JP2005172518A - Circuit for arrival time detection of ultrasonic waves in ultrasonic sensor, and ultrasonic flowmeter using the same - Google Patents

Circuit for arrival time detection of ultrasonic waves in ultrasonic sensor, and ultrasonic flowmeter using the same Download PDF

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千貴 落合
Itsuro Hori
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circuit for arrival time detection of an ultrasonic waves in a ultrasonic sensor, capable of always securing stabilized and high detection accuracy, and to provide an ultrasonic flowmeter which uses it. <P>SOLUTION: The circuit for arrival time detection 2 is provided with a charge amplifier 3, which changes and outputs the electric charge generated according to reception of an ultrasonic wave from each ultrasonic sensor B1, B2 composed of piezoelectric elements into a voltage signal, and a zero-cross point detector 5 which detects the zero-cross point of the voltage signal outputted from the charge amplifier. And besides, one pair of ultrasonic sensors B1, B2 are arranged mutually and opposite with a prescribed distance between them in the passage through which a fluid flows. The circuit for arrival time detection 2 is so formed that the ultrasonic flowmeter 1 is constituted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路、およびこれを用いた超音波流量計に関する。   The present invention relates to an ultrasonic arrival time detection circuit in an ultrasonic sensor, and an ultrasonic flowmeter using the same.

従来の超音波流量計には、図6に示すように、圧電振動子からなる一対の超音波センサB1,B2を備え、ガス、液体等の流体が流れる流路内において、一方の超音波センサB1を上流側(図中左側)に、他方の超音波センサB2を下流側(図中右側)に所定距離Lだけ離間した状態で互いに対向配置した構成のものがある。なお、この場合の各超音波センサB1,B2は、超音波の送信と受信の双方の機能を有している。   As shown in FIG. 6, the conventional ultrasonic flowmeter includes a pair of ultrasonic sensors B1 and B2 made of piezoelectric vibrators, and one ultrasonic sensor in a flow path through which a fluid such as gas or liquid flows. There is a configuration in which B1 is disposed on the upstream side (left side in the drawing) and the other ultrasonic sensor B2 is disposed to face each other in a state of being separated by a predetermined distance L on the downstream side (right side in the drawing). In this case, each of the ultrasonic sensors B1 and B2 has both functions of transmitting and receiving ultrasonic waves.

ここで、流体が一定速度で流れているとしたとき、各超音波センサB1またはB2に励振用パルスを印加して超音波を送信する。その際、上流側の超音波センサB1から送信された超音波が下流側の超音波センサB2で受信されるまでに要した時間をt1、下流側の超音波センサBから送信された超音波が上流側の超音波センサAで受信されるまでに要した時間をt2とすると、t1<t2となり、両時間t1,t2の差Δt(=t2−t1)が流体の流速vにほぼ比例している。したがって、上記の時間差Δtを検出することにより、流体の流速vを計測でき、さらに、流路の断面積が既知であれば、流速vから流量を計測することができる。   Here, when the fluid is flowing at a constant speed, an ultrasonic pulse is transmitted by applying an excitation pulse to each ultrasonic sensor B1 or B2. At that time, the time required for the ultrasonic wave transmitted from the upstream ultrasonic sensor B1 to be received by the downstream ultrasonic sensor B2 is t1, and the ultrasonic wave transmitted from the downstream ultrasonic sensor B is Assuming that the time required for reception by the ultrasonic sensor A on the upstream side is t2, t1 <t2, and the difference Δt (= t2−t1) between the times t1 and t2 is approximately proportional to the fluid flow velocity v. Yes. Therefore, by detecting the time difference Δt, the flow velocity v of the fluid can be measured, and if the cross-sectional area of the flow path is known, the flow rate can be measured from the flow velocity v.

ところで、上記の超音波流量計において、超音波センサB1,B2を励振して送信される超音波は一般に振幅を繰り返す波形になるので、この超音波を受信した側の超音波センサB1またはB2から出力される受信信号も振幅を繰り返す波形となる。このため、受信側では、受信信号のどの時点を超音波を受信した時刻とみなすかが問題となる。   By the way, in the ultrasonic flowmeter described above, the ultrasonic wave transmitted by exciting the ultrasonic sensors B1 and B2 generally has a waveform that repeats the amplitude. Therefore, from the ultrasonic sensor B1 or B2 on the side that receives the ultrasonic wave. The output reception signal also has a waveform that repeats the amplitude. For this reason, on the receiving side, it becomes a problem which time point of the received signal is regarded as the time when the ultrasonic wave is received.

この場合、超音波センサB1,B2が超音波を受信した直後の時刻を検出することは実際上は難しいので、超音波センサB1,B2から出力される受信信号があるピークを過ぎてから逆のピークに向かうときに信号レベルが零になる時点(いわゆるゼロクロス点)を検知して受信時刻とすることが行われている(例えば、特許文献1参照)。   In this case, since it is actually difficult to detect the time immediately after the ultrasonic sensors B1 and B2 receive the ultrasonic waves, the reverse of the reception signals output from the ultrasonic sensors B1 and B2 after a certain peak has passed. A time point at which the signal level becomes zero when going to the peak (so-called zero cross point) is detected and set as a reception time (see, for example, Patent Document 1).

また、超音波センサB1,B2から出力される受信信号は比較的微弱であるので、従来は、図7に示すように、受信信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路5の前段に演算増幅器Amp1と抵抗R1〜R4とを組み合わせてなる電圧増幅回路4を設け、超音波センサB1またはB2から出力される受信信号を、この電圧増幅回路4で増幅した後にゼロクロス点検出回路5に与えるようにしている。なお、C1は超音波センサB1,B2に電圧増幅回路4を接続するための結合用コンデンサである。   Further, since the reception signals output from the ultrasonic sensors B1 and B2 are relatively weak, conventionally, as shown in FIG. 7, an operational amplifier is provided before the zero-cross point detection circuit 5 for detecting the zero-cross point of the reception signal. A voltage amplifying circuit 4 composed of a combination of Amp1 and resistors R1 to R4 is provided, and a received signal output from the ultrasonic sensor B1 or B2 is amplified by the voltage amplifying circuit 4 and then given to the zero cross point detecting circuit 5. ing. C1 is a coupling capacitor for connecting the voltage amplification circuit 4 to the ultrasonic sensors B1 and B2.

いま、流体の流れが停止していて流量が零の場合を想定すると、各々の超音波センサから超音波を送信してから、その後にゼロクロス点検出回路5で受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した各時間の差Δtは、本来ならば零になるはずである。ところが、実際には、各々の超音波センサB1,B2が受信した超音波を電気信号に変換した後、この受信信号がゼロクロス点検出回路5に入力されるまでの間に固有の時間差(以下、オフセット時間という)Δ1,Δ2を生じる。   Assuming that the flow of fluid is stopped and the flow rate is zero, the ultrasonic wave is transmitted from each ultrasonic sensor, and then the zero cross point of the received signal is detected by the zero cross point detection circuit 5. The time difference Δt required until then should be zero. However, in actuality, after the ultrasonic waves received by the ultrasonic sensors B1 and B2 are converted into electric signals, the time difference (hereinafter, referred to as the time difference between the received signals being input to the zero-cross point detection circuit 5). Δ1, Δ2) (referred to as offset time).

これには次の要因が考えられる。まず、各超音波センサB1,B2は、板状の圧電体の両面に電極を形成して構成されているため、2つの電極間に静電容量が存在する。また、超音波センサB1,B2と電圧増幅回路4との間には抵抗値が存在する。そのため、超音波センサB1,B2からゼロクロス点検出回路5の入力端子までの間に静電容量と抵抗からなる遅延回路が形成され、これがオフセット時間Δ1,Δ2を生じさせる。   The following factors can be considered for this. First, since each ultrasonic sensor B1, B2 is configured by forming electrodes on both surfaces of a plate-like piezoelectric body, there is a capacitance between the two electrodes. Further, a resistance value exists between the ultrasonic sensors B1 and B2 and the voltage amplifier circuit 4. Therefore, a delay circuit composed of a capacitance and a resistance is formed between the ultrasonic sensors B1 and B2 and the input terminal of the zero cross point detection circuit 5, and this causes offset times Δ1 and Δ2.

そして、個々の超音波センサB1,B2に付随して生じるオフセット時間Δ1,Δ2が互いに異なると、たとえ流量が零であっても上記の時間差Δtは零にはならず誤差が残る。すなわち、各々の超音波センサB1,B2が超音波を送信してからゼロクロス点検出回路によって受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要する時間はそれぞれ(t1+Δ1),(t2+Δ2)となるので、両者の時間差Δtは、
Δt=(t2+Δ2)−(t1+Δ1)
=(t2−t1)−(Δ2−Δ1) (1)
となる。つまり、流量が零でt2=t1であっても時間誤差Δe(=Δ2−Δ1)が残ることになる。
If the offset times Δ1 and Δ2 generated in association with the individual ultrasonic sensors B1 and B2 are different from each other, even if the flow rate is zero, the time difference Δt is not zero and an error remains. That is, since the time required for each of the ultrasonic sensors B1 and B2 to transmit an ultrasonic wave until the zero cross point of the received signal is detected by the zero cross point detection circuit is (t1 + Δ1) and (t2 + Δ2), respectively. The time difference Δt of
Δt = (t2 + Δ2) − (t1 + Δ1)
= (T2-t1)-(Δ2-Δ1) (1)
It becomes. That is, even if the flow rate is zero and t2 = t1, the time error Δe (= Δ2-Δ1) remains.

このように、超音波流量計を構成する各超音波センサB1,B2のオフセット時間Δ1,Δ2の存在によって時間誤差Δeが生じると、流体の流量を精度良く計測することができない。したがって、このような時間誤差Δeを極力小さくする必要がある。   As described above, when the time error Δe occurs due to the presence of the offset times Δ1, Δ2 of the ultrasonic sensors B1, B2 constituting the ultrasonic flowmeter, the flow rate of the fluid cannot be accurately measured. Therefore, it is necessary to reduce such time error Δe as much as possible.

そのため、従来技術では、各超音波センサB1,B2の電極の一部をトリミングして両超音波センサB1,B2が保有する静電容量C1,C2が互いに略一致するように調整する、いわゆるペアリングを行っている。   For this reason, in the prior art, a part of the electrodes of the ultrasonic sensors B1 and B2 are trimmed so as to adjust the capacitances C1 and C2 held by the ultrasonic sensors B1 and B2 to substantially coincide with each other. Doing the ring.

特許第2656396号公報Japanese Patent No. 2656396

従来技術のように、各超音波センサB1,B2についてペアリングを行えば、両超音波センサB1,B2が保有する各静電容量C1,C2を略一致させることができるため、オフセット時間Δ1,Δ2を互いに近付けることができ、ある程度まで時間誤差Δeを小さくすることが可能である。   If the pairing is performed for each of the ultrasonic sensors B1 and B2 as in the prior art, the capacitances C1 and C2 possessed by both the ultrasonic sensors B1 and B2 can be substantially matched. Δ2 can be brought close to each other, and the time error Δe can be reduced to some extent.

しかしながら、このようなペアリングを行う際には、各超音波センサB1,B2の電極をトリミングするとともに、トリミング後の両者の静電容量が一致しているか否かをその都度計測せねばならず、調整に極めて手間がかかるばかりでなく、装置のコストアップの要因となっている。   However, when performing such pairing, it is necessary to trim the electrodes of the ultrasonic sensors B1 and B2 and measure each time whether or not the capacitances after trimming match each other. In addition to the time and effort required for adjustment, this is a factor in increasing the cost of the apparatus.

しかも、ペアリングによって各超音波センサB1,B2の静電容量を仮に一致させることができたとしても、各々の超音波センサB1,B2に接続される配線とグランドとの間に浮遊容量が存在し、これらの浮遊容量の値が異なる場合がある。そのときには、依然として個々の超音波センサB1,B2に付随して生じるオフセット時間Δ1,Δ2が異なったものになるので、時間誤差Δeが残ることになる。   Moreover, even if the capacitances of the ultrasonic sensors B1 and B2 can be matched by pairing, stray capacitance exists between the wiring connected to the ultrasonic sensors B1 and B2 and the ground. However, these stray capacitance values may be different. At that time, since the offset times Δ1 and Δ2 generated in association with the individual ultrasonic sensors B1 and B2 are different from each other, the time error Δe remains.

また、特許文献2に記載されているチャージアンプを用いる従来回路は、圧電素子からの出力信号の振幅を大きくして検出感度を高めるためのものであって、前述のオフセット時間Δ1,Δ2の影響を可能な限り小さくすることを意図したものではない。したがって、この従来技術では、超音波センサの受信信号のゼロクロス点を検出して時間差Δtを求める場合の時間誤差Δeを可及的に低減して装置の検出精度を高めようとする点で未だ不十分である。   The conventional circuit using the charge amplifier described in Patent Document 2 is for increasing the amplitude of the output signal from the piezoelectric element to increase the detection sensitivity, and is influenced by the offset times Δ1 and Δ2 described above. Is not intended to be as small as possible. Therefore, this conventional technique is still not effective in that the detection accuracy of the apparatus is increased by reducing the time error Δe as much as possible when detecting the zero-cross point of the received signal of the ultrasonic sensor to determine the time difference Δt. It is enough.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、超音波センサのオフセット時間の影響を少なくして時間誤差を可及的に低減し、常に安定した高い検出精度を確保した超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路、およびこれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an ultrasonic wave that reduces the time error as much as possible by reducing the influence of the offset time of the ultrasonic sensor and always ensures a stable and high detection accuracy. It is an object to provide a circuit for detecting the arrival time of ultrasonic waves in a sensor, and an ultrasonic flowmeter using the same.

上記の目的を達成するために、請求項1記載の発明に係る超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路は、圧電素子からなる超音波センサと、この超音波の受信に応じて前記超音波センサから発生される電荷を電圧信号に変換して出力するチャージアンプと、このチャージアンプから出力される電圧信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、を備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, an ultrasonic arrival time detection circuit in an ultrasonic sensor according to the first aspect of the invention includes an ultrasonic sensor composed of a piezoelectric element and the ultrasonic sensor in response to reception of the ultrasonic wave. A charge amplifier that converts the electric charge generated from the acoustic wave sensor into a voltage signal and outputs the voltage signal, and a zero-cross point detection circuit that detects a zero-cross point of the voltage signal output from the charge amplifier are provided.

また、請求項2記載の発明に係る超音波流量計は、請求項1記載の超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路を備えてなり、2つの前記超音波センサが流体が流れる流路内に所定距離だけ離間した状態で互いに対向配置されていることを特徴としている。   An ultrasonic flowmeter according to a second aspect of the invention comprises a circuit for detecting the arrival time of ultrasonic waves in the ultrasonic sensor according to the first aspect, and the flow path through which the two ultrasonic sensors flow a fluid. It is characterized in that they are opposed to each other with a predetermined distance therebetween.

請求項1記載の発明に係る超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路によれば、超音波センサの静電容量の違いや、超音波センサに接続される配線や浮遊容量が異なっている場合であっても、チャージアンプからはそのような遅延要因の影響が除かれた電圧信号が出力されるので、ゼロクロス点を検出する際に各超音波センサに付随したオフセット時間の違いによる影響を有効に除くことができる。   According to the ultrasonic arrival time detection circuit of the ultrasonic sensor according to the first aspect of the invention, the difference in the capacitance of the ultrasonic sensor, the wiring connected to the ultrasonic sensor, and the stray capacitance are different. Even in this case, the charge amplifier outputs a voltage signal from which the influence of such delay factors has been removed, so when detecting the zero-cross point, the influence due to the difference in offset time associated with each ultrasonic sensor is output. Can be effectively removed.

請求項2記載の発明に係る超音波流量計によれば、ゼロクロス点を検出する際に各超音波センサに付随したオフセット時間の違いによる影響が有効に除かれているので、超音波を正逆の方向にそれぞれ送受信するのに要した各時間の差を求める際に生じる時間誤差を可及的に低減することができる。このため、流体の流量を従来に比べて一層精度良く計測することができる。   According to the ultrasonic flowmeter of the invention described in claim 2, since the influence due to the difference in the offset time associated with each ultrasonic sensor is effectively removed when detecting the zero cross point, the ultrasonic wave is forward and backward. Thus, it is possible to reduce as much as possible the time error that occurs when the difference between the times required to transmit and receive in the respective directions is obtained. For this reason, the flow rate of the fluid can be measured with higher accuracy than in the past.

しかも、超音波センサの電極をトリミングするなどのペアリング調整等は不要となるため、装置のコストダウンを図ることが可能になる。   In addition, since adjustment of pairing such as trimming the electrodes of the ultrasonic sensor is unnecessary, the cost of the apparatus can be reduced.

図1はこの実施の形態における超音波流量計の全体構成を示すブロック図、図2は同流量計を構成する到達時間検出用回路の具体的構成を示す回路図である。   FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the ultrasonic flowmeter in this embodiment, and FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration of an arrival time detection circuit constituting the flowmeter.

この実施の形態におけるの超音波流量計1は、ガス、液体等の流体が流れる図示しない流体管内に配置された一対の超音波センサB1,B2を備えている。両超音波センサB1,B2は板状の圧電体の両面に電極を形成してなる圧電振動子からなるもので、例えば一方(図中左側)の超音波センサB1は流体管の上流側の内壁に、他方(図中右側)の超音波センサB2は流体管の下流側の内壁にそれぞれ所定距離だけ離間した状態で互いに対向して取り付けられている。   The ultrasonic flowmeter 1 in this embodiment includes a pair of ultrasonic sensors B1 and B2 disposed in a fluid pipe (not shown) through which a fluid such as gas or liquid flows. Both ultrasonic sensors B1 and B2 are composed of piezoelectric vibrators having electrodes formed on both sides of a plate-like piezoelectric body. For example, one (left side in the figure) ultrasonic sensor B1 is an inner wall on the upstream side of the fluid pipe. In addition, the other (right side in the figure) ultrasonic sensors B2 are attached to the inner wall on the downstream side of the fluid pipe so as to face each other in a state of being separated from each other by a predetermined distance.

両超音波センサB1,B2には、第1切換回路SW1および第2切換回路SW2が接続されている。両切換回路SW1,SW2は、後述の演算制御回路7の制御によって相補的に切り換えられるもので、例えば一方の超音波センサB1に第1切換回路SW1が接続されたときには、他方の超音波センサB2に第2切換回路SW2が接続され、また、他方の超音波センサB2に第1切換回路SW1が接続されたときには、一方の超音波センサSW1に第2切換回路SW2が接続されるようになっている。   A first switching circuit SW1 and a second switching circuit SW2 are connected to both ultrasonic sensors B1, B2. Both switching circuits SW1 and SW2 are complementarily switched by the control of the arithmetic control circuit 7 described later. For example, when the first switching circuit SW1 is connected to one ultrasonic sensor B1, the other ultrasonic sensor B2 is connected. When the second switching circuit SW2 is connected to the other ultrasonic sensor B2 and the first switching circuit SW1 is connected to the other ultrasonic sensor B2, the second switching circuit SW2 is connected to the one ultrasonic sensor SW1. Yes.

第1切換回路SW1の共通接点には超音波センサB1,B2を励振駆動する駆動パルスを発生する駆動パルス発生回路6が接続されている。一方、第2切換回路SW2の共通接点には、到達時間検出用回路2および演算制御回路7が順次接続されている。そして、時間検出用回路2は、チャージアンプ3、電圧増幅回路4、およびゼロクロス点検出回路5を備えており、チャージアンプ3の出力側に電圧増幅回路4が結合コンデンサC1を介して接続され、さらに電圧増幅回路4の出力側にゼロクロス点検出回路5が接続されている。   A driving pulse generation circuit 6 that generates a driving pulse for exciting and driving the ultrasonic sensors B1 and B2 is connected to the common contact of the first switching circuit SW1. On the other hand, the arrival time detection circuit 2 and the calculation control circuit 7 are sequentially connected to the common contact of the second switching circuit SW2. The time detection circuit 2 includes a charge amplifier 3, a voltage amplification circuit 4, and a zero cross point detection circuit 5. The voltage amplification circuit 4 is connected to the output side of the charge amplifier 3 via a coupling capacitor C1, Further, a zero cross point detection circuit 5 is connected to the output side of the voltage amplification circuit 4.

チャージアンプ3は、超音波センサB1,B2の静電容量の違いや超音波センサB1,B2に接続される配線や浮遊容量といった遅延要因の影響を受けることなく超音波センサB1,B2からの発生電荷を電圧信号にそのまま変換して出力するもので、演算増幅器Amp2と、この演算増幅器Amp2の反転入力端子(−)と出力端子との間に接続された帰還コンデンサC2と、この帰還コンデンサC2に並列に接続された帰還抵抗R5とからなる。なお、演算増幅器Amp2の非反転入力端子(+)はグランドに接続されている。また、電圧増幅回路4は、従来と同様、演算増幅器Amp1と複数の抵抗R1〜R4とを組み合わせて構成されている。   The charge amplifier 3 is generated from the ultrasonic sensors B1 and B2 without being affected by delay factors such as a difference in capacitance between the ultrasonic sensors B1 and B2, wirings connected to the ultrasonic sensors B1 and B2, and stray capacitance. The electric charge is directly converted into a voltage signal and output. The operational amplifier Amp2, the feedback capacitor C2 connected between the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier Amp2, and the feedback capacitor C2 The feedback resistor R5 is connected in parallel. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier Amp2 is connected to the ground. In addition, the voltage amplifier circuit 4 is configured by combining an operational amplifier Amp1 and a plurality of resistors R1 to R4 as in the prior art.

ゼロクロス点検出回路5は、受信信号のゼロクロス点を検出するもので、この回路自体は周知のものである。また、演算制御回路7は、例えばマイクロコンピュータで構成されており、駆動パルス発生回路6に対して駆動パルス発生のトリガ信号を出力するとともに、第1,第2スイッチ回路SW1,SW2の切り換え制御を行う。さらに、この演算制御回路7は、駆動パルス発生回路6に対してトリガ信号を出力した後、ゼロクロス点検出回路5で各受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した時間を計測し、その計測結果に基づいて流体の流量を算出するようになっている。   The zero cross point detection circuit 5 detects a zero cross point of the received signal, and this circuit itself is well known. The arithmetic control circuit 7 is constituted by a microcomputer, for example, and outputs a drive pulse generation trigger signal to the drive pulse generation circuit 6 and controls switching of the first and second switch circuits SW1 and SW2. Do. Further, the arithmetic control circuit 7 measures the time required until the zero cross point of each received signal is detected by the zero cross point detecting circuit 5 after outputting the trigger signal to the drive pulse generating circuit 6. The fluid flow rate is calculated based on the measurement result.

上記構成の超音波流量計1において、流体管内に流れるガスや液体などの流体の流量を計測する場合の動作について説明する。   The operation in the case of measuring the flow rate of a fluid such as gas or liquid flowing in the fluid pipe in the ultrasonic flow meter 1 having the above configuration will be described.

まず、一方の超音波センサB1から超音波を送信するために、この超音波センサB1に第1切換回路SW1が接続され、また、他方の超音波センサB2に第2切換回路SW2が接続される。   First, in order to transmit an ultrasonic wave from one ultrasonic sensor B1, the first switching circuit SW1 is connected to the ultrasonic sensor B1, and the second switching circuit SW2 is connected to the other ultrasonic sensor B2. .

この状態で演算制御回路7から駆動パルス発生回路6に対してトリガ信号が与えられると、これに応じて駆動パルス発生回路6から駆動パルスが発生されて第1切換回路SW1を介して一方の超音波センサB1に加わるので、この超音波センサB1から超音波が他方の超音波センサB2に向けて送信される。   In this state, when a trigger signal is given from the arithmetic control circuit 7 to the drive pulse generation circuit 6, a drive pulse is generated from the drive pulse generation circuit 6 in response to this, and one super Since it is added to the sonic sensor B1, an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic sensor B1 toward the other ultrasonic sensor B2.

そして、他方の超音波センサB2で超音波が受信されると、この超音波センサB2からは受信した超音波の大きさに応じた電荷が発生され、この発生電荷が到達時間検出用回路2のチャージアンプ3に加わる。   When an ultrasonic wave is received by the other ultrasonic sensor B2, a charge corresponding to the magnitude of the received ultrasonic wave is generated from the ultrasonic sensor B2, and this generated charge is generated by the arrival time detection circuit 2. Join the charge amplifier 3.

チャージアンプ3は、超音波センサB1,B2の静電容量の違いや超音波センサB1,B2に接続される配線や浮遊容量といった遅延要因の影響を受けることなく超音波センサB1,B2からの発生電荷を電圧信号にそのまま変換して出力する。つまり、超音波センサB1,B2の静電容量の違いや、これに接続される配線や浮遊容量の違いによってチャージアンプ3から出力される電圧信号のレベルは変化するが、時間軸で見た場合にチャージアンプ3からはこれらの遅延要因の影響を受けない電圧信号が出力される。   The charge amplifier 3 is generated from the ultrasonic sensors B1 and B2 without being affected by delay factors such as a difference in capacitance between the ultrasonic sensors B1 and B2, wirings connected to the ultrasonic sensors B1 and B2, and stray capacitance. The electric charge is directly converted into a voltage signal and output. That is, the level of the voltage signal output from the charge amplifier 3 varies depending on the difference in capacitance between the ultrasonic sensors B1 and B2, the difference in wiring connected to the ultrasonic sensors, and the difference in stray capacitance. The charge amplifier 3 outputs a voltage signal that is not affected by these delay factors.

こうして、チャージアンプ3から出力される電圧信号は、電圧増幅回路4で増幅された後、ゼロクロス点検出回路5に受信信号として加わるので、ゼロクロス点検出回路5は、この受信信号のゼロクロス点を検出する。したがって、この受信信号のゼロクロス点は、既にチャージアンプ3によって遅延要因の影響が除かれていることになる。そして、ゼロクロス点検出回路5の検出出力は次段の演算制御回路7に与えられる。   Thus, the voltage signal output from the charge amplifier 3 is amplified by the voltage amplifier circuit 4 and then applied as a reception signal to the zero cross point detection circuit 5. Therefore, the zero cross point detection circuit 5 detects the zero cross point of the reception signal. To do. Therefore, the influence of the delay factor is already removed from the zero cross point of the received signal by the charge amplifier 3. Then, the detection output of the zero cross point detection circuit 5 is given to the arithmetic control circuit 7 at the next stage.

同様に、他方の超音波センサB2から超音波を送信する場合には、他方の超音波センサB2に第1切換回路SW1が接続され、また、一方の超音波センサSW1に第2切換回路SW2が接続される。そして、駆動パルス発生回路6からの駆動パルスによって超音波センサB2から超音波が一方の超音波センサB1に向けて送信される。   Similarly, when transmitting an ultrasonic wave from the other ultrasonic sensor B2, the first switching circuit SW1 is connected to the other ultrasonic sensor B2, and the second switching circuit SW2 is connected to the one ultrasonic sensor SW1. Connected. Then, an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic sensor B2 toward one ultrasonic sensor B1 by the driving pulse from the driving pulse generation circuit 6.

そして、一方の超音波センサB1で超音波が受信されると、この超音波センサB1からは受信した超音波の大きさに応じた電荷が発生され、この発生電荷が時間検出用回路2に加えられる。その後の到達時間検出用回路2の信号処理動作は上述した説明と同じである。   When an ultrasonic wave is received by one ultrasonic sensor B1, a charge corresponding to the magnitude of the received ultrasonic wave is generated from the ultrasonic sensor B1, and this generated charge is added to the time detection circuit 2. It is done. The subsequent signal processing operation of the arrival time detection circuit 2 is the same as described above.

演算制御回路7は、駆動パルス発生回路6に対してトリガ信号を出力して上流側の超音波センサB1から送信された超音波が下流側の超音波センサB2で受信された後、ゼロクロス点検出回路5で受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した時間t1と、駆動パルス発生回路6に対してトリガ信号を出力して下流側の超音波センサB2から送信された超音波が上流側の超音波センサB1で受信された後、ゼロクロス点検出回路6で受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した時間t2とをそれぞれ計測する。   The arithmetic control circuit 7 outputs a trigger signal to the drive pulse generation circuit 6 and detects the zero cross point after the ultrasonic wave transmitted from the upstream ultrasonic sensor B1 is received by the downstream ultrasonic sensor B2. The time t1 required until the zero cross point of the received signal is detected by the circuit 5 and the ultrasonic wave transmitted from the downstream ultrasonic sensor B2 by outputting the trigger signal to the drive pulse generating circuit 6 are upstream. The time t2 required until the zero cross point of the received signal is detected by the zero cross point detection circuit 6 after being received by the ultrasonic sensor B1 is measured.

引き続いて、演算制御回路7は、こうして計測した両時間t1,t2の差Δt(=t2−t1)を求める。この場合、各計測時間t1,t2には、各超音波センサB1,B2に付随した遅延要因によって生じるオフセット時間Δ1,Δ2の影響が除かれているので、前述の(1)式で示した時間誤差Δeは極めて小さくなり、正確な時間差Δtが算出されることになる。したがって、この時間差Δtに基づいて従来よりも一層精度良く流量が算出されることになる。   Subsequently, the arithmetic control circuit 7 obtains a difference Δt (= t2−t1) between the two times t1 and t2 thus measured. In this case, since the influence of the offset times Δ1 and Δ2 caused by delay factors associated with the ultrasonic sensors B1 and B2 is excluded from the measurement times t1 and t2, the time indicated by the above-described equation (1). The error Δe becomes extremely small, and an accurate time difference Δt is calculated. Therefore, based on this time difference Δt, the flow rate is calculated with higher accuracy than before.

任意に抽出した2個一組の超音波センサB1,B2を多数(ここでは47組)作り、各1組の超音波センサB1,B2を用いて図2に示した本発明の到達時間検出用回路2を有する超音波流量計1と、従来の到達時間検出用回路(図7)を有する超音波流量計をそれぞれ構成した。なお、この場合、各組の超音波センサB1,B2についてペアリングは行っていない。   A set of two ultrasonic sensors B1 and B2 arbitrarily extracted (here, 47 sets) are made, and each set of ultrasonic sensors B1 and B2 is used to detect the arrival time of the present invention shown in FIG. An ultrasonic flow meter 1 having a circuit 2 and an ultrasonic flow meter having a conventional arrival time detection circuit (FIG. 7) were respectively configured. In this case, pairing is not performed for each pair of ultrasonic sensors B1 and B2.

そして、本発明と従来の各超音波流量計を用いて、流体の流速が零の状態の下で、超音波を正逆の方向に送受信するのに要した各時間t1,t2を計測して、前述の(1)式に示したように両者の時間差(以下、到達時間差という)Δtを計測した。その結果を図3に示す。   Then, using the ultrasonic flowmeter of the present invention and the conventional ultrasonic flowmeters, the times t1 and t2 required to transmit and receive the ultrasonic waves in the forward and reverse directions are measured under the condition that the fluid flow velocity is zero. The time difference between the two (hereinafter referred to as arrival time difference) Δt was measured as shown in the above equation (1). The result is shown in FIG.

図3から明らかなように、本発明の到達時間検出用回路2を有する超音波流量計1で計測した到達時間差Δtのばらつき(同図(a))は、従来装置で計測した到達時間差Δtのばらつき(同図(b))に比較して極めて小さい。   As can be seen from FIG. 3, the dispersion of the arrival time difference Δt measured by the ultrasonic flowmeter 1 having the arrival time detection circuit 2 of the present invention (FIG. 3A) is the difference of the arrival time difference Δt measured by the conventional apparatus. It is extremely small compared to the variation ((b) in the figure).

また、一対の超音波センサB1,B2の静電容量差ΔCと超音波の到達時間差Δtとの関係を、本発明の場合と従来の場合とについてそれぞれ調べた。その結果を比較して図4に示す。   In addition, the relationship between the capacitance difference ΔC of the pair of ultrasonic sensors B1 and B2 and the arrival time difference Δt of the ultrasonic waves was examined for the case of the present invention and the conventional case, respectively. The results are compared and shown in FIG.

図4から明らかなように、本発明の到達時間検出用回路2を有する超音波流量計1で到達時間差Δtを計測する場合、一対の超音波センサB1,B2間の静電容量差ΔCの違いに影響されることなく到達時間差Δtは略一定の値を示す。これに対して、従来装置で到達時間差を計測する場合、一対の超音波センサB1,B2間の静電容量差の違いによって到達時間差Δtも大きく影響されることが分かる。しかも、従来装置の場合は、一対の超音波センサB1,B2間の静電容量差ΔCによる到達時間差Δtのばらつきも大きい。   As apparent from FIG. 4, when the arrival time difference Δt is measured by the ultrasonic flowmeter 1 having the arrival time detection circuit 2 of the present invention, the difference in capacitance difference ΔC between the pair of ultrasonic sensors B1 and B2 The arrival time difference Δt shows a substantially constant value without being affected by. On the other hand, when the arrival time difference is measured by the conventional apparatus, it can be seen that the arrival time difference Δt is also greatly influenced by the difference in capacitance between the pair of ultrasonic sensors B1 and B2. In addition, in the case of the conventional apparatus, the variation in the arrival time difference Δt due to the capacitance difference ΔC between the pair of ultrasonic sensors B1, B2 is also large.

超音波センサB1,B2の静電容量は温度依存性があり、したがって、温度によってオフセット時間Δ1,Δ2が大きくなって到達時間差Δtに影響を及ぼすことが考えらる。そこで、常温時の到達時間差を基準にして、温度を−30℃〜70℃の範囲で変化させ、そのときの本発明と従来の各超音波流量計を用いた場合の到達時間差Δtの変化量を調べた。その結果を図5に示す。   The electrostatic capacitances of the ultrasonic sensors B1 and B2 are temperature-dependent. Therefore, it is conceivable that the offset times Δ1 and Δ2 increase depending on the temperature and affect the arrival time difference Δt. Therefore, the amount of change in the arrival time difference Δt when using the present invention and each of the conventional ultrasonic flowmeters at that time when the temperature is changed in the range of −30 ° C. to 70 ° C. with reference to the arrival time difference at normal temperature. I investigated. The result is shown in FIG.

図5から明らかなように、本発明の到達時間検出用回路2を有する超音波流量計1で計測した到達時間差Δtの変化量(同図(a))は、従来装置で計測した到達時間差Δtの変化量(同図(b))に比較して極めて小さい。具体的には従来では標準偏差σが1.9あるが、本発明では標準偏差σが0.9と小さくなる。したがって、本発明に係る超音波流量計は、到達時間差Δtの温度依存性を従来の1/3程度に低減することができる。このように、本発明の受信信号検知回路を有する超音波流量計は、温度変化の影響も受け難く、一層有利であることが理解される。   As is apparent from FIG. 5, the amount of change in the arrival time difference Δt measured by the ultrasonic flowmeter 1 having the arrival time detection circuit 2 of the present invention (FIG. 5A) is the arrival time difference Δt measured by the conventional apparatus. Is very small compared to the amount of change ((b) in the figure). Specifically, the standard deviation σ is conventionally 1.9, but in the present invention, the standard deviation σ is as small as 0.9. Therefore, the ultrasonic flowmeter according to the present invention can reduce the temperature dependence of the arrival time difference Δt to about 1/3 of the conventional one. As described above, it is understood that the ultrasonic flowmeter having the reception signal detection circuit of the present invention is more advantageous because it is hardly affected by the temperature change.

なお、従来技術では、圧電素子を各種の検出センサとして使用する場合、この圧電素子からの出力信号は電荷の変化として現れるので、この電荷の変化を増幅して電圧変化として出力するチャージアンプを設けたものがある。   In the prior art, when a piezoelectric element is used as various detection sensors, an output signal from the piezoelectric element appears as a change in charge. Therefore, a charge amplifier that amplifies the change in charge and outputs it as a voltage change is provided. There is something.

しかしながら、この場合のチャージアンプは、本発明のように、超音波センサのオフセット時間の影響を少なくして時間誤差の発生を無くすことを意図したものではない。   However, the charge amplifier in this case is not intended to reduce the influence of the offset time of the ultrasonic sensor and eliminate the occurrence of a time error as in the present invention.

本発明の実施の形態1における超音波流量計の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the ultrasonic flowmeter in Embodiment 1 of this invention. 同流量計を構成する到達時間検出用回路の具体的構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the specific structure of the arrival time detection circuit which comprises the same flowmeter. 本発明の到達時間検出用回路を備えた超音波流量計を用いた場合と従来装置を用いた場合について、それぞれ超音波の到達時間差のばらつきを調べた結果を示す正規分布図である。It is a normal distribution diagram which shows the result of having investigated the dispersion | variation in the arrival time difference of an ultrasonic wave, respectively about the case where the ultrasonic flowmeter provided with the circuit for arrival time detection of this invention is used, and the case where a conventional apparatus is used. 本発明の到達時間検出用回路を備えた超音波流量計と従来装置とについて、一対の超音波センサの静電容量差と超音波の到達時間差との関係を調べた結果を比較して示す特性図である。The characteristic which shows in comparison the result which investigated the relation between the capacitance difference of a pair of ultrasonic sensors, and the arrival time difference of an ultrasonic wave about the ultrasonic flowmeter provided with the arrival time detection circuit of the present invention, and the conventional device FIG. 本発明の到達時間検出用回路を備えた超音波流量計を用いた場合と従来装置を用いた場合について、それぞれの超音波の到達時間差のばらつきの温度依存性を調べた結果を示す正規分布図である。Normal distribution diagram showing the results of examining the temperature dependence of the variation in the arrival time difference of each ultrasonic wave when using the ultrasonic flowmeter equipped with the arrival time detection circuit of the present invention and when using the conventional apparatus It is. 超音波流量計を用いて流体の流量を計測する場合の原理説明図である。It is principle explanatory drawing in the case of measuring the flow volume of the fluid using an ultrasonic flowmeter. 従来の超音波センサにおける到達時間検出用回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the circuit for arrival time detection in the conventional ultrasonic sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波流量計
B1,B2 超音波センサ
2 到達時間検出用回路
3 チャージアンプ
5 ゼロクロス点検出回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic flowmeter B1, B2 Ultrasonic sensor 2 Arrival time detection circuit 3 Charge amplifier 5 Zero cross point detection circuit

Claims (2)

圧電素子からなる超音波センサと、この超音波の受信に応じて前記超音波センサから発生される電荷を電圧信号に変換して出力するチャージアンプと、このチャージアンプから出力される電圧信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、を備えることを特徴とする超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路。 An ultrasonic sensor composed of a piezoelectric element, a charge amplifier that converts the electric charge generated from the ultrasonic sensor into a voltage signal in response to reception of the ultrasonic wave, and a zero cross of the voltage signal output from the charge amplifier An ultrasonic arrival time detection circuit in an ultrasonic sensor, comprising: a zero-cross point detection circuit for detecting a point. 請求項1記載の超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路を備えてなり、2つの前記超音波センサが流体が流れる流路内に所定距離だけ離間した状態で互いに対向配置されていることを特徴とする超音波流量計。
An ultrasonic arrival time detection circuit in the ultrasonic sensor according to claim 1 is provided, and the two ultrasonic sensors are arranged to face each other in a state where they are separated by a predetermined distance in a flow path through which a fluid flows. Ultrasonic flow meter characterized by.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103900651B (en) * 2014-04-09 2016-06-22 浙江威星智能仪表股份有限公司 A kind of ultrasonic wave gas meter mixed signal processes circuit
CN107003189A (en) * 2014-12-05 2017-08-01 株式会社村田制作所 Sensor assembly
CN112833999A (en) * 2021-03-04 2021-05-25 宁波水表(集团)股份有限公司 Rapid meter calibration method for ultrasonic water meter
JP7548342B2 (en) 2021-02-10 2024-09-10 株式会社村田製作所 Sensor Device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103900651B (en) * 2014-04-09 2016-06-22 浙江威星智能仪表股份有限公司 A kind of ultrasonic wave gas meter mixed signal processes circuit
CN107003189A (en) * 2014-12-05 2017-08-01 株式会社村田制作所 Sensor assembly
CN107003189B (en) * 2014-12-05 2020-02-14 株式会社村田制作所 Sensor module
US10830608B2 (en) 2014-12-05 2020-11-10 Murata Manufacturing Co., Ltd. Sensor module
JP7548342B2 (en) 2021-02-10 2024-09-10 株式会社村田製作所 Sensor Device
CN112833999A (en) * 2021-03-04 2021-05-25 宁波水表(集团)股份有限公司 Rapid meter calibration method for ultrasonic water meter

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