JPH0534193A - 超音波送受波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受信超音波信号のゼロクロスを高精度に特定
し超音波の伝播時間を正確に測定すること。 【構成】 超音波送波器１０２の出力タイミングに基づ
いて超音波受波器１０３で受信される超音波の伝搬時間
を算定する伝搬時間算定手段１０，２０を備えている。
この伝搬時間算定手段１０，２０が、受信超音波の波形
を所定のタイミングで順次記憶する波形記憶部１１と、
この波形記憶部１１の波形データに基づいてゼロクロス
点を検出するゼロクロス位置検出部１２と、このゼロク
ロス位置検出部１２の出力および超音波送波器１０２の
出力タイミングとにより受信超音波の伝搬時間を算定す
る伝搬時間演算部１３とを有している。そして、ゼロク
ロス位置検出部１２が、受信波形のゼロクロス点を前回
の波形データのゼロクロス点に基づいて検出するゼロク
ロス点追尾機能を備えていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物に超音波を伝
搬させてその伝搬時間などを測定する超音波送受波装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波式距離計や超音波式流量
計などの超音波式の計測器は、超音波送波器から所定周
波数の超音波を出力し、その反射波或いは透過波を捕捉
して電気信号に変換し、この捕捉された受信情報に基づ
いてその伝搬時間などを算定するように構成されてい
る。図１３に、この種の超音波の計測器の１つである超
音波送受波装置の従来例を示す。

【０００３】この図１３に示す従来例は、予め内蔵され
ているタイマによって所定のタイミング毎にパルス波を
発生し出力するパルス発振回路１０１と、このパルス発
振回路１０１によって駆動される超音波送波器１０２
と、この超音波送波器１０２から出力される超音波を被
測定物Ｓを介して受信する超音波受波器１０３とを備え
ている。この超音波受波器１０３で受信された超音波信
号は、電気信号に変換されたのち増幅器１０４で増幅さ
れて伝搬時間算定手段１０６に送られる。そして、この
伝搬時間算定手段１０６では、増幅器１０４からの受信
信号とパルス発振回路１０１のタイマからのタイミング
パルスとから伝搬時間が算定されるようになっている。

【０００４】図１４に、前述した伝搬時間算定手段１０
６の具体例を示す。この伝搬時間算定手段１０６は、パ
ルス発振回路１０１のタイマからのタイミングパルスに
よりトリガされて一定の周期の方形波パルスである書き
込みパルス及び読み出しパルスを発生するタイミング制
御回路１１０と、増幅器１０４からの受信信号を波形デ
ータとして入力しディジタル値に変換し出力するＡ／Ｄ
変換回路１１１と、このＡ／Ｄ変換回路１１１から出力
される波形データを所定のアドレスに対して書き込みパ
ルスで格納すると共に読み出しパルスで読み出して出力
する波形記憶部１１２と、この波形記憶部１１２から出
力される波形データより伝搬時間を検出し出力する伝搬
時間算定出力部１１３とを備えている。

【０００５】伝搬時間算定出力部１１３は、波形記憶部
１１２から出力される波形データより受信信号のゼロク
ロス点を検出すると共に、そのゼロクロス点に対応した
アドレスを出力するゼロクロス点アドレス検出部１１４
と、このゼロクロス点アドレス検出部１１４から出力さ
れるアドレスに基づいて伝搬時間を算定する伝搬時間演
算部１１７とを備えている。

【０００６】そして、この図１４に示す従来例では、ま
ず、タイミング制御回路１１０には図１３に示すパルス
発振回路１０１からの出力パルスが、タイミングパルス
として入力される。このタイミングパルスによりトリガ
されて一定の周期の方形波パルスが、書き込みパルスと
してタイミング制御回路１１０から出力される。一方、
Ａ／Ｄ変換回路１１１は、送られて来る波形データが書
き込みパルスに応じてサンプリングされディジタルに変
換されて、波形記憶部１１２に出力される。波形記憶部
１１２に出力されたディジタル値は、波形記憶部１１２
では書き込みパルスに応じて低いアドレスから順次格納
される。

【０００７】必要なすべてのディジタル値が格納される
と、タイミング制御回路１１０から読み出しパルスが出
力されるようになっている。この読み出しパルスによ
り、波形記憶部１１２に格納されたディジタル値は、書
き込まれた順序と同じ順序で読み出され、ゼロクロス点
アドレス検出部１１４に送られる。図１５に、書き込み
及び読み出しのタイミングチャートを示す。

【０００８】ゼロクロス点アドレス検出部１１４では、
予め決められたスレショルドレベルＴｈに基づいて波形
データの内の所定レベルの波形を検出し、その検出時点
よりあとに出力されたディジタル値の中で最初に極性が
正から負へ変わるディジタル値を検出し、これをゼロク
ロス点（受信超音波の受信タイミングを示す情報）とし
て出力する。

【０００９】そして、これを受けた伝搬時間演算部１１
７では、ゼロクロス点アドレス検出回路部１１４で特定
されたゼロクロス点（受信超音波の受信のタイミングを
示す情報）に基づいて受信超音波の伝搬時間が算定され
るようになっている。図１５に、タイミングパルス
Ｐ_O ，受信超音波信号Ａ，Ｂ，Ｃ，スレショルドレベル
Ｔｈなどの関係を示す。この図１５において、時間ｔ_O
を検出しているのは、真の受信信号の立ち上がり時間ｔ
ｓの部分の受信信号がノズルに埋もれていて、正確な受
信信号立ち上がりを検出するのが困難であることから、
検出の確実な第１のゼロクロス点ｔ_O をもって受信時間
としている。また、必要に応じて第２、第３のゼロクロ
ス点を検出し、これに基づいてｔｓとｔ_O の誤差、即ち
「ｔｓ−ｔ_O 」で補正し、受信信号立ち上がり時間ｔｓ
を求めることにより、被測定物Ｓ内の超音波伝搬時間の
測定がなされる場合もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来例にあっては、受信信号の受信レベルの変動がある
と、同じ被測定物であっても、前述した時間ｔ_O が誤っ
て検出されてしまうという問題点がある。図１５の上か
ら３番目の波形Ｂに示すように、受信信号の受信レベル
が低下した場合は、時間ｔ_O は遅れた時間を検出するこ
とになる。また、同図（図１５）の上から４番目の波形
Ｃに示すように受信信号の受信レベルが増加した場合
は、時間ｔ_O は早まった時間を検出することになる。こ
のように、時間ｔ_O がずれて検出されるので、被測定物
Ｓ内の超音波伝搬時間に測定誤差を生じてしまうという
不都合があった。

【００１１】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、とくに受信信号の変動があっても、超音波伝
搬時間に測定誤差を生じることのない超音波送受波装置
を提供することを、その目的とする。

【００１２】

【発明が解決するための手段】かかる目的を達成すべ
く、本発明では、超音波送波器および超音波受波器を有
し、超音波送波器の出力タイミングに基づいて超音波受
波器で受信される超音波の伝搬時間を算定する伝搬時間
算定手段を備えている。この伝搬時間算定手段は、超音
波受波器で受信される超音波の波形信号を所定のタイミ
ングで順次記憶する波形記憶部と、この波形記憶部から
出力される波形データに基づいてゼロクロス点を検出す
るゼロクロス位置検出部と、このゼロクロス位置検出部
の出力および前記超音波送波器の出力タイミングとに基
づいて受信超音波の伝搬時間を算定する伝搬時間演算部
とを備えている。そして、ゼロクロス位置検出部が、受
信された波形データのゼロクロス点を，前回測定され特
定された波形データのゼロクロス点に基づいて検出する
ゼロクロス点追尾機能を備えている、等の構成をとって
いる。これによって、前述した目的を達成しようとする
ものである。

【００１３】

【作用】本発明では、前回の波形データのゼロクロス点
に基づいてゼロクロス点を決定するので、複数の測定を
行う際に急激な伝搬時間の変動がない限り有効に追尾を
行うことができる。このため、受信信号のレベルの変動
がある場合にもゼロクロス点が変わることはない。ま
た、定期的な割り込み処理等で基準波形データとの相関
を求めることによりゼロクロス点の見直しを行なう等の
手法を付加することにより、例えば異なったゼロクロス
点の追尾を確実に防止できる。

【００１４】

【発明の実施例】以下、本発明の第１実施例を図１ない
し図５に基づいて説明する。ここで、前述した従来例と
同一の物については同一の符号を用いることとする。

【００１５】まず図２に示すように、この実施例は、パ
ルス発振回路１０１と、このパルス発振回路１０１によ
って駆動される超音波送波器１０２と、この超音波送波
器１０２から出力される超音波を被測定物Ｓを介して受
信する超音波受波器１０３とを備えている。この超音波
受波器１０３で受信された超音波信号は、電気信号に変
換されたのち増幅器１０４で増幅されて伝搬時間算定手
段１０に送られる。そして、この伝搬時間算定手段１０
では、増幅器１０４からの受信信号とパルス発振回路１
０１からのタイミングパルスとから、受信超音波の伝搬
時間が算定されるようになっている。

【００１６】図１に、伝搬時間算定手段１０の具体例を
示す。この図２に示す伝搬時間算定手段１０は、前述し
た従来例の場合と同一に機能するタイミング制御回路１
１０とＡ／Ｄ変換回路１１１とを備えている。そして、
Ａ／Ｄ変換回路１１１から出力される波形データを、所
定のアドレスに対して書き込みパルスで格納すると共に
読み出しパルスで読み出し出力する波形記憶部１１と、
この波形記憶部１１から出力される波形データよりトリ
ガ波のゼロクロス点を検出するゼロクロス位置検出部１
２と、ゼロクロス位置検出部１２と波形記憶部１１から
出力される波形データより伝搬時間を算定し出力する伝
搬時間演算部１３とを備えた構成となっている。

【００１７】本実施例では、ゼロクロス位置検出部１２
が、さらに初期ゼロクロス検出部１２１と、ゼロクロス
追尾部１２２を含んでいる。

【００１８】初期ゼロクロス検出部１２１は、基準とな
るトリガ波のゼロクロス点アドレスを検出するもので、
通常測定の準備段階に実行される。このゼロクロス点の
求め方法としては既知の方法で予め求めたものを採用す
ることができる。一方、例えば、受信波の波形データか
ら隣接する波同士の振幅比を求め、この振幅比が最大と
なる波との関係に基づいてゼロクロス点アドレスを検出
しても良い。この方法によると、受信信号から真の到達
に即した測定が可能となる。また、他の方法として、複
数の波形データの平均をとり、この平均した波形データ
において、一定のスレショルドレベルを越える波形の後
にゼロクロスするアドレスを、基準とすべきゼロクロス
アドレスとすることもできる。

【００１９】次に、ゼロクロス追尾部１２２の詳細構造
をマイクロコンピュータによって信号処理した場合につ
いて説明する。従って、図３に示したアルゴリズム及び
図４に示したゼロクロス点付近拡大波形図によって説明
する。

【００２０】まず、今回受信された波形データにおい
て、前回の波形データにおけるトリガ波の基準ゼロクロ
ス点のアドレスｚ_p-1 と同じアドレスの波形Ｗ_z,p-1 を
求める（Ｓ１−１）。各回の受信において多少の変動が
あるため、前回のゼロクロス点のアドレスにおけるデー
タ値が必ずしも０になっているとは限らない。従って、
このずれを見てゼロクロス点がどちらにずれたかを判断
する（Ｓ１−２）。

【００２１】即ち、波形データＷ_Z,p-1 が０以上の場合
は、図４に示すようにゼロクロス点が後方にずれたもの
と判断して、アドレスｚ_p-1 から後方に向かって波形デ
ータの符号が＋から−へ変わるアドレスを求め、このア
ドレスｚ_p を新たなトリガ波の基準ゼロクロス点とする
（Ｓ１−３）。一方、波形データＷ_z,p-1 が０より小さ
い場合は、図５に示すようにゼロクロス点が前方にずれ
たものと判断して、アドレスｚ_p-1 から前方に向かって
波形データの符号が−から＋へ変わるアドレスを求め、
このアドレスｚ_p を新たなトリガ波の基準ゼロクロス点
とする（Ｓ１−４）。このように、前回のゼロクロス点
のアドレスに基づいて今回のゼロクロスを決定していく
ので、急激な伝搬時間の変動がない限りゼロクロス点の
追尾を行うことができ、受信レベルの変動がある場合に
もゼロクロス点は変動することがない。

【００２２】次に、本発明の第２実施例を図６ないし図
１２に基づいて説明する。ここで、前述した第１実施例
と同一の構成物については同一の符号を用いることとす
る。

【００２３】図６において、符号２０は、伝搬時間算定
手段の他の具体例を示す。この図６に於ける伝搬時間算
定手段２０は、新たに見直し部１４を含んだ構成となっ
ている。この見直し部１４は、図７に示すように、基準
波形パターン演算記憶部１４０及び平均波形パターン演
算記憶部１４１と、この基準波形パターン演算記憶部１
４０及び平均波形パターン演算記憶部１４１の各出力信
号を入力し所定の演算を行う相関演算部１４２と、この
相関演算部１４２の出力を補正するゼロクロス補正部１
４３とを備えている。

【００２４】平均波形パターン記憶部１４１は、測定段
階で波形の平均パターンを記憶するものである。このア
ルゴリズムを図１０に示す。ゼロクロス追尾部１２２に
よって求められたトリガ波のゼロクロス点を基準とし
て、本実施例では、前方４波のゼロクロス点を以下の式
で求める（Ｓ４−２）。

【００２５】Ｚ_j （i ）＝Ｚ_t,i ー Ｗ・（４−ｊ）；
〔ただし、ｊ＝０，・・・，３〕なお、ここで、Ｗは基
準波形パターン記憶部１４０に記憶されている波形デー
タの平均波長である。また、４つのゼロクロス点は、生
の波形データから符号が変わるアドレスを検出して求め
ることも可能であるが、ここでは処理時間の短縮のため
に波長を用いて近似式により求めている。さらに、各ゼ
ロクロス点の１／４波長前の点（予想＋ピーク点）と３
／４波長前の点（予想−ピーク点）のデータ差、即ちス
パンを、以下の式から求める（Ｓ４−３）。

【００２６】 Ｓ_j （ｉ）＝Ｗ_zj-1w/4 （ｉ）ーＷ_Zj-3w/4 （ｉ）

【００２７】ここでも上述したのと同様の近似により、
ゼロクロス点の１／４波長前が＋のピーク点、３／４波
長前が−のピーク点であると近似して処理時間を短縮し
ている。実際のピーク値を求めることももちろん可能で
ある。尚、ここでスパンは＋のピーク点と−のピーク点
の差をとることにより、波形データに重畳されるオフセ
ット値や低周波ノイズ等の影響をキャンセルすることが
できる。

【００２８】このステップ「Ｓ４−２」から「Ｓ４−
４」までをｎ個の受信された波形データについて繰り返
して、各４波のスパンを積算する（Ｓ４−４）。

【００２９】 Ａ_j （i ）＝Ａ_j （i −１）＋Ｓ_j （i ）；〔ただし、ｊ＝０，・・・３〕 次に、各４波のスパンの積算値から平均スパンを求める
（Ｓ４−６）。

【００３０】 Ｓ_j の平均値＝Ａ_j （ｎ）/ ｎ ；〔ただし、ｊ＝０，・・・３〕

【００３１】基準波形パターン記憶部１４０は、測定の
準備段階で基準波形のパターン情報を記憶して置くもの
である。その基準波形パターンの取り方は、上記の平均
波形の求め方と同様の方法により測定前の安定した状態
で波形の平均スパンＲｊと平均波長ｗを求めてそのデー
タを記憶するものである。

【００３２】ここで、平均波長を求めるアルゴリズムの
一例を図８において説明する。まず、図８でｉ番目（ｉ
＝１，・・・ｎ）に受信された波形データにおいて、符
号が＋の最大値を検出し、そのアドレス「ｍａｘ
（ｉ）」を求める（Ｓ２−２）。そのアドレス「ｍａｘ
（ｉ）」から前アドレスに向かって波形データの値の符
号が−から＋へ変わる点（ゼロクロス点）のアドレス各
「ｚｅｒｏ_j（ｉ）（ｊ＝０・・・）」と波形の各ピー
ク値「Ｐ_j （ｉ）」を求める（Ｓ２−４）。このステッ
プ「Ｓ２−４」をピーク値「Ｐj （ｉ）」がスレショル
ドレベルＰ_Thより小さくなるまで続けると共に（Ｓ２−
５）、ピーク値がスレショルドレベルＰ_Thより大きい波
の個数Ｃを求める（Ｓ２−６）。そして、ｉ番目の波形
データの波長Ｌを、

【００３３】Ｌ（ｉ）＝〔ｚｅｒｏ_O （ｉ）−ｚｅｒｏ
_C （ｉ）〕／Ｃ；の式により求める（Ｓ２−７）。この
ステップ「Ｓ２−２」から「Ｓ２−７」までをｎ個の受
信された波形データについて繰り返して、各波長Ｌ
（ｉ）を求め（Ｓ２−１、Ｓ２−８）。

【００３４】また、平均の波長ｗは、 ｗ＝（１／ｎ）
・ΣＬ（ｉ） ；の式により求める（Ｓ２−９）。

【００３５】相関演算部１４２は、基準波形パターン記
憶部１４０からの予め記憶された基準波形のパターン情
報と、平均波形パターン記憶部１４１からの記憶された
現在の波形パターン情報の相関演算を行う。そして、ゼ
ロクロス補正部１４３は、相関演算部１４２の演算結果
に基づいてトリガ波のゼロクロス点の補正を行うもので
ある。

【００３６】この相関演算部１４２と、ゼロクロス補正
部１４３のアルゴリズムを図１２に示す。この図１２に
おいて、まず、平均波形パターンと基準波形パターンと
の相関演算を以下の式に基づいて行い、その偏差を求め
る。

【００３７】Ｄ_k ＝（１／４）・Σ（Ｒ_k+j −Ｓ_jの平
均値）² ；このＤ_k を、ｋ＝−１，０，１，の場合に
ついて求め、その最小値を求める（Ｓ５−５）。

【００３８】そして、偏差Ｄ_-1が最小の場合には現在追
尾しているトリガ波がずれているものと判断して、トリ
ガ波を１波前にずらし、トリガ波のゼロクス点を；「Ｚ
_p ＝Ｚ_p −Ｗ」とする（Ｓ５−７）。一方、偏差Ｄ_-1が
最小値でない場合には現在追尾している方向とは反対の
方向にトリガ波がずれているものと判断して、トリガ波
を１波後にずらし、トリガ波のゼロクロス点を；「Ｚ_p
＝Ｚ_p ＋ｗ」とする（５−９）。また、Ｄ_O が最小値の
場合には現在追尾しているトリガ波が正しいものと判断
して、トリガ波をそのままにする。

【００３９】以上によって構成される見直し部１４を一
定間隔毎に起動することにより、現在追尾しているトリ
ガ波の見直し動作を行う。そして、このアルゴリズムに
よれば、基準波形パターンと平均波形パターンの相関を
左右１波ずつずらしてその偏差が最も最小値となるとき
を波形が一致したものと判断する。

【００４０】このように、見直し部１４を設けることに
より、ゼロクロス点追尾部１２２によって間違ったトリ
ガ波のゼロクロス点を追尾してしまうことを防止でき
る。ここで、上記実施例のゼロクロス点は主にデータの
符号が＋から−に変わる点としているが符号が−から＋
に変わる点としも同様である。その他の構成および作用
効果は、前述した第１実施例と同一となっている。

【００４１】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、前回の波形データのゼロクロス点
に基づいてゼロクロス点を決定するゼロクロス位置検出
部を設けたので、複数の測定を行う際に急激な伝搬時間
の変動がない限りトリガ波のゼロクロス点を正確に検出
することができ、従って受信信号のレベルの変動がある
場合にもゼロクロス点が変わることはない。また、定期
的な割り込み処理等で基準波形データとの相関を求める
ことによりゼロクロス点の見直しを行うと、異なったゼ
ロクロス点にかかる追尾を有効に防止することができ、
伝搬時間測定の誤差を少なくすることができるという従
来にない優れた超音波送受波装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の主要部を示すブロック図

【図２】図１のブロック図を組み込んだ装置全体の構成
を示すブロック図

【図３】図１におけるゼロクロス追尾部のアルゴリズム
を示すフローチャート

【図４】図３の一方の動作方向の物理的意味を示す説明
図

【図５】図３の他方の動作方向の物理的意味を示す説明
図

【図６】本発明の第２実施例における伝播時間算定手段
の他の例を示すブロック図

【図７】図６のブロック図中における見直し部の具体例
を示すブロック図

【図８】図７内の基準波形パターン演算記憶部の動作を
示すフローチャート

【図９】図７内のｉ番目の波の意味を示す説明図

【図１０】図７内における平均波形パターン演算記憶部
の動作を示すフローチャート

【図１１】図７における相関演算部及びゼロクロス補正
部の動作を示すフローチャート

【図１２】図７の動作時における見直し操作を示す説明
図

【図１３乃至図１４】従来例を示すブロック図

【図１５】図１４の動作を示す説明図である。

【符号の説明】

１０，２０ 伝搬時間算定手段 １１ 波形記憶部 １２ ゼロクロス位置検出部 １３ 伝搬時間演算部 １４ 見直し部 １０２ 超音波送波器 １０３ 超音波受波器 １１０ タイミング制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波送波器および超音波受波器を有
   し、前記超音波送波器の出力タイミングに基づいて前記
   超音波受波器で受信される超音波の伝搬時間を算定する
   伝搬時間算定手段を備え、この伝搬時間算定手段が、前
   記超音波受波器で受信される超音波の波形信号を所定の
   タイミングで順次記憶する波形記憶部と、この波形記憶
   部から出力される波形データに基づいてゼロクロス点を
   検出するゼロクロス位置検出部と、このゼロクロス位置
   検出部の出力および前記超音波送波器の出力タイミング
   とに基づいて受信超音波の伝搬時間を算定する伝搬時間
   演算部とを有する超音波送受波装置において、前記ゼロ
   クロス位置検出部が、受信された波形データのゼロクロ
   ス点を，前回測定され特定された波形データのゼロクロ
   ス点に基づいて検出するゼロクロス点追尾機能を備えて
   いることを特徴とする超音波送受波装置。
2. 【請求項２】 前記ゼロクロス位置検出部は、前回のゼ
   ロクロス点に対応する時刻の波形データを読み取ると共
   に、その波形データが正のときはその時刻より後の時刻
   で波形データが零となる時刻をゼロクロス点とし，その
   波形データが負のときはその時刻より前の時刻で波形デ
   ータが零となる時刻をゼロクロス点とすること，によっ
   てゼロクロス点を検出するゼロクロス点追尾機能を備え
   ていることを特徴とする請求項１記載の超音波送受波装
   置。
3. 【請求項３】 前記伝搬時間算定手段は、さらに基準波
   形データとの相関を求めることによりゼロクロス点の見
   直しを行うゼロクロス点見直し補正機能を備えているこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の超音波受波装
   置。