JPH11506534A

JPH11506534A - 低電力型信号処理及び測定装置

Info

Publication number: JPH11506534A
Application number: JP8528476A
Authority: JP
Inventors: フロイド，ポール・ジェイ; トレイナー，マイケル・エヌ; プーニス，ジャンカルロ; デマーク，アンソニー・エム
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテッド
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1999-06-08
Also published as: AU5421796A; DE69623604D1; AU690450B2; CA2213335A1; WO1996029575A2; WO1996029575A3; EP0815414B1; EP0815414A2; US5650571A; DE69623604T2

Abstract

(57)【要約】液体または気体の媒体中を伝搬する波動信号または時間従属性信号の変化を測定することによって、該液体または気体媒体の種々のプロセスパラメータ及び／または物理的性質を測定するための装置で：液体または気体媒体中に送入する送信波動信号または時間従属性信号を得るための少なくとも１つの送信トランスデューサと；上記送信トランスデューサから離れた位置にあって、液体または気体媒体から受信波動信号または時間従属性信号を受け取るための少なくとも１つの受信トランスデューサと；上記受信トランスデューサに接続されていて、上記受信波動信号または時間従属性信号の処理を行って、その処理された受信波動信号または時間従属性信号の一定の短い期間が抽出されるようにするためのアナログ信号プロセッサ；を具備している。

Description

【発明の詳細な説明】低電力型信号処理及び測定装置本発明は、広義には、測定装置を現場用計測器として使用することができ、かつ低電力接続の電源から得られる低電力によって電源を供給することができるような非常に低電力消費の条件下におけるプロセスパラメータの測定に関するものである。より詳しくは、本発明は、関心対象の媒体のプロセスパラメータ及び／または物理的性質を測定するための波をうちまたは時間従属性を有する信号の広範囲にわたる処理を必要とする測定に関する。そのような測定に使用される装置の一つに、液体または気体の媒体を通過する超音波信号の伝搬時間を測定し、その伝搬時間を分析して媒体の流量を求めることができる流動測定装置がある。発明の背景現場用計測器によるの媒体のプロセスパラメータまたは物理的性質の測定は、どちらかというと、低電力の４−２０ミリアンペア２線式送信器またはこれと同等の低電力情報伝送システムを用いて行われる。低電力動作によると、危険な状態でも本質的に安全であって、据え付けに必要な配線量が最小限で済む測定機器が得られる。最も正確で信頼できる結果を得るためには、多くの測定は波動信号の処理を必要とする。信号処理を行うための信頼性が高くて正確な一つの手段は、マイクロプロセッサ及びディジタル信号プロセッサの出現によって近年容易に利用可能になったディジタル信号処理技術を使うことである。ディジタル信号処理を行う装置の特徴の１つは、必要な信号処理を行うために大きな電力が要求されること、及びディジタル信号処理動作のデータ集約的な性質にある。しかしながら、ディジタル信号処理における大きな電力が必要という条件は、低電力の現場用計測器の送信機とは相容れない。例えば、導管中の液体の流速の測定は、導管またはパイプを通って流れる液体に超音波パルスを通し、それらの超音波パルスの伝搬時間を測定することによって行うことができる。超音波パルスの伝搬方向は、伝搬時間が流れによって減少する流れ方向（下流方向）と伝搬時間が流れによって増加する逆の流れ方向（上流方向）とで伝搬時間が測定するように設定される。伝搬時間をこれらの両方向で測定し、上流方向と下流方向の伝搬時間の差を用いて流速が求められる。従来、液体を通す導管の両端間の超音波パルスの伝搬時間を正確に測定するために多くの種々の技術が用いられてきた。典型的な測定技術の場合、伝搬超音波パルスの音速は液体の速度よりずっと大きく、その結果超音波パルスの伝搬時間は、液体の速度によってほんのわずかしか変化せず、そのためにこのような送信器と受信器との間の超音波パルス伝搬時間のわずかな変化を検出することができる非常に感度の高い装置の使用が必要となる。流量計の計装メーカーは、伝搬時間と導管を流れる液体の流速の測定における精度を高めた装置及びシステムを開発しようと絶えず努力している。初期の方式は、移動液体を通して超音波波形を送信し、その超音波受信波形を分析して液体の流量を決定するものであった。例えば、１９８８年１１月２９日発行の米国特許第４，７８７，２５２号には、特殊なコードで変調された信号を液体または気体の媒体を通して送信する流量計が開示されている。次に、この流量計は受信信号とその元の送信信号との相関を取ることによって、伝搬時間と等しい時点にピークを持つ相関関数を得る。この相関関数は、受信信号の信号パターンを送信信号の既知のパターンと相関させる、すなわちラインアップすることによって求められる。この方式では、ノイズがあるにもかかわらず、送信信号の到達時点を極めて正確に求めることができる。流動測定装置または流量計のエネルギー消費量は、ユーザにとって重要であり、特にバッテリ電源型システム、２線式の４−２０ｍａ送信器システム、低電力のディジタルフィールドバスシステムまたはこれらと同等の低電力通信システムの場合重要である。上記米国第特許４，７８７，２５２号に開示された流量計では、受信信号を相関させるまで極めて大きな量のエネルギーを消費する。これは、このような流量計は、受信側トランスデューサによって受信されるアナログ電気信号をディジタル化するのに高速アナログ‐ディジタル変換器（ＡＤＣ）を使用するからである。次に、ＡＤＣはメモリ回路及びダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）コントローラにそれらのディジタル化されたデータを送るが、これらによってさらに多くの電力が消費される。その後、メモリ回路及びＤＭＡに記憶されたディジタル化データは、導管またはパイプ中を流れる液体の流量を決定するために、全てのディジタル化されたデータポイントをパルスの発生数と掛け算することができる相関器（すなわち、マイクロプロセッサ）に送られる。そのために、米国特許第４,７８７,２５２号の流量計は、アナログ‐ディジタル変換、メモリ回路、ＤＭＡ及び相関付けのステップの間に相当な量のエネルギーを消費し、現場用途に多く見られる低電力にとって望ましいものではない。さらに、個々のディジタル化されたポイントが連続的にマイクロプロセッサに送られている時、相関演算を行うには相当強力なマイクロプロセッサが必要である。例えば、コード化された送信信号のパターンは、１ＭＨｚ信号の５サイクル分のパルスからサンプリングされる５０の数によって定義することができる。受信アナログ電気信号は、そのパルスが確実に受信するようにするために、たとえば５０マイクロ秒の時間間隔にわたって走査することができる。走査された信号は、ＡＤＣ装置によって５００のディジタル化信号に変換されてから、導管またはパイプを通って流れる液体または気体の媒体の流量を得るための相関計算のためにマイクロプロセッサへ送られる。マイクロプロセッサ中で行われる相関演算は、５００回行われる５０の乗算、すなわち２５，０００回の乗算を伴う。この相関演算は、十分なメモリ容量と高速度を有する高のマイクロプロセッサの場合は問題ではないと考えてよい。しかしながら、現場用途で電力を節約しようと試みる場合、低電力の流量検出器はマイクロプロセッサの動作速度を相当に低くする必要があり、これによって一定期間の流量を出すための計算に過度の時間が取られるので、相関演算が一つの問題を生起させる。従来の流量検出器に必要な大量の相関関数計算は、その内蔵マイクロプロセッサの速度が遅いことにより、導管またはパイプを流れる液体または気体媒体の流量のリアルタイム検出に対応できないと思われるので、やはり低電力検出器には適さない。また、これらの相関計算はすでに限られているエネルギー供給量の相当部分を使用するので、検出器自体の総合的性能に影響を及ぼす。本発明は、高電力のディジタル信号処理手段を使用する必要がなく、しかも従来のディジタル型検出器の信号処理機能の精度と信頼性を保った測定装置を提供するものである。すなわち、本発明は、エネルギー消費を最小にするために、受信アナログ電気信号の到達時点を検知し、液体または気体媒体の流速、距離、またはその他の特性を計算するために必要なディジタル化データの量を圧縮することによって上に述べたような従来の検出器で要求される大きい消費電力という条件を解消するものである。本発明は、ただ１つの出力ピークがアナログ相関器から発生するように受信電気信号がアナログ形式のままである間に相関演算を行うことができ、これによってアナログ相関器とマイクロプロセッサの間に配置されたアナログ‐ディジタル変換器（ＡＤＣ）でディジタル化形式に変換しなければならないアナログ信号のサンプル数を大幅に少なくした測定装置を提供するものである。従って、マイクロプロセッサは、従来の流量検出器で必要なように、多数のディジタル化データポイントの大量の乗算を実行するのではなく、ＡＤＣから送られる少数のディジタル化データポイントから液体または気体媒体の相関ピーク時間位置、伝搬時間、流速、液体または気体のレベル、または他の物理的性質を計算するだけでよい。本発明は、受信アナログ信号の相関のピーク値を含んでいる時間間隔を正確に検出して、その検出された時間間隔（以下ピーク期間と称する）の間に相関信号を明確に識別し、抽出することができる測定装置を提供するものである。この新規な測定装置によれば、流動測定動作における超音波信号の伝搬時間の正確な測定のために必要なディジタル情報の量を少なく制限することによって、従来伝搬時間を計算するのに必要であった乗算の回数を少なくし、そのような正確かつ十分な測定値を非常に小さい電力消費で求めることが可能になる。発明の概要本発明は、要約すると、液体または気体の媒体中を伝搬する波動信号または時間従属性信号の変化を測定することによって、その液体または気体媒体の種々のプロセスパラメータ及び／または物理的性質を測定するための装置である。この装置は：液体または気体媒体中に送入する送信波動信号または時間従属性信号を供給するための少なくとも１つの送信手段と；上記送信手段から離れた位置にあって、液体または気体媒体から受信波動信号または時間従属性信号を受け取るための少なくとも１つの受信手段と；上記受信手段に接続されていて、上記受信波動信号または時間従属性信号のアナログ信号処理を行って、その処理された受信波動信号または時間従属性信号の一定の短い期間が抽出されるようにするための手段と；を具備したものである。本発明のもう１つの実施態様は、液体または気体媒体を通る超音波パルスの伝搬時間を測定することによってその液体または気体媒体の流速、レベルまたはその他の物理的性質を測定するための装置であって、所定時点でその液体または気体媒体中に送入する超音波送信信号を供給するための送信手段と；上記送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体からの超音波受信アナログ信号を受け取るための受信手段と；上記受信手段に接続されていて、上記超音波受信アナログ信号の相関のピーク期間を抽出するように、超音波送信信号と超音波受信アナログ信号を相関させるようにすることによって伝搬時間を計算するために通常必要となる大量のディジタルデータの処理を不必要にするための手段と；を具備する。上記測定するための装置の送信手段は、液体または気体媒体に超音波パルスを送入することができる少なくとも１つの送信側超音波トランスデューサを有し、同様に、上記受信手段は液体または気体媒体を超音波パルスが通過した結果得られる超音波受信アナログ信号を受け取るための少なくとも１つの受信側超音波トランスデューサを有する。上記受信手段に接続されていて超音波送信信号と超音波受信アナログ信号を相関させるめの上記手段は、好ましくは、超音波受信アナログ信号と超音波コード化送信信号との整合に基づく上記ピーク期間内に入る特異アナログピーク出力を発生することができるアナログ相関器と、上記相関させるための手段に接続されていて、上記相関器のピーク出力からピーク期間を抽出するためのアナログシフトレジスタとを具備する。アナログ相関器は、超音波送信信号と超音波受信アナログ信号を相関させることができるものであれば、バケットブリゲード・デバイス（ＢＢＤ）相関器、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）相関器または表面波（ＳＡＷ）相関器のような任意の電荷転送デバイスを用いることができる。本発明による測定装置は、さらに、ピーク期間の間に、そのピーク期間を含む相関器出力の特定の期間を抽出するよう指示する信号をアナログシフトレジスタに送るよう応答するピーク検出器を有する。ピーク検出器は、ピーク期間を含む期間についてアナログ相関器出力をアナログシフトレジスタに転送させるストップカウンタを有する。アナログ‐ディジタル変換器（ＡＤＣ）は、アナログシフトレジスタに記憶されたピーク期間を示すアナログ相関をデジタル化することができるように、アナログシフトレジスタに接続されている。次に、ＡＤＣには、アナログシフトレジスタに記憶されたピーク期間データをマイクロプロセッサメモリに転送して、伝搬時間のデジタル化されたピーク期間、液体または気体媒体の流量または速度、またはレベルから計算を行うための低い周波数で動作する、従って低電力で動作するマイクロプロセッサが接続されている。伝搬時間の計算は、計算で求めた相関ピーク位置に設定遅延時間を全て加えることによって行われる。上に述べたように、ピークは１０のデジタル化ポイントによって定義することができ、ピーク最大値の正確な位置は、その１０のポイントへの曲線のあてはめによって計算される。従って、液体または気体媒体中を伝搬する超音波パルスの伝搬時間は次式によって計算することができる。伝搬時間＝ｔ（遅延）＋ｔ（ピーク期間）＋ｔ（曲線適合度）流速は、上流方向と下流方向の伝搬時間（それぞれｔｕｐ及びｔｄｏｗｎ）の差、静止状態の媒体中の音速（Ｃ）及び経路長（Ｌ）を流速（Ｖ）と関連づける次式によって計算される。Ｖ（流速）＝（tup- tdown）×C²／２Ｌ本発明の測定装置は、さらに、アナログ相関器、アナログシフトレジスタ、ピーク検出器、アナログ‐ディジタル変換器及びマイクロプロセッサの中の任意のいずれかの起動を遅延させる遅延カウンタを有する。遅延カウンタの目的は、エネルギーを節約するために起動を遅延させることにある。その遅延時間は、媒体中の音速及び液体または気体媒体が流れるまたは入っている流路の大きさによってマイクロプロセッサによりあらかじめ決定される。また、送信手段とアナログ相関器、遅延手段及びピーク検出手段にタイミング信号を供給するためのクロックタイマが設けられている。本発明の低電力型測定装置は、液体または液体媒体の流量または速度の測定、定置タンク中の液体または気体媒体のレベルの測定、及び液体または気体の２成分混合物の組成の決定のような多くの用途に使用することができる。また、本発明の低電力型測定装置は、コード化信号またはパルスから得られるピーク期間の伝搬時間が検出することが可能なあらゆる状況下で使用することができることを企図したものである。流速を測定するための低電力型装置は、液体または気体媒体を通って伝搬する超音波パルスの伝搬時間をその液体または気体媒体の流れと同方向及びその逆方向の両方向について測定するための手段よりなる。この伝搬時間を測定するための手段は、好ましくは：所定時点で液体または気体媒体にその流れ方向に送入する第１の超音波送信信号を得るための第１の送信手段と；第１の送信手段から離れた位置にあって、液体または気体媒体から第１の超音波受信アナログ信号を受け取るための第１の受信手段と；所定の時点で液体または気体媒体にその流れ方向と逆方向に送入する第２の超音波送信信号を得るための第２の送信手段と；上記第２の送信手段から離れた位置にあって、液体または気体媒体から第２の超音波受信アナログ信号を受け取るための第２の受信手段と；上記第１及び第２の両方の受信手段に接続されていて、上記第１及び第２の超音波受信アナログ信号をそれぞれ上記第１及び第２の超音波送信信号と相関させて、上記第１及び第２の両方の超音波受信アナログ信号の相関のピーク期間が抽出されるようにすることによって伝搬時間を計算するのに通常処理することが必要な大量のディジタルデータの処理を不必要にするための手段と；を具備する。流速は次式から求められる。流速＝伝搬時間の変化×（音速²/２）×経路長一実施態様のレベル検出器は、所定の時点で液体または気体媒体中に送入する超音波送信アナログ信号を得るための送信手段と；液体または気体媒体から超音波受信アナログ信号を受け取るための受信手段と；上記受信手段に接続されていて、超音波受信アナログ信号のピーク期間が抽出されるように、超音波送信アナログ信号と超音波受信アナログ信号を相関させるための手段と；を具備する。さらに、このレベル検出器は超音波受信アナログ信号のピーク期間から気体または液体を通して超音波送信アナログ信号の伝搬時間を決定することによって容器中の相界面の位置を決定することができる相関手段に接続された手段を含む。液体のレベルは次式よって求められる。レベル＝音速／伝搬時間また、本発明おけるように、液体または気体媒体からなる２成分混合物を伝搬する超音波パルスの伝搬時間を測定することにより、２成分混合物中の超音波パルスの速度を測定して、その２成分混合物の組成を決定することも可能である。このような組成検出器は、好ましくは：所定の時点で２成分混合物中に送入する超音波送信アナログ信号を得るための送信手段と；送信手段から離れた位置にあって、上記２成分混合物から超音波受信アナログ信号を受け取るための受信手段と；上記受信手段に接続されていて、超音波受信アナログ信号のピーク期間が抽出されるように、超音波送信アナログ信号と超音波受信アナログ信号を相関させることによって、伝搬時間を計算するのに通常処理することが必要な大量のディジタルデータの処理を不必要にするための手段と；を具備する。さらに、組成検出器は超音波受信アナログ信号のピーク期間からいずれか、２成分混合物、を通して超音波送信アナログ信号の伝搬時間を決定することによって同じく２成分混合物の速度を決定することができる相関手段に接続した手段を含む。混合物の組成は下記の一般式を用いて計算される。成分Ａの比率＝（混合物中の速度 −成分Ｂ中の速度）／（成分Ａ中の速度 −成分Ｂ中の速度）成分Ｂの比率＝（混合物中の速度−成分Ａ中の速度）／（成分Ａ中の速度−成分Ｂ中の速度）式中、混合物の速度は、伝搬時間を経路長で割った値に等しい。上記及びその他の本発明の目的及び長所については、以下の添付図面を参照しつつ行う発明の実施形態の詳細な説明からさらに明らかになろう。図面の簡単な説明図１は、本発明の一実施形態のブロック図である。図２は、図１の相関器の概略ブロック図。図３は図１の実施形態のタイミング図である。図４は、タンクに入っているで液体のレベルを測定するために本発明の測定装置を組み込んだ液体貯蔵タンクの概略図である。図５は、２成分混合物中で速度を測定して該２成分混合物の組成を求めるために本発明の測定装置を組み込んだ容器の概略図である。図６は、波動または信号を媒体に通した後、アナログ信号プロセッサによって処理してからアナログ‐ディジタル変換及びデジタル化された信号のマイクロプロセッサ処理を行うようにした本発明によるもう一つつの実施形態のブロック図である。実施形態の詳細な説明添付図面において、本発明一実施形態の超音波流動測定装置は全体として参照符号１０で表されている。特に、図１のブロック図を参照すると、超音波流動測定システムまたは装置１０は、パイプまたは導管１４中を流れる液体または気体媒体１２の流速を測定するための種々の回路コンポーネントを有する。上流側超音波トランスデューサ１６は、導管１４の側壁１３の外面上に取り付けられ、下流側超音波トランスデューサ１８も側壁１３の外面上に上流側トランスデューサ１６から離れて取り付けられている。これらのトランスデューサ（１６、１８）の間には、機能を互いに切り換えられるように切換え手段１７が挿入されている。上流側トランスデューサ１６は、送信側トランスデューサとして機能から受信側トランスデューサの機能に切り換えることができ、下流側トランスデューサ１８は受信側トランスデューサの機能から送信側トランスデューサとしての機能切り換えることができる。このようにして、これらのトランスデューサ（１６、１８）の機能を切り換えることによって、上流方向及び下流方向の伝搬時間を測定することができる。図１に示すように、流動測定システム１０の回路への入力電流が供給されるコンデンサによってエネルギーを蓄えるための貯留エネルギー超音波ドライバ２０が設けられている。切換え手段１７を介してトランスデューサ（１６、１８）に接続された超音波ドライバ２０は、より低い平均電力でトランスデューサ１６または１８を他の回路コンポーネントと共に駆動するために、低デューティファクタのオン／オフ電源制御を通して瞬間的な高電力を使用することが可能になる。トランスデューサ（１６、１８）は、通常、容易に入手可能な圧電材料、少数の例をあげると、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ジルコン酸タンタル酸鉛またはクォーツのような圧電材料で製造される。超音波ドライバ２０の貯留エネルギーは、コード化信号発生器２２によって送信側トランスデューサ（１６または１８）への供給がゲーティングによりオン／オフ制御される。信号発生器２２のゲーティング順序は、所望の周波数、好ましくは１ＭＨｚで行われる。ゲーティングされた信号の位相は、周期的に１８０度ずらされて、移相コードが形成される。このように、超音波ドライバ２０は、コード化信号発生器２２から供給される信号に基づいて、コード化送信信号を送信側トランスデューサ（１６または１８）へ送る。送信モードに切り換えられたとき、上流側トランスデューサ１６は、超音波ドライバ２０から受信されるコード化送信信号を超音波送信信号あるいは送信波に変換する送信側圧電デバイス２４を含む構成になる。圧電デバイス２４によって送信された超音波送信信号は、導管またはパイプ１４の第１の側壁１３を通して該パイプまたは導管１４中を流れる液体または気体媒体１２中に送入される。超音波送信信号の経路は、液体または気体媒体の流れ方向の成分を持つので、超音波送信信号の速度は液体または気体媒体１２の作用によって速くなったり、遅くなったりする。経路が上流側トランスデューサ１６から下流側トランスデューサ１８へ向かう方向の場合は、流れのために伝搬時間は減少する。経路が下流側トランスデューサ１８から上流側トランスデューサ１６へ向かう方向の場合は、流れのために伝搬時間は増加する。上流から下流へ向かう切り換え位置になっている場合、超音波受信アナログ信号は導管１４の第２の側壁１５で偏向された後下流側トランスデューサ１８の圧電デバイス２６によって受信され、トランスデューサ１８によって受信アナログ電気信号に変換される。超音波送信信号は、導管１４を横切る際、導管１４の側壁１３及び液体または気体媒体１２を通って伝播し、導管１４の側壁１５から反射するときに、超音波エネルギーの散乱と吸収のために総じて減衰する。受信アナログ電気信号は、次のアナログ相関及びその後のアナログ‐ディジタル変換及び分析にとって十分な電圧レベルに受信アナログ電気信号を大きくするために、随意、受信ＲＦ増幅器２８によって増幅される。受信アナログ電気信号は、アナログ相関器３０、アナログシフトレジスタ３４及びピーク検出器３２からなるアナログ相関を行い、ピーク期間を抽出するための相関器手段に供給される。通常、ピーク期間は受信信号の１周期、すなわち１ＭＨｚ信号の場合で１マイクロ秒である。アナログ相関演算は、超音波送信信号のパターンまたはコードと受信アナログ電気信号とを相互相関させることによって行われる。アナログ相関器３０内の相関演算は、バケットブリゲード・デバイス（ＢｕｃｋｅｔＢｒｉｇａｄｅＤｅｖｉｃｅ）（ＢＢＤ）相関器、電荷結合デバイス（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）（ＣＣＤ）相関器、あるいは表面波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）（ＳＡＷ）相関器のような各種の相関装置を用いて行うことができるが、これらに限定されるものではない。これらの相関器は、共通の動作モードを有する。受信されたコード化信号は相関器の入力へ送られる。信号の時間変動が相関装置を通って進行し、任意の時点で、一定の過去の時間間隔にわたるその信号の一定の表現が装置に記憶される。記憶される量は装置の詳細によって決まるが、過去の信号の一定の期間が記憶される。また、これらの装置は、記憶された期間にわたる複数のポイントをサンプリングし、それらのポイントからの信号に重みをつけて和を取ることにより相関器３０の出力を得るようになっている。加重のパターンは、送信超音波信号に与えられたコード同じである。相関器３０からの出力信号は、受信アナログ電気信号と超音波送信信号との相関である。この相関は、受信コード化信号（すなわち受信アナログ電気信号）が相関器３０でコード化ポイントと整合した時、最大値に達する。図２を参照する。相関器３０は、バケットブリゲード・デバイス（ＢｕｃｋｅｔＢｒｉｇａｄｅＤｅｖｉｃｅ）（ＢＢＤ）のような、電荷転送デバイスであり、その動的動作に電源及びクロック信号を必要とする。受信アナログ電気信号は、各クロックサイクル毎にサンプリングされ、その信号に比例した電荷がＢＢＤ相関器のストリングをなすＭＯＳコンデンサＤの最初のコンデンサ注入され、記憶される。各クロックパルス毎に、電荷はストリング中の次のコンデンサＤに順次送られ、ストリングの最初のコンデンサに新しい信号サンプルが注入される。サンプリング期間後、信号はコンデンサＤのストリングに沿って記憶された状態になっている。各クロックサイクル毎に、記憶された期間は１クロックサイクル移送する。相関付けは、Ｖ１〜Ｖｍによって各記憶ポイントへのタップを設け、基準倍率ｈ１〜ｈｍでスケーリング（すなわち増幅）して、スケーリングした全ての信号の和を取ることによって行われる。ＢＢＤ相関器の出力は、スケーリングした信号和、すなわちΣｈ_kＶ_kである。増幅器スケーリングに代えて、ストリング状に接続されたコンデンサに異なるキャパシタンス値を与えるようにしてもよい。これでも、キャパシタンスに従ってスケーリングが行われ、全てのタップの入力について単位利得で和を取ることにより相関付けが行われる。ＣＣＤ相関器は、ＢＢＤ相関器と同様に動作するが、ＣＣＤ相関器の倍は、コンデンサ構造がより複雑であり、ＢＢＤの場合のように表面に作り込まれるのではなく、一般にシリコンに埋め込まれる。ＢＢＤやＣＣＤのような電荷転送デバイスに関する背景情報は、エー・ジー・ミルン(A.G.Milnes)による「半導体デバイスと集積エレクトロニクス(Semicondu ctor Devices and Integrated Electronics)」という名称の論文（ヴァン・ノストランド・ラインホルド(Van Nostrand Reinhold Company)社刊；５９０〜５９８ページ及び６１０〜６１７ページ）に記載されており、その内容は参照によって本願に編入される。ＳＡＷ相関器は、ＢＢＤあるいはＣＣＤ相関器と同様に機能するが、動作原理は異なっている。ＳＡＷ相関器は、出力相関信号をうるのに入力信号（すなわち、受信アナログ電気信号）だけを必要とする受動素子である。時変入力信号は、ＳＡＷデバイスの圧電材料ストリップ中で表面波を励振する。入力信号に比例した振幅を持つ波はデバイスの長さ方向を横切って伝播する。どの時点でも、この信号はＳＡＷ表面に沿って分布する波として表される。これは、ＢＢＤ及びＣＣＤ相関器のコンデンサストリングに沿って分布する電荷に類似している。ＳＡＷデバイスの表面沿いの様々な点に電極タップが設けられ、共通の加算電極に接続されている。信号波が電極タップを通過する時、電極タップは下層の圧電材料から電圧を受け取る。これらの電極の位置と形状によって、波点の重みのつけ方が決まる。ＢＢＤ及びＣＣＤ相関器の場合と同様に、その加重が送信コードを表していれば、ＳＡＷの出力は相関を表す。ＳＡＷデバイス表面上の波動パターンが表面電極パターンと整合したとき、相関は最大になる。ＳＡＷ相関器に関する背景情報は、ディー・ティー・ベル・ジュニア(D.T．Be ll.Jr.)及びエル・ティー・クレイボーン(L.T．Claiborne)による「位相コードジェネレータと相関器(Phase Code Generators and Correlators)」という名称の論文（米国テキサス州ダラス(Dallas)のテキサス・インスツルメント(Texas I nstruments，Inc.)社刊；３０７〜３１６ページ）に記載されており、その内容は参照によって本願に編入される。再度図１を参照する。相関器３０の出力は、信号が受信側トランスデューサによって受信されるまで低い状態にある。その後、受信アナログ電気信号のパターンが相関器に埋め込まれた同じパターン、すなわちコード化送信信号と整合すると、相関器３０の出力は最大出力またはピーク出力を生じる。正確に相関ピークの時間位置を決定するために、アナログシフトレジスタ３４からの相関器出力は以下に説明するＡＤＣ３６によって受信アナログ電気信号の周波数より速い速度でデジタル化される。このような方式では、ディジタルデータまたはポイントは、ピーク期間の位置を検出する際の不確定性に対応するために必要な長い期間、高速で取り込まれる。これらのポイントは記憶された後、最終的には処理手段へ送られる。しかしながら、相関ピークの正確な位置を確定するために必要なピーク期間の間にほんの僅かな数のポイントだけ記憶することによって、時間とエネルギーを節約することができる。この実施形態の場合、相関器３０の出力に接続されたアナログピーク検出器３２がピーク期間を得るためのタイミングを決定する。相関器３０の出力が相関ピーク振幅の期待値範囲に対応する値に関して設定されたスレッショルド値と交わると、ピーク検出器３２は、ピーク期間全体が得られた時相関手段を止めるタイミング信号を発生する。ピーク位置の正確な確定には、ピークの両側にほんの少数のデータポイントだけあればよい。このように、ピーク検出器３２は、流動測定装置１０における超音波受信アナログ信号の伝搬時間の正確な測定のために必要なディジタル情報の量を少なく制限し、しかもそれを非常に少ない電力消費可能にするタイミング信号を発生する。相関器３０の出力は、ピーク期間内で、受信アナログ信号のパターンが前に相関器３０埋め込まれたコード化送信信号のパターンと整合したとき、ピークになる。アナログピーク検出器３２は、相関器３０からの出力をモニタし、ピーク期間が検出された時、パルスを発生する。このパルスは、ピーク期間の検出後短い期間だけ測定を続けるピーク検出器３２の一部をなすカウンタを作動させる。測定は、相関器３０の出力から次のピークのエッジを決めるための所定時間だけ持続する。その所定時間の後に、最後のストップ信号がピーク検出器３２からアナログシフトレジスタ３４へ送られ、相関測定は終了する。相関器３０のピーク出力はアナログシフトレジスタ３４に供給される。相関器３０から出力される信号は、クロック信号によってシフトレジスタ３４に入力される。各クロックパルス毎に、ピーク出力の新しい値がシフトレジスタ３４入力されることによって、シフトレジスタの下方に、それまでに送られて来たポイントがシフトレジスタの下方にシフトされる。シフトレジスタ３４に与えられるポイントの数が利用可能なポイント位置の数を超えると、より前のポイントはレジスタの端からシフトオフされ、排棄される。ピーク検出器３２は、最終のストップ信号が生じた時、どのポイントがアナログシフトレジスタ３４に記憶されるかを決定する。例えば、シフトレジスタ３４が２０のポイントを持っているとすると、ピーク検出器３２は、もう１０クロックサイクルを生じさせ、もう１０ポイントをシフトレジスタ３４に加えることができるようにする。このようにして、ピーク期間は、リーディングエッジを決める１０ポイントと次のエッジを決める１０ポイントによってシフトレジスタ３４に記憶されることになる。シフトレジスタに保持されるポイントの数は、選択したクロック周波数及びレジスタのサイズによって決まる。この実施形態の場合、１０ＭＨｚのクロック周波数と１ＭＨｚの超音波周波数が用いられる。そのために、これらのクロックと超音波周波数の結果として、１０ポイントの他、ピーク期間の両側のそれぞれの５つのポイントによって画定される１マイクロ秒幅のピーク期間が得られる。アナログピーク検出器３２は、流動測定装置１０の全体的な低電力システムに貢献するコンポーネントの１つである。ピーク検出器３２による限界的なピーク検出を行わない場合、相関器３０の出力はすべて、マイクロプロセッサのような処理回路へ転送する前に、次のアナログ‐ディジタル変換器によってデジタル化しなければならないことになろう。このようなデジタル化及び処理は、相関ピークの時間位置で不確定性に対応するのにはるかに多量の時間が必要になる。従って、処理する相関器３０からの出力のポイントをはっきりピーク期間に限定することによって、コンポーネントが使用される時間量及び消費されるエネルギーの量は最小限に抑えられる。ピーク期間はアナログシフトレジスタ３４に記憶され、その後アナログ‐ディジタル変換器（ＡＤＣ）３６によってデジタル化され、マイクロプロセッサ３８に供給される。ＡＤＣ３６とマイクロプロセッサ３８は所定の同じクロック速度で動作する。このクロック速度は、電力消費が最小になるよう、通常、０.５ＭＨｚのオーダーのように低い。このクロック速度で、記憶された２０ポイントの信号は、各読み取り／転送当たり２サイクルと仮定すると、約８０マイクロ秒でマイクロプロセッサ３８の記憶部に転送される。この実施形態の場合、マイクロプロセッサ３８による曲線のあてはめ分析は、ピーク位置を決定するのにおよそ１ミリ秒を要する。図１及び３を参照する。クロック４０は流動測定装置１０のタイミングを制御する。この実施形態の場合、クロック４０が１０ＭＨｚで動作する。測定サイクルの始めに、送信信号が起動されて、クロック４０及び遅延カウンタ４２はタイムライン４４からカウントし始める。受信端側の流動測定装置１０のコンポーネントは、エネルギーを節約するために、この時点では電源を供給されない。それらの受信端側のコンポーネントには、受信器増幅器２８、相関器３０、ピーク検出器３２、アナログシフトレジスタ３４、ＡＤＣ３６及びマイクロプロセッサ３８が含まれる。遅延カウンタ４２がその所定のカウント時間の終わりに達すると、受信端側のコンポーネントはタイムライン４６で電源オンになる。遅延カウンタ４２の遅延時間は、導管１４についての既知の幾何学的特性及び液体１２中の音速から概略計算され、この情報がメモリに書き込まれているマイクロプロセッサ３８からの遅延時間信号によってセットされる。この遅延によって、伝搬時間及び信号を受信するコンポーネントが「オン」位置に切り換わった時パワーアップするのに必要な時間の不確定性に対応することが可能である。ピーク検出器３２中に含まれるもう１つのカウンタは、遅延カウンタ４２の遅延時間後の時間位置４６でカウント動作を開始し、ピーク検出器３２が時間位置４８でピーク期間を検出するまでカウントし続ける。上に述べたように、シフトレジスタ３４におけるピーク出力のポイントの時間位置５０を確定するためは、クロック４０の１０サイクルが時間位置４８に加えられる。その後は、マイクロプロセッサ３８のクロックが引き継いで、時間位置５２で示されている測定サイクルの終わりまで動作する。また、ＡＤＣ３６はシフトレジスタ３４からピーク期間を含むデータをマイクロプロセッサ３８のディジタルメモリへ移動させる。もう一つの流動測定装置の実施形態では、アナログ相関器３０の他の実施態様、すなわち、ＳＡＷ相関器を使用する。ＳＡＷデバイスを１０ＭＨｚより低い周波数で動作させるとＳＡＷデバイスの寸法をＳＡＷ材料中の音波の波長より大きく保つ必要があるため、ＳＡＷ技術の限界が生じる。超音波伝搬時間測定の限界のために、信号周波数は約１ＭＨｚにする必要があり、従ってＳＡＷデバイスの使用には、大きいサイズの圧電材料が必要になる。この問題を回避するために、別の方式を用いてＳＡＷ相関器を実装することができる。それによれば、受信アナログ電気信号は、振動する信号が信号のゼロ交点毎に符号を変える方形波になるよう増幅される。この方形波信号は、その方形波とこれより高い周波数でミキサーを駆動することによって、そのより高い周波数の搬送波信号を位相変調することができる。このようにして、１ＭＨｚの超音波信号のコードは、搬送波信号上の移相コードに変換される。搬送波信号は、そのより高い搬送周波数で動作するよう設計されたＳＡＷ相関器デバイスに供給される。こうすれば、ＳＡＷ相関器デバイスはより低い超音波の周波数ではなく、より高い搬送周波数によって制御されるので、ＳＡＷ材料の寸法は小さくなる。上記述のＢＢＤ相関器の他の属性はすべて、この別の実施形態のＳＡＷ相関器でも適用される。送信側トランスデューサを励振する手段をさらに修正した態様を実施することにより、超音波伝搬時間の流れを測定するための相関検出技術の利用法を改善することができる。パルスが超音波トランスデューサを励振する時、トランスデューサは、減衰させられない限りその固有振動周波数でリンギングする性質がある。リンギングは、送信超音波信号に付与されたコードの検出との干渉を生じる。リンギングの効果を小さくするためには、たとえば送信信号で変調されたコードを分散させることが可能である。そのコード化送信信号は、位相の後にリンギングを減衰させるための遅延をおいたシングルサイクルからなる。その後は、適切な位相に遅延を続けたシングルサイクルを、コード化送信信号がすべて送信されるまで繰り返す。この技術では、リンギングとの干渉は回避されるが、コードを付与するために要する総時間は、余分の遅延のためにより長くなる。コード化送信信号を送信するための総時間を短縮するために、各シングルパルスの後に送信パルスと１８０度位相のずれた第２のシングルパルスを続けることにより、発振器を反転させ、リンギングを打ち消す。このような送信信号についての修正態様によれば、リンギングが小さくなり、従って、相関ピークが強調される結果、ピーク期間の検出が容易になり、伝搬時間測定に必要なデータ量を少なく制限することができる。上に説明した実施形態及びいくつかの異なる実施態様は、４−２０ｍａ２線式ループを使用する任意の装置のように、低エネルギー消費から得るところが少なくないあらゆる種類の流動測定装置で使用することができるよう企図されたものである。４−２０ｍａ回路では、測定変数はゼロポイントの時は４ｍａで表され、フルスケールの時は２０ｍａによって表される。送信器回路は、通常、２つの部分、すなわち、測定を行う部分と２線式ループ中の電流を制御する部分とに分けられる。送信器の測定回路については、プロセス変数に関わらず、一定の電流を使用することが標準的な慣行である。測定回路は、測定がゼロに近いかフルスケールに近いかに関わらず、４ｍａ以下の電流を使用する。出力回路の電流制御部のみが、総電流をゼロ時における４ｍａからフルスケール時の２０ｍａに変化させる。この一般的なやり方を変えることによって、測定を改善することができる。４−２０ｍａ２線式ループの場合、特に、測定変数がゼロでない時、２本の線上を送られる４ｍａを超える電流を使用することによって、回路の測定部で使用される電力を増やすことができる。測定がノンゼロの値の時は、４ｍａのゼロポイント電流より大きい電流を使用することができる。超音波流量計の場合は、より多くの電流を使うことができ、これによってより多くの伝搬時間測定のサンプルを得ることができ、従ってより良好なデータの平均計算を行うことができる。４ｍａ電流に限定されると、消費電力を４ｍａによって得られるエネルギー枠内に納めるために、サンプル数が制限される。ノンゼロでの動作時には、より多くの電流が利用可能であり、サンプル数を増やすことができる。ノンゼロ測定が通常の動作であるので、すなわち、測定器は総じてノンゼロ状態にあるから、その動作の大部分について測定精度を改善することができるはずである。その上、流量が最大になると、流れノイズが悪化する。このような場合は、より多くの電流を用いることによって、その余分の電流をより良好なデータの平均計算及びノイズ減少のために利用することができる。本発明の測定装置は、主にパイプまたは導管中の流量の測定に使用するためのものであるが、これに限定されるものではない。本発明の低電力技術の他の用途としては、超音波パルスの伝搬時間の測定に基づく他のパラメータあるいは物理的性質の測定に利用することも可能である。図４は、本発明によるそのような他の実施態様を示したもので、この実施形態においては、超音波パルスの伝搬時間の測定に基づく本発明の低電力技術を用いて液体のレベルが測定される。図４においては、タンク、入れ物または容器７２中の液体７０のレベルを、トランスデューサ７４から出たパルスが固定ポイントから気相体／液相界面７６に達するまでの伝搬時間を測定することによって測定することができる。図４に示す実施形態においては、トランスデューサ７４はタンク７２の底に配置され、トランスデューサ７４から出たパルスはが液体７８を中を進行して気相／液相界面７６に達し、そこで反射して、トランスデューサ７４または図１のトランスデューサ１６及び／または１８と同等の別の受信側トランスデューサ（図示省略）へ戻るようになっている。戻ったパルスまたは反射パルスはトランスデューサ７４によって受信され、受信アナログ電気信号となる。あるいは、トランスデューサ７４は、タンク７２の上部に配置して、そこで発生したパルスが、気体８０中を進行して気相／液相界面７６に達し、そこで上記同様に反射して、トランスデューサ７４または別の受信側トランスデューサに戻るようにすることもできる。いずれの場合も、固定ポイントから界面までのパルスの伝搬時間を測定することによって相界面７６位置を測定することができる。液相または気相のレベルが変化すると、相界面７６の位置も変化し、この相界面７６の位置の変化は、超音波パルスが進行する液体または気体中での速度を知って超音波パルスの伝搬時間を測定することによって、すなわち、伝搬時間を速度で割った値に等しい距離として測定することができる。本発明のエネルギー管理技術を用いることによって、液体レベルの測定を低電力モードで２線式の４−２０ミリアンペアラインを介して行うことができる。トランスデューサ７４または別の受信器トランスデューサに戻ったパルスは、次に、超音波送信信号と受信アナログ信号を受信アナログ信号のピーク期間が検出されるように相関させるＢＢＤ、ＣＣＤまたはＳＡＷ相関器のような相関器によって処理される。図５に示す本発明のもう一つの実施形態は、液体または気体の２成分混合物中の速度を測定するために使用することができる装置で、速度によって２成分混合物での各成分の比率を求めるようにしたものである。本発明の電源管理技術を使うことにより、この測定を２線式の低電力型測定で行うことが可能である。図５の実施形態においては、符号８２で示すタンク、入れ物、容器、導管等または同様の８２に液体または気体の２成分混合物が入っており、信号発生トランスデューサ８４から発したパルスを２成分混合物８６を通して送入し、受信アナログ電気信号を図１のトランスデューサ１６及び／または１８と同等の信号発生トランスデューサ８４と反対側に反対方向に配置されたトランスデューサ８８によって受信する。従って、本発明による測定装置を使用すると、液体または気体中の速度の低電力測定によってその液体等の物理的性質を知ることができる。この場合、距離は既知の定数であり、伝搬時間を用いて液体または気体中の速度、すなわち伝搬時間で距離を割ったものに等しい値として求めることができる。２成分混合物８６の組成は、液体または気体中の速度を検出することによって求められる。図６は、本発明のもう一つの実施形態を示し、この実施形態は、符号９４で示す導管、パイプ、容器、タンク等に入っている液体または気体媒体９２中を伝搬する波動信号または時間従属性信号９６の変化を測定することによって、その液体または気体媒体９２の種々の物理的性質を測定するための低電力型装置９０よりなる。この低電力型装置９０は：液体または気体媒体中に注入する送信波または時間従属性信号を得るための少なくとも１つの送信手段９８（すなわちトランスデューサ）と；上記送信手段９８から離れた位置にあって、液体または気体媒体９２から受信波または時間従属性信号を受信するたの少なくとも１つの受信手段１００（すなわちトランスデューサ）と；上記受信手段に接続されていて、受信波または時間従属性信号のアナログ信号処理を処理された受信波または時間従属性信号の短い期間が抽出されるように行うための手段と；を具備している。アナログ信号処理のための上記手段は、信号受信器１０１、アナログ信号プロセッサ１０２（例えばアナログ相関器）及びアナログシフトレジスタ１０３を有する。アナログシフトレジスタ１０３からの所期の出力ピークは、ＡＤＣ１０５に送られて、アナログ信号ピークがデジタル化データに変換される。デジタル化データは、その後マイクロプロセッサ１０７に送られ、信号９６が伝搬する気体または液体のプロセス媒体の所望の物理的性質の測定が行われる。以上、本発明を特定の実施形態との関連で詳細に説明したが、特許請求の範囲の記載によって定まる本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変形態様及び修正態様を実施することが可能なことは明白であろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年４月１７日【補正内容】補正明細書Ａそのために、米国特許第４,７８７,２５２号の流量計は、アナログ‐ディジタル変換、メモリ回路、ＤＭＡ及び相関付けのステップの間に相当な量のエネルギーを消費し、現場用途に多く見られる低電力にとって望ましいものではない。さらに、個々のディジタル化されたポイントが連続的にマイクロプロセッサに送られている時、相関演算を行うには相当強力なマイクロプロセッサが必要である。例えば、コード化された送信信号のパターンは、１ＭＨｚ信号の５サイクル分のパルスからサンプリングされる５０の数によって定義することができる。受信アナログ電気信号は、そのパルスが確実に受信するようにするために、たとえば５０マイクロ秒の時間間隔にわたって走査することができる。走査された信号は、ＡＤＣ装置によって５００のディジタル化信号に変換されてから、導管またはパイプを通って流れる液体または気体の媒体の流量を得るための相関計算のためにマイクロプロセッサへ送られる。マイクロプロセッサ中で行われる相関演算は、５００回行われる５０の乗算、すなわち２５，０００回の乗算を伴う。この相関演算は、十分なメモリ容量と高速度を有する高のマイクロプロセッサの場合は問題ではないと考えてよい。しかしながら、現場用途で電力を節約しようと試みる場合、低電力の流量検出器はマイクロプロセッサの動作速度を相当に低くする必要があり、これによって一定期間の流量を出すための計算に過度の時間が取られるので、相関演算が一つの問題を生起させる。従来の流量検出器に必要な大量の相関関数計算は、その内蔵マイクロプロセッサの速度が遅いことにより、導管またはパイプを流れる液体または気体媒体の流量のリアルタイム検出に対応できないと思われるので、やはり低電力検出器には適さない。また、これらの相関計算はすでに限られているエネルギー供給量の相当部分を使用するので、検出器自体の総合的性能に影響を及ぼす。発明の要旨本発明は、液体または気体媒体を通って伝搬する超音波送信信号の伝搬時間をその液体または気体媒体の流れと同方向及びその逆方向の両方向について測定することによってその液体または気体媒体の流速を測定するための手段において：所定時時点で上記液体または気体媒体にその流れ方向に送入する第１の超音波送信信号を得るための第１の送信手段と；上記第１の送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体から第１の超音波受信アナログ信号を受け取るための第１の受信手段と；所定の時点で上記液体または気体媒体にその流れ方向と逆方向に送入する第２の超音波送信信号を得るための第２の送信手段と；上記第２の送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体から第２の超音波受信アナログ信号を受け取るための第２の受信手段と；を具備し、上記第１及び第２の両方の受信手段に接続されていて、上記第１及び第２の超音波受信アナログ信号をそれぞれ上記第１及び第２の超音波送信信号とを上記第１及び第２の両方の超音波受信アナログ信号の相関のピーク期間が検出されるように相関させるための手段と；上記相関させるための手段に接続されていて、上記ピーク期間をディジタル化するためのアナログ‐ディジタル変換器と；上記アナログ‐ディジタル変換器に接続されていて、上記デジタル化されたピーク期間から上記液体または気体媒体の伝搬時間を計算するためのプロセッサ手段と；を特徴とするものである。補正明細書Ｂ図面の簡単な説明図１は、本発明の一実施形態のブロック図である。図２は、図１の相関器の概略ブロック図。図３は図１の実施形態のタイミング図である。図４は、タンクに入っているで液体のレベルを測定するために本発明の測定装置を組み込んだ液体貯蔵タンクの概略図である。図５は、２成分混合物中で速度を測定して該２成分混合物の組成を求めるために本発明の測定装置を組み込んだ容器の概略図である。図６は、波動または信号を媒体に通した後、アナログ信号プロセッサによって処理してからアナログ‐ディジタル変換及びデジタル化された信号のマイクロプロセッサ処理を行うようにした本発明によるもう一つつの実施形態のブロック図である。実施形態の詳細な説明添付図面において、本発明一実施形態の超音波流動測定装置は全体として参照符号１０で表されている。特に、図１のブロック図を参照すると、超音波流動測定システムまたは装置１０は、パイプまたは導管１４中を流れる液体または気体媒体１２の流速を測定するための種々の回路コンポーネントを有する。上流側超音波トランスデューサ１６は、導管１４の側壁１３の外面上に取り付けられ、下流側超音波トランスデューサ１８も側壁１３の外面上に上流側トランスデューサ１６から離れて取り付けられている。補正請求の範囲１．液体または気体媒体を通って伝搬する超音波送信信号の伝搬時間をその液体または気体媒体の流れと同方向及びその逆方向の両方向について測定することによってその液体または気体媒体の流速を測定するための装置であって、所定時時点で上記液体または気体媒体にその流れ方向に送入する第１の超音波送信信号を得るための第１の送信手段（１６，２４）と；上記第１の送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体から第１の超音波受信アナログ信号を受け取るための第１の受信手段（１８，２６）と；所定の時点で上記液体または気体媒体にその流れ方向と逆方向に送入する第２の超音波送信信号を得るための第２の送信手段（１８，２６）と；上記第２の送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体から第２の超音波受信アナログ信号を受け取るための第２の受信手段（１６，２４）と；を具備した装置（１０）において：上記第１及び第２の両方の受信手段に接続されていて、上記第１及び第２の超音波受信アナログ信号をそれぞれ上記第１及び第２の超音波送信信号とを上記第１及び第２の両方の超音波受信アナログ信号の相関のピーク期間が検出されるように相関させる手段（３０）と；上記相関させる手段に接続されていて、上記ピーク期間をデジタル化するためのアナログ‐ディジタル変換器（３６）と；上記アナログ‐ディジタル変換器に接続されていて、上記デジタル化されたピーク期間から上記液体または気体媒体の伝搬時間を計算するプロセッサ手段（３８）と；を有することを特徴とする装置。２．上記第１及び第２の送信手段が、各々上記液体または気体媒体に上記第１及び第２の超音波送信信号をそれぞれ送入するための送信側超音波トランスデューサ（１６，１８）を具備し、上記第１及び第２の受信手段が、各々上記第１及び第２の受信アナログ信号を受信するための受信側超音波トランスデューサ（１６，１８）を具備することを特徴とする請求項１記載の装置。３．上記第１の送信手段（１６，２４）及び第２の受信手段（１６，２４）が、上記第１の超音波送信信号を送信すると共に上記第２の超音波受信アナログ信号を受信することができる第１の超音波トランスデューサ（１６）であり、上記第２の送信手段（１８，２４）及び上記第１の受信手段（１８，２６）が、上記第２の超音波送信信号を送信すると共に上記第１の超音波受信アナログ信号を受信することができる第２の超音波トランスデューサ（１８）であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の装置。４．上記アナログ相関器手段（３０）が、上記第１及び第２の超音波送信信号と上記第１及び第２の受信超音波信号との整合に基づいくピーク期間を有するピーク出力を発生することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。５．上記ピーク期間が検出された時ピーク時点を確定し、そのピーク時点を示す信号を上記アナログシフトレジスタに供給するストップカウンタ（４２）を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。６．上記第１及び第２の送信手段及び上記相関させる手段にタイミング信号を供給するクロックタイマー（４０）を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。７．上記超音波送信信号が、第１のパルス及びその第１のパルスの後に続く１８０度位相のずれた第２のパルスよりなり、これによって上記第１または第２の受信手段が受け取るノイズを打ち消すことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。８．上記液体または気体媒体のプロセスパラメータを測定する上記低電力装置にエネルギーを供給するために用いられる４−２０ミリアンペア２線式ループを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。９．ゼロポイントまたはフルスケール近くで動作中は４ミリアンペアしか使わず、これによって残りの分の１６ミリアンペアの電流を装置が伝搬時間測定についてより多くのサンプルを取り込むよう駆動するために割り当てることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。１０．上記第１及び第２の超音波送信信号が波動信号または時間従属性信号であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者プーニス，ジャンカルロアメリカ合衆国・18914・ペンシルヴェニア州・チャルフォント・ブリタニードライブ・112 (72)発明者デマーク，アンソニー・エムアメリカ合衆国・19462・ペンシルヴェニア州・キモンスミーティング・ガウェインロード・700

Claims

【特許請求の範囲】１．液体または気体の媒体中を伝搬する波動アナログ信号または時間従属性アナログ信号の変化を測定することによって、該液体または気体媒体の種々のプロセスパラメータ及び／または物理的性質を測定するための低電力型装置において：液体または気体媒体中に送入する送信波動信号または時間従属性アナログ信号を得るための少なくとも１つの送信手段と；上記送信手段から離れた位置にあって、液体または気体媒体から受信波動信号または時間従属性アナログ信号を受け取るための少なくとも１つの受信手段と；上記受信手段に接続されていて、上記受信波動信号または時間従属性アナログ信号のアナログ信号処理を行って、その処理された受信波動信号または時間従属性アナログ信号の一定の短い期間が抽出されるようにするための手段と；を具備した装置。２．液体または気体の媒体中を伝搬する超音波パルスの伝搬時間を測定することによって、該液体または気体媒体のプロセスパラメータ及び／または物理的性質を測定するための低電力型装置において：所定の時点で上記液体または気体媒体中に送入する超音波送信信号を得るための少なくとも１つの送信手段と；上記送信手段から離れた位置にあって、液体または気体媒体から超音波受信アナログ信号を受け取るための少なくとも１つの受信手段と；上記受信手段に接続されていて、上記超音波送信信号と上記超音波受信アナログ信号を該超音波受信アナログ信号のピーク期間が抽出されるように相関させるための手段と；を具備した装置。３．上記送信手段が超音波パルスを該液体または気体媒体に送入するための送信側超音波トランスデューサを具備し、上記受信手段が該超音波受信アナログ信号を受信するための受信側超音波トランスデューサを具備する請求項２記載の装置。４．上記相関させるための手段が、上記超音波送信信号と上記超音波受信アナログ信号を相関させるためのアナログ相関器を具備する請求項２記載の装置。５．上記アナログ相関器が、上記超音波送信信号と上記受信超音波信号との整合に基づくピーク期間を有するピーク出力を発生することができる請求項４記載のク装置。６．上記アナログ相関器が、バケットブリゲード・デバイス、電荷結合デバイス及び表面波装置からなる群より選択される請求項４記載の装置。７．上記相関させるための手段が、アナログ相関器に接続された上記ピーク出力から上記ピーク期間を抽出するためのアナログシフトレジスタをさらに具備する請求項５記載の装置。８．上記相関させるための該手段が、上記ピーク期間に応答して上記ピーク期間を含む上記ピーク出力の特定の期間を抽出するよう指示する信号を上記アナログシフトレジスタに送るピーク検出器をさらに具備する請求項７記載の装置。９．上記ピーク検出器が、上記ピーク期間が検出された時ピーク時点を確定し、該ピーク時点を示す信号を上記アナログシフトレジスタに供給するストップカウンタを具備する請求項８記載の装置。１０．上記相関させるための手段に接続されていて、上記ピーク期間をデジタル化するためのアナログ‐ディジタル変換器と；上記アナログ‐ディジタル変換器に接続されていて、上記デジタル化されたピーク期間から上記液体または気体媒体の伝搬時間を計算するためのプロセッサ手段と；をさらに具備した請求項２記載の装置。１１．上記相関させるための手段、上記アナログ‐ディジタル変換器及び上記プロセッサ手段の起動を設定された遅延時間だけ遅延させてエネルギーを節約するためにの遅延カウンタをさらに具備した請求項１０記載の装置。１２．上記設定された遅延時間の期間が、上記プロセッサ手段によって決定され、上記液体または気体媒体が通る流路の大きさによって決まる請求項１１記載の装置。１３．上記送信手段及び上記相関させるための手段にタイミング信号を供給するクロックタイマをさらに具備した請求項２記載の装置。１４．上記ピーク検出器が、各シングルパルスの後に１８０度位相のずれた第２のパルスを続けることによって、発振器を反転させ、上記液体または気体媒体から超音波信号を受信するための上記受信手段が受け取るリンギングまたはノイズを打ち消す送信信号を有する請求項８記載の装置。１５．上記液体または気体媒体のプロセスパラメータまたは物理的性質を測定するための上記低電力装置にエネルギーを供給するために用いられる４−２０ミリアンペア２線式ループをさらに具備した請求項２記載の装置。１６．上記液体または気体媒体のプロセスパラメータを測定するための上記低電力装置が、ゼロポイントまたはフルスケール近くで動作中は４ミリアンペアしか使わず、これによって残りの分の最大１６ミリアンペアの電流を該低電力装置が伝搬時間測定についてより多くのサンプルを取り込むよう駆動するために割り当てる請求項１５記載の装置。１７．液体または気体媒体を通って伝搬する超音波パルスの伝搬時間を該液体または気体媒体の流れと同方向及びその逆方向の両方向について測定することによって該液体または気体媒体の流速を測定するための装置において：所定時時点で上記液体または気体媒体にその流れ方向に送入する第１の超音波送信信号を得るための第１の送信手段と；上記第１の送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体から第１の超音波受信アナログ信号を受け取るための第１の受信手段と；所定の時点で上記液体または気体媒体にその流れ方向と逆方向に送入する第２の超音波送信信号を得るための第２の送信手段と；上記第２の送信手段から離れた位置にあって、上記液体または気体媒体から第２の超音波受信アナログ信号を受け取るための第２の受信手段と；上記第１及び第２の両方の受信手段に接続されていて、上記第１及び第２の超音波受信アナログ信号をそれぞれ上記第１及び第２の超音波送信信号とを上記第１及び第２の両方の超音波受信アナログ信号の相関のピーク期間が抽出されるように相関させるための手段と；を具備した装置。１８．上記第１及び第２の送信手段が、各々上記液体または気体媒体に上記超音波パルスを送入するための送信側超音波トランスデューサを具備し、上記第１及び第２の受信手段が、各々該超音波信号を受信するための受信側超音波トランスデューサを具備する請求項１７記載の装置。１９．上記第１の送信手段及び第２の受信手段が、上記第１の超音波送信信号を送信すると共に上記第２の超音波受信アナログ信号を受信することができる第１の超音波トランスデューサであり、上記第２の送信手段及び上記第１の受信手段が、上記第２の超音波送信信号を送信すると共に上記第１の超音波受信アナログ信号を受信することができる第２の超音波トランスデューサである請求項１７記載の装置。２０．上記第２の超音波トランスデューサが上記第１の受信手段として機能する時、上記第１の超音波トランスデューサが上記第１の送信手段として機能できるようにすると共に、該第２の超音波トランスデューサが該第２の送信手段のとして機能する時、該第１の超音波トランスデューサが上記第２の受信手段として昨日することができる切り換え手段をさらに具備した請求項１９記載の装置。２１．上記相関させるための手段が、それぞれ上記第１及び第２の超音波送信信号と上記第１及び第２の超音波受信アナログ信号を相関させるためのアナログ相関器よりなる請求項１７記載の装置。２２．上記アナログ相関器が、上記超音波送信信号と上記受信超音波信号との整合に基づくピーク期間を有するピーク出力を発生することができる請求項２１記載の装置。２３．上記アナログ相関器が、バケットブリゲード・デバイス、電荷結合デバイス及び表面波装置からなる群より選択される請求項２１記載の装置。２４．上記相関させるための手段が、アナログ相関器に接続された上記ピーク出力から上記ピーク期間を抽出するためのアナログシフトレジスタをさらに具備する請求項２１記載の装置。２５．上記相関させるための該手段が、上記ピーク期間に応答して上記ピーク期間を含む上記ピーク出力の特定の期間を抽出するよう指示する信号を上記アナログシフトレジスタに送るピーク検出器をさらに具備する請求項２４記載の装置。２６．上記ピーク検出器が、上記ピーク期間が検出された時ピーク時点を確定し、該ピーク時点を示す信号を上記アナログシフトレジスタに供給するストップカウンタを具備する請求項２５記載の装置。２７．上記相関させるための手段に接続されていて、上記ピーク期間をデジタル化するためのアナログ‐ディジタル変換器と；上記アナログ‐ディジタル変換器に接続されていて、上記デジタル化されたピーク期間から上記液体または気体媒体の伝搬時間を計算するためのプロセッサ手段と；をさらに具備した請求項１７記載の装置。２８．上記相関させるための手段、上記アナログ‐ディジタル変換器及び上記プロセッサ手段の起動を設定された遅延時間だけ遅延させてエネルギーを節約するためにの遅延カウンタをさらに具備した請求項２７記載の装置。２９．上記設定された遅延時間の期間が、上記プロセッサ手段によって決定され、上記液体または気体媒体が通る流路の大きさによって決まる請求項２８記載の装置。３０．上記送信手段及び上記相関させるための手段にタイミング信号を供給するクロックタイマをさらに具備した請求項１７記載の装置。３１．上記ピーク検出器が、各シングルパルスの後に１８０度位相のずれた第２のパルスを続けることによって、発振器を反転させ、上記液体または気体媒体から超音波信号を受信するための上記受信手段が受け取るリンギングまたはノイズを打ち消す送信信号を有する請求項２５記載の装置。３２．上記液体または気体媒体のプロセスパラメータを測定するための上記低電力装置にエネルギーを供給するために用いられる４−２０ミリアンペア２線式ループをさらに具備した請求項１７記載の装置。３３．上記液体または気体媒体のプロセスパラメータを測定するための上記低電力装置が、ゼロポイントまたはフルスケール近くで動作中は４ミリアンペアしか使わず、これによって残りの分の１６ミリアンペアの電流を該低電力装置が伝搬時間測定についてより多くのサンプルを取り込むよう駆動するために割り当てる請求項３２記載の装置。３４．少なくとも２つの相を有する容器中の液体または気体媒体のレベルを超音波パルスが液体または気体媒体を通過して相界面に達するまでの該超音波パルスの伝搬時間を測定することによって測定するための装置において：所定の時点で上記液体または気体媒体中に送入する超音波送信アナログ信号を得るための送信手段と；上記液体または気体媒体から超音波受信アナログ信号を受け取るための受信手段と；上記受信手段に接続されていて、上記超音波受信アナログ信号のピーク期間が抽出されるように、上記超音波送信アナログ信号と超音波受信アナログ信号を相関させるための手段と；を具備した装置。３５．上記超音波受信アナログ信号のピーク期間から上記気体または液体を通して超音波送信アナログ信号の伝搬時間を決定することによって、上記容器中の上記相界面の位置を決定することができる上記相関手段に接続された手段をさらに具備した請求項３４記載の装置。３６．液体または気体媒体からなる２成分混合物を伝搬する超音波パルスの伝搬時間を測定することにより、該２成分混合物の中の超音波パルスの速度を測定して、該２成分混合物の組成を決定するための装置において：所定の時点で上記２成分混合物中に送入する超音波送信アナログ信号を得るための送信手段と；上記送信手段から離れた位置にあって、上記２成分混合物から超音波受信アナログ信号を受け取るための受信手段と；上記受信手段に接続されていて、上記超音波受信アナログ信号のピーク期間が抽出されるように、超音波送信アナログ信号と超音波受信アナログ信号を相関させるための手段と；を具備した装置。３７．上記相関させるための手段に接続されていて、上記超音波受信アナログ信号の上記ピーク期間から上記２成分混合物の各成分中の上記超音波送信アナログ信号の伝搬時間を測定することによって該２成分混合物の速度を決定することができる手段をさらに具備した請求項３６記載の装置。