JP3689982B2 - 超音波流速計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて、気体や液体の流速あるいは流速から流量を求める計測器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流速計は、図９に示すように、流体の流れる測定経路１に設置した送信用超音波振動子２と、前記送信用超音波振動子２を駆動する送信回路３と、前記送信回路３の発振開始信号を送ると同時にタイマー４をスタートさせる制御部５と、前記超音波振動子２の上流あるいは下流に設置し前記超音波振動子２の発した超音波を受信する受信用超音波振動子６と、前記受信用超音波振動子６の受信信号を増幅する増幅部７と、前記増幅部７の出力をうけ、前記増幅部７の増幅率を制御する帰還回路８と、前記増幅部７の出力と基準信号９を比較し大小関係が反転したとき前記タイマー４をストップさせる比較器１０からなり、前記タイマー４の計測時間より被測定流体の流速を測定するように構成されている。
【０００３】
そして上記超音波流速計は前記制御部５からのスタート信号によって、前記送信回路３は一定時間パルスを出力し、前記超音波振動子２を駆動する。前記超音波振動子２から発せられた超音波は被測定流体中を伝搬し時間ｔ経過後に前記受信用超音波振動子６によって受信される。この時受信信号のレベルは超音波の伝搬経路の状態によって大きく変化し、測定精度を悪くするので、前記増幅部７の出力を前記帰還回路８によって前記増幅部７にフィードバックし、常に一定の出力を得るようにしている。そしてこの受信信号を、前記比較器１０において前記基準信号９と比較し前記基準信号９と受信信号との電圧の関係が反転したときにストップ信号を前記タイマー４に送り、前記タイマー４をストップさせる。この時の前記タイマー４の時間出力値ｔを（１）式に代入することにより被測定流体の流速ｖを求める（音波送受信器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、ａは受信信号を受けてから比較器９の出力が反転するまでの遅れ時間、超音波振動子から受信用超音波振動子への方向を正とする）。
【０００４】
ｖ＝（Ｌ／（ｔ−ａ））−ｃ （１）
また、前記超音波振動子２と前記受信用超音波振動子６を切り替え、上流から下流へと下流から上流への伝搬時間を測定し、（２）式により速度ｖを求める方法もある（上流から下流への伝搬時間ｔ１、下流から上流への伝搬時間ｔ２）。
【０００５】
ｖ＝Ｌ／２（１／ｔ１−１／ｔ２）＋ａ （２）
この方法によれば温度の変化による音速の変化の影響を受けずに流体の速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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では受信信号を安定化するために増幅部７の増幅率を変化させているので、受信信号が小さいときには増幅率が大きくなり、ノイズ成分も大きく増幅されてしまう。このためＳ／Ｎ比（信号成分とノイズ成分の比率）が悪くなり、測定精度の低下が起こっていた。また、増幅率を変化させるための受信回路も複雑になり、高価なものとなった。さらに回路が複雑であるので消費電流も多くならざるを得ない。特に電池などの電源を長く持たせるためにスリープ動作を採用し消費電力を低く押さえるような使用法では、増幅部７のようなアナログ回路が複雑になると初期流入電流も増えると同時に、電源を入れてから回路が安定状態になるまでの時間が長くなるので、スリープ動作の効率が低くなってしまう。このため電池などを電源とした装置への応用へは不向きであった。
【０００７】
また送信用超音波振動子の共振周波数ｆｒ（以後ｆｒと記す）が温度や個体のばらつき等の要因で変化した場合、受信用超音波振動子で電気信号に変換され出力される波形の立ち上がり特性が変化する。この立ち上がり特性の変化は、駆動周波数とｆｒとの関係が変わるためである。このため基準信号と受信信号の大小関係が反転するタイミングがずれ、測定時間ｔが変動することとなり、正確な測定を行なうことができないという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路を有したものである。
【０００９】
上記発明によれば、受信出力が送信回路にフィードバックされているので、受信回路の出力が小さいときには送信用超音波振動子の出力が大きくなり受信用超音波振動子の出力レベルは一定に制御される。この時受信用超音波振動子の出力は一定となっているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、受信部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく、受信用超音波振動子の出力も安定しているのでその出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で構成して消費電流を小さく押さえることも容易である。また受信出力でフィードバックをかける送信回路は送信用超音波振動子をパルス駆動する簡単なデジタル回路でよく、従って電源投入直後に回路が安定するまでの時間も比較的短くなるので、スリープ動作を効率よく実行することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００１１】
そして、受信出力を送信回路にフィードバックし受信出力が一定となるよう制御しているので、受信回路の出力が小さいときには送信用超音波振動子の出力か大きくなり受信用超音波振動子の出力レベルは一定に制御される。この時受信用超音波振動子の入力は一定となっており、Ｓ／Ｎ比は変化することがないので、測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、受信部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく、受信用超音波振動子の出力も安定しているのでその出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で構成して消費電流を小さく押さえることも容易である。また受信出力でフィードバックをかける送信回路は送信用超音波振動子をパルス駆動する簡単なデジタル回路でよく、電源を投入直後に回路が安定するまでの時間も比較的短くなるので、スリープ動作を効率よく実行することができる。
【００１２】
また送信回路は受信回路の出力を受け送信用超音波振動子を駆動する可変周波数発振回路を有するものである。
【００１３】
そして、受信回路の出力レベルによって可変周波数発振回路の発振周波数が次のように変化する。発振周波数は受信出力が小さいときには送信用超音波振動子の共振周波数から離れ、受信出力が大きいときには送信用超音波振動子の共振周波数に近づく。送信用超音波振動子は駆動周波数が共振周波数に近いほど大きな出力を発生させるので、例えば前記受信回路出力が小さいときには前記送信用超音波振動子の駆動周波数は前記送信用超音波振動子の共振周波数に近づき、前記送信用超音波振動子の出力は大きくなる。そしてこの出力信号を受信している前記受信回路の出力は大きくなる。この変化は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成では送信出力を変化させるため駆動電圧あるいは電流を制御する必要がなく、昇圧あるいは降圧回路は不要であり簡単な回路構成とすることができる。また超音波振動子の共振周波数が温度によって変化した場合であっても受信回路の出力レベルに応じて駆動周波数は追従するので、共振周波数が温度によって大きく変化する超音波振動子でも使用することができる。
【００１４】
また送信回路は受信回路の出力を受け出力電圧をコントロールする昇圧回路と、発振回路と、前記発振回路の出力と前記昇圧回路の出力をうけ送信用超音波振動子を駆動するドライブ回路とを有するものである。
【００１５】
そして、昇圧回路は受信回路の出力によって出力電圧を変化させる。例えば受信回路の出力が小さくなると出力電圧はあがるようになっている。このため、ドライブ回路への出力電圧は大きくなり、ドライブ回路では発振回路出力によって、昇圧回路の出力をパルス波形に変換しているので、ドライブ回路の出力も大きくなる。このため前記送信用超音波振動子の出力は大きくなる。そして、前記受信回路の出力は大きくなり、前記受信回路の出力は一定のレベルとなる。この変化は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成では駆動電圧を昇圧しているので、電源電圧以上の電圧で超音波振動子を駆動することができるので、回路の消費電力を抑制しつつ大きな超音波出力を出力することができる。
【００１６】
また送信回路は発振回路と、前記発振回路の出力と受信回路の出力を受け送信用超音波振動子を駆動するデューティ変換回路とを有するものである。
【００１７】
そして、デューティ変換回路は受信回路の出力によって出力パルスのデューティ比を変化させる。送信用超音波振動子に流れる電流はデューティ比が５０％のとき最も多く流れ、超音波出力が最も大きくなる。そして受信回路の出力が小さい場合デューティ比は５０％に近づくようになっており、受信回路の出力は大きくなる。この変化は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成における超音波出力コントロールのために行うデューティーの変更は、デジタル回路で容易に実現できるので、消費電力の少ない安定した超音波流速計を実現することができるという効果がある。
【００１８】
また複数の送信用超音波振動子と、前記複数の送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力によって発振回路の出力を切り替え駆動する前記送信用超音波振動子の個数を選択する切り替え部と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００１９】
そして、受信回路出力が小さいときには、送信回路で駆動する送信用超音波振動子の数を切り替え部による切り替え動作によって増やし、受信回路出力を大きくするように動作する。この切り替え動作は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この設定値値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。このため受信回路出力を一定とすることができる。この構成では簡単な回路構成で受信出力を一定とすることができる。
【００２０】
また複数の送信用超音波振動子が、複数の超音波振動子を積層構造とした超音波振動子を有するものである。
【００２１】
そして、切り替え部によって受信回路出力が小さいときには送信回路によって駆動する送信用超音波振動子の数を増やし受信回路出力を大きくするように動作する。そして、超音波振動子が積層構造となっているため、多くの超音波振動子が駆動されるほど前記送信用超音波振動子の変位が大きくなり超音波出力が大きくなる。この切り替え動作は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成では超音波振動子を複数並べる必要がないため、音波の干渉が起こらず、超音波の送信方向に指向性が出ることがなく均一分布を持つ超音波の送信が可能である。
【００２２】
また送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数を検知する共振周波数検知手段と、前記制御部からの信号を受け送信送信回路に出力する可変周波数発振部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００２３】
そして、前記共振周波数検知手段で検知した送信用超音波振動子の共振周波数と前記可変周波数発信部の周波数との関係が常に一定となるように前記制御部で制御しているので、受信回路から出力される受信波形の立ち上がり速度は常に一定に保たれる。同時に受信出力のピークが常に一定となるように前記受信回路出力を前記送信回路へフィードバックしているので、受信波形は常に一定の形となり、基準信号を比較することによって、超音波の伝搬時間を正確に測定することができる。また、超音波振動子の共振周波数と駆動周波数の関係を常に一定として測定を行っているので、受信波形の立ち上がりが安定すると同時に、超音波の送信受信出力レベルを一定にしているので、常に受信波形の同一個所で受信検知をするため、精度のよい超音波流速計を実現することが出来るという効果がある。
【００２４】
また送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を制御部設定信号によってコントロールする変換部と、前記変換部の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る前記制御部と、前記制御部設定信号によって出力を変化させる基準信号と、前記受信回路の出力と前記基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００２５】
そして、制御部からの信号によって送信回路の出力を低く設定した場合には基準信号の出力も低くなるようになっている。そのため、受信回路の出力は小さくなるが、基準信号の出力も小さくなっているので、比較器によって受信回路の出力と基準信号の出力の関係が反転したと判定するタイミングは送信回路の出力を低く設定する前と変わらない。このため、精度の必要でない測定の時には送信用超音波振動子の出力を小さくし消費電力を低く抑える事ができる。
【００２６】
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお図面中で同一番号を付しているものは同一物であり、同じ動作を行う。
【００２７】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の超音波流速計のブロック図である。また図２は送信用超音波振動子出力の周波数特性を示す図である。
【００２８】
１１は送信用超音波振動子である。前記送信用超音波振動子１１から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力と基準電圧２０の出力とを受け前記送信用超音波振動子１１の出力をコントロールする送信回路１４と、前記送信回路１４とタイマ１５に送信開始信号を送る制御部１６と、前記受信回路１３の出力と基準信号１７とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８とを有するものである。前記送信回路１４は前記受信回路１３の出力の最大値を保持するピークホールド回路１９と、前記ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の出力とを受けドライブ回路２１へ出力する周波数を変化させる可変周波数発振回路２２によって構成されている。
【００２９】
まず前記可変周波数発信回路２２は前記制御部１６から送信開始信号を受けると前記ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０によって決まる発振周波数で３周期だけ発振する。前記可変周波数発振回路２２の出力を受けた前記ドライブ回路２１は前記送信用超音波振動子１１を駆動し超音波を送信する。超音波が出力された後前記ピークホールド回路１９はリセットされ前記受信回路１３の出力がくるのを待つ。また前記制御部１６からの送信開始信号によって前記タイマ１５はリセットされると同時に時間測定を開始する。前記受信用超音波振動子１２で超音波を受信すると、前記受信回路１３で増幅され出力される。この出力を受けた前記ピークホールド回路１９では最大レベルを保持し出力する。また、前記受信回路１３の出力は前記比較器１８で、前記基準信号１７と比較され前記受信回路１３の出力が前記基準信号１７以上となると前記比較器１８の出力によって前記タイマ１５は停止する用になっている。
【００３０】
そして、前記受信回路１３の最大出力を前記送信回路１４の前記可変周波数発振回路２２にフィードバックしている。この構成において（図２）のＡ点で前記送信用超音波振動子１１を駆動し前記受信回路１３の出力が小さいときには、ピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなる。この時可変周波数発信回路２２は発振周波数を上げ、ドライブ回路２４の出力も可変周波数発信回路の出力に応じて周波数が上昇するので、送信用超音波振動子１１の駆動周波数も（図２）のＢ点に近くなり、超音波出力も大きくなる。そして前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、基準電圧と一致したところで一定のレベルとに保持される。
【００３１】
この時前記受信用超音波振動子１２の出力は一定となっているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、前記受信部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく前記受信用超音波振動子の出力も安定しているので、その出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で構成して消費電流を小さく押さえることも容易である。またフィードバックをかける前記送信回路は前記送信用超音波振動子をパルス駆動するので簡単なデジタル回路でよく、従って電源投入直後に回路が安定するまでの時間も比較的短くなるので、スリープ動作を効率よく実行することができる。
【００３２】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の送信回路１４の詳細なブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００３３】
送信回路１４はピークホールド回路１９と基準電圧２０との出力を受け出力電圧をコントロールする昇圧回路２３と、発振回路２４と、前記発振回路２４の出力と前記昇圧回路２３の出力をうけ送信用超音波振動子を駆動するドライブ回路２５とによって構成される。
【００３４】
そして、昇圧回路２２はピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の関係に応じて出力電圧を変化させる。具体的にはピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなると出力電圧を上昇させるようにしている。昇圧回路２２からドライブ回路２５への出力電圧が大きくなると、ドライブ回路２５では発振回路２３の出力によって、昇圧回路２２の出力をパルス波形に変換しているので、ドライブ回路２５の出力も昇圧回路２２の出力に応じて大きくなり、前記送信用超音波振動子１１の出力も大きくなる。そして、前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の電圧とが一致したところで一定のレベルとに保持される。
【００３５】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の送信回路１４の詳細なブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００３６】
送信回路は発振回路２４と、ピークホールド回路１９と、発振回路２４の出力とピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の出力とを受けドライブ回路２５へ出力するデューティ変換回路２６と、デューティ変換回路２６の出力を受けて送信用超音波振動子１１を駆動するドライブ回路２５に出力するを有するものである。
【００３７】
そしてデューティ変換回路２６はピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の関係に応じて出力パルスのデューティ比を変化させる。具体的にはピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなるとデューティ比は５０％に近づくようになっている。送信用超音波振動子１１に流れる電流はデューティ比が５０％のとき最も多く流れ、超音波出力が最も大きくなる。そして、前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の電圧とが一致したところで一定のレベルとに保持される。
【００３８】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の超音波流速計の送信回路のブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００３９】
送信用超音波振動子２７、２８、２９と、前記複数の送信用超音波振動子２７、２８、２９から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力と基準電圧２０の出力との関係によってドライブ回路２５の出力に接続する前記送信用超音波振動子２７、２８、２９を選択する切り替え部３０と、発振回路２４とタイマ１５に送信開始信号を送る制御部１６と、前記受信回路１３の出力と基準信号１７とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８と、ピークホールド回路１９とを有するものである。
【００４０】
そして、切り替え部３０によってピークホールド回路１９と基準電圧２０を比較し、ピークホールド回路１９の出力が小さいときにはドライブ回路２５につながる送信用超音波振動子の数を増やし受信回路１３の出力を大きくするように動作する。具体的にはピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなるとドライブ回路２５に接続する超音波振動子の数を増やす。ドライブ回路２５によって駆動する超音波振動子の数が増えると、送信用超音波振動子からの出力が大きくなる。そして、前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の電圧とが一致したところでドライブ回路２５で駆動する送信用超音波振動子の数を保持される。
【００４１】
また、それぞれの送信用超音波振動子の向きを適正にすることによってより安定した超音波の送受信を行うことができる。たとえば、受信回路１３の出力が小さくなる原因が超音波が風に流されることであるのならば、風の強さにあわせて少しずつ向きを変えた送信用超音波振動子を配置しその風にあった送信用超音波振動子を切り替え部３０によって選択するようにすればよい。さらにまた送信用超音波振動子の配列によってそれぞれの超音波振動子から発した超音波の干渉により指向性を制御することができるので、その時々の測定に最適な指向性を得ることができる。
【００４２】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５の送信用超音波振動子の図であり、以下図１及び図５と合わせて説明する。
【００４３】
複数の送信用超音波振動子３１、３２、を積層構造とした構成としている。
【００４４】
この構造において、切り替え部３０によってピークホールド回路１９と基準電圧２０を比較し、ピークホールド回路１９の出力が小さいときにはドライブ回路２５につながる送信用超音波振動子の数を増やし受信回路１３の出力を大きくするように動作する。以下実施例４と同じ動作である。
【００４５】
そして、超音波振動子３３が積層構造となっているため、多くの超音波振動子が駆動されるほど前記送信用超音波振動子３３の振動変位が大きくなり超音波出力が大きくなるので、受信回路１３の出力を一定とすることができる。この構成によれば、コンパクトな超音波振動子で超音波出力を切り替えることができる超音波振動子を実現することができる。また超音波振動子を複数個ならべる必要がないため、音波の干渉が起こらず、超音波の送信方向に指向性が出ることがなく均一な超音波の送信が可能である。
【００４６】
（実施例６）
図７は本発明の実施例６の超音波流速計のブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００４７】
また送信用超音波振動子１１と、前記送信用超音波振動子１１から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力を受け前記送信用超音波振動子１１の出力をコントロールする送信回路３４と、前記送信回路３４とタイマ１５に送信開始信号を送る制御部１６と、前記送信用超音波振動子１１の共振周波数を検知する共振周波数検知手段３５と、前記制御部１６からの信号を受け前記送信回路３４に出力する可変周波数発振部３６と、前記受信回路１３の出力と基準信号１７とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８とを有するものである。そして、可変周波数発振部３６の出力を受けたドライブ回路３７は送信用超音波振動子１１を駆動し超音波を送信する。
【００４８】
一般的に、超音波信号の受信波形はなだらかに立ち上がっている。このため、基準信号１７と受信回路１３の出力との交点は受信回路１３の立ち上がり波形によってわずかに前後する。この立ち上がり波形は超音波振動子の共振周波数と駆動周波数との関係から決まっている。このため正確な測定を行うには常に超音波振動子と駆動周波数の関係を一定にしなければならない。ここで本発明では、前記した構成によって、前記共振周波数検知手段３５で検知した送信用超音波振動子１１の共振周波数と前記可変周波数発振部３６の周波数との関係が常に一定となるように前記制御部１６で制御しているので、受信回路１３から出力される受信波形の立ち上がり速度は常に一定に保たれる。具体的には可変周波数発振部３６が、共振周波数検知手段３５で得た共振周波数の情報から一定周波数ずれた発振周波数で発振するように設定している。また、同時に受信出力のピークが常に一定となるように前記受信回路出力１３を前記送信回路３４へフィードバックしているので、受信波形は立ち上がり波形及びレベルともに一定の形となる。このため基準信号１７と受信回路１３の出力を比較することによって、超音波の伝搬時間を正確に測定することができる。ここでは共振周波数検知手段３５で得た共振周波数の情報から一定周波数ずれた発振周波数で発振するように設定しているが、比を一定としてもほぼ同等の効果が得られる。
【００４９】
（実施例７）
図８は本発明の実施例７の超音波流速計のブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００５０】
また送信用超音波振動子１１と、前記送信用超音波振動子１１から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力を制御部設定信号によってコントロールする変換部３８と、前記変換部３８の出力を受け前記送信用超音波振動子１１の出力をコントロールする送信回路３９と、前記送信回路３９とタイマ１５に送信開始信号を送る前記制御部１６と、前記制御部設定信号によって出力を変化させる基準信号４０と、前記受信回路１３の出力と前記基準信号４０とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８とを有するものである。
【００５１】
この構成によって、制御部１６からの制御信号を送り送信回路３９の出力を低く設定した場合、基準信号４０の出力も送信回路３９の変化に応じてが低くなる。この場合、送信出力が小さいので受信回路１３の出力は小さくなるが、基準信号４０の出力も小さくなっている。このため比較器１８において、受信回路１３の出力と基準信号４０の出力の関係が反転するタイミングは、送信回路３９の出力を変化させる前後では変わらない。このため、送信出力を自由に変えることができる。例えば電池の残量に応じて送信用超音波振動子１１の出力を小さくし消費電力を低く抑える事ができる。あるいは発電装置（太陽電池、風力発電など）と組み合わせその発電量に応じて送信出力を変えることができる。
【００５２】
以上のように本発明の各実施例によれば、次のような効果が得られる。
【００５３】
受信出力を送信回路にフィードバックしているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、受信部部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく受信用超音波振動子の出力も安定しているので、その出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で消費電流を小さく押さえることも容易である。またフィードバックをかける送信回路は送信用超音波振動子をパルス駆動するので簡単なデジタル回路でよく、電源投入直後から回路が安定するまでの時間も比較的短いので、スリープ動作を効率よく実行することができるという効果がある。
【００５４】
また、送信用超音波振動子の駆動周波数を変化させることによって超音波出力を変化させているので、温度の変動などで超音波振動子の共振周波数が変動した場合でも駆動周波数を共振周波数と同じにすることができるので、超音波振動子の出力が最も大きくなる駆動周波数で駆動することができる。このため、温度特性による周波数変動の大きい超音波振動子を使用することが可能となるという効果がある。
【００５５】
また、前記送信用超音波振動子の駆動電圧を昇圧回路によって超音波出力を安定化しているので、電源電圧以上の幅広い出力コントロールが可能であると同時にその他回路の電圧を低くすることができるので、消費電力を低くすることができるという効果がある。
【００５６】
また、送信用超音波振動子の駆動パルスのデューティ比を変化させることによって超音波の送信出力を安定化しているので、ロスが少なく消費電力の少ない安定した超音波流速計を簡単な回路で実現することができるという効果がある。
【００５７】
また、複数の送信用超音波振動子を切り替え超音波の出力を調節することによって受信回路の出力を一定にしているので、簡単な回路構成で容易に最適な超音波の指向性によって高精度の流速計を実現することができるという効果がある。
【００５８】
また、複数の送信用超音波振動子を積層構造とすることによって超音波振動子を複数並べて設置する必要がないため、音波の干渉が起こらず、超音波の送信方向に指向性が出ることがなく均一分布を持つ超音波の送信が可能になる。
【００５９】
また、超音波振動子の共振周波数と駆動周波数の関係を常に一定として測定を行っているので、受信波形の立ち上がりが安定すると同時に、超音波の送信受信出力レベルを一定にしているので、常に受信波形の同一個所で受信検知をするため、精度のよい超音波流速計を実現することが出来るという効果がある。
【００６０】
また、送信用超音波振動子の超音波出力を小さく設定したときには基準信号をあわせて設定するようにしているので、送信用超音波振動子の出力を小さくし消費電力を低く抑えつつ流速の測定ができるという効果がある。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、受信出力を送信回路にフィードバックしているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。そして、送信用超音波振動子の駆動パルスのデューティ比を変化させることによって超音波の送信出力を安定化しているので、ロスが少なく消費電力の少ない安定した超音波流速計を簡単な回路で実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の超音波流速計のブロック図
【図２】 本発明の実施例１の送信用超音波振動子出力の周波数特性を示す図
【図３】 本発明の実施例２の送信回路の詳細なブロック図
【図４】 本発明の実施例３の送信回路の詳細なブロック図
【図５】 本発明の実施例４の送信回路の詳細なブロック図
【図６】 本発明の実施例５の送信回路の詳細なブロック図
【図７】 本発明の実施例６の送信回路の詳細なブロック図
【図８】 本発明の実施例７の送信回路の詳細なブロック図
【図９】 従来の超音波流量計のブロック図
【符号の説明】
１１ 送信用超音波振動子
１２ 受信用超音波振動子
１３ 受信回路
１４ 送信回路
１５ タイマ
１６ 制御部
１７ 基準信号
１８ 比較器
２２ 可変周波数発振回路
２３ 昇圧回路
２４ 発振回路
２５ ドライブ回路
２６ デューティー変換回路
２７、２８、２９ 複数の送信用超音波振動子
３０ 切り替え部
３３ 積層構造の送信用超音波振動子
３４ 送信回路
３５ 共振周波数検知手段
３６ 可変周波数発振部
３８ 変換部
３９ 送信回路
４０ 基準信号
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて、気体や液体の流速あるいは流速から流量を求める計測器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流速計は、図９に示すように、流体の流れる測定経路１に設置した送信用超音波振動子２と、前記送信用超音波振動子２を駆動する送信回路３と、前記送信回路３の発振開始信号を送ると同時にタイマー４をスタートさせる制御部５と、前記超音波振動子２の上流あるいは下流に設置し前記超音波振動子２の発した超音波を受信する受信用超音波振動子６と、前記受信用超音波振動子６の受信信号を増幅する増幅部７と、前記増幅部７の出力をうけ、前記増幅部７の増幅率を制御する帰還回路８と、前記増幅部７の出力と基準信号９を比較し大小関係が反転したとき前記タイマー４をストップさせる比較器１０からなり、前記タイマー４の計測時間より被測定流体の流速を測定するように構成されている。
【０００３】
そして上記超音波流速計は前記制御部５からのスタート信号によって、前記送信回路３は一定時間パルスを出力し、前記超音波振動子２を駆動する。前記超音波振動子２から発せられた超音波は被測定流体中を伝搬し時間ｔ経過後に前記受信用超音波振動子６によって受信される。この時受信信号のレベルは超音波の伝搬経路の状態によって大きく変化し、測定精度を悪くするので、前記増幅部７の出力を前記帰還回路８によって前記増幅部７にフィードバックし、常に一定の出力を得るようにしている。そしてこの受信信号を、前記比較器１０において前記基準信号９と比較し前記基準信号９と受信信号との電圧の関係が反転したときにストップ信号を前記タイマー４に送り、前記タイマー４をストップさせる。この時の前記タイマー４の時間出力値ｔを（１）式に代入することにより被測定流体の流速ｖを求める（音波送受信器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、ａは受信信号を受けてから比較器９の出力が反転するまでの遅れ時間、超音波振動子から受信用超音波振動子への方向を正とする）。
【０００４】
ｖ＝（Ｌ／（ｔ−ａ））−ｃ （１）
また、前記超音波振動子２と前記受信用超音波振動子６を切り替え、上流から下流へと下流から上流への伝搬時間を測定し、（２）式により速度ｖを求める方法もある（上流から下流への伝搬時間ｔ１、下流から上流への伝搬時間ｔ２）。
【０００５】
ｖ＝Ｌ／２（１／ｔ１−１／ｔ２）＋ａ （２）
この方法によれば温度の変化による音速の変化の影響を受けずに流体の速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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では受信信号を安定化するために増幅部７の増幅率を変化させているので、受信信号が小さいときには増幅率が大きくなり、ノイズ成分も大きく増幅されてしまう。このためＳ／Ｎ比（信号成分とノイズ成分の比率）が悪くなり、測定精度の低下が起こっていた。また、増幅率を変化させるための受信回路も複雑になり、高価なものとなった。さらに回路が複雑であるので消費電流も多くならざるを得ない。特に電池などの電源を長く持たせるためにスリープ動作を採用し消費電力を低く押さえるような使用法では、増幅部７のようなアナログ回路が複雑になると初期流入電流も増えると同時に、電源を入れてから回路が安定状態になるまでの時間が長くなるので、スリープ動作の効率が低くなってしまう。このため電池などを電源とした装置への応用へは不向きであった。
【０００７】
また送信用超音波振動子の共振周波数ｆｒ（以後ｆｒと記す）が温度や個体のばらつき等の要因で変化した場合、受信用超音波振動子で電気信号に変換され出力される波形の立ち上がり特性が変化する。この立ち上がり特性の変化は、駆動周波数とｆｒとの関係が変わるためである。このため基準信号と受信信号の大小関係が反転するタイミングがずれ、測定時間ｔが変動することとなり、正確な測定を行なうことができないという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路を有したものである。
【０００９】
上記発明によれば、受信出力が送信回路にフィードバックされているので、受信回路の出力が小さいときには送信用超音波振動子の出力が大きくなり受信用超音波振動子の出力レベルは一定に制御される。この時受信用超音波振動子の出力は一定となっているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、受信部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく、受信用超音波振動子の出力も安定しているのでその出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で構成して消費電流を小さく押さえることも容易である。また受信出力でフィードバックをかける送信回路は送信用超音波振動子をパルス駆動する簡単なデジタル回路でよく、従って電源投入直後に回路が安定するまでの時間も比較的短くなるので、スリープ動作を効率よく実行することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００１１】
そして、受信出力を送信回路にフィードバックし受信出力が一定となるよう制御しているので、受信回路の出力が小さいときには送信用超音波振動子の出力か大きくなり受信用超音波振動子の出力レベルは一定に制御される。この時受信用超音波振動子の入力は一定となっており、Ｓ／Ｎ比は変化することがないので、測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、受信部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく、受信用超音波振動子の出力も安定しているのでその出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で構成して消費電流を小さく押さえることも容易である。また受信出力でフィードバックをかける送信回路は送信用超音波振動子をパルス駆動する簡単なデジタル回路でよく、電源を投入直後に回路が安定するまでの時間も比較的短くなるので、スリープ動作を効率よく実行することができる。
【００１２】
また送信回路は受信回路の出力を受け送信用超音波振動子を駆動する可変周波数発振回路を有するものである。
【００１３】
そして、受信回路の出力レベルによって可変周波数発振回路の発振周波数が次のように変化する。発振周波数は受信出力が小さいときには送信用超音波振動子の共振周波数から離れ、受信出力が大きいときには送信用超音波振動子の共振周波数に近づく。送信用超音波振動子は駆動周波数が共振周波数に近いほど大きな出力を発生させるので、例えば前記受信回路出力が小さいときには前記送信用超音波振動子の駆動周波数は前記送信用超音波振動子の共振周波数に近づき、前記送信用超音波振動子の出力は大きくなる。そしてこの出力信号を受信している前記受信回路の出力は大きくなる。この変化は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成では送信出力を変化させるため駆動電圧あるいは電流を制御する必要がなく、昇圧あるいは降圧回路は不要であり簡単な回路構成とすることができる。また超音波振動子の共振周波数が温度によって変化した場合であっても受信回路の出力レベルに応じて駆動周波数は追従するので、共振周波数が温度によって大きく変化する超音波振動子でも使用することができる。
【００１４】
また送信回路は受信回路の出力を受け出力電圧をコントロールする昇圧回路と、発振回路と、前記発振回路の出力と前記昇圧回路の出力をうけ送信用超音波振動子を駆動するドライブ回路とを有するものである。
【００１５】
そして、昇圧回路は受信回路の出力によって出力電圧を変化させる。例えば受信回路の出力が小さくなると出力電圧はあがるようになっている。このため、ドライブ回路への出力電圧は大きくなり、ドライブ回路では発振回路出力によって、昇圧回路の出力をパルス波形に変換しているので、ドライブ回路の出力も大きくなる。このため前記送信用超音波振動子の出力は大きくなる。そして、前記受信回路の出力は大きくなり、前記受信回路の出力は一定のレベルとなる。この変化は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成では駆動電圧を昇圧しているので、電源電圧以上の電圧で超音波振動子を駆動することができるので、回路の消費電力を抑制しつつ大きな超音波出力を出力することができる。
【００１６】
また送信回路は発振回路と、前記発振回路の出力と受信回路の出力を受け送信用超音波振動子を駆動するデューティ変換回路とを有するものである。
【００１７】
そして、デューティ変換回路は受信回路の出力によって出力パルスのデューティ比を変化させる。送信用超音波振動子に流れる電流はデューティ比が５０％のとき最も多く流れ、超音波出力が最も大きくなる。そして受信回路の出力が小さい場合デューティ比は５０％に近づくようになっており、受信回路の出力は大きくなる。この変化は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成における超音波出力コントロールのために行うデューティーの変更は、デジタル回路で容易に実現できるので、消費電力の少ない安定した超音波流速計を実現することができるという効果がある。
【００１８】
また複数の送信用超音波振動子と、前記複数の送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力によって発振回路の出力を切り替え駆動する前記送信用超音波振動子の個数を選択する切り替え部と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００１９】
そして、受信回路出力が小さいときには、送信回路で駆動する送信用超音波振動子の数を切り替え部による切り替え動作によって増やし、受信回路出力を大きくするように動作する。この切り替え動作は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この設定値値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。このため受信回路出力を一定とすることができる。この構成では簡単な回路構成で受信出力を一定とすることができる。
【００２０】
また複数の送信用超音波振動子が、複数の超音波振動子を積層構造とした超音波振動子を有するものである。
【００２１】
そして、切り替え部によって受信回路出力が小さいときには送信回路によって駆動する送信用超音波振動子の数を増やし受信回路出力を大きくするように動作する。そして、超音波振動子が積層構造となっているため、多くの超音波振動子が駆動されるほど前記送信用超音波振動子の変位が大きくなり超音波出力が大きくなる。この切り替え動作は受信回路の出力が或る設定値になるまで続き、この値で前記受信回路の出力は一定レベルとなる。この構成では超音波振動子を複数並べる必要がないため、音波の干渉が起こらず、超音波の送信方向に指向性が出ることがなく均一分布を持つ超音波の送信が可能である。
【００２２】
また送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数を検知する共振周波数検知手段と、前記制御部からの信号を受け送信送信回路に出力する可変周波数発振部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００２３】
そして、前記共振周波数検知手段で検知した送信用超音波振動子の共振周波数と前記可変周波数発信部の周波数との関係が常に一定となるように前記制御部で制御しているので、受信回路から出力される受信波形の立ち上がり速度は常に一定に保たれる。同時に受信出力のピークが常に一定となるように前記受信回路出力を前記送信回路へフィードバックしているので、受信波形は常に一定の形となり、基準信号を比較することによって、超音波の伝搬時間を正確に測定することができる。また、超音波振動子の共振周波数と駆動周波数の関係を常に一定として測定を行っているので、受信波形の立ち上がりが安定すると同時に、超音波の送信受信出力レベルを一定にしているので、常に受信波形の同一個所で受信検知をするため、精度のよい超音波流速計を実現することが出来るという効果がある。
【００２４】
また送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を制御部設定信号によってコントロールする変換部と、前記変換部の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る前記制御部と、前記制御部設定信号によって出力を変化させる基準信号と、前記受信回路の出力と前記基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有するものである。
【００２５】
そして、制御部からの信号によって送信回路の出力を低く設定した場合には基準信号の出力も低くなるようになっている。そのため、受信回路の出力は小さくなるが、基準信号の出力も小さくなっているので、比較器によって受信回路の出力と基準信号の出力の関係が反転したと判定するタイミングは送信回路の出力を低く設定する前と変わらない。このため、精度の必要でない測定の時には送信用超音波振動子の出力を小さくし消費電力を低く抑える事ができる。
【００２６】
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお図面中で同一番号を付しているものは同一物であり、同じ動作を行う。
【００２７】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の超音波流速計のブロック図である。また図２は送信用超音波振動子出力の周波数特性を示す図である。
【００２８】
１１は送信用超音波振動子である。前記送信用超音波振動子１１から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力と基準電圧２０の出力とを受け前記送信用超音波振動子１１の出力をコントロールする送信回路１４と、前記送信回路１４とタイマ１５に送信開始信号を送る制御部１６と、前記受信回路１３の出力と基準信号１７とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８とを有するものである。前記送信回路１４は前記受信回路１３の出力の最大値を保持するピークホールド回路１９と、前記ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の出力とを受けドライブ回路２１へ出力する周波数を変化させる可変周波数発振回路２２によって構成されている。
【００２９】
まず前記可変周波数発信回路２２は前記制御部１６から送信開始信号を受けると前記ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０によって決まる発振周波数で３周期だけ発振する。前記可変周波数発振回路２２の出力を受けた前記ドライブ回路２１は前記送信用超音波振動子１１を駆動し超音波を送信する。超音波が出力された後前記ピークホールド回路１９はリセットされ前記受信回路１３の出力がくるのを待つ。また前記制御部１６からの送信開始信号によって前記タイマ１５はリセットされると同時に時間測定を開始する。前記受信用超音波振動子１２で超音波を受信すると、前記受信回路１３で増幅され出力される。この出力を受けた前記ピークホールド回路１９では最大レベルを保持し出力する。また、前記受信回路１３の出力は前記比較器１８で、前記基準信号１７と比較され前記受信回路１３の出力が前記基準信号１７以上となると前記比較器１８の出力によって前記タイマ１５は停止する用になっている。
【００３０】
そして、前記受信回路１３の最大出力を前記送信回路１４の前記可変周波数発振回路２２にフィードバックしている。この構成において（図２）のＡ点で前記送信用超音波振動子１１を駆動し前記受信回路１３の出力が小さいときには、ピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなる。この時可変周波数発信回路２２は発振周波数を上げ、ドライブ回路２４の出力も可変周波数発信回路の出力に応じて周波数が上昇するので、送信用超音波振動子１１の駆動周波数も（図２）のＢ点に近くなり、超音波出力も大きくなる。そして前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、基準電圧と一致したところで一定のレベルとに保持される。
【００３１】
この時前記受信用超音波振動子１２の出力は一定となっているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、前記受信部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく前記受信用超音波振動子の出力も安定しているので、その出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で構成して消費電流を小さく押さえることも容易である。またフィードバックをかける前記送信回路は前記送信用超音波振動子をパルス駆動するので簡単なデジタル回路でよく、従って電源投入直後に回路が安定するまでの時間も比較的短くなるので、スリープ動作を効率よく実行することができる。
【００３２】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の送信回路１４の詳細なブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００３３】
送信回路１４はピークホールド回路１９と基準電圧２０との出力を受け出力電圧をコントロールする昇圧回路２３と、発振回路２４と、前記発振回路２４の出力と前記昇圧回路２３の出力をうけ送信用超音波振動子を駆動するドライブ回路２５とによって構成される。
【００３４】
そして、昇圧回路２２はピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の関係に応じて出力電圧を変化させる。具体的にはピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなると出力電圧を上昇させるようにしている。昇圧回路２２からドライブ回路２５への出力電圧が大きくなると、ドライブ回路２５では発振回路２３の出力によって、昇圧回路２２の出力をパルス波形に変換しているので、ドライブ回路２５の出力も昇圧回路２２の出力に応じて大きくなり、前記送信用超音波振動子１１の出力も大きくなる。そして、前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の電圧とが一致したところで一定のレベルとに保持される。
【００３５】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の送信回路１４の詳細なブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００３６】
送信回路は発振回路２４と、ピークホールド回路１９と、発振回路２４の出力とピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の出力とを受けドライブ回路２５へ出力するデューティ変換回路２６と、デューティ変換回路２６の出力を受けて送信用超音波振動子１１を駆動するドライブ回路２５に出力するを有するものである。
【００３７】
そしてデューティ変換回路２６はピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の関係に応じて出力パルスのデューティ比を変化させる。具体的にはピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなるとデューティ比は５０％に近づくようになっている。送信用超音波振動子１１に流れる電流はデューティ比が５０％のとき最も多く流れ、超音波出力が最も大きくなる。そして、前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の電圧とが一致したところで一定のレベルとに保持される。
【００３８】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の超音波流速計の送信回路のブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００３９】
送信用超音波振動子２７、２８、２９と、前記複数の送信用超音波振動子２７、２８、２９から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力と基準電圧２０の出力との関係によってドライブ回路２５の出力に接続する前記送信用超音波振動子２７、２８、２９を選択する切り替え部３０と、発振回路２４とタイマ１５に送信開始信号を送る制御部１６と、前記受信回路１３の出力と基準信号１７とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８と、ピークホールド回路１９とを有するものである。
【００４０】
そして、切り替え部３０によってピークホールド回路１９と基準電圧２０を比較し、ピークホールド回路１９の出力が小さいときにはドライブ回路２５につながる送信用超音波振動子の数を増やし受信回路１３の出力を大きくするように動作する。具体的にはピークホールド回路１９の出力が基準電圧２０より小さくなるとドライブ回路２５に接続する超音波振動子の数を増やす。ドライブ回路２５によって駆動する超音波振動子の数が増えると、送信用超音波振動子からの出力が大きくなる。そして、前記受信回路１３の出力は大きくなって行き、ピークホールド回路１９の出力と基準電圧２０の電圧とが一致したところでドライブ回路２５で駆動する送信用超音波振動子の数を保持される。
【００４１】
また、それぞれの送信用超音波振動子の向きを適正にすることによってより安定した超音波の送受信を行うことができる。たとえば、受信回路１３の出力が小さくなる原因が超音波が風に流されることであるのならば、風の強さにあわせて少しずつ向きを変えた送信用超音波振動子を配置しその風にあった送信用超音波振動子を切り替え部３０によって選択するようにすればよい。さらにまた送信用超音波振動子の配列によってそれぞれの超音波振動子から発した超音波の干渉により指向性を制御することができるので、その時々の測定に最適な指向性を得ることができる。
【００４２】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５の送信用超音波振動子の図であり、以下図１及び図５と合わせて説明する。
【００４３】
複数の送信用超音波振動子３１、３２、を積層構造とした構成としている。
【００４４】
この構造において、切り替え部３０によってピークホールド回路１９と基準電圧２０を比較し、ピークホールド回路１９の出力が小さいときにはドライブ回路２５につながる送信用超音波振動子の数を増やし受信回路１３の出力を大きくするように動作する。以下実施例４と同じ動作である。
【００４５】
そして、超音波振動子３３が積層構造となっているため、多くの超音波振動子が駆動されるほど前記送信用超音波振動子３３の振動変位が大きくなり超音波出力が大きくなるので、受信回路１３の出力を一定とすることができる。この構成によれば、コンパクトな超音波振動子で超音波出力を切り替えることができる超音波振動子を実現することができる。また超音波振動子を複数個ならべる必要がないため、音波の干渉が起こらず、超音波の送信方向に指向性が出ることがなく均一な超音波の送信が可能である。
【００４６】
（実施例６）
図７は本発明の実施例６の超音波流速計のブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００４７】
また送信用超音波振動子１１と、前記送信用超音波振動子１１から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力を受け前記送信用超音波振動子１１の出力をコントロールする送信回路３４と、前記送信回路３４とタイマ１５に送信開始信号を送る制御部１６と、前記送信用超音波振動子１１の共振周波数を検知する共振周波数検知手段３５と、前記制御部１６からの信号を受け前記送信回路３４に出力する可変周波数発振部３６と、前記受信回路１３の出力と基準信号１７とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８とを有するものである。そして、可変周波数発振部３６の出力を受けたドライブ回路３７は送信用超音波振動子１１を駆動し超音波を送信する。
【００４８】
一般的に、超音波信号の受信波形はなだらかに立ち上がっている。このため、基準信号１７と受信回路１３の出力との交点は受信回路１３の立ち上がり波形によってわずかに前後する。この立ち上がり波形は超音波振動子の共振周波数と駆動周波数との関係から決まっている。このため正確な測定を行うには常に超音波振動子と駆動周波数の関係を一定にしなければならない。ここで本発明では、前記した構成によって、前記共振周波数検知手段３５で検知した送信用超音波振動子１１の共振周波数と前記可変周波数発振部３６の周波数との関係が常に一定となるように前記制御部１６で制御しているので、受信回路１３から出力される受信波形の立ち上がり速度は常に一定に保たれる。具体的には可変周波数発振部３６が、共振周波数検知手段３５で得た共振周波数の情報から一定周波数ずれた発振周波数で発振するように設定している。また、同時に受信出力のピークが常に一定となるように前記受信回路出力１３を前記送信回路３４へフィードバックしているので、受信波形は立ち上がり波形及びレベルともに一定の形となる。このため基準信号１７と受信回路１３の出力を比較することによって、超音波の伝搬時間を正確に測定することができる。ここでは共振周波数検知手段３５で得た共振周波数の情報から一定周波数ずれた発振周波数で発振するように設定しているが、比を一定としてもほぼ同等の効果が得られる。
【００４９】
（実施例７）
図８は本発明の実施例７の超音波流速計のブロック図であり、以下図１と合わせて説明する。
【００５０】
また送信用超音波振動子１１と、前記送信用超音波振動子１１から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子１２と、前記受信用超音波振動子１２の出力を受ける受信回路１３と、前記受信回路１３の出力を制御部設定信号によってコントロールする変換部３８と、前記変換部３８の出力を受け前記送信用超音波振動子１１の出力をコントロールする送信回路３９と、前記送信回路３９とタイマ１５に送信開始信号を送る前記制御部１６と、前記制御部設定信号によって出力を変化させる基準信号４０と、前記受信回路１３の出力と前記基準信号４０とを比較し結果を前記タイマ１５へ出力する比較器１８とを有するものである。
【００５１】
この構成によって、制御部１６からの制御信号を送り送信回路３９の出力を低く設定した場合、基準信号４０の出力も送信回路３９の変化に応じてが低くなる。この場合、送信出力が小さいので受信回路１３の出力は小さくなるが、基準信号４０の出力も小さくなっている。このため比較器１８において、受信回路１３の出力と基準信号４０の出力の関係が反転するタイミングは、送信回路３９の出力を変化させる前後では変わらない。このため、送信出力を自由に変えることができる。例えば電池の残量に応じて送信用超音波振動子１１の出力を小さくし消費電力を低く抑える事ができる。あるいは発電装置（太陽電池、風力発電など）と組み合わせその発電量に応じて送信出力を変えることができる。
【００５２】
以上のように本発明の各実施例によれば、次のような効果が得られる。
【００５３】
受信出力を送信回路にフィードバックしているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。また、受信部部の回路は増幅率のコントロールが不要であるので単純な増幅回路でよく受信用超音波振動子の出力も安定しているので、その出力レベルに合わせて最適設計をすることができる。このため単純な回路で消費電流を小さく押さえることも容易である。またフィードバックをかける送信回路は送信用超音波振動子をパルス駆動するので簡単なデジタル回路でよく、電源投入直後から回路が安定するまでの時間も比較的短いので、スリープ動作を効率よく実行することができるという効果がある。
【００５４】
また、送信用超音波振動子の駆動周波数を変化させることによって超音波出力を変化させているので、温度の変動などで超音波振動子の共振周波数が変動した場合でも駆動周波数を共振周波数と同じにすることができるので、超音波振動子の出力が最も大きくなる駆動周波数で駆動することができる。このため、温度特性による周波数変動の大きい超音波振動子を使用することが可能となるという効果がある。
【００５５】
また、前記送信用超音波振動子の駆動電圧を昇圧回路によって超音波出力を安定化しているので、電源電圧以上の幅広い出力コントロールが可能であると同時にその他回路の電圧を低くすることができるので、消費電力を低くすることができるという効果がある。
【００５６】
また、送信用超音波振動子の駆動パルスのデューティ比を変化させることによって超音波の送信出力を安定化しているので、ロスが少なく消費電力の少ない安定した超音波流速計を簡単な回路で実現することができるという効果がある。
【００５７】
また、複数の送信用超音波振動子を切り替え超音波の出力を調節することによって受信回路の出力を一定にしているので、簡単な回路構成で容易に最適な超音波の指向性によって高精度の流速計を実現することができるという効果がある。
【００５８】
また、複数の送信用超音波振動子を積層構造とすることによって超音波振動子を複数並べて設置する必要がないため、音波の干渉が起こらず、超音波の送信方向に指向性が出ることがなく均一分布を持つ超音波の送信が可能になる。
【００５９】
また、超音波振動子の共振周波数と駆動周波数の関係を常に一定として測定を行っているので、受信波形の立ち上がりが安定すると同時に、超音波の送信受信出力レベルを一定にしているので、常に受信波形の同一個所で受信検知をするため、精度のよい超音波流速計を実現することが出来るという効果がある。
【００６０】
また、送信用超音波振動子の超音波出力を小さく設定したときには基準信号をあわせて設定するようにしているので、送信用超音波振動子の出力を小さくし消費電力を低く抑えつつ流速の測定ができるという効果がある。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、受信出力を送信回路にフィードバックしているので、Ｓ／Ｎ比は変化することがなく測定精度を落とすことなく安定した測定を行う事ができる。そして、送信用超音波振動子の駆動パルスのデューティ比を変化させることによって超音波の送信出力を安定化しているので、ロスが少なく消費電力の少ない安定した超音波流速計を簡単な回路で実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の超音波流速計のブロック図
【図２】 本発明の実施例１の送信用超音波振動子出力の周波数特性を示す図
【図３】 本発明の実施例２の送信回路の詳細なブロック図
【図４】 本発明の実施例３の送信回路の詳細なブロック図
【図５】 本発明の実施例４の送信回路の詳細なブロック図
【図６】 本発明の実施例５の送信回路の詳細なブロック図
【図７】 本発明の実施例６の送信回路の詳細なブロック図
【図８】 本発明の実施例７の送信回路の詳細なブロック図
【図９】 従来の超音波流量計のブロック図
【符号の説明】
１１ 送信用超音波振動子
１２ 受信用超音波振動子
１３ 受信回路
１４ 送信回路
１５ タイマ
１６ 制御部
１７ 基準信号
１８ 比較器
２２ 可変周波数発振回路
２３ 昇圧回路
２４ 発振回路
２５ ドライブ回路
２６ デューティー変換回路
２７、２８、２９ 複数の送信用超音波振動子
３０ 切り替え部
３３ 積層構造の送信用超音波振動子
３４ 送信回路
３５ 共振周波数検知手段
３６ 可変周波数発振部
３８ 変換部
３９ 送信回路
４０ 基準信号
Claims (4)
- 送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有し、前記送信回路は、前記発振回路と、前記発振回路の出力と前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子を駆動するデューティ変換回路とを有する超音波流速計。
- 複数の送信用超音波振動子と、前記複数の送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力によって発振回路の出力を切り替え駆動する前記送信用超音波振動子の個数を選択する切り替え部と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有する超音波流速計。
- 複数の送信用超音波振動子が、複数の超音波振動子を積層構造とした超音波振動子である請求項２記載の超音波流速計。
- 送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子から発信した超音波を受ける受信用超音波振動子と、前記受信用超音波振動子の出力を受ける受信回路と、前記受信回路の出力を受け前記送信用超音波振動子の出力をコントロールする送信回路と、前記送信回路とタイマに送信開始信号を送る制御部と、前記送信用超音波振動子の共振周波数を検知し前記制御部へ出力する共振周波数検知手段と、前記制御部からの信号を受け送信回路に出力する可変周波数発振部と、前記受信回路の出力と基準信号とを比較し結果を前記タイマへ出力する比較器とを有し、前記制御部は、前記共振周波数検知手段で検知した前記送信用超音波振動子の共振周波数と前記可変周波数発信部の周波数との関係が一定となるように制御する超音波流速計。
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