(57)【要約】【課題】流量が短時間に小流量（例えば、１０ｍ３／ｈ）から大流量（例えば、８０ｍ３／ｈ）に変化する様な場合、ゲインを１〜２ステップずつ変化していては、受信波電圧が規定の一定電圧範囲内に調整されるまでにかなりの長い時間（例えば、１分間程度）が必要となり、その間流量計測が正常に出来ないという問題が発生していた。【解決手段】小流量から大流量への急変時に可変ゲインアンプのゲイン値を流路で測定する流量範囲の最大流量が流れた時に必要な最大ゲイン値（あらかじめ実験で求められる）を超えるゲイン値に設定するようにしたものである。設定後、エラーコンパレータ６の判定結果に応じて次回のゲイン値を（前回のゲイン値±（前回のゲイン値）／２）に設定するようにしたものである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路に設けられた少なくとも一対の超音波センサーと、前記超音波センサーからの受信波信号を増幅する可変ゲインアンプと、その増幅された受信波電圧が規定の一定電圧範囲に入っているかを比較するエラーコンパレータと、前記エラーコンパレータの判定結果をカウントするハイエラーカウンタ及びローエラーカウンタと、前記増幅された受信波電圧の第ｎ波目を検出するエンベロープコンパレータと、前記第ｎ波目のゼロクロスポイントを検出するゼロクロスコンパレータと、そのゼロクロスコンパレータから所定時間遅延させるディレイ回路と、前記所定時間遅延後、前記超音波センサーの送信側をバースト駆動するドライバー回路とを備え、低流速小流量から大流量への流量急変時に、前記可変ゲインアンプのゲイン値を前記流路で測定する流量範囲の最大流量が流れた時に必要な最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定するようにした流体の流れ測定装置。
【請求項２】
大流量への流量急変時に、可変ゲインアンプのゲイン値を最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定後、エラーコンパレータの判定結果に基づいて次回のゲイン値を［前回のゲイン値±（前回のゲイン値）／２］に設定するようにした請求項１記載の流体の流れ測定装置。
【請求項３】
大流量への流量急変時に、エラーコンパレータのハイ側のエラー回数（前記ハイエラーカウンタの値）とロー側のエラー回数（前記ローエラーカウンタの値）の比率に応じてゲイン変化量を設定するようにした請求項１記載の流体の流れ測定装置。
【請求項４】
流路に設けられた少なくとも一対の超音波センサーと、前記超音波センサーからの受信波信号を増幅する可変ゲインアンプと、その増幅された受信波電圧が規定の一定電圧範囲に入っているかを比較するエラーコンパレータと、前記エラーコンパレータの判定結果をカウントするハイエラーカウンタ及びローエラーカウンタと、前記増幅された受信波電圧の第ｎ波目を検出するエンベロープコンパレータと、前記第ｎ波目のゼロクロスポイントを検出するゼロクロスコンパレータと、そのゼロクロスコンパレータから所定時間遅延させるディレイ回路と、前記所定時間遅延後、前記超音波センサーの送信側をバースト駆動するドライバー回路とを備え、低流速から高流速への流速急変時に、前記可変ゲインアンプのゲイン値を前記流路で測定する流速範囲の最大流速が流れた時に必要な最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定するようにした流体の流れ測定装置。
【請求項５】
高流速への流速急変時に、可変ゲインアンプのゲイン値を最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定後、前記エラーコンパレータの判定結果に基づいて次回のゲイン値を［前回のゲイン値±（前回のゲイン値）／２］に設定するようにした請求項４記載の流体の流れ測定装置。
【請求項６】
高流速への流速急変時に、エラーコンパレータのハイ側のエラー回数（前記ハイエラーカウンタの値）とロー側のエラー回数（前記ローエラーカウンタの値）の比率に応じてゲイン変化量を設定するようにした請求項４記載の流体の流れ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサーを用いて流体の流量およびまたは流速を測定するようにした流体の流れ測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波センサーからの受信波信号を増幅する可変ゲインアンプは、例えば、最大増幅度４０ｄＢ（１００倍）を１２８分割し、１〜１２８ステップで調整できるようになっている（特許文献１）。
【０００３】
そして、受信波電圧が規定の一定電圧範囲より小さい場合は、ゲインを１〜２ステップずつアップし、又受信波電圧が規定の一定電圧範囲より大きい場合は、ゲインを１〜２ステップずつダウンし、受信波電圧が規定の一定電圧範囲内に入るようにゲイン調整がなされていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３１０５５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
流量の変化が小さい時、あるいは緩やかに変化するような場合には、前記のようにゲインを１〜２ステップずつアップしたり、１〜２ステップずつダウンしたりすることで、受信波電圧を規定の一定電圧範囲内に入るようにゲイン調整することができるが、流量が短時間に小流量（例えば、１０ｍ３／ｈ）から大流量（例えば、８０ｍ３／ｈ）に変化する様な場合には、ゲインを１〜２ステップずつ変化していては、受信波電圧が規定の一定電圧範囲内に調整されるまでにかなりの長い時間（例えば、１分間程度）が必要となり、その間流量計測が正常に出来ないという問題が発生していた。
【０００６】
本発明はこのような従来の課題を解消したものであり、流量およびまたは流速が短時間に小から大に変化した場合でも正常な測定ができるようにしたことを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、流路に設けられた少なくとも一対の超音波センサーと、前記超音波センサーからの受信波信号を増幅する可変ゲインアンプと、その増幅された受信波電圧が規定の一定電圧範囲に入っているかを比較するエラーコンパレータと、前記エラーコンパレータの判定結果をカウントするハイエラーカウンタ及びローエラーカウンタと、前記増幅された受信波電圧の第ｎ波目を検出するエンベロープコンパレータと、前記第ｎ波目のゼロクロスポイントを検出するゼロクロスコンパレータと、そのゼロクロスコンパレータから所定時間遅延させるディレイ回路と、前記所定時間遅延後、前記超音波センサーの送信側をバースト駆動するドライバー回路とを備え、流量およびまたは流速が小から大へ急変した時に、前記可変ゲインアンプのゲイン値を前記流路で測定する流量およびまたは流速範囲の最大値が流れた時に必要な最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定するようにしたもので、短時間に受信波電圧が規定の一定電圧範囲内に入り正常な流量計測ができるよう応答性の良いゲイン調整手が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、流路に設けられた少なくとも一対の超音波センサーと、前記超音波センサーからの受信波信号を増幅する可変ゲインアンプと、その増幅された受信波電圧が規定の一定電圧範囲に入っているかを比較するエラーコンパレータと、前記エラーコンパレータの判定結果をカウントするハイエラーカウンタ及びローエラーカウンタと、前記増幅された受信波電圧の第ｎ波目を検出するエンベロープコンパレータと、前記第ｎ波目のゼロクロスポイントを検出するゼロクロスコンパレータと、そのゼロクロスコンパレータから所定時間遅延させるディレイ回路と、前記所定時間遅延後、前記超音波センサーの送信側をバースト駆動するドライバー回路とを備え、低流速小流量から大流量への流量急変時に、前記可変ゲインアンプのゲイン値を前記流路で測定する流量範囲の最大流量が流れた時に必要な最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定するようにした。
【０００９】
大流量への流量急変時に、可変ゲインアンプのゲイン値を最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定後、前記エラーコンパレータの判定結果に基づいて次回のゲイン値を［前回のゲイン値±（前回のゲイン値）／２］に設定するようにした。
【００１０】
大流量への流量急変時に、エラーコンパレータのハイ側のエラー回数（前記ハイエラーカウンタの値）とロー側のエラー回数（前記ローエラーカウンタの値）の比率に応じてゲイン変化量を設定するようにした。
【００１１】
また、流路に設けられた少なくとも一対の超音波センサーと、前記超音波センサーからの受信波信号を増幅する可変ゲインアンプと、その増幅された受信波電圧が規定の一定電圧範囲に入っているかを比較するエラーコンパレータと、前記エラーコンパレータの判定結果をカウントするハイエラーカウンタ及びローエラーカウンタと、前記増幅された受信波電圧の第ｎ波目を検出するエンベロープコンパレータと、前記第ｎ波目のゼロクロスポイントを検出するゼロクロスコンパレータと、そのゼロクロスコンパレータから所定時間遅延させるディレイ回路と、前記所定時間遅延後、前記超音波センサーの送信側をバースト駆動するドライバー回路とを備え、低流速から高流速への流速急変時に、前記可変ゲインアンプのゲイン値を前記流路で測定する流速範囲の最大流速が流れた時に必要な最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定するようにした。
【００１２】
高流速への流速急変時に、可変ゲインアンプのゲイン値を最大ゲイン値を超えるゲイン値に設定後、エラーコンパレータの判定結果に基づいて次回のゲイン値を［前回のゲイン値±（前回のゲイン値）／２］に設定するようにした。
【００１３】
高流速への流速急変時に、エラーコンパレータのハイ側のエラー回数（前記ハイエラーカウンタの値）とロー側のエラー回数（前記ローエラーカウンタの値）の比率に応じてゲイン変化量を設定するようにした。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１において、流路１の上流側と下流側には少なくとも１対の超音波センサー２ａ、２ｂが前記流路１を斜めに横切るごとく取り付けられ、一方の超音波センサーが送信の時、他方の超音波センサーは受信を受け持つようになっている。
【００１６】
そして、交互（例えば２秒毎）に受信、送信の役割を交代するようになっている。流路１の上流側から下流側に超音波が送信される時の伝搬時間ｔ１と、下流側から上流側に超音波が送信される時の伝搬時間ｔ２を、計時カウンタ３のカウンタ値とディレイ発生回路４のディレイ時間を使用しマイコンで演算処理することにより、流路１に流れる流量を求めることができる。
【００１７】
さらに図６で説明を加える。ｔ１は先に述べたように、流路１の上流側から下流側に超音波が送信される時の伝搬時間、ｔ２＝下流側から上流側に超音波が送信される時の伝搬時間、Ｌ＝超音波センサー２ａ、２ｂ間の測定距離（実距離）、Ｃ＝音速、Ｖ＝流速、Ｑ＝流量、φ＝超音波センサー２ａ、２ｂをむすぶ線がなす角度、Ｓ＝流路１の断面積、ｋ＝補正係数とすると
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓφ）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓφ）
１／ｔ１−１／ｔ２＝２Ｖｃｏｓφ／Ｌ
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓφ（１／ｔ１−１／ｔ２
Ｑ＝Ｖ・Ｓ・ｋ
となる。
【００１８】
超音波センサー２ａ、２ｂからの受信波信号は、１０ｍＶｐ−ｐ程度の微小信号であり、又流路１を流れる流量が大きくなるほどさらに小さなってくる（図３参照）。
【００１９】
そのため可変ゲインアンプ５によって規定の受信波電圧（例えば４００ｍＶｐ−ｐ）になるまで増幅するようにしている。
【００２０】
規定の受信波電圧になっているかどうかを判定するためエラーコンパレータ６が設けられており、規定の受信波電圧範囲より大きい場合は、ハイエラーカウンタ７でシングアラウンド中のその回数をカウントするようにしている。
【００２１】
また、規定の受信波電圧範囲より小さい場合は、ローエラーカウンタ８でシングアラウンド中のその回数をカウントし、前記ハイエラーカウンタ６とローエラーカウンタ７の値を利用し、ゲインをアップする必要があるか、ゲインをダウンする必要があるかをマイコンで判別することによりゲイン設定器９に必要ゲイン値を設定し、前記可変ゲインアンプ５のゲインを変更することにより受信波電圧が規定の受信波電圧範囲に入るように自動調整するようになっている（図２参照）。
【００２２】
規定の受信波電圧に調整された信号は、エンベロープコンパレータ１０およびゼロクロスコンパレータ１１に入力される。
【００２３】
エンベロープコンパレータ１０は、受信波電圧の第ｎ波目（例えば３波目）が検出されるようレベル設定されており、次に説明するゼロクロスポイントを見いだすための前処理を担っている。
【００２４】
ゼロクロスコンパレータ１１はその第ｎ波目（例えば３波目）のゼロクロスポイントを検出するためのものであり、受信波電圧の第ｎ波目（例えば３波目）のゼロクロス検知１２を確定するようにしている（図２参照）。
【００２５】
計測精度を高めるため、この様な送受信をｎ回（例えば３００回）繰り返し行なうようにしている。
【００２６】
そのためにディレイ発生回路４が設けられ、ある適当な時間（ディレイ時間）をおいて、再度バースト発生回路１３からセンサードライバー１４に送信信号が送られる構成になっている。
【００２７】
また、繰り返した回数をカウントするためシングアラウンドカウンタ１５が設けられている。
【００２８】
シングアラウンドという手法を用いて繰り返し計測を行ない、その間の伝搬時間及びディレイ時間の総合計時間を計時カウンタ３でカウントし、その値をマイコン１６で演算処理することにより、２つの超音波センサー間の伝搬時間を正確に求めるようになっている。
【００２９】
次に、流量が小流量から大流量へ急変した場合、ゲイン応答性が遅いため、しばらくの間流量計測が出来ないという課題があるが、それを解決するためのゲイン調整法について述べる。
【００３０】
流量変化が小さい時、あるいは流量変化が緩やかに変化する様な場合には、ゲインを１ステップずつアップしたり、１ステップずつダウンしたりすることで、受信波電圧を規定の一定電圧範囲内に入るようにゲイン調整することができる。しかし、流量が短時間に小流量（例えば、１０ｍ３／ｈ）から大流量（例えば、８０ｍ３／ｈ）に急変した場合には、ゲインを１ステップずつ変化していては、受信波電圧が規定の一定電圧範囲内に入るまでにかなりの長い時間（例えば、１分間程度）が必要となり、その間流量計測が正常にできないという問題がある。
【００３１】
その解決するための手段として、小流量から大流量への急変時に前記可変ゲインアンプ５のゲイン値を前記流路１で測定する流量範囲（例えば５Ｌ／ｈ〜８０ｍ３／ｈ）の最大流量（例えば８０ｍ３／ｈ）が流れた時に必要な最大ゲイン値（あらかじめ実験で求められる）を超えたゲイン値（例えば１２０）に設定するようににしたものである。
【００３２】
そして最大ゲイン値に設定後、前記エラーコンパレータ６の判定結果に応じて次回のゲイン値を（前回のゲイン値±（前回のゲイン値）／２）に設定するものである。
【００３３】
すなわち、ゲインをアップする必要があるときは＋側を、ゲインをダウンする必要があるときは−側を取る（図４参照）。
【００３４】
そして小流量から大流量への急変時でも、受信波電圧が規定の一定電圧範囲に速やかに収まり正常な流量計測ができるようになる。
【００３５】
他のゲイン調整手段としては、小流量から大流量への急変時に、前記エラーコンパレータのハイ側のエラー回数（前記ハイエラーカウンタの値）とロー側のエラー回数（前記ローエラーカウンタの値）の比率に応じてゲイン変化量を設定するものである（図５参照）。
【００３６】
そして小流量から大流量への急変時でも、受信波電圧が規定の一定電圧範囲に速やかに収まり、正常な流量計測ができるようになる。
【００３７】
なお、前記実施例では流量の測定について述べたが、一義的には流速の測定が前提にあって、これに流路の断面積およびある種の補正係数を乗じればよいものであり、したがって、流速測定でも本発明の精神は逸脱するものではない。
【００３８】
【発明の効果】
このように本発明によれば、流体の流量およびまたは流速が小から大へ急変した場合でも確実な計測ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流れ計測装置のシステムブロック図
【図２】増幅後の受信波電圧とエンベロープレベル、ゼロクロスポイント、ハイエラーレベル、ローエラーレベルの関係についての説明図
【図３】ゲイン一定時の流量に対する受信波電圧減衰特性図
【図４】小流量から大流量へ流量急変した時の第１のゲイン調整法についての説明図
【図５】（ａ）小流量から大流量へ流量急変した時の第２のゲイン調整法（Ｈ／Ｌカウンタ比率調整法）についての説明図（ｂ）カウンタ比率に対するゲインステップ数を示す説明図
【図６】測定装置の概略構成図
【符号の説明】
１  流路
２ａ  第１の超音波センサー
２ｂ  第２の超音波センサー
４  ディレイ発生回路
５  可変ゲインアンプ
６  エラーコンパレータ
７  ハイエラーカウンタ
８  ローエラーカウンタ
１０  エンベロープコンパレータ
１１  ゼロクロスコンパレータ
【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】
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【図６】
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