JP2002323361A - 超音波伝播時間計測装置、超音波風速計及び風速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高信頼性の超音波伝播時間計測装置、超音波風
速計及び風速測定方法を提供する。 【解決手段】１対の超音波振動子３ａ、３ｂの何れか一
方に１サイクルの正及び／又は負の加振電圧信号Ｉが印
加される。超音波振動子３ａの出力は、前記超音波振動
子の共振周波数とわずかに異なる共振周波数を有する共
振回路４ａを介して増幅器５ａに接続されている。超音
波振動子３ｂについても同様である。選択回路６で何れ
か一方が選択され、最大値検出／保存回路７、信号低減
手段８に接続され、１回目の信号Ｉ１により信号低減手
段８で基準レベルＶＴＨを得る。２回目の信号Ｉ２がｔ
１で印加されると、比較回路９は前記ＶＴＨを越えた点
を検出し、比較器１０は前記ＶＴＨを越えた後、最初に
ゼロレベルになる点ｔ２を検出する。カウンタ１４は、
ｔ１からｔ２の時間カウントし、制御手段１にその値が
読みこまれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波伝播時間計
測装置、並びに当該装置を用いた超音波風速計及び風速
測定方法に関し、特に、信頼性を向上し、低価格の超音
波風速計及び風速測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造プロセスなどを収容す
るクリーンルーム内では、その清浄さを保つうえで室内
のかすかな空気の流れを微弱な風として精度良く検出
し、制御することが要求される。又、自動車などを移動
させて塗装を行う場合、毎秒０．２ｍ乃至十数ｍくらい
の風速を±０．１ｍ／ｓという高い精度で検出すること
が要求されている。従来、風速計としては、熱線風速計
や気筒管方式風速計等があるが、前者の風速計では塵、
防爆対策が難しく、後者の風速計ではノズルが汚染され
たり、測定精度が低いなどの問題があった。更に、前記
自動車などを移動させて塗装する場合には、風速計は例
えば、ゾーン毎の風速コントロールを行おうとすると、
１００ｍのラインに対して両側に２０ｍ間隔で配置する
必要があり、風速計の数が多くなる。このために高精度
でありながら操作の容易な、低価格の風速計が要求され
ていた。

【０００３】静止流体中の音速をＣ、風速をＶとする
と、音波の伝搬方向が流れに沿った方向（以下順方向と
言う）と一致すればその伝搬速度は（Ｃ＋Ｖ）となり、
流れに逆らった方向（以下逆方向と言う）の場合には
（Ｃ−Ｖ）となる。距離Ｌを隔てて１対の送受波器を流
管の上流と下流に離して各々配設し、一方の送受波器か
ら順方向に超音波を発信（送信）したとき、他方の送受
波器に超音波が到達するに要する到達時間をｔ、他方の
送受波器から逆方向に超音波を発信（送信）したとき
に、一方の送受波器に超音波が到達するに要する到達時
間をｔ′とすれば、 ｔ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ） ・・・（１） ｔ′＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ） ・・・（２） となる。順方向と逆方向の超音波の各到達時間ｔ，ｔ′
を測定すると、これから風速Ｖが演算される。即ち、風
速Ｖは上記（１）（２）式から、 Ｖ＝Ｌ｛（１／ｔ）−（１／ｔ′）｝／２ ・・・（３） として求められる。

【０００４】到達時間ｔ，ｔ′等を測定するには、例え
ば、送信側の送受波器を加振（駆動）する発信駆動信号
Ｐ1 から受信側の送受波器に受信波が到達するまでの時
間ｔを直接測定するとよいが、受信波は、次第に振幅が
増大した後減衰する。このために受信波の到達時点であ
る先頭を検知することは現実的でない。

【０００５】前記問題点を解決する手段として、例え
ば、特開平１０−０７３４６４号公報に「超音波流量
計」が開示されている。前記特開平１０−０７３４６４
号公報の発明は、送信側にも受信側にも働く、１対の超
音波送受波器を流管の上流と下流に離して設け、流体の
流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送
受を行い、その各向きの到達時間より流速・流量を求め
る超音波流量計である。

【０００６】先ず送信側の送受波器を発信させ、受信側
の送受波器の信号を入力する受信波検知部が受信波を検
知すると同時に、再び送信側の送受波器を発信させる。
係る動作を複数回繰り返すように構成し、基準クロック
を用いて最初の送信から複数回目の受信までの時間を測
定することにより、１回分の到達時間を求めるようにし
たものである。

【０００７】図５は、前記従来の発明を説明する図面で
あって、図５（ａ）は、発振駆動信号と受信波との関係
を説明する図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ部拡大図
である。

【０００８】図５（ａ）、図５（ｂ）において、送信側
の発振駆動信号Ｐｎ（ｎは整数）に対して、ｔ１ｎ（ｎ
は整数）だけ遅れて受信側に受信波が測定される。発振
駆動信号Ｐ１に対して、第１回目の受信波Ｗ１の検知
は、一定の基準レベル（ＶＴＨ）に最初に達した波が、
ゼロレベルを横切る時間をｔ０とし、発振駆動信号Ｐ１
が発せられてから、ｔ０までの時間をｔ１１とする。

【０００９】前記第２回目以降の受信波Ｗ２の検知点
は、その前回の送信から受信波検知までの時間ｔ１１か
ら一定の時間（α）を減じた時間後の、最初のゼロクロ
ス点ｔ１を受信波検知点として、ｔ０からｔ１迄の時間
をｔ１２とする。但し、αは超音波の１周期の半分より
小さい値である。

【００１０】第３回目の送受についても同様で、今度
は、上述のようにして求めた第２の送受の時間ｔ１２を
用いて第３の受信波Ｗ３の検知点を予想して、ゼロレベ
ルを横切る点を検知すれば良く、以降同様にして、順
次、次の受信波検知点であるゼロレベルを横切る点を求
める。

【００１１】第１の受信波Ｗ１がゼロレベルを横切る点
を検知するときに、確実に狙った波を捕らえることがで
きれば、以降の受信波は振幅の大きさに関係なく、ゼロ
レベルを横切る点を検知できる。

【００１２】即ち、図５（ｂ）に示すように、第２の受
信波Ｗ２が仮に基準レベルＶＴＨに達してなくても、第
３波のゼロクロス点を検知できる。又、図５（ｂ）に示
した場合とは逆に、第２の受信波Ｗ２が基準レベルＶＴ
Ｈを越えた場合でも、ゼロレベルを横切る点を検知でき
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】係る方法においては、
第１の受信波Ｗ１がゼロレベルを横切る点を検知すると
きに、確実に狙った波を捕らえることができれば、以降
の受信波は振幅の大きさに関係なく、ゼロレベルを横切
る点を検知できる。しかし、受信波の最初の振幅は非常
に小さいうえに、センサである超音波振動子の周りに発
生する渦流、測定個所の周辺で発生する音などが雑音と
して超音波振動子に混入して、受信波は、各種の周波数
成分が含まれた歪波になる。

【００１４】そして、前記雑音はランダムに発生する。
この為に、前記方法において、第１の受信波Ｗ１に雑音
が混入して波形が歪んだ場合、それ以降の受信波のゼロ
レベルを横切る点を検知できない場合がある。

【００１５】係る波形の歪みの影響を受けない為には、
受信波の振幅が大きいことが望ましい。しかし、信号を
送信するために、超音波振動子に印加できる最大電圧
は、数十ボルトと低く、限界がある。

【００１６】また、基準レベルＶＴＨを検出した後に、
受信波がゼロレベルを横切る点を検知する為には、受信
波、及びその包絡線が急峻であることが好ましい。しか
し、受信波の波形はそれぞれ異なるので、急峻点を見つ
けることは容易ではない。

【００１７】更に、前記したような歪み波形で、信号レ
ベルが低く、受信波、及びその包絡線が急峻でない信号
の増幅、信号処理に必要な回路は複雑で高価になる。

【００１８】本発明は係る問題を解決して、低価格で、
操作が簡単で信頼性の有る、波形歪みの影響を受けない
超音波伝播時間計測装置並びに当該装置を用いた超音波
風速計及び風速測定方法を提供することを目的としてな
されたものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために請求項１記載の超音波伝播時間計測装置は、
第１の超音波振動子と第２の超音波振動子とを気体の流
れる空間に離して設け、これら超音波振動子間で双方向
に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より超音
波伝播時間を求める超音波伝播時間計測装置であって、
１サイクルの正及び／又は負の加振電圧信号を発する信
号源と、該信号源からの電気信号を超音波信号に変換、
又は、超音波信号を電気信号に変換する第１及び第２の
超音波振動子と、前記第１又は第２の超音波振動子から
の電気信号を各々増幅する第１および第２の信号増幅手
段と、前記第１の超音波振動子と第１の信号増幅手段、
又は、第２の超音波振動子と第２の信号増幅手段との何
れか一方を選択する選択手段と、前記選択手段で選択さ
れた前記第１又は第２の信号増幅手段の出力の最大値を
検出／保持する最大値検出手段と、該最大値検出手段で
得られた信号の振幅値に所定の比率を乗じて、より低減
された値を得る信号低減手段と、該信号低減手段で得ら
れた値と前記信号増幅手段で得られた出力値との大きさ
を比較する第１の信号比較手段と、前記信号増幅手段で
得られた出力値がゼロレベルになったことを検出する第
２の信号比較手段と、前記第１の信号比較手段の出力が
なされた後、前記第２の信号比較手段の出力を有効にす
るゲート手段と、前記ゲート手段の出力によって制御さ
れる計数手段と、前記各手段を制御する制御手段とから
なる信号処理手段とを有し、最大値検出手段は、前記信
号源から発せられた第１の信号を受信して得られた信号
の最大値を保持し、計数手段は、前記第１の信号が発せ
られた所定時間経過後に、前記信号源から発せられた第
２の信号に同期して計数を開始し、更に前記第２の信号
を受信して得られた信号により、前記ゲート手段からの
出力がなされるまでのパルス数を計測し、制御手段は、
前記計数手段の出力から超音波伝播時間を求めることを
特徴とする。

【００２０】請求項２記載の超音波風速計では、第１の
超音波振動子と第２の超音波振動子とを気体の流れる空
間に離して設け、これら超音波振動子間で双方向に超音
波の送受を行い、その各向きの到達時間より風速を求め
る超音波風速計であって、１サイクルの正及び／又は負
の加振電圧信号を発する信号源と、該信号源からの電気
信号を超音波信号に変換、又は、超音波信号を電気信号
に変換する第１及び第２の超音波振動子と、前記第１又
は第２の超音波振動子からの電気信号を各々増幅する第
１および第２の信号増幅手段と、前記第１の超音波振動
子と第１の信号増幅手段、又は、第２の超音波振動子と
第２の信号増幅手段との何れか一方を選択する選択手段
と、前記選択手段で選択された前記第１又は第２の信号
増幅手段の出力の最大値を検出／保持する最大値検出手
段と、該最大値検出手段で得られた信号の振幅値に所定
の比率を乗じて、より低減された値を得る信号低減手段
と、該信号低減手段で得られた値と前記信号増幅手段で
得られた出力値との大きさを比較する第１の信号比較手
段と、前記信号増幅手段で得られた出力値がゼロレベル
になったことを検出する第２の信号比較手段と、前記第
１の信号比較手段の出力がなされた後、前記第２の信号
比較手段の出力を有効にするゲート手段と、前記ゲート
手段の出力によって制御される計数手段と、前記各手段
を制御する制御手段とからなる信号処理手段とを有し、
最大値検出手段は、前記信号源から発せられた第１の信
号を受信して得られた信号の最大値を保持し、計数手段
は、前記第１の信号が発せられた所定時間経過後に、前
記信号源から発せられた第２の信号に同期して計数を開
始し、更に前記第２の信号を受信して得られた信号によ
り、前記ゲート手段からの出力がなされるまでのパルス
数を計測し、制御手段は、前記計数手段の出力から風速
を求めることを特徴とする。

【００２１】請求項３記載の超音波風速計では、前記信
号増幅手段は、前記第１及、第２の超音波振動子の共振
周波数とわずかに異なる共振周波数を有する共振回路を
具備し、前記第１又は第２の超音波振動子と二重共振回
路を各々構成したことを特徴とする。

【００２２】請求項４記載の超音波風速計では、前記制
御手段は、第１の超音波振動子が発する第１の信号、及
び第２の信号とにより風速を計測した後に、第２の超音
波振動子が発する第１の信号及び第２の信号とにより風
速を計測する処理を複数回繰り返し、前記計測値が予め
定められた値から外れている場合には前記測定値を破棄
して、前記予め定められた範囲の計測値のみを用いて風
速を求めることを特徴とする。

【００２３】請求項５記載の風速測定方法は、第１の超
音波振動子と第２の超音波振動子とを気体の流れる空間
に離して設け、これら超音波振動子間で双方向に超音波
の送受を行い、その各向きの到達時間より風速を求める
風速測定方法であって、前記第１の超音波振動子及び、
該第１の超音波振動子に接続される第１の信号増幅手段
とを請求項２に記載の信号処理手段に接続し、１サイク
ルの正及び／又は負の加振電圧信号を発する前記信号源
から前記第２の超音波振動子に第１の信号を印加して、
前記最大値検出手段により前記信号源から発せられた前
記第１の信号を受信して得られた信号の最大値を保持
し、前記第１の信号が発せられた所定時間経過後に前記
信号源から発せられた第２の信号に同期して前記計数手
段の計数を開始し、更に前記第２の信号を受信して前記
ゲート手段の出力がなされるまでのパルス数を計測して
第１の風速を求めた後に、前記第２の超音波振動子及
び、該第２の超音波振動子に接続される前記第２の信号
増幅手段とを前記信号処理手段に前記信号処理手段に具
備される前記選択手段により接続し、１サイクルの正及
び／又は負の加振電圧信号を発する前記信号源から、超
音波信号を電気信号に変換する前記第１の超音波振動子
に第１の信号を印加して、記最大値検出手段により前記
信号源から発せられた前記第１の信号を受信して得られ
た信号の最大値を保持し、前記第１の信号が発せられた
所定時間経過後に前記信号源から発せられた第２の信号
に同期して前記計数手段の計数を開始し、更に前記第２
の信号を受信して前記ゲート手段の出力がなされるまで
のパルス数を計測して第２の風速を求め、前記第１と第
２の風速を測定する処理を交互に複数回行い、前記求め
られた計測値が、予め定められた値から外れている場合
には、前記測定値を破棄して、前記予め定められた範囲
の計測値のみを用いて風速を求めることを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の原理を説明する
タイムチャートである。図２は、図１における時間ｔ１
からｔ２間の拡大図である。以下、図１及び、図２を用
いて説明する。説明を簡略にする為に、信号を送出する
超音波振動子を第１の超音波振動子、超音波信号を電気
信号に変換する超音波振動子を第２の超音波振動子とす
る。また、前記第２の超音波振動子からの電気信号を各
々増幅する信号増幅手段を第２の信号増幅手段とする。

【００２５】本発明における風速を求める方法の原理
は、式（３）に示したように、二つのセンサ間に到達す
る信号の時間差を計測して風速を求める、従来の原理と
同一である。二つのセンサ間に到達する時間を以下のよ
うにして求めて風速を計測する点が異なる。即ち、第１
の超音波振動子から発せられた信号が第２の超音波振動
子で受信されるとき、前記第２の超音波振動子の受信信
号における、振動波形の受信開始点からＮ個目の波がゼ
ロレベルになる点を検出して、第１の超音波振動子から
発せられた信号が前記第２の超音波振動子に到達する信
号の時間差を計測する。

【００２６】前記第２の超音波振動子の受信信号におけ
る振動波形の受信開始点からＮ個目の波がゼロレベルに
なる点を以下の様にして検出する。まず、信号源から発
せられた第１の信号を超音波振動子で受信する。前記受
信して得られた信号の最大値に対する一定比率だけ低い
基準レベルＶＴＨを得る。

【００２７】そして、前記前記第１の信号が発せられた
所定時間経過後に、同じ信号源から第２の信号を発す
る。更に、前記第２の信号を受信して得られた信号と、
前記基準レベルＶＴＨとを比較し、前記第２の信号が前
記基準レベルＶＴＨを越えた後に前記第２の信号がゼロ
レベルになる点を検出する。

【００２８】次に、計数手段は、前記信号源から発せら
れた第２の信号により計数を開始され、前記第２の信号
がゼロレベルになる点で計数を停止される。この間の計
数値を第１の超音波振動子から第２の超音波振動子に到
達する例えば順方向の時間の基準Ｔｒ１とする。係る時
間の基準Ｔｒ１には、音速、及び風速によって信号が遅
れる固定時間が含まれている。

【００２９】同様の処理を第２の超音波振動子から第１
の超音波振動子に信号を送る場合に対しても行い、逆方
向の時間の基準Ｔｒ２を求める。そして、Ｔｒ１とＴｒ
２との差を求めることで、音速によって信号が遅れる固
定時間は打ち消され、風速による信号の遅れのみを抽出
できる。

【００３０】以下、前記の処理を図１のタイムチャート
で説明する。図１において、信号欄ａに示す信号は、１
サイクルの正及び負の振幅を有するパルス信号（加振電
圧信号）で、第１の超音波振動子に印加される。信号欄
ｂは第２の超音波振動子が受信した信号、信号欄ｃは計
数手段が有効となる期間を示す信号、信号欄ｄは前記計
数手段に印加されるクロック信号、信号欄ｆは、第２の
信号が発せられてから、前記第２の超音波振動子の受信
波が基準レベルＶＴＨになるまでを示す信号、信号欄ｇ
は、第２の信号を受信した第２の超音波振動子の受信波
が、基準レベルＶＴＨを越えてから最初にゼロになった
ことを検出する第２の信号比較手段の出力を示す信号、
信号欄ｈは信号欄ａを発生する信号を示している。

【００３１】信号欄ｈの信号により第１の信号Ｉ１が第
１の超音波振動子に印加されると、第２の超音波振動子
はＯＳ１のごとき信号ｂを出力する。最大値検出手段に
より前記ＯＳ１の最大値ＥＰを保存する。

【００３２】次に、信号欄ｈの信号により第２の信号Ｉ
２が第１の超音波振動子に印加されると、第２の超音波
振動子はＯＳ２のごとき信号ｂを出力する。計数手段
は、前記第２の信号Ｉ２を発生する信号欄ｈの信号によ
り計数が開始される。

【００３３】前記第２の信号比較手段は、ＯＳ２が予め
定められた基準レベルＶＴＨになり、基準レベルＶＴＨ
を越えてから最初にゼロになったことを検出して信号欄
ｅの信号を出力して前記計数手段の計数を停止する。

【００３４】前記したように、信号欄ｈの信号により第
２の信号Ｉ２が第１の超音波振動子に印加されると同時
に計数を開始し、基準レベルＶＴＨを越えてから最初に
ゼロになった時に前記計数手段の計数を停止することに
より、センサ間の伝播時間を求めることができる。

【００３５】図３は、本発明の実施の形態における、二
重共振回路を説明する図であって、図３（ａ）は、超音
波振動子に印加される信号、図３（ｂ）は、通常の超音
波振動子による減衰振動波形、図３（ｃ）は、二重共振
回路の減衰振動波形である。

【００３６】二重共振回路とは、互いにわずかに異なる
共振周波数を有する共振回路を直列に接続した共振回路
である。係る回路は、共振周波数がわずか異なることに
より、エネルギーの損失が少なく互いの共振回路間で授
受されることにより、減衰振動の振幅及び、包絡線が急
峻になる。

【００３７】即ち、図３（ａ）のような信号を超音波振
動子に１個だけ印加すると、超音波振動子の共振周波数
で図３（ｂ）のように振動する。しかし、前記超音波振
動子の出力を、前記超音波振動子の共振周波数とわずか
に異なる共振周波数を有する共振回路を介して増幅する
と、前記したように、超音波振動子と、前記共振回路と
が二重共振回路になり、図３（ｃ）のような、減衰振動
波形となる。

【００３８】図４は、本発明の実施の形態における、前
記超音波風速計を実現する回路ブロック図である。本発
明の実施の形態は、前記二重共振回路を用いて波形歪み
の影響を受けないようにしている。又、受信波の振幅を
大きくする為に、１サイクルの正及び負の振幅を有する
パルス信号（加振電圧信号）を用いて、超音波振動子に
印加できる最大電圧の範囲で、電圧を正負に印加してい
る。

【００３９】図４において、超音波振動子３ａには、１
サイクルの正及び負の振幅を有するパルス信号を発する
ドライブ回路２ａから信号が印加されている。超音波振
動子３ａの出力は、前記超音波振動子の共振周波数とわ
ずかに異なる共振周波数を有する共振回路４ａを介し
て、増幅器５ａに接続されている。

【００４０】前記、ドライブ回路２ａ、超音波振動子３
ａ、共振回路４ａ、増幅器５ａから構成される部分４０
ａと、ドライブ回路２ｂ、超音波振動子３ｂ、共振回路
４ｂ、増幅器５ｂから構成される部分４０ｂとは同一の
構成であり、説明を省略する。

【００４１】選択回路６は、一方の入力端子ロには前記
増幅器５ａの出力が、他方の入力端子イには前記増幅器
５ｂの出力が各々接続されている。係る選択回路６は、
マイクロコンピュータなどで構成される、制御手段１の
出力端子Ｓの信号により入力端子の選択がなされ、前記
選択回路６の出力端子ハには、前記入力端子に印加され
た信号の何れか一方が出力される。前記制御手段１に
は、図示していないプログラムが格納されているＲＯＭ
とデータを保存するＲＡＭとが具備され、前記プログラ
ムにより図４の実施形態における所定の処理がなされる
ものとする。

【００４２】前記選択回路６の出力端子ハは、例えば、
サンプル／ホールド回路のような、最大値検出／保存回
路７に接続され、最大値が保存される。前記最大値検出
／保存回路７の端子ＣＬには、制御手段１の信号端子Ｃ
２が接続されていて、所定のタイミング、例えば、カウ
ンタ１４の計数動作が停止したとき、又は、制御手段１
がカウンタの計数値を入力したときなどでリセットされ
る。

【００４３】前記最大値検出／保存回路７に保存された
最大値は例えば、抵抗器などのような、信号低減手段８
に接続されていて、信号低減手段８の出力は予め定めら
れた比だけ信号が低減されて出力される。

【００４４】又、前記選択回路６の出力端子ハは、比較
回路９及び、比較器１０の一方の入力端子ａに各々接続
されている。比較回路９の他方の入力端子ｂには、前記
信号低減手段８の出力が接続されている。

【００４５】比較回路９は、前記した第２の信号が前記
基準レベルＶＴＨを越えた点を検出し、比較器１０は、
前記第２の信号が前記基準レベルＶＴＨを越えた後に前
記第２の信号が最初にゼロレベルになる点を検出する。

【００４６】比較回路９の出力は、例えばフリップフロ
ップ回路の記憶手段１１のセット端子Ｓに接続されてい
る。また、比較器１０の出力は、例えばフリップフロッ
プ回路の記憶手段１３のリセット端子Ｒに接続されてい
る。

【００４７】比較回路９のリセット端子Ｒ及び、比較器
１０のセット端子Ｓには、制御手段１の信号端子Ｃ１が
印加されている。

【００４８】比較器１０は、端子ｄに信号が印加された
時に、比較器１０の動作が可能になり、記憶手段１１の
出力端子Ｏが接続されている。

【００４９】記憶手段１３の出力Ｏは、カウンタ１４の
ＩＮＨ端子に接続されていて、カウンタ１４は、ＩＮＨ
端子に信号が印加された時に端子ＣＰに発信器１２のク
ロックをカウントする。カウンタ１４の出力ＤＯは、制
御手段１の端子ＤＩに接続されていて、制御手段１の端
子Ｌ１から出力される信号が端子ＬＤに印加されると、
制御手段１にカウンタの値が読みこまれる。

【００５０】出力手段１６は、制御手段１の端子ＤＯに
接続されていて、メータ、表示器、プリンタ、その他の
出力機器などを具備し、制御手段１の処理結果を出力す
る。

【００５１】前記構成における図４の動作について、図
１、図２を用いながら説明する。いま、信号を送出する
側を、ドライブ回路２ａ、超音波振動子３ａ、共振回路
４ａ、増幅器５ａから構成される部分４０ａ、信号を受
信する側を、ドライブ回路２ｂ、超音波振動子３ｂ、共
振回路４ｂ、増幅器５ｂから構成される部分４０ｂとす
る。

【００５２】制御手段１により、選択回路６は、入力端
子イが選択され、増幅器５ｂの出力が選択回路６の出力
に接続されている。

【００５３】制御手段１の出力端子Ｐ１から図１の信号
欄aに示す、第１の信号Ｉ１が出力される。ここで、Ｉ
１は、例えば、振幅が＋３０Ｖ、−３０Ｖの、超音波振
動子の耐圧３０Ｖを超えない範囲の電圧であって、１サ
イクルの正及び負の振幅を有するパルス信号である。

【００５４】同時に、制御手段１の出力端子Ｃから信号
欄ｉに示す信号ＰＲが記憶手段１１の端子Ｐ及び記憶手
段１３の端子Ｐに各々出力され、該信号により、記憶手
段１１及び記憶手段１３は所定の状態にセットされる。
即ち、記憶手段１１は、信号欄ｆに示す、記憶手段１１
の出力端子Ｏの出力が、比較器１０の動作が可能なよう
に、また、記憶手段１３は、信号欄ｃに示す、記憶手段
１３出力端子Ｏの出力が、カウンタ１４の動作を禁止す
るようにセットされる。

【００５５】ドライブ回路２ａを介して超音波振動子３
ａに信号Ｉ１が印加されると、超音波振動子３ａは、超
音波振動子３ａの共振周波数で超音波を発生する。係る
超音波は、超音波振動子３ｂで受信される。前記したよ
うに超音波振動子３ｂと共振回路４ｂとは二重共振回路
が形成され、図１の信号欄ｂに示す信号ＯＳ１が増幅器
５ｂから出力される。

【００５６】係る信号ＯＳ１は、選択回路６を介して最
大値検出／保存回路７に印加される。前記最大値検出／
保存回路７により信号ＯＳ１の最大値ＥＰが保持され
る。

【００５７】前記信号ＯＳ１は、比較回路９及び、比較
回路１０にも印加されるが、記憶手段１１が所定の状態
に保たれていて、比較回路９の出力は、記憶手段１１に
影響せず、また、前記記憶手段１１の出力により比較回
路１０の動作は禁止されている。従って、カウンタ１４
は、停止状態を保持したままである。

【００５８】超音波振動子３ａに信号Ｉ１が印加されて
から所定時間経過後、制御手段１の出力端子Ｐ１から図
２の信号欄aに示す、第２の信号Ｉ２が出力される。ド
ライブ回路２ａを介して超音波振動子３ａに信号Ｉ２が
印加されると同時に、制御手段１の出力端子Ｃ１から図
２の信号欄ｈに示す信号ＰＳが出力される。信号ＰＳに
より、記憶手段１１と記憶手段１３との状態は、信号欄
ｆ及び信号欄ｃに示すように時間ｔ１で反転される。

【００５９】記憶手段１３の状態が反転されると、カウ
ンタ１４は動作可能になり、時間ｔ１から発振器１２の
周波数で計数が開始される。

【００６０】ここで、前記所定時間とは、風速、音速、
センサ間距離などから定まる計測時間に対して、複数回
の計測を行える時間間隔である。

【００６１】即ち、超音波振動子の共振による振動波形
の包絡線で示す波の数が、５〜１０個含まれる時間と、
第１の信号Ｉ１が第１の超音波振動子に印加された後、
第２の超音波振動子がＯＳ１のごとき信号ｂを出力する
間での信号伝搬時間ＴＤが含まれている。例えば、超音
波振動子の共振周波数を４０ＫＨｚとすると、前記包絡
線で示す波の減衰時間は２５０μｓである。従って、振
動波形の包絡線で示す波が１０個含まれる時間は、２．
５ｍｓとなる。また、信号が伝搬する時間ＴＤは、風速
３２０ｍ／ｓ、超音波振動子の間隔を４０ｃｍとする
と、約１．２５ｍｓである。そして後述するカウンタ１
４の計数値を制御手段１が取得する処理時間も加算され
る。係る点を考慮して、風速、センサ間距離、環境、そ
の他の条件により所定時間を適宜決定する。

【００６２】前記所定時間経過後に、前記同様にドライ
ブ回路２ａを介して超音波振動子３ａに信号Ｉ２が印加
されると、信号ＯＳ２が信号伝搬時間ＴＤだけ遅れて超
音波振動子３ｂで受信され、共振回路４ｂ、増幅器５
ｂ、選択回路６を介して最大値検出／保存回路７と、比
較回路９と、比較回路１０とに印加される。

【００６３】最大値検出／保存回路７に保持されている
信号ＯＳ１の最大値ＥＰは、信号ＯＳ２が超えない限
り、保持されている最大値ＥＰの値は変化しない。

【００６４】信号ＯＳ２は、比較回路１０にも印加され
るが、比較回路１０は、図２の信号欄ｆに示すように、
制御手段１により、記憶手段１１の出力が所定の状態に
保たれていて、比較回路１０の動作を禁止する。

【００６５】比較回路９の一方の入力端子ｂには、基準
レベルＶＴＨが印加されていて、基準レベルＶＴＨは、
例えば、前記最大値の５０％に選ばれている。図２の信
号欄ｅに示すように、比較回路９の他方の入力端子ａに
印加されている信号ＯＳ２が、前記基準レベルＶＴＨに
なると比較回路９が動作する。

【００６６】比較回路９は、記憶手段１１をセットし、
信号欄ｆに示すように、比較回路１０の動作を有効にす
る。比較回路１０は、動作が有効になると、信号ＯＳ２
の値がゼロレベルになる点（時間ｔ２）を検出して信号
欄ｇに示す信号を出力する。該信号によって記憶手段１
３の状態は反転される。

【００６７】記憶手段１３の状態が反転されると、カウ
ンタ１４は時間ｔ２で計数を停止する。即ち、カウンタ
１４には、超音波振動子３ａに時間ｔ１で信号Ｉ２が印
加されてから信号ＯＳ２が超音波振動子３ｂで受信さ
れ、信号ＯＳ２が基準レベルＶＴＨになってから最初の
ゼロレベルになる時間ｔ２までの計数値ＮＣが保存され
ている。

【００６８】発振器の周波数を例えば１０ＭＨｚとする
と、カウンタ１４が示す数値は、時間表記では、０．１
×ＮＣ（μｓ）となる。

【００６９】カウンタの計数値は、制御手段１が前記信
号ＰＳを発してから、カウンタ１４が停止するまでの、
予め定めた時間経過後に、制御手段１の端子Ｌ１から信
号を発し、カウンタ１４の端子ＤＯから制御手段１に計
数値が読みこまれ、図示していない格納手段に保存され
る。

【００７０】次に、制御手段１により、前記した場合と
逆方向の風速の測定が行われる。制御手段１により、選
択回路６は、入力端子ロが選択され、増幅器５ａの出力
が選択回路６の出力に接続される。従って、信号を送出
する側は、ドライブ回路２ｂ、超音波振動子３ｂ、共振
回路４ｂ、増幅器５ｂから構成される部分４０ｂ、信号
を受信する側は、ドライブ回路２ａ、超音波振動子３
ａ、共振回路４ａ、増幅器５ａから構成される部分４０
ａとなる。

【００７１】前記選択回路６の入力端子がイ側に接続さ
れている場合と同様にして、超音波振動子３ｂに時間ｔ
１で信号Ｉ２が印加されてから信号ＯＳ２が超音波振動
子３ａで受信され、信号ＯＳ２が基準レベルＶＴＨにな
ってから最初のゼロレベルになる時間ｔ２までの計数値
ＮＣが前記図示していない格納手段に保存される。

【００７２】前記超音波振動子の双方向からの計測を複
数回繰り返した後、制御手段１は、以下のようにして風
速を求める。即ち、制御手段１は、前記図示していない
格納手段に格納されている前記複数回の計測値を読み出
す。そして、前記計測値が予め定められた値から外れて
いる場合には前記測定値を破棄する。前記予め定められ
た範囲の計測値のみを用いて、各々の計測値に対する風
速を式（３）により求める。そして、求められた全ての
計測値に対しての平均値を求めて、最終的な風速として
出力手段１６に出力する。制御手段１は、前記計測値
が、予め定めた範囲を超えている場合には、前記出力手
段１６の図示していな表示字装置にエラーメッセージや
エラー表示を行う。

【００７３】なお、前記制御手段１による風速の計算
は、制御手段１がカウンタ１４の値を取り込む毎に処理
しても良く、または、全ての測定が終了するまで図示し
ていない格納手段に保存し、測定終了後に行うようにし
ても良い。又、１サイクルの正及び負の振幅を有するパ
ルス信号は、超音波振動子の仕様、超音波伝播時間計測
装置、超音波風速計及び風速測定方法の仕様に応じて、
正又は負の振幅を有する台形状又は正弦波状の信号とし
てもよい。

【００７４】

【発明の効果】本発明の超音波伝播時間計測装置によれ
ば、超音波の受信波において、常に定まった急峻点を確
実に検出することができ、従って、超音波の伝播時間を
常に正確に計測することができる。また、超音波振動子
に１サイクルの正及び／又は負の加振電圧信号を印加す
ることにより、超音波振動子に印加できる最大電圧の２
倍の電圧が印加できる。この為に、受信波の振幅が大き
くなり、受信側の超音波振動子に混入する雑音の影響を
低減でき、超音波伝播時間計測装置の信頼性を向上でき
る。

【００７５】本発明の超音波風速計によれば、超音波の
伝播時間の正確な計測により、風速を高精度に正確に測
定することができる。又、超音波振動子に１サイクルの
正及び／又は負の加振電圧信号を印加することにより、
超音波振動子に印加できる最大電圧の２倍の電圧が印加
できる。この為に、受信波の振幅が大きくなり、受信側
の超音波振動子に混入する雑音の影響を低減でき、風速
計の信頼性を向上できる。

【００７６】請求項３記載の超音波風速計によれば、前
記信号増幅手段は、前記第１、及び、第２の超音波振動
子の共振周波数とわずかに異なる共振周波数を有する共
振回路を具備し、前記第１、又は、第２の超音波振動子
と二重共振回路を各々構成したことにより、超音波振動
子による受信波、及びその包絡線を急峻にでき、信号の
増幅、信号処理に必要な回路設計を容易にし、全体の価
格を大幅に低減できる。

【００７７】請求項４記載の超音波風速計によれば、前
記制御回路は、第１の超音波振動子が発する第１の信
号、及び第２の信号とにより風速を計測した後に、第２
の超音波振動子が発する第１の信号及び第２の信号とに
より風速を計測する処理を複数回繰り返し、前記計測値
が予め定められた値から外れている場合には前記測定値
を破棄して、前記予め定められた範囲の計測値のみを用
いて風速を求めることにより、超音波振動子の周りに発
生する渦流、測定個所の周辺で発生する音などが雑音と
して超音波振動子に混入しても、測定精度に影響しない
ようにできる。

【００７８】本発明の風速測定方法によれば、１サイク
ルの正及び／又は負の加振電圧信号を発する信号源か
ら、第１の超音波振動子を介して発せられた第１の信号
が、二重共振回路を有する第２の超音波振動子で受信さ
れるとき、１回目の前記信号源からの第１の信号を受信
して、該第１の受信信号の最大値に対する一定比率だけ
低い基準レベルＶＴＨを得、１回目の前記信号源からの
信号が発せられてから所定時間経過後に発した、２回目
の前記信号源からの第２の信号を受信して、該第２の受
信信号の振動波形の受信開始点からＮ個目の波がゼロレ
ベルになる点を検出して、前記基準レベルＶＴＨとを比
較し、前記第２の信号が前記基準レベルＶＴＨを越えた
後に前記第２の信号がゼロレベルになる点を検出するこ
とにより、２回目に発した第２の信号と、該第２の信号
が前記基準レベルＶＴＨを越えた後に前記第２の信号が
ゼロレベルになるまでの間のパルス数を計測して風速を
繰り返して測定することにより、低価格で、操作が簡単
で信頼性の有る、波形歪みの影響を受けない風速測定方
法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するタイムチャートであ
る。

【図２】図１における時間ｔ１からｔ２の間の拡大図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態における、二重共振を説明
する図である。

【図４】本発明の実施の形態における、前記超音波風速
計を実現する回路ブロック図である。

【図５】従来の発明を説明する図面であって、図５
（ａ）は、発振駆動信号と受信波との関係を説明する
図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ部拡大図である。

【符号の説明】

１ 制御手段 ２ａ、２ｂ ドライブ回路 ３ａ、３ｂ 超音波振動子 ４ａ、４ｂ 共振回路 ５ａ、５ｂ 増幅器 ６ 選択回路 ７ 最大値検出／保存回路 ８ 信号低減手段 ９、１０ 比較回路 １１、１３ 記憶手段 １２ 発振器 １４ カウンタ １６ 出力手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高岡 浩一郎 栃木県宇都宮市宿郷２−９−８ サームト ロン株式会社内 (72)発明者 丹野 和美 東京都港区高輪二丁目十五番八号 森電機 株式会社内 (72)発明者 大森 英俊 愛知県豊田市柿本町１丁目９番地 トリニ ティ工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA14 DA23

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の超音波振動子と第２の超音波振動子
   とを気体の流れる空間に離して設け、これら超音波振動
   子間で双方向に超音波の送受を行い、その各向きの到達
   時間より超音波伝播時間を求める超音波伝播時間計測装
   置であって、１サイクルの正及び／又は負の加振電圧信
   号を発する信号源と、該信号源からの電気信号を超音波
   信号に変換、又は、超音波信号を電気信号に変換する第
   １及び第２の超音波振動子と、前記第１又は第２の超音
   波振動子からの電気信号を各々増幅する第１および第２
   の信号増幅手段と、前記第１の超音波振動子と第１の信
   号増幅手段、又は、第２の超音波振動子と第２の信号増
   幅手段との何れか一方を選択する選択手段と、前記選択
   手段で選択された前記第１又は第２の信号増幅手段の出
   力の最大値を検出／保持する最大値検出手段と、該最大
   値検出手段で得られた信号の振幅値に所定の比率を乗じ
   て、より低減された値を得る信号低減手段と、該信号低
   減手段で得られた値と前記信号増幅手段で得られた出力
   値との大きさを比較する第１の信号比較手段と、前記信
   号増幅手段で得られた出力値がゼロレベルになったこと
   を検出する第２の信号比較手段と、前記第１の信号比較
   手段の出力がなされた後、前記第２の信号比較手段の出
   力を有効にするゲート手段と、前記ゲート手段の出力に
   よって制御される計数手段と、前記各手段を制御する制
   御手段とからなる信号処理手段とを有し、最大値検出手
   段は、前記信号源から発せられた第１の信号を受信して
   得られた信号の最大値を保持し、計数手段は、前記第１
   の信号が発せられた所定時間経過後に、前記信号源から
   発せられた第２の信号に同期して計数を開始し、更に前
   記第２の信号を受信して得られた信号により、前記ゲー
   ト手段からの出力がなされるまでのパルス数を計測し、
   制御手段は、前記計数手段の出力から超音波伝播時間を
   求めることを特徴とする超音波伝播時間計測装置。
2. 【請求項２】第１の超音波振動子と第２の超音波振動子
   とを気体の流れる空間に離して設け、これら超音波振動
   子間で双方向に超音波の送受を行い、その各向きの到達
   時間より風速を求める超音波風速計であって、１サイク
   ルの正及び／又は負の加振電圧信号を発する信号源と、
   該信号源からの電気信号を超音波信号に変換、又は、超
   音波信号を電気信号に変換する第１及び第２の超音波振
   動子と、前記第１又は第２の超音波振動子からの電気信
   号を各々増幅する第１および第２の信号増幅手段と、前
   記第１の超音波振動子と第１の信号増幅手段、又は、第
   ２の超音波振動子と第２の信号増幅手段との何れか一方
   を選択する選択手段と、前記選択手段で選択された前記
   第１又は第２の信号増幅手段の出力の最大値を検出／保
   持する最大値検出手段と、該最大値検出手段で得られた
   信号の振幅値に所定の比率を乗じて、より低減された値
   を得る信号低減手段と、該信号低減手段で得られた値と
   前記信号増幅手段で得られた出力値との大きさを比較す
   る第１の信号比較手段と、前記信号増幅手段で得られた
   出力値がゼロレベルになったことを検出する第２の信号
   比較手段と、前記第１の信号比較手段の出力がなされた
   後、前記第２の信号比較手段の出力を有効にするゲート
   手段と、前記ゲート手段の出力によって制御される計数
   手段と、前記各手段を制御する制御手段とからなる信号
   処理手段とを有し、最大値検出手段は、前記信号源から
   発せられた第１の信号を受信して得られた信号の最大値
   を保持し、計数手段は、前記第１の信号が発せられた所
   定時間経過後に、前記信号源から発せられた第２の信号
   に同期して計数を開始し、更に前記第２の信号を受信し
   て得られた信号により、前記ゲート手段からの出力がな
   されるまでのパルス数を計測し、制御手段は、前記計数
   手段の出力から風速を求めることを特徴とする超音波風
   速計。
3. 【請求項３】前記信号増幅手段は、前記第１及、第２の
   超音波振動子の共振周波数とわずかに異なる共振周波数
   を有する共振回路を具備し、前記第１又は第２の超音波
   振動子と二重共振回路を各々構成したことを特徴とする
   請求項２に記載の超音波風速計。
4. 【請求項４】前記制御手段は、第１の超音波振動子が発
   する第１の信号、及び第２の信号とにより風速を計測し
   た後に、第２の超音波振動子が発する第１の信号及び第
   ２の信号とにより風速を計測する処理を複数回繰り返
   し、前記計測値が予め定められた値から外れている場合
   には前記測定値を破棄して、前記予め定められた範囲の
   計測値のみを用いて風速を求めることを特徴とする請求
   項２又は３に記載の超音波風速計。
5. 【請求項５】第１の超音波振動子と第２の超音波振動子
   とを気体の流れる空間に離して設け、これら超音波振動
   子間で双方向に超音波の送受を行い、その各向きの到達
   時間より風速を求める風速測定方法であって、前記第１
   の超音波振動子及び、該第１の超音波振動子に接続され
   る第１の信号増幅手段とを請求項２に記載の信号処理手
   段に接続し、１サイクルの正及び／又は負の加振電圧信
   号を発する前記信号源から前記第２の超音波振動子に第
   １の信号を印加して、前記最大値検出手段により前記信
   号源から発せられた前記第１の信号を受信して得られた
   信号の最大値を保持し、前記第１の信号が発せられた所
   定時間経過後に前記信号源から発せられた第２の信号に
   同期して前記計数手段の計数を開始し、更に前記第２の
   信号を受信して前記ゲート手段の出力がなされるまでの
   パルス数を計測して第１の風速を求めた後に、前記第２
   の超音波振動子及び、該第２の超音波振動子に接続され
   る前記第２の信号増幅手段とを前記信号処理手段に前記
   信号処理手段に具備される前記選択手段により接続し、
   １サイクルの正及び／又は負の加振電圧信号を発する前
   記信号源から、超音波信号を電気信号に変換する前記第
   １の超音波振動子に第１の信号を印加して、前記最大値
   検出手段により前記信号源から発せられた前記第１の信
   号を受信して得られた信号の最大値を保持し、前記第１
   の信号が発せられた所定時間経過後に前記信号源から発
   せられた第２の信号に同期して前記計数手段の計数を開
   始し、更に前記第２の信号を受信して前記ゲート手段の
   出力がなされるまでのパルス数を計測して第２の風速を
   求め、前記第１と第２の風速を測定する処理を交互に複
   数回行い、前記求められた計測値が、予め定められた値
   から外れている場合には、前記測定値を破棄して、前記
   予め定められた範囲の計測値のみを用いて風速を求める
   ことを特徴とする風速測定方法。