JP4562425B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して流体の流量を計測する超音波流量計に関し、特にその電源オン時のノイズを低減させる技術に関する。

従来、流路に２つの超音波振動子を配置し、超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間を計測することにより、流路を流れるガスの流量を計測する超音波流量計が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１３は従来のこの種の超音波流量計の構成を示すブロック図である。この超音波流量計は、測定対象となるガスが流れる流体管路１に配置された第１超音波振動子２および第２超音波振動子３と、これら第１超音波振動子２および第２超音波振動子３を制御するための切替部４、駆動部５、増幅部６、ゼロクロス検出部７、計時部８、演算部９、制御部１０、クロック発振部１１および電源部１２から構成されている。

第１超音波振動子２は、切替部４からの信号に応じて超音波を発生し、第２超音波振動子３に向けて送信するとともに、第２超音波振動子３からの超音波を検出し、得られた信号を切替部４に送る。

第２超音波振動子３は、切替部４からの信号に応じた超音波を発生し、第１超音波振動子２に向けて送信するとともに、第１超音波振動子２からの超音波を検出し、得られた信号を切替部４に送る。

ここで、超音波が第１超音波振動子２から第２超音波振動子３に向けて伝播する方向を順方向という。逆に、超音波が第２超音波振動子３から第１超音波振動子２に向けて伝播する方向を逆方向という。

切替部４は、制御部１０からの制御信号に応じて、超音波を順方向に伝播させるか逆方向に伝播させるかを切り替える。

駆動部５は、制御部１０から送られてくる送信信号を、切替部４を介して送信側となる超音波振動子に送ることにより該超音波振動子を駆動する。制御部１０は、クロック発振部１１で発生された基準クロック信号に同期して送信信号を送出する。

増幅部６は、電源部１２から供給される電源によって動作するアンプから構成されている。増幅部６は、電源部１２から電源が供給されている状態で、受信側となった超音波振動子から切替部４を介して送られてくる信号を増幅する。増幅部６で増幅された信号は、受信信号としてゼロクロス検出部７に送られる。

ゼロクロス検出部７は、増幅部６から送られてくる受信信号の特定のゼロクロス点を受信波の受信ポイントとして検出する。ゼロクロス検出部７の出力は、受信ポイント検出信号として計時部８および制御部１０に送られる。

計時部８は、クロック発振部１１からの基準クロック信号に同期して、超音波が送信されてから受信されるまでの時間、即ち、第１超音波振動子２と第２超音波振動子３との間を超音波が伝播する時間を計測する。具体的には、計時部８は、制御部１０から送られてくるスタート信号に応答して計時を開始し、ゼロクロス検出部７から送られてくる信号に応答して計時を一時停止する。そして、制御部１０から送られてくるストップ信号に応答して一方向の超音波の伝搬時間の計時を停止する。計時部８で計測された超音波の伝播時間は、演算部９に送られる。

演算部９は、計時部８から送られてくる順方向の超音波の伝播時間及び逆方向の超音波の伝播時間に基づき、流体管路１を流れるガスの流速を算出し、さらに、流速に基づいて流量を算出する。演算部９で算出された流量が、例えば図示しない表示器に表示され、また課金に使用される。

制御部１０は、例えばマイクロコンピュータから構成されており、この超音波流量計の全体を制御する。制御部１０による制御動作は後に詳細に説明する。

クロック発振部１１は、所定周期で発振する基準クロック信号を発生する。クロック発振部１１で発生された基準クロック信号は、制御部１０および計時部８に送られる。制御部１０は、基準クロック信号に同期して送信信号を送出する。また、計時部８は、基準クロック信号に同期して超音波の伝播時間を計時する。

電源部１２は、例えば電池から構成されており、受信側となった超音波振動子から切替部４を経由して信号が得られるタイミングで一定期間だけ増幅部６に電源を供給する。増幅部６に電源を供給するタイミングは、制御部１０からの制御信号に基づいて生成される。このように、電源部１２から増幅部６に電源を間欠的に供給することにより、電池の長寿命化が実現されている。

次に、上述した従来の超音波流量計の動作を、図１４に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、まず、切替部４に制御信号を送ることにより、第１超音波振動子２が送信側になり第２超音波振動子３が受信側になるように、つまり超音波が順方向に伝播されるように設定する。その後、制御部１０は、図１４（ａ）に示すように、送信信号を駆動部５に送る。同時に、制御部１０は、計時部８にスタート信号を送る。これにより、計時部８は伝播時間の測定を開始する。

駆動部５は、切替部４を経由して第１超音波振動子２を駆動する。これにより、第１超音波振動子２は超音波を発生する。この超音波を受信した第２超音波振動子３において発生された信号は、電源部１２から電源が供給されている増幅部６で増幅され、図２（ｂ）に示すように、受信信号としてゼロクロス検出部７に送られる。ゼロクロス検出部７は、図２（ｃ）に示すように、受信信号のゼロクロス点を検出して受信ポイント検出信号を生成し、計時部８および制御部１０に送る。

制御部１０は、受信ポイント検出信号を受信すると、再び送信信号を駆動部５に送る。以上の動作が特定回数（図２に示す例では５回）だけ繰り返される。制御部１０は、最後に、計時部８へストップ信号を送る。これにより、計時部８における順方向の伝播時間の測定が終了し、計時部８で計時された伝播時間は演算部９に送られる。

次に、制御部１０は、切替部４に制御信号を送ることにより、第２超音波振動子３が送信側になり第１超音波振動子２が受信側になるように、つまり超音波が逆方向に伝播されるように設定する。その後、上述した順方向の場合と同様の動作が行われる。

計時部８における逆方向の伝播時間の測定が終了し、計時部８で計時された伝播時間が演算部９に送られると、演算部９は、順方向の超音波の伝播時間と逆方向の超音波の伝播時間との差に基づき、流体管路１の中を流れるガスの流速を算出し、さらに、この流速に基づいて流量を算出する。
特開平１１−１７３８８０号公報

ところで、上述した従来の超音波流量計では、図２（ｄ）に示すように、制御部１０は、電源部１２に制御信号を送ることにより、超音波が受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで電源部１２から増幅部６へ電源が供給されるように制御し、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取った後に電源部１２から増幅部６への電源供給が停止されるように制御する。このような制御により、増幅部６には電源が間欠的に供給されることになるので、増幅部６における消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

しかしながら、上述した従来の超音波流量計では、図２（ｅ）に示すように、増幅部６の電源がオンされると、増幅部６の動作が安定するまでの間、増幅部６の入力端に電圧変動が発生し、この電圧によって受信側の超音波振動子が振動し、これがノイズとなって現れる。その結果、低消費電力のために増幅部６の電源を間欠的にオンさせる構成では、高精度な計測値を得ることができないという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、電源が間欠的にオンされてもノイズの発生を抑止して、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる超音波流量計を提供することを課題とする。

本発明に係る超音波流量計は、流体の流路に一定の距離をおいて配置された一対の超音波振動子の間で超音波を送受し、送信側の超音波振動子から送信された超音波を受信側の超音波振動子で受信することにより得られた受信信号に基づき流量を求める超音波流量計であって、受信側の超音波振動子からの信号を差動増幅する増幅部と、増幅部の差動入力チャネル間に設けられたダンピング抵抗と、増幅部の電源端子との間の接続をオン／オフするスイッチを有する電源部と、スイッチをオンして電源部から増幅部への電源供給を開始させる制御部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る超音波流量計によれば、差動増幅する増幅器で増幅部を構成するとともに差動入力チャネル間にダンピング抵抗を設けたので、増幅部の電源オン時の差動入力チャネル間の電圧変動は発生しない。その結果、差動入力チャネルの各々に発生した電圧変動は差動動作によりキャンセルされるので、電源オンによる増幅部の入力端の電圧変動の影響を受けない。従って、Ｓ／Ｎの高い受信信号を得ることができ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

以下、本発明の実施例に係る超音波流量計を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の実施例に係る超音波流量計の全体的な構成は、図１３および図１４を参照して説明した従来の超音波流量計と同一であるので、説明を省略し、以下では、相違する部分を中心に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る超音波流量計における増幅部６の構成を示す回路図である。増幅部６は、アンプ１３と入力短絡抵抗１４とから構成されている。

アンプ１３は、受信側の超音波振動子から切替部４を経由して送られてくる増幅部入力信号Ｓ３を増幅し、受信信号として出力する。アンプ１３の電源端子には、電源部１２から電源Ｓ１が間欠的に供給される。

入力短絡抵抗１４は、制御部１０から送られてくる制御信号Ｓ２に応じてそのインピーダンスを変化させる。入力短絡抵抗１４の一方の端子はアンプ１３の入力端に接続され、他方の端子は接地されている。入力短絡抵抗１４は、例えばトランジスタやＦＥＴといった半導体素子から構成することができる。この場合、半導体素子のベースまたはゲートに制御信号Ｓ２を印加することによりインピーダンスを変化させる。

次に、上記のように構成される増幅部６を有する本発明の実施例１に係る超音波流量計の動作を、増幅部６の電源がオンされるタイミングを中心に、図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、制御信号を電源部１２に送ることにより、図２（ａ）に示すように、送信側の超音波振動子から送出された超音波が、受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで、電源部１２から増幅部６へ供給する電源Ｓ１をオンする。同時に、制御部１０は、制御信号Ｓ２を増幅部６に供給することにより、図２（ｂ）に示すように、入力短絡抵抗１４のインピーダンスが低インピーダンス（ゼロ）から徐々に高インピーダンスに変化するように制御する。

その結果、増幅部６の電源Ｓ１がオンされた直後は、アンプ１３の入力端は短絡、つまり接地された状態になるので、電源Ｓ１がオンされた直後に増幅部６の入力端に発生する電圧変動は抑止される。従って、受信側の超音波振動子は、電圧変動の影響を受けることはない。その後、入力短絡抵抗１４のインピーダンスは徐々に高くなるが、電源Ｓ１がオンされてから時間が経過するに連れて、増幅部６の入力端に発生する電圧変動は徐々に収束するので、図２（ｃ）に示すように、電源Ｓ１がオンされた近傍のタイミング（破線で示す部分）で、増幅部入力信号Ｓ３にノイズは発生しない。

その後、制御部１０は、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取ると、制御信号を電源部１２に送ることにより、電源部１２から増幅部６へ供給される電源Ｓ１をオフする。これにより、増幅部６には間欠的に電源Ｓ１が供給されるので、消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る超音波流量計によれば、増幅部６の電源オン時にアンプ１３の入力端を低インピーダンスにして短絡するので、増幅部入力信号Ｓ３にノイズが発生しない。その結果、受信側の超音波振動子に不要な振動を起こさせないので、Ｓ／Ｎの高い受信信号が得られ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

図３は本発明の実施例２に係る超音波流量計における増幅部６と電源部１２の構成を示す回路図である。

増幅部６は、ＮＰＮ型のトランジスタＴ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ３から構成されている。トランジスタＴのベースには、受信側の超音波振動子から切替部４を経由して送られてくる増幅部入力信号Ｓ３が入力される。トランジスタＴのコレクタは抵抗Ｒ１を介して電源部１２の第１電源接続抵抗１２ａに接続され、エミッタは抵抗Ｒ２を介して電源部１２の第２電源接続抵抗１２ｂに接続されている。さらに、トランジスタＴのベースは抵抗Ｒ３を介して接地されている。

電源部１２は、第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂを含んで構成されている。第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂは、制御部１０から送られてくる制御信号Ｓ４に応じてそのインピーダンスを変化させる。第１電源接続抵抗１２ａの一方の端子は増幅部６の抵抗Ｒ１に接続され、他方の端子はプラス電源に接続されている。第２電源接続抵抗１２ｂの一方の端子は増幅部６の抵抗Ｒ２に接続され、他方の端子はマイナス電源に接続されている。これら第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂは、実施例１の入力短絡抵抗１４と同じもので構成することができる。

次に、上記のように構成される増幅部６および電源部１２を有する本発明の実施例２に係る超音波流量計の動作を、増幅部６の電源がオンされるタイミングを中心に、図４に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、図４（ａ）に示すように、送信側の超音波振動子から送出された超音波が受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで、小さい値を有する制御信号Ｓ４を第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂに送り、その後、制御信号Ｓ４の値が徐々に増大するように制御する。これにより、第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂのインピーダンスは、高インピーダンス（無限大）から徐々に低インピーダンスに変化する。

その結果、制御信号Ｓ４の出力が開始された直後は、トランジスタＴに電流は流れないので、増幅部６の入力端に電圧変動は発生しない。従って、受信側の超音波振動子は、電圧変動の影響を受けることはない。その後、図４（ａ）に示すように、制御信号Ｓ４が大きくなるに従って第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂのインピーダンスは徐々に低くなり、トランジスタＴに流れる電流が徐々に増加する。そして、所定時間が経過することにより、増幅部６は電源オン状態になるが、電源がオフ状態からオン状態に移行する期間では増幅部６の電源電圧が小さいので増幅部６の入力端に発生する電圧変動も小さい。従って、図４（ｂ）に示すように、増幅部６の電源がオンにされる近傍のタイミング（破線で示す部分）で増幅部入力信号Ｓ３にノイズは発生しない。

その後、制御部１０は、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取ると、小さい値を有する制御信号Ｓ４を第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂに送ることにより、増幅部６を電源オフ状態にする。これにより、増幅部６には間欠的に電源が供給されるので消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る超音波流量計によれば、増幅部６への電源供給を開始する際は、第１電源接続抵抗１２ａおよび第２電源接続抵抗１２ｂを高インピーダンスにして増幅部６へ供給する電流を最小にするので、増幅部入力信号Ｓ３にノイズが発生しない。その結果、受信側の超音波振動子に不要な振動を起こさせないのでＳ／Ｎの高い受信信号が得られ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

図５は本発明の実施例３に係る超音波流量計における増幅部６の構成を示す回路図である。増幅部６は、アンプ１３、入力接続抵抗１５および抵抗Ｒ４から構成されている。

アンプ１３は、受信側の超音波振動子から切替部４を経由して送られてくる増幅部入力信号Ｓ３が、入力接続抵抗１５を経由して送られてくるアンプ入力信号Ｓ６を増幅し、受信信号として出力する。アンプ１３の電源端子には、電源部１２から電源Ｓ１が間欠的に供給される。

入力接続抵抗１５は、制御部１０から送られてくる制御信号Ｓ５に応じてそのインピーダンスを変化させる。入力接続抵抗１５の一方の端子はアンプ１３の入力端に接続され、他方の端子は切替部４に接続されている。入力接続抵抗１５は、実施例１の入力短絡抵抗１４と同じもので構成することができる。抵抗Ｒ４の一方の端子は入力接続抵抗１５の他方の端子に接続され、他方の端子は接地されている。

次に、上記のように構成される増幅部６を有する本発明の実施例３に係る超音波流量計の動作を、増幅部６の電源がオンされるタイミングを中心に、図６に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、制御信号を電源部１２に送ることにより、図６（ａ）に示すように、送信側の超音波振動子から送出された超音波が受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで電源部１２から増幅部６へ供給する電源Ｓ１をオンする。同時に、制御部１０は、制御信号Ｓ５を増幅部６に供給することにより、図６（ｂ）に示すように、入力接続抵抗１５のインピーダンスが高インピーダンス（無限大）から徐々に低インピーダンスに変化するように制御する。

その結果、増幅部６の電源Ｓ１がオンされた直後は、アンプ１３の入力端に電圧変動が発生してアンプ入力信号Ｓ６には、図６（ｃ）に示すようなノイズが発生するが、入力接続抵抗１５のインピーダンスは高インピーダンスであり開放されていると見なすことができるので、アンプ入力信号Ｓ６に発生したノイズは切替部４に伝達されない。従って、受信側の超音波振動子は、電圧変動の影響を受けることはない。その後、入力接続抵抗１５のインピーダンスは徐々に低くなるが、電源Ｓ１がオンにされてから時間が経過するに連れて増幅部６の入力端に発生する電圧変動は徐々に小さくなるので、図６（ｄ）に示すように、電源Ｓ１がオンにされた近傍のタイミング（破線で示す部分）で増幅部入力信号Ｓ３にノイズは発生しない。

その後、制御部１０は、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取ると、制御信号を電源部１２に送ることにより、電源部１２から増幅部６へ供給される電源Ｓ１をオフにする。これにより、増幅部６には間欠的に電源が供給されるので消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

以上説明したように、本発明の実施例３に係る超音波流量計によれば、増幅部６の電源オン時に、入力接続抵抗１５を高インピーダンスにしてアンプ１３の入力端と切替部４とを電気的に切り離すので、増幅部入力信号Ｓ３に発生されたノイズは受信側の超音波振動子に伝達されない。その結果、受信側の超音波振動子に不要な振動を起こさせないのでＳ／Ｎの高い受信信号が得られ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

次に、この実施例３の変形例を説明する。図７（ａ）は、本発明の実施例３の変形例に係る超音波流量計における増幅部６の構成を示す回路図である。この増幅部６は、アンプ１３、抵抗Ｒ５および開閉スイッチＳＷから構成されている。

アンプ１３は、受信側の超音波振動子から切替部４を経由して送られてくる増幅部入力信号Ｓ３が、抵抗Ｒ５または開閉スイッチＳＷを経由して送られてくるアンプ入力信号Ｓ６を増幅し、受信信号として出力する。アンプ１３の電源端子には、電源部１２から電源Ｓ１が間欠的に供給される。

抵抗Ｒ５は、受信側の超音波振動子に存在する容量ＣｓとでＣＲ時定数回路を形成する。抵抗Ｒ５の一方の端子はアンプ１３の入力端に接続され、他方の端子は切替部４に接続されている。開閉スイッチＳＷは、制御部１０からの制御信号Ｓ５’に応答して開閉される。開閉スイッチＳＷは、抵抗Ｒ５に並列に接続されている。

次に、上記のように構成される増幅部６を有する本発明の実施例３の変形例に係る超音波流量計の動作を、増幅部６の電源がオンされるタイミングを中心に、図８に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、制御信号を電源部１２に送ることにより、図８（ａ）に示すように、送信側の超音波振動子から送出された超音波が受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで電源部１２から増幅部６へ供給する電源Ｓ１をオンする。同時に、制御部１０は、制御信号Ｓ５’を増幅部６に供給することにより、図８（ｂ）に示すように、開閉スイッチＳＷをオフさせる。

その結果、増幅部６の電源Ｓ１がオンされた直後は、アンプ１３の入力端に電圧変動が発生してアンプ入力信号Ｓ６にはノイズが発生するが、容量Ｃｓと抵抗Ｒ５で構成される時定数回路により増幅部入力信号Ｓ３は低レベルから立ち上がり始めた状態にあるので、アンプ入力信号Ｓ６に発生したノイズは切替部４に伝達されない。従って、受信側の超音波振動子は、電圧変動の影響を受けることはない。その後、増幅部入力信号Ｓ３のレベルは徐々に上昇するが、電源Ｓ１がオンされてから時間が経過するに連れて増幅部６の入力端に発生する電圧変動は徐々に小さくなるので、図６（ｃ）に示すように、電源Ｓ１がオンされた近傍のタイミング（破線で示す部分）で増幅部入力信号Ｓ３にノイズは発生しない。そして、増幅部入力信号Ｓ３が所定のレベルになった時点（所定時間が経過した時点）で、制御部１０は、制御信号Ｓ５’を増幅部６に供給することにより、図８（ｂ）に示すように、開閉スイッチＳＷをオンさせる。これにより、受信側の超音波振動子から切替部４を経由してきた信号が直接にアンプ１３に供給される状態になる。

その後、制御部１０は、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取ると、制御信号を電源部１２に送ることにより、電源部１２から増幅部６へ供給される電源Ｓ１をオフにする。これにより、増幅部６には間欠的に電源が供給されるので消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

なお、図７（ａ）に示す構成に代えて、図７（ｂ）に示すように、切替部４と開閉スイッチＳＷと抵抗Ｒ５とを一体化することもできる。即ち、図７（ｂ）に示すように、受信側の超音波振動子２，３毎に、抵抗Ｒ５と切替信号により開閉する開閉スイッチＳＷとを直列に接続し、直列に接続された抵抗Ｒ５と開閉スイッチＳＷとの両端に、制御信号Ｓ５’により開閉する開閉スイッチＳＷを接続して一体化した切替部４´をアンプ１３に接続するようにしても良い。

以上説明したように、本発明の実施例３の変形例に係る超音波流量計によれば、増幅部６の電源オン時に、開閉スイッチＳＷを開放して受信側の超音波振動子からの信号を、抵抗Ｒ５を介してアンプ１３の入力端に送り、アンプ１３の電源オンから所定時間後に開閉スイッチを閉成して受信側の超音波振動子からの信号を直接にアンプ１３の入力端に送るように構成したので、アンプ１３の電源オン時に、アンプの動作が安定するまでの期間ではアンプ１３の入力端で発生した電圧変動が抵抗Ｒ５により小さく抑えられて受信側の超音波振動子に伝達されない。その結果、受信側の超音波振動子に不要な振動を起こさせないので、Ｓ／Ｎの高い受信信号を得ることができ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

図９は本発明の実施例４に係る超音波流量計における増幅部６と電源部１２の構成を示す回路図である。

増幅部６は、ＮＰＮ型の第１トランジスタＴ１、第２トランジスタＴ２および抵抗Ｒ６〜Ｒ１０から構成された差動アンプと、ダンピング抵抗Ｒ１１およびＲ１２とから構成されている。

第１トランジスタＴ１のベースには、受信側の超音波振動子から切替部４を経由して送られてくる増幅部入力信号＋側Ｓ８が入力される。第１トランジスタＴ１のコレクタは抵抗Ｒ６を介して電源部１２の第１スイッチ１２ｃに接続され、エミッタは抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ１０を介して電源部１２の第２スイッチ１２ｄに接続されている。また、第２トランジスタＴ２のベースには、受信側の超音波振動子から切替部４を経由して送られてくる増幅部入力信号−側Ｓ８が入力される。第２トランジスタＴ２のコレクタは抵抗Ｒ８を介して電源部１２の第１スイッチ１２ｃに接続され、エミッタは抵抗Ｒ９および抵抗Ｒ１０を介して電源部１２の第２スイッチ１２ｄに接続されている。

ダンピング抵抗Ｒ１１は、差動入力チャネル間（増幅部入力信号＋側Ｓ８と増幅部入力信号−側Ｓ８との間）に設けられている。ダンピング抵抗Ｒ１２は、差動出力チャネル間（第１トランジスタＴ１のコレクタと第２トランジスタＴ２のコレクタとの間）に設けられている。

電源部１２は、第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄを含んで構成されている。第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄは、制御部１０から送られてくる制御信号Ｓ７に応じてオン／オフする。第１スイッチ１２ｃの一方の端子は増幅部６の抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ８の接続点に接続され、他方の端子はプラス電源に接続されている。第２スイッチ１２ｄの一方の端子は増幅部６の抵抗Ｒ１０に接続され、他方の端子はマイナス電源に接続されている。

次に、上記のように構成される増幅部６および電源部１２を有する本発明の実施例４に係る超音波流量計の動作を、増幅部６の電源がオンされるタイミングを中心に、図１０に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、送信側の超音波振動子から送出された超音波が受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで、制御信号Ｓ７を第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄに送ることにより、図１０（ａ）に示すように、電源部１２から増幅部６への電源供給を開始する。

その結果、増幅部６の電源がオンされた直後は、第１トランジスタＴ１と第２トランジスタＴ２の入力端（ベース）に電圧変動が発生するので、各差動入力チャネル、つまり増幅部入力信号＋側Ｓ８および増幅部入力信号−側Ｓ８には、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示すようなノイズが発生する。これら増幅部入力信号＋側Ｓ８および増幅部入力信号−側Ｓ８はダンピング抵抗Ｒ１１によって接続されているので、これら両ノイズのレベルはほぼ等しくなる。従って、受信側の超音波振動子が電圧変動の影響を受けて受信側の超音波振動子からノイズを含む信号が送られてきても、差動動作により両ノイズはキャンセルされるので、図１０（ｄ）に示すように、増幅部６の電源がオンにされる近傍のタイミング（破線で示す部分）で増幅部入力信号Ｓ３にノイズは発生しないと見なすことができる。

その後、制御部１０は、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取ると、制御信号Ｓ７を第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄに送ることにより、増幅部６を電源オフ状態にする。これにより、増幅部６には間欠的に電源が供給されるので消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

以上説明したように、本発明の実施例４に係る超音波流量計によれば、増幅部６を、差動アンプで構成するとともに差動入力チャネル間にダンピング抵抗Ｒ１１を設けたので、増幅部６の電源オン時に差動入力チャネルの各々には電圧変動が発生するが差動入力チャネル間の電圧変動は発生しない。その結果、差動入力チャネルの各々に発生した電圧変動は差動動作によりキャンセルされるので、電源オンによる増幅部６の入力端の電圧変動の影響を受けない。従って、Ｓ／Ｎの高い受信信号を得ることができ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

図１１は本発明の実施例５に係る超音波流量計における増幅部６と電源部１２の構成を示す回路図である。

増幅部６は、ＮＰＮ型のトランジスタＴ３、抵抗Ｒ１３〜Ｒ１５およびコンデンサＣから構成されている。抵抗Ｒ１５とコンデンサＣは、高周波信号をカットするローパスフィルタ回路を構成している。

第１トランジスタＴ１のベースは、ローパスフィルタ回路を構成する抵抗Ｒ１５を介して切替部４に接続されている。トランジスタＴ３のコレクタは抵抗Ｒ１３を介して電源部１２の第１スイッチ１２ｃに接続され、エミッタは抵抗Ｒ１４を介して電源部１２の第２スイッチ１２ｄに接続されている。また、コンデンサＣの一方の端子は、抵抗Ｒ１５と切替部４との接続点に接続され、他方の端子は接地されている。

電源部１２は、第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄを含んで構成されている。第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄは、制御部１０から送られてくる制御信号Ｓ７に応じてオン／オフする。第１スイッチ１２ｃの一方の端子は増幅部６の抵抗Ｒ１３に接続され、他方の端子はプラス電源に接続されている。第２スイッチ１２ｄの一方の端子は増幅部６の抵抗Ｒ１４に接続され、他方の端子はマイナス電源に接続されている。

次に、上記のように構成される増幅部６および電源部１２を有する本発明の実施例５に係る超音波流量計の動作を、増幅部６の電源がオンされるタイミングを中心に、図１２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

制御部１０は、送信側の超音波振動子から送出された超音波が受信側の超音波振動子に到達する少し前のタイミングで、制御信号Ｓ７を第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄに送ることにより、図１２（ａ）に示すように、電源部１２から増幅部６への電源供給を開始する。

その結果、増幅部６の電源がオンされた直後は、トランジスタＴ３の入力端（ベース）に電圧変動が発生するので、アンプ入力信号Ｓ６には、図１２（ｂ）に示すようなノイズが発生する。このノイズが含まれるアンプ入力信号Ｓ６は、ローパスフィルタ回路を経由することによりノイズレベルが低減されて、図１２（ｃ）に示すように、増幅部入力信号Ｓ３として出力される。従って、増幅部６の電源がオンにされる近傍のタイミング（破線で示す部分）で増幅部入力信号Ｓ３に発生するノイズは非常に小さくなる。

その後、制御部１０は、ゼロクロス検出部７から受信ポイント検出信号を受け取ると、制御信号Ｓ７を第１スイッチ１２ｃおよび第２スイッチ１２ｄに送ることにより、増幅部６を電源オフ状態にする。これにより、増幅部６には間欠的に電源が供給されるので消費電力が低減され、電池の長寿命化が実現されている。

以上説明したように、本発明の実施例５に係る超音波流量計によれば、受信側の超音波振動子からの増幅部入力信号Ｓ３を、フィルタ回路を通してトランジスタＴ３に供給するように構成したので、増幅部の電源オン時に、トランジスタＴ３の動作が安定するまでの期間においてトランジスタＴ３の入力端（ベース）に発生した電圧変動はローパスフィルタ回路でフィルタリングされることにより小さい値に抑えられる。その結果、受信側の超音波振動子で発生する不要な振動も非常に小さくなるので、Ｓ／Ｎの高い受信信号を得ることができ、低消費電力で高精度な計測値を得ることができる。

本発明は、流路を流れるガスの流量を計測する超音波ガスメータ等の超音波流量計に適用可能である。

本発明の実施例１に係る超音波流量計における増幅部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例１に係る超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る超音波流量計における増幅部および電源部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例２に係る超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例３に係る超音波流量計における増幅部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例３に係る超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例３の変形例に係る超音波流量計における増幅部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例３の変形例に係る超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例４に係る超音波流量計における増幅部および電源部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例４に係る超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例５に係る超音波流量計における増幅部および電源部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例５に係る超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。 従来の超音波流量計の構成を示すブロック図である。 従来の超音波流量計の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 流体管路
２ 第１超音波振動子
３ 第２超音波振動子
４ 切替部
５ 駆動部
６ 増幅部
７ ゼロクロス検出部
８ 計時部
１０ 制御部
１１ クロック発振部
１２ 電源部
１２ａ 第１電源接続抵抗
１２ｂ 第２電源接続抵抗
１２ｃ 第１スイッチ
１２ｄ 第２スイッチ
１３ アンプ
１４ 入力短絡抵抗
１５ 入力接続抵抗
Ｒ１〜Ｒ１５ 抵抗
Ｃ コンデンサ
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ トランジスタ
ＳＷ 開閉スイッチ

Claims (1)

1. 流体の流路に一定の距離をおいて配置された一対の超音波振動子の間で超音波を送受し、送信側の超音波振動子から送信された超音波を受信側の超音波振動子で受信することにより得られた受信信号に基づき流量を求める超音波流量計であって、
   前記受信側の超音波振動子からの信号を差動増幅する増幅部と、
   前記増幅部の差動入力チャネル間に設けられたダンピング抵抗と、
   前記増幅部の電源端子との間の接続をオン／オフするスイッチを有する電源部と、
   前記スイッチをオンして前記電源部から前記増幅部への電源供給を開始させる制御部
   とを備えたことを特徴とする超音波流量計。

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