T’が求められると、前述のように、式(5)あるいは
式(7)より、流速V1、V2が求められるようになっ
ている。
Then, the sound velocities C1 and C2 are obtained from the second phase differences Δφ C1 and Δφ C2 , and ΔT and ΔT are obtained from the first phase differences Δφ and Δφ '.
When T 'is determined, as described above, the flow velocities V1 and V2 are determined from Expression (5) or Expression (7).

【0028】図3は、超音波流量計1の信号処理回路8
0の構成を示すブロック図である。この信号処理回路8
0は、超音波を送受信し、それにより、上記で説明した
Δφ、Δφ’、ΔφC1、ΔφC2を検出するものである。
信号処理回路80は、主に、ブロック50、60、70
とから構成される。ブロック50は、送信器4に超音波
を発信させるとともに、各種演算用信号および制御信号
を発生する機能を有する。ブロック60は、主に、受信
器5a、5b、5cが受信した受信波を波形整形する機
能を有する。また、ブロック70は、主に、上記位相差
Δφ、Δφ’、ΔφC1、ΔφC2に対応する信号のみを取
り出す機能を有する。
FIG. 3 shows a signal processing circuit 8 of the ultrasonic flow meter 1.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a 0. This signal processing circuit 8
0 transmits and receives ultrasonic waves, and thereby detects Δφ, Δφ ′, Δφ C1 , and Δφ C2 described above.
The signal processing circuit 80 mainly includes the blocks 50, 60, 70
It is composed of The block 50 has a function of transmitting ultrasonic waves to the transmitter 4 and generating various operation signals and control signals. The block 60 mainly has a function of shaping the waveform of the received waves received by the receivers 5a, 5b, and 5c. The block 70 mainly has a function of extracting only signals corresponding to the phase differences Δφ, Δφ ′, Δφ C1 and Δφ C2 .

【0029】次に、図3の各部の機能を、信号処理回路
80の動作と関連づけながら説明する。はじめに、Δ
φ、Δφ’の検出について説明する。まず、信号発生回
路23からの指示信号に基づき、駆動回路22から図4
(a)に示すような大きな振幅を有し一定時間連続する
駆動電圧が、発振器21で決定される周期で、送信器4
に対して印加される。ここで駆動電圧が印加される周期
は、流路2内の反射波が十分に減衰し受信器5a〜5c
によって受信されなくなるような間隔であり、通常、1
0〜20m秒である。駆動電圧が印加されると送信器4
からは、図4(b)に示すような連続した波形を有する
バースト波が発せられ、受信器5a〜5cによって受信
される。受信器5a、5cによって受信されると、受信
信号はブロック60の増幅器24、30で増幅され、増
幅器24の出力は移相器25を介して波形整形回路26
に送られ、増幅器30からの出力は波形整形回路31に
送られる。波形整形回路26、31は、入力された波形
を、整形し矩形波に変換する。ここでの矩形波の立ち上
がりの時間は、吸気の場合Ta、Tcに相当し、呼気の
場合Ta’、Tc’に相当する。
Next, the function of each section in FIG. 3 will be described in relation to the operation of the signal processing circuit 80. First, Δ
The detection of φ and Δφ 'will be described. First, based on the instruction signal from the signal generation circuit 23, the drive circuit 22
A drive voltage having a large amplitude and continuing for a certain period of time as shown in FIG.
Applied to Here, the period in which the drive voltage is applied is such that the reflected waves in the flow path 2 are sufficiently attenuated and the receivers 5a to 5c
Interval that is no longer received by
0 to 20 msec. When the driving voltage is applied, the transmitter 4
Then, a burst wave having a continuous waveform as shown in FIG. 4B is emitted, and is received by the receivers 5a to 5c. When received by the receivers 5a, 5c, the received signal is amplified by the amplifiers 24, 30 of the block 60, and the output of the amplifier 24 is passed through the phase shifter 25 to the waveform shaping circuit 26.
And the output from the amplifier 30 is sent to the waveform shaping circuit 31. The waveform shaping circuits 26 and 31 shape the input waveform and convert it into a rectangular wave. Here, the rise time of the rectangular wave corresponds to Ta and Tc in the case of inhalation, and corresponds to Ta ′ and Tc ′ in the case of exhalation.

【0030】波形整形回路26,31から出力された矩
形波は、ブロック70の位相比較器(第1の位相比較
器)32に入力する。この位相比較器32では、「ωΔ
T」あるいは「ωΔT’」なる演算、つまりΔφまたはΔ
φ’を求める演算処理が行われる。この演算処理におい
て、連続した入力波の場合、リニアな出力が得られる入
力位相差は180°の範囲に限定される。よって、流量
(呼吸気)ゼロ時の動作基準点を90°とすると、入力
範囲を最も大きく確保することができる。受信器5aと
受信機5cは送信器4に対して等しい距離に位置するこ
とから、流量ゼロの時には、受信器5a、5cの受信波
は同相である。そこで、ブロック60に移相器25を設
け、位相比較器32において流量ゼロの時に入力の位相
差が90°になるように、受信器5cの受信波の移相を
移相器25によりシフトさせるようになっている。
The rectangular waves output from the waveform shaping circuits 26 and 31 are input to a phase comparator (first phase comparator) 32 of a block 70. In this phase comparator 32, “ωΔ
T ”or“ ωΔT ′ ”, that is, Δφ or Δ
Calculation processing for obtaining φ ′ is performed. In this arithmetic processing, in the case of a continuous input wave, the input phase difference at which a linear output is obtained is limited to a range of 180 °. Therefore, if the operation reference point when the flow rate (breathing air) is zero is 90 °, the largest input range can be ensured. Since the receiver 5a and the receiver 5c are located at the same distance from the transmitter 4, when the flow rate is zero, the reception waves of the receivers 5a and 5c are in phase. Therefore, the phase shifter 25 is provided in the block 60, and the phase shifter 25 shifts the phase of the reception wave of the receiver 5c so that the input phase difference becomes 90 ° when the flow rate is zero in the phase comparator 32. It has become.

【0031】なお、送信器4から発せられる超音波はバ
ースト波であることから、受信信号のみを位相比較器3
2へ入力するように構成すると、入力信号が離散的なも
のになってしまい、ほとんどの時刻では入力信号はない
ことになってしまう。そこで、位相比較器32の動作を
安定化するため、入力信号がないときには、前記信号発
生回路23から前記波形整形回路26、31に対して、
信号線P1、P2に示すように、90°の位相差を有す
る模擬信号を入力するようになっている。このような模
擬信号を入力することによって、図5に示すように位相
比較器32には常に信号が入力することになり、受信器
5a、5cが受信波を受信していないときには、図5中
の点線で示すように、90°位相がずれた信号が入力
し、受信器5a、5cが受信波を受信すれば、図5中の
実線で示すように、前記位相差ΔφまたはΔφ’を有す
る信号が入力する。
Since the ultrasonic wave emitted from the transmitter 4 is a burst wave, only the received signal is compared with the phase comparator 3
When inputting to 2 is performed, the input signal becomes discrete, and there is no input signal at most times. Therefore, in order to stabilize the operation of the phase comparator 32, when there is no input signal, the signal generation circuit 23 sends a signal to the waveform shaping circuits 26 and 31.
As shown by signal lines P1 and P2, a simulation signal having a phase difference of 90 ° is input. By inputting such a simulation signal, a signal is always input to the phase comparator 32 as shown in FIG. 5, and when the receivers 5a and 5c do not receive the reception wave, the signals in FIG. As shown by the dotted line, if a signal having a phase shift of 90 ° is input and the receivers 5a and 5c receive the received wave, the signals have the phase difference Δφ or Δφ ′ as shown by the solid line in FIG. A signal is input.

【0032】位相比較器32において求められたΔφ、
Δφ’に対応する信号は、ローパスフィルタ33に送ら
れる。該ローパスフィルタ33は、位相比較器32から
出力された矩形状の波形をアナログ電圧に変換し、サン
プルホールド回路34に出力する。
Δφ obtained by the phase comparator 32,
The signal corresponding to Δφ ′ is sent to the low-pass filter 33. The low-pass filter 33 converts the rectangular waveform output from the phase comparator 32 into an analog voltage and outputs the analog voltage to the sample-and-hold circuit 34.

【0033】サンプルホールド回路34は、ローパスフ
ィルタ33から入力された信号のうち、目的とする、呼
吸気を伝播した信号位相差に比例した信号のみをサンプ
ルホールドするものである。受信信号には、図4(c)
に示すように、目的とする信号成分(B部分)の他に、
誘導ノイズや流路2を構成する管を介して伝播するノイ
ズ(A部分)、流路2壁部からの反射ノイズ(C部分)
などが含まれている。しかし、図4からも明らかなよう
に、A部分のノイズは駆動電圧(図4(a))とほぼ同
時刻に受信され、またC部分のノイズは流路2内を径方
向において3回以上伝播した後に受信されることから、
目的のB部分の信号と、時間的に異なる時間に受信され
る。そこで、サンプルホールド回路34は、位相比較器
32の出力のうち、目的とするB部分の信号が受信され
ると予想される時間帯に、受信器5a、5cにより受信
された信号に対応する出力のみサンプリングする。
The sample-and-hold circuit 34 samples and holds only the target signal, which is proportional to the phase difference of the signal transmitted through the respiratory gas, from the signals input from the low-pass filter 33. FIG. 4 (c) shows the received signal.
As shown in the figure, in addition to the target signal component (part B),
Induction noise, noise propagating through the pipes constituting the flow path 2 (part A), and noise reflected from the wall of the flow path 2 (part C)
And so on. However, as is clear from FIG. 4, the noise of the portion A is received at substantially the same time as the drive voltage (FIG. 4A), and the noise of the portion C is more than three times in the flow path 2 in the radial direction. Because it is received after being propagated,
The signal is received at a different time from the signal of the target B portion. Therefore, the sample and hold circuit 34 outputs the output corresponding to the signal received by the receivers 5a and 5c in the time zone in which the signal of the target B portion is expected to be received among the outputs of the phase comparator 32. Only sample.

【0034】このサンプルホールド回路34が前記サン
プルホールドを行うタイミングと時間は、前記信号発生
回路23からのサンプルホールド信号(信号線P5)に
従っている。このサンプルホールド信号は図4(d)に
示すタイミングと時間で出力される。図4(d)で示
す、t1、t2は、計算上は、t1=L/C1あるいは
t1=L/C2、t2=3D/C1あるいはt2=3D
/C2であるが、前記圧電素子14からの超音波の発生
が、慣性による影響で図4(b)のように駆動電圧の発
生に対して少し遅れて生じ急激に立ち上がらないこと
や、あるいは接着剤13や金属ホルダ12の影響等も考
慮し、前記計算結果よりやや大きな値に設定される。
The timing and time at which the sample and hold circuit 34 performs the sample and hold is in accordance with the sample and hold signal (signal line P5) from the signal generation circuit 23. This sample hold signal is output at the timing and time shown in FIG. In the calculation, t1 and t2 shown in FIG. 4D are t1 = L / C1 or t1 = L / C2, t2 = 3D / C1 or t2 = 3D
/ C2, the generation of the ultrasonic wave from the piezoelectric element 14 is slightly delayed from the generation of the drive voltage due to the effect of inertia as shown in FIG. In consideration of the influence of the agent 13 and the metal holder 12, the value is set to a value slightly larger than the above calculation result.

【0035】サンプルホールド回路34から出力された
信号は、DCカット回路35に送られる。DCカット回
路35は、直流成分である低周波数成分(カット周波数
をfc以下とする)をカットし、交流成分のみ通過させ
るフィルタとしての役目を担う。呼気と吸気では、流れ
の方向が逆であり、流速(流量)を求めるためには、交
流成分のみでよいため、このような処理を行うことがで
きる。このDCカット回路35における処理により、回
路内部で発生するオフセット電圧の影響や、ブロック7
0で発生する各種信号の時間(1/fc以上)に対する
不安定さによる演算誤差の影響が除去される。ここで、
前記fc値としては、想定される安静時の最低呼吸周波
数に対して十分に小さい値が設定される。
The signal output from the sample and hold circuit 34 is sent to a DC cut circuit 35. The DC cut circuit 35 plays a role as a filter that cuts low frequency components (cut frequency is fc or less), which are DC components, and passes only AC components. In the case of expiration and inspiration, the flow directions are opposite, and only the AC component is required to obtain the flow velocity (flow rate). Therefore, such processing can be performed. Due to the processing in the DC cut circuit 35, the influence of the offset voltage generated inside the circuit and the block 7
The influence of the calculation error due to the instability on the time (1 / fc or more) of various signals generated at 0 is eliminated. here,
As the fc value, a value sufficiently smaller than the assumed lowest respiratory frequency at rest is set.

【0036】DCカット回路35から出力された信号
は、A/D(アナログ・デジタル)変換器39に入力
し、デジタル値に変換される。
The signal output from the DC cut circuit 35 is input to an A / D (analog / digital) converter 39 and is converted into a digital value.

【0037】次に、ΔφC1、ΔφC2の検出について説明
する。これは、既に述べたように、基準波と受信器5b
の受信信号を比較して、両者の位相差を求めることであ
る。信号処理回路80の各部で行われる具体的な処理
は、前記のΔφ、Δφ’を求める場合とほぼ同様であ
る。以下には、Δφ、Δφ’を求める場合とは異なる点
を中心に述べる。受信器5bにより受信された信号は、
増幅器27で増幅され、移相器28で基準波と90°位
相がずれた信号に変換される。次に、波形整形回路29
で矩形波に整形され、一方、受信器5bからの受信信号
がないときには、信号線P3で示すように、波形整形回
路29に、基準波に対して90°の位相差を有する模擬
信号が入力される。
Next, detection of Δφ C1 and Δφ C2 will be described. This is because, as already mentioned, the reference wave and the receiver 5b
Are compared to determine the phase difference between the two. The specific processing performed in each section of the signal processing circuit 80 is substantially the same as the case where Δφ and Δφ ′ are obtained. The following description focuses on differences from the case where Δφ and Δφ ′ are obtained. The signal received by the receiver 5b is
The signal is amplified by the amplifier 27 and converted into a signal having a phase shifted by 90 ° from the reference wave by the phase shifter 28. Next, the waveform shaping circuit 29
When there is no received signal from the receiver 5b, a simulation signal having a phase difference of 90 ° with respect to the reference wave is input to the waveform shaping circuit 29 as shown by a signal line P3. Is done.

【0038】次に、位相比較器(第2の位相比較器)3
6に対して、信号線P4に示すように、信号発生回路2
3より基準波に対応する基準波信号が出力される。これ
により、波形整形回路29から出力された信号と基準波
とが比較され、ωΔTb(ωΔTb‘)を求める演算処
理が行われる。なお、受信信号が位相比較器36に入力
していないときにも、波形整形回路29を介して基準波
に対して90°位相がずれた模擬信号が入力されること
から、位相比較器36には、基準波信号と模擬信号の2
つの信号が入力する。位相比較器36における比較結果
がローパスフィルタ37に出力され、サンプルホールド
回路38を介して、A/D変換器40に出力され、該A
/D変換器40においてデジタル値に変換され、音速C
1、C2の演算に用いられる。サンプルホールド回路3
8の機能は、前記サンプルホールド回路34と同様であ
り、信号発生回路23からのサンプルホールド信号(信
号線P6)に基づいて、ノイズ以外の受信信号のみサン
プリングするようになっている。
Next, a phase comparator (second phase comparator) 3
6, the signal generation circuit 2 as shown by the signal line P4.
3 outputs a reference wave signal corresponding to the reference wave. As a result, the signal output from the waveform shaping circuit 29 is compared with the reference wave, and a calculation process for obtaining ωΔTb (ωΔTb ′) is performed. Note that, even when the received signal is not input to the phase comparator 36, a simulation signal having a 90 ° phase shift with respect to the reference wave is input via the waveform shaping circuit 29. Is the reference signal and the simulation signal.
Input two signals. The comparison result in the phase comparator 36 is output to the low-pass filter 37, and is output to the A / D converter 40 via the sample-and-hold circuit 38.
Is converted into a digital value by the / D converter 40 and the sound speed C
1, used for calculation of C2. Sample hold circuit 3
The function of No. 8 is the same as that of the sample and hold circuit 34, and only the reception signal other than noise is sampled based on the sample and hold signal (signal line P6) from the signal generation circuit 23.

【0039】そして、本実施の形態の超音波流量計で
は、A/D変換器39、40からのデジタルデータに基
づき、流速V1、V2が求められ、流速V1、V2に、
流路2の断面積を乗じることによって、流量を求めるよ
うになっている。
In the ultrasonic flow meter according to the present embodiment, the flow velocities V1 and V2 are obtained based on the digital data from the A / D converters 39 and 40.
The flow rate is obtained by multiplying the cross-sectional area of the flow path 2.

【0040】なお、超音波流量計1で、毎秒ごとに得ら
れる信号のサンプル数は、50〜100個であり、呼吸
気流量の変化を再現するために十分な数である。
The number of samples of the signal obtained every second by the ultrasonic flow meter 1 is 50 to 100, which is a sufficient number to reproduce the change in the respiratory air flow.

【0041】以上の超音波流量計1によれば、流路2の
壁部の開孔2a内に送信器4と受信器5a、5b、5c
を埋め込んだ単純な構造であることから、従来の酸素消
費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式に
よる流量計が有する各種問題点を解決することができ
る。すなわち、構造が単純で流路上障害物がないことか
ら、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず
通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気など
で閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作
が容易である。さらに、機械的な動作部がないことか
ら、経時的な劣化もほとんどなく、応答性も改善され
る。
According to the above ultrasonic flow meter 1, the transmitter 4 and the receivers 5a, 5b, 5c are provided in the openings 2a in the wall of the flow path 2.
With the simple structure embedded with the flowmeter, it is possible to solve various problems of the hot wire type, laminar flow type, and turbine type flow meters used in the conventional oxygen consumption meter. In other words, since the structure is simple and there are no obstacles on the flow path, it is easy to make it mechanically strong, pressure loss does not occur, it can be measured with the normal momentum of breathing air, and it may be blocked by saturated steam etc. Hateful. Further, the sterilization operation is easy. Furthermore, since there is no mechanical operation part, there is almost no deterioration over time, and the responsiveness is improved.

【0042】また、3つの受信器5a〜5cを用い位相
差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流
量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストも抑え
ることができる。さらに、送信波としてバースト波を用
いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の
超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よ
く検出することが可能となり、流体が気体であっても十
分に適用できる。
Since the phase difference is detected using the three receivers 5a to 5c, a simple circuit configuration is required and the cost can be reduced as compared with a conventional time difference type ultrasonic flow meter. Furthermore, since a burst wave is used as a transmission wave, compared to a conventional phase difference type ultrasonic flow meter using a continuous wave, it is possible to efficiently detect only a target reception wave, and the fluid Is sufficiently applicable even if is a gas.

【0043】さらに、信号発生回路23からのサンプル
ホールド信号にしたがって、サンプルホールド回路3
4、38により、位相比較器32、36の出力のうち、
呼吸気中を伝播した前記バースト波が3個の超音波受信
器5a〜5cによって受信されると予想される時間帯に
受信された信号のみサンプリングされ、演算処理を正確
に行うことができる。
Further, according to the sample and hold signal from the signal generation circuit 23, the sample and hold circuit 3
4, 38, the outputs of the phase comparators 32, 36
Only the signals received in the time zones in which the burst waves propagated in the respiratory air are expected to be received by the three ultrasonic receivers 5a to 5c are sampled, and the arithmetic processing can be performed accurately.

【0044】加えて、信号発生回路23からの模擬信号
にしたがって、位相比較器32、36には受信信号が受
信されていない時にも、90度の位相差を有する2つの
信号が入力するように構成され、これにより、位相比較
器32、36の動作が安定化する。
In addition, according to the simulation signal from the signal generation circuit 23, two signals having a phase difference of 90 degrees are input to the phase comparators 32 and 36 even when no reception signal is received. Thus, the operation of the phase comparators 32 and 36 is stabilized.

【0045】また、DCカット回路35により、位相比
較器32の出力のうち直流成分がカットされることか
ら、信号処理回路80内で発生するオフセット電圧の影
響や、信号発生回路23から出される信号についての時
間的な不安定さによる演算誤差の影響が除去される。
Since the DC component of the output of the phase comparator 32 is cut by the DC cut circuit 35, the influence of the offset voltage generated in the signal processing circuit 80 and the signal output from the signal generation circuit 23 are removed. The effect of the calculation error due to the temporal instability of is removed.

【0046】以上のように、超音波流量計1は、従来の
流量計にはない顕著な作用・効果を有することから、酸
素消費量計に好適に用いることができる。
As described above, the ultrasonic flow meter 1 has remarkable functions and effects not found in the conventional flow meter, and thus can be suitably used for an oxygen consumption meter.

【0047】なお、本発明の超音波流量計は、特に、酸
素消費量計に好適に用いることができるものであり、酸
素消費量計としては、さらに酸素濃度計、二酸化炭素濃
度計、呼吸気を採取するサンプリング装置等が必要であ
る。また、本発明の超音波流量計は、酸素消費量計以外
の各種装置、機器等において流体の流量計として適用で
きることは勿論である。
The ultrasonic flow meter of the present invention can be suitably used especially for an oxygen consumption meter. Examples of the oxygen consumption meter include an oxygen concentration meter, a carbon dioxide concentration meter, and a respiratory gas. A sampling device or the like for sampling is required. Further, the ultrasonic flow meter of the present invention can be applied as a fluid flow meter in various devices and apparatuses other than the oxygen consumption meter.

【0048】[0048]

【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、呼吸気
が流れる流路の壁部の開孔に、1個の超音波送信器と3
個の超音波受信器を設置した超音波流量計であることか
ら、従来酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流
式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決
することができる。すなわち、流路の壁部の開孔に受信
器、送信器を埋め込んだ構造であるので、構造が単純で
流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にし
やすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのまま
で計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生
じにくい。また、滅菌操作も容易である。さらに、ター
ビン式のように機械的な動作がほとんどないことから、
経時的な劣化もほとんどなく、応答性の点でも改善され
る。
According to the first aspect of the present invention, one ultrasonic transmitter and three ultrasonic transmitters are provided in the opening of the wall of the flow path through which the respiratory air flows.
Since it is an ultrasonic flowmeter equipped with two ultrasonic receivers, it can solve various problems of the hot wire type, laminar flow type, and turbine type flowmeters conventionally used for oxygen consumption meters. it can. That is, since the receiver and transmitter are embedded in the opening in the wall of the flow path, the structure is simple and there are no obstacles on the flow path. The measurement can be performed with the normal momentum of the respiratory gas as it is, and it is unlikely to be blocked by saturated vapor or the like. Also, the sterilization operation is easy. Furthermore, since there is almost no mechanical operation like a turbine type,
There is almost no deterioration over time, and the responsiveness is improved.

【0049】また、請求項1に記載の発明によれば、3
つの受信器を用い2種類の位相差を検出する方式なの
で、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単
な回路構成で済み、コストを抑えることができる。さら
に、送信波としてバースト波を用いているので、連続波
を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較し
て、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能
となり、流体が気体であっても十分に適用可能となる。
Further, according to the first aspect of the invention, 3
Since two types of phase differences are detected using two receivers, a simple circuit configuration is required and costs can be reduced as compared with a conventional time difference type ultrasonic flow meter. Furthermore, since a burst wave is used as a transmission wave, compared to a conventional phase difference type ultrasonic flow meter using a continuous wave, it is possible to efficiently detect only a target reception wave, and the fluid Is sufficiently applicable even if is a gas.

【0050】請求項2に記載の発明によれば、請求項1
に記載の発明の効果に加えて、サンプルホールド回路に
より、位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から
送信され呼吸気を伝播してきたバースト波が受信される
と予想される時間帯に受信された信号に対応する出力の
みサンプリングされることから、受信信号のうち流路の
壁部を伝播する信号や反射信号等の各種ノイズが除かれ
て、目的とする信号のみ取り出され、以後の演算処理を
正確に行うことができる。
According to the second aspect of the present invention, the first aspect is provided.
In addition to the effects of the invention described in the above, by the sample and hold circuit, of the output of the phase comparator, during the time zone when it is expected that the burst wave transmitted from the ultrasonic transmitter and propagated in the respiratory air is expected to be received Since only the output corresponding to the received signal is sampled, various noises such as a signal propagating through the wall of the flow path and a reflected signal among the received signals are removed, and only the target signal is taken out. Arithmetic processing can be performed accurately.

【0051】請求項3に記載の発明によれば、請求項2
に記載の発明の効果に加えて、バースト波が受信されて
いない時にも、第1および第2の位相比較器には、90
度の位相差を有する2つの信号が入力されることから、
これにより、第1および第2の位相比較器の動作を安定
化させることができる。
According to the invention set forth in claim 3, according to claim 2
In addition to the effects of the invention described in (1), even when the burst wave is not received, the first and second phase comparators have 90
Since two signals having a phase difference of degrees are input,
Thus, the operations of the first and second phase comparators can be stabilized.

【0052】請求項4に記載の発明によれば、請求項2
または3に記載の発明の効果に加えて、フィルタにより
第1の位相比較器の出力のうち直流成分をカットするこ
とから、この超音波流量計に備えられる回路内部で発生
するオフセット電圧の影響や、信号の時間的な不安定さ
による演算誤差の影響が除かれ、第1の位相差について
安定した出力を取り出すことができる。
According to the invention described in claim 4, according to claim 2
Or, in addition to the effect of the invention described in 3 above, since the DC component is cut out of the output of the first phase comparator by the filter, the influence of the offset voltage generated inside the circuit provided in the ultrasonic flowmeter and In addition, the influence of the calculation error due to the temporal instability of the signal is removed, and a stable output can be obtained for the first phase difference.

【0053】請求項5に記載の発明のように、請求項1
〜4のいずれかに記載の超音波流量計は、酸素消費量計
に、好適に用いることができる。
As in the fifth aspect of the present invention, the first aspect
The ultrasonic flowmeter according to any one of the above-described items 4 to 4, can be suitably used for an oxygen consumption meter.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一例としての超音波流量計の基本的な
構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an ultrasonic flowmeter as an example of the present invention.

【図2】送受信器の概略構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of a transceiver.

【図3】図1の超音波流量計の信号処理回路の構成を示
すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a signal processing circuit of the ultrasonic flowmeter of FIG.

【図4】図1の超音波流量計における各種信号のタイミ
ングを説明するための図であり、(a)は駆動電圧、
(b)は送信波、(c)は受信波、(d)はサンプルホ
ールド信号について示す。
FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining timings of various signals in the ultrasonic flowmeter of FIG. 1, wherein FIG.
(B) shows a transmission wave, (c) shows a reception wave, and (d) shows a sample hold signal.

【図5】図1の位相比較器に入力する信号を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram illustrating signals input to the phase comparator of FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超音波流量計 2 流路 2a 開孔 4 送信器(超音波送信器) 5a 受信器(第1超音波受信器) 5b 受信器(第3超音波受信器) 5c 受信器(第2超音波受信器) 22 駆動回路 23 信号発生回路 24、27、30 増幅器 25、28 移相器 26、29、31 波形整形回路 32 位相比較器(第1の位相比較器) 36 位相比較器(第2の位相比較器) 33、37 ローパスフィルタ 34 サンプルホールド回路(第1のサンプルホール
ド回路) 38 サンプルホールド回路(第2のサンプルホール
ド回路) 35 DCカット回路(フィルタ) 39、40 A/D変換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic flow meter 2 Flow path 2a Opening 4 Transmitter (ultrasonic transmitter) 5a Receiver (first ultrasonic receiver) 5b Receiver (third ultrasonic receiver) 5c Receiver (second ultrasonic wave) Receiver) 22 Drive circuit 23 Signal generation circuit 24, 27, 30 Amplifier 25, 28 Phase shifter 26, 29, 31 Waveform shaping circuit 32 Phase comparator (first phase comparator) 36 Phase comparator (second Phase comparator) 33, 37 low-pass filter 34 sample-hold circuit (first sample-hold circuit) 38 sample-hold circuit (second sample-hold circuit) 35 DC cut circuit (filter) 39, 40 A / D converter

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、1
個の超音波送信器とこの超音波送信器に対向するように
3個の超音波受信器とが設けられ、 前記3個の超音波受信器のうち第1の超音波受信器は、
この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が呼
吸気の流れる方向に対して+θの角度を有するように設
置され、第2の超音波受信器は、この超音波受信器と前
記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対して−θの
角度を有するように設置され、第3の超音波受信器は、
この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前
記方向に対してほぼ直交するように設置され、 呼吸気が前記流路を流れているときに前記超音波送信器
より超音波をバースト波として送信し、前記第1の超音
波受信器と前記第2の超音波受信器との受信信号の位相
差である第1の位相差と、前記第3の超音波受信器の受
信信号と基準波との位相差である第2の位相差とを検出
し、 前記第1の位相差と前記第2の位相差に基づいて、前記
呼吸気の流量を求めることを特徴とする超音波流量計。
1. An opening in a wall of a flow path through which breathing air flows
Three ultrasonic transmitters and three ultrasonic receivers are provided so as to face the ultrasonic transmitter, and a first ultrasonic receiver among the three ultrasonic receivers is:
A straight line connecting the ultrasonic receiver and the ultrasonic transmitter is installed so as to have an angle of + θ with respect to a direction in which the respiratory gas flows, and a second ultrasonic receiver includes the ultrasonic receiver and the ultrasonic transmitter. The straight line connecting the ultrasonic transmitter is installed so as to have an angle of -θ with respect to the direction, the third ultrasonic receiver,
A straight line connecting the ultrasonic receiver and the ultrasonic transmitter is installed so as to be substantially orthogonal to the direction. When the respiratory gas is flowing through the flow path, the ultrasonic transmitter transmits ultrasonic waves. A first phase difference that is transmitted as a burst wave and is a phase difference between reception signals of the first ultrasonic receiver and the second ultrasonic receiver, and a reception signal of the third ultrasonic receiver And detecting a second phase difference that is a phase difference between the first and second reference waves, and determining a flow rate of the respiratory air based on the first and second phase differences. Flowmeter.
【請求項2】 前記第1の超音波受信器と前記第2の超
音波受信器の受信信号の位相を比較しその結果を出力す
る第1の位相比較器と、 前記第3の超音波受信器の受信信号と前記基準波に相当
する基準波信号の位相を比較しその結果を出力する第2
の位相比較器と、 前記第1の位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器
から送信され呼吸気を伝播してきた前記バースト波が受
信されると予想される時間帯に、前記第1及び第2の超
音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサ
ンプリングする第1のサンプルホールド回路と、 前記第2の位相比較器の出力のうち、前記時間帯に前記
第3の超音波受信器により受信された信号に対応する出
力のみサンプリングする第2のサンプルホールド回路
と、 を備えることを特徴とする請求項1に記載の超音波流量
計。
2. A first phase comparator for comparing phases of reception signals of the first ultrasonic receiver and the second ultrasonic receiver and outputting the result, and a third ultrasonic reception. And comparing the phase of the received signal of the detector with the phase of the reference wave signal corresponding to the reference wave and outputting the result.
A phase comparator of the output of the first phase comparator, during the time zone in which it is expected that the burst wave transmitted from the ultrasonic transmitter and propagating the respiratory gas is expected to be received, A first sample-and-hold circuit that samples only an output corresponding to a signal received by the second ultrasonic receiver; and, among the outputs of the second phase comparator, the third ultrasonic wave during the time period. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, further comprising: a second sample and hold circuit that samples only an output corresponding to a signal received by the receiver.
【請求項3】 前記3個の超音波受信器により前記バー
スト波が受信されない時間帯に、 前記第1の位相比較器に対して、90度の位相差を有す
る2つの模擬信号を入力し、 前記第2の位相比較器に対して、前記基準波信号と、こ
の基準波信号と90度の位相差を有する模擬信号を入力
することを特徴とする請求項2に記載の超音波流量計。
3. During a time period when the burst waves are not received by the three ultrasonic receivers, two simulation signals having a phase difference of 90 degrees are input to the first phase comparator, The ultrasonic flowmeter according to claim 2, wherein the reference wave signal and a simulation signal having a phase difference of 90 degrees from the reference wave signal are input to the second phase comparator.
【請求項4】 前記第1の位相比較器の出力のうち、直
流成分をカットするフィルタを備え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。
4. The ultrasonic flowmeter according to claim 2, further comprising a filter that cuts a direct-current component of the output of the first phase comparator.
【請求項5】 酸素消費量計に備えられることを特徴と
する請求項1〜4のいずれかに記載の超音波流量計。
5. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, which is provided in an oxygen consumption meter.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005233747A (en) * 2004-02-19 2005-09-02 Tokimec Inc Ultrasonic flowmeter and method for measuring flow velocity
JP2009505054A (en) * 2005-08-13 2009-02-05 フロウネティクス リミテッド Low power ultrasonic flow measurement
CN113679374A (en) * 2021-08-18 2021-11-23 清华珠三角研究院 Main flow type expiratory carbon dioxide concentration and respiratory flow detection device and method
WO2022027091A1 (en) * 2020-08-03 2022-02-10 Uscom Limited Ultrasonic gas flow calibration device

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005233747A (en) * 2004-02-19 2005-09-02 Tokimec Inc Ultrasonic flowmeter and method for measuring flow velocity
JP4580178B2 (en) * 2004-02-19 2010-11-10 東京計器株式会社 Ultrasonic flowmeter and flow velocity measurement method
JP2009505054A (en) * 2005-08-13 2009-02-05 フロウネティクス リミテッド Low power ultrasonic flow measurement
WO2022027091A1 (en) * 2020-08-03 2022-02-10 Uscom Limited Ultrasonic gas flow calibration device
CN113679374A (en) * 2021-08-18 2021-11-23 清华珠三角研究院 Main flow type expiratory carbon dioxide concentration and respiratory flow detection device and method

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