JPS5848870B2 - 超音波測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、送信パルスを送出する送信パルス発生器｛こ
導線によって接続され、送信器として使用される少なく
とも１つの超音波変換器を有する超音波測定装置に関す
る。

この種の装置は、例えば流体の速度の超音波測定に多く
使用される。

交互に送信器および受信器として動作する２つの超音波
変換器を有する超音波測定装置は、公知である。

この種の装置には、共通の送信パルス発生器と共通の受
信増幅器が対応して設けられており、これらには、導線
例えばケーブルを介して変換器が交互に導通接続される
。

更に、唯一の超音波変換器を、送信器および受信器とし
て使用する超音波測定装置も公知である。

送信パルス発生器との変換器の接続は、導線を介して直
接行なわれる一方、変換器と受信増幅器との間には、第
１の変戊器、中間回路および第２の変戊器が接続されて
いる。

中間回路中にはダイオードを有するリング変調器が設け
られており、このダイオードは、中間回路変或器コイル
の中間タツプＥこ印加されるパルスを用いて遮断可能で
ある。

本発明の基礎とする課題は、超音波変換器において発生
する電圧が送信パルスに従来より一層良好に適合する、
冒頭で述べた形式の装置を提供することである。

この課題の解決のため本発明によれば送信パルスを送出
する送信パルス発生器に線路によって接続され、送信器
として動作する少なくとも１つの超音波変換器を有する
超音波測定装置において、導線と送信パルス発生器との
間に線路の特性インピダンスに整合した或端抵抗を直列
に接続し、送信パルスの終了の際に導通する第１のスイ
ッチ装置を有する線路によって前記送信パルス発生器を
橋絡し、さらに超音波変換器を受信器としても使用し、
第１のスイッチ装置の導通状態を受信動作の開始前に終
了させる時限素子を設けたのである。

この回路構成は、超音波変換器が記載し難いインピダン
スを有するために、不可避，な反射が発生するという認
識に基く。

従来この反射は、送信パルス発生器の部分で再び反射さ
れ、変換器に加わる電圧に２度反射した波が重畳される
。

これによって矩形送信パルスに対して立上り縁の傾斜が
避けられず次いで非常に不都合な経過をたどる電圧が超
音波変換器に発生する。

これは、変換器内のクリスタルを一様に励振せず、従っ
て不均一な超音波を送出することｌこなる。

本発明の場合、送信パルス発生器の側には、ケーブルの
特性インピダンスに整合した戒端インピダンスが設けら
れており、反射が回避される。

従って超音波変換器での反射の発生は障害とならない。

２回目の反射が回避されるため、変換器ｌこおける電圧
は反射波の影響を受けない。

しかしながら送信パルスの終了後｛こは、成端抵抗が有
効に作用し得るようにして変換器が反射によって後から
励振されるのを回避するために、第１のスイッチ装置に
よって有効に作用する導線路が並列に接続されている。

超音波変換器が受信器としても使用される場合は、時限
素子を用いて、第１のスイッチ装置の導通状態を、受信
動作が開始する前に終了させるのが有利である。

この際第１のスイッチ装置をしだい｛こ導通状態から遮
断状態へ制御することは好都合である。

これは、戒端抵抗をしだいに作用しないようにすること
になる。

従って不所望な急激な信号変化ｌこつながる突発的な遮
断が回避される。

送信パルス発生器自体においては、前置抵抗を介して給
電電圧｛こ充電可能な第１のコンデンサが、送信パルス
によって制御されるスイッチ素子と直列に設けられてい
る。

スイッチ素子を介してのコンヂンサの放電は、通常，一
実用上矩形の送信パルスと見なせる程度に短かい。

第１のスイッチ装置は、有利には送信パルスによって遮
断方向に負荷された第１のダイオードによって構威され
、この第１のダイオードとは並列に、第２のダイオード
に直列接続された電流発生器が設けられており、この電
流発生器は、送信パルスの接続線を介して、第１のダイ
オードによる導通方向に電流を送出する。

送信パルスが存在すると、第１のダイオードは遮断され
、その際第２のダイオードが電流発生器を保護する。

送信パルスの終了と共ｔこ第１のダイオードは導通状態
Ｉこ移行し、この状態において第１のダイオードは両極
性の反射電圧を通す。

更に電流発生器は、コイルによって構或することができ
、このコイルは、前置抵抗を介して給電電圧に充電され
る第２のコンデンサの放電路中に接続され、第２のコン
デンサは送信制御信号によって制御される第２のスイッ
チ素子を用いて接続される。

この第２のコンデンサは、送信パルスが送出されている
間コイルを介して放電する。

コイル電流は、次いで２つのダイオードを介して流れ、
それＥこよって第１のダイオードは導通状態に保持され
る。

コイル電流は、しだい｛こ減少するので、所望の導通時
間の終了時にはしだいに遮断状態に移行する。

更に導線が変戒器を介して遮断抵抗および送信パルス発
生器｛こ接続されている。

これによって変換器は、他の装置から導電的に分離され
、それによってより高い安全性が得られる。

場合によっては変戊器の変成比によって、成端抵抗を特
性インピダンスに整合させることもできる。

また都合によって変成器の第３のコイルを用いて、導線
の特性インピダンスの非抵抗分を橋絡するために、コン
デンサを或端負荷として接続することもできる。

更に変或器は第３のコイルを有し、このコイルを介して
受信増幅器を、受信動作において導通状態に制御された
第２のスイッチ装置を有する中間回路および受信増幅器
の入力抵抗を導線の特性インピダンスに整合した第２の
変或器の中間接続を介して接続することができる。

こうして受信増幅器は、送信動作即ちスイッチ装置が遮
断されている場合、整合された或端抵抗Ｉこ対して障害
とならない。

それに対して受信動作において、成端抵抗が接続されて
いない場合、第２の変成器によって整合された中間増幅
器の入カインピダンスは、戒端抵抗を形或し、この或端
抵抗も、この動作形式においては、受信を損う可能性の
ある反射を防止する。

この関係において、中間回路中で第１および第２の変戒
器の所属のコイルに各々ほぼ受信周波数に同調した並列
共振回路を構或するためのコンデンサが対応して設けら
れていをと好都合である。

この並列共振回路によって、特に良好な減衰が得られる
。

その際第２の変或器は、最小巻回数をすることができる
。

詳細には、第１および第２の変戒器の中間回路ｌこ所属
のコイルの端間の接続導線中に第２のスイッチ装置を威
す第３および第４のダイオードが接続されており、これ
らのダイオードのアノードは、同じコイルの方向に接続
され、２つのコイルの中間タップは、各々前置抵抗を介
して給電導線に接続され、受信制御信号によって制御さ
れたスイッチ素子を介して他方の給電導線と接続されて
いる。

スイッチ素子が送信動作中遮断されている場合は、ダイ
オードも遮断されている。

それ１こ対してスイッチ素子が受信動作中導通状態に制
御されると、ダイオードも受信信号を伝送する。

交互に送信器および受信器として働く２つの超音波変換
器が設けられている場合、２つの送信パルス発生器には
、所属の或端抵抗と第１のスイッチ装置が設けられ、２
つの中間回路には、所属の第２のスイッチ装置が設けら
れるが、第２の変或器と受信増幅器とを共通に使用する
ことができる。

制御装置を用いて、送信用超音波変換器の第１のスイッ
チ装置および送信パルス発生器を操作し、他方の超音波
変換器用スイッチ装置を受信動作のために導通状態に移
行させることができる。

次の段階においては、個々の構或素子は反対に制御され
る。

次に図面を用いて本発明を実施例につき詳述する。

第１図は、反射現象を詳述するために種々の時点の種々
の位置における電圧の時間経過を示す。

ダイヤフラムａは、矩形の送信パルスＳ１を示し、パル
スＳ１は送信パルス発生器から■。

の電圧で送出される。

この送信パルス発生器から送出される電圧■。

の送信波が変換器に到達すると第１図中ダイヤグラムｂ
の波形のカーブが生じる。

その際上記電圧■ｏは２倍の値２■ｏに上昇する。

それというのは伝送ケーブルに電圧が加えられると、伝
送ケーブルはジエネレー夕としての働きをあらわすから
である。

またダイヤグラムｂに示す電圧が湾曲形状（カーブ）を
呈する理由は到来進行波に対して変換器がコンデンサと
しての作用をするからである。

なお、ダイヤグラムａの起点とダイヤグラムｂのカーブ
の立上りの起点との間のｔ軸上の時間間隔（ダイヤグラ
ムａ及びｂの一番左側の垂直の破線とその次の（右側の
）垂直の破線との間のｔ軸上の時間間隔）は送信電圧波
が変換器まで伝送されるのに要する伝搬時間である。

ダイヤク゛ラムｂの立上りの傾斜は比較的にゆるく最大
電圧は約２■ｏとなる。

変換器のクリスタルのインピダンスのために不整合状態
が生じ、反射波がダイヤグラムＣに示すように現われる
。

その反射波は、負のピーク値■ｏを有し、その後ゆっく
りと再び＋■ｏの値に達する。

上記反射波はダイヤグラムａとｂの立上り時点間のｔ軸
上の時間間隔とほぼ同じ時間間隔（ダイヤグラムＣとｄ
の立上り時点間のｔ軸上の時間間隔）の遅れを以て信号
発生器に達する。

本発明によれば、請求範囲にて特定したような成端抵抗
があるために反射は最早生じ得ないようになる。

ところが従来は、上記のように変換器で反射して信号発
生器に戻った電圧波がそこで（この信号発生器で）新た
に反射するのである。

内部抵抗が無視できる位小さな送信パルス発生器におけ
る反射によってダイヤグラムｄに示す電圧波形が反転し
、ダイヤグラムｅに示す波形が生じる。

このダイヤグラムｅに示す電圧波は、ダイヤグラムｆに
示すようにほぼ同じ時間間隔の伝搬時間（ダイヤグラム
ｅの立上り時点とダイヤグラムｆの立上り時点との間の
時間間隔）の遅れを以て新たに超音波変換器に達する。

この反射波は変換器においてダイヤグラムｇに示した電
圧になる。

この電圧は、元のカーブ（こ重畳されるので、変換器に
はダイヤグラムｈに示す電圧波形が現れ、この波形は、
明らかに異なった経過を有する。

これは正確な超音波信号の発生するために障害となる。

例えば、ＩＭＨｚの超音波周波数において、送信パルス
Ｓ１の幅、従って時間１１−１６は、約０．５ Ｘ １
０−６秒、そして導体中の走行時間・ｔｋは約０．Ｉ
Ｘ１０−６秒となる。

第２図の実施例において、超音波変換器Ｇ１は導線１，
２を介して変戒器Ｔ１のコイルＷ１に接続されている。

この変成器のコイルＷ２は、或端抵抗Ｒ１と直列に接続
されている。

この回路には、コンデンサＣ１とトランジスタＴｒ１と
の直列接続から戊る送信パルス発生器ＳＧが接続されて
いる。

この送信パルス発生器は、第１のスイッチを形或するダ
イオードＤ１によって橋絡されている。

ダイオードＤ１は、コイルＬ１と第２のダイオードＤ２
とを有する回路中に接続されている。

この２つの素子の間からは、コンデンサＣ２とトランジ
スタＴｒ２との直列接続が分岐している。

２つのトランジスタＴｒ１およびＴｒ２は、前置抵抗Ｒ
２とＲ３を介して送信制御パルス８２４こよって制御さ
れ、パルスＳ２が現れる場合に両方のトランジスタが導
通する。

２つのコンデンサＣ１およびＣ２は、前置抵抗Ｒ４とＲ
５を介して給電電圧＋■３によって充電され、その際ダ
イオードＤ１を介する充電回路ないしダイオードＤ１と
Ｄ２を介する充電回路が形威される。

次｛こ動作について説明する。

休止期間にコンデンサＣ１とＣ２は給電電圧■，に充電
される。

送信制御パルスＳ２が現れ、トランジスタＴｒ１が導通
すると、コンデンサＣ１は、トランジスタＴｒ１のコレ
クターエミツタ間、戊端抵抗Ｒ１および変成器Ｔ１のコ
イルＷ２を介して放電する。

それに相応して矩形波に似たパルスが超音波変換器Ｇ１
に伝送されるため、超音波変換器のクリスタルは、超音
波を発生するように励振される。

成端抵抗Ｒ１は、導線１，２の特性インピダンスに整合
しているので、変換器Ｇ１によつて反射された波は、戒
端抵抗Ｒ１によって改めて反射されることなく吸収され
る。

トランジスタＴｒ１と同時にトランジスタＴｒ２も導通
ずる。

従ってコンデンサＣ２は、トランジスタＴｒ２のコレク
ターエミツタ間とコイルＬ１とを介して放電する。

送信パルスの終了時点にトランジスタＴｒ２が遮断され
ると、コイルＬ１は、Ｌ１を通って流れている電流を保
持する。

この電流は、ダイオードＤ２およびＤ１を介して流れる
。

従ってそれまで送信パルスＳ１によって遮断状態に保持
されていたダイオードＤ１，が導通ずる。

従ってコイルＷ２は再び或端抵抗Ｒ１によって終端され
る。

従って更に、発生する反射波も反射して伝送されない。

コイル電流は、しだいに減少するので、ダイオードＤ１
の導通度も低下する。

成端抵抗Ｒ１の作用もしだいになくなり、突然に遮断さ
れない。

最終的にコイルＷ２を含む回路は開放される。

従ってこの回路は、時間的｝こ遅れた受信動作に対して
は何ら負荷とはならない。

第３図に、２つの超音波変換器Ｇ１およびＧ１１を示す
。

第１の超音波変換器Ｇ１には、送信動作のために第２図
に示した素子が対応して設けられている。

第２の超音波変換器Ｇ１１には、その都度１０だけ大き
い数字で示した送信用の類似の素子が対応している。

給電導線３を介して＋１２Ｖの電圧が、そして第２の給
電導線４を介して１２Ｖの電圧が印加されるため、給電
電圧としては２４Ｖが給電される。

２本の導線の間には平滑コンデンサＣ３が設けられてい
る。

送信信号Ｓ２およびＳ１２は交互に供給される。

超音波変換器Ｇ１の受信動作のために変或器Ｔ１は、第
３のコイルＷ３を有し、コイルＷ３は、中間回路１０の
１部分を威し、中間回路１０は、変戊器Ｔ２のコイルＷ
４を含む。

変戒器Ｔ２の第２のコイルＷ５は、接地された中間タッ
プと各々コンデンサＣ４およびＣ５を備えた２本の信号
導線５および６を介して受信増幅器Ａと接続されている
。

２つのコイルＷ３とＷ４は、導線７と８を介して相互に
接続されており、導線７および８は各々ダイオードＤ３
およびＤ４を有し、Ｄ３とＤ４のアノードは同じコイル
の方向に向いて接続されている。

コイルＷ３の中間タップは、前置抵抗Ｒ６を介して給電
導線３と接続され、他方でトランジスタＴｒ３を介して
接地されたアース導線と接続される。

コイルＷ４の中間タップは、前置抵抗Ｒ７を介して給電
導線３と接続されている。

コイルＷ３にはコンデンサＣ６が、コイルＷ４にはコン
デンサＣ７が各々並列に接続されている。

超音波変換器Ｇ１１の受信動作のために、相応する中間
回路２０には、その都度１０大きい数字で示された同じ
構或素子が設けられており、その際コイルＷ４とコンデ
ンサＣＩだけは、中間回路１０と共通である。

超音波変換器Ｇ１が受信器として動作する場合にトラン
ジスタＴｒ３のベースには受信制御信号Ｓ３が印加され
る。

その際トランジスタＴｒ１３には受信制御信号Ｓ１３が
加わらないため、Ｔｒ１３は遮断されている。

トランジスタＴｒ３を流れる電流は、抵抗Ｒ６を流れＲ
６の大きさに相応して小さく保持できる第１の部分電流
と、抵抗Ｒ７、コイルＷ４の両半分、２つのダイオード
Ｄ３ ， Ｄ４およびコイルＷ３の両半分を介して流れ
る第２の部分電流から或る。

従って変戒器Ｔ１において伝送された受信信号は、中間
回路１０および変戒器Ｔ２を介して受信増幅器Ａに伝送
することができる。

受信制御信号Ｓ３が終了すると、トランジスタＴｒ３が
遮断され、そうしてダイオードＤ３およびＤ４も遮断さ
れるため、コイルＷ３からは中間回路１０を介して何の
信号も伝送されない。

従ってダイオード対Ｄ３およびＤ４あるいはＤ１３およ
びＤ１４は、所属のトランジスタＴｒ３またはＴｒ１３
を用いて制御可能なスイッチを形或する。

主制御装置によって、受信制御信号Ｓ１３が現れた場合
にだけ、動作中送信制御信号Ｓ２が生じ、逆に受信制御
信号Ｓ３が現れた場合にのみ送信制御信号Ｓ１２が生じ
るようになっている。

個々の回路定数を決めるためには、更に次のことを考慮
する。

通常ケーブルとして構成された導線討１，２の特性イン
ピダンスが、抵抗と見なすことができ、通常６０〜１６
１の間にあること。

７５Ｑのケーブルでかつ変戊器Ｔ１におけるコイルＷ１
とＷ２との変戊比が１：１である場合、戊端抵抗Ｒ１は
、同じように７５Ｊ７とすべきである。

更にリアクタンスの整合が必要な場合に、これはコイル
Ｗ３に並列なコンデンサＣ６を相応して選択することに
よって行なうことができる。

反射の部分抑圧もそれ自体かなりの改良となるため整合
を完全に正確ｌこ行なう必要はない。

更に、中間回路中のコンデンサＣ６ ，Ｃ７およびＣ１
６を、所属のコイルＷ３，Ｗ４およびＷ１３と共に発振
回路を構成し、その共振周波数がほぼ変換器Ｇ１および
Ｇ１１の受信周波数に相応するように選択することもで
きる。

受信増幅器Ａの入カインピダンスは、普通、例えば約２
５ ０ １？に固定されている。

変戒器Ｔ２の変戒比は、従って７５，Ｑケーブルの場合
１：６になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、反射の際の送信パルス発生器と超音波変換器
との間の電圧波形のダイヤフラム、第２図は送信器とし
て動作する超音波変換器のための簡単な回路図、第３図
は、送信器および受信器として動作する２つの超音波変
換器のための図路を示す。 Ｒ１・・・・・・或端抵抗、ＴＩ，Ｔ２，Ｔ１１・・・
・・・変或器、Ｇ１，Ｇ１１・・・・・・超音波変換器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 送信パルスを送出する送信パルス発生器に線路によ
   って接続され、送信器として動作する少なくとも１つの
   超音波変換器を有する超音波測定装置において、導線１
   ，２；１１，１２と送信パルス発生器ＳＧとの間に線路
   の特性インピダンスに整合した或端抵抗Ｒ１；Ｒ１１を
   直列に接続し、送信パルスＳ１の終了の際に導通ずる第
   １のスイッチ装置Ｄｉ；Ｄ１１を有する線路によって前
   記送信パルス発生器を橋絡し、さらに超音波変換器を受
   信器としても使用し、第１のスイッチ装置Ｄｉ；Ｄ１１
   の導通状態を受信動作の開始前Ｉこ終了させる時限素子
   Ｌ１；Ｌ１１を設けたことを特徴とする超音波測定装置
   。 ２ 第１のスイッチ装置Ｄ１ ；Ｄ１１が、徐々Ｉこ導
   通状態から遮断状態に制御可能である特許請求の範囲第
   １記載の装置。 ３ 送信パルス発生器ＳＧが、送信制御パルスＳ２；Ｓ
   １２によって制御可能なスイッチ素子Ｔｒ １ ：Ｔｒ
   １ １と直列に前置抵抗Ｒ４；Ｒ１４を介して給電電
   圧に充電可能な第１のコンデンサを有する特許請求の範
   囲１および２のいずれかに記載の装置。 ４ 第１のスイッチ装置Ｄ１；Ｄ１１を、送信パルスＳ
   １によって遮断方向に負荷される第１のダイオードによ
   って構成し、該第１のダイオードに並列に、第２のダイ
   オードＤ２；Ｄ１２と直列に接続された電流発生器Ｌ１
   ；Ｌ１１を設け、該電流発生器が、前記送信パルスへの
   接続線に前記第１のダイオードによる導通方向の電流を
   送出する特許請求の範囲１〜３のいずれかに記載の装置
   。 ５ 電流発生器Ｌ１；Ｌ１１を、前置抵抗Ｒ５；Ｒ１５
   を介して給電電圧に充電可能な第２のコンデンサＣ２；
   Ｃ１２の放電回路中に接続されたコイルによって構或し
   、前記第２のコンデンサを給電制御信号Ｓ２；８１２に
   よって制御可能な第２のスイッチ素子Ｔｒ２；Ｔｒｌ２
   を用いて接続する特許請求の範囲１〜４のいずれかに記
   載の装置。 ６ 導線１ ，２；１１ ，１２を、変或器Ｔ１；Ｔ１
   １を介して戒端抵抗Ｒ１；Ｒ１１と送信パルス発生器Ｓ
   Ｇに接続した特許請求の範囲１〜５のいずれかに記載の
   装置。 Ｉ 変戊器Ｔｌ ；Ｔ１１が、コンデンサが並列接続さ
   れた第３のコイルＷ３ ；Ｗ１ ３を有する特許請求の
   範囲６記載の装置。 ８ 変戒器Ｔｌ；Ｔｌｌが、第３のコイルＷ３；Ｗ１３
   を有し、該コイルＷ３ ；Ｗ１ ３を介して受信増幅器
   Ａを、受信動作の際に導通状態に制御された第２のスイ
   ッチ装置Ｄ３，Ｄ４；Ｄ１３，Ｄ１４を有する中間回路
   １０；２０および受信増幅器の入力インピダンスを導線
   １，２；１１，１２の特性インピダンスに整合させる第
   ２の変成器Ｔ２を中間接続して接続した特許請求の範囲
   ６または７記載の装置。 ９ 中間回路１０；２０において、第１および第２の変
   成器のコイルＷ３，Ｗ４に各々、ほぼ受信周波数ｌこ同
   調した並列発振回路を構戊するためのコンデンサＣ６，
   Ｃ７，Ｃ１６を対応して設けた特許請求の範囲８記載の
   装置。 １０第２のスイッチング装置を構或するために、接続導
   線７，８；１７，１８内で、第１と第２の変戒器の中間
   回路に所属のコイルＷ３ ，Ｗ４ ，Ｗ１３の端子間に
   アノードが同じコイルの方向を向くように接続された第
   ３および第４のダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ１３，Ｄ１４
   を接続し、両方のコイルの中間タップを各々前置抵抗Ｒ
   ６ ， Ｒ７ ，Ｒ１６を介して給電導線３と接続し、
   １方の中間タップを、受信制御信号Ｓ３；Ｓ１３によっ
   て制御可能な第３のスイッチ素子Ｔｒ３ ：Ｔｒ １３
   を介して他方の給電導線９と接続した特許請求の範囲８
   または９記載の装置。 １１ ２つの送信パルス発生器ＳＧには、所属の威端抵
   抗Ｒ１；Ｒ１１および第ｌのスイッチング装置Ｄ１；Ｄ
   １１が設けられ、２つの中間回路１０；２０には、所属
   の第２のスイッチ装置Ｄ３；Ｄ４；Ｄ１３，Ｄ１４が設
   けられ、第２の変或器Ｔ２および受信増幅器Ａが共通に
   設けられている、交互に送信器および受信器として動作
   する２つの超音波変換器を有する特許請求の範囲１〜１
   ０のいずれかに記載の装置。