JPS6050287B2 - Ultrasonic measuring device - Google Patents

Ultrasonic measuring device

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JPS6050287B2
JPS6050287B2 JP54010777A JP1077779A JPS6050287B2 JP S6050287 B2 JPS6050287 B2 JP S6050287B2 JP 54010777 A JP54010777 A JP 54010777A JP 1077779 A JP1077779 A JP 1077779A JP S6050287 B2 JPS6050287 B2 JP S6050287B2
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JP
Japan
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pulse
output
circuit
ultrasonic
time
Prior art date
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JP54010777A
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Inventor
博志 南
忠次 秋山
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Publication of JPS6050287B2 publication Critical patent/JPS6050287B2/en
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば超音波流量計、超音波レベル計等超音
波パルス等を送波した後、超音波パルスを受渡するまで
の時間を検出して流量やレベル等を測定する超音波測定
装置に関する。
Detailed Description of the Invention This invention measures the flow rate, level, etc. by detecting the time until the ultrasonic pulse is delivered after transmitting an ultrasonic pulse, etc. using an ultrasonic flowmeter, an ultrasonic level meter, etc. The present invention relates to an ultrasonic measuring device.

超音波流量計においてはその受信超音波パルス中の超音
波搬送波の特定の波の受信時点を検出するように高い精
度の検出が必要である。
Ultrasonic flowmeters require highly accurate detection to detect the point in time when a particular wave of an ultrasonic carrier wave is received in a received ultrasonic pulse.

その特定の波の検出を誤まると、大きな測定誤差が発生
する。例えば被測定流体中に含まれる泡やゴミなどの存
在により受信パルスが瞬時的に大きくなつたり小さくな
つたりすることがあり、その場合、予め決められた特定
の波以外の波を正規の波として検出し、これにより1波
数以上の測定誤差が生じる。この発明はこのような測定
誤差を除去するようにしたものである。
Misdetection of that particular wave will result in large measurement errors. For example, the received pulse may become instantaneously larger or smaller due to the presence of bubbles or dirt contained in the fluid being measured. detection, which results in a measurement error of one wave number or more. The present invention is designed to eliminate such measurement errors.

先ず従来の超音波流量計においてその問題点を具体的に
指摘して次にこの発明jを説明しよう。超音波流量計は
第1図に示すように内径がDの管路11に一組の超音波
送受波器12及び13が管路の軸心に対して斜目に相対
向して取付けられている。
First, we will specifically point out the problems with conventional ultrasonic flowmeters and then explain the present invention. As shown in Fig. 1, the ultrasonic flowmeter has a pair of ultrasonic transducers 12 and 13 installed diagonally opposite to each other with respect to the axis of the pipe in a pipe 11 having an inner diameter of D. There is.

その送受波器12及び13の間の距離を1、送受波器1
2,13を結ぶ線と管路11とのなす角をO、管路11
内を流れる被測定流体の流速をV1その流体中の超音波
の音速をcとすると送受波器12から送波された超音波
パルスが送受波器13に受波されるまでの時間T1つま
り管路11内を流れる流体の流れに沿つて送波された場
合の送受波器12,13間の超音波パルス到達時間Tは
、となる。
The distance between the transducers 12 and 13 is 1, and the transducer 1
The angle between the line connecting 2 and 13 and the conduit 11 is O, the conduit 11
When the flow velocity of the fluid to be measured flowing through the tube is V1 and the sound speed of the ultrasonic wave in the fluid is c, the time T1 required for the ultrasonic pulse transmitted from the transducer 12 to be received by the transducer 13 is The arrival time T of the ultrasonic pulse between the transducers 12 and 13 when the wave is transmitted along the flow of the fluid flowing in the path 11 is as follows.

逆に送受波器13より送波されて送受波器12に受波さ
れるまでの時間丁はとなる。
On the other hand, the time required for the wave to be transmitted from the transducer 13 and received by the transducer 12 is as follows.

lは−y−であるから(1)式及び(2)式の関
COSO係から次の(3)式が導かれる。
Since l is -y-, the relationship between equations (1) and (2) is
The following equation (3) is derived from the COSO section.

D及び0は一定であるから送受波器12及び13の間を
超音波パルスが伝播する時間を、被測定流体の流れに沿
う方向及び逆らう方向についてそれぞれ測定し、それぞ
れの逆数の差を求めれば被測定流体の流速が得られる。
Since D and 0 are constant, the time it takes for the ultrasonic pulse to propagate between the transducers 12 and 13 is measured in the direction along and against the flow of the fluid to be measured, and the difference in the reciprocals of each is found. The flow velocity of the fluid to be measured can be obtained.

ところで受信される超音波パルスは一般的に第2図Aに
示すようにその搬送波の包絡線が徐々に立上つた後、徐
々に立下るような形をしている。0レベルに対して一定
レベル上の基準レベルL1より大きい波の部分を比較器
により検出して第2図Bに示すような方形波出力を得て
、この最初のパルス、つまりこの例においては受信超音
波パルスの立上りより2番目の波のパルスを測定に利用
する。
Incidentally, the received ultrasonic pulse generally has a carrier wave envelope that gradually rises and then gradually falls, as shown in FIG. 2A. A comparator detects the part of the wave larger than the reference level L1, which is a certain level above the 0 level, to obtain a square wave output as shown in FIG. The pulse of the second wave from the rise of the ultrasonic pulse is used for measurement.

しかし受信超音波パルスの振幅が減少して第2図Cに示
すようになると基準レベルL1を超える部分は第2図D
に示すように3番目の波となつてしまい。この3番目の
波をその立上りから2番目の波、つまり正規の波として
検出し、これを受信パルスの到達時点として動作し、超
音波パルスの到達時間の測定に搬送波の一周期分の誤り
Eが発生する。超音波流量計では一般に超音波パルスの
伝達時間を数ナノ秒と云う高い精度で測定する必要があ
る。
However, when the amplitude of the received ultrasonic pulse decreases and becomes as shown in Figure 2C, the portion exceeding the reference level L1 is shown in Figure 2D.
As shown in the figure, it becomes the third wave. This third wave is detected as the second wave from its rise, that is, as a normal wave, and this is used as the arrival point of the received pulse, and an error E of one cycle of the carrier wave is eliminated in measuring the arrival time of the ultrasonic pulse. occurs. Ultrasonic flowmeters generally need to measure the transmission time of ultrasonic pulses with high accuracy of several nanoseconds.

ところが超音波パルスの搬送波周波数を1MHzとした
場合、第2図に示したように1周期分の誤差Eが発生す
るとこれは約1マイクロ秒となる。この誤りは必要とす
る精度の20@にも及び正しい測定を行なうことはでき
ない。従来受信超音波パルスの振幅変化の影響を小さく
するために自動利得制御により受信超音波パルスの振幅
を一定にするように制御することが行なわれていた。
However, when the carrier frequency of the ultrasonic pulse is 1 MHz, if an error E for one cycle occurs as shown in FIG. 2, this will be about 1 microsecond. This error reaches the required accuracy of 20@, making it impossible to perform correct measurements. Conventionally, in order to reduce the influence of changes in the amplitude of received ultrasonic pulses, automatic gain control has been used to keep the amplitude of received ultrasonic pulses constant.

又受信超音波パルスが得られない場合、つまり瞬間的に
受信パルスが消失した場合はそれまでの測定結果を保持
して、測定値が大きくフ変化しないようにすることが行
なわれていた。しかし自動利得制御による受信超音波パ
ルスを一定振幅に制御する場合、超音波パルスの受信毎
に設定値とその受信超音波パルスの振幅とを比較してそ
の大小により可変利得増幅器の利得を制御門することに
なる。従つて平均的には一定の振幅の受信パルスが得ら
れる。しかし現に受信したその受信パルスの振幅を一定
値とすることはできない。つまり超音波パルスを受信し
た後比較して利得を制御し、次の受信パルスが前のパル
スと同一ノ振幅であれば、これを一定にするものであり
、この制御を行う前の受信パルスを一定パルスとするこ
とは不可能である。振幅が変化した最初の受信パルスに
ついては一定の振幅とすることはできない。現実には被
測定流体中に気泡や異物が混入しているため受信パルス
の振幅は可成り変動している。この変動に基すく誤差を
防止することを自動利得制御により行なうことは不可能
であつた。又先に述べたように受信超音波パルスが検出
されない場合はそれまでの測定値を保持しても、受信超
音波パルスの振幅が大きくなると正規の波よりも一つ又
はそれ以上前の波を正規の波として検出してしまい、従
つてこのような誤りに対しては何等誤り防止の作用が行
われない。又受信波がなくなるのではなく僅かに減衰し
て正規の波が基準レベルより僅か低下したような場合は
次の波、又はその次の波を正規の波として検出してしま
い、第2図について述べたような誤差Eを発生する。こ
の発明の目的は受信超音波パルスの振幅が瞬時的に変動
しても基準レベル以上であれば必ずその受信パルスの搬
送波の予め決められた正規の波を間違いなく検出して伝
播時間を正しく測定し、基準レベル以下であれば、これ
までの伝播時間の測定データを保持することができる超
音波測定装置を提供することにある。一般に測定値は急
激に変動することがなく、従つて超音波パルスの受信時
点は急に変化することはなく、繰返し測定を行なう繰返
し速度に対して測定値の変化は一般に可成り遅い、従つ
てそれまでの測定時間より次の受信パルスの受信時点を
予測することができる。
Furthermore, when a received ultrasonic pulse cannot be obtained, that is, when a received pulse disappears momentarily, the measurement results up to that point are held to prevent the measured value from changing significantly. However, when controlling the received ultrasonic pulse to a constant amplitude using automatic gain control, each time an ultrasonic pulse is received, the set value is compared with the amplitude of the received ultrasonic pulse, and the gain of the variable gain amplifier is controlled depending on the magnitude. I will do it. Therefore, received pulses with a constant amplitude can be obtained on average. However, the amplitude of the received pulse actually received cannot be set to a constant value. In other words, after receiving ultrasonic pulses, the gain is controlled by comparing them, and if the next received pulse has the same amplitude as the previous pulse, it is kept constant, and the received pulse before this control is A constant pulse is not possible. The amplitude of the first received pulse whose amplitude has changed cannot be kept constant. In reality, the amplitude of the received pulse fluctuates considerably because bubbles and foreign matter are mixed into the fluid to be measured. It has been impossible to prevent errors based on this variation by automatic gain control. Also, as mentioned earlier, if the received ultrasonic pulse is not detected, even if the measured value up to that point is retained, if the amplitude of the received ultrasonic pulse becomes large, the wave one or more earlier than the normal wave will be detected. It is detected as a normal wave, and therefore no error prevention action is taken against such an error. Also, if the received wave does not disappear but is slightly attenuated and the normal wave drops slightly below the reference level, the next wave or the wave after that will be detected as a normal wave, and as shown in Figure 2. This produces the error E as described above. The purpose of this invention is to accurately measure the propagation time by detecting a predetermined regular wave of the carrier wave of the received ultrasonic pulse without fail, even if the amplitude of the received ultrasonic pulse changes instantaneously, as long as it is above a reference level. However, it is an object of the present invention to provide an ultrasonic measuring device that can hold the measurement data of the propagation time up to now if it is below the reference level. In general, the measured value does not fluctuate rapidly, so the time of reception of the ultrasonic pulse does not change suddenly, and the change in the measured value is generally quite slow relative to the repetition rate at which repeated measurements are taken. The reception time of the next received pulse can be predicted from the measurement time up to that point.

この発明ではこの予測される時点の前後の狭い範囲だけ
受信パルスから正規の波を検出することにする。このよ
うにすれば振幅変動に基ずく誤りの発生を防止できる。
即ち超音波パルスの送信と同期して可変遅延回路を駆動
し、その可変遅延回路の遅延出力から超音波パルスの搬
送波のほぼ一周期に相当する一定の時間幅を持つパルス
をパルス発生回路より発生させる。
In the present invention, normal waves are detected from the received pulses only in a narrow range before and after this predicted time point. In this way, it is possible to prevent errors caused by amplitude fluctuations.
That is, a variable delay circuit is driven in synchronization with the transmission of an ultrasonic pulse, and from the delayed output of the variable delay circuit, a pulse having a constant time width corresponding to approximately one cycle of the carrier wave of the ultrasonic pulse is generated by a pulse generation circuit. let

一方受信超音波パルスが第1基準レベルを超えた時に比
較器より出力を発生し、その比較器の出力と先のパルス
発生回路よりの出力パルスとの時間差を時間差検出回路
より取出す。その時間差に応じた出力を時定数回路に供
給して変動を平均化し、その時定数回路の出力により前
記可変遅延回路の遅延量を制御する。この結果前記パル
ース発生回路のパルスが時間的に比較器の出力に追従す
るようにされる。パルス発生回路の出力パルスは先に述
べたように搬装波のほぼ一周期程度の幅の狭いパルスで
あり定常状態においては次の受信パルスにおける正規の
波に対応する部分のみと比較されることになり、つまり
パルスが正規の波に追従することになる。従つてパルス
発生回路のパルスによりゲート回路を用いて受信検出パ
ルスを取出し、このゲート回路の出力パルスを正規の受
信検出パルスとして、超音波パルスの送信から受信まで
の時間測定に用いる。このようにして正しい時間測定を
行なうことができる。受信パルスの振幅が瞬時的に変化
しても時定数回路によつて平均化されるためそのような
瞬時的変動の影響を受けない。
On the other hand, when the received ultrasonic pulse exceeds the first reference level, the comparator generates an output, and the time difference detection circuit extracts the time difference between the output of the comparator and the output pulse from the previous pulse generation circuit. An output corresponding to the time difference is supplied to a time constant circuit to average out fluctuations, and the amount of delay of the variable delay circuit is controlled by the output of the time constant circuit. As a result, the pulse of the pulse generating circuit temporally follows the output of the comparator. As mentioned earlier, the output pulse of the pulse generation circuit is a narrow pulse of approximately one period of the carrier wave, and in a steady state, it is compared only with the part corresponding to the normal wave in the next received pulse. In other words, the pulse follows the regular wave. Therefore, a reception detection pulse is extracted using a gate circuit based on the pulse of the pulse generation circuit, and the output pulse of this gate circuit is used as a regular reception detection pulse to measure the time from transmission to reception of the ultrasonic pulse. Correct time measurements can be made in this way. Even if the amplitude of the received pulse changes instantaneously, it is averaged by the time constant circuit, so it is not affected by such instantaneous fluctuations.

しかし受信時点が徐々に変化する楊合にはその受信時点
に対して追従してパルス発生回路のパルスの発生時点が
変化する。尚パルス発生回路よりのパルスを、そのパル
ス幅の中心部が正規の波の基準点、例えばOレベルを通
過する点と一致するように、つまソー定値だけ位相を進
ませるために、上記時間差検出回路の出力に一定値を加
算して時定数回路に供給することができる。更に受信パ
ルスの振幅が大幅に変動している楊合には正規の波に対
して前の波を誤つて受信する可能性はその前に存在する
波の数がもともと少ないため正規の波よりも後側の波を
誤つて正規の波として検出する可能性の方が多い。
However, when the reception time gradually changes, the pulse generation time of the pulse generation circuit changes in accordance with the reception time. The time difference detection described above is used to advance the phase of the pulse from the pulse generation circuit by a fixed value so that the center of the pulse width coincides with the reference point of the regular wave, for example, the point where it passes the O level. A constant value can be added to the output of the circuit and supplied to the time constant circuit. Furthermore, when the amplitude of the received pulse fluctuates significantly, there is a possibility that the previous wave will be erroneously received compared to the normal wave because the number of waves existing before it is small to begin with. It is more likely that the rear wave will be mistakenly detected as a regular wave.

このような点より時間差検出回路の変換利得を、パルス
発生回路のパルスよりも比較器の出力が遅れた場合の変
換利得よりも、比較器の出力が進んだ場合の変換利得を
大きくしておくことが好ましい。次にこの発明による超
音波測定装置を超音波流量計に適用した例を第3図を参
照して説明しよう。
From this point of view, the conversion gain of the time difference detection circuit should be set so that the conversion gain when the comparator output is ahead of the pulse of the pulse generation circuit is larger than the conversion gain when the comparator output lags behind the pulse of the pulse generation circuit. It is preferable. Next, an example in which the ultrasonic measuring device according to the present invention is applied to an ultrasonic flow meter will be explained with reference to FIG.

入力端子15からのクロックパルスの立上りによつて超
音波パルス発生回路16が駆動される。超音波パルス発
生回路16からの超音波パルスは送受波器12から励振
してこれよりの超音波パルスは管路11内の被測定流体
内を伝播して送受波器13に達する。送受波器13で受
波された超音波パルスは受信回路17において受信増幅
され、その出力は比較器18において第1の基準レベル
レと比較される。例えば第4図Aに示すように受信回路
17の出力の受信パルスは比較器18において第1の基
準レベルレと比較され、そのL1を超えた時点で立上り
、第2の基準レベル(例えば零レベル)で立下る出力が
第4図Bに示すように得られる。
The ultrasonic pulse generation circuit 16 is driven by the rising edge of the clock pulse from the input terminal 15. The ultrasonic pulses from the ultrasonic pulse generation circuit 16 are excited by the transducer 12, and the ultrasonic pulses from this propagate within the fluid to be measured in the conduit 11 and reach the transducer 13. The ultrasonic pulse received by the transducer 13 is received and amplified in the receiving circuit 17, and its output is compared with a first reference level in the comparator 18. For example, as shown in FIG. 4A, the received pulse of the output of the receiving circuit 17 is compared with the first reference level L1 in the comparator 18, and when it exceeds L1, it rises and reaches the second reference level (for example, zero level). An output falling at 0 is obtained as shown in FIG. 4B.

上記比較器18の出力の立下り時点に立上るパルス(第
4図C)を受信検出パルス発生回路19で受信検出パル
スとして発生させる。一方、端子15よりのクロックの
立上りによつて可変遅延回路21が駆動される。
A pulse (FIG. 4C) that rises at the falling edge of the output of the comparator 18 is generated by a reception detection pulse generating circuit 19 as a reception detection pulse. On the other hand, the variable delay circuit 21 is driven by the rising edge of the clock from the terminal 15.

この可変遅延J回路21は制御信号によつてその遅延量
が制御されるものであり、可変遅延回路21の遅延出力
によつてパルス発生回路22が駆動される。この発明に
おいてはこのパルス発生回路のパルス幅は超音波パルス
の搬送波のほS゛一周期に相当iする時間幅とされる。
The delay amount of the variable delay J circuit 21 is controlled by a control signal, and the pulse generation circuit 22 is driven by the delay output of the variable delay circuit 21. In the present invention, the pulse width of this pulse generating circuit is set to a time width i corresponding to approximately one cycle of the carrier wave of the ultrasonic pulse.

このパルスと比較器18よりの出力の前縁(立上り)と
の時間差が時間差検出回路23で検出される。この時間
差検出回路23からは比較器18の出力の前縁とパルス
発生回路22の出力パルスの立上りとの時間差に比例し
フた電圧が得られ、この出力電圧は時定数回路24にお
いて積分されて可変遅延回路21に対し、遅延量を制御
する制御信号として供給される。この制御により比較器
18の出力の立上りとパルス発生回路の出力パルスの立
上りとが一致するようにされる。つまり第4図において
比較器18の出力を示すパルス第4図Bの立上りと一致
し、かつパルス幅が超音波パルスのほS゛一周期と一致
した第4図Dに示すパルスがパルス発生回路22より得
られるように可変遅延回路21が制御される。このパル
ス発生回路22の出力パルスによりゲート回路25が開
かれ、このゲート回路25を受信検出パルス発生回路1
9よりのパルス、即ち第4図Cに示した受信検出パルス
が通過して出力端子26に供給される。
The time difference between this pulse and the leading edge (rising edge) of the output from the comparator 18 is detected by the time difference detection circuit 23. A voltage proportional to the time difference between the leading edge of the output of the comparator 18 and the rise of the output pulse of the pulse generation circuit 22 is obtained from the time difference detection circuit 23, and this output voltage is integrated in the time constant circuit 24. The signal is supplied to the variable delay circuit 21 as a control signal for controlling the amount of delay. By this control, the rising edge of the output of the comparator 18 and the rising edge of the output pulse of the pulse generating circuit are made to coincide. In other words, in FIG. 4, the pulse shown in FIG. 4D, which coincides with the rising edge of the pulse in FIG. The variable delay circuit 21 is controlled so as to be obtained from the signal 22. The gate circuit 25 is opened by the output pulse of this pulse generation circuit 22, and the detection pulse generation circuit 1 receives this gate circuit 25.
9, that is, the reception detection pulse shown in FIG. 4C passes through and is supplied to the output terminal 26.

つまり図に示していないが、端子26を通じて従来の時
間差測定回路と同様の測定回路へ正規の受信検出パルス
が供給される。
In other words, although not shown in the figure, a normal reception detection pulse is supplied through the terminal 26 to a measuring circuit similar to a conventional time difference measuring circuit.

超音波パルスの送信からこの正規の受信検出パルスまで
の時間が測定される。この実施例ではこのような測定に
より、前記(1)式、(2)式の時間T,丁を測定し、
更に(3)式から流速V1更にはこれを用いて流量を演
算する。このような構成において初期状態では可変遅延
回路21の遅延量は0であり、従つて比較器18の出力
の前縁に対してパルス発生回路22のパルスがずつと進
んでおり、このため可変遅延回路21の遅延量を増加す
るような制御が行なわれ、次第にパルス発生回路22の
パルスが比較器18の出力の前縁と一致するようになる
The time from the transmission of the ultrasonic pulse to this regular reception detection pulse is measured. In this example, by such measurements, the times T and T of the equations (1) and (2) are measured,
Furthermore, the flow velocity V1 is calculated from equation (3), and the flow rate is calculated using this. In such a configuration, in the initial state, the delay amount of the variable delay circuit 21 is 0, and therefore the pulse of the pulse generation circuit 22 gradually advances with respect to the leading edge of the output of the comparator 18, so that the variable delay Control is performed to increase the delay amount of the circuit 21, and the pulse of the pulse generating circuit 22 gradually comes to coincide with the leading edge of the output of the comparator 18.

これらが一致した状態において気泡や異物などにより受
信パルスの振幅が異常に変化して瞬間的に比較器18の
出力が超音波の搬送波の一波長分ずれて前に進み、或い
は遅れたり、或いは数波長分変化し、時.間差検出回路
23の検出値がそれまでの値に対して急に変化しても時
定数回路24によつて平均化され、可変遅延回路21の
遅延量が大きく制御されることがない。このため次に正
常な振幅をもつ受信パルスが受信され、そのパルス振幅
が大きく変動してなければ正規の波から得られた比較器
18の出力の前縁とパルス発生回路22のパルスとの時
間差の検出が行なわれる。しかし管路11内の被測定流
体の流量が変化すれば比較器18の出力の前縁もこれに
応じて徐々・に前後に移動するため、パルス発生回路2
2のパルスに対し時間差が発生し、しかもこれは常時発
生するため可変遅延回路21が制御されてその比較器1
8の出力の前縁に対してパルス発生回路22のパルスが
追従することになる。
When these match, the amplitude of the received pulse changes abnormally due to air bubbles, foreign matter, etc., and the output of the comparator 18 momentarily shifts by one wavelength of the ultrasonic carrier wave, moves forward, lags behind, or shifts several times. Changes by wavelength, hours. Even if the detected value of the difference detection circuit 23 suddenly changes from the previous value, it is averaged by the time constant circuit 24, and the delay amount of the variable delay circuit 21 is not controlled to a large extent. Therefore, if the next received pulse with a normal amplitude is received, and the pulse amplitude does not vary greatly, the time difference between the leading edge of the output of the comparator 18 obtained from the normal wave and the pulse of the pulse generation circuit 22 Detection is performed. However, if the flow rate of the fluid to be measured in the pipe line 11 changes, the leading edge of the output of the comparator 18 will also gradually move back and forth accordingly.
Since a time difference occurs between the two pulses and this always occurs, the variable delay circuit 21 is controlled and the comparator 1
The pulse of the pulse generating circuit 22 follows the leading edge of the output of the pulse generator 8.

従つてゲート回路25からは正規の受信検出パルスのみ
が得られ、これと超音波パルスの送信時点との時間差が
測定される。受信超音波パルスの振幅が急に大きくなり
、正規の波よりも前の波が基準レベルを超えても、前述
の説明から理解されるように、ゲート回路25から正規
の受信検出パルスのみが得られる。しかし受信超音波パ
ルスの振幅が急に小さくなり、正規の波が基準レベル以
下になると、ゲ1−ト回路25からパルスが出力されず
、従つて正規の受信検出パルスは図に示してないが、出
力端子26に接続された時間差測定回路に出力されない
。しかし正規の受信検出パルスが入力されない場合は、
この時間差測定回路は従来の時間差測定、回路と同様に
、その直前の測定値が保持される。このようにこの発明
では正規の受信検出パルスに対してのみ、送信パルスと
の時間差が測定されるため、被測定流体の正しい流量測
定が可能となる。一般に受信超音波パルス中のその検出
信号に利用する正規の波は受信パルスの立上り部分の波
を利用することが多く、例えば第2図に示すような立上
り部分の波を利用する。
Therefore, only the regular reception detection pulse is obtained from the gate circuit 25, and the time difference between this and the time point at which the ultrasonic pulse is transmitted is measured. Even if the amplitude of the received ultrasonic pulse suddenly increases and the wave before the regular wave exceeds the reference level, only the regular received detection pulse is obtained from the gate circuit 25, as understood from the above explanation. It will be done. However, when the amplitude of the received ultrasonic pulse suddenly decreases and the regular wave becomes below the reference level, no pulse is output from the gate circuit 25, and therefore the regular received detection pulse is not shown in the figure. , is not output to the time difference measuring circuit connected to the output terminal 26. However, if the regular reception detection pulse is not input,
This time difference measuring circuit, like the conventional time difference measuring circuit, holds the immediately preceding measurement value. In this manner, according to the present invention, the time difference between the normal received detection pulse and the transmitted pulse is measured, so that accurate flow rate measurement of the fluid to be measured is possible. Generally, the normal wave used for the detection signal in the received ultrasonic pulse often uses the wave at the rising edge of the received pulse, for example, the wave at the rising edge as shown in FIG. 2 is used.

このため受信パルスの振幅が大幅に変動している場合は
比較器18の出力は正規の波でない波を正規の波として
出力することが発生するが、その機会はパルスの振幅が
大きくなつて正規の波よりも前側の波を正規の波とする
機会は、正規の波よりも前に存在する波の数が少ないた
め、受信パルスの振幅が減少して正規の波よりも後の波
として検出する機会の方が多い。つまり正規の波に対し
て前側は例えば二波しか存在しないが後側は十波位も存
在する。このため時間差検出回路23において変換利得
がパルス発生回路22よりのパルスに対して比較器18
の出力が早い場合も遅い場合も等しくしておくと、正規
の波に対してそれよりも前の波の検出と、後の波の検出
とを行うことがランダムに発生すると、その場合はパル
ス発生回路22のパルスよりも比較器の出力が遅れる場
合が多く発生して時定数回路24による平均化するとパ
ルス発生回路22の発生パルスが進んでいるものと判断
され、これらを遅らせるような制御信号が出てしまう。
For this reason, if the amplitude of the received pulse fluctuates significantly, the output of the comparator 18 may output a wave that is not a regular wave as a regular wave. Since there are fewer waves before the regular wave, the amplitude of the received pulse decreases and is detected as a later wave than the regular wave. There are more opportunities to do so. In other words, there are, for example, only two waves in front of the regular wave, but there are about ten waves in the rear. Therefore, in the time difference detection circuit 23, the conversion gain of the comparator 18 for the pulse from the pulse generation circuit 22 is
If the output of is set equal whether it is early or late, then if the detection of an earlier wave and a later wave occur randomly for a normal wave, in that case, the pulse The output of the comparator often lags behind the pulses of the pulse generation circuit 22, and when averaged by the time constant circuit 24, it is determined that the pulses generated by the pulse generation circuit 22 are ahead, and a control signal to delay them is determined. will appear.

このような点より例えば第5図に示すようにパルス発生
回路22からのパルスに対して比較器18の出力の前縁
が進んでいる側の領域Tsにおける時間差検出回路23
の変換利得を大きくし、比較器18の出力が遅れている
側の領域Tdに対する変換利得を小さく、例えば前者に
対して後者の−利得を115〜1110程度にしておく
ことが好ましい。
From this point of view, for example, as shown in FIG.
It is preferable to increase the conversion gain for the region Td on the side where the output of the comparator 18 is delayed, and to decrease the conversion gain for the region Td on the side where the output of the comparator 18 is delayed, for example, to set the gain of the latter to about 115 to 1110 relative to the former.

このような時間差検出回路23として例えば第6図に示
すように構成することができる。
Such a time difference detection circuit 23 can be configured as shown in FIG. 6, for example.

即ちフリップフロップ28及び29は端子31からのリ
セット信号により各測定毎に予めリセットされており、
フリップフロップ29及び28の出力は比較器18の出
力及びパルス発生回路22からの各立上りによつてそれ
ぞれセットされる。これ等フリップフロップ28,29
のそれぞれ互に反対極性の出力は互に対応しないものが
ナンドゲート32及び33に供給される。つまりナンド
ゲート32及び33にはフリップフロップ28のQ出力
及びフリップフロップ29のO出力がそれぞれ供給され
る。ナンドゲート32の出力側は入力抵抗器一34を通
じて演算増幅器35の反転入力側に接続され、ナンドゲ
ート33の出力側は抵抗器36を通じて演算増幅器35
の非反転入力側に接続される。この非反転入力側は抵抗
器37を通じて接地される。又演算増幅器35の出力側
と反転入力側との間に帰還抵抗器38が接続される。こ
の演算増幅器35の出力は積分回路39で積分され、積
分回路39の積分コンデンサ41は測定に先立ち、予め
各測定毎にスイッチ42を閉じてリセットされる。今、
仮にパルス発生回路22の出力パルスが比較器18の出
力パルスよりも進んでいるとするとフリップフロップ2
8が先にセットされ、ナンドゲート32の出力はパルス
発生回路22のパルスの立上りから比較器18の出力の
立上りまでの間出力が低レベルとなり、これが演算増幅
器35において反転増幅され、その間高レベルの出力が
積分回路39に供給されて積分される。
That is, the flip-flops 28 and 29 are reset in advance for each measurement by a reset signal from the terminal 31.
The outputs of flip-flops 29 and 28 are set by the output of comparator 18 and each rising edge from pulse generating circuit 22, respectively. These flip-flops 28, 29
Outputs of mutually opposite polarity and not corresponding to each other are supplied to NAND gates 32 and 33. That is, the Q output of the flip-flop 28 and the O output of the flip-flop 29 are supplied to the NAND gates 32 and 33, respectively. The output side of the NAND gate 32 is connected to the inverting input side of the operational amplifier 35 through an input resistor 34, and the output side of the NAND gate 33 is connected to the operational amplifier 35 through a resistor 36.
connected to the non-inverting input side of the This non-inverting input side is grounded through a resistor 37. Further, a feedback resistor 38 is connected between the output side and the inverting input side of the operational amplifier 35. The output of the operational amplifier 35 is integrated by an integrating circuit 39, and the integrating capacitor 41 of the integrating circuit 39 is reset by closing a switch 42 for each measurement prior to each measurement. now,
If the output pulse of the pulse generation circuit 22 is ahead of the output pulse of the comparator 18, the flip-flop 2
8 is set first, and the output of the NAND gate 32 is at a low level from the rise of the pulse of the pulse generating circuit 22 to the rise of the output of the comparator 18, and this is inverted and amplified by the operational amplifier 35, during which time the output of the NAND gate 32 remains at a high level. The output is supplied to an integration circuit 39 and integrated.

一方パルス発生回路22のパルスが比較器18の出力の
立上りよりも遅れると、フリップフロップ29が先にセ
ットされ、ナンドゲート32の出力は高いレベルのま)
であるがナンドゲート33の出力はこれ等フリップフロ
ップ28,29がセットされる時間差の間低レベルとな
り、この低レベルは増幅器35を通じて積分回路39に
供給される。
On the other hand, if the pulse of the pulse generating circuit 22 lags behind the rise of the output of the comparator 18, the flip-flop 29 is set first, and the output of the NAND gate 32 remains at a high level.
However, the output of the NAND gate 33 is at a low level during the time difference when the flip-flops 28 and 29 are set, and this low level is supplied to an integrating circuit 39 through an amplifier 35.

このようにしてパルス発生回路22の出力パルスの立上
りと比較器18の出力の立上りとの時間差に比例した大
きさで何れが進んでいるかに応じた極性の出力が積分回
路39の出力側に時間差検出回路23の出力として得ら
れる。比較器18の出力の立上りがパルス発生回路22
のパルスの立上りよりも早い領域の場合はナンドゲート
33に出力が発生し、この場合の演算増幅器35の利得
は抵抗器36,37の抵抗値に決定され、その利得を大
とし、一方比較器18の出力の立上りがパルス発生回路
22のパルスの立上りよりも遅い場合はナンドゲート3
2に出力が現われるが、その場合演算増幅器35の利得
は抵抗器34,38の抵抗値により決定され、これが先
の場合よりも小さくなるように選定される。
In this way, an output with a polarity corresponding to which one is leading with a magnitude proportional to the time difference between the rise of the output pulse of the pulse generation circuit 22 and the rise of the output of the comparator 18 is sent to the output side of the integration circuit 39 with a time difference. It is obtained as the output of the detection circuit 23. The rising edge of the output of the comparator 18 is detected by the pulse generation circuit 22.
In the region earlier than the rise of the pulse, an output is generated at the NAND gate 33, and in this case, the gain of the operational amplifier 35 is determined by the resistance values of the resistors 36 and 37, and the gain is made large, while the comparator 18 If the rise of the output of is slower than the rise of the pulse of the pulse generation circuit 22, the NAND gate 3
2, the gain of the operational amplifier 35 is then determined by the resistance values of the resistors 34, 38 and is chosen to be smaller than in the previous case.

このようにして第5図に示す特性をもつ時間差検出回路
23が得られる。受信パルスの振幅がしばしば瞬間的に
異状に小さい値に変動すると第3図においてゲート回路
25より出力が得られない場合はこのことを検出して例
えば発光ダイオードを点灯させるとその点灯した場合は
管路11内に異物や気泡が含まれていることがその表示
によつて理解される。パルス発生回路22の出力と比較
器18の出力との比較は比較器18の出力を時間差検出
回路23に直接供給して行う必要はなく、例えば受信パ
ルス検出回路19の出力パルス(第4図C)を時間差検
出回路23に供給して行つても良い。
In this way, the time difference detection circuit 23 having the characteristics shown in FIG. 5 is obtained. If the amplitude of the received pulse often instantaneously changes to an abnormally small value, and if no output is obtained from the gate circuit 25 in Fig. 3, this is detected and, for example, a light emitting diode is turned on. It can be understood from the display that a foreign object or air bubble is contained in the channel 11. It is not necessary to directly supply the output of the comparator 18 to the time difference detection circuit 23 to compare the output of the pulse generation circuit 22 and the output of the comparator 18. For example, the output pulse of the received pulse detection circuit 19 (FIG. 4C) ) may be supplied to the time difference detection circuit 23.

即ちノ第7図に示すように受信検出パルス発生回路19
の出力とパルス発生回路22の出力とが時間差検出回路
23に供給される。この場合パルス発生回路22のパル
スによつて受信検出パルス(第4図C)をゲート回路2
5でゲートするため、そのパ7ルスの立上りがパルス発
生回路22のパルスの幅のほS゛中心と一致するように
することが好ましい。このためには例えば時間差検出回
路23の出力は加算回路44に供給され、その加算回路
44において電源45からの一定電圧と加算される。9
この加算回路44の出力を時定数回路24に供給する。
That is, as shown in FIG.
The output of the pulse generation circuit 22 and the output of the pulse generation circuit 22 are supplied to a time difference detection circuit 23. In this case, the reception detection pulse (C in FIG. 4) is sent to the gate circuit 2 by the pulse of the pulse generation circuit 22.
5, it is preferable that the rising edge of the pulse 7 coincides with the center of the pulse S of the pulse generating circuit 22. For this purpose, for example, the output of the time difference detection circuit 23 is supplied to an adder circuit 44, where it is added to a constant voltage from a power source 45. 9
The output of this adder circuit 44 is supplied to the time constant circuit 24.

このようにして定常状態においてパルス発生回路22の
パルスのほS゛中央に受信検出パルスを位置させること
ができる。パルス発生回路22のパルスの時間幅は、第
2図の説明から理解されるように同時に複数の波を検出
してはならないから、超音波搬送波のほぼ一周期程度と
される。
In this manner, the reception detection pulse can be positioned approximately at the center of the pulses of the pulse generating circuit 22 in the steady state. As understood from the explanation of FIG. 2, the time width of the pulse of the pulse generating circuit 22 is set to approximately one cycle of the ultrasonic carrier wave, since a plurality of waves must not be detected at the same time.

このパルス幅をあまり短かくするとゲート回路25での
検出ができなくなる。ゲート回路25に出力が得られな
い場合には先に述べたようにそれまでの、時間差測定値
を保持することは従来技術と同様にして行う。以上述べ
たようにこの発明を利用した超音波流量計においてはそ
の受信パルスの振幅が瞬時的に変動しても、測定値が超
音波搬送波の一波長分と対応する大きな変動を受けるこ
となく、高い精度で測定することができる。
If this pulse width is made too short, the gate circuit 25 will not be able to detect it. When no output is obtained from the gate circuit 25, as described above, the time difference measurement values up to that point are held in the same manner as in the prior art. As described above, in the ultrasonic flowmeter using the present invention, even if the amplitude of the received pulse changes instantaneously, the measured value does not undergo large fluctuations corresponding to one wavelength of the ultrasonic carrier wave. Can be measured with high accuracy.

この発明は超音波流量計のみならず超音波レベル計等そ
の他超音波パルスの送波より超音波パルスの受波までの
時間を測定する場合においてこの発明を適用して同様に
高い精度で測定することができる。
The present invention is applicable not only to ultrasonic flowmeters but also to ultrasonic level meters and other devices that measure the time from the transmission of an ultrasonic pulse to the reception of an ultrasonic pulse with high precision. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は超音波流量計を説明するための管路と送受波器
との関係を示す図、第2図は受信超音波パルスより受信
検出パルスを取出す状態を説明するための波形図、第3
図はこの発明を超音波流量計に適用した一例を示すブロ
ック図、第4図はその動作の説明に供するための波形図
、第5図は時間差検出回路の変換利得特性の例を示す図
、第6図は時間差検出回路の一例を示す接続図、第7図
は第3図の一部変形例を示すブロック図である。 11:管路、12,13:送受波器、15:クロツクパ
ルス入力端子、16:送信回路、17:受信回路、18
:比較器、19:受信検出パルス発生回路、21:可変
遅延回路、22:パルス発生回路、23:時間差検出回
路、25:ゲート回路。
Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the pipe line and the transducer to explain the ultrasonic flowmeter, Fig. 2 is a waveform diagram to explain the state in which the received detection pulse is extracted from the received ultrasonic pulse, and Fig. 3
The figure is a block diagram showing an example of applying the present invention to an ultrasonic flowmeter, FIG. 4 is a waveform diagram for explaining its operation, and FIG. 5 is a diagram showing an example of conversion gain characteristics of a time difference detection circuit. FIG. 6 is a connection diagram showing an example of a time difference detection circuit, and FIG. 7 is a block diagram showing a partial modification of FIG. 3. 11: Pipe line, 12, 13: Transducer/receiver, 15: Clock pulse input terminal, 16: Transmitting circuit, 17: Receiving circuit, 18
: Comparator, 19: Reception detection pulse generation circuit, 21: Variable delay circuit, 22: Pulse generation circuit, 23: Time difference detection circuit, 25: Gate circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 超音波パルスを繰返し送信し、その超音波パルス又
は反射超音波パルスを受信し、その受信超音波パルス中
の超音波搬送波の特定波を検出し、これを正規の受信検
出パルスとし、上記超音波パルスの送信から上記正規の
受信検出パルスを得るまでの時間を測定する超音波測定
装置において、超音波パルスの送信と同期して駆動され
、遅延時間を変化することができる可変遅延回路と、そ
の可変遅延回路の出力により駆動されて上記超音波パル
スの搬送波のほぼ一周期に相当する時間幅のパルスを発
生するパルス発生回路と、受信超音波パルスが第1基準
レベルを越えた時に出力を発生する比較器と、その比較
器の出力と上記パルス発生回路の出力パルスとの時間差
を検出する時間差検出回路と、その時間差検出回路の出
力により上記時間差が零になるように上記可変遅延回路
の遅延時間を制御する制御信号を発生する時定数回路と
、上記受信超音波パルスが上記第1基準レベルを越えた
後の第2基準レベルを通過する時にパルスを発生する受
信検出パルス発生回路と、上記パルス発生回路の出力に
より制御されて上記受信検出パルス発生回路の出力パル
スを上記正規の受信検出パルスとして通過させるゲート
回路とを具備する超音波測定装置。
1 Repeatedly transmitting ultrasonic pulses, receiving the ultrasonic pulses or reflected ultrasonic pulses, detecting a specific wave of the ultrasonic carrier wave in the received ultrasonic pulses, using this as a regular reception detection pulse, and using the ultrasonic pulse as described above. In an ultrasonic measuring device that measures the time from transmitting a sonic pulse to obtaining the regular reception detection pulse, a variable delay circuit that is driven in synchronization with the transmitting of the ultrasonic pulse and can change the delay time; A pulse generation circuit that is driven by the output of the variable delay circuit and generates a pulse with a time width corresponding to approximately one cycle of the carrier wave of the ultrasonic pulse; and a pulse generation circuit that generates an output when the received ultrasonic pulse exceeds a first reference level. a time difference detection circuit for detecting the time difference between the output of the comparator and the output pulse of the pulse generation circuit; and a variable delay circuit for reducing the time difference to zero by the output of the time difference detection circuit. a time constant circuit that generates a control signal for controlling delay time; a reception detection pulse generation circuit that generates a pulse when the received ultrasonic pulse passes through a second reference level after exceeding the first reference level; An ultrasonic measurement device comprising: a gate circuit that is controlled by the output of the pulse generation circuit and passes the output pulse of the reception detection pulse generation circuit as the normal reception detection pulse.
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