JP2005233747A - 超音波流速計及び流速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波伝搬時間等の測定値を高精度に求めることができる超音波流速計を提供する。
【解決手段】 被測定流体の上流側と下流側に超音波プローブ６、７を配置し、上流側の超音波プローブ６から下流側の超音波プローブ７へと超音波を伝搬させてその受信信号（下流側受信信号という）を得て、下流側の超音波プローブ７から上流側の超音波プローブ６へと超音波を伝搬させてその受信信号（上流側受信信号という）を得て、前記上流側受信信号及び下流側受信信号の少なくとも一つの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生し、受信時状態変化信号が変化する前後の所定期間において受信時状態変化信号を直流信号に変換し、該直流信号の電圧、前記所定期間及び送信からその所定期間の開始までの時間に基づき上流側の超音波プローブと下流側の超音波プローブとの間の超音波伝搬時間を求め、該超音波伝搬時間に基づき被測定流体の流速を演算する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流速を測定する超音波流速計及び流速測定方法に関する。

従来、この種の超音波流速計としては、例えば、本出願人による特開２００２−３４０６４２号公報に記載されたものがある。

この公報に記載された超音波流速計では、バースト信号を発生するバースト信号発生手段と、被測定流体の上流側と下流側に配置された一対の送受信用超音波プローブと、を備えており、バースト信号発生手段から発生されるバースト信号を送受信用超音波プローブが超音波に変換して、被測定流体に送信し、他方の送受信用超音波プローブが被測定流体を伝搬した超音波を受信している。上流側と下流側のそれぞれの送受信用超音波プローブで受信した受信信号を用いて、上流側の送受信用超音波プローブから送信して下流側の送受信用超音波プローブで受信した下流側伝搬時間と、下流側の送受信用超音波プローブから送信して上流側の送受信用超音波プローブで受信した上流側伝搬時間との伝搬時間差に相当する信号と、前記上流側伝搬時間と下流側伝搬時間との平均値となる超音波伝搬時間に相当する信号とを得て、これらの信号から、流速を求めている。

前記伝搬時間差に相当する信号及び超音波伝搬時間に相当する信号は、ローパスフィルタに通して直流レベルになったものを得ている。

具体的に従来の超音波伝搬時間を求める構成について図７に示すタイミングチャートを参照して説明する。図７に示したように、送信トリガ信号が所定周期Ｔ_０毎に発生しており、送信トリガ信号（図７（ａ））に同期して、バースト信号である上流側及び下流側送信信号（図７（ｂ）、（ｃ））が発生され、これらの信号がそれぞれ上流側の送受信用超音波プローブと下流側の送受信用超音波プローブへと送られて、超音波に変換される。これらの超音波は、下流側の送受信用超音波プローブと上流側の送受信用超音波プローブにて受信されて、電気信号に変換されて、下流側及び上流側受信信号となる。尚、実際には、下流側及び上流側受信信号は被測定流体の流速による差異はあるが、説明のため図ではその差異は無視して、送信信号及び受信信号は上流側及び下流側とも同形に表している。

また、送信トリガ信号によりハイレベルとなり、受信信号によりローレベルとなるラッチ信号（図７（ｆ）、（ｇ））を生成し、各ラッチ信号を、ローパスフィルタによって直流信号に変換して(図７（ｈ）、（ｉ）)その電圧が伝搬時間を表すようにして、各直流信号の平均信号となる伝搬時間信号Ｖ_０（図７（ｊ））を求め、その平均信号から超音波伝搬時間を求めている。

この場合、伝搬時間信号Ｖ_０は、

で表されるので、超音波伝搬時間ｔ_０は、

の式から求めることができる。

以上のように、従来の超音波流速計では、求められる超音波伝搬時間ｔ_０は、Ｔ_０／Ｖ_ｃｃに比例することになるが、このＴ_０／Ｖ_ｃｃの値が大きいと、ｔ_０を高精度に求めることができない、という問題がある。

特開２００２−３４０６４２号公報

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、超音波伝搬時間等の測定値を高精度に求めることができ、且つ低消費電力を図ることができる超音波流速計及び流速測定方法を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明による超音波流速計は、
送信信号を発生する送信信号発生手段と、
被測定流体の上流側と下流側に配置される少なくとも２つの超音波プローブであって、上流側の超音波プローブが送信信号発生手段からの送信信号を受けて被測定流体中に超音波を送信し、下流側の超音波プローブがその超音波を受信して受信信号（下流側受信信号という）を出力すると共に、下流側の超音波プローブが送信信号発生手段からの送信信号を受けて被測定流体中に超音波を送信し、上流側の超音波プローブがその超音波を受信して受信信号（上流側受信信号という）を出力する超音波プローブと、
前記上流側受信信号及び下流側受信信号の少なくとも一つの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生するラッチ手段と、
受信時状態変化信号が変化する前後の所定期間において前記受信時状態変化信号を導通するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段において導通された信号を直流信号に変換する直流信号変換手段と、
前記直流信号変換手段からの直流信号の電圧及びスイッチ手段が導通する所定期間及び送信からその所定期間の開始までの時間に基づき、超音波が伝搬する超音波伝搬時間を求めて、該超音波伝搬時間を用いて被測定流体の流速を演算する演算手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記スイッチ手段の信号の導通／非導通を切り替えるスイッチ制御信号を生成するスイッチ制御信号生成手段を備え、
該スイッチ制御信号生成手段は、超音波の伝搬距離と基準の音速に基づきスイッチ制御信号を生成することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記スイッチ手段の信号の導通／非導通を切り替えるスイッチ制御信号を生成するスイッチ制御信号生成手段を備え、
該スイッチ制御信号生成手段は、前記直流信号変換手段からの直流信号が所定値になるようにスイッチ制御信号を生成することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のものにおいて、前記送信信号はバースト信号であり、
前記上流側受信信号及び下流側受信信号を二値化する二値化手段と、
二値化手段でそれぞれ二値化された上流側受信信号と下流側受信信号の位相差を測定する位相差測定手段と、
をさらに備え、
前記演算手段は、前記超音波伝搬時間と前記位相差測定手段からの位相差信号に基づき、被測定流体の流速を演算することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のものにおいて、前記ラッチ手段は、上流側受信信号及び下流側受信信号のそれぞれの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生し、
前記直流信号変換手段は、スイッチ手段において導通されたラッチ手段からの上流側受信信号及び下流側受信信号のそれぞれの受信時状態変化信号を直流信号に変換し、
前記演算手段は、前記直流信号変換手段からのそれぞれの直流信号及びスイッチ手段の導通タイミングに基づき、上流側の超音波プローブから下流側の超音波プローブへの超音波伝搬時間と下流側の超音波プローブから上流側の超音波プローブへの超音波伝搬時間とを求めて、被測定流体の流速を演算することを特徴とする。

請求項６記載の被測定流体の流速測定方法は、
被測定流体の上流側と下流側に超音波プローブを配置し、
上流側の超音波プローブから下流側の超音波プローブへと超音波を伝搬させてその受信信号（下流側受信信号という）を得て、下流側の超音波プローブから上流側の超音波プローブへと超音波を伝搬させてその受信信号（上流側受信信号という）を得て、
前記上流側受信信号及び下流側受信信号の少なくとも一つの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生し、
受信時状態変化信号が変化する前後の所定期間において受信時状態変化信号を直流信号に変換し、
該直流信号の電圧、前記所定期間及び送信からその所定期間の開始までの時間に基づき上流側の超音波プローブと下流側の超音波プローブとの間を超音波が伝搬する超音波伝搬時間を求め、該超音波伝搬時間に基づき被測定流体の流速を演算することを特徴とする。

尚、本発明の超音波流速計を用いて被測定流体の流量を求める超音波流量計を構成することも可能である。

本発明によれば、上流側受信信号及び下流側受信信号の少なくとも一つの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を、その状態が変化する前後の所定期間において、直流信号に変換する。この場合、その直流信号の電圧Ｖ_０は、送信から前記所定期間の開始までの時間をｔ_ｇ１、スイッチ手段が導通する所定期間をｔ_ｇ２、超音波伝搬時間をｔ_０とすると、

となり、よって、超音波伝搬時間ｔ_０は、

となり、ｔ_ｇ２／Ｖ_ｃｃに比例する項を持つが、この係数ｔ_ｇ２／Ｖ_ｃｃの値を従来よりも小さくすることができるため（ｔ_ｇ２＜Ｔ_０）、ｔ_０を高精度に求めることができるようになる。

従来と異なり、超音波伝搬時間ｔ_０を送信信号の周期と無関係に求めることができるため、送信信号の周期を長くしても精度が悪化することはなく、よって、送信信号の周期を長くして消費電力を小さくすることもできる。

また、請求項５記載の発明によれば、直流信号変換手段からの直流信号及びスイッチ手段の導通タイミングに基づき、上流側の超音波プローブから下流側の超音波プローブへの超音波伝搬時間と下流側の超音波プローブから上流側の超音波プローブへの超音波伝搬時間とを求めることにより、簡単な回路構成で流速を求めることができるようになる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による超音波流速計１０のブロック図である。この実施形態では、超音波流速計１０は、バースト信号を発生するバースト信号発生部１１０と、一対の送受信用超音波プローブ６、７と、各送受信用超音波プローブ６、７からの受信信号の二値化を行う二値化部１１２と、それぞれ二値化された受信信号の位相差を求める位相差測定部１１６と、超音波伝搬時間を求める超音波伝搬時間測定部１１７と、超音波伝搬時間測定部１１７からの伝搬時間信号と、位相差測定部１１６からの位相差信号とに基づき被測定流体の流速及び流量を測定する流速測定部１１８と、を備えている。一対の送受信用超音波プローブ６、７は、被測定流体が流れる管８に取り付けられる。管８には、その流速及び流量を測定するべき被測定流体９が流れている。

以下、各部について図２の詳細ブロック図を用いて説明していく。

バースト信号発生部１１０は、トリガ回路１と、送信信号発生回路２と、タイミング回路３とを備えている。トリガ回路１は、設定された送信繰り返し間隔で送信トリガ信号Ｓ１を発生するものであり、この信号Ｓ１は、送信信号発生回路２及びタイミング回路３の他に、後述の超音波伝搬時間測定部１１７に送信される。タイミング回路３は、送信トリガ信号Ｓ１に基づき、後述のスイッチ制御信号Ｓ２と、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ４とを出力するものである。送信信号発生回路２は、送信トリガ信号Ｓ１に基づき、バースト信号である送信信号Ａと送信信号Ｂとを同時に発生させるものであり、送信信号発生手段を構成する。これらの２つのバースト信号は特開２００２−３４０６４２号公報で開示されたように、互いに位相の異なった信号とすることができる。

上記送信信号Ａ及び送信信号Ｂは、それぞれ送受信用超音波プローブ６及び送受信用超音波プローブ７に送られる。送受信用超音波プローブ６及び送受信用超音波プローブ７は、電気信号と超音波信号との変換を行うもので、バースト信号である送信信号Ａ及び送信信号Ｂを超音波に変換して、管８内の被測定流体９中に送信すると共に、被測定流体９中を伝搬した超音波を受信して、受信信号Ａと受信信号Ｂにそれぞれ変換して出力するものである。一方の送受信用超音波プローブ（図の例の場合には、超音波プローブ６）が上流側に、他方の送受信用超音波プローブ（図の例の場合には、超音波プローブ７）が下流側に配置される。尚、超音波プローブは、送信用、受信用それぞれ個別の超音波プローブを設けたものとしてもよい。

これらの送受信用超音波プローブ６、７は、管８の外側に取り付けられていても、または管８の内側に取り付けられていてもよいが、超音波が適切に送受信されるためには、適切な位置関係で管８に取り付けられていなければならず、そのため、これらの送受信用超音波プローブ６、７は、超音波の伝搬方向と管軸方向とのなす角度がほぼ常に一定となるように取付けられる。よって、管径が決まると、超音波の伝搬距離を求めることができる。即ち、超音波の伝搬方向と管軸方向とのなす角度をθ、管径をＤとすると、伝搬距離Ｌは、

となる。

これらの送受信用超音波プローブ６、７からの受信信号Ａ、Ｂは、二値化部１１２に入力される。二値化部１１２は、増幅回路１４、１５と、二値化回路１６、１７とを備える。増幅回路１４、１５は、受信信号Ａ、Ｂを増幅するものであるが、不要な雑音成分を除去するために、適切に帯域幅が設定されていなければならない。但し、本発明の特徴とするところの低消費電力、換言すれば高い感度によって、これらの増幅回路１４、１５は、場合によっては省略することも可能である。増幅回路１４及び増幅回路１５の出力はそれぞれ二値化回路１６及び二値化回路１７に入力される。二値化回路１６、１７は、増幅回路１４及び増幅回路１５の出力の二値化を行うものであり、比較回路等で構成され、増幅回路１４及び増幅回路１５の出力を、０Ｖ付近の電圧を閾値として比較回路で比較する。

次に、二値化回路１６、１７でそれぞれ二値化された受信信号は、前記位相差測定部１１６に入力される。位相差測定部１１６は、排他的論理和回路３０と、サンプルアンドホールド回路３１と、ローパスフィルタ３３と、Ａ／Ｄ変換回路３５とを備えている。

排他的論理和回路３０は、二値化回路１６、１７からの受信信号から排他的論理和信号を出力するものである。この排他的論理和は、前記２つの受信信号の位相差に応じて変化するものであり、その出力は、サンプルアンドホールド回路３１に入力される。サンプルアンドホールド回路３１には、前記タイミング回路３からのサンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ４が入力されており、サンプルアンドホールド回路３１は、この制御信号Ｓ４がハイレベルとなっている間は、排他的論理和信号のサンプルアンドホールドを行い、制御信号Ｓ４がローレベルとなっている間は、その値を維持するようになっている。サンプルアンドホールド回路３１からの出力はローパスフィルタ３３へと送られる。ローパスフィルタ３３は、高域成分を除去して低周波信号（直流電圧）に変換するものであり、その直流電圧レベルは、前記受信信号の位相差に応じたものとなる。そして、その出力は、Ａ／Ｄ変換回路３５でＡ／Ｄ変換される。

二値化回路１６、１７でそれぞれ二値化された受信信号は、前記超音波伝搬時間測定部１１７にも入力される。超音波伝搬時間測定部１１７は、ラッチ回路２１、２２と、スイッチ２３、２４と、加算器２５と、ローパスフィルタ２６と、Ａ／Ｄ変換回路２７とを備える。

ラッチ回路２１、２２は、送信トリガ信号Ｓ１によってセットされ、二値化回路１６、１７からの立ち上がりによってそれぞれリセットされる信号を出力するものであり、受信信号を受信するタイミングで状態が変化する信号を出力するラッチ手段を構成する。この信号の幅は、送信から受信までの超音波伝搬時間に対応している。これらのラッチ回路２１、２２からの出力は、スイッチ２３、２４へと入力される。スイッチ２３、２４は、タイミング回路３からのスイッチ制御信号Ｓ２によってＯＮ／ＯＦＦが制御され、スイッチ制御信号Ｓ２がハイレベルとなっている間は、ラッチ回路２１、２２からの出力を加算器２５へと導通し、スイッチ制御信号Ｓ２がローレベルの間は非導通としハイインピーダンスに維持して、加算器２５の出力電圧を変化させないスイッチ手段を構成する。加算器２５は、スイッチ２３、２４を導通するラッチ回路２１、２２からのそれぞれの電圧を加算するものである。

ローパスフィルタ２６は、高域成分を除去して低周波信号（直流電圧）に変換するもので、直流信号変換手段を構成する。ローパスフィルタ２６の出力は、Ａ／Ｄ変換回路２７でＡ／Ｄ変換される。

前記Ａ／Ｄ変換回路３５及び前記Ａ／Ｄ変換回路２７でそれぞれＡ／Ｄ変換された信号は、前記流速測定部１１８に入力される。流速測定部１１８は、演算回路３６と、表示部４２と、キーボード等の入力部４３とを備える。演算回路３６は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータで構成することができ、超音波伝搬時間測定部１１７からの出力と、位相差測定部１１６からの出力とから、被測定流体の流速及び流量を求めるものである。

以上のように構成される超音波流速計の主に超音波伝搬時間測定部１１７における超音波伝搬時間の測定についての作用を図３の信号のタイミングチャートを参照しながら説明していく。

まず、図３（ａ）に示したように、トリガ回路１からは、設定された送信繰り返し間隔Ｔ_０で送信トリガ信号Ｓ１が発生しており、この送信トリガ信号Ｓ１に同期して送信信号発生回路２から送信信号Ａと送信信号Ｂが発生される（図３（ｂ）、（ｃ））。図では同じ波形で示しているが、この送信信号Ａと送信信号Ｂは位相が異なるバーストパルスとすることができ、その送信パルス幅Ｔ_１はほぼ等しくなっている。受信信号Ａ及び受信信号Ｂは、送信開始のタイミングから超音波伝搬時間ｔ_０を経てから受信される。管８の内部に流れがある場合には受信信号Ａと受信信号Ｂの現れる時間には流速に応じた時間差が生じる（図３（ｄ）、（ｅ）、ただし図ではその時間差は明示していない）。受信信号Ａ、Ｂは、増幅回路１４、１５でそれぞれ増幅される。

増幅回路１４、１５の出力は、二値化回路１６、１７によって二値化される。

一方、ラッチ回路２１、２２からの出力には、送信の開始から二値化回路１６、１７がハイレベルとなるまで、言い換えれば、受信信号Ａ及び受信信号Ｂが現れるまでハイレベルとなる信号が現れる（図３（ｆ）、（ｇ））。

スイッチ制御信号Ｓ２は、受信信号が存在する付近でハイレベルとなる信号となっており（図３（ｈ））、ハイレベルとなっている期間中で、スイッチ２３、２４からの出力は、加算器２５で加算された後（図３（ｉ））、ローパスフィルタ２６へと送られて、直流信号に変換される（図３（ｊ））。その直流電圧の値は、Ａ／Ｄ変換回路２７にてＡ／Ｄ変換されて、演算回路３６へと入力される。

ラッチ回路２１出力と、ラッチ回路２２出力とは、管８の内部を流れる被測定流体９の速度に応じてパルス幅に差が生じるが、加算器２５でラッチ回路２１出力とラッチ回路２２出力のパルス幅を加算したものは管８の内部に流れがない場合の超音波伝搬時間ｔ_０の関数となる。且つ、スイッチ制御信号Ｓ２によって、送信トリガ信号Ｓ１からスイッチ２３、２４がＯＮになるまでの時間ｔ_ｇ１と、スイッチがＯＮになっている間の時間ｔ_ｇ２の関数ともなる。具体的には、加算器２５で加算された後のローパスフィルタ２６からの出力信号の１／２となる超音波伝搬時間信号電圧Ｖ_０は、超音波伝搬時間をｔ_０、ラッチ回路２１とラッチ回路２２の電源電圧レベルをＶ_ｃｃ、定数をｔ_ｃとすると、

となる。この式から、超音波伝搬時間ｔ_０は、

となる。この式の右辺の第１項目は、ｔ_ｇ２／Ｖ_ｃｃに比例しているが、これは従来の係数Ｔ_０／Ｖ_ｃｃに比較すると小さく、ｔ_０の変化に対するＶ_０の変化は、従来よりも大きくなることが分かる。これは、従来に比較して、ｔ_０を高精度に測定できることを意味する。

次に、スイッチ制御信号Ｓ２について説明する。前述のように、スイッチ制御信号Ｓ２がハイレベルになる時間は、受信信号が存在する付近、言い換えれば受信時間を跨る期間である必要がある。受信信号が現れる時間、つまり超音波伝搬時間は、温度によって変化するものの、送受信用超音波プローブ６、７間の超音波伝搬距離及びその被測定流体内における音速がわかっていれば、おおよその値を予測することができる。即ち、常温における音速ｖとすると、予測の超音波伝搬時間ｔ_０ｐは、

から求めることができ、管径Ｄ及び送受信用超音波プローブ６、７間の超音波伝搬距離を予め設定することにより、送信トリガ信号Ｓ１からハイレベルとなるまでの時間ｔ_ｇ１を予測の超音波伝搬時間ｔ_０ｐよりも少し早い時間として決めることができる。

以上のようにして決めた時間ｔ_ｇ１は、固定値とすることもできるが、常に、超音波伝搬時間信号電圧Ｖ_０が所定値、例えばＶ_ｃｃ／２となるようにｔ_ｇ１を変化させることもできる。演算回路３６では、スイッチ制御信号生成手段としてのタイミング回路３から発生されるスイッチ制御信号Ｓ２を制御して、常に、超音波伝搬時間信号電圧Ｖ_０がＶ_ｃｃ／２となるようにするとよい。この場合、（２）式は、

となり、ｔ_ｇ２、ｔ_ｃは定数、ｔ_ｇ１は変数となる。

尚、ここでは、加算器２５を用いて上流側の受信信号Ａと下流側の受信信号Ｂを加算して、超音波伝搬時間ｔ_０を求めることとしたが、演算回路３６によって、ソフトウェア的に加算をすることも可能である。また、受信信号Ａと受信信号Ｂとの時間差が、求めるべき超音波伝搬時間ｔ_０に比較して著しく小さいと判断される場合は、加算器２５を用いずに、いずれか片方のみのラッチ回路の信号を用いて直接そのローパスフィルタから超音波伝搬時間ｔ_０を求めても問題ないことは容易に理解されるであろう。また、この超音波伝搬時間ｔ_０は、管８内部の流体９の温度に関係することから、この装置によって流体の温度を測定することも可能になることは、容易に理解されるであろう。

次に、位相差測定部１１６では、その排他的論理和回路３０が、二値化回路１６、１７によってそれぞれ二値化された上流側の受信信号Ａと下流側の受信信号Ｂとの排他的論理和をとり、サンプルアンドホールド回路３１を介して、その信号をローパスフィルタ３３が直流信号に変換する。サンプルアンドホールド回路３１は、排他的論理和回路３０による排他的論理和を安定してとるようにするために、受信パルスの中央部分において排他的論理和をとるようにしたもので、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ４は、排他的論理和回路３０の出力のパルスの中心付近のみを切り出すように、スイッチ制御信号Ｓ２と同様、タイミング回路３において、送信トリガ信号Ｓ１を基にして作られるもので、おおよそ受信信号の中央付近に相当するタイミングで生成されるものである。

サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ４がハイレベルの期間中には、サンプルアンドホールド回路３１は排他的論理和回路３０の出力を切り出し、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ４がローレベルの期間中には、サンプルアンドホールド回路３１は高インピーダンス状態となり、ローパスフィルタ３３の出力を保持する。

ローパスフィルタ３３の出力はサンプルアンドホールド回路３１の出力の高域成分を除去したものであり、つまり、ローパスフィルタ３３で出力される直流電圧Ｖ_１は、上流側の受信信号Ａと下流側の受信信号Ｂの位相差に相当する時間ｔ_Δの関数となるため、直流電圧Ｖ_１の値をＡ／Ｄ変換回路３５にてＡ／Ｄ変換して、演算回路３６へと入力する。

管８内を流れる流体９の流速Ｆ_ｌは、流れに沿う方向の超音波伝搬時間ｔ_１と流れに逆らう方向の超音波伝搬時間ｔ_２、流体以外における信号の伝搬時間τを用いて、一般に、

として求めることができる。ここでＫは定数である。これまでに説明してきた方法によれば、ｔ_１−ｔ_２をｔ_Δとして、また（ｔ_１＋ｔ_２）／２をｔ_０として、精度良く測定することができ、またＫ及びτは測定条件などから知ることができるため、結果として、管８内を流れる流体９の流速Ｆ_ｌを精度良く求めることができる。

演算回路３６では、予め求めておいたＫ、τの値を格納しておくことにより、流速Ｆ_ｌを求めることができる。

（第２実施形態）
次に、図４は、本発明の第２実施形態を表す図である。図において、第１実施形態と同様の構成要素は、同一の符号を付して、その詳細説明を省略する。

この実施形態では、第１実施形態における位相差測定部１１６及び超音波伝搬時間測定部１１７の代わりに、伝搬時間測定部１１９を備えている。

伝搬時間測定部１１９は、ラッチ回路５１、５２と、スイッチ５３、５４と、ローパスフィルタ５５、５６と、Ａ／Ｄ変換回路５７、５８とを備える。

ラッチ回路５１、５２、スイッチ５３、５４の作用は、第１実施形態のラッチ回路２１、２２、スイッチ２３、２４と同じであり、それぞれラッチ手段、スイッチ手段を構成する。また、ローパスフィルタ５５、５６は、スイッチ５３、５４を導通するラッチ回路５１、５２からのそれぞれの信号の高域成分を除去して低周波信号（直流電圧）に変換する直流信号変換手段を構成するものであり、Ａ／Ｄ変換回路５７、５８は、それぞれのローパスフィルタ５５、５６からの直流電圧をＡ／Ｄ変換して、演算回路３６に入力するものである。

以上のように構成される超音波流速計の主に伝搬時間測定部１１９の作用を図５の信号のタイミングチャートを参照しながら説明する。

ラッチ回路５１、５２は、前実施形態と同様に作用し、送信トリガ信号Ｓ１によってセットされて、二値化回路１６、１７からの信号でリセットされる。即ち、ラッチ回路５１、５２からの出力には、送信の開始から二値化回路１６、１７がハイレベルとなるまで、言い換えれば、受信信号Ａ及び受信信号Ｂが現れるまでハイレベルとなる信号が現れる（図５（ｆ）、（ｇ））。

スイッチ制御信号Ｓ２、Ｓ３は、受信信号が存在する付近でハイレベルとなる信号となっており（図５（ｈ）、（ｉ））、ハイレベルとなっている期間中、スイッチ５３、５４の信号（図５（ｊ）、（ｋ））はローパスフィルタ５５、５６へと送られて、直流信号に変換される（図５（ｌ）、（ｍ））。その直流電圧の値は、Ａ／Ｄ変換回路５３にてＡ／Ｄ変換されて、演算回路３６へと入力される。

図では明示していないが、ラッチ回路５１出力とラッチ回路５２出力とは、管８の内部を流れる被測定流体９の速度に応じてパルス幅に差が生じており、ローパスフィルタ５５、５６によって直流信号に変換された直流電圧は、それぞれ下流側の送受信用超音波プローブ７から上流側の送受信用超音波プローブ６への超音波伝搬時間ｔ_ｕ、上流側の送受信用超音波プローブ６から下流側の送受信用超音波プローブ７への超音波伝搬時間ｔ_ｄの関数となる。且つ、スイッチ制御信号Ｓ２、Ｓ３によって、送信トリガ信号Ｓ１からスイッチ５３、５４がＯＮになるまでの時間ｔ_ｇ１ｕ、ｔ_ｇ１ｄと、スイッチがＯＮになっている間の時間ｔ_ｇ２ｕ、ｔ_ｇ２ｄの関数ともなる。具体的には、ローパスフィルタ５５からの出力信号Ｖ_ｕ及びローパスフィルタ５６からの出力信号Ｖ_ｄは、ラッチ回路５１とラッチ回路５２の電源電圧レベルをＶ_ｃｃ、定数をｔ_ｃとすると、

となる。この式から、超音波伝搬時間ｔ_ｕ、ｔ_ｄは、

となる。

こうして、第1実施形態と同様に、演算回路３６に入力されるＶ_ｕ及びＶ_ｄのディジタル値から、または、Ｖ_ｕ及びＶ_ｄをＶ_ｃｃ／２になるようにスイッチ制御信号Ｓ２、Ｓ３のハイレベルになるタイミングｔ_ｇ１ｕ、ｔ_ｇ１ｄを制御した場合に、そのｔ_ｇ１ｕ、ｔ_ｇ１ｄの値から超音波伝搬時間ｔ_ｕ、ｔ_ｄを求めることができる。超音波伝搬時間ｔ_ｕ、ｔ_ｄは、ｔ_ｕ＝ｔ_２、ｔ_ｄ＝ｔ_１として、（３）式に入力することで、流速Ｆ_１を求めることができる。

第２実施形態においては、伝搬時間差を求めるのに高速カウンタなどが不要であるため、低消費電力の装置とすることができる。

図６は、第２実施形態の変形例である。この例では、さらに回路を簡素化したもので、二値化部１１２の増幅回路１４の前にアナログスイッチ６０を設けている。また、二値化部１１２において、増幅回路１４及び二値化回路１６をそれぞれ１つずつ備えると共に、伝搬時間測定部１２０が、ラッチ回路５１を１つ備えている。

スイッチ６０によって二値化部１１２で取り込む受信信号を上流側とするか下流側とするかを選択するようになっており、タイミング回路３からのスイッチ切替信号Ｓ５は、トリガ信号Ｓ１が送出される毎にスイッチ６０を切り替えるか、または２以上のトリガ信号Ｓ１が送出される毎にスイッチ６０を切り替える。また、このスイッチ切替信号Ｓ５の切替信号に同期して、スイッチ制御信号Ｓ２、Ｓ３は、スイッチ切替信号Ｓ５によって上流側が選択されているときには、スイッチ制御信号Ｓ２のみがその受信信号の付近でハイレベルとなる信号となり、スイッチ切替信号Ｓ５によって下流側が選択されているときには、スイッチ制御信号Ｓ３のみが受信信号の付近でハイレベルとなる信号となる。

スイッチ６０において上流側が選択されているときには、ローパスフィルタ５６からの出力は変化せずに前の測定時の値を維持しており、下流側が選択されているときには、ローパスフィルタ５５からの出力は変化せずに前の測定時の値を維持している。

このようにしても、演算回路３６において（３）式の演算を行うことにより、流速を求めることができる。

さらに、以上の各実施形態において、次の変形が可能である。
・以上の各実施形態におけるスイッチ２３、２４、５３、５４として、３ステートバッファを用いることも可能であり、これにより低コストで回路を構成することが可能になる。
・以上の各実施形態における二値化回路１６，１７において、流体が液体の場合には、受信信号の立ち上がりが急峻であるため、受信信号を直接、二値化することができるが、流体が気体の場合には、受信信号の立ち上がりが鈍る傾向にあるので、二値化回路１６、１７の前に包絡線検波回路を設けて、包絡線検波回路からの出力が所定値を超えたところで、二値化を開始するようにすることも可能である。
・流速Ｆ_ｌが求まれば、この流速Ｆ_ｌを用いて管８内を流れる流体９の流量を精度良く求めることができる。
・求めた流速Ｆ_ｌまたは流速Ｆ_ｌ及び流量は、表示部４２で表示することができる。
・さらには、この流速計は、２線式の制御ループに接続することも可能である。

以上の各実施形態によれば、以下の効果が得られる。
・従来のように送信から受信までの時間を表すラッチ回路からの出力をローパスフィルタで直流信号に変換するよりも、受信信号付近における受信を表すラッチ回路からの出力をローパスフィルタで直流信号に変換することで、従来に比較して、高精度に受信時間、即ち、超音波伝搬時間を求めることができる。

第１実施形態の場合、ｔ_ｇ２/Ｔ_０＝１／５０であるとすると、超音波伝搬時間は（３）式から流速に対して２乗で影響を及ぼしているために、その精度は２倍となり、理論的には１００倍の精度が得られることになり、実験においても２０倍以上の精度が得られることが確認された。
・従来は、送信繰り返し間隔Ｔ_０を大きくすると精度が下がるために、送信繰り返し間隔Ｔ_０を大きくすることができなかったが、本発明では、送信繰り返し間隔Ｔ_０が精度に影響を及ぼさないために、送信繰り返し間隔Ｔ_０を大きくすることができ、送信信号の発生回数を減らして、より消費電力を小さくすることができるようになる。

本発明の第１実施形態による超音波流速計の全体ブロック図である。 図１の詳細ブロック図である。 本発明の第１実施形態による超音波伝搬時間の測定原理を表すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による超音波流速計の詳細ブロック図である。 本発明の第２実施形態による測定原理を表すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態の変形例による超音波流速計の詳細ブロック図である。 従来の超音波伝搬時間の測定原理を表すタイミングチャートである。

符号の説明

２ 送信信号発生回路（送信信号発生手段）
３ タイミング回路（スイッチ制御信号生成手段）
６、７ 送受信用超音波プローブ
２１、２２、５１、５２ ラッチ回路（ラッチ手段）
２３、２４、５３、５４ スイッチ（スイッチ手段）
２６、５５、５６ ローパスフィルタ（直流信号変換手段）
３６ 演算回路（演算手段）

Claims (6)

1. 送信信号を発生する送信信号発生手段と、
   被測定流体の上流側と下流側に配置される少なくとも２つの超音波プローブであって、上流側の超音波プローブが送信信号発生手段からの送信信号を受けて被測定流体中に超音波を送信し、下流側の超音波プローブがその超音波を受信して受信信号（下流側受信信号という）を出力すると共に、下流側の超音波プローブが送信信号発生手段からの送信信号を受けて被測定流体中に超音波を送信し、上流側の超音波プローブがその超音波を受信して受信信号（上流側受信信号という）を出力する超音波プローブと、
   前記上流側受信信号及び下流側受信信号の少なくとも一つの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生するラッチ手段と、
   受信時状態変化信号が変化する前後の所定期間において前記受信時状態変化信号を導通するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段において導通された信号を直流信号に変換する直流信号変換手段と、
   前記直流信号変換手段からの直流信号の電圧及びスイッチ手段が導通する所定期間及び送信からその所定期間の開始までの時間に基づき、超音波が伝搬する超音波伝搬時間を求めて、該超音波伝搬時間を用いて被測定流体の流速を演算する演算手段と、
   を備えることを特徴とする超音波流速計。
2. 前記スイッチ手段の信号の導通／非導通を切り替えるスイッチ制御信号を生成するスイッチ制御信号生成手段を備え、
   該スイッチ制御信号生成手段は、超音波の伝搬距離と基準の音速に基づきスイッチ制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載の超音波流速計。
3. 前記スイッチ手段の信号の導通／非導通を切り替えるスイッチ制御信号を生成するスイッチ制御信号生成手段を備え、
   該スイッチ制御信号生成手段は、前記直流信号変換手段からの直流信号が所定値になるようにスイッチ制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載の超音波流速計。
4. 前記送信信号はバースト信号であり、
   前記上流側受信信号及び下流側受信信号を二値化する二値化手段と、
   二値化手段でそれぞれ二値化された上流側受信信号と下流側受信信号の位相差を測定する位相差測定手段と、
   をさらに備え、
   前記演算手段は、前記超音波伝搬時間と前記位相差測定手段からの位相差信号とに基づき、被測定流体の流速を演算することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波流速計。
5. 前記ラッチ手段は、上流側受信信号及び下流側受信信号のそれぞれの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生し、
   前記直流信号変換手段は、スイッチ手段において導通されたラッチ手段からの上流側受信信号及び下流側受信信号のそれぞれの受信時状態変化信号を直流信号に変換し、
   前記演算手段は、前記直流信号変換手段からのそれぞれの直流信号及びスイッチ手段の導通タイミングに基づき、上流側の超音波プローブから下流側の超音波プローブへの超音波伝搬時間と下流側の超音波プローブから上流側の超音波プローブへの超音波伝搬時間とを求めて、被測定流体の流速を演算することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波流速計。
6. 被測定流体の上流側と下流側に超音波プローブを配置し、
   上流側の超音波プローブから下流側の超音波プローブへと超音波を伝搬させてその受信信号（下流側受信信号という）を得て、下流側の超音波プローブから上流側の超音波プローブへと超音波を伝搬させてその受信信号（上流側受信信号という）を得て、
   前記上流側受信信号及び下流側受信信号の少なくとも一つの受信のタイミングにおいて状態が変化する受信時状態変化信号を発生し、
   受信時状態変化信号が変化する前後の所定期間において受信時状態変化信号を直流信号に変換し、
   該直流信号の電圧、前記所定期間及び送信からその所定期間の開始までの時間に基づき上流側の超音波プローブと下流側の超音波プローブとの間を超音波が伝搬する超音波伝搬時間を求め、該超音波伝搬時間に基づき被測定流体の流速を演算することを特徴とする被測定流体の流速測定方法。
   

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