JP2020034367A - ゼロクロス検出回路、超音波流量計、およびゼロクロス検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模を大きくすることなく、フォーリングエッジとライジングエッジの両方のゼロクロス点を、安定して検出する。【解決手段】第１の状態検出回路１２Ａで、検出電圧Ｖｉｎが予め設定されている閾値電圧Ｖｓを上回った第１の状態に遷移したことを検出し、第２の状態検出回路１２Ｂで、第１の状態からＶｉｎがゼロ電圧Ｖｚを下回った第２の状態に遷移したことを検出し、第３の状態検出回路１２Ｃで、第１の状態となった時点から、超音波信号の半周期分の時間Ｔｆ／２だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出し、第４の状態検出回路１２Ｄが、第３の状態からＶｉｎがＶｚを上回った第４の状態に遷移したことを検出し、出力回路１２Ｅで、第２の状態および第４の状態に遷移したタイミングをゼロクロス点として検出出力する。【選択図】 図４

Description

本発明は、超音波流量計において、流量計測に用いる超音波信号の伝搬時間差を検出するため、トランスデューサからの検出信号のゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出技術に関する。

一般に、超音波流量計では、流体の流れを横切るように２つのトランスデューサを対向配置し、順逆方向のそれぞれで超音波信号を送受信して、トランスデューサー間における超音波伝搬時間を検出し、順逆方向における超音波伝搬時間の伝搬時間差に基づいて流体の流量を計算している。
超音波伝搬時間を検出するための一方法として、受信した超音波信号を示す検出信号の検出電圧（ＡＣ電圧）がゼロ電圧（０Ｖ）と交差するゼロクロス時刻に基づいて超音波伝搬時間を検出する、いわゆるゼロクロス法が用いられている。

このゼロクロス法では、検出電圧のうち同一時間位置にある目標ゼロクロス点を検出するため、検出電圧が予め設定した閾値電圧を最初に超えたトリガー点を基準として、トリガー点以降に最初に検出されたゼロクロス点を目標ゼロクロス点として特定している。この際、閾値電圧がプラスで最初のゼロクロス点がフォーリングエッジの場合、次のライジングエッジのゼロクロス点を使って、連続する２つのゼロクロスの平均値から超音波の伝搬時間が求められる。

特許第５１３４８４４号公報

しかしながら、受信した超音波信号を示す検出信号の検出電圧には、ノイズが重畳しているため、ゼロクロス点を誤って複数回検出してしまう恐れがある。前述した従来技術によれば、検出電圧が閾値を超える部分の検出について、「波形割れ」もしくは「チャタリング」を防止する方法が開示されているが、ゼロクロス点においても、チャタリングを防止する措置が必要である。ただし、閾値を超える部分の検出では高い精度が必要とされるものではないが、ゼロクロス点の時間位置は超音波伝搬時間そのものに影響するため、遅延量が少ない検出方法が必要となる。

このような場合、一般にはＳＲラッチを使って、ゼロ点から離れた位置でリセットし、ゼロ点をクロスするときにセットすることで、チャタリングを防止することが行われている。検出電圧がプラスからマイナスへゼロ点をクロスする場合（フォーリングエッジ）ではプラス側に閾値を用意し、その値を超えたところでＳＲラッチをリセットし、ゼロ点をクロスするところでＳＲラッチをセットするようにすることで、ＳＲラッチの出力からチャタリングのないゼロクロス検出を得ることができる。

この際、先に述べた理由によりライジングエッジでのゼロクロスも検出する必要がある。このためには、マイナス側に閾値を用意し、その値を超えたところでＳＲラッチをリセットし、ゼロ点をクロスするところでＳＲラッチをセットするようにすることで、ライジングエッジについてもＳＲラッチの出力からチャタリングのないゼロクロス検出を得ることができる。ただし、このためには、プラス側とマイナス側の両方の閾値をそれぞれ用意する必要があり、回路規模が大きくなるためコストや消費電流、専有面積などの面で課題がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、回路規模を大きくすることなく、フォーリングエッジとライジングエッジの両方のゼロクロス点を、安定して検出できるゼロクロス検出技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるゼロクロス検出回路は、一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を送受信し、これら超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計で用いられて、受信した前記超音波信号を示す検出電圧がゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路であって、前記検出電圧が予め設定されている閾値電圧を上回った第１の状態に遷移したことを検出する第１の状態検出回路と、前記第１の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を下回った第２の状態に遷移したことを検出する第２の状態検出回路と、前記第１の状態となった時点から、前記超音波信号の半周期分の時間だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出する第３の状態検出回路と、前記第３の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を上回った第４の状態に遷移したことを検出する第４の状態検出回路と、前記第２の状態および前記第４の状態に遷移したタイミングを前記ゼロクロス点として検出出力する出力回路とを備えている。

また、本発明にかかる上記ゼロクロス検出回路の一構成例は、前記第１の状態検出回路が、前記検出電圧と前記閾値電圧とを比較し、前記第１の状態を検出したことを示す第１の状態検出信号を出力する第１のコンパレータを含み、前記第２の状態検出回路は、前記検出電圧と前記ゼロ電圧とを比較し、前記検出電圧が前記ゼロ電圧を下回って負電圧状態であることを示す負電圧検出信号を出力する第２のコンパレータと、前記第１の状態検出信号によりリセットされるとともに、前記負電圧検出信号によりセットされることにより、前記第２の状態を検出したことを示す第２の状態検出信号を保持出力する第１のラッチ回路とを含むものである。

また、本発明にかかる上記ゼロクロス検出回路の一構成例は、前記第３の状態検出回路が、前記第１の状態検出信号を前記半周期分の時間だけ遅延させた第３の状態検出信号を出力する遅延回路を含み、前記第４の状態検出回路は、前記第３の状態検出信号によりリセットされるとともに、第２の状態検出信号の反転論理信号によりセットされることにより、前記第４の状態を示す第４の状態検出信号を保持出力する第２のラッチ回路とを含むものである。

また、本発明にかかる上記ゼロクロス検出回路の一構成例は、前記出力回路が、前記第２の状態検出信号と前記第４の状態検出信号との論理積に基づいて、前記ゼロクロス点を示すゼロクロス検出信号を出力する論理積回路を含むものである。

また、本発明にかかる超音波流量計は、一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を送受信し、これら超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計であって、受信した前記超音波信号を示す検出電圧がゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を検出する回路として、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のゼロクロス検出回路を備えるものである。

また、本発明にかかるゼロクロス検出方法は、一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を送受信し、これら超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計で用いられて、受信した前記超音波信号を示す検出電圧がゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路で用いられるゼロクロス検出方法であって、第１の状態検出回路が、前記検出電圧が予め設定されている閾値電圧を上回った第１の状態に遷移したことを検出する第１の状態検出ステップと、第２の状態検出回路が、前記第１の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を下回った第２の状態に遷移したことを検出する第２の状態検出ステップと、第３の状態検出回路が、前記第１の状態となった時点から、前記超音波信号の半周期分の時間だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出する第３の状態検出ステップと、第４の状態検出回路が、前記第３の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を上回った第４の状態に遷移したことを検出する第４の状態検出ステップと、出力回路が、前記第２の状態および前記第４の状態に遷移したタイミングを前記ゼロクロス点として検出出力する出力ステップとを備えている。

本発明によれば、検出電圧が閾値電圧を上回ったトリガー点から超音波信号の半周期分の時間だけ経過した時点以降の第２の状態において、検出電圧がゼロ電圧を上回るゼロクロス点の検出が開始されることになる。このため、プラス側とマイナス側の両方の閾値電圧を用意する必要がなくなる。したがって、回路規模を大きくすることなく、検出電圧が閾値電圧を超えた後に連続して発生する、フォーリングエッジとライジングエッジの両方のゼロクロス点を、安定して検出することが可能となる。

超音波流量計の構成を示すブロック図である。 検出電圧とゼロクロス点との関係を示す信号波形図である。 トリガー点およびゼロクロス点の検出状態に関する遷移を示す状態遷移図である。 ゼロクロス検出回路の構成を示すブロック図である。 ゼロクロス検出回路の具体的構成を示すブロック図である。 ゼロクロス検出回路の動作を示すタイミングチャートである。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［超音波流量計］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる超音波流量計１について説明する。図１は、超音波流量計の構成を示すブロック図である。
この超音波流量計１は、一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を順逆両方向で送受信する計測工程を複数回繰り返し実施し、これら計測工程ごと得られた両方向における超音波信号の伝搬時間差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計である。

図１に示すように、超音波流量計１は、計測対象となる流体が流れる円筒形状の測定管Ｃと、測定管Ｃの外周面のうち流体が流れる方向に対して上流側と下流側にそれぞれ取り付けられた一対のトランスデューサＴＤ１，ＴＤ２と、これらＴＤ１，ＴＤ２で検出された検出電圧を信号処理して流量を計算出力する流量演算装置１０とから構成されている。

ＴＤ１（ＴＤ２）は、配線Ｗを介して接続された流量演算装置１０からの送信指示信号に応じて、測定管Ｃ内に向けて超音波信号Ｕ１を送信する。ＴＤ２（ＴＤ１）は、測定管Ｃ内を流れる流体を通過した、ＴＤ１（ＴＤ２）からの超音波信号Ｕ１（Ｕ２）を受信し、その受信結果を示す検出電圧を、配線Ｗを介して流量演算装置１０へ出力する。

この際、Ｕ１，Ｕ２の伝搬時間ｔ１，ｔ２は、流体の流れから受ける影響が異なるため、流体の流量Ｑに応じた分だけｔ１，ｔ２の差、すなわち伝搬時間差Δｔが生じる。超音波流量計は、このΔｔに基づいて流量Ｑを導出するようにしたものである。なお、本実施の形態にかかる流量演算装置１０で用いる、ΔｔからＱを求める演算手法については、一般的な超音波流量計で用いられている公知の計算式を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。

［流量演算装置］
次に、図１を参照して、本実施の形態にかかる流量演算装置１０の構成について説明する。
図１に示すように、流量演算装置１０は、主な機能部として、入出力Ｉ／Ｆ部１１、ゼロクロス検出回路１２、記憶部１３、計測制御部１４、流量計算部１５、および流量出力部１６を備えており、これら機能部は、内部バスＢを介してデータやり取り可能に接続されている。これら機能部のうち、計測制御部１４、流量計算部１５、および流量出力部１６は、ＣＰＵとプログラムが協働することにより実現される。

入出力Ｉ／Ｆ部１１は、配線Ｗを介してトランスデューサＴＤ１，ＴＤ２と接続されて、ＴＤ１，ＴＤ２との間で計測に用いる各種信号をやり取りする機能を有している。
ゼロクロス検出回路１２は、計測工程ごとに、超音波信号Ｕ１（Ｕ２）を受信したＴＤ２（ＴＤ１）から出力される検出電圧Ｖｉｎと予め設定した閾値電圧Ｖｓとを比較する機能と、ＶｉｎがＶｓを超えたトリガー点以降において、Ｖｉｎがゼロ電圧Ｖｚ（０Ｖ）とゼロクロスするゼロクロス点を検出する機能とを有している。

記憶部１３は、半導体メモリやハードディスクなどの記憶装置からなり、流量演算装置１０での流量計測動作に用いる各種処理データやプログラムを記憶する機能を有している。
計測制御部１４は、予め設定されている周期的な計測タイミングの到来、あるいはオペレータや上位装置（図示せず）からの任意のタイミングにおける指示に応じて、入出力Ｉ／Ｆ部１１からＴＤ１，ＴＤ２に対して送信指示信号を出力することにより、ＴＤ１，ＴＤ２間で計測対象となる流体を介して超音波信号Ｕ１，Ｕ２を両方向で交互に送受信する計測工程を、Ｎ回繰り返し実施する機能を有している。

流量計算部１５は、ゼロクロス検出回路１２で検出されたゼロクロス点のゼロクロス時刻を記憶部１３に保存する機能と、記憶部１３に保存されているゼロクロス時刻から予め設定されている複数の目標ゼロクロス点に関する目標ゼロクロス時刻をそれぞれ抽出する機能と、これら目標ゼロクロス時刻から求めたＵ１，Ｕ２に関する伝搬時間ｔ１，ｔ２さらには伝搬時間差Δｔに基づいて、流体の流量Ｑを計算し、記憶部１３に保存する機能とを有している。

流量出力部１６は、通信ネットワークＮＷを介して上位装置（図示せず）と接続し、定期的あるいは上位装置からの出力指示に応じて、記憶部１３から流量Ｑを取得して上位装置へ出力する機能とを有している。

［本発明の原理］
次に、図２を参照して、本発明の原理について説明する。図２は、検出電圧とゼロクロス点との関係を示す信号波形図である。
トランスデューサＴＤ１，ＴＤ２から流量演算装置１０へ入力される検出電圧Ｖｉｎは、図２に示すように、振幅が時間軸に沿って増減する複数の正弦波交流パルスからなる。
ゼロクロス検出回路１２は、前述したように、Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｓを超えたことを検出した後、Ｖｉｎがゼロ電圧Ｖｚとゼロクロスするゼロクロス点を検出する。

時刻Ｔ０に流量計測が開始された後、時刻Ｔ１１にＶｉｎがＶｓを超えてトリガー点Ｘ１に達した場合、これ以降の時刻Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，…におけるゼロクロス点、すなわちＺ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５，…を検出することになる。
ここで、図２を観察すると、まずＺ２はＸ１の後、ＶｉｎがＶｚを下回るゼロクロス点（フォーリングエッジ）である。次のＺ３は、Ｚ２の後にＶｉｎがＶｚを上回るゼロクロス点（ライジングエッジ）であるが、図２の拡大図に示すように、Ｖｉｎに重畳したノイズによりチャタリングが発生して、Z２のすぐ後でライジングエッジのゼロクロス点Ｚ３’をＺ３として誤検出する可能性がある。

このため、ＶｉｎがＶｚからある程度負電圧方向に変化して、ノイズの影響がなくなってから次のゼロクロス点であるＺ３の検出を開始するのが望ましい。
一方、Ｖｓは、Ｖｉｎの振幅がＶｓに届かない期間におけるノイズの影響を回避して、トリガー点Ｘを安定して検出しうる電圧に予め設定されている。したがって、トリガー点Ｘ１を検出した時刻Ｔ１１から、超音波信号周期Ｔｆの半周期分の時間Ｔｆ／２だけ経過した時点におけるＶｉｎも、ノイズの影響を回避可能な負電圧側の振幅を持つものと考えられる。

本発明は、このようなトリガー点Ｘ１からＴｆ／２だけ経過した時点における、ＶｉｎとＶｉｎに重畳するノイズとの関係に着目し、Ｘ１を検出した後Ｔｆ／２だけ経過した時点から、次のゼロクロス点、すなわちＶｉｎがＶｚを上回るゼロクロス点Ｚ３（ライジングエッジ）の検出を開始するようにしたものである。

この際、図２に示されているように、流量計測の開始からＸ１を最初に検出するまでの期間（Ｔ０〜Ｔ１１）を状態０とし、Ｘ１検出からＺ２を検出するまでの期間（Ｔ１１〜Ｔ２）を状態１とし、Ｚ２からＺ３の検出を開始するまでの期間（Ｔ２〜Ｔ２１）を状態２とし、Ｚ３の検出を開始してからＺ３の検出までの期間（Ｔ２１〜Ｔ３）を状態３とし、Ｚ３検出からＸ３を検出するまでの期間（Ｔ３〜Ｔ３１）を状態４とした場合、これら状態１〜状態４は、Ｘ１，Ｘ３，…ごとに繰り返されていることが分かる。

図３は、トリガー点およびゼロクロス点の検出状態に関する遷移を示す状態遷移図である。前述した状態１〜状態４を整理すると、図３のような状態遷移図が得られる。
すなわち、流量計測の開始によりＶｉｎが入力された時点（Ｔ０）で状態０に遷移し、ＶｉｎがＶｓより上回ってＸ１が検出された時点（Ｔ１１）で状態１に遷移し、ＶｉｎがＶｚを下回ってＺ２が検出された時点（Ｔ２）で状態２に遷移する。続いて、ＶｉｎがＶｓを上回って状態１に遷移した後、半周期分の時間Ｔｆ／２だけ経過した時点（Ｔ２１）で状態３に遷移する。この後、ＶｉｎがＶｚを上回ってＺ３が検出された時点（Ｔ３）で状態４に遷移し、Ｖｉｎが再びＶｓより上回ってＸ３が検出された時点（Ｔ１１）で状態１に戻ることになる。

本発明は、このようなゼロクロス検出回路１２における、トリガー点およびゼロクロス点の検出状態に関する遷移順序に着目し、これら状態１〜状態４を検出する第１、第２、第３、および第４の状態検出回路をそれぞれ設け、第２および第４の検出回路からの検出出力に基づいて、ゼロクロス点Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５，…の検出タイミングを示すゼロクロス検出信号Ｚを出力するようにしたものである。

［ゼロクロス検出回路］
次に、図４を参照して、本実施の形態にかかるゼロクロス検出回路１２について詳細に説明する。図４は、ゼロクロス検出回路の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、ゼロクロス検出回路１２には、主な回路部として、第１の状態検出回路１２Ａ、第２の状態検出回路１２Ｂ、第３の状態検出回路１２Ｃ、第４の状態検出回路１２Ｄ、および出力回路１２Ｅが設けられている。

第１の状態検出回路１２Ａは、検出電圧Ｖｉｎが予め設定されている閾値電圧Ｖｓを上回った第１の状態に遷移したことを検出し、第１の状態を示す第１の状態検出信号Ｓ１を出力する機能を有している。
第２の状態検出回路１２Ｂは、Ｓ１に基づいて第１の状態から検出電圧Ｖｉｎがゼロ電圧Ｖｚを下回った第２の状態に遷移したことを検出し、第２の状態を示す第２の状態検出信号Ｓ２を出力する機能を有している。

第３の状態検出回路１２Ｃは、Ｓ１に基づいて第１の状態となった時点から、超音波信号の半周期分の時間Ｔｆ／２だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出し、第３の状態を示す第３の状態検出信号Ｓ３を出力する機能を有している。
第４の状態検出回路１２Ｄは、Ｓ３に基づいて第３の状態から検出電圧Ｖｉｎがゼロ電圧を上回った第４の状態に遷移したことを検出し、第４の状態を示す第４の状態検出信号Ｓ４を出力する機能を有している。

出力回路１２Ｅは、Ｓ２とＳ４に基づいて、第２の状態および第４の状態に遷移したタイミングをゼロクロス点として検出し、ゼロクロス点を示すゼロクロス検出信号Ｚを出力する機能を有している。

図５は、ゼロクロス検出回路の具体的構成を示すブロック図である。図４に示したゼロクロス検出回路１２の第１の状態検出回路１２Ａ、第２の状態検出回路１２Ｂ、第３の状態検出回路１２Ｃ、第４の状態検出回路１２Ｄ、および出力回路１２Ｅは、図５に示すような具体的な回路でそれぞれ構成することができる。

すなわち、第１の状態検出回路１２Ａは、主な回路部として、非反転入力端子（＋）にＶｉｎが入力され、反転入力端子（−）にＶｓが入力され、出力端子からＳ１を出力する第１のコンパレータＣＭＰ１を含んでいる。ＣＭＰ１は、一般的なコンパレータ回路でもよく、オペアンプで構成してもよい。

また、第２の状態検出回路１２Ｂは、主な回路部として、非反転入力端子（＋）にＶｚが入力され、反転入力端子（−）にＶｉｎが入力され、出力端子からＶｉｎがＶｚを下回り負電圧状態であることを示す負電圧検出信号Ｓｎを出力する第２のコンパレータＣＭＰ２と、Ｓ１によりリセットされるとともに、Ｓｎによりセットされることにより、Ｓ２を保持出力する第１のラッチ回路Ｌ１とを含んでいる。

この際、Ｌ１をＳＲラッチ回路で構成した場合、リセット端子（Ｒ）にＳ１が入力されるとともに、セット端子（Ｓ）にＳｎが入力され、出力端子（Ｑ）からＳ２が出力されることになる。なおＬ１は、ＳＲラッチ回路に限定されるものではなく、同様の機能を有するラッチ回路やフリップフロップ回路で構成してもよい。

また、第３の状態検出回路１２Ｃは、主な回路部として、Ｓ１を超音波信号の半周期分の時間Ｔｆ／２だけ遅延させたＳ３を出力する遅延回路ＤＬＹを含んでいる。ＤＬＹについては、ＣＲ時定数回路を有する一般的な遅延回路であってもよく、流量演算装置１０で用いるクロック信号を計数するカウンタ回路で構成してもよい。

また、第４の状態検出回路１２Ｄは、主な回路部として、Ｓｎの論理を反転することにより、ＶｉｎがＶｚを上回り正電圧状態であることを示す正電圧検出信号Ｓｐを出力するインバータＩＮＶと、Ｓ３によりリセットされるとともに、Ｓｐによりセットされることにより、Ｓ４を保持出力する第２のラッチ回路Ｌ２とを含んでいる。

この際、Ｌ２をＳＲラッチ回路で構成した場合、リセット端子（Ｒ）にＳ３が入力されるとともに、セット端子（Ｓ）にＳｐが入力され、出力端子（Ｑ）からＳ４が出力されることになる。なおＬ２は、ＳＲラッチ回路に限定されるものではなく、同様の機能を有するラッチ回路やフリップフロップ回路で構成してもよい。

また、出力回路１２Ｅは、主な回路部として、Ｌ１から出力されるＳ２とＬ２から出力されるＳ４とを入力とし、これらＳ２とＳ４の論理積信号を、ゼロクロス点を示すゼロクロス検出信号Ｚとして出力する論理積回路ＡＮＤを含んでいる。

［本実施の形態の動作］
次に、図６を参照して、本実施の形態にかかるゼロクロス検出回路１２の動作について説明する。図６は、ゼロクロス検出回路の動作を示すタイミングチャートである。

図６に示すように、時刻Ｔ０における流量計測の開始に応じて、ゼロクロス検出回路１２における検出状態は、状態０に遷移する。この後、時刻Ｔ１１に最初にＶｉｎがＶｓを超えた場合、第１の状態検出回路１２ＡのＣＭＰ１からの出力Ｓ１が、Ｌ（Ｌｏｗレベル）からＨ（Ｈｉｇｈレベル）に立ち上がってトリガー点Ｘ１が検出され、検出状態は状態１に遷移する。これにより、Ｌ１がＳ１によりリセットされて出力Ｓ２がＬレベルとなる。続く、時刻Ｔ１２にＶｉｎがＶｓを下回ってＳ１がＨからＬに変化し、Ｌ１のリセットが解除される。

この後、時刻Ｔ２にＶｉｎがＶｚを下回った場合、第２の状態検出回路１２ＢのＣＭＰ２からの出力ＳｎがＬからＨに変化する。このＳｎの立ち上がりタイミングでＬ１がセットされ出力Ｓ２がＬからＨに変化する。これにより、ゼロクロス点Ｚ２が検出され、検出状態は状態２に遷移する。

一方、第３の状態検出回路１２ＣのＤＬＹは、出力Ｓ１の立ち上がりタイミングである時刻Ｔ１１からＴｆ／２の計時を開始し、Ｔｆ／２の経過後の時刻Ｔ２１に、出力Ｓ３がＬからＨに変化して、検出状態は状態３に遷移する。これにより、Ｌ２がＳ３によりリセットされて出力Ｓ４がＬレベルとなる。

この後、時刻Ｔ３にＶｉｎがＶｚを上回った場合、第２の状態検出回路１２ＢのＣＭＰ２からの出力ＳｎがＨからＬに変化し、第４の状態検出回路１２ＤのＩＮＶからの出力ＳｐがＬからＨに変化する。このＳｐの立ち上がりタイミングでＬ２がＳｐによりセットされ出力Ｓ４がＬからＨに変化する。これにより、ゼロクロス点Ｚ３が検出され、検出状態は状態４に遷移する。

続く時刻Ｔ３１にＶｉｎが再びＶｓを超えた場合、第１の状態検出回路１２ＡのＣＭＰ１からの出力Ｓ１が、ＬからＨに立ち上がってトリガー点Ｘ３が検出され、検出状態は状態１に遷移する。これにより、Ｌ１がＳ１によりリセットされて出力Ｓ２がＬレベルとなる。続く、時刻Ｔ１２にＶｉｎがＶｓを下回ってＳ１がＨからＬに変化し、Ｌ１のリセットが解除される。

このようにして、ゼロクロス検出回路１２における検出状態は、流量計測を開始した状態０の後、状態１、状態２、状態３、および状態４を繰り返し遷移することになる。
出力回路１２Ｅの論理積回路ＡＮＤは、Ｌ１からの出力Ｓ２とＬ２からの出力Ｓ４との論理積を出力する。なお、状態０において、Ｓ２は初期値としてＬレベルに維持されており、Ｓ４は初期値としてＨレベルに維持されているものとする。
したがって、Ｓ２とＳ４がともにＨレベルとなる、時刻Ｔ２から時刻Ｔ２１までの期間と、時刻Ｔ３から時刻Ｔ３１までの期間に、ゼロクロス検出信号ＺがＨレベルとなり、このＺの立ち上がりタイミングがゼロクロス点Ｚ２，Ｚ３を示すことになる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、第１の状態検出回路１２Ａで、検出電圧Ｖｉｎが予め設定されている閾値電圧Ｖｓを上回った第１の状態に遷移したことを検出し、第２の状態検出回路１２Ｂで、第１の状態からＶｉｎがゼロ電圧Ｖｚを下回った第２の状態に遷移したことを検出し、第３の状態検出回路１２Ｃで、第１の状態となった時点から、超音波信号の半周期分の時間Ｔｆ／２だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出し、第４の状態検出回路１２Ｄが、第３の状態からＶｉｎがＶｚを上回った第４の状態に遷移したことを検出し、出力回路１２Ｅで、第２の状態および第４の状態に遷移したタイミングをゼロクロス点として検出出力するようにしたものである。

より具体的には、第１の状態検出回路１２Ａが、ＶｉｎとＶｓとを比較し、第１の状態を検出したことを示す第１の状態検出信号Ｓ１を出力する第１のコンパレータＣＭＰ１を含み、第２の状態検出回路１２Ｂが、ＶｉｎとＶｚとを比較し、ＶｉｎがＶｚを下回って負電圧状態であることを示す負電圧検出信号Ｓｎを出力する第２のコンパレータＣＭＰ２と、Ｓ１によりリセットされるとともに、Ｓｎによりセットされることにより、第２の状態を検出したことを示す第２の状態検出信号Ｓ２を保持出力する第１のラッチ回路Ｌ１とを含むようにしたものである。

また、第３の状態検出回路１２Ｃが、Ｓ１を超音波信号の半周期分の時間Ｔｆ／２だけ遅延させた第３の状態検出信号Ｓ３を出力する遅延回路ＤＬＹを含み、第４の状態検出回路１２Ｄが、Ｓ３によりリセットされるとともに、正電圧検出信号Ｓｐによりセットされることにより、第４の状態を示す第４の状態検出信号Ｓ４を保持出力する第２のラッチ回路Ｌ２とを含み、出力回路１２Ｅが、Ｓ２とＳ４との論理積に基づいて、ゼロクロス点を示すゼロクロス検出信号Ｚを出力する論理積回路ＡＮＤを含むようにしたものである。

これにより、ＶｉｎがＶｓを上回ったトリガー点Ｘ１からＴｆ／２だけ経過した時点以降の状態２において、ＶｉｎがＶｚを上回るゼロクロス点Ｚ３の検出が開始されることになる。このため、ノイズの影響が大きい期間、すなわちＸ１の後、ＶｉｎがＶｚを下回るゼロクロス点Ｚ２の直後におけるＺ３の検出が避けられることになる。また、プラス側（またはマイナス側）の閾値だけでフォーリングエッジとライジングエッジの両方のゼロクロス点を検出できることになり、プラス側とマイナス側の両方の閾値電圧を用意する必要がなくなる。したがって、回路規模を大きくすることなく、検出電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｓを超えた後に連続して発生する、フォーリングエッジとライジングエッジの両方のゼロクロス点を、チャタリングすることなく安定して検出することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１…超音波流量計、１０…流量演算装置、１１…入出力Ｉ／Ｆ部、１２…ゼロクロス検出回路、１２Ａ…第１の状態検出回路、１２Ｂ…第２の状態検出回路、１２Ｃ…第３の状態検出回路、１２Ｄ…第４の状態検出回路、１２Ｅ…出力回路、１３…記憶部、１４…計測制御部、１５…流量計算部、１６…流量出力部、ＣＭＰ１，ＣＭＰ２…コンパレータ、Ｌ１，Ｌ２…ラッチ回路、ＤＬＹ…遅延回路、ＩＮＶ…インバータ、ＡＮＤ…論理積回路、Ｖｉｎ…検出電圧、Ｖｓ…閾値電圧、Ｖｚ…ゼロ電圧、Ｓ１…第１の状態検出信号、Ｓ２…第２の状態検出信号、Ｓ３…第３の状態検出信号、Ｓ４…第４の状態検出信号、Ｓｎ…負電圧検出信号、Ｓｐ…正電圧検出信号、Ｚ…ゼロクロス検出信号、Ｂ…内部バス、Ｃ…測定管、ＴＤ１，ＴＤ２…トランスデューサ、Ｗ…配線、ＮＷ…通信ネットワーク。

Claims (6)

1. 一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を送受信し、これら超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計で用いられて、受信した前記超音波信号を示す検出電圧がゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路であって、
   前記検出電圧が予め設定されている閾値電圧を上回った第１の状態に遷移したことを検出する第１の状態検出回路と、
   前記第１の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を下回った第２の状態に遷移したことを検出する第２の状態検出回路と、
   前記第１の状態となった時点から、前記超音波信号の半周期分の時間だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出する第３の状態検出回路と、
   前記第３の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を上回った第４の状態に遷移したことを検出する第４の状態検出回路と、
   前記第２の状態および前記第４の状態に遷移したタイミングを前記ゼロクロス点として検出出力する出力回路と
   を備えることを特徴とするゼロクロス検出回路。
2. 請求項１に記載のゼロクロス検出回路において、
   前記第１の状態検出回路は、前記検出電圧と前記閾値電圧とを比較し、前記第１の状態を検出したことを示す第１の状態検出信号を出力する第１のコンパレータを含み、
   前記第２の状態検出回路は、前記検出電圧と前記ゼロ電圧とを比較し、前記検出電圧が前記ゼロ電圧を下回って負電圧状態であることを示す負電圧検出信号を出力する第２のコンパレータと、前記第１の状態検出信号によりリセットされるとともに、前記負電圧検出信号によりセットされることにより、前記第２の状態を検出したことを示す第２の状態検出信号を保持出力する第１のラッチ回路とを含む
   ことを特徴とするゼロクロス検出回路。
3. 請求項２に記載のゼロクロス検出回路において、
   前記第３の状態検出回路は、前記第１の状態検出信号を前記半周期分の時間だけ遅延させた第３の状態検出信号を出力する遅延回路を含み、
   前記第４の状態検出回路は、前記第３の状態検出信号によりリセットされるとともに、第２の状態検出信号の反転論理信号によりセットされることにより、前記第４の状態を示す第４の状態検出信号を保持出力する第２のラッチ回路とを含む
   ことを特徴とするゼロクロス検出回路。
4. 請求項３に記載のゼロクロス検出回路において、
   前記出力回路は、前記第２の状態検出信号と前記第４の状態検出信号との論理積に基づいて、前記ゼロクロス点を示すゼロクロス検出信号を出力する論理積回路を含むことを特徴とするゼロクロス検出回路。
5. 一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を送受信し、これら超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計であって、
   受信した前記超音波信号を示す検出電圧がゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を検出する回路として、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のゼロクロス検出回路を備えることを特徴とする超音波流量計。
6. 一対のトランスデューサ間で計測対象となる流体を介して超音波信号を送受信し、これら超音波信号の伝搬時間差に基づいて、前記流体の流量を計測する超音波流量計で用いられて、受信した前記超音波信号を示す検出電圧がゼロ電圧とゼロクロスするゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路で用いられるゼロクロス検出方法であって、
   第１の状態検出回路が、前記検出電圧が予め設定されている閾値電圧を上回った第１の状態に遷移したことを検出する第１の状態検出ステップと、
   第２の状態検出回路が、前記第１の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を下回った第２の状態に遷移したことを検出する第２の状態検出ステップと、
   第３の状態検出回路が、前記第１の状態となった時点から、前記超音波信号の半周期分の時間だけ経過した第３の状態に遷移したことを検出する第３の状態検出ステップと、
   第４の状態検出回路が、前記第３の状態から前記検出電圧が前記ゼロ電圧を上回った第４の状態に遷移したことを検出する第４の状態検出ステップと、
   出力回路が、前記第２の状態および前記第４の状態に遷移したタイミングを前記ゼロクロス点として検出出力する出力ステップと
   を備えることを特徴とするゼロクロス検出方法。

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