JP4649135B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を計量する超音波流量計に関し、特にその測定誤差を低減させる技術に関する。

従来、流路に２つの超音波センサを配置し、超音波センサ間を伝播する超音波の伝播時間を計測することにより、流路を流れる流体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２はこの種の従来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、測定対象となる気体が流れる流路１に配置された第１超音波センサ２ａおよび第２超音波センサ２ｂと、これら第１超音波センサ２ａおよび第２超音波センサ２ｂを制御するための送受信切替スイッチ３、送信駆動手段４、受信増幅手段５および制御手段６とを有して構成されている。

第１超音波センサ２ａは、送受信切替スイッチ３からの信号に応じた超音波を発生して第２超音波センサ２ｂに向けて送信するとともに、第２超音波センサ２ｂからの超音波を検出して得られた信号を送受信切替スイッチ３に送る。

第２超音波センサ２ｂは、送受信切替スイッチ３からの信号に応じた超音波を発生して第１超音波センサ２ａに向けて送信するとともに、第１超音波センサ２ａからの超音波を検出して得られた信号を送受信切替スイッチ３に送る。

ここで、超音波が第１超音波センサ２ａから第２超音波センサ２ｂ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超音波センサ２ｂから第１超音波センサ２ａに向けて伝播する方向を逆方向という。

送受信切替スイッチ３は、制御手段６からの切替信号に応じて、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。

送信駆動手段４は、制御手段６から送られてくる送信信号を、送受信切替スイッチ３を介して送信側となる超音波センサに送り、その超音波センサを駆動する。

受信増幅手段５は、受信側となった超音波センサから送受信切替スイッチ３を介して送られてくる信号を増幅し、受信信号として制御手段６に送る。

制御手段６は、送信駆動手段４に送信信号を送出した後に受信増幅手段５から受信信号を受け取るまでの時間を計測する。流路１を気体が流れる方向によって、超音波が順方向に伝播される時間と逆方向に伝播される時間とに時間差が生じる。制御手段６は、この時間差を測定することにより流路１内の気体の流速を求め、この求められた流速に基づいて流量を算出する。

図３は上述した従来の超音波流量計の主要部、即ち、第１超音波センサ２ａ、第２超音波センサ２ｂ、送受信切替スイッチ３および受信増幅手段５の各々の構成を詳細に示す回路図である。

第１超音波センサ２ａおよび第２超音波センサ２ｂは、内部容量Ｃｓを有する。従って、第１超音波センサ２ａは、一方の端子が送受信切替スイッチ３に接続され、他方の端子が接地された内部容量Ｃｓを有するコンデンサと見なすことができる。同様に、第２超音波センサ２ｂは、一方の端子が送受信切替スイッチ３に接続され、他方の端子が接地された内部容量Ｃｓを有するコンデンサと見なすことができる。

送受信切替スイッチ３は、第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第１受信スイッチ３３および第２受信スイッチ３４から構成されている。第１送信スイッチ３１の一方の端子は送信駆動手段４に接続され、他方の端子は第１超音波センサ２ａに接続されている。第２送信スイッチ３２の一方の端子は送信駆動手段４に接続され、他方の端子は第２超音波センサ２ｂに接続されている。第１受信スイッチ３３の一方の端子は受信増幅手段５に接続され、他方の端子は第１超音波センサ２ａに接続されている。第２受信スイッチ３４の一方の端子は受信増幅手段６に接続され、他方の端子は第２超音波センサ２ｂに接続されている。

これら第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第１受信スイッチ３３および第２受信スイッチ３４のオン／オフは、制御手段６からの切替信号（図３では図示を省略してある）によって行われる。

送受信切替スイッチ３を構成する第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第１受信スイッチ３３および第２受信スイッチ３４の各々は内部抵抗を有し、各内部抵抗の抵抗値は、一般に、製造のばらつきにより少しずつ異なる。

受信増幅手段５は、チャージアンプ回路から構成されている。チャージアンプ回路は、オペアンプ５１と、このオペアンプ５１の出力端子と反転入力端子との間に接続されてフィードバックループを形成するコンデンサＣｆとから構成されている。
実公平７−１０２５３号公報

上述したように構成される超音波流量計では、第１超音波センサ２ａおよび第２超音波センサ２ｂの製造のばらつきにより、流路１を気体が流れていない場合であっても順方向と逆方向で超音波の伝播時間差が生じる。この伝播時間差は、特許文献１で説明されているように、受信増幅手段５を入力インピーダンスの小さいチャージアンプ回路で構成することにより小さくすることができる。ところが、受信増幅手段５の入力インピーダンスを小さくすると、送受信切替スイッチ３を構成する第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第１受信スイッチ３３および第２受信スイッチ３４の内部抵抗を無視できなくなる。この超音波流量計において、受信増幅手段５に第１超音波センサ２ａを接続する場合は第１受信スイッチ３３がオンし、第２超音波センサ２ｂを接続する場合は第２受信スイッチ３４がオンする。制御手段６で観測される超音波の伝播時間は、送受信切替スイッチ３を構成する各スイッチの内部抵抗と第１超音波センサ２ａおよび第２超音波センサ２ｂの内部容量Ｃｓにより変化するが、第１超音波センサ２ａまたは第２超音波センサ２ｂからの信号は、超音波を順方向へ伝播させる場合と逆方向へ伝播させる場合で異なる受信スイッチを通るため、受信スイッチの内部抵抗の抵抗値のばらつきにより、伝播時間にばらつきが生じ、これが測定誤差になるという問題が生じる。送信駆動手段４に第１超音波センサ２ａまたは第２超音波センサ２ｂを接続する場合も全く同じ問題が生じる。

第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第１受信スイッチ３３および第２受信スイッチ３４を半導体スイッチで構成する場合、測定誤差を小さくするためには、これらのスイッチの内部抵抗を小さくすればよいが、半導体スイッチで抵抗を小さくするには半導体の面積を大きくする必要があり、集積回路化する場合にコスト面で不利になるという問題がある。

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、部品の特性にばらつきがあっても測定誤差を低減できる超音波流量計を提供することにある。

第１の発明に係る超音波流量計は、第１及び第２超音波センサと、駆動信号を送信する電圧制御用オペアンプと、各超音波センサに対応して設けられ、超音波センサを電圧制御用オペアンプの出力端に接続するように切り替える一方の送信スイッチと、各超音波センサに対応して設けられ、超音波センサを電圧制御用オペアンプの一方の入力端に接続するように切り替える他方の送信スイッチとを備え、電圧制御用オペアンプは、各送信スイッチによって接続された各超音波センサに加える電圧が、電圧制御用オペアンプの他方の入力端に入力される電圧信号に一致するように制御し、入力される電圧信号の変化は、一方の送信スイッチ及び他方の送信スイッチの内部抵抗と超音波センサの内部容量との時定数により決定される変化より遅いことを特徴とする。

第２の発明に係る超音波流量計は、請求項１記載の超音波流量計において、コンデンサを備えたチャージアンプ回路を構成しコンデンサの一方の端子が受信オペアンプ出力端に接続され、受信した信号を増幅する受信オペアンプと、各超音波センサに対応して設けられ、超音波センサを受信オペアンプの一方の入力端に接続するように切り替える一方の受信スイッチと、各超音波センサに対応して設けられ、超音波センサをコンデンサの他方の端子に接続するように切り替える他方の受信スイッチとを備え、受信オペアンプは、各受信スイッチによって接続された各超音波センサの電圧が受信オペアンプの他方の入力端の電圧に一致するように制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、電圧制御用オペアンプは、各送信スイッチによって接続された各超音波センサに加える電圧が、電圧制御用オペアンプの他方の入力端に入力される電圧信号に一致するように制御し、入力される電圧信号の変化は、一方の送信スイッチ及び他方の送信スイッチの内部抵抗と超音波センサの内部容量との時定数により決定される変化より遅く、送信スイッチは該電圧制御用オペアンプのフィードバックループ内に含まれるので、送信スイッチの内部抵抗の影響をなくすことができる。その結果、送信スイッチの内部抵抗にばらつきがあっても測定誤差を低減できる。

第２の発明によれば、受信オペアンプは、各受信スイッチによって接続された各超音波センサの電圧が受信オペアンプの他方の入力端の電圧に一致するように制御し、受信スイッチは受信オペアンプのフィードバックループ内に含まれるので、受信スイッチおよび送信スイッチの内部抵抗の影響をなくすことができる。その結果、受信スイッチおよび送信スイッチの内部抵抗にばらつきがあっても測定誤差を低減できる。

以下、本発明に係る超音波流量計の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、背景技術の欄で説明した従来の超音波流量計の構成と同一または相当部分には、従来の超音波流量計の説明で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

本発明の実施例１に係る超音波流量計の全体的な構成は、図２に示した従来の超音波流量計の構成と同じであり、送受信切替スイッチ３、送信駆動手段４および受信増幅手段５の内部の構成が従来の超音波流量計と異なる。

図１は本発明の実施例１に係る超音波流量計の主要部の構成を詳細に示す回路図である。この超音波流量計の主要部は、第１超音波センサ２ａ、第２超音波センサ２ｂ、送受信切替スイッチ３、送信駆動手段４および受信増幅手段５を有して構成されている。

送信駆動手段４の出力段には、電圧制御用オペアンプ４１が設けられている。この電圧制御用オペアンプ４１は、本発明の電圧制御回路に対応する。受信増幅手段５は、オペアンプ５１と、このオペアンプ５１の出力端子に一方の端子が接続されたコンデンサＣｆとから成るチャージアンプ回路によって構成されている。

送受信切替スイッチ３は、第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第３送信スイッチ３５、第４送信スイッチ３６、第１受信スイッチ３３、第２受信スイッチ３４、第３受信スイッチ３７および第４受信スイッチ３８から構成されている。

第１送信スイッチ３１の一方の端子は電圧制御用オペアンプ４１の出力端子に接続され、他方の端子は第１超音波センサ２ａに接続されている。第２送信スイッチ３２の一方の端子は電圧制御用オペアンプ４１の出力端子に接続され、他方の端子は第２超音波センサ２ｂに接続されている。第３送信スイッチ３５の一方の端子は電圧制御用オペアンプ４１の反転入力端子に接続され、他方の端子は第１超音波センサ２ａに接続されている。第４送信スイッチ３６の一方の端子は電圧制御用オペアンプ４１の反転入力端子に接続され、他方の端子は第２超音波センサ２ｂに接続されている。

第１受信スイッチ３３の一方の端子はオペアンプ５１の反転入力端子に接続され、他方の端子は第１超音波センサ２ａに接続されている。第２受信スイッチ３４の一方の端子はオペアンプ５１の反転入力端子に接続され、他方の端子は第２超音波センサ２ｂに接続されている。第３受信スイッチ３７の一方の端子はコンデンサＣｆの他方の端子に接続され、他方の端子は第１超音波センサ２ａに接続されている。第４受信スイッチ３８の一方の端子はコンデンサＣｆの他方の端子に接続され、他方の端子は第２超音波センサ２ｂに接続されている。

これら第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第３送信スイッチ３５、第４送信スイッチ３６、第１受信スイッチ３３、第２受信スイッチ３４、第３受信スイッチ３７および第４受信スイッチ３８のオン／オフは、制御手段６からの切替信号（図１では図示を省略している）によって行われる。

上述した接続により、第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第３送信スイッチ３５および第４送信スイッチ３６は、電圧制御用オペアンプ４１のフィードバックループ内に含まれ、第１受信スイッチ３３、第２受信スイッチ３４、第３受信スイッチ３７および第４受信スイッチ３８は、チャージアンプ回路のフィードバックループ内に含まれている。

次に、このように構成される本発明の実施例１に係る超音波流量計の動作を説明する。まず、第１超音波センサ２ａから第２超音波センサ２ｂへ超音波を順方向に伝播させる場合、送受信切替スイッチ３を構成する各スイッチは以下のように設定される。

送信側：第１送信スイッチ３１および第３送信スイッチ３５：ＯＮ
第２送信スイッチ３２および第４送信スイッチ３６：ＯＦＦ
受信側：第１受信スイッチ３３および第３受信スイッチ３７：ＯＦＦ
第２受信スイッチ３４および第４受信スイッチ３８：ＯＮ
送受信切替スイッチ３の各スイッチが上記のように設定された状態では、電圧制御用オペアンプ４１は、第１送信スイッチ３１および第３送信スイッチ３５と第１超音波センサ２ａの接続点ａの信号と、電圧制御用オペアンプ４１の非反転入力端子（点ｂ）への入力信号が一致するように（即ち、接続点ａと点ｂとが同電位になるように）、その出力を制御する。このため、第１送信スイッチ３１および第２送信スイッチ３２の各内部抵抗による電圧降下の影響がなくなる。

ただし、電圧制御用オペアンプ４１への入力信号の変化が速いと制御しきれなくなるため、入力信号の立ち上がりの変化は、第１送信スイッチ３１および第３送信スイッチ３５の内部抵抗と第１超音波センサ２ａの内部容量Ｃｓとからなる時定数によって決定される変化より遅くなるように設定する必要がある。

また、オペアンプ５１は、第２送信スイッチ３２および第４送信スイッチ３６と第２超音波センサ２ｂの接続点ｃを仮想接地（即ち、接続点ｃとオペアンプ５１の非反転端子ｄとが同電位で且つオペアンプ５１の非反転端子ｄが接地される。）するように作用する。このため、第２受信スイッチ３４および第４受信スイッチ３８の内部抵抗による電圧降下の影響がなくなる。

第２超音波センサ２ｂから第１超音波センサ２ａへ超音波を逆方向に伝播させる場合、送受信切替スイッチ３を構成する各スイッチは以下のように設定される。

送信側：第１送信スイッチ３１および第３送信スイッチ３５：ＯＦＦ
第２送信スイッチ３２および第４送信スイッチ３６：ＯＮ
受信側：第１受信スイッチ３３および第３受信スイッチ３７：ＯＮ
第２受信スイッチ３４および第４受信スイッチ３８：ＯＦＦ
送受信切替スイッチ３の各スイッチが上記のように設定された状態では、電圧制御用オペアンプ４１は、接続点ｃの信号と電圧制御用オペアンプ４１の非反転入力端子（点ｂ）への入力信号とが一致するように（即ち、接続点ｃと点ｂとが同電位になるように）出力を制御する。このため、第２送信スイッチ３２および第４送信スイッチ３６の内部抵抗による電圧降下の影響がなくなる。

ただし、電圧制御用オペアンプ４１への入力信号の変化が速いと制御しきれなくなるため、入力信号の立ち上がりの変化は、第２送信スイッチ３２および第４送信スイッチ３６の内部抵抗と第２超音波センサ２ｂの内部容量Ｃｓとからなる時定数によって決定される変化より遅くなるように設定する必要がある。

また、オペアンプ５１は、接続点ａを仮想接地（即ち、接続点ａとオペアンプ５１の非反転端子ｄとが同電位で且つオペアンプ５１の非反転端子ｄが接地される。）するように作用する。このため、第１受信スイッチ３３および第３受信スイッチ３７の内部抵抗による電圧降下の影響がなくなる。

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、超音波を順方向へ伝播させる場合は第１送信スイッチ３１および第３送信スイッチ３５の内部抵抗による電圧降下ならびに第２受信スイッチ３４および第４受信スイッチ３８の内部抵抗による電圧降下の影響が排除され、超音波を逆方向へ伝播させる場合は第２送信スイッチ３２および第４送信スイッチ３６の内部抵抗による電圧降下ならびに第１受信スイッチ３３および第３受信スイッチ３７の内部抵抗による電圧降下の影響が排除される。

その結果、第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第３送信スイッチ３５、第４送信スイッチ３６、第１受信スイッチ３３、第２受信スイッチ３４、第３受信スイッチ３７および第４受信スイッチ３８の各内部抵抗にばらつきがあっても測定誤差を低減できる。また、送受信切替スイッチ３を構成する各スイッチの内部抵抗を小さくする必要がないので、安価なスイッチを採用することができる。

なお、この実施例１に係る超音波流量計では、第１送信スイッチ３１、第２送信スイッチ３２、第３送信スイッチ３５および第４送信スイッチ３６から成る送信スイッチと、第１受信スイッチ３３、第２受信スイッチ３４、第３受信スイッチ３７および第４受信スイッチ３８から成る受信スイッチの両方ともフィードバックループ内に含まれるように構成したが、送信スイッチと受信スイッチの何れか一方のみをフィードバックループ内に含まれるように構成することもできる。

本発明は、ガス流量を計測することができるな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の主要部の構成を詳細に示す回路図である。 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主要部の構成を詳細に示す回路図である。

符号の説明

１ 流路
２ａ 第１超音波センサ
２ｂ 第２超音波センサ
３ 送受信切替スイッチ
４ 送信駆動手段
５ 受信増幅手段
６ 制御手段
３１ 第１送信スイッチ
３２ 第２送信スイッチ
３３ 第１受信スイッチ
３４ 第２受信スイッチ
３５ 第３送信スイッチ
３６ 第４送信スイッチ
３７ 第３受信スイッチ
３８ 第４受信スイッチ
４１ 電流制御用オペアンプ
５１ オペアンプ

Claims (2)

1. 第１及び第２超音波センサと、
   駆動信号を送信する電圧制御用オペアンプと、
   各超音波センサに対応して設けられ、前記超音波センサを前記電圧制御用オペアンプの出力端に接続するように切り替える一方の送信スイッチと、
   各超音波センサに対応して設けられ、前記超音波センサを前記電圧制御用オペアンプの一方の入力端に接続するように切り替える他方の送信スイッチとを備え、
   前記電圧制御用オペアンプは、前記各送信スイッチによって接続された各超音波センサに加える電圧が、前記電圧制御用オペアンプの他方の入力端に入力される電圧信号に一致するように制御し、
   前記入力される電圧信号の変化は、前記一方の送信スイッチ及び前記他方の送信スイッチの内部抵抗と前記超音波センサの内部容量との時定数により決定される変化より遅いことを特徴とする超音波流量計。
2. コンデンサを備えたチャージアンプ回路を構成し前記コンデンサの一方の端子が受信オペアンプ出力端に接続され、受信した信号を増幅する受信オペアンプと、
   各超音波センサに対応して設けられ、前記超音波センサを前記受信オペアンプの一方の入力端に接続するように切り替える一方の受信スイッチと、
   各超音波センサに対応して設けられ、前記超音波センサを前記コンデンサの他方の端子に接続するように切り替える他方の受信スイッチとを備え、
   前記受信オペアンプは、前記各受信スイッチによって接続された各超音波センサの電圧が前記受信オペアンプの他方の入力端の電圧に一致するように制御することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。

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