【手続補正書】
【提出日】平成17年10月27日(2005.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  超音波流量計
【特許請求の範囲】
【請求項１】  圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記送信回路は電流源を、前記受信回路は高インピーダンスの終端素子をそれぞれ有する構成とした超音波流量計。
【請求項２】  圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記送信回路は定電圧源を、前記受信回路は低インピーダンスの終端素子をそれぞれ有する構成とした超音波流量計。
【請求項３】  圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記送信回路は電圧源を有し、この送信回路のインピーダンスと受信回路のインピーダンスを同程度にする構成とした超音波流量計。
【請求項４】  圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、第１の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第２の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ１を求め、かつ、逆に第２の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第１の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ２を求め、前記伝播時間Ｔ１とＴ２から流量を求める方式において、前記伝播時間Ｔ１、Ｔ２は受信波の第１波よりも後に到達する波で求める構成とした請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波流量計。
【請求項５】  圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、第１の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第２の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ１を求め、かつ、逆に第２の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第１の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ２を求め、前記伝播時間Ｔ１とＴ２から流量を求める方式において、前記超音波センサのインピーダンスの大きさにより駆動周波数を選択することで、前記受信回路を低入力インピーダンスにする構成とした請求項２記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に超音波によって流量を測定する超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流量計は特開平８−１２２１１７号公報に記載されている。図１０はこの公報に記載されている超音波流量計を示すもので、流体管路１の途中に超音波を発信する第１振動子２と受信する第２振動子３とが流れ方向に配置されている。
【０００３】
４は第１振動子２への発信回路、５は第２振動子３で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路６で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段７で求め、その超音波伝幡時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段６で流量値を求め、この流量演算手段６の値によって計測間隔変更手段７が発信回路４のトリガ手段８への信号送出のタイミングを調節する。
【０００４】
次にその動作について述べる。トリガ手段８を介して発信回路４にバースト信号を送出し、これにより第１振動子２で発信された超音波信号は流れの中を伝幡し、第２振動子３で受信されて増幅回路５と比較回路９で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段１０で測定する。
【０００５】
静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）となる。振動子５と６の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間ｔは、
ｔ＝Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ）  （１）
となり、（１）式より
ｖ＝（Ｌ／ｔ−ｃ）／ＣＯＳφ  （２）
となり、Ｌとφが既知ならｔを測定すれば流速ｖが求められる。この流速より流量Ｑは、通過面積をＳ、補正計数をＫとすれば、
Ｑ＝ＫＳｖ  （３）
となる。
【０００６】
図１１は従来の他の超音波流量計を示すものであり、発信から受信を繰り返し手段１１によって繰り返し設定手段１２で設定された回数だけ繰り返し、さらに発振と受信の切り換えを切換手段１３で行なった後、同様に繰り返しを行う。
【０００７】
すなわち発振回路７によって第１振動子２から超音波が発生し、この超音波を第２振動子３で受信し、増幅回路５を介し比較回路９に到達すると繰り返し手段１２で再びトリガ手段８で発信回路７をトリガする。
【０００８】
この繰り返しは繰り返し設定手段１２で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段１０で計測する。しかる後、切換手段１３により第１振動子２と第２振動子３の発信受信を逆に接続し、今度は第２振動子３から第１振動子２に向かって超音波を発信し、前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段６で流量値を演算する。
【０００９】
静止流体中の音をｃ、流体の流れの速さをｖとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は（ｃ＋ｖ）、逆方向の伝幡速度は（ｃ−ｖ）となる。振動子７と８の間の距離をＬ、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をｎとすると、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間Ｔ１とＴ２は、
Ｔ１＝ｎ＊Ｌ／（ｃ＋ｖＣＯＳφ）  （４）
Ｔ２＝ｎ＊Ｌ／（ｃ−ｖＣＯＳφ）  （５）
となり、（４）、（５）式より
ｖ＝ｎ＊Ｌ／２ＣＯＳφ（１／Ｔ１−１／Ｔ２）  （６）
となり、Ｌとφが既知ならＴ１とＴ２を測定すれば流速ｖが求められる。しかしながらＴ１とＴ２の差は流量が小さくかつ繰り返し回数が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し誤差を比較的小さくし、流量が大きくなるとＴ１−Ｔ２の差も大きくなるので測定が容易になりその場合には繰り返し設定の回数を小さくしてサンプリング間隔を速くして誤差を小さくする。
【００１０】
すなわち、流量演算手段１１によって繰り返し設定手段１５の回数を変更する。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−１２２１１７号公報（図１、図７）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波流量計は、振動子と、前記振動子で受信した信号の増幅回路（受信回路）が、受信波形の形状の決定要素となるので、流量計測精度が、これらにより大きく左右されるという課題がある。
【００１３】
本発明はこのような従来の課題を解決したもので、超音波流量計の精度を向上させることを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記送信回路は電流源を有し、かつ、前記受信回路は高インピーダンスの終端素子を有する構成としたしたもので、複数の超音波センサのそれぞれの特性の差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくなるようにしたものである。
【００１５】
また、前記送信回路が電圧源を有する場合は、前記受信回路に低インピーダンスの終端素子を用いる構成とするか、あるいは、送信回路のインピーダンスと受信回路のインピーダンスを同程度にする構成とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
上記目的を達成するために本発明は、圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記送信回路は定電流源を、前記受信回路は高インピーダンスの終端素子をそれぞれ有する構成とすることにより、前記複数の超音波センサの特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００１７】
また、圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記、送信回路は定電圧源を、前記受信回路は低インピーダンスの終端素子をそれぞれ有する構成とすることにより、前記複数の超音波センサの特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００１８】
また、圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、前記送信回路は電圧源を有し、前記送信回路のインピーダンスと前記受信回路のインピーダンスを同程度にする構成とすることにより、前記複数の超音波センサの特性差異や、回路のインピーダ
ンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００１９】
また、圧電振動子を有する複数の超音波センサと前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、第１の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第２の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ１を求め、かつ、逆に第２の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第１の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ２を求め、前記伝播時間Ｔ１とＴ２から流量を求める方式において、前記伝播時間Ｔ１、Ｔ２は受信波の第１波よりも後に到達する波で求める構成とすることにより、前記伝播時間Ｔ１を求めるときの受信波形と、前記伝播時間Ｔ２を求めるときの受信波形とを同じ形状とすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００２０】
さらに、圧電振動子を有する複数の超音波センサと、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、第１の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第２の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ１を求め、かつ、逆に第２の超音波センサから送信された超音波を前記受信回路が接続された第１の超音波センサで受信して伝播時間Ｔ２を求め、前記伝播時間Ｔ１とＴ２から流量を求める方式において、前記超音波センサのインピーダンスの大きさにより駆動周波数を選択して、前記受信回路を低入力インピーダンスにする構成とすることで、前記複数の超音波センサの特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２２】
図１において、５０、５１は超音波センサ、５２は送信回路、５３は受信回路である。送信回路５２と受信回路５３とはそれぞれ１つ設けてある。
【００２３】
超音波センサ５０を送信側、超音波センサ５１を受信側にするときと、反対に超音波センサ５０を受信側、超音波センサ５１を送信側にするときはスイッチ８０で切り換える。
【００２４】
送信側の超音波センサからの超音波は流路８１内を伝播して、受信側の超音波センサに時間Ｔ１で到達する。送受信が入れ替わり、伝播時間Ｔ２が求められ両者から流量が求められる。
【００２５】
図２（ａ）は送信回路５２の具体的構成を示したもので、５４は電流源で、４つのトランジスタの切り換えにより正負方向にパルスを発生する構成である。同図（ｂ）は受信回路５３の具体的構成を示したもので、５５は高インピーダンス素子である終端抵抗である。
【００２６】
また、図３は別の構成の送信回路と受信回路とを示したもので、同図（ａ）は送信回路で５６は電圧源である。同図（ｂ）は受信回路で５７はオペアンプで構成した低インピーダンス素子の終端素子である。オペアンプ５７の入力の一旦は、グランドに接続されているので、ゼロ電位であり、オペアンプのフィードバック動作から、入力のもう一旦は同じくゼロ電位になる。これにより超音波センサからみるとオペアンプは低インピーダンス素子とみることができる。
【００２７】
電圧源５６には電池を用いれば容易に構成することができる。一方、図２に示した電流源はそれを複数の回路部品を用いて構成するため、図３に示した構成の方が望ましい。
【００２８】
このような送信回路５２と受信回路５３に接続される超音波センサ５０、５１は圧電素子を用いたもので、圧電素子には図４に示すような種類がある。
【００２９】
同図（ａ）は直径Φ１で厚さＤ１の円盤型で、振動は横方向の伸縮で行われる。また、同図（ｂ）は厚さＤ２の角柱型で、溝を有する構造をしており振動は縦方向のたわみで行われる。
【００３０】
共振周波数が約２００ｋＨｚと５００ｋＨｚでの仕様で、各振動子の容量は図５の表に示される。角柱型は厚いので容量は円盤型に比べて小さい。容量は厚さに反比例し、面積に比例する。角柱型の場合共振周波数は厚さで決定され、厚くなるほど共振周波数が低くなり、容量が小さくなる。
【００３１】
図６は超音波センサに与える送信信号波形と、流路内を伝播して受信側超音波センサに到達することで得られる受信信号波形である。同図（ａ−１）、（ａ−２）は超音波センサ５０が送信側、超音波センサ５１が受信側であり、同図（ｂ−１）、（ｂ−２）は超音波センサ５１が送信側、超音波センサ５０が受信側の場合の波形である。
【００３２】
流路中の伝播時間Ｔ１およびＴ２は、受信波形の３つ目の波のゼロ点の位置で求めている。なぜならば、受信波形の１つ目、あるいは２つ目の波のピーク値は小さいので、回路で検知することが困難なためである。
【００３３】
このような検知の方法をとるためには、波形１と波形２とが同じ形状であることが要求されるが、波形１、２は超音波センサ５０、５１の特性差や、流路内の伝播の仕方（例えば流路中の媒体の温度変化による音速変化で伝播の仕方が変わる）が、波形に影響を与えることを無視できない。そこで、このような特性の差があっても同じ波形になるようにするための方法を以下に述べる。
【００３４】
図７は各部のインピーダンスを４端子定数で表したもので、同図（ａ）の定数Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１は送信センサのインピーダンスで、定数Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２は超音波の伝播経路のインピーダンスで、定数Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３は受信センサのインピーダンスである。Ｖ１は送信センサに印加する入力電圧、Ｖ２は受信センサの出力電圧、Ｉ１は送信センサへの入力電流、Ｉ２は受信センサに流れる出力電流である。これらの定数を用いて、Ｖ１、Ｉ１とＶ２、Ｉ２との関係を表記すると次式のようになる。
【００３５】
【数１】
2004144700.tif 000001
【００３６】
４端子定数をまとめて、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’と記述すると、
【００３７】
【数２】
2004144700.tif 000002
【００３８】
となり、右端を短絡した場合Ｖ２＝０なので
Ｖ１＝Ｂ’×Ｉ２  ―（１２）
Ｉ２＝Ｖ１／Ｂ’  ―（１３）
となる。
【００３９】
送信と受信の方向を入れ換えると、同図（ｂ）のようになり
【００４０】
【数３】
2004144700.tif 000003
【００４１】
となり、左端を短絡した場合Ｖ２’＝０なので
Ｖ１’＝Ｂ’×Ｉ２’
Ｉ２’＝Ｖ１’／Ｂ’
今、Ｖ１とＶ１’は同じ信号を与えるとするとＶ１＝Ｖ１’で
Ｉ２＝Ｉ２’
となる。
【００４２】
このように、超音波センサに印加する送信信号電圧を、送信と受信の方向を入れ換えた場合でも同じ信号とし、かつ、受信側の超音波センサは短絡か、できるだけ短絡に近い低インピーダンスとすることで、超音波センサ５０、５１の特性差や、流路内の伝播の仕方の変化があっても、受信の電流波形は同じ波形とすることができる。
【００４３】
図３の送信回路と受信回路はこのような条件を満たしたものである。
【００４４】
また、式（１１）で、右端を開放した場合Ｉ２’＝０なので
Ｉ１＝Ｃ’×Ｖ２  ―（１５）
Ｖ２＝Ｉ１／Ｃ’  ―（１６）
送信と受信の方向を入れ換えると、式（１４）から
Ｉ１’＝Ｃ’×Ｖ２’
Ｖ２’＝Ｉ１’／Ｃ’
今、Ｉ１とＩ１’は同じ信号を与えるとするとＩ１＝Ｉ１’で
Ｖ２＝Ｖ２’となる。
【００４５】
このように、超音波センサに印加する送信信号電流を、送信と受信の方向を入れ換えた場合でも同じ信号とし、かつ、受信側の超音波センサは開放か、できるだけ開放に近い高インピーダンスとすることで、超音波センサ５０、５１の特性差や、流路内の伝播の仕方の変化があっても、受信の電圧波形は同じ波形とすることができる。
【００４６】
図２の送信回路と受信回路はこのような条件を満たしたものである。
【００４７】
また、図８は別の構成の送信回路と受信回路とを示したもので、同図（ａ）は５９は送信回路で、５８は電圧源である。送信回路５９はトランジスタと切り換えスイッチなどの構成要素からなり、これらを合わせたインピーダンスをＺ１とする。
【００４８】
同図（ｂ）は受信回路６０で６１はオペアンプで構成した低インピーダンス素子の終端
素子で、６２は切り換えスイッチなどの受信回路の他の構成要素で、これらを合わせたインピーダンスをＺ２とする。
【００４９】
今、Ｚ１＝Ｚ２とすると、上記した数式と同様な計算をすると、超音波センサ５０、５１の特性差や、流路内の伝播の仕方の変化があっても、受信の電圧波形（受信回路の構成要素６２の両端電圧）は同じ波形とすることができる。
【００５０】
図９は図５で示した円盤型振動子および角柱型振動子を、電圧源と内部インピーダンス（容量と抵抗）からなる等価回路で表し、これに５０Ωの終端抵抗を接続した場合の、５０Ωの終端抵抗の電圧と周波数との関係を示した特性図である。
【００５１】
２００ｋＨｚ用円盤型振動子の２００ｋＨｚにおける電圧は約０．１５Ｖである。同様に２００ｋＨｚ用角柱型振動子の電圧は０．０５Ｖである。これは円盤型振動子の方が容量大なので電圧が大きい。また、５００ｋＨｚ用角柱型振動子の電圧が、約０．１５Ｖになる周波数は約５００ｋＨｚである。
【００５２】
５０Ωの終端抵抗は振動子のインピーダンスに比べて非常に小さく、これは図３（ｂ）で示した受信回路５７である低インピーダンス素子（オペアンプ）を、振動子に接続した場合と等価である。すなわち、２００ｋＨｚで角柱型振動子と円盤型振動子のように容量のことなる振動子を使用する場合を考えると、容量の小さい円盤型振動子は角柱型振動子に比べ受信回路５７の出力電圧が小さくなるので、受信回路５７の出力に接続される増幅回路での増幅度を大きくしなければならないという不都合が生じる。そこで、周波数を上げて５００ｋＨｚ用角柱型振動子を用いると、約５００ｋＨｚで２００ｋＨｚ用円盤型振動子と同じ程度の出力電圧を得ることができるようになる。
【００５３】
以上説明したように本発明の実施例よれば、複数の超音波センサの特性差異や、回路のインピーダンスに差があっても、受信波形を同等なものとすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００５４】
また、前記超音波センサのインピーダンスの大きさにより駆動周波数を選択することで、受信回路の出力電圧を低下させることなく、前記受信回路を低入力インピーダンスで構成とすることができ、前記複数の超音波センサの特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることができ、流量計測精度を向上することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超音波流量計によれば、計測精度を向上することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例に超音波流量計を示す回路ブロック図
【図２】
（ａ）本発明の超音波流量計の送信回路の構成を示した回路ブロック図
（ｂ）本発明の超音波流量計の受信回路の構成を示した回路ブロック図
【図３】
（ａ）本発明の超音波流量計の別の送信回路の構成を示した回路ブロック図
（ｂ）本発明の超音波流量計の別の受信回路の構成を示した回路ブロック図
【図４】
（ａ）円盤型圧電振動子の外観斜視図
（ｂ）角柱型圧電振動子の外観斜視図
【図５】
圧電振動子の特性表を示す図
【図６】
（ａ−１）、（ｂ−１）本発明の超音波センサに与える送信信号波形図
（ａ−２）、（ｂ−２）本発明の超音波センサに与える受信信号波形図
【図７】
（ａ）、（ｂ）４端子定数で表した回路ブロック図
【図８】
（ａ）本発明の超音波流量計の別の送信回路の構成を示した回路ブロック図
（ｂ）本発明の超音波流量計の別の受信回路の構成を示した回路ブロック図
【図９】
端抵抗の電圧と周波数との関係を示した特性図
【図１０】
来の超音波流量計の実施例を示す図
【図１１】
来の超音波流量計の実施例を示す図
【符号の説明】
５０  超音波センサ
５１  超音波センサ
５２  送信回路
５３  受信回路
５４  電流源
５５  高インピーダンスの終端素子
５６  電圧源
５７  低インピーダンスの終端素子
５８  電圧源
５９  送信回路
６０  受信回路