JPS6217677A - 超音波測定装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、マイクロコンビエータを用いた超音波測定装
置に係り、特に超音波信号の第１波若しくは第２波を用
いて超音波信号の到達を知る超音波測定装置に関する。

く従来技術〉 超音波パルスを測定対象物に送信し、送信した時点から
受信した時点までの時間差などを利用して物理量を計測
する超音波測定装置としては超音波流量計や超音波レベ
ル計などがあるが、この様な場合、超音波パルスの受波
時点を正確に決めることが必要である。

このために各種の出願がなされているが、その１例を第
４図に掲げ、この要点について説明する。

管路ｌに被測定流体２が矢印Ｆの方向に流され、被測定
流体２の流量Ｑを測定する。このために管路１に送受波
器３．４が流れの方向Ｆに対して斜めに対向して設置さ
れている。送受波器３．４のいずれか一方には同期回路
５よシトリガパルスＴｐが駆動回路６に印加されこれに
伴いその出力に例えばピーク値が２００ｖ程匿の値を持
つ微分状の駆動パルスＤ　が切換スイッチ７を介して印
加される。送受波器３．４の他方には被測定流体２を介
して受波された超音波パルスが切換スイッチ７を介して
増幅５８に受信される。

増幅器８の出力の超音波パルスＨｄ比較器９の入力の一
端に印加され、他端はスイッチＳＷを介してデジタル／
アナログ変換器（以下Ｄ／Ａ変換器と略称する）１０と
接続されている。スイッチＳＷは比較器９の出力により
制御され、共ｓｔ位点ＣＯＭ側とＡ／Ｄ変換器１０側と
に切換えられて比較器９にゼロ電圧またに基準レベルｔ
、が比較電圧■として印加される。比較器９の出力端に
は摂動波状の超音波パルスＨのうち基準レベルｔ、を越
エタ波形のゼロクロス部分がパルス化されて出力パルス
Ｐとして出力される。出力パルスｐＨラッチ回路１１に
入力され出力ババスＰのうち最初のパルスの立下りによ
ってラッチされた１Ｌルベルのラッチ出力ＳＲが出力さ
れ、アンドゲート１２の入力の一端に印加される。アン
ドゲート１２の第２の入力端には同期回路５よりスター
ト信号Ｓ。

が印加され、第３の入力端にはクロック発振器１３から
一定周波数のクロックｆ。が入力されている。

１４はカウンタであシアンドゲート１２の出力が入力さ
れている。カウンター４は同期回路５より送出されるス
タート信号Ｓ、によりクロックｆ。

をカウントしラッチ回路１１のラッチ出力ＳＲによシカ
ラントを停止する。

増幅器８の利得はＤ／Ａ変換器１５の利得制御信号Ｓ。

によシ制御される。比較器１６の入力の一端にはＤ／Ａ
変換器１７からの基準ピーク信号Ｓ。

が印加され、その入力の他端には増幅器８の出力の超音
波パルスＨが印加されている。比較器１６の出力はラッ
チ回路１８に入力され、その出力はＩ１０ボート１９に
入力されている。

Ｉ１０ボート１９は同期回路５に開始信号Ｓ０を送出す
ると同時にラッチ回路１１．１８をリセットする。また
、Ｉ１０ボート１９を経由して流量信号・　Ｓ、を出力
する。

制御回路２０の中のランダムアクセスメモリ（以下、Ｒ
ＡＭと略称する）２１には閾値時間テーブル２２、σ判
断プログラム２３、選択プログラム２４、レベル決定プ
ログラム２５を格納する領域ＲＯＭと略称する）２６に
あらかじめ書き込まれており、このプログラムに従って
マイクロプロセッサ（以下、ＣＰＵと略称する）２７は
バス２８を介して読込んだデータを処理して再びバス２
８’ｊｉ−介してＤ／Ａ＆換器１０．１７あるいはＩ１
０ボート１９に出力する。

次に１制御回路２０での信号の処理に関して説明する。

先ず、ＣＰＵ２７１ｉＲＯＭ２６中の所定のプログラム
にしたがい開始信号ＳｏをＩ１０ボー）１９ｔ−介して
同期回路５に送出する。同期回路５よシトリガパルスＴ
　が駆動回路６に印加され駆動パルスＤが切換スイッチ
７を介して送受波器３．４に印加される。被測定流体２
を経由した超音波ノくバスは増幅器８で受波され、その
出力の超音波パルスＨ（第５図（イ））が比較器１６に
入力される。比較器１６はＣＰＵ　２７の制御のもとに
Ｄ／Ａ変換器１７より与えられた基準ピーク信号Ｓ、と
比較して超音波パルスＨが基準ピーク信号Ｓ、を越える
と比較器１６の出力が１Ｌルベルとなり、その立下シに
よりラッチ回路１８で１Ｌルベルにラッチする（第５図
に））。ｃｐｕ２７ｔ！この％　１．　ルベルを検知し
てＤ／Ａ変換器１５を介して増幅器８の利得を下げる。

超音波パルスＨが基準ピーク信号Ｓ。

を越えないときは比較器１６の出力は％　Ｈｊレベルで
あり、ＣＰＵ２７にこれを検知してＤ／Ａ変換器１５を
介して増幅器８の利得を上げる。以上の如くして増幅器
８の利得を調節し、超音波パルス″″Ｈ′の振幅最大値
を基準ピーク信号Ｓ、に等しく制御する。

一方、ＣＰＵ２７の制御のもとにＲＯＭ２６中の所定の
プログラムにしたがい比較器９の比較電圧ｖｃとしてＤ
／Ａ変換器１０を介して基準レベルｔ１　を読出て。次
に伝播時間測定の開始信号Ｓ０によりラッチ回路１１．
１８がリセットされ、同期回路５を介してアンドゲート
１２はスタート信号Ｓ１　を受はカウンタ１４でクロッ
クｆ０の計数が開始される。一方、受信された超音波パ
ルスＨ（第５図（イ））は基準電圧ｔＳ　と比較器９で
比較され、基準レベルｔ、を越えた出力パルスＰは第５
図（ロ）に示す様になるが、その最初のパルスのゼロク
ロス点においてＳ　Ｌ　１　レベルにラッチ回路１工に
よシラッチされ、同時にカウンタ１４の計数が停止され
る。従って、カウンタ１４の計数値ｎ７は超音波パルス
Ｈの伝播時間Ｔの概略値を与え、〔Ｘ〕をＸを越えない
最大の整数を表わす記号とすれば、次式の如くなる。

ｎＴ＝〔ｆｏＴ〕 この基準レベルｔ１に対するカウンター４の計数値ｎ、
はＲＡＭ２１中に閾値時間テーブル２２を形成するため
に格納される。

この場合に、種々の管路１ｔ−用いての超音波パルスの
波形観測の結果から超音波パルスの第２波のピーク電圧
は受波した超音波パルスのピーク電圧Ｖ　の２０チ以上
の値を持つことが判っているので、基準レベルｔ　の可
変範囲の上限値ｔＨをピーク電圧の２５チ程度に設定す
る。また、下限値ｔＬは内部あるいは外部ノイズのレベ
ル程度に設定すれば良いが丸＝０に設定しても良い。以
上の如くして基準レベル１ｉの可変範囲ｔ−ｔＬ≦ｔ。

≦ｔＨに設定し、短い時間の間では各回の超音波パルス
の波形と伝播時間に変化がないという前提で基準レベル
ｔ１　を可変しに回これを繰９返して閾値時間テーブル
２２を作成する。

次に、閾値時間テーブル２２に形成ちれたデータのうち
基準レベルｔｌの変化に対して伝播時間Ｔが所定のバラ
ツキσの中にるるか否かの判断をＲＡＭ２１０所定領域
区形成されたσ判断プログラム２３に従って判断し、バ
ラツキσを越えている伝播時間Ｔｔｉ棄却し、バラツキ
σの中にある伝播時間のうち最小の伝播時間Ｔｍ１ｎ　
　を示すものを凡人Ｍ２１中の読込まれた選択プログラ
ム２４により探す。そしてその最大の基準レベルｔｒｎ
ａｘ　　、！：最小の基準レベルｔｍｉｎを確定し、レ
ベル差ΔＶ。

（＝ｔｍａｗ−ｔｍｉｎ）とΔｖ２（＝　ＡＨ−ｔｒ！
１ｍ　ｘ　）を演算する。

この関係を図示すれば第６図に示す様になりている。ｔ
ｍｉｎ　以下の基準レベルに対応する伝播時間はに回の
測定においてσ値を越えて分散している。

σの値の収束した最小の伝播時間Ｔｍ１ｎを示すものは
Ｔ、であり、これは第１波の伝播時間を示し、Ｔ２は次
の波に対応する第２波の伝播時間を示している。

更に１最小の伝播時間Ｔｍｔｎ（＝Ｔ、　）における基
準レベルｔｍｈｘと上限値へとを比較し”ｍＬＸがｔＨ
に等しいかｔＨよりも小さいかを判断する。

ｔｍａ工＜ｔＨのときは、ΔＶ、とΔｖ２とを比較して
、Δｖ、＞Δｖ２であれば受信した超音波パルスの第１
波に対して基準レベルを”ｍｉｎ＋ｔｍａｘ）／２に決
定し、Δｖ、　＞Δｖ２　０条件を満さないときは第２
波に対して基準レベルを（ｔＨ＋ｔｍ、工）／２に決定
する。

以上の基準レベルを決定する実行プログラムはＲＡＭ　
２１０所定領域にレベル決定プログラム２５として格納
され、ＣＰＵ２７の制御の庵とに実行される。

この様にして決定された基準レベルｔｔｈはＤ／＾変換
器工０を介して比較器９の比較電圧Ｖ　として設定され
、この基準レベルｔｔｈを閾値として伝播時間が測定さ
れる。この結果を用いて流量値がＣＰＵ　２７により演
算されＩ１０ボート１９を介して流量信号Ｓ、が出力さ
れる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の超音波測定装置は超音波
パルスの第１波若しくは第２波を用いて伝播時間を測定
しているので管路ｌの肉厚に起因する多重反射波が超音
波パルスの後方の波形部分に影響を与える点については
避けることが出来るが、反面第１波若しくは第２波はそ
の波形が小さくそのｉｔでは安定に検出し難い欠点があ
る。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するため、前記第１波
若しくは第２波のピークに対して自動利得制御をかけて
波形を安定化させる様にしたもので、超音波を送受波す
る送受波器と、この送受波器で受波し九超音波信号を増
幅する増幅器と、この増幅器出力と基準ピーク値とを比
較して比較信号を出力する比較手段と、この比較信号に
よシ増幅器の利得を制御する利得制御手段と、増幅器出
力と基準レベルとを比較し基準レベルを越えた最初の波
形のゼロクロス点でゼロクロス信号を発信するゼロ検出
手段と、このゼロクロス信号の発信後の所定時間内に到
達する超音波信号の各波形の通過または禁止を制御する
制御手段と、この制御手段の通過状態において基準レベ
ルを変化させゼロクロス信号から超音波信号の伝播時間
を測定し基準レベルに対する超音波信号の伝播時間のテ
ーブルを作成する閾値時間テーブル作成手段と、この閾
値時間テーブル作成手段から超音波信号の第１波若しく
は第２波を検出するための基準レベルを決定する基準レ
ベル決定手段とを具備し、比較信号を前記制御手段の禁
止状態において利得制御回路に供給し増幅器出力が基準
レベル決定手段により決定された基準レベルを越えた第
１波若しくは第２波のピーク値を一定に制御する構成と
したものである。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づき説明する。

尚、従来技術と同一の機能を有する部分には同一の符号
を付し、適宜説明を省略する。第１図は本発明の一実施
例を示すブロック図である。

比較５１６の出力はゲート２９の入力の１端に印加され
その他端には超音波パルスの通過を制御する制御信号Ｓ
　がＩ１０ボート１９より印加される。

ゲート２９の出力はアントゲ−）３００Å力の一端に印
加され、その他端にはオアゲート３１の出力が印加され
る。オアゲート３１の入力の一端にはラッチ回路１１の
ラッチ出力ＳＲが印加されその他端にｄ　Ｉ１０ボート
１９より超音波ノ（ルスの第１波若しくは第２波のピー
ク１１の制御をする切換信号Ｓ　が印加される。アンド
ゲート３０の出力はラッチ回路１８に入力される。

ＣＰＵ　２７の指令にもとず〈プログラムなどは、ＲＯ
Ｍ　３６に書き込まれている。

次に、制御回路３２の動作について説明する。

先ず、ＣＰＵ２７ｄＲＯＭ２６中の所定のプログラムに
したがい測定を開始するための開始信号Ｓ０をＩ１０ボ
ート１９を介して同期回路５に送出し、また切換信号Ｓ
ＷをＩ１０ボート１９とオアゲート３１を介してアンド
ゲート３０に送出してアンドゲート３０ｔ−開状態とし
、更に超音波パルスＨの到達する時点だけゲー）２９ｔ
−開とする制御信号Ｓａ’ｊｉＩ１０ボート１９を介し
てゲート２９に送出する。

以上の状態では切換信号ＳＷが１Ｈルベル（第２図に）
）であシアンドゲート３０が開であるので、第４図と同
じ回路が構成されている。

開始信号Ｓ０の送出によりラッチ回路１１．１８はりセ
ットされ、アンドゲート１２を介してスタート信号Ｓ１
　を受けてカウンター４はクロックｆ０の計数を開始す
る、これ以後の信号処理は第４図の場合と同じ様になさ
れ、ＲＡＭ３３の中には閾値時間テーブル２２が形成さ
れて受信した超音波パルスＨの第１波が検出できる基準
レベルｔｔｈが第２図（イ）に示す様に設定されている
。超音波パルスＨに第２図（ロ）に示す様に制御信号Ｓ
ｃによりその波形検出ができる様にウィンドが形成され
、これ以外の部分に混入する雑音をカットしている。

第１波の基準レベルｔｔｈを越えた最初のゼロクロス点
で％　Ｌ　１　レベルとなりラッチ回路１１でラッチさ
れ（第２図（／ｉ　）　、カウンター４の計数を停止さ
せる。

また、比較器１６には増幅器８の出力と制御すべき超音
波パルスの基準ピーク信号Ｓ、とが印加され、Ｓを越え
ると比較器１６にパルスが生じ（第２図（ホ））、この
立下りによりラッチ回路１８の出力は″″ＬＬルベルッ
チされ（第２図（へ））、逆にＳ　を越えないときは％
　ＨＩ　レベルのままにｐ 保持される。この変化をＣＰＵ　２７がｘ１０ボー）　
１９を介して検知しＤ／Ａ変換器１５を介して増幅器８
の利得を制御して超音波パルスのピーク値を制御する。

第２図の場合は第３波の波高値を一定に制御している。

次１ｃ、　ＣＰＵ　２７の指令により第３図に）に示す
ように切換信号ＳＷをＳ　Ｌ　１　レベルの状態に移す
。

この状態ではラッチ回路１１の出力レベルでアンドゲー
ト３０が制御される。

先ず、基準ピーク信号Ｓ　と増幅器８の出力信号（第３
図０））が比較器１６で比較され基準レベルｔｔｈを越
えた超音波パルスの第１波のゼロクロス点で１Ｌルベル
となりラッチ回路１１でラッチされ（第３図（ハ））、
そのラッチ出力ＳＲが′Ｌルベルとなる。一方、ゲート
２９の出力Ｋｆｌ基準レベルｔｔｈを越えた部分がパル
ス化されて第５図（ホ）に示す波形として得られるが、
アンドゲート３０の入力の一端はラッチ出力ＳＲ１切換
信号ＳＷも共に１Ｌ′、レベルに保持されているので、
超音波パルスの第２波以降の波はアンドゲート３０を通
過することができず、第３図（へ）に示す如き波形とな
る。従って、第３図（イ）に示す超音波パルスの第１波
のピーク値が基準ピーク信号Ｓ　に等しくなる様にＤ／
Ａ変換器１５を介して増幅器８の利得が利得制御信号Ｓ
。によシ制御される。この結果、受信された超音波パル
スの第１波は基準ピーク信号Ｓまで増幅されることにな
るので、安定な信号の検出が出来る。

第１波のピーク値が小さすぎて雑音レベルと同程度であ
り信号検出に不向きのときは、第２波のピークに対して
利得制御を行なう。この場合には基準レベルｔｔｈを第
１波と第２波のピーク値の中間に設定する。

なお、被測定流体の中の気泡や異物によシ受信された超
音波パルスが減衰する様な場合にに、検出すべき超音波
パルスの波が後方に移動する。これを避けるためには、
一定時間おきに増幅器８の利得を利得制御信号Ｓ。によ
り増加させ、超音波パルスの前方に検出位置を移動させ
、この後切換信号ＳＷを％　Ｌ　Ｉ　レベルに戻すと、
ラッチ出力ＳＲの立下り位置が前方に移動し、結果とし
て超音波パルスの前方の波の位置で一定の利得制御がな
される。この様にして超音波パルスの第１波若しくは第
２波で安定な伝播時間の測定ができる。

また、第１図に示す実施例では第１波若しくは第２波を
一定の基準ピーク信号Ｓ　まで増幅することとしたが、
基準ピーク信号Ｓ′ｔ−変化させるようにしても良い。

更に、今までの実施例では超音波流量計について説明し
たが、超音波レベル計に適用しても良い。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明した様に本発明によれ
ば、管路での多重反射の影響を受ける前の受信された超
音波パルスの第１波若しくは第２波の部分にレベル検出
の閾値を設定しかつ第１波若しくは第２波の部分の波形
のみ実質的に増幅する様にしたので、安定な超音波の伝
播時間の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図の各部の波形を説明する波形図、第３図は
第１図において利得制御状態の各部の波形を説明する波
形図、第４図は従来の超音波流量計の構成を示すブロッ
ク図、第５図は第４図の各部の波形を示す波形図、第６
図は閾値時間テーブルの内容を示すデータ分布図である
。 １・・・管路、５・・・同期回路、８・・・増幅器、９
．１６・・・比較器、１０．１５．１７・・・Ｄ／Ａ変
換器、１１．１８・・・ラッチ回路、１２．３０・・・
アンドゲート、１３・・・クロック発振器、１４・・・
カウンタ、１９・・・Ｉ１０ポート、２０．３２・・・
制御回路、２１・・・ＲＡＭ、２２・・・閾値時間テー
ブル、２３・・・σ判断プログラム、２４・・・選択プ
ログラム、２５・・・レベル決定プログラム、２６・・
・ＲＯＭ、２７・・・ＣＰＵ、Ｓｃ　・・・制御信号、
ＳＲ・・・ラッチ出力、ＳＷ・・・切換信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波を送受波する送受波器と、この送受波器で受波し
   た超音波信号を増幅する増幅器と、この増幅器出力と基
   準ピーク値とを比較して比較信号を出力する比較手段と
   、前記比較信号により前記増幅器の利得を制御する利得
   制御手段と、前記増幅器出力と基準レベルとを比較し基
   準レベルを越えた最初の波形のゼロクロス点でゼロクロ
   ス信号を発信するゼロ検出手段と、前記ゼロクロス信号
   の発信後の所定時間内に到達する前記超音波信号の各波
   形の通過または禁止を制御する制御手段と、この制御手
   段の通過状態において前記基準レベルを変化させ前記ゼ
   ロクロス信号から前記超音波信号の伝播時間を測定し前
   記基準レベルに対する前記超音波信号の伝播時間のテー
   ブルを作成する閾値時間テーブル作成手段と、この閾値
   時間テーブル作成手段から前記超音波信号の第１波若し
   くは第２波を検出するための基準レベルを決定する基準
   レベル決定手段とを具備し、前記比較信号を前記制御手
   段の禁止状態において前記利得制御回路に供給し前記増
   幅器出力が前記基準レベル決定手段により決定された前
   記基準レベルを越えた第１波若しくは第２波のピーク値
   を一定に制御することを特徴とした超音波測定装置。