JP4112948B2 - 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時間を、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１６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。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。
【０００４】
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、つまり到達時点を特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロスポイントを検知するようにしたものがある。図１７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。
【０００５】
ａが到達時点で、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。ところが到達時点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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、実際の伝播時間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、測定した到達時間ｔ＋τから時間τを減算することにより求めている。
【０００８】
送信から受信までの順方向伝播時間や逆方向伝播時間を求めるのに、単純に測定した到達時間ｔ＋τから時間τを減ずるのではなく、伝播時間計測の精度を向上するために、受信すると同時に次の送信を同じ方向に行うことを複数回（ｎ−１回）繰り返すことにより、一方向、例えば順方向の送受信をｎ回連続して繰り返して、最初（第１回目）の順方向送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎ（ｔ1 ＋τ）を測定し、次に他方向、例えば逆方向への送受信を同様にしてｎ回連続して繰り返して、最初の逆方向送信から最後の受信までの時間ｎ（ｔ2 ＋τ）を測定し、これらの各方向の複数回の送受信で得た測定値からｎτを減じ、各方向の伝播時間ｔ1 とｔ2 とを計算して流速更に流量を求める超音波流量計も公知である。
【０００９】
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、場合によっては流量計の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。
【００１０】
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１つは、ピーク値ホールド回路やオートマチックゲインコントロール回路（ＡＧＣ）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。もう１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。
【００１１】
これらの方法は、消費電流の大きいアナログ回路部が大掛かりに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信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。
【００１２】
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。１対の送受波器間の距離が２００ｍｍ程度の気体流量計では伝播時間ｔが０．５ｍｓ程度であるが、繰り返し送受信を行う複数回（ｎ回）が１００回程度になるとｎｔが５０ｍｓにもなり、この長い時間の間、一定の電圧をホールドするのに大きな電力を消費するからである。
【００１３】
そこで、本願の発明者は、アナログ回路による消費電流の問題点に対応しようとして、ピーク値ホールド等の回路を無くした超音波流量計を先に提案した。この超音波流量計は受信波検知回路に指数関数的な複数の基準電圧を備え、決められた複数段の基準電圧を一気に越える波を狙った波と見なし、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ものである（特許文献１参照）。
【００１４】
受信波は図１７に示すように、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波とだんだん小さくなる。なお、第３波／第１波と表現した比率は第３波のピーク値と第１波のピーク値との比率を簡略化して表現したもので、他の比率についても同様である。
【００１５】
このピーク値の傾向に注目して、特許文献１では、狙った波、例えば第３波のゼロクロスポイントを検知して受信波検知ポイントとしている。
【００１６】
ところが、この超音波流量計は多数の比較回路を必要とするため、コスト高になるという問題点があることに気付き、この問題点に対応する超音波流量計を特願２００１−１７５７３５で提案した。このものは本願の出願時で未公開である。
【００１７】
この特願２００１−１７５７３５の超音波流量計は前記しきい値VTHとしての固定の基準電圧に対し、狙った波、例えば第３波の検知に失敗したときは、増幅器の増幅度を変更して再度送受信を行い、受信波検知に再トライするものである。
【００１８】
受信波は、流体の圧力等で全体の振幅が変化しても前記比率はほとんど変化しない。ただし、流量の変化に対しては、流量が大きくなるにつれて徐々に受信波は小さくなり、前記比率も一様に小さくなる傾向がある。測定可能流量範囲を一定範囲に限定することで前記比率は一定範囲では無視できる程度の小さな変化しかしないが、計測範囲の大きな流量計を実現するには無視できない。
【００１９】
【特許文献１】
特開平１０−３３２４５２号公報（[００１５]〜[００２４］、図１、図１４）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１の超音波流量計は、多数の比較回路を必要とするため、コスト高になるという問題点があった。また、未公開である特願２００１−１７５７３５の超音波流量計は、基準電圧は固定のままで、増幅器の増幅度を変え、狙った波（例えば第３波）のゼロクロスポイントの検知に再トライする方式のため、流量変化による前記比率、例えば第３波／第１波の変化には対応できないという問題点が残されていることに本願発明者は気付いた。
【００２１】
上記に鑑み、本発明は受信波検知部に必要とするデジタル比較器（比較回路）の数を最少にすることでコスト高を抑え、かつ低消費電流で、流量の変化により、受信波の大きさ（振幅）が変化したり、前記比率、例えば第３波／第１波が変化しても確実に狙った波、例えば第３波を捉えることができる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００２２】
【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、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる２つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち一方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち他方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時にねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時はねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００２３】
〔作用〕
１つの発信による増幅後の一群の受信波は、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５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４波、第８波／第６波と小さくなる。
【００２４】
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。
【００２５】
流量が大きくなる程受信波の大きさが小さくなり、同時に上記比率が小さくなるが、上記のピークの大きさの傾向は同じであることが実験等で確認されていて、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に大きいため区別が容易である。
【００２６】
また、受信波を検知すると直ちに次の送信を行うことを連続して繰り返し、複数回（ｎ回）の超音波到達時間をまとめて測定する方法では、隣合う受信波同士、例えばｍ回目の受信波とｍ＋１回目の受信波同士では、気体（流体）の速さがほとんど変化していなくてほぼ同じであるため、振幅の比率だけでなく絶対的な大きさもほとんど同じである。
【００２７】
また、同様の理由で隣合う送受信の到達時間は、同じ波を捉えている限りほとんど同じになるはずである。逆に言えば、隣合う到達時間がほとんど等しいときは、同じ波を捉えていると見なすことができる。
【００２８】
図６で説明する。図６は選択した基準電圧グループが２００mVと５００mVの２つの基準電圧を有している場合である。
【００２９】
仮に、第３波／第１波が３以上あり、その他の比率は２以下の場合で最初に選択した基準電圧グループの２つの基準電圧を２００mVと５００mVとし、この基準電圧を１つの比較器に切り替えて入力できるようにし、最初の受信波が２００mVを初めて越えたとき、そのゼロクロスポイントを受信点（受信波検知ポイント）として検出し、再び第２回目の受信において今度は基準電圧を切り替えて５００mVを初めて越えた波のゼロクロスポイントを受信点としたとき、これら２つの到達時間がほとんど等しいときは、どちらも同じ波であり、しかもその波は、初めて２００mVを越え、かつ５００mVも越えることから直前の波の２．５倍以上の大きさがあると見なすことができる。この条件を満たすのは第３波だけであるため、その時点でそれが第３波と検知できる。即ち狙った第３波を捉えたとすることができる。
【００３０】
また、２つの到達時間が異なるときは別の波を捉えたことになり、超音波の送受信の繰り返しを中断し、２００mV／５００mVと違う２つの基準電圧を有する別の基準電圧グループに変えて最初からやり直すことにより、間違うことなく狙った第３波の検知が可能となる。
【００３１】
上述のように、第３波検知（狙った波の検知）に失敗したときに、基準電圧グループを変更するが、各基準電圧グループを構成する基準電圧同士の電圧比率をグループ毎に別々に決めることで、受信波の実体にあった第３波検知が可能になる（もっとも、各基準電圧グループ毎の前記電圧比率は同じにしてもよい）。
【００３２】
第３波を捉える場合、受信波が小さくなったときは、第３波の第１波に対する比率も小さくなることが分かっていれば、その比率に合わせ受信波が小さくなった時用の基準電圧グループを構成する基準電圧の電圧比率を小さく設定しておくことで、より確実な第３波検知が可能となる。
【００３３】
基準電圧レベル自体が大きく、かつ前記電圧比率が大きい第１の基準電圧グループと、基準電圧レベル自体が小さく、かつ電圧比率が小さい第２の基準電圧グループとを設け、狙った波を最初に検知すべく送受信を行うときは先ず電圧も電圧比率も大きい第１の基準電圧グループを選択して狙った波の検知にトライし、狙った波を捉えることができないで検知に失敗したら、使用する基準電圧グループを第２の基準電圧グループに変更して再トライするとよい。
【００３４】
受信波の大きさが変化する要因は気体の圧力、ガス種、流量等の変化であり、それらが変化しない限り基本的には大きさの変化はほとんどないといってよい。したがって、一旦第３波を捉えることのできる基準電圧グループが求まれば、その基準電圧を使い続けることが可能でやり直しは少ない。２回の送受信で成功か不成功か判断でき、やり直しによる電力消費の無駄を最小限に抑えることができる。
【００３５】
前述のように、１回の送受信の到達時間ｔ１，ｔ２は極めて短い時間である。したがって、連続した送受信の到達時間の差はほとんどないと考えてよい。よって、一旦第３波を捉えたら、その送信から第３波を捉えた受信までの時間がｔ１であった場合、次の受信波が到達するのは送信後、およそｔ１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波検知ポイントとして良い。
【００３６】
つまり、連続する送受信に対し、前回の送受信の到達時間を用いて次回の受信点を予想すればよい。以下同じである。一旦ねらった波を捉えた後は、前回の送受信から受信波検知までの時間から一定時間（超音波の半周期程度がよい）を減じた時間がその回の送信から経った時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することにより、第３波を捉えた受信波はゼロレベルとの比較のみで基準レベルとの比較は行うことなく第３波を捉え続けることができる。
【００３７】
具体的には図１のように、ある送受信の到達時間がｔ１ｍであったとすると、次回の受信は前回の受信と同時に行われている送信からｔ１ｍ−α経過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する。ここでαは超音波の半周期程度の時間である。
【００３８】
上記の作用説明では第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、負側に基準電圧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波或いは負側で第３波を捉えるようにしてもよい。
【００３９】
請求項２の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる２つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち一方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち他方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時にねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、次の送信から受信までの時間の差が一定以上の時はねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、前記３回目の送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００４０】
この発明は、請求項１の発明と比較して第３波を検知するまで測定を中断することがないため、超音波の到達時間を測定するのに要する測定時間が短くなり、消費電流を少なくできる。
【００４１】
請求項３の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第３基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第３基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、第２の受信が、第２基準電圧の時は第３基準電圧、第３基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時、前記３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の受信時に行う２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初からの送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００４２】
この発明は、請求項１の発明に、第１波或いは第２波の存在を確認するための段階を直前に付加したもので、更に確実に第３波或いは第４波の検知が可能となる。
【００４３】
選択した基準電圧グループの３つの基準電圧を１００mV、２００mV、５００mVとすると、最初の１００mVの受信の到達時間と２回目の２００mVによる受信の到達時間が異なり、その２回目の到達時間と５００mVによる３回目の到達時間が等しいときは、２回目と３回目で受信した波は第３波で、最初に受信した波は第３波ではない、つまり第１波であると確認できる。
【００４４】
請求項１，２の発明のように、受信波を、選択した基準電圧グループの２つの基準電圧だけと比較する流量計では、圧力が高い場合等、何らかの理由で第１波が大きくなったとき誤って第１波を第３波としてしまう可能性があったが、請求項３の発明ではその虞れはない。
【００４５】
請求項４の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第３基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第３基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、第２の受信が、第２基準電圧の時は第３基準電圧、第３基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時、前記３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の受信時に行う２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、ねらった波を捉えられなかったとした受信時に行う送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００４６】
この発明では、請求項３の発明に比較して、第３波を検知するまで測定を中断することがないため、超音波の到達時間を測定するのに要する測定時間が短くなり、消費電流を少なくできる。
【００４７】
請求項５の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最も低い電圧或いは最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最初の受信が最も高い電圧の基準電圧だった時は最も低い電圧の基準電圧、最初の受信が最も低い電圧の基準電圧だった時は最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時はねらった波を捉えたとし、
その後は、上記選択した基準電圧グループの中間の電圧の基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変えて最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００４８】
請求項６の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最も低い電圧或いは最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最初の受信が最も高い電圧の基準電圧だった時は最も低い電圧の基準電圧、最初の受信が最も低い電圧の基準電圧だった時は最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時はねらった波を捉えたとし、
その後は上記選択した基準電圧グループの中間の電圧の基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、次の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、前記３回目の送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００４９】
請求項７の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる４つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第４基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第４基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、２回目の受信が、第２基準電圧の時は第４基準電圧、第４基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時は、前記２回目、３回目の受信はねらった波を捉えたとし、その後は、上記選択した基準電圧グループの第３基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信、或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００５０】
請求項８の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる４つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第４基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第４基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、２回目の受信が、第２基準電圧の時は第４基準電圧、第４基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時は、前記２回目、３回目の受信はねらった波を捉えたとし、その後は、上記選択した基準電圧グループの第３基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信、或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、ねらった波を捉えられなかったとした受信時に行う送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００５１】
〔請求項５〜８の発明の作用〕
狙った波、例えば第３波を捉えたとするまでは、それぞれ請求項１，２，３，４の発明と同じである。前述の基準電圧を例に上げると、最初に選択した基準電圧グループを使用して、狙った第３波を捉えた時、第１波は２００mVより小さく、第３波は５００mVより大きいとできる。よって、それ以降、２００mVと５００mVの中間である３５０mVを初めて越える波のゼロクロスポイントを受信波検知点とすることで第３波を捉え続けることが可能である。３５０mVは第１波、第３波の大きさがノイズ等で多少変動しても確実に第３波を捉えられるように２００mVと５００mVの中間（中央）に決めた値である。これら請求項５〜８の発明では、デジタル回路で構成される比較器とか減算器が必要なくなり、受信波検知部のデジタル回路の規模を小さくできる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に基づいて説明する。図２のブロック図に示す実施例は、請求項２の発明に対応する。なお、受信波検知部は別の図面で詳しく説明する。
【００５３】
図２で、送受波器１，２は超音波振動子で、送信にも受信にも使用できる。両送受波器は流体中を上流から下流又は下流から上流への超音波の送受信を行う。受信波検知部４は受信側の送受波器、例えば２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からの測定ON・OFF信号が“High”から“Low”になると送信側の送受波器、例えば１を先ず駆動し、その後は受信波検知部から受信波検知信号を受ける都度、送信側の送受波器を駆動する。但し、第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに測定ON・OFF信号が“High”から“Low”になるまでは駆動を停止する。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。
【００５４】
コントロール部６からの測定ON・OFF信号は受信波検知部４にも入力される。測定ON・OFF信号を“High”にすることで測定を中断することができる。再測定は、再び“Low”にすることで行う。
【００５５】
第１のカウンタ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回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。第２のカウンタ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、カウント値をコントロール部６へ出力するようになっている。
【００５６】
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ることにより２つの送受波器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、測定ON・OFF信号を“High”から“Low”にする。このとき少し遅れて再スタート信号も出力する。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、第２のカウンタ８の測定値（カウント値）を読み取り、直前に行った反対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。
【００５７】
図３は、前記受信波検知部４の電気回路の一部を構成する増幅部１１で、図２の受信側の送受波器、例えば２から入力される信号Ｖｉｎは増幅部１１で増幅される。オペアンプ１２に接続されたフィードバック抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の比率で増幅度が決められる。前記信号Ｖｉｎは増幅部１１で増幅されてＶoutとなる。このＶoutが増幅後の受信波である。
【００５８】
図４は前記受信波検知部４の電気回路の主要部で、前記図３の増幅部１１の後段に接続される。比較器１４の＋入力には受信波Ｖoutが入力され、−入力には前記コントロール部６からの基準電圧グループ選択信号で操作されるスイッチＳＷ１で選択された第１の基準電圧グループＧ１を構成する２つの基準電圧２００mV／５００mVのうちの１つ２００mVが選択入力される。この選択はバイナリカウンタ１５の出力（Ｑ１とＱ２が出力で、Ｑ１＝２０、Ｑ２＝２１を示している）で決まり、最初は再スタート信号でバイナリカウンタ１５がリセットされるため、出力Ｑ１で操作されるスイッチＳＷ１１によって２００mVが選択される。バイナリカウンタ１５はカウント“２”で停止し、それ以上カウントアップしない構成になっている。
【００５９】
図４では、第２の基準電圧グループＧ２を構成する２つの基準電圧の１４０mVと３１５mV、第３の基準電圧グループＧ３を構成する２つの基準電圧の１００mVと２００mVは、前記第１の基準電圧グループＧ１の２つの基準電圧２００mVと５００mVが、バイナリカウンタ１５のＱ１出力でコントロール（制御）されるスイッチＳＷ１１で選択されるのと同じように、同じＱ１出力でコントロールされるスイッチＳＷ１２とＳＷ１３でそれぞれ選択される。そして、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３のどの基準電圧グループを使用するかは、コントロール部６からの基準電圧グループ選択信号で切替操作されるスイッチＳＷ１で選択される。
【００６０】
なお，各基準電圧グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３の、それぞれの２つの基準電圧２５０mVと５００mV、１４０mvと３１５mv、１００mVと２００mvの比率は１：２．５、１：２．２５、１：２としてある。これは、流量が大きくなると、受信波が小さくなり、第３波のピークと第１波のピークとの比率第３波／第１波も小さくなるので、その大きさと比率の関係から決めたものである。こうすることで、大流量になるほど第３波の振幅（電圧）が小さくなり、かつ前記比率の第３波／第１波が小さくなっても、第５波／第３波の比率も第３波／第１波の比率に合わせ小さくなることが分かっているため、電圧同士の比率を小さくすることで第５波を第３波と間違えることはなく、狙った第３波を確実に検知することが可能となる。
【００６１】
なお、実施例では比率が大きい（電圧も大きい）第１の基準電圧グループから順に選択使用するようにしている。
【００６２】
比較器１４が２００mVを越える波を捉えて、その出力が“High”になるとRSFF１６の出力Ｑは一旦“Low”になり、RSFF１６のＳ入力であるゼロクロス検知用比較器１７の出力が受信波のゼロクロスを検知し、“High”となるとともに再び“High”になる。その立上がりエッジを立上りエッジ検知器１８で検知した信号が受信波検知信号となっている。
【００６３】
この信号はカウンタ１５のＣＫ入力となっていてバイナリカウンタ１５はこれをカウントするようになっている。
【００６４】
なお、切り替えスイッチＳＷ１１は、選択スイッチＳＷ１が図示の位置にあって第１の基準電圧グループＧ１を選択していて、バイナリカウンタ１５のカウント値が“０”の時に基準電圧２００mVを、“１”のとき５００mVを選択する。また切り替えスイッチＳＷ２はバイナリカウンタ１５のカウント値が“２”でＡ＝Ｂ側に切り替わる。
【００６５】
これにより、基準電圧グループ選択信号で操作される選択スイッチＳＷ１が図示の位置にあって、第１の基準電圧グループＧ１が選択されていると、最初の受信は、最初に２００mVを越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイント、次は、最初に５００mVを越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイント、以降はＡ＝Ｂ出力が“High”になった以降のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとするように動く。
【００６６】
また前記受信波検知信号は記憶器２０のラッチ入力となっていて、この瞬間のカウンタ２２のカウント値ｔ１１を記憶する。更に、受信波検知信号はラッチ後にＯＲゲート２１を介してカウンタ２２をリセットするように構成されていて、到達時間を記憶器２０が記憶するとその直後にカウンタ２２がリセットされ、次の到達時間の測定に移るようになっている。
【００６７】
減算器２３は記憶器２０で記憶された値（カウント記憶値）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）がデジタル比較器１９のＢ入力に出力されている。
【００６８】
またカウンタ２２の出力がＡ入力としてデジタル比較器１９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。
【００６９】
カウンタ２２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RSFF１６の出力Ｑは“Low”となり次のゼロクロスを待つ状態になる。そして実際にゼロクロスするときに、ゼロクロス検知用比較器の出力によりRSFF１６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。αは超音波の約半周期分の時間とした。
【００７０】
発信器２４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、第２のカウンタ８用の基準クロック或いはその分周したものも使用可能である。
【００７１】
記憶器２０の出力であるカウント記憶値がコントロール部６に入力されていて、バイナリカウンタ１５のＲ入力には測定ON・OFF信号と再スタート信号のＯＲ信号が入力されている。また、測定ＯＮ・ＯＦＦ信号はＯＲゲート２１を介しカウンタ２２のＲ入力となっていて、カウンタ２２は、測定ＯＮ・ＯＦＦ信号がＯＮつまり“Low”になるとカウントを開始する。
【００７２】
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、先ず送信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、測定ON・OFF信号を“High”から“Low”にする。このとき少し遅れて再スタート信号も出力する。
【００７３】
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。コントロール部６の動作を図５にフローチャートで示す。
【００７４】
βは超音波の半周期程度に相当するカウント値である。１回目の割り込みではｔａを読み取り前回値として記憶する（図６参照）。
【００７５】
次の割込みはｔｂを読み取る。ここでｔａと前回値ｔｂの差がβより大きければ、選択して使用した基準電圧グループＧ１の基準電圧２００mV／５００mVが合致していなくて狙った波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変更して再スタート信号が出力される。その場合はバイナリカウンタ１５はリセットされ、基準電圧は新しく選択された第２の基準電圧グループＧ２の低い方の基準電圧１４０mVとなる。よって次の受信が最初の受信と見なされることになる。前回値との差がβ以下の場合は狙った波、例えば第３波が捉えられたと判定され、本割り込み、すなわち受信波検知信号割込はマスクされ、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。
【００７６】
前述のように、３回目と見なされた以降の受信は、送信より前回の到達時間−α経過後の最初のゼロクロスポイントとなる。
【００７７】
実際の測定はｔａを読み取った受信時（最初の受信時）にスタートしたことになる。
【００７８】
第１のカウンタ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ｎ番目に相当する。なお、図６はｔａとｔｂの差がβ以下だった時の波形図で、請求項１と２に対応する。
【００７９】
図６では、２回目の受信波検知信号が、２回目の受信波検知割込となる。ここで読み取ったカウント記憶値は、前回値（１回目の受信時にかかる１回目の割込時、読み取り“前回値”として記憶したもの）と比較、差がβ以下なら以後の受信波検知割込をマスクする。
【００８０】
前述のように、総到達時間をカウントするカウンタ８は、再スタート信号後の受信波検知信号からカウントを始める。よって、測定のスタートは最初の受信時（２回目の発信時）である。
【００８１】
図７は、最初選択した基準電圧グループＧ１の基準電圧が大きすぎた場合を示し、請求項２で基準電圧グループを１回変更した場合に対応する。
【００８２】
図６同様、先ずは２回目の受信波検知信号が２回目の受信波検知割込となる。ここで読み取ったカウント記憶値ｔｂ′は、前回値ｔａ′（１回目の受信時にかかる１回目の割込時、読み取り“前回値”として記憶したもの）と比較、最初、差がβより大きいため、選択した基準電圧グループが不適当で、狙った波が捉えられていないとし、選択する基準電圧グループを変更して基準電圧を小さくして、再スタート信号を出力する。次に、基準電圧レベルは１４０mVにされ、割込数はリセットされるため、次の割込が１回目の割込と見なされる。こうして、結局４回目の受信波検知信号が、２回目の受信波検知割込と見なされる。
【００８３】
ここで読み取ったカウント記憶値は、前回値（１回目の受信時にかかる１回目の割込時、読み取り“前回値”として記憶したもの）と比較、差がβ以下なら、以後の受信波検知割込をマスクする。前述のように、送到達時間をカウントするカウンタ８は、再スタート信号後の受信波検知信号からカウントを始める。よって、この場合には、測定のスタートは３回目の受信時（４回目の発信時）である。
【００８４】
図８の実施例は請求項４に対応し、図４の場合と比較して各基準電圧グループ毎に３つずつの基準電圧が用意されている点などが異なるが、同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。カウンタ１５Ａはカウント値が“３”で停止し、それ以上カウントアップしない構成である。切替スイッチＳＷ１１はカウンタ１５Ａのカウント値が０で１００mV、１で２００mV、２で５００mVの基準電圧を選択する。切替スイッチＳＷ２はカウンタ１５Ａのカウント値が３でＡ＝Ｂ側に切り替わる。図９はこの実施例のコントロール部の動作のフローチャートである。図１０は第３波のゼロクロスポイントを捉えるのに成功した時の波形図で、請求項３と４に対応する。
【００８５】
図１１の実施例は請求項６に対応する。この図の受信波検知部の主要部の電気回路図である。カウンタ１５Ｂが受信波検知信号をカウントし、その結果により切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３が切り替えられる。最初の受信時はコントロール部６の基準電圧グループ選択信号で操作される選択スイッチＳＷ１が図示の位置にあり、かつカウンタ１５Ｂのカウント値はゼロのため比較器１４の−入力に接続される基準電圧は２００mV、最初の受信後はカウント値が１となるため５００mVに接続され、次の受信時にはカウント値が２となって３５０mVに接続され、その状態が維持される。各送受信の到達時間はカウンタ２２がカウント受信毎にその値は記録器２０にラッチされる。この値はカウント記憶値としてコントロール部６が読み取って使用する。
【００８６】
図１２は図１１の実施例の最初のトライで成功した時の波形図であるが、請求項５の発明の成功時にも対応している。この波形図は成功時を示す。同じ波が２００mVも５００mVも越え、しかもその前には２００mVに達する波が無い。その波は直前の波の２．５倍以上ある。また、コントロール部の動作のフローは図５と同じである。
【００８７】
図１３の実施例は請求項８に対応し、受信波検知部の主要部の電気回路図である。切替スイッチＳＷ１１は、カウンタ１５Ａのカウント値が０で１００mV、１で２００mV、２で５００mV、３で３５０mVに切り替わる。図１４は図１３の実施例の波形で、成功時を示すが、請求項７の発明の成功時にも対応している。また、コントロール部６の動作のフローは図９と同じである。
【００８８】
上述のように、各実施例では、基準電圧との比較を１つの比較器で実現でき、コストが下がる。
【００８９】
なお、上記実施例では、基準電圧との比較に１つの比較器を使用し、そのほかにゼロレベルとの比較にもう１つの計２個の比較器で構成しているが、基準レベルとゼロレベルの比較は同時ではないため、それらの比較を１つの比較器で行うことも可能である。図１５に、そのときの、波形を示す。（実施例に取り上げての説明は省く）請求項１，２に対応する。受信波と比較する電圧入力を、１つの基準レベルを越えた時点で基準レベルをゼロレベルに変更し、ゼロレベルとの比較を行い、ゼロクロスを検知すると、もう１つの基準レベルに変更し、基準レベルとの比較を行い、その後はゼロレベルに戻し、ゼロクロス検知用比較器として動作する。そうすると、実施例より、コスト的に更に有効である。
【００９０】
【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、受信波検知部にピーク値ホールド等の消費電流の大きいアナログ回路を用いてなく、しかも比較器の数を最小限にできるため、低消費電流化に寄与し、電池駆動の流量計の実現に役立つ。コスト低減にも役立つ。
【００９１】
また、調整なしで流体の圧力変動等による受信波の大きさの変動に追従して対応ができる。狙った波、例えば第３波検知の確度が上がり、失敗が少ないため、やり直しが少ない。
【００９２】
アナログ回路が増幅回路と比較器のみで構成でき、しかも受信時のみ機能させれば良い。従来の、ピーク値をホールドして、その値からしきい値ＶTHを発生させるものでは、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必要があり、その分長時間アナログ回路を作動させるため、消費電流が大きい。
【００９３】
更にまた本発明では、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。
【００９４】
そしてまた、信号に対してある程度のノイズを許容できる。低電圧駆動が可能で電池駆動の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明する受信波形図。
【図２】本発明の実施例の全体を示すブロック図。
【図３】本発明の実施例の受信波検知部に用いる増幅部の電気回路図。
【図４】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図５】本発明の実施例のフローチャート。
【図６】本発明の実施例の信号波形図。
【図７】本発明の実施例の信号波形図。
【図８】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図９】本発明の実施例のフローチャート。
【図１０】本発明の実施例の信号波形図。
【図１１】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図１２】本発明の実施例の信号波形図。
【図１３】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図１４】本発明の実施例の信号波形図。
【図１５】本発明の信号波形図。
【図１６】超音波流量計の原理を説明する略図。
【図１７】従来の超音波流量計の動作を説明する信号波形図。
【符号の説明】
１，２ 送受波器
４ 受信波検知部
５ 送波器駆動部
６ コントロール部
１１ 増幅部
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 基準電圧グループ
ＳＷ１ 選択スイッチ
ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３ スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は流体中の超音波の伝播時間を、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１６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。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。
【０００４】
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、つまり到達時点を特定する受信検知の方法として、特定波のゼロクロスポイントを検知するようにしたものがある。図１７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。
【０００５】
ａが到達時点で、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。ところが到達時点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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、実際の伝播時間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、測定した到達時間ｔ＋τから時間τを減算することにより求めている。
【０００８】
送信から受信までの順方向伝播時間や逆方向伝播時間を求めるのに、単純に測定した到達時間ｔ＋τから時間τを減ずるのではなく、伝播時間計測の精度を向上するために、受信すると同時に次の送信を同じ方向に行うことを複数回（ｎ−１回）繰り返すことにより、一方向、例えば順方向の送受信をｎ回連続して繰り返して、最初（第１回目）の順方向送信から最後（第ｎ回目）の受信までの時間ｎ（ｔ1 ＋τ）を測定し、次に他方向、例えば逆方向への送受信を同様にしてｎ回連続して繰り返して、最初の逆方向送信から最後の受信までの時間ｎ（ｔ2 ＋τ）を測定し、これらの各方向の複数回の送受信で得た測定値からｎτを減じ、各方向の伝播時間ｔ1 とｔ2 とを計算して流速更に流量を求める超音波流量計も公知である。
【０００９】
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、場合によっては流量計の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。
【００１０】
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１つは、ピーク値ホールド回路やオートマチックゲインコントロール回路（ＡＧＣ）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。もう１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。
【００１１】
これらの方法は、消費電流の大きいアナログ回路部が大掛かりに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信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。
【００１２】
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。１対の送受波器間の距離が２００ｍｍ程度の気体流量計では伝播時間ｔが０．５ｍｓ程度であるが、繰り返し送受信を行う複数回（ｎ回）が１００回程度になるとｎｔが５０ｍｓにもなり、この長い時間の間、一定の電圧をホールドするのに大きな電力を消費するからである。
【００１３】
そこで、本願の発明者は、アナログ回路による消費電流の問題点に対応しようとして、ピーク値ホールド等の回路を無くした超音波流量計を先に提案した。この超音波流量計は受信波検知回路に指数関数的な複数の基準電圧を備え、決められた複数段の基準電圧を一気に越える波を狙った波と見なし、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ものである（特許文献１参照）。
【００１４】
受信波は図１７に示すように、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波とだんだん小さくなる。なお、第３波／第１波と表現した比率は第３波のピーク値と第１波のピーク値との比率を簡略化して表現したもので、他の比率についても同様である。
【００１５】
このピーク値の傾向に注目して、特許文献１では、狙った波、例えば第３波のゼロクロスポイントを検知して受信波検知ポイントとしている。
【００１６】
ところが、この超音波流量計は多数の比較回路を必要とするため、コスト高になるという問題点があることに気付き、この問題点に対応する超音波流量計を特願２００１−１７５７３５で提案した。このものは本願の出願時で未公開である。
【００１７】
この特願２００１−１７５７３５の超音波流量計は前記しきい値VTHとしての固定の基準電圧に対し、狙った波、例えば第３波の検知に失敗したときは、増幅器の増幅度を変更して再度送受信を行い、受信波検知に再トライするものである。
【００１８】
受信波は、流体の圧力等で全体の振幅が変化しても前記比率はほとんど変化しない。ただし、流量の変化に対しては、流量が大きくなるにつれて徐々に受信波は小さくなり、前記比率も一様に小さくなる傾向がある。測定可能流量範囲を一定範囲に限定することで前記比率は一定範囲では無視できる程度の小さな変化しかしないが、計測範囲の大きな流量計を実現するには無視できない。
【００１９】
【特許文献１】
特開平１０−３３２４５２号公報（[００１５]〜[００２４］、図１、図１４）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１の超音波流量計は、多数の比較回路を必要とするため、コスト高になるという問題点があった。また、未公開である特願２００１−１７５７３５の超音波流量計は、基準電圧は固定のままで、増幅器の増幅度を変え、狙った波（例えば第３波）のゼロクロスポイントの検知に再トライする方式のため、流量変化による前記比率、例えば第３波／第１波の変化には対応できないという問題点が残されていることに本願発明者は気付いた。
【００２１】
上記に鑑み、本発明は受信波検知部に必要とするデジタル比較器（比較回路）の数を最少にすることでコスト高を抑え、かつ低消費電流で、流量の変化により、受信波の大きさ（振幅）が変化したり、前記比率、例えば第３波／第１波が変化しても確実に狙った波、例えば第３波を捉えることができる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００２２】
【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、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる２つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち一方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち他方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時にねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時はねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００２３】
〔作用〕
１つの発信による増幅後の一群の受信波は、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５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４波、第８波／第６波と小さくなる。
【００２４】
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。
【００２５】
流量が大きくなる程受信波の大きさが小さくなり、同時に上記比率が小さくなるが、上記のピークの大きさの傾向は同じであることが実験等で確認されていて、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に大きいため区別が容易である。
【００２６】
また、受信波を検知すると直ちに次の送信を行うことを連続して繰り返し、複数回（ｎ回）の超音波到達時間をまとめて測定する方法では、隣合う受信波同士、例えばｍ回目の受信波とｍ＋１回目の受信波同士では、気体（流体）の速さがほとんど変化していなくてほぼ同じであるため、振幅の比率だけでなく絶対的な大きさもほとんど同じである。
【００２７】
また、同様の理由で隣合う送受信の到達時間は、同じ波を捉えている限りほとんど同じになるはずである。逆に言えば、隣合う到達時間がほとんど等しいときは、同じ波を捉えていると見なすことができる。
【００２８】
図６で説明する。図６は選択した基準電圧グループが２００mVと５００mVの２つの基準電圧を有している場合である。
【００２９】
仮に、第３波／第１波が３以上あり、その他の比率は２以下の場合で最初に選択した基準電圧グループの２つの基準電圧を２００mVと５００mVとし、この基準電圧を１つの比較器に切り替えて入力できるようにし、最初の受信波が２００mVを初めて越えたとき、そのゼロクロスポイントを受信点（受信波検知ポイント）として検出し、再び第２回目の受信において今度は基準電圧を切り替えて５００mVを初めて越えた波のゼロクロスポイントを受信点としたとき、これら２つの到達時間がほとんど等しいときは、どちらも同じ波であり、しかもその波は、初めて２００mVを越え、かつ５００mVも越えることから直前の波の２．５倍以上の大きさがあると見なすことができる。この条件を満たすのは第３波だけであるため、その時点でそれが第３波と検知できる。即ち狙った第３波を捉えたとすることができる。
【００３０】
また、２つの到達時間が異なるときは別の波を捉えたことになり、超音波の送受信の繰り返しを中断し、２００mV／５００mVと違う２つの基準電圧を有する別の基準電圧グループに変えて最初からやり直すことにより、間違うことなく狙った第３波の検知が可能となる。
【００３１】
上述のように、第３波検知（狙った波の検知）に失敗したときに、基準電圧グループを変更するが、各基準電圧グループを構成する基準電圧同士の電圧比率をグループ毎に別々に決めることで、受信波の実体にあった第３波検知が可能になる（もっとも、各基準電圧グループ毎の前記電圧比率は同じにしてもよい）。
【００３２】
第３波を捉える場合、受信波が小さくなったときは、第３波の第１波に対する比率も小さくなることが分かっていれば、その比率に合わせ受信波が小さくなった時用の基準電圧グループを構成する基準電圧の電圧比率を小さく設定しておくことで、より確実な第３波検知が可能となる。
【００３３】
基準電圧レベル自体が大きく、かつ前記電圧比率が大きい第１の基準電圧グループと、基準電圧レベル自体が小さく、かつ電圧比率が小さい第２の基準電圧グループとを設け、狙った波を最初に検知すべく送受信を行うときは先ず電圧も電圧比率も大きい第１の基準電圧グループを選択して狙った波の検知にトライし、狙った波を捉えることができないで検知に失敗したら、使用する基準電圧グループを第２の基準電圧グループに変更して再トライするとよい。
【００３４】
受信波の大きさが変化する要因は気体の圧力、ガス種、流量等の変化であり、それらが変化しない限り基本的には大きさの変化はほとんどないといってよい。したがって、一旦第３波を捉えることのできる基準電圧グループが求まれば、その基準電圧を使い続けることが可能でやり直しは少ない。２回の送受信で成功か不成功か判断でき、やり直しによる電力消費の無駄を最小限に抑えることができる。
【００３５】
前述のように、１回の送受信の到達時間ｔ１，ｔ２は極めて短い時間である。したがって、連続した送受信の到達時間の差はほとんどないと考えてよい。よって、一旦第３波を捉えたら、その送信から第３波を捉えた受信までの時間がｔ１であった場合、次の受信波が到達するのは送信後、およそｔ１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波検知ポイントとして良い。
【００３６】
つまり、連続する送受信に対し、前回の送受信の到達時間を用いて次回の受信点を予想すればよい。以下同じである。一旦ねらった波を捉えた後は、前回の送受信から受信波検知までの時間から一定時間（超音波の半周期程度がよい）を減じた時間がその回の送信から経った時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することにより、第３波を捉えた受信波はゼロレベルとの比較のみで基準レベルとの比較は行うことなく第３波を捉え続けることができる。
【００３７】
具体的には図１のように、ある送受信の到達時間がｔ１ｍであったとすると、次回の受信は前回の受信と同時に行われている送信からｔ１ｍ−α経過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する。ここでαは超音波の半周期程度の時間である。
【００３８】
上記の作用説明では第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、負側に基準電圧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波或いは負側で第３波を捉えるようにしてもよい。
【００３９】
請求項２の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる２つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち一方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち他方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時にねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、次の送信から受信までの時間の差が一定以上の時はねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、前記３回目の送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００４０】
この発明は、請求項１の発明と比較して第３波を検知するまで測定を中断することがないため、超音波の到達時間を測定するのに要する測定時間が短くなり、消費電流を少なくできる。
【００４１】
請求項３の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第３基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第３基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、第２の受信が、第２基準電圧の時は第３基準電圧、第３基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時、前記３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の受信時に行う２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初からの送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００４２】
この発明は、請求項１の発明に、第１波或いは第２波の存在を確認するための段階を直前に付加したもので、更に確実に第３波或いは第４波の検知が可能となる。
【００４３】
選択した基準電圧グループの３つの基準電圧を１００mV、２００mV、５００mVとすると、最初の１００mVの受信の到達時間と２回目の２００mVによる受信の到達時間が異なり、その２回目の到達時間と５００mVによる３回目の到達時間が等しいときは、２回目と３回目で受信した波は第３波で、最初に受信した波は第３波ではない、つまり第１波であると確認できる。
【００４４】
請求項１，２の発明のように、受信波を、選択した基準電圧グループの２つの基準電圧だけと比較する流量計では、圧力が高い場合等、何らかの理由で第１波が大きくなったとき誤って第１波を第３波としてしまう可能性があったが、請求項３の発明ではその虞れはない。
【００４５】
請求項４の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第３基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第３基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、第２の受信が、第２基準電圧の時は第３基準電圧、第３基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時、前記３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の受信時に行う２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、ねらった波を捉えられなかったとした受信時に行う送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００４６】
この発明では、請求項３の発明に比較して、第３波を検知するまで測定を中断することがないため、超音波の到達時間を測定するのに要する測定時間が短くなり、消費電流を少なくできる。
【００４７】
請求項５の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最も低い電圧或いは最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最初の受信が最も高い電圧の基準電圧だった時は最も低い電圧の基準電圧、最初の受信が最も低い電圧の基準電圧だった時は最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時はねらった波を捉えたとし、
その後は、上記選択した基準電圧グループの中間の電圧の基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変えて最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００４８】
請求項６の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最も低い電圧或いは最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最初の受信が最も高い電圧の基準電圧だった時は最も低い電圧の基準電圧、最初の受信が最も低い電圧の基準電圧だった時は最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時はねらった波を捉えたとし、
その後は上記選択した基準電圧グループの中間の電圧の基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、次の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、前記３回目の送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００４９】
請求項７の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる４つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第４基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第４基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、２回目の受信が、第２基準電圧の時は第４基準電圧、第４基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時は、前記２回目、３回目の受信はねらった波を捉えたとし、その後は、上記選択した基準電圧グループの第３基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信、或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計である。
【００５０】
請求項８の発明は、送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる４つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第４基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第４基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、２回目の受信が、第２基準電圧の時は第４基準電圧、第４基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時は、前記２回目、３回目の受信はねらった波を捉えたとし、その後は、上記選択した基準電圧グループの第３基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信、或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、ねらった波を捉えられなかったとした受信時に行う送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計である。
【００５１】
〔請求項５〜８の発明の作用〕
狙った波、例えば第３波を捉えたとするまでは、それぞれ請求項１，２，３，４の発明と同じである。前述の基準電圧を例に上げると、最初に選択した基準電圧グループを使用して、狙った第３波を捉えた時、第１波は２００mVより小さく、第３波は５００mVより大きいとできる。よって、それ以降、２００mVと５００mVの中間である３５０mVを初めて越える波のゼロクロスポイントを受信波検知点とすることで第３波を捉え続けることが可能である。３５０mVは第１波、第３波の大きさがノイズ等で多少変動しても確実に第３波を捉えられるように２００mVと５００mVの中間（中央）に決めた値である。これら請求項５〜８の発明では、デジタル回路で構成される比較器とか減算器が必要なくなり、受信波検知部のデジタル回路の規模を小さくできる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に基づいて説明する。図２のブロック図に示す実施例は、請求項２の発明に対応する。なお、受信波検知部は別の図面で詳しく説明する。
【００５３】
図２で、送受波器１，２は超音波振動子で、送信にも受信にも使用できる。両送受波器は流体中を上流から下流又は下流から上流への超音波の送受信を行う。受信波検知部４は受信側の送受波器、例えば２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からの測定ON・OFF信号が“High”から“Low”になると送信側の送受波器、例えば１を先ず駆動し、その後は受信波検知部から受信波検知信号を受ける都度、送信側の送受波器を駆動する。但し、第１のカウンタ７より第ｎ受信波検知信号を受けると、それ以後は新たに測定ON・OFF信号が“High”から“Low”になるまでは駆動を停止する。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。
【００５４】
コントロール部６からの測定ON・OFF信号は受信波検知部４にも入力される。測定ON・OFF信号を“High”にすることで測定を中断することができる。再測定は、再び“Low”にすることで行う。
【００５５】
第１のカウンタ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回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。第２のカウンタ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、カウント値をコントロール部６へ出力するようになっている。
【００５６】
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ることにより２つの送受波器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、測定ON・OFF信号を“High”から“Low”にする。このとき少し遅れて再スタート信号も出力する。そして、第ｎ受信波検知信号を入力すると、第２のカウンタ８の測定値（カウント値）を読み取り、直前に行った反対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。
【００５７】
図３は、前記受信波検知部４の電気回路の一部を構成する増幅部１１で、図２の受信側の送受波器、例えば２から入力される信号Ｖｉｎは増幅部１１で増幅される。オペアンプ１２に接続されたフィードバック抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の比率で増幅度が決められる。前記信号Ｖｉｎは増幅部１１で増幅されてＶoutとなる。このＶoutが増幅後の受信波である。
【００５８】
図４は前記受信波検知部４の電気回路の主要部で、前記図３の増幅部１１の後段に接続される。比較器１４の＋入力には受信波Ｖoutが入力され、−入力には前記コントロール部６からの基準電圧グループ選択信号で操作されるスイッチＳＷ１で選択された第１の基準電圧グループＧ１を構成する２つの基準電圧２００mV／５００mVのうちの１つ２００mVが選択入力される。この選択はバイナリカウンタ１５の出力（Ｑ１とＱ２が出力で、Ｑ１＝２０、Ｑ２＝２１を示している）で決まり、最初は再スタート信号でバイナリカウンタ１５がリセットされるため、出力Ｑ１で操作されるスイッチＳＷ１１によって２００mVが選択される。バイナリカウンタ１５はカウント“２”で停止し、それ以上カウントアップしない構成になっている。
【００５９】
図４では、第２の基準電圧グループＧ２を構成する２つの基準電圧の１４０mVと３１５mV、第３の基準電圧グループＧ３を構成する２つの基準電圧の１００mVと２００mVは、前記第１の基準電圧グループＧ１の２つの基準電圧２００mVと５００mVが、バイナリカウンタ１５のＱ１出力でコントロール（制御）されるスイッチＳＷ１１で選択されるのと同じように、同じＱ１出力でコントロールされるスイッチＳＷ１２とＳＷ１３でそれぞれ選択される。そして、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３のどの基準電圧グループを使用するかは、コントロール部６からの基準電圧グループ選択信号で切替操作されるスイッチＳＷ１で選択される。
【００６０】
なお，各基準電圧グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３の、それぞれの２つの基準電圧２５０mVと５００mV、１４０mvと３１５mv、１００mVと２００mvの比率は１：２．５、１：２．２５、１：２としてある。これは、流量が大きくなると、受信波が小さくなり、第３波のピークと第１波のピークとの比率第３波／第１波も小さくなるので、その大きさと比率の関係から決めたものである。こうすることで、大流量になるほど第３波の振幅（電圧）が小さくなり、かつ前記比率の第３波／第１波が小さくなっても、第５波／第３波の比率も第３波／第１波の比率に合わせ小さくなることが分かっているため、電圧同士の比率を小さくすることで第５波を第３波と間違えることはなく、狙った第３波を確実に検知することが可能となる。
【００６１】
なお、実施例では比率が大きい（電圧も大きい）第１の基準電圧グループから順に選択使用するようにしている。
【００６２】
比較器１４が２００mVを越える波を捉えて、その出力が“High”になるとRSFF１６の出力Ｑは一旦“Low”になり、RSFF１６のＳ入力であるゼロクロス検知用比較器１７の出力が受信波のゼロクロスを検知し、“High”となるとともに再び“High”になる。その立上がりエッジを立上りエッジ検知器１８で検知した信号が受信波検知信号となっている。
【００６３】
この信号はカウンタ１５のＣＫ入力となっていてバイナリカウンタ１５はこれをカウントするようになっている。
【００６４】
なお、切り替えスイッチＳＷ１１は、選択スイッチＳＷ１が図示の位置にあって第１の基準電圧グループＧ１を選択していて、バイナリカウンタ１５のカウント値が“０”の時に基準電圧２００mVを、“１”のとき５００mVを選択する。また切り替えスイッチＳＷ２はバイナリカウンタ１５のカウント値が“２”でＡ＝Ｂ側に切り替わる。
【００６５】
これにより、基準電圧グループ選択信号で操作される選択スイッチＳＷ１が図示の位置にあって、第１の基準電圧グループＧ１が選択されていると、最初の受信は、最初に２００mVを越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイント、次は、最初に５００mVを越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイント、以降はＡ＝Ｂ出力が“High”になった以降のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとするように動く。
【００６６】
また前記受信波検知信号は記憶器２０のラッチ入力となっていて、この瞬間のカウンタ２２のカウント値ｔ１１を記憶する。更に、受信波検知信号はラッチ後にＯＲゲート２１を介してカウンタ２２をリセットするように構成されていて、到達時間を記憶器２０が記憶するとその直後にカウンタ２２がリセットされ、次の到達時間の測定に移るようになっている。
【００６７】
減算器２３は記憶器２０で記憶された値（カウント記憶値）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）がデジタル比較器１９のＢ入力に出力されている。
【００６８】
またカウンタ２２の出力がＡ入力としてデジタル比較器１９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。
【００６９】
カウンタ２２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RSFF１６の出力Ｑは“Low”となり次のゼロクロスを待つ状態になる。そして実際にゼロクロスするときに、ゼロクロス検知用比較器の出力によりRSFF１６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。αは超音波の約半周期分の時間とした。
【００７０】
発信器２４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、第２のカウンタ８用の基準クロック或いはその分周したものも使用可能である。
【００７１】
記憶器２０の出力であるカウント記憶値がコントロール部６に入力されていて、バイナリカウンタ１５のＲ入力には測定ON・OFF信号と再スタート信号のＯＲ信号が入力されている。また、測定ＯＮ・ＯＦＦ信号はＯＲゲート２１を介しカウンタ２２のＲ入力となっていて、カウンタ２２は、測定ＯＮ・ＯＦＦ信号がＯＮつまり“Low”になるとカウントを開始する。
【００７２】
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、先ず送信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、測定ON・OFF信号を“High”から“Low”にする。このとき少し遅れて再スタート信号も出力する。
【００７３】
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。コントロール部６の動作を図５にフローチャートで示す。
【００７４】
βは超音波の半周期程度に相当するカウント値である。１回目の割り込みではｔａを読み取り前回値として記憶する（図６参照）。
【００７５】
次の割込みはｔｂを読み取る。ここでｔａと前回値ｔｂの差がβより大きければ、選択して使用した基準電圧グループＧ１の基準電圧２００mV／５００mVが合致していなくて狙った波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変更して再スタート信号が出力される。その場合はバイナリカウンタ１５はリセットされ、基準電圧は新しく選択された第２の基準電圧グループＧ２の低い方の基準電圧１４０mVとなる。よって次の受信が最初の受信と見なされることになる。前回値との差がβ以下の場合は狙った波、例えば第３波が捉えられたと判定され、本割り込み、すなわち受信波検知信号割込はマスクされ、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。
【００７６】
前述のように、３回目と見なされた以降の受信は、送信より前回の到達時間−α経過後の最初のゼロクロスポイントとなる。
【００７７】
実際の測定はｔａを読み取った受信時（最初の受信時）にスタートしたことになる。
【００７８】
第１のカウンタ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ｎ番目に相当する。なお、図６はｔａとｔｂの差がβ以下だった時の波形図で、請求項１と２に対応する。
【００７９】
図６では、２回目の受信波検知信号が、２回目の受信波検知割込となる。ここで読み取ったカウント記憶値は、前回値（１回目の受信時にかかる１回目の割込時、読み取り“前回値”として記憶したもの）と比較、差がβ以下なら以後の受信波検知割込をマスクする。
【００８０】
前述のように、総到達時間をカウントするカウンタ８は、再スタート信号後の受信波検知信号からカウントを始める。よって、測定のスタートは最初の受信時（２回目の発信時）である。
【００８１】
図７は、最初選択した基準電圧グループＧ１の基準電圧が大きすぎた場合を示し、請求項２で基準電圧グループを１回変更した場合に対応する。
【００８２】
図６同様、先ずは２回目の受信波検知信号が２回目の受信波検知割込となる。ここで読み取ったカウント記憶値ｔｂ′は、前回値ｔａ′（１回目の受信時にかかる１回目の割込時、読み取り“前回値”として記憶したもの）と比較、最初、差がβより大きいため、選択した基準電圧グループが不適当で、狙った波が捉えられていないとし、選択する基準電圧グループを変更して基準電圧を小さくして、再スタート信号を出力する。次に、基準電圧レベルは１４０mVにされ、割込数はリセットされるため、次の割込が１回目の割込と見なされる。こうして、結局４回目の受信波検知信号が、２回目の受信波検知割込と見なされる。
【００８３】
ここで読み取ったカウント記憶値は、前回値（１回目の受信時にかかる１回目の割込時、読み取り“前回値”として記憶したもの）と比較、差がβ以下なら、以後の受信波検知割込をマスクする。前述のように、送到達時間をカウントするカウンタ８は、再スタート信号後の受信波検知信号からカウントを始める。よって、この場合には、測定のスタートは３回目の受信時（４回目の発信時）である。
【００８４】
図８の実施例は請求項４に対応し、図４の場合と比較して各基準電圧グループ毎に３つずつの基準電圧が用意されている点などが異なるが、同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。カウンタ１５Ａはカウント値が“３”で停止し、それ以上カウントアップしない構成である。切替スイッチＳＷ１１はカウンタ１５Ａのカウント値が０で１００mV、１で２００mV、２で５００mVの基準電圧を選択する。切替スイッチＳＷ２はカウンタ１５Ａのカウント値が３でＡ＝Ｂ側に切り替わる。図９はこの実施例のコントロール部の動作のフローチャートである。図１０は第３波のゼロクロスポイントを捉えるのに成功した時の波形図で、請求項３と４に対応する。
【００８５】
図１１の実施例は請求項６に対応する。この図の受信波検知部の主要部の電気回路図である。カウンタ１５Ｂが受信波検知信号をカウントし、その結果により切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３が切り替えられる。最初の受信時はコントロール部６の基準電圧グループ選択信号で操作される選択スイッチＳＷ１が図示の位置にあり、かつカウンタ１５Ｂのカウント値はゼロのため比較器１４の−入力に接続される基準電圧は２００mV、最初の受信後はカウント値が１となるため５００mVに接続され、次の受信時にはカウント値が２となって３５０mVに接続され、その状態が維持される。各送受信の到達時間はカウンタ２２がカウント受信毎にその値は記録器２０にラッチされる。この値はカウント記憶値としてコントロール部６が読み取って使用する。
【００８６】
図１２は図１１の実施例の最初のトライで成功した時の波形図であるが、請求項５の発明の成功時にも対応している。この波形図は成功時を示す。同じ波が２００mVも５００mVも越え、しかもその前には２００mVに達する波が無い。その波は直前の波の２．５倍以上ある。また、コントロール部の動作のフローは図５と同じである。
【００８７】
図１３の実施例は請求項８に対応し、受信波検知部の主要部の電気回路図である。切替スイッチＳＷ１１は、カウンタ１５Ａのカウント値が０で１００mV、１で２００mV、２で５００mV、３で３５０mVに切り替わる。図１４は図１３の実施例の波形で、成功時を示すが、請求項７の発明の成功時にも対応している。また、コントロール部６の動作のフローは図９と同じである。
【００８８】
上述のように、各実施例では、基準電圧との比較を１つの比較器で実現でき、コストが下がる。
【００８９】
なお、上記実施例では、基準電圧との比較に１つの比較器を使用し、そのほかにゼロレベルとの比較にもう１つの計２個の比較器で構成しているが、基準レベルとゼロレベルの比較は同時ではないため、それらの比較を１つの比較器で行うことも可能である。図１５に、そのときの、波形を示す。（実施例に取り上げての説明は省く）請求項１，２に対応する。受信波と比較する電圧入力を、１つの基準レベルを越えた時点で基準レベルをゼロレベルに変更し、ゼロレベルとの比較を行い、ゼロクロスを検知すると、もう１つの基準レベルに変更し、基準レベルとの比較を行い、その後はゼロレベルに戻し、ゼロクロス検知用比較器として動作する。そうすると、実施例より、コスト的に更に有効である。
【００９０】
【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、受信波検知部にピーク値ホールド等の消費電流の大きいアナログ回路を用いてなく、しかも比較器の数を最小限にできるため、低消費電流化に寄与し、電池駆動の流量計の実現に役立つ。コスト低減にも役立つ。
【００９１】
また、調整なしで流体の圧力変動等による受信波の大きさの変動に追従して対応ができる。狙った波、例えば第３波検知の確度が上がり、失敗が少ないため、やり直しが少ない。
【００９２】
アナログ回路が増幅回路と比較器のみで構成でき、しかも受信時のみ機能させれば良い。従来の、ピーク値をホールドして、その値からしきい値ＶTHを発生させるものでは、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必要があり、その分長時間アナログ回路を作動させるため、消費電流が大きい。
【００９３】
更にまた本発明では、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。
【００９４】
そしてまた、信号に対してある程度のノイズを許容できる。低電圧駆動が可能で電池駆動の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明する受信波形図。
【図２】本発明の実施例の全体を示すブロック図。
【図３】本発明の実施例の受信波検知部に用いる増幅部の電気回路図。
【図４】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図５】本発明の実施例のフローチャート。
【図６】本発明の実施例の信号波形図。
【図７】本発明の実施例の信号波形図。
【図８】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図９】本発明の実施例のフローチャート。
【図１０】本発明の実施例の信号波形図。
【図１１】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図１２】本発明の実施例の信号波形図。
【図１３】本発明の実施例の要部の電気回路図。
【図１４】本発明の実施例の信号波形図。
【図１５】本発明の信号波形図。
【図１６】超音波流量計の原理を説明する略図。
【図１７】従来の超音波流量計の動作を説明する信号波形図。
【符号の説明】
１，２ 送受波器
４ 受信波検知部
５ 送波器駆動部
６ コントロール部
１１ 増幅部
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 基準電圧グループ
ＳＷ１ 選択スイッチ
ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３ スイッチ
Claims (8)
- 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる２つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち一方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち他方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時にねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時はねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる２つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち一方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの２つの基準電圧のうち他方の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時にねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、次の送信から受信までの時間の差が一定以上の時はねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、前記３回目の送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第３基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第３基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、第２の受信が、第２基準電圧の時は第３基準電圧、第３基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時、前記３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の受信時に行う２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初からの送受信をやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第３基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第３基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、第２の受信が、第２基準電圧の時は第３基準電圧、第３基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時、前記３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、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った時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、
最初の受信時に行う２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、ねらった波を捉えられなかったとした受信時に行う送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最も低い電圧或いは最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最初の受信が最も高い電圧の基準電圧だった時は最も低い電圧の基準電圧、最初の受信が最も低い電圧の基準電圧だった時は最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時はねらった波を捉えたとし、
その後は、上記選択した基準電圧グループの中間の電圧の基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受信を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変えて最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる３つの基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最も低い電圧或いは最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の受信は、上記選択した基準電圧グループの３つの基準電圧のうち最初の受信が最も高い電圧の基準電圧だった時は最も低い電圧の基準電圧、最初の受信が最も低い電圧の基準電圧だった時は最も高い電圧の基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、次の２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時はねらった波を捉えたとし、
その後は上記選択した基準電圧グループの中間の電圧の基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信、最初の受信時に行う２回目の送信、或いは２回目の受信時に行う３回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、次の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、前記３回目の送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる４つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第４基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第４基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、２回目の受信が、第２基準電圧の時は第４基準電圧、第４基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時は、前記２回目、３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、上記選択した基準電圧グループの第３基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信、或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして送受を中断し、一定時間後選択する基準電圧グループを変え最初から送受信をやり直すようにした超音波流量計。 - 送信側としても受信側としても働く超音波送受波器を少なくとも１対設け、流体の流れの中を上流から下流の順方向及び下流から上流の逆方向に超音波の送受信を行い、その各方向の到達時間より流量を求める超音波流量計で、かつ、各方向毎に先ず一方の送受波器を送信側として送信し、他方の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送受波器を駆動して送信し、これを複数回繰り返すように構成し、各方向毎に第１回目の送信から複数回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超音波流量計において、
前記受信波検知部は、電圧が異なる４つの基準電圧として電圧の低い方より第１〜第４基準電圧を１グループとする基準電圧グループが複数用意されていて、そのうちの１グループを選択して使用するようにして、
各方向毎に繰り返す超音波の送受信において、
最初の受信は、上記選択した基準電圧グループの第１基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
次の２回目の受信は、上記選択した基準電圧グループの第２基準電圧或いは第４基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
その次の３回目の受信は、２回目の受信が、第２基準電圧の時は第４基準電圧、第４基準電圧の時は第２基準電圧に対し最初にその電圧を越えた波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以上で、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以下の時は、前記２回目、３回目の受信はねらった波を捉えたとし、
その後は、上記選択した基準電圧グループの第３基準電圧を最初に越える波のゼロクロスポイントを受信波検知ポイントとし、
２回目の送信、２回目の受信時に行う３回目の送信、或いは３回目の受信時に行う４回目の送信を第１回目の送信とみなすようにしたもので、
前記最初の送信から受信までの時間と、２回目の送信から受信までの時間の差が一定以下か、２回目の送信から受信までの時間と３回目の送信から受信までの時間の差が一定以上の時は、ねらった波を捉えられなかったとして選択する基準電圧グループを変え、ねらった波を捉えられなかったとした受信時に行う送信を最初の送信としてやり直すようにした超音波流量計。
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