JP2002014166A - 音波計測装置 - Google Patents
音波計測装置Info
- Publication number
- JP2002014166A JP2002014166A JP2000197741A JP2000197741A JP2002014166A JP 2002014166 A JP2002014166 A JP 2002014166A JP 2000197741 A JP2000197741 A JP 2000197741A JP 2000197741 A JP2000197741 A JP 2000197741A JP 2002014166 A JP2002014166 A JP 2002014166A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- sound wave
- beat
- circuit
- transmission
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 音波の伝搬時間を高精度で計測することであ
る。 【解決手段】 送信信号生成回路３が所定周期で信号レ
ベルが掃引される変調信号で周波数変調された送信信号
を送信素子２ａに入力して送信素子２ａから送信音波を
発し、該送信音波を受信素子２ｂで受信してその受信信
号を、混合回路４５にて送信信号生成回路３から出力さ
れた送信信号と混合してうなり信号を発生し、うなりか
ら音波の伝搬時間を求めるように構成するとともに、受
信信号を混合回路４５に入力するに先立ち二値化する二
値化回路４２を設けて耐ノイズ性を高める。
る。 【解決手段】 送信信号生成回路３が所定周期で信号レ
ベルが掃引される変調信号で周波数変調された送信信号
を送信素子２ａに入力して送信素子２ａから送信音波を
発し、該送信音波を受信素子２ｂで受信してその受信信
号を、混合回路４５にて送信信号生成回路３から出力さ
れた送信信号と混合してうなり信号を発生し、うなりか
ら音波の伝搬時間を求めるように構成するとともに、受
信信号を混合回路４５に入力するに先立ち二値化する二
値化回路４２を設けて耐ノイズ性を高める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は音波計測装置に関
し、特に伝搬時間の計測精度の向上に関する。
し、特に伝搬時間の計測精度の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】音波、特に超音波は魚群探知やガス濃度
計測を始め種々の分野で用いられており、音波計測装置
では、送信した音波の伝搬時間等を計測して距離や音波
の媒質となるガス中の特定成分の濃度等の物性を計測す
る。伝搬時間等の計測技術としてＦＭ−ＣＷ法がよく知
られている。
計測を始め種々の分野で用いられており、音波計測装置
では、送信した音波の伝搬時間等を計測して距離や音波
の媒質となるガス中の特定成分の濃度等の物性を計測す
る。伝搬時間等の計測技術としてＦＭ−ＣＷ法がよく知
られている。
【０００３】図１３は音波計測装置の応用例であるＦＭ
−ＣＷレーダ装置の構成を示すもので、ＦＭ−ＣＷレー
ダ装置は送信アンテナ９１ａ、受信アンテナ９１ｂが探
査対象９９に向けて配置される。そして、周波数変調波
発生回路９２が、所定周期で信号レベルが掃引する信号
を変調信号として周波数変調された信号を生成し、これ
が送信信号としてＲＦ信号発生回路９３および方向性結
合器９４を介して送信アンテナ９１ａに伝送され、送信
アンテナ９１ａから送信される。
−ＣＷレーダ装置の構成を示すもので、ＦＭ−ＣＷレー
ダ装置は送信アンテナ９１ａ、受信アンテナ９１ｂが探
査対象９９に向けて配置される。そして、周波数変調波
発生回路９２が、所定周期で信号レベルが掃引する信号
を変調信号として周波数変調された信号を生成し、これ
が送信信号としてＲＦ信号発生回路９３および方向性結
合器９４を介して送信アンテナ９１ａに伝送され、送信
アンテナ９１ａから送信される。
【０００４】送信波は探査対象９９で反射して受信アン
テナ９１ｂで受信される。この受信信号の位相は、伝搬
時間に基因して、周波数変調波発生回路９２で生成され
た送信信号と異なり、したがって、受信信号の周波数も
送信信号と異なる。受信信号は送信信号ともにミクサ９
５に入力し、ミクサ９５で混合されてうなり信号を発生
する。このうなり信号はＡ／Ｄ変換器９６でデジタル化
された後、これにウィンドウ処理回路でウィンドウ処理
がなされてから２回離散フーリエ変換回路９８にて２回
離散フーリエ変換されて超音波の伝搬時間等に基づいて
探査対象９９との距離および相対速度を得る（特開平５
−４０１６８号公報等）。
テナ９１ｂで受信される。この受信信号の位相は、伝搬
時間に基因して、周波数変調波発生回路９２で生成され
た送信信号と異なり、したがって、受信信号の周波数も
送信信号と異なる。受信信号は送信信号ともにミクサ９
５に入力し、ミクサ９５で混合されてうなり信号を発生
する。このうなり信号はＡ／Ｄ変換器９６でデジタル化
された後、これにウィンドウ処理回路でウィンドウ処理
がなされてから２回離散フーリエ変換回路９８にて２回
離散フーリエ変換されて超音波の伝搬時間等に基づいて
探査対象９９との距離および相対速度を得る（特開平５
−４０１６８号公報等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平５−４０１６８号公報記載のＦＭ−ＣＷ法を応用し
た装置では、音波の伝搬距離等によって受信信号が減衰
し、これによりノイズの影響を大きく受けてうなり信号
から正確にうなり周波数が得られず、必ずしも計測精度
が十分ではないという問題があった。
開平５−４０１６８号公報記載のＦＭ−ＣＷ法を応用し
た装置では、音波の伝搬距離等によって受信信号が減衰
し、これによりノイズの影響を大きく受けてうなり信号
から正確にうなり周波数が得られず、必ずしも計測精度
が十分ではないという問題があった。
【０００６】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
正確にうなり周波数が得られる音波計測装置を提供する
ことを目的とする。
正確にうなり周波数が得られる音波計測装置を提供する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、送信信号生成回路が、所定周期で信号レベルが掃引
する信号を変調信号として周波数変調して送信信号を生
成し送信素子に出力するとともに、送信素子からの音波
を受信素子が受信する受信信号と、送信素子に出力され
る送信信号とを混合回路で混合し、混合される２信号の
位相差により発生するうなりの周波数を計測し、うなり
周波数に基づいて音波が伝搬する媒質の物性等を計測す
る構成とする。さらに、前記受信素子の受信信号を前記
混合回路に出力するに先立ち二値化する二値化回路を具
備せしめる。
は、送信信号生成回路が、所定周期で信号レベルが掃引
する信号を変調信号として周波数変調して送信信号を生
成し送信素子に出力するとともに、送信素子からの音波
を受信素子が受信する受信信号と、送信素子に出力され
る送信信号とを混合回路で混合し、混合される２信号の
位相差により発生するうなりの周波数を計測し、うなり
周波数に基づいて音波が伝搬する媒質の物性等を計測す
る構成とする。さらに、前記受信素子の受信信号を前記
混合回路に出力するに先立ち二値化する二値化回路を具
備せしめる。
【０００８】二値化による波形整形で振幅が揃えられる
とともにノイズの影響を除去することができるから、混
合回路出力のうなり周波数が安定し、うなり周波数から
知られる音波の伝搬距離が正確に得られる。
とともにノイズの影響を除去することができるから、混
合回路出力のうなり周波数が安定し、うなり周波数から
知られる音波の伝搬距離が正確に得られる。
【０００９】前記二値化回路は、請求項２記載の発明の
ように、前記受信素子が受信した信号と基準電圧の基準
信号とが入力するコンパレータで構成する。
ように、前記受信素子が受信した信号と基準電圧の基準
信号とが入力するコンパレータで構成する。
【００１０】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１（Ａ）、図
１（Ｂ）に本発明の音波計測装置を適用したガス濃度計
測装置を示す。本実施形態は水素の濃度および流量の測
定用で、燃料電池システムに付設されたものとして説明
する。全体構成を示す図１において、本ガス濃度計測装
置１１は、燃料電池システムの改質器で生成された被測
定ガスである改質ガス中の水素の濃度を測定するもの
で、水素を多量に含む改質ガスを改質器から燃料電池本
体に供給するための配管１２に、１対の超音波素子２
ａ，２ｂが配管１２壁を貫通して設けられている。
１（Ｂ）に本発明の音波計測装置を適用したガス濃度計
測装置を示す。本実施形態は水素の濃度および流量の測
定用で、燃料電池システムに付設されたものとして説明
する。全体構成を示す図１において、本ガス濃度計測装
置１１は、燃料電池システムの改質器で生成された被測
定ガスである改質ガス中の水素の濃度を測定するもの
で、水素を多量に含む改質ガスを改質器から燃料電池本
体に供給するための配管１２に、１対の超音波素子２
ａ，２ｂが配管１２壁を貫通して設けられている。
【００１１】超音波素子２ａ，２ｂは機械振動と電気振
動との間で相互に変換可能な素子であり、例えば一般的
な圧電スピーカが用いられ得る。両超音波素子２ａ，２
ｂはその音波受信面であり音波送信面である前面を配管
１２の内側に向けた状態で、配管１２内を流通する改質
ガスを挟んで対向位置に配置され、一方が超音波を送信
する送信素子２ａとなり、他方が送信素子２ａからの超
音波を受ける受信素子２ｂとなる。
動との間で相互に変換可能な素子であり、例えば一般的
な圧電スピーカが用いられ得る。両超音波素子２ａ，２
ｂはその音波受信面であり音波送信面である前面を配管
１２の内側に向けた状態で、配管１２内を流通する改質
ガスを挟んで対向位置に配置され、一方が超音波を送信
する送信素子２ａとなり、他方が送信素子２ａからの超
音波を受ける受信素子２ｂとなる。
【００１２】送信素子２ａに出力する送信信号を発生す
る送信信号生成回路３は、鋸波発生器３１、基準電圧発
生器３２、加算器３３、Ｖ−Ｆ変換器３４、駆動回路３
５で構成される。鋸波発生器３１は、図２に示すよう
に、クロックをバイナリカウンタ３１１の出力にラダー
状に接続されたネットワーク抵抗３１２を接続してカウ
ント値に応じてネットワーク抵抗３１２の両端間電圧が
出力される構成を用いることができる。カウンタをカウ
ントアップせしめるとともに所定の間隔でリセットする
ことで、図３に示すように、カウント値を周期的に直線
的に掃引し、両端間電圧Ｖb が鋸波として出力される。
リセット信号は図例では後述する測定周期設定回路５３
から周期的に出力される。
る送信信号生成回路３は、鋸波発生器３１、基準電圧発
生器３２、加算器３３、Ｖ−Ｆ変換器３４、駆動回路３
５で構成される。鋸波発生器３１は、図２に示すよう
に、クロックをバイナリカウンタ３１１の出力にラダー
状に接続されたネットワーク抵抗３１２を接続してカウ
ント値に応じてネットワーク抵抗３１２の両端間電圧が
出力される構成を用いることができる。カウンタをカウ
ントアップせしめるとともに所定の間隔でリセットする
ことで、図３に示すように、カウント値を周期的に直線
的に掃引し、両端間電圧Ｖb が鋸波として出力される。
リセット信号は図例では後述する測定周期設定回路５３
から周期的に出力される。
【００１３】この鋸波発生器３１からの鋸波Ｖb と基準
電圧発生回路３２からの基準電圧Ｖref とが加算器３３
に入力して、図４に示すように、（Ｖb ＋Ｖref ）に比
例した加算出力Ｖi が得られる。加算出力Ｖi はＶ／Ｆ
変換器３４にて加算出力Ｖiに比例した周波数の交流信
号Ｆout に変換される。ここで、Ｖ／Ｆ変換器３４から
出力された交流信号Ｆout の周波数は加算出力Ｖi に比
例しているから、この交流信号Ｆout は、実質的に基準
電圧Ｖref をＶ／Ｆ変換した周波数をキャリア周波数と
するキャリア信号に対し、鋸波Ｖb を変調信号として周
波数変調した信号となり、鋸波Ｖb の掃引周期と同じ周
期で周波数が掃引される。例えば図例のように周波数が
１９０ｋＨｚ〜２１０ｋＨｚの２０ｋＨｚの掃引幅で変
化する。この交流信号Ｆout は送信信号として駆動回路
３５で電力増幅され送信素子２ａに出力される。
電圧発生回路３２からの基準電圧Ｖref とが加算器３３
に入力して、図４に示すように、（Ｖb ＋Ｖref ）に比
例した加算出力Ｖi が得られる。加算出力Ｖi はＶ／Ｆ
変換器３４にて加算出力Ｖiに比例した周波数の交流信
号Ｆout に変換される。ここで、Ｖ／Ｆ変換器３４から
出力された交流信号Ｆout の周波数は加算出力Ｖi に比
例しているから、この交流信号Ｆout は、実質的に基準
電圧Ｖref をＶ／Ｆ変換した周波数をキャリア周波数と
するキャリア信号に対し、鋸波Ｖb を変調信号として周
波数変調した信号となり、鋸波Ｖb の掃引周期と同じ周
期で周波数が掃引される。例えば図例のように周波数が
１９０ｋＨｚ〜２１０ｋＨｚの２０ｋＨｚの掃引幅で変
化する。この交流信号Ｆout は送信信号として駆動回路
３５で電力増幅され送信素子２ａに出力される。
【００１４】送信素子２ａから送信された超音波は、送
信素子２ａと受信素子２ｂ間の距離に応じた伝搬時間の
後、受信素子２ｂで受信される。
信素子２ａと受信素子２ｂ間の距離に応じた伝搬時間の
後、受信素子２ｂで受信される。
【００１５】受信素子２ｂから出力された受信信号と前
記Ｖ−Ｆ変換器３４の出力信号とを入力としてうなり信
号処理回路４が設けてあり、前記伝搬時間に応じた信号
出力を得る。図１（Ｂ）はうなり信号処理回路４の構成
を示し、図５はうなり信号処理回路４の各部における信
号のタイミングを示している。
記Ｖ−Ｆ変換器３４の出力信号とを入力としてうなり信
号処理回路４が設けてあり、前記伝搬時間に応じた信号
出力を得る。図１（Ｂ）はうなり信号処理回路４の構成
を示し、図５はうなり信号処理回路４の各部における信
号のタイミングを示している。
【００１６】受信素子２ｂから出力された受信信号はア
ンプ４１で増幅され（ａ点）、二値化回路であるコンパ
レータ４２に入力する。コンパレータ４２には受信信号
ともに０Ｖの基準電圧が入力しており、コンパレータ４
２は、正負に交番する受信信号をハイレベルとロウレベ
ルとが交互に繰り返すパルス信号に変換する。
ンプ４１で増幅され（ａ点）、二値化回路であるコンパ
レータ４２に入力する。コンパレータ４２には受信信号
ともに０Ｖの基準電圧が入力しており、コンパレータ４
２は、正負に交番する受信信号をハイレベルとロウレベ
ルとが交互に繰り返すパルス信号に変換する。
【００１７】コンパレータ４２で二値化した受信信号
と、前記Ｖ−Ｆ変換器３４から出力される送信信号と
は、そのハイレベルが一般的な論理ＩＣの電源電圧であ
る５Ｖの信号として得ることができ、それぞれレベル変
調器４３、４４を介して混合回路である加算器４５に出
力される。
と、前記Ｖ−Ｆ変換器３４から出力される送信信号と
は、そのハイレベルが一般的な論理ＩＣの電源電圧であ
る５Ｖの信号として得ることができ、それぞれレベル変
調器４３、４４を介して混合回路である加算器４５に出
力される。
【００１８】レベル変調器４３、４４はコンパレータで
構成され、それぞれ一方の入力に、前記受信信号、送信
信号のハイレベル値の１／２である２．５Ｖが入力して
おり、受信信号、送信信号を２．５Ｖオフセットして±
２．５Ｖで交番する信号に変調する（ｂ点、ｃ点）。
構成され、それぞれ一方の入力に、前記受信信号、送信
信号のハイレベル値の１／２である２．５Ｖが入力して
おり、受信信号、送信信号を２．５Ｖオフセットして±
２．５Ｖで交番する信号に変調する（ｂ点、ｃ点）。
【００１９】加算器４５はオペアンプで構成され、受信
信号と送信信号の混合がなされる（ｄ点）。なお受信信
号と送信信号は加算器４５に逆相で入力することになる
が同相で入力する構成でもよい。
信号と送信信号の混合がなされる（ｄ点）。なお受信信
号と送信信号は加算器４５に逆相で入力することになる
が同相で入力する構成でもよい。
【００２０】加算器４５からの混合出力はローパスフィ
ルタ（ＬＰＦ）４６で連続波形に整形される（ｅ点）。
図７に示すように、受信信号と送信信号は、その位相差
に応じて受信信号周波数ｆ1 と送信信号周波数ｆ0 の周
波数差が生じ、ＬＰＦ４６の出力は、周波数（ｆ1 ＋ｆ
0 ）／２で振動するとともに、その振幅がうなり周波数
｜ｆ1 −ｆ0 ｜で振動するうなり信号となる。
ルタ（ＬＰＦ）４６で連続波形に整形される（ｅ点）。
図７に示すように、受信信号と送信信号は、その位相差
に応じて受信信号周波数ｆ1 と送信信号周波数ｆ0 の周
波数差が生じ、ＬＰＦ４６の出力は、周波数（ｆ1 ＋ｆ
0 ）／２で振動するとともに、その振幅がうなり周波数
｜ｆ1 −ｆ0 ｜で振動するうなり信号となる。
【００２１】このＬＰＦ４６から出力されるうなり信号
を包絡線検波器４７で検波することにより、周波数｜ｆ
1 −ｆ0 ｜のうなり振動成分信号が得られる（ｆ点）。
を包絡線検波器４７で検波することにより、周波数｜ｆ
1 −ｆ0 ｜のうなり振動成分信号が得られる（ｆ点）。
【００２２】このうなり振動成分信号はコンパレータ４
８に入力する。コンパレータ４８には、うなり振動成分
信号とともに、うなり振動成分信号の半値（図例では５
Ｖ）に設定した基準電圧が入力しており、コンパレータ
４８にて二値化される。この二値化信号のパルス長は前
記うなり振動成分信号の半周期すなわちうなりの半周期
に相当し、これを計測することで周波数｜ｆ1 −ｆ0 ｜
が得られることになる（以下、二値化信号をうなり周期
信号Ｓout という）。
８に入力する。コンパレータ４８には、うなり振動成分
信号とともに、うなり振動成分信号の半値（図例では５
Ｖ）に設定した基準電圧が入力しており、コンパレータ
４８にて二値化される。この二値化信号のパルス長は前
記うなり振動成分信号の半周期すなわちうなりの半周期
に相当し、これを計測することで周波数｜ｆ1 −ｆ0 ｜
が得られることになる（以下、二値化信号をうなり周期
信号Ｓout という）。
【００２３】うなり周期信号Ｓout のパルス長の計測は
演算回路５によりなされ、演算回路５は、ＣＰＵ５１、
カウンタ５２、測定周期設定用カウンタ５３、マスク時
間設定用カウンタ５４を備えている。図７はこれらカウ
ンタ５２等の入出力信号のタイミングを示している。カ
ウンタ５２にはうなり周期信号Ｓout が入力しており、
カウンタ５２は、うなり周期信号Ｓout がハイレベルの
間、ＣＰＵ５１から供給されるクロックをカウントし、
カウント値をＣＰＵ５１に出力する。
演算回路５によりなされ、演算回路５は、ＣＰＵ５１、
カウンタ５２、測定周期設定用カウンタ５３、マスク時
間設定用カウンタ５４を備えている。図７はこれらカウ
ンタ５２等の入出力信号のタイミングを示している。カ
ウンタ５２にはうなり周期信号Ｓout が入力しており、
カウンタ５２は、うなり周期信号Ｓout がハイレベルの
間、ＣＰＵ５１から供給されるクロックをカウントし、
カウント値をＣＰＵ５１に出力する。
【００２４】すなわち、カウンタ５２、マスク時間設定
用カウンタ５４には、測定周期設定用カウンタ５３から
１ｍｓごとにリセット信号が入力して測定周期が与えら
れる。また、マスク時間設定用カウンタ５４からは前記
リセット信号後の所定時間、マスク信号が入力してカウ
ンタ５２におけるカウントスタートを禁止するマスク時
間が設定されており、受信信号が安定しない音波の到着
直後に測定がなされないようにしている。そして、カウ
ンタ５２においてスタートしたカウントは、前記うなり
周期信号Ｓout がロウレベルになると終了する。これに
よりうなり周期信号Ｓout のパルス長が計測できる。
用カウンタ５４には、測定周期設定用カウンタ５３から
１ｍｓごとにリセット信号が入力して測定周期が与えら
れる。また、マスク時間設定用カウンタ５４からは前記
リセット信号後の所定時間、マスク信号が入力してカウ
ンタ５２におけるカウントスタートを禁止するマスク時
間が設定されており、受信信号が安定しない音波の到着
直後に測定がなされないようにしている。そして、カウ
ンタ５２においてスタートしたカウントは、前記うなり
周期信号Ｓout がロウレベルになると終了する。これに
よりうなり周期信号Ｓout のパルス長が計測できる。
【００２５】ＣＰＵ５１ではこの測定周期ごとに入力す
るカウント値から改質ガス中の水素濃度を計測する。ま
た、配管１２には温度センサ６が設けてあり、配管１２
内を流通する改質ガスの温度検出信号がＣＰＵ５１に入
力している。
るカウント値から改質ガス中の水素濃度を計測する。ま
た、配管１２には温度センサ６が設けてあり、配管１２
内を流通する改質ガスの温度検出信号がＣＰＵ５１に入
力している。
【００２６】図８にＣＰＵ５１における水素濃度算出フ
ローを示す。ステップＳ１０１では初期設定がなされ、
ステップＳ１０２で配管１２中の改質ガスの検出温度を
取り込む。
ローを示す。ステップＳ１０１では初期設定がなされ、
ステップＳ１０２で配管１２中の改質ガスの検出温度を
取り込む。
【００２７】ステップＳ１０３ではカウンタ５２からの
カウント値から知られるうなり周期の逆数からうなり周
波数ｆを演算する。
カウント値から知られるうなり周期の逆数からうなり周
波数ｆを演算する。
【００２８】ステップＳ１０４，Ｓ１０５ではうなり周
波数ｆに基づいて改質ガス中の音速ｖを求める。前記の
ごとく送信周波数が一定の周期で直線的に変化すること
から、受信信号周波数ｆ1 と送信信号周波数ｆ0 の周波
数差｜ｆ１−ｆ０｜は受信信号と送信信号の位相差に比
例して与えられる。そして、位相差は伝搬時間に比例し
て変化し、送信素子２ａと受信素子２ｂの間隔や改質ガ
ス中の音速等に依存するから、周波数差｜ｆ１−ｆ０｜
より改質ガス中の音速が知られる。
波数ｆに基づいて改質ガス中の音速ｖを求める。前記の
ごとく送信周波数が一定の周期で直線的に変化すること
から、受信信号周波数ｆ1 と送信信号周波数ｆ0 の周波
数差｜ｆ１−ｆ０｜は受信信号と送信信号の位相差に比
例して与えられる。そして、位相差は伝搬時間に比例し
て変化し、送信素子２ａと受信素子２ｂの間隔や改質ガ
ス中の音速等に依存するから、周波数差｜ｆ１−ｆ０｜
より改質ガス中の音速が知られる。
【００２９】先ず、ステップＳ１０４では、伝搬時間τ
を次のように演算する。うなり周波数ｆは前記のごとく
送信信号と受信信号の位相差に比例して変化するから、
送信周波数の周波数掃引周波数をＦs 、周波数変調幅を
ΔＦとして、ｆ＝｜ｆ1 −ｆ0 ｜＝ΔＦ×（１／Ｆs ）
-1×τ・・・（１）となり、式（１）にしたがって前記
うなり周波数ｆから伝搬時間τを算出することができ
る。
を次のように演算する。うなり周波数ｆは前記のごとく
送信信号と受信信号の位相差に比例して変化するから、
送信周波数の周波数掃引周波数をＦs 、周波数変調幅を
ΔＦとして、ｆ＝｜ｆ1 −ｆ0 ｜＝ΔＦ×（１／Ｆs ）
-1×τ・・・（１）となり、式（１）にしたがって前記
うなり周波数ｆから伝搬時間τを算出することができ
る。
【００３０】ステップＳ１０５では伝搬時間τより音速
ｖを演算する。音速ｖは素子間距離を伝搬時間τで除し
て得る。
ｖを演算する。音速ｖは素子間距離を伝搬時間τで除し
て得る。
【００３１】ステップＳ１０６では、式（２）により音
速ｖと計測温度Ｔから水素濃度ＤH2を演算する。式中、
Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／ｍｏｌＫ）である。ま
た、Ｍは分子量、Ｃp は定圧モル比熱、Ｃv は定容モル
比熱であり、それぞれの添え字により窒素（Ｎ2 ）、二
酸化炭素（ＣＯ2 ）、水素（Ｈ2 ）のものであることを
示している。また、ａ，ｂは二酸化炭素と窒素のモル濃
度比を表し、ａ：ｂ＝二酸化炭素：窒素である。なお、
計測温度Ｔは絶対温度である。なお、式（２）は複数の
成分ガスについての音速の理論式（２’）から求められ
る。
速ｖと計測温度Ｔから水素濃度ＤH2を演算する。式中、
Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／ｍｏｌＫ）である。ま
た、Ｍは分子量、Ｃp は定圧モル比熱、Ｃv は定容モル
比熱であり、それぞれの添え字により窒素（Ｎ2 ）、二
酸化炭素（ＣＯ2 ）、水素（Ｈ2 ）のものであることを
示している。また、ａ，ｂは二酸化炭素と窒素のモル濃
度比を表し、ａ：ｂ＝二酸化炭素：窒素である。なお、
計測温度Ｔは絶対温度である。なお、式（２）は複数の
成分ガスについての音速の理論式（２’）から求められ
る。
【００３２】
【数１】
【００３３】ステップＳ１０７では計測終了か否かを判
断する。この判断は計測者からＣＰＵ５１に計測終了指
令が発せられているか否かで判断し、計測終了指令がな
ければステップＳ１０２に戻って計測を継続し、計測終
了指令があれば本ルーチンを終了する。
断する。この判断は計測者からＣＰＵ５１に計測終了指
令が発せられているか否かで判断し、計測終了指令がな
ければステップＳ１０２に戻って計測を継続し、計測終
了指令があれば本ルーチンを終了する。
【００３４】（第２実施形態）本発明はガス濃度計測だ
けではなく、測定面との距離測定に適用することができ
る。なお、装置各部には説明の便宜のため第１実施形態
と同じ番号を付して説明するものとする。第１実施形態
の構成において、図９に示すように、超音波素子２ａ，
２ｂを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置し、
送信面、受信面を測定面１３に向ける。また、温度セン
サ６は、計測環境すなち超音波素子２ａ，２ｂと測定面
１３とが設けられる雰囲気中の温度を計測し得るよう
に、例えば超音波素子２ａ，２ｂの近傍に設置する。そ
して、図略のＣＰＵ５１は伝搬時間τに基づいて測定面
との距離Ｌを演算する。
けではなく、測定面との距離測定に適用することができ
る。なお、装置各部には説明の便宜のため第１実施形態
と同じ番号を付して説明するものとする。第１実施形態
の構成において、図９に示すように、超音波素子２ａ，
２ｂを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置し、
送信面、受信面を測定面１３に向ける。また、温度セン
サ６は、計測環境すなち超音波素子２ａ，２ｂと測定面
１３とが設けられる雰囲気中の温度を計測し得るよう
に、例えば超音波素子２ａ，２ｂの近傍に設置する。そ
して、図略のＣＰＵ５１は伝搬時間τに基づいて測定面
との距離Ｌを演算する。
【００３５】図１０にＣＰＵ５１における距離測定の計
測フローを示す。初期設定（ステップＳ２０１）の後、
ステップＳ２０２で計測温度ｔを取り込む。
測フローを示す。初期設定（ステップＳ２０１）の後、
ステップＳ２０２で計測温度ｔを取り込む。
【００３６】ステップＳ２０３では計測温度ｔに基づい
て音速Ｃを式（３）にしたがって算出する。なお、計測
温度ｔは摂氏温度である。 Ｃ＝３３１．４５＋０．６０７×ｔ（ｍ／ｓ）・・・（３）
て音速Ｃを式（３）にしたがって算出する。なお、計測
温度ｔは摂氏温度である。 Ｃ＝３３１．４５＋０．６０７×ｔ（ｍ／ｓ）・・・（３）
【００３７】ステップＳ２０４ではカウント値から知ら
れるうなり周期の逆数からうなり周波数ｆを演算する。
れるうなり周期の逆数からうなり周波数ｆを演算する。
【００３８】ステップＳ２０５では、伝搬時間τを上記
式（１）にしたがって演算する。
式（１）にしたがって演算する。
【００３９】ステップＳ２０６では前記音速Ｃ、伝搬時
間τより式（４−１）（４−２）（４−３）により距離
Ｌを演算する。式中、Ｌ’は図中、Ｖ字状に進行する音
波の伝搬経路の１／２の距離であり、θは、測定面１３
に対する法線方向と音波の伝搬経路とのなす角度であ
る。計測レンジによってはθは一定値とすることもでき
る。また、ｗは超音波素子２ａ，２ｂの送受信面におけ
る間隔である。 Ｌ’＝Ｃ×τ／２・・・（４−１） Ｌ ＝ Ｌ’ｃｏｓθ・・・（４−２） θ＝ｓｉｎ-1（ｗ／Ｌ’）・・・（４−３）
間τより式（４−１）（４−２）（４−３）により距離
Ｌを演算する。式中、Ｌ’は図中、Ｖ字状に進行する音
波の伝搬経路の１／２の距離であり、θは、測定面１３
に対する法線方向と音波の伝搬経路とのなす角度であ
る。計測レンジによってはθは一定値とすることもでき
る。また、ｗは超音波素子２ａ，２ｂの送受信面におけ
る間隔である。 Ｌ’＝Ｃ×τ／２・・・（４−１） Ｌ ＝ Ｌ’ｃｏｓθ・・・（４−２） θ＝ｓｉｎ-1（ｗ／Ｌ’）・・・（４−３）
【００４０】ステップＳ２０７では計測終了指令の有無
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップＳ２０２に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップＳ２０２に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
【００４１】（第３実施形態）第２実施形態で説明した
測定面との距離測定を、対象物の変位計測に用いること
ができる。なお、装置各部には説明の便宜のため第１実
施形態と同じ番号を付して説明するものとする。図１１
に示すように、第２実施形態と同様に、超音波素子２
ａ，２ｂを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置
し、測定面１４に向ける。そして、図略のＣＰＵ５１
は、測定面１４が基準の位置（図中Ａ）から位置Ｂに変
化したときの測定面１４との距離の変化すなわち対象物
の変位を伝搬時間に基づいて演算する。
測定面との距離測定を、対象物の変位計測に用いること
ができる。なお、装置各部には説明の便宜のため第１実
施形態と同じ番号を付して説明するものとする。図１１
に示すように、第２実施形態と同様に、超音波素子２
ａ，２ｂを略同方向に向けて互いに近接する位置に配置
し、測定面１４に向ける。そして、図略のＣＰＵ５１
は、測定面１４が基準の位置（図中Ａ）から位置Ｂに変
化したときの測定面１４との距離の変化すなわち対象物
の変位を伝搬時間に基づいて演算する。
【００４２】図１２にＣＰＵ５１における距離測定の計
測フローを示す。初期設定（ステップＳ３０１）の後、
ステップＳ３０２で検出温度ｔを取り込む。
測フローを示す。初期設定（ステップＳ３０１）の後、
ステップＳ３０２で検出温度ｔを取り込む。
【００４３】ステップＳ３０３では検出温度ｔに基づい
て音速Ｃを前記式（３）にしたがって算出する。
て音速Ｃを前記式（３）にしたがって算出する。
【００４４】ステップＳ３０４ではカウント値から知ら
れるうなり周期の逆数からうなり周波数ｆを演算し、う
なり周波数ｆから前記式（１）にしたがって伝搬時間τ
を演算する。次いで、測定面１４が基準位置にあるとき
の伝搬時間τ0 と、変位後の伝搬時間τ1 の差Δτを演
算する。ここで、伝搬時間τ0 は、用途によって固定で
もよいし、ある時間における伝搬時間をプリセットして
おくのでもよい。
れるうなり周期の逆数からうなり周波数ｆを演算し、う
なり周波数ｆから前記式（１）にしたがって伝搬時間τ
を演算する。次いで、測定面１４が基準位置にあるとき
の伝搬時間τ0 と、変位後の伝搬時間τ1 の差Δτを演
算する。ここで、伝搬時間τ0 は、用途によって固定で
もよいし、ある時間における伝搬時間をプリセットして
おくのでもよい。
【００４５】ステップＳ３０５では、前記音速Ｃ、伝搬
時間差Δτより式（５−１）（５−２）にしたがって変
位ΔＬを演算する。式中、ΔＬ’は変位前後の音波の伝
搬経路の差の１／２であり、θは、測定面に対する法線
方向と音波の伝搬経路とのなす角度である。θは変位前
後で変化するが、変位ΔＬが変位前の基準の距離Ｌに比
して十分小さいとしてθはこの式のように初期位置にお
ける値で代表できる。 ΔＬ’＝Ｃ×Δτ／２・・・（５−１） ΔＬ ＝ΔＬ’ｃｏｓθ・・・（５−２）
時間差Δτより式（５−１）（５−２）にしたがって変
位ΔＬを演算する。式中、ΔＬ’は変位前後の音波の伝
搬経路の差の１／２であり、θは、測定面に対する法線
方向と音波の伝搬経路とのなす角度である。θは変位前
後で変化するが、変位ΔＬが変位前の基準の距離Ｌに比
して十分小さいとしてθはこの式のように初期位置にお
ける値で代表できる。 ΔＬ’＝Ｃ×Δτ／２・・・（５−１） ΔＬ ＝ΔＬ’ｃｏｓθ・・・（５−２）
【００４６】ステップＳ３０６では計測終了指令の有無
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップＳ３０２に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
で計測終了か否かを判断し、計測終了指令がなければス
テップＳ３０２に戻って計測を継続し、計測終了指令が
あれば本ルーチンを終了する。
【００４７】なお、本発明の特徴部分は図１４のＦＭ−
ＣＷレーザ装置にも適用することができ、受信アンテナ
の出力信号をミクサに入力するに先立ちコンパレータ等
で二値化することにより、計測精度を向上することがで
きる。
ＣＷレーザ装置にも適用することができ、受信アンテナ
の出力信号をミクサに入力するに先立ちコンパレータ等
で二値化することにより、計測精度を向上することがで
きる。
【図１】（Ａ）は本発明の音波計測装置の全体構成図で
あり、（Ｂ）は前記音波計測装置のうなり信号処理回路
の構成図である。
あり、（Ｂ）は前記音波計測装置のうなり信号処理回路
の構成図である。
【図２】前記音波計測装置の送信信号生成用の鋸波発生
器の構成図である。
器の構成図である。
【図３】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第１
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図４】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第２
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図５】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第３
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図６】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第４
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図７】前記音波計測装置の各部の作動状態を示す第５
のタイミングチャートである。
のタイミングチャートである。
【図８】前記音波計測装置のＣＰＵにおける演算処理を
示すフローチャートである。
示すフローチャートである。
【図９】本発明の別の音波計測装置の超音波素子の配置
を示す図である。
を示す図である。
【図１０】前記音波計測装置のＣＰＵにおける演算処理
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図１１】本発明のさらに別の音波計測装置の超音波素
子の配置を示す図である。
子の配置を示す図である。
【図１２】前記音波計測装置のＣＰＵにおける演算処理
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図１３】従来の音波計測装置の一例を示す構成図であ
る。
る。
１１ 音波計測装置 ２ａ 送信素子 ２ｂ 受信素子 ３ 送信信号生成回路 ４ うなり信号処理回路 ４２ コンパレータ（二値化回路） ４５ 加算器（混合回路） ５ 演算回路 ６ 温度センサ １２ 配管 １３，１４ 測定面
フロントページの続き (72)発明者 杉野 正芳 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 渡辺 修夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G047 AA01 BC02 BC04 BC15 EA10 GG29 5J083 AA02 AB01 AB20 AC18 AC28 AD04 BA12 BE04 BE18 BE38 BE53
Claims (2)
- 【請求項１】 音波を送信する送信素子と、該送信素子
からの音波を受信する受信素子と、所定周期で信号レベ
ルが掃引する信号を変調信号として周波数変調された送
信信号を生成し前記送信素子に出力する送信信号生成回
路と、受信素子が受信した受信信号と前記送信信号生成
回路から出力された前記送信信号とを混合してうなり信
号を発生せしめる混合回路とを有し、前記送信信号と前
記受信信号の位相差に応じて変化する前記うなり信号の
うなり周波数に基づいて音波の伝搬時間を計測する音波
計測装置において、 前記受信素子の受信信号を前記混合回路に出力するに先
立ち二値化する二値化回路を具備することを特徴とする
音波計測装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の音波計測装置において、
前記二値化回路を、前記受信素子が受信した信号と基準
電圧の基準信号とが入力するコンパレータで構成した音
波計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000197741A JP2002014166A (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 音波計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000197741A JP2002014166A (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 音波計測装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002014166A true JP2002014166A (ja) | 2002-01-18 |
Family
ID=18696025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000197741A Pending JP2002014166A (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 音波計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002014166A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006300742A (ja) * | 2005-04-21 | 2006-11-02 | Shizuoka Prefecture | 発振周波数調整方式を利用した化学物質検出装置 |
| CN109187738A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-11 | 江苏久创电气科技有限公司 | 一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置 |
| JP2019020250A (ja) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | 株式会社東京精密 | 非破壊検査装置及びその方法 |
| JP2019196942A (ja) * | 2018-05-08 | 2019-11-14 | 株式会社Ｓｏｋｅｎ | 物体検知装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62284282A (ja) * | 1986-05-31 | 1987-12-10 | Tokyo Keiki Co Ltd | 超音波距離測定装置 |
| JPH07218629A (ja) * | 1994-01-31 | 1995-08-18 | Toshiba Corp | 超音波速度検出装置 |
| JPH0915332A (ja) * | 1995-06-30 | 1997-01-17 | Toyota Motor Corp | 対地車速検出装置 |
| JP2000304858A (ja) * | 1999-04-16 | 2000-11-02 | Nippon Soken Inc | 波動の伝搬時間の測定装置及び測定方法 |
-
2000
- 2000-06-30 JP JP2000197741A patent/JP2002014166A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62284282A (ja) * | 1986-05-31 | 1987-12-10 | Tokyo Keiki Co Ltd | 超音波距離測定装置 |
| JPH07218629A (ja) * | 1994-01-31 | 1995-08-18 | Toshiba Corp | 超音波速度検出装置 |
| JPH0915332A (ja) * | 1995-06-30 | 1997-01-17 | Toyota Motor Corp | 対地車速検出装置 |
| JP2000304858A (ja) * | 1999-04-16 | 2000-11-02 | Nippon Soken Inc | 波動の伝搬時間の測定装置及び測定方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006300742A (ja) * | 2005-04-21 | 2006-11-02 | Shizuoka Prefecture | 発振周波数調整方式を利用した化学物質検出装置 |
| JP2019020250A (ja) * | 2017-07-18 | 2019-02-07 | 株式会社東京精密 | 非破壊検査装置及びその方法 |
| JP2019196942A (ja) * | 2018-05-08 | 2019-11-14 | 株式会社Ｓｏｋｅｎ | 物体検知装置 |
| JP7000981B2 (ja) | 2018-05-08 | 2022-01-19 | 株式会社Soken | 物体検知装置 |
| CN109187738A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-11 | 江苏久创电气科技有限公司 | 一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7932855B2 (en) | Distance measuring device and distance measuring method | |
| US11747181B2 (en) | Extended range ADC flow meter | |
| US11313714B2 (en) | Device and method for measurement of ultrasonic transit times | |
| JP5321106B2 (ja) | 超音波計測器 | |
| JP7445666B2 (ja) | ドップラーシフトがある場合の超音波エコー処理 | |
| JPS62169073A (ja) | 超音波ドップラー診断装置 | |
| JP4904289B2 (ja) | モジュロ２ｐｉ剰余トラッキングを用いた超音波流量センサ | |
| US7852091B2 (en) | Microwave determination of location and speed of an object inside a pipe | |
| EP2642256B1 (en) | Measurement arrangement and method | |
| Huang et al. | A high accuracy ultrasonic distance measurement system using binary frequency shift-keyed signal and phase detection | |
| JP5602395B2 (ja) | 近距離レーダ装置及び測距方法 | |
| US10605779B2 (en) | Method for determining properties of a medium and device for determining properties of a medium | |
| JPH0426709B2 (ja) | ||
| JP2002014166A (ja) | 音波計測装置 | |
| RU2515129C1 (ru) | Вихревой расходомер | |
| JPH0569192B2 (ja) | ||
| JP2762143B2 (ja) | 間欠ｆｍ―ｃｗレーダ装置 | |
| JP2005337825A (ja) | 電波を利用した水位測定装置及び水位測定方法 | |
| JPH02236421A (ja) | 超音波レベル測定装置 | |
| RU2168721C2 (ru) | Способ определения нелинейного акустического параметра жидких, твердых и газообразных сред | |
| JP2001337160A (ja) | 連続波レーダ及び距離速度測定装置並びに周波数変調方法 | |
| SU494692A1 (ru) | Способ измерени скорости движени жидкости | |
| JP2008020233A (ja) | 距離測定装置 | |
| JP3248021B2 (ja) | 渦流量計 | |
| JP2754416B2 (ja) | 超音波流速計 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070608 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100422 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100511 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100914 |