JP3999203B2 - パルス発生器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前置きに記載したパルス発生器に関する。

そのようなパルス発生器は、超音波やレーダーのアプリケーションに関連してプロセスオートメーションの分野における多くのアプリケーションに利用される。
従って、超音波流量計測器は、簡単に、配管内の体積流量を非接触で知ることができる。

公知の超音波流量計測器は、ドップラーの原理または移動時間差の原理のいずれかに基づいている。
移動時間差の原理について言えば、液体の流れの方向に対して、超音波パルスの異なる移動時間を測定する。

このため、超音波パルスは、流れの方向及びその逆方向に伝送する。移動時間差から、流速を知ることができ、これによって配管部分の直径を用いて体積流量を得る。
ドップラーの原理の場合について言えば、与えられた周波数の超音波が液体に取り込まれ、その液体から戻ってくる超音波を測定する。取り込まれる超音波と戻ってくる超音波との周波数シフトから、液体の流速を測定することができる。

液体内での反射は、細かい気泡または不純物が混入しているときだけ生じるので、この原理は、主に汚染液体の場合に利用する。
超音波は、いわゆる超音波送受波器によって生成され、または受信される。このために、超音波送受波器は重要な配管部分の壁面にしっかりと設置される。近年では、締め付け式の超音波計測システムが使用されている。このようなシステムの場合、超音波送受波器はクランプファスナーだけを利用してチューブ壁に固定される。そのようなシステムとしては、例えばＥＰ−Ｂ−６８６ ２５５や米国特許４，４８４，４７８及び４，５９８，５９３などが知られている。

移動時間差を利用した他の超音波流量計測器は、米国特許５，０５２，２３０が知られている。この場合の移動時間差は、短い超音波パルスのようなバースト（burst）を利用して計測される。

超音波送受波器は、通常、ピエゾ素子と結合くさび（coupling wedge）から構成される。超音波はピエゾ素子中で生成され、結合くさびを経由して配管壁に伝わる。そして、そこから、液体に伝わる。液体中とプラスティック中の音速は異なるため、超音波は一つの媒体から他方の媒体に移るところで屈折する。屈折角は、Ｓｎｅｌｌの法則によって決定される。屈折角は、その結果、二つの媒体中の伝播速度の割合に依存する。

しばしば、超音波流量計測器は、防爆地域で使われる。これらの地域では、引火しやすいガスがあるため、引火は避けられなければならない。防爆地域には、植物や人を危険にさらさないようにするために、かかる安全な規格がある。爆発を起こすのに足りる電圧、電流、インダクタンスまたはキャパシタンスを超えるような値になると、引火プロセスが誘発され、ガスの引火が起こりえる。十分に正確に測定するには、高いパルス電圧が必要である。低いパルス電圧では、信号評価は非常に難しい。防爆地域は、従来の安全基準において、異なる安全基準によって管理されている異なる地域に分割される。電圧パルスの生成を管理する制御ロジックの故障の場合、バースト毎のパルス周期数がとても大きくなりすぎ、または、パルス周波数が高くなりすぎ、または、バースト反復率が高くなりすぎるというのは、問題外どころではない。これらすべてのケースがガス引火を引き起こす可能性がある。同様に、常に電圧供給ユニットの電圧の出力がある状況は、回避されなければならない。

従って、この発明の目的は、超音波流量計測器を提供し、防爆地域において安全なアプリケーションを可能とすることにある。
この目的は、請求項１記載の特徴によって達成される。すなわち、請求項１記載の発明は、電圧供給ユニット（Ｓ）と入力側で接続されたスイッチ（ＳＲ）を制御パルスによって駆動し、パルス電圧を出力側に送信する、コントロールロジック（ＳＬ）を含むパルス生成器（Ｐ）であって、上記コントロールロジック（ＳＬ）と上記スイッチ（ＳＲ）の間に、上記制御パルスのパルス周波数が低すぎる場合に上記パルス電圧を減少させるキャパシタ（Ｃ０１）が接続され、上記電圧制御ユニット（Ｓ）と上記スイッチ（ＳＲ）の間に、上記制御パルスの反復率が高すぎる場合に上記パルス電圧を減少させるＲＣ部材が配置されており、このＲＣ部材は、引火を不可能にする時定数を備えることを特徴とするものである。

発明の更なる特長は、従属の請求項によって達成される。
本発明における本質的な考えは、電圧供給ユニットとスイッチの間にＲＣ部材を配置することで、スイッチが高すぎる反復率で駆動される場合にパルス電圧を減少させるようにし、また、コントロールロジックとスイッチの間にキャパシタを配置することで、コントロールパルスのパルス周波数が低すぎる場合にパルス電圧を減少させるようにすることである。

以下、図面を参照して、詳細に本発明の実施例を説明する。
図１は、二つの超音波送受波器２、３を備えた超音波流量計測器を簡略化して示したもので、超音波送受波器２、３は、配管１の上に配置され、軸に平行に互いに離して置かれる。配管１中の液体Ｆは、矢印の方向に流れている。

この超音波送受波器の組は、異なる二つの方法で動作可能である。超音波送受波器２を送信器にして超音波送受波器３を受信器として動作させるか、または超音波送受波器３を送信器にして超音波送受器２を受信器として動作させることができ、このような構成で、測定を、流れの方向とその逆方向とに交代で行う。

各超音波送受波器２、３は、ピエゾ素子Ｐ２，Ｐ３と、超音波の信号を９０度以下の角度αで配管壁に結合させるための結合素子２１、３１から構成される。角度αは、全反射なしで、できるだけ多くの配管材料に同時に超音波を結合させることができるように、媒体の中でできるだけ水平な角度になるものが選ばれる。

ピエゾ素子Ｐ２、Ｐ３は、実際の超音波信号である超音波パルスを機械的な振動に変換するかあるいはその逆に、機械的な振動を電気的振動に変換する。
二つの超音波送受波器２、３はリード２３、３３を介して、パルス生成器を含む計測回路１００に接続する。電気パルスはリード２３、３３に供給される。

ピエゾ素子を駆動する電圧パルスは、コントロールロジックＳＬ，スイッチＳＲおよび電圧供給ユニットＳ（図２）から成るパルス生成器Ｐを利用して生成される。コントロールロジックＳＬは、スイッチを操作する制御信号を供給する。電圧パルスは、スイッチＳＲをオン、オフすることで生成される。パルス電圧の振幅は、電圧供給ユニットＳの出力電圧による通常動作状態において決定される。

コントロールロジックＳＬは、バーストごとの周期数、パルス周波数及びバースト反復率を決定する。これらの設定値は可変であり、コントロールロジックＳＬのデータレコードに記録される。設定値は、マイクロプロセッサμＣによって変更されうる。

電圧供給ユニットＳは、レジスタンスＲ１とキャパシタＣ１から成るＲＣ部材ＲＣを介して、スイッチＳＲとしての機能を果たす電界効果トランジスタＦＥＴ（field effect transistor）の入力Ｅ１に結合する。コントロールロジックＳＬも、二つのキャパシタＣ０１及びＣ０２を介して、ＦＥＴの第二の入力であるＥ２に結合する。ＦＥＴの出力Ａ１は、レジスタンスＡ３を介して超音波送受波器２に結合される。基本的に超音波送受波器２は、受動もしくは能動素子（レジスタンス、インダクタンス、ダイオード）を備えた回路中にあるピエゾ素子から構成される。コントロールロジックＳＬは、マイクロプロセッサμＣによって駆動される。パルス生成器Ｐは、バイポーラ電圧パルスを生成するので、回路の上部の部分は、下部と酷似している。

本発明の動作について、より詳細に説明する。コントロールロジックＳＬは、スイッチＳＲを操作する制御パルスを送信する。コントロールロジックＳＬは、通常、電圧パルスを、バーストの反復率が１から１０ミリセコンドで、パルス周波数が数百キロヘルツになるように調節する。図３ａは、パルス電圧対時間のグラフを示したものである。ここではパルス周波数は５００キロヘルツである。バーストは５パルスあり、バーストの反復率は５ミリセコンドである。電圧供給ユニットＳの出力電圧であるパルス電圧の振幅は３０ボルトである。

コントロールロジックＳＬの故障により、パルス周波数が小さくなりすぎることがある。図３ｂはそのような場合について示している。すなわち、パルス周波数は５０キロヘルツにしか達しない。明らかに、パルス電圧の振幅が個々のパルスで急激に傾いている。パルス電圧は、５パルスの後にはじめの値から半分以上減少した。

また、コントロールロジックＳＬの他の故障により、反復率が高くなりすぎることがある。図３ｃはそのような場合について示している。ここで、反復率は１００マイクロ秒になる。パルス電圧の振幅はおよそ５ボルトしかない。

本発明のパルス生成器の助けをかりれば、コントロールロジックＳＬの故障にもかかわらず、防爆地域においてさえも安全に動作することが可能である。本発明のパルス生成器は、超音波分野だけでなくレーダー分野などにおけるさまざまなアプリケーションに適用が可能である。

図１は、本発明の超音波流量計測器の概略図である。 図２は、本発明の超音波流量計測器のためのパルス発生器の回路図である。 図３は、図３ａ、図３ｂ、図３ｃから成り、コントロールロジックの異なる動作に対する、パルス電圧対時間のグラフを示す図である。

Claims (5)

1. 電圧供給ユニット（Ｓ）と入力側で接続されたスイッチ（ＳＲ）を制御パルスによって駆動し、パルス電圧を出力側に送信する、コントロールロジック（ＳＬ）を含むパルス生成器（Ｐ）であって、
   前記コントロールロジック（ＳＬ）と前記スイッチ（ＳＲ）の間に、前記制御パルスのパルス周波数が低すぎる場合に前記パルス電圧を減少させるキャパシタ（Ｃ０１）が接続され、
   前記電圧制御ユニット（Ｓ）と前記スイッチ（ＳＲ）の間に、前記制御パルスの反復率が高すぎる場合に前記パルス電圧を減少させるＲＣ部材が配置されており、該ＲＣ部材は、引火を不可能にする時定数を備えることを特徴とするパルス生成器。
2. 前記スイッチ（ＳＲ）は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計測器のためのパルス生成器。
3. 限流出力抵抗（Ａ３）が、前記スイッチ（ＳＲ）の後に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス生成器。
4. バイポーラ電圧パルスが生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパルス生成器。
5. 超音波流量計測器に適用されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパルス生成器。

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