JPH10221140A

JPH10221140A - 超音波測定装置のパラメータを自動設定する方法及び流量測定用超音波測定装置

Info

Publication number: JPH10221140A
Application number: JP10010056A
Authority: JP
Inventors: Roland Eusemann; オイゼマンローランド; Mirko Bulinsky; ブリンスキーミルコ
Original assignee: Electrowatt Technology Innovation AG
Current assignee: Electrowatt Technology Innovation AG
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1998-08-21
Also published as: PL324517A1; EP0855577A1

Abstract

(57)【要約】【課題】受信信号の極性が正しくなるように、送信用
超音波変換器に印加される信号の送信極性を自動的に調
節できるようにする。【解決手段】超音波変換器１を用いて超音波を発信
し、超音波変換器２で超音波を受信して超音波が両変換
器間を伝搬する時間が測定される。送信極性を一つのパ
ラメータとしてそれぞれ種々のパラメータ値でｎ回の伝
搬時間測定を行ない、予め定められた基準を満たす伝搬
時間、例えば伝搬時間が一番短いものを求める。この伝
搬時間をもたらしたパラメータ値、例えば送信極性、信
号の立ち上がり端あるいは立ち下がり端で検出したか等
を定める。続いて、受信信号の最初と２番目の極値間の
ゼロ点通過時に伝搬時間が測定されるように、上記パラ
メータ値を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波測定装置に
おいて超音波信号の伝搬時間に影響を与えるパラメータ
を最適に自動設定する方法及び流量測定用超音波測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の超音波測定装置は、たとえば熱
量測定装置に使用されている。

【０００３】媒質が貫流する超音波測定区間を通過後の
超音波信号の到達時点を高精度で測定することができる
ためには、受信信号の極性を明らかにすることが必要で
ある。セラミックディスクからなり、その両端面に電極
を備えた送波器として使用される超音波変換器は、それ
ぞれセラミック材料の分極方向に従って、印加される電
気信号に対して同相で、あるいは逆相で振動する。同様
に受信信号の極性は、受波器として用いられる超音波変
換器のセラミック材料の分極方向にも関係する。所定の
分極方向を有する超音波変換器を製造するのは、複雑で
あり高価である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題
は、受信信号の極性が正しくなるように、送信用超音波
変換器に印加される信号の送信極性を自動的に最適に調
節ないし設定できる方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、本発明に
よれば、送波器として用いられる超音波変換器（１、
２）に印加され、超音波測定装置の通常駆動において伝
搬時間測定に用いられる交流波形信号の送信極性並び
に、必要に応じて、伝搬時間に影響を与える他のパラメ
ータを自動的に設定する方法であって、受波器として用
いられる超音波変換器（２、１）から発生される受信信
号（２４）が比較器（１８）へ供給され、比較器（１
８）の出力信号の最初の、または所定の他の信号端部に
より伝搬時間測定が停止される超音波測定装置のパラメ
ータの設定方法において、次のステップ、すなわち送信
極性をパラメータの一つとしてそれぞれ種々のパラメー
タ値でｎ回の伝搬時間測定を行ない、予め定められた基
準を満たす伝搬時間を求め、この伝搬時間をもたらすパ
ラメータ値を求め、予め定められた法則性に沿ってこの
パラメータ値を変化させる各ステップからなる構成を採
用している。

【０００６】この場合、比較器（１８）の両入力端子に
予め定められた直流電圧ΔＵ1が印加され、この直流電
圧ΔＵ1の符号が１つのパラメータとされる。

【０００７】また、伝搬時間測定を停止させる比較器
（１８）の出力パルスの信号端部の方向が、１つのパラ
メータとされる。

【０００８】更に、上記法則性は、通常駆動において受
信信号の最初と２番目の極値間のゼロ点通過に対応する
出力パルスの信号端部により伝搬時間測定が停止するよ
うに、あるいは、検出すべき極値と比較器（１８）の他
の入力端子に印加される基準電圧との差が通常駆動にお
いて可能な限り大きくなるように、あるいは、通常駆動
において比較器（１８）の両入力端子間の電圧差が受信
信号（２４）の到着直前に可能な限り大きくなるよう
に、定められる。

【０００９】好ましくは、送信用超音波変換器（１、
２）の一方の電極（４、４’）がアースに接続され、ま
た送信用超音波変換器（１、２）の他方の電極（３、
３’）には超音波バースト（１０、１１）の送信前に予
め定められた時間、送信用超音波変換器（１、２）に印
加される超音波バースト（１０、１１）の直流電圧成分
がほぼ消滅するように設定された電圧が印加される。

【００１０】また、本発明では、配管を流れる媒質の流
量を測定する超音波測定装置であって、２つの超音波変
換器（１、２）を有し、その間に超音波測定区間が形成
され、超音波変換器（１、２）は送信相の間複数の波形
列からなる超音波パルスを同時に送出するとともに、測
定区間通過後に受信される超音波パルスを受信相の間に
位相測定器へ供給し、その位相測定器は上流ないし下流
に送信される超音波パルスの波形列間の伝搬時間差に起
因する位相差αを、単位時間当り超音波測定装置を貫流
する媒質の体積に比例する単位に変換する超音波測定装
置において、測定区間に更に送信される超音波パルス
（１０、１１）の伝搬時間を直接測定することにより、
流速の近似値が求められ、この近似値によって位相差α
のあいまいさが除去される構成も採用している。

【００１１】好ましくは、位相測定時、両超音波変換器
（１、２）の一方の送信信号または受信信号が、先に求
められた流速の近似値の関数で電子的に時間ｔvだけ遅
延され、流速測定時、位相測定から得られた値がこの遅
延時間ｔvだけ補正される。

【００１２】また、直接伝搬時間を測定する場合に、受
信信号（２４）の最大の極値の値が周期的に求められ、
最大の極値の値が予め定められた値を下回った場合に、
伝搬時間測定に影響を与えるパラメータが請求項１から
７までのいずれか１項に記載の方法を用いて新たに求め
られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図面を用いて本発明の実施
の形態を詳細に説明する。

【００１４】図１は２つの超音波変換器１と２を概略的
に図示しており、両超音波変換器間が、たとえば水やガ
スなどの媒質が貫流する長さｄの超音波測定区間を形成
している。超音波変換器１と２はそれぞれ電極３ないし
３’を有し、その電極はスイッチ５と６によって送信回
路７または受信回路８と接続可能である。送信回路７と
受信回路８には単極でアースｍに対して駆動電圧Ｖddが
供給されている。超音波変換器１と２の第２の電極４な
いし４’、すなわち、超音波測定区間側に向いた電極
は、直接アースｍと接続されている。送信回路７と受信
回路８は、送信する超音波変換器１または２から超音波
測定区間を通過して受信する超音波変換器２ないし１に
到達する超音波信号の伝搬時間を測定するために、計時
回路９を制御する。

【００１５】少なくとも２つの種類の駆動モード、すな
わち、「通常」駆動モードと「調節」駆動モードが存在
する。「調節」駆動モードにおいては、「通常」駆動モ
ード、すなわち通常駆動において使用される種々のパラ
メータ値が設定ないし調節される。

【００１６】超音波信号が媒質内で超音波変換器１から
超音波変換器２に到達するに必要な伝搬時間を測定する
ために、送信回路７は次のように動作する。すなわち、
超音波信号を送信する前に、好ましくは送信回路７と接
続される電極３ないし３’が予め定められた最小の期間
電位Ｖdd／２に接続される。次に送信回路７は図２の
（ａ）に、あるいは図２の（ｂ）で時間に対して示した
超音波バースト１０ないし１１を出力し、計時回路９内
のカウンタを始動させる。各超音波バースト１０、１１
は矩形の波形列からなりその周波数ｆ1は、励起される
厚さ方向振動の共振周波数ｆRに可能な限り近接して設
定され、約１ＭＨｚである。波形列の数は代表的には３
である。超音波バースト１０と１１は異なる送信極性を
有する。すなわち超音波バースト１０の場合には電圧は
最初の波形列でＶddに上昇し（正の極性）、それに対し
て超音波バースト１１の場合には電圧は最初の波形列で
アースｍに低下する（負の極性）。

【００１７】送信前に超音波変換器１をＶdd／２にバイ
アスすることによって、超音波変換器１は主として明瞭
な厚さ方向振動に励起され、望ましくない径方向振動に
は励起されないようになる。この効果は、励起信号が直
流電圧成分を含まず、周波数スペクトルが最適であるこ
とに起因している。超音波変換器１は、過渡現象と減少
過程に従って、まず増大してその後減少する振幅を有す
る「サイン形状」の超音波波形からなる波束を媒質内に
発生する。この波束の周波数は、ほぼ共振周波数ｆRに
等しい。というのは、３つの振動周期しか持たない超音
波バーストは極めて短く、従って送信を行う超音波変換
器１または２はまだ周波数ｆ1で駆動できないからであ
る。波束は３つより多くの波形列を有する。というのは
励起が終了しても、超音波変換器１ないし２は即座には
静止しないからである。

【００１８】また、送信回路は、図２の（ｃ）または図
２の（ｄ）に示すように、電圧が最初の波形列でアース
電位からＶddへ上昇し、ないしはＶddからアース電位へ
下降する超音波バーストを発生させることも可能であ
る。超音波変換器１がこのように励起される場合には、
媒質を通過する波束の振幅は、図２の（ａ）に図示され
る超音波バーストによる励起の場合よりも大きいが、超
音波変換器１は望ましくない径方向振動にも励起され、
その径方向振動が厚さ方向振動に重畳されるという欠点
がある。さらに、送信から受信に切り換える場合、並び
に送信信号の極性が変化するときに、超音波変換器に電
圧飛躍が発生し、それによって媒質内にノイズ信号が発
生してしまう。このような受信信号の信号形状は複雑な
形状を有し変換器毎に異なる波形となるので、超音波バ
ーストの到着時点の検出は困難になる。

【００１９】受信回路８は直列に接続された２つの電源
１２、１３、コンデンサ１４、抵抗１５、２つの抵抗１
６、１７によって形成される分圧器、比較器１８、計時
停止回路１９並びに４つのスイッチ２０〜２３を有す
る。どのように配線されているかは図１から理解でき
る。抵抗１５は、大きな受信信号を発生させるために、
超音波変換器１ないし２のインピーダンスに比較して高
抵抗に選択されている。

【００２０】媒質内での超音波バーストの伝搬時間の測
定は、たとえば送信回路７により超音波バーストを超音
波変換器１へ出力し、計時回路９内のカウンタを始動さ
せ、そのカウンタにより計時停止回路１９からカウンタ
をストップさせる信号が到着するまでの時間周波数ｆ2
のサンプリングパルスを計数することによって行われ
る。周波数ｆ2は、好ましくは周波数ｆ1の約１０倍の大
きさである。

【００２１】受信信号はほぼ振幅変調されたサイン信号
であり、同様に正と負の極性を有し、受信信号の半波は
正または負になる。超音波変換器１と２が同相で振動す
る場合には、受信極性は送信極性と等しい。そうでない
場合には受信極性と送信極性は異なる。超音波変換器
１、２はセラミックディスクからなり、その上に電極
３、４ないし３’、４’が取り付けられている。超音波
変換器１と２が同相で振動するかどうかは、セラミック
ディスクの分極方向に関係するとともに、４つの電極
３、４、３’および４’のどの２つがアースｍと接続さ
れているかに関係する。受信信号の極性は送信信号の極
性と結合しているので、送信信号が反転すると、受信信
号の極性は反転する。

【００２２】受信回路８は次のように動作する。まず、
スイッチ２０と２３を閉じることによってコンデンサ１
４が電圧Ｖdd／２に充電される。コンデンサ１４が充電
されると、スイッチ２３が再び開放される。次に、必要
に応じて、スイッチ２１またはスイッチ２２を閉じるこ
とにより予め定められた時間τの間コンデンサ１４のＤ
Ｃ電位を所定の電圧＋｜ΔＵ1｜だけ増大してＶdd／２
＋｜ΔＵ1｜とし、ないしは電圧−｜ΔＵ1｜だけ減少し
てＶdd／２−｜ΔＵ1｜とする。そして、超音波変換器
１から送出された超音波波束が超音波変換器２に到着す
ると、比較器１８は比較器１８のオフセットＵ0だけ、
また場合によっては電圧ΔＵ1だけずれた受信信号を電
圧Ｖdd／２と比較する。比較器１８はサイン形状の受信
信号を矩形パルス列に変換する。

【００２３】計時停止回路１９は、この矩形パルスの最
初の信号端部、あるいは他の所定信号端部を検出する
と、計時回路９のカウンタを停止させる。カウンタを停
止させる信号が出力されると、必要に応じて、両電源の
他方１２または１３を時間τの間コンデンサ１４と接続
し、その後スイッチ２３を閉じることによりコンデンサ
１４を比較器１８の反転入力の電位に正確に充電または
放電することによって、コンデンサ１４のＤＣ電位の増
大ないし減少を元に戻す。

【００２４】伝搬時間を測定のための全測定サイクル
は、好ましくは、送信回路７で送信用超音波変換器をＶ
dd／２にバイアスし、受信回路８によりコンデンサ１４
のＤＣ電位を減少あるは増大させ、送信回路７で送信用
超音波変換器に超音波バースト１０ないし１１を印加
し、計時を開始し、受信回路８で到着する超音波バース
トを検出して計時を停止し、受信回路８でコンデンサ１
４のＤＣ電位の減少または増大を再び元に戻すことによ
って形成される。このように、前歴を考慮することな
く、それぞれ個々の測定に対して送信極性のパラメータ
及びＤＣ電位の増減を設定することができる。

【００２５】通常駆動で送信用超音波変換器１ないし２
に印加される超音波バーストの極性と、電圧ΔＵ1の符
号は、「調節」駆動モードにおいて後述するいずれかの
方法に従って決定される。

【００２６】図３の（ａ）から（ｄ）には、比較器１８
の非反転入力端子に到着する受信信号２４、比較器１８
の反転入力端子に印加される基準電圧２５並びに比較器
１８の出力端子に現れる信号２６が４つの状態について
図示されている。各状態は、実効しきい電圧Ｕs、すな
わち受信信号２４の到着直前ないし到着時の比較器１８
の両入力端子間の直流電圧が、正または負になること並
びに受信信号２４の極性が同様に正または負になること
により発生する。次の表に４つの場合が図３の（ａ）か
ら（ｄ）に従って要約されている。

【００２７】

【表１】

【００２８】比較器１８の出力信号２６の最初の信号端
部の時点が、図３の（ａ）〜（ｄ）の番号付けに従って
ｔa、ｔb、ｔcないしｔdで示されている。実効しきい電
圧Ｕsは、印加電圧ΔＵ1と比較器１８のオフセットＵ0
の合計に等しく、値ΔＵ1＋Ｕ0か、または−ΔＵ1＋Ｕ0
である。受信信号２４は多数の極値Ｅ1からＥnを有す
る。「通常」駆動モードでの２つのパラメータを「調
節」駆動モードで最適に設定することのできる種々の変
形例を以下に説明する。

【００２９】[変形例１]コンデンサ１４のＤＣ電位のシ
フトは行われず、電源１２と１３は設けられない。従っ
て実効しきい電圧Ｕsは比較器１８のオフセットＵ0に等
しくなる。このオフセット電圧は正あるいは負になり得
る。送信信号の極性を最適なものにするために、超音波
変換器１にまず正の極性を有する信号、好ましくは図２
の（ａ）に示す超音波バースト１０が供給され、次に負
の極性を有する信号、好ましくは図２の（ｂ）に示す超
音波バースト１１が供給される。時間を測定して、比較
器１８の出力信号のレベルがはじめてハイからローへ、
あるいはローからハイへ変化する時点ｔ1ないしｔ2が求
められる。しきい電圧Ｕsが正である場合には、ｔ1＝ｔ
aとｔ2＝ｔbまたはｔ1＝ｔbとｔ2＝ｔaが成立する。図
３の（ａ）と（ｂ）から理解できるように、時間ｔａは
常に時間ｔｂよりも長い。受信信号２４の最初の極値Ｅ
1と２番目の極値Ｅ2の間の「ゼロ点通過」により計時が
停止することは、送信極性が最適に設定されていること
を特徴づけている。従って、送信極性の設定が最適な場
合には、時間ｔaが長くなる図３の（ａ）に示したもの
になる。

【００３０】しきい電圧Ｕsが負である場合には、ｔ1＝
ｔcとｔ2＝ｔdあるいはｔ1＝ｔdとｔ2＝ｔcが成立す
る。図３の（ｃ）と（ｄ）から明らかなように、時間ｔ
dは常に時間ｔcよりも長い。この場合には送信極性の設
定が最適なものであると、時間ｔdが長くなる図３の
（ｄ）に示すものになる。従って両場合に、「通常」駆
動モードでは、「調節」駆動モードで両時間ｔ1とｔ2の
うち長い時間をもたらした送信極性が使用される。

【００３１】[変形例２]スイッチ２１によって電源１２
を、ないしはスイッチ２２によって電源１３を予め定め
られた時間の間コンデンサ１４と接続することによっ
て、コンデンサ１４のＤＣ電位が電圧＋｜ΔＵ1｜だけ
増大され、あるいは電圧−｜ΔＵ1｜だけ減少される。
変形例１と同様に、送信極性を変えて２回測定が行なわ
れ、通常駆動に対しては、両時間ｔ1とｔ2のうち長い時
間を発生させた設定が用いられる。

【００３２】比較器のしきい値をＵ1だけ増減させるこ
とによって、周波数はｆ1であるが振幅が小さいノイズ
信号が抑圧される。この種のノイズ信号はたとえば、音
波エネルギーの一部が超音波区間を囲む筐体を通って送
信用超音波変換器１から受信用超音波変換器２に達する
ときに、有効信号に先行する信号として発生する。

【００３３】[変形例３]コンデンサ１４のＤＣ電位が、
電圧＋｜ΔＵ1｜だけ増大されるとともに、電圧−｜Δ
Ｕ1｜だけ減少される。それぞれの設定に対して超音波
バーストの送信極性を正にした測定と負にした測定が行
われる。従って４回の測定が実施される。特にノイズ信
号を高度に抑圧することに重点をおく場合には、送信極
性と電圧｜ΔＵ１｜の符号の最適な設定として、図３の
（ａ）に示す設定、すなわち時間ｔaが最も長くなる設
定にされる。また、特に測定の長時間安定性を重視する
場合には、図３の（ｄ）に示す設定が選択される。すな
わちこの設定の場合には極値Ｅ2と基準電圧２５間の差
が最も大きくなるので、受信信号２４の振幅、従って極
値Ｅ2の振幅が経時変化により減少する場合、他の設定
に比較して振幅の減少が大きくても測定誤差を発生する
ことがない。すなわち測定誤差は、受信信号２４の振幅
が減少することによって２番目と３番目の極値Ｅ2、Ｅ3
間ではじめてゼロ点通過が発生し計時が停止するときに
発生する。

【００３４】[変形例４］この変形例では、計時を停止
するのを出力信号２６の始めての立ち上がり端が現れた
ときにするか、あるいは始めての立ち下がり端が現れた
ときにするかを、計時停止回路１９（図１）で設定する
ことができる。従って「調節」駆動モードにおいて３つ
のパラメータ、すなわち送信信号の極性、電圧｜ΔＵ１
｜の符号および信号端部の方向（立ち上がり、立ち下が
り）が変化され、８つの伝搬時間が求められる。図３の
（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、高度な長時間安定
性が必要とされる場合には以下の処理によって図３の
（ｄ）に示す最適な調節が得られる。

【００３５】・最短の伝搬時間をもたらす設定を求め
る。本例では、これは、検出すべき信号端部の方向が立
ち上がりであるときの図３の（ｃ）に示す設定である。

【００３６】・送信信号の極性を反転する。それによっ
て図３の（ｄ）に示す設定が得られ、この設定では極値
Ｅ1と極値Ｅ2の間の「ゼロ点通過」によって計時が停止
する。

【００３７】ノイズ信号を可能な限り良好に抑圧させる
のが最適である場合には、図３の（ａ）に示す設定ない
し調節が最適である。次のようにしてこの調節に達す
る。

【００３８】・最短の伝搬時間をもたらす設定を求め
る。本例では、これは、検出すべき信号端部の方向が立
ち上がりであるときの図３の（ｃ）に示す設定である。

【００３９】・電圧｜ΔＵ1｜の符号を反転し、検出す
べき信号端部の方向を逆にする。それによって図３の
（ａ）に示す設定に達し、この設定でも極値Ｅ1と極値
Ｅ2の間の「ゼロ点通過」によって計時が停止する。

【００４０】電圧｜ΔＵ1｜の値は、変形例２から４に
おいては、オフセット｜Ｕ0｜の最大可能な値よりも大
きく、かつ差｜Ｅ1｜−｜Ｕ0｜よりも小さくする。すな
わち、｜ΔＵ1｜＞｜Ｕ0｜かつ｜ΔＵ1｜＜｜Ｅ1｜−｜
Ｕ0｜に設定される。それによって調節時極値Ｅ1とＥ2
ではなく極値Ｅ2とＥ3により通常駆動時に使用される設
定が定まってしまうという結果を防止することができ
る。

【００４１】電源１２および／または１３はさらに他の
目的に、すなわち極値Ｅ1からＥnの最大値を求めるため
にも使用することができる。そのために電圧｜ΔＵ1｜
は、比較器１８の出力端子の信号が同じ形になり、それ
によって計時が停止しなくなるまで、ディスクリートな
ステップで増大される。次に電圧｜ΔＵ1｜は、比較器
１８の出力端子の信号が再び同形になり、それによって
計時が停止しなくなるまで、ディスクリートなステップ
で減少される。この情報を周期的に得ることによって、
万一測定装置の老化が発生した場合に、受信信号２４に
許容できない変化が起こっているかどうかの手掛かりを
得ることができる。この情報はまた、万一受信信号２４
が顕著に減少したことが検出された後に、調節処理を改
めて実施し、２番目と３番目の極値Ｅ2とＥ3間の「ゼロ
点通過」により計時を停止させる目的に使用することも
可能である。それによって生じる時間遅延を補正するこ
とにより、この経時変化による測定誤差を排除すること
ができる。

【００４２】本発明の他の実施形態では、計時停止回路
１９はフィルタの一部として構成される。その場合、フ
ィルタは受信信号２４の他の特性を検査し、受信信号２
４が有効な受信信号であるかどうかの信号を出力するよ
うに構成されている。

【００４３】デジタルフィルタでは、比較器１８の出力
端子の矩形パルスが、たとえば周波数ｆ1よりも約１０
倍大きい周波数ｆ2によってサンプリングされる。サン
プリング値は、０または１をとることのできるビット列
ｆを示す。フィルタは、次のタスクを実行するように構
成されている。

【００４４】・矩形パルスの立ち上がり端あるいは立ち
下がり端を検出する。ｘが値１または値０として、連続
する８箇のビット値ｆがビット列「０００ｘｘ１１１」
に等しいときには、有効な立ち上がり端が存在してい
る。一方、連続する８箇のビット値ｆがビット列「１１
１ｘｘ０００」に等しい場合には、有効な立ち下がり端
が存在する。

【００４５】・最初に検出された有効な信号端部が立ち
上がり端か立ち下がり端であったかを示す信号を出力す
る。

【００４６】・３番目の有効な立ち上がり端ないしは３
番目の有効な立ち下がり端が検出された時に、送信信号
によって開始された計時を停止させる信号を出力する。
どちらの信号端部を用いて停止信号を発生させるかは、
制御信号によって設定することができる。

【００４７】・少なくとも７箇の有効な信号端部が検出
されたかを示す信号を出力する。

【００４８】このフィルタによって、可能な限り近接し
た周波数ｆ1とｆRとは周波数が異なるノイズ信号を抑圧
することができる。

【００４９】フィルタあるいは計時停止回路１９が、検
出された最初の信号端部の方向を識別できるように構成
されている場合には、「調節」時にこの方向がメモリに
格納される。通常駆動では、検出された信号端部の方向
がこの格納されている信号端部の方向と比較される。こ
の方法でも、たとえば経時変化によって突然極値Ｅ1と
Ｅ2間のゼロ点通過ではなく極値Ｅ2とＥ3間のゼロ点通
過によって計時が停止したかを同様に検出できる。この
とき、超音波測定装置は誤差のある測定結果が生じない
ような手段を講じる。

【００５０】この調節処理は、超音波変換器１が送波器
であって超音波変換器２が受波器である場合に対して、
並びに超音波変換器２が送波器であって、超音波変換器
１が受波器である場合に対して、行われる。

【００５１】「調節」駆動モードにより最適設定のパラ
メータが求められた後、「通常」駆動モードにおいて、
伝搬時間測定が行われ、媒質内の音速および／または媒
質の流速あるいは他の変量が測定される。

【００５２】媒質の流れ方向ないしはその逆方向におけ
る伝搬時間ｔ+とｔ-は、公知のように、

【００５３】

【数１】

【００５４】によって与えられる。但し、ｃは音速、ｖ
は媒質の流速である。

【００５５】計時回路９のカウンタ値Ｎ+ないしＮ-は、

【００５６】

【数２】

【００５７】によって与えられる。但し、Ｔf2は２つの
サンプリングパルス間の時間を表わす。

【００５８】条件ｖ＜＜ｃの元で

【００５９】

【数３】

【００６０】と

【００６１】

【数４】

【００６２】が得られる。

【００６３】超音波測定装置が配管に正確に組み込まれ
ている場合には、Ｎ-はＮ+よりも大きい。従って流速が
十分に大きい場合には、組み込みが正確であるかを自動
的に識別することができる。

【００６４】たとえばＥＰ６１６１９８から知られてい
る位相差測定方法においては、２つの超音波変換器１と
２が、たとえば６４波形列のパルス列を同時に送信す
る。続いて超音波変換器１と２によって同時に測定され
た受信信号が位相測定回路に供給されて、位相差から流
速が求められる。この測定方法は高精度であるが、測定
領域が０から２πまでの範囲の位相差に限定される、と
いう欠点がある。測定領域を２πよりも大きい位相差に
拡大するために、本発明によれば両測定方法が組み合わ
せられる。その場合、直接伝搬時間を測定することによ
り数４から流速ｖの大まかな近似値が求められる。この
近似値を用いて、位相差測定方法でのあいまいさ（多義
性）が除去される。

【００６５】好ましい実施形態では、位相測定の際に上
流に位置する超音波変換器１には送信信号が印加され
る。また、下流に位置する超音波変換器２には時間ｔv1
または時間ｔv2だけ遅延して同じ送信信号が印加され
る。差（Ｎ-）−（Ｎ+）が所定値ｎよりも小さい場合に
は、遅延は時間ｔv1で行われ、差（Ｎ-）−（Ｎ+）が値
ｎよりも大きいか等しい場合には、遅延は時間ｔv2で行
われる。時間ｔv1での遅延の場合には、超音波測定装置
は通常の測定領域にあり、時間ｔv2での遅延の場合に
は、上方の測定領域にある。位相測定回路で求められた
流速は、遅延時間ｔv1ないしｔv2に従って補正される。
通常の測定領域から上方の測定領域へ移行する過渡領域
において常時切り替わるのを防止するために、好ましく
はヒステリシスをもたせる。すなわち値ｎを現在の測定
領域に関係した値にする。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、超音
波の伝搬時間の測定に影響を与えるパラメータが最適に
設定されるので、伝搬時間の測定が正確になりこの伝搬
時間測定を用いた流量測定の精度を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波測定区間を貫流する媒質内の音速の伝搬
時間を測定する回路構成を示した構成図である。

【図２】送信回路によって発生可能な超音波バーストの
波形を示す波形図である。

【図３】受信した超音波信号と伝搬時間の測定に用いら
れる信号の波形を示す波形図である。

【符号の説明】

１、２超音波変換器７送信回路８受信回路９計時回路１０、１１超音波バースト（パルス）１９計時停止回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送波器として用いられる超音波変換器
（１、２）に印加され、超音波測定装置の通常駆動にお
いて伝搬時間測定に用いられる交流波形信号の送信極性
並びに、必要に応じて、伝搬時間に影響を与える他のパ
ラメータを自動的に設定する方法であって、受波器とし
て用いられる超音波変換器（２、１）から発生される受
信信号（２４）が比較器（１８）へ供給され、比較器
（１８）の出力信号の最初の、または所定の他の信号端
部により伝搬時間測定が停止される超音波測定装置のパ
ラメータの設定方法において、次のステップ、すなわち
送信極性をパラメータの一つとしてそれぞれ種々のパラ
メータ値でｎ回の伝搬時間測定を行ない、予め定められた基準を満たす伝搬時間を求め、この伝搬時間をもたらすパラメータ値を求め、予め定められた法則性に沿ってこのパラメータ値を変化
させる、各ステップからなることを特徴とする超音波測定装置の
パラメータを自動設定する方法。
【請求項２】比較器（１８）の両入力端子に予め定め
られた直流電圧ΔＵ1が印加され、この直流電圧ΔＵ1の
符号が１つのパラメータとされることを特徴とする請求
項１に記載の方法。
【請求項３】伝搬時間測定を停止させる比較器（１
８）の出力パルスの信号端部の方向が、１つのパラメー
タとされることを特徴とする請求項１または２に記載の
方法。
【請求項４】法則性は、通常駆動において受信信号の
最初と２番目の極値間のゼロ点通過に対応する出力パル
スの信号端部により伝搬時間測定が停止するように、定
められていることを特徴とする請求項１から３までのい
ずれか１項に記載の方法。
【請求項５】法則性は、検出すべき極値と比較器（１
８）の他の入力端子に印加される基準電圧との差が通常
駆動において可能な限り大きくなるように、定められて
いることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】法則性は、通常駆動において比較器（１
８）の両入力端子間の電圧差が受信信号（２４）の到着
直前に可能な限り大きくなるように、定められているこ
とを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】送信用超音波変換器（１、２）の一方の
電極（４、４’）がアースに接続され、また送信用超音
波変換器（１、２）の他方の電極（３、３’）には超音
波バースト（１０、１１）の送信前に予め定められた時
間、送信用超音波変換器（１、２）に印加される超音波
バースト（１０、１１）の直流電圧成分がほぼ消滅する
ように設定された電圧が印加されることを特徴とする請
求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】配管を流れる媒質の流量を測定する超音
波測定装置であって、２つの超音波変換器（１、２）を
有し、その間に超音波測定区間が形成され、超音波変換
器（１、２）は送信相の間複数の波形列からなる超音波
パルスを同時に送出するとともに、測定区間通過後に受
信される超音波パルスを受信相の間に位相測定器へ供給
し、その位相測定器は上流ないし下流に送信される超音
波パルスの波形列間の伝搬時間差に起因する位相差α
を、単位時間当り超音波測定装置を貫流する媒質の体積
に比例する単位に変換する超音波測定装置において、測定区間に更に送信される超音波パルス（１０、１１）
の伝搬時間を直接測定することにより、流速の近似値が
求められ、この近似値によって位相差αのあいまいさが
除去されることを特徴とする流量測定用超音波測定装
置。
【請求項９】位相測定時、両超音波変換器（１、２）
の一方の送信信号または受信信号が、先に求められた流
速の近似値の関数で電子的に時間ｔvだけ遅延され、流
速測定時、位相測定から得られた値がこの遅延時間ｔv
だけ補正されることを特徴とする請求項８に記載の流量
測定用超音波測定装置。
【請求項１０】直接伝搬時間を測定する場合に、受信
信号（２４）の最大の極値の値が周期的に求められ、最
大の極値の値が予め定められた値を下回った場合に、伝
搬時間測定に影響を与えるパラメータが請求項１から７
までのいずれか１項に記載の方法を用いて新たに求めら
れることを特徴とする請求項８に記載の流量測定用超音
波測定装置。