JP2008203112A

JP2008203112A - 超音波流速計

Info

Publication number: JP2008203112A
Application number: JP2007040220A
Authority: JP
Inventors: Yuji Nakabayashi; 裕治中林; Bunichi Shiba; 文一芝; Koichi Takemura; 晃一竹村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: JP4858220B2

Abstract

【課題】時間分解能を高めたタイマにより補正処理を実行して伝搬時間を求めることで、高流速から低流速までを低消費電力で精度よく計測する流速計を提供する。
【解決手段】基準クロックをカウントして時間計測を行う第１のタイマ５と、計測停止タイミングから基準クロックのカウントアップタイミングまでの時間計測を行う第２のタイマ２５を備え、第２のタイマ２５の構成として、反転手段１０と遅延手段１１と保持手段１９で構成した信号生成手段５ａ〜５ｇを複数組リング状に接続したリングオシレータと、リングオシレータの発振数をカウントするカウンタ２０と、カウンタ２０の計数値から求めた時間で第１のタイマ５の計測時間を補正する演算手段８とで構成し、制御部４からの保持選択信号に応じて保持手段１９の出力保持形態を選択できるようにし、計測用途に応じた計測モードを実現することで、リングオシレータの時間分解能を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて流速または流量を計測する装置に関し、特に、超音波の伝搬時間を計測するタイマ装置に関するものである。

従来の超音波流速計は、図４に示すように、流路１に超音波振動子２および３を流れの方向に相対して設置し、制御部４はタイマ５をスタートさせると同時に駆動回路６を動作させる。駆動回路６により駆動された超音波振動子２から送信された超音波は、超音波振動子３で受信され、超音波振動子３の出力を受けた受信検知回路７により受信検知される。タイマ５は超音波が送信されてから受信検知されるまでの伝搬時間を計測し、演算部８はタイマ５が計測した時間から流路１の中の流速を演算によって求めていた。

また、超音波の伝搬時間を上流方向と下流方向の両方を求め、その逆数差から流速を求めているものもあった。

また、低流速時の微少な伝搬時間の変化を計測するため、時間分解能の高い第２のタイマを設置し、基本クロック用のタイマと高分解能タイマとを組み合わせ、低流速時の計測精度を高めるようにした超音波流速計もあった（例えば、特許文献１参照）。

また、高分解能タイマの一例として図５に示すように、反転手段と遅延手段を奇数個リング状に接続したリングオシレータがあり、構成が簡単、起動時間が短い、高周波発振が可能という特徴を持っている。

このリングオシレータの動作を図５を用いて説明すると、反転手段９、１０は入力信号を反転させた出力をそれぞれ遅延手段１１へ出力する。それぞれの遅延手段１１では同じ信号を遅延時間経過した後にそれぞれに対する次段の反転手段９、遅延手段１１へ出力する。このようにリング状に接続された経路一周中に反転手段は奇数個設置しているので、安定することなく時間経過とともに信号がリング状経路を移動し発振するように構成されている。この発振数をカウンタ１２で計数し時間計測する。

反転手段の出力遅延時間に対し、遅延手段の出力遅延時間は長いため、反転手段の出力周期はそれぞれの遅延手段の合計遅延時間の約２倍となり、この周期が時間計測の分解能となる。
特開２０００−２１３９７１号公報

しかしながら、近年、流量計測が必要なガス器具等においては高性能化や保安基準の高精度化が進み、さらなる低流速を計測する必要性が生じ、このような低流速を計測する流速計を実現しようとした場合、前記従来の構成においては、高分解能タイマの周波数をさらに上げる必要がある。この場合、周波数の増加に比例し消費電流が増え、電池で長時間動作させることができないという問題があった。

さらに、前記従来構成においてリングオシレータの周波数を上げるため、遅延手段１１の遅延時間を短くすると、反転手段の入力電圧がＨｉ或いはＬｏで安定する前に、遅延手段の出力がＨｉからＬｏ或いはＬｏからＨｉへ変化するため、反転手段９の入力信号振幅がスレッショルドレベル付近で小さな幅で変動するようになる。このような状態ではノイ
ズ、回路の電源電圧、反転手段の特性などの要因で発振動作が不安定になるという問題があった。

そこで、従来技術を用いた構成にあっては、時間計測の高分解能化を安定かつ低消費電流で実現するには限度があり、要求される低流速の計測を満足できる精度で行うことが困難であるという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、ノイズや部品特性の影響を受けることなく、高流速から低流速までを低消費電力で精度よく計測する流速計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するため本発明の超音波流速計は、超音波信号を送信する送信手段と、超音波信号を受信する受信手段と、前記受信手段の信号レベルを所定値と比較して受信完了を判断する受信検知手段と、一定周波数の基準クロックを発生する発振器と、前記基準クロックに基づいて前記送信手段からの超音波信号を前記受信検知手段が受信判定するまでの時間を計測する第１のタイマと、前記受信検知手段が受信判定してから前記第１のタイマがカウントアップするまでの時間を計測する第２のタイマと、前記第１のタイマ及び第２のタイマの計測結果から伝搬時間を求め演算により流速を求める演算手段と、前記第１のタイマ及び前記送受信手段の駆動を制御する制御部とを備え、前記第２のタイマは、入力を反転した信号を出力する反転手段と前記反転手段からの入力信号を所定時間遅延させて出力する遅延手段と前記遅延手段の出力信号を保持する保持手段とで構成した１組の信号生成手段を複数組リング状に接続して発振部を形成するリングオシレータと、前記リングオシレータの最終段の信号生成手段からの出力数を計数するカウンタと、所定の信号で前記リングオシレータを動作開始状態または停止状態に保持するラッチ手段とで構成し、前記ラッチ手段の出力信号で前記保持手段の動作を有効、あるいは無効となるように構成したものである。

上記発明によれば、時間計測を行う第１のタイマが計測停止時に余分に計測する時間を補正するために設けた第２のタイマの構成として、反転手段と遅延手段で構成する信号生成手段の出力を保持する保持手段を設け、この保持手段を介在させて信号生成手段をリング状に複数組接続してリングオシレータを構成し、計測停止信号で作動するラッチ手段によりリングオシレータの動作を停止したとき保持手段の動作が有効となるようにしているため、この保持手段の動作により、リング状に接続された信号生成手段の途中で計測停止状態となったとき、最終段の信号生成手段の出力を計数するカウンタに計上されない時間であるリングオシレータの発振位相情報を失うことなく保持することが可能となり、次の計測開始信号で動作を開始するリングオシレータの発振開始条件として反映させることができる。

このように、リングオシレータの停止時に全ての保持手段を有効として使用した場合は、計測停止時点におけるリングオシレータの発振位相情報を用いて次回の計測を開始することができるため、時間分解能は反転手段一段分の遅延時間となり、リングオシレータの発振周波数を上げることなく高い時間分解能を得ることができる。

また、保持手段を有効にする別の形態として、リングオシレータの停止時に予め定めた保持手段のみ有効として使用する形態があり、この場合は計測停止時点における保持手段の信号を固定することができ、最終段の信号生成回路に接続した保持手段のみ有効として使用すると、次の計測開始信号で動作を開始するリングオシレータの発振開始条件を一定にすることができ、１回の計測を同一条件で行うことができるため正確な計測が可能となる。

以上のように、第１のタイマが複数回の計測を行ってその平均値より時間を求める場合と、第１のタイマが１回の計測で時間を求める場合において、その計測時間の補正を行うときに第２のタイマの保持手段を有効にする形態を変更することで、用途に応じて適切な時間計測手段を選択することができる。例えば、所定間隔で時間計測を行うような場合、前者の１回当たりの計測を複数回行ってその平均値を求める方法においては、リングオシレータの停止時に全ての保持手段を有効として使用する形態が高分解能の計測を実現することができ、後者の所定間隔で１回しか計測しないように場合は、リングオシレータの停止時に特定の保持手段を有効として使用する形態が計測条件を一定とした高精度の計測を実現することができる。

本発明の超音波流速計は、時間計測を行う第１タイマの計測停止時の誤差を補正する第２タイマの構成を、発振周波数を上げることなく高分解能の計測ができ、かつ用途に応じて適切な時間計測手段を選択することができるようにしているため、高流速域から低流速域まで、低消費電流で高精度かつ安定した計測が可能な超音波流速計を提供することができる。

第１の発明は、流路内を流れる流体の上流側と下流側の間で超音波を伝搬させ、その伝搬時間を計測して流速を求める超音波流速計であって、超音波信号を送信する送信手段と、超音波信号を受信する受信手段と、前記受信手段の信号レベルを所定値と比較して受信完了を判断する受信検知手段と、一定周波数の基準クロックを発生する発振器と、前記基準クロックに基づいて前記送信手段からの超音波信号を前記受信検知手段が受信判定するまでの時間を計測する第１のタイマと、前記受信検知手段が受信判定してから前記第１のタイマがカウントアップするまでの時間を計測する第２のタイマと、前記第１のタイマ及び第２のタイマの計測結果から伝搬時間を求め演算により流速を求める演算手段と、前記第１のタイマ及び前記送受信手段の駆動を制御する制御部とを備え、前記第２のタイマは、入力を反転した信号を出力する反転手段と前記反転手段からの入力信号を所定時間遅延させて出力する遅延手段と前記遅延手段の出力信号を保持する保持手段とで構成した１組の信号生成手段を複数組リング状に接続して発振部を形成するリングオシレータと、前記リングオシレータの最終段の信号生成手段からの出力数を計数するカウンタと、所定の信号で前記リングオシレータを動作開始状態または停止状態に保持するラッチ手段とで構成し、前記ラッチ手段の出力信号で前記保持手段の動作を有効、あるいは無効となるように構成したことを特徴とするものである。

そして、時間計測を行う第１のタイマが計測停止時に余分に計測する時間を補正するために設けた第２のタイマの構成として、反転手段と遅延手段で構成する信号生成手段の出力を保持する保持手段を設け、この保持手段を介在させて信号生成手段をリング状に複数組接続してリングオシレータを構成し、計測停止信号で作動するラッチ手段によりリングオシレータの動作を停止したとき保持手段の動作が有効となるようにしているため、この保持手段の動作により、リング状に接続された信号生成手段の途中で計測停止状態となったとき、最終段の信号生成手段の出力を計数するカウンタに計上されない時間であるリングオシレータの発振位相情報を失うことなく保持することが可能となり、次の計測開始信号で動作を開始するリングオシレータの発振開始条件として反映させることができる。

第２の発明は、ラッチ手段は、受信検知手段からの受信判定信号でリングオシレータを動作状態に保持すると共に保持手段の動作を無効とし、第１のタイマからのカウントアップ信号でリングオシレータを停止状態に保持すると共に保持手段の動作が有効となるように構成したことを特徴とするものである。

そして、第２のタイマの計測開始信号となる受信検知手段からの受信判定信号と計測停止信号となる第１のタイマからのカウントアップ信号で出力が切り替わるラッチ回路の出力を保持手段の状態を変更する制御端子に接続し、保持手段を介してリングオシレータの動作を制御すると共に、保持手段の動作を制御し出力保持機能を有効または無効にするようにしているため、簡単な構成で保持手段を有効にする形態を変更し、用途に応じた適切な時間計測手段が選択できるようになっている。

第３の発明は、複数組の信号生成手段をリング状に接続して構成したリングオシレータにおいて、それぞれの信号生成手段がほぼ同等の特性を有するように構成したことを特徴とするものである。

そして、反転手段一段当たり、つまり１組の信号生成手段の時間間隔が一定となるため、正確な時間を計測することができ、時間間隔の検定も不要となる。

第４の発明は、信号生成手段を構成する遅延手段は、反転手段を偶数個接続することで所定の遅延時間を設定する構成としたことを特徴とするものである。

そして、反転手段と遅延手段の構成が同じなので、リングオシレータ内の移動する信号の速度が一定になり、検知手段で検知する信号の間隔が等しくなるので、正確な時間を計測することができ、時間間隔の検定も不要となる。

第５の発明は、複数の保持手段のうち、予め定めた保持手段のみ有効にするか、全ての保持手段を有効にするか、を選択する保持選択手段を備え、保持選択手段は、制御部からの信号に基づいて保持手段の出力保持機能を有効にする形態を選択するようにしたことを特徴とするものである。

そして、保持選択手段により保持手段を有効にする形態を変更することで、用途に応じ
て適切な時間計測手段を選択することができる。例えば、リングオシレータの停止時に全ての保持手段を有効として使用した場合は、計測停止時点におけるリングオシレータの発振位相情報を用いて次回の計測を開始することができるため、時間分解能は反転手段一段分の遅延時間となり、リングオシレータの発振周波数を上げることなく高い時間分解能を得ることができる。

また、リングオシレータの停止時に予め定めた保持手段のみ有効として使用した場合は、計測停止時点における特定の保持手段の信号を固定することができ、最終段の信号生成回路に接続した保持手段のみ有効として使用すると、次の計測開始信号で動作を開始するリングオシレータの発振開始条件を一定にすることができ、１回の計測を同一条件で行うことができるため正確な計測が可能となる。

つまり、１回当たりの計測を複数回行ってその平均値を求める方法においては、リングオシレータの停止時に全ての保持手段を有効として使用する形態が高分解能の計測を実現することができ、所定間隔で１回しか計測しないように場合は、リングオシレータの停止時に特定の保持手段を有効として使用する形態が計測条件を一定とした高精度の計測を実現することができる。

第６の発明は、保持選択手段は、前回計測時の伝搬時間が所定値以上のとき出力される制御部からの時間選択信号を受けたとき、予め定めた保持手段のみ有効となるようにしたことを特徴とするものである。

そして、流速の分解能は伝搬時間と時間分解能との比で決まるため、伝搬時間が長くなると計測分解能が高くなる。そこで伝搬時間が必要な計測分解能が得られる値以上の場合に、予め定めた保持手段のみ有効とし１回の計測結果を正確に求める。

第７の発明は、保持選択手段は、前回計測時の流速が所定値以上のとき出力される制御部からの流速選択信号を受けたとき、予め定めた保持手段のみ有効となるようにしたことを特徴とするものである。

そして、必要な流速の計測精度を計測値に対して一定とすると、計測流速が早くなるにつれ流速の分解能も多くなり、必要な時間分解能は長くなる。そこで流速計測に必要な分解能が得られる値以上の場合に、予め定めた保持手段のみ有効とし１回の計測結果を正確に求める。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における超音波流速計のブロック図を示すものである。

図１において、流体が流れる流路１に超音波の送信手段及び受信手段を構成する超音波振動子２および３を流れの方向に相対して設置し、この超音波振動子２および３の間で一方から超音波を送信し他方で受信して、その伝搬時間を測定する。制御部４からの信号で駆動回路６を動作させ超音波振動子２または３から超音波の送信を開始すると同時に第１のタイマ５を動作させ、発振器２４から出力される一定周波数の基準クロックをカウントし、送信開始からの時間計測を開始する。

超音波振動子２または３の一方から送信された超音波は他方の超音波振動子で受信され
、この受信信号が受信検知回路７に送られ所定レベル以上の受信信号を検知すると受信完了となり、第１のタイマ５の動作を停止し、同時に第２のタイマ２５の動作を開始させる。その後、第１のタイマ５のカウントアップタイミングに同期して第２のタイマ２５の動作を停止する。

そして、制御部４から計測開始信号が出力されてから受信検知回路７からの受信判定信号が入力されて基準クロックのカウントアップが検出されるまでの時間を測定した第１のタイマ５の計時出力と、受信検知回路７からの受信判定信号が入力されて基準クロックのカウントアップが検出されるまでの時間を測定した第２のタイマ２５の計時出力を演算部８に入力し、この第２のタイマ２５の計時出力を用いて第１のタイマ５の計時出力を補正することで正確な時間を求め、伝搬時間の計測を終了する。

また、駆動回路６の出力は方向切替手段１３に入力され、制御部４の方向切替出力に応じて超音波の送受方向を決定し、決定された送受方向に基づいて超音波振動子２、３と駆動回路６、受信検知回路７とを接続して超音波の送受動作を行い、次の方向切替出力で超音波振動子２、３と駆動回路６、受信検知回路７の接続を変更し超音波の伝搬方向を切替える。例えば、初めに駆動回路６と超音波振動子２、受信検知回路７と超音波振動子３とを接続する。駆動回路６の出力により超音波振動子２が駆動され送信された超音波は、超音波振動子３で受信される。超音波振動子３の出力を受けた受信検知回路７により受信検知される。受信検知回路７は受信検知すると第１のタイマ５の動作を停止すると共に、第２のタイマ２５の動作を開始する。

このように、まず初めに上流側に設置された超音波振動子２から流体の流れ方向に送信された超音波の伝搬時間が、発振器２４の基準クロックを用いて計時する第１のタイマ５と、第２のタイマ２５に設けられた２つのタイマのうち、一方のタイマを用いて計測される。この第２のタイマ２５に設けられた２つのタイマは制御部４が出力する方向切替信号により選択され、選択された一方のタイマにより第１のタイマ５で計時される時間を補正し超音波の伝搬時間を計測する。

次に、制御部４は方向切替出力を変更し、駆動回路６と超音波振動子３、受信検知回路７と超音波振動子２とを接続する。以下同様に、下流側に設置された超音波振動子３から流体の流れ方向に逆らって送信される超音波の伝搬時間が、発振器２４の基準クロックを用いて計時する第１のタイマ５と、第２のタイマ２５に設けられた２つのタイマのうち、他方のタイマを用いて計測される。

このように、制御部４から出力される方向切替信号によって、上流側から送信される超音波の伝搬時間と下流側から送信される超音波の伝搬時間が第１のタイマ５で計測され、第２のタイマ２５に設けられた２つのタイマを用いてそれぞれ補正され、正確な伝搬時間として計測される。

そして、演算部８は第１のタイマ５で計時される時間を第２のタイマ２５で計測される時間を用いて補正した伝搬時間から伝搬時間逆数差法により流路１内の流速を求める。

次に、第２のタイマ２５の具体的構成について図２のブロック図を用いて説明する。

第２のタイマ２５は、上流側から送信される超音波の伝搬時間と下流側から送信される超音波の伝搬時間を第１のタイマ５を用いて計測するとき、それぞれの計測時に余分に計測される時間を補正するために、第２のタイマ２５としてリングタイマＡ１６とリングタイマＢ１７の２つのタイマが設けられ、制御部４からの方向切替信号によりどちらのタイマで時間を計測するかを選択するセレクタ１８を備えている。

セレクタ１８は制御部４から出力される方向切替信号によってリングタイマＡ１６とリングタイマＢ１７とを切替え、各方向毎に異なるタイマを用いて第１のタイマ５で計測される時間を補正し、正確な伝搬時間を計測する。

そして、リングタイマＡ１６、リングタイマＢ１７の詳細構成は図３に示すように構成されている。

入力信号を判定させて出力する反転手段１０と、該反転手段１０からの出力を所定時間遅延させて出力する遅延手段１１と、該遅延手段１１の出力をそのまま次段に出力するかＨｉに変化したときの出力を保持するかを選択可能な保持手段１９とで構成された１組の信号生成手段５ａを複数個リング状に接続して発振部を形成しリングオシレータを構成している。

そして、リング状に接続された経路一周中に反転手段１０は奇数個設置され、保持手段１９の入力がＬｏの間、安定することなく時間経過と共に信号がリング状経路を移動し発振するように構成している。つまり、計測開始信号の入力で初段の信号生成手段５ａが動作を開始し所定の遅延時間を経過したのち次段の信号生成手段５ｂに出力する。信号生成手段５ｂでも同様に所定の遅延時間を経過したのち次段の信号生成手段５ｃに出力する。以下同様に、信号生成手段５ｄ、５ｅ、５ｆを経由して最終段の信号生成手段５ｇの遅延手段１１の出力をカウンタ２０で計数し、再度初段の信号生成手段５ａに入力して上記動作を繰り返すことで、最終段の信号生成手段５ｇの出力は、複数の信号生成手段５ａ〜５ｇで設定される遅延時間の合計で規制されたＨｉ／Ｌｏのクロック信号を生成することになる。このクロック信号の立ち上がり、または立ち下りを検知し計数することで時間計測を行うことができる。

また、受信検知手段７が受信を判定したとき出力される計測開始信号、及び第１のタイマ５のカウントアップタイミングに同期して出力される計測停止信号で出力状態をＨｉまたはＬｏに保持し、リングタイマＡ１６やリングタイマＢ１７のリングオシレータを動作状態または停止状態に保持するためのラッチ手段として、第２のタイマ２５にはＲＳラッチ回路２１が設けられており、受信検知手段７からの計測開始信号はリセット端子（Ｒ）に接続され、第１のタイマ５からの計測停止信号はセット端子（Ｓ）に接続されている。そして、ＲＳラッチ回路２１の出力（Ｑ）は保持手段１９の制御端子に接続され、保持手段１９を介してリングオシレータの初段の信号生成回路５ａに入力されている。

ここで、保持手段１９は、ＲＳラッチ回路２１の出力（Ｑ）がＬｏのときは入力をそのまま出力し、出力（Ｑ）がＨｉのときは各信号生成回路５ａ〜５ｇの遅延手段１１がＨｉに変化したときの出力を保持する。ＲＳラッチ回路２１の入力は受信検知手段７の出力である計測開始信号と第１のタイマ５のカウントアップ信号が計測停止信号となっている。計測開始信号によりＲＳラッチ回路２１はリセットされ出力（Ｑ）がＬｏ状態となって保持手段１９の出力保持機能を無効としてリングタイマＡ１６またはリングタイマＢ１７の動作を開始させる。

次に、第１のタイマ５のカウントアップ信号が出力されるとＲＳラッチ回路２１はセットされ出力（Ｑ）がＨｉ状態となって保持手段１９の出力保持機能を有効としてリングオシレータの初段の信号生成回路５ａの入力をＨｉ状態に保持し、リングタイマＡ１６、あるいはリングタイマＢ１７の動作を停止状態とする。

また、保持手段１９の出力保持機能を有効にする方法として、リングオシレータ内の特定の保持手段１９のみを有効として作用させる方法と、リングオシレータ内の全ての保持
手段１９を有効として作用させる方法があり、この方法選択手段として保持選択手段２２を設け、制御部４から指示される選択信号に基づいて、特定の保持手段１９のみを有効とするか、全ての保持手段１９を有効とするかを選択するようにしている。そして、どちらかが選択され、計測停止信号が入力されてＲＳラッチ回路２１の出力（Ｑ）がＨｉ状態になったとき、選択された出力保持機能に応じて保持手段１９の制御端子にＨｉ信号が供給される。

この保持選択手段２２で全ての保持手段１９を有効にする方法が選択された場合は、計測停止信号によりカウンタ２０でカウントされずリングオシレータの途中で信号移動が停止した場合、その停止時の信号移動状態を保持手段１９で信号位置情報として保持することができ、途中の状態を失うことなく、次回の同方向の伝搬時間計測時に停止時に保持した信号位置情報から引き続いて計測を開始することができ、複数回の時間計測を実施してその平均値から伝搬時間を求めるという計測方法にあっては、計測誤差をほとんど無くすことが可能となり、計測分解能を高めることができる。つまり、リングオシレータの発振周波数を高くすることなく、発振周波数以上の時間分解能を得ることができる。

また、保持選択手段２２で特定の保持手段１９のみ有効にする方法が選択された場合は、計測停止信号が入力されたとき、必ず特定の保持手段１９がＨｉ状態で停止するため、次回の計測開始時には必ず同一条件で発振を開始することになり、例えば、図３において信号生成手段５ｇの保持手段１９を計測停止信号でＨｉ状態を保持するようにしておくと、次回の計測開始信号が入力されたときは、初段の信号生成手段５ａの入力は必ずＨｉ状態から開始することになり、計測開始時の測定条件を同一にすることができる。

この方法にあっては、所定周期で１回だけ時間計測してその値を伝搬時間として求めるような場合に計測開始時の測定条件を一定にすることで、測定バラツキを抑えた精度の高い時間計測が可能となり、第１のタイマ５で計時される時間を補正するとき、毎回同一条件で計測される時間を用いて補正することができるため、精度の高い時間計測を実現することができる。

また、複数組の信号生成手段５ａ〜５ｇをリング状に接続して構成したリングオシレータにおいて、それぞれの信号生成手段５ａ〜５ｇがほぼ同等の特性を有するように構成しており、この構成により、反転手段１０の一段当たり、つまり１組の信号生成手段５ａ〜５ｇの時間間隔が一定となるため、正確な時間を計測することができ、時間間隔の検定も不要となる。

さらに、信号生成手段５ａ〜５ｇを構成する遅延手段１１は、反転手段２３を偶数個接続することで所定の遅延時間を設定する構成としており、この構成により、反転手段１０と遅延手段１１の構成が同じとなり、リングオシレータ内の移動する信号の速度が保持手段１９の間で一定となり、保持する時間間隔が一定となるので、正確な時間を計測することができ、時間間隔の検定も不要となる。

また、制御部４が判断する計測モードに応じて、保持選択手段２２を介して保持手段１９の出力保持機能を有効にする形態を変更することで、用途に応じて適切な時間計測手段を選択することができる。

例えば、リングオシレータの停止時に全ての保持手段１９を有効として使用した高分解能計測モードは、計測停止時点におけるリングオシレータの発振位相情報を用いて次回の計測を開始することができるため、時間分解能は反転手段１０の一段分の遅延時間となり、リングオシレータの発振周波数を上げることなく高い時間分解能を得ることができる。

また、リングオシレータの停止時に予め定めた保持手段１９のみ有効として使用した高精度計測モードは、計測停止時点における特定の保持手段１９の信号を固定することができ、最終段の信号生成回路５ｇに接続した保持手段１９のみ有効として使用すると、次の計測開始信号で動作を開始するリングオシレータの発振開始条件を一定にすることができ、１回の計測を同一条件で行うことができるため正確な計測が可能となる。

つまり、１回当たりの計測を複数回行ってその平均値を求める方法においては、リングオシレータの停止時に全ての保持手段１９を有効として使用する形態の高分解能計測モードを用いることで、複数回実行される第１のタイマ５で計時される時間の補正処理に用いる時間計測を前回停止したリングオシレータの発振位相情報から引き続いて開始することができるため、第２のタイマ２５の計測分解能を高めた補正処理を実現することができる。

また、所定間隔で１回しか計測しないような場合はリングオシレータの停止時に特定の保持手段１９を有効として使用する形態の高精度計測モードを用いることで、１回のみ実行される第１のタイマ５で計時される時間の補正処理に用いる時間計測を毎回同じリングオシレータの発振位相から開始することができるため、第２のタイマ２５の計測条件を一定とした高精度の補正処理を実現することができる。

そして、制御部４が判断する計測モードとして、前回計測時の伝搬時間が予め定めた所定値以上のとき、高精度計測モードを選択するように時間選択信号を出力するモードを有し、制御部４から時間選択信号が出力されたとき、予め定めた保持手段１９のみ有効となるように保持手段１９の制御端子を制御する時間保持選択手段１４を備えている。

上記構成によれば、流速の分解能は伝搬時間と時間分解能との比で決まるため、伝搬時間が長くなると計測分解能が高くなる。そこで、伝搬時間が必要な計測分解能が得られる値以上の場合に、予め定めた保持手段１９のみ有効とし１回の計測結果を正確に求める。

また、別の計測モードとして、前回計測時の流速が予め定めた所定値以上のとき、高精度計測モードを選択するように流速選択信号を出力するモードを有し、制御部４から流速選択信号が出力されたとき、予め定めた保持手段１９のみ有効となるように保持手段１９の制御端子を制御する流速保持選択手段１５を備えている。

上記構成においても、必要な流速の計測精度を計測値に対して一定とすると、計測流速が早くなるにつれ流速の分解能も多くなり、必要な時間分解能は長くなる。そこで、流速計測に必要な分解能が得られる値以上の場合に、予め定めた保持手段１９のみ有効とし１回の計測結果を正確に求める。

以上のように構成された超音波流速計において、その動作を簡単に説明すると、まず、制御部４から計測開始信号が出力されると、駆動回路６が動作を開始して方向切替手段１３により上流側に設置された超音波振動子２から超音波が送信され、流路１内の流体を伝搬して下流側に設置された超音波振動子３で受信される。

また、制御部４からの計測開始信号は同時に第１のタイマ５に送られ、発振器２４から出力される一定周波数の基準クロックをカウントして時間計測が実行される。そして、超音波振動子３で受信された信号が受信検知手段７で所定レベル以上の信号を検知したとき受信完了と判断して計測停止信号が出力される。この計測停止信号を受けて第１のタイマ５は計測を停止するが、このとき基準クロックの途中で停止した場合は基準クロックがカウントアップした時点で計測を停止するようになっている。

このため、計測停止信号が出力されてから基準クロックがカウントアップするまでの時間が余分に計測されることになり、この時間が測定誤差として問題となる。

そこで、受信検知手段７から出力される受信判定信号で作動する第２のタイマ２５を設け、制御部４から出力される方向切替信号によりセレクタ１８がリングタイマＡ１６を選択し、リングタイマＡ１６のＲＳラッチ回路２１のリセット端子（Ｒ）に入力された受信検知手段７からの受信判定信号によって出力（Ｑ）がＬｏ状態に保持され、保持手段１９の出力保持機能が無効となって、反転手段１０と遅延手段１１と保持手段１９で構成された信号生成手段５ａ〜５ｇが所定の遅延時間を経過してリング状に信号移動を開始し所定の幅を有したＨｉ／Ｌｏ信号がクロック信号として生成される。このクロック信号として生成される最終段の信号生成手段５ｇの出力をカウンタ２０で計数することで時間を計測することができる。

当然、第２のタイマ２５は、発振器２４の基準クロックの一周期分の時間を最大として計測可能な分解能を有したリングオシレータの構成が必要なことは言うまでもない。

そして、第１のタイマ５のカウントアップ信号は、リングタイマＡ１６のＲＳラッチ回路２１のセット端子（Ｓ）に入力され、出力（Ｑ）をＨｉ状態に保持し、保持手段１９の制御端子をＨｉ固定して出力保持機能を有効に作用させ、リング状に形成した信号生成手段５ａ〜５ｇ内の信号移動を停止させる。

この受信検知手段７の計測開始信号から第１のタイマ５の計測停止信号までの時間をカウンタ２０で計測し、演算部８に入力する。演算部８では第１のタイマ５から入力された時間と第２のタイマ２５から入力された時間により伝搬時間として求める。

このとき、制御部４が前回計測時の伝搬時間または流速が予め定めた所定値以上のときは、高分解能計測モードで時間計測をする必要がないと判断し、リング状に接続された保持手段１９のうち、最終段の信号生成手段５ｇを形成する保持手段１９のみ出力保持機能が有効となるように、時間保持選択手段１４あるいは流速保持選択手段１５等の保持選択手段２２を作用させ、高精度計測モードを選択する。

この場合、受信検知手段７の計測開始信号でリングオシレータの発振が開始し、第１のタイマ５のカウントアップタイミングに同期した計測停止信号が入力されると発振を停止する。その間の発振回数をカウンタ２０が計数する。

そして、発振停止時は必ず特定の保持手段１９の出力、例えば信号生成手段５ｇの保持手段１９の出力をＨｉ固定して停止する。これにより、次回の計測開始時は必ず同じ位置の信号生成手段５ａからリングオシレータの信号移動を開始させることができ、１回の計測で時間を求めるような場合は、第２のタイマ２５で計測される補正時間が計測条件を一定とした精度の高い時間計測で得ることができ、第１のタイマ５で計測される時間の高精度な補正処理を実現することができる。

なお、本実施の形態では、高精度計測モードを選択する条件として、伝搬時間と流速について説明したが、これに限定されるものではなく、電池電圧、漏洩検知時、温度等、計測モードを選択して有効と考えられる条件、全てに適用できることは言うまでもない。

そして、制御部４が前回計測時の伝搬時間または流速が所定値以下で高分解能計測モードが必要であると判断したときは、リング状に接続された全ての保持手段１９の出力保持機能が有効になるように、保持選択手段２２を作用させ、高分解能計測モードを選択する。

そして、発振停止時にリング状に形成したリングオシレータの途中で信号移動が停止した場合、例えば信号生成手段５ｃで信号移動が停止した場合は信号生成手段５ｃの保持手段１９の出力をＨｉ固定して停止する。これにより発振位相情報として保持することができ、次の計測開始信号が入力されたとき、前回の停止時の発振位相から引き続いて信号移動を開始させることができ、連続して複数回の時間計測を行いその平均値を求めるような場合は、第２のタイマ２５で計測される補正時間が停止のたびに変動する発振位相の影響を受けることなく、分解能の高い時間計測を行うことができ、第１のタイマ５で計測される時間を、分解能を高めた補正時間で精度よく補正処理を実現することができる。

つまり、リング状経路一周で定まるクロック信号の幅を、信号生成手段５ａ〜５ｇの数で定まる分解能まで高めることができ、発振周波数を大きくすることなく、高分解能時間計測を実現することができる。

次に、制御部４から方向切替信号が出力されると、下流側に設置された超音波振動子３から流体の流れに逆らって超音波が送信され、流路１内の流体を伝搬して上流側に設置された超音波振動子２で受信される。

同時に計測開始信号は第１のタイマ５に送られ、発振器２４から出力される一定周波数の基準クロックをカウントして時間計測が実行される。そして、超音波振動子２で受信された信号が受信検知手段７で所定レベル以上の信号を検知したとき受信完了と判断して計測停止信号が出力される。この計測停止信号を受けて第１のタイマ５は計測を停止するが、このとき基準クロックの途中で停止した場合は基準クロックがカウントアップした時点で計測を停止するようになっている。

そこで、受信検知手段７から出力される受信判定信号で作動する第２のタイマ２５を設け、制御部４から出力される方向切替信号によりセレクタ１８がリングタイマＢ１７を選択し、リングタイマＢ１７のＲＳラッチ回路２１のリセット端子（Ｒ）に入力された計測開始信号によって出力（Ｑ）がＬｏ状態に保持され、保持手段１９の出力保持機能が無効となって、反転手段１０と遅延手段１１と保持手段１９で構成された信号生成手段５ａ〜５ｇが所定の遅延時間を経過してリング状に信号移動を開始し所定の幅を有したＨｉ／Ｌｏ信号がクロック信号として生成される。このクロック信号として生成される最終段の信号生成手段５ｇの出力をカウンタ２０で計数することで時間を計測することができる。

そして、第１のタイマ５のカウントアップ信号は、リングタイマＢ１７のＲＳラッチ回路２１のセット端子（Ｓ）に入力され、出力（Ｑ）をＨｉ状態に保持し、保持手段１９の制御端子をＨｉ固定して出力保持機能を有効に作用させ、リング状に形成した信号生成手段５ａ〜５ｇ内の信号移動を停止させる。

以下、高分解能計測モードと高精度計測モードの選択は、上流側から下流側に超音波を伝搬して時間計測を行う場合と同様の条件で行うことができ、その作用も全く同じであるため、説明を省略する。

そして、演算部８は、このようにして求めた上流側から下流側の伝搬時間と下流側から上流側の伝搬時間から、伝搬時間逆数差法により流路１内の流速を求める。

以上のように、本実施の形態における超音波流速計は、時間計測を行う第１のタイマが計測停止時に余分に計測する時間を補正するために設けた第２のタイマの構成として、反転手段と遅延手段で構成する信号生成手段の出力を保持する保持手段を設け、この保持手段を介在させて信号生成手段をリング状に複数組接続してリングオシレータを構成し、計測停止信号で作動するラッチ手段によりリングオシレータの動作を停止したとき保持手段の動作が有効となるようにしているため、この保持手段の動作により、リング状に接続された信号生成手段の途中で計測停止状態となったとき、最終段の信号生成手段の出力を計数するカウンタに計上されない時間であるリングオシレータの発振位相情報を失うことなく保持することが可能となり、次の計測開始信号で動作を開始するリングオシレータの発振開始条件として反映させることができる。

また、第２のタイマの計測開始信号となる受信検知手段からの受信判定信号と計測停止信号となる第１のタイマからのカウントアップ信号で出力が切り替わるラッチ回路の出力を保持手段の状態を変更する制御端子に接続し、保持手段を介してリングオシレータの動作を制御すると共に、保持手段の動作を制御し出力保持機能を有効または無効にするようにしているため、簡単な構成で保持手段を有効にする形態を変更し、用途に応じた適切な時間計測手段が選択できるようになっている。

以上のように、本発明の超音波流速計は、時間計測を行う第１タイマの計測停止時の誤差を補正する第２タイマの構成を、発振周波数を上げることなく計測分解能を高めること
ができ、低消費電力で高精度な流速計測が可能になり、ガスメータや水道メータ等の電池駆動の各種計測装置に適用することができる。

本発明の実施の形態１における超音波流速計の全体ブロック図同超音波流速計のタイマのブロック図同超音波流速計のタイマの詳細構成を示すリングタイマのブロック図従来の超音波流速計の全体ブロック図従来の超音波流速計のタイマの詳細構成を示すブロック図

符号の説明

１流路
２・３超音波振動子（送受信手段）
４制御部
５第１のタイマ
５ａ〜５ｇ信号生成手段
８演算手段
１０反転手段
１１遅延手段
１６リングタイマＡ（第２タイマ）
１７リングタイマＢ（第２タイマ）
１９保持手段
２０カウンタ
２１ＲＳラッチ回路（ラッチ手段）
２２保持選択手段
２４発振器
２５第２のタイマ

Claims

流路内を流れる流体の上流側と下流側の間で超音波を伝搬させ、その伝搬時間を計測して流速を求める超音波流速計であって、
超音波信号を送信する送信手段と、超音波信号を受信する受信手段と、前記受信手段の信号レベルを所定値と比較して受信完了を判断する受信検知手段と、一定周波数の基準クロックを発生する発振器と、前記基準クロックに基づいて前記送信手段からの超音波信号を前記受信検知手段が受信判定するまでの時間を計測する第１のタイマと、前記受信検知手段が受信判定してから前記第１のタイマがカウントアップするまでの時間を計測する第２のタイマと、前記第１のタイマ及び第２のタイマの計測結果から伝搬時間を求め演算により流速を求める演算手段と、前記第１のタイマ及び前記送受信手段の駆動を制御する制御部とを備え、
前記第２のタイマは、入力を反転した信号を出力する反転手段と前記反転手段からの入力信号を所定時間遅延させて出力する遅延手段と前記遅延手段の出力信号を保持する保持手段とで構成した１組の信号生成手段を複数組リング状に接続して発振部を形成するリングオシレータと、前記リングオシレータの最終段の信号生成手段からの出力数を計数するカウンタと、所定の信号で前記リングオシレータを動作開始状態または停止状態に保持するラッチ手段とで構成し、
前記ラッチ手段の出力信号で前記保持手段の動作を有効、あるいは無効となるように構成した超音波流速計。
ラッチ手段は、受信検知手段からの受信判定信号でリングオシレータを動作状態に保持すると共に保持手段の動作を無効とし、第１のタイマからのカウントアップ信号でリングオシレータを停止状態に保持すると共に保持手段の動作が有効となるように構成した請求項１記載の超音波流速計。
複数組の信号生成手段をリング状に接続して構成したリングオシレータにおいて、それぞれの信号生成手段がほぼ同等の特性を有するように構成した請求項１または２記載の超音波流速計。
信号生成手段を構成する遅延手段は、反転手段を偶数個接続することで所定の遅延時間を設定する構成とした請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波流速計。
複数の保持手段のうち、予め定めた保持手段のみ有効にするか、全ての保持手段を有効にするか、を選択する保持選択手段を備え、
保持選択手段は、制御部からの信号に基づいて保持手段の出力保持機能を有効にする形態を選択するようにした請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波流速計。
保持選択手段は、前回計測時の伝搬時間が所定値以上のとき出力される制御部からの時間選択信号を受けたとき、特定の保持手段のみ有効となるようにした請求項５記載の超音波流速計。
保持選択手段は、前回計測時の流速が所定値以上のとき出力される制御部からの流速選択信号を受けたとき、特定の保持手段のみ有効となるようにした請求項５記載の超音波流速計。