JP4234838B2 - 超音波流量計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波の送信器と受信器とを有し、呼吸気の流量を測定する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素消費量計は、運動時に体内で消費される酸素量や体内から排出される二酸化炭素量を測定することを目的として使用され、肺機能評価、代謝量の測定、基礎体力の解析、最適運動負荷量の選択などに有力なデータを提供する医療評価機器として定着している。
以前の酸素消費量計は、ある時間の運動負荷に対して、その時間内の平均的な運動量に対しての酸素消費量が測定されていたが、近年になって、より詳細な解析が必要になり、ブレスバイブレス方式と呼ばれる、一呼吸毎のデータが要求されるようになってきた。
酸素消費量計は、主に、呼吸気の流量計、二酸化炭素濃度計、酸素濃度計から構成され、上記のように一呼吸毎のデータが要求されるようになると、これらの構成要素についてもより高機能化が求められるようになってきている。
【０００３】
これまでに酸素消費量計の流量計として、実用化されているものは、熱線式流量計、層流式流量計、タービン式流量計がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各種流量計は以下のような問題点がある。
熱線式は、熱伝達特性を良好にするために、機械的に強固な構造を取り難い。
また、層流式は、微小な細管を束ねた絞り機構により呼吸気の流れを強制的に層流にするために、圧力損失が大きい。このため、呼吸気の量が、実際よりも大幅に低下することがある。加えて、呼気ガスに含まれる飽和蒸気が細管に結露し、閉塞するという不具合が懸念される。
さらに、タービン式は、回転する可動部の経時的な劣化が避けられず、また機械動作の慣性により応答性が低く、特に、呼気と吸気が切り替わったときに正確に流量を測定できない懸念がある。
また、これらの流量計は、流路中に呼吸気の流れの障害となる構造を配置せざるをえないので、使用後の滅菌作業に適さない構造となっている。
【０００５】
一方、一般に使用されている流量計として超音波流量計があり、工業用や実験用に広く使用されている。この超音波流量計は、流体が通る管路に１組以上の超音波送受信器を設け、送信器から発せられた超音波が受信器によって受信されるまでの伝播時間に基づいて流体の流量を測定するものである。
具体的には、次のように２種類知られている。
１つは、２組の送受信器を、管路中の異なる箇所に設け、一方の組の送信器から他方の組の受信器に向けて、次に前記他方の組の送信器から前記一方の組の受信器に向けて、パルス波を発し、それぞれの組の受信器にパルス波が伝播する時間の差に基づいて流量を求めるものである。
もう１種類は、送信器から連続波としての超音波を発し、複数の受信器が受信する受信波の位相差に基づいて検出するものである。
しかしながら、これら超音波流量計のうち前者は、計測される時間差がごくわずかな値であることから、測定には種々の工夫を要し、複雑な回路構成となり、高価であるので、酸素消費量計には適用しにくい。
また、後者は、連続波であることから、管内の反射波や漏洩波が問題となり、目的とする送信器から直接送信された超音波のみＳ／Ｎ比よく検出することが困難であった。このため、測定対象となる流体は、音響インピーダンスが大きく、伝播する超音波の受信時の振幅が大きい液体に限定され、流体として呼吸気が対象である酸素消費量計には適用しにくい。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、上記の各種問題を解決し、酸素消費量計に好適に用いることができる超音波流量計を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器とこの超音波送信器に対向するように３個の超音波受信器とが設けられ、前記３個の超音波受信器のうち第１の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が呼吸気の流れる方向に対して＋θの角度を有するように設置され、第２の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対して−θの角度を有するように設置され、第３の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対してほぼ直交するように設置され、呼吸気が前記流路を流れているときに前記超音波送信器より超音波をバースト波として送信し、前記第１の超音波受信器と前記第２の超音波受信器との受信信号の位相差である第１の位相差と、前記第３の超音波受信器の受信信号と基準波との位相差である第２の位相差とを検出し、前記第１の位相差と前記第２の位相差に基づいて、前記呼吸気の流量を求めることを特徴とする超音波流量計である。
【０００８】
本発明によれば、呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器と３個の超音波受信器を設置した超音波流量計であることから、従来酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決することができる。すなわち、流路の壁部の開孔に受信器、送信器を埋め込んだ構造であるので、構造が単純で流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作も容易である。さらに、タービン式のように機械的な動作がほとんどないことから、経時的な劣化もほとんどなく、応答性の点でも改善される。
【０００９】
また、本発明は、３つの受信器を用い２種類の位相差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストを抑えることができる。さらに、送信波としてバースト波を用いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、流体が気体であっても十分に適用可能となる。
【００１０】
ここで、バースト波とは、限られた一定時間連続する連続波であって、連続波と連続波との間がある程度間隔がある波のことである。また、角度θは、９０度以外の値である。さらに、基準波とは、呼吸気の流れがないときに送信器より発信されたバースト波である。この場合、基準波の位相データについては、実際に受信器により受信された受信信号から得てもよいし、計算により求めることも可能であるので信号発生回路等から得るように構成してもよい。
【００１１】
また、本発明は、上記の超音波流量計において、前記第１の超音波受信器と前記第２の超音波受信器の受信信号の位相を比較しその結果を出力する第１の位相比較器と、前記第３の超音波受信器の受信信号と前記基準波に相当する基準波信号の位相を比較しその結果を出力する第２の位相比較器と、前記第１の位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきた前記バースト波が受信されると予想される時間帯に、前記第１及び第２の超音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサンプリングする第１のサンプルホールド回路と、前記第２の位相比較器の出力のうち、前記時間帯に前記第３の超音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサンプリングする第２のサンプルホールド回路と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、サンプルホールド回路により、位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきたバースト波が受信されると予想される時間帯に受信された信号に対応する出力のみサンプリングされることから、受信信号のうち流路の壁部を伝播する信号や反射信号等の各種ノイズが除かれて、目的とする信号のみ取り出され、以後の演算処理を正確に行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、上記の超音波流量計において、前記３個の超音波受信器により前記バースト波が受信されない時間帯に、前記第１の位相比較器に対して、９０度の位相差を有する２つの模擬信号を入力し、前記第２の位相比較器に対して、前記基準波信号と、この基準波信号と９０度の位相差を有する模擬信号を入力することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、バースト波が受信されていない時にも、第１および第２の位相比較器には、９０度の位相差を有する２つの信号が入力されることから、これにより、第１および第２の位相比較器の動作を安定化させることができる。
【００１５】
また、本発明は、上記の超音波流量計において、前記第１の位相比較器の出力のうち、直流成分をカットするフィルタを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、フィルタにより第１の位相比較器の出力のうち直流成分をカットすることから、この超音波流量計に備えられる回路内部で発生するオフセット電圧の影響や、信号の時間的な不安定さによる演算誤差の影響が除かれ、第１の位相差について安定した出力を取り出すことができる。
【００１７】
本発明に係る超音波流量計は上記のように優れた作用・効果を有することから、酸素消費量計に好適に用いることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図１〜図５の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の超音波流量計の基本的な構成を示す図である。図１の超音波流量計１は、酸素消費量計に備えられるもので、マスク３、プラスチック製の流路２とから主に構成され、流路２の壁部に形成された複数の開孔（図２に１つだけ図示）に、１つの送信器（超音波送信器）４と、３つの受信器（超音波受信器）５ａ、５ｂ、５ｃが対向するように設けられている。受信器（第３の超音波受信器）５ｂは、送信器４の正面に位置するように設けられ、受信器５ａ、５ｃ（第１、第２の超音波受信器）は、送信器４と受信器５ａ、５ｃを結ぶ直線が流路２の呼吸気の流れの方向に対して、±θの角度を有するように、受信器５ｂの左右に設けられている。
送信器４は一定の間隔で超音波を発し、その超音波を受信器５ａ、５ｂ、５ｃが受信するようになっている。送信器４が発する超音波は、限られた一定時間連続する連続波であって、連続波と連続波との間がある程度間隔があり、ここではバースト波という。
【００１９】
送信器４と、受信器５ａ〜５ｃは、ほぼ同様の構造を有し、図２にそれらの構造の概略を示した。
送信器４（受信器５ａ〜５ｃ）は、流路２内の開孔２ａ内に填め込まれた金属ホルダ１２内部に、超音波を発する圧電素子１４が接着剤１３を介して固定されてなるもので、防滴構造となっている。金属ホルダ１２と開孔２ａの間は、ゴム等の材質のＯリング１１，１１によりシールされている。開孔２ａの上部、すなわち金属ホルダ１２の上部は、ゴム等からなる弾性板１０によって被われ、この弾性板１０上は固定板１８によって被われている。そして、金属ホルダ１２は、固定板１８、弾性板１０を貫通して流路２の壁部２ｂにねじ込まれた締結ネジ１７，１７により、開孔２ａ内に固定されている。圧電素子１４と接続されるリード線１８、１８は弾性板１０、固定板１８を貫通して送受信器の外部に延出している。なお、前記弾性板１０は、流路２を経由して送受信器間を伝播する超音波成分を軽減するため、設けられている。
【００２０】
ここで、図１で示す送信器４から受信器５ａ〜５ｃに送信される超音波の伝播について、次のように解析される。
この超音波流量計１では、超音波を発生させる際、前記圧電素子１３に対して、駆動電圧を印加し（図４（ａ））、それを受けて、発信器４から（送信波）は、図４（ｂ）に示すように、一定時間連続したバースト波としての超音波が発せられる。
【００２１】
ある時刻に送信器４からバースト波が発生した時、流体（ここでは吸気）を伝播して受信器５ａ〜５ｃに超音波が到達するまでの時間は、受信器５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれに到達した時間を、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃとすると、
Ｔａ＝Ｌ／（Ｃ１＋Ｖ１ｃｏｓθ） （１）
Ｔｃ＝Ｌ／（Ｃ１−Ｖ１ｃｏｓθ） （２）
Ｔｂ＝Ｄ／Ｃ１ （３）
である。ここで、Ｌは送信器４と受信器５ａ、５ｃとの距離、Ｄは流路２の径、Ｃ１は吸気時の音速、Ｖ１は吸気の流速である。
また、Ｔａ−ＴｃをΔＴとすると、
ΔＴ＝−２Ｄｃｏｔθ・Ｖ１／（Ｃ１2−Ｖ１2ｃｏｓ2θ） （４）
ここで、Ｃ１2≫Ｖ１2ｃｏｓ2θであるから、
ΔＴ＝−２Ｄｃｏｔθ・Ｖ１／Ｃ１2 （５）
となる。
【００２２】
呼気時において、受信器５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれに到達した時間を、Ｔａ’、Ｔｂ’、Ｔｃ’とすると、上記と同様に表され、
Ｔｂ’＝Ｄ／Ｃ２ （６）
ΔＴ’＝２Ｄｃｏｔθ・Ｖ２／Ｃ２2 （７）
である。ただし、Ｃ２は呼気時の音速、Ｖ２は呼気の流速、ΔＴ’＝Ｔａ−Ｔｃである。
【００２３】
式（５）、式（７）から明らかなように、呼吸気の流速Ｖ１、Ｖ２は、ΔＴ、ΔＴ’と、Ｃ１、Ｃ２と、図１に示すＤ、θの値から、求めることができる。
【００２４】
前述のように、送信波が限られた一定時間連続であることから、受信器５ａ〜５ｃが受信する超音波（受信波）もある程度の時間連続である。その受信波が連続している時間内における、受信器５ａ、５ｃが受信する受信波の位相差（第１位相差とする）Δφ（吸気時）、Δφ’（呼気時）は、受信波の角周波数をωとすると、（８）式、（９）式のように表すことができる。
Δφ＝ωΔＴ （８）
Δφ’＝ωΔＴ’ （９）
本実施の形態では、時間差ΔＴ、ΔＴ’を、これらをω倍した第１位相差Δφ、Δφ’として検出し、高感度に検出できるようになっている。
【００２５】
そして、受信器５ｂが吸気の流れがあるときに受信した受信波と、基準波との位相差をΔφC1とし、呼気の流れがあるときに受信した受信波と基準波との位相差をΔφC2とすると、
ΔφC1＝ωΔＴｂ （１０）
ΔφC2＝ωΔＴｂ’ （１１）
となる。
【００２６】
後述する信号処理回路８０においては、前記基準波は、校正時の受信信号に対して９０度の位相差になるように設定されている。よって、実際に位相比較器３６（図３）の出力であるΔφC1について、吸気の場合を例にすると、
となる。ただし、Ｃ０は機器の流量校正時の音速（既知）で、Ｃ１＝Ｃ０＋ΔＣ１である。また、ΔＣ１はＣ０に対する音速の変化幅を表し、Ｃ０≫ΔＣ１である。
すなわち、位相比較器３６の出力は音速の変化（ΔＣ１）に対応するものである。Ｃ０は既知であることから、これによりＣ１は算出される。呼気の場合のΔφC2も同様に求められる。
なお、当然のことながら、基準波の音速は予想される呼吸気の音速変化幅のほぼ中央付近に選択されることが望ましい。
【００２７】
そして、第２位相差ΔφC1、ΔφC2から音速Ｃ１、Ｃ２が、第１位相差Δφ、Δφ’からΔＴ、ΔＴ’が求められると、前述のように、式（５）あるいは式（７）より、流速Ｖ１、Ｖ２が求められるようになっている。
【００２８】
図３は、超音波流量計１の信号処理回路８０の構成を示すブロック図である。この信号処理回路８０は、超音波を送受信し、それにより、上記で説明したΔφ、Δφ’、ΔφC1、ΔφC2を検出するものである。
信号処理回路８０は、主に、ブロック５０、６０、７０とから構成される。
ブロック５０は、送信器４に超音波を発信させるとともに、各種演算用信号および制御信号を発生する機能を有する。
ブロック６０は、主に、受信器５ａ、５ｂ、５ｃが受信した受信波を波形整形する機能を有する。
また、ブロック７０は、主に、上記位相差Δφ、Δφ’、ΔφC1、ΔφC2に対応する信号のみを取り出す機能を有する。
【００２９】
次に、図３の各部の機能を、信号処理回路８０の動作と関連づけながら説明する。
はじめに、Δφ、Δφ’の検出について説明する。
まず、信号発生回路２３からの指示信号に基づき、駆動回路２２から図４（ａ）に示すような大きな振幅を有し一定時間連続する駆動電圧が、発振器２１で決定される周期で、送信器４に対して印加される。ここで駆動電圧が印加される周期は、流路２内の反射波が十分に減衰し受信器５ａ〜５ｃによって受信されなくなるような間隔であり、通常、１０〜２０ｍ秒である。
駆動電圧が印加されると送信器４からは、図４（ｂ）に示すような連続した波形を有するバースト波が発せられ、受信器５ａ〜５ｃによって受信される。
受信器５ａ、５ｃによって受信されると、受信信号はブロック６０の増幅器２４、３０で増幅され、増幅器２４の出力は移相器２５を介して波形整形回路２６に送られ、増幅器３０からの出力は波形整形回路３１に送られる。波形整形回路２６、３１は、入力された波形を、整形し矩形波に変換する。ここでの矩形波の立ち上がりの時間は、吸気の場合Ｔａ、Ｔｃに相当し、呼気の場合Ｔａ’、Ｔｃ’に相当する。
【００３０】
波形整形回路２６，３１から出力された矩形波は、ブロック７０の位相比較器（第１の位相比較器）３２に入力する。この位相比較器３２では、「ωΔＴ」あるいは「ωΔＴ’」なる演算、つまりΔφまたはΔφ’を求める演算処理が行われる。この演算処理において、連続した入力波の場合、リニアな出力が得られる入力位相差は１８０°の範囲に限定される。よって、流量（呼吸気）ゼロ時の動作基準点を９０°とすると、入力範囲を最も大きく確保することができる。
受信器５ａと受信機５ｃは送信器４に対して等しい距離に位置することから、流量ゼロの時には、受信器５ａ、５ｃの受信波は同相である。そこで、ブロック６０に移相器２５を設け、位相比較器３２において流量ゼロの時に入力の位相差が９０°になるように、受信器５ｃの受信波の移相を移相器２５によりシフトさせるようになっている。
【００３１】
なお、送信器４から発せられる超音波はバースト波であることから、受信信号のみを位相比較器３２へ入力するように構成すると、入力信号が離散的なものになってしまい、ほとんどの時刻では入力信号はないことになってしまう。そこで、位相比較器３２の動作を安定化するため、入力信号がないときには、前記信号発生回路２３から前記波形整形回路２６、３１に対して、信号線Ｐ１、Ｐ２に示すように、９０°の位相差を有する模擬信号を入力するようになっている。
このような模擬信号を入力することによって、図５に示すように位相比較器３２には常に信号が入力することになり、受信器５ａ、５ｃが受信波を受信していないときには、図５中の点線で示すように、９０°位相がずれた信号が入力し、受信器５ａ、５ｃが受信波を受信すれば、図５中の実線で示すように、前記位相差ΔφまたはΔφ’を有する信号が入力する。
【００３２】
位相比較器３２において求められたΔφ、Δφ’に対応する信号は、ローパスフィルタ３３に送られる。該ローパスフィルタ３３は、位相比較器３２から出力された矩形状の波形をアナログ電圧に変換し、サンプルホールド回路３４に出力する。
【００３３】
サンプルホールド回路３４は、ローパスフィルタ３３から入力された信号のうち、目的とする、呼吸気を伝播した信号位相差に比例した信号のみをサンプルホールドするものである。
受信信号には、図４（ｃ）に示すように、目的とする信号成分（Ｂ部分）の他に、誘導ノイズや流路２を構成する管を介して伝播するノイズ（Ａ部分）、流路２壁部からの反射ノイズ（Ｃ部分）などが含まれている。しかし、図４からも明らかなように、Ａ部分のノイズは駆動電圧（図４（ａ））とほぼ同時刻に受信され、またＣ部分のノイズは流路２内を径方向において３回以上伝播した後に受信されることから、目的のＢ部分の信号と、時間的に異なる時間に受信される。そこで、サンプルホールド回路３４は、位相比較器３２の出力のうち、目的とするＢ部分の信号が受信されると予想される時間帯に、受信器５ａ、５ｃにより受信された信号に対応する出力のみサンプリングする。
【００３４】
このサンプルホールド回路３４が前記サンプルホールドを行うタイミングと時間は、前記信号発生回路２３からのサンプルホールド信号（信号線Ｐ５）に従っている。このサンプルホールド信号は図４（ｄ）に示すタイミングと時間で出力される。図４（ｄ）で示す、ｔ１、ｔ２は、計算上は、ｔ１＝Ｌ／Ｃ１あるいはｔ１＝Ｌ／Ｃ２、ｔ２＝３Ｄ／Ｃ１あるいはｔ２＝３Ｄ／Ｃ２であるが、前記圧電素子１４からの超音波の発生が、慣性による影響で図４（ｂ）のように駆動電圧の発生に対して少し遅れて生じ急激に立ち上がらないことや、あるいは接着剤１３や金属ホルダ１２の影響等も考慮し、前記計算結果よりやや大きな値に設定される。
【００３５】
サンプルホールド回路３４から出力された信号は、ＤＣカット回路３５に送られる。ＤＣカット回路３５は、直流成分である低周波数成分（カット周波数をｆｃ以下とする）をカットし、交流成分のみ通過させるフィルタとしての役目を担う。呼気と吸気では、流れの方向が逆であり、流速（流量）を求めるためには、交流成分のみでよいため、このような処理を行うことができる。
このＤＣカット回路３５における処理により、回路内部で発生するオフセット電圧の影響や、ブロック７０で発生する各種信号の時間（１／ｆｃ以上）に対する不安定さによる演算誤差の影響が除去される。
ここで、前記ｆｃ値としては、想定される安静時の最低呼吸周波数に対して十分に小さい値が設定される。
【００３６】
ＤＣカット回路３５から出力された信号は、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換器３９に入力し、デジタル値に変換される。
【００３７】
次に、ΔφC1、ΔφC2の検出について説明する。
これは、既に述べたように、基準波と受信器５ｂの受信信号を比較して、両者の位相差を求めることである。信号処理回路８０の各部で行われる具体的な処理は、前記のΔφ、Δφ’を求める場合とほぼ同様である。以下には、Δφ、Δφ’を求める場合とは異なる点を中心に述べる。
受信器５ｂにより受信された信号は、増幅器２７で増幅され、移相器２８で基準波と９０°位相がずれた信号に変換される。次に、波形整形回路２９で矩形波に整形され、一方、受信器５ｂからの受信信号がないときには、信号線Ｐ３で示すように、波形整形回路２９に、基準波に対して９０°の位相差を有する模擬信号が入力される。
【００３８】
次に、位相比較器（第２の位相比較器）３６に対して、信号線Ｐ４に示すように、信号発生回路２３より基準波に対応する基準波信号が出力される。これにより、波形整形回路２９から出力された信号と基準波とが比較され、ωΔＴｂ（ωΔＴｂ‘）を求める演算処理が行われる。なお、受信信号が位相比較器３６に入力していないときにも、波形整形回路２９を介して基準波に対して９０°位相がずれた模擬信号が入力されることから、位相比較器３６には、基準波信号と模擬信号の２つの信号が入力する。
位相比較器３６における比較結果がローパスフィルタ３７に出力され、サンプルホールド回路３８を介して、Ａ／Ｄ変換器４０に出力され、該Ａ／Ｄ変換器４０においてデジタル値に変換され、音速Ｃ１、Ｃ２の演算に用いられる。サンプルホールド回路３８の機能は、前記サンプルホールド回路３４と同様であり、信号発生回路２３からのサンプルホールド信号（信号線Ｐ６）に基づいて、ノイズ以外の受信信号のみサンプリングするようになっている。
【００３９】
そして、本実施の形態の超音波流量計では、Ａ／Ｄ変換器３９、４０からのデジタルデータに基づき、流速Ｖ１、Ｖ２が求められ、流速Ｖ１、Ｖ２に、流路２の断面積を乗じることによって、流量を求めるようになっている。
【００４０】
なお、超音波流量計１で、毎秒ごとに得られる信号のサンプル数は、５０〜１００個であり、呼吸気流量の変化を再現するために十分な数である。
【００４１】
以上の超音波流量計１によれば、流路２の壁部の開孔２ａ内に送信器４と受信器５ａ、５ｂ、５ｃを埋め込んだ単純な構造であることから、従来の酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決することができる。
すなわち、構造が単純で流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作が容易である。さらに、機械的な動作部がないことから、経時的な劣化もほとんどなく、応答性も改善される。
【００４２】
また、３つの受信器５ａ〜５ｃを用い位相差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストも抑えることができる。
さらに、送信波としてバースト波を用いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、流体が気体であっても十分に適用できる。
【００４３】
さらに、信号発生回路２３からのサンプルホールド信号にしたがって、サンプルホールド回路３４、３８により、位相比較器３２、３６の出力のうち、呼吸気中を伝播した前記バースト波が３個の超音波受信器５ａ〜５ｃによって受信されると予想される時間帯に受信された信号のみサンプリングされ、演算処理を正確に行うことができる。
【００４４】
加えて、信号発生回路２３からの模擬信号にしたがって、位相比較器３２、３６には受信信号が受信されていない時にも、９０度の位相差を有する２つの信号が入力するように構成され、これにより、位相比較器３２、３６の動作が安定化する。
【００４５】
また、ＤＣカット回路３５により、位相比較器３２の出力のうち直流成分がカットされることから、信号処理回路８０内で発生するオフセット電圧の影響や、信号発生回路２３から出される信号についての時間的な不安定さによる演算誤差の影響が除去される。
【００４６】
以上のように、超音波流量計１は、従来の流量計にはない顕著な作用・効果を有することから、酸素消費量計に好適に用いることができる。
【００４７】
なお、本発明の超音波流量計は、特に、酸素消費量計に好適に用いることができるものであり、酸素消費量計としては、さらに酸素濃度計、二酸化炭素濃度計、呼吸気を採取するサンプリング装置等が必要である。
また、本発明の超音波流量計は、酸素消費量計以外の各種装置、機器等において流体の流量計として適用できることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器と３個の超音波受信器を設置した超音波流量計であることから、従来酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決することができる。すなわち、流路の壁部の開孔に受信器、送信器を埋め込んだ構造であるので、構造が単純で流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作も容易である。さらに、タービン式のように機械的な動作がほとんどないことから、経時的な劣化もほとんどなく、応答性の点でも改善される。
【００４９】
また、本発明によれば、３つの受信器を用い２種類の位相差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストを抑えることができる。さらに、送信波としてバースト波を用いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、流体が気体であっても十分に適用可能となる。
【００５０】
また、本発明によれば、上記の効果に加えて、サンプルホールド回路により、位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきたバースト波が受信されると予想される時間帯に受信された信号に対応する出力のみサンプリングされることから、受信信号のうち流路の壁部を伝播する信号や反射信号等の各種ノイズが除かれて、目的とする信号のみ取り出され、以後の演算処理を正確に行うことができる。
【００５１】
また、本発明によれば、バースト波が受信されていない時にも、第１および第２の位相比較器には、９０度の位相差を有する２つの信号が入力されることから、これにより、第１および第２の位相比較器の動作を安定化させることができる。
【００５２】
また、本発明によれば、フィルタにより第１の位相比較器の出力のうち直流成分をカットすることから、この超音波流量計に備えられる回路内部で発生するオフセット電圧の影響や、信号の時間的な不安定さによる演算誤差の影響が除かれ、第１の位相差について安定した出力を取り出すことができる。
【００５３】
また、本発明に係る超音波流量計は、酸素消費量計に、好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例としての超音波流量計の基本的な構成を示す図である。
【図２】送受信器の概略構造を示す図である。
【図３】図１の超音波流量計の信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図４】図１の超音波流量計における各種信号のタイミングを説明するための図であり、（ａ）は駆動電圧、（ｂ）は送信波、（ｃ）は受信波、（ｄ）はサンプルホールド信号について示す。
【図５】図１の位相比較器に入力する信号を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波流量計
２ 流路
２ａ 開孔
４ 送信器（超音波送信器）
５ａ 受信器（第１超音波受信器）
５ｂ 受信器（第３超音波受信器）
５ｃ 受信器（第２超音波受信器）
２２ 駆動回路
２３ 信号発生回路
２４、２７、３０ 増幅器
２５、２８ 移相器
２６、２９、３１ 波形整形回路
３２ 位相比較器（第１の位相比較器）
３６ 位相比較器（第２の位相比較器）
３３、３７ ローパスフィルタ
３４ サンプルホールド回路（第１のサンプルホールド回路）
３８ サンプルホールド回路（第２のサンプルホールド回路）
３５ ＤＣカット回路（フィルタ）
３９、４０ Ａ／Ｄ変換器
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波の送信器と受信器とを有し、呼吸気の流量を測定する超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素消費量計は、運動時に体内で消費される酸素量や体内から排出される二酸化炭素量を測定することを目的として使用され、肺機能評価、代謝量の測定、基礎体力の解析、最適運動負荷量の選択などに有力なデータを提供する医療評価機器として定着している。
以前の酸素消費量計は、ある時間の運動負荷に対して、その時間内の平均的な運動量に対しての酸素消費量が測定されていたが、近年になって、より詳細な解析が必要になり、ブレスバイブレス方式と呼ばれる、一呼吸毎のデータが要求されるようになってきた。
酸素消費量計は、主に、呼吸気の流量計、二酸化炭素濃度計、酸素濃度計から構成され、上記のように一呼吸毎のデータが要求されるようになると、これらの構成要素についてもより高機能化が求められるようになってきている。
【０００３】
これまでに酸素消費量計の流量計として、実用化されているものは、熱線式流量計、層流式流量計、タービン式流量計がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各種流量計は以下のような問題点がある。
熱線式は、熱伝達特性を良好にするために、機械的に強固な構造を取り難い。
また、層流式は、微小な細管を束ねた絞り機構により呼吸気の流れを強制的に層流にするために、圧力損失が大きい。このため、呼吸気の量が、実際よりも大幅に低下することがある。加えて、呼気ガスに含まれる飽和蒸気が細管に結露し、閉塞するという不具合が懸念される。
さらに、タービン式は、回転する可動部の経時的な劣化が避けられず、また機械動作の慣性により応答性が低く、特に、呼気と吸気が切り替わったときに正確に流量を測定できない懸念がある。
また、これらの流量計は、流路中に呼吸気の流れの障害となる構造を配置せざるをえないので、使用後の滅菌作業に適さない構造となっている。
【０００５】
一方、一般に使用されている流量計として超音波流量計があり、工業用や実験用に広く使用されている。この超音波流量計は、流体が通る管路に１組以上の超音波送受信器を設け、送信器から発せられた超音波が受信器によって受信されるまでの伝播時間に基づいて流体の流量を測定するものである。
具体的には、次のように２種類知られている。
１つは、２組の送受信器を、管路中の異なる箇所に設け、一方の組の送信器から他方の組の受信器に向けて、次に前記他方の組の送信器から前記一方の組の受信器に向けて、パルス波を発し、それぞれの組の受信器にパルス波が伝播する時間の差に基づいて流量を求めるものである。
もう１種類は、送信器から連続波としての超音波を発し、複数の受信器が受信する受信波の位相差に基づいて検出するものである。
しかしながら、これら超音波流量計のうち前者は、計測される時間差がごくわずかな値であることから、測定には種々の工夫を要し、複雑な回路構成となり、高価であるので、酸素消費量計には適用しにくい。
また、後者は、連続波であることから、管内の反射波や漏洩波が問題となり、目的とする送信器から直接送信された超音波のみＳ／Ｎ比よく検出することが困難であった。このため、測定対象となる流体は、音響インピーダンスが大きく、伝播する超音波の受信時の振幅が大きい液体に限定され、流体として呼吸気が対象である酸素消費量計には適用しにくい。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、上記の各種問題を解決し、酸素消費量計に好適に用いることができる超音波流量計を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器とこの超音波送信器に対向するように３個の超音波受信器とが設けられ、前記３個の超音波受信器のうち第１の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が呼吸気の流れる方向に対して＋θの角度を有するように設置され、第２の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対して−θの角度を有するように設置され、第３の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対してほぼ直交するように設置され、呼吸気が前記流路を流れているときに前記超音波送信器より超音波をバースト波として送信し、前記第１の超音波受信器と前記第２の超音波受信器との受信信号の位相差である第１の位相差と、前記第３の超音波受信器の受信信号と基準波との位相差である第２の位相差とを検出し、前記第１の位相差と前記第２の位相差に基づいて、前記呼吸気の流量を求めることを特徴とする超音波流量計である。
【０００８】
本発明によれば、呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器と３個の超音波受信器を設置した超音波流量計であることから、従来酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決することができる。すなわち、流路の壁部の開孔に受信器、送信器を埋め込んだ構造であるので、構造が単純で流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作も容易である。さらに、タービン式のように機械的な動作がほとんどないことから、経時的な劣化もほとんどなく、応答性の点でも改善される。
【０００９】
また、本発明は、３つの受信器を用い２種類の位相差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストを抑えることができる。さらに、送信波としてバースト波を用いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、流体が気体であっても十分に適用可能となる。
【００１０】
ここで、バースト波とは、限られた一定時間連続する連続波であって、連続波と連続波との間がある程度間隔がある波のことである。また、角度θは、９０度以外の値である。さらに、基準波とは、呼吸気の流れがないときに送信器より発信されたバースト波である。この場合、基準波の位相データについては、実際に受信器により受信された受信信号から得てもよいし、計算により求めることも可能であるので信号発生回路等から得るように構成してもよい。
【００１１】
また、本発明は、上記の超音波流量計において、前記第１の超音波受信器と前記第２の超音波受信器の受信信号の位相を比較しその結果を出力する第１の位相比較器と、前記第３の超音波受信器の受信信号と前記基準波に相当する基準波信号の位相を比較しその結果を出力する第２の位相比較器と、前記第１の位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきた前記バースト波が受信されると予想される時間帯に、前記第１及び第２の超音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサンプリングする第１のサンプルホールド回路と、前記第２の位相比較器の出力のうち、前記時間帯に前記第３の超音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサンプリングする第２のサンプルホールド回路と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、サンプルホールド回路により、位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきたバースト波が受信されると予想される時間帯に受信された信号に対応する出力のみサンプリングされることから、受信信号のうち流路の壁部を伝播する信号や反射信号等の各種ノイズが除かれて、目的とする信号のみ取り出され、以後の演算処理を正確に行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、上記の超音波流量計において、前記３個の超音波受信器により前記バースト波が受信されない時間帯に、前記第１の位相比較器に対して、９０度の位相差を有する２つの模擬信号を入力し、前記第２の位相比較器に対して、前記基準波信号と、この基準波信号と９０度の位相差を有する模擬信号を入力することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、バースト波が受信されていない時にも、第１および第２の位相比較器には、９０度の位相差を有する２つの信号が入力されることから、これにより、第１および第２の位相比較器の動作を安定化させることができる。
【００１５】
また、本発明は、上記の超音波流量計において、前記第１の位相比較器の出力のうち、直流成分をカットするフィルタを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、フィルタにより第１の位相比較器の出力のうち直流成分をカットすることから、この超音波流量計に備えられる回路内部で発生するオフセット電圧の影響や、信号の時間的な不安定さによる演算誤差の影響が除かれ、第１の位相差について安定した出力を取り出すことができる。
【００１７】
本発明に係る超音波流量計は上記のように優れた作用・効果を有することから、酸素消費量計に好適に用いることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図１〜図５の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の超音波流量計の基本的な構成を示す図である。図１の超音波流量計１は、酸素消費量計に備えられるもので、マスク３、プラスチック製の流路２とから主に構成され、流路２の壁部に形成された複数の開孔（図２に１つだけ図示）に、１つの送信器（超音波送信器）４と、３つの受信器（超音波受信器）５ａ、５ｂ、５ｃが対向するように設けられている。受信器（第３の超音波受信器）５ｂは、送信器４の正面に位置するように設けられ、受信器５ａ、５ｃ（第１、第２の超音波受信器）は、送信器４と受信器５ａ、５ｃを結ぶ直線が流路２の呼吸気の流れの方向に対して、±θの角度を有するように、受信器５ｂの左右に設けられている。
送信器４は一定の間隔で超音波を発し、その超音波を受信器５ａ、５ｂ、５ｃが受信するようになっている。送信器４が発する超音波は、限られた一定時間連続する連続波であって、連続波と連続波との間がある程度間隔があり、ここではバースト波という。
【００１９】
送信器４と、受信器５ａ〜５ｃは、ほぼ同様の構造を有し、図２にそれらの構造の概略を示した。
送信器４（受信器５ａ〜５ｃ）は、流路２内の開孔２ａ内に填め込まれた金属ホルダ１２内部に、超音波を発する圧電素子１４が接着剤１３を介して固定されてなるもので、防滴構造となっている。金属ホルダ１２と開孔２ａの間は、ゴム等の材質のＯリング１１，１１によりシールされている。開孔２ａの上部、すなわち金属ホルダ１２の上部は、ゴム等からなる弾性板１０によって被われ、この弾性板１０上は固定板１８によって被われている。そして、金属ホルダ１２は、固定板１８、弾性板１０を貫通して流路２の壁部２ｂにねじ込まれた締結ネジ１７，１７により、開孔２ａ内に固定されている。圧電素子１４と接続されるリード線１８、１８は弾性板１０、固定板１８を貫通して送受信器の外部に延出している。なお、前記弾性板１０は、流路２を経由して送受信器間を伝播する超音波成分を軽減するため、設けられている。
【００２０】
ここで、図１で示す送信器４から受信器５ａ〜５ｃに送信される超音波の伝播について、次のように解析される。
この超音波流量計１では、超音波を発生させる際、前記圧電素子１３に対して、駆動電圧を印加し（図４（ａ））、それを受けて、発信器４から（送信波）は、図４（ｂ）に示すように、一定時間連続したバースト波としての超音波が発せられる。
【００２１】
ある時刻に送信器４からバースト波が発生した時、流体（ここでは吸気）を伝播して受信器５ａ〜５ｃに超音波が到達するまでの時間は、受信器５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれに到達した時間を、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃとすると、
Ｔａ＝Ｌ／（Ｃ１＋Ｖ１ｃｏｓθ） （１）
Ｔｃ＝Ｌ／（Ｃ１−Ｖ１ｃｏｓθ） （２）
Ｔｂ＝Ｄ／Ｃ１ （３）
である。ここで、Ｌは送信器４と受信器５ａ、５ｃとの距離、Ｄは流路２の径、Ｃ１は吸気時の音速、Ｖ１は吸気の流速である。
また、Ｔａ−ＴｃをΔＴとすると、
ΔＴ＝−２Ｄｃｏｔθ・Ｖ１／（Ｃ１2−Ｖ１2ｃｏｓ2θ） （４）
ここで、Ｃ１2≫Ｖ１2ｃｏｓ2θであるから、
ΔＴ＝−２Ｄｃｏｔθ・Ｖ１／Ｃ１2 （５）
となる。
【００２２】
呼気時において、受信器５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれに到達した時間を、Ｔａ’、Ｔｂ’、Ｔｃ’とすると、上記と同様に表され、
Ｔｂ’＝Ｄ／Ｃ２ （６）
ΔＴ’＝２Ｄｃｏｔθ・Ｖ２／Ｃ２2 （７）
である。ただし、Ｃ２は呼気時の音速、Ｖ２は呼気の流速、ΔＴ’＝Ｔａ−Ｔｃである。
【００２３】
式（５）、式（７）から明らかなように、呼吸気の流速Ｖ１、Ｖ２は、ΔＴ、ΔＴ’と、Ｃ１、Ｃ２と、図１に示すＤ、θの値から、求めることができる。
【００２４】
前述のように、送信波が限られた一定時間連続であることから、受信器５ａ〜５ｃが受信する超音波（受信波）もある程度の時間連続である。その受信波が連続している時間内における、受信器５ａ、５ｃが受信する受信波の位相差（第１位相差とする）Δφ（吸気時）、Δφ’（呼気時）は、受信波の角周波数をωとすると、（８）式、（９）式のように表すことができる。
Δφ＝ωΔＴ （８）
Δφ’＝ωΔＴ’ （９）
本実施の形態では、時間差ΔＴ、ΔＴ’を、これらをω倍した第１位相差Δφ、Δφ’として検出し、高感度に検出できるようになっている。
【００２５】
そして、受信器５ｂが吸気の流れがあるときに受信した受信波と、基準波との位相差をΔφC1とし、呼気の流れがあるときに受信した受信波と基準波との位相差をΔφC2とすると、
ΔφC1＝ωΔＴｂ （１０）
ΔφC2＝ωΔＴｂ’ （１１）
となる。
【００２６】
後述する信号処理回路８０においては、前記基準波は、校正時の受信信号に対して９０度の位相差になるように設定されている。よって、実際に位相比較器３６（図３）の出力であるΔφC1について、吸気の場合を例にすると、
すなわち、位相比較器３６の出力は音速の変化（ΔＣ１）に対応するものである。Ｃ０は既知であることから、これによりＣ１は算出される。呼気の場合のΔφC2も同様に求められる。
なお、当然のことながら、基準波の音速は予想される呼吸気の音速変化幅のほぼ中央付近に選択されることが望ましい。
【００２７】
そして、第２位相差ΔφC1、ΔφC2から音速Ｃ１、Ｃ２が、第１位相差Δφ、Δφ’からΔＴ、ΔＴ’が求められると、前述のように、式（５）あるいは式（７）より、流速Ｖ１、Ｖ２が求められるようになっている。
【００２８】
図３は、超音波流量計１の信号処理回路８０の構成を示すブロック図である。この信号処理回路８０は、超音波を送受信し、それにより、上記で説明したΔφ、Δφ’、ΔφC1、ΔφC2を検出するものである。
信号処理回路８０は、主に、ブロック５０、６０、７０とから構成される。
ブロック５０は、送信器４に超音波を発信させるとともに、各種演算用信号および制御信号を発生する機能を有する。
ブロック６０は、主に、受信器５ａ、５ｂ、５ｃが受信した受信波を波形整形する機能を有する。
また、ブロック７０は、主に、上記位相差Δφ、Δφ’、ΔφC1、ΔφC2に対応する信号のみを取り出す機能を有する。
【００２９】
次に、図３の各部の機能を、信号処理回路８０の動作と関連づけながら説明する。
はじめに、Δφ、Δφ’の検出について説明する。
まず、信号発生回路２３からの指示信号に基づき、駆動回路２２から図４（ａ）に示すような大きな振幅を有し一定時間連続する駆動電圧が、発振器２１で決定される周期で、送信器４に対して印加される。ここで駆動電圧が印加される周期は、流路２内の反射波が十分に減衰し受信器５ａ〜５ｃによって受信されなくなるような間隔であり、通常、１０〜２０ｍ秒である。
駆動電圧が印加されると送信器４からは、図４（ｂ）に示すような連続した波形を有するバースト波が発せられ、受信器５ａ〜５ｃによって受信される。
受信器５ａ、５ｃによって受信されると、受信信号はブロック６０の増幅器２４、３０で増幅され、増幅器２４の出力は移相器２５を介して波形整形回路２６に送られ、増幅器３０からの出力は波形整形回路３１に送られる。波形整形回路２６、３１は、入力された波形を、整形し矩形波に変換する。ここでの矩形波の立ち上がりの時間は、吸気の場合Ｔａ、Ｔｃに相当し、呼気の場合Ｔａ’、Ｔｃ’に相当する。
【００３０】
波形整形回路２６，３１から出力された矩形波は、ブロック７０の位相比較器（第１の位相比較器）３２に入力する。この位相比較器３２では、「ωΔＴ」あるいは「ωΔＴ’」なる演算、つまりΔφまたはΔφ’を求める演算処理が行われる。この演算処理において、連続した入力波の場合、リニアな出力が得られる入力位相差は１８０°の範囲に限定される。よって、流量（呼吸気）ゼロ時の動作基準点を９０°とすると、入力範囲を最も大きく確保することができる。
受信器５ａと受信機５ｃは送信器４に対して等しい距離に位置することから、流量ゼロの時には、受信器５ａ、５ｃの受信波は同相である。そこで、ブロック６０に移相器２５を設け、位相比較器３２において流量ゼロの時に入力の位相差が９０°になるように、受信器５ｃの受信波の移相を移相器２５によりシフトさせるようになっている。
【００３１】
なお、送信器４から発せられる超音波はバースト波であることから、受信信号のみを位相比較器３２へ入力するように構成すると、入力信号が離散的なものになってしまい、ほとんどの時刻では入力信号はないことになってしまう。そこで、位相比較器３２の動作を安定化するため、入力信号がないときには、前記信号発生回路２３から前記波形整形回路２６、３１に対して、信号線Ｐ１、Ｐ２に示すように、９０°の位相差を有する模擬信号を入力するようになっている。
このような模擬信号を入力することによって、図５に示すように位相比較器３２には常に信号が入力することになり、受信器５ａ、５ｃが受信波を受信していないときには、図５中の点線で示すように、９０°位相がずれた信号が入力し、受信器５ａ、５ｃが受信波を受信すれば、図５中の実線で示すように、前記位相差ΔφまたはΔφ’を有する信号が入力する。
【００３２】
位相比較器３２において求められたΔφ、Δφ’に対応する信号は、ローパスフィルタ３３に送られる。該ローパスフィルタ３３は、位相比較器３２から出力された矩形状の波形をアナログ電圧に変換し、サンプルホールド回路３４に出力する。
【００３３】
サンプルホールド回路３４は、ローパスフィルタ３３から入力された信号のうち、目的とする、呼吸気を伝播した信号位相差に比例した信号のみをサンプルホールドするものである。
受信信号には、図４（ｃ）に示すように、目的とする信号成分（Ｂ部分）の他に、誘導ノイズや流路２を構成する管を介して伝播するノイズ（Ａ部分）、流路２壁部からの反射ノイズ（Ｃ部分）などが含まれている。しかし、図４からも明らかなように、Ａ部分のノイズは駆動電圧（図４（ａ））とほぼ同時刻に受信され、またＣ部分のノイズは流路２内を径方向において３回以上伝播した後に受信されることから、目的のＢ部分の信号と、時間的に異なる時間に受信される。そこで、サンプルホールド回路３４は、位相比較器３２の出力のうち、目的とするＢ部分の信号が受信されると予想される時間帯に、受信器５ａ、５ｃにより受信された信号に対応する出力のみサンプリングする。
【００３４】
このサンプルホールド回路３４が前記サンプルホールドを行うタイミングと時間は、前記信号発生回路２３からのサンプルホールド信号（信号線Ｐ５）に従っている。このサンプルホールド信号は図４（ｄ）に示すタイミングと時間で出力される。図４（ｄ）で示す、ｔ１、ｔ２は、計算上は、ｔ１＝Ｌ／Ｃ１あるいはｔ１＝Ｌ／Ｃ２、ｔ２＝３Ｄ／Ｃ１あるいはｔ２＝３Ｄ／Ｃ２であるが、前記圧電素子１４からの超音波の発生が、慣性による影響で図４（ｂ）のように駆動電圧の発生に対して少し遅れて生じ急激に立ち上がらないことや、あるいは接着剤１３や金属ホルダ１２の影響等も考慮し、前記計算結果よりやや大きな値に設定される。
【００３５】
サンプルホールド回路３４から出力された信号は、ＤＣカット回路３５に送られる。ＤＣカット回路３５は、直流成分である低周波数成分（カット周波数をｆｃ以下とする）をカットし、交流成分のみ通過させるフィルタとしての役目を担う。呼気と吸気では、流れの方向が逆であり、流速（流量）を求めるためには、交流成分のみでよいため、このような処理を行うことができる。
このＤＣカット回路３５における処理により、回路内部で発生するオフセット電圧の影響や、ブロック７０で発生する各種信号の時間（１／ｆｃ以上）に対する不安定さによる演算誤差の影響が除去される。
ここで、前記ｆｃ値としては、想定される安静時の最低呼吸周波数に対して十分に小さい値が設定される。
【００３６】
ＤＣカット回路３５から出力された信号は、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換器３９に入力し、デジタル値に変換される。
【００３７】
次に、ΔφC1、ΔφC2の検出について説明する。
これは、既に述べたように、基準波と受信器５ｂの受信信号を比較して、両者の位相差を求めることである。信号処理回路８０の各部で行われる具体的な処理は、前記のΔφ、Δφ’を求める場合とほぼ同様である。以下には、Δφ、Δφ’を求める場合とは異なる点を中心に述べる。
受信器５ｂにより受信された信号は、増幅器２７で増幅され、移相器２８で基準波と９０°位相がずれた信号に変換される。次に、波形整形回路２９で矩形波に整形され、一方、受信器５ｂからの受信信号がないときには、信号線Ｐ３で示すように、波形整形回路２９に、基準波に対して９０°の位相差を有する模擬信号が入力される。
【００３８】
次に、位相比較器（第２の位相比較器）３６に対して、信号線Ｐ４に示すように、信号発生回路２３より基準波に対応する基準波信号が出力される。これにより、波形整形回路２９から出力された信号と基準波とが比較され、ωΔＴｂ（ωΔＴｂ‘）を求める演算処理が行われる。なお、受信信号が位相比較器３６に入力していないときにも、波形整形回路２９を介して基準波に対して９０°位相がずれた模擬信号が入力されることから、位相比較器３６には、基準波信号と模擬信号の２つの信号が入力する。
位相比較器３６における比較結果がローパスフィルタ３７に出力され、サンプルホールド回路３８を介して、Ａ／Ｄ変換器４０に出力され、該Ａ／Ｄ変換器４０においてデジタル値に変換され、音速Ｃ１、Ｃ２の演算に用いられる。サンプルホールド回路３８の機能は、前記サンプルホールド回路３４と同様であり、信号発生回路２３からのサンプルホールド信号（信号線Ｐ６）に基づいて、ノイズ以外の受信信号のみサンプリングするようになっている。
【００３９】
そして、本実施の形態の超音波流量計では、Ａ／Ｄ変換器３９、４０からのデジタルデータに基づき、流速Ｖ１、Ｖ２が求められ、流速Ｖ１、Ｖ２に、流路２の断面積を乗じることによって、流量を求めるようになっている。
【００４０】
なお、超音波流量計１で、毎秒ごとに得られる信号のサンプル数は、５０〜１００個であり、呼吸気流量の変化を再現するために十分な数である。
【００４１】
以上の超音波流量計１によれば、流路２の壁部の開孔２ａ内に送信器４と受信器５ａ、５ｂ、５ｃを埋め込んだ単純な構造であることから、従来の酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決することができる。
すなわち、構造が単純で流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作が容易である。さらに、機械的な動作部がないことから、経時的な劣化もほとんどなく、応答性も改善される。
【００４２】
また、３つの受信器５ａ〜５ｃを用い位相差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストも抑えることができる。
さらに、送信波としてバースト波を用いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、流体が気体であっても十分に適用できる。
【００４３】
さらに、信号発生回路２３からのサンプルホールド信号にしたがって、サンプルホールド回路３４、３８により、位相比較器３２、３６の出力のうち、呼吸気中を伝播した前記バースト波が３個の超音波受信器５ａ〜５ｃによって受信されると予想される時間帯に受信された信号のみサンプリングされ、演算処理を正確に行うことができる。
【００４４】
加えて、信号発生回路２３からの模擬信号にしたがって、位相比較器３２、３６には受信信号が受信されていない時にも、９０度の位相差を有する２つの信号が入力するように構成され、これにより、位相比較器３２、３６の動作が安定化する。
【００４５】
また、ＤＣカット回路３５により、位相比較器３２の出力のうち直流成分がカットされることから、信号処理回路８０内で発生するオフセット電圧の影響や、信号発生回路２３から出される信号についての時間的な不安定さによる演算誤差の影響が除去される。
【００４６】
以上のように、超音波流量計１は、従来の流量計にはない顕著な作用・効果を有することから、酸素消費量計に好適に用いることができる。
【００４７】
なお、本発明の超音波流量計は、特に、酸素消費量計に好適に用いることができるものであり、酸素消費量計としては、さらに酸素濃度計、二酸化炭素濃度計、呼吸気を採取するサンプリング装置等が必要である。
また、本発明の超音波流量計は、酸素消費量計以外の各種装置、機器等において流体の流量計として適用できることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器と３個の超音波受信器を設置した超音波流量計であることから、従来酸素消費量計に用いられていた熱線式、層流式、タービン式による流量計が有する各種問題点を解決することができる。すなわち、流路の壁部の開孔に受信器、送信器を埋め込んだ構造であるので、構造が単純で流路上障害物がないことから、機械的に強固な構造にしやすく、圧力損失が生じず通常の呼吸気の勢いそのままで計測でき、飽和蒸気などで閉塞するといったことも生じにくい。また、滅菌操作も容易である。さらに、タービン式のように機械的な動作がほとんどないことから、経時的な劣化もほとんどなく、応答性の点でも改善される。
【００４９】
また、本発明によれば、３つの受信器を用い２種類の位相差を検出する方式なので、従来の時間差方式の超音波流量計と比較して、簡単な回路構成で済み、コストを抑えることができる。さらに、送信波としてバースト波を用いているので、連続波を用いていた従来の位相差方式の超音波流量計と比較して、目的とする受信波のみ効率よく検出することが可能となり、流体が気体であっても十分に適用可能となる。
【００５０】
また、本発明によれば、上記の効果に加えて、サンプルホールド回路により、位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきたバースト波が受信されると予想される時間帯に受信された信号に対応する出力のみサンプリングされることから、受信信号のうち流路の壁部を伝播する信号や反射信号等の各種ノイズが除かれて、目的とする信号のみ取り出され、以後の演算処理を正確に行うことができる。
【００５１】
また、本発明によれば、バースト波が受信されていない時にも、第１および第２の位相比較器には、９０度の位相差を有する２つの信号が入力されることから、これにより、第１および第２の位相比較器の動作を安定化させることができる。
【００５２】
また、本発明によれば、フィルタにより第１の位相比較器の出力のうち直流成分をカットすることから、この超音波流量計に備えられる回路内部で発生するオフセット電圧の影響や、信号の時間的な不安定さによる演算誤差の影響が除かれ、第１の位相差について安定した出力を取り出すことができる。
【００５３】
また、本発明に係る超音波流量計は、酸素消費量計に、好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例としての超音波流量計の基本的な構成を示す図である。
【図２】送受信器の概略構造を示す図である。
【図３】図１の超音波流量計の信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図４】図１の超音波流量計における各種信号のタイミングを説明するための図であり、（ａ）は駆動電圧、（ｂ）は送信波、（ｃ）は受信波、（ｄ）はサンプルホールド信号について示す。
【図５】図１の位相比較器に入力する信号を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波流量計
２ 流路
２ａ 開孔
４ 送信器（超音波送信器）
５ａ 受信器（第１超音波受信器）
５ｂ 受信器（第３超音波受信器）
５ｃ 受信器（第２超音波受信器）
２２ 駆動回路
２３ 信号発生回路
２４、２７、３０ 増幅器
２５、２８ 移相器
２６、２９、３１ 波形整形回路
３２ 位相比較器（第１の位相比較器）
３６ 位相比較器（第２の位相比較器）
３３、３７ ローパスフィルタ
３４ サンプルホールド回路（第１のサンプルホールド回路）
３８ サンプルホールド回路（第２のサンプルホールド回路）
３５ ＤＣカット回路（フィルタ）
３９、４０ Ａ／Ｄ変換器
Claims (4)
- 呼吸気が流れる流路の壁部の開孔に、１個の超音波送信器とこの超音波送信器に対向するように３個の超音波受信器とが設けられ、
前記３個の超音波受信器のうち第１の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が呼吸気の流れる方向に対して＋θの角度を有するように設置され、
第２の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対して−θの角度を有するように設置され、第３の超音波受信器は、この超音波受信器と前記超音波送信器とを結ぶ直線が前記方向に対してほぼ直交するように設置され、
呼吸気が前記流路を流れているときに前記超音波送信器より超音波をバースト波として送信し、前記第１の超音波受信器と前記第２の超音波受信器との受信信号の位相差である第１の位相差と、前記第３の超音波受信器の受信信号と基準波との位相差である第２の位相差とを検出し、
前記第１の位相差と前記第２の位相差に基づいて、前記呼吸気の流量を求める超音波流量計であり、
前記第１の超音波受信器と前記第２の超音波受信器の受信信号の位相を比較しその結果を出力する第１の位相比較器と、
前記第３の超音波受信器の受信信号と前記基準波に相当する基準波信号の位相を比較しその結果を出力する第２の位相比較器と、
前記第１の位相比較器の出力のうち、前記超音波送信器から送信され呼吸気を伝播してきた前記バースト波が受信されると予想される時間帯に、前記第１及び第２の超音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサンプリングする第１のサンプルホールド回路と、
前記第２の位相比較器の出力のうち、前記時間帯に前記第３の超音波受信器により受信された信号に対応する出力のみサンプリングする第２のサンプルホールド回路と、を備えることを特徴とする超音波流量計。 - 前記３個の超音波受信器により前記バースト波が受信されない時間帯に、前記第１の位相比較器に対して、９０度の位相差を有する２つの模擬信号を入力し、前記第２の位相比較器に対して、前記基準波信号と、この基準波信号と９０度の位相差を有する模擬信号を入力することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
- 前記第１の位相比較器の出力のうち、直流成分をカットするフィルタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
- 酸素消費量計に備えられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波流量計。
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