JPH0537221Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ａ 産業上の利用分野 本考案は超音波流速計に関する。

ｂ 従来の技術 第４図は従来技術による超音波流速計の一例の
ブロツクダイヤグラムである。

主発振回路である第１の電圧制御発振回路
VCO１の出力ａ（周波数a）は、分周比が異なる
複数の出力端子を有する第１の計数回路CNT１
で分周される。計数回路CNT１の第１の出力Ｂ
１（周波数b１）と第１の電圧制御発振回路
VCO１の出力ａを２入力とするAND回路からな
る第１のゲート回路Ｇ１の出力ｃは、順逆切換回
路SWを介して、互いに対向しない２つの超音波
トランスデユーサUT１，UT２の一方に送られ
る。その超音波トランスデユーサから送信された
超音波は流体中を伝播し他方の超音波トランスデ
ユーサで受信され、その受信信号ｄは順逆切換回
路SWを通つて増幅回路Ａに送られる。

上記順逆切換回路SWは上記第１の計数回路
CNT１の第２の出力ｂ２（周波数b２，b２＜
b１）で制御され、超音波トランスデユーサUT
１，UT２の送信・受信の立場を交互に切換え
る。すなわち超音波の伝播方向は、流体の流速Ｖ
に対して順方向・逆方向に交互に切換わる。

上記増幅回路Ａの出力は比較回路等からなる矩
形波化回路RECで矩形波信号ｅに変換される。
矩形波化回路RECの出力ｅはAND回路からなる
第２のゲート回路Ｇ２の一方の入力端子に送られ
る。第２のゲート回路Ｇ２の他方の入力端子に
は、第１の計数回路CNT１の第２の出力ｂ２を
トリガー信号とするモノステーブルマルチバイブ
レータMMの出力信号ｆが送られる。モノステー
ブルマルチバイブレータMMと第２のゲート回路
Ｇ２は、超音波送信の後所定の時間内に受信され
なかつた信号を排除する機能を有する。

第２のゲート回路Ｇ２の出力ｇはフリツプフロ
ツプ回路Ｆ１，Ｆ２で1/4に分周され、後段のフ
リツプフロツプ回路Ｆ２の出力信号ｈは、排他的
論理和回路等からなる位相差検出回路PDの一方
の入力端子に送られる。位相差検出回路PDの他
方の入力端子へは、上記第１の計数回路CNT１
の第３の出力ｂ３（周波数b３）が送られる。
第３の出力ｂ３は第１の出力ｂ１を1/4に分周し
た信号である。したがつて信号ｈと信号ｂ３の周
波数は等しく、位相のみが異なる。

両信号の位相差が位相差検出回路PDで検出さ
れ、その出力ｉは平滑回路等からなる位相差／電
圧変換回路Ｐ／Ｖで電圧信号ｊに変換される。超
音波の伝播方向が流速Ｖに対して順方向であるか
逆方向であるかに対応して、電圧信号ｊは第１の
サンプルホールド回路SH１または第２のサンプ
ルホールド回路SH２に保持される。第１のサン
プルホールド回路SH１と第２のサンプルホール
ド回路SH２は、上記第１の計数回路CNT１の第
２の出力ｂ２を制御信号とし、上記モノステーブ
ルフリツプフロツプ回路MMの出力信号ｆを入力
とするスイツチ回路Ｋの出力信号ｋ１，ｋ２によ
つて交互に付勢される。すなわち超音波伝播方向
が切換わる毎に所定期間だけ出力信号ｊが第１の
サンプルホールド回路SH１または第２のサンプ
ルホールド回路SH２に送られ、保持される。

第１のサンプルホールド回路SH１と第２のサ
ンプルホールド回路SH２の出力の差と和が、そ
れぞれ減算回路REDと加算回路ADDで、計算さ
れる。ローパスフイルターLPFで平均化された
減算回路REDの出力は、流速Ｖに対応する。ロ
ーパスフイルタLPFの出力１は、適当な出力手
段（図示せず）によつて流速として出力される。

加算回路ADDの出力信号ｍは、その値を一定
値に保つように発振周波数を変えるべく電圧制御
発振回路VCOの制御端子に帰還される。この帰
還は主として流体中の音速変化に起因する誤差を
少なくするためのものである。

流速測定の精度を向上するために、送信信号ｂ
１の周波数を1/4に分周した信号ｂ３と、受信信
号ｅの周波数をフリツプフロツプ回路Ｆ１，Ｆ２
で1/4に分周した信号ｈの位相差を位相差検出回
路PDで検出して流速を求める。受信信号ｅをフ
リツプフロツプ回路Ｆ１，Ｆ２で1/4に分周する
際のフリツプフロツプ回路のリセツトは次のよう
に行なわれる。

位相差／電圧変換回路Ｐ／Ｖの出力信号ｊの電
圧で制御される第２の電圧制御発振回路VCO２
の出力信号ｎを第２の計数回路CNT２で４個計
数し、第２の計数回路CNT２の出力信号ｐで第
１のフリツプフロツプ回路Ｆ１をリセツトし、出
力信号ｐをトリガー信号として所定期間だけゲー
トを開き受信信号ｇの立上り端に対応して出力信
号ｑを発生する第２のAND回路AND２の出力ｑ
で第２のフリツプフロツプ回路Ｆ２をリセツトす
る。上記第２の電圧制御発振回路VCO２と第２
の計数回路CNT２は、第１の計数回路CNT１の
第３の出力信号ｂ３の立下り端でリセツトされ、
第３の出力信号ｂ３の立下り端は第２の電圧制御
発振回路VCO２の立上り端に対応する。

したがつて、第１のフリツプフロツプ回路Ｆ１
は、送信信号ｂ１と前回測定における受信信号ｅ
の位相差に対応する時間だけ第１の計数回路
CNT１の第３の出力信号の立下り端より遅れて
リセツトされ、第２のフリツプフロツプ回路Ｆ２
は今回測定サイクルにおける受信信号ｅの受信時
に対応する時間だけ第１の計数回路CNT１の第
３の出力信号の立下り端より遅れてリセツトされ
る。

この結果、位相差検出回路PDの一方の入力信
号である第２のフリツプフロツプ回路Ｆ２の出力
信号ｈは、第３の出力信号ｂ３に対して流体中の
超音波伝播時間により遅れた信号となる。なおパ
ルス幅は既に説明したように同一であるので、位
相差検出回路PDを用いて流体中の超音波伝播時
間が求められる。

この方式によると、送信信号ｂ１に対して受信
信号ｅが送信信号ｂ１のパルス幅より長く遅れて
いる場合であつても、位相差を測定することがで
きる。単純に送信信号と受信信号の位相差を比較
する方式の場合には、流速を正負に振り分けると
速定可能な流速の最大値は送信信号の周期Ｔの1/
４に対応するのに対し、この方式によるときは同
一条件で4Tの1/4に対応する流速まで測定するこ
とができる。

第５図は単純に送信信号と受信信号の位相差を
比較する方式における、受信信号の立上り端の位
置と流速の関係を示す。

流速を正負に振り分けるために送信信号Ｓ１の
パルスの中心Sm（パルスの立下り端を基準にする
と3/4Ｔの位置）に受信信号の立上り端が位置す
るときを流速Ｖ＝０に対応させると、Ｔ／４に対
応する流速まで測定することができる。

第６図は第４図の従来技術による超音波流速計
における、受信信号の立上り端の位置と流速の関
係を示す。

1/4に分周しパルス幅を４倍にした送信信号Ｓ
２のパルスの中心SMに受信信号の立上り端が位
置するときを流速Ｖ＝０に対応させると、4T／
４に対応する流速まで測定することができる。す
なわち測定可能な流速の範囲が４倍になる。

ｃ 考案が解決しようとする問題点 測定範囲を拡大するために、フリツプフロツプ
回路Ｆ１，Ｆ２、第２の電圧制御発振回路VCO
２、計数回路CNT２を用いてパルス幅を拡大し
て位相差を検出する方式の超音波流速計において
は、流速の急速な変化に対して第２の電圧制御発
振回路VCO２の発振周波数が追随することがで
きず、流速測定速度に限界がある。また流速がゼ
ロでないときに測定を開始すると、流速に対応し
ない位相差の状態で回路が安定し流速を測定でき
ないときがある。

ｄ 問題点を解決するための手段 上記問題点は、上記第２の電圧制御発振回路の
制御電圧に、超音波伝播方向が流速に対して順方
向のときには発振周波数を下げる方向にバイアス
電圧を、逆方向のときには発振周波数を上げる方
向にバイアス電圧を、アナログスイツチで切換え
て加えることによつて解決された。

さらに具体的に説明すると、第１の電圧制御発
振回路と、第１の電圧制御発振回路の出力を分周
する第１の分周手段CNTaと、第１の電圧制御発
振回路の出力と第１の分周手段の出力を２入力と
する第１のAND回路と、第１の電圧制御回路の
出力を分周する第２の分周手段CNTbと、上記第
２の分周手段の出力に応じて超音波伝播方向を流
速に対して順方向と逆方向に切換える順逆切換え
手段と、第１のAND回路の出力信号に対応する
超音波を送信・受信する複数個の超音波トランス
デユーサと、受信された超音波信号を増幅する増
幅回路と、受信された超音波信号を矩形波に変換
する矩形波化回路と、第１の分周手段CNTaの第
１の出力を１／ｎ倍（ｎ＞１）に分周してパルス
幅をｎ倍にする第３の分周手段CNTcと、矩形波
化回路の出力を１／ｎ倍に分周してパルス幅をｎ
倍にする第４の分周手段CNTdと、第３の分周手
段CNTcの出力と第４の分周手段CNTdの出力の
位相差を求める位相差検出手段と、超音波伝播方
向が流速に対して順方向のときの位相差と逆方向
のときの位相差を求める減算手段と、減算手段の
出力を流速として出力する出力手段と、上記位相
差検出手段の出力の平均値に対応する電圧を発生
する位相差／電圧変換回路と、位相差／電圧変換
回路の出力電圧に応じて周波数が変化する第２の
電圧制御発振回路と、第２の電圧制御発振回路の
出力信号を計数する計数回路と、第２の電圧制御
発振回路と計数回路をリセツトするリセツト回路
と、第２の計数回路が所定の数を計数したとき発
生するゲート信号と矩形波化回路の出力の立上り
端または立下り端に対応する信号を２入力とする
第２のAND回路を備え、第２のAND回路の出力
で第４の分周手段CNTdをリセツトする超音波流
速計において、 ２個のバイアス電圧設定手段Ｂ１，Ｂ２と、順
逆切換え手段と同期して上記バイアス電圧設定手
段Ｂ１，Ｂ２を交互に上記第２の電圧制御発振回
路VCO２の入力端子に接続するアナログスイツ
チを備え、超音波伝播方向が流速に対して順方向
のときには発振周波数を下げ逆方向のときには発
振周波数を上げることを特徴とする超音波流速計
によつて解決された。

ｅ 作用 流速に対して超音波伝播方向が順方向のとき、
バイアス電圧設定手段Ｂ１からのバイアス電圧を
第２の電圧制御発振回路の入力端子に加えること
により、第２の電圧制御発振回路の発振周波数を
下げる。この結果第２の計数回路が所定の数を計
数したときに発生するゲート信号の立上り端が遅
くなり、受信信号の立上り端が上記のゲート信号
の立上り端に対して相対的に早くなる。これに対
して流速に対して超音波伝播方向が逆方向のとき
は、第２の電圧制御発振回路の発振周波数を上げ
る。この結果、受信信号の立上り端が上記ゲート
信号の立上り端に対して相対的に遅くなる。

順方向のときは上記ゲート信号の中心より左側
に流速Ｖ＝＋０を対応させることにより、順方向
において測定可能な流速の最大限の範囲は上記ゲ
ート信号のパルス幅に対応する。

逆方向のときは上記ゲート信号の中心より右側
に流速Ｖ＝−０を対応させることにより、逆方向
において測定可能な流速の最大限の範囲も上記ゲ
ート信号のパルス幅に対応する。すなわちバイア
ス電圧を加えない場合に比較して、測定可能な流
速の範囲が２倍になる。

第７図は第４図の従来技術による超音波流速計
における追尾される受信信号の立上り端の位置と
ゲートの位置の関係を示す。立上り端の位置は受
信信号の微分波形Ｅで示されている。

第７図においては流速Ｖ＝０はゲート信号G0
の中央にあり、流速に対して超音波伝播方向が順
方向のときには流速が増加するとゲート信号G0
と受信波の立上り端Ｅの両方が右側に移動し、Ｖ
＝＋Vbにおいて受信波の立上り端がゲートの外
に出る。また逆方向のときには、Ｖ＝−Vbにお
いて受信波の立上り端Ｅがゲートの外に出る。

第８図は本考案に係る超音波流速計における、
受信信号の立上り端の位置と流速の関係を示す。
この図においても立上り端の位置は受信信号の微
分波形Ｅで図示されている。

第８図においては、流速に対して超音波伝播方
向が順方向のときには、流速Ｖ＝＋０はゲート信
号Ｇの中央GMより左側に対応し流速が増加する
とゲート信号Ｇと受信波の立上り端Ｅの両方が右
側に移動する、しかしＶ＝＋Vbにおいても受信
波の立上り端ＥはゲートＧの中にある。また逆方
向のときは、流速Ｖ＝−０はゲートの中央GMよ
り右側にあり、流速が増加するとゲート信号Ｇと
受信波の立上り端Ｅの両方が左側に移動する。し
かしＶ＝−Vbにおいて受信波の立上り端Ｅはゲ
ートＧの中にある。

ｆ 実施例 第１図は本考案に係る超音波流速の好ましい実
施例のブロツクダイヤグラムである。

第１図の超音波流速計は第４図の超音波流速計
を改良したものである。説明の重複を避けるため
に、対応する部材については第１図と第４図で共
通の参照符号を使用して説明を省略する。

第１の電圧制御発振回路VCO１の出力は第１
の分周手段CNTa、第２の分周手段CNTb、第３
の分周手段CNTcで分周される。第１の分周手段
CNTa、第２の分周手段CNTb、第３の分周手段
CNTcは同一の計数回路素子を用いて慣用の技術
を用いて構成することができる。

上記第１の分周手段CNTaの出力ｂ１と上記第
１の発振回路VCO１の出力ａは第１のAND回路
AND１の２入力端子に送られ、その出力に対応
する超音波が超音波トランスデユーサが送信され
る。超音波トランスデユーサUT１，UT２の送
信機能と受信機能は順逆切換え手段SWで切換え
られる。

送信信号と受信信号の位相差から流速を求める
部分は第４図と共通である。

第１図のブロツクダイヤグラムにおいては、２
個のバイアス電圧設定手段Ｂ１とＢ２が設けら
れ、順逆切換手段SWと同期しているアナログス
イツチASを介していずれかのバイアス電圧が第
２の電圧制御発振回路VCO２の入力電圧に加え
られる。この作用についてはすでに説明したの
で、ここでは省略する。

第２図はバイアス電圧設定手段Ｂ１，Ｂ２と第
２の電圧制御発振回路VCO２との接続を示すブ
ロツクダイヤグラムである。

第２の分周手段CNTbの出力信号ｂ２は順逆切
換回路SWの接続を切換えるとともに、アナログ
スイツチASの接続を切換える。アナログスイツ
チASはバイアス電圧設定手段Ｂ１，Ｂ２の一方
を、増幅回路AMPの入力端子を接続する。増幅
回路AMPは加算回路として設計され、位相差／
電圧変換回路Ｐ／Ｖの出力ｊと上記バイアス電圧
を加算し、その出力を第２の電圧制御発振回路
VCO２の入力端子に送る。

第３図は第２図の増幅回路AMPの具体的回路
例である。

ｇ 効果 受信波追尾範囲がひろがり、測定可能範囲が
拡大される。

流速があるときSWをONして、順逆方向で
正常な位置に受信波追尾用のゲートがかかりや
すくなる。

流速がレインジ・オーバーしても、流速がレ
インジ内にもどると少しヒステリシスはある
が、もとの測定状態にもどる。

このように、回路動作がより安定になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る超音波流速計の好ましい
実施例のブロツクダイヤグラム、第２図は第１図
のブロツクダイヤグラムにおけるバイアス電圧設
定手段Ｂ１，Ｂ２と第２の電圧制御発振回路
VCO２との接続を示すブロツクダイヤグラム、
第３図は第２図の増幅回路AMPの具体的回路例、
第４図は従来技術による超音波流速計の一例のブ
ロツクダイヤグラム、第５図は単純に送信信号と
受信信号の位相差を比較する方式における受信信
号の立上り端の位置と流速の関係を示す線図、第
６図は第４図の従来技術による超音波流速計にお
ける受信信号の立上り端の位置と流速の関係を示
す線図、第７図は第４図の従来技術による超音波
流速計における受信信号の立上り端の位置とゲー
トの位置の関係を示す線図、第８図は本考案に係
る超音波流速計における受信信号の立上り端の位
置と流速の関係を示す線図である。 Ａ……増幅回路、ADD……加算回路、AND
１，AND２……AND回路、AS……アナログス
イツチ、Ｂ１，Ｂ２……バイアス電圧設定回路、
CNTa，CNTb，CNTc，CNTd……分周回路、
Ｆ１，Ｆ２……フリツプフロツプ回路、Ｇ１，Ｇ
２……ゲート回路、Ｋ……スイツチ回路、LPF
……ローパスフイルタ回路、MM……モノステー
ブルマルチバイブレータ、PD……位相差検出回
路、Ｐ／Ｖ……位相差／電圧変換回路、REC…
…矩形波化回路、RED……減算回路、SH１，
SH２……サンプルホールド回路、SW……順逆
切換え回路、UT１，UT２……超音波トランス
デユーサ、VCO１，VCO２……電圧制御発振回
路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 第１の電圧制御発振回路と、第１の電圧制御
   発振回路の出力を分周する第１の分周手段
   CNTaと、第１の電圧制御発振回路の出力と第
   １の分周手段の出力を２入力とする第１の
   AND回路と、第１の電圧制御回路の出力を分
   周する第２の分周手段CNTbと、上記第２の分
   周手段の出力に応じて超音波伝播方向を流速に
   対して順方向と逆方向に切換える順逆切換え手
   段と、第１のAND回路の出力信号に対応する
   超音波を送信・受信する複数個の超音波トラン
   スデユーサーと、受信された超音波信号を増幅
   する増幅回路と、該増幅回路の出力信号を矩形
   波に変換する矩形波化回路と、第２の分周手段
   の出力と同期する信号と矩形波化回路の出力を
   ２入力とするゲート回路と、第１の分周手段の
   第１の出力を１／ｎ倍（ｎ＞１）に分周してパ
   ルス幅をｎ倍にする第３の分周手段CNTcと、
   第２のゲート回路の出力を１／ｎ倍に分周して
   パルス幅をｎ倍にする第４の分周手段CNTd
   と、第３の分周手段の出力と第４の分周手段の
   出力の位相差を求める位相差検出手段と、超音
   波伝播方向が流速に対して順方向のときの位相
   差と逆方向のときの位相差を求める減算手段
   と、減算手段の出力を流速として出力する出力
   手段と、上記位相差検出手段の出力の平均値に
   対応する電圧を発生する位相差／電圧変換回路
   と、位相差／電圧変換回路の出力電圧に応じて
   周波数が変化する第２の電圧制御発振回路
   VCO２と、第２の電圧制御発振回路の出力信
   号を計数する計数回路と、第２の電圧制御発振
   回路と計数回路をリセツトするリセツト回路
   と、第２の計数回路が所定の数を計数したとき
   に発生するゲート信号と矩形波化回路の出力の
   立上り端または立下り端に対応する信号を２入
   力とする第２のAND回路を備え、第２のAND
   回路の出力で第４の分周手段CNTdをリセツト
   する超音波流速計において、 ２個のバイアス電圧設定手段Ｂ１，Ｂ２と、
   順逆切換え手段と同期して上記バイアス電圧設
   定手段Ｂ１，Ｂ２を交互に上記第２の電圧制御
   発振回路VCO２の入力端子に接続するアナロ
   グスイツチを備え、超音波伝播方向が流速に対
   して順方向のときには発振周波数を下げ逆方向
   のときには発振周波数を上げることを特徴とす
   る超音波流速計。 (2) 上記第４の分周手段CNTdが、直列に接続さ
   れた２段のフリツプフロツプ回路からなること
   を特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の超音波流速計。 (3) 上記第３の分周手段と上記第４の分周手段が
   それぞれ1/4に分周する分周回路であることを
   特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記載
   の超音波流速計。