JPS58161876A - 伝播時間測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 とＯＩＩ−は、超音波流量針等にかはる測定信号の伝播
時間を高分簿簡で測定すｂことができる伝播時間１１Ｗ
ＩＩＩＩＫ関する。

超音波流量針は、ｖｌｔｓ図に示すように１被測定流体
１を導く菅路２に対し一対Ｏ超音Ｉｌ送受液器ｓａ、ｓ
ｂを斜めに対向して暖付け、ζ〇一対の趨膏波送受ｆＩ
ＩＬ器３ｍ、３ｂの各ｋＫ龍音滅信号を供給し、その放
射方向によ為超音波伝播時間差を計測することにより、
被測定流体１の流速ζつまり流量）を測定するものであ
る。

この場合、□”送受波器３ａ、１ｂｆｌｌｌ〇一方崗３
ａ→ＳｂＫおけ為、超音波信号Ｏ伝播時間〒１　は但し
、Ｄ：管路３の直径 ＃：入射角 Ｃ：被測定流体１中ＫｊＰけｂ音速 マ：被測定流体１の流速 なる弐によ抄部えられ％また、逆方向３ｂ→３ａＫシけ
る伝播時間Ｔ、は なる式によに与えられる。上記（１１、（２）式より流
速マを求めると、 となる、ここで、伝播時間Ｔ１１　Ｔ、　　０１１１１
分憤能をＩＴとすると、＃Ｉ！速マの測定分解能−マは
、上記１３１式を全微分し、さらに＃記（１）、（２）
弐にかける伝播時間Ｔ１．　Ｔ、　　を各々代入するこ
とによ〉、−−−−−−−−−−（４） 但しｂ　Ｃ＞＞　ｖ なる弐によシ与えられる。この（４）式を変形しも−Ｔ
を求めると、 ＩＴ冨−ｒ−・１マー一一−−−−−−−問Ｃ＠　ｅｏ
ｔ＃ と１に為、このａＴは夷−０Ｉｌ速測定Ｋかいては。

例えば Ｃ−１４５Ｏｍ／ｓ、−諺４１、　Ｄ−１０ｓｉ。

ａ　ｙ　ｓａ　１　ａｍ　／　＠なる各数値を上記（５
３式に代入することによに、 ＪＴ＋　　０．５　　ｎａ　　　　　　−−−−−−−
−−−−−−−一−（６）という値となる。

ところで、伝播時間Ｔ、　、　Ｔ、　　の測定を通常の
方法によ〉欄足するには、上記（６）式から明らかであ
るように０．５ｎａの時間分解能が必要となるが、これ
は局梳数に換算すると％　”１０．５Ｘ１Ｇ−ａ２ｘｌ
Ｇ’（１１組）とｅｂｂ　Ｌ＊がって２０ＨｓＯ安定な
タイムベース信号が必要となる。

しかしながら、そのような高速のタイムベース信号は安
定性の艮い４０をりくることが困−で島ｐ１かつ価格４
高価となる。そζで、従来はアナログ的傘時間伸長を一
つ九）、あるいは、伝播−閲Ｔ、　、　Ｔ、　　をそれ
ぞれ屑液歇ｆ８．　ｔ、　　Ｋ変換し、その周波数差Δ
ｆ　　（−ｆ、　−ｆ、）Ｋ基づいて流量を測定するこ
とが行なわれていた。

しかしながら、このような測定方法によると、伝播時聞
測９！Ｉｉ１略の構成が複雑にな）％価格、信顎性、夷
將の面で不利ＩＣ！シ、さらに、１１１１作が高速なた
め％例えば！イクＣＩ：ｒンビエータによ為直接制御が
行ないにくい問題があった。

この発明は上記の事情に鑑み、簡単ｔｏ路構威によ抄測
定分解能の向上を図ることができる伝播時間測定回路を
提供するもので、信号Ｏ送受信を複数回行い、ｔた、各
受信−に受信信４＃または基準電圧に雑音信号を重畳し
て受信信４＃Ｏ検出を行い、この検出鎗ＩＩｋＫ基づい
て伝播時間を測定し、さらに％複数回の測定結果を統計
処暑することＫよ抄正確な伝播時間を得るようにしたも
のである。

以下、４Ｉを参照しこの発明の一実施例について説明す
る。纂ｍａｌｌは、この発明によ為伝播時間測ｗ！＠路
の構成を示すプロッタ図である。この図にシいて、ｔＯ
は伝播時間測定の基となるタイムベース信号Ｔｌｌを１
〜１０圓−程度の馬腋数で安定に一生させ為タイムペー
メ発４ｋＩ回路で島ヤ、このタイムベーメ発生回路１０
で一生され次タイムベース信奇ＴＢは％同期回路１１シ
よびカウンタ１１１１１雪へ各々供給嘔れる。同期ａ１
８１１け制御［１８１３からパスライン１４を介して出
力される制御信号８に基づき、タイムペース発生回路１
０から供給畜れたタイムペース信ＩＴＢＫ岡期した属−
信４＃に８を☆ウンタ回酪ｌ雪シよび送信回路Ｉｓへ各
々出力する。送信［１１Ｂ１Ｂは供給されｔ厘−信号に
８　Ｋ基づいて超音波信号を発生するもので、この超音
波信号は１方の送受波器３ａから出力され、他方の送受
波器ＳｂＫより受信される。

この送受液・３ｂで受信され皮趨音波信うは、受信回路
１６によってノイズを除去されると共に増幅され、受信
信４１）Ｒ８として検出回路１丁へ供給され為、検出−
路１７は、受信回路１６から供給され曳受信信号Ｒ８に
基づＩＩ、検出パルスＰをカウンタ回路１２へ出力する
もので、そａｓｓｓ威は後述する。カウンタ＠１１１２
は、同期回路１１から躯−信号［８が供給され食時点で
タイムぺ一から検出パルスＰが出力された時点でタイム
ベーヌ信号ＴＢｏ計数を停止するもので、タイムぺ一ヌ
信号ＴＢの計数値Ｎはパスライン１４を介して制御回１
１１３へ出力される。ｍａ１回酪ｌ３は、カウンタ回路
１２から供給されるタイムペーヌ信奇ＴＢの計数値Ｎを
超音波信号の受信毎に内部の記憶部に配憶し、この記憶
した複数の計数値ＮＯ統計処理を行なって超音波信号の
送受波器３ａ。

３ｂ間にシける伝播時間を演算し、その演算結果を出力
するもので、マイククコンビエータによ）構設されてい
る。

なか、逆方崗（３ｂ→３ｍ）にかけ為伝播時間は適轟な
スイッチ（Ｉｔ示略１を用いて送受波器３ｍ、３ｂを切
換えることによ〉測定場れる。

次に、検出回路１７の細部構成について説明する。この
検出回路１１は第３図に示すように、比較器１８、雑音
発生ＩＩＩ　９．加算器２０ｓＩ−よび基準電圧源２１
から構成されている。そして、受信回路１６からこの検
出１１１１１７の入力端子２２へ供給１れ喪＃７ｉ管波
信号Ｒ８が雑音発生器１９から出力される雑音信号Ｎ８
と加算ｍｌ！ＯＫより加算され、その加算結果が比較−
１畠〇一方Ｏ入力端へ供給１れる。比較器ｆｉｌｌは加
算ｓｓ２！ｏｏ出力と基準電ど源２１ｔ）出力電圧ｖｆ
　とを比較し、加算器２０の出力が最初に電８Ｅｖｆ　
を横切った時点で出力端から検出パルスＰを出力する。

１シ、上述した雑音信号Ｎ８としては、商用電源雑音、
マイタロコンビエータによ〉発生させることができる擬
似ランダム信号、ゼナーダイオードシよび半導体素子の
ゲートを利用し究発振による物ｉ＋ｕｓ音等が用いられ
る。また、この実ＩＩＩＩＡ例においては、雑音発生器
１９として比較的ゆるやかに蜜化す為雑音信号Ｎ８を発
生する４０が用いられてい為。

次に、上記構成からなる回路０１１ｆｆＫついて。

１Ｉ４−Ｏ１ｌ形図を参雇して説明する。第４−にかい
て、（噂はタイムペーヌ信４＃ＴＢ（周期Ｔ　）。

（ロ）は制御１１１１１　ｍから一期［１１１１１へ供
給される制御値４＃８．（ハ）はタイムペーヌ信量ＴＢ
に一期した駆動信号に８％に）はカウンタ回路１鵞のカ
ウント出力ＵＣ，（ホ）は受信回路１６から検出−１１
１７へ供給される受信信号Ｒ８を各々示す、ｔた。以Ｏ
ｖとし、また受信回路１６の出力信号Ｒ８を、ｔｓ４図
（ホ）に示す時刻ｔｍｔ１以前は０１時刻１−ｔ１以後
はム５ｔｔｔω（１−負で表わされ為正弦波信号とする
。（但し、Ｔは超音波信号０１１信時刻ｔ０　から時刻
１１１での時間である。）い１％受信［１１１ｇから出
力される儒４＃Ｒ８をχ　Ｃυとすると、上述したこと
から、Ｘ　（ｔ）は次のように褒わされる。

ｔた、カウンタ１ｌｌ１１２ｏ力ｆｊ７トｍ力ＩＪｃＯ
計数値Ｎは、信号Ｒ８Ｏ半馬期を凱とすれば（ＩＥ４９
１１（４参ＩＩＩ）、 但し、を寓− ω な４式によ如与見られる。′なシ、この（明式Ｋかいて
ｂ（Ｘ）なる記号はＸを越えない最大ＯＩｌ数を表わｔ
、て１ｘる。ｔ＊％　Ｘ＜００１１ｔｉ、（Ｘｌ−−〔
−Ｘ〕と約束する。

次に、検出回路１１の入力端子２！へ受信回路１６の出
力信号Ｒ８（ｆ（ｔ））が印加されると、ζＯＯ１２Ｒ
ａＫｍ音Ｒ生１１１９０雑音ｆｌ＊ＮＢｍｔｌＪ算Ｓ鵞
ＯＫよって加算され、比較器ｉｌｌ〇一方の入力端へ供
給される。ここで、雑音信号Ｎ８を１＜１）とし％壕九
比較Ｗｈｌ　８〇一方の入力端へ供給堪れる。信号をｚ
’（ｔ）とすると、このｚ’（ｔ）はｔ〉１、　する範
囲にシいて。

２″（１）−＋χ（ｔ）＋ｎ（ｔ）　　　−−−−−−
−＝−（９）なる式で与えられる。この入力信号！’（
ｔ）が検出レベルｒＯＪを横切る時刻は。

ｘ　’　（ｔ）＝　Ｏ−−−−−−−−−−−−一輪１
に４式で与えられる。ζこで、 一ξ＋管◆ｔ’　　　　−−−−−−−−−−−−−６
カとシ（と、鍵記（７）式はｔ≧ｔ１にかいて一＝　Ａ
　＠ｉｌ　Ｉｎ　（τ＋ｌ／）　　　　・＝　１６１１
　（ｔ＋−ｔ’） ＝−に＠１１＠Ｖ　　　　−−−−−−−−−−−−（
１３となる。この（１２式およびｍ配ａυ式を前記（９
）式に代入マると− Ｘ’　（’ｒ＋ｒ＋１’）　＝　−Ａ１ｉ５＠ｔ’−１
−ｎ　（Ｔ＋τ＋ｌ／）−−−−−−−−−−−−−−
０３ なる式が得られる。こ００式において、とおき変えｎば
、前記Ｉ式は、 χ’（ｔ’）　＝　−Ａ３１ａａ＋１’　−）−ｎ　（
ｔ’）−−−−−−−−−−−−−−（１５１と表ねぎ
れる◎ しかして、加算１１２０の出力が０レベルを横切る時ｌ
ｌＡｔ−。

ｚ’　（ｔ’）　＝　−Ａｓｉｓａｍ　ｔ’　−１−ｎ
　（ｔ／）　＝　０−−−−−−−−−−−−−−　ａ
Ｓ なる式から求めると、 ＃　　　　１　　　　−１　　　　ｎ ｔ■−５ｉｎ　　　（Ｘ　）　　　−−−−り鰭ω として求められる。

また、超音波信号の伝播時間Ｔ＋１を１Ｔ＋を冨′ＮＴ
　＋ΔＴ　　　　　−−−−−−一舖　Ｏ とすると、計数値Ｎは、 −−−−−−−−ａＳ となる、すなわち、雑音信号ｎのレベルを適当にと如、
超音波信号の一方肉（ｆｉ見ば、８ｍ−＊３Ｗ１の送受
信を被数回行うと、計数値ＮはＮｏの鎗後に９ンメ五に
分布することＫｍ為、ここで、計数値Ｎの平均値くＮ〉
（記号く〉は平均を意味する）を求めると、上記ａη、
ａＩ式から、 −一一一一一一一−（１） 但し、５ｈｉｎ−’−◆−とする。

ム　　ム として求められゐ、ζＯ＠式Ｋかいて、例えば＜　−＞
　−Ｏ，Ｓ　　　　　−−−−−−−−一輪ム＃Ｔ６ となるように雑音信号ｎのレベルを選ぶと％（至）式音
波信号Ｏ伝播時間Ｔ÷會が Ｔ　＋　ｔ　−＜　Ｎ　）　Ｔ　　　　　　−、−−−
一−−−−−〇 として求められる。

すなわち、第２ＷＪＫ示す回路は、送受１１１１１４ｍ
から複数１ｌｆＩｉ音波信号を発信し、各超音波信号に
対応する受信信号Ｒ８に各々雑音信号Ｎ８を重畳し、こ
の雑音信号Ｎ８が重畳された各受信信借が最初に基準電
ＥＥＶ、を横切つ曳時点Ｋかけるカウンタ回１１１２０
計数値Ｎを各々制御回路１８０内部に記憶し、そして、
制御回路ｘｓｓ＋ｃ門いてこれら記憶し九計数値Ｎの平
均＜Ｎ＞Ｋタイムペース信号ＴＢの周期Ｔ、を掛は合わ
ゼることＫよｈ正確な伝播時間（Ｔ＋ｖ、）を求めるよ
うに１にっている。

なお、ｌＥｔ図に示すａ路の分解能は計数値Ｎ。

平均化回数を多くすればするほど高くなることは勿論で
ある。

また、上述した実施例においては雑音信号ｎ　（ｔ）を
比較的ゆるやかに変動するものとし九が、これは高肩液
の雑音信号でも同様の効果が得られる。

また、上述したｌｌ！施９１にシいては比較レベル（電
圧ｖｆ）をＯレベルとし、また、受信信４１Ｒ８を篤（
７１式に示すものとしたが、これらは、他の比較レベル
あるいは他の波形であっても本質的効果は同じである。

を穴、上述した実施例におけるタイムペーヌ信４＃ＴＢ
として、制御回路１３に使用されているマイクロコンビ
エータＯりａツタを用いてもよい、ｔた、上述した実施
ＮＫおける雑音信号Ｎｓｉ、基準電８Ｅｖｆ　に加えて
も同様の効果が得られる。この場合Ｏ検出ｔｌｌｌｌ１
丁０Ｉｌｌ家を第５４゜図に示す、なお、この図にシけ
る各符考は各々第３図の各部に対応している。さらに、
この発明は上述し危超音波信号の伝播時間の測１１に限
らず。

例えばレーダーによる距離測定、ケーブルＯ長１の測定
、誘電率の測定等の場合にも刹用し得ることは勿論でＴ
ｏ為。

以上説明したように、この発明によれば信４ｔＯ送受信
を複数回行い、ｔた、各受信時に受信信号ｔたは基準電
８ＥＫ雑音信号を重畳して受信信号の検出を行い、この
検出結果に基づいて伝播時間を測定し、さらに、複数回
の測定結果を統計処理するととくよに正確な伝播時間を
得るようＫしたので、簡単かつ安価な構成により高分鵡
能Ｏ測定が可能となる。ｉｔｈ％この発明によれば、タ
イムペース信号として１〜ｌ　０ＷｉＨ１＠変のもＯを
使用することができ、こＯ結果、タイムペース信４＃Ｏ
発生回路の構成が簡単になると共に：、マイタロコンピ
ュータによる処理が可能になる利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音ｉＩｌ流量針の測定原理を説明するための
図、第２１１はζＯａ明の一実施例０１１１１！を示す
ブロック図５Ｋ８ＷＪは同実施例Ｋかける検出回路１丁
の構成を示す１０７２図、第４１１（→〜（ホ）は各々
同実施例の動作を説明するための液形−％第５図は同実
施例における検出回１１１７０倫Ｏ構威例を示すブロッ
ク図である。 １０−一・タイムベース発生ｌ略、１トーカウンｐｖｓ
略、１３−−−１１制御ＷＡ＊ｂ　１　ｍ−一比較器、
１９・−ｍ−音発生Ｓ、２Ｇ−ｍ−算器％　２１−一基
準電圧源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）信号の送信時刻から受信時刻までの時間を測定す
   る伝播時間測定回路にかいて、 （ａ）　　一定周期のタイムペース信号を発生するタイ
   ムベース発生ａ路と、 （ｂ）　　雑音信号を発生する雑音発生器と、（ｅ）　
   　基準電圧を出力する基準電圧出力手段と（ｄ）＃配線
   音信号を受信信号に重畳させる加算手段と９、 （・）前記加算手段の出力が前記基準電圧を横切る時刻
   を検出する検出手段と、 （ｆ）　　前記送信時刻から前記タイムペース信号の針
   数を開始し、前記検出手段の検出出力に基づいて計数を
   終了するカウンタと、 （２）信号受信が行なわれる毎に、前記カウンタのカウ
   ント出力を内１１に記憶し１この記憶したデータを統計
   処理することによ抄信漫の伝播時間を演算する演算手段
   と、 を具備してなる伝播時間測定回路。 （２）信号の送信時刻から受信時刻壕での時間を測定す
   る伝播時間測定回路において、 （１）一定周期のタイムペース信号を発生するタイムペ
   ース信号発生回路と、 （ｂ）　　雑音信号を発生する雑音発生器と、（ｃ）　
   　基準電圧を圧力する基準電圧出力手段と。 （ｄ）　　前記雑音信号を前記基準電圧に重畳させる加
   算手段と。 （・）受信信号が前記加算手段の出力を横切る時刻を噴
   出する検出手段と、 （ｆ）　　前記送信時刻から前記タイムペース信号の計
   数を開始し、前記検出手段の検出出力に基づいて計数を
   終了するカウンタと、 （ｇ）　　信号受信が行なわれる毎に、前記カウンタの
   カウント出力を内部に記憶し、この記憶したデータを統
   計処理することによシ信漫の伝播時間を演算する演算手
   段と、 を具備してなる伝播時開ｉｍ＊回路。