JP4020455B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体中の超音波の伝播方向を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流量を求め積算する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定原理の一例として、図１３に示すように、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方の送受波器２への順方向伝播時間ｔ1 は、静止流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、
ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）
となる。
【０００３】
また、送受波器２から送受波器１への逆方向伝播時間ｔ2 は、
ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）
となる。
【０００４】
伝播時間ｔ1 とｔ2 とから流速Ｖを、
Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ1 ）−（１／ｔ2 ）｝
として求めていた。
【０００５】
上述の測定原理において、超音波が受信側の送受波器に到達する時期、つまり到達ポイントを特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロス点を検知するようにしたものがある。
【０００６】
図１４は発信のタイミングを示す発信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示している。
【０００７】
ａが到達点で、徐々に振幅が大きくなる。その後最大振幅となり徐々に小さくなる。
ところが到達点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次のような方法が行われている。
【０００８】
ノイズより十分大きな基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHを決め、このレベルに最初に達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検知とする方法である。
【０００９】
しきい値ＶTHは常に何番目かのある特定の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するように定めてあり、実際の到達時間ｔは、ａ点からｃ点までの時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ＋τに相当する値から時間τを減算することにより求めている。
【００１０】
ところが、受信波の大きさは測定する気体の圧力や、或いは超音波送受波器を構成する振動子の個々の特性によって異なる。その結果、個々のしきい値ＶTHの調整はもちろん、場合によっては設置場所毎に現地でしきい値ＶTHや、受信側の送受波器で得た信号を増幅する増幅器の増幅率の調整が必要となる。
【００１１】
そこで、自動的に最適なしきい値ＶTHにできるいくつかの方法が模索されている。
その一つは、ピーク値ホールド回路やオートゲインコントロール回路を用いて受信波のピーク値が常に一定の大きさになるよう増幅器のゲイン（前記増幅率）を調整して、狙った波をしきい値ＶTHで捉えるようにすることで、受信波の方をしきい値ＶTHに合わせる方法である。
【００１２】
もう一つは、直前の受信波のピーク値をホールドし、そのピーク値の電圧に一定値を掛けた値をしきい値ＶTHとして使う方法である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法は、消費電流の大きいアナログ回路部が大きくなってコスト高になる。また、ある特定電圧を一定時間ホールドしている必要があるとか、或いはしきい値ＶTHを決めるために、測定とは別の超音波の送受を行う必要があるため、低消費電流にすることが難しいなどの問題点があった。
【００１４】
そこで、本発明はこれらの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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
一方が他方の一定倍の関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを到達ポイントとすることを特徴とする超音波流量計である。
【００１６】
受信波はその先頭から第１波、第２波、第３波、第４波、第５波、第６波、第７波と次第にそのピークが大きくなる。このピークの電圧の大きくなる度合いは最初ほど大きくだんだん小さくなる傾向がある。つまり、ピークの大きさを比較すると、第１波側なら、第３波／第１波が最大で第５波／第３波、第７波／第３波と段々小さくなる。第２波側なら第４波／第２波が最大で第６波／第尾４波、第８波／第６波と小さくなる。
【００１７】
なお、第３波／第１波と表現した比率は厳密には第３波のピーク値と第１波のピーク値との比率である（第３波のピーク／第１波のピーク）を簡略化して表現したもので、他の比率についても同様に簡略化した表現で示している。
【００１８】
上記各比率は流体の圧力等で全体の振幅が変化してもほとんど変化しないことが実験等で確認されている。特に第３波／第１波および第４波／第２波は他の比率に比べ十分大きいため区別が容易である。
【００１９】
図１で説明する。この図は大中小の３つの振幅の事例の場合を第５波まで重ねて表示している。それぞれ第３波は第１波の３倍、第５波は第３波の２倍の大きさである。
【００２０】
仮に、基準電圧レベルＶTHを指数関数的に、下から１００ｍＶ、１２６ｍＶ、１５９ｍＶ、２００ｍＶ、２５１ｍＶ、３１６ｍＶ、３９８ｍＶ、５００ｍＶ、６２９ｍＶ、７９１ｍＶ、９９４ｍＶ、１２５０ｍＶのように約１．２６倍ずつ大きくなるようＶTH１からＶTH１２まで決めると、ＶTH１に対しＶTH５のように４つ上のレベルがそのレベルの２．５倍の電圧となり、ペアとしている。
【００２１】
振幅小の場合、ある波が（第３波と最初は分かっていない）ＶTH２を初めて越える（第１波はＶTH１を越えただけである）。その波は一気にＶ TH ６まで越えている。つまり、ＶTH２のペアのＶTH６も越えている。よって、この波のピークは前の波のピークの２．５倍以上あることがわかる。この条件を満たすのは第３波だけである。よって、その時点でそれが第３波と検知でき、そのゼロクロス点を受信検知点とする。
【００２２】
振幅大と中の場合でもそれぞれＶTH５とＶTH９、ＶTH７とＶTH１１の各ペアを一気に越えるのでその波が第３波と判断可能である。このように、振幅が流体圧力等の違いにより異なっても、どれかのペアが第３波を捉えることができ、ＶTHの調整をすることなく第３波を捉えることができる。
【００２３】
この例では第１波側を正とし正側に基準電圧レベルを設置して第３波を捉えるようにしたが、負側に基準レベルを設置して第４波を捉えるようにすることもできるし、受信波の極性を逆にして正側で第４波あるいは負側で第３波を捉えるようにしてもよい。
【００２４】
この発明では、アナログ回路部は増幅部の他に各基準電圧との比較部のみで構成でき、しかも受信時に一瞬機能させるだけでよく、ピーク値ホールドのようにある特定の電圧を一定時間保持するような必要がないため低消費電力化が容易である。
【００２５】
請求項２の発明は、
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとすることを特徴とする超音波流量計である。
【００２６】
この発明では伝播時間計測の分解能を上げるために、単純に送信から受信までの時間ｔを測るのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間ｔをｎ回連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔを測定する。
【００２７】
この場合、特にピーク値等のホールド回路は低消費電力化の妨げとなる。
それは伝播時間測定に時間が掛かるためである。ｔという時間はＬ＝２００ｍｍ程度の流量計では、１ｍｓｅｃ以内の値であるが、ｎが５０とか１００いう値となるとｎｔはかなり長い時間となり、この間ずっとある一定の電圧をホールドすることは大きな電力消費となるからである。
【００２８】
この発明では、受信時に一瞬機能させればよい比較回路のみで要部を構成できるため低消費電流化が容易である。
請求項３の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、第１回目の受信は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、第２回目以降の受信は各基準レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００２９】
この発明も、伝播時間計測の分解能を上げるために、単純に送信から受信までの時間ｔを測るのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間ｔをｎ回連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔを測定するようにしている。
【００３０】
前述のように、１回の送受の到達時間ｔはきわめて短い時間である。したがって、連続した送受の到達時間の差はほとんどないと考えられる。よって、第１の送信からその受信までの時間がｔ１１であった場合、第２の受信波が到達するのは第１の受信とともに行われる第２の送信後、およそｔ１１たったところである。したがって、その点に最も近いゼロクロスポイントを受信検知点とする。
【００３１】
第３の送受に関しても同様で、第２の送受の到達時間ｔ１２を用いて第３の受信点を予想する。以下同じである（図２参照）。
これによれば、第２の受信以降はゼロレベルとの比較のみで複数の基準レベルとの比較は行わない。よって、基準レベルとの比較部を機能させる必要がないためさらに低消費電力化が可能である。
【００３２】
請求項４の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、連続する到達時間の差より、特定の波を捉えたと判断したときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００３３】
請求項５の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、連続する到達時間の差より、特定の波を決められた回数連続して捉えたと判断したとき、あるいは特定の波を一定頻度以上で捉えたと判断したときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
この発明ではノイズ等で、第３波／第１波等各波の比率が一時的に乱れても確実にねらった波を捉えられるようにするもので、確実にねらった波、例えば第３波を捉えたと判断したとき、その到達時間を基準に以後の測定をおこなう。
【００３４】
前述のように、特定の波を捉えている限り、連続する送受の到達時間の差はほとんどない。ある瞬間、別の波を捉えた場合、１波長分大きくなったり小さくなったりする。
【００３５】
通常のノイズでは問題なくねらった波を捉えることができるよう設計されているので、ねらった波を捉える確率が最も高い。したがって、特定の波を連続して捉えていると判断できた場合、あるいは、特定の波を一定頻度以上で捉えたと判断できたとき、その波がねらった波と判定できる。
【００３６】
また、ノイズにより、どの基準電圧のペアもねらった波を検知できないこともあり得るが、その場合、一定時間経過しても受信検知できない。このときは再び送信側の送受波器を発信させることにより復帰できる。
【００３７】
一旦、ねらった波を捉えたと判断した後は、請求項３の発明の第２の受信以降と同様であり、確実にねらった波を捉えることができ、低消費電力化が可能となる。
【００３８】
αは半波長に相当する時間程度に決めることができる（図３参照）。
請求項６の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、前後する到達時間の差が一定値より小さいことが、連続して一定回数起こったときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
請求項７の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、前後する到達時間の差が一定値より小さいことが起こったときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
請求項８の発明は、請求項４，５，６又は７の超音波流量計において、各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、一定時間経過しても受信を検知しないときは再度送信側の送受波器を発信するように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６又は７の超音波流量計において、一定値を超音波の半周期としたことを特徴とするものである。
そして、請求項１０の発明は、請求項３〜９の何れかの超音波流量計において、受信波検知部が、一方が他方の一定倍の電圧である関係をもつペアの基準電圧レベルが入力されている複数の比較部を備えており、
受信波検知部が狙った波を捉えたら、前記比較部への電源供給を止めることを特徴とするものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態をいくつかの実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
請求項２の発明に対する実施例１を図４〜図６に従って説明する。
【００４０】
図４は全体のブロック図、図５は図４の受信波検知部の要部電気回路図、図６は受信波検知部のタイミング図である。
送受波器１と２はそれぞれ超音波振動子で構成されていて、送信にも受信にも使用できる。
【００４１】
両送受波器は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。受信波検知部４は受信側の送受波器が接続され受信波を検知すると受信波検知信号を出力する。送受波器駆動部５はコントロール部６より第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器をまず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知信号を受ける度に駆動する。ただし第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。
【００４２】
本実施例では無意味なｎ＋１回目の駆動を行ってしまうようになっているが、受信側で無視するので問題はない。
カウンタ７は受信検知部４からの受信波検知信号をカウントしｎ番目の受信波検知信号を出力する。このカウンタ７はコントロール部６よりの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。
【００４３】
第２のカウンタ８は第１送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定する。その時間（カウント値）はコントロール部６が読み取る。この例では第１送信指令信号でカウント値がゼロクリアされ、カウントを開始するように構成されている。
【００４４】
コントロール部６は一定間隔で送受切替信号を反転させて２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。
各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力する。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、カウンタ８の測定（カウント値）を読み取り、直前に行った逆向きでの測定値とを用いて、その間の流速流量を演算する。
【００４５】
図５は、受信波検知部４の、接続された送受波器からの信号を増幅後の構成である。各比較部１１〜１８にはペアとなる２つの基準電圧レベル、即ち前述の図１のＶTH１〜ＶTH１２までの電圧よりペアになる２電圧が選ばれて入力されている。
【００４６】
比較部は図５の四角で囲まれた構成で、タイミングは図６のようになる。本タイミングは第３波を捉えた時の波形である。
比較部のどれかが第３波を捉えてＯＲ回路１９の出力が“Ｈｉｇｈ”になると、ＲＳＦＦ２０の出力Ｑは一旦“Ｌｏｗ”になり、Ｓ入力であるゼロクロス検知用比較器２１の出力が受信波のゼロクロス点を検知し、“Ｈｉｇｈ”となるとともに出力Ｑは再び“Ｈｉｇｈ”になる。
【００４７】
その立上りエッジを検知した信号が受信波検知信号となっている。
ＶB より第１波が大きかった場合、比較部のカウンタの値が“２”となり、つまりＱ１が“Ｌｏｗ”となり出力信号はでない（“Ｈｉｇｈ”とならない）。また、第３波がＶA より小さい場合も出力は出ないように構成されている。
【００４８】
各比較部が異なる基準電圧レベルで動作するため、圧力変動等で受信波の振幅が変動しても８個の比較部のうちどれかが第３波を捉えるようになっている。
また、比較部のカウンタは受信波検知信号でリセットされ次の受信に備えるようになっている。
【００４９】
〔実施例２〕
請求項３の発明に対応する実施例２を図７と図８に従って説明する。
図７の全体の構成は図４とほぼ同じであるが、第１送信指令信号が受信波検知部４に入力される点が異なる。
【００５０】
受信波検知部４の構成を図８に示す。図５と同様に接続された送受波器からの受信波を増幅後の構成である。
各比較部１１〜１８は図５と同様である。どれかの比較部が第３波を捉えるとＯＲ回路１９の出力が“Ｈｉｇｈ”となる。
【００５１】
第１送信指令信号が入力されると、ＲＳＦＦ２２はリセットされてそのＱ出力は“Ｌｏｗ”となり、スイッチＳＷはＯＲ回路１９の出力を選択する。
ＯＲ回路１９の出力が“Ｈｉｇｈ”となると、この出力信号はスイッチＳＷを介してＲＳＦＦ２３のＲ入力に入力されてＲＳＦＦ２３の出力Ｑが“Ｌｏｗ”となる。
【００５２】
さらに受信波がゼロクロスしたところでゼロクロス検知用比較器２１より出力される信号がＲＳＦＦ２３のＳ入力に入力され出力Ｑは“Ｈｉｇｈ”となり、立上りエッジ検知され受信波検知信号として出力される。
【００５３】
この信号はＲＳＦＦ２２のＳ入力となっていてＲＳＦＦ２２の出力Ｑは“Ｈｉｇｈ”となり、スイッチＳＷは切り替わり、ＲＳＦＦ２３のＲ入力へのデジタル比較器２４のＡ＝Ｂ出力が入力されるようになる。
【００５４】
また前記受信波検知信号は記憶器２５のラッチ入力となっていて、この瞬間のカウンタ値ｔ１１を記憶する。さらに、受信検知信号はＯＲゲート２６を介してカウンタ２７をリセットするよう構成されていて（ラッチ後リセットする）、到達時間を記憶器２５が記憶するとリセットされ次の到達時間の測定に移るようになっている。
【００５５】
減算器２８は記憶器で記憶された値（カウント値）がＣ入力として入力されていて、もう一方にαが入力されている。そして、Ｃ−α（ｔ１１−α）がデジタル比較部２４のＢ入力に出力されている。
【００５６】
またカウンタ２７の出力がＡ入力としてデジタル比較部２４に入力されていて、そのＡＢの入力が等しくなると、Ａ＝Ｂ出力が“Ｈｉｇｈ”となる。
カウント２７のカウントが進み、ｔ１１−αと等しくなると、Ａ＝Ｂ出力が“Ｈｉｇｈ”となりＲＳＦＦ２３の出力Ｑは“Ｌｏｗ”となり次のゼロクロスを待つ状態になる。
【００５７】
そして実際にゼロクロスするとき、ゼロクロス検知用比較器２１の出力によりＲＳＦＦ２３の出力Ｑが“Ｈｉｇｈ”となり再び受信波検知信号が出力される。
ここで、再びｔ１２が記憶される。以下は同じである。
【００５８】
αは超音波の約半周期分の時間とした。
発信器２９はこの半周期分を検知できる周波数でよく、また精度もそれほど要求されない。また、カウンタ８用の基準クロックあるいはその分周したものも使用可能である。
【００５９】
また、ＲＳＦＦ２２の出力Ｑは比較部ＯＦＦ信号として使われていて、８つの比較部１１〜１８は、ＲＳＦＦ２２の出力Ｑが“Ｈｉｇｈ”となりスイッチＳＷが図示の状態から切り替わり非選択状態になると電源供給が止められ機能を停止して電力消費を押さえるよう構成されている。
【００６０】
〔実施例３〕
次に請求項４の発明に対応する実施例３を図９〜図１２に従って説明する。
本実施例では到達時間が連続してほぼ同じ値になればねらった波を捉えたとしている。カウンタ７はコントロール部６よりの再スタート信号でリセットされるようになっていて、その後のｎ＋１番目の受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号を出力する。
【００６１】
カウンタ８は再スタート信号入力後の受信波検知信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定してコントロール部６へ出力するようになっている。
受信波検知部４は図１０のように構成されていて、記憶器２５の出力がコントロール部に入力されている。
【００６２】
ＲＳＦＦ２２のＲ入力には第１送信指令信号と再スタート信号のＯＲ信号が入力されている。また、このＯＲ信号は比較部１１〜１８のカウンタのリセット信号となっている。
【００６３】
本実施例ではコントロール部６としてマイクロコンピュータを使用している。マイクロコンピュータは、まず送受の向きをセットすると、その切り替え時のノイズが十分小さくなる時間後に第１送信指令信号を出力する。このとき少し遅れて再スタート信号も出力する。
【００６４】
受信波検知信号は割り込みとしてコントロール部６へ入力される。そのときの動きを図１１にフローチャートで示す。また、図１２にタイミングチャートを示す。
【００６５】
βは超音波の半周期程度に相当するカウント値である。この実施例ではｍ＝１とした。つまり、１回でも差がβ以下になればねらった波を捉えたとした。
最初の本割り込みではｔ′１１が読み取れる。前回値としてはゼロがセットされるようになっているため差はβより大きくなる。よって、連続数はクリアされゼロとなり、コントロール部６は再スタート信号を出力する。
【００６６】
よって、受信波検知部のスイッチＳＷは一旦ＯＲ回路１９の出力を選択する側に切り替えるが、またゼロクロス検知用比較器２１の出力選択に戻される。
受信波検知信号を受けてカウントを開始したカウンタ８は、またもとの待機状態（カウントスタートの信号となる受信波検知信号を待つ状態）となる。
【００６７】
また前回値としてｔ′１１が記憶される。
次の割り込み時はｔ′１２を読み取る。ここではねらった波を捉えていないとする。よって、ｔ′１１−ｔ′１２はβより大きくなる。よって前回同様に連続数はゼロクリアされ再スタート信号が出力される。また、ｔ′１２が前回値として記憶される。
【００６８】
次の割り込みでも差がβより大きいため同様である。ここではｔ′１３が記憶される。
その次の割り込みにおいてｔ′１４が読み取られ｜ｔ′１３−ｔ′１４｜がβより小さくなる。本実施例ではｍ＝１としたため連続数が＋１され１になった時点でねらった波が捉えられたと判定される。ｍがもっと大きな値にセットされた場合は連続数がｍとならないうちは再スタート信号が出力される。
【００６９】
ねらった波が捉えられたと判定されると、本割り込みすなわち受信波検知信号割り込みはマスクされ不許可となり、以後許可されるまでは受信波検知信号が入力されてもこの動きはしない。
【００７０】
実際の測定はｔ′１４の受信時スタートしたことになる。
以後は実施例２と同じである。ｔ１１はｔ′１４の受信時（次の送信時）よりｔ′１４−α経過後の最初のゼロクロス点となる。
【００７１】
カウンタ７は実質測定スタート時点の受信波検知信号を１と数えるためｎ＋１回目が前記解決手段で述べた請求項３の発明におけるｎ番目に相当する。
なお、ｍを２以上に限るなら連続数がｍ−１となった時、再スタート信号を出力しないようにすることで、正しく波を捉えたと判断できた送受を第１の送受とすることが可能である。
【００７２】
【発明の効果】
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、特別の調整をしなくても流体の圧力変動等による受信波振幅の変動に対応できる。
【００７３】
また、ノイズ等で受信波が一時的に歪んでも、間違った波を捉えてしまう虞れがなく、確実な測定ができる。
さらにまた、アナログ回路部が増幅と比較のみで構成でき、しかも受信時のみ機能させればよい。従来技術のように、ピーク値をホールドしてその値より基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHを発生させるやりかたでは前回の受信のピーク値を今回の受信時までホールドするために比較的長時間にわたりアナログ回路部を動作させる必要があったが、本発明ではこのような必要がない。従って低消費電流（電力）化が可能で、電池が小さくても良いことになり、低コストにできる。
【００７４】
その結果、電池駆動が可能となると共に、信号に対しある程度のノイズを許容できる点から流量計の信頼性を向上できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波流量計の作用を説明するための、受信波の波形と基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHとの関係を示す線図である。
【図２】本発明の作用を説明する信号波形図である。
【図３】本発明の作用を説明する受信波形図である。
【図４】本発明の実施例１のブロック図である。
【図５】図４の実施例１の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図６】図５の電気回路のタイミング図である。
【図７】本発明の実施例２のブロック図である。
【図８】図７の実施例２の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図９】本発明の実施例３のブロック図である。
【図１０】図９の実施例３の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図１１】図９の実施例３の動きを説明するフローチャートである。
【図１２】図９の実施例３の作用を説明するタイミング図である。
【図１３】超音波流量計の原理を説明する略図である。
【図１４】従来の超音波流量計の受信波検知部の動作を説明する電気信号波形を示す線図である。
【符号の説明】
１，２ 超音波送受波器
３ 流管
４ 受信波検知部
５ 送波器駆動部
６ コントロール部
７ 第１のカウンタ
８ 第２のカウンタ
ｃ 受信波検知ポイント
【発明の属する技術分野】
本発明は流体中の超音波の伝播方向を、上流から下流（順方向）と下流から上流（逆方向）の両方について測定して流速を算出し、さらに流量を求め積算する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定原理の一例として、図１３に示すように、流体中に距離Ｌを離して流管３の上流と下流に配置した１組の超音波送受波器の一方の送受波器１から他方の送受波器２への順方向伝播時間ｔ1 は、静止流体中の超音波の音速をＣ、流体の流れの速さをＶとすると、
ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）
となる。
【０００３】
また、送受波器２から送受波器１への逆方向伝播時間ｔ2 は、
ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖ）
となる。
【０００４】
伝播時間ｔ1 とｔ2 とから流速Ｖを、
Ｖ＝（Ｌ／２）｛（１／ｔ1 ）−（１／ｔ2 ）｝
として求めていた。
【０００５】
上述の測定原理において、超音波が受信側の送受波器に到達する時期、つまり到達ポイントを特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロス点を検知するようにしたものがある。
【０００６】
図１４は発信のタイミングを示す発信駆動信号と受信波を示している。実際の受信波は非常に小さく、先ず増幅される。同図の受信波は増幅後の波形を示している。
【０００７】
ａが到達点で、徐々に振幅が大きくなる。その後最大振幅となり徐々に小さくなる。
ところが到達点ａはノイズに隠れて検知できない。そこで、次のような方法が行われている。
【０００８】
ノイズより十分大きな基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHを決め、このレベルに最初に達した波、例えば同図の第３波がｂ点でしきい値に達した後ゼロレベルを通るゼロクロスポイントｃを検知して受信検知とする方法である。
【０００９】
しきい値ＶTHは常に何番目かのある特定の波（例えば第３波）のゼロクロスポイントを検知するように定めてあり、実際の到達時間ｔは、ａ点からｃ点までの時間τを予め求めて記憶しておき、測定した時間ｔ＋τに相当する値から時間τを減算することにより求めている。
【００１０】
ところが、受信波の大きさは測定する気体の圧力や、或いは超音波送受波器を構成する振動子の個々の特性によって異なる。その結果、個々のしきい値ＶTHの調整はもちろん、場合によっては設置場所毎に現地でしきい値ＶTHや、受信側の送受波器で得た信号を増幅する増幅器の増幅率の調整が必要となる。
【００１１】
そこで、自動的に最適なしきい値ＶTHにできるいくつかの方法が模索されている。
その一つは、ピーク値ホールド回路やオートゲインコントロール回路を用いて受信波のピーク値が常に一定の大きさになるよう増幅器のゲイン（前記増幅率）を調整して、狙った波をしきい値ＶTHで捉えるようにすることで、受信波の方をしきい値ＶTHに合わせる方法である。
【００１２】
もう一つは、直前の受信波のピーク値をホールドし、そのピーク値の電圧に一定値を掛けた値をしきい値ＶTHとして使う方法である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法は、消費電流の大きいアナログ回路部が大きくなってコスト高になる。また、ある特定電圧を一定時間ホールドしている必要があるとか、或いはしきい値ＶTHを決めるために、測定とは別の超音波の送受を行う必要があるため、低消費電流にすることが難しいなどの問題点があった。
【００１４】
そこで、本発明はこれらの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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
一方が他方の一定倍の関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを到達ポイントとすることを特徴とする超音波流量計である。
【００１６】
受信波はその先頭から第１波、第２波、第３波、第４波、第５波、第６波、第７波と次第にそのピークが大きくなる。このピークの電圧の大きくなる度合いは最初ほど大きくだんだん小さくなる傾向がある。つまり、ピークの大きさを比較すると、第１波側なら、第３波／第１波が最大で第５波／第３波、第７波／第３波と段々小さくなる。第２波側なら第４波／第２波が最大で第６波／第尾４波、第８波／第６波と小さくなる。
【００１７】
なお、第３波／第１波と表現した比率は厳密には第３波のピーク値と第１波のピーク値との比率である（第３波のピーク／第１波のピーク）を簡略化して表現したもので、他の比率についても同様に簡略化した表現で示している。
【００１８】
上記各比率は流体の圧力等で全体の振幅が変化してもほとんど変化しないことが実験等で確認されている。特に第３波／第１波および第４波／第２波は他の比率に比べ十分大きいため区別が容易である。
【００１９】
図１で説明する。この図は大中小の３つの振幅の事例の場合を第５波まで重ねて表示している。それぞれ第３波は第１波の３倍、第５波は第３波の２倍の大きさである。
【００２０】
仮に、基準電圧レベルＶTHを指数関数的に、下から１００ｍＶ、１２６ｍＶ、１５９ｍＶ、２００ｍＶ、２５１ｍＶ、３１６ｍＶ、３９８ｍＶ、５００ｍＶ、６２９ｍＶ、７９１ｍＶ、９９４ｍＶ、１２５０ｍＶのように約１．２６倍ずつ大きくなるようＶTH１からＶTH１２まで決めると、ＶTH１に対しＶTH５のように４つ上のレベルがそのレベルの２．５倍の電圧となり、ペアとしている。
【００２１】
振幅小の場合、ある波が（第３波と最初は分かっていない）ＶTH２を初めて越える（第１波はＶTH１を越えただけである）。その波は一気にＶ TH ６まで越えている。つまり、ＶTH２のペアのＶTH６も越えている。よって、この波のピークは前の波のピークの２．５倍以上あることがわかる。この条件を満たすのは第３波だけである。よって、その時点でそれが第３波と検知でき、そのゼロクロス点を受信検知点とする。
【００２２】
振幅大と中の場合でもそれぞれＶTH５とＶTH９、ＶTH７とＶTH１１の各ペアを一気に越えるのでその波が第３波と判断可能である。このように、振幅が流体圧力等の違いにより異なっても、どれかのペアが第３波を捉えることができ、ＶTHの調整をすることなく第３波を捉えることができる。
【００２３】
この例では第１波側を正とし正側に基準電圧レベルを設置して第３波を捉えるようにしたが、負側に基準レベルを設置して第４波を捉えるようにすることもできるし、受信波の極性を逆にして正側で第４波あるいは負側で第３波を捉えるようにしてもよい。
【００２４】
この発明では、アナログ回路部は増幅部の他に各基準電圧との比較部のみで構成でき、しかも受信時に一瞬機能させるだけでよく、ピーク値ホールドのようにある特定の電圧を一定時間保持するような必要がないため低消費電力化が容易である。
【００２５】
請求項２の発明は、
送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとすることを特徴とする超音波流量計である。
【００２６】
この発明では伝播時間計測の分解能を上げるために、単純に送信から受信までの時間ｔを測るのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間ｔをｎ回連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔを測定する。
【００２７】
この場合、特にピーク値等のホールド回路は低消費電力化の妨げとなる。
それは伝播時間測定に時間が掛かるためである。ｔという時間はＬ＝２００ｍｍ程度の流量計では、１ｍｓｅｃ以内の値であるが、ｎが５０とか１００いう値となるとｎｔはかなり長い時間となり、この間ずっとある一定の電圧をホールドすることは大きな電力消費となるからである。
【００２８】
この発明では、受信時に一瞬機能させればよい比較回路のみで要部を構成できるため低消費電流化が容易である。
請求項３の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、第１回目の受信は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、第２回目以降の受信は各基準レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００２９】
この発明も、伝播時間計測の分解能を上げるために、単純に送信から受信までの時間ｔを測るのではなく、受信と同時に次の送信を行うことを複数回（ｎ回）繰り返すことにより、伝播時間ｔをｎ回連続させ、最初（第１回目）の送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎｔを測定するようにしている。
【００３０】
前述のように、１回の送受の到達時間ｔはきわめて短い時間である。したがって、連続した送受の到達時間の差はほとんどないと考えられる。よって、第１の送信からその受信までの時間がｔ１１であった場合、第２の受信波が到達するのは第１の受信とともに行われる第２の送信後、およそｔ１１たったところである。したがって、その点に最も近いゼロクロスポイントを受信検知点とする。
【００３１】
第３の送受に関しても同様で、第２の送受の到達時間ｔ１２を用いて第３の受信点を予想する。以下同じである（図２参照）。
これによれば、第２の受信以降はゼロレベルとの比較のみで複数の基準レベルとの比較は行わない。よって、基準レベルとの比較部を機能させる必要がないためさらに低消費電力化が可能である。
【００３２】
請求項４の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、連続する到達時間の差より、特定の波を捉えたと判断したときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
【００３３】
請求項５の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、連続する到達時間の差より、特定の波を決められた回数連続して捉えたと判断したとき、あるいは特定の波を一定頻度以上で捉えたと判断したときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
この発明ではノイズ等で、第３波／第１波等各波の比率が一時的に乱れても確実にねらった波を捉えられるようにするもので、確実にねらった波、例えば第３波を捉えたと判断したとき、その到達時間を基準に以後の測定をおこなう。
【００３４】
前述のように、特定の波を捉えている限り、連続する送受の到達時間の差はほとんどない。ある瞬間、別の波を捉えた場合、１波長分大きくなったり小さくなったりする。
【００３５】
通常のノイズでは問題なくねらった波を捉えることができるよう設計されているので、ねらった波を捉える確率が最も高い。したがって、特定の波を連続して捉えていると判断できた場合、あるいは、特定の波を一定頻度以上で捉えたと判断できたとき、その波がねらった波と判定できる。
【００３６】
また、ノイズにより、どの基準電圧のペアもねらった波を検知できないこともあり得るが、その場合、一定時間経過しても受信検知できない。このときは再び送信側の送受波器を発信させることにより復帰できる。
【００３７】
一旦、ねらった波を捉えたと判断した後は、請求項３の発明の第２の受信以降と同様であり、確実にねらった波を捉えることができ、低消費電力化が可能となる。
【００３８】
αは半波長に相当する時間程度に決めることができる（図３参照）。
請求項６の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、前後する到達時間の差が一定値より小さいことが、連続して一定回数起こったときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
請求項７の発明は、送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、前後する到達時間の差が一定値より小さいことが起こったときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計である。
請求項８の発明は、請求項４，５，６又は７の超音波流量計において、各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、一定時間経過しても受信を検知しないときは再度送信側の送受波器を発信するように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６又は７の超音波流量計において、一定値を超音波の半周期としたことを特徴とするものである。
そして、請求項１０の発明は、請求項３〜９の何れかの超音波流量計において、受信波検知部が、一方が他方の一定倍の電圧である関係をもつペアの基準電圧レベルが入力されている複数の比較部を備えており、
受信波検知部が狙った波を捉えたら、前記比較部への電源供給を止めることを特徴とするものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態をいくつかの実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
請求項２の発明に対する実施例１を図４〜図６に従って説明する。
【００４０】
図４は全体のブロック図、図５は図４の受信波検知部の要部電気回路図、図６は受信波検知部のタイミング図である。
送受波器１と２はそれぞれ超音波振動子で構成されていて、送信にも受信にも使用できる。
【００４１】
両送受波器は流体中を上流から下流及び下流から上流への超音波の送受を行う。受信波検知部４は受信側の送受波器が接続され受信波を検知すると受信波検知信号を出力する。送受波器駆動部５はコントロール部６より第１送信指令信号を受けると送信側の送受波器をまず駆動し、その後は受信波検知部４より受信波検知信号を受ける度に駆動する。ただし第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに第１送信指令信号を受けるまでは駆動を停止する。
【００４２】
本実施例では無意味なｎ＋１回目の駆動を行ってしまうようになっているが、受信側で無視するので問題はない。
カウンタ７は受信検知部４からの受信波検知信号をカウントしｎ番目の受信波検知信号を出力する。このカウンタ７はコントロール部６よりの第１送信指令信号でリセットされるようになっている。
【００４３】
第２のカウンタ８は第１送信指令信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定する。その時間（カウント値）はコントロール部６が読み取る。この例では第１送信指令信号でカウント値がゼロクリアされ、カウントを開始するように構成されている。
【００４４】
コントロール部６は一定間隔で送受切替信号を反転させて２つの送受波器１，２の役割の切り替えを行う。
各切り替え後、毎回切り替えによるノイズ等がおさまる時間をおいて、第１送信指令信号を出力する。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、カウンタ８の測定（カウント値）を読み取り、直前に行った逆向きでの測定値とを用いて、その間の流速流量を演算する。
【００４５】
図５は、受信波検知部４の、接続された送受波器からの信号を増幅後の構成である。各比較部１１〜１８にはペアとなる２つの基準電圧レベル、即ち前述の図１のＶTH１〜ＶTH１２までの電圧よりペアになる２電圧が選ばれて入力されている。
【００４６】
比較部は図５の四角で囲まれた構成で、タイミングは図６のようになる。本タイミングは第３波を捉えた時の波形である。
比較部のどれかが第３波を捉えてＯＲ回路１９の出力が“Ｈｉｇｈ”になると、ＲＳＦＦ２０の出力Ｑは一旦“Ｌｏｗ”になり、Ｓ入力であるゼロクロス検知用比較器２１の出力が受信波のゼロクロス点を検知し、“Ｈｉｇｈ”となるとともに出力Ｑは再び“Ｈｉｇｈ”になる。
【００４７】
その立上りエッジを検知した信号が受信波検知信号となっている。
ＶB より第１波が大きかった場合、比較部のカウンタの値が“２”となり、つまりＱ１が“Ｌｏｗ”となり出力信号はでない（“Ｈｉｇｈ”とならない）。また、第３波がＶA より小さい場合も出力は出ないように構成されている。
【００４８】
各比較部が異なる基準電圧レベルで動作するため、圧力変動等で受信波の振幅が変動しても８個の比較部のうちどれかが第３波を捉えるようになっている。
また、比較部のカウンタは受信波検知信号でリセットされ次の受信に備えるようになっている。
【００４９】
〔実施例２〕
請求項３の発明に対応する実施例２を図７と図８に従って説明する。
図７の全体の構成は図４とほぼ同じであるが、第１送信指令信号が受信波検知部４に入力される点が異なる。
【００５０】
受信波検知部４の構成を図８に示す。図５と同様に接続された送受波器からの受信波を増幅後の構成である。
各比較部１１〜１８は図５と同様である。どれかの比較部が第３波を捉えるとＯＲ回路１９の出力が“Ｈｉｇｈ”となる。
【００５１】
第１送信指令信号が入力されると、ＲＳＦＦ２２はリセットされてそのＱ出力は“Ｌｏｗ”となり、スイッチＳＷはＯＲ回路１９の出力を選択する。
ＯＲ回路１９の出力が“Ｈｉｇｈ”となると、この出力信号はスイッチＳＷを介してＲＳＦＦ２３のＲ入力に入力されてＲＳＦＦ２３の出力Ｑが“Ｌｏｗ”となる。
【００５２】
さらに受信波がゼロクロスしたところでゼロクロス検知用比較器２１より出力される信号がＲＳＦＦ２３のＳ入力に入力され出力Ｑは“Ｈｉｇｈ”となり、立上りエッジ検知され受信波検知信号として出力される。
【００５３】
この信号はＲＳＦＦ２２のＳ入力となっていてＲＳＦＦ２２の出力Ｑは“Ｈｉｇｈ”となり、スイッチＳＷは切り替わり、ＲＳＦＦ２３のＲ入力へのデジタル比較器２４のＡ＝Ｂ出力が入力されるようになる。
【００５４】
また前記受信波検知信号は記憶器２５のラッチ入力となっていて、この瞬間のカウンタ値ｔ１１を記憶する。さらに、受信検知信号はＯＲゲート２６を介してカウンタ２７をリセットするよう構成されていて（ラッチ後リセットする）、到達時間を記憶器２５が記憶するとリセットされ次の到達時間の測定に移るようになっている。
【００５５】
減算器２８は記憶器で記憶された値（カウント値）がＣ入力として入力されていて、もう一方にαが入力されている。そして、Ｃ−α（ｔ１１−α）がデジタル比較部２４のＢ入力に出力されている。
【００５６】
またカウンタ２７の出力がＡ入力としてデジタル比較部２４に入力されていて、そのＡＢの入力が等しくなると、Ａ＝Ｂ出力が“Ｈｉｇｈ”となる。
カウント２７のカウントが進み、ｔ１１−αと等しくなると、Ａ＝Ｂ出力が“Ｈｉｇｈ”となりＲＳＦＦ２３の出力Ｑは“Ｌｏｗ”となり次のゼロクロスを待つ状態になる。
【００５７】
そして実際にゼロクロスするとき、ゼロクロス検知用比較器２１の出力によりＲＳＦＦ２３の出力Ｑが“Ｈｉｇｈ”となり再び受信波検知信号が出力される。
ここで、再びｔ１２が記憶される。以下は同じである。
【００５８】
αは超音波の約半周期分の時間とした。
発信器２９はこの半周期分を検知できる周波数でよく、また精度もそれほど要求されない。また、カウンタ８用の基準クロックあるいはその分周したものも使用可能である。
【００５９】
また、ＲＳＦＦ２２の出力Ｑは比較部ＯＦＦ信号として使われていて、８つの比較部１１〜１８は、ＲＳＦＦ２２の出力Ｑが“Ｈｉｇｈ”となりスイッチＳＷが図示の状態から切り替わり非選択状態になると電源供給が止められ機能を停止して電力消費を押さえるよう構成されている。
【００６０】
〔実施例３〕
次に請求項４の発明に対応する実施例３を図９〜図１２に従って説明する。
本実施例では到達時間が連続してほぼ同じ値になればねらった波を捉えたとしている。カウンタ７はコントロール部６よりの再スタート信号でリセットされるようになっていて、その後のｎ＋１番目の受信波検知信号を検知して第ｎ受信波検知信号を出力する。
【００６１】
カウンタ８は再スタート信号入力後の受信波検知信号から第ｎ受信波検知信号までの時間を測定してコントロール部６へ出力するようになっている。
受信波検知部４は図１０のように構成されていて、記憶器２５の出力がコントロール部に入力されている。
【００６２】
ＲＳＦＦ２２のＲ入力には第１送信指令信号と再スタート信号のＯＲ信号が入力されている。また、このＯＲ信号は比較部１１〜１８のカウンタのリセット信号となっている。
【００６３】
本実施例ではコントロール部６としてマイクロコンピュータを使用している。マイクロコンピュータは、まず送受の向きをセットすると、その切り替え時のノイズが十分小さくなる時間後に第１送信指令信号を出力する。このとき少し遅れて再スタート信号も出力する。
【００６４】
受信波検知信号は割り込みとしてコントロール部６へ入力される。そのときの動きを図１１にフローチャートで示す。また、図１２にタイミングチャートを示す。
【００６５】
βは超音波の半周期程度に相当するカウント値である。この実施例ではｍ＝１とした。つまり、１回でも差がβ以下になればねらった波を捉えたとした。
最初の本割り込みではｔ′１１が読み取れる。前回値としてはゼロがセットされるようになっているため差はβより大きくなる。よって、連続数はクリアされゼロとなり、コントロール部６は再スタート信号を出力する。
【００６６】
よって、受信波検知部のスイッチＳＷは一旦ＯＲ回路１９の出力を選択する側に切り替えるが、またゼロクロス検知用比較器２１の出力選択に戻される。
受信波検知信号を受けてカウントを開始したカウンタ８は、またもとの待機状態（カウントスタートの信号となる受信波検知信号を待つ状態）となる。
【００６７】
また前回値としてｔ′１１が記憶される。
次の割り込み時はｔ′１２を読み取る。ここではねらった波を捉えていないとする。よって、ｔ′１１−ｔ′１２はβより大きくなる。よって前回同様に連続数はゼロクリアされ再スタート信号が出力される。また、ｔ′１２が前回値として記憶される。
【００６８】
次の割り込みでも差がβより大きいため同様である。ここではｔ′１３が記憶される。
その次の割り込みにおいてｔ′１４が読み取られ｜ｔ′１３−ｔ′１４｜がβより小さくなる。本実施例ではｍ＝１としたため連続数が＋１され１になった時点でねらった波が捉えられたと判定される。ｍがもっと大きな値にセットされた場合は連続数がｍとならないうちは再スタート信号が出力される。
【００６９】
ねらった波が捉えられたと判定されると、本割り込みすなわち受信波検知信号割り込みはマスクされ不許可となり、以後許可されるまでは受信波検知信号が入力されてもこの動きはしない。
【００７０】
実際の測定はｔ′１４の受信時スタートしたことになる。
以後は実施例２と同じである。ｔ１１はｔ′１４の受信時（次の送信時）よりｔ′１４−α経過後の最初のゼロクロス点となる。
【００７１】
カウンタ７は実質測定スタート時点の受信波検知信号を１と数えるためｎ＋１回目が前記解決手段で述べた請求項３の発明におけるｎ番目に相当する。
なお、ｍを２以上に限るなら連続数がｍ−１となった時、再スタート信号を出力しないようにすることで、正しく波を捉えたと判断できた送受を第１の送受とすることが可能である。
【００７２】
【発明の効果】
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、特別の調整をしなくても流体の圧力変動等による受信波振幅の変動に対応できる。
【００７３】
また、ノイズ等で受信波が一時的に歪んでも、間違った波を捉えてしまう虞れがなく、確実な測定ができる。
さらにまた、アナログ回路部が増幅と比較のみで構成でき、しかも受信時のみ機能させればよい。従来技術のように、ピーク値をホールドしてその値より基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHを発生させるやりかたでは前回の受信のピーク値を今回の受信時までホールドするために比較的長時間にわたりアナログ回路部を動作させる必要があったが、本発明ではこのような必要がない。従って低消費電流（電力）化が可能で、電池が小さくても良いことになり、低コストにできる。
【００７４】
その結果、電池駆動が可能となると共に、信号に対しある程度のノイズを許容できる点から流量計の信頼性を向上できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波流量計の作用を説明するための、受信波の波形と基準電圧レベルとしてのしきい値ＶTHとの関係を示す線図である。
【図２】本発明の作用を説明する信号波形図である。
【図３】本発明の作用を説明する受信波形図である。
【図４】本発明の実施例１のブロック図である。
【図５】図４の実施例１の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図６】図５の電気回路のタイミング図である。
【図７】本発明の実施例２のブロック図である。
【図８】図７の実施例２の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図９】本発明の実施例３のブロック図である。
【図１０】図９の実施例３の受信波検知部の要部電気回路図である。
【図１１】図９の実施例３の動きを説明するフローチャートである。
【図１２】図９の実施例３の作用を説明するタイミング図である。
【図１３】超音波流量計の原理を説明する略図である。
【図１４】従来の超音波流量計の受信波検知部の動作を説明する電気信号波形を示す線図である。
【符号の説明】
１，２ 超音波送受波器
３ 流管
４ 受信波検知部
５ 送波器駆動部
６ コントロール部
７ 第１のカウンタ
８ 第２のカウンタ
ｃ 受信波検知ポイント
Claims (10)
- 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
一方が他方の一定倍の関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを到達ポイントとすることを特徴とする超音波流量計。 - 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとすることを特徴とする超音波流量計。 - 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを一定回数繰り返すよう構成し、最初の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、第１回目の受信は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
第２回目以降の受信は各基準レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信から経過した時以降の最初のゼロクロスポイントを受信検知ポイントとしたことを特徴とする超音波流量計。 - 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、連続する到達時間の差より、特定の波を捉えたと判断したときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計。 - 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、連続する到達時間の差より、特定の波を決められた回数連続して捉えたと判断したとき、あるいは特定の波を一定頻度以上で捉えたと判断したときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計。 - 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、前後する到達時間の差が一定値より小さいことが、連続して一定回数起こったときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計。 - 送信側にも受信側にもはたらく少なくとも１対の超音波送受波器を設け、流体の流れの中を上流から下流及び下流から上流に超音波の送受を行い、その各向きの到達時間より流量を求める超音波流量計であって、
まず送信側の送受波器を発信させ、受信側送受波器の信号を入力とする受信波検知部が受信波を検知すると、再び送信側の送受波器を発信させるようにし、これを繰り返すよう構成し、第１の送信から一定回数目の受信までの時間を測定し、その結果から到達時間を求めるようにしたもので、
前記受信波検知部は、一方が他方の一定倍の電圧である関係を持つ基準電圧レベルのペアが異なる電圧で複数組用意されていて、
最初は、ある基準レベルに対し最初にそのレベルを越えた波がその基準レベルとペアになるもう一つの基準レベルも一気に越えるペアが存在したときその波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、前後する到達時間の差が一定値より小さいことが起こったときに狙った波を捉えたとし、
それ以降は各基準電圧レベルとの比較は行わず、ゼロクロスのみ検知できるようにし、前回の送信から受信検知までの時間から一定時間を減じた時間がその回の送信からたった以降の最初のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
狙った波を捉えたと判定した送受あるいはその後の送受の送信を第１の送信とみなすようにしたことを特徴とする超音波流量計。 - 各送信から受信を検知した点までの到達時間を監視していて、一定時間経過しても受信を検知しないときは再度送信側の送受波器を発信するようにしたことを特徴とする請求項４，５，６又は７記載の超音波流量計。
- 一定値を超音波の半周期としたことを特徴とする請求項６又は７記載の超音波流量計。
- 受信波検知部が、一方が他方の一定倍の電圧である関係をもつペアの基準電圧レベルが入力されている複数の比較部を備えており、
受信波検知部が狙った波を捉えたら、前記比較部への電源供給を止めることを特徴とする請求項３〜９の何れか１つに記載の超音波流量計。
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