JPS60187815A

JPS60187815A - 流量測定装置

Info

Publication number: JPS60187815A
Application number: JP59043376A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Machida; 町田　薫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1985-09-25

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】〔発明の技術分野〕本発明は、例えば、患者監視装置に装備され、呼吸流量
を長時間監視する流量測定装置に関する。

〔発明の技術的背景と背景技術の問題点〕超音波を用い
た流量測定装置として、流速の変化によって超音波の伝
搬時間が変化することを利用した超音波伝搬時間差方式
が知られている。この超音波伝搬時間差法は、流路障害
、流路抵抗、測定精度及び測定の直線性、測定の長時間
安定性等の特性が、他の測定法、例えばベルヌーイの定
理を応用した差圧方式等よシ卓越しているので、近時、
多方面で実用に供されている。この方式を利用した測量
測定装置の原理は、第１図に示すように、例えば配管に
おける流れに対して一定の角度θを持つ軸上に、一定距
離りを隔てて一対の超音波振動子ＰＺＩ。

Ｐｚ２を対向配置し、この超音波振動子ＰＺＩ。

ＰＺ２を同時に駆動した時に、超音波振動子ＰＺＪ、Ｐ
Ｚ２夫々における超音波受波時間ＴＩ、Ｔ２を測定して
、その時間差ΔＴ　＝　Ｔ２−Ｔ。

により、流速τをめ、更に流量ｆ１）　ｄｔを算出する
ようにしたものである。

このような流量測定装置では、通常の空気呼吸下では超
音波の減衰が小さいので良好な測定が可能であるが、例
えば、高濃度炭酸ガス呼吸及び大流量呼吸の下では超音
波の減衰が大きく良好な流、量測定結果は期待できない
。

一般に、超音波が媒体中を伝搬する時の振動振幅ＦＦｉ
、Ｆ＝＝Ｆ６　ｅｘｐ　（−（α十ｊβ）　ｘ　）　−（
１）と表わされ、減衰定数αは、Ｐ’に気体中での気圧
、Ｋを媒体によって決まる定数、ｆｆｒ振動周波数とす
ると、 α＝に−ｆ／Ｐ　・・・（２）となる。ｆｆυち、高濃度炭酸ガス呼吸下等では、媒体
定数Ｋが増大し、大流量呼吸下では気圧Ｐが減少するの
で、これらいずれの場合にも超音波の減衰は増大する。

上記（２）式から明らかなように、振動周波数ｆを減少
させることによシ、減衰定数αの増大を抑制すれば、上
記高濃度炭酸ガス呼吸での良好な流量測定に超音波伝搬
時間差方式が適用できる。

一方、呼吸気のように気体中を超音波が伝搬する場合の
超音波伝搬効率は、通常の超音波診断装置のように超音
波が生体中及び水中を伝搬する等と比較して１／１００
０以下になる。このため、共振型の超音波駆動回路を用
いるか、或いは非共振型の超音波駆動回路を用いた場合
でも、電源電圧を高める必要がある。上述した、高電圧
で非共振駆動を行なうには、その超音波駆動回路に耐圧
の高い部品を用いなければならない。従ってこの種装置
に要求される小型化、安全性の諸要求に合致しないので
、非共振駆動方式では問題がある。

従って上述したように、共振型超音波駆動回路を用い、
そして振動周波数を減少させることにより、高濃度炭酸
ガス呼吸及び犬流蓋呼吸下等でも流量の測定が良好に行
なえる。

しかし乍ら、この共振駆動方式においても以下に述べる
ような問題点がある。即ち、駆動電圧波形（ｎ波バース
ト波形、即ち、ｎ個のパルス列）が共振回路において共
振作用を生じ、駆動後にも脈波が残ル、超音波伝搬時間
ＴＩ。

Ｔ２の測定のための受波の立上シ点のｇ識が困難になる
点である。例えば、第２図（、）　（ｂ）及び第２図（
ｃ）（ｄ）は３波バースト駆動波形での例を示している
。第２図（ａバｂ）と第２図（Ｃバｄ）とは、駆動波形
幅、即し周波数が異なシ、第２図（ａ）及び第２図（ｃ
）　ｉ；ｉ　Ｐ　Ｚ　ｌ　ｉ：送信、ＰＺ２７５Ｅ受信
；第２図（ｂ）及び第２図（ｄ）は、ＰＩ３が送信、ｐ
ｚ１が受信であシ、Ｗノは駆動波形、Ｗ２は駆動全脈波
、Ｗ３は受信波形であシ、送信、受信での縦軸の信号レ
ベルは異なる。

第２図（ａ）　（ｂ）に示すように第２図（、）及び第
２図（ｂＪ共に、受信波形の立上シ以前に駆動全脈波が
消滅しているので、超音波伝搬時間Ｔ１．Ｔ２の測定が
可能である。しかし乍ら振動周波数のＩｒ＆　ｌＡｍ　
Ｑ　ＩＩＩ　（−Ｓ　／ａｌ　”Ｆ’　硅坦謝ｈ　ｈｌ
”ｌ　辿止ナノ儲Ａ＞　Ｆ（Ｆ　ｈ駆動全脈波が受信波
形の立上シと重なってしまい、超音波伝搬時間ＴＩ、Ｔ
２の正確な測定が不可能となシ、流量測定値は正確とは
いえない。

また、上記駆動全脈波と受信波形との重な多現象を回避
する為に、送信と受信とで独立の超音波振動子を配置す
ることが考えられる。しがｌ−乍ら、この方式では振動
子が配置される計測部分（配管等）が大型化してしまい
、更に振動子と装置本体との間のケーブル数も増えるの
で、操作性を悪くしてしまい、また送受信相互の干渉を
防ぐために、超音波伝搬経路径？大きくせねばならず、
配管等における振動子設置部分に許容範囲外の流れの擾
乱（乱流等）を与えることになシ、特に呼吸流量測定に
おいては問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に基づいてなされたもので、その目的
とするところは、駆動全脈波と受信波とが重なシあうよ
うな媒体であっても、その流ｆｒを恵ｈｗｆ泪１１安ナ
スと表づＳｉ［鮨り紹嵜妨伝搬時間差方式の流量測定装
置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明による流量測定装置は、流体の流れ方向又は逆方
向に対し一定の角度を持つ軸上に対向して配置された超
音波振動子夫々から送信した超音波を上記夫々の超音波
振動子で受信し、その超音波伝搬時間差をめることによ
シＥ記流体の流量を測定する流量測定装置において、上
記超音波振動子夫々からの受信波形に対し正又は負の調
整可能なレベルを設定し、そのレベルを超えた波形に区
画を設定すると共に極大値を検出する第１の手段と、上
記区画の中で上記極大値を持つ区画から所定数以降の区
画における最初のゼロクロス点の時刻を検出する第２の
手段とを備え、上記ゼロクロス点の時刻に基づいて上記
超音波伝搬時間差をめるように構成し、上記区画設定に
よシゼ四クロス点の時刻を検出して、正確な超音波伝搬
時間差を測定するようにしたことを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下本発明による流量測定装置を第３図に示す一実施例
に従い説明する。即ち、第３図において、１，２は夫々
被測定流体に超音波を送、受信する超音波送受信部であ
る。この超音波送受信部１，２は夫々被測定流体の流路
に対して所定の角度をもって対向配置された超音波振動
子ＰＺＩ　、ＰＺ２、ｉ：の超音波振動子ＰＺＩ。

ＰＺ２を励振する超音波駆動回路１１，１２、被測定流
体を伝搬した超音波夫々を受信する共振形の超音波受信
増幅回路１２．２２から構成されている。

３．４は夫々受信増幅回路１２．２２からの出力される
第４図（ａ）に示す信号Ｓ　Ｊ　００．．８２００（信
号８２００は図示せず）に基づき、この出力信号５１０
０，８２００の正区間における最大値を検出する最大値
検出部である。この最大値検出部３．４夫々は同一構成
となっておシ、ここでは一方の最大値検出部３の構成に
ついて説明する。即ち、３１は、第４図（、）に示すよ
うに受信波形５１００の正区間と同期して基準電圧＋Ｅ
工であ）、上記正区間以外で電源電圧となる信号８３１
０を出力する遅延パルス電圧発生回路である。３２は第
４図（、）に示すように上記信号３１０と上記信号（受
信波形）８１００とを比較し、第４図（ｂ）に示すよう
に、５１００〉５３１０の時に受信信号５１００の正区
画を示すＨレベルとした信号８３２０を出力する比較回
路である。３３は後述するピークホールド回路３４にも
正区画となった直後に、上記信号５３２０によシ生成し
たクリアパルス８３３０を与えるパルス回路である。３
４は受信波形５１００の各正区画における最大値をホー
ルドするピークホールド回路である。このピークホール
ド回路３４は上記クリアパルス８３３０によシそのホー
ルド値がクリアされる０３５は前Ｒのピークホールド回路３４から得られた各正
区画のホールド値の最大値、をホールドするピークホー
ルド回路である。３６は後述する比較回路３７に、ピー
クホールド回路３４゜３６からの各ホールド値を比較す
る際の比較タイミング信号５３４０を信号５３２０から
生成して与えるパルス発生回路である。３７は上述した
比較タイミング信号５３４０に基づき、各ピークホール
ド回路３４．３５からの各ホールド値を比較し、前段の
ピークホールド回路３４のホールド値が後段のピークホ
ールド回路３５のホールド値よシも小さい場合に信号８
３５０を出力する比較回路である。この信号５３５０は
、最大値検出部３の出力信号となっておシ、受信波形８
１００における最大値となっている区画を検出している
。

上記最大値検出ｓ３と同様に最大値検出部４は、遅延パ
ルス電圧発生回路４１、比較回路４２、パルス回路３３
、ピークホールド回路３４、ピークホールド回路３５、
パルス発生回路３６、比較回路３７からなシ、イば号５
２００に基づき信号８４１０．８４２０、Ｓ　４３０゜
８４４０．８４５０を出力するようになっている。

５．６は夫々信号５３５０，８４５０に基づく、その最
大値を持つ区画の次の区間を超えた最初の零点を通過す
る（ゼロクロス）時刻を検出する零点検出回路である。

この零点検出回路５．６は、夫々信号５１００，５２０
０を入力し、零電位と比軟する比較回路５１．’６１、
この比較器５１，６１からの比軟出力８５００゜８６０
０によシ信号８３５０，８４５０がアクティブになった
後の最初の零点を検出し、信号Ｆ３５１０，８６１０と
して出力するフリラグフロップ回路５２．６２から構成
されている。

ｙｌｉ、信号５５１０，８６１０に基づき、超襲音婢躯動から受信までの時間を監視する時間監視部であ
る。以下この時間監視部７の詳細な構成について述べる
。即ち、７１は超音波駆動タイミング信号５７００を出
力する超音波駆動タイミング回路であシ、このタイミン
グ信号げＯＯは超音波送受信部１，２、最大値検出部３
，４及び後述する７リツプフロツプ回路７２　、７３に
与えられる。７２．７３は上記タイミング信号Ｓ　７０
０によシセットされ、信号８５１０゜８６１０によシセ
ットされる７リップフロップ回路である。７４．７５は
フリラグフロッグ回路７２．７３がアクティブな時のみ
、即ち、超音波が伝搬中であると見做される時間のみ開
き、超音波伝搬時間に相当する信号Ｓ　７１０．８７２
０を出力するダート回路である。７６はゲート回路７４
，７５にダートを開くタイミング信号を与える時間計測
用の発振回路である。７７゜７８は信号８７１０，５７
２０のパルス数をカウントして各超音波振動子ＰＺＩ、
ＰＺ２の超音波伝搬時間に相当する信号Ｓ　７３０　、
５７４０を得るカウンタ回路である。

８は信号５７３０，５７４０に基づき、超音波伝搬時間
差信号を算出する減算回路である。

９は減算回路８からの超音波伝搬時ｔｙ差信号にょ夛、
被測定流体の流速及び流量を計算する計算回路である。

１０は計算回路９によシ得た流速、流量情報を所定の書
式で表示する表示装置である。

次に上記の如く構成された本実施例の動作について第３
図及び第４図を参照して説明する。

即ち、超音波駆動タイミング回路７１の起動によシ、タ
イミング信号（３波バ一スト信号）Ｓ７００が超音波送
受信部１，２及びフリラグフロッグ回路７２，７３に与
えられると、被測定流体に対して所定角度をもって対向
配置された超音波振動子ＰＺＪ、ＰＺ２は夫々第４図（
、）に示す３波バーストの送信信号Ｗ□を送信し、また
フリラグフロッグ回路７２．７３はセットされる。この
時刻以降をもって第４図（ｈ）に示すように、カウンタ
回路７７．７８は、ダート回路７４．７５の開による発
振回路７６からの出力パルス列に基づくパルス信号Ｓ　
７　Ｊ　Ｏ，８７２０のパルス数をカウントし、超音波
駆動時からの時間を計時する。

そして、上記超音波振動子ＰＺＩ、ＰＺ２にて受信した
超音波を電気信号に変換し、受信増幅回路１１．１２に
入力し、第４図（＆）に示す波図示せず）を得る。

次に上記受信信号５１００の信号処理がなされる最大値
検出部３及び零点検出部５の動作について詳細に述べる
。即ち、上記信号８１００は比較回路３２に被比較信号
として与えられ、遅延パルス電圧発生回路３１からは第
４図（、）に示す信号５３１０が比較信号として与えら
れる。

これにより比較回路３２からは、信号８１００の正区画
タイミングを呈する第４図（ｂ）に示す信号５３２０が
出力される。この信号５３２０の立上シエッジによシパ
ルス回路３３は第４図（Ｃ）に示すクリアパルス信号５
３３０を出力し、また上記信号５３２０の立下夛エツジ
によシパルス回路３５は第４図（ｄ）に示す比較タイミ
ングノ９ルス信号５３４０を出力する。下方、上記−信
号８１００は、上記クリア／やルス信号５３３０によっ
て各正区画毎の始めでリセットされるピークホールド＼
回路３４に入力される。ここでピークホールド回路３４
は、各正区画の最大値を保ら１つつ−ｈｗのピークホー
ルド回路３５に転送する。これによシ、比較回路３７で
は、直前の正区画内の最大値と以前の正区画内の最大値
とを上記比較タイミング信号５３４０の立上シエッジの
タイミングで比較することが出来、第４図（ｅ）に示す
ようなピークホールド回路３４の出力値が後段のピーク
ホールド回路３５のそれよシ小さい時にパルスを発生す
る信号５３５０を出力する。この信号５３５０によシ、
次段のフリップフロッグ回路５２はセットされる。そし
てこのフリップフロッグ回路５２は、信号５１００の正
負を決定する比較回路５１の出力である第４図（ｆ）に
示す信号５５００の立下シエッジによシリセットされ、
これによシ、第４図面に示すパルス信号Ｓ５１０が出力
される。このパルス信号８５１０は、その立下シエッジ
で上記フリップフロッグ回路７２をリセットするので、
次段のダート回路Ｇ７４を閉じ、カウンタ回路７７の計
数動作を停止させる。

上述の動作と同様に超音波振動子ＰＺ２からの信号８２
００により、最大値検出部４、零点検出部６を介してカ
ウンタ回路７８の計数動作を停止させる。

上記によυカウンタ回路７８．７８には超音波伝搬時間
情報が格納され、秋算回路８で超音波伝搬時間差情報を
算出し、次段の計算回路９で流速及び流量を計算し、こ
の計算結果を表示装置１θで所定の臀弐で表示する。

以上述べたように本実施例によれば、受信波の最大値を
検出し、その最大値時点後の既知の数だけ後の零点時刻
を測定することにより、躯動余脈波の影響が少ない時刻
で超音波伝搬時間差を計算できるので、たとえ駆動全脈
波と受信波とが重なシ合うような流体での流量測定にお
いても、高精度に流速、流量の測定が可能となる。

特に、駆動全脈波と受信波とが重なることが多い、即ち
、超音波振動周波数を低くしなければならないような、
高濃度炭酸ガス呼吸気下、笑気ガス等の麻酔ガス下、更
には大流量呼吸気下等の超音波の減衰量の大きな流体の
流速、流量の測定には、特に有効である。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、第３図
と同一部分には同一符号を付した第５図を参照して本発
明の他の実施例について説明する。

即ち、本実施例は、第３図に示す実施例の零点検出部５
，６の構成を第５図に示す如くこの零点検出部５Ｍ、６
Ｍに構成している。即ち、５１．６１は信号５１００，
８２００と零電位とを比較する比較器、５２．６２は信
号５ｓｓｏ。

５４５０を入力し、後述する比較回路５５゜６５からの
信号によシリセットされ、その出力を零点検出部５Ｍ、
６Ｍの出力とする７リツプフロツノ回路、０５３．Ｇ６
３は比較回路５ノ。

６１からの出力と７リツプフロツグ回路５２゜６２から
の出力とをダート制御するダート回路、５４．６４はダ
ート回路Ｇ５３　、　Ｇ６３がらの出力を受け、これを
カウントするカウンタ回路、５５．６５はカウンタ回路
５４，６４から゛の出力と既知数とを比較し、信号８５
００Ｍ、８６００Ｍを７リップフロッグ回路５２，６２
及びカウンタ回路５４．６４に与える比較回路である。

上記構成によれば、フリツプフロツプ回路５２．６２が
一担セットされると、即ち、最大値が検知されると、そ
れ以降の零点の数はダート回路Ｇ　５３．　Ｇ　５４を
介してカウンタ回路５４．６４に格納される。これにょ
シ、カウンタ回路５４．６４の出力データを入力の一端
とし、駆動全脈波が悪影響を与えないと推定できる時間
に相当する既知の数を他端とする比較回路５５．６６に
よル、両者の人力が一致したときのみ、フリップフロッ
グ回路５２．６２をリセットし、且つカウンタ回路５４
，６４をクリヤする信号Ｓ５θθＭ１信号ｓ６θＯＭを
出力する。その結果、フリップフロッグ回路５２゜６２
の出力信号８５１０Ｍ、８６１０Ｍの立下シエッジでフ
リップフロッグ回路７２．７３がリセットされ、カウン
タ回路７７．７８での計数動作が完了する。

上記実施例によれば、最大値検出後、駆動余脈波が悪影
響を与えないと推定できる既知の数の正区画を超えた最
初の零点までを伝搬時間としてめることができる。従っ
て第３図に示す実施例において、最大値付近でもなお駆
動金脈波の影響が大きい場合であっても正確に流量の測
定がなされる。

上記実施例以外に本発明はその要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、流体の流れ方向又は
逆方向に対し一定の角度を持つ軸上に対向して配置され
た超音波振動子夫々から送信した超音波を上記夫々の超
音波振動子で受信し、その超音波伝搬時間差をめること
によシ上記流体の流量を測定する流量測定装置において
、上記超音波振動子夫々からの受信波形に対し正又は負
の調整可能なレベルを設定し、そのレベルを超えた波形
に区画を設定すると共に極大値を検出する第１の手段と
、上記区画の中で上記極大値を持つ区画から所定数以降
の区画における最初のゼロクロス点の時刻を検出する第
２の手段とを備え、上記ゼロクロス点の時刻に基づいて
上記超音波伝搬時間差をめるように構成し、上記区画設
定によシゼロクロス点の時刻を検出して、正確な超音波
伝搬時間差を測定することができるので、たとえ、駆動
金脈波と受信波とが重なシ合う条件の下での流体であっ
ても、その流量を高精度に測定することが出来る超音波
伝搬時間差方式の流量測定装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波伝搬時間差方式による流量測定装置の原
理動作を説明するだめの図、第２図（ａ）乃至（ｄ）は
夫々駆動余脈波が受信波と重ならない場合及び亀なる場
合を駆動信号の周波数を異なる条件で説明する図、第３
図は本発明による流量測定装置の一実施例を示すブロッ
ク図、第４図（、）乃至（ｈ）は同実施例の動作を説明
するだめの波形図、第５図は本発明の他の実施例を示す
ブロック図である。１．２・・・超音波送受信部、３，４・・・最大値検出
部、５．６．５Ｍ、６Ｍ・・・零点検出回路、７・・・
時間監視部、８・・・減算回路、９・・・計算回路、１
０・・・表示装置、ＰＺＩ　、ＰＺ２・・・超音波振動
子。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１１″￥！

Claims

【特許請求の範囲】

流体の流れ方向又は逆方向に対し一定の角腿を持つ軸上
に対向して配置された超音波振動千人々から送信した超
音波を上記夫々の超音波振動子で受信し、その超音波伝
搬時間差をめることによシ上記流体の流量を画定する流
量測定装置において、上記超音波振動子夫々からの受信
波形に対し正又は負の調整可能なレベルを設定し、その
レベルを超えた波形に区画を設定すると共に極太値音検
出する第１の手段と、上記区画の中で上記極太値を持つ
区画から所定数以降の区画における最初のゼロクロス点
の時刻を検出する第２の手段とを備え、上記ゼロクロス
点の時刻に基づいて上記超音波伝搬時間差をめるように
構成したことを特徴とする流量測定装置。