JP2005241581A

JP2005241581A - 超音波流速計

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Publication number: JP2005241581A
Application number: JP2004054730A
Authority: JP
Inventors: Masao Kishimoto; 雅夫岸本; Tomoo Yamaguchi; 知男山口; Hiroyuki Hamada; 浩行浜田
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP4516329B2

Abstract

【課題】気泡等による異常の発生に対して装置の誤動作または誤計測を防ぐことができる超音波流速計を提供する。
【解決手段】バースト信号発生部１１０で、位相差のある２種類のバースト信号を発生し、被測定流体９の上流側と下流側に配置される一対の送受信用超音波プローブ６、７に送る。超音波プローブ６、７は、バースト信号を変換して超音波を送信すると共に、被測定流体中を伝搬した超音波を受信して受信信号に変換する。この受信信号は、二値化回路１６、１７で二値化されて、排他的論理和回路３０によって位相差を表す位相差信号となり、この位相差信号に基づき演算回路３６で被測定流体９の流速を測定する。判定部１１４で、受信信号のピークレベルが閾値レベルを超えるかどうかを判定し、閾値レベルを超えない場合に、異常信号であるとして、その位相差を用いて流速を演算しないように異常信号を排除する。
【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、位相差のある２種類の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。そして、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、それぞれの受信信号の位相差を求め、この位相差信号に基づき、被測定流体の流速を求めている。

具体的に従来の流速測定について図１０に示すタイミングチャートを参照して説明する。
上流側の超音波プローブが受信する上流側受信信号（図１０（ａ））と、下流側の超音波プローブで受信する下流側受信信号（図１０（ｂ））とをそれぞれ二値化し、上流側二値化信号（図１０（ｃ））と、下流側二値化信号（図１０（ｄ））とを生成する。このまま位相差を求めてもよいが、測定レンジを広げるために分周回路によって分周を行う。分周は、予め決められた閾値Ｖ_ＴＨ０を超えた時点で開始し、それぞれ上流側分周信号（図１０（ｅ））と、下流側分周信号（図１０（ｆ））を生成する。そして、これら２つの分周信号の排他的論理和をとりＥＸＯＲ信号（図１０（ｇ））を得る。このＥＸＯＲ信号が位相差信号となり、そのデューティが位相差を表す。位相差は上流側と下流側の超音波伝搬時間差に対応し、流速の関数となっているために、この位相差信号から流速を求めることができる。

ところで、被測定流体内に気泡などが入ると、超音波の受信信号が小さくなることが知られている。例えば、上記例において、上流側受信信号が気泡の影響を受けて強度が小さくなると（図１０（ａ’））、分周回路が分周を開始するタイミングが遅れ、上流側分周信号がずれる（図１０（ｃ’））。このため、ＥＸＯＲ信号のデューティも変化して異常となり、正確に流速を求めることができなくなる。

以上のような分周回路を用いる場合に限らず、気泡が混入すると受信強度のみならず波形に乱れが生ずるため、位相が乱れて、正しく位相差を求めることができなくなるという問題がある。

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、気泡等による異常の発生に対して装置の誤動作または誤計測を防ぐことができる超音波流速計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位相差を測定する位相差測定手段と、
前記位相差測定手段からの受信信号の位相差信号に基づき被測定流体の流速を演算する演算手段と、を備える超音波流速計において、
上流側受信信号及び下流側受信信号のピークレベルが閾値レベルを超えるかどうかを判定する判定手段と、
該判定手段による判定によって閾値レベルを超えない場合に、演算手段においてその受信信号の位相差を用いて流速を演算しないようにする排除手段と、
を備えることを特徴とする。排除手段は、上流側受信信号、下流側受信信号、位相差信号、または演算手段で演算した流速値のいずれかを排除することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、さらに、
前記上流側受信信号及び下流側受信信号のピークレベルを一定にする自動ゲイン制御を行う増幅手段を備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の前記増幅手段の自動ゲイン制御の速さは、ピークレベルを下げる方向に制御する場合と、ピークレベルを上げる方向に制御する場合とでは、ピークレベルを下げる方向の制御の方が速いことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のものにおいて、前記判定手段における判定結果に基づき、受信信号が閾値レベルを超えない回数、またはその送信回数に対して受信信号が閾値レベルを超えない回数の割合を求める測定信頼度判定手段を備え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４のいずれか１項に記載のものにおいて、さらに、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を備え、前記位相差測定手段は、二値化手段によって二値化された受信信号の位相差を測定するものであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載のものにおいて、前記二値化手段が、前記二値化した受信信号をそれぞれ分周する分周回路を有しており、前記位相差測定手段は、分周されたそれぞれの受信信号からこれらの受信信号の位相差を測定するものであ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。

気泡等による異常が発生した場合には、受信信号の強度は低下する方向に変化するが、増大する方向には変化しない。本発明によれば、このように受信信号の強度が低下したことを判定手段で判定し、その場合に排除手段が、演算手段においてその受信信号の位相差を用いて流速を演算しないようにする。受信信号の強度の低下は、位相差に誤差を発生させる原因となるため、そのような強度が低下した受信信号に基づいて流速を演算しないようにすることにより、演算手段で演算する流速に誤差が発生するのを防ぐことができる。

請求項２記載の発明によれば、増幅手段が自動ゲイン制御を行うことにより、受信信号の強度が長期的に変化しているときに、ピークレベルを一定にすることができる。

請求項３記載の発明によれば、自動ゲイン制御をする場合に、気泡等による異常によって一時的に受信信号の強度が低下した場合には、制御の速度を遅くして追従性を落として、異常の受信信号についてはピークレベルを増幅しないようにして、正常と異常の判別を正確に行うようにすることができる。

請求項４記載の発明によれば、測定信頼度を求めることにより、異常発生頻度が高い場合に警報を出力させることもでき、気泡等の異常発生を監視することができるようになる。

請求項５記載の発明によれば、二値化手段によって位相差を測定する場合に、誤差が発生するのを防ぐことができる。

請求項６記載の発明によれば、分周回路によって分周を行った後、位相差を測定する場合に、誤差が発生するのを防ぐことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の超音波流速計のブロック図である。

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からの受信信号の増幅を行う増幅部１１１と、増幅された受信信号の二値化を行う二値化部１１２と、増幅された受信信号の強度を判定する判定部１１４と、判定部１１４における判定結果によって受信信号を排除する排除部１１５と、二値化部１１２で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、制御信号Ｓ４（後述）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好ましい。

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。これらの送受信用超音波プローブ６、７は、超音波が適切に送受信されるために、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、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。このとき、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。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からの受信信号Ａ、Ｂは、増幅部１１１に入力される。増幅部１１１は、増幅回路１２、１３と、ゲイン制御回路１４、１５とを備えたＡＧＣ増幅回路を構成している。増幅回路１２、１３は、受信信号のピークレベルを一定にするゲイン可変アンプから構成される。また、この増幅回路１２、１３は、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る。

増幅回路１２、１３のゲインを制御するためのゲイン制御回路１４、１５は、それぞれ図３に示すように、検波器４６と、加算器４８と、スイッチ４９と、積分器５０とを備えている。検波器４６は、増幅回路１２、１３からの出力の包絡線検波を行うものである。そして、そして加算器４８は、検波器４６の出力と基準レベル電圧との加算を行うものである。基準レベル電圧は、飽和電圧Ｖ_Ｓよりもやや低い、例えば８０％程度の電圧Ｖ_ＴＨ１のマイナス電圧−Ｖ_ＴＨ１であり、結果として、検波器４６からの包絡線検波信号は、Ｖ_ＴＨ１（≒０．８Ｖ_Ｓ＜Ｖ_Ｓ）との減算を行った後の信号を出力する。この出力が振幅モニタ信号となる。スイッチ４９は、制御信号Ｓ４がハイレベルとなったときに、加算器４８からの出力を積分器５０に導通させるものである。制御信号Ｓ４は、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。

積分器５０は、直列接続された抵抗Ｒ_１、Ｒ_２及びダイオードＤ_１、Ｄ_２の並列接続を入力側に持ち、帰還回路にコンデンサＣを有するＯＰアンプＯＰから構成される。ダイオードＤ_１とＤ_２の順方向の向きが逆になっており、振幅モニタ信号が＋のときは、抵抗値が大きい抵抗Ｒ_１を流れ、振幅モニタ信号が−のときは、抵抗値が小さい抵抗Ｒ_２を流れ、時定数Ｒ_１Ｃ、またはＲ_２Ｃで決まる積分信号をゲイン制御信号として出力する。

次に、増幅部１１１で増幅された受信信号は、二値化部１１２へと入力される。二値化部１１２は、二値化回路１６、１７と、分周回路１８、１９と、比較回路２６、２７とを備えている。二値化回路１６、１７は、増幅部１１１で増幅された受信信号の二値化を行うものであり、比較回路等で構成され、増幅部１１１で増幅された受信信号の出力を、０Ｖ付近の電圧を閾値として比較する。比較回路２６、２７は、増幅部１１１で増幅された受信信号の出力と、分周を行うための閾値Ｖ_ＴＨ３との比較を行うもので、閾値Ｖ_ＴＨ３を超えたときにハイレベルの信号を出力し、その出力は、分周回路１８、１９のリセット端子に接続される。分周回路１８、１９は、二値化回路１６、１７からの出力を分周するもので、そのクロック入力端子に二値化回路１６、１７が接続される。

増幅部１１１で増幅された受信信号Ａ、Ｂは、判定部１１４へも入力される。判定部１１４は、比較回路２０、２２と、ラッチ回路２３、２４を備えている。比較回路２０、２２は、それぞれ増幅部１１１で増幅された受信信号Ａ、Ｂと第２基準レベル電圧Ｖ_ＴＨ２との比較を行うものであり、受信信号Ａ、Ｂが第２基準レベル電圧Ｖ_ＴＨ２よりも大きい場合に信号を出力する。この信号は正常を表す信号となる。ラッチ回路２３、２４は、比較回路２０、２２の信号によってセットされ、トリガ信号Ｓ１によってリセットされる信号を出力する。

判定部１１４からの出力は、排除部１１５へと入力される。排除部１１５は、ＡＮＤ回路２５を備えており、ＡＮＤ回路２５は、ラッチ回路２３、２４からの出力と、タイミング回路３からの制御信号Ｓ４とのＡＮＤをとり、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ５を出力する。

次に、二値化部１１２で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。この排他的論理和信号は、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、排除部１１５のＡＮＤ回路２５からのサンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ５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Ｓ５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Ｓ５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Ａ、Ｂ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２８、２９と、ローパスフィルタ３７、３８と、加算回路３９と、Ａ／Ｄ変換回路４１とを備える。

ラッチ回路２８、２９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。

ローパスフィルタ３７、３８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、その電流電圧レベルは、伝搬時間に応じたものとなる。ローパスフィルタ３７、３８の出力は、加算回路３９で加算された後、Ａ／Ｄ変換回路４１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４１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９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作用を図４ないし図８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。

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（図４（ａ））、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４（ｂ）、（ｃ））。図４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であり、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（図４（ｄ）、（ｅ））。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。

増幅部１１１では、自動ゲイン制御を行い、受信信号Ａと受信信号Ｂのピークレベルを一定になるように増幅する（図４（ｆ）、（ｇ））。即ち、図５に示すように、増幅回路１２、１３は、ゲイン制御回路１４、１５によるゲイン制御信号に基づき、ゲインを可変にして受信信号Ａ、Ｂを増幅する。

これにより、図５に示すように、回路自体の温度特性、または管８内での超音波信号の伝達を阻害するような汚れ、カビ等の超音波プローブ６、７へと付着、といった長期的且つゆっくりとした受信信号の強度の変動があったとしても（図５（ａ））、その影響を受けることなく、常に、受信信号Ａ、Ｂを一定となるように受信信号Ａ、Ｂを増幅することができる（図５（ｂ））。

さらに、ゲイン制御回路１４、１５において、ＯＰアンプＯＰから出力されるゲイン制御信号は、増幅回路１２、１３からの出力がＶ_ＴＨ１よりも大きい場合には、時定数Ｒ_１Ｃが大きく、よって追従性よくゲインをコントロールするのに対して、増幅回路１２、１３からの出力がＶ_ＴＨ１よりも低い場合には、時定数Ｒ_２Ｃが小さく、よって追従性が鈍くゲインを制御する。これによって、増幅回路１２、１３で行われる増幅は、ゲインを上げる方向には遅く、ゲインを下げる方向には速く応答する。図５（ａ’）に示すように、気泡などにより振幅が急に下がる異常の受信信号が含まれている場合には、異常受信信号に対する反応を鈍くしてゲインを上げないようにする（図５（ｂ’））。

こうして、ゲインの自動制御の速さをピークレベルを上げる方向とピークレベルを下げる方向とで異ならしめることにより、異常信号は増幅せずに、経年変化による長期的なゆっくりとした変動に対しては追従して異常とならないようにする。

尚、制御信号Ｓ４を用いてゲイン制御回路１４、１５のスイッチ４９を切り替えて、受信信号の中央付近に相当する部分についてのみ振幅制御を行うことで、安定したゲイン制御を行うことができ、低消費電力とすることもできる。

次に、増幅回路１２、１３からの受信信号Ａ、Ｂは、二値化回路１６、１７によって二値化され、その出力によりラッチ回路２８、２９をリセットする。ラッチ回路２８、２９は送信トリガ信号Ｓ１によりセットされているために、ラッチ回路２８、２９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４（ｈ）、（ｉ））。

ラッチ回路２８出力と、ラッチ回路２９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、ラッチ回路２８出力とラッチ回路２９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に定数を加算したものに比例したものとなる。ローパスフィルタ３７出力（図４（ｊ））とローパスフィルタ３８出力（図４（ｋ））を加算した加算回路３９からの出力信号である超音波伝搬時間信号電圧Ｖ_０（図４（ｌ））は、送信繰返し間隔をＴ_０、超音波伝搬時間をｔ_０、ラッチ回路２８とラッチ回路２９の電源電圧レベルをＶ_ＣＣ、定数をｔ_ｃとすると、

と表される。（１）式に従い、超音波伝搬時間信号電圧Ｖ_０から超音波伝搬時間ｔ_０を求めることができる。

尚、ここでは、加算回路３９を用いて超音波伝搬時間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、ローパスフィルタ３７またはローパスフィルタ３８のいずれか片方のみ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。

加算回路３９の直流電圧の値は、Ａ／Ｄ変換回路４１にてＡ／Ｄ変換されて、演算回路３６へと入力される。

ところで、増幅回路１２、１３からの受信信号Ａ、Ｂは、判定部１１４にも入力されており、判定部１１４の比較回路２０、２１によって、第２基準レベル電圧Ｖ_ＴＨ２と比較されている。第２基準レベル電圧Ｖ_ＴＨ２を超えると比較回路２０、２１からハイレベルの信号が出力され、ラッチ回路２３、２４がセットされて、ラッチ回路２３、２４からハイレベルの信号が出される（図６（ｈ）、（ｉ）参照）。ラッチ回路２３、２４は、送信トリガ信号Ｓ１が出力される度にリセットされる。気泡などにより、受信信号Ａ、Ｂのレベルが下がると、受信信号Ａ、Ｂが第２基準レベル電圧Ｖ_ＴＨ２を超えないために、ラッチ回路２３、２４はセットされない。

また、二値化部１１２において、増幅回路１２、１３からの受信信号Ａ、Ｂ（図６（ａ）、（ｂ））は、二値化回路１６、１７によって二値化される（図６（ｃ）、（ｄ））と共に、比較回路２６、２７において閾値Ｖ_ＴＨ３と比較されており、閾値Ｖ_ＴＨ３を超えると、分周回路１８、１９によって分周が開始する（図６（ｅ）、（ｆ））。

次に、位相差測定部１１６では、その排他的論理和回路３０が、分周回路１８、１９によって二値化され分周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（図６（ｇ））、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（図８参照）。

図７に示すように、サンプルアンドホールド回路３１は、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ５がハイレベルの期間中には、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Ｓ５がローレベルの期間中には、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。

ここで、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ５は、排除部１１５において、ラッチ回路２３、２４からの出力と制御信号Ｓ４がすべてハイレベルになったときに、ハイレベルになる信号である。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ためのものであり、これによって、受信パルスの中央部分において排他的論理和をとることができ、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ことができる。また、ラッチ回路２３、２４からの出力は、前述のように、受信信号Ａ、Ｂが気泡等によって受信強度が異常になっていない場合にハイレベルとなるものである。

つまり、図７に示すように、サンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ５によって、受信信号Ａ、Ｂが正常である場合にのみ、排他的論理和回路３０の出力のパルスの中心部分のみのサンプルホールドを行う。

図８に示したように、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の位相差を表す位相差信号となり、この直流電圧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。

この直流電圧Ｖ_１は、バースト波の周期をＴ、送信信号Ａと送信信号Ｂとの位相差をθ、上流側と下流側の超音波伝搬時間差をｔ_ｄ、分周比を２とすると、

となる。（２）式に従い、直流電圧Ｖ_１からｔ_ｄを求めることができる。

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_ｄとして、また（ｔ_１＋ｔ_２）／２をｔ_０として、流速を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。さらには、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。

気泡が管内に混入するといった異常が発生した場合、受信信号の強度は低下する方向に変化するが、増大する方向には変化しない。このように受信信号の強度が低下した場合、判定部１１４から信号が出力されず、排除部１１５によってサンプルアンドホールド回路制御信号Ｓ５が出力されないので、位相差信号が演算回路３６に入力されず、演算回路３６で演算される流速の誤差の発生を防ぐことができる。

本発明の変形例として、超音波流速計１０はさらに、判定部１１４からの信号を得る測定信頼度判定部１１９を備えることができる。測定信頼度判定部１１９は、図９に示すように、ＡＮＤ回路５２と、カウンタ５４とを備えている。ＡＮＤ回路５２は、判定部１１４のラッチ回路２３、２４の両方からハイレベルの信号が入力された時にハイレベルの信号を出力し、カウンタ５４は、ＡＮＤ回路５２の出力時の立ち上がりで計数を行い、その計数データを演算回路３６へと出力する。ラッチ回路２３、２４の両方からハイレベルの信号が出力されることは正常の受信信号を受信できたことを表すから、演算回路３６では、一定間隔ごとの正常受信の回数を求め、その間隔の送受信回数と比較し、一定割合以下、例えば８０％以下である場合には、管８内に障害物が存在していると判断することができる。

そして、その結果を表示部４２で表示し、または、警報を出力することができる。例えば、水道や農業用水では、気泡の発生を避けなければならないので、そのような場合に警報を出力することは有効となる。

尚、以上の例にあっては、排除部１１５の信号は、位相差測定部１１６に入力されていたが、これに限るものではなく、流速測定部１１８の演算回路３６に入力して、演算回路３６において正常であるときのみ、流速を演算するようにすることも可能である。

本発明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。図２の増幅部のゲイン制御回路の詳細ブロック図である。本発明の超音波流速計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。本発明の増幅部による自動ゲイン制御を表す波形図である。受信信号Ａ、Ｂにおける二値化部及び位相差測定部における受信信号の先頭付近での回路の動作を表すタイミングチャートである。サンプルアンドホールド回路の動作タイミングを説明するための、１つの受信パルスを拡大したタイミングチャートである。受信信号Ａ、Ｂにおける二値化部及び位相差測定部における受信信号の中間付近での回路の動作を表すタイミングチャートである。測定信頼度判定部の詳細ブロック図である。従来の超音波流速計における受信信号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）
６、７送受信用超音波プローブ
１２、１３増幅回路
１６、１７二値化回路
１８、１９分周回路
３１サンプルアンドホールド回路
３６演算回路（演算手段）
１１１増幅部（増幅手段）
１１２二値化部（二値化手段）
１１４判定部（判定手段）
１１４排除部（排除手段）
１１６位相差測定部（位相差測定手段）
１１９測定信頼度判定部（測定信頼度判定手段）

Claims

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位相差を測定する位相差測定手段と、
前記位相差測定手段からの受信信号の位相差信号に基づき被測定流体の流速を演算する演算手段と、を備える超音波流速計において、
上流側受信信号及び下流側受信信号のピークレベルが閾値レベルを超えるかどうかを判定する判定手段と、
該判定手段による判定によって閾値レベルを超えない場合に、演算手段においてその受信信号の位相差を用いて流速を演算しないようにする排除手段と、
を備えることを特徴とする超音波流速計。
さらに、前記上流側受信信号及び下流側受信信号のピークレベルを一定にする自動ゲイン制御を行う増幅手段を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波流速計。
前記増幅手段の自動ゲイン制御の速さは、ピークレベルを下げる方向に制御する場合と、ピークレベルを上げる方向に制御する場合とでは、ピークレベルを下げる方向の制御の方が速いことを特徴とする請求項２記載の超音波流速計。
前記判定手段における判定結果に基づき、受信信号が閾値レベルを超えない回数、またはその送信回数に対して受信信号が閾値レベルを超えない回数の割合を求める測定信頼度判定手段を備え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。
さらに、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を備え、前記位相差測定手段は、二値化手段によって二値化された受信信号の位相差を測定するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波流速計。
前記二値化手段は、前記二値化した受信信号をそれぞれ分周する分周回路を有しており、前記位相差測定手段は、分周されたそれぞれの受信信号からこれらの受信信号の位相差を測定するものであることを特徴とする請求項５記載の超音波流速計。