JP2002333356A

JP2002333356A - 超音波流量計

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Publication number: JP2002333356A
Application number: JP2001138028A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Nabeshima; 徳行鍋島
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP4746203B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長時間のピーク値ホールド回路をなくして消
費電流を減らす。受信波検知部のデジタル回路を簡単に
する。【解決手段】受信波検知部を、受波器からの信号を増
幅する増幅度可変の増幅部と、３つの基準電圧レベルを
有する比較器、ゼロクロス検知用比較器等で構成する。
増幅後の受信波が図（ａ）のように、その第３波が２０
０ｍＶと５００ｍＶの基準電圧を一気に越えると、その
ゼロクロス点で受信波検知信号を出し、その後の受信で
は、３５０ｍＶの基準電圧を第３波が越えるとそのゼロ
クロス点で受信波検知信号を出す。第３波が３５０ｍＶ
に達しないときは、受信波検知信号は出ない。そして、
増幅部の増幅度を調節して適値を選ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体中の超音波の伝
播時間を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆
方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流
量を求める超音波流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定原理の一例として、図４に示すよう
に、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置
した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方
の送受波器２への順方向伝播時間ｔ₁は、静止流体中の
超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、ｔ₁＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）となる。

【０００３】また、送受波器２から送受波器１への逆方
向伝播時間ｔ₂は、ｔ₂＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）となる。伝播時間ｔ₁とｔ₂とから流速Ｖを、Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ₁）−（１／ｔ₂）｝として求めていた。

【０００４】上述の測定原理において、超音波が受信側
の送受波器に到達する時期、つまり到達時点を特定する
受信検知の方法として、特定波のゼロクロス点を検知す
るようにしたものがある。図５は発信のタイミングを示
す発信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は
非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後
の波形を示している。

【０００５】ａが到達時点で、徐々に振幅が大きくな
る。その後最大振幅となり徐々に小さくなる。ところが
到達時点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次
のような方法が行われている。

【０００６】ノイズより十分大きな基準電圧レベルとし
てのしきい値Ｖ_THを決め、このレベルに最初に達した
波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼ
ロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検
知とする方法である。

【０００７】しきい値Ｖ_THは常に何番目かのある特定の
波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するよ
うに定めてあり、実際の到達時間ｔは、ａ点からｃ点ま
での時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ
＋τに相当する値から時間τを減算することにより求め
ている。

【０００８】送信から受信までの順方向伝播時間や逆方
向伝播時間を求めるのに、単純に測定した到達時間ｔ＋
τから時間τを減ずるのではなく、伝播時間計測の精度
を向上するために、受信すると同時に次の送信を同じ方
向に行うことを複数回（ｎ−１回）繰り返すことによ
り、一方向、例えば順方向の送受信をｎ回連続して繰り
返して、最初（第１回目）の順方向送信から最後（第ｎ
回目）の受信までの時間ｎ（ｔ₁＋τ）を測定し、次に
他方向、例えば逆方向への送受信を同様にしてｎ回連続
して繰り返して、最初の逆方向送信から最後の受信まで
の時間ｎ（ｔ₂＋τ）を測定し、これらの各方向の複数
回の送受信で得た測定値からｎτを減じ、各方向の伝播
時間ｔ₁とｔ₂とを計算して流速更に流量を求める超音
波流量計も公知である。

【０００９】ところが、受信波の大きさは測定する気体
の圧力や、或いは超音波送受波器を構成する振動子の個
々の特性によって異なる。その結果、個々のしきい値Ｖ
_THの調整はもちろん、場合によっては流量計の設置場所
毎に現地でしきい値Ｖ_THや、受信側の送受波器で得た信
号を増幅する増幅器の増幅率の調整が必要となる。

【００１０】そこで、自動的に最適なしきい値Ｖ_THにで
きるいくつかの方法が模索されている。その１つは、ピ
ーク値ホールド回路やオートマチックゲインコントロー
ル回路（ＡＧＣ）を用いて受信波のピーク値が常に一定
の大きさになるよう増幅器のゲイン（前記増幅率）を調
整して、狙った波をしきい値Ｖ_THで捉えるようにするこ
とで、受信波の方をしきい値Ｖ_THに合わせる方法であ
る。もう１つは、直前の受信波のピーク値をホールド
し、そのピーク値の電圧に一定値を掛けた値をしきい値
Ｖ_THとして使う方法である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】これらの方法は、消費
電流の大きいアナログ回路部が大掛かりになってコスト
高になる。また、ある特定電圧を一定時間ホールドして
いる必要があるとか、或いはしきい値Ｖ_THを決めるため
に、測定とは別の超音波の送受信を行う必要があるた
め、低消費電流にすることが難しいなどの問題点があっ
た。

【００１２】特にピーク値等のホールド回路は低消費電
力化の妨げとなる。１対の送受波器時間の距離が２００
ｍｍ程度の気体流量計では伝播時間ｔが０．５ｍｓ程度
であるが、繰り返し送受信を行う複数回（ｎ回）が１０
０回程度になるとｎｔが５０ｍｓにもなり、この長い時
間の間、一定の電圧をホールドするのに大きな電力を消
費するからである。

【００１３】そこで、本発明はこれらの問題点を解消で
きる超音波流量計を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、送信側としても受信側としても
働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れ
の中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向
に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流
速さらに流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎
に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の受
信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波
を検知すると再び送信側送受波器を駆動して送信し、こ
れを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目
の送信から複数回目の受信までの時間、つまり到達時間
の複数倍をまとめて測定し、その結果から到達時間を求
める超音波流量計において、前記受信波検知部は、先ず
受信側送受波器の信号を増幅度可変の増幅部で増幅する
ように構成されていて、増幅部の後段では、電圧の異な
る３つの基準電圧レベルが用意されていて、各方向毎の
複数回の送受信のうち、第１回目の受信は、１つの発信
による増幅後の一群の受信波のうち、ある波が最初に前
記３つの基準電圧レベルのうち最も低い基準電圧レベル
を越え、更にそのまま、最も高い基準電圧レベルも一気
に越えた時は、その波のゼロクロスポイントを受信検知
ポイントとし、第２回目以降の受信は、前記３つの基準
電圧レベルのうち、真ん中の基準電圧レベルを初めて越
えた波のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとする
と共に、第１回目の受信で、最も低い基準電圧レベルを
越えた波が最も高い基準電圧レベルを一気に越えなかっ
たときは、測定を中止して、増幅部の増幅度を変えて第
１回目の送信からやり直すように構成したことを特徴と
する超音波流量計である。

【００１５】

【作用】１つの発信による増幅後の一群の受信波は、そ
の先頭から第１波、第２波、第３波、第４波、第５波、
第６波、第７波と次第にそのピークが大きくなる。この
ピークの電圧の大きくなる度合いは最初ほど大きくだん
だん小さくなる傾向がある。つまり、ピークの大きさを
比較すると、第１波側なら、第３波／第１波が最大で第
５波／第３波、第７波／第５波と段々小さくなる。第２
波側なら第４波／第２波が最大で第６波／第４波、第８
波／第６波と小さくなる。

【００１６】なお、第３波／第１波と表現した比率は厳
密には第３波のピーク値と第１波のピーク値との比率で
ある（第３波のピーク／第１波のピーク）を簡略化して
表現したもので、他の比率についても同様に簡略化した
表現で示している。

【００１７】上記各比率は流体の圧力等で全体の振幅が
変化してもほとんど変化しないことが実験等で確認され
ている。特に第３波／第１波および第４波／第２波は他
の比率に比べ十分大きいため区別が容易である。

【００１８】仮に３つの基準電圧レベルを２００ｍＶ、
３５０ｍＶ、５００ｍＶとすると、ある波が初めて２０
０ｍＶを越えてそのまま一気に５００ｍＶも越えたと
き、その波は直前の波の２．５倍以上あることになる。
仮に第３波だけがこの条件を満たすなら、この時点で、
この波が第３波と判断できる（図３（ａ）参照）。

【００１９】２００ｍＶを初めて越える波が５００ｍＶ
を越えなかったときは増幅度が適当でないと判断でき、
その時点で測定を中止して、増幅度を変化させ最初の発
信からやり直す。これを繰り返すことで最終的に増幅度
の最適化が可能である。

【００２０】第２回目以降の受信波、２００ｍＶと５０
０ｍＶの中間値である３５０ｍＶを初めて越えた波のゼ
ロクロスポイントを受信検知ポイントとすることで、以
後の繰り返し測定中に多少波高値が変化しても第３波を
捉え続けることが可能である。

【００２１】第１波が大きくなると２００ｍＶと５００
ｍＶを一気越えする可能性があるが増幅度を制限するこ
とで第１波を間違えて検知することは防ぐことができ
る。

【００２２】この説明では第１波側を正とし正側に基準
電圧レベルを設置し第３波を捉えるようにしたが、負側
に基準レベルを設置し第４波を捉えるようにすることも
できるし、受信波の極性を逆にして正側で第４波或いは
負側で第３波を捉えるようにすることもできる。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に本発明の好ましい実施の形態
を図面の実施例に基づいて説明する。

【００２４】図１は実施例の全体構成である。受信波検
知部について図２に詳しく示して説明する。

【００２５】送受波器１，２は超音波振動子で、送信に
も受信にも使用できる。両送受波器は流体中を上流から
下流又は下流から上流への超音波の送受を行う。

【００２６】受信波検知部４は受信側の送受波器、例え
ば２が接続され受信波を検知すると受信波検知信号を出
力する。送波器駆動部５はコントロール部６より第１送
信指令信号を受けると送信側の送受波器、例えば１をま
ず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知信号
を受ける度に駆動する。但し、第１のカウンタ７より第
ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送
信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。本実施例で
は無意味なｎ＋１回目の駆動を行ってしまうようになっ
ているが、受信側で無視するので問題はない。

【００２７】第１のカウンタ７は受信波検知部４からの
受信波検知信号をカウントし、ｎ番目の受信波検知信号
（第ｎ受信波検知信号）を出力する。このカウンタ７は
コントロール部６よりの第１送信指令信号でリセットさ
れるようになっている。第２のカウンタ８は第１送信指
令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間ｎ（ｔ₁＋
τ）を測定する。その時間（カウント値）はコントロー
ル部６が読み取る。実施例では第１送信指令信号でカウ
ント値がゼロクリアされ、カウントを開始するように構
成されている。

【００２８】コントロール部６は一定間隔で送受切替信
号を反転させて切替スイッチ９，１０を切り替えること
により２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。

【００２９】各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ
等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力す
る。そして、第ｎ受信波検知信号が入力されると、カウ
ンタ８の測定値（カウント値）、例えばｎ（ｔ₂＋τ）
を読み取り、直前に行った反対向きでの測定値とを用い
て、その間の流速更に流量を演算する。なお、この超音
波流量計は電池電源で作動する。

【００３０】図２は受信波検知部の電気回路図で、切替
スイッチ１０を介して受信側の送受波器から入力される
信号Ｖｉｎは増幅度可変の増幅部１１で増幅される。オ
ペアンプ１２に接続されたフィードバック抵抗Ｒ₂₀〜Ｒ
₂₇をアナログスイッチ１３で選択的に接続することで増
幅度を変える。アナログスイッチ１３はラインＳ１０，
Ｓ１１及びＳ１２に印加されるコントロール部６からの
増幅度選択信号で８個のうちの１つのスイッチが選択的
に閉じる。図示の場合、フィードバック抵抗Ｒ ₂₄と直列
のスイッチが閉じているため、増幅部１１の増幅度はＲ
₂₄／Ｒ₁である。なお、フィードバック抵抗Ｒ₂₀〜Ｒ₂₇
の抵抗値はＲ₂₀＜Ｒ₂₁＜Ｒ₂₂＜…＜Ｒ₂₇と、順に大きく
定めてある。

【００３１】増幅部１１で増幅された受信波は、第１の
比較器１４、第２の比較器１５及び第３の比較器１６の
プラス入力に印加される。各比較器１４，１５及び１６
のマイナス入力には、それぞれレベルが２００ｍＶ、３
５０ｍＶ及び５００ｍＶの基準電圧が入力されている。

【００３２】１７はゼロクロス検知用比較器で、これら
４個の比較器１４，１５，１６，１７の出力は、図示の
ように、ＯＲゲート１８、バイナリカウンタ１９、ＡＮ
Ｄゲート２０、第１のＲＳＦＦ２１、立ち上がりエッジ
検知回路２２、第２のＲＳＦＦ２３及び切替スイッチ２
４と図示のように接続されている。また、バイナリカウ
ンタ１９と第２のＲＳＦＦ２３の各Ｒ入力には前記図１
のコントロール部からの第１送信指令信号が入力され
る。

【００３３】図３に増幅度が適切で第３波を捉えること
ができた場合（ａ）と、増幅度が不適切で第３波を捉え
ることができなかった場合（ｂ）のタイミングを示す。

【００３４】バイナリカウンタ１９の出力Ｑ１は、２０
０ｍＶを越える波があったとき、最初の１回だけ“Ｈｉ
ｇｈ”になり、２回目からは“Ｌｏｗ”となる。その信
号と比較器１６の出力のＡＮＤが切替スイッチ２４を介
してＲＳＦＦ２１のＲ入力に入力されている。

【００３５】比較器１６は波が５００ｍＶを越えたとき
“Ｈｉｇｈ”となる。よって１回目に２００ｍＶを越え
た波がそのまま５００ｍＶも越えたときのみＲＳＦＦ２
１のＲ入力に“Ｈｉｇｈ”が入力され、ＲＳＦＦ２１の
出力Ｑは“Ｌｏｗ”となり、その後Ｓ入力であるゼロク
ロス検知用比較器１７の出力が“Ｈｉｇｈ”になると再
びＲＳＦＦ２１の出力は“Ｈｉｇｈ”となり、その立ち
上がりエッジを検知した信号が受信波検知信号となる。
つまり、２００ｍＶを最初に越えた波がそのまま一気に
５００ｍＶも越えたとき、その波のゼロクロスポイント
で受信波検知信号が出力される。

【００３６】一旦、受信波検知信号が出力されるとＲＳ
ＦＦ２３の出力Ｑは反転して“Ｌｏｗ”となり、切替ス
イッチ２４は図示の状態から切り替わり、比較器１５の
出力がＲＳＦＦ２１のＲ入力となる。よって以後は３５
０ｍＶを最初に越えた波のゼロクロスポイントで受信波
検知信号が出力される。

【００３７】また、２００ｍＶを越えた波が５００ｍＶ
を越えない場合、次の波が５００ｍＶを越えても受信波
検知信号は出力されない（図３（ｂ）参照）。この場合
は第１送信指令信号出力から一定時間たっても受信波検
知信号がないことにより、増幅度不適合とコントロール
部６が判断して増幅度を変更し、再び第１送信指令信号
を出力するように構成されていて、この繰り返しにより
最適増幅度を見つけることができる。バイナリカウンタ
１９と２つのＲＳＦＦ２１，２３はコントロール部６か
らの第１送信指令信号で毎回リセットされるようになっ
ている。

【００３８】上記実施例では、基準電圧レベルを２０
０，３５０，５００ｍＶの１組だけとしたが、前記２０
０，３５０，５００ｍＶの組だけでなく、例えば３０
０，５２５，７５０ｍＶのように同じ比率で複数組も
ち、２００，５００ｍＶを一気越え、あるいは３００，
７５０ｍＶを一気越えを第３波検知の条件とし、２０
０，５００ｍＶの一気越えの時は以降は３５０ｍＶを最
初に越えた波のゼロクロスポイント、３００，７５０ｍ
Ｖの一気越えの時は以降は５２５ｍＶを最初に越えた波
のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントすることも
可能で、この場合、増幅度の適合範囲が広くなり最適増
幅度を見つけやすくなる利点がある。

【００３９】

【発明の効果】本発明の超音波流量計は上述のように構
成されているので、従来技術のような消費電流の多い長
時間作動のピーク値ホールド回路を用いなくて良く、受
信波検知部のアナログ回路が増幅部と比較器のみで構成
でき、しかも受信時の一瞬だけ機能させればよいため、
容易に低消費電力化できる。また、受信波検知部のデジ
タル回路の構成が簡単で低コストの流量計を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体のブロック図。

【図２】本発明の実施例の受信波検知部の電気回路図。

【図３】本発明の実施例のタイミング図で、（ａ）は増
幅部の増幅度が適切で、第３波を捉えて受信波検知信号
を出力するときの図、（ｂ）は増幅度が不適合で、受信
波検知信号が出力されないときの図。

【図４】超音波流量計の原理を説明する略図。

【図５】従来の超音波流量計の受信波検知部の動作を説
明する電気信号波形を示す図。

【符号の説明】

１，２超音波送受波器３流管４受信波検知部５送波器駆動部６コントロール部７第１のカウンタ８第２のカウンタ１１増幅部１２オペアンプ１３アナログスイッチ１４，１５，１6 比較器１７ゼロクロス検知用比較器１９バイナリカウンタ２１，２３ＲＳＦＦ２２立ち上がりエッジ検知回路

【手続補正書】

【提出日】平成１３年５月１０日（２００１．５．１
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】特にピーク値等のホールド回路は低消費電
力化の妨げとなる。１対の送受波器間の距離が２００ｍ
ｍ程度の気体流量計では伝播時間ｔが０．５ｍｓ程度で
あるが、繰り返し送受信を行う複数回（ｎ回）が１００
回程度になるとｎｔが５０ｍｓにもなり、この長い時間
の間、一定の電圧をホールドするのに大きな電力を消費
するからである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信側としても受信側としても働く超音
波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上
流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波
の送受信を行い、その各方向の到達時間より流速さらに
流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一
方の送受波器を送信側として送信し、他方の受信側送受
波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知す
ると再び送信側送受波器を駆動して送信し、これを複数
回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信か
ら複数回目の受信までの時間、つまり到達時間の複数倍
をまとめて測定し、その結果から到達時間を求める超音
波流量計において、前記受信波検知部は、先ず受信側送受波器の信号を増幅
度可変の増幅部で増幅するように構成されていて、増幅
部の後段では、電圧の異なる３つの基準電圧レベルが用
意されていて、各方向毎の複数回の送受信のうち、第１
回目の受信は、１つの発信による増幅後の一群の受信波
のうち、ある波が最初に前記３つの基準電圧レベルのう
ち最も低い基準電圧レベルを越え、更にそのまま、最も
高い基準電圧レベルも一気に越えた時は、その波のゼロ
クロスポイントを受信検知ポイントとし、第２回目以降の受信は、前記３つの基準電圧レベルのう
ち、真ん中の基準電圧レベルを初めて越えた波のゼロク
ロスポイントを受信検知ポイントとすると共に、第１回目の受信で、最も低い基準電圧レベルを越えた波
が最も高い基準電圧レベルを一気に越えなかったとき
は、測定を中止して、増幅部の増幅度を変えて第１回目
の送信からやり直すように構成したことを特徴とする超
音波流量計。