JP7189048B2 - 超音波流量計および出力インピーダンス設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計に関するものである。

超音波流量計は、図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示すように、測定対象の気体が流れる配管１に対し１対のトランスデューサ（超音波圧電素子）２，３を配置する。上流側のトランスデューサ２を例えば５００ｋＨｚの共振周波数で駆動し、トランスデューサ２から超音波を送信させる。超音波が配管１内の気体中を伝搬して下流側のトランスデューサ３を励起する。このトランスデューサ３の出力を増幅することで受信信号が得られる。超音波の送信タイミングから受信信号の到達タイミングの時間計測を行なうことで、超音波の伝搬時間を計測できる。同様に、下流側のトランスデューサ３から超音波を送信し、上流側のトランスデューサ２で受信して、超音波の伝播時間を計測する。

トランスデューサ２からトランスデューサ３までの順方向（気体が流れる方向）の超音波の伝搬時間とトランスデューサ３からトランスデューサ２までの逆方向の超音波の伝搬時間とを比較することで、伝搬時間差が求められる。気体の流量がゼロの場合、原理的には伝搬時間差がゼロになるが、気体が流れている場合、流量に応じて伝搬時間差が生じる。したがって、伝搬時間差から気体の流量を算出することができる。

トランスデューサには個体差があるため、トランスデューサと、トランスデューサを駆動して超音波を送信させる送信装置との間のインピーダンス、およびトランスデューサと、トランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅する受信装置との間のインピーダンスには、トランスデューサの特性に応じた最適な値が存在する。このため、超音波流量計にインピーダンス調整する機能が必要となる（特許文献１参照）。このとき、特に送信装置の出力インピーダンスの調整において、スイッチを使った正確なインピーダンスの切り替えが難しいという課題があった。

図６は従来の超音波流量計の送信装置の最終段の構成を示す回路図である。トランスデューサ１００を駆動する送信装置１０１の最終段は、ドライバ回路１０２と、抵抗１０３－１～１０３－３と、スイッチ１０４－１～１０４－３とから構成される。図６の例では、スイッチ１０４－１～１０４－３を個別にオン／オフすることで、送信装置１０１の出力インピーダンスを調整している。通常、トランスデューサ１００への出力電圧の振幅を大きくした方が有利なので、電源電圧とグランド間の振幅のパルスでトランスデューサ１００を駆動するようにしている。

スイッチ１０４－１～１０４－３として例えばＭＯＳトランジスタのドレイン－ソース間を使用すると、スイッチ１０４－１～１０４－３の抵抗（ＭＯＳトランジスタのオン抵抗）は、そのノードの電圧（ＭＯＳトランジスタの場合にはゲート－ソース間電圧）に依存する。このため、スイッチ１０４－１～１０４－３の抵抗を一定の低い値にすることができず、送信装置１０１の出力インピーダンスが電圧依存性を有する。送信装置１０１の出力インピーダンスが電圧依存なため、送信装置１０１の出力Ｐがハイレベルのときとローレベルのときで出力インピーダンスが異なる値になってしまい、トランスデューサ１００と送信装置１０１との整合特性としても理論的な複雑さを抱えることになる。

以上のように、スイッチ１０４－１～１０４－３を使って送信装置１０１の出力インピーダンスを切り替える仕組みでは、スイッチ１０４－１～１０４－３のインピーダンス分が大きな誤差となり、正確なインピーダンス設定ができないという課題があった。例えば５００Ωの出力インピーダンスに対し、５０Ω程度の誤差が生じてしまう場合もある。

特開２００４－２８９９４号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、スイッチの電圧依存性による送信装置の出力インピーダンスの誤差を無くすことができる超音波流量計および出力インピーダンス設定方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波流量計は、測定対象の流体が流れる配管に配置されたトランスデューサと、このトランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信装置とを備え、前記送信装置は、前記トランスデューサを駆動するように構成された複数のドライバ回路と、これら複数のドライバ回路の出力端子と、前記トランスデューサが接続された送信装置の出力端子との間にそれぞれ設けられた複数の抵抗とを備え、前記複数のドライバ回路のそれぞれは、外部からの設定により、出力端子がオープンになるディスエーブル状態と通常動作のイネーブル状態とを個別に切替可能なように構成されたことを特徴とするものである。
また、本発明の超音波流量計の１構成例において、前記複数のドライバ回路のそれぞれは、前記トランスデューサを駆動するように構成されたトランジスタと、外部からの設定により前記トランジスタを無効にして、そのドライバ回路の出力端子をオープン状態にすることにより、ドライバ回路を前記ディスエーブル状態にするように構成されたスイッチとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の超音波流量計の１構成例において、前記トランジスタは、ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ソースが第１の電源電圧に接続され、ドレインがそのドライバ回路の出力端子に接続された第１の導電型トランジスタと、ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ドレインがそのドライバ回路の出力端子に接続され、ソースが第２の電源電圧に接続された第２の導電型トランジスタとからなり、前記スイッチは、２つの接点端子のうち第１の接点端子が前記第１の電源電圧に接続され、第２の接点端子が前記第１の導電型トランジスタのゲートに接続された第１のスイッチと、２つの接点端子のうち第１の接点端子が前記第２の導電型トランジスタのゲートに接続され、第２の接点端子が前記第２の電源電圧に接続された第２のスイッチとからなり、外部からの設定により前記第１、第２のスイッチを共にオンにすることにより、ドライバ回路を前記ディスエーブル状態にすることを特徴とするものである。
また、本発明の超音波流量計の１構成例において、前記第１の導電型トランジスタは、ＰＭＯＳトランジスタであり、前記第２の導電型トランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタである。

また、本発明は、測定対象の流体が流れる配管に配置されたトランスデューサと、このトランスデューサを駆動して超音波を送信させる送信装置とを備えた超音波流量計における前記送信装置の出力インピーダンス設定方法であって、前記トランスデューサを駆動するように構成された複数のドライバ回路と、これら複数のドライバ回路の出力端子と、前記トランスデューサが接続された送信装置の出力端子との間にそれぞれ設けられた複数の抵抗とを備えた前記送信装置において、前記複数のドライバ回路のそれぞれを、外部からの設定により、出力端子がオープンになるディスエーブル状態と通常動作のイネーブル状態のいずれかに切り替えることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数のドライバ回路を設けると共に、複数のドライバ回路の出力端子と、トランスデューサが接続された送信装置の出力端子との間にそれぞれ抵抗を設け、複数のドライバ回路を、ディスエーブル状態とイネーブル状態とを個別に切替可能なように構成することにより、ドライバ回路の出力端子と送信装置の出力端子との間にスイッチを設けることなく、送信装置の出力インピーダンスの切り替えをすることができ、誤差の無い出力インピーダンス設定を実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る超音波流量計の送信装置の最終段の構成を示す回路図である。 図２は、本発明の実施例に係るドライバ回路の詳細を示す回路図である。 図３は、本発明の実施例において３つのドライバ回路を全てイネーブル状態にして、送信装置の出力端子をハイレベルにしたときの送信装置の等価回路図である。 図４は、本発明の実施例に係る超音波流量計の送信装置の最終段の別の構成を示す回路図である。 図５は、従来の超音波流量計の動作原理を説明する図である。 図６は、従来の超音波流量計の送信装置の最終段の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る超音波流量計の送信装置の最終段の構成を示す回路図である。超音波流量計は、測定対象の流体が流れる配管に配置されたトランスデューサ１０と、トランスデューサ１０を駆動して超音波を送信させる送信装置２０とを備える。なお、超音波流量計には、トランスデューサ１０と対になる受信側のトランスデューサや、この受信側のトランスデューサで受信された超音波受信信号を増幅する受信装置等が必要であるが、これらの構成は周知技術であるので、詳細な説明は省略する。

図１に示すように、送信装置２０の最終段は、トランスデューサ１０を駆動する複数のドライバ回路２０－１～２０－３と、ドライバ回路２０－１～２０－３の出力端子と、トランスデューサ１０が接続された送信装置２０の出力端子Ｐとの間にそれぞれ設けられた複数の抵抗２１－１～２１－３とから構成される。

本実施例のドライバ回路２０－１～２０－３は、その出力端子がオープン（ハイインピーダンス）になるディスエーブル状態と通常動作のイネーブル状態とを個別に切替可能な構成となっている。複数のドライバ回路２０－１～２０－３のうち、使用しないドライバ回路をディスエーブル状態にすれば、ディスエーブル状態のドライバ回路の出力端子がオープン（ハイインピーダンス）となり、このドライバ回路の出力端子に接続されている抵抗は、送信装置２０の出力インピーダンスに寄与しない。これにより、本実施例では、ドライバ回路２０－１～２０－３の出力端子と送信装置２０の出力端子Ｐとの間にスイッチを設けることなく、送信装置２０の出力インピーダンスの切り替えをすることができ、スイッチの電圧依存性による出力インピーダンスの誤差を回避することができる。

図２は本実施例のドライバ回路２０－１～２０－３の詳細を示す回路図である。図２に示すように、ドライバ回路２０－１～２０－３は、それぞれゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ソースが第１の電源電圧Ｖに接続され、ドレインがドライバ回路の出力端子に接続されたＰＭＯＳトランジスタ２００（第１の導電型トランジスタ）と、ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ドレインがドライバ回路の出力端子に接続され、ソースが第２の電源電圧（本実施例ではグランド）に接続されたＮＭＯＳトランジスタ２０１（第２の導電型トランジスタ）と、２つの接点端子のうち第１の接点端子が第１の電源電圧Ｖに接続され、第２の接点端子がＰＭＯＳトランジスタ２００のゲートに接続されたスイッチ２０２と、２つの接点端子のうち第１の接点端子がＮＭＯＳトランジスタ２０１のゲートに接続され、第２の接点端子が第２の電源電圧に接続されたスイッチ２０３とから構成される。

超音波流量計の調整を行う作業者は、送信装置２０の出力インピーダンスを調整する際に、複数のドライバ回路２０－１～２０－３のうち、任意のドライバ回路をディスエーブル状態にする。ドライバ回路をディスエーブル状態にするには、そのドライバ回路のスイッチ２０２，２０３を外部からの設定によりオンにして、トランジスタ２００，２０１のそれぞれのゲート－ソース間を短絡すればよい。これにより、トランジスタ２００，２０１がオフ（無効）になるので、ドライバ回路の出力端子がオープン状態（ハイインピーダンス）になる。

一方、例えばドライバ回路２０－１をイネーブル状態にするには、ドライバ回路２０－１のスイッチ２０２，２０３をオフにすればよい。ドライバ回路２０－１の２つの入力端子（トランジスタ２００，２０１のゲート）は、それぞれ独立のプリドライバ回路（不図示）の出力端子に接続されている。送信装置２０の出力端子Ｐをハイレベルにするには、これら２つのプリドライバ回路の出力信号をローレベルにする。これにより、ドライバ回路２０－１のＰＭＯＳトランジスタ２００がオン、ＮＭＯＳトランジスタ２０１がオフとなり、ＰＭＯＳトランジスタ２００および抵抗２１－１を通じて出力端子Ｐにハイレベルの駆動信号が出力される。また、ドライバ回路２０－１の２つの入力端子をハイレベルにすると、ドライバ回路２０－１のＰＭＯＳトランジスタ２００がオフ、ＮＭＯＳトランジスタ２０１がオンとなり、出力端子Ｐがローレベルとなる。

なお、スイッチ２０２としては、例えばドレインが第１の電源電圧Ｖに接続され、ソースがトランジスタ２００のゲートに接続されたＮＭＯＳトランジスタを使用すればよい。同様に、スイッチ２０３としては、例えばドレインがトランジスタ２０１のゲートに接続され、ソースが第２の電源電圧（本実施例ではグランド）に接続されたＮＭＯＳトランジスタを使用すればよい。これらＮＭＯＳトランジスタのゲートに外部からハイレベルの電圧を与えることにより、ＮＭＯＳトランジスタをオン（スイッチ２０２，２０３をオン）にすることができる。

上記の例では、１つのドライバ回路２０－１の動作についてのみ説明しているが、複数のドライバ回路２０－１～２０－３を個別にイネーブル状態またはディスエーブル状態にすることにより、送信装置２０の出力インピーダンスを切り替えることができる。例えば３つのドライバ回路２０－１～２０－３を全てイネーブル状態にした場合、送信装置２０の出力端子Ｐをハイレベルにしたときには、図３に示すように、ドライバ回路２０－１～２０－３は、抵抗２１－１～２１－３の一端を電源電圧Ｖに接続したのと等価の状態になる。また、３つのドライバ回路２０－１～２０－３を全てイネーブル状態にして、送信装置２０の出力端子Ｐをローレベルにしたときには、抵抗２１－１～２１－３の一端がグランドに接続されたのと等価の状態になる。

なお、図１～図３では、記載を簡単にするために、トランスデューサ１０を単相駆動する例で説明しているが、実際の設計では差動で駆動するようになっている。この場合の構成を図４に示す。差動ドライバ回路２２－１～２２－３には、第１の電源電圧Ｖと第２の電源電圧－Ｖとが供給される。差動ドライバ回路２２－１～２２－３は、ドライバ回路２０－１～２０－３と同様に、ディスエーブル状態とイネーブル状態とを個別に切替可能な構成となっている。差動ドライバ回路２２－１～２２－３の非反転出力端子と送信装置２０の非反転出力端子Ｐとの間には、抵抗２１Ｐ－１～２１Ｐ－３が接続され、差動ドライバ回路２２－１～２２－３の反転出力端子と送信装置２０の反転出力端子Ｎとの間には、抵抗２１Ｎ－１～２１Ｎ－３が接続されている。こうして、差動駆動の場合においても単相駆動の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例では、送信装置内にドライバ回路と抵抗とを３つずつ設けているが、これに限るものではなく、ドライバ回路と抵抗とをそれぞれ少なくとも２つ設けるようにすればよい。

本発明は、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計に適用することができる。

１０…トランスデューサ、２０…送信装置、２０－１～２０－３，２２－１～２２－３…ドライバ回路、２１－１～２１－３，２１Ｐ－１～２１Ｐ－３，２１Ｎ－１～２１Ｎ－３…抵抗、２００…ＰＭＯＳトランジスタ、２０１…ＮＭＯＳトランジスタ、２０２，２０３…スイッチ。

Claims (8)

1. 測定対象の流体が流れる配管に配置されたトランスデューサと、
   このトランスデューサを駆動して超音波を送信させるように構成された送信装置とを備え、
   前記送信装置は、
   前記トランスデューサを駆動するように構成された複数のドライバ回路と、
   これら複数のドライバ回路の出力端子と、前記トランスデューサが接続された送信装置の出力端子との間にそれぞれ設けられた複数の抵抗とを備え、
   前記複数のドライバ回路のそれぞれは、外部からの設定により、出力端子がオープンになるディスエーブル状態と通常動作のイネーブル状態とを個別に切替可能なように構成されたことを特徴とする超音波流量計。
2. 請求項１記載の超音波流量計において、
   前記複数のドライバ回路のそれぞれは、
   前記トランスデューサを駆動するように構成されたトランジスタと、
   外部からの設定により前記トランジスタを無効にして、そのドライバ回路の出力端子をオープン状態にすることにより、ドライバ回路を前記ディスエーブル状態にするように構成されたスイッチとを備えることを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項２記載の超音波流量計において、
   前記トランジスタは、
   ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ソースが第１の電源電圧に接続され、ドレインがそのドライバ回路の出力端子に接続された第１の導電型トランジスタと、
   ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ドレインがそのドライバ回路の出力端子に接続され、ソースが第２の電源電圧に接続された第２の導電型トランジスタとからなり、
   前記スイッチは、
   ２つの接点端子のうち第１の接点端子が前記第１の電源電圧に接続され、第２の接点端子が前記第１の導電型トランジスタのゲートに接続された第１のスイッチと、
   ２つの接点端子のうち第１の接点端子が前記第２の導電型トランジスタのゲートに接続され、第２の接点端子が前記第２の電源電圧に接続された第２のスイッチとからなり、
   外部からの設定により前記第１、第２のスイッチを共にオンにすることにより、ドライバ回路を前記ディスエーブル状態にすることを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項３記載の超音波流量計において、
   前記第１の導電型トランジスタは、ＰＭＯＳトランジスタであり、
   前記第２の導電型トランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタであることを特徴とする超音波流量計。
5. 測定対象の流体が流れる配管に配置されたトランスデューサと、このトランスデューサを駆動して超音波を送信させる送信装置とを備えた超音波流量計における前記送信装置の出力インピーダンス設定方法であって、
   前記トランスデューサを駆動するように構成された複数のドライバ回路と、これら複数のドライバ回路の出力端子と、前記トランスデューサが接続された送信装置の出力端子との間にそれぞれ設けられた複数の抵抗とを備えた前記送信装置において、前記複数のドライバ回路のそれぞれを、外部からの設定により、出力端子がオープンになるディスエーブル状態と通常動作のイネーブル状態のいずれかに切り替えることを特徴とする超音波流量計の送信装置の出力インピーダンス設定方法。
6. 請求項５記載の超音波流量計の送信装置の出力インピーダンス設定方法において、
   前記トランスデューサを駆動するように構成されたドライバ回路のトランジスタを、外部からの設定により無効にしてドライバ回路の出力端子をオープン状態にすることにより、ドライバ回路を前記ディスエーブル状態にすることを特徴とする超音波流量計の送信装置の出力インピーダンス設定方法。
7. 請求項６記載の超音波流量計の送信装置の出力インピーダンス設定方法において、
   前記トランジスタは、ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ソースが第１の電源電圧に接続され、ドレインがドライバ回路の出力端子に接続された第１の導電型トランジスタと、ゲートに駆動信号を生成するための信号が入力され、ドレインがドライバ回路の出力端子に接続され、ソースが第２の電源電圧に接続された第２の導電型トランジスタとからなり、
   外部からの設定により前記第１、第２の導電型トランジスタのそれぞれのゲート－ソース間を短絡することにより、ドライバ回路を前記ディスエーブル状態にすることを特徴とする超音波流量計の送信装置の出力インピーダンス設定方法。
8. 請求項７記載の超音波流量計において、
   前記第１の導電型トランジスタは、ＰＭＯＳトランジスタであり、
   前記第２の導電型トランジスタは、ＮＭＯＳトランジスタであることを特徴とする超音波流量計の送信装置の出力インピーダンス設定方法。

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