KR820000335B1 - 초음파 전반시간 검출 회로장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

초음파 전반시간 검출 회로장치

제 1 도는 초음파 전반시간 검출회로 장치의 블록도.

제 2 도는 그 시간차 검출회로의 회로도.

제 3 도는 본 발명의 1실시예의 블록도.

제 4 도는 본 발명의 1실시예의 요부의 회로도.

제 5 도 － 제 7 도는 본 발명의 1실시예의 동작을 설명하기 위한 각 부분의 펄스 파형도.

제 8 도는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 파형도 이다.

본 발명은, 카운터가 발진기의 발진출력을 설정값까지 계수하는 데에 요하는 계수시간과 초음파가 측정매체중을 전달반송하는 데에 요하는 전반(傳搬)시간과의 시간차를 검출하고, 이 차(差)신호에 근거하여, 그 시간차가 영(零)이 되도록 발진기의 발진 주파수를 제어하고, 이 발진기의 발진주파수에서 그 전반시간을 검출하는 초음파 전반 시간검출회로 장치에 관한 것이다.

이러한 회로장치는, 예를들면, 초음파 유량계(流量計)혹은 초음파 레벨(level)계 등에 사용된다. 초음파 유량계에 사용될 경우에는, 측정매체는 예를들면 관로내를 흐르는 피측정 유체이고, 또 초음파 레벨개로서 사용될 경우에는, 용기내의 액면레벨을 측정할 액체 또는 이 액체의 윗편에 위치하는 분위기 이다.

그리고, 제 1 도는 이러한 초음파 전반시간 검출회로 장치의 종래의 예이다.이 제 1 도에 있어서, 1은 전압제어형 발진기로서, 제어 전압의 크기에 따라 그 발진 주파수가 변화한다. 2는 이 발진기 1의 하나의 출력신호와 같은때에 출력신호를 발진하는 동기펄스 발생 회로이다.

3은 펄스 발생회로 2의 출력신호에 근거해서, 송신트랜스듀서(transducer) 8을 구동하는 송신회로이다. 이 송신 트랜스듀서 8은 전기신호를 음향신호로 변환하는 변환소자로서, 이송신 트랜스듀서 8에서 발신된 초음파는 측정매체 중을 전반하여 수신 트랜스듀서 9에서 수신된다.

이 수신 트랜스듀서 9는 음향신호를 전기신호로 변환한다. 트랜스듀 8,9서는 벽체(壁體) 16, 17에 장치되어 있고, 이 벽체 16, 17은, 이 회로 장치가 초음파 유량계에 사용될 경우에는 관로의 관벽이고, 초음파 레벨계에 사용될 경우에는 용기등의 기벽(器壁)이다. 1은 측정매체에 있어서의 초음파의 전반거리, t는 그 전반 시간이다.

수신 트랜스듀서 9의 출력신호는 수신회로 4에 유도되고, 이 수신회로 4에서 초음파 펄스가 수신 트랜스듀서 9에 도달하였다는 것이 검출된다. 수신회로 4에서는 그 검출에 근거해서 트리거(trigger)신호 Z가 발신되어, 시간차 검출회로 8을 제어한다.

5는 발진기 1의 발진 출력을 계수하는 카운터로서, 동기 펄스 발생회로 2의 출력신호에 근거해서 계수동작을 개시하여, 그 계수값이 미리 설정된 수 N에 달하면 계수동작 종료신호를 발신한다. 6은 카운터 5의 출력신호를 어느 일정시간 지연시키는 지연요소이다. 이 지연요소 4의 출력신호는 시간차 검출회로 7에 유지된다. 또한, 지연요소 6의 지연시간 τd는, 초츰파가 벽체 16, 17중을 전반하는 데에 요하는 시간, 전기신호가 송신회로 3 및 수신회로 4를 흐르는데에 요하는 시간등을 합계하여 τ라고 하면, 거의 이 시간 τ에 같게 되도록 설정된다.

제 2 도는 시간차검출회로 7의 회로도이며, 전단에 수신회로 4의 트리거 신호 Z와 지연요소 4의 출력신호 V가 유도되는 낸드회로 100이 배치되어 있다. 트리거신호 Z와 출력신호 V가 일치하고, 낸드회로 100의 출력신호 M의 발신이 정지하면, 트랜지스터 Q₁이 오프로 되고, 정(定) 전류회로 90에서 다이오우드 D를 통하여 콘덴서 C에 충전전류가 흘러, 콘덴서 C를 충전한다. 정전류회로 90, 트랜지스터 Q₁, 다이오우드 D₀및 콘덴서 C에서 램프(RAMP)회로가 구성되고, 이 램프회로의 출력신호 R, 즉 콘덴서 C의 충전전압은 차동증폭기 80에 유도된다. 이 차동증폭기 80에는 전반 시간 측정용 기준전압 E₅₀과 램프회로의 출력신호 R과의 차전압이 시간차 검출회로 7의 출력신호 S로서 발신된다.

또, Q₂는 콘덴서 C의 충전전압을 방전시키기 위한 전계효과형(電界效果形)트랜지스터 로서, 신호 K에 의하여 온－오프 제어된다. 시간차 검출회로 7의 출력신호 S에 근거하여, 그 차전압이 영이 되도록 발진기 1의 제어전압이 제어되고, 그 발진주파수가 변경된다. 이 발진주파수가 카운터 10에 의하여 계수되며, 전반시간 t로서, 표시된다.

즉, 상기한 구성의 동작에 대해서 간단히 설명하면, 우선 발진기 1의 발진 주파수를 f라고 하면 카운터 5가 이 발진주파수 f를 N개 계수하는 데에 요하는 계수시간은 N/f이다. 이 시간이 측정매체중의 음파 전반시간 t와 일치하도록 피이드 백 루우프(feed back loop)을 만들고 있으므로 그 계통이 안정된 시점에서는, N/f=t즉 f=N/t로 되어, 전반시간의 역수 1/t의 N배의 주파수 f를 잡아낼수가 있다. 따라서, 이 주파수를 f를 카운트하는 것으로서 전반시간 t를 측정할 수가 있다.

그런데, 초음파는 전반경로의 조건등에 의하여 여러 가지의 장해를 받기 쉬우므로, 정상적인 전반이 행해지고 있는지 어떤지 충분히 감시할 필요가 있다. 종래에는 이러한 감시를 행하기 위하여, 신호감시 회로를 설치하거나(일본국 특개소 51－101568), 혹은 이상 값 제거회로를 설치하거나하고 있었다. 그러나, 전자(前者)의 신호감시회로는, 수신파형의 피크값이 일정한 전압범위에 들어가 있는가 어떤가로서 판단하는 것인데, 수신파형이 예를들어 피측정 유체중의 기포등에 의해서 흡수 되어서 변형된 때에는, 트리거 미스(초음파 펄스의 도착검출 미스)를 생기게하는 등의 결점이 있다. 한편 후자(後者)의 이상값 제거회로는 최종 출력값(예를들어 5초간의 평균값)이 그 이전의 출력값(최종출력 이전의 5초간의 평균값)과 비교하여 대폭으로 틀리는 값이 었을 때에는, 그 값을 이상값으로서 데이터 출력안한다(앞의 값을 유지한다)고 하는 것인데, 응답이 늦어지거나, 급격한 유속변화 또는 레벨변화등에 의한 급격한 출력변화를 이상으로 오판하는 위험이 있는등의 결점을 가지고 있다.

본 발명은, 이러한 점을 감안하여 된것으로, 응답이 빠른 이상 검출이 되고, 또한 정확한 측정값을 오판하는 일없이 검출할수 있고, 그러고도 미스트리거를 생기게하는 일없는 초음파전반 시간 검출회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

다음에 본 발명의 1실시예를 도면에 따라서 상세히 설명한다.

제 3 도는 본 발명의 1실시예의 블록도이다.

이 제 3 도에 있어서, 제 1 도의 각 부분과 동일 기능을 가지는 부분에는 동일부호가 붙여져 있다. 본 발명에 있어서는, 음파의 도착검출이 정상적인가 이상적인가를 판단하는 이상감시회로 15가 설치되어 있다. 이 이상 감시회로 15는, 제 4 도에 표시하는 것과 같이, 비교회로 11, 12앤드 게이트 13 및 D－플립 플롭 14로서 구성되어 있다.

비교회로 11, 12에는, 저항 R₃, R₄, R₅, R₆(R₄, R₅는 가변저항) 및 전원 E₅에 의하여, 제각기 설정전압 E₅₁, E₅₂가 주어져 있다. 이 설정전압 E₅₁은 제 2 도의 기준 전압 E₅₀보다도 약간 높은 전위로 설정되고, 한편설정 전압 E₅₂는 그 기준전압 F₅₀보다도 약간 낮은 전위로 설정된다. 여기에서, 본 발명에 있어서 특히 주목할 것은, 음파의 도착검출의 정상, 이상을 판단하기 위하여 제 3 도의 시간차 검출회로 7의 램프 회로의 출력신호 R에 착안하여, 이 출력신호 R을 비교회로 11, 12의 남은 입력으로 유도 하도록한 것이다. 그리고, 비교회로 11은 출력신호 R이 설정전압 E₅₁이하일 때에는 "1"신호를 계속 발신하고, 한편 비교회로 12는 그 출력신호 R이 설정전압 E₅₂를 초과하면 "1"신호를 계속 발신한다.

그리고, D－플립플롭 14의 T입력으로서, 초음파의 도달시각(즉 수신회로 4의 출력신호 Z의 발생)보다도 늦게, 다음의 측정주기의 개시(초음파 펄스의 송신)보다도 빠른 시각에 발생되는 정논리의 펄스 신호를 주도록 하였다.

다음에 제 3 도, 특히 제 2 도 및 제 4 도의 동작에 대해서 설명한다.

제 5 도는 초음파의 전반이 정상적인 상태를 즉 카운터 5의 계수시간 N/f와 초음파의 전반시간 t가 같은 상태에 있고, 따라서 램프 회로의 출력전압 R과 기준전압 E₅₀이 같은 상태에 있는 안정상태의 경우의 출력파형도이다.

지연회로 6의 출력신호 V에 의하여 시간차 검출회로 7의 램프회로의 출력신호 R이 상승하기 시작한다.

이 출력신호 R이 이상감시회로 15의 설정전압 E₅₂를 우선 초과하면, 비교기 12에서 출력신호 N₂가 발신되기 시작한다. 이때에, 비교기 11에서는 출력신호 N₁이 발신되어지고 있다. 따라서 앤드 게이트 13에서 출력신호 D가 발신되기 시작한다. 그뒤에, 수신회로 4에서 출력신호 Z가 발신되면, 램프회로의 출력신호 R의 상승이 정지된다. 잠시후에 D－플립플롭 14의 T입력에 입력신호가 인가되면, 그 D입력 즉 앤드 게이트의 출력신호 D "1"의 상태에 따라서, 그 세트출력 Q가 발신되기 시작한다. 그러므로, 이 D－플립플롭의 세트출력 Q에 의하여 경보장치를 동작시키도록 구성하여 놓으면 예를 들어 램프를 점멸(예 : 점등→정상, 멸등→이상)하도록 구성하여 놓으면 그 램프가 점등되어, 초음파의 전반이 정상적으로 행하여지고 있다는 것을 알수가 있다. 또한, 경보장치는 브저(buzzer)라도 좋다. 그뒤에 리세트(reset)신호 K에 의하여 램프회로의 콘덴서 C를 방전시켜, 다음의 측정주기를 위하여 준비시킨다.

또 전회로를 리세트한다. 이 전회로 리세트는 리세트 신호 K와 같은때에 행하여도 좋고, 혹은 그 신호 K의 뒤에 행하여도 좋다. 이때에 D－플립플롭 14의 세트신호 Q는 그 D입력이 소실하여도, 앞의 상태 "1"신호를 계속 유지한다.

제 6 도 및 제 7 도는 다음의 측정주기 때에 초음파의 전반이 이상적 이었을 경우의 회로의 출력파형도로서 제 6 도는 그 초음파의 도착검출이 이상적으로 긴 시간뒤에 행하여지고, 제 7 도는 짧은 시간뒤에 행하여진 경우이다. 그리고, 제 5 도의 상태에서 제 6 도의 상태로 옮긴다고 하자, 이 경우에는 램프회로의 출력신호 R이 이상감시회로 15의 2개의 설정전압 E₅₂, E₅₁을 다함께 초과하므로, 앤드게이트 13의 출력신호 D는 거의 발산되지 않고, 따라서 D플립플롭 13에 T입력을 주면, 그 출력신호 Q는 "0"신호에 가져오게 한다. 그러므로, 이 출력신호 Q에 의하여 램프가 멸등되므로 초음파의 전반이 이상적 이었다고 하는것이 검지된다. 다음에, 제 5 도의 상태에서 제 7 도의 상태로 옮긴다고 하자 이 경우에는, 램프 회로의 입력신호 R은 이상 감시회로 15의 2개의 설정전압 E₅₁, E₅₂를 다함께 초과하지 않으므로, 앤드 게이트 13의 출력신호 D는 "0"신호를 계속 발신하고, 그 때문에 D－플립플롭 14는 T입력이 주어지면 그 세트신호 Q가 "0"신호에 가져오게 한다.

다음에 본 발명의 장치에 있어서, 초음파의 전반시간 t와 카운터의 계수시간 N/f와의 시간차가 어느만큼인가, 즉 초음파의 전반이 정상적이냐 이상적이냐의 검출정도(精度)에 대해서 설명한다.

지금, 제 2 도에 있어서 램프회로의 출력신호 R의 상승구배를 예를들어 2.5 V/us에 설정하고, E₅₀의 전위를 5V로 설정하여 놓기로 한다. (또한, τ－2us=τd로 한다).

그리고, 지금, 예를들어, E₅₁=E₅₀+0.1V 및 E₅₂=E₅₀－0.1V로 하여 놓으면, 제 8 도의 시간Δt는

로 된다.

따라서, 본 발명에 있어서는, 전반시간 t와 계수시간 N/f가 일치하도록 발진기의 발진주파수를 제어하는 것인데, 그 시간차(t－N/f)가－0.04us이내에 들어 있는지 어떤지를 알수가 있다. 그리고, 이 ±0.04us를 측정정도(精度)로 하였을 경우에는, 초음파의 전반이 정상적인가 이상적인가를 그 판단결과(출력신호 Q)에서 판단할수가 있다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의하면, 초음파의 전반이 이상적이고 미스 트리거가 일어났을 경우에는, 램프회로의 출력전압 R이 이상검출회로 15의 2개의 설정전압 E₅₁, E₅₂사이에 들어가지 않게 되므로, 이러한 미스트리거를 감시 할수 있다. 또한, 급격한 유속변화에 의한 급격한 출력 변화(초음파 전반시간의 변화)가 있었을 경우, 측정회로 계통이 그 변화에 뒤따라갈 수가 없고, 램프 회로의 출력전압 R이 매한가지로 설정전압 E₅₁, E₅₂사이에 들어가지 않기 때문에, 그 초음파의 전반은 이상적이라고 판단되는데, 그뒤 측정주기를 되풀이 함으로서 측정회로 계통이 뒤따라 갈수 있어서 안정상태가 되면 램프회로의 출력 전압은 즉시 그 전압 E₅₁, E₅₂사이에 들어가므로 정상이라고 판단할수가 있게 된다. 또한, 트랜스듀서 8, 9가 고장이나서, 초음파 펄스의 발신 및 수신을 할수 없게 되었을 경우, 혹은 초음파 펄스가 전반중에 감쇠하여 소실되든지 하였을 경우에는, 램프회로의 출력신호는 상승이 정지되지 않고, 큰 값으로 포화하므로, 이러한 경우에도 본 발명에 있어서는 이상적이라고 판단할 수가 있다.

Claims (1)

1) 카운터가 발진기의 발진출력을 설정값까지 계수하는데에 요하는 계수시간과 초음파가 측정매체중을 전반하는데에 요하는 전반 시간과의 시간차를 검출하고, 이 차신호에 근거하여, 그 시간차가 영이되도록 전기한 발진기의 발진주파수를 제어하고, 이 발진기의 발진 주파수에서 전기한 전반시간을 검출하는 회로 장치에 있어서, 전기한 시간차에 상당하는 전압신호를 제1설정전압 및 제2설정전압과 비교하고, 이 비교결과에서 전기한 초음파의 전반의 정상 이상을 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 전반 시간 검출회로장치.

Images