(57)【要約】【課題】受信側の超音波トランスジューサの振動が反共振周波数に近づくまでの経過時間を待つことなく、事前に分かっている受信波パルス毎の受信波周波数の追従性に基づいて流量計測を行なう。【解決手段】流体が流通する流路３内の流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波トランスジューサ２ａ，２ｂを設けた超音波流量計１において、送信側の超音波トランスジューサからの送信波パルス群の発射タイミングに基づいて、ロック波数カウンタ１６により、受信手段５において受信側の超音波トランスジューサからの受信波パルス群の特定の１パルスだけを選択し、送信波パルス群のクロックの周波数を制御する。【選択図】図１
2006038709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する流路内の流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波トランスジューサを設け、該一対の超音波トランスジューサ間で超音波が予め決められたロック波数になるように送信波パルス群のクロックの周波数を制御し、該周波数を基に流速および流量を求める超音波流量計において、
送信側の超音波トランスジューサからの送信波パルス群の発射タイミングに基づいて、受信側の超音波トランスジューサにおいて受信波パルス群の特定の１パルスだけを用いて前記送信波パルス群のクロックの周波数を制御することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記受信波パルス群の特定の１パルスを前記送信波パルス群のクロックの１周期で２値化する２値化手段と、前記２値化手段により２値化された前記受信波パルス群の特定の１パルスと前記送信波パルス群のクロックとの位相比較を行なって前記送信波パルス群のクロックの周波数を制御するフェーズロックドループとを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記送信波パルス群のクロックをカウントするロック波数カウンタと、前記受信波パルス群の特定の１パルスを取り出すマスク解除時間を、前記ロック波数カウンタが予め定めた任意のカウント値までカウントした後の、前記送信波パルス群のクロックの１周期とする受信手段とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記受信手段により受信された前記受信波パルス群の特定の１パルス分の受信波変換信号を、受信側の超音波トランスジューサの受信周波数−変換電圧特性に基づいて前記受信波パルス群の周波数に応じた増幅率で増幅する増幅手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
流体が流通する流路内の流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波トランスジューサを設け、該一対の超音波トランスジューサ間で超音波が予め決められたロック波数になるように送信波パルス群のクロックの周波数を制御し、該周波数を基に流速および流量を求める超音波流量計において、
送信側の超音波トランスジューサから発射される送信波パルス群のクロックをカウントするロック波数カウンタと、
前記ロック波数カウンタのカウント値が予め定めた任意のカウント値になったときに前記受信波パルス群の特定の１パルス分の時間だけ、受信側の超音波トランスジューサからの受信波変換信号を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信された前記受信波パルス群の特定の１パルス分の受信波変換信号を、前記受信側の超音波トランスジューサの受信周波数−変換電圧特性に基づいて前記受信波パルス群の周波数に応じた増幅率で増幅する増幅手段と、
前記増幅手段により増幅された前記受信波パルス群の特定の１パルス分の受信波変換信号を前記送信波パルス群のクロックの周期で２値化する２値化手段と、
前記２値化手段により２値化された２値化後受信波変換信号の位相を前記送信波パルス群のクロックの位相と比較して両位相が一致するように前記送信波パルス群のクロックの周波数を制御するフェーズロックドループと
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項６】
前記受信波パルス群の特定の１パルスが、前記受信波パルス群の先頭パルスであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは超音波を利用して都市ガス，ＬＰＧ，水などの流体の流速や流量を計測する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計の一例として、フェーズロックドループ（ＰＬＬ）を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の超音波流量計における計測原理は、流路の流体流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波トランスジューサを設け、ＰＬＬにより一対の超音波トランスジューサ間で超音波が予め決められた波の数（以下、ロック波数という）となるように制御し、流れ方向上手側の超音波トランスジューサ（以下、順方向超音波トランスジューサという）から流れ方向下手側の超音波トランスジューサ（以下、逆方向超音波トランスジューサという）に向けて超音波を発射したときの送信波周波数（以下、順方向送信波周波数という）と、逆方向超音波トランスジューサから順方向超音波トランスジューサに向けて超音波を発射したときの送信波周波数（以下、逆方向送信波周波数という）とを計測し、計測された順方向送信波周波数および逆方向送信波周波数を基に流路を流れる流体の平均流速を求め、さらに平均流速に流路断面積を乗算することで流量を求める方法である。
【０００３】
いま、図２に示すように、ロック波数をＮ、順方向送信波周波数をｆｊ、逆方向送信波周波数をｆｇ、順方向超音波トランスジューサ２ａ，逆方向超音波トランスジューサ２ｂ間の距離（以下、伝搬長という）をＬ、流体の流速をＶとすると、順方向超音波トランスジューサ２ａから逆方向超音波トランスジューサ２ｂに超音波を伝搬させたときの計測（以下、順方向計測という）で、下式（１）が得られ、逆方向超音波トランスジューサ２ｂから順方向超音波トランスジューサ２ａに超音波を伝搬させたときの計測（以下、逆方向計測という）で、下式（２）が得られる。
【０００４】
Ｌ／（Ｃ＋Ｖ）＝Ｎ／ｆｊ  →  Ｌｆｊ／Ｎ＝Ｃ＋Ｖ        ・・・（１）
Ｌ／（Ｃ−Ｖ）＝Ｎ／ｆｇ  →  Ｌｆｇ／Ｎ＝Ｃ−Ｖ        ・・・（２）
【０００５】
式（１）−式（２）から下式（３）が得られ、式（１）＋式（２）から下式（４）が得られる。
【０００６】
Ｖ＝（Ｌ／２Ｎ）×（ｆｊ−ｆｇ）                        ・・・（３）
Ｃ＝（Ｌ／２Ｎ）×（ｆｊ＋ｆｇ）                        ・・・（４）
【０００７】
そして、流量Ｑが、流路の断面積Ｓ、補正係数Ｈを用いて、下式（５）で求められる。
【０００８】
Ｑ＝Ｖ・Ｓ・Ｈ                                      ・・・（５）
【０００９】
さらに、式（４）によって求められた音速Ｃから、流体が空気である場合、簡易式Ｃ＝３３１．６８＋０．６１τにより、温度τが求まるので、温度τに対する補正が可能となる。
【００１０】
さて、従来の超音波流量計では、正確な超音波伝搬時間を計測するために、例えば図８に示すように、送信側の超音波トランスジューサから駆動パルス数（図８（ａ）の送信区間の例では３）の送信波パルス群（図８（ａ）参照）を発射し、媒体を伝搬して受信波パルス群として受信側の超音波トランスジューサに到達すると、受信側の超音波トランスジューサにおける受信波パルス群の機械−電気変換によって得られる受信波変換信号（図８（ｂ）参照）に対して、予め設定したマスク時間だけ待機した後にマスク解除信号（図８（ｃ）参照）をオンし、所定のパルス数（通常は駆動パルス数以上）の受信波変換信号（図８（ｂ）参照）だけを２値化して２値化後受信波変換信号（図８（ｄ）参照）を得、この２値化後受信波変換信号（図８（ｄ）参照）と送信波クロック（図８（ａ）参照）との位相比較出力信号（図８（ｅ）参照）を得ていた。そして、受信側の超音波トランスジューサの超音波による機械的な振動の立ち上がりに要する経過時間を待って、位相比較出力信号（図８（ｅ）参照）がなくなるポイントで送信波パルス群のクロックの周波数（送信波周波数）をロックしていた。
【００１１】
また、予め設定したマスク時間だけ待機した後にマスク解除信号をオンして所定のパルス数の受信波変換信号だけを位相比較の対象とする代わりに、送信側の超音波トランスジューサから超音波を送信し、順次ゲート時間を更新しながら、受信側の超音波トランスジューサのゼロクロスポイントを検知し、正確な超音波伝搬時間を計測するようにした超音波流量計が知られている（特許文献２参照）。
【００１２】
さらに、１回目の超音波伝搬時間を計測し、超音波の半周期よりも少し短い時間αを定め、２回目以降は送信時点から（前回の超音波伝搬時間−α）だけ経過した後の最初のゼロクロスポイントまでの超音波伝搬時間を計測することを複数回繰り返すことにより、正確な超音波伝搬時間を計測するようにした超音波流量計も知られている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特公平３−３９２４６号公報
【特許文献２】特開２００２−２７７３０１号公報
【特許文献３】特開平１０−７３４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、図８に示すような制御を行なう従来の超音波流量計では、受信側の超音波トランスジューサの超音波による機械的な振動の立ち上がりに要する経過時間を待って、位相比較出力信号がなくなるポイントで送信波パルス群のクロックの送信波周波数をロックしていたので、受信側の超音波トランスジューサの振動が反共振周波数に近づくまでの経過時間だけ待たなければ送信波周波数のロックができず、送信波周波数の迅速な制御を行なうことができないという問題点があった。また、１回の超音波の送信で少なくとも数回の位相比較を行なう必要があり、仮に１回の超音波の送信で５回の位相比較を行なうとした場合、１秒間に３０００回の送信を行なうと、５×３０００＝１５０００回となり、位相比較回数が非常に多く、低消費電力化の妨げになるという問題点があった。
【００１４】
また、特許文献２に記載された従来の超音波流量計では、送信側の超音波トランスジューサから超音波を送信し、順次ゲート時間を更新しながら受信側の超音波トランスジューサのゼロクロスポイントを検知していたので、正確なゼロクロスポイントを求めるまでに数回の超音波伝搬を行なう必要があり、余分な超音波伝搬を複数回繰り返すことによる無駄が生じるという問題点があった。特に、前回の計測時間から演算して新たなゲート時間を設定しており、演算処理が複雑化し、回路制御が難しかった。
【００１５】
さらに、特許文献３に記載された従来の超音波流量計では、第１回目の超音波伝搬時間を用いて、第２回目以降は、第１回目の超音波伝搬時間よりαだけ減じた時間をマスク時間として設定して、時間計測を繰り返す必要があったので、特許文献２記載の超音波流量計と同様に、演算処理が複雑化し、回路制御が難しいという問題点があった。
【００１６】
本発明は、受信初期時における受信側の超音波トランスジューサの振動がほぼ送信波周波数で検出できない反共振周波数から外れていても、事前に分かっている受信側の超音波トランスジューサにおける受信波パルス毎の受信波周波数の追従性に基づいて、送信波周波数の迅速な制御を行なうことができるようにした超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の超音波流量計は、流体が流通する流路内の流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波トランスジューサを設け、該一対の超音波トランスジューサ間で超音波が予め決められたロック波数になるように送信波周波数を制御し、該送信波周波数を基に流速および流量を求める超音波流量計において、送信側の超音波トランスジューサからの送信波パルス群の発射タイミングに基づいて、受信側の超音波トランスジューサにおいて受信波パルス群の特定の１パルスだけを用いて前記送信波周波数を制御することを特徴とする。請求項１記載の超音波流量計によれば、受信波パルス群の特定の１パルスだけを用いて送信波パルス群のクロックと位相比較することにより、送信波周波数の制御を迅速に行なうことができ、かつ、低消費電力化が期待できる。
【００１８】
請求項２記載の超音波流量計は、請求項１に記載の超音波流量計において、前記受信波パルス群の特定の１パルスを前記送信波パルス群のクロックの１周期で２値化する２値化手段と、前記２値化手段により２値化された前記受信波パルス群の特定の１パルスと前記送信波パルス群のクロックとの位相比較を行なって前記送信波パルス群のクロックの周波数を制御するフェーズロックドループとを備えることを特徴とする。請求項２記載の超音波流量計によれば、受信波パルス群の特定の１パルスを送信波パルス群のクロックの１周期で２値化して、２値化された特定の１パルスと送信波パルス群のクロックとの位相比較を行なって送信波周波数を制御することにより、送信波周波数の制御に受信波パルス群の特定の１パルスのみを使うことができ、送信波周波数の制御を迅速に行なうことができる。
【００１９】
請求項３記載の超音波流量計は、請求項１または請求項２に記載の超音波流量計において、前記送信波パルス群のクロックをカウントするロック波数カウンタと、前記受信波パルス群の特定の１パルスを取り出すマスク解除時間を、前記ロック波数カウンタが予め定めた任意のカウント値までカウントした後の、前記送信波パルス群のクロックの１周期とする受信手段とを備えることを特徴とする。請求項３記載の超音波流量計によれば、受信波パルス群の特定の１パルスを取り出すマスク解除時間を、ロック波数カウンタがロック波数までカウントした後の、送信波パルス群のクロックの１周期としたことにより、特定の１パルスを容易に取り出すことができる。また、送信波周波数のクロックを予め定めた任意のロック波数までカウントアップするだけなので、前回の計測時間などの演算を行なう必要がなく、演算処理および回路制御が容易になる。
【００２０】
請求項４記載の超音波流量計は、請求項１ないし請求項３に記載の超音波流量計において、前記受信手段により受信された前記受信波パルス群の特定の１パルス分の受信波変換信号を、受信側の超音波トランスジューサの受信周波数−変換電圧特性に基づいて前記受信波パルス群の周波数に応じた増幅率で増幅する増幅手段を備えることを特徴とする。請求項４記載の超音波流量計によれば、受信波パルス群の特定の１パルスの周波数に合わせて増幅手段の増幅率を調整するようにしたことにより、受信側の超音波トランスジューサの振動が反共振周波数となる経過時間を待つ必要がなくなり、送信波周波数の制御を迅速に行なうことができる。
【００２１】
請求項５記載の超音波流量計は、流体が流通する流路内の流れ方向上手側および流れ方向下手側に一対の超音波トランスジューサを設け、該一対の超音波トランスジューサ間で超音波が予め決められたロック波数になるように送信波パルス群のクロックの周波数を制御し、該周波数を基に流速および流量を求める超音波流量計において、送信側の超音波トランスジューサから発射される送信波パルス群のクロックをカウントするロック波数カウンタと、前記ロック波数カウンタのカウント値が予め定めた任意のカウント値になったときに前記受信波パルス群の特定の１パルス分の時間だけ、受信側の超音波トランスジューサからの受信波変換信号を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された前記受信波パルス群の特定の１パルス分の受信波変換信号を、前記受信側の超音波トランスジューサの受信周波数−変換電圧特性に基づいて前記受信波パルス群の周波数に応じた増幅率で増幅する増幅手段と、前記増幅手段により増幅された前記受信波パルス群の特定の１パルス分の受信波変換信号を前記送信波パルス群のクロックの周期で２値化する２値化手段と、前記２値化手段により２値化された２値化後受信波変換信号の位相を前記送信波パルス群のクロックの位相と比較して両位相が一致するように前記送信波パルス群のクロックの周波数を制御するフェーズロックドループとを有することを特徴とする。請求項５記載の超音波流量計によれば、フェーズロックドループを用いて２値化後受信波変換信号の位相を送信波パルス群のクロックの位相と比較して両位相が一致するように送信波周波数を制御することにより、送信波周波数の制御を容易かつ迅速に行なうことができ、かつ、低消費電力化が期待できる。
【００２２】
請求項６記載の超音波流量計は、請求項１ないし請求項５に記載の超音波流量計において、前記受信波パルス群の特定の１パルスが、前記受信波パルス群の先頭パルスであることを特徴とする。請求項６記載の超音波流量計によれば、受信波パルス群の特定の１パルスが受信波パルス群の先頭パルスであるので、送信波周波数の制御を最短時間で行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
受信側の超音波トランスジューサで受信する受信波パルス群の特定の１パルスだけを用いて送信波パルス群のクロックと位相比較することにより、送信波周波数の制御を迅速に行なえるようにした。
【００２４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明の実施例１に係る超音波流量計１の構成を示す回路ブロック図である。本実施例１に係る超音波流量計１は、流路３と、流路３内の流れ方向上手側に設置された超音波トランスジューサ（順方向超音波トランスジューサ）２ａと、流路３内の流れ方向下手側に設置された超音波トランスジューサ（逆方向超音波トランスジューサ）２ｂと、送信手段４と、増幅手段６および２値化手段７からなる受信手段５と、順方向ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）８，順方向ＬＰＦ（low Pass Filter）９および順方向ＰＤ（Phase Detector）１０からなる順方向ＰＬＬ（Phase-Locked loop）と、逆方向ＶＣＯ１１，逆方向ＬＰＦ１２および逆方向ＰＤ１３からなる逆方向ＰＬＬと、順方向カウンタ１４，逆方向カウンタ１５，ロック波数カウンタ１６および送信制御部１７からなる制御部１８と、位相比較出力幅計測手段１９と、順方向計測と逆方向計測とを切り替えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５およびＳＷ６とから構成されている。
【００２６】
順方向超音波トランスジューサ２ａおよび逆方向超音波トランスジューサ２ｂは、圧電素子，振動板，電極等を用いて構成された超音波トランスジューサであり、機械的共振尖鋭度を表すＱ値が低い。順方向超音波トランスジューサ２ａおよび逆方向超音波トランスジューサ２ｂの送受信の切り替えは、アナログスイッチ等で構成されるスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５およびＳＷ６によって行なわれる。
【００２７】
流路３は、順方向超音波トランスジューサ２ａおよび逆方向超音波トランスジューサ２ｂが、流れ方向に互いに対向するように配置され、軸断面の形状および断面積が流れ方向において同一に形成されている。計測流体がガスの場合、流路３の軸断面形状は壁部により閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状，楕円形状，正方形状，矩形状等のいずれを採用してもよい。
【００２８】
送信手段４は、順方向超音波トランスジューサ２ａおよび逆方向超音波トランスジューサ２ｂに送信波パルス群を発射させるための駆動パルスを発生する駆動電圧回路等から構成される。
【００２９】
受信手段５は、順方向超音波トランスジューサ２ａおよび逆方向超音波トランスジューサ２ｂの受信波変換電圧（受信波変換信号）を検出するための電圧検出回路等からなる増幅手段６と、受信波パルス群の特定の１パルスを送信波クロック（送信波パルス群のクロック）の周期で２値化する２値化手段７とを含んで構成されている。
【００３０】
順方向ＶＣＯ８は、入力された電圧信号に応じた順方向送信波周波数ｆｊの順方向クロックＣＬＫｊを出力する電圧制御発信器であり、入力端子を順方向ＬＰＦ９の出力端子に接続され、出力端子を順方向ＰＤ１０の一方の入力端子に接続されている。順方向ＶＣＯ８は、順方向ＬＰＦ９からの電圧信号を入力し、受信波変換信号と順方向クロックＣＬＫｊとの間に位相ズレがあるならば、位相ズレがゼロになるように順方向クロックＣＬＫｊの送信波周波数ｆｊを変更し、順方向超音波トランスジューサ２ａ，逆方向超音波トランスジューサ２ｂ間の波数が予め決められたロック波数Ｎとなるように位相調整を行う。
【００３１】
順方向ＬＰＦ９は、位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を入力し、該位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を平均化して出力するフィルタであり、入力端子を順方向ＰＤ１０の出力端子に接続され、出力端子を順方向ＶＣＯ８の入力端子に接続されている。
【００３２】
順方向ＰＤ１０は、２つの入力信号の位相を比較して、その位相差に比例した信号を出力するものであり、一方の入力端子をスイッチＳＷ３の一方の接点端子に、他方の入力端子を順方向ＶＣＯ８の出力端子に接続され、出力端子を順方向ＬＰＦ９の入力端子に接続されている。順方向ＰＤ１０は、順方向クロックＣＬＫｊ（図４（ａ）参照）と２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）との位相を比較して、その位相差に比例した位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を出力する。
【００３３】
逆方向ＶＣＯ１１は、入力された電圧信号に応じた逆方向送信波周波数ｆｇの逆方向クロックＣＬＫｇを出力する電圧制御発信器であり、入力端子を逆方向ＬＰＦ１２の出力端子に接続され、出力端子を逆方向ＰＤ１３の一方の入力端子に接続されている。逆方向ＶＣＯ１１は、逆方向ＬＰＦ１２からの電圧信号を入力し、受信波変換信号と逆方向クロックＣＬＫｇとの間に位相ズレがあるならば、位相ズレがゼロになるように逆方向クロックＣＬＫｇの送信波周波数ｆｇを変更し、逆方向超音波トランスジューサ２ｂ，順方向超音波トランスジューサ２ａ間の波数が予め決められたロック波数Ｎとなるように位相調整を行う。
【００３４】
逆方向ＬＰＦ１２は、位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を入力し、該位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を平均化して出力するフィルタであり、入力端子を逆方向ＰＤ１３の出力端子に接続され、出力端子を逆方向ＶＣＯ１１の入力端子に接続されている。
【００３５】
逆方向ＰＤ１３は、２つの入力信号の位相を比較して、その位相差に比例した信号を出力するものであり、一方の入力端子をスイッチＳＷ３の一方の接点端子に、他方の入力端子を逆方向ＶＣＯ１１の出力端子に接続され、出力端子を逆方向ＬＰＦ１２の入力端子に接続されている。逆方向ＰＤ１３は、逆方向クロックＣＬＫｇ（図４（ａ）参照）と２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）との位相を比較して、その位相差に比例した位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を出力する。
【００３６】
順方向カウンタ１４は、順方向ＶＣＯ８の出力端子に接続されており、順方向クロックＣＬＫｊ（図４（ａ）参照）をカウントする役目をする。
【００３７】
逆方向カウンタ１５は、逆方向ＶＣＯ１１の出力端子に接続されており、逆方向クロックＣＬＫｇ（図４（ａ）参照）をカウントする役目をする。
【００３８】
ロック波数カウンタ１６は、入力端子をスイッチＳＷ６の切り替え端子に接続され、出力端子を受信手段５の制御端子に接続されており、受信波パルス群の特定の１パルスだけを入力するために、順方向クロックＣＬＫｊまたは逆方向クロックＣＬＫｇ（図４（ａ）参照）をロック波数Ｎずつカウントするごとに、受信波パルス群のマスク解除信号（図４（ｃ）参照）を一定期間分だけオンにする。
【００３９】
送信制御部１７は、一方の入力端子が順方向ＶＣＯ８の出力端子に、他方の入力端子が逆方向ＶＣＯ１１の出力端子に接続され、出力端子が送信手段４に接続されており、送信手段４による駆動パルスの出力を制御する。
【００４０】
位相比較出力幅計測手段１９は、位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）の幅を計測する手段であり、入力端子がスイッチＳＷ４の切り替え端子に接続され、出力端子がスイッチＳＷ５の切り替え端子に接続されている。位相比較出力幅計測手段１９は、順方向ＰＤ１０から出力された位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）をスイッチＳＷ４を経由して入力し位相比較出力幅を計測し、位相比較出力幅の大，中，小をスイッチＳＷ５を経由して順方向ＬＰＦ９に出力する。
【００４１】
スイッチＳＷ１は、切り替え端子を送信手段４に接続され、一方の接点端子を順方向超音波トランスジューサ２ａに、他方の接点端子を逆方向超音波トランスジューサ２ｂに接続されている。スイッチＳＷ１は、順方向計測時に送信手段４を順方向トランスジューサ２ａに接続し、逆方向計測時に送信手段４を逆方向トランスジューサ２ｂに接続する。
【００４２】
スイッチＳＷ２は、切り替え端子を受信手段５の増幅手段６に接続され、一方の接点端子を順方向超音波トランスジューサ２ａに、他方の接点端子を逆方向超音波トランスジューサ２ｂに接続されている。スイッチＳＷ２は、順方向計測時に受信手段５を逆方向トランスジューサ２ｂに接続し、逆方向計測時に受信手段５を順方向トランスジューサ２ａに接続する。
【００４３】
スイッチＳＷ３は、切り替え端子を受信手段５の２値化手段７に接続され、一方の接点端子を順方向ＰＤ１０の他方の入力端子に、他方の接点端子を逆方向ＰＤ１３の他方の入力端子に接続されている。スイッチＳＷ３は、順方向計測時に２値化手段７を順方向ＰＤ１０に接続し、逆方向計測時に２値化手段７を逆方向ＰＤ１３に接続する。
【００４４】
スイッチＳＷ４は、切り替え端子を位相比較出力幅計測手段１９の入力端子に、一方の接点端子を順方向ＰＤ１０の出力端子に、他方の接点端子を逆方向ＰＤ１３の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ４は、順方向計測時に順方向ＰＤ１０を位相比較出力幅計測手段１９に接続し、逆方向計測時に逆方向ＰＤ１３を位相比較出力幅計測手段１９に接続する。
【００４５】
スイッチＳＷ５は、切り替え端子を位相比較出力幅計測手段１９の出力端子に、一方の接点端子を順方向ＬＰＦ９の制御端子に、他方の接点端子を逆方向ＬＰＦ１２の制御端子に接続されている。スイッチＳＷ５は、順方向計測時に位相比較出力幅計測手段１９を順方向ＬＰＦ９に接続し、逆方向計測時に位相比較出力幅計測手段１９を逆方向ＬＰＦ１２に接続する。
【００４６】
スイッチＳＷ６は、切り替え端子をロック波数カウンタ１６の入力端子に、一方の接点端子を順方向ＶＣＯ８の出力端子に、他方の接点端子を逆方向ＶＣＯ１１の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ６は、順方向計測時に順方向ＶＣＯ８をロック波数カウンタ１６に接続し、逆方向計測時に逆方向ＶＣＯ１１をロック波数カウンタ１６に接続する。
【００４７】
図３は、順方向ＬＰＦ９および逆方向ＬＰＦ１２をさらに詳細に示す図である。順方向ＬＰＦ９および逆方向ＬＰＦ１２は、時定数が小さなＬＰＦ１１１と、時定数が中くらいのＬＰＦ１１２と、時定数が大きなＬＰＦ１１３とが、スイッチＳＷ１１とスイッチＳＷ１２とに挟まれて並列に選択的に接続されている。スイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２は、位相比較出力幅計測手段１９からの位相比較出力幅の大，中，小に応じて、ＬＰＦ１１１，ＬＰＦ１１２，ＬＰＦ１１３のいずれか１つを選択的に接続する。位相の同期を数回の位相比較で、かつ高速で行うためには、高速なＰＬＬを必要とする。このため、位相比較出力幅が大きければ、時定数が小さなＬＰＦ１１１を接続し、位相比較出力幅が中くらいならば、時定数が中くらいのＬＰＦ１１２を接続し、位相比較出力幅が小さければ、時定数が大きなＬＰＦ１１３を接続して、位相同期する時間を早める。これにより、回路が動作する回数および時間が短くなるので、超音波流量計の省電流化が見込める。
【００４８】
図４は、本実施例１に係る超音波流量計１における送信波パルス群（クロック）と受信波パルス群の第１パルスｐ１とで位相比較をした場合のタイミングチャートである。
【００４９】
図５は、本実施例１に係る超音波流量計１における受信波パルス群の第１パルスｐ１ないし第５パルスｐ５を説明する拡大図である。
【００５０】
図６は、送信波パルス群の送信波周波数ｆinに対する、受信波パルス群の第１パルスｐ１の受信波周波数ｆ１，第２パルスｐ２の受信波周波数ｆ２，第３パルスｐ３の受信波周波数ｆ３の追従性を説明する図である。位相比較出力幅計測手段１９で順方向ＰＤ１０および逆方向ＰＤ１３の位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）の出力幅、すなわち、送信波周波数ｆinと受信波周波数ｆoutとの位相差を検出し、その検出した位相差がゼロとなるような送信波周波数ｆinを求める。そのため、送信波周波数ｆinに対する受信波周波数ｆoutの追従性は、図６の如く予め分かっている。詳しくは、超音波トランスジューサへ入力する強制振動周波数である送信波周波数ｆinと、超音波トランスジューサ固有振動によるパルス応答性との関係より、超音波トランスジューサの共振周波数ｆ0は、ｆ0からのずれ量に応じて、受信時の受信周波数のずれも大きくなり、共振周波数ｆ0からのずれ量が小さくなるほどずれも小さくなる。この受信周波数のずれは、超音波トランスジューサ固有振動によるパルス応答性と、構造体、振動モードからくるダンパー効果による減衰特性が大きく関与している。超音波トランスジューサから超音波を送受信する際には、外部からの強制振動による周波数（今の場合：ｆin）の影響は、受信初期時の先頭の立ち上がりパルスの方が超音波トランスジューサ固有の振動モード特性に支配されるため、強制振動周波数（ｆin）に応じた周波数値とは一致せず、固有振動周波数の影響が大となる。受信パルスが第１パルスｐ１、第２パルスｐ２、第３パルスｐ３へ後方に移行するに従い、超音波トランスジューサ固有振動の影響により、強制振動が徐々に現れてくる。しかし、この場合、強制振動の影響が後方へ移行すればするほど、受信周波数精度は、理想値に近づくが、図６のように、受信特性に再現性があることを利用し、効率良く、受信初期時の先頭の立ち上がりパルスのみで位相同期を行なう。なお、送信波周波数ｆinに対して受信波周波数ｆ１，受信波周波数ｆ２，受信波周波数ｆ３はリニアに変化しているが、順方向超音波トランスジューサ２ａ，逆方向超音波トランスジューサ２ｂ間の振動の機械的な立ち上がりに時間を要するので、理想線が示す送信波周波数ｆinそのものではない。
【００５１】
図７は、送信波周波数ｆinに対する順方向超音波トランスジューサ２ａおよび逆方向超音波トランスジューサ２ｂの受信ピーク出力電圧Ｖpp(ｆaは反共振周波数)を示す図である。この図からも分かるように、受信ピーク出力電圧Ｖppは、反共振周波数ｆaをピークとする特性をもっているので、送信波周波数ｆin
の反共振周波数ｆaからのずれに応じて受信ピーク出力電圧Ｖppを増幅手段６により増幅して用いるようにする。このようにすれば、受信側の超音波トランスジューサの超音波による機械的な振動の立ち上がりに要する経過時間を待つことなしに、受信波パルス群のいずれの１パルスを用いても、位相を一致させることができる。
【００５２】
次に、このように構成された実施例１に係る超音波流量計１の動作について説明する。
【００５３】
実施例１に係る超音波流量計１では、まず順方向計測を行なって、次に逆方向計測を行なう。
【００５４】
（１）  順方向計測
【００５５】
まず、全てのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５およびＳＷ６が順方向計測側に切り替えられる。
【００５６】
次に、制御部１８では、送信制御部１７が、送信手段４により、送信波パルス群を発射させるための駆動パルス群を順方向超音波トランスジューサ２ａに印加する。また、制御部１８は、送信波パルス群を発射させると同時に、順方向カウンタ１４に順方向ＶＣＯ８からの順方向クロックＣＬＫｊのカウントを開始する。このように、制御部１８は、順方向カウンタ１４に順方向計測を行なわせるために、駆動パルス群の発射タイミング（例えば、駆動パルス群の印加と順方向クロックＣＬＫｊとの同期をとる）を図っている。さらに、制御部１８は、ロック波数カウンタ１６に順方向ＶＣＯ８からの順方向クロックＣＬＫｊをスイッチＳＷ６を経由して入力してカウントを開始する。
【００５７】
順方向超音波トランスジューサ２ａから発射された送信波パルス群が媒体を伝搬して、受信波パルス群として逆方向超音波トランスジューサ２ｂに到達すると、受信波パルス群は、逆方向超音波トランスジューサ２ｂで機械−電気変換されて、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）としてスイッチＳＷ２を経由して受信手段５に入力される。ただし、ロック波数カウンタ１６のカウント値がロック波数Ｎになる前には、ロック波数カウンタ１６からのマスク解除信号（図４（ｃ）参照）がオフとなっており、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）は受信手段５でマスクされている。
【００５８】
ロック波数カウンタ１６のカウント値がロック波数Ｎになると、受信手段５では、順方向クロックＣＬＫｊの一定期間分の時間だけマスク解除信号（図４（ｃ）参照）がオンとなって、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１だけが入力される。
【００５９】
このため、増幅手段６は、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１だけを増幅する。このときの増幅手段６の増幅率は、図７に示すように、送信波周波数ｆinに対する受信ピーク出力電圧Ｖppが低い程、大きくなるように設定される。換言すれば、受信ピーク出力電圧Ｖppが平準化されるように増幅される。
【００６０】
続いて、２値化手段７は、増幅手段６により増幅された受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１を順方向クロックＣＬＫｊの周期で２値化して２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）として出力する。
【００６１】
順方向ＰＤ１０は、受信手段５からスイッチＳＷ３を経由して入力した第１パルスｐ１の２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）と、順方向ＶＣＯ８からの順方向クロックＣＬＫｊとを位相比較して、位相差に相当する位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を出力する。
【００６２】
位相比較出力幅計測手段１９は、順方向ＰＤ１０から出力された位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）をスイッチＳＷ４を経由して入力し位相比較出力幅を計測して、位相比較出力幅の大，中，小をスイッチＳＷ５を経由して順方向ＬＰＦ９に出力する。
【００６３】
順方向ＬＰＦ９は、位相比較出力幅計測手段１９からスイッチＳＷ５を経由して位相比較出力幅の大，中，小を入力すると、位相比較出力幅の大，中，小に応じて順方向ＰＬＬのループ特性を変更する。詳しくは、図３に例示するように、位相比較出力幅が小さければ、時定数が大きなＬＰＦ１１３が接続されるようにスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２を切り替え、位相比較出力幅が中くらいならば、時定数が中くらいのＬＰＦ１１２が接続されるようにスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２を切り替え、位相比較出力幅が大きければ、時定数が小さなＬＰＦ１１１が接続されるようにスイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２を切り替える。
【００６４】
順方向ＶＣＯ８は、順方向ＬＰＦ９からの電圧信号を入力し、順方向ＰＤ１０で２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）と順方向クロックＣＬＫｊとの間に位相ズレがあるならば、位相ズレがゼロになるように順方向クロックＣＬＫｊの順方向送信波周波数ｆｊを変更し、順方向超音波トランスジューサ２ａ，逆方向超音波トランスジューサ２ｂ間の波数が予め決められたロック波数Ｎとなるように位相調整を行う。換言すれば、順方向ＶＣＯ８は、順方向ＰＤ１０によって２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）と比較した位相ズレ分を位相調整するために必要な順方向送信波周波数ｆｊに調整された順方向クロックＣＬＫｊを出力する。
【００６５】
（２）  逆方向計測
【００６６】
順方向計測が完了すると、全てのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５およびＳＷ６が逆方向計測側に切り替えられる。
【００６７】
次に、制御部１８では、送信制御部１７が、送信手段４により、送信波パルス群を発射させるための駆動パルス群を逆方向超音波トランスジューサ２ｂに印加する。また、制御部１８は、送信波パルス群を発射させると同時に、逆方向カウンタ１５に逆方向ＶＣＯ１１からの逆方向クロックＣＬＫｇのカウントを開始する。このように、制御部１８は、逆方向カウンタ１５に逆方向計測を行なわせるために、駆動パルス群の発射タイミング（例えば、駆動パルス群の印加と逆方向クロックＣＬＫｇとの同期をとる）を図っている。さらに、制御部１８は、ロック波数カウンタ１６に逆方向ＶＣＯ１１からの逆方向クロックＣＬＫｇをスイッチＳＷ６を経由して入力しカウントを開始する。
【００６８】
逆方向超音波トランスジューサ２ｂから発射された送信波パルス群が媒体を伝搬して、受信波パルス群として順方向超音波トランスジューサ２ａに到達すると、受信波パルス群は順方向超音波トランスジューサ２ａで機械−電気変換されて、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）としてスイッチＳＷ２を経由して受信手段５に入力される。ただし、ロック波数カウンタ１６のカウント値がロック波数Ｎになる前には、ロック波数カウンタ１６からのマスク解除信号（図４（ｃ）参照）がオフとなっており、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）は受信手段５でマスクされている。
【００６９】
ロック波数カウンタ１６のカウント値がロック波数Ｎになると、受信手段５では、逆方向クロックＣＬＫｇの一定期間分の時間だけマスク解除信号（図４（ｃ）参照）がオンとなって、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１だけが入力される。
【００７０】
このため、増幅手段６は、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１だけを増幅する。このときの増幅手段６の増幅率は、図７に示すように、送信波周波数ｆinに対する受信ピーク出力電圧Ｖppが低い程、大きくなるように設定される。換言すれば、受信ピーク出力電圧Ｖppが平準化されるように増幅される。
【００７１】
続いて、２値化手段７は、増幅手段６により増幅された受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１を逆方向クロックＣＬＫｇの周期で２値化して２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）として出力する。
【００７２】
逆方向ＰＤ１３は、受信手段５からスイッチＳＷ３を経由して入力した第１パルスｐ１の２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）と、逆方向ＶＣＯ１１からの逆方向クロックＣＬＫｇとを位相比較して、位相差に相当する位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）を出力する。
【００７３】
位相比較出力幅計測手段１９は、逆方向ＰＤ１３から出力された位相比較出力信号（図４（ｅ）参照）をスイッチＳＷ４を経由して入力し位相比較出力幅を計測し、位相比較出力幅の大，中，小をスイッチＳＷ５を経由して逆方向ＬＰＦ１２に出力する。
【００７４】
逆方向ＬＰＦ１２は、位相比較出力幅計測手段１９からスイッチＳＷ５を経由して位相比較出力幅の大，中，小を入力すると、位相比較出力幅の大，中，小に応じて逆方向ＰＬＬのループ特性を変更する。詳しくは、図３に例示するように、位相比較出力幅が小さければ、時定数が大きなＬＰＦ１１３が接続されるようにスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２を切り替え、位相比較出力幅が中くらいならば、時定数が中くらいのＬＰＦ１１２が接続されるようにスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２を切り替え、位相比較出力幅が大きければ、時定数が小さなＬＰＦ１１１が接続されるようにスイッチＳＷ１１およびスイッチＳＷ１２を切り替える。
【００７５】
逆方向ＶＣＯ１１は、逆方向ＬＰＦ１２からの電圧信号を入力し、逆方向ＰＤ１３で２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）と逆方向クロックＣＬＫｇとの間に位相ズレがあるならば、位相ズレがゼロになるように逆方向クロックＣＬＫｇの逆方向送信波周波数ｆｇを変更し、逆方向超音波トランスジューサ２ｂ，順方向超音波トランスジューサ２ａ間の波数が予め決められたロック波数Ｎとなるように位相調整を行う。換言すれば、逆方向ＶＣＯ１１は、逆方向ＰＤ１３によって２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）と比較した位相ズレ分を位相調整するために必要な逆方向送信波周波数ｆｇに調整された逆方向クロックＣＬＫｇを出力する。
【００７６】
この後、制御部１８は、ある一定時間、例えば１秒間において、順方向計測によってカウントされた順方向カウンタ１４のカウント値、すなわち順方向送信波周波数ｆｊと、逆方向計測によってカウントされた逆方向カウンタ１５のカウント値、すなわち逆方向送信波周波数ｆｇとを求める。そして、制御部１８は、既述した式（４）に基づいて流速Ｖを算出し、流速Ｖに流路３の断面積Ｓを乗じたり、温度・圧力や計測流体や求まった流速Ｖに応じた補正係数Ｈを乗じたりして、流量Ｑを求める。
【００７７】
ところで、上記実施例１の説明では、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第１パルスｐ１についてだけマスク解除信号（図４（ｃ）参照）をオンにして２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）を生成するようにしたが、ロック波数カウンタ１６でマスク解除信号をオンするカウント値を変更し、マスク解除信号（図４（ｃ）参照）をオンにする時間を変更することにより、受信波変換信号（図４（ｂ）参照）の第２パルスｐ２（図５参照）以降の任意のパルスから、２値化後受信波変換信号（図４（ｄ）参照）を生成するようにしてもよい。これは、急激な流量変化や温度変化を想定すると、ロック波数カウンタ１６のカウント値が（Ｎ−１）や（Ｎ−２）で、受信波が受信側の超音波トランスジューサに到達する可能性があるからである。このようにした場合、受信側の超音波トランスジューサの振動が反共振周波数ｆaにより近づいた時点でのパルスであるので、より安定した２値化後受信波変換信号を得ることができる一方、それだけ経過時間を要するので、送信波周波数の制御に時間がかかるようになることは否めない。
【００７８】
また、本実施例１では、まず順方向計測を行なって、次に逆方向計測を行なうようにしたが、計測の順番は逆であってもよい。
【００７９】
さらに、本実施例１では、送信側の超音波トランスジューサに矩形波の駆動パルス群を印加するように説明したが、サイン波で駆動させたり、ステップ駆動にしたり、バースト駆動させたりしてもよい。また、予め決められた受信ポイント（例：ゼロクロスポイント）までの時間を求め、これを伝搬時間計測用の順方向クロックＣＬＫｊまたは逆方向クロックＣＬＫｇと併用することも考え得る。
【００８０】
以上、本発明の実施例を説明したが、これはあくまでも例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施例１に係る超音波流量計のブロック図。
【図２】本発明の超音波流量計における流速の測定原理を説明する図。
【図３】図１中のＬＰＦの内部構成図。
【図４】本実施例１に係る超音波流量計における位相比較を説明するタイミングチャート。
【図５】図４中の受信波変換信号の拡大図。
【図６】受信波パルス毎の受信波周波数の追従性を説明する図。
【図７】送信波周波数に対する受信ピーク出力電圧を示すグラフ。
【図８】従来の超音波流量計における位相比較を説明するタイミングチャート。
【符号の説明】
【００８２】
１  超音波流量計
２ａ  順方向超音波トランスジューサ（超音波トランスジューサ）
２ｂ  逆方向超音波トランスジューサ（超音波トランスジューサ）
３  流路
４  送信手段
５  受信手段
６  増幅手段
７  ２値化手段
８  順方向ＶＣＯ
９  順方向ＬＰＦ
１０  順方向ＰＤ
１１  逆方向ＶＣＯ
１２  逆方向ＬＰＦ
１３  逆方向ＰＤ
１４  順方向カウンタ
１５  逆方向カウンタ
１６  ロック波数カウンタ
１７  送信制御部
１８  制御部
１９  位相比較出力幅計測手段
１１１〜１１３  ＬＰＦ
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６，ＳＷ１１，Ｓ１２  スイッチ
【図１】
2006038709.tif 000003
【図２】
2006038709.tif 000004
【図３】
2006038709.tif 000005
【図４】
2006038709.tif 000006
【図５】
2006038709.tif 000007
【図６】
2006038709.tif 000008
【図７】
2006038709.tif 000009
【図８】
2006038709.tif 000010