(57)【要約】  本発明は超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の送信及び受信のための少なくとも１つの超音波変換器（Ａ、Ｂ）及び超音波変換器（Ａ、Ｂ）に接続された受信ユニット（４）を有し、この受信ユニット（４）は超音波信号（Ａ０、Ｂ０）が予め設定された閾値（ＳＷ）を越えた後で、超音波信号（Ａ０、Ｂ０）のゼロ交差（Ｎ）を受信時点（ｔ0）として決定する、超音波フローセンサに関する。測定精度は、受信ユニット（４）が超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の振幅に関する情報（Ａｍｐ）をもとめ、さらに閾値（ＳＷ）をもとめられた情報に依存して変化させる場合に大きく改善される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波フローセンサであって、
超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の送信及び受信のための少なくとも１つの超音波変換器（Ａ、Ｂ）を有し、
該超音波変換器（Ａ、Ｂ）に接続された受信ユニット（４）を有し、該受信ユニット（４）はいつ超音波信号（Ａ０、Ｂ０）が予め設定された閾値（ＳＷ）を越えるか監視し、この事象に依存して超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の受信時点（ｔ0）を決定する、超音波フローセンサにおいて、
受信ユニット（４）は超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の振幅（Ａｍｐ）に関する情報をもとめ、さらに閾値（ＳＷ）をもとめられた情報に依存して調整することを特徴とする、超音波フローセンサ。
【請求項２】
受信ユニット（４）は第１のＳ／Ｈ段（１２）及び後置接続された第２のＳ／Ｈ段（１３）を有し、第１のＳ／Ｈ段（１２）の入力側（ＵＳ）には変換器出力信号（５）が印加され、第２のＳ／Ｈ段（１３）は第１のＳ／Ｈ段（１２）の最大値（Ａｍｐmax）を受け取って記憶することを特徴とする、請求項１記載の超音波フローセンサ。
【請求項３】
分圧器（１４）及びコンパレータ（１６）が設けられており、分圧器（１４）は第２のＳ／Ｈ段（１３）の出力信号を分圧し、コンパレータ（１６）には分圧器（１４）の部分電圧が供給されることを特徴とする、請求項２記載の超音波フローセンサ。
【請求項４】
ローパスフィルタ（１５）が設けられており、該ローパスフィルタ（１５）によって信号振幅に関する情報（Ａｍｐmax）又はこれから導出される情報（Ｕt）がフィルタリングされることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項５】
受信ユニット（４）は整流器（２１）を有し、該整流器（２１）によって変換器出力信号（５）が整流されることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項６】
受信ユニット（４）は微分器（２３）ならびに後置接続されたゼロ交差検出のためのユニット（２４）を有し、微分器（２３）には変換器出力信号（５）が供給されることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項７】
超音波変換器（Ａ、Ｂ）において受信される超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の受信時点（ｔ0）を受信ユニット（４）によって検出するための方法であって、受信ユニット（４）はいつ超音波信号（Ａ０、Ｂ０）が予め設定された閾値（ＳＷ）を越えるか監視し、この事象に依存して超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の受信時点（ｔ0）を決定する、超音波変換器（Ａ、Ｂ）において受信される超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の受信時点（ｔ0）を受信ユニット（４）によって検出するための方法において、
受信ユニット（４）は超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の振幅に関する情報（Ａｍｐ）をもとめ、さらに閾値（ＳＷ）はもとめられた情報（Ａｍｐ）に依存して調整されることを特徴とする、超音波変換器（Ａ、Ｂ）において受信される超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の受信時点（ｔ0）を受信ユニット（４）によって検出するための方法。
【請求項８】
超音波信号（Ａ０、Ｂ０）の最大振幅値（Ａｍｐmax）が第１のＳ／Ｈ段（１２）に記憶され、該第１のＳ／Ｈ段（１２）の最大値（Ａｍｐmax）が第２のＳ／Ｈ段（１３）によってサンプリングされて記憶されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
２つのロックイン（lock-in）増幅器（４１，４２；４１，４３）の出力信号（ｕ0、ｕpi/2）から振幅情報（Ａｍｐ，ｏｕｔ）が得られることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特許請求項１の上位概念記載の超音波フローセンサならびに特許請求項７の上位概念記載の超音波信号の受信時点の検出のための方法に関する。
【０００２】
超音波フローセンサはとりわけガス状又は液体の媒体の体積流量又は質量流量又は流速を測定するために使用され、このガス状又は液体の媒体は導管を貫いて流れる。公知のタイプの超音波フローセンサはフロー方向にずらされて配置された２つの超音波変換器を有し、これらの２つの超音波変換器がそれぞれ超音波信号を発生し、これらの超音波信号をそれぞれ他方の変換器へと送信する。これらの超音波信号はそれぞれ他方の変換器によって受信され、電子装置によって評価される。フロー方向における信号と反対方向における信号との間の伝搬時間差がこの場合流体の流速に対する尺度である。ここから例えば体積流量又は質量流量のような所望の測定量が計算されうる。
【０００３】
図１は２つの超音波変換器Ａ、Ｂを有する超音波フローセンサの典型的な装置を示し、これら２つの超音波変換器Ａ、Ｂは導管３の内部に配置されており、互いに間隔Ｌで対向している。導管３の中には流体１が速度ｖで矢印２の方向に流れている。測定区間Ｌはフロー方向２に対して角度αだけ傾いている。測定の間には、超音波変換器Ａ、Ｂは互いに超音波信号を送信しあい、これらの超音波信号はフローの方向に従って減速されるか又は加速される。音波信号の伝搬時間はこの場合決定すべき流速に対する尺度である。
【０００４】
図２は変換器装置に接続された制御及び評価電子装置４を有する変換器装置の大幅に簡略化された概略図を示す。フローセンサは例えばいわゆるシングアラウンド（sing-around）方法によって作動する。この場合、変換器Ａ、Ｂのうちの１つにおける超音波信号Ａ０乃至はＢ０の受信によって直ぐに超音波信号が反対方向にトリガされる。
【０００５】
超音波信号Ａ０乃至はＢ０の伝搬時間測定のためには、超音波信号Ａ０、Ｂ０の受信時点が一意的にかつ正確に決定されることが極めて重要である。受信時点を決定するための従来技術から公知の方法を次に図３にもとづいて説明する。
【０００６】
図３は個々の超音波信号Ａ０、Ｂ０の信号経過を示す。信号Ａ０、Ｂ０の「受信時点」は、信号振幅Ａｍｐが予め定められた閾値ＳＷ（いわゆるプレトリガレベル）を越えた後で、ここでは信号の最初のゼロ交差Ｎ0として定義される。従って、図示された例では、時点ｔ0が信号の受信時点である。（信号の受信時点は代替的に信号の位相の評価によっても決定されうる。）
超音波変換器の汚れ、ドリフト又は経年変化又は流れる流体における乱流は、超音波信号Ａ０、Ｂ０の振幅が大きく変化することをもたらす。信号振幅があまりにも大きく変化しない限りは、ゼロ交差検出はほとんど損なわれない。なぜなら、常に同じゼロ交差が受信時点として検出され、信号の周波数は実質的に変わらないからである。しかし、半波の最大信号振幅が時点ｔ0の前に閾値ＳＷの領域の中に来るやいなや、超音波信号が閾値を例えば比較的後の時点に越え従って間違ったゼロ交差が受信時点として検出される場合に受信時点の測定エラーが生じうる。
【０００７】
従って、本発明の課題は、超音波信号の受信時点をゼロ交差検出によって決定する超音波フローセンサの測定精度を改善することである。
【０００８】
上記課題は特許請求項１ならびに特許請求項７に記載された構成によって解決される。本発明の更なる実施形態は従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明の基本的なアイデアは、超音波信号の振幅に関する情報を求め、閾値（プレトリガレベル）を超音波信号の振幅に適合させることである。これによって、信号振幅が変化する場合でも常に正しい、つまり同じゼロ交差乃至は正しい事象が受信時点として検出される。
【００１０】
信号振幅に関する情報は様々なやり方で求められる：第１の方法は、信号最大値、有利には超音波信号の最大振幅を相応の装置によって測定することである。もう一つの方法は、超音波信号を整流し、平均値を決定することである。この平均値も信号振幅に対する尺度であり、従って閾値を適合させるための基準量として使用できる。さらに、他の多数の信号評価方法が考えられ、これらの信号評価方法から信号振幅に関する情報が得られる。
【００１１】
本発明の有利な実施形態によれば、超音波フローセンサの受信ユニットは超音波信号の最大振幅の測定のための装置を含む。従って、閾値は瞬時の最大信号振幅に適合される。測定エラーはこれによって大幅に低減される。
【００１２】
振幅測定装置の有利な実施形態は第１のＳ／Ｈ段（サンプルアンドホールド素子）を含み、この第１のＳ／Ｈ段の入力側には超音波信号乃至は相応の変換器出力信号が印加され、この第１のＳ／Ｈ段は信号振幅の最大値を記憶し、ならびに、後置接続された第２のＳ／Ｈ段を含み、この第２のＳ／Ｈ段が第１のＳ／Ｈ段の最大値を受け取って記憶する。このように求められた最大振幅値から最終的に所望の閾値（プレトリガレベル）が発生される。
【００１３】
第２のＳ／Ｈ段の出力信号はこの目的のために分圧器によって分圧され、部分電圧（＝閾値）がコンパレータに供給される。コンパレータは有利には変換器出力信号が閾値を越える場合にはその出力側を切り換える。次いで、ゼロ交差検出が実施される。
【００１４】
閾値があまりにも大きく変動することを防ぐために、有利にはローパスフィルタが設けられ、このローパスフィルタによって振幅情報又は閾値情報（つまり相応の信号）がフィルタリングされる。
【００１５】
受信ユニットの別の実施形態は整流器を含み、この整流器によって変換器出力信号が整流される。整流された信号は例えば積分器によって積分されるか又はローパスフィルタによってフィルタリングされる。積分器出力信号もフィルタ出力信号も超音波信号の信号振幅の推定を与え、従って閾値の適合を可能にする。
【００１６】
受信ユニットの更に別の実施形態は微分器ならびに後置接続されたゼロ交差検出のためのユニットを含み、この微分器によって変換器出力信号は微分され、このゼロ交差検出のためのユニットによって超音波信号の複数の最大値の時点が検出される。これらの最大値は例えばＳ／Ｈ段に記憶され、これらの中から最高値を有する最大値がもとめられる。
【００１７】
受信ユニットの更なる実施形態は２つのロックイン増幅器を含み、これらの２つのロックイン増幅器では変換器出力信号が２つの基準クロック信号に基づいて増幅され、これらの基準クロック信号は超音波信号の周波数を有し、しかも互いに例えばｐｉ／２だけ位相シフトされている。２つのこのように発生された増幅器出力信号が積分されるか又はローパスフィルタによってフィルタリングされると、結果的に生じる信号ｕ0及びｕpi/2から二乗平均
【数１】
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によって信号振幅に対する尺度を示しかつ閾値の適合を可能にする値が決定される。
【００１８】
本発明を次に添付された図面に基づいて例として詳しく説明する。
【００１９】
図１は従来技術から公知の２つの超音波変換器を有する超音波フローセンサを示し、
図２は所属の制御及び受信回路を有する超音波フローセンサを示し、
図３は個々の超音波信号の信号経過を示し、
図４は本発明の第１の実施例による閾値の適合のための受信ユニットを示し、
図５は図４の信号の信号線図を示し、
図６ａ〜６ｄは閾値の適合のための受信ユニットの様々な実施例を示す。
【００２０】
図１〜３の説明に関しては本明細書の冒頭を参照のこと。
【００２１】
図４は受信ユニット４の部分を示し、この受信ユニット４によって閾値ＳＷが超音波信号Ａ０乃至はＢ０の信号振幅に適合される。この受信ユニット４はこの実施例では超音波信号Ａ０、Ｂ０の最大振幅Ａｍｐmaxを測定する。
【００２２】
受信ユニット４は第１のコンパレータ１０を含み、この第１のコンパレータ１０の入力側ＵＳには変換器出力信号５が印加され、この第１のコンパレータ１０のもう一つの入力側は第１のＳ／Ｈ段１２の出力側１９と接続されている。このコンパレータ１０は、変換器出力信号５がこのＳ／Ｈ段１２にそれまで記憶されていた振幅値よりも大きい場合にはその出力状態を変える。これによって、第１のＳ／Ｈ段１２は活性化され、この第１のＳ／Ｈ段１２はこの場合瞬時の振幅値を受け取って記憶する。図３は第１のＳ／Ｈ段１２の出力信号１９の経過を示している。
【００２３】
超音波信号Ａ０乃至はＢ０が減衰した場合、第２のＳ／Ｈ段１３が第１のＳ／Ｈ段１２の最大振幅値Ａｍｐmaxを受け取る。第２のＳ／Ｈ段１３はこのために制御信号「ストップ」によって制御される。第２のＳ／Ｈ段１３の出力信号２０は調整可能な除数ファクタを有する分圧器１４に供給される。分圧器１４はここではトリミングポテンショメータとして実現される。部分電圧Ｕtはこの場合受信時点の検出のための新しい閾値ＳＷを形成する。
【００２４】
部分電圧Ｕtは第２のコンパレータ１６に基準電圧として供給される。このコンパレータ１６のもう一つの入力側は受信ユニット４の入力側ＵＳに接続されている。従って、第２のコンパレータ１６の出力信号は、超音波信号Ａ０、Ｂ０が閾値ＳＷを上回るか乃至は下回る場合に、スイッチング状態を変える。このスイッチング状態はモノフロップ１８に記憶される。
【００２５】
図５は図４の回路のいくつかの信号の信号経過を示す。相応の信号がすぐ前の事象に依存するか又は信号状態が不確定である場合に信号経過はハッチングで示されている。
【００２６】
測定方法はスタート信号「スタート」の発生により開始し、このスタート信号「スタート」は第１のＳ／Ｈ段１２にＯＲゲート１１を介して供給されて、この第１のＳ／Ｈ段１２を活性化する。入力側ＵＳでの超音波信号Ａ０、Ｂ０の受信により第１のＳ／Ｈ段１２（信号ｓ／ｈ１）は前述のように最大信号振幅Ａｍｐmaxを記憶する。ストップ信号「ストップ」の入力によって第２のＳ／Ｈ段１３は第１のＳ／Ｈ段１２の値を受け取る（信号ｓ／ｈ２）。
【００２７】
次のスタート信号によって第１のＳ／Ｈ段１２が再びリセットされ、新たな測定が開始できる。
【００２８】
図６ａは受信ユニット４の別の実施例を示し、この受信ユニット４では変換器出力信号が最初に整流器２１に供給される。整流器２１の出力信号は最終的に積分器２２によって積分され、信号の平均値形成が行われる。従って、この値は超音波信号Ａ０、Ｂ０の最大振幅に対する尺度でもある。積分器出力信号は次いで第２のＳ／Ｈ段１３によってサンプリングされて記憶される。部分電圧Ｕtの発生のためのその他の回路は図４と同じように実現される。
【００２９】
図６ｂは整流器２１及び後置接続されたローパスフィルタ１５を有する受信ユニット４の更に別の実施例を示す。整流されてフィルタリングされた変換器出力信号５は例えば図４の回路によって評価される。
【００３０】
図６ｃは微分器２３及びゼロ交差検出のためのユニット２４を有する受信ユニット４の更に別の実施例を示す。微分器２３及びユニット２４によって超音波信号Ａ０、Ｂ０の信号最大値の時点が決定され、後置接続されたＳ／Ｈ段２５が活性化され、このＳ／Ｈ段２５はその都度最大信号値を受け取る。超音波信号Ａ０、Ｂ０の減衰の際に比較的低い振幅値を受け取らないように、Ｓ／Ｈ段２５のサンプリング過程の個数は例えばカウンタ又はモノフロップによって制限される。
【００３１】
図６ｄは２つのロックイン（lock-in）増幅器４０、４２乃至は４１、４３を有する受信ユニット４の更なる実施例を示す。ロックイン増幅器は例えば後続の積分素子４２、４３を有する乗算器４０、４１として構成される。この場合、超音波信号Ａ０、Ｂ０はちょうど超音波周波数を有する基準クロックＲｅｆ0及びＲｅｆπ/2を用いて位相制御されて反転される。別の方法は例えば２つの乗算器の代わりにそれぞれ反転及び非反転増幅器が使用されることであり、これらの増幅器の増幅率は正負の符号を除いて実質的に同じである。この場合、次いで例えば信号マルチプレクサが使用され、基準クロックに従って反転と非反転動作との間で往復切り換えする。これらの基準クロックはこの場合ｐｉ／２だけ位相シフトされている。結果的に生じる信号は次いで積分され、従って増幅器出力信号ｕ0及びｕpi/2が発生される。信号の積分の代わりに、例えばローパスフィルタリングも考えられる。信号ｕ0とｕpi/2とはデジタル又はアナログ計算回路４４を介して二乗されて加算され、Ｓ／Ｈ段１３によってサンプリングされる。図６ｄの回路の出力信号ｏｕｔも超音波信号の振幅に対する尺度であり、閾値ＳＷ（Ｕt）の適合を可能にする。部分電圧Ｕtの発生のためのその他の回路は図４と同じように実現される。
【００３２】
受信ユニット４のダイナミック特性はさらに適当なフィルタによって制御される。ローパスフィルタは例えば閾値ＳＷのあまりにも迅速すぎる適合を阻止する。このようなローパスフィルタは例えばＲＣ素子として実現され、このＲＣ素子は第２のＳ／Ｈ段１３とトリミングポテンショメータ１４との間に接続される。選択的にローパスフィルタ１５をトリミングポテンショメータと第２のコンパレータ１６との間に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術から公知の２つの超音波変換器を有する超音波フローセンサを示す。
【図２】所属の制御及び受信回路を有する超音波フローセンサを示す。
【図３】個々の超音波信号の信号経過を示す。
【図４】本発明の第１の実施例による閾値の適合のための受信ユニットを示す。
【図５】図４の信号の信号線図を示す。
【図６】閾値の適合のための受信ユニットの様々な実施例を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１  流体
２  フロー方向
３  導管
４  制御及び受信ユニット
５  変換器出力信号
１０  第１のコンパレータ
１１  ＯＲゲート
１２  第１のＳ／Ｈ段
１３  第２のＳ／Ｈ段
１４  分圧器
１５  ローパスフィルタ
１６  第２のコンパレータ
１７  ＡＮＤゲート
１８  モノフロップ
１９  第１のＳ／Ｈ段１２の出力側
２０  第２のＳ／Ｈ段１３の出力側
２１  整流器
２２  積分器
２３  微分器
２４  ゼロ交差検出のためのユニット
２５  Ｓ／Ｈ段
４０、４１  乗算器
４２、４３  積分器
４４  計算ユニット
Ｒｅｆ0、Ｒｅｆpi/2  基準クロック信号
ｔ0  受信時点
ＳＷ  閾値
Ａ０、Ｂ０  超音波信号
Ａ、Ｂ  超音波変換器
Ｌ  測定区間
Ｕt  部分電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007530933.tif 000008
【図６ａ】
2007530933.tif 000009
【図６ｂ】
2007530933.tif 000010
【図６ｃ】
2007530933.tif 000011
【図６ｄ】
2007530933.tif 000012
【国際調査報告】
2007530933.tif 000013
2007530933.tif 000014
2007530933.tif 000015
2007530933.tif 000016