(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、前記電源の出力電圧を変換する電圧変換回路と、前記電圧変換回路の出力電圧を平滑しながら電荷を蓄積する容量性素子と、超音波を送信する送信用超音波振動子と、前記送信用超音波振動子を駆動する送信回路と、前記送信用超音波振動子から測定経路を経由して到達した超音波を受信して受信出力を出力する受信用超音波振動子と、前記電圧変換回路の出力を電源とし、前記受信用超音波振動子の受信出力を入力して受信判定処理により受信判定信号を出力する受信回路と、前記電圧変換回路の動作を制御する電源制御回路と、前記送信用超音波振動子が出力した超音波が前記受信用超音波振動子に到達する伝播時間を、前記送信開始信号の出力時点から前記受信判定信号の入力時点までの経過時間に基づいて計測し、その伝播時間と前記測定経路の経路長とにより前記測定経路における流体の流速を測定するとともに全体の動作を制御する制御部とを備え、前記電源制御回路は前記制御部から前記送信開始信号を入力したのち、少なくとも前記受信回路が受信判定処理を実行するときには前記電圧変換回路の動作を停止させ、前記容量性素子の蓄積電荷により前記受信回路を駆動するようにした超音波流速計。
【請求項２】
電源制御回路は、制御部から送信開始信号を入力した時点で電圧変換回路の動作を停止するように制御する請求項１記載の超音波流速計。
【請求項３】
電源制御回路は、制御部から送信開始信号を入力したときから一定時間経過した時点で電圧変換回路の動作を停止させるように制御する請求項１記載の超音波流速計。
【請求項４】
電源制御回路は、前回測定した伝播時間を保存し、制御部が送信開始信号を出力してから前記保存した伝播時間よりも僅かに短い時間を経過した時点で電圧変換回路の動作を停止させるように制御する請求項１記載の超音波流速計。
【請求項５】
電源制御回路は、受信回路が受信用超音波振動子の受信出力を受信判定するレベルよりも低いレベルにより受信判定し、その時点で電圧変換回路の動作を停止するように制御する請求項１記載の超音波流速計。
【請求項６】
容量性素子と受信回路間を他へ分岐しない経路で構成した請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波流速計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて気体や液体の流速を測定する超音波流速計の測定精度を向上させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の超音波流速計について図面を参照しながら説明する。図１０は従来の超音波流速計の構成を示すブロック図である。図において、１は電源、２は前記電源１を昇圧または降圧する電圧変換回路、３は流体の流れる測定経路、４は測定経路３に設置した送信用超音波振動子、５は送信用超音波振動子４を駆動する送信回路、６は送信用超音波振動子４から送信した超音波を受ける受信用超音波振動子、７は電圧変換回路２の出力を電源とし、受信用超音波振動子６の出力を受ける受信回路、８は送信回路５に送信開始信号を送り受信回路７の出力を受ける制御部である。
【０００３】
上記構成においてその動作を説明する。制御部８から送信開始信号を入力した送信回路５が一定時間パルスを出力し、送信用超音波振動子４を駆動する。送信用超音波振動子４から送信した超音波は被測定流体中を伝播し、ｔ秒経過後に受信用超音波振動子６で受信され、受信回路７で受信判定の後に制御部８に受信判定信号として出力される。受信回路７は、図１１に示したように、受信用超音波振動子６の受信出力を入力して増幅する増幅器９と、増幅器９の出力を基準電圧１０と比較して受信判定を行う比較器１１を備え、受信用超音波振動子６の受信出力が基準電圧１０に達した時点で受信判定信号を出力する。制御部８は、送信開始信号を出力した時点から受信回路７の前記受信判定信号を入力するまでの時間を測定して伝播時間ｔを求め、この伝播時間ｔから、被測定流体の流速ｖを（１）式によって求める。
【０００４】
いま、超音波振動子間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖ、送信用超音波振動子４から受信用超音波振動子６への方向を正とするとき、
ｖ＝（Ｌ／ｔ）−ｃ                ・・・・・・・・・（１）
また、送信用超音波振動子４と受信用超音波振動子６を切り替え、被測定流体の上流から下流へと、下流から上流へのそれぞれの伝播時間を測定し、（２）式により速度ｖを求める方法もある。
【０００５】
いま、上流から下流への伝播時間ｔ1 、下流から上流への伝播時間ｔ2 とするとき、
ｖ＝Ｌ／２・（１／ｔ1−１／ｔ2）・・・・・・・・・（２）
この方法によれば、音速ｃの変化の影響を受けずに流速を測定することができるので、流速、流量、距離などの測定に広く利用されている。
【０００６】
なお、電源１は、電池の電圧、または商用電源をスイッチング素子を用いて昇圧した電圧、またはレギュレータを用いて降圧する電圧変換回路２により変圧した電圧を測定回路に供給している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の超音波流速計では、精度の高い測定を行う場合、たとえば数ｍｍ／ｓの測定を行う場合、ｔの測定精度には数ｎｓが要求されるが、電圧変換回路２のレギュレータが発生させる電圧の変動、すなわちリップル成分、または電圧変換回路２のスイッチング素子が発生させるノイズによって目的の精度を得ることが困難であった。
【０００８】
すなわち、送信用超音波振動子４と受信用超音波振動子６と距離を１００ｍｍ程度、送信用超音波振動子４の駆動電圧を５ｖとした場合、一般的な送信用超音波振動子４と受信用超音波振動子６との間の感度は−８０〜−５０ｄＢ程度である。また、受信用超音波振動子６から出力される受信出力は図１２に示したような波形を備え、そのレベルは数ｍＶ程度である。この受信出力を増幅器９で数百倍増幅しているため、増幅器９の入力部にノイズが入ると、数百倍に増幅され、大きな誤差を発生させる。
【０００９】
また、超音波の受信周波数を２００ＫＨｚ、振幅を３Ｖ（ｐ−ｐ）とすると、増幅器９の出力信号は
Ｖ＝ｓｉｎ（ωｔ）
となり、その信号の傾きは、
２・１０6・ｃｏｓ（ωｔ）    ［Ｖ／ｓ］
となる。この信号と基準電圧とを比較して受信判定するが、この場合、測定精度が最も高いタイミングは傾きが最大であるところであり、その値は２・１０6 ［Ｖ／ｓ］となる。しかし、この傾き最大のレベルで受信判定を行っても、増幅器９の出力信号と比較する基準電圧がノイズまたは電源のリップル成分によって、たとえば１０ｍＶ変動した場合、５ｎｓの誤差が発生してしまうと言う問題があった。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、電源のレベル変動およびノイズの影響を回避して高精度に流速を測定できる超音波流速計を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係わる本発明は、受信回路に電源を供給する電圧変換回路の出力に容量性素子を接続して出力電圧を平滑するとともに電荷を蓄積し、少なくとも受信回路が受信判定処理を行うときには電圧変換回路の動作を停止して、容量性素子の蓄積電荷で受信回路を駆動するようにした超音波流速計である。これにより、受信回路が受信判定処理を実行するときに、電圧変換回路の電圧変動およびノイズの影響を回避でき、精度よく流速を測定することができる。
【００１２】
請求項２に係わる本発明は、送信開始信号が出力された時点で電圧変換回路の動作を停止して前記容量性素子に蓄積した電荷で前記受信回路を駆動するようにした請求項１に係わる超音波流速計である。これにより、超音波が送信された時点から電圧変換回路は停止しており、受信回路が受信判定するときには電圧変換回路の時に電圧変換回路の電圧変動およびノイズの影響を受けず、高精度に流速を測定することができる。また、受信回路が容量性素子から消費する電気量を低減できるので、容量性素子の容量値を小さい値に選定することもできる。
【００１３】
請求項３に係わる本発明は、超音波が送出されてから受信用超音波振動子に達する以前の所定時間経過時点までは電圧変換回路を動作させたのち停止させるようにした請求項１に係わる超音波流速計である。これにより、容量性素子への電荷蓄積量を多くし、かつ受信判定時には容量性素子のみで受信回路を駆動するので、受信回路の電力消費による電圧変化を低減して高精度に流速を測定することができる。
【００１４】
請求項４に係わる本発明は、超音波が送出されてから、前回に測定した超音波の伝播時間より僅かに短い時間を経過する時点までは電圧変換回路を動作させたのち停止させるようにした請求項１に係わる超音波流速計である。これにより、流速の変化に対応して受信判定の直前近くまで容量性素子への電荷蓄積を継続できるので、容量性素子の電荷蓄積量をさらに多くでき、かつ受信判定時には容量性素子のみで受信回路を駆動するので、受信回路の電力消費による電圧変化をさらに低減してより高精度に流速を測定することができる。
【００１５】
請求項５に係わる本発明は、受信回路の受信判定レベルより低いレベルで超音波を検知し、その時点まで電圧変換回路を動作させたのち停止させるようにした請求項１に係わる超音波流速計である。これにより、受信判定の直前まで容量性素子への電荷蓄積を継続できるので、容量性素子の電荷蓄積量を極限まで多くでき、かつ受信判定時には容量性素子のみで受信回路を駆動するので、受信回路の電力消費による電圧変化をなお一層低減してさらにより高精度に流速を測定することができる。
【００１６】
請求項６に係わる本発明は、容量性素子と受信回路とを他に分岐しないようにした請求項１に係わる超音波流速計である。これにより容量性素子の蓄積電荷をすべて受信回路に供して電圧変動を低減するとともに、他の構成部分からノイズが迂回侵入しないようにでき、高精度に流速を測定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
請求項１に係わる本発明において、電圧変換回路は、電圧変動およびノイズの少ない電池などの電源の電圧を昇圧して受信回路に供給する手段を意味し、実施例ではチョッパ回路を用いるが他の手段でもよい。また、容量性素子は電荷を蓄積する素子を意味し、電圧変換回路の出力に接続して出力電圧を平滑するとともに電荷を蓄積し、電圧変換回路の動作を停止させたのちは蓄積電荷により受信回路を駆動する電源とする。したがって、容量性素子の容量値は受信回路の駆動に十分な大きさに実態に見合って決定できる。実施例ではコンデンサを用いる。また、電源制御回路は上記電圧変換回路の動作を制御して、動作開始または動作停止を制御する。
【００１８】
また、送信開始信号を、送信開始時点で立ち上がり、受信手段が受信検知処理を十分に完了できるタイミングで立ち下がる矩形波とすることにより、その立ち上がりで送信開始を指示でき、その立ち下がりで電圧変換回路の再起動を指示できる。送信回路は送信開始信号を入力した時点から所定時間だけ送信用超音波振動子を駆動し、その所定時間幅の超音波を送出させる。受信回路は受信用超音波振動子の受信出力を入力し、増幅器により増幅したのち比較器により基準電圧値と比較し、前記基準値に達した時点で受信検知信号を出力するものとする。また、制御部はマイクロコンピュータによるプログラム処理で実現される。
【００１９】
請求項２に係わる本発明において、電源制御回路は、制御部から送信開始信号を入力した時点で電圧変換回路の動作を停止させ、容量性素子からの放電のみで受信回路を駆動させる。
【００２０】
請求項３に係わる本発明において、電源制御回路にタイマを設けて送信開始後の一定時間を計測し、そのタイムアップで電圧変換回路の動作を停止させる。この一定時間は超音波が受信用超音波振動子に至る伝播時間を想定し、その伝播時間より短く設定する。これらの処理はマイクロコンピュータのプログラム処理で実現できる。
【００２１】
請求項４に係わる本発明において、電源制御回路にメモリを設けて前回測定した伝播時間を保存するとともに、時計を設けて送信開始からの経過時間を計測し、比較手段により経過時間を前回の伝播時間と比較して、前回の伝播時間より僅かに短い経過時間に達した時点で電圧変換回路の動作を停止させる。これらの処理はマイクロコンピュータのプログラム処理で実現できる。
【００２２】
請求項５に係わる本発明において、電源制御回路に受信検知を設け、受信回路の受信検知レベルより小さいレベルで超音波の到来を検知し、そのタイミングで電圧変換回路の動作を停止させる。
【００２３】
請求項６に係わる本発明において、容量性素子から受信回路に至る電源線を他の回路に分岐しない。
【００２４】
以下、実施例について説明する。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の超音波流速計の実施例１について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は本実施例の構成を示すブロック図である。なお、図１０と同じ構成要素には同一番号を付与して説明を省略する。図において、送信用超音波振動子４は制御部８から送信開始信号を入力した送信回路５によって駆動され、超音波を測定経路３に出力する。受信用超音波振動子６は受信した超音波を電気信号に変換し、受信出力として受信回路７に出力する。受信回路７は受信出力を受け、受信判定信号を制御部８へ出力する。１は電池で構成した電源、２はチョッパ回路で構成され、電源１の電圧を昇圧して出力する電圧変換回路、１２は電圧変換回路２の動作を制御する電源制御回路、１３は電圧変換回路２の出力電圧により電荷を蓄積するコンデンサで構成した容量性素子である。
【００２７】
図２は本実施例における受信回路７の構成を示すブロック図であり、図１１に示した構成と同じである。図に示したように、受信出力を増幅する増幅器９と、増幅器９の出力と基準電圧１０とを比較し、受信判定を行う比較器１１を備え、受信用超音波振動子の出力が基準電圧値に達した時点で受信判定信号を出力する。
【００２８】
上記構成においてその動作を説明する。図３は本実施例の動作を示すタイミングチャートである。制御部８から送信開始信号を入力した送信回路５は一定時間パルスを出力し、送信用超音波振動子４を駆動する。送信用超音波振動子４から送信した超音波は被測定流体中を伝播し、ｔ秒後に受信用超音波振動子６で受信される。受信回路７は受信用超音波振動子６の受信出力を増幅器９により増幅し、比較器１１により基準電圧値１０と比較して前記制御部８および電源制御回路１２に受信判定信号を出力する。制御部８は送信開始信号を出力してから受信判定信号を受けるまでの時間を測定して伝播時間ｔを求め、（１）式を用いて流速を求める。
【００２９】
上記動作において、電源制御回路１２は、制御部８から送信開始信号を入力するまでは電圧変換回路２を動作させ、容量性素子１３に電力を蓄積し、制御部８から送信開始信号を入力すると電圧変換回路２の動作を停止させる。つぎに、制御部８は受信回路７から受信判定信号を入力すると送信開始信号をオフとし、それに対応して電源制御回路１２は電圧変換回路２の動作を再開させ、容量性素子１３に電力を供給してつぎの測定に備える。電圧変換回路２の停止期間中にも容量性素子１３から受信回路７に電流が流れるので、その間に容量性素子１３の出力電圧は僅かに低下するが、容量性素子１３の容量を受信回路７の消費電流に比べて十分大きく設定することにより、電圧の低下はほとんど測定精度に影響を与えることはない。
【００３０】
以上のように、超音波受信時には電圧変換回路２は停止しているのでノイズまたはリップルは発生していない。また、電圧変換回路２の停止時に、容量性素子１３からの電力放出先は受信回路７のみとなっているので、容量性素子１３の出力電圧変化は小さくできるとともに、送信回路５または制御部８から電源ラインを介して伝播するノイズを防止することができる。
【００３１】
（実施例２）
以下、本発明の超音波流速計の実施例２について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図４は本実施例における電源制御回路１２の構成を示すブロック図である。
【００３３】
本実施例が実施例１と異なる点は、電源制御回路１２がタイマ１４を備え、制御部８から送信開始信号を入力してから、一定時間経過後に電圧変換回路２を停止させるようにしたことにある。
【００３４】
上記構成においてその動作を説明する。図５は本実施例の動作を示すタイミングチャートである。図に示したように、制御部８から送信開始信号を入力した送信回路５は一定時間パルスを出力して送信用超音波振動子４を駆動し、また、制御部８から送信開始信号を入力した電源制御回路１２はタイマ１４の動作を開始させ、電圧変換回路２の動作を継続させる。つぎに、タイマ１４が一定時間をカウントすると、その時点で電圧変換回路２の動作を停止させる。タイマ１４の設定時間は、送信用超音波振動子４と受信用超音波振動子６との間の最短の超音波伝播時間より僅かに短く設定してある。したがって、受信回路７が超音波を受信する以前に電圧変換回路２を確実に停止することができ、かつ、電源変換回路２の動作停止時間を短くすることができる。
【００３５】
以上のように本実施例によれば、電圧変換回路２の動作を受信回路７が超音波を受信する僅か前の時点まで継続させることにより、容量性素子１３の電圧低下を低減でき、かつ受信回路７が超音波を受信する時点では電圧変換回路２の動作を停止させているのでノイズや電圧変動の影響を防止でき、さらにより高精度に測定することができる。
【００３６】
（実施例３）
以下、本発明の超音波流速計の実施例３について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図６は本実施例における電源制御回路１２の構成を示すブロック図である。
【００３８】
図において、１５は測定後に測定データを制御部８から受け取って記憶するメモリ、１６は制御部８の送信開始信号を入力し、その後の経過時間を測定する時計、１７はメモリ１５と時計１６とを比較して、結果を電圧変換回路２に出力する比較器である。本実施例が実施例２と異なる点は、測定開始時点から電圧変換回路２の動作を継続させる時間を前回の測定結果に基づいて決定するようにしたことにある。
【００３９】
上記構成においてその動作を説明する。図７は本実施例の動作を示すタイミングチャートである。メモリ１５は前回の測定データを記憶している。図に示したように、制御部８から送信開始信号を入力した送信回路５は一定時間パルスを出力して送信用超音波振動子４を駆動し、また、制御部８から送信開始信号を入力した電源制御回路１２は時計１６の動作を開始させ、電圧変換回路２の動作を継続させる。つぎに、比較器１７により、時計１６の経過時間とメモリ１５に保存している前回の測定結果、すなわち前回測定した超音波伝播時間とを常に比較し、前回の測定結果より僅かに短い時間、たとえば１００μｓ速く電圧変換回路２を停止させる出力を発生する。この場合、流速が変化する割合に対して測定間隔を短く設定することにより、電圧変換回路２を停止させるタイミングは流速に応じて変化し、電圧変換回路２が停止する以前に受信回路７で受信出力を受けることはない。
【００４０】
以上のように本実施例によれば、送信開始後に電圧変換回路２の動作を継続させる時間を前回の測定データに基づいて設定するので、流速の変化に対応して継続時間を設定でき、より高精度に測定することができる。
【００４１】
（実施例４）
以下、本発明の超音波流速計の実施例４について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図８は本実施例における電源制御回路１２の構成を示すブロック図である。図において、本実施例における電源制御回路１２は、受信回路７を介して入力する受信出力を増幅する増幅器１８と、第２の基準電圧１９と、増幅器１８の出力電圧を第２の基準電圧１９と比較して受信判定する比較器２０とを備え、受信回路７が受信判定する直前のタイミングを検知して電圧変換回路２の動作を停止させるようにしている。
【００４３】
上記構成においてその動作を説明する。図９は本実施例の動作を示すタイミングチャートである。図に示したように、受信出力は振幅が徐々に大きくなる波形を備えており、第２の基準電圧を受信回路７における基準電圧１０より低く設定することにより電源制御回路１２は受信回路７が受信判定信号を出力するよりも僅かに速く受信判定を行い、そのタイミングで電圧変換回路２の動作を停止させる。この動作では、実際に受信出力を入力した初期段階で電圧変換回路２を確実に停止させるため、電圧変換回路２は受信回路７が受信判定時に動作していることはない。このため、流速の変化が測定間隔に対して早くても、常に電圧変換回路２を停止させるタイミングを流速に応じて変化させることができるので、簡単な構成で広範囲の流速を精度よく測定することができる。なお、上記第２の基準電圧１９の設定値は増幅器１８の利得により必ずしも基準電圧１０より低く設定するとは限らないことは言うまでもない。
【００４４】
以上の説明から明らかなように、本発明の各実施例によれば、次のような効果が得られる。
【００４５】
電源制御回路により少なくとも受信回路が受信判定処理を行うときには電圧変換回路の動作を停止させるので、電圧変換回路が発生するノイズやリップルは受信タイミングを決定するときに発生せず、測定誤差を小さくすることができ、精度の高い超音波流速計を実現することができる。
【００４６】
また、送信開始から一定時間経過した時点で電圧変換回路の動作を停止させ、前記一定時間は、送信用超音波振動子と前記受信用超音波振動子との間の最短の超音波伝播時間より僅かに短く設定しているので、前記電圧変換回路を停止してから超音波を受信するまでの時間を短く設定することができ、容量性素子から受信回路に供給する電力を少なくできるので、受信回路に供給している電圧の低下を小さくすることができ、したがって、より精度の高い超音波流速計を実現することができる。また、容量性素子の容量値を小さく選定することもできる。
【００４７】
また、前回に測定した伝播時間を記憶しておき、送信開始から前回測定の伝播時間より僅かに短い時間を経過した時点で電圧変換回路を停止することにより、測定間隔を流速の変化する時間割合に対して短く設定でき、電圧変換回路を停止させるタイミングを流速に応じて変化させることができるので、より広範囲の流速について精度よく測定することができる。
【００４８】
また、電源制御回路は、受信用超音波振動子から受信出力を受けてから、受信回路が受信判定信号を出力するよりも早く受信判定を行って、そのタイミングで電圧変換回路を停止させ、受信出力を入力した初期段階で前記電圧変換回路を確実に停止させるので、流速の変化が測定間隔に対して早くても、前記電圧変換回路を停止させるタイミングを流速に応じて変化させることができ、簡単な構成で広範囲の流速を精度よく測定することができる。
【００４９】
また、前記容量性素子と受信回路間の接続を他へ分岐しない経路で構成とすることにより、電圧変換回路が停止時に、測定に影響する回路動作を変化させることなく前記容量性素子からの電力放出を最小に抑制することができるので、容量性素子の容量を小さくすることができる。また、送信回路または制御部から電源ラインを通じて伝播するノイズを除去することができる、ノイズに強く安価で高精度な超音波流速計を実現することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、電源制御回路により少なくとも受信回路が受信判定処理を行うときには電圧変換回路の動作を停止させるので、電圧変換回路が発生するノイズやリップルは受信タイミングを決定するときに発生せず、測定誤差を小さくすることができ、精度の高い超音波流速計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の超音波流速計の実施例１の構成を示すブロック図
【図２】  同実施例１における受信回路の構成を示すブロック図
【図３】  同実施例１の動作を示すタイミングチャート
【図４】  本発明の超音波流速計の実施例２における電源制御回路の構成を示すブロック図
【図５】  同実施例２の動作を示すタイミングチャート
【図６】  本発明の超音波流速計の実施例３における電源制御回路の構成を示すブロック図
【図７】  同実施例３の動作を示すタイミングチャート
【図８】  本発明の超音波流速計の実施例４における電源制御回路の構成を示すブロック図
【図９】  同実施例４の動作を示すタイミングチャート
【図１０】  従来の超音波流速計の構成を示すブロック図
【図１１】  同流速計における受信回路の構成を示すブロック図
【図１２】  受信用超音波振動子の受信出力を示す波形図
【符号の説明】
１  電池（電源）
２  電圧変換回路
３  測定経路
４  送信用超音波振動子
５  送信回路
６  受信用超音波振動子
７  受信回路
８  制御部
９  増幅器
１０  基準電圧
１１  比較器
１２  電源制御回路
１３  容量性素子
１４  タイマ
１５  メモリ
１６  時計
１７  比較器
１８  増幅器
１９  第２の基準電圧
２０  比較器
【図１】
0003689977.tif 000002
【図２】
0003689977.tif 000003
【図３】
0003689977.tif 000004
【図４】
0003689977.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003689977.tif 000008
【図８】
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【図９】
0003689977.tif 000010
【図１０】
0003689977.tif 000011
【図１１】
0003689977.tif 000012
【図１２】
0003689977.tif 000013