JP6555465B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、超音波信号の送信回路に関する。

図４は、従来の超音波流量計で用いられている超音波信号の送信回路の一例を示す回路図である。図４において、制御部１は波形発生部２に波形データを出力するとともに、波形発生部２における波形の発生を制御する。波形発生部２は後述の超音波発振器１３を駆動するためのパルス波形を生成する。

駆動部３は波形発生部２から生成出力されるパルス波形に基づきＭＯＳＦＥＴ４、５を駆動するもので、その出力信号はＭＯＳＦＥＴ４、５のゲートに接続されている。

正電圧源６は送信波形電圧＋Ｖ１を供給するものであり、陽極はＭＯＳＦＥＴ４のソースに接続され、陰極は共通電位点に接続されている。

負電圧源７は送信波形電圧−Ｖ２を供給するものであり、陰極はＭＯＳＦＥＴ５のドレインに接続され、陽極は共通電位点に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ４のドレインは送信波形発生時における保護用の抵抗８を介して保護用のダイオード９のアノードに接続され、ダイオード９のカソードは同軸ケーブル１０の心線１０ａに接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ５のソースは送信波形発生時における保護用の抵抗１１を介して保護用のダイオード１２のカソードに接続されていて、ダイオード１２のアノードは同軸ケーブル１０の心線１０ａに接続されている。

同軸ケーブル１０の心線１０ａと外皮導体１０ｂの端部には、たとえばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成された超音波発振器１３（以下、ＰＴＺともいう）が接続されている。

ダイオード９のカソードとダイオード１２のアノードと同軸ケーブル１０の心線１０ａとの接続点は、ダンピング時の保護用抵抗１４とＰＺＴの電荷を放出するためのスイッチ１５との直列回路を介して共通電位点に接続されている。

図４の構成において、超音波発振器１３から超音波を発生させて測定対象流体の流量を測定する。超音波発振器１３に内蔵されているＰＺＴを所定のパルス波形で駆動する。駆動条件としては、たとえば周波数はＰＺＴの共振周波数である数ＭＨｚとし、電圧は±電源で数十Ｖとする。なお±で同じ電圧である必要はないが、一般的には同じ電圧にして動作させる。ＰＺＴはほぼ容量負荷として動作する。

初期状態として、スイッチ１５はＯＦＦ（開放）とする。
（１）制御部１は波形発生部２へ送信波形のデータを送る。
（２）制御部１は波形発生部２から波形発生をスタートさせる。
（３）波形発生部２の出力波形は駆動部３でＭＯＳＦＥＴ４、５を駆動できる適切な波形としてレベルシフトされ、ＭＯＳＦＥＴ４、５を駆動する。

（４）駆動されたＭＯＳＦＥＴ４、５の出力波形は波形発生部２の送信波形とほぼ同じであり、ケーブル１０を介して超音波発振器１３内のＰＺＴを駆動し、超音波を出力させる。
（５）駆動が終了すると、波形発生部２はスイッチ１５をＯＮ（短絡）とし、 超音波発振器１３内のＰＺＴの電荷を放出する。

これら（１）から（５）の一連のステップで１パルス分の送信波形による超音波発振器１３の駆動を終了するが、実際の超音波流量計はこれら一連のステップを適当な間隔をあけて必要な回数だけ繰り返す。

ここで、抵抗８、１１、１４およびダイオード９、１２は保護用の素子であり、基本的な動作での影響は小さい。

図５は図４の動作を説明するタイミングチャートであり、（ａ）は波形発生部２の出力波形を示し、（ｂ）はＭＯＳＦＥＴ４の動作を示し、（ｃ）はＭＯＳＦＥＴ５の動作を示し、（ｄ）はＭＯＳＦＥＴ４の電流を示し、（ｅ）はＭＯＳＦＥＴ５の電流を示し、（ｆ）はスイッチ１５の動作を示し、（ｇ）はスイッチ１５の電流を示し、（ｈ）は超音波発振器１３の電圧波形を示している。

前述の（１）から（５）の各ステップの動作を詳しく説明する。
＜（１）波形データの送信＞
制御部１は波形発生部２に以下のような波形データを出力する。
１）（ｂ）に示すＭＯＳＦＥＴ４のＯＮ時間に相当するパルス幅データ
２）（ｃ）に示すＭＯＳＦＥＴ５のＯＮ時間に相当するパルス幅データ
なお、（ｂ）と（ｃ）のＯＮ時間は同一でなくてもよい。
３）（ｆ）に示すスイッチ１５のＯＮ時間に相当するパルス幅データ

半導体素子や負荷の特性の違いなどから補助的に以下のデータを使用する場合がある。
・ＭＯＳＦＥＴ４がＯＦＦしてＭＯＳＦＥＴ５がＯＮになるまでの待機時間
・ＭＯＳＦＥＴ５がＯＦＦしてスイッチ１５がＯＮになるまでの待機時間
図５ではいずれも待機時間を”０”として示している。

＜（２）送信波形のスタート＞
制御部１は、図５に「スタート」として示すように、波形発生部２に対して波形信号の発生を指示する。

＜（３）送信波形による超音波検出器の駆動その１＞
駆動部３により、（ｂ）に示す信号でＭＯＳＦＥＴ４をＯＮにする。正電圧源６→ＭＯＳＦＥＴ４→抵抗８→ダイオード９→ケーブル１０の経路を介して、（ｈ）に示す振幅電圧+Ｖ１のパルス状の駆動信号で超音波発振器１３を駆動する。（ｄ）は超音波発振器１３のＰＺＴに流れ込む電流波形であり、ＰＺＴは容量負荷のためこのようにピーク＋Ｉｐ１を有する。このピーク値Ｉｐ１は、供給電圧と、前述の正電圧源６→ＭＯＳＦＥＴ４→抵抗８→ダイオード９→ケーブル１０で形成される経路の等価的な抵抗値で決まる。

＜（４）送信波形による超音波検出器の駆動その２＞
ＭＯＳＦＥＴ４をＯＦＦにし、同様に駆動部３によりＭＯＳＦＥＴ５をＯＮする。場合により、ＭＯＳＦＥＴ４をＯＦＦにした後、多少時間を空けてからＭＯＳＦＥＴ５をＯＮするが、図５では空き時間を”０”としている。負電圧源７→ＭＯＳＦＥＴ５→抵抗１１→ダイオード１２→ケーブル１０の経路を介して、（ｈ）に示す振幅電圧−Ｖ２のパルス状の駆動信号で超音波発振器１３を駆動する。このピーク値Ｉｐ２は、供給電圧と、前述の負電圧源７→ＭＯＳＦＥＴ５→抵抗１１→ダイオード１２→ケーブル１０で形成される経路の等価的な抵抗値で決まる。

ピーク電流＋Ｉｐ１、−Ｉｐ２は、出力段と超音波発振器１３までの経路の等価抵抗値で決まるが、ＭＯＳＦＥＴ４、ＭＯＳＦＥＴ５のＯＮ抵抗はバラツキが大きく、ＯＮ抵抗のみでピーク電流＋Ｉｐ１、−Ｉｐ２を制限することは困難である。そこで、抵抗８、１１をＭＯＳＦＥＴ４、ＭＯＳＦＥＴ５に直列接続している。

＜（５）スイッチ１５によるダンピング＞
ＭＯＳＦＥＴ５がＯＦＦになると、スイッチ１５をＯＮにしてケーブル１０の心線１０ａを共通電位点に接続し、ＰＺＴの振動をダンピングさせて停止させる。これは、ＭＯＳＦＥＴ５がＯＦＦにしても超音波発振器１３内のＰＺＴはある程度振動し続けることを考慮して、その振動をダンピングさせて静止させる。場合により、ＭＯＳＦＥＴ５がＯＦＦの後、多少時間を空けてスイッチ１５をＯＦＦにするが、図５では空き時間を”０”としている。このＰＺＴのダンピング機能としては、スイッチ１５に代えて超音波発振器１３内のＰＺＴと平行に抵抗を接続し、自然放電させて停止させてもよい。

非特許文献１には、本発明と同様な透過法に基づく伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。

福原 聡、外３名、「超音波流量計 ＵＳ３５０」、横河技報、横河電機株式会社、２００４年１月２０日、Ｖｏｌ．４８ Ｎｏ．１（２００４） ｐ．２９−３２

しかし、このような従来の構成によれば、ＭＯＳＦＥＴ４、抵抗８、ダイオード９およびＭＯＳＦＥＴ５、抵抗１１、ダイオード１２で構成される出力段の耐電圧は数百Ｖ以上が必要であり、さらに図５（ｄ）に示すピーク電流＋Ｉｐ１および図５（ｅ）に示すピーク電流−Ｉｐ２に必要とされる電流容量も数Ａ以上が必要となる。

従来の構成に基づくパルス幅とピーク電流の算出例を説明する。
ＰＺＴの静電容量Ｃを１０ｎｆ、共振周波数を１ＭＨｚ、ＰＺＴの駆動電圧を６０Ｖとして、図５（ｂ）に示す従来の駆動波形のピーク電流とピーク電流を決定する等価抵抗Ｒを計算する。

図５（ｂ）に示す従来の駆動波形のパルス幅Ｔは、共振周波数からその周期の１／２となり５００ｎｓｅｃとなる。ＰＺＴの電圧波形のピークまでの時間を、たとえば時定数τ（＝ＲＣ）の３倍を想定したとする。

この場合、Ｒは、
Ｒ＝Ｔ／３／Ｃ＝１７Ω
となる。

また図５（ｄ）に示すピーク電流Ｉｐ１は、
Ｉｐ１＝Ｖ／Ｒ＝３．５Ａ
となる。

ここで、設計上の半導体の選定は数Ａの電流を流せる中高耐圧品（現状ではこれらはほぼＤＩＰ品)クラスとなり、また抵抗も１７Ωで数Ａのパルスに耐えるものは特殊品で面実装品でもサイズの大きな抵抗となる。

定常的な電力はバースト波(発生する１パルスの周期はパルス幅の数１０〜数１００倍の間隔)であることから比較的小さいが、このピーク電流のため各素子の外形は比較的大きくなる。

なお、スイッチ１５のダンピングについては、パルス幅を比較的長く設定できるので、ピーク電流Ｉｐ３は図５（ｇ）に示すように比較的小さく、出力段に比べて小型の素子が選定できることから今回は問題にしない。

このように出力段を構成する前述の各素子として中高耐圧レベルの部品を用いなければならないことから、以下のような問題が発生することになる。

出力段の各素子は外形が大きく、発熱素子（主に半導体素子）に対する放熱機構も必要となるため、これら素子の実装空間が大きくなってしまう。

超音波発振器１３は多チャンネルであることから、外形が大きく放熱機構が必要な各素子を用いる構成となるため、全体的に大きくなり小型化は困難である。

Ｐ形のＭＯＳＦＥＴ４とＮ形のＭＯＳＦＥＴ５の選定にあたり、負荷となるＰＺＴの仕様を考慮するとともに、Ｐ形ＭＯＳＦＥＴとＮ形ＭＯＳＦＥＴとして同等の性能を必要とするが、同一メーカーの同一形状のＭＯＳＦＥＴを比較すると一般的にはＮ形の電気的特性が優れていることから、同一メーカーの同一形状の条件に基づいて所望の素子を選別することは困難であり、メーカーが異なったり、外形が異なることは避けられない。

以上のように部品が大きくなり、さらに部品の選定作業も困難であり、電気的特性、実装空間を含めた最適設計をするにはかなりの制約が発生し、設計工数も多くなる。

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、送信波形のパルス幅を工夫することにより、回路構成を変えることなく電子部品の選択の幅を広げて小型部品が選定できるようにして設計工数を削減し、小型化を図ることでコスト面についても削減できる超音波流量計を実現することにある。

このような課題を達成するため、本発明は、被測定対象流体に超音波変換器を介して超音波信号を送受して流量を測定するように構成された超音波流量計において、
第１極性電源と第１スイッチと第１抵抗と第１ダイオードとを備え、前記超音波変換器に第１極性駆動電圧を供給する第１経路と、
第２極性電源と第２スイッチと第２抵抗と第２ダイオードとを備え、前記超音波変換器に第２極性駆動電圧を供給する第２経路と、
前記第１スイッチと第２スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記第１経路の抵抗値は、前記第２経路の抵抗値よりも大きく、
前記第１スイッチと前記第１抵抗と前記第１ダイオードは、前記第２スイッチと前記第２抵抗と前記第２ダイオードよりも電流の絶対最大定格値が低く、
前記制御部は、前記第１スイッチを第１期間分オンにした後、前記第２スイッチを前記第１期間よりも短い第２期間分オンにすることを特徴とする。
前記第２期間は、前記超音波変換器の共振周波数の１／２とすることができる。

これらにより、回路部品として小型部品を選定できるとともに設計工数を削減でき、小型化を図ることでコストも削減できる超音波流量計が実現できる。

本発明の一実施例を示す回路図である。 図１の動作を説明するタイミングチャートである。 単パルスの波形例図である。 従来の超音波流量計における超音波信号の送信回路の一例を示す回路図である。 図４の動作を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す回路図である。図１の回路構成は実質的に図４と同一であるが、図４と異なる点は、図２に示すようなタイミングチャートの場合には図１の破線で囲まれた回路Ａの全てが小信号（１００ｍＡ）用の低耐圧部品で構成されていることである。

図２は図１の動作を説明するタイミングチャートであり、（ａ）は波形発生部２の出力波形を示し、（ｂ）はＭＯＳＦＥＴ４の動作を示し、（ｃ）はＭＯＳＦＥＴ５の動作を示し、（ｄ）はＭＯＳＦＥＴ４の電流を示し、（ｅ）はＭＯＳＦＥＴ５の電流を示し、（ｆ）はスイッチ１５の動作を示し、（ｇ）はスイッチ１５の電流を示し、（ｈ）は超音波発振器１３の電圧波形を示している。

図２のタイミングチャートと図５のタイミングチャートの異なる点は、（ｂ）に示しているＭＯＳＦＥＴ４の動作波形である。このＭＯＳＦＥＴ４の動作波形に注目すると、図２（ｂ）のＭＯＳＦＥＴ４の動作波形は、図５（ｂ）のＭＯＳＦＥＴ４の動作波形に比べてパルス幅が広くなっている。

ＭＯＳＦＥＴ４とＭＯＳＦＥＴ５の動作波形を比較すると、図５のタイミングチャートでは両者のパルス幅は等しく設定しているが、図２のタイミングチャートではＭＯＳＦＥＴ４のパルス幅は図５のＭＯＳＦＥＴ４のパルス幅の数倍に設定している。

このパルス幅について、従来はＰＺＴの共振周波数の周波数に基づいて算出していたのに対し、本発明では選定する回路素子に応じて決定する。

ＰＺＴの電気的な動作は、ＰＺＴを「静電容量」と考えると、コンデンサを電圧パルス駆動した時と同じ挙動となる。すなわち、電圧を鋭く立ち上げるにはスパイク状の大電流で充電し、立下り時にはスパイク状の大電流で放電する必要がある。このスパイク状の電流にリミットをかけると電圧の立ち上がり時間および立ち下り時間が鈍る。

この立ち上がり時のスパイク状の電流ピーク値である＋Ｉｐ１を、図２（ａ）に示すようにＰＺＴが電圧＋Ｖ１になるまで図２（ｂ）に示すＭＯＳＦＥＴ４がＯＮのパルス幅でゆっくり充電する。

その後、図２（ｃ）に示すＭＯＳＦＥＴ５がＯＮのパルス幅で所定の共振周波数を有する電圧−Ｖ２のパルスにより、超音波発振器１３内のＰＺＴをパルス駆動し、超音波信号を発振出力する。

このような回路構成にすることで、図１のＭＯＳＦＥＴ４、５、抵抗８、１１、ダイオード９、１２として外形が小さい回路部品を用いることができ、これらに基づき許容できる＋ＩＰ１を算出してそれに合うパルス幅とすることができる。

ＰＺＴの駆動に必要な波形について説明する。
ＰＺＴ自体は図３に示すような単パルスでも駆動可能であり、このパルス幅は共振周波数の周期の１／２となる。ただし、超音波流量計としては、この駆動ではＰＺＴは安定に動作せず、実用化は困難である。そこで、通常±電源で駆動される。

また、図５に示す波形のみではＰＺＴが振動し続けてしまうので、実際には図５のパルス駆動の後に、図１に示すスイッチ１５のようなダンピング機構を設けてＰＺＴを停止させる必要がある。

これらのことから、実用的には、図２や図５に示すような±の電圧波形で駆動するとともに、ダンピング波形を付加している。

図１の等価回路について説明する。
正電圧源６からＭＯＳＦＥＴ４、抵抗８、ダイオード９を経てケーブル１０までの電流経路における全抵抗をＲとし、超音波発振器１３の静電容量をＣとすると、簡単な一次のＲＣ回路のパルス応答となり、立ち上がり時間は、
ｔｒ＝Ｖ０×（１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ））
で示される。Ｖ０は正電圧源６の電圧であって、±数十Ｖ〜±１００Ｖ程度である。

本発明に基づきＰＺＴを駆動する図２（ｂ）に示す波形のパルス幅とピーク電流について説明する。このパルス幅は、ＰＺＴの１ＭＨｚからではなく、小信号クラスの素子(たとえば１００ｍＡ品)の選定に基づき算定する。

ここで、素子のマージンなど考慮し、Ｉｐ１はたとえば従来例の１／１００の３５ｍＡに抑えるとする。ＰＺＴの駆動電圧を６０Ｖとすると、図２および図５に示すピーク電流Ｉｐ１は３５ｍＡになることから、抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｖ／Ｉｐ１＝６０／３５ｍＡ＝１．７ｋΩ
となる。

この場合のパルス幅は、同様にたとえばτの３倍と考えると、
パルス幅＝１．７Ｋ×１０ｎＦ×３＝５１μｓｅｃ
となる。

ここで設定されるパルス幅は従来例の数十〜数百倍となる。このパルス幅の長さは次の駆動パルスと重なるほど長いと動作上問題となるが、実際にはその間隔は設定間隔よりさらに広くなっており、実用上特に問題とはならないレベルである。

このようにして選定される部品の必要な絶対最大定格値は、電圧に関しては従来どおりの値が必要となるが、電流はピークを極めて低く抑えられるため小さい値でよい。この結果、半導体や抵抗部品として小型の小信号用ＳＭＤ品を選択できることになる。

出力段における＋側回路の改善について説明したが、ＰＺＴは回路的には極性のないコンデンサであることから、駆動波形としてはまず−側をＯＮにした後に＋側をＯＮにし、最後にダンピング動作させてもよい。以上から部品の小型化が可能になり、出力段の回路の実装空間を小さくできる。

超音波流量計が±の出力段における＋側か−側のいずれか一方の出力段しか縮小効果がないのでコスト面での効果は薄いが、実際の超音波流量計は多チャンネル(たとえば４チャネル)であり、全体としては部品の小型化と実装空間の削減の効果が得られ、小型化も図れる。

そして、回路の設計面では、出力段の設計にあたり、電子部品特性を主体とした部品選定ができるようになり、非常に設計が容易になる。

従来、超音波流量計における出力段の電子部品選定は、主にＰＺＴの特性に基づき決定されていた。超音波発振器としてのＰＺＴは、測定する配管の違いなどにより駆動周波数や駆動電圧が異なるため数種類が必要になっていた。

これらＰＺＴの種類に対応しかつ±出力段に用いる部品(ＭＯＳＦＥＴ)の電気的特性のバランスも含めた部品選定が必要であり、実際に選定できるのは中高耐圧品のものとなることから、比較的外形が大きく小型化する際の制約となっていた。

本発明に基づいて駆動波形を工夫することにより、出力段の＋側か−側の少なくともいずれか一方の設計を、ＰＺＴではなく電子部品の特性を主体にして部品選定ができ、比較的小型の部品も選択範囲に入れることができる。

これにより、ＰＺＴに依存することなく入手性のよい電子部品を選定でき、設計の自由度を大幅に上げ工数削減でき超音波流量計としても問題なく動作させることができる。

また既存品に適用するのにあたっては、デジタルデータである駆動パルス幅を変更するだけで基本的なハード構成を変更することなく実施でき、回路設計における素子選定の自由度を広げるとともに、その素子に合わせた駆動波形の作成も容易に行え、小型化と設計工数の削減に効果が期待できる。

以上説明したように、本発明によれば、送信波形のパルス幅を工夫することにより、回路構成を変えることなく電子部品の選択の幅を広げて小型部品が選定できるようにして設計工数を削減でき、小型化を図ることでコスト面についても削減できる超音波流量計を実現できる。

１ 制御部
２ 波形発生部
３ 駆動部
４、５ ＭＯＳＦＥＴ
６ 正電圧源
７ 負電圧源
８、１１、１４ 抵抗
９、１２ ダイオード
１０ 同軸ケーブル
１３ 超音波発振器
１５ スイッチ

Claims (2)

1. 被測定対象流体に超音波変換器を介して超音波信号を送受して流量を測定するように構成された超音波流量計において、
   第１極性電源と第１スイッチと第１抵抗と第１ダイオードとが直列に接続され、前記超音波変換器に第１極性駆動電圧を供給する第１経路と、
   第２極性電源と第２スイッチと第２抵抗と第２ダイオードとが直列に接続され、前記超音波変換器に第２極性駆動電圧を供給する第２経路と、
   前記第１スイッチと第２スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
   前記第１経路の抵抗値は、前記第２経路の抵抗値よりも大きく、
   前記第１スイッチと前記第１抵抗と前記第１ダイオードは、前記第２スイッチと前記第２抵抗と前記第２ダイオードよりも電流の絶対最大定格値が低く、
   前記制御部は、前記第１スイッチを第１期間分オンにして前記超音波変換器を徐々に充電した後、前記第２スイッチを前記第１期間よりも短い第２期間分オンにして前記超音波変換器を前記充電よりも短い時間で放電することを特徴とする超音波流量計。
2. 前記第２期間は、前記超音波変換器の共振周波数の１／２であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。

Images