JP4788176B2 - 流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷である振動子に電源電圧より高電圧の電力を供給するチャージポンプ型昇圧手段を用い、超音波を利用して気体や液体などの流速または流量を計測する流れ計測装置に関する。

従来の昇圧手段としてはＤＣＤＣコンバータを利用したものがあり、これを利用した流量計測装置は超音波を用いた電気的な計測方法である（例えば、特許文献１参照）。

図１３は一般的な昇圧回路の構成を示すブロック図である。図１３において、１は電源、２はＤＣＤＣコンバータ、３はインダクタンスＬ，４はダイオードＤ，５はコンデンサＣ、６は負荷である。ＤＣＤＣコンバータ２は、インダクタンス３をスイッチング動作することにより、オンからオフになった時に、インダクタンスに生じる逆起電力がダイオード４を介して整流し、コンデンサ５でリップルを小さくした安定した高電圧を負荷６に供給するものである。図１４は、従来の流れ計測装置である超音波流量計の構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１参照）。

同図において、流体流路１１の途中に超音波を発信する第１振動子１２と受信する第２振動子１３が流れ方向に配置されている。１４は第１振動子１２への送信回路、１５は第２振動子１３で受信した超音波を信号処理する受信回路である。１６は受信回路１５で超音波を検知した後第１振動子１２からの送信と第２振動子１３での受信を複数回繰り返す繰返し手段である。

１７は受信回路で超音波を検出した後、再度第１振動子１２から超音波を送信するまでの遅延時間を発生させる遅延時間発生手段であり、１８は遅延時間発生手段１７により発生した遅延時間を計測する遅延時間計測手段、１９は遅延時間発生手段１７の計測値を基に、遅延時間を制御する遅延時間制御手段、２０は繰返し手段により行われる複数回の超音波伝達の所要時間を計測する累積時間計測手段である。

２１は遅延時間計測手段１８および累積時間計測手段２０の計測値から流量を求める流量演算手段である。送信回路１４より送出されたバースト信号により第１振動子１２から発信された超音波信号は、流れの中を伝搬し、第２振動子１３で受信され受信回路１５で検知され、遅延時間発生手段１７で発生した遅延時間を置いた後、再び送信回路１４よりバースト信号が送出される。送信回路１４からのバースト信号は、予め定められた回数だけ繰り返され、この繰返しに要した時間を累積時間計測手段２０で、また、遅延時間を遅延時間計測手段１０により計測する。

更に、流量演算手段２１では、累積時間計測手段２０で求めた値から、遅延時間計測手段１９で求めた遅延時間を差し引くことにより、超音波の伝達のみの所要時間Ｔを求める。通常、この送信回路から振動子を駆動する際には伝搬距離により信号が減衰することを考慮して高電圧を供給する。その回路として上記に説明した昇圧回路を利用することが多い。
特開２０００−２９２２３２号公報（第２頁、第１図）

しかしながら従来の昇圧回路における高電圧供給回路では負荷の動作および回路全体の安定性を考えたＤＣＤＣコンバータの動作タイミングが統一されておらず、独立して動作している。例えば送信、受信回路への供給電圧が安定する前にＤＣＤＣコンバータの動作を開始すると充電後、負荷である振動子を動作するまでの時間に各回路の初期設定などを行う無駄時間の発生する可能性がでてくる。さらに電源投入後の回路の初期設定動作などを行っている時に昇圧回路が動作するとシステムの電圧が変動したり、ノイズが発生したりすることによる計測精度の劣化につながる可能性がある。

また、誘導性の素子を用いるＤＣＤＣコンバータでは動作時の逆起電力や誘導ノイズにより他の回路へ影響を及ぼす可能性がある。

本発明は上記の課題を解決するもので、電源投入後において回路電圧が安定し、初期設定が終了してからチャージポンプ型昇圧手段を動作することで昇圧した電圧の動作までの時間を短くし、安定した電圧で振動子等への電力供給を行うとともに、コイルを使用しない回路構成によりノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現し、システム全体の初期設定などを行っている時にはチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止し、確実に設定を行うことを目的としている。

そして、このような昇圧動作を用いることで、計測系の安定動作を実現する精度の良い流量計測を実現することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流速または流量計測手段の制御手段は
電源投入後に記憶手段の設定値を各手段に送出した後に電源制御手段を介してチャージポンプ型昇圧手段を動作し、かつ、電源投入後に電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出する。

本発明の、流れ計測装置における制御手段は、電源立ち上げ時に、システム全体の回路電圧が安定し、初期設定が終了してから振動子などの高電圧を必要とする部位のため電源
制御手段を介してチャージポンプ型昇圧手段を動作し、かつ、電源投入後に電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出するものである。

これによって、システムが安定してからチャージポンプ型昇圧手段を動作することで昇圧動作後、昇圧した電圧の動作までの時間を短くし安定した電圧で振動子等への電力供給を行うとともに無駄なリーク電流を減らすことができるとともに、コイルを使用しない回路構成によりノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現し、システム全体の初期設定などを行っている時にはチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止して計測系の安定動作を実現し、確実に各部の初期設定を行うことができる。また、電源立ち上げからシステム動作までの時間を短くするとともに電圧変動を受けやすい部位の設定を後回しにすることで安定に設定値を確定していくことが可能になる。

第１の発明は被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、振動子を駆動する送信手段と、受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段の信号を用いて流量を算出する演算手段と、電源と、前記電源から前記送信手段用などの高電圧をつくるチャージポンプ型昇圧手段と、前記電源と前記チャージポンプ型昇圧手段を時間的に制御する電源制御手段と、前記各手段の少なくとも１つの設定値を記憶する記憶手段と、電源投入後に前記記憶手段の設定値を各手段に送出する制御手段を有し、前記制御手段は設定を終了した後に前記電源制御手段を介して前記チャージポンプ型昇圧手段を動作し、かつ、電源投入後に電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出する流れ計測装置である。

そして、制御手段は電源立ち上げ時に、システム全体の回路電圧が安定し、初期設定が終了してから振動子などの高電圧を必要とする部位のため電源制御手段を介してチャージポンプ型昇圧手段を動作するものである。システムが安定してからチャージポンプ型昇圧手段を動作することで昇圧動作後、昇圧した電圧の動作までの時間を短くし安定した電圧で振動子等への電力供給を行うとともに無駄なリーク電流を減らすことができるとともに、コイルを使用しない回路構成により昇圧などの動作による電圧の不安定さやスイッチングノイズの発生を抑え、システム全体の初期設定などを行っている時には昇圧手段の動作を停止して計測系の安定動作を実現し、確実に各部の初期設定を行うことができる。また、電源立ち上げからシステム動作までの時間を短くするとともに電圧変動を受けやすい部位の設定を後回しにすることで安定に設定値を確定していくことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における流れ計測装置としての流量計測装置について説明する。図１は本実施の形態１の構成を示す流れ計測装置としての流量計測装置のブロック図である。

図１おいて、被測定流体の流れる流路３１と、前記流路３１に配置された超音波を送受信する第１の振動子３２、第２の振動子３３を設置し、前記第１の振動子３２を駆動する送信手段３４と、前記第２の振動子３３の受信信号を受け受信タイミングを決定する受信手段３５と、前記送信手段３４と第１の振動子３２、および第２の振動子３３と受信手段３５の間に切換手段３６を設け、超音波の送受信を第１の振動子３２と第２の振動子３３の間で交互に行うようにしている。

そして、流量演算手段４１（演算手段）は、受信手段３５の出力を受け送信手段３４を介して再度超音波の送受信を繰り返すという動作回数を計測し所定の回数で動作を停止する繰返し手段３７と、前記繰返し手段３７の信号を受け所定の遅延時間遅れて前記送信手段３４のトリガ信号として出力する遅延手段３８と、少なくとも送信手段３４による第１の振動子３２の駆動開始から前記繰返し手段３７の動作停止までの超音波の伝搬時間を測定する計時手段３９と、前記計時手段３９の値から前記一対の振動子間の流速を演算し、求められた流速から流量を求める演算手段４０とを有するものである。

さらに、計測制御手段４２を設け、前記送信手段３４を動作する計測スタート信号を出力する。さらに電力の供給を行う電源４３と、電源より高電圧の負荷を駆動するためのチャージポンプ型昇圧手段４４と、前記電源４３と前記チャージポンプ型昇圧手段４４を制御する電源制御手段４５を備えている。

また送信手段３４、受信手段３５、切換手段３６、流量演算手段４１の設定値を記憶している記憶手段４６と、電源４３を投入後に記憶手段４６の設定値を各手段に送出する制御手段４７を備えている。

通常の動作を説明する。計測制御手段４２からスタート信号を受けた送信手段３４が第１の振動子３２を一定時間パルス駆動行うと同時に計時手段３９は計測制御手段４１からの信号によって時間計測始める。パルス駆動された第１の振動子３２からは超音波が送信される。第１の振動子３２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し、第２の振動子３３で受信される。第２の振動子３３の受信出力は、受信手段３５で信号を増幅された後、予め定められている受信タイミングの信号レベルで超音波の受信を決定する。繰返し動作を行わない場合はこの超音波の受信を決定した時点で計時手段３９の動作を停止し、その時間情報ｔから（式１）によって流速を求める。ここで、計時手段３９から得た測定時間をｔ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。

ｖ＝（Ｌ／ｔ）−ｃ ・・・（式１）
受信手段３５は通常コンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっていることが多い。

繰返し手段３７を用いる今回の動作は受信手段３５の判定結果を遅延手段３８で一定時間遅延させた後に送信手段３４に返し、再度送信を行う。繰返し動作を決められた回数行い、その時間を計時手段３９で測定し、計時手段３９の測定時間を元に（式２）の計算によって流速を求める。ここで、遅延手段の遅延時間をＴｄ、繰返しの回数をｎ、測定時間をｔｓ、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。

ｖ＝Ｌ／（ｔｓ／ｎ−Ｔｄ）−ｃ ・・・（式２）
この方法によれば、（式１）の方法に比べ精度よく測定することができる。

また、第１の超音波振動子３２と第２の超音波振動子３３とを切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式３）より速度ｖを求める。ここで、上流から下流への測定時間時間をｔ１、下流から上流への測定時間時間をｔ２とする。

ｖ＝Ｌ／２（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（式３）
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。流速ｖが求まると、それに流路１の断面積を乗ずることにより流量を導くことができる。

通常の動作は図２に示すタイミング図のようになる。すなわち、計測制御手段４２による時刻ｔ０における開始信号から計測を開始し、ｔ１で送信手段３４を介して第１の超音波振動子３２を駆動する。そこで発生した超音波信号は流路内を伝搬し時刻ｔ２で第２の超音波振動子３３に到達し、受信手段３５で受信点を検知すると繰返し手段３７は設定回数に達していない場合、遅延手段３８に信号を送出する。そして時刻ｔ３から遅延手段３８が動作し、予め定めた時間だけ動作した後時刻ｔ４で送信手段３４に信号を送出し、再び第１の超音波振動子３２を駆動する。以下、この繰返しを行っている。

繰返し手段３７で決められた回数動作すると図２時刻ｔ５で送受信動作は停止し、その時間は図に示すＴとなる。その後、切換え手段３６が送受信を切換える。すなわち第１の超音波振動子３２が受信側、第２の超音波振動子３３が送信側になる。そして同様な繰返し動作を行う。

次に計測制御手段４２などに電力を供給する電源周辺について説明する。図３は本実施例の電源周辺の構成を示すブロック図である。図３において４３は電源、４４はチャージポンプ型昇圧手段、４５は電源制御手段、５は蓄電手段、６は負荷である。チャージポンプ型昇圧手段４４としては内部に少なくとも１つのコンデンサを有するスイッチング昇圧手段４４ａ、出力電圧を安定する電圧安定手段４４ｂで構成できる。

チャージポンプ型昇圧手段４４の動作を図３（ｂ）のブロック図で説明する。電源１の下流にスイッチとコンデンサで構成するチャージポンプ型昇圧手段４４を接続し、その出力は安定用コンデンサ５と並列に接続した負荷６に送られる。

チャージポンプ型昇圧手段は電源制御手段４５からの発振により制御する。チャージフェーズではスイッチＳ１，Ｓ４が開成し、スイッチＳ２，Ｓ３が閉止している。電源１はフライングコンデンサＣＦを入力電圧まで充電する。次にトランスファフェーズではスイッチＳ１，Ｓ４が閉止し、スイッチＳ２，Ｓ３が開成する。ＣＦにかかる電圧は入力電圧Ｖｉｎと直列になり、電源とＣＦの双方は安定用コンデンサに放電する。基本的なチャージポンプ型昇圧手段は倍電圧器として動作し、この図３（ｂ）では出力電圧は入力電圧の２倍となる。このスイッチとＣＦを直列に複数段構成することにより出力電圧は高くなる。電源安定手段４４ｅはシステムの電力供給を行うために追加している。

図３（ａ）では負荷６の動作は電源制御手段４５で検知できるようになっている。電圧の情報によりスイッチの開閉手段を制御して昇圧電圧を調節することが可能である。また出力電圧を電源制御手段４５で測定し、例えばＡＤ変換器などにより電圧信号を得ることにより電源制御手段４５は昇圧手段４４の出力電圧を一定にするよう調整する信号を送出する。このように電源制御手段４５は負荷６の動作を検知し、その動作に応じて昇圧手段４４に信号を送出し電圧を調整することで、安定した電圧で負荷６への電力供給を行うとともに、負荷の動作に影響を与えない時期に昇圧手段４４を動作することでノイズ等の影響をシステムに与えないような昇圧手段の動作を実現することが可能になる。

通常電源４３を投入する前では、流れ計測装置の電装部分は放電が終了して空の状態である。ここで電源４３を投入して、いきなりすべての手段に電力を供給すると同時にチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を開始した場合、電源４３への負担が大きく多大な電圧変動を発生する可能性がある。

また、昇圧用のクロックによるスイチィング動作が他の部位にノイズとして影響を与える可能性がある。さらに電源４３の電圧降下が大きいとシステムとして動作を開始できなくなる可能性も発生してくる。このような状態を防ぐため電源投入後の動作について説明する。

図４において時刻Ｔ０で電源を投入してからシステム電圧安定手段４４ｅの出力が安定するＴ１までは制御手段４７は動作を行わない。Ｔ１以降で電圧が安定しているため図４（ｂ）のようにＴ２から記憶手段４６から順次制御手段４７を介して、各手段に送出していく。この設定が安定して確実に行えた後、図４（ｃ）のようにＴ３から制御手段４７は電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４を動作する。

これはチャージポンプ型昇圧手段４４が動作することにより通常より大電流が流れ、各手段に設定値を送り初期準備をしている時に、入力レベルの変化により設定が不確実になったり、スイチィング動作による昇圧動作がノイズの発生源になったりして、設定値が変化するのを防ぐためである。

このように、制御手段４７は電源立ち上げ時に、システム全体の回路電圧が安定し、初期設定が終了してから電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４を動作するものである。システムが安定してからチャージポンプ型昇圧手段４４を動作することで昇圧した電圧の動作までの時間を短くし安定した電圧で振動子等への電力供給を行うとともに無駄なリーク電流を減らすことができる。さらに、システム全体の初期設定などを行っている時にはチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止して計測系の安定動作を実現し、確実に各部の初期設定を行うことができる。

チャージポンプ型昇圧手段４４の出力は主に送信手段３４の後段にある振動子への駆動電圧として用いられる。これは駆動電圧が高い方が大きな信号で駆動でき、伝搬する超音波も安定して送出できるからである。

流れ計測装置において図５のように電源制御手段４５から送信手段３４付近の動作について説明する。第１の振動子３２を駆動するには流路３１の内部を十分な超音波信号レベルで伝送するためある程度高電圧で駆動する必要がある。そこで昇圧手段４３の出力は送信手段３４を介して第１の振動子３２に繋がっている。途中の切換え手段３６は送受信を切換えているだけなのでここでの詳しい説明は除く。

送信手段３４の内部の一例として振動子を動作するために３４ａから３４ｄまでの送信開閉手段を用いたブリッジ構成をとる。最初送信開閉手段３４ａ，３４ｄを通電状態にし、反対に３４ｂ、３４ｃを開放しておく。次に送信開閉手段３４ａ，３４ｄを開放し、３４ｂ、３４ｃを通電状態にする。この動作で振動子が動作し始める。振動子への電源はチャージポンプ型昇圧手段４３からの高電圧が供給される。

この高電圧の供給が振動子の動作状態によらず、チャージポンプのみの動作で昇圧動作を行うと振動子への供給電圧が動作中に変化してしまい、受信信号が一定でなくなる。これは流量の計測精度に大きく影響するために好ましいことではない。そこで電源制御手段４５がチャージポンプ型昇圧手段４４の動作や振動子３２の動作を検知し、振動子３２の動作に影響の無い時期にチャージポンプ型昇圧手段４４を動作するように制御信号を送出することにより安定した電圧で振動子への電力供給を行うとともに、ノイズ等の影響を流量計測システム全体に与えないようなチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を実現することが可能になる。

電源制御手段４５は計測制御手段４２から計測動作信号が出ているのを信号として受け取ることが可能なため、より確実に振動子の動作に影響を与えない状態でチャージポンプ型昇圧手段４４を制御することできるようになる。図５では電源制御手段４５と計測制御手段４２を別々に設けているが同じ制御手段として１つの論理手段、例えばマイコンを用いても良い。

さらに、電源投入時において各手段に設定値を送出する順を考慮して動作する方法について説明する。図４の時刻Ｔ１後において制御手段４７は記憶手段４６から設定値を各手段に送出して動作に備える。システム電圧安定手段４４ｅの出力電圧がまだ確実に安定していないような状態でも単なる１，０のようなレベルのような設定値とコンパレータなどの比較電圧を設定するのでは重要度合いが異なる。このため電源投入後に電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出するのが有益である。その時の例としては図６のような設定順序が考えられる。

まず１０１で電源が立ち上がっているか確認し、少なくとも時刻Ｔ１以降の電圧になっているところから動作を開始する。そして１０２で１，０で規定できる繰返し手段３７の繰返し回数を設定し、１０３では遅延手段３８の遅延量を設定する。この遅延量はデジタル的に設定できることが望ましい。さらに、１０４でアナログ量が支配的になる受信手段３５の設定を行う。図６で１０１より１０４の方が時間的に後になるためシステムの電圧はより安定している。電圧変動の影響を受けやすいアナログ量を設定するような場合は設定順を後にもってくることが制御手段４７を介して容易に実現できる。１０２のように１，０で規定できるような設定は図４の時刻Ｔ１より以前でも行うことが可能である。システムの電圧が変化している場合でも設定を行うことができるとより早くシステムの準備が可能になるため早期の計測開始が実現できる。

このように制御手段が電源投入後に電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出することにより、電源立ち上げからシステム動作までの時間を短くするとともに電圧変動を受けやすい部位の設定を後回しにすることで安定に設定値を確定していくことが可能になる。設定順序はこれに限定されるものでは無い。

また、電源投入時において各手段に設定値を送出する順を考慮して動作する他の方法について説明する。図６の１０２のように１，０で規定できるような設定はチャージポンプ型昇圧手段４４が動作していても、そのスイチィングや電圧変動によるノイズの影響を受けにくい場合がある。このため図７に示すように時刻Ｔ１より早い時期のＴａで制御手段４７が電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４を動作し始めても良い。

この時図７（ａ）に示すようにシステム電圧安定手段４４ｅはまだ安定していないが早期にシステムの準備をするために設定値を各手段に送出すると共に、振動子の駆動を行う昇圧電圧も早期に充電して安定させておくことが可能になる。チャージポンプ型昇圧手段４４の動作が終了した後に、図６の１０４のようなアナログ量が支配的になる受信手段３５の設定を行うことで安定した設定動作を実現できる。

このように制御手段４７が電源投入後に電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を開始した後、電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出することにより、電源立ち上げから昇圧手段を動作することで高圧部まで含めたシステム動作までの時間を短くするとともに電圧変動を受けやすい部位の設定を昇圧動作の初期をはずして行うことで安定に設定値を確定していくことが可能になる。

チャージポンプ動作の周波数を変化して駆動直後のノイズなどの影響を小さくする工夫をすることも電源制御手段４５を利用して十分可能である。

なお、本実施の形態においては、流体の流れ計測装置の一例として、流量演算手段４１により、流体の流速を演算してこの流速から流量を求める流量計測装置について説明したが、流れ計測装置として、流体の流速を求める流速計測装置としてもよく、この場合、急激な流速変化や所定値以上の流速を計測して、流体の流れを遮断してもよい。特に、流体がガスである場合、ガスを流す配管中に遮断装置を設けることにより、ガス漏洩を検知し漏洩を遮断することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における流れ計測装置について説明する。実施の形態１と異なるところはチャージポンプ型昇圧手段４４の出力が安定してからアナログ量が支配的な部位の設定を行うことである。これは受信手段３５の一部に送信手段３２が動作して信号を入力しないと設定できない部位があるからである。その場合でも電圧の安定している状態で設定する必要がある。特にアナログ部の設定はデジタルの１，０という状態を設定するのでは無く連続量である増幅度の大きさを求めたり受信点というある電圧の値を規定するものであるから計測系の安定している時に設定する必要がある。

図１、図８と図９、図１０を用いて説明する。実施の形態１で示したように流れ計測装置に用いられている振動子などの負荷は、動作するためにチャージポンプ型昇圧手段４４は電源より高圧の電力を供給する必要がある。電源投入時に各手段の初期値や設定値を規定している時期にこのチャージポンプ型昇圧手段４４が動作すると、例えば、蓄電用キャパシタやスイッチ部を有するためクロックなどによるスイッチング動作による昇圧時に高速クロックなどに起因するノイズを生じることがあり、設定値の信号変化につながる可能性がある。これを防止するための動作を以下に説明する。

図８は受信手段３５の一部を示すブロック図である。受信側の振動子３３から入力した信号は増幅器３５ａを通り信号の振幅を大きくする。その時の増幅度は増幅度調整手段３５ｂで行う。振幅の大きくなった信号は受信判定手段３５ｃで受信点を判定する。受信判定手段３５ｃは比較手段３５ｄと比較基準手段３５ｅからなる。増幅器３５ａの出力は図９のような波形になっている。縦軸のＡが振幅で、比較基準手段３５ｄの設定電位はＶｘとなっている。信号がＶｘを通過するＴｘが受信信号の到達時間とする。

電源４３を投入し制御手段４７が記憶手段４６から各手段に設定値を送出する際、特に受信手段３５に設定値を送出する場合は、アナログ量が主体的になる部位のため電圧の変動やノイズの影響を極力減らしておく必要がある。

このため図１０（ａ）のようにシステム電圧安定手段４４ｅの出力が電源より供給されて安定するとともに、図１０（ｂ）のチャージポンプ型昇圧手段４４の出力電圧も安定すると図１０（ｃ）のように時刻Ｔ２から設定値を送出する。その時は図６のように受信手段３５の設定は電圧が安定したＴ３のようにできるだけ遅くに行うようにする。

その時は、図８の増幅度調整手段３５ｂで増幅手段３５ａの出力を調節し、受信した信号の振幅を図９のようなＡとなる大きさに調整する。あまり設定値が大きいと増幅手段３５ａが飽和してしまうし、小さすぎると比較手段３５ｄで判定ができなくなるので予め定めた範囲になるよう記憶手段４６の値を用いて制御手段４７を介して設定した値の状態で調節していく。

また、増幅度調整手段３５ｂで増幅手段３５ａの出力を調節した後は、受信判定手段３５ｃが正確に動作するように比較基準手段３５ｅを記憶手段４６の値を用いて設定する。この設定した電圧値が図９のＶｘとなり、受信点がその電圧になる時間Ｔｘを受信信号の到達時間とする。この電圧値も正確に求める必要があるため図１０時刻Ｔ３より後のチャージポンプ型昇圧手段４４が安定した後のシステム系が安定した時に行う。

このように制御手段４７がチャージポンプ型昇圧手段４４の出力が安定した後に増幅度調整手段３５ｂを介して増幅度を設定したり、受信判定手段３５ｅを設定したりすることにより、アナログ信号を判定する部分の設定を安定した電圧条件で行うことにより計測系の安定動作を実現することが可能になる。

また、今まで説明したようにアナログ部分を含む手段を設定するにはシステム電圧や昇圧後の電圧が安定している必要がある。チャージポンプ型昇圧手段４４の出力電圧が予め定めた設定値に達すると昇圧を停止するが、アナログ信号のかかわる部位の設定を行っている時に昇圧動作を行ってしまう可能性がある。例えば経年変化で放電が大きくなり昇圧電位を維持できなくなった等の場合である。

受信手段などのアナログ信号のかかわる部位を設定しているような場合に、チャージポンプ型昇圧手段４４のクロック入力によるスイッチング動作が発生すると通常より多大の電流が流れたり、ノイズを発生したりしてシステムの電圧が変動する可能性がある。この現象を防ぐため図１０（ｄ）の時刻Ｔ３に示すように制御手段４７は電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を調節し、特に受信手段３５などのアナログ信号のかかわる部分を設定する時には強制的にチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を停止する。これにより仮にチャージポンプ型昇圧手段４４の出力が低下していてもアナログ信号の設定時にはクロック入力などを止めることで昇圧動作を停止して電圧変動等による設定の不確かさを極力排除する。

このように制御手段４７が受信手段３５等のアナログ信号のかかわる部分を設定する時に電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を停止することにより、ノイズなどの発生要因を無くしてより安定した環境で初期設定を行うことができ、計測系の信頼性を高めることが可能になる。

また、特に受信手段３５のアナログ信号のかかわる部位である増幅度調整手段３５ｂを設定する場合は電圧の安定がより大切になるためチャージポンプ型昇圧手段４４の動作は必ず停止しておく必要がある。図１０の時刻Ｔ３でチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を停止した場合は電圧が変動しない間に、すぐに増幅度調整手段３５ｂの設定を行い、振幅を確定してしまうのが良い。

同様に増幅度が確定した後もチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を停止し、受信判定手段３５ｃの比較基準手段３５ｅを設定して受信点Ｔｘを求める電位Ｖｘを確定する。なお、図１０（ｄ）では時刻Ｔ３でチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を停止した後増幅度調整手段３５ｂと比較基準手段３５ｅを設定するＴ４まで昇圧動作が行われていないようになっているが、振動子の消費電力が大きい場合などは増幅度調整手段３５ｂを設定した後、一旦電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４を動作し、再度動作を停止してから比較基準手段３５ｅを設定するようにしても良い。

このように、増幅度調整手段３５ｂや受信判定手段３５ｃの内部にある比較基準手段３５ｅを設定する時に電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４の動作を停止することにより、ノイズなどの発生要因を無くしてより正確な増幅度調整を行うことができ、計測系の信頼性を高めることが可能になる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における流れ計測装置について図１、図１１、図１２を用いて説明する。実施の形態１と異なるところは電源投入時にシステムの電圧を給電と同時にチャージポンプ型昇圧手段４４の後段をある程度の電位で充電することにより、チャージポンプ型昇圧手段４４の動作時間を短縮するである。

図１１で、チャージポンプ型昇圧手段４４の後段に蓄電手段５とシステムの電圧を規定する電圧安定手段の出力を蓄電手段５に接続することを可能にする開閉手段４８がある。

電源を投入するとシステム電圧安定手段４４ｅの出力はすぐにシステム電圧を維持できるようなる。その時に電源制御手段４５は開閉手段４８を閉止してシステム電圧の電力をチャージポンプ型昇圧手段４４の後段にある蓄電手段５に接続して給電する。

システム電圧安定手段４４ｅの出力Ｖ１は通常、電源手段４３より低い値に設定されている。またチャージポンプ型昇圧手段４４の出力部Ｖ２は電源手段より高い値になる。したがって図１２に示すように時刻Ｔ０でシステム電圧が給電されると時刻Ｔ１で開閉手段４８が閉止動作を行い、蓄電手段の電位は図１２（ｂ）のように上昇していく。電圧上昇はスイチィング動作によるため階段状になることが多い。そしてシステム電圧Ｖ１と等しくなった後、時刻Ｔ２で開閉手段４８を開成すると同時に図１２（ｄ）のように電源制御手段４５がチャージポンプ型昇圧手段４４を動作して昇圧動作に入る。その結果、図１２（ｂ）のように蓄電手段５の端子電圧はＶ２まで上昇する。

このようにチャージポンプ型昇圧手段４４の後段に蓄電手段４８を有し、電源投入後に制御手段４７が蓄電手段４８に予め一定量の電荷を蓄電した後に電源制御手段４５を介してチャージポンプ型昇圧手段４４を動作することにより、高圧部の充電時間を短くすることができ、初期Ｖ１までのその充電にはノイズ発生の要因も無く各部の設定状態に影響を及ぼすことのない安定した動作により計測系の早い立ち上げが可能になる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における流れ計測装置について説明する。実施の形態１と異なるところは、チャージポンプ型昇圧手段４４の動作を調整する電源制御手段４５の動作を確実にするためのコンピュータを機能させるためのプログラムを有する記憶媒体５０を用いていることである。

図１、図３、図５および図１１において実施の形態１から実施の形態３で示した電源制御手段４４の動作を行うには、予め実験等により振動子の動作によるチャージポンプ型昇圧手段４４の出力変化、経年変化、温度変化、システムの安定度に関してチャージポンプ型昇圧手段４４の動作タイミングなどの相関を求め、例えばファジィ制御のメンバーシップ関数のように適合度というような形で判断する判定ソフトをプログラムとして記憶媒体５０に格納しておく。通常マイクロコンピュータのメモリやフラッシュメモリ等電気的に書き込み可能なものにしておくと利用が便利である。

このように電源制御手段４５の動作をプログラムで行うことができるようになると振動子の駆動電圧の変化に対して追随するチャージポンプ型昇圧手段４４の動作をソフトで行うことになる。これにより送信回数の条件設定、切換手段３６動作前後における電圧調整の条件設定、変更が容易にでき、また経年変化などにも柔軟に対応できるためよりフレキシブルに計測時間の精度向上を行うことができる。なお、本実施の形態において、電源制御手段４４以外の動作も、マイコン等によりプログラムで行ってもよい。

本発明の流れ計測装置は、電源投入時に制御手段が設定値を各手段に送出してから電源制御手段が、基準クロックを入力することによりスイチィング動作を基本とするチャージポンプ型昇圧手段による電圧の上昇動作を制御するものである。

これによって、システム全体の回路電圧が安定し、初期設定が終了してから電源制御手段を介してチャージポンプ型昇圧手段を動作するため、システムが安定してからチャージポンプ型昇圧手段を動作することで昇圧した電圧の動作までの時間を短くし安定した電圧で振動子等への電力供給を行うとともに無駄なリーク電流を減らすことができるとともに、システム全体の初期設定などを行っている時にはチャージポンプ型昇圧手段の動作を停止して計測系の安定動作を実現し、確実に各部の初期設定を行うことができる。

したがって、ノイズ等の影響をシステムに与えないようなチャージポンプ型昇圧手段の動作を実現することで計測系の安定動作を実現する精度の良い流量計測を実現することが可能になり、ガスメータや各種流体の計測装置などの用途にも適用できる。

また、ＤＣＤＣコンバータを用いる場合に比べインダクタンスが不要になるため小型コンパクトな電源部分を構成することが可能になる。

本発明の流れ計測装置の全体ブロック図 同計測装置の動作を示すタイミング図 （ａ）本発明の実施の形態１における電源周辺のブロック図（ｂ）同チャージポンプ型昇圧手段のブロック図 本発明の流れ計測装置の制御手段と昇圧手段との動作を示すタイミング図 同計測装置の送信手段周辺の接続を示すブロック図 同制御手段の設定順を示すフローチャート 本発明の流れ計測装置の制御手段と昇圧手段との動作を示すタイミング図 本発明の実施の形態２の流れ計測装置における受信手段周辺のブロック図 同受信手段における受信波形図 同実施の形態における流れ計測装置の動作を示すタイミング図 本発明の実施の形態３の流れ計測装置における昇圧手段周辺のブロック図 同実施の形態の流れ計測装置の動作を示すタイミング図 従来の昇圧回路の全体のブロック図 従来の流量計測装置の全体のブロック図

符号の説明

１ 電源
５ 蓄電手段
６ 負荷
３１ 流路
３２ 第１の振動子
３３ 第２の振動子
３４ 送信手段
３５ 受信手段
４１ 流量演算手段（演算手段）
４３ 電源
４４ チャージポンプ型昇圧手段
４５ 電源制御手段
４６ 記憶手段
４７ 制御手段
４８ 開閉手段
５０ 記憶媒体

Claims (1)

1. 被測定流体の流れる流路に配置され超音波を送受信する一対の振動子と、振動子を駆動する送信手段と、受信側振動子の出力信号を電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段の信号を用いて流速または流量を算出する演算手段と、電源と、前記電源から前記送信手段用などの高電圧をつくるチャージポンプ型昇圧手段と、前記電源と前記チャージポンプ型昇圧手段を時間的に制御する電源制御手段と、前記各手段の少なくとも１つの設定値を記憶する記憶手段と、電源投入後に前記記憶手段の設定値を各手段に送出する制御手段を有し、前記制御手段は、各手段の設定値を送出終了した後に前記電源制御手段を介して前記チャージポンプ型昇圧手段を動作し、かつ、電源投入後に電圧変動の影響の小さい順に各手段の設定値を送出する流れ計測装置。

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