JP2008128663A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】電池電圧を昇圧器で昇圧した高電圧を、電圧レギュレータで安定化し、安定化した電圧で超音波送受波器を駆動する流量計で、電圧レギュレータの消費電力を減らして電池寿命を延ばす。
【解決手段】電池１１の電圧をチャージポンプ式昇圧器１０で昇圧し、高電圧を生成する。この高電圧を電圧レギュレータ８で安定化し定電圧とする。制御部７からの信号で送信駆動部５を制御し、前記定電圧を用いて送受波器１又は２を間欠的に短時間駆動して超音波を送信する。制御部７からの信号でスイッチング素子１２を開閉し、送受波器による送信直前にスイッチング素子１２をオンにし、送信が終了したらオフにする。昇圧器１０は昇圧した電圧を蓄電する容量性素子を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体中の超音波の到達時間から流量を求める超音波流量計の改良に関し、電池等の低い電圧の電源を昇圧した高電圧で送信側超音波送受波器を駆動する方式の超音波流量計に係わる。特に水素、ヘリウム等密度の小さな気体の流量計測に好適な超音波流量計である。

電池を電源とする超音波流量計では、送信側の超音波送受波器を駆動するのに、電池電圧を直接使用すると、電池の電圧が３Ｖ程度の低い値であるため、得られる受信波が小さくなり、Ｓ／Ｎが悪くなる。そのため、受信ポイントの特定精度が悪く、正しい到達時間が得られない結果、求まる流量精度も悪くなる。

そこで、電池電圧を昇圧して、昇圧した高電圧を超音波送受波器の駆動に使うことが行われている（例えば特許文献１参照）。

昇圧器としてはチャージポンプ式昇圧器が使われる。チャージポンプ式昇圧器では、コンデンサに充電した電荷（電圧）を、回路接続を切り替えることで、元の電池電圧に積み上げて、元の電池電圧の２倍の電圧を得る。これを別のコンデンサに蓄える。このような動作を繰り返すことで２倍の電圧の電源とする。更に、この２倍電圧の電源に積み上げるように接続を切り替えれば３倍の電圧が得られる。この方法を拡張することで、元の電池電圧の複数倍の電圧を作ることが可能である。

チャージポンプ式の他に、ダイオードとコンデンサを各複数個使用するダイオードチャージポンプ式昇圧器もある。

チャージポンプ式昇圧器で生成した高電圧は、昇圧動作によるリップルを含んでいるので、電圧安定性が悪い。この電圧を超音波送受波器の送信駆動に使うと、送信電圧が安定していないため、受信波の波形の違いとなり、ひいては到達時間の誤差となる。

チャージポンプ式昇圧器の出力電圧の変動を小さくするには、チャージポンプに供給するクロックの周波数を高くする方法があるが、消費電流が大きくなって、電池寿命が短くなるという難点がある。

そこで、チャージポンプ式昇圧器で昇圧した高電圧を、電圧レギュレータを用いて、その降圧動作で出力電圧を安定化させ、安定した出力電圧で送波器（振動子）を駆動する流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、送信側の超音波送受波器を十分な駆動電力で、駆動するための高電圧を狙ったときに要求される高電圧用の電圧レギュレータは、消費電流が大きいため、通常の昇圧能力のチャージポンプ式昇圧器では高電圧の出力を維持できないという問題点がある。チャージポンプ式昇圧器の昇圧能力を高めるには、クロック周波数を上げる必要があり、チャージポンプ自体の消費電流が大きくなるという問題がある。

超音波流量計では、送信側超音波送受波器を間欠的に短時間ずつ駆動するが、１回毎の駆動時間は数μｓｅｃという非常に短い時間であるため、送信駆動に要する電力は基本的に大きなものではない。そのため、電圧レギュレータの消費電流（電力）が、送信駆動電力に比較して無視できない大きな値となるという問題点があった。
特開２００６−２１７７２４号公報（７頁、図３）

解決しようとする問題点は、昇圧器により昇圧した高電圧を安定化する電圧レギュレータの消費電流が大きく、電源電池の寿命を長くできないことである。

そこで、本発明は、電圧レギュレータへの高電圧の供給を制御するスイッチング素子を設けて、前記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。

ところで、被計測流体が、水素、ヘリウムなどの密度の小さな気体では、大きな受信波が得られない。受信波の大きさ（振幅）は流体の密度と音速の積に比例するからである。本発明の第２の目的は、水素、ヘリウムなどの密度の小さな気体の流量を計測できる消費電力の少ない超音波流量計を提供することである。

本発明は、昇圧器と電圧レギュレータの間にスイッチング素子を配設して、電圧レギュレータへの高電圧の供給を制御するようにし、超音波の送信の直前に、スイッチング素子をオンにして高電圧を供給し、送信が終了したらスイッチング素子をオフにして高電圧の供給を断つようにすることを最も主要な特徴とする。

そこで、前記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、被計測流体の流路の上流と下流に配置された少なくとも1対の超音波送受波器間で超音波の送受信を行い、流れと同方向と逆方向の両方向の到達時間から流量を求める超音波流量計で、
電源電圧を昇圧して容量性素子に蓄電するように構成した昇圧器により高電圧を生成し、その高電圧をさらに電圧レギュレータで安定化して送信側超音波送受波器の送信駆動用電源として使用するもので、
昇圧器と電圧レギュレータの間にスイッチング素子を配設して、電圧レギュレータへの高電圧の供給を制御するようにし、超音波の送信の直前にスイッチング素子をオンにして高電圧を供給し、送信が終了したらスイッチング素子をオフにして高電圧の供給を断つように構成したことを特徴とする超音波流量計である。

請求項２の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、送信側超音波送受波器を駆動する送信駆動部と電圧レギュレータとの間に第２のスイッチング素子を配置し、前記スイッチング素子がオンされるときは第２のスイッチング素子がオンされ、前記スイッチング素子がオフされるときは第２のスイッチング素子がオフされるように構成したことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰返して複数回分の総到達時間をまとめて測定して到達時間を求めるように構成されていて、受信波検知部は特定波の存在を検知する特定波検知点のあと特定波のゼロクロスポイントを受信ポイントとするようになっていて、
特定波検知点で前記スイッチング素子をオンとして、受信ポイントで送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記スイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰返して複数回分の総到達時間をまとめて測定して到達時間を求めるように構成されていて、受信波検知部は特定波の存在を検知する特定波検知点のあと特定波のゼロクロスポイントを受信ポイントとするようになっていて、
特定波検知点で前記二つのスイッチング素子をオンとして、受信ポイントで送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記二つのスイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰返して複数回分の総到達時間を測定して到達時間を求めるように構成されていて、
送信駆動部が受信波検知信号または制御部からの測定スタート信号を受けると、前記スイッチング素子をオンとし、そこから一定時間を置いて送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記スイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とするものである。

請求項６の発明は、請求項２記載の超音波流量計において、受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰り返して複数回分の総到達時間を測定して到達時間を求めるように構成されていて、
送信駆動部が受信波検知信号または制御部からの測定スタート信号を受けると、前記二つのスイッチング素子をオンとし、そこから一定時間を置いて送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記二つのスイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とするものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波流量計において、少なくとも受信波検知部が到達ポイント検知を行う瞬間は昇圧器の昇圧動作を停止することを特徴とするものである。

請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波流量計において、昇圧器としてチャージポンプ式昇圧器を使用したことを特徴とするものである。

請求項９の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波流量計において、昇圧器としてダイオードチャージポンプ式昇圧器を使用したことを特徴とするものである。

請求項１０の発明は、請求項８又は９記載の超音波流量計において、電源が電池であって、該電池の電圧を直接検出する電池電圧検出手段を具備し、電池電圧が所定の電圧以下になったことを検出したときは、昇圧器の昇圧の段数を増やすように構成したことを特徴とするものである。

請求項１１の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波流量計において、被計測流体が水素やヘリウム等の密度が小さい気体であることを特徴とするものである。

そして、請求項１２の発明は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の超音波流量計において、電源が電池であることを特徴とするものである。

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、昇圧器で昇圧した高電圧を送信時のみ短時間の間電圧レギュレータに供給するようにしたため、電圧レギュレータが大きな消費電流のものであっても、消費されるトータルの電力を抑制して、高電圧の電圧低下を最小限に押さえることができ、出力電圧の維持（安定化）が可能となる。また、昇圧器は、昇圧した電圧を容量性素子に蓄えるので、この容量性素子の容量を十分大きくすることで、間欠的な送信駆動時の電圧低下を一定以下になるように定めることで、この面からも超音波送受波器の駆動電圧の安定化ができる。

従って、超音波流量計で、順方向の到達時間と逆方向の到達時間を計測するときの送信駆動時の電圧を極力同じ電圧にすることが可能となり、流量計測の精度が高くできる。

また、電圧レギュレータでの消費電力を最小限に低下できるため、そのぶん、昇圧回路の出力電圧をより高い電圧にしても電圧レギュレータが実用的に許容できる消費電力となり、チャージポンプ式等の消費電流を抑えた昇圧能力の劣る昇圧器を用いて、送信側の超音波送受波器を実用的に十分な電圧で駆動できる高電圧を生成させることができる利点がある。

そのため、水素、ヘリウムなどの密度の小さい気体の超音波流量計の実用化に寄与する。

また、チャージポンプ式昇圧器で昇圧した高電圧のリップルを、電圧レギュレータで安定化して、送信側超音波送受波器を駆動するので、送信駆動電圧が変化することがなくなり、流量計測精度が良い低消費電力の超音波流量計の実用化に寄与する。

更に、チャージポンプ式昇圧器に高い周波数のクロックを使用する必要がなく、その面からも消費電力が少なくてすむ。

更にまた、少ない電池個数で、容易に高電圧駆動の超音波流量計が低コストで実用化できる。

請求項２の発明では、送信駆動部と電圧レギュレータとの間に第２のスイッチング素子を配設し、昇圧器と電圧レギュレータの間の前記（第１の）スイッチング素子のオン・オフに合わせて、第２のスイッチング素子をオン・オフするようにした。

電圧レギュレータの出力側には、出力の安定化を目的にコンデンサを付けることが一般的に行われている。また、電圧レギュレータの負荷に相当する送信駆動部や、送受波器の切り替え部、送受波器にも容量が存在する。（第１）のスイッチング素子をオフ（開）にして、昇圧器から電圧レギュレータへの高電圧の供給を断った時、電圧レギュレータの出力側に溜まっていた電荷が電圧レギュレータを介して放電する可能性がある。通常電圧レギュレータは入力側の電圧のほうが出力側の電圧より大きい。負荷に容量分があり、電圧レギュレータの入力側が（前記第１のスイッチング素子がオフとなることで）開放となると電圧の逆転現象が起きるためである。また、負荷側の容量分に（若干でも）蓄積された電荷を捨てることにもなる。

本発明では、電圧レギュレータと負荷の接続を第２のスイッチング素子で断つことにより、負荷側の容量分に蓄えられた電荷が電圧レギュレータを介して放電することが防止され、電荷が残ることになり、低消費電流化に寄与する等の効果がある。

なお、電圧レギュレータの出力側の（第２の）スイッチング素子を入力側の（第１の）スイッチング素子に対して早くオフにして遅くオンすることで、より消費電流を小さくできるし、電圧レギュレータ内部の素子の破壊も防止できる。

請求項３と４では、到達時間の測定精度を上げるため、超音波の送受信を連続して所定回数（複数回）繰り返して、所定回数分の総到達時間をまとめて測定する。本発明では、特定波のゼロクロスポイントの直前である特定波検知点でスイッチング素子をオンして昇圧器の出力電圧を電圧レギュレータへ供給するようにしたので、受信ポイントの直前のタイミングを確実に検知することが可能となり、電圧レギュレータの消費電流（電力）を最小限に低減することが可能となる。そして、温度変化による音速の変化や、流速の変化があっても、それらの変化に対応して自動的にスイッチング素子のオン時点が定まるので、この面からも消費電力を極小にできる利点がある。

請求項５と６では、電圧レギュレータへの高電圧の供給開始、即ち（第１の）スイッチング素子オンから送信駆動時までの時間を電圧レギュレータの出力が安定する必要十分な時間とすることが可能となり、しかも電圧レギュレータによる消費電流を最小限にすることができる。受信検知からの送信駆動までの時間の繰返し回数分だけ総到達時間が長くなるが、１回の到達時間の長くなる分を予め理論的にあるいは実測して明らかにし、この分を、総到達時間から求めた到達時間から差し引いて補正すればよい。切り替え部以前の順方向逆方向共通部で生成する時間であるため、この長くなる分で流速零のときの順・逆方向の到達時間の差が生じることはなく、ゼロドリフトは生じない。

請求項７の発明では、昇圧動作により、受信波にノイズが混入して到達ポイントの検知精度が悪くなる虞がなくなり、到達時間測定の精度が向上し、その分流量計測精度が高くなる。

請求項８の発明では、コンデンサに蓄積して得た電圧を別の電圧に積み上げるように接続を変更する方法で昇圧を実現するため効率が良く、より低消費電流の超音波流量計が実現できる。なお、接続の切り替えにはクロックを使うが、このクロックを速くすれば昇圧能力が上がるし、クロックを止めれば昇圧動作を停止することができる。

請求項９の発明では、コンデンサとダイオードのみで昇圧回路を構成できるため、チャージポンプ式昇圧器を使用する請求項８の発明と比較して、回路構成が簡単になる利点がある。

請求項１０の発明では、電池電圧を直接検出する電池電圧検出手段を具備したもので、電池電圧を監視するための昇圧電圧を使用する必要がない。よって昇圧電圧の余分な消費がない。また、検出した電池電圧に応じて、昇圧器の昇圧段数を加減するので、一定以下の電池電圧では昇圧段数を増やして必要な電圧を確保し、一定値を超える通常の電池電圧では昇圧段数を小さくするため、電圧が高くなりすぎることはない。

請求項１１の発明は、密度の小さい水素、ヘリウムなどの気体の流量を計測できる超音波流量計の実用化に寄与する。

請求項１２の発明では、商用電源を要しないので、可搬型の超音波流量計を実用化できる。

次に発明を実施するための最良の形態を図の実施例に基づいて説明する。

本実施例は、請求項１の発明に対応する。図１において、１対の超音波送受波器１、２が被計測流体の流れる流路３内に配置され、送受波器１は上流側に、送受波器２は下流側に、相対して配設されている。二つの送受波器１と２は切り替え部４を介して送信駆動部５か受信波検知部６に接続されるようになっていて、一方の送受波器が送信側として作用するときは、他方の送受波器は受信側として作用する。

送信駆動部５は制御部７からの測定スタート信号を入力すると、接続されている送信側送受波器、例えば１を電圧レギュレータ８からの送信駆動用の電圧を用いて短時間（瞬間）駆動する。送信側送受波器、例えば１からの超音波パルスは、流路３内の被計測流体中を対向する他方の受信側送受波器、例えば２に向かって伝搬する。受信側送受波器、例えば２が超音波パルスを受信すると、受信波検知部６は受信側送受波器からの受信波信号を入力し、超音波の到達ポイントを検知して受信波検知信号を出力する。

時間計測部９は制御部７からの測定スタート信号で時間計測を零から開始し、受信波検知部６からの受信波検知信号を入力すると時間計測を停止し、超音波の到達時間を求める。

また、昇圧部１０が電源用の電池１１の電圧を昇圧してコンデンサなどの容量性素子３３に蓄積して、これを高圧電源として出力している（図２）。この実施例では、電池電源として３Ｖのリチウム電池を用い、この電圧を昇圧部１０の昇圧機能で昇圧して容量性素子３３のコンデンサに蓄積して２０Ｖの高電圧を得、これを高圧電源として出力している。

この高圧電源は、制御部７からのレギュレータ制御信号で開閉制御される（第１の）スイッチング素子１２を介して電圧レギュレータ８へ供給される。電圧レギュレータ８は、スイッチング素子１２が閉じている間に昇圧部１０から供給された高電圧（前記高圧電源の２０Ｖ）を少し降圧して安定化する。

制御部７は、一定時間間隔で順方向及び逆方向の超音波到達時間の測定を次のように行う。先ず、切り替え部４を図示されていない制御信号によって順方向にセットして送受波器１を送信側の役割分担とし、レギュレータ制御信号をオン（“Ｈｉｇｈ”）として、一定時間後、例えば、３μｓｅｃ後に測定スタート信号を出力する。送信駆動部５はこの測定スタート信号を受けて送受波器１を数μｓｅｃの短時間（瞬間的）に駆動する。そして、測定スタート信号の頭から、さらに、８μｓｅｃ後にレギュレータ制御信号をオフ（“Ｌｏｗ”）とする。前記８μｓｅｃは送信のために送受波器を駆動するのに必要な時間より少し長目に設定してある。そして制御部７は超音波が受信側の送受波器２に到達する十分な時間後（実施例では１００μｓｅｃ後）時間計測部９が出力する計測時間を読み取り、順方向到達時間として記憶する。

次に、制御部７は、切り替え部４を逆方向にセットし、上記順方向到達時間の測定と同様に送受波器２から１への超音波の到達時間を測定して、逆方向到達時間を記憶する。

そして、これら二つの到達時間から流量を制御部７のコンピュータで演算する。なお、受信波検知信号を制御部７に入力することで測定終了を検知することも可能である。

こうして、昇圧部１０が生成した高電圧を電圧レギュレータ８が消費する時間が最小限に押さえられ、昇圧部１０の出力電圧の低下が抑制される。従って、電圧レギュレータ８も出力電圧（例えば１５Ｖ）の維持が可能となる。また、電圧が低下した分は、次の流量測定までの時間間隔の間で復活するように構成されている。

昇圧部１０には、周知のダイオードチャージポンプ式昇圧器の昇圧回路を用いている。アナログスイッチを用いて回路接続を切り替え、コンデンサに蓄えられた電圧を縦に積む形で昇圧を行うチャージポンプ式の場合では、アナログスイッチとその制御回路を必要とするが、ダイオードチャージポンプ式では、クロックを入力するだけで良く、回路構成が簡単である。

また、電圧レギュレータとして、この実施例では、直列に接続した電圧降下用抵抗の抵抗値を調整することで出力電圧を一定値に安定化させる、いわゆるシリーズレギュレータを用いた。この方式のレギュレータは、いわゆるスイッチングレギュレータに比べて、ノイズが小さいので、到達時間測定、ひいては流量計測に与える悪影響が少ない利点がある。

図３の実施例２は、請求項２の発明に対応する。この実施例２の構成は、図１で説明した実施例１と殆ど同じであるので、同じ機能の要素は同一符号を付して、その説明を省略する。

この実施例では、電圧レギュレータ８と送信駆動部５との間に第２のスイッチング素子１３が挿入配設され、この第２のスイッチング素子１３は、昇圧部１０と電圧レギュレータ８の間に配設した（第１の）スイッチング素子と同様にオン・オフされるように、制御部７からの（実施例１で説明した）前記レギュレータ制御信号で開閉制御される。このレギュレータ制御信号を図３で符号１４を付して示す。

こうすることで、（第１の）スイッチング素子１２がオフして（開いて）電圧レギュレータ８が昇圧部１０から切り離されたときでも、送信駆動部など電圧レギュレータの出力側から電圧レギュレータ８側へ逆流電流が流れることがないため、逆流電流によって電圧レギュレータ８の構成素子が壊される虞がなく、また、消費電流の面からも有利となる。

なお、この実施例２では、第２のスイッチング素子１３がオンする時期を（第１の）スイッチング素子１２がオンする時期よりわずかに遅くし、第２のスイッチング素子１３がオフする時期を（第１の）スイッチング素子がオフする時期よりわずかに早くするように定めている。

第２のスイッチング素子１３がオンする時期を（第１の）スイッチング素子１２がオンする時期より少し遅れ気味とし、第２のスイッチング素子１３がオフする時期を（第１の）スイッチング素子１２がオフする時期より少し早目にすることで、上述の構成素子が壊される虞れがなることと、消費電流の面からも有利となることの効果がより確実となる。

図４の実施例３は、請求項４の発明に対応し、到達時間の計測精度を向上するために、超音波の送受信を、各方向毎に、連続して所定の複数回ずつ繰返して行うようにしている。この場合も、前記実施例１、２と同じ機能を有する構成要素には、図１、図３と同じ符号を付し、その説明を省略し、図１の実施例１や図３の実施例２と異なる点を主に説明する。

受信波検知部６からの受信波検知信号は送信駆動部５とカウンタ部１５に入力する。カウンタ１５は制御部７からの測定スタート信号入力時から受信検知信号を計数して、所定の繰り返しが終了したことを示す繰り返し終了信号を時間計測部９に出力する。時間計測部９は制御部７からの測定スタート信号から時間計測を開始し、カウンタ部１５からの繰り返し終了信号までの時間、つまり総到達時間を計測するように構成されている。この総到達時間は制御部７に記憶される。

こうして一方向、例えば順方向の総到達時間を計測したあと、制御部７は切り替え部４を他方向にセットし、上記の総到達時間の計測と同様に他方向での所定の繰り返し送受信回数の総到達時間を計測する。そして、計測した各方向の総到達時間から各方向毎の到達時間を求め、求めた両方向の到達時間に基づいて流量を演算する。

受信波検知部６は、受信波を検知するのに、次のようにして検知し、受信波のうちの特定波のゼロクロスポイントを定める。これを図５の受信波の波形図を参考にして説明する。

受信波検知部６は、図５の受信波の第３波のゼロクロス点ｂを受信ポイント（到達ポイント）として、この時点で受信波検知信号を送信駆動部５とカウンタ部１５へ出力する。受信波検知部６は第３波のゼロクロス点ｂを検知する前に、予め定めた基準レベルＴｈを最初に超えた波を第３波と認識し、この点ａを第３波検知点とし、この第３波検知点直後のゼロクロス点ｂを第３波の受信ポイント（到達ポイント）とする。従って、第３波検知点ａは、受信ポイント（到達ポイント）ｂよりも１〜２μｓｅｃ早い（前の）時点となる。

この実施例３では、第３波検知点で立ち上がるパルス幅１０μｓｅｃの矩形波信号をレギュレータ制御信号１４Ａとし、このレギュレータ制御信号１４Ａで、（第１の）スイッチング素子１２と第２のスイッチング素子１３の開閉制御を行っている。このレギュレータ制御信号の存在で、両スイッチング素子１２、１３をオンとして閉じる。なお、電圧レギュレータ８は、１μｓｅｃ以内に１５Ｖまで立ち上がる応答性のものを使用している。この実施例３では、第３波の検知点ａで両スイッチング素子１２、１３をオンとし、第３波の受信ポイントｂで両スイッチング素子１２、１３をオフとするようにしたが、第３波に限ることはなく、他の波としてもよく、請求項３記載の発明では、特定波と表現している。特定波検知点（ａ）や受信ポイント（ｂ）の検知方法についても、この実施例３の検知方法に限定するものではなく、他の検知方法、検知手段を活用することができ、これらも本発明の請求範囲に含まれる。

この実施例では、送信の直前に電圧レギュレータ８への電圧供給がオンできるため、電圧レギュレータ８の消費電流を最小にすることが可能となる。また、スイッチング素子１２がオフとなって開き、昇圧部１０から電圧レギュレータ８が切り離されたときでも、電圧レギュレータ８の出力につながる負荷側から電圧レギュレータ８への逆流電流が流れることがないため、電圧レギュレータ８を構成する回路素子が逆流電流によって破壊されることが防止される。そのため、消費電流が小さく信頼性が高い電池駆動の超音波流量計の実用化に寄与する。

この実施例４は請求項６の発明に対応し、前記実施例と同様に、到達時間の計測精度を向上するために、超音波の送受信を、各方向毎に、連続して所定の複数回ずつ繰返して行うようにしたものである。この場合も、実施例１、２、３と同じ機能を有する構成要素には、図１、図３、図４と同じ符号を付し、その説明を省略し、図６に従って、前記実施例と異なる点を主に説明する。

この実施例４は、実施例３の図４とは、レギュレータ制御信号１４Ｂが出力される箇所が異なる。実施例３の図４では、レギュレータ制御信号１４Ａが受信波検知部６から出力されている。さらに詳しくは、図５の第３波検知点ａで立ち上がるパルス幅１０μｓｅｃの信号をレギュレータ制御信号１４Ａとしている。本実施例４の図６では、両スイッチング素子１２、１３をオン・オフするレギュレータ制御信号１４Ｂは、送信駆動部５から出力される。図７に送信駆動部５の構成を示すブロック線図を、図８にその入力信号と出力信号のタイミング図を示す。

送信駆動部５は制御部７からの測定スタート信号１６あるいは送信波検知部６からの受信波検知信号１７が入力されると、そのタイミングで、図７、図８の駆動指示信号１８が立ち下がり、レギュレータ制御信号１４Ｂを“Ｈｉｇｈ”とするようになっている。また遅延部１９を介して一定時間後、例えば４μｓｅｃ後に送信駆動部５の図７に示すスイッチング部２０が図８に示す二つの駆動パルス２６、２７を出力する。こられの二つの駆動パルスは、電圧レギュレータ８で安定化された＋１５Ｖの送信駆動用電圧を用いて送信駆動部５のスイッチング部２０で生成される。こうして生成された図８の二つの駆動パルスが図６の切り替え部４を介して送信側送受波器、例えば１の両端に印加されるようになっている。本実施例の場合、各駆動パルス２６、２７は、ベースが０Ｖで電圧は１５Ｖ、パルス幅は超音波送受波器の半周期に相当するものである。

図７の送信駆動部５中のスイッチング部２０の詳細を、図７〜図９に従って次に説明する。

図７で（立ち下りが検知ポイントである）受信波検知信号１７と（立ち下りが測定スタートポイントである）測定スタート信号の倫理和（ＯＲ）である駆動指示信号１８が立ち下がる点が駆動指示ポイント２１となる（図８（ａ）の駆動指示信号１８の波形も参考）。

図７で遅延部１９からスイッチング部２０へ入力される遅延信号２２は、図８（ａ）（ｃ）に示すように、駆動指示ポイント２１で立ち上がる幅４μｓｅｃのパルスである。この遅延信号の立ち下がり２３で実際の駆動が次のように送信駆動用電圧を用いて行われる。

図９で、遅延信号２２は単安定回路ＭＭ１に、単安定回路ＭＭ１の出力は単安定回路ＭＭ２に入力されていて、単安定回路ＭＭ１は遅延信号２２の立ち下がり２３をトリガにしてワンショットパルスを出力して、単安定回路ＭＭ２は単安定回路ＭＭ１の出力のワンショットパルスの立下りをトリガにして別のワンショットパルスを出力するようになっている。これら二つのワンショットパルスの幅は、共に超音波の半周期に相当する２．２μｓｅｃのパルス幅に設定されている。さらに、この二つのワンショットパルスはそれぞれアナログスイッチＳＷ１、ＳＷ２の制御信号となっている。

従って、単安定回路ＭＭ１の出力のワンショットパルスによってアナログスイッチＳＷ１が図９の状態から短時間切り替えることによって、このスイッチＳＷ１を介して送信駆動用電圧の＋１５Ｖがライン２４にパルス幅２．２μｓｅｃの駆動パルス２６として出力される（図８）。また、単安定回路ＭＭ２の出力の別のワンショットパルスによってアナログスイッチＳＷ２が図９の状態から短時間切り替えることによって、このスイッチＳＷ２を介して送信駆動用電圧の＋１５Ｖがライン２５にパルス幅２．２μｓｅｃの駆動パルス２７として出力される（図８）。これにより、送信側の超音波送受波器、例えば１には、図８（ｅ）に示すように、等価的に±１５Ｖの駆動パルスが印加され、送受波器、例えば１を１周期４．４μｓｅｃの間励振する。こうして、送受波器、例えば１から他方の送受波器へ超音波パルスが送信される。

前記実施例３の場合、送信駆動に対してどれくらい早く電圧レギュレータ８への高電圧供給用スイッチング素子１２をオンにするかは自由に設定できなく、超音波の周期の１／４〜１／２の範囲となる。従って、電圧レギュレータ８の立ち上がり時間、出力電流や出力側の負荷によっては時間が足りない虞れがある。

ところが、本実施例４は、その時間をある程度自由に設定できる。なお、受信波検知信号から送信駆動までの遅延させた時間分は、計測される到達時間が長くなるので、その他の遅れ時間、例えば受信点を第３波のゼロクロスポイントとしたことによって遅れる分や、回路での遅れ等を合算して、合算値を、計測された到達時間から差し引くことを行っている。これらの遅れ分は、順方向計測時と逆方向計測時に共通して遅れるものであるから、順方向計測値と逆方向計測値の差を生じる原因にはならない。従って、流量計としてのゼロ点のドリフトという不具合の原因にもならない。

実施例３の図４と、実施例４の図６は、何れもレギュレータ制御信号が１本の線１４Ａ、１４Ｂで示してあり、（第１の）スイッチング素子と第２のスイッチング素子を全く同タイミングで制御しているように見えるが、実際には、実施例２の説明での記述のように、オンする時には（第１の）スイッチング素子１２がわずかに早くオンし、オフするときには逆に第２のスイッチング素子１３の方が早くオフするようになっている。実施例３、４の場合、実際にはレギュレータ制御信号が（第１の）スイッチング素子用と第２のスイッチング素子用にそれぞれ１本の線で、合計２本の線で構成されている。

この制御信号を１本とし、スイッチング素子側に遅延素子を設けて、（第１の）スイッチング素子コントロール入力部では立ち下りを遅らせ、第２のスイッチング素子部では立ち上がりを遅らせる方法で、上記のスイッチングのタイミングを作ることも可能である。

この実施例５は、正側の昇圧に加えて、更に（絶対値的に）負側にも昇圧することで、より高い電圧で送信側超音波送受波器を駆動し、より強い超音波パルスを流路中に送信するようにしたものである。

チャージポンプ式やダイオードチャージポンプ式の昇圧回路は、負側にも絶対値の昇圧が可能である。正側の高電圧と負側の絶対値として高電圧の正負電源を使用することで、より大きな電圧で超音波送受波器を駆動できる。

図１０が、その概念を示す要部ブロック図で、該ブロック図における送信駆動部５の詳細を図１１に示す。電圧が３Ｖの電池１１から正側の昇圧部１０Ａで約＋２０Ｖの高電圧を得、同じ電池１１から負側の昇圧部１０Ｂで約−２０Ｖの高電圧を得て、正の電圧レギュレータ８Ａで安定した＋１５Ｖの電圧を、負の電圧レギュレータ８Ｂで安定した−１５Ｖの電圧を得る。この二つの電圧＋１５Ｖと−１５Ｖを送信駆動部５に入力して、図１２（ｂ）のような駆動パルスを生成し、切り替え部４を介して、それぞれ送信側送受波器の端子に印加する。こうして、送信側送受波器の両端子を実質±３０Ｖで駆動している。本実施例５における流量計全体の構成は、請求項１の発明の図１と類似であって、この実施例５は請求項１に対応する。

図１０で得た正の電圧レギュレータ８Ａ出力＋１５Ｖと、負の電圧レギュレータ８Ｂの出力−１５Ｖは、図１１に示すように送信駆動部５へ入力される。この送信駆動部５の構成は前記実施例４における図９のスイッチング部２０とほぼ同じである。異なる箇所は図９のＧＮＤレベル０Ｖが、本実施例５の図１１で−１５Ｖとなっているところである。図１１のライン２４Ａと２５Ａに、それぞれ、図１２（ｂ）の駆動パルス２６Ａ、２７Ａが出力される。図１０〜１２では、駆動タイミングを知らせる信号を駆動トリガ信号２８としているが、この駆動トリガ信号２８は、実施例１、２における測定スタート信号、実施例３における受信波検知信号、実施例４における遅延信号に相当するものである。

実際の例では、上記昇圧部１０Ａ、１０Ｂを実施例１の流量計に組み合わせる形としている。従って、全体構成は、図１と同じである。昇圧部と電圧レギュレータが、正側と負側にそれぞれ設けられ、図１３のように、正の昇圧部１０Ａと正の電圧レギュレータ８Ａとの間にスイッチング素子１２Ａを配設し、さらに負の昇圧部１０Ｂと負の電圧レギュレータ８Ｂとの間に別のスイッチング素子１２Ｂを配設して、これらのスイッチング素子１２Ａ、１２Ｂをレギュレータ制御信号で開閉制御している。測定の流れは実施例１と同じである。

また、図１４に示すように、各電圧レギュレータ８Ａ、８Ｂと送信駆動部５との間に、それぞれ第２のスイッチング素子１３Ａ、１３Ｂを配設して、これらの第２のスイッチング素子１３Ａ、１３Ｂをレギュレータ制御信号１４で開閉制御するようにして、実施例２と同様に動作させることも可能である。

また、昇圧は正負の一方、例えば負側のみとして、例えば０Ｖと−１５Ｖ、あるいは電池電圧の３Ｖと−１５Ｖの組み合わせで、１８Ｖの電圧で送信駆動することも可能である。

この実施例６は、請求項７の発明に対応する。本実施例のブロック図を図１５に示す。全体の構成は実施例４の図６とほぼ同じであるが、昇圧部の動作によるノイズが受信信号に乗ることを防止するために、昇圧動作を停止させる時間を設けることなどが異なる。

制御部７からの測定スタート信号１６は受信波検知部６にも入力されている。また、受信波検知部６からは、受信予知信号３１が、送信駆動部５からは送信終了信号３２が昇圧部１０に出力されている。受信予知信号３１は、測定スタート信号１６から一定時間後で受信波を受信する時よりも確実に前となる時点に出力されるもので、受信する時と受信予知信号との間の時間は、想定される超音波の音速と、１対の送受波器１、２間の距離から定める。送信終了信号３２は送信駆動が終了すると出力される。昇圧部１０は受信予知信号３１が入力されると昇圧動作を停止し、送信終了信号３２が入力されると昇圧動作を再開するように構成されている。こうして、受信時に昇圧部の動作に基因するノイズが受信信号に乗ることがなく、受信ポイントの正確な検知が可能となり、流量計測の精度が向上する。

図１６にチャージポンプ式昇圧器、図１７に正側に昇圧するダイオードチャージポンプ式昇圧器、図１８に負側に昇圧するダイオードチャージポンプ式昇圧器の電気回路の例を示した。何れの昇圧器も３倍電圧を狙った昇圧回路で、これらの回路構成が作用（動作）は周知の一般的なものであるので、動作の詳細説明は省略する。

なお、ダイオードチャージポンプ式昇圧器の場合、ダイオードの順方向電圧分が狙い値より低くなるため、順方向電圧の小さいショットキーダイオードを使うことが望ましい。

チャージポンプ式やダイオードチャージポンプ式の昇圧器による昇圧動作は、元の電圧を積み重ねるようにして電圧を上げ、基本的には元の（電池）電圧の整数倍の高電圧を生成する。

ところが、元の電圧は一定ではない。電池駆動の超音波流量計を実現する場合、元の電池電圧は長期間の使用で電池の消耗と共に電圧が低下する。仮に電池電圧が３Ｖから２．７Ｖに０．３Ｖ低下した場合、７倍の昇圧回路を使用していたとすると、昇圧後の高電圧は０．３×７＝２．１Ｖ低下する。そこで、電圧が低下したときに必要な電圧を出力できるように昇圧の段数を決めることが行われる。ところが、高電圧の場合、昇圧した高電圧を供給する電圧レギュレータの素子の耐圧にそれほど余裕がない場合が多い。つまり、電池電圧が低下したときでも必要な高電圧が得られるように昇圧段数を決めると、初期の電池電圧では昇圧後の電圧が高くなり過ぎるという問題がある。

昇圧後の高電圧を監視していて、一定の電圧を超えると昇圧を停止する方法や、元の電池電圧から一旦定電圧を生成し、その電圧を昇圧して高電圧を得る方法が考えられるが、前者の場合電圧監視を行うために昇圧後の電圧を使うため効率に問題がある。後者の場合、定電圧化のために、一旦電圧を下げることになり、目的の高電圧を得るためには昇圧段数を大きく増やす必要があり、回路構成が複雑になるだけでなく、効率的にも問題となる。

請求項１０の発明は、かかる問題も解消するもので、本実施例７はそのための実施例である。

図１９は実施例７の流量計のブロック図で、実施例１に応用した例であるため、全体の構成は実施例１の図１と類似している。従って、実施例１と違う部分を主に説明する。電池部１１Ａには電池及びこの電池の電圧監視して電池電圧が一定値以下に低下したら制御部７に電池電圧低下信号３４を出力して伝える電池電圧監視機能を備えている。

制御部７は電池電圧低下信号３４を受けると、昇圧部１０Ｃへ昇圧段数増加指示信号３５を出力する。この実施例では、２．８５Ｖ以下で電池電圧低下信号３４が出力され、続いて制御部７から昇圧段数増加指示信号３５が出力され、昇圧部１０Ｃの昇圧段数が７段から８段に増加する仕組みにしてある。

本実施例の場合昇圧部１０Ｃの出力電圧は、１９．５Ｖ〜２３Ｖの範囲に維持する必要があるが、電池電圧が２．８５Ｖに下がると７段昇圧から８段昇圧に切り替えられるため、電池使用時の初期電圧が仮に３．２Ｖであっても昇圧後の電圧は３．２×７＝２２．４Ｖで２３Ｖ以下であり、最低動作電圧と設定している２．５Ｖの電池電圧でも８段昇圧で２．５×８＝２０Ｖとなり１９．５Ｖ以上を確保できる。

因みに、電池電圧が２．８５Ｖの時は７段昇圧で１９．５Ｖ、８段昇圧なら２２．８Ｖで、１９．５Ｖ以上２３Ｖ以下の値を満足している。こうして、電池電圧が３．２Ｖから２．５Ｖまで変化（低下）しても昇圧後の電圧を要求される所定範囲内に維持することができる。

なお、本実施例では、７段昇圧と８段昇圧の２段階の切り替えとしたが、２段階に限らず３段階以上の切り替えとすることもできる。

また、電池交換等で電池電圧が復帰することがある場合、所定値以上の電池電圧を検知したら昇圧段数を減らすように構成することも可能であり、電圧範囲を３つ（仕切りの電圧を２つ）以上として各電圧範囲に決められた昇圧段数に選択切り替えるように、電池電圧に合わせて昇圧段数を切り替えることもできる。

次に昇圧部の具体例について説明する。前述の実施例７では、７段と８段の切り替えについて説明したが、図２０は、３段または４段の切り替え機能付きのダイオードチャージポンプ式昇圧器の具体例の電気回路である。スイッチＳＷを第１段目に配置して１段目をパスするかしないかを選択するようにしている。スイッチＳＷが図示の位置２にあるときは１段目を生かす形になり、出力電圧は電池電圧の４倍となる（厳密にはダイオードの順方向電圧分低くなる）。スイッチＳＷが１の位置に切り替わると１段目をパスすることになり、出力電圧は電池電圧のほぼ４倍となる。なおスイッチＳＷは制御部７からの図示されていない信号で操作される。

図２１はチャージポンプ式昇圧器で昇圧段数を切り替えるようにした電気回路の具体例である。先ず、第１フェーズでスイッチＳ１とＳ２をオンしてコンデンサＣ１に電池１１の電圧３Ｖを充電し、第２フェーズでスイッチＳ３とＳ４をオンしてコンデンサＣ１を電池電圧に積み上げる接続とする。この動作の繰り返しでコンデンサＣ２の電圧には電池電圧の２倍の電圧が充電される。第２フェーズの次にスイッチＳ５とＳ６をオンする第３フェーズを実行するとコンデンサＣ２の電圧にコンデンサＣ１の電圧を積み上げる形になりコンデンサＣ３に電池電圧の３倍の電圧が蓄積される。第１フェーズでコンデンサＣ１に充電した電圧を、スイッチＳ７とＳ８をオンする第４フェーズでコンデンサＣ３に積み上げて電池電圧の４倍の電圧を容量性素子の位置づけのコンデンサＣ４に蓄える。これらの第１〜第４フェーズを適当に割振ることで４段の４倍昇圧を行うことができる。

それに対して、３段の３倍昇圧は、第３フェーズにおいて、スイッチＳ５とＳ６の代わりに、スイッチＳ５とＳ８をオンにする。こうすると、コンデンサＣ１に蓄えられた電圧がコンデンサＣ２に縦積みされてコンデンサＣ４に充電されることになり、昇圧器の出力として電池電圧の３倍の電圧が得られる。

計測精度向上のために送信側の超音波送受波器を高電圧で駆動する超音波流量計で、より計測精度を高め、かつ消費電力を低減したい用途に適用でき、電池駆動の超音波流量計や水素、ヘリウムなどの密度の小さい気体の流量計測の用途にも適用できる。

本発明の超音波流量計の実施例のブロック図。 図１の昇圧部の構成を示すブロック図。 本発明の超音波流量計の実施例のブロック図。 本発明の超音波流量計の実施例のブロック図。 図４の実施例の受信波の波形図。 本発明の超音波流量計の実施例のブロック図。 図６の送信駆動部の構成を示すブロック図。 図６と図７のブロック図の動作を説明するタイミング図。 図７のブロック図におけるスイッチング部の電気回路図。 本発明の超音波流量計の実施例の要部ブロック図。 図１０の送信駆動部の電気回路図。 図１０と図１１の動作を説明するタイミング図。 本発明の超音波流量計の実施例の要部ブロック図。 本発明の超音波流量計の実施例の要部ブロック図。 本発明の超音波流量計の実施例のブロック図。 本発明の超音波流量計に用いる昇圧回路の回路例を示す図。 昇圧回路の具体例の回路図。 昇圧回路の具体例の回路図。 本発明の超音波流量計の実施例のブロック図。 昇圧回路の具体例の回路図。 昇圧回路の具体例の回路図。

符号の説明

１、２ 送受波器
３ 流路
５ 送信駆動部
６ 受信波検知部
７ 制御部
８、８Ａ、８Ｂ 電圧レギュレータ
１０、１０Ａ、１０Ｂ 昇圧部（昇圧器）
１１ 電池
１１Ａ 電池部
１２、１２Ａ、１２Ｂ （第１の）スイッチング素子
１３、１３Ａ、１３Ｂ 第２のスイッチング素子
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ レギュレータ制御信号
１５ カウンタ部
１６ 測定スタート信号
１７ 受信波検知信号
１９ 遅延部
３３ 容量性素子

Claims (12)

1. 被計測流体の流路の上流と下流に配置された少なくとも1対の超音波送受波器間で超音波の送受信を行い、流れと同方向と逆方向の両方向の到達時間から流量を求める超音波流量計で、
   電源電圧を昇圧して容量性素子に蓄電するように構成した昇圧器により高電圧を生成し、その高電圧をさらに電圧レギュレータで安定化して送信側超音波送受波器の送信駆動用電源として使用するもので、
   昇圧器と電圧レギュレータの間にスイッチング素子を配設して、電圧レギュレータへの高電圧の供給を制御するようにし、超音波の送信の直前にスイッチング素子をオンにして高電圧を供給し、送信が終了したらスイッチング素子をオフにして高電圧の供給を断つように構成したことを特徴とする超音波流量計。
2. 送信側超音波送受波器を駆動する送信駆動部と電圧レギュレータとの間に第２のスイッチング素子を配置し、前記スイッチング素子がオンされるときは第２のスイッチング素子がオンされ、前記スイッチング素子がオフされるときは第２のスイッチング素子がオフされるように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰返して複数回分の総到達時間をまとめて測定して到達時間を求めるように構成されていて、受信波検知部は特定波の存在を検知する特定波検知点のあと特定波のゼロクロスポイントを受信ポイントとするようになっていて、
   特定波検知点で前記スイッチング素子をオンとして、受信ポイントで送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記スイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
4. 受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰返して複数回分の総到達時間をまとめて測定して到達時間を求めるように構成されていて、受信波検知部は特定波の存在を検知する特定波検知点のあと特定波のゼロクロスポイントを受信ポイントとするようになっていて、
   特定波検知点で前記二つのスイッチング素子をオンとして、受信ポイントで送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記二つのスイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
5. 受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰返して複数回分の総到達時間を測定して到達時間を求めるように構成されていて、
   送信駆動部が受信波検知信号または制御部からの測定スタート信号を受けると、前記スイッチング素子をオンとし、そこから一定時間を置いて送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記スイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
6. 受信波検知部が受信検知すると再び送信することを繰り返して複数回分の総到達時間を測定して到達時間を求めるように構成されていて、
   送信駆動部が受信波検知信号または制御部からの測定スタート信号を受けると、前記二つのスイッチング素子をオンとし、そこから一定時間を置いて送信駆動を行い、送信駆動終了後に前記二つのスイッチング素子をオフとするように構成したことを特徴とする請求項２記載の超音波流量計。
7. 少なくとも受信波検知部が到達ポイント検知を行う瞬間は昇圧器の昇圧動作を停止することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波流量計。
8. 昇圧器としてチャージポンプ式昇圧器を使用したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波流量計。
9. 昇圧器としてダイオードチャージポンプ式昇圧器を使用したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波流量計。
10. 電源が電池であって、該電池の電圧を直接検出する電池電圧検出手段を具備し、電池電圧が所定の電圧以下になったことを検出したときは、昇圧器の昇圧の段数を増やすように構成したことを特徴とする請求項８又は９記載の超音波流量計。
11. 被計測流体が水素やヘリウム等の密度が小さい気体であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波流量計。
12. 電源が電池であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超音波流量計。

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