JP2005257613A - 流体の流れ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧手段の動作がシステム動作初期の電圧が安定していない場合だと他の回路動作に不具合を生じる可能性があるため、電源投入後一定時間経過してから昇圧手段を動作して電圧安定度を高める。
【解決手段】電源制御手段４４は電源投入後一定時間経過してからチャージポンプ型昇圧手段４３に信号を送出し電圧を調整することで、安定した電圧で振動子への電力供給を行うとともに、負荷の動作に影響を与えない時期に誘導性素子の無い昇圧手段を動作することでノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に電源電圧より高電圧の電力を供給するチャージポンプ型昇圧手段を用い、超音波を利用して気体や液体などの流速およびまたは流量を計測する流れ計測装置に関する。

従来の昇圧手段としてはＤＣＤＣコンバータを利用したものがあり、これを利用した流体の流れ計測、例えば流量計測装置は超音波を用いた電気的な計測方法である。図１１は一般的な昇圧回路の構成である。

図１１において、１は電源、２はＤＣＤＣコンバータ、３はインダクタンスＬ，４はダイオードＤ，５はコンデンサＣ、６は負荷である。ＤＣＤＣコンバータ２はインダクタンス３をスイッチング動作することによりオンからオフになったときにインダクタンスに生じる逆起電力がダイオード４を介して整流し、コンデンサ５でリップルを小さくした安定した高電圧を負荷６に供給するものである。図１２は、従来の超音波流量計の構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１参照）。

図１２において、流体流路１１の途中に超音波を発信する第１振動子１２と受信する第２振動子１３が流れ方向に配置されている。１４は第１振動子１２への送信回路、１５は第２振動子１３で受信した超音波を信号処理する受信回路である。１６は受信回路１５で超音波を検知した後第１振動子１２からの送信と第２振動子１３での受信を複数回繰り返す繰返し手段である。

１７は受信回路で超音波を検出した後、再度第１振動子１２から超音波を送信するまでの遅延時間を発生させる遅延時間発生手段であり、１８は遅延時間発生手段１７により発生した遅延時間を計測する遅延時間計測手段、１９は遅延時間発生手段１７の計測値を基に、遅延時間を制御する遅延時間制御手段、２０はは繰返し手段により行われる複数回の超音波伝達の所要時間を計測する累積時間計測手段、２１は遅延時間計測手段１８および累積時間計測手段２０の計測値から流量を求める流量演算手段である。

送信回路１４より送出されたバースト信号により第１振動子１２から発信された超音波信号は、流れの中を伝搬し、第２振動子１３で受信され受信回路１５で検知され、遅延時間発生手段１７で発生した遅延時間を置いた後、再び送信回路１４よりバースト信号が送出される。送信回路１４からのバースト信号は、予め定められた回数だけ繰り返され、この繰返しに要した時間を累積時間計測手段２０で、また、遅延時間を遅延時間計測手段１０により計測する。

更に、流量演算手段２１では、累積時間計測手段２０で求めた値から遅延時間計測手段１９で求めた遅延時間を差し引くことにより、超音波の伝達のみの所要時間Ｔを求める。通常、この送信回路から振動子を駆動する際には伝搬距離により信号が減衰することを考慮して高電圧を供給する。その回路として上記に説明した昇圧回路を利用することが多い。
特開２０００−２９２２３２号公報

しかしながら従来の昇圧回路における高電圧供給回路では負荷の動作および回路全体の安定性を考えたＤＣＤＣコンバータの動作タイミングが統一されておらず、個々に動作している。例えば送信、受信回路への供給電圧が安定する前にＤＣＤＣコンバータの動作を開始すると充電後、負荷が動作するまでの時間に無駄が発生する可能性がでてくる。さらに回路の初期設定動作などを行なっている時に昇圧回路が動作するとシステムの電圧が変動したり、ノイズの発生による計測精度の劣化につながる可能性がある。

また、誘導性の素子を用いるＤＣＤＣコンバータでは動作時の逆起電力や誘導ノイズにより他の回路へ影響を及ぼす可能性がある。

本発明は上記の課題を解決するもので、チャージポンプ型昇圧手段をこまめに特にタイミングを重視して時間的に制御することで、安定した電圧で負荷への電力供給を行うとともに、コイルを使用しない回路構成によりノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現することを目的としている。

そして、このような安定した昇圧制御手段を用いることで、計測系の安定動作を実現する精度の良い流れ計測を実現することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流体の流れ計測手段の電源制御手段は回路全体の動作と負荷の動作に応じてこまめに特にタイミングを重視して時間的に、チャージポンプ型昇圧手段による電源の上昇動作を制御する。

本発明の、流れ計測装置における電源制御手段は、回路全体の動作と負荷の動作に応じてこまめに特にタイミングを重視して時間的に、チャージポンプ型昇圧手段による電源の上昇動作を制御するものである。

これによって、回路動作が安定する電源電圧を確保するとともに負荷の動作に応じてチャージポンプ型昇圧手段の出力電圧を制御する動作を行うことにより安定した電圧で負荷への電力供給を行うとともに、コイルを使用しない回路構成により昇圧などの動作による電圧の不安定さやスイッチングノイズの発生を抑える。そしてノイズ等の影響をシステムに与えないようなチャージポンプ型昇圧手段の動作を実現することで計測系の安定動作を実現する精度の良い流れ計測を実現することができる。

第１の発明は、被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、振動子を駆動する送信手段と、受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰返し手段と、前記繰返し時に前記振動子からの送信信号を遅らせる遅延手段と、それぞれの複数回繰返しの伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段でそれぞれの計時値の差に基づいて流速およびまたは流量を算出する演算手段と、電源と、前記電源より高電圧をつくるチャージポンプ型昇圧手段と、前記電源とチャージポンプ型昇圧手段を時間的に制御する電源制御手段と、チャージポンプ型昇圧手段の出力で動作する負荷とを備えた流れ計測装置である。

そして、電源制御手段は回路全体の動作と負荷の動作に応じてこまめに特にタイミングを重視して時間的に、チャージポンプ型昇圧手段による電圧の上昇動作を制御することで、回路動作が安定する電源電圧を確保するとともに負荷の動作に応じてチャージポンプ型昇圧手段の出力電圧を制御する動作を行うことにより安定した電圧で負荷への電力供給を行うことができる。

さらに、コイルを使用しない回路構成により昇圧などの動作による電圧の不安定さやスイッチングノイズの発生を抑える。そしてノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現することで計測系の安定動作を実現する精度の良い流量計測を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の電源制御手段が、電源出力が安定してからチャージポンプ型昇圧手段を動作することにより、電源の出力電圧が安定し各部の回路電圧が定まり定常動作になった後にチャージポンプ型昇圧手段を動作でき負荷の動作と周辺回路両方の安定度を向上することが可能になる。

第３の発明は、特に第１の発明の電源制御手段が、電源出力を一定時間経過してから
チャージポンプ型昇圧手段を動作することにより、電源の出力電圧が安定し各部の回路電圧が定まり初期動作が終了した後にチャージポンプ型昇圧手段を動作でき負荷の動作と周辺回路両方の安定度を向上することが可能になる。

第４の発明は、特に第１の発明の電源制御手段が、チャージポンプ型昇圧手段の出力電圧があらかじめ定めた値になるとチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止することにより、チャージポンプ型昇圧手段の動作時間を短くし無駄な電力を切り詰めるとともにノイズ発生時間も短くし省電力動作が可能になる。

第５の発明は、特に第１の発明の電源制御手段が、送信手段の動作が開始する前にチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止することにより、負荷の動作する前にチャージポンプ型昇圧手段を動作を終了することにより、常に負荷が動作する時に高電圧を供給可能な状態にしておくとともにチャージポンプ型昇圧手段の動作時間を短くして省電力動作が可能になる。

第６の発明は、特に第１の発明の電源制御手段が、送信手段の動作が終了後一定時間経過後にチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止することにより、送信動作を安定した電圧で行うことができその後十分昇圧動作を行ってから動作を停止することで、次の動作準備をしておくことが可能になる。

第７の発明は、特に第１の発明から第６の発明のいずれか１つにおける電源制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムを有する構成としたもので、これによりチャージポンプ型昇圧手段の動作設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに出力電圧の精度向上を行うことができる。

（実施の形態１）
図１おいて、被測定流体の流れる流路３１と、前記流路３１に配置された超音波を送受信する第１の振動子３２、第２の振動子３３を設置し、前記第１の振動子３２を駆動する送信手段３４と、前記第２の振動子３３の受信信号を受け受信タイミングを決定する受信手段３５と、前記送信手段３４と第１の振動子３２、および第２の振動子３３と受信手段３５の間に切換手段３６を設け、超音波の送受信を第１の振動子３２と第２の振動子３３の間で交互に行うようにしている。

受信手段３５の出力を受け送信手段３４を介して再度超音波の送受信を繰り返すという動作回数を計測し所定の回数で動作を停止する繰返し手段３７と、前記繰返し手段３７の信号を受け所定の遅延時間遅れて前記送信手段３４のトリガ信号として出力する遅延手段３８と、少なくとも送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から前記繰返し手段３７の動作停止までの超音波の伝搬時間を測定する計時手段３９と、前記計時手段３９の値から前記一対の振動子間の流速を演算し、必要に応じて、それから流量を求める演算手段４０とを有するものである。

さらに計測制御手段４１を設け、前記送信手段３４を動作する計測スタート信号を出力する。さらに電力の供給を行う電源４２と、電源より高電圧の負荷を駆動するためのチャージポンプ型昇圧手段４３と、前記電源とチャージポンプ型昇圧手段４３を制御する電源制御手段４４を備えている。

通常の動作を説明する。計測制御手段４１からスタート信号を受けた送信手段３４が第１の振動子３２を一定時間パルス駆動行うと同時に計時手段３９は計測制御手段４１からの信号によって時間計測始める。

パルス駆動された第１の振動子３２からは超音波が送信される。第１の振動子３２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第２の振動子３３で受信される。第２の振動子３３の受信出力は、受信手段３５で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。繰返し動作を行わない場合はこの超音波の受信を決定した時点で計時手段３９の動作を停止し、その時間情報ｔから（式１）によって流速を求める。

なお、次式で、計時手段３９から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。

ｖ＝（Ｌ／ｔ）−ｃ ・・・（式１）
受信手段３５は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっていることが多い。

繰返し手段３７を用いる今回の動作は受信手段３５の判定結果を遅延手段３８で一定時間遅延させた後に送信手段３４に返し、再度送信を行う。繰返し動作を決められた回数行い、その時間を計時手段３９で測定し、計時手段３９の測定時間を元に（式２）の計算によって流速を求める。

なお、次式で、遅延手段の遅延時間をＴｄ、繰返しの回数をｎ、測定時間をｔｓ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。

ｖ＝Ｌ／（ｔｓ／ｎ−Ｔｄ）−ｃ ・・・（式２）
この方法によれば（式１）の方法に比べ精度よく測定することができる。

また、第１の超音波振動子３２と第２の超音波振動子３３とを切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式３）より速度ｖを求める。

なお、次式で、上流から下流への測定時間時間をｔ１、下流から上流への測定時間時間をｔ２とする。

ｖ＝Ｌ／２（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（式３）
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速ｖが求まると、それに流路１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

通常の動作は図２に示すタイミング図のようになる。すなわち、計測制御手段４１による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始し、ｔ１で送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。

そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ２で第２の超音波振動子３３に到達し、受信手段３５で受信点を検知すると繰返し手段３７は設定回数に達していない場合、遅延手段３８に信号を送出する。そして時刻ｔ３から遅延手段３８が動作し、予め定めた時間だけ動作した後時刻ｔ４で送信手段３４に信号を送出し、再び第１の超音波振動子３２を駆動する。以下、この繰返しを行っている。

繰返し手段３７で決められた回数動作すると図２時刻ｔ５で送受信動作は停止し、その時間は図に示すＴとなる。その後、切換え手段３６が送受信を切換える。すなわち第１の超音波振動子３２が受信側、第２の超音波振動子３３が送信側になる。そして同様な繰返し動作を行う。

次に計測制御手段４１などに電力を供給する電源周辺について説明する。図３（ａ）において４２は電源、４３はチャージポンプ型昇圧手段、４４は電源制御手段、５は安定用コンデンサ、６は負荷である。チャージポンプ型昇圧手段４３の例としては内部に少なくとも１つのコンデンサを有するスイッチング昇圧手段４３ａ、出力電圧を安定する電圧安定手段４３ｂで構成できる。

チャージポンプ型昇圧手段４３の動作を図３（ｂ）で説明する。電源１の下流にスイッチとコンデンサで構成するチャージポンプ型昇圧手段４３を接続し、その出力は安定用コンデンサ５と並列に接続した負荷６に送られる。

チャージポンプ型昇圧手段は電源制御手段４４からの発振により制御する。チャージフェーズではスイッチＳ１，Ｓ４が開成し、スイッチＳ２，Ｓ３が閉止している。電源１はフライングコンデンサＣＦを入力電圧まで充電する。

次にトランスファフェーズではスイッチＳ１，Ｓ４が閉止し、スイッチＳ２，Ｓ３が開成する。ＣＦにかかる電圧は入力電圧Ｖｉｎと直列になり、電源とＣＦの双方は安定用コンデンサに放電する。基本的なチャージポンプ型昇圧手段は倍電圧器として動作し、この図３（ｂ）では出力電圧は入力電圧の２倍となる。このスイッチとＣＦを直列に複数段構成することにより出力電圧は高くなる。

図３（ａ）では負荷６の動作は電圧制御手段４４で検知できるようになっている。電圧の情報によりスイッチの開閉手段を制御して昇圧電圧を調節することが可能である。また出力電圧を電源制御手段４４で測定し、例えばＡＤ変換器などにより電圧信号を得ることにより電源制御手段４４はチャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧を一定にするようスイッチの開閉動作を調整する信号を送出する。

このように電源制御手段４４は負荷６の動作を検知し、その動作に応じてチャージポンプ型昇圧手段４３に信号を送出し電圧を調整することで、安定した電圧で負荷６への電力供給を行うとともに、負荷の動作に影響を与えない時期に昇圧手段２２を動作することでノイズ等の影響をシステムに与えないようなチャージポンプ型昇圧手段の動作を実現することが可能になる。

電圧安定手段４３ｂとしては高精度の電圧レギュレータを用いれば電圧制御はさらに良くなる。それは電圧安定手段４３ｂの入力を高電圧として降圧動作により出力電圧を安定させるためである。一般にＤＣＤＣコンバータよりレギュレータの方が出力電圧の安定度が高いためより回路の安定度が向上する。

従来例との差を図４のタイミングを用いて説明する。図４（ａ）は従来の昇圧回路であるＤＣＤＣコンバータ２における負荷の動作タイミングである。負荷が動作することにより昇圧手段２の出力電圧が（ｂ）のように低下してくる。そしてｔ１で電圧が低下したことを検知してＤＣＤＣコンバータが動作する。

このｔ１のタイミングは電圧によってのみ決まり負荷の動作を考慮していない。したがって、図４にあるように負荷６が動作中に電圧が低下した場合もすぐにＤＣＤＣコンバータが昇圧動作を開始してしまう。これは負荷の端子電圧が動作中に変動することを示している。計測装置などに使用していると動作電圧が変動するため安定度が悪くなってくる。

同様に図４（ｃ）は本発明の電源制御手段４４を用いた場合の負荷の動作タイミングである。そして（ｄ）が電源制御手段４４の動作タイミングである。電源制御手段４４は負荷６の動作を検知しているため負荷の動作が終了すると時刻ｔ３、ｔ４でチャージポンプ型昇圧手段４３に信号を送出しスイッチ動作を調節することで昇圧動作を行う。

したがって，チャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧は図４（ｅ）のようになり、負荷の動作タイミングを外して電圧の変更を行うことが可能になる。

流速およびまたは流量計測装置において、図５のように電源制御手段４４から送信手段３４付近の動作について説明井する。第１の振動子３２を駆動するには流路３１の内部を十分な超音波信号レベルで伝送するためある程度高電圧で駆動する必要がある。そこで昇圧手段４３の出力は送信手段３４を介して第１の振動子３２に繋がっている。途中の切換え手段３６は送受信を切換えているだけなのでここでの詳しい説明は除く。

送信手段３４の内部の一例として振動子を動作するために３４ａから３４ｄまでの送信開閉手段を用いたブリッジ構成をとる。最初送信開閉手段３４ａ，３４ｄを通電状態にし、反対に３４ｂ、３４ｃを開放しておく。次に送信開閉手段３４ａ，３４ｄを開放し、３４ｂ、３４ｃを通電状態にする。この動作で振動子が動作し始める。振動子への電源は昇圧手段４３からの高電圧が供給される。

この高電圧の供給が図４（ｂ）に示してあるように負荷（ここでは振動子）の動作状態によらず、ＤＣＤＣコンバータのみの動作で昇圧動作を行うと振動子への供給電圧が動作中に変化してしまい、受信信号が一定でなくなる。

これは流量の計測精度に大きく影響するために好ましいことではない。図４（ｄ），（ｅ）のように電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３の動作や振動子３２の動作を検知し、振動子３２の動作に影響の無い時期にチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するように制御信号を送出することにより安定した電圧で振動子への電力供給を行うとともに、ノイズ等の影響を流量計測システム全体に与えないようなチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を実現することが可能になる。

さらにチャージポンプ型昇圧手段４３の出力段には電源安定手段４３ｂとしてレギュレータを設置することでさらに電圧安定度を向上することが可能である。

電源制御手段４４は計測制御手段４１から計測動作信号が出ているのを信号として受け取ることが可能なため、より確実に振動子の動作に影響を与えない状態でチャージポンプ型昇圧手段４３を制御することできるようになる。

図５では電源制御手段４４と計測制御手段４１を別々に設けているが同じ制御手段として１つの論理手段、例えばマイコンを用いても良い。

さらに、チャージポンプ型昇圧手段４３内部のコンデンサが中途半場な充電である場合はまだ昇圧動作を必要としないが、負荷に電力を供給するには容量不足というような場合もある。この場合は電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３に発振信号を送出しスイッチの開閉動作を指示し、さらに高い電圧をつくり出力コンデンサ４３ｄを充電する方法もある。

またチャージポンプ型昇圧手段４３の素子自体で出力電圧を監視している場合は、出力に抵抗などの電力消費を促す素子を一時的に接続し電圧を低下させてから昇圧動作を確実に動作する方法をとることも可能である。またチャージポンプ型昇圧手段４３内部のスイッチの動作回数を変化するよう電源制御手段からの発振動作信号を変化してチャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧を微調整することが可能である。

出力電圧の変化幅はチャージポンプ型昇圧手段４３の内部にある電圧安定手段４３ｂの精度によって決まることがあるため、電圧安定手段４３ｂの電圧閾値の設定には注意することが大切である。

動作開始時の電源周辺のタイミングについて説明する。省電力で動作する場合などは電源をこまめに入り切りし、本当に動作が必要な場合のみ電源を各部に供給し、それ以外は休止する方法が多くの制御手段に用いられている。

流速または流量計測装置のように周期的に動作を行う機器では非動作時に電源を遮断することが有用である。そのため電源を立ち上げる動作が頻発するが、その度に各種設定を行う必要がでてくる。送信手段３４、受信手段３５への供給電圧が安定する前にチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を開始すると充電後、負荷としての振動子が動作するまでの時間に無駄が発生する可能性がでてくる。

さらに計測制御手段４１の初期設定動作などを行なっている時にチャージポンプ型昇圧手段４３が動作するとシステムの電圧が変動したり、ノイズの発生による計測精度の劣化につながる可能性がある。例えば計測制御手段４１の内部に複数の集積回路が存在し、初期データのやり取りやアナログ部の調整を行っているような場合である。

このような場合は図６に示しているように（ａ）のように電源制御手段４４の入力部の電圧が上昇し、規定電圧を超えると（ｂ）のようにデジタル機器は動作を開始する。時刻ｔ１で計測制御手段４１が動作を開始し、初期設定を行いはじめる。そしてｔ２までの時間で各部の設定を終了した後（ｃ）で電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するよう信号を送出する。

チャージポンプ型昇圧手段４３の出力は（ｄ）のように立ち上がりｔ３で所定の電圧を満足する。その後で計測制御手段４１は送信手段３４を動作する。このように安定したチャージポンプ型昇圧手段４３を用いることで、計測系の安定動作を実現する精度の良い流量計測を実現することができる。さらにアナログ回路などの設定後にチャージポンプ型昇圧手段４３を動作することでノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現することが可能になる。

また、図７を用いて他の動作を説明する。電源の立ち上げを頻発している場合、電源４２からの電圧立ち上がりが安定しない間にチャージポンプ型昇圧手段４３が動作すると周辺の動作に悪影響を与えたり、無駄な動作待ち時間を発生する場合がある。

そこで図７（ａ）のように電源制御手段４４の入力部の電圧が上昇し、ｔ０で規定電圧を超えると（ｂ）のようにデジタル機器は動作を開始する。そして（ｃ１）のようにｔ１で電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するよう信号を送出する。

時刻ｔ０からｔ１の間で電源出力はほぼ安定しているため各部の動作も落ち着いてきている。このように電源制御手段４４が電源出力が安定してからチャージポンプ型昇圧手段４３を動作することにより、電源の出力電圧が安定し各部の回路電圧が定まり定常動作になった後にチャージポンプ型昇圧手段４３を動作でき負荷である振動子の動作と周辺回路両方の安定度を向上することが可能になる。

また、図７を用いて他の動作を説明する。電源の立ち上がりが安定しても他の周辺部分の動作がまだ安定していない場合がある。そこで上記動作と同様に図７（ａ）のように電源制御手段４４の入力部の電圧が上昇し、ｔ０で規定電圧を超えると（ｂ）のようにデジタル機器は動作を開始する。

そしてｔ０から一定時間Ｔを経過してから（ｃ２）のようにｔ２で電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するよう信号を送出する。時刻ｔ０からｔ２の間で周辺回路の動作、初期設定がほぼ安定しているため各部の動作も正常になっている。このように電源の出力電圧が安定しすぐに動作を開始するのでは無く一定時間待機し各部の回路電圧が定まり初期動作が終了した後にチャージポンプ型昇圧手段４３を動作することで負荷の動作と周辺回路両方の安定度を向上することが可能になる。

また、図８を用いて他の動作を説明する。電源の立ち上がりが終了した後、電源制御手段４４によりチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するとチャージポンプ型昇圧手段４３の出力は電源４２の電圧より高くなっていく。そして一定電圧まで上昇すると後は回路電流を消費しながら待機しているだけである。

省電力動作をしている場合、このような待機電流を必要とする動作は避けなければならない。そこで図８（ａ）のように電源制御手段４４の入力部の電圧が上昇し、ｔ０で規定電圧を超えると（ｂ）のようにデジタル機器は動作を開始する。

その後（ｃ）のようにｔ１で電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するよう信号を送出する。チャージポンプ型昇圧手段４３の出力は（ｅ）のように上昇しｔ２で一定電圧に達した後その電圧を維持する。電源制御手段４４はｔ１からｔ２までの時間Ｔ１より長い時間経過したｔ３においてチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を停止する信号を出す。これによってチャージポンプ型昇圧手段４３の内部で消費される回路電流を極力無くすことができる。

このように電源制御手段４４が、チャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧があらかじめ定めた値になるとチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を停止することにより、チャージポンプ型昇圧手段４３の動作時間を短くし無駄な電力を切り詰めるとともにノイズ発生時間も短くし省電力動作が可能になる。

特にチャージポンプ型昇圧手段４３にはコンデンサによる昇圧動作を行っているため内部回路によるＣＲ時定数による放電等が発生するとせっかくの省電力動作の効果が小さくなるためタイミング調節を意識した動作が必要となる。

本実施の形態１ではチャージポンプ型昇圧手段４３の負荷として超音波振動子を例にとり説明したが、電圧駆動型の負荷であればセンサやアクチュエータの種類を特定せずに利用できることは言うまでもない。

またチャージポンプ型昇圧手段４３の内部構成は図２のようなものに限ったものでない。

（実施の形態２）
図５と図９、図１０において、実施の形態１と異なるところはチャージポンプ型昇圧手段の動作を振動子の動作近傍で行うことである。

まず、図１、図５および図９を用いて動作を説明する。実施の形態１で示したように流速または流量計測装置に用いられている振動子などの負荷は動作することにより電力を消費するためチャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧が低下する。

例えば、図１の第１の振動子３２が動作すると図５におけるチャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧は低下するため、それを補うためチャージポンプ型昇圧手段４３が動作しなければならない。

そこでチャージポンプ型昇圧手段４３を動作するタイミングを調節することにより振動子の動作を安定したものにしていく。図９の時刻ｔ３１、ｔ３３、ｔ３５、ｔ３７で（ａ）のように第１の振動子３２が動作すると電力を消費するためチャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧は低下している。

これを防止するために振動子の動作する前に（ｂ）のように時刻ｔ３０、ｔ３２、ｔ３４、ｔ３６で電力制御手段４４が昇圧手段４３に信号を送出して発振動作によりコンデンサをチャージアップすることで充電動作を行い電圧を調整する。時刻ｔ３０の前には図示していないが振動子が動作しているためチャージポンプ型昇圧手段４３の出力電圧は低下しているが繰返し動作のため説明を省略している。

負荷である振動子の動作は計測制御手段４１を介して電力制御手段４４が検知できるため、振動子の動作する前にチャージポンプ型昇圧手段４３に信号を送出し電圧の調整を行うことが可能になる。その結果チャージポンプ型昇圧手段４３の出力は（ｃ）のように安定した電圧状態を示す。

これは振動子の動作する前にチャージポンプ型昇圧手段４３の動作が終了しているため電圧は最適な値になり、負荷である振動子が動作する時に高電圧を供給可能な状態にしておくことが可能になる。

さらに、システム全体に対する安定用コンデンサ４３ｄの充電動作によるスイッチング信号の発生も無くなっているため流速または流量計測に応用した場合でも安定した計測動作をすることが可能になる。

図９（ｂ）ではチャージポンプ型昇圧手段４３の動作が振動子の動作する直前に停止するようになっているが、（ｂ２）のように振動子の動作する一定時間前ΔＴ２に動作を終了するよう電力制御手段４４が調整するようにしても良い。

これは電力制御手段４４からの停止信号が変化することによりシステム全体に微弱な電圧変化（ノイズ）が発生する場合が考えられる。その電圧変化が他の手段に影響を与えないよう振動子が動作する一定時間前に信号を送出しておけば例えば信号による反射やダンピング信号が収束してからシステム全体の安定後に超音波の送受信動作を安定に行うことが可能になる。

また、こまめにチャージポンプ型昇圧手段４３をオンオフすることにより省電力も実現できる。このように電源制御手段４４が送信手段３４の動作が開始する前にチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を停止することにより、負荷の動作する前にチャージポンプ型昇圧手段４３を動作を終了することができ、常に負荷が動作する時に高電圧を供給可能な状態にしておくとともにシステムの安定性を向上し、チャージポンプ型昇圧手段４３の動作時間を短くして省電力動作が可能になる。

図９では振動子が動作する直前には必ずチャージポンプ型昇圧手段４３が動作するようになっているが、一定回数毎や動作回数の公約数に相当する回数毎において振動子が動作する前に昇圧手段４３を動作する構成をとっても良い。その場合の昇圧動作は発振信号を毎回同じにして、同じだけの昇圧、充電を行うような単なる発振回数の制御でも可能である。

また、図１、図５および図１０を用いて他の動作を説明する。チャージポンプ型昇圧手段４３を動作するタイミングを調節することにより振動子の動作を安定したものにしていく。

図１０の時刻ｔ４０、ｔ４２、ｔ４４、ｔ４６で（ａ）のように第１の振動子３２が動作して電圧がある程度低下すると、（ｂ）のように時刻ｔ４１、ｔ４３、ｔ４５、ｔ４７で電源制御手段４４がチャージポンプ型昇圧手段４３を動作して電圧を調整する。負荷である振動子の動作は計測制御手段４１を介して電力制御手段４４が検知できるため、振動子の動作した後にチャージポンプ型昇圧手段４３に信号を送出し電圧の調整を行うことが可能になる。

その結果チャージポンプ型昇圧手段４３の出力は（ｃ）のように安定した電圧状態を示す。これは振動子の動作した後において電圧低下分を正確に把握し、チャージポンプ型昇圧手段４３で補充するとともにその昇圧した電圧が安定してから次回に負荷である振動子の動作を行うことができるため流量計測などに応用した場合安定したシステム動作を行うことが可能になる。

例えばチャージポンプ型昇圧手段４３に容量性の大きな負荷が接続されていた場合などは電圧の上昇も大きな時定数を持った変化になるが、振動子の動作終了後から電圧の調整を行うと、次の振動子の動作するかなり前から余裕をもって、安定した電圧に調整することができる。

さらにチャージポンプ型昇圧手段４３の出力段には電源安定手段４３ｂとしてレギュレータを設置することでさらに電圧安定度を向上することが可能である。

図１０（ｂ）ではチャージポンプ型昇圧手段４３の動作が振動子の動作した直後に停止するようになっているが、（ｂ２）のように振動子が動作した後一定時間後ΔＴ３に動作を開始するよう電力制御手段４４が調整するようにしても良い。

これは振動子が動作した直後は高電圧の信号が変化するためシステム全体にグランドを含めて電圧変化を発生する場合が考えられる。その電圧変化が他の手段に影響を与えている場合には例えば電源制御手段４４でチャージポンプ型昇圧手段４３の正確な出力電圧を検出できない場合がある。

そこで振動子が動作した後、システム全体の電気信号が安定した後にチャージポンプ型昇圧手段４３の正確な電圧を把握してから昇圧動作を行うことで安定な電源管理が可能になる。また、こまめにチャージポンプ型昇圧手段４３をオンオフすることにより省電力も実現できる。このように電源制御手段４４が送信手段３４の動作が終了した後にチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を開始して次回の振動子の動作に備えることにより、振動子の動作の前に十分時間を持って安定な高電圧を供給可能な状態にしておくとともに、システムの安定性を向上し、チャージポンプ型昇圧手段４３の動作時間を短くして省電力動作が可能になる。

このように電源制御手段４４が送信手段３４の動作が終了後一定時間経過後にチャージポンプ型昇圧手段４３の動作を停止することにより、送信動作を安定した電圧で行うことができその後十分昇圧動作を行ってから動作を停止することで、次の動作準備をしておくことが可能になる。

図１０では振動子が動作した後には必ずチャージポンプ型昇圧手段４３が動作するようになっているが、一定回数毎や動作回数の公約数に相当する回数毎において振動子が動作した後にチャージポンプ型昇圧手段４３を動作する構成をとっても良い。

（実施の形態３）
実施の形態３において、実施の形態１と異なるところは、チャージポンプ型昇圧手段４３の動作を調整する電源制御手段４４の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体４６を用いていることである。

図１、および図５において実施の形態１から実施の形態２で示した電源制御手段４４の動作を行うには、予め実験等により振動子の動作によるチャージポンプ型昇圧手段４３の出力変化、経年変化、温度変化、システムの安定度に関してチャージポンプ型昇圧手段４３の動作タイミングなどの相関を求め、例えばファジィ制御のメンバーシップ関数のように適合度というような形で判断する判定ソフトをプログラムとして記憶媒体４６に格納しておく。通常マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと利用が便利である。

このように電源制御手段４４の動作をプログラムで行うことができるようになると振動子の駆動電圧の変化に対して追随するチャージポンプ型昇圧手段４３の動作をソフトで行うことになる。これにより送信回数の条件設定、切換手段３６動作前後における電圧調整の条件設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測時間の精度向上を行うことができる。なお本実施例において電源制御手段４４以外の動作もマイコン等によりプログラムで行ってもよい。

本発明の流速または流量計測装置は電源制御手段が、回路全体の動作と負荷の動作に応じてこまめに特にタイミングを重視して時間的に、チャージポンプ型昇圧手段による電圧の上昇動作を制御するものである。

これによって、回路動作が安定する電源電圧を確保するとともに負荷の動作に応じてチャージポンプ型昇圧手段の出力電圧を制御する動作を行うことにより安定した電圧で負荷への電力供給を行うとともに、コイルを使用しない回路構成により昇圧などの動作による電圧の不安定さやスイッチングノイズの発生を抑える。したがって、ノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現することで計測系の安定動作を実現する精度の良い流量計測を実現することが可能になり、ガスメータや各種流体の計測装置などの用途にも適用できる。

本発明の流体の流れ計測装置の全体ブロック図 タイミング図 （ａ）本発明の実施の形態１における電源周辺のブロック図（ｂ）同チャージポンプ型昇圧手段のブロック図 タイミング図 同計測装置の送信手段周辺の接続を示すブロック図 タイミング図 タイミング図 タイミング図 タイミング図 タイミング図 従来の昇圧回路の全体のブロック図 従来の流量計測装置の全体のブロック図

符号の説明

１ 電源
６ 負荷
３１ 流路
３２ 第１の振動子
３３ 第２の振動子
３４ 送信手段
３５ 受信手段
３６ 切換え手段
３７ 繰返し手段
３８ 遅延手段
３９ 計時手段
４０ 流量演算手段
４２ 電源
４３ チャージポンプ型昇圧手段
４４ 電源制御手段
４６ 記憶媒体

Claims (7)

1. 被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、振動子を駆動する送信手段と、受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記振動子の送受信の切換手段と、前記振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰返し手段と、前記繰返し時に前記振動子からの送信信号を遅らせる遅延手段と、それぞれの複数回繰返しの伝搬時間を計測する計時手段と、前記計時手段でそれぞれの計時値の差に基づいて流速およびまたは流量を算出する演算手段と、電源と、前記電源より高電圧をつくるチャージポンプ型昇圧手段と、前記電源とチャージポンプ型昇圧手段を時間的に制御する電源制御手段と、チャージポンプ型昇圧手段の出力で動作する負荷とを備えた流体の流れ計測装置。
2. 電源制御手段は電源出力が安定してからチャージポンプ型昇圧手段を動作する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
3. 電源制御手段は電源出力を一定時間経過してからチャージポンプ型昇圧手段を動作する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
4. 電源制御手段はチャージポンプ型昇圧手段の出力電圧があらかじめ定めた値になると昇圧手段の動作を停止する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
5. 電源制御手段は送信手段の動作が開始する前にチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
6. 電源制御手段は送信手段の動作が終了後一定時間経過後にチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止する請求項１記載の流体の流れ計測装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項記載の電源制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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