(57)【要約】【課題】超音波振動子とアンプ回路を結ぶ信号線に電気的ノイズが混入するのを防止し、長期間にわたり安定した流量の計測が可能な超音波流量計を提供する。【解決手段】被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離を離して設置された一対の超音波振動子回路２２と、一対の超音波振動子回路２２の間で送受される超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段と、時間計測手段により計測された伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を計測する流量計測手段とを有する超音波流量計であって、一対の超音波振動子回路２２の各々は、超音波振動子２２ａと、一対の超音波振動子２２ａの間で送受信される送信信号と受信信号を切り換える信号切換スイッチ２２ｂと、受信信号を所定の利得で増幅する増幅回路２２ｃとを有する。【選択図】図１
2008170211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離を離して設置された一対の超音波振動子回路と、
前記一対の超音波振動子回路の間で送受される超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段により計測された前記伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を計測する流量計測手段とを有する超音波流量計であって、
前記一対の超音波振動子回路の各々は、
超音波振動子と、
一対の前記超音波振動子の間で送受信される送信信号と受信信号を切り換える信号切換スイッチと、
前記受信信号を所定の利得で増幅する増幅回路と、
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記各々の超音波振動子回路は、前記超音波振動子と前記信号切換スイッチと前記増幅回路とを同一パッケージに収納した集積回路からなることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記各々の超音波振動子回路は、前記時間計測手段及び前記流量計測手段から独立した回路基板からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記各々の超音波振動子回路は、前記超音波振動子と前記信号切換スイッチ及び前記増幅回路との間に、前記信号切換スイッチ側へ伝搬する超音波を吸収する吸音材を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記吸音材は、繊維状の材料により構成されていることを特徴とする請求項４記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記吸音材は、表面に凹凸の形状を有することを特徴とする請求項４又は請求項５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、電気的ノイズの影響を防止し高精度の流量計測が可能な超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流路の上流側と下流側に一定の距離をおいて一対の超音波振動子を設け、その間で相互に超音波信号の送信および受信を繰り返して行い、上流側から下流側への超音波信号の伝播積算時間と、下流側から上流側への伝搬積算時間との差に基づいて流量を求める超音波流量計が知られている。
【０００３】
このような従来の超音波流量計測において、超音波振動子と増幅器との距離が離れているため、超音波振動子で受信した超音波信号を電気信号に変換した際に変換直後の微弱な信号に電気的ノイズが混入し、Ｓ／Ｎ比が低下して正確な伝搬時間が測定できない場合が生じるという問題があった。
【０００４】
そこで、流量測定時の流速方向への伝搬時間と逆流方向への伝搬時間の平均値と、あらかじめ設定された正常計測時の流速方向の伝搬時間と逆流方向の伝搬時間の平均値を比較し、所定の大きさ以上の差があった場合を誤計測と判定する誤測定判定手段を備えることで、電気的ノイズによる誤測定で測定精度が低下することを防止する超音波流量計がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図４は、特許文献１に公開されている超音波流量計の構成図を示す。この超音波流量計は、流体の流れる測定流路１に設置した超音波振動子２と、超音波振動子２を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間測定部５と、伝搬時間測定部５から測定データを受け取る演算部６と、超音波振動子２から送信した超音波を受ける超音波振動子７と、超音波振動子７の出力を増幅するアンプ８と、アンプ８の出力と基準電圧とを比較し大小関係が反転したときに伝搬時間測定部５を停止させる受信検知回路９と、超音波の出力又は受信のいずれかに超音波振動子の動作を切り替える切り替えスイッチ１０と、誤測定判定手段１１とを有する。超音波振動子２及び７は、送受信可能なものを採用する。また切り替えスイッチ１０を備えることにより流れ方向と逆流方向の伝搬時間を計測できる。
【０００６】
上記超音波流量計において、制御部４からスタート信号を受けた駆動回路３が超音波振動子２を一定時間パルス駆動を行うと同時に伝搬時間測定部５は制御部４からの信号によって時間を計測し始める。パルス駆動された超音波振動子２からは超音波が送信される。超音波振動子２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し超音波振動子７で受信される。超音波振動子７の受信出力は、アンプ８において制御部４が設定した増幅率によって増幅される。そしてアンプ８の出力を受けた受信検知回路９で超音波の受信を判定し伝搬時間測定部５を停止させる。そして制御部４では伝搬時間測定部５から得た時間情報から流速を求める。
【０００７】
次に、誤計測判定手段１１の動作を説明する。まず伝搬時間測定部５で計測された流れ方向と逆流方向の伝搬時間の平均値を求め、あらかじめ設定された正常計測時の伝搬時間の平均値との差を求める。伝搬時間は流れの大きさによって変化するが、流速方向と逆流方向の平均値は流れの大きさに関係無く一定となる。よって平均値が著しく変化するということは計測系になんらかの異常があったと考えられることから、平均値の差が所定の値より大きい場合は誤計測と判断できる。
【特許文献１】特開２００１−１８３１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図４に示す超音波流量計は、電気的ノイズによる誤測定を判定するが、超音波振動子と受信信号を増幅するアンプ回路とが離れているため超音波振動子とアンプ回路とを結ぶ信号線に電気的ノイズが混入し易い構造であり、Ｓ／Ｎ比が低下する問題が考えられる。
【０００９】
またアンプ回路と超音波振動子の伝送路長を短くするにあたって、以下のような問題点がある。超音波振動子は、超音波を出力する際に超音波振動子の前面に送信の超音波信号を出力する共に後方にも超音波信号を出力する。したがって超音波振動子の後方にアンプ回路を設置すると、後方に出力された超音波信号は、アンプ回路の回路基板等で反射し、前方の超音波振動子の振動動作に影響を与えるとともに、超音波振動子の前面に出力される。このため反射された信号は、他方の超音波振動子で受信する信号に影響を与え信号のＳ／Ｎ比を低下させ、ひいては伝播時間の計測精度を低下させる。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、超音波振動子とアンプ回路を結ぶ信号線に電気的ノイズが混入するのを防止し、長期間にわたり安定した流量の計測が可能な超音波流量計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る超音波流量計は、上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、被計測流体が流れる流路の上流側と下流側に一定の距離を離して設置された一対の超音波振動子回路と、前記一対の超音波振動子回路の間で送受される超音波信号の伝播時間を計測する時間計測手段と、前記時間計測手段により計測された前記伝搬時間に基づいて前記被計測流体の流量を計測する流量計測手段とを有する超音波流量計であって、前記一対の超音波振動子回路の各々は、超音波振動子と、一対の前記超音波振動子の間で送受信される送信信号と受信信号を切り換える信号切換スイッチと、前記受信信号を所定の利得で増幅する増幅回路とを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１において、前記各々の超音波振動子回路は、前記超音波振動子と前記信号切換スイッチと前記増幅回路とを同一パッケージに収納した集積回路からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２において、前記各々の超音波振動子回路は、前記時間計測手段及び前記流量計測手段から独立した回路基板からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記各々の超音波振動子回路は、前記超音波振動子と前記信号切換スイッチ及び前記増幅回路との間に、前記信号切換スイッチ側へ伝搬する超音波を吸収する吸音材を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項４において、前記吸音材は、繊維状の材料により構成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項４又は請求項５において、前記吸音材は、表面に凹凸の形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１記載の発明によれば、超音波振動子回路が超音波振動子と増幅回路とを内蔵するため、両者を結ぶ信号線の伝送路長が短くなり、電気的なノイズが混入するのを防止することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができ、ノイズによるばらつきが低減できるため、高精度な伝搬時間計測及び流量計測が可能となる。また送信側の超音波振動子に印加するパルス信号振幅を小さくすることができ、消費電力を低減できる。
【００１８】
本発明の請求項２記載の発明によれば、超音波振動子、信号切換スイッチ、及び増幅回路を同一パッケージの集積回路で構築することで、信号のやり取りを集積回路の内部で行い、信号の伝送路長を短くでき、外乱を受け難くするのでＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００１９】
本発明の請求項３記載の発明によれば、超音波振動子回路を独立した回路基板とするため、受信信号にデジタルノイズが混入するのを防止することができる。
【００２０】
本発明の請求項４記載の発明によれば、信号切換スイッチ側へ伝搬する超音波を吸収する吸音材を備えるので、超音波信号の反射を防止し、計測精度の低下を防ぐことができる。
【００２１】
本発明の請求項５記載の発明によれば、吸音材が繊維状の材料により構成されているため、超音波振動子から出力された超音波信号のエネルギーを繊維の振動として吸収することができる。
【００２２】
本発明の請求項６記載の発明によれば、吸音材が表面に凹凸の形状を有しているので、吸音効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の超音波流量計の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【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。図１は本発明の実施例１の超音波振動子回路の内部構成を示すブロック図、図２は超音波流量計全体の構成を示すブロック図である。
【００２５】
まず、本実施の形態の構成を説明すると、本実施の形態に係る超音波流量計の超音波振動子回路２２は、図１に示すように、超音波振動子２２ａ、切換スイッチ２２ｂ、増幅回路２２ｃで構成されている。図２に示す超音波振動子回路２４の構成も超音波振動子回路２２と同様である。また超音波振動子回路２２は、超音波振動子２２ａと切換スイッチ２２ｂと増幅回路２２ｃとを同一パッケージに収納した集積回路からなる。
【００２６】
切換スイッチ２２ｂは、本発明の信号切換スイッチに対応し、一対の超音波振動子２２ａの間で送受信される送信信号と受信信号を切り換える。増幅回路２２ｃは、切換スイッチ２２ｂを介して超音波振動子２２ａから送られてくる受信信号を所定の利得で増幅する。
【００２７】
また本実施の形態に係る超音波流量計全体の構成は、図２に示すように、流路２０、超音波振動子回路２２、超音波振動子回路２４、発信回路２６、繰返し回路２８、コンパレータ回路３０、伝播時間計測部３２、流量計測部３４、発振回路３６、タイミング生成回路３８で構成されている。
【００２８】
流路２０は、空気やガス等の被計測流体が流れる。超音波振動子回路２２と超音波振動子回路２４は、被計測流体が流れる流路２０の上流側と下流側に一定の距離を離して設置されている。超音波振動子回路２２と超音波振動子回路２４との間で、流体の流れの順方向および逆方向に相互に超音波を送受信する動作が繰り返し行なわれ、各方向における超音波の伝播積算時間の差に基づき流量が算出される。また超音波振動子回路２２及び超音波振動子回路２４は、伝搬時間計測部３２や流量計測部３４等の他の構成要素からは独立した回路基板からなる。
【００２９】
発信回路２６は、超音波振動子回路２２及び超音波振動子回路２４に接続され、超音波振動子回路２２又は２４を駆動するパルス信号を生成する。繰返し回路２８は、発信回路２６及び伝播時間計測部３２に接続され、超音波振動子回路２２又は２４から超音波信号を繰返し発信する回数を設定する。
【００３０】
コンパレータ回路３０は、超音波振動子回路２２、超音波振動子回路２４、及び伝播時間計測部３２に接続され、アナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００３１】
伝播時間計測部３２は、本発明の時間計測手段に対応し、コンパレータ回路３０の出力信号に基づき超音波振動子回路２２と超音波振動子回路２４との間で送受される超音波信号の伝搬時間を計測する。
【００３２】
流量計測部３４は、本発明の流量計測手段に対応し、伝搬時間計測部３２により計測された伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を計測する。
【００３３】
発振回路３６は、伝搬時間計測部３２の信号処理やタイミング生成回路３８で用いるクロック信号を生成する。
【００３４】
タイミング生成回路３８は、超音波振動子回路２２、超音波振動子回路２４、及び繰返し回路２８に接続され、切換信号を出力して切換スイッチ２２ｂの切換のタイミングを制御する。
【００３５】
次に実施例１に係る超音波流量計の動作を説明する。超音波信号を送信する場合には、発信回路１０３は、パルス信号を生成して超音波振動子回路２２（又は超音波振動子回路２４）に出力する。生成されたパルス信号は、送信信号として超音波振動子回路２２内部の切換スイッチ２２ｂを介して超音波振動子２２ａに加えられる。超音波振動子２２ａは、印加されたパルス信号の強度に応じた超音波信号を他方の超音波振動子（ここでは超音波振動子回路２４内部の超音波振動子）に向けて出力する。
【００３６】
出力された超音波信号を受信する場合には、超音波振動子２２ａは、受信した超音波信号を電気信号に変換して出力する。出力された電気信号は、切換スイッチ２２ｂを介して増幅回路２２ｃに入力される。増幅回路２２ｃは、入力された電気信号を所定の利得で増幅して受信信号として出力する。出力された受信信号は、コンパレータ回路３０に入力され、デジタル信号に変換される。さらにコンパレータ回路３０は、変換されたデジタル信号を伝搬時間計測部３２に出力する。伝搬時間計測部３２は、コンパレータ回路３０から出力された信号に基づき超音波振動子回路２２と超音波振動子回路２４との間で送受される超音波信号の伝搬時間を計測し、計測結果を流量計測部３４に出力する。流量計測部３４は、伝搬時間計測部３２により計測された上流下流間の双方向の伝搬時間に基づいて被計測流体の流量を計測する。
【００３７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る超音波流量計によれば、超音波振動子回路２２は、超音波を受信する超音波振動子２２ａと増幅回路２２ｃとを内蔵するので、超音波振動子２２ａと増幅回路２２ｃとを結ぶ信号線の伝送路長を短くすることができ、微弱な超音波受信信号の信号線に電気的なノイズが混入するのを防止することができる。また増幅回路２２ｃは、受信信号を増幅後にコンパレータ回路３０に出力するので、Ｓ／Ｎ比の向上が図れ、コンパレータ回路３０から出力された信号に対するノイズによるバラツキが低減でき、ひいては高精度な伝搬時間計測及び流量計測が可能となる。
【００３８】
またＳ／Ｎ比の向上が図れることから、送信側の超音波振動子２２ａに印加するパルス信号振幅を小さくすることができ、消費電力を低減できる。
【００３９】
さらに、超音波振動子２２ａ、切換えスイッチ２２ｂ及び増幅回路２２ｃを同一パッケージの集積回路で構築することで、信号のやり取りを集積回路の内部で行い、信号の伝送路長を短くでき、外乱を受け難くするので、信号とノイズのＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。また上述した理由により消費電力を低減できる。
【００４０】
また、超音波振動子回路２２を独立した回路基板とし、他の発信回路２６、コンパレータ回路３０、伝搬時間計測部３２、流量計測部３４等とは別回路の基板で構成することで、微弱な超音波受信信号にデジタルノイズが混入するのを防止することができる。
【実施例２】
【００４１】
次に、図３は本発明の実施例２の超音波振動子回路の内部構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点としては、超音波振動子２２ａと切換スイッチ２２ｂとの間に吸音材２２ｄを新たに備えている点である。吸音材２２ｄは、超音波振動子２２ａから切換スイッチ２２ｂ側へ伝搬する超音波を吸収する。また吸音材２２ｄは、グラスファイバ、セラミックファイバ、カーボンファイバ等の繊維状の材料により構成されている。さらに、吸音材２２ｄは、超音波信号を受ける側の表面に凹凸の形状を有する。
【００４２】
次に、実施例２の形態に係る超音波流量計の動作を説明する。基本的な動作は実施例１で説明した超音波流量計と同様である。ただし超音波振動子２２ａは、超音波を出力する際には超音波振動子２２ａの前面に送信の超音波信号を出力する共に後方にも超音波信号を出力する。吸音材２２ｄは、後方に出力された超音波信号を吸収して、超音波信号の反射を防止する。
【００４３】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る超音波流量計によれば、吸音材２２ｄを備えることにより、超音波の反射を防止して、超音波振動子２２ａの振動動作および超音波振動子２２ａの前面に出力した超音波信号に影響を与えるのを防止することができる。また、吸音材２２ｄは、グラスファイバ、セラミックファイバ、カーボンファイバ等の繊維状の材料により構成されているため、超音波振動子２２ａから出力された超音波信号のエネルギーを繊維の振動として吸収することができる。さらに、吸音材２２ｄが超音波信号を受ける側の表面に凹凸の形状を有しているので、吸音効果を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る超音波流量計は、ガス流量を計測することができる超音波ガスメータ等の超音波流量計に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１の超音波振動子回路の内部構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の超音波流量計全体の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例２の超音波振動子回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】従来の超音波流量計の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１        測定流路
２        超音波振動子
３        駆動回路
４        制御部
５        伝播時間測定部
６        演算部
７        超音波振動子
８        アンプ
９        受信検知回路
１０      切り替えスイッチ
１１      誤測定判定手段
２０      流路
２２      超音波振動子回路
２２ａ    超音波振動子
２２ｂ    切換スイッチ
２２ｃ    増幅回路
２２ｄ    吸音材
２４      超音波振動子回路
２６      発信回路
２８      繰返し回路
３０      コンパレータ回路
３２      伝播時間計測部
３４      流量計測部
３６      発振回路
３８      タイミング生成回路
【図１】
2008170211.tif 000003
【図２】
2008170211.tif 000004
【図３】
2008170211.tif 000005
【図４】
2008170211.tif 000006