JP5587146B2 - アプリケーションに関連した改良された検出装置および方法 - Google Patents

Description

この出願は、オーストラリアの仮特許出願 No.2003902318(2003年5月14日出願、名称“改良された検出装置および方法”)の優先権を主張し、すべての目的のためにその明細書全体を参考のためにここに取り込む。

[発明の分野]
この発明は検出装置の分野に関連する。特に、この発明は空気中の浮遊粒子に対する改良された粒子検出器と方法に関連する。１つの形態では、この発明は粒子検出器の改良および、多くの位置から抽出された空気中の粒子を検出する関連方法に関する。以下にこの発明を、吸引された煙の検出システムの中でフローを検出する超音波手段の使用に関連して説明するのが好都合であるが、この発明はその使用のみに限定されないことを理解すべきである。

[関係する技術]
この発明者は以下の関連する分野を特定した。粒子検出器は、位置に熱発生を含むかもしれないかどうか決定する手段として、気流における煙の粒子を検出することが有用である。Vision Fire and Security Pty Ltdによって販売されたVESDA(商標) LaserPlus(商標)の煙検出器などの敏感な煙検出器、気流中の粒子の数を検出する。燃焼などの典型的な熱の発生は、かなりの量の浮遊微小粒子を作り出し、それゆえ、これらの粒子を検出することは、熱の発生が特定の位置にあるかもしれないかを決定する際に有効である。１つのタイプの煙の検出器システムは。パイプの標本抽出ネットワークを使用し、各パイプは長さに沿って多くのすきまを持つ。パイプネットワークは、粒子検出器に接続され、そして、吸引器は、パイプを通して空気を取り込み、そして、粒子検出室に粒子を導く。パイプネットワークを使用すると、空気は、エリアにわたって多くの異なったポイントから抽出される。吸引式の煙検出器システムの効率および有効性を維持し、改良するために、パイプネットワークを通るフローを決定することが望ましい。一例として、通常、流体供給パイプを通して、通常、液体状態での流体のフローを決定するのに適当なフロー計は、以下の記述で明らかにされる。

WO88/08516(マイクロニクス株式会社)の名称“超音波液体フロー計”は、飛行時間の測定の原理で動作する非侵入の超音波フロー計を開示しており、それは、超音波パルスをパイプ内の液体流の軸に向けてある角度で傾けられる第１の固定振動子を持つ第１の装着用ブロックを備える。第１の装着用ブロック内の第２の振動子は、フローの軸と直交する方向に超音波パルスを向けるために傾けられる。第３の振動子は、第１のブロックから離れた第２のブロック内に固定され、そして、第１の振動子によって伝えられたパルスの直接または反射の経路を受け取れるように向けられる。第１から第３の振動子へのパルスの飛行時間の実証的な計算は、振動子からの直接の出力信号を用いることで実行され、流体の流速の決定を可能にする。しかしながら、この実証的に決定された流速は正確ではなく、第２の振動子の出力信号からの修正ファクタで割ることにより、送信された超音波パルスの伝播速度の変化に対して修正される。

(ラングその他による)米国特許 No.5,052,230の「超音波による流速測定のための方法と構成」は測定チューブ中の液体の流速を測定するための方法と装置を開示しており、送信され、そして測定チューブ上で隔てられた２つの振動子を備える構成の内部で受信されるまでの距離を伝わる、超音波信号の送信された波形と受信した波形との間で自然に起きる合計の位相シフトをデジタルで測定することを含む。ラングその他によれば、流速は、まず、既知の超音波周波数および２つの振動子間の距離を用いて、そして、最初にフローの方向に伝わった超音波信号と、その後のフローの方向に逆らった超音波信号とに関して得られた合計の位相シフト間の差を計算することにより、決定される。そして、液体の流速は、決定している流速を、測定チューブの既知のフロー断面積に掛けることによって、決定される。ラングその他は、送信された超音波信号と受信された超音波信号との間の合計角の位相は、２つの振動子間の超音波信号の全体の波長の数と、いずれかの残りの位相角とで作成されることを認めている。したがって、ラングその他による方法および装置は、２つの部分の解決法を提供し、第１の構成は、測定チューブの中に配置される全体の波長の数を測定するために用いられ、第２の構成は、送信信号と受信信号との間の残りの、または、正確な位相角を決定するために用いられる。ラングその他が、２つの部分の解決策の各部分で、測定間隔を決定するためにデジタルパルスの計数技術を使用し、そして、開示された解決策の各部分でパルス計数精度への改良を開示していることに気付く。全体の波長決定では、非修正の信号より早くパルス・カウンタ装置を止めるために、受信信号の完全な波の修正が実行され、受信信号がしきい値を超えさせるようにする。残りの位相角の決定では、まず、量子化誤差を克服するために、各カウント動作の開始で、周波数の信号の開始位相が変えられ、そして第２に、ごく小さい残りの角度が検出されたとき、送信または受信信号のいずれかに対するデジタル同等量が反転され、それにより、位相角に180°加算され、そして、その結果、より高い解像度のために、対応して長くされる。位相反転ステップは、インバータによって引き起こされた遅延を補うために、受信信号か送信信号のいずれかの非反転の信号に対応する遅延が導入されることを必要とする。全体の波長決定は、受信された超音波信号の到着の開始の正確な決定により制限される。

Oldenziel その他による米国特許 No.5,533,408 の“超音波フロー計のクランプ”は、２重モードの超音波フロー計のクランプを開示しており、ここでは、測定されるべき液体を運ぶパイプの外表面上に少なくとも一対の超音波振動子を備え、液体内の異物の粒子が存在するかに依存して、飛行時間の測定原理または修正技術が選択される。Oldenziel その他は、振動子の１つの統合信号に由来するしきい値信号に基づき、ユーザは、移動時間の測定値を相関関係の測定値に転換するために、流体内の異物の量子含有量を、プリセットするか、または選択してもよいという改善を開示している。

Maulその他による米国特許 No.6,351,999の「渦フローセンサ」は、流体の流速および/または、フローの測度を測定するためのセンサを開示しており、カルマン渦を発生させるためにチューブ径に沿って固定的に配置された絶壁状の本体により、流体に乱流を導入している。Maulその他によって開示されたセンサは、レーザの差動干渉計を備える光学センサシステムである。

より一般的な適用の方法および装置は、Freundその他による米国特許 No.5,983,730の「 信号の飛行時間を測定するための方法および装置」に開示されている。Freundその他は、特定用途における信号の飛行時間を正確に測定するという問題に向けられ、音や音響インピーダンス測定のフロー、レベル、速度のように、信号の１周期より短い正確が要求される。従って、Freundその他は、方法および装置を開示しており、それは、送信信号を受信し、そして、送信信号の飛行時間を決定するのに用いられる臨界のポイントを持つ識別された受信信号を得るために、受信信号に１連の動作を実行することにより、信号が到着した時の開始を検出する。Freundその他による動作を処理する強化された信号は、受信された信号に集中している。Freundその他は、信号が受信される前に、送信される時の信号や、送信された信号波形に対するいずれの処理も全く開示していない。

Gillによる米国特許 No.5,178,018は、例えば、ガスメーターのように、ガスのフロー決定を許容するために、信号が２個の振動子の間を通る時間を測定する測定システムを開示する。位相変化に伴う信号は、マーカーとして作用し、そのマーカーは、１個の振動子から送信されて、別の振動子によって受け取られる。受信すると、位相変化マーカーは、検出され、そして、信号の移動時間、それ故、流体の流速を計算するために、対応する受信信号の振幅情報に関連して用いられる。Gillのシステムは、流速のシステム内で背景および他の雑音に打ち勝つことができるくらいの信号出力を提供するために、高価で強力なドライブ回路に伴う高帯域振動子をまさしく必要とした。また、振動子の温度変化が振動子の位相と周波数特性を変えることに気付く。

この明細書におけるドキュメントのあらゆる議論、デバイス、作用または知識は、この発明に関する文脈について説明するために含まれる。いずれかの材料が、オーストラリアやほかの場所に関連した公知技術または通常の知識の一部を、またはこの開示およびクレームの優先日以前に、形成するという承認としてそれをみなすべきではない。

この発明の一つの態様では、送信機と受信機との間で送信される信号の飛行時間を決定する方法が提供される。その方法は以下のステップからなる。
少なくとも１つの特有の波形の性質を含む第１の信号を送信し、
少なくとも１つの特有の波形の性質を含む第２の信号と、第２の信号の持続時間内の所定の時間ポイントで導入された波形の変更を送信し、
前記第１および第２の送信された信号を受信し、
第１および第２の受信信号の波形の重ね合わせを備える、第１および第２の受信信号の対応する特有の波形の特徴間の変化のポイントを決定し、
前記変化のポイントが、導入された波形の特徴の変化の到達時間に対応する。

決定された変化のポイントは、受信した波形に周期的に存在する同様の特有の性質に関連したあいまいさを有利に取り除く。言い換えれば、波形の変形が導入される時間における所定のポイントに対応する、送信機で発生された信号の特有の性質は、送信された信号の至る所で周期的に繰り返される、他のそのような特有の性質から明確に区別される。非変形タイプの第１の信号に関して変形されたタイプの第２の信号の変化のポイントが、受信機で決定されると、次に、時間のこのポイントは、受信信号バーストの到達時間のみならず、信号バーストの特定の位置の到達時間として、バースト波の単一周期未満の解像度で、かつ、特有の波形の性質の期間のオーダーで確定的に決定される。

本質的に、この発明は、特別に変形された部分を持つ信号が変更されていない信号に時間的に関して重ねた時に、信号の到達時間の決定が容易に確かめられるという認識に由来する。この解決策は、与えられた受信された信号送信の中に埋設された所定のマーカーを見つけるのに使用される精巧なエレクトロニクスの必要性を排除する。そのエレクトロニクスの必要性は、予測できない受信された信号波形のひずみとして現れ、その歪み波形は、また、システムや部品のノイズによる別の歪み、不安定さおよび不確かさを生じる。受信機で相対測定をすることによって、この発明は、これらの歪みや不確かさを、第２の変更された信号と変更されていない第１の信号との間に表われた変化のみが、タイミング参照の容易さのために、第２の信号の予定された位置に置かれた時の第２の信号の導入された波形の変更となる程度に、キャンセルする。

好ましい実施例では、変化ポイントが、明白に受信された信号の飛行時間を決定するのに使用されると、変化ポイントの位置に対応する第１の変更されていない信号の特有の性質は、変化ポイントを更に参照することなく、第１の変更されていない信号タイプの複数の送信信号の特有の波形性質の選択および測定をガイドするためにその後用いられてもよい。第１の信号タイプのこの特有の性質は、その後、フロー、温度、および他の物理的な影響による変化を考慮するために、その後、変更されていない信号で追跡されてもよい。

もう一つの態様では、この発明は、送信機と受信機の間で送信された信号の飛行時間を決定するために適合させられた装置を提供し、その装置は、所定の命令の組みに従って動作するように適合されたプロセッサ出力を備え、前記装置は、前記命令の組みに関連して、ここで開示されるように、送信機と受信機との間で送信された信号の飛行時間を決定する方法を実行するように適応される。

更に別の態様では、この発明は、吸引された煙の検出器システムの粒子検出器を通してフローをモニタする方法を提供し、その方法は、
フローセンサを用いた粒子検出器により、流体のベースの流動を確認し、
粒子検出器を通じて、その後のフローをモニタし、
ベースのフローとその後のフローを比較し、そして
ベースのフローとその後のフローの差が、所定のしきい値を超えるなら、故障を示し、
ベースのフローとその後のフローは、次の一般的なフロー計算で個々の時間で決定され、
f＝ s x A ( fは測定フロー、Aは検出システムを通過する空気フロー経路の縦断面積、sは検出システムを通過する空気の速度である。)
そのようなsは、s＝ d/2 ( 1/t₂−1/t₁ )で与えられ、
t₁は、前方方向、一般に、フロー経路に接近した第１の振動子から、第１の振動子と一般に反対側に位置し、かつ、フロー経路に接近した第２の振動子へのフローの方向で送信された信号の送信時間であり、t₂は、逆方向、一般に、第２の振動子から、第１の振動子へのフロー方向で送信された信号の送信時間であり、dは、第１の振動子および第２の振動子で信号が移動する距離であり、t₁ および t₂の双方は、ここで述べたように、送信機として作動する第１の振動子と受信機として作動する第２の振動子の間に送信された信号の飛行時間を決定する方法により、決定される。

更に別の態様では、この発明は、吸引された煙の検出器システムの粒子検出器を通してフローをモニタするために適合された装置を提供し、所定の命令の組みに従って動作するように適合されたプロセッサ手段を備え、前記装置は、前記命令の組みに関連して、ここで述べたように、吸引された煙の検出器システムの粒子検出器を通してフローをモニタするために適合される。

更に別の態様では、この発明は、送信機と受信機の間で送信された信号の飛行時間を決定する方法を提供し、
a) 第１および第２の信号を送信するステップと、
両信号は、少なくとも一つの特有の信号性質を備え、そして第２の信号は更に、第２の信号の期間の所定のポイントで導入された波形の変更を備え、
b) 前記第１および第２の送信された信号を受信するステップと、
c) 第１および第２の受信された信号で対応する特有の波形性質の間で変化のポイントを決定するために、時間内に受信された前記信号をスキャンするステップとを備え、
前記変化ポイントは、受信機で導入された波形の性質更の受信時間に対応する。

好ましい実施例では、変化のポイントの決定の一部として、前記スキャンのステップの後に、次のステップが実行される。
d) 第１の受信された信号の各々の特有の波形性質に対して、第１の受信された信号と、第２の受信された信号の対応する値との間の差を計算し、
e) 計算された差が第２の受信された信号の値よりも大きくなる発生の第１のポイントを変化のポイントとして示す。

同様に好ましい実施例では、信号の飛行時間を決定するための上記ステップの後に、少なくとも一つ以上の次のステップが実行される。
f) 変化ポイントの時間と、導入された波形性質の変更の送信時間との間の差を計算するステップと、
g) 指定された特有の波形性質と、変化ポイントとの時間の関係を測定し、そして、受信時間と、指定された特有の波形性質の送信時間との差を計算するステップとである。

この発明の実施例では、上記ステップ g に関して、その後の送信された第１の変更されていない信号のために、その後、変化のポイントを参照することなく、受信時間と、その後の第１の信号の指定された独特の波形性質の送信時間との間の差を計算することにより、飛行時間が決定される。指定された特有の波形性質は、振動子間の温度や密度などのような送信媒体の物理的な変化による到達時間の変化を許可するために、ロックされ、追跡されてもよい。

好ましい実施例では、この発明は、ここで述べたような信号の飛行時間を決定する方法を提供し、
変化ポイントに基づく予定された選択評価基準に従って、第１の信号の特有の波形性質を選択し、
複数の第１の信号を送信し
受信された複数の第１の信号の各々における選択された特有の波形性質の存在を示す受信した複数の第１の信号のゼロクロスを検出し、
位置の見積もり値を得るために、検出されたゼロクロスに基づき予め決定された見積もりの基準に従って、受信された複数の第１の信号の選択された特有の波形性質の位置を見積もり、
対応する見積り時間を決定するために位置の見積り値を処理し、
見積り時間に予め決定された遅延時間を加えることによって、複数の受信された第１の信号の少なくとも１つの選択された特有の波形性質の到来時間を計算するステップを備える。

この好ましい実施例では、予め決定された選択基準は、
a) 予め決定された遅延を変化ポイントの時間に加算するステップと、
b) 変化ポイントの時間から予め決定された遅延を差し引くステップの一方を更に備える。

更に好ましい実施例では、予め決定された見積もり基準は、
a) 選択された特有の波形性質に接近したゼロクロスの時間を測定し、そして
b) 測定されたゼロクロスの時間を平均化することを備えてもよい。

選択された特有の波形性質に接近したゼロクロスは、時間内に選択された性質の両側で生じてもよい。

好ましい実施例では、この発明は、送信機と受信機との間で送信された信号の飛行時間を決定するように適合された装置を提供し、前記装置は、予め決定された命令の組みに基づき、動作するように適合された処理手段を備え、
前記装置は、前記命令の組みに関連して、上述したように信号の飛行時間を決定する方法を実行するように適合され、その装置は、
複数の第１の信号を送信し、そして受信するための信号変換手段と、
変化ポイントに基づき予め決定された選択基準に従って第１の信号の特有の波形性質を選択するために、信号変換手段および前記処理手段に動作可能に接続された波形性質選択手段と、
受信された複数の第１の信号の各々における選択された特有の波形性質の存在を示す受信された複数の第１の信号のゼロクロスを検出するために、変換手段およびプロセッサ手段に動作可能に接続されたゼロクロス検出手段と、
位置の見積もり値を得るために、検出されたゼロクロスに基づき予め決定された見積もり基準に従って、受信された複数の第１の信号の選択された特有の波形性質の位置を見積もるために、ゼロクロス検出手段およびプロセッサ手段に動作可能に接続された信号位置見積もり手段とを備え、
前記プロセッサ手段は、対応する見積もり時間を決定するために位置見積もり値を処理し、そして、予め決定された遅延時間を見積もり時間に加算することにより、受信された複数の第１の信号の少なくとも一つの選択された特有の波形性質の到来時間を計算する。

信号位置の見積もり手段は、２重スロープの積分器を備えてもよい。別の実施例では、受信された複数の第１の信号は、デジタル化され、そして、前記プロセッサ手段は、ゼロクロス検出手段および信号位置見積もり手段を備えるデジタルデータ処理手段を備える。

更に別の態様では、この発明は、吸引された煙の検出システムのパイプ内の１つ以上の妨げられた標本抽出穴を検出する方法を提供し、
フローセンサを用い粒子検出器を通る流体のベースフローを確認し、
粒子検出器を通るその後のフローをモニタし、
その後のフローをベースフローと比較し、そして
ベースフローとその後のフローとの差が所定のしきい値を超過するなら、故障を示すことを備える。

別の態様では、この発明は、吸引された煙の検出器を提供し、粒子検出器、サンプリングネットワーク及び吸引器、入り口、出口およびフローセンサを備え、そのフローセンサは、粒子検出器に入る空気の流速を検出するために超音波を用いる。

この発明の別の態様では、コンピュータのプログラム製品が備えられ、これは、
コンピュータ利用できる媒体であり、データ処理システム内の吸引された煙の検出器の粒子検出器を通るフローをモニタするために、前記媒体上で具体化されたコンピュータ読み出し可能なプログラムコードおよびコンピュータ読み出し可能なシステムコードを有するコンピュータ利用できる媒体を備え、
前記コンピュータプログラム製品は、ここで開示したように、吸引された煙の検出器の粒子検出器を流れるフローをモニタする方法を実行するために、前記コンピュータ利用できる媒体内のコンピュータ読み出し可能なコードを備える。

この発明の別の実施例では、コンピュータプログラム製品が提供され、これは、
コンピュータ利用できる媒体であり、データ処理システム内の送信機と受信機との間で送信された信号の飛行時間を決定するために、前記媒体上で具体化されたコンピュータ読み出し可能なプログラムコードおよびコンピュータ読み出し可能なシステムコードを有するコンピュータ利用できる媒体を備え、
前記コンピュータプログラム製品は、ここで開示したように、送信機と受信機との間で送信された信号の飛行時間を決定する方法を実行するために、前記コンピュータ利用できる媒体内のコンピュータ読み出し可能なコードを備える。

この発明の更に別の実施例では、コンピュータプログラム製品が提供され、これは、
コンピュータ利用できる媒体であり、データ処理システム内の吸引された煙の検出器のパイプ内の一つ以上の塞がれたサンプリング穴を検出するために、前記媒体上で具体化された、コンピュータ読み出しできるプログラムコードおよびコンピュータ読み出しできるシステムコードを有するコンピュータ利用できる媒体を備え、
前記コンピュータプログラム製品は、ここで述べたように、吸引された煙の検出器の一つ以上の塞がれたサンプリング穴を検出する方法を実行するために、前記コンピュータ利用できる媒体内のコンピュータ読み出しできるコードを備える。

他の好ましい形態、態様および実施例は、発明の記述の一部である明細書および/または付記したクレームに開示される。

この発明の適用性の別の範囲は以下に与えられた詳述で明らかになるであろう。この発明の好ましい実施例を示す詳細な説明および特定の例は、例示のみのために与えられたものであり、当業者には理解されるように、この発明の趣旨および範囲内で、種々の変形および変更が可能である。

この発明の更なる開示、改良、利点、特徴および態様は、添付した図面に関連して好ましい実施例の以下の記述を参照することにより、当業者ならよりよく理解されるであろう。これらの記述および図面は単に例示目的のためであり、本発明の範囲を限定するものではない。

煙検出システムに対する検知装置の実施例の概略構成を示す。 図１に示したような検知装置に対するフローセンサ構成の１実施例の概略を示す。 図２に示したようなフローセンサに対するコントローラの積分回路および波形出力の実施例を示す。 図２に示したようなフローセンサに対するコントローラの積分回路および波形出力の実施例を示す。 図１の検知装置のコントローラおよびフローセンサの回路要素の図を示す。 図１の検知装置のフローセンサにより受信された信号の波形を示す。 飛行時間の測定が実施されるフローセンサ構成の１実施例を示す。 飛行時間の測定に用いられるフローセンサ振動子構成の１実施例を示す。 飛行時間の測定に用いられるフローセンサ振動子構成の１実施例を示す。 振動子反射鏡の配置の具体化を示す。 この発明の実施例による概略のセンサ構成の回路ブロック図を示す。 振動子のドライバ構成の実施例を示す。 この発明の実施例に基づく振動子に対するドライバ回路の波形例を示し、かつ、アクティブのドライバ回路の構成波形の位相比較を示す。 この発明の実例に基づくフローセンサの構成における２つの振動子ＡおよびＢにおける振動子Ａからの信号Ａを選択するための受信用振動子のセレクタを示す回路図である。 この発明の実例に基づくフローセンサの構成における２つの振動子ＡおよびＢにおける振動子Ｂからの信号Ｂを選択するための受信用振動子のセレクタを示す図１２の回路図である。 この発明の実施例に基づくフローセンサに対する受信増幅器の回路ブロック図である。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のピーク検出器に対するピーク検出器の波形を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のピーク検出器の回路図である。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のゼロクロスする基準レベルを設定するための平均化回路の回路図である。 図１７の平均化回路の回路図でローパスフィルタ回路構成をより詳細に示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のゼロクロス検出回路の波形を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のパルス位置検出器に用いられた積分回路の回路図を示す。 図２０の積分回路の４つの動作状態を示す。 例示的な制御回路を備えた図２０の積分回路の回路図を示す。 図２０の積分回路の波形を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のソフトウエアのコンテキスト図を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成の動作に用いられる全体のプログラムのフローチャートである。 この発明の実施例に基づく超音波送信機の例示的なパルス列を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成の振動子を駆動するための例示的な波形を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成の振動子を駆動するための例示的な波形を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成の受信用振動子およびピーク検出器に現れる波形を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサ構成のゲート化されたピーク検出器に対する例示的な波形を示す。 この発明の実施例に基づくピーク検出器のサンプル時間を伸張した時間間隔にわたる一連の波形を示す。 この発明の実施例に基づくゲイン設定に用いられるプログラムのフローチャートを示す。 この発明の実施例に基づくピーク検出器およびサンプルゲートのブロック図を示す。 この発明の実施例に基づく精密モードでの振動子共振を求めるプログラムのフローチャートを示す。 この発明の実施例に基づく粗いモードでの振動子共振を求めるプログラムのフローチャートを示す。 この発明の実施例に基づく導入された位相反転を有する送信超音波信号パルス列を示す。 図３５の位相が反転された送信パルス列の信号に対応する、この発明に基づく受信超音波信号パルス列を示す。 受信された超音波パルス列信号の陰極線オシロスコープの表示を示し、この発明に基づき、連続的に正常な、および、位相が反転された超音波信号パルス列の波形の重ね合わせを示す。 この発明の実施例に基づく超音波信号の到来時間を決定するために、時間内に変化ポイントを計算するのに用いられる、受信された正常な、および位相が反転された波形の例を示す。 この発明の実施例に基づき、信号到来時間の決定において、時間遅延を調節するために用いられる制御ループルーチンに対するフローチャートを示す。 この発明の実施例に基づき、フローおよび音速の計算を示すためのフローパイプおよびフローセンサ構成を示す。 この発明の実施例に基づくフローセンサシステムの理想的な波形を示す。 この発明の実施例の２重スロープの積分器の校正を図示した波形を示す。 この発明の別の実施例に基づく検知構成であり、図９のそれの別の構成の回路ブロック図を示す。 この発明の別の実施例に基づくフローセンサ構成のソフトウエアのコンテキスト図を示す。 この発明の別の実施例に基づく、受信された超音波信号をサンプリングするためのアナログ/デジタル(ADC)コンバータの使用を示す。 この発明の別の実施例に基づく、後での処理のために、サンプリングされた受信信号をメモリに格納するためのルーチンのフローチャートを示す。 この発明の別の実施例に基づく、サンプリングされた信号と比較される、電圧の差を決定するためのルーチンのフローチャートを示す。 この発明の別の実施例に基づく、受信されサンプリングされた信号のピーク値を決定するためのルーチンのフローチャートを示す。 この発明の別の実施例に基づく、受信されサンプリングされた信号のゼロクロスポイントと、基準のDCレベルの波形を示す。 この発明の別の実施例に基づく受信された信号のサンプリングされたピークを拡大図である。 この発明の別の実施例に基づく受信された信号のゼロクロスのいずれか一方側のサンプリングポイントを示す。 この発明の別の実施例に基づく受信されサンプリングされた信号におけるピーク中心の位置を示す。

[詳細な説明]
図１で示された煙検出器１０の形態の粒子検出システムは、導管か流路２６に取り付けられたハウジング１１を備える。検出器１０は、検出チャンバー１４、吸引器１６、フィルタ１８、流体注入口２０、および流体出口２２を備える多くのコンポーネントの部品がある。明確の目的のために、チャンバー１４内の正確な流体流路は図１では図示されていない。

また、煙検出器１０に関連してフローセンサ２４がある。図１では、フローセンサ２４は、入り口２８および吸引器１６と流体でつながっている。

経路２６はパイプ２８のネットワークに結合される。各パイプ２８は、穴であってもよい、多くのサンプリング箇所２９を持つ。サンプリング箇所２９は、ビル(不図示)のような保護されるべき空気中の様々な場所でサンプリングされるのを許容する。空気のサンプリングは、その後、フローセンサ２４内へ通過する。フロー攪乱器２１は、パイプのネットワークを通過する一定のフローとなる層流の特性を取り除くために、フローセンサ２４の上流に位置する。

検出器１０中の吸引器１６は、パイプ２８に沿ってサンプリングされた空気を、入り口２０、フロー攪乱器２１、フローセンサ２４を通して、検出チャンバー１４に引き込み、そこで粒子が検出される。粒子のレベルが予定されたレベルを超えるなら、検出器１０は、アラームをオフに設定したり、火災抑圧システムか他の動作を起動したりして、多くの動作をとることができる。検出器１０は、通常、火災パネル(不図示)などの外部の装置と通信している。このシステムは多くのビルで使われるかもしれず、また、典型的なシステムは、パイプのネットワークに取り付けられた、Vision Fire and Security Pty Ltdによって販売されているような VESDA(商標) Laser Plus(商標) 煙検出器システムである。

図２は、オフセットの配置としたフローセンサを例証し、空気流経路の対向する側に位置し、かつ、フロー方向内に変化した２つの超音波振動子４２、４４を備える。一つの実施例では、超音波フローセンサの形態におけるフローセンサ２４は、Measurement Specialties Inc.により市販されているような、US8OKS-O1のような２つの結合された送信機／受信機を有する。各々の結合された送信機／受信機は、コントローラ４０に接続された圧電振動子である。図４を参照すると、コントローラ４０は、波形または信号発生器として機能するドライバ４５、受信機４６、アナログ/デジタルコンバータ４９および、デジタルマイクロプロセッサ５０を備え、そのデジタルマイクロプロセッサ５０は、シリアルデータリンク５１のように適した接続を通じて中央処理システムまたはネットワーク施設に接続されてもよい。コントローラ４０は、ドライバ４５を通じて振動子４２を励起することにより、第１の方向に信号を発生して超音波信号を発生し、それは振動子４４によって受信され、その後、ドライバ４５を通じて振動子４４を励起させることにより、第２の方向に信号を発生して超音波信号を発生し、それは振動子４２により受信される。受信回路４６に接続されたマイクロプロセッサ５０は、各々の方向で信号が伝播するのに要した時間を測定する。

この方法によって計算されたフローは、流路中に直接に存在しない空気、例えば、各振動子の正面や流路の外部のデッドスペースの空気を介した信号の移動時間を考慮していないが、当業者により認識されるように、これは必要なら一定の倍率ファクタによって修正されるかもしれない。

第１の方向での伝播時間t₁および第２の方向での伝播時間t₂に対し、振動子を通過する空気流の速度は、次式で計算される。
s＝ d/2 ( 1/t₂−1/t₁ )
s は空気流の速度、d は振動子間の距離
与えられた流路の縦断面積Aに基づき、フローを簡単に決定できる。即ちフローfは、
f＝ A d/2 ( 1/t₂−1/t₁ )
で与えられる。

いくつかの手段により、各２つの前述した方向の各々での伝播時間を決定することは可能である。そのような手段の例は、高速の電子デジタルカウタンの使用であり、そのカウタンは、励起用電圧を送信用振動子に印加することによりトリガされ、そして受信された超音波信号が受信用の振動子に到達したことにより、停止される。

別の実施例では、受信信号をアナログ/デジタルコンバータを用いてサンプリングし、次に受信信号の特有の性質、つまり、ピーク、ピークの結合またはゼロクロスまたはゼロクロスの結合のような波形の特性または属性を検出することにより、信号の到達時間を計算するために、デジタル信号プロセッサが用いられてもよい。便宜上、この発明の実施例は、受信した信号で人工物(受信信号の到来時間を決定するための安定した参照ポイントを与える)のあるものとないものとの間で著しい差を可能にする方法で、送信された波形に予定された人工物か変更を導入する。好ましくは、波形特性に導入された人工物は、以下詳しく述べるように、送信された信号の１サイクルを与えた位相反転の結果であってもよい。

導入された波形の変更は、それを未変更の信号から区別するために、基準信号の期間内の特定のポイントに導入される。好ましくは信号期間内で選択されたそのポイントは、受信機で信号の到来を容易に決定できるポイントである。もし送信された信号がパルス波形を含むなら、当業者には理解されるように、その期間は、パルスの振幅がその最終振幅の特定の比(レベル)に達した第１の変化またはサイクルの時間(a)と、最後の変化でパルス振幅が同じレベルに降下する時間(b)との間の期間で与えられる。

フローセンサ２４は、空気をサンプリングするパイプネットワーク２８を良好な順序で決定することが要求される。第１のケースでは、高いフローレベルは、パイプの機構が煙検出器システム１０から除去されたか、または壊れたことを示し、第２のケースでは、低いフローレベルは、パイプの阻止のいくつかの形態を示す。前述のケースのいずれかでは、煙検出システム１０の性能が損なわれることがありがちであり、そこで、修正の測定が行われるように、これらの状態を検出し、報告すべきである。

パイプのネットワーク２８を通過する流速の決定は、しばしば困難であり、センサのある部分は、空気流の中に突き出している。煙検出システムでサンプリングされた空気は、例えば粒子と繊維の形態でしばしば汚染物質を含む。これらの汚染物質は、関連する分野の機構のフロー検知手段にエラーを引き起こすかもしれない。例えば、定温プローブなどの抵抗タイプのデバイスでは、プローブへの汚染物質の蓄積は熱伝達の特性を変える。回転羽根タイプなどの他のフローセンサも、検出器のパイプまたはハウジングを通して流れる空気流に突出して、また、汚染を受けることがある。煙検出システムが何年間も較正なしでその箇所で位置することが要求されることがあり、したがって、信頼できる流両センサが重要である。さらに、通常、煙検出器は、さまざまな温度や、湿度や汚染レベルなどのように、さまざまな状態で作動することが必要である。これらの状態はフロー計の性能に影響するかもしれず、検出器の総合的な性能に影響する。

他の関連する分野の機構では、穴かベンチュリ管などの制限が、流路の中で挿入されてもよい。圧力計は、フローのレベルを示す、この制限を横切る圧力低下を測定するために使用されてもよい。制限はフローのレベルを示す。このアプローチは、それがフローを妨害する不都合を持ち、従って、吸引器の効率を低下させ、過度の空気転送時間を引き起こし、サンプリングされる煙検出システム全体のエリア範囲を低減する。その制限がほこり、繊維、および他のもの蓄積するので、そのようなシステムも汚染問題を被りやすいかもしれず、その正しい値からドリフトしたフローの読みを引き起こす。

さらに、最も関連した分野の機構は、大量の空気流を測定し、これは、温度や高度とともに密度変化に非常に敏感である。したがって、そのようなメカニズムは、それらの個々の特性に従って、温度と圧力に対する補償手段を必要とし、余分な経費および校正時間を招く。この発明は、実質的に温度に対して一定であるフローを測定し、パイプ動作の閉塞または切り離されたパイプ動作を測定する。

ここで述べたような、煙検出システム内の超音波フロー検出機構の実施例によれば、上述した欠点の少なくとも一つ以上が克服される。

この発明は、多くの利点のあることが見いだされており、特に以下のように、煙検出システム内の空気流の検知に利点がある。
a. 超音波フロー検知は、空気フロー(分またはそれの等価に対するリッター)を報告し、かつ、圧力や濃度に依存しない。
b. 振動子は空気流路の外に配置され、そのため、空中汚染物質は振動子の上に堆積しない。
c. システムには可動部が全くなく、そのため、機械的な摩耗に曝されない。
d. 超音波フロー検知は、本質的にたいそう安定しており、フロー変化のより高感度の検知を許可する。
e. 空気フローの測定は、超音波信号の送信用振動子と受信用振動子(この受信用振動子での信号の到来時間はここで述べた実施例に従って決定される)との間の飛行時間の決定の精度に付与される高いレベルの信頼が得られる。

例えば、吸引された煙の検出器システムの１つの重大な問題は、例えばサンプリング穴内の空気流の閉塞である。１つ以上のサンプリング穴２９が閉塞しているかどうかを検出するのは非常に困難である。その検出は、伝統的に、必要であるか否かに関係なく、目視によりサンプリング穴２９をチェックするか、定期的な掃除をすることによって、実施されている。超音波フローセンサ２４を使用すると、検出器への空気流のより小さい変化を検出できる。１個以上のサンプリング穴が閉塞した時、検出器への空気フロー低下し、超音波フローセンサ２４はこれを検出する。空気フローがいったん予定された値より下回ると、その検出器は故障を示してもよく、閉塞に対し、パイプのネットワーク２８およびサンプリング穴２９をユーザにチェックさせることを許可する。

この発明の好ましい具体化では、超音波フローセンサ２４は、煙検出器システム１０の空気サンプリング用のパイプネットワーク２８における空気フローのどんな異常をも検出するために空気流路に挿入される。好ましい実施例では、フローセンサ２４は、空気流の経路の対向する側に装着された少なくとも２つの振動子を備え、それらの振動子は、図２および６に示されるように、フローの方向に、ある距離だけオフセットされる。

駆動ステージ４５、受信増幅器４６、コンパレータ４７および２重スロープの積分器４８を備える検出器、およびマイクロコントローラ５０を備える図４に示した制御ユニット４０は、送信用振動子４２または４４の励起を実行するように構成され、そして、超音波信号が受信用振動子４２または４４へ伝播する時間を測定する。

好ましい実施例では、および図５を参照すると、マイクロプロセッサ５０は、８０KHzの反覆速度の５つのパルスで振動子４２または４４を励起するようにプログラムされる。そして、プロセッサ５０は、既知の空白の期間Tbを待機することが要求され、次に、ゼロクロス検出回路を起動させる。別の時間 tr (これは名目上、例えば受信信号の第３のピークの期待された出現に対応する)後に、検出回路は起動され、そして２重スロープのランプ回路４８を用いて、trの端に対応して受信された信号におけるピークの１つの中心の位置の時間を決定する。その時間twは、マイクロプロセッサ５０上のアナログ/デジタルコンバータ４９により測定された電圧Vwで表される。この電圧は次式により時間に変換される。
tw ＝kVw (k は積分回路48の成分値から容易に計算される定数)

図５に示したように、送信波形の既知のポイントPから受信波形の対応するパルスへの合計の伝播時間tpは、次式で与えられる。
tp ＝ tb ＋ tr ＋ tw − td
(td は波形のスタートから波形における注目するピークPまでの遅延。)

好ましい実施例の観点では、パルスの到来時間を決定するために、伝播時間の測定は、受信した波形の早期の部分、一般に第３または第４のピークを用いる。これは、エコーの到来により引き起こされる位相および振幅のエラーおよび、高次の伝播モード(これらは温度に敏感である)を回避する利点を有する。

好ましい実施例の別の態様は、受信時間のために用いられた正弦波形のピークPの中心位置を決定するために、２重スロープの積分器４８の使用である。この態様は、その中心の時間を見積もるために、注目の波形ピークPのゼロクロス時間の進み、遅れを平均化する。この態様は、極めて低コストで正弦波の位置を正確に決定でき、かつ、高速のカウンタや高速のサンプリングおよび処理スキームの必要性を排除する。

２重スロープの積分器４８は、エッジを上昇させ、続いてエッジを下降させ、またはエッジを降下させた後にエッジを上昇させることにより、特徴付けられた波形発生の中心ポイントの時間を見積もる手段である。説明の明確化の目的のために、および図３ａ、３ｂを参照すると、エッジを上昇させた後にエッジを降下させる場合のみを論じている。

最初に図３ａおよび３ｂを参照すると、フリップフロップAおよびBは休止状態でアクティブであるQのオーバーラインを出力し、その結果、２つの等しい値の電流源３０、３１をイネーブルにする。その積分器４８は、最初、イネーブル信号の非アクティブにより、非アクティブに保持され、RAMP出力はゼロである。

時間trefで、イネーブル信号がアクティブにされ、そして、RAMP出力は、2I(Iはいずれかの信号電流源３０か３１に比例)に比例する速度で上昇し始める。

tf時間後に、波形ピークの一つが正のエッジとなり、その結果、フリップフロップAをアクティブにし、次に、制御信号CAを通じて一つの電流源３１をディセーブルにする。その結果、RAMPの速度を先の速度の半分に低下させる。

ts時間後に、波形ピークが負のエッジとなり、フリップフロップBをアクティブにし、その結果、制御信号CBを通じて他の電流源３０をディセーブルにし、その結果、積分器４８には電流は供給されない。その積分器４８は、RAMP値を、波形エッジの降下時に存在していた値に保持する。

従って、そのRAMP電圧は、新たにtkで示されるように、trefから時間経過の値を示す。
tk ＝ tf ＋ ts/2

その結果、２重スロープの積分器のPAMP最終値は、基準時間から波形パルスの中心への経過時間に比例する。

好ましくは、空気流攪乱器２１は、フローセンサ２４の上流に位置して、空気流内で流体(空気)のより一様な決定を得るようにフローセンサ２４を支援する。フローセンサ２４は、検出チャンバーを通じて空気がサンプリングされる前に、またはその後に、位置してもよい。しかしながら、ネットワークに引き込まれる合計の空気流を正確に測定する最良の結果のために、好ましい位置は、流体入り口２０またはその近傍である。図１は、開口１６の前で、かつ、流体攪乱器２１の後に位置したフローセンサ２４を示す。フローを攪乱することは、層流でないなら、超音波フロー検出器がそのパイプに沿った流速を平均するように思われる時に、流速のより良好な見積もりを提供する。層流は、フローの形態が変化するので、超音波フロー計を用いて矛盾せずに測定することは困難である。

この発明の好ましい実施例によれば、図１に関連して述べたように、煙検出システム１０を用いた時、ここで述べたフローセンサ２４は、次のようなフロー測定能力を提供する。
検出器１０の空気サンプリング用の入り口ポート、つまり流体入り口２０を通じたサンプリングの空気の絶対量の流速を測定するフロー測定機能を提供し、
毎分０から１００リットルの範囲内の入り口の流速のために、検出器１０は好ましくは、一様なフロー測定特性を持ち、
通常の環境範囲を超えて動作するとき、サンプリング用のパイプを用いた吸入された煙の検出器の分野で当業者には周知なように、測定値が１８０秒の期間に対して平均化されると仮定すると、検出器１０は、いずれか一つのサンプリング穴２９が閉塞した時に得られたフロー変化の半分に等しい最大空気流速度の測定値を達成するかもしれず、そして
その検出器は、動作状態での間、フロー測定機能を達成する。

この発明の好ましい実施例と別の実施例のより詳細な説明を以下に続く。比較的、高周波の超音波振動子は、煙検出器１０内で発生された音から、または外部のソースから干渉影響を最小にするために用いられてもよい。好ましい運転周波数は60KHzから90KHzの範囲である。

図６を参照すると、最初に、音のパルスがフローチャンネル２６内の空気を通じて振動子４２から振動子４４に送信され、その後、振動子４４から振動子４２へ逆の方向に送信される。そのフローは、第１のパルスを送らせ、そして第２のパルスを進ませるようにして、パルスの到来時間に影響する。送信時間の正確な測定は、フローの測定を得るために、適した公式が用いられてもよい。

好ましくは、振動子は、図６に示されるように、フロー方向と平行に少なくとも７５mm互いに隔てられる。

[パルスの計時]
必要なフローの解像度を得るために、センサ間の送信時間をおよそ+/- 30nSecを解決するのが望ましい。およそ直径１１mmのフローチャンネル２６および、フロー方向と平行に７５mm隔てられた振動子に対して、およそ0.5リットル/分のフロー誤差を生む。この誤差のレベルは、煙検出システムの動作の測定誤差要求に十分に迎合する。ノイズ発生により、要求された計時を達成するために、測定期間にわたって平均することが望ましい。飛行時間の計算を用いたこの設計では、時間、温度および他の環境条件に対する測定の安定性は、絶対測定よりも更に重要である。

[フロー校正]
飛行時間の検出の特質は、温度変化のために、センサを校正すること、またはそれを補償することの必要性が無いことである。しかしながら、オフセットの確たる言明である。これは、当業者が熟知している方法に基づいて、０にすることが要求されてもよい。

[データ出力]
容認された標準のユニットで測定値の読みを提供することが有用である。例えば、分あたりのリッター、秒当たりのメートルでの音速である。これは、これらの値を解釈するために必要となる書き込みインターフェースのソフトウエアのタスクを容易し、また、これらの値を理解するために必要とする、デバイスのユーザに対して容易にする。それは、データ構造を含む情報として整数の使用を許すために標準ユニットの１０進倍数として測定値を提供することを許容できると考えられる。許容できるユニットの例を示す。
フロー：リッター／分、デシリッター／分(リッターの1/10／分)
音速：メーター／秒、センチメーター／秒
信号振幅：電圧、ミリ電圧

[ソフトウエアインターフェース]
次の命令の組みの最小が実行されてもよい
１．エレクトロニクスの校正
２．フローの入手
３．音速の入手
４．振幅の入手
５．状態の入手

[詳細な設計]
好ましいセンサのソフトウエア、ハードウエアおよび機構は相互関連するので、かつ、満足しかつ既知の特性を備えたシステムを図示するために、これらの各々の態様を以下、当業者に容易に理解されるように、各部品が構成され、かつ、コード化されるアルゴリズムに対して十分となるように詳細に説明する。

また、当業者なら、別のアプローチを用いることにより、等価な設計の結果を達成することが可能であることを理解されるであろう。しかしながら、ここで与えられた例はテストされ、動作が既知であることに気付くべきである。

[機械的な要求]
超音波フローセンサの設計で重要ないくつかの機械的な要求が存在する。

[振動子の間隔]
振動子は、空気流と平行な方向に沿っておよそ７０から９０mmだけ隔てられるべきである。もしそれらが斜めに対置されるなら、距離測定は、フロー方向に沿って行われるべきである。フローに直交する間隔は、重要とみなされない。許容される設計例を図７ａ、７ｂに示す。振動子の間隔配置の別の例は、図示されないが、図７ｂに示されたものの変形であり、２つの振動子に対する単一の反射板を備え、それらは、空気流の同じ側に配置される。言い換えれば、図７ｂに示した２つの反射板は、単一の反射板に取り替えられる。個々の振動子は、円筒形態で、円筒状の音場のパターンを発生する。方向性を制御するため、および、システムのゲインを増すために、超音波エネルギーを合焦させることが望ましい。この例における好ましい構成は、図８に示されるように、振動子をホーン反射器内に配置する。

[空気流路]
吸引された煙の検出器の領域内では、空気流経路の設計は、２つの方法に限定されるべきと考えられる。
１．最初に、空気経路の縦断面積は、標準サンプリングパイプ(例えば、VESDA(商標)システムの空気経路の縦断面積はおよそ350mm²)の縦断面積に似る。この特性は、相応な流速を維持しつつフローの抵抗を最小にする。もしフローの部分が極端に狭いと、フローのインピーダンスは増大する。もしフローの部分が極端に広いと、その部分に流れるより低い空気流が、フロー測定の正確さの低下を増す。
２．フローは好ましくは不定である。フロー部に導く部分は、従って、層流が指示されないことを確実にするために、いくつかのステップまたは不連続性を持つ。

[ノイズ源への接近]
超音波フロー計が外部ノイズ源からの干渉に強いことが見いだされているが、いかなる振動子も吸引器から50mm以上に離隔することが推奨される。

[エレクトロニクスの記述]
一般に図９を、およびより特別に図１０から４２を参照すると、電気回路の詳細および超音波センサを備える機能を与えるために要求されるその動作を以下に述べる。

[振動子４２、４４]
フローセンサの設計に用いるための振動子は、Measurment Speciaities Inc.製造のUS80KS-01であってもよい。これらの振動子の最も重要な特徴は、他の低コストの振動子に比べ低いＱを持つ。これは、受信された超音波パルスのタイミングの正確な決定に貢献する。従って、１０以下のＱの振動子が使用されてもよい。

[マイクロプロセッサおよびヒューズの設定]
好ましい実施例に使用されたマイクロプロセッサ５０は、Atmel ATMega8 である。このデバイスは、８Kのロムおよび１Kのラムを持つ。それはまた、１０ビットのADC およびハードウエアタイマを持つ。次のヒューズ設定は、正確な動作を確実にするためにイネーブルにされる。
プログラミング時にEEPROM コンテンツを用意
検出の焼き付け
高速クリスタル

[振動子のドライバ４６]
図１０を参照すると、超音波振動子４２、４４は差動の80KHz(公称)の方形波により駆動される。ドライバ４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄの各々は15Vppの振動を出力し、そして、高インピーダンス状態にスイッチできる。そのドライバは、図１１に示されるような５パルスを出力するためにマイクロプロセッサ５０により制御される。パルス出力のあと、負側のドライバ４５ｂまたは４５ｄは低インピーダンスに保持され、そして、正側のドライバ４５ａまたは４５ｃは高いインピーダンスにスイッチされる。

[受信セレクタ]
図１２を参照すると、一旦パルスが発生されると、受信回路１２０がイネーブルにされる。その受信回路１２０は、受信している振動子４２または４４を選択し(聴取し)、そして、４４または４２の他方の送信している振動子を切り離す。概略、受信セレクタ１２０の機能もそれに従う。振動子から信号Aを受信することが要求される時、シリーズのスイッチSEは閉にされ、そして、シャントスイッチSHは回路の分岐で開にされる。他の振動子から信号Bは要求されず、そのため減衰される。これは、信号Bに対するシリーズのスイッチが開にされ、そしてシャントスイッチを閉にすることにより実施される。良好な減衰と分離が達成される時、図示した構成が好ましい。

別の振動子からBを聴取することが要求される時、受信セレクタ１２０のすべてのスイッチの状態は図１３に示されるように、図１２の構成に対して反転される。

[受信増幅器]
図１４を参照すると、受信増幅器１４０が示され、いくつかの次の新規な特性を持つ。
１．アクティブの周波数範囲(50KHzから150KHz)で５MΩ以上の極めて高いインピーダンス
２．５００から５０００までの高いゲイン調節
３．48KHzと150KHzのコーナー周波数の帯域周波数特性で、低い方の周波数で60dB/decadeのロールオフ特性および高い方の周波数で40dB/decadeのロールオフ特性を持つ。

この場合の好ましい実施は、多段の増幅器であり、JFETフロントエンド１４１、それに続く３つの演算増幅器のゲイン/フィルタ段１４２、１４３および１４４を備える。終段１４４はデジタルでゲイン調節できる設定要素を持ち、それはゲインを１から１０の範囲に制御する。

[ピーク検出器]
受信機４６のゲインを調節するために、および、おおまかな受信機位置検出を実行するために、受信された信号の選択可能な時間でのピーク値を測定することが必要である。ゲート処理のピーク検出器４７ｂがこの目的のために備えられる。その挙動が図１５に図示される。

ピーク検出器４７ｂに対する適した実施は、図１６に示すように、アナログスイッチ１６１に続くダイオード１６２および抵抗・キャパシタ１６３のネットワークである。

サンプリングゲート１６１がイネーブルにされた時、その出力は、図１５の入力波形のピークが続く。ゲート１６１がディセーブルにされた時、最後にサンプリングされた値は０Ｖに向かって緩やかに減衰する。その減衰時間定数はおよそ３mSecで、そしてピークサンプリング時間定数は好ましくはおよそ1μSecである。

ピークの測定値はすべて、初期のサンプリング値と相対的であるので、その絶対値が考慮されることは重要でない。ピーク検出器に対する記述を次表に示す。

[平均化]
平均化回路４７は、図１７に示されるように、ゼロクロス検出回路に対する基準レベルを設定するために備えられる。その平均化回路４７は、受信される超音波パルス列の到来に先立ち、サンプリング期間のためにイネーブルにされる。その回路は、この時間で出力信号ノイズを平均化し、背景の信号DCレベルをサンプリングする。その平均化回路サンプリングゲート１７１がディセーブルにされた時、その回路は、この平均の背景値を、ゼロクロス検出器へ供給するための基準として保持する。平均化回路４７ａの好ましい記述を次表に示す。

その平均化回路は、ローパスフィルタとして実施される。図１８を参照すると、ローパスフィルタ１７２は、好ましくは、入力部にパラレルの容量性部品を有するアクティブフィルタであり、その容量性部品は、ゲート１７１がディセーブルにされた時、格納された平均値を保持する。

[ゼロクロス検出回路]
図１９を参照すると、ゼロクロス検出回路４７ｃは、受信された信号内のゼロクロスの存在および複数のゼロクロスを示す出力を与えるために含まれる。この機能設計は、簡単、高速の電圧コンパレータ１９１が備えられる。そのコンパレータ１９１の出力は、受信信号が平均レベルより高いとハイであり、受信レベルが平均レベルより低いとローである。各パルスのエッジは、受信信号のゼロクロスの転換に対応する。ゼロクロス検出回路４７ｃに対する好ましい記述を次表に示す。

[パルス位置検出回路]
ゼロクロス検出回路４７ｃからのパルスは、受信信号のピークに対応する。パルスの送信から受信への転換時間を正確に決定するために、ピークまたは一連のゼロクロス等のような信号の人工物を信号に正確に位置させることが必要である。信号のゼロクロスは、その位置がオフセットの小さい変化でジッター変化するので、タイミングの特徴として利用できないことに気付く。同様に、しきい値の構成も、その位置が信号振幅で変化するので利用できないと考えられる。

ピークのいずれかの側のゼロクロスを測定し、そしてそれらを平均化することにより、ピーク位置を見積もることが可能である。低周波の干渉に起因する信号のオフセットやノイズをキャンセルする時に、これは強力なアプローチである。

ゼロクロスを位置決めし、そしてそれらを平均化するタスクに適する回路は、２重スロープの積分器４８である。図２０は、２重スロープの積分器４８の好ましい回路構成を示す。

より詳細な図２１を参照すると、２重スロープの積分器またはランプ(傾斜)回路４８の４モードの動作がある。それらはクリア、全速で実行、半分の速度で実行およびストップである。これらの状態の各々に対するスイッチ位置は図２１に示される。この状態は、２つのフリップフロップおよび２つのインバータにより制御される。その全体の回路を図２２に示す。ランプ回路４８に対するサンプリング波形は、図２３で示され、より詳細に、図３ｂに示したそれらのものに対応する。所定の時間で、システムのマイクロコントローラ５０は、実行信号をイネーブルにする。実行は図２０、２１で示され、その波形は図２３に示される。実行信号のイネーブル化は、積分用キャパシタＣに跨るスイッチ２０１を開放して、特定の速度Rでそのキャパシタに充電する。ゼロクロス波形の次の正のエッジの出現で、イネーブル１信号はターンオフし、充電速度をR/2に低下させる。ゼロクロス信号の降下するエッジは、イネーブル２信号をターンオフし、積分器に充電を停止させ、その値を保持する。この値は、マイクロコントローラ５０のADCにより読み出されてもよい。その値が一旦、読み出されると、マイクロコントローラ５０は、実行(RUN)信号を降下させ、積分器４８をクリアにし、そして、図２のフリップフロップFF1およびFF2を、それらの初期状態にリセットする。その結果、この回路は、受信信号の+ veおよび- veのゼロクロスの時間を平均することにより、問題のピークの位置の場所を、RUNのエッジに対して見つける。積分器出力の値は、RUN信号の立ち上がりエッジから、そのエッジに続くピークの中心までの時間に直接比例する。パルス位置を検出するためのランプ回路４８に対する好ましい記載を次表に示す。

[ソフトウエアの実行]
ランプ回路４８の動作方法は、吸引された煙検出システム１０の例示的なソフトウエアの実施に関連して以下述べる。以下は、ソフトウエアに要求された基本的な動作をいかに実行するかの詳細を述べる。この発明の好ましい実施例の動作に関するソアトウエア コンテキスト ダイアグラムは図２４に示される。

[ソフトウエア方法の要求]
フローセンサを確実に動作させるためにソフトウエアが実行するいくつかの機能があり、以下に示す。
１．ゲイン調節
２．振動子の共振周波数の決定
３．受信したパルスの探知
４．波形のフロント位置のトラック変更
５．部品の変化に対してエレクトロニクスの較正
６．不揮発性メモリにパラメータの格納および回復
７．ホストと通信
８．受信した信号の２つの方向での到来時間の正確な決定

[ソフトウエア構造]
フローセンサに対して開発されたソフトウエアは、次の有利な特徴を持つ。
１．オペレート用のシステムや背景のタスク処理が不要。
２．個々の機能が外部のイベントに連動する。
３．用いられる唯一の遮断は、ホストシステムとの通信である。
４．すべての中断は、重要な時間測定の間にディセーブルにされる。

[全体的な動作]
フローセンサ２４の全体的な動作は、図２５のフローチャートにより述べる。図２５のフローチャートでは、ステップ２５１にて振動子Aから振動子Bへの共振を決定することによりプログラムはスタートする。つまり、振動子Aから送信し、振動子Bで受信した時の共振を観察する。他のルーチンが正常に動作せず、振動子がそれらの共振周波数で駆動されない限り、この共振決定のステップは、この実施例に要求される。

次のステップの目印の検出２５２は、AからBへのパルスの送信に要した正確な時間を決定する。この到来時間は、送信波形の1/4のサイクル内で決定されてもよい。このステップは、前述した変化ペイントの位置を決定することにより、飛行時間を検出する。飛行時間の正確な測定を得るために、他のルーチンがこの見積もりを精査してもよい。

その後、ステップ２５３および２５４の共振および目印の検出がそれぞれ、逆の方向で呼び起こされる。つまり、振動子Bから送信し、振動子Aで受信する。この時点でフローセンサ２４は、ホストからのコマンドを処理する準備が整い、そして、ステップ２５６でコマンドを待つ。図２５に関連するコマンドの好ましい組みを次表に示す。

フローを取得するコマンドがステップ２５６での待機中の間に受信されると、そのプログラムは、最初に、フローおよび音速を、フローおよび音速計算のルーチンを用いて分岐ステップ２５７、２５８および２５９で計算する。このルーチンは、超音波パルスのそれぞれの方向(AからBへ、およびBからAへ)の送信時間を同一の時間に測定し、波形の位置が範囲から抜け出ないことを確実にするために、波形の位置を追跡する。得られたフローの測定値および音速の測定値は、ホストへ送信するために利用できる。そのプログラムは、その音速が先のコールで計算された値から大きく変化したかを知るためのチェックをステップ２５７および２５８で行ってもよい。音速に大きな変化があったなら、システムの調子を維持するために、共振ルーチンがステップ２５８で呼び出される。

“エレクトロニクスの校正”コマンドが待機のステップ２５６の間に受信されると、そのユニットは、部品の変化に対する受信機のエレクトロニクスを校正するルーチンを分岐ステップ２６０および２６１で実行する。これはフローの校正ではなく、単に内部の自身の校正である。好ましくは、この動作は、ゼロのフロー状態で行われるべきであり、そして、入り口パイプは、閉塞されるべきである。このルーチンはまた、測定された音速を基準値としてステップ２６１で記録する。

待機ステップ２５６の間に受信されたコマンドが振幅を回復するためのものであれば、受信された超音波パルスの振幅および、受信増幅器を設定するゲインは、ステップ２６２にてホストに送信される。低い振幅の目印は、強力な欠陥またはデバイスの故障を示すことになるので、このコマンドは、検出器の良い“健全”指示である。

[パルスの送信]
フローを測定するために、マイクロコントローラ５０は、最初に、一連の超音波パルス、一般にパルス列の形態で送信することが要求される。正弦波や三角波のバーストのような他の波形も利用できる。好ましい実施例では、コントローラは、図２６で示すように、周期12.5μSecおよび50％のデューティサイクルで５パルスを送信する。

[待機ルーチン]
好ましい実施における待機ルーチンは、ハードウエアのタイマに基づく固定値が最小となるように、タイミング動作に関係したソフトウエアの最適化は、最大速度に対して設定される。

[バーストパターンの記述]
振動子４２、４４が駆動される時、一方の振動子(アクティブの方)は、逆位相の駆動信号により駆動され、最大の音響出力を呈す。非駆動の振動子は、同相の駆動信号により駆動され、その振動子を横切る電位差がゼロになり、そのため出力しない。振動子の配置および対応する出力波形は、図２７ａおよび２７ｂに例が示される。図２７ｂの例を見てわかるように、振動子Aから送信することが要求される“Aから送信”を示し、それへの駆動信号vizであるバースト１およびバースト２は逆位相である。振動子Bへの鼓動信号はこれに反し、図２７ｂにも示される。第２の例の“Bから送信”では、反転した状態が存在する。この例では、バースト２は、バースト１と同相であり、バースト３はバースト１に関して逆相である。波形は、ビットを設定することにより出力ポート上に発生されるので、続くパターンはサイクル化され、上述したような状態を呈する。

[受信波形のサンプリング]
多くのルーチンが、種々の時間ポイントで受信波形のサンプリングを要求する。図２５のステップ２６２のオートゲイン、および図２５のステップ２５２および２４５の目印の検出のようなルーチンが例である。Atmel ATMega8(マイクロプロセッサ５０)上のADCは、短い固定されたサンプリング時間のサンプルおよびホールド回路を持つ。これは、従って、要求された時に長いまたは短い周期を通じてソフトウエアにサンプリングさせるマイクロプロセッサ５０により制御されるサンプリングのゲートを持つ、個別のサンプルおよびホールドを備えるように構成される。長いサンプリング時間で用いた時、その回路は、ピーク検出器として作用し、図２８で示されるように、受信信号の“ハイ”が続く。このピーク検出のモードは、受信信号のピーク振幅を確立するために、図２５のステップ２６２のオートゲインのルーチンで有用である。他のルーチンは、短い周期時間に対する波形のサンプリングを要求する。目印の検出(図２５のステップ２５２および２５４)のルーチンは、２μSecの連続した時間ポイントで波形をサンプリングして、その時間での瞬時の電圧を測定する。これは、マイクロプロセッサのADCが余りにも遅いので、たった一つのバーストでは実行できない。信号が繰り返されるので、バースト後の特定の時間後での信号のサンプルおよびホールドは、マイクロプロセッサ５０に、サンプリング時間での目印の記録を可能にする。サンプリングの窓をスライドすることは、マイクロプロセッサ５０に、受信信号にわたってスキャンし、そして、図２９に示されるように、連続するバーストに対してエンベロープをプロットすることを可能にする。１から２μSecのサンプリングゲート時間でそのようにすれば、前記時間内でピーク値の正当な指示を得ることができる。サンプリングゲートを反覆して広げることにより、ピーク検出回路４７ｂの最終値が、基本的な波形のピーク値に追従し、図１６のゲート１６１がディセーブルにされた時、図３０の連続した波形図に示されるように、その値を保持する。

[ゲイン設定・オートゲイン]
このルーチンは、受信信号の振幅がフルスケールのおよそ７０％となるように、振動子４２または４４のいずれかを介した受信回路のゲインを設定するために設計される。この理由は、振幅がこれよりも大きいと望ましくない理由は、帯域外の信号が受信回路の飽和を生じさせ、タイミング情報を喪失させるためである。ゲイン設定ルーチン３１０の対応するプログラムフローは、図３１のフローチャートに示される。最小のゲインがステップ３１１で設定される。ステップ３１２ではパルスが送信される。ソフトウエアは、図３１のステップ３１３および３１４で４１０μSecから４８０μSecの時間間隔に対してピーク信号をサンプリングする。このサンプリングは、温度および空気流に関係ない。信号は、図３２に示したように、受信機４６の出力をピーク検出回路４７ｂに結合するサンプリングゲート３２１を用いて測定される。

そのピーク検出回路４７ｂは、サンプリングゲート３２１がイネーブルにされた時、信号のピーク振幅を追跡する。そのピーク検出器４７ｂは、サンプリングゲート３２１がディセーブルにされた時、サンプリング値を保持し、マイクロプロセッサのADCがその値を測定するための時間を許可する。

図３１のステップ３１５にて、測定された振幅が要求された設定ポイントより小さいと、ゲインはステップ３１６にて増大される。

ステップ３１７および３１８で決定された数値に関して、ピーク検出器４７ｂは、せいぜい、５−０．６＝４．４Ｖを出力する。これは、A/D出力値のおよそ計数値９００に変換する。可能な最小の振幅は、終段増幅器のゼロ信号の静止電圧であり、これはおよそ２．５Ｖ−０．６Ｖまたは１．９Ｖである。これは、A/Dのおよそ計数値３９０に等価である。最大の反覆数は、１００である(電位差計“ワイパー”の調整は、どのタイプが回路ボードに適応されるかによって、３２個の位置または１００個の位置を有する)。

この発明のこの態様の別の実施例は、ゲイン変更を行うために、送信波形の可変のデューティサイクルの使用である。振動子が５０％のデューティサイクルの波形で駆動されている時、最大エネルギーが振動子に与えられる。送信波形のデューティサイクルを操作することが要求されたなら、ゲインの低下が達成される。

[振動子の共振を検出]
振動子４２、４４の共振周波数は、バッチおよび動作温度に依存しておよそ６０KHzから９２KHzへ大きく変化する。振動子は、次の２つの理由のためにそれらの共振周波数で駆動することが重要である。
１．最大の信号結合は共振で得られる。
２．信号の位相シフトは、共振で０°であり、このことは、タイミングを扱う上で重要である。

その共振は、振動子４２、４４への駆動周波数を変え、そして、受信信号の振幅を測定することにより、検出される。最大の振幅を沸性した時の周波数が共振周波数である。共振を見つけるルーチンのステップ３３０、３４０は、図３３で示したようなルーチン３３０で示したような正確なモード(モード＝０)や、図３４で示したようなルーチン３４０に示したような粗いモード(モード＝１)で実行してもよい。ステップ３３２では、ゲインは、周波数にわたって実行される粗い掃引により、トリム処理され、そして、振幅１４０が飽和近くになれば、ゲイン調整が終わる。第１の周波数掃引は、ステップ３３３で実行され、そして受信信号が最大になる周波数Fcが格納される。ステップ３３４では、より正確なサーチが実行され、ここで、駆動周波数がFcの回りで小さい増分で変更され、最大の受信信号に対応する周波数Fpの決定がなされる。図３４で示したような粗いモードでは、オートゲインのルーチンは、ステップ３１０で再度実行される。しかしながら、正確なモードのルーチン３３０のトリム処理のゲイン決めのステップ３３２は、ルーチン３４０により省かれる。その後、粗いモードのルーチンの後に、ステップ３４２および３４３で正確なモードと同じステップが続く。

[共振検出時のゲイン反覆]
振動子の共振の粗い検出では、ファームウエアがする最初のことは、デフォルトの駆動周波数を選択することであり、そして、次に、許容できる受信振幅を得るために、システムのゲインを調節する。もし、振動子の共振周波数が初期の駆動周波数から十分に離れてすると、ファームウエアが共振をサーチする時、共振が近づくにつれて結合係数が劇的に向上するので、受信回路は、飽和しそうになる。受信信号の飽和は、共振のピークの識別が不可能になることを意味する。そのファームウエアは、振幅を飽和にすることなく共振を見つけることを確実にするために、駆動周波数を掃引する間に、反覆方法で要求されるゲインの上下を調節することにより、この問題を克服する。一旦、適切なゲインが設定されると、共振周波数を決定するために、細かい周波数調節が実行される。

[受信パルス列の検出・目印の選出]
到来するパルス列の波形を位置決めするためにルーチンが要求される。簡単なしきい値法は、影響を受けて不安定で信頼性が無いので望ましくない。例えば、振幅の僅かな変化によって影響を受ける。次の記述は、好ましい実施例に基づくこの発明により採用されたアプローチを認識する。

[測定ピークの位置決定]
超音波フローセンサ２４は、特定のターゲットのピークまたは受信信号における他の特有の波形性質の到来時間を正確に測定できることに信頼できる。ターゲットのピークの特性は、例えば、良好なS/N比を与える十分な振幅を持ち、そして、今までのところ、受信されたパルス列には、エコーにより逆に作用するものがない。例えば、この目的のために、４番目または５番目のピークを指定することができる。このタスクは、次に、広い範囲のフロー、温度および振動子の共振に対してこのピークの位置決めを容易にする。これは、些細なタスクではない。例えば、しきい値の方法およびエンベロープカーブ適用方法は、温度およびフロー変化に対して信頼して動作しないことが考えられる。ここで述べた好ましい実施例で採用される方法は、基準信号および、信号の周知の位置に導入された人工物を有する信号の送信を採用する。２つの信号を比較することにより、人工物の位置が容易に決定される。一つのそのような人工物は位相反転である。位相反転の信号は、正常なパルス列に比較して１８０°の位相シフト(つまり、信号の反転)を持つことで異なり、その位相反転は、パルス列に対して部分的に導入されてもよい。図３５は、第１の正常なパルス列の第１の送信信号および、位置決定されるための人工物である、第４のピークに１８０°の位相反転を有する第２の送信信号に対する駆動波形の例を示す。図３６は、図３５の波形に対応する受信波形を示す。受信信号波形は、図３５に示した２つの異なる励起に基づき、形状で異なる。正常な信号および位相反転信号を連続的に送出することにより、人工物がどこで生じたかを決定でき、それにより、受信波形での対応する位置またはマーカーを識別できる。受信信号の実際のサンプリングは図３７に示される。図３７を参照すると、２つの波形の間でピークＢにおいて顕著な違いのあることがわかる。このポイントは変化ポイントと呼ばれる。これは、振動子がそれらの共振周波数で駆動される時の温度およびフローに対して矛盾のない特性である。

[ソフトウエアで変化ポイントの位置決め]
変位ポイントを視覚的に見つけるのは容易である。それを位置決めするためのアルゴリズムを製作することも容易である。図３８で示した受信波形の援助として、そのアルゴリズムは次の形態をとる。
１．正常な信号と位相反転信号を交互に送信する。
２．受信信号を時間内にスキャンする。
３．正常な信号の各ピークポイントPに対し、正常な波形の値と位相反転波形の値との差を計算する。
４．この差が、そのピークでの位相反転値Xより大きいならば、変化ポイントが見つけられる。

その変化ポイントは、飛行時間測定の基本として用いられるが、波形での別の位置が用いられることが望ましいことがある。例えば、それは、変化ポイント後のピークを用いるのが望ましい。変化ポイントの位置が決定されると、その変化ポイントに遅延時間を加算または減算することにより、所望のタイミングのピークが見出される。

[ピークを選択]
パルス列の通過時間を正確に決定するために、受信信号の既知のピークの発生時間を測定することが必要である。例えば、受信信号の開始後の第３または第４のピークを測定することが要求される。そのピークの選択は、２つの相反する要求の間で妥協する。
１．S/N比を最大にする。
２．受信信号に干渉する高次のモード(基本的にエコー)の影響を排除する。

S/N比を最大にするため、選択されたピークは、最大振幅のポイントであるべきである。エコーの影響を最小にするため、選択されたピークは、受信パルス列の開始のスタートに閉じるべきである。好ましい実施例によれば、良好な妥協は、４番目のピークを用いることである。このピークは、妥協して良好な振幅を持つ一方、干渉の影響を被らない。

[所望のピークに戻る(制御ループ)]
受信波形に対する目印が決定され、そして、第４のピークの正確な位置に戻すことが望まれるとき、積分器の出力がその範囲の50%となるように、遅延させるタイミングを調節するために機能がコールされる。この目的に役立つルーチンは、図３９の３９０で示した制御ループである。そのルーチンは、追跡されるべきピークのおよその時間(1/2サイクル内)を与える。そのルーチンは、一つの振動子からパルス列を発射させ、それを他方で聞く。規定した時間(おおよその時間)後に、それは、積分器をイネーブルにし(ステップ３９１でランプ出力を得る)、そして、ピーク位置を示すその結果を読み込む。ステップ３９２で、もし積分器の値がそれの中間ポイントより大きいなら、そのルーチンは、ステップ３９４で遅延を増し、そして、パルス列を再発射する。ステップ３９３で、積分器出力が50%より小さいなら、それはステップ３９５で遅延を減じ、そして、パルス列を再発射する。このようにして、その積分器は、積分器出力を50%に向けて上昇させ、その50%のポイントで、そのルーチンは完了し、結果の遅延時間はコールしているルーチンに戻される。

[フローおよび音速の計算]
フローおよび超音波信号の速度は、直進の飛行時間を用いて、前方向および逆方向の通過時間を測定することにより決定される。動作方法の簡略された説明を図４０を参照して以下述べる。パルスが２つの方向に送信される。最初に、センサA４２からセンサB４４へ、次に、逆方向に、センサBからセンサAである。パイプ内のいずれの空気フローもパルスの通過時間t(発射と受信との間の時間)に影響する。例えば、音が空気フローの方向に発射された場合、飛行時間は次式で与えられる。
t＝d／(v＋s)
ここでtは、通過時間、dは送信機と受信機との間の距離、vは空気中の音速、sは受信機と送信機との間の空気の速度。そのため、センサAが送信でセンサBが受信の場合、
t₁＝d／(v−s)
センサBが送信でセンサAが受信となる逆の場合、飛行時間は次式で与えられる。
t₂＝d／(v＋s)
上の２つの式から次式が導かれる。
v＝d/2 (1/t₂＋1/t₁) および
s＝d/2 (1/t₂−1/t₁)

測定フローfは次に、簡単に、空気速度sにパイプの縦断面積Aが掛けられる。温度の影響は空気速度の結果でキャンセルされることに気付く。通過時間は、音速の関数であり、それ故、温度に間接的な関数であるが、通過時間を正確に測定できる限り、sに対する数式は、実際の温度を要求しない。

[波形の追跡]
測定された波形ピークの位置は、温度とフローで変化する。上で気付くような、フローを決定するための計算を備えるフロー計算のルーチン(フローおよび速度の計算)は、移動するピークをロックするための簡単な追跡アルゴリズムを具備してもよい。そのアルゴリズムは、所望の信号を戻すことに関連して述べたようなループ制御に対して用いられたルーチンに極めて似る。そのエラーの範囲は、波形ピークの不必要なハンチングを回避するために、僅かに緩和される。

[通過時間の報告]
フロー計算は、超音波パルスの前方後方への通過時間の測定を要求する。好ましい実施例のフローセンサ構成での通過時間は、350μSecのオーダーである。この特定のハードウエア構成では、与えられた方向での通過時間測定は、その方向での合計の通過時間を得るために、結合されなければならない２つの部分からなる。その２つの部分は、
１．ハードウエアタイマにより設定されるような経過時間、および
２．前記ループカウンタの終わりから、受信超音波のピーク中央の出現までの追加的な時間に比例するランプ電圧である。上記２つの部分に対応するフローセンサ構成の波形は、図４１に示される。

[通過時間を正確にモデル形成]
上述したように、通過時間は、２つの物理的な影響の結合により測定される。ハードウエアのタイマルーチンが実行する間に、およびタイマの終わりから受信波形での選択されたピークの中央までの追加的な時間に電圧が比例する間に、時間が経過する。

通過時間を秒で測定できるように、安定したユニットで動作させるのが重要である。通過時間の等式は、それ故、以下のごとく記載される。
t＝k1＊カウント値＋c＋k2＊(ランプ出力−k3)
ここで、tは通過時間(秒)、cはタイマ設定に関連したオーバーヘッド(つまり、タイマカウント値が０であっても採用される時間)、k1はタイマカウント値に対する比例数の定数(つまり、タイマのクリックに対する複数のナノセカンド)、k2はランプ出力電圧に対する比例定数、k3はランプ電圧における固定されたオフセットを反映した定数(つまり、ランプ出力開始前の出力電圧)

[タイマ定数]
タイマ定数k1
そのタイマ定数は比較的簡単に決定され、そして、同一のクリスタルおよびマイクロプロセッサが使用される限り、ユニット間で変化しない。k1は、クリスタルのクロック周波数およびタイマのプリスケーラ値への調査により決定される。好ましい実施例の場合では、クリスタルは165MHzでプリスケーラは８である。カウンタへの結果となる入力は、刻み音につき、2MHzまたは500nSecである。これがk1値である。

[タイマ定数 c]
実際では、cの値は、無視できる程度に小さい。しかしながら、要求されるなら、cの値は、経験的に選出されてもよい。cの値は、カウンタの刻みの数に対応する計算されたて遅延と、実際の測定された遅延との間の差異である。この値は、クリスタル周波数、マイクロプロセッサのタイプおよび組み込まれたコンパイラが同一である限り、変化しない。言い換えれば、同一のオプション使用で同一のコンパイラを使用することが望ましい。

[ランプの校正]
このルーチンは、積分器出力とタイマカウントとの間の関係を校正する。言い換えれば、それは、ゼロクロス時間がどこに固定されるか、各追加的な遅延カウントに対し、積分器で何Ｖ変化させるかの疑問に回答する。

図４２を参照すると、受信信号の固定された到来時間のために、ランプ回路の出力は、遅延が遅延１から遅延２に変化した時、変化する。その関係を次式で示す。
k2＝dv/dc＝(v2-v1)/(c2-c1)
ここで、v1は遅延１でのランプ電圧出力、v2は遅延２でのランプ電圧出力、c1は遅延１でのソフトウエアのカウント、c2は遅延２でのソフトウエアのカウント

[ソース、タイミングのエラー]
絶対フローの読みエラーまたはほんの僅かな直線性のエラーは、好ましい実施例におけるフロー計の意図したアプリケーションに対しては重要に考慮されないことに気付くべきである。煙検出のパイプシステムにおける閉塞した穴に基づくフロー変化を検出するのに十分に安定となるために、温度に対して、不変を示すことが単に必要である。

計算されたタイミングのエラーは、非直線のフロー値につながる。k1,k2およびk3でのエラーは、システムエラーにつながる。タイミングは、およそ３０nSecで繰り返しできることが望ましい。測定の繰り返しに影響するエラーよりも大きいシステムエラーは、問題を引き起こす。

[カウンタ]
カウンタはクリスタルロックされ、そしてこのコンテキストでは、絶対精度k1とみなされ、カウンタ定数は、調査により決定され、そして、エラー無しとみなされる。

[ランプ定数]
k2,k3はランプ電圧を時間へマップするために用いられる。フロー結果は時間上の測定で変化しないので、そのフロー結果がこれらの値のエラーで大きく影響されないことをシミュレーションにより示されてもよい。典型的に、ランプ定数で１０％のエラーは、フローの読みで0.5％のエラーとなる。

実際に、校正プロセスは、ランプ定数を１％から２％内に校正し、0.2％程度の100l/mのフローエラーを呈する。

[要求されるADC解像度]
マイクロコントローラ５０内のA/Dコンバータは、平均後、３０nSecの小さいタイミングの変化を識別するために十分な解像度とすべきである。
ランプ速度１はおよそ0.28V/μSec
ランプ速度２はおよそ0.14V/μSec

もしランプが、およそ６μSecのピーク幅に対して、およそ１４μSecで実行するなら、平均ランプ速度はおよそ、
(0.28＊(14-6)＋0.14＊6)/14＝0.22V/μSec
になる。

３０nSec時間の解像度は、およそ0.22＊0.03Vまたはおよそ６mVの電圧解像度を意味する。５Ｖの基準電源に対して、これは１０ビットADCを意味する。

現実では、測定値にかなりのノイズがあり、所望の解像度を達成するために、反覆測定値に十分に平均値が要求される。より低い解像度のコンバータを使用できるが、回路動作に対して大きくコストを増大することなく、１０ビットタイプを容易に利用できる。

[エコー]
エコーは、検知したパルスの到来時間を劇的に変える。それらは、メインのパルスに干渉し、人工的なパルスの影響を引き起こす。
１．タイミング測定のために、受信波形の最初の５サイクルのみを使用、
２．次の超音波パルス列を発振する前に、内部エコーを消失すべく、適した時間間隔(２mSec)を設定、
することにより、エコーを回避する。

[別の実施例]
以下の記述は、この発明の超音波フローセンサの実施例で用いる受信回路およびエコー処理のアルゴリズムを実施する別のアプローチを提供する。上で述べた実施例は、超音波パルスの通過時間を正確に決定するために、アナログのゼロクロスのコンパレータおよびタイミング用の積分器に頼る。この別の実施例では、受信された波形は、高速のA/Dコンバータを用いて直接にデジタル化され、そして、得られたデータは、通過時間を決定するために処理される。

[エレクトロニクスの記述]
この別の実施例では、エレクトロニクスは、アナログ実現のものよりも幾分に簡単である。その２つのシステムは、図９と図４３の回路ブロック図間の比較により対比される。図４３は、タイミング用のエレクトロニクスを置き換えるために、A/Dコンバータを用いた別の構成を示す。

[ソフトウエアの実施]
A/Dのフロントエンドを用いて実行するためにソフトウエアに要求されるサンプリングおよび解析プロセスは以下に述べる。図示の目的のために、ソフトウエア コンテキスト ダイアグラムが図４４に示される。

[ソフトウエア方法の要求]
好ましい実施例の上で述べたアナログ実行であったように、ソフトウエアは、次の機能が要求される。
１．ゲイン調節
２．振動子の共振周波数の決定
３．受信したパルスの探知
４．波形のフロント位置のトラック変更
５．要素の変化に対してエレクトロニクスを校正
６．不揮発性メモリにパラメータの格納および回復
７．ホストと通信
８．受信した信号の２つの方向での到来時間の正確な決定

[デジタルのサンプリング]
A/Dフロントエンドを用いて上の項目で述べた機能を実行するために、受信信号をサンプリングすることが必要である。そのプロセスは、図４５で示した波形に視覚化して示される。

フローセンサのアルゴリズムを実施するために要求される基本的な測定を次に示す。
１．波形の到来前に、信号のDCレベルの測定
２．対象のエリア内の波形(例えば最初の１０サイクル)のピーク振幅
３．変化ポイントを決定するために、第１および第２の性質の信号を記録
４．対象のピークの各側でのゼロクロスの計算

[波形の格納]
受信信号データがサンプリングされる時に、要求されるすべての計算を実行することは可能であるが、波形をメモリへサンプリングし、そしてその後にデータを調査することが一般により容易と考えられる。これが実行されるなら、要求される処理のためのパワーは、殆どなく、そのため、低コストで解決でき、かつ、アプローチも許容できる。既述したすべてのルーチンによるリアルタイムの計算は可能であるが、強力なDSPまたは等価のゲートアレイの使用を要求する。コストを低減した製品をターゲットとするために、好ましい実施例は、波形がメモリ内へサンプリングされることを要求する。図４６は、波形格納480として示されたルーチンのフローチャートを示す。パルスはステップ４６１で送信され、そして、適した待機時間がステップ４６２で実施される。ステップ４６３でメモリインデックスがそのスタート値に設定される。受信波形のサンプリングされた値は、ステップ４６４で格納される。そのメモリインデックスは、２００サンプルが格納されるまで、ステップ４６６にて各々の格納されるサンプル毎にステップ４６５でインクリメントされる。２００サンプルは、８０KHzの超音波で１６サイクルに相当するので、２００サンプルの格納で十分である。

[アナログ実施におけるエレクトロニクスを置き換えるための基本の機能ルーチン]
フローセンサシステムの好ましい実施例におけるアナログのエレクトロニクスは、次の機能が備えられる。
１．DCレベル
２．ピーク値検出
３．ゼロクロスの検出
４．ピークの中心位置
これらの機能を実行するために実施されるソフトウエアのルーチンは、以下に示す。

[DCレベルの測定]
ピークの各側でのゼロクロスの位置を決定するために、サンプリングした波形の比較対象となる電圧基準を確立することが必要である。図４７は、このルーチンを実行するために、DCレベル４７０として示したルーチンを示す。このルーチンは、波形の残りが比較される対象となる無意味な、レベルまたはDCレベルを確立するために、第１のピークの開始に先立ち、格納された受信信号を調査する。ステップ４７１で、受信された波形の第１のピークに先立ち、インデックスが背景レベルに設定され、そして、ステップ４７２でサンプルのアキュームレータがクリア(初期化)される。サンプル値は、最大で１０サンプルがステップ４７３、４７４および４７６で蓄積されるまでサンプル値が蓄積される。DCレベルは、蓄積したサンプルを平均することによってステップ４７５で決定される。

[ピークレベル]
ピーク値４８０として示されたルーチンは、関心のある領域にわたって、受信信号のピーク値を決定する。このルーチンは、受信ゲインを最適化するのに有用である。ステップ２８１では、メモリインデックスがスタート値に設定され、そして、ピーク値に対応する最大値が初期化される。ステップ４８２、４８３および４８４でのループは、サンプルされた値が最大値を超過する各時間で、インデックスをインクリメントする。ステップ４８５は、ルーチンを２００サンプルに処理することに制限し、そしてピーク値は可変の最大値に戻される。

[ゼロクロス検出]
信号が、上記の決定されたDCレベル未満から、それを上回った時に、または、DCレベル以上からそれ以下になった時にゼロクロスが決定される。受信信号のDCレベルおよびゼロクロスポイントは、図４９に示される。図５０は、受信信号の一つのサンプルピークの拡大図である。波形がDCレベル未満からそれを超えた時、またはDCレベル以上からそれ未満に変化したことにより、ゼロクロスが認識される。ゼロクロスポイントの正確な位置は、それの発生時間の条件では、補間により計算される。ゼロクロスのいずれかの側でのサンプルポイントを示した図５１を参照すると、サンプル値vaがDCレベルを下回った時、および、サンプル値vbが上回った時、ゼロクロスZの位置時間tは次式により簡単に計算される。
tz＝ta＋va (tb−ta)／(vb−va)

[ピーク中心位置]
図５２を参照すると、いずれかの側のピークtz1およびピークtz2のゼロクロスポイントが位置決めされると、ピーク中心tpの位置は次式のように簡単に計算される。そのピークは、それらのピーク値に対して対称であると仮定している。
tp＝(tz1＋tz2)／２

上で述べたルーチンおよび方法は、この発明の別の実施例に基づく超音波フローセンサ上のいくつかのアナログ回路を置き換えるために用いられてもよい。これらのルーチンおよび方法は、アナログ回路の使用を通じて利用できる列データを提供する際に、上で説明されたアナログのルーチンに入れられてもよい。

純粋なデジタルサンプリングのアプローチは、複雑なハードウエアを軽減すると共に、A/Dコンバータのごとき製品のコストを低減し、高速プロセッサの価格を低下させる利点がある。

この発明は、それの特定の実施例に関連して述べてきたが、別の変形にも適用できることが理解されよう。この出願は、この発明の一般的な原理に従うこの発明のあらゆる変形の使用および適用をカバーすることを意図し、その開示からの変更を含み、上述した本質的な特徴に適用できる。

この発明は、この発明の本質的な特性の範囲からそれることなくいくつかの形態で具体化しているので、上記の実施例は、ほかに限定されない限り、この発明を限定するものでなく、付記したクレームで限定される発明の本旨および範囲内で広く構築できることに理解すべきである。さまざまな変形および等価な構成は、この発明および付記したクレームの本旨および範囲内に含まれるように意図されている。従って、特定の実施例は、この発明の原理が実施される多くの方法を例示目的であると理解すべきである。以下のクレームでは、機能＋手段の節は、限定された機能および、構造的な等価のみならず、等価な構成を実行する構造をカバーするために意図される。例えば、細釘は、材木を固定するために円筒状の表面を有するが、ネジは材木を固定するために螺旋の表面を有する点で細くぎとネジは構造的に等価でないが、木材を固定する点で両者は等価な構造である。

この明細書で用いた“備える”は、述べた特徴、完全体、ステップまたは要素の存在を特定するために用いられたが、一つ以上の他の性質、完全体、ステップ、要素またはそれらのグループの存在や追加を妨げない。

１０：煙検出器
１１：ハウジング
１４：検出チャンバー
１６：吸引器
１８：フィルタ
２０：流体注入口
２２：流体出口
２４：超音波フローセンサ
２６：流路
３０：電流源
４４：振動子
４５：駆動ステージ
４８：積分器
５０：マイクロプロセッサ

Claims (20)

1. 吸引された煙の検出器システムのパイプ内の１つ以上の塞がれたサンプリング穴を検出する方法において、
   フローセンサを用い粒子検出器を通る流体のベースフローを確認し、
   粒子検出器を通るその後のフローをモニタし、
   前記その後のフローをベースフローと比較し、そして
   ベースフローと前記その後のフローとの差が所定のしきい値を超過するなら、故障を示すことを備えており、
   次の一般的なフロー計算に基づきベースフローと前記その後のフローが決定され、
   f＝ s x A ( fは体積測定フロー、Aは、検出システムを通過する空気フロー経路の断面積、sは、検出システムを通過する空気の速度である)
   そのようなsは、s＝ d/2 ( 1/t ₂ −1/t ₁ )で与えられ、
   t ₁ は、前方方向、一般に、フロー経路に接近した第１の振動子から、第１の振動子と一般に反対側に位置し、かつ、フロー経路に接近した第２の振動子へのフローの方向で送信された信号の送信時間であり、t ₂ は、逆方向、一般にフローに対向する方向となる、第２の振動子から、第１の振動子へ送信された信号の送信時間であり、dは、第１の振動子および第２の振動子で信号が移動する距離であり、
   前記ｔ１およびｔ２が、
   （ａ）少なくとも１つの特有の波形性質を含む第１の超音波信号を送信し、
   （ｂ）前記第１の超音波信号の後、次に少なくとも１つの対応する特有の波形性質を含む第２の超音波信号と、第２の超音波信号の持続時間内の所定の時刻ポイントで導入された波形の変更を送信し、
   （ｃ）前記第１および第２の送信された信号を受信し、
   （ｄ）第１の受信された信号の波形を前記第２の超音波信号の波形と比較して当該第２の超音波信号に導入された波形性質の変更の受信時刻を特定し、第１および第２の受信された信号の波形の重ね合わせにより、第１および第２の受信された信号の対応する特有の波形性質の間の変化ポイントを決定し、
   （ｅ）前記導入された波形性質の変更の受信時刻の特定とその送信時刻に基づいて、前記第２の超音波信号の飛行時間を決定する、
   各ステップからなる方法により決定される、方法。
2. 前記フローセンサは超音波フローセンサである、請求項１に記載の方法。
3. 前記ベースフローとその後のフローとの差は、ある時間長にわたって比較される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記変化ポイントを決定するステップは更に、第１の受信された信号内で特有の波形性質の各々の出現ポイントで、第１の受信された信号の値と、第２の受信された信号の対応する値との差を計算し、
   変化ポイントを、前記計算された差が第２の受信された信号の値よりも大きくなった時の出現の第１のポイントとして示すことを備える、請求項１に記載の方法。
5. 吸引された煙の検出器システムのパイプ内の１つ以上の塞がれたサンプリング穴を検出する方法において、
   フローセンサを用い粒子検出器を通る流体のベースフローを確認し、
   粒子検出器を通るその後のフローをモニタし、
   前記その後のフローをベースフローと比較し、そして
   ベースフローと前記その後のフローとの差が所定のしきい値を超過するなら、故障を示すことを備えており、
   次の一般的なフロー計算に基づきベースフローと前記その後のフローが決定され、
   f＝ s x A ( fは体積測定フロー、Aは、検出システムを通過する空気フロー経路の断面積、sは、検出システムを通過する空気の速度である)
   そのようなsは、s＝ d/2 ( 1/t ₂ −1/t ₁ )で与えられ、
   t ₁ は、前方方向、一般に、フロー経路に接近した第１の振動子から、第１の振動子と一般に反対側に位置し、かつ、フロー経路に接近した第２の振動子へのフローの方向で送信された信号の送信時間であり、t ₂ は、逆方向、一般にフローに対向する方向となる、第２の振動子から、第１の振動子へ送信された信号の送信時間であり、dは、第１の振動子および第２の振動子で信号が移動する距離で、
   前記ｔ１およびｔ２が、
   第１および第２の信号を送信するステップと、
   両信号は、少なくとも一つの特有の波形性質を備え、そして第２の信号は更に、第２の信号の期間の所定のポイントで導入された波形の変更を備え、
   前記第１および第２の送信された信号を受信するステップと、
   第１の受信された信号の特有の波形性質と第２の受信された信号の対応する特有の波形性質の間で変化ポイントを決定するために、時間内の第１の受信された信号と第２の受信された信号をスキャンするステップとを備え、
   前記変化ポイントは、受信機における導入された波形性質の受信時刻に基づいて決定され、
   前記導入された波形性質の受信時刻とその送信時刻に基づいて、前記導入された波形性質の飛行時間を決定するステップと、
   を含む方法により決定される、方法。
6. 前記ｔ１およびｔ２が、前記変化ポイントの時刻と、前記導入された波形性質の変更の送信時刻との間の差を計算することにより決定される、請求項１、４、５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ｔ１及びｔ２が、指定された特有の波形性質と、変化ポイントとの時間関係を測定し、そして、測定された時間関係に基づく受信時刻と前記指定された特有の波形性質の送信時刻との差を計算することにより決定される、請求項１、４、５のいずれかに記載の方法。
8. 前記信号の特有の波形性質は、
   a) ピーク
   b) ピークの結合
   c) ゼロクロス
   d) ゼロクロスの結合
   の一つである、請求項１、４〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記波形の変更は、前記超音波信号の開始近くで導入される、請求項１、４〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記波形の変更は、前記超音波信号の開始後の３、４または５つ目の波形ピークの一つで導入される、請求項１、４〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記波形の変更は、位相の反転からなる、請求項１、４〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 吸引された煙を検出する煙検出器システムにおいて、粒子検出器、１つまたはそれより多くのサンプリングポイントを備えたサンプリングネットワーク、前記サンプリングネットワークから前記検出器へ空気を吸引する吸引器、入り口、出口、およびフローセンサを備え、そのフローセンサは、粒子検出器に入る空気の流速を検出するために超音波を用い、
    前記フローセンサが２つのトランシーバを含み、該トランシーバの間で送信される信号の到達時刻に基づいてフローを特定するよう形成され、１つのトランシーバでの前記信号の受信時刻の決定が、
    （ａ）少なくとも１つの特有の波形性質を含む第１の超音波信号を送信し、
    （ｂ）前記第１の超音波信号の後、次に少なくとも１つの対応する特有の波形性質を含む第２の超音波信号と、第２の超音波信号の持続時間内の所定の時刻ポイントで導入された波形の変更とを送信し、
    （ｃ）前記第１および第２の送信された信号を受信し、
    （ｄ）第１の受信された信号の波形を前記第２の超音波信号の波形と比較して当該第２の超音波信号に導入された波形性質の変更の受信時刻を特定し、第１および第２の受信された信号の波形の重ね合わせを含む、第１および第２の受信された信号の対応する特有の波形性質の間の変化ポイントを決定する、
    ことからなる方法を使用して決定される、煙検出器システム。
13. 前記変化ポイントを決定するステップは更に、第１の受信された信号の各特有の波形性質に対し、第１の受信された信号の値と、第２の受信された信号の対応する値との差を計算し、
    変化ポイントを、前記計算された差が第２の受信された信号の値よりも大きくなった時の第１のポイントとして示すことを備える、請求項１２に記載の煙検出器システム。
14. 前記第１と第２の信号の一連のパルスの各波形を比較するステップが、第１および第２の受信された信号の対応する特有の波形性質の間で変化ポイントを決定するために、時間内に受信された前記信号をスキャンするステップ含む、請求項１２に記載の煙検出器システム。
15. 信号の到達時刻が、
    前記変化ポイントの時刻と、前記導入された波形性質の変更の送信時刻との間の差を計算することによって決定される、請求項１２から１４のいずれかに記載の煙検出器システム。
16. 前記信号の到達時刻が、
    指定された特有の波形性質と変化ポイントとの間の時間関係を測定し、
    前記測定された時間関係に基づく受信時刻と、前記指定された特有の波形性質の送信時刻との差を計算することにより決定される、請求項１２から１４のいずれかに記載の煙検出器システム。
17. 各信号の前記特有の波形性質は、
    a) ピーク
    b) ピークの結合
    c) ゼロクロス
    d) ゼロクロスの結合
    の一つである請求項１２から１５のいずれかに記載の煙検出器システム。
18. 波形の変更は、一連のパルスの開始近くで導入される、請求項１２から１６のいずれかに記載の煙検出器システム。
19. 前記波形の変更は、一連のパルスの３、４または５つ目の波形ピークの一つで導入される、請求項１２から１７のいずれかに記載の煙検出器システム。
20. 前記波形の変更は、位相の反転からなる、請求項１２から１８のいずれかに記載の煙検出器システム。

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