(57)【要約】【課題】回路構成も複雑にすることなく、コストが安く、計測が容易で確実な超音波送受信装置を提供することを課題とする。【解決手段】流体の流路の上流と下流とに対向して配置した超音波送波器および受波器と、受波器からの受信波を増幅する低雑音増幅手段６と、この増幅手段とは別に、この増幅手段よりも高い増幅率で受信波を増幅する高利得増幅手段７とを備え、この高利得増幅手段により増幅された高率増幅波のひとつの波が所定のしきい値を超えた時点をトリガとして、低雑音増幅手段の超音波増幅波において超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出させる。【選択図】  図１
2004251784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する超音波送信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段とからなり、
超音波の伝播時間を測定する超音波送受信装置において、
前記超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第１の増幅手段と、
前記第１の増幅手段により増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、このゼロクロスポイントを検出するゼロクロスポイント検出手段と、
前記超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第２の増幅手段と、
前記第２の増幅手段により増幅された受信波の出力レベルが所定のしきい値を超えたことを検出するしきい値検出手段と、
を備え、前記ゼロクロスポイント検出手段は、前記しきい値検出手段により所定のしきい値以上の受信波が検出されたとき、ゼロクロスポイントの検出を行うことを特徴とする超音波送受信装置。
【請求項２】
前記第１の増幅手段は、低雑音の増幅を行うことを特徴とする請求項１記載の超音波送受信装置。
【請求項３】
前記第２の増幅手段は、前記第１の増幅手段の増幅率より高率の増幅を行うことを特徴とする請求項１または２記載の超音波送受信装置。
【請求項４】
超音波を送信する超音波送信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段とからなり、
超音波の伝播時間を測定する超音波送受信装置において、
前記超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第１の増幅手段と、
前記第１の増幅手段により増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、このゼロクロスポイントを検出するゼロクロスポイント検出手段と、
前記超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第２の増幅手段と、
前記第２の増幅手段により増幅された受信波の出力レベルが所定のしきい値を超えたことを検出するしきい値検出手段と、
超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出することを前提として、前記しきい値検出手段により所定のしきい値以上の受信波が検出されたとき、前記第１の増幅手段により増幅された波における前記ゼロクロスポイントを検出させるためのトリガ信号を出力するゼロクロスポイント決定のためのトリガ信号出力手段と、
そのトリガ信号出力信号の出力をトリガとして、前記第１の増幅手段による増幅波におけるゼロクロスポイントを、超音波伝搬時間の測定における到達時の情報として決定するゼロクロスポイント決定手段と、
を含むことを特徴とする超音波送受信装置。
【請求項５】
前記第２の増幅手段による増幅波が前記しきい値を超えることにより前記トリガ信号が前記トリガ信号出力手段から出力された後は、前記第２の増幅手段の増幅を終了させて前記第１の増幅手段の増幅波におけるゼロクロスポイントの決定処理に移行する請求項４記載の超音波送受信装置。
【請求項６】
流路を流れる流体の流速を順方向の超音波伝搬時間と逆方向の超音波伝搬時間との差に基づいて測定する超音波送受信装置であって、
流体の流路中に超音波を送信する超音波発信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段と、
前記超音波発信手段から発信されて前記超音波受信手段で受信される超音波の出力を増幅する第１の増幅手段と、
前記超音波受信手段で受信される超音波の出力を、前記第１の増幅手段とは別に、かつその第１の増幅手段の増幅率より高率で増幅する第２の増幅手段と、
その第２の増幅手段で増幅された高率増幅波のひとつの波が所定のしきい値を超えたかどうかにより超音波の到達を判定するしきい値検出手段と、
前記第１の増幅手段により増幅されている波においてその増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出することを前提として、前記しきい値検出手段により所定のしきい値を超えたと判定されたときに、前記第１の増幅手段により増幅波における前記ゼロクロスポイントを検出させるためのトリガ信号を出力するゼロクロスポイント決定のためのトリガ信号出力手段と、
そのトリガ信号出力信号の出力をトリガとして、前記第１の増幅手段による増幅波におけるゼロクロスポイントを、超音波伝搬時間の測定における到達時の情報として決定するゼロクロスポイント決定手段と、
を含むことを特徴とする超音波送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してガス、水道等の流体の流速、流量を計測する超音波流量計に用いられる超音波送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の超音波流量計、例えば、超音波ガス流量計では、流体の流れる流路の上流側と下流側に超音波素子を配置し、上流側の超音波素子を駆動して超音波を送信し、下流側の超音波素子でその出力を受信し、送信開始から受信するまでの時間を計測する。同じく、下流側から超音波素子を駆動して超音波を送信し、上流側の超音波素子でその出力を受信し、送信開始から受信するまでの時間を計測する。この両時間より流速が求まり、流速に流路の断面積を乗じて流量を求めている。
【０００３】
超音波の到達時間検出方法として、予め定めた第何波かの波形の振幅がゼロとなるゼロクロスポイントまでの時間を受信時間とする方法がある。図８は、超音波受信信号を表すもので、第１波を検出しようとすると振幅が小さく、十分なＳ／Ｎ比が確保できないため、例えば、第３波の立下がりゼロクロスポイントｃの時間を検出しようとする場合、あるしきい値電圧ＶＴＨを設けて、そのしきい値電圧ＶＴＨを超えた次のゼロクロスポイントまでの時間を計測する方法がある。
【０００４】
ところが、流体、流量、圧力、温度などにより超音波の受信信号の振幅が大きく変化し、例えば、環境温度が高温になると、超音波受信信号の振幅レベルは低下する。その結果、第３波ではしきい値電圧ＶＴＨを上回らずに、次の第５波でしきい値電圧ＶＴＨを上回り、計測時間が１周期分遅れる。また、環境温度が低温になると、第１波の振幅が大きくなる。その結果、第１波でしきい値電圧ＶＴＨを上回り、１周期分早くなったりして、正確に受信時間を計測できない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような問題点の解決方法として、例えば、特許文献１には、ゲインコントロールアンプの出力信号を波形反転アンプにより反転し、この波形反転アンプの出力信号からピーク値を検出し、このピーク値を基準波（第３波）のしきい値電圧として基準波のゼロクロスポイントまでの時間を検出する提案がされている。しかしながら、該公報技術では、そのピーク値を常にホールドしておくためのピークホールド回路等が必要になり、回路構成が複雑で制御も複雑となる問題がある。また、環境条件などによって変化する超音波受信信号の指標波（第２波）の振幅レベルを毎回サンプリングする必要もあり、これに要する部品のコスト高等の問題がある。
【０００６】
また、例えば、特許文献２には、複数の基準電圧を設け、基準電圧のレベルＶＴＨをＶＴＨ１からＶＴＨ１２まで等比級数的に一定比率で設定し、受信波のいずれかが、例えば、ＶＴＨ１からＶＴＨ５まで一気に超えると、その波を第３波であると判断してゼロクロスポイントまでの時間を検出する提案がされている。しかしながら、該公報技術では、基準電圧を幾つも設けるため煩雑であり制御も複雑となる問題がある。また、基準電圧と超音波信号とを比較する比較器を幾つも必要となりコスト高となる問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１４９３２７号公報
【特許文献２】
特開平２０００−２８３８１２号公報
【０００８】
本発明は上記した点に鑑みなされたものであって、回路構成も複雑にすることなく、コストが安く、計測が容易で確実な超音波送受信装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明超音波送受信装置は、超音波を送信する超音波送信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段とからなり、
超音波の伝播時間を測定する超音波送受信装置において、
超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第１の増幅手段と、
第１の増幅手段により増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、このゼロクロスポイントを検出するゼロクロスポイント検出手段と、
超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第２の増幅手段と、
第２の増幅手段により増幅された受信波の出力レベルが所定のしきい値を超えたことを検出するしきい値検出手段と、
を備え、ゼロクロスポイント検出手段は、しきい値検出手段により所定のしきい値以上の受信波が検出されたとき、ゼロクロスポイントの検出を行うことを特徴とする。
【００１０】
上記構成により、ゼロクロスポイントの決定は、第１の増幅手段で行い、いつの時点でゼロクロスポイントを検出すればよいか決定のために超音波の到達波が届いたどうかの検出を第２の増幅手段で行うようにしており、超音波の到達波が届いたことの検出の後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントの確実な検出が可能で、オートゲインコントロール回路などの複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。
【００１１】
具体的には、例えば、第１の増幅手段は、低雑音の増幅を行うことを特徴とすることにより、低雑音の波形で、ゼロクロスポイントを正確に検出できる。
【００１２】
また、具体的には、例えば、第２の増幅手段は、第１の増幅手段の増幅率より高率の増幅を行うことを特徴とすることにより、流体、流量、圧力、温度等環境条件が変化して超音波受信信号が小さくなっても、超音波受信信号を大きく増幅するため超音波の到達波が届いたことを容易に検出でき、この後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントの確実な検出が可能である。
【００１３】
また、本発明は、超音波を送信する超音波送信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段とからなり、
超音波の伝播時間を測定する超音波送受信装置において、
超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第１の増幅手段と、
第１の増幅手段により増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、このゼロクロスポイントを検出するゼロクロスポイント検出手段と、
超音波受信手段の受信した受信波を増幅する第２の増幅手段と、
第２の増幅手段により増幅された受信波の出力レベルが所定のしきい値を超えたことを検出するしきい値検出手段と、
超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出することを前提として、しきい値検出手段により所定のしきい値以上の受信波が検出されたとき、第１の増幅手段により増幅された波における前記ゼロクロスポイントを検出させるためのトリガ信号を出力するゼロクロスポイント決定のためのトリガ信号出力手段と、
そのトリガ信号出力信号の出力をトリガとして、第１の増幅手段による増幅波におけるゼロクロスポイントを、超音波伝搬時間の測定における到達時の情報として決定するゼロクロスポイント決定手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１４】
上記構成により、ゼロクロスポイントの決定は、第１の増幅手段で行い、いつの時点でゼロクロスポイントを検出すればよいか決定のために超音波の到達波が届いたどうかの検出を第２の増幅手段で行うようにしており、超音波の到達波が届いたことを検出しトリガ信号として出力し、この出力信号を受けてゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントを確実に検出でき、超音波伝播時間の測定が確実に可能となり、回路の信号処理も簡単で、複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。
【００１５】
さらに、この発明は、第２の増幅手段による増幅波がしきい値を超えることによりトリガ信号がトリガ信号出力手段から出力された後は、第２の増幅手段の増幅を終了させて第１の増幅手段の増幅波におけるゼロクロスポイントの決定処理に移行する。
【００１６】
上記構成により、消費電流が低減でき、超音波を利用する超音波流量計においては電池駆動で長期間駆動することを要求されるが、それに寄与する。
【００１７】
また、この発明は、流路を流れる流体の流速を順方向の超音波伝搬時間と逆方向の超音波伝搬時間との差に基づいて測定する超音波送受信装置であって、
流体の流路中に超音波を送信する超音波発信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段と、
前記超音波発信手段から発信されて前記超音波受信手段で受信される超音波の出力を増幅する第１の増幅手段と、
前記超音波受信手段で受信される超音波の出力を、前記第１の増幅手段とは別に、かつその第１の増幅手段の増幅率より高率で増幅する第２の増幅手段と、
その第２の増幅手段で増幅された高率増幅波のひとつの波が所定のしきい値を超えたかどうかにより超音波の到達を判定するしきい値検出手段と、
前記第１の増幅手段により増幅されている波においてその増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出することを前提として、前記しきい値検出手段により所定のしきい値を超えたと判定されたときに、前記第１の増幅手段により増幅波における前記ゼロクロスポイントを検出させるためのトリガ信号を出力するゼロクロスポイント決定のためのトリガ信号出力手段と、
そのトリガ信号出力信号の出力をトリガとして、前記第１の増幅手段による増幅波におけるゼロクロスポイントを、超音波伝搬時間の測定における到達時の情報として決定するゼロクロスポイント決定手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１８】
上記構成により、流速の計測に用いられることにより、ゼロクロスポイントの決定は、第１の増幅手段（低率増幅手段）で行い、いつの時点でゼロクロスポイントを検出すればよいか決定のために超音波の到達波が届いたどうかの検出を第２の増幅手段（高率増幅手段）で行うようにしており、流体、流量、圧力、温度等環境条件が変化して超音波受信信号が小さくなっても、第２の増幅手段により超音波受信信号を大きく増幅するため超音波の到達波が届いたことを容易に検出でき、検出したことをトリガ信号として、この検出の後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントを確実に検出でき、超音波伝播時間の測定が確実に可能となり、回路の信号処理も簡単で、複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。これは、順方向においても逆方向においても同一のことである。第１の増幅手段はフィルターをいれて雑音を回避し低雑音で増幅するようにすればさらによい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面に示す実施例を参照して説明する。超音波流量計の一例として超音波ガス流量計について説明する。図１は、本発明の超音波送受信装置の概念を示す全体構成図であり、超音波ガス流量計１１は、流体の流路２にＶ字型に対向して配置され、圧電材料や電歪材料等を利用し構成される超音波素子１ａと超音波素子１ｂと（これらを総称して超音波素子１という場合がある）、超音波素子１を発振させるための駆動電圧回路等から構成される送信手段４と、超音波素子１を駆動したことにより送信された超音波信号を受信する受信手段５と、流路２の流れに対し順方向に超音波を送信したり、あるいは逆方向に超音波を送信したり、その方向を切替えるための順／逆切替手段３と、受信手段５の受信信号を増幅する低雑音増幅手段６と、低雑音増幅手段６の出力の受信波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波の時間軸との交差する点をゼロクロスポイントとしてこのゼロクロスポイントを検出するゼロクロスポイント検出手段８と、低雑音増幅手段６と並列的に接続され、この低雑音増幅手段６よりも高い増幅率（高利得ともいう）で受信波を反転して増幅する高利得増幅手段７と、この高利得増幅手段７の出力と接続され、ゼロクロスポイントの決定のための超音波の到達波を検出する到達波検出手段１０と、超音波を送信してからゼロクロスポイント検出までの時間（到達時間）を計測する時間計測手段９とを含み構成される。
【００２０】
図２は、本発明超音波送受信装置のブロック図である。受信手段５で検出された超音波受信信号Ｖ０は、低雑音増幅手段６を構成する低雑音増幅器１２と、この低雑音増幅器１２と並列的に接続され、この低雑音増幅器１２よりも高い増幅率（高利得ともいう）で受信波を反転して増幅し、高利得増幅手段７を構成する高利得増幅器１３に入力される。低雑音増幅器１２で電圧増幅され、ゼロクロスポイント検出手段８に入力される。ゼロクロスポイント検出手段８において、増幅信号Ｖａはゼロクロス型のコンパレータ１４（第１コンパレータ）に入力される。コンパレータ１４は、ゲート回路１５と接続される。ゲート回路１５は、ゼロクロスポイントパルス発生回路１６と接続される。ゲート回路１５は、コンパレータ１４の出力信号を通過させたり、遮断したりする。ゼロクロスポイントパルス発生回路１６は出力波形Ｖａにおける超音波到達時点を検出し、ゼロクロスポイント検出信号Ｐ３を時間計測手段６に出力する。なお、ゼロクロスポイント検出信号Ｐ３は１回のみの出力で終了するように制御されている（図示せず）。
【００２１】
増幅信号Ｖａにおいて精度のよい時間測定を可能にするために、以下に述べるゼロクロス法が一般に採用されている。つまり、ゼロクロスポイントｃの前のピークとなる波形の部分、この例では、第３波の振幅（又は位相）がゼロとなるゼロクロスポイントを、増幅信号Ｖａの波形上で検出する方法である。
【００２２】
高利得増幅器１３で反転増幅された出力は、到達波検出手段１０を構成する差動型のコンパレータ１７（第２コンパレータ）に入力される。コンパレータ１７には正極性でしきい値Ｖｔｈｂが入力設定されている。コンパレータ１７の出力はラッチ１８に接続される。ラッチ１８の出力はゲート回路１５へ入力される。ゼロクロスポイントパルス発生回路１６は、その出力がラッチ１８に接続され、リセット信号がラッチ１８に入力される。
【００２３】
低雑音増幅器１２は、予め設定された増幅率で、かつフィルタをいれ雑音を回避するようにして信号対ノイズの比率（以下Ｓ／Ｎ比という）が極めて小さくなるように超音波信号を増幅する。この低雑音増幅器１２で、低雑音で非歪（または低歪）の波形が得られるようにしてゼロクロスポイントを正確に検出できるようにする。その増幅率、Ｓ／Ｎ比として、例えば、増幅率は、約７０〜８０ｄＢ、このときのＳ／Ｎ比が約４０ｄＢ以上が好ましい。本実施例では、約７５ｄＢ、Ｓ／Ｎ比が約４０ｄＢとした。また、この増幅器は、７５ｄＢで増幅したあとの出力信号とノイズとの関係が重要で、周辺を含む回路の構成において増幅器のパターンレイアウトやセンサ周辺、ケーブルの配線方法等のノイズ対策を十分にしておく必要がある。ノイズの除去としては、例えば、インダクタ型ＥＭＩ（電磁界干渉）除去フィルタを挿入することにより、高周波帯域のノイズを除去することが可能である。
【００２４】
高利得増幅器１３は、使用する流体、使用流量範囲、使用圧力範囲、使用環境温度範囲等あらゆる条件を加味して、その超音波出力が最も小さい時でも検出できる電圧レベルまで増幅することができるように設定する。この高利得増幅器１３で、ノイズと受信波との区別がつくように増幅により差を顕在化させた波形が得られるようにしている。通常、増幅器を用いる場合、高利得であれば、ノイズ、歪が増し、低利得であれば、ノイズ、歪の影響が少ない傾向にある。高利得増幅器１３の増幅率としては、例えば、約８０ｄＢ以上が好ましい。本実施例では、約９０ｄＢとした。
【００２５】
この高利得増幅器１３は、超音波の到達時間を検出するための受信検知点となるゼロクロスポイントの決定のために高倍率の増幅波のひとつの波、例えば、超音波受信波の第２波を検出する。すなわち、図８に示すように、最初に到達するのは第１波、次に到達するのは第２波であり、最初に到達する第１波を検出しようとすると、無信号時（第１波検出前）のノイズレベルを十分に低減させておくことが要求される。種々条件で変化する超音波受信信号を確実に検出するためには、無信号時と比較してＳ／Ｎ比が、第１波よりも大きい第２波にする方が誤検出の可能性が少ない。そこで、高利得増幅器１３により増幅された第２波が、予め設定した電圧レベルを超えたことを検出する。検出した時点をトリガとする。ここで、第２波が検出されたとすると、次に到達する受信波は第３波であることが容易にわかる。従って、次の超音波受信信号の立下がり信号をゼロクロスポイント手段８で検出すれば、第３波のゼロクロスポイントを検出できる。
【００２６】
次に、流量の計測方法について説明する。図１において、流体の流れはＦ方向とする。先ず、流れに沿った方向（順方向）に超音波を送信した場合の到達時間を計測する。順／逆切替手段３により、送信手段４は、超音波素子１ａを選択し、一方、受信手段５は、超音波素子１ｂを選択する。送信手段４の駆動により超音波素子１ａから超音波が送信され、流路２内を横切って、超音波素子１ｂまで到達する。超音波素子１ｂから受信手段５に超音波受信信号が出力される。次に、その出力信号は、図２に示す、低雑音増幅器１２と高利得増幅器１３に入力される。
【００２７】
図３は、本発明超音波送受信装置のタイミングチャートである。図３に示すように、超音波受信信号Ｖ０は、低雑音増幅器１２で予め設定された増幅率で増幅される。その増幅された出力は、Ｖａとなってコンパレータ１４に入力される。また、同時に、高利得増幅器１３により、一定の高増幅率で反転増幅される。その出力は高利得増幅後の反転出力信号Ｖｂとなる。高利得増幅後の反転出力信号Ｖｂが、コンパレータ１７に入力され、しきい値電圧Ｖｔｈｂを超えると、第２波検出出力Ｐ２（図６参照）が得られる。この検出時点をトリガとする。これにより、ゼロクロスポイントの決定は、低雑音増幅器１２で行い、いつの時点でゼロクロスポイントを検出すればよいか決定のために超音波の到達波が届いたどうかの検出を高利得増幅器１３で行うようにしており、流体、流量、圧力、温度等環境条件が変化して超音波受信信号が小さくなっても、高利得増幅器１３により超音波受信信号を大きく増幅するため超音波の到達波が届いたことを容易に検出でき、検出したことをトリガとして、この検出の後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントの確実な検出が可能で、オートゲインコントロール回路などの複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。
【００２８】
ゼロクロスポイントの検出について説明する。第１コンパレータ１４では、増幅信号の正の波形部分（第１波、第３波、第５は）に対応してＨとなるパルスが第１コンパレータ１４の出力としてゲート回路１５に入力される。差動型の第２コンパレータ１７ではしきい値を超える波形部分（第２波）に対応してＬとなるパルスが第２コンパレータ１７の出力としてラッチ１８に入力される。
【００２９】
第２波検出出力Ｐ２がラッチ１８で一定の時間保持される。このラッチ１８からの出力信号がゲート回路１５へ入力される。ゲート回路１５により、第１コンパレータ１４の出力とゼロクロスポイントパルス発生回路１６の入力が接続された状態となる。第２コンパレータ１７で最初にしきい値を超える信号が入力されるまではゲート回路１５は、オフに維持される。ゲート回路１５によりゼロクロスポイントの検出が可能な動作状態になる。これにより、第２波検出出力信号を一定時間だけ保持するので、次の波、第３波のゼロクロスポイントの検出が容易になる。超音波到達波を検出したことをトリガ信号として出力し、この検出の後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントを確実に検出でき、超音波伝播時間の測定が確実に可能となり、回路の信号処理も簡単で、複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。
【００３０】
ラッチされたことで第２波を検出したと判断でき、増幅信号Ｖａの次の波、第３波の立下がりのゼロとなるゼロクロスポイントを検出すればよい。ゼロクロスポイントパルス発生回路１６は、第１コンパレータ１４の出力において、直後のその次のゼロとなるゼロクロスポイントに対応してＨとなるパルスをゼロクロスポイント検出信号Ｐ３として出力する。ゼロクロスポイントパルス発生回路１６が、ゼロクロスポイント検出信号Ｐ３を出力して、超音波が到達したことが判定できる。時間計測手段９で、送信開始からこの検出信号までの時間を計測すれば、順方向の到達時間Ｔｕｄが計測できる。これにより、高利得増幅器１３による増幅波が予め定めたしきい値を超えたことを検出すると、必ず、ゼロクロスポイント検出手段でゼロクロスポイントを検出できるので、ゼロクロスポイントの誤検出がなくなり、計測の信頼性が向上する。また、ゲート回路１５とゼロクロスポイントパルス発生回路１６により、第３波の立下りを検出するようにしており、直後よりもその次のゼロ点（第３波のゼロ点）とすることにより波形の傾きが立ってくるため、波形の交差するゼロ点をとらえる位置的な誤差が少ないので超音波到達の測定精度が向上し、計測の信頼性も高められる。さらに、その次の次のゼロ点（第４波）とすることもでき同様の効果を奏する。あまり後のゼロ点とすることは、傾きが緩やかになり好ましくない。
【００３１】
前記しきい値を超えることによりトリガ信号が出力された後は、高利得増幅器１３の増幅を終了させて低雑音増幅器１２の増幅波におけるゼロクロスポイントの検出に移行するようにしている。これにより、消費電流が低減でき、この種の超音波流量計は電池駆動で長期間駆動することを要求されるが、それに寄与する。
【００３２】
次に、流れに逆らう方向（逆方向）に超音波を送信した場合の到達時間を計測する。順／逆切替手段３により、送信手段４は、超音波素子１ｂを選択し、一方、受信手段５は、超音波素子１ａを選択する。送信手段４の駆動により超音波素子１ｂから超音波が送信され、流路２内を通り、超音波素子１ａまで到達する。超音波素子１ａから受信手段５に超音波受信信号が出力される。次に、その出力信号は、低雑音増幅器１２と高利得増幅器１３に入力される。以下の動作は、前述の順方向の到達時間を計測する場合と同じである。同様にして、逆方向の到達時間Ｔｄｕが計測される。
【００３３】
上記で計測された順方向の到達時間Ｔｕｄと逆方向の到達時間Ｔｄｕから流速ｖ（ｍ／ｓ）と流量Ｑ（ｍ３／ｓ）が次の式から求められる。ただし、超音波素子間の伝播距離をＬ、流路軸と超音波素子の設置軸とのなす角度をθ、流路の断面積をＳとする。
ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ）
Ｑ＝ｖ・Ｓ
【００３４】
次に、図３におけるリセットについて説明する。超音波増幅後信号Ｖａの第３波のゼロクロスポイントｃを検出することにより、ゼロクロスポイントパルス発生回路１６がゼロクロスポイント検出信号を出力し、超音波の到達を判定するとともに、ラッチ１８にリセット信号を出力し、ラッチ１８の出力保持を解除する。これにより、非動作時および第２波の非検出時、必要以上に出力信号を出力することがないので、消費電流が低減でき、かつ第２波の非検出時のゼロクロスポイントの検出がなくなり、計測の信頼性が向上する。
【００３５】
図５は、前述のリセット信号を含まない場合のタイミングチャートを示し、図７はフローチャートを示す。Ｓ１において、高利得増幅後の反転出力信号Ｖｂが、しきい値電圧Ｖｔｈｂを超えると、第２波検出出力Ｐ２が得られる。Ｓ２において、トリガ信号が出力され、ラッチ１８が一定時間ラッチされる。第２波の検出後、ラッチ１８がＬになることで、ゼロクロスポイントの検出が可能な動作状態になる。Ｓ３において、ゼロクロスポイントが検出されると、Ｓ４において、ラッチ１８が解除される。しかしながら、これが第２波を検出したのではなく、ノイズによりラッチ１８が動作したとすると、超音波増幅後信号Ｖａの第３波が到達しないためにコンパレータ１４から出力されない。このときラッチ１８の出力はオンされた状態のままになる。これを解消する必要がある。
【００３６】
図４は、高利得増幅後の反転出力信号とラッチ出力とを拡大して示すタイムチャートである。ラッチ１８の出力を保持する時間は次の通りとする。超音波周波数をｆとし、その逆数、つまり周期をｔとし、ラッチの出力を保持する時間をＴとした場合に、０．５ｔ≦Ｔ≦１ｔに設定する。この設定時間だけ出力してあれば、必ず、第３波が到達する時間にはコンパレータ１４でこの波を検出可能な状態になる。Ｓ５において、ラッチ保持時間を経過すると、ラッチ１８が解除される。ノイズによりラッチ１８がオンしても、この時間しかオンしないためノイズによる誤動作が避けられる。これにより、第２波検出後から第３波立上がり点以上、第４波の立上がり点以下までの時間は、第２波検出信号を保持することができるので、第３波のゼロクロスポイントの誤検出が低減でき、計測の信頼性が向上し、かつ非動作時には出力がオフするので消費電流も低減できる。
【００３７】
また、この高利得増幅反転出力信号は、信号が一番小さい、超音波信号の最小時に合わせて設定されるが、超音波信号が大きくなり出力が歪むような場合のために、上限、下限の電圧をクリップしてもよい。
【００３８】
また、本実施例では、低雑音増幅器１２と高利得増幅器１３とは、回路を並列に配置して、同じ超音波受信信号を入力として用いているが、図９に示すように、直列に配置して高利得増幅器１３の入力は、低雑音増幅器１２の出力としてもよい。動作は、図２と同じであり省略する。高利得増幅器１３で、超音波の到達波を検出して、その後、遅れてゼロクロスポイントを決定しており、例えば、第２波を検出し、第３波のゼロクロスポイントの決定をする場合、少なくとも一周期の半分は、同期のタイムラグは許容され、ゼロクロスポイントの決定は可能である。直列にすることにより、低雑音増幅器１２で増幅された信号が高利得増幅器１３に入力され、高利得増幅器１３の増幅率はその分だけ低くすることが可能となる。この場合、超音波信号を増幅後に、結果として、高利得増幅器１３の増幅率の方が高くなるようにしている。つまり、直列の場合、例えば、低雑音増幅器１２の増幅率が３倍、高利得増幅器１３の増幅率が２倍という場合も含む。
【００３９】
さらに、本実施例では、流体の流路２にＶ字型に対向して配置された超音波素子１ａと超音波素子１ｂを一例として示したが、例えば、超音波素子１ａを１つで、超音波を発信し、流路壁に超音波を反射させて超音波素子１ａにて受信する、反射型の超音波送受信装置としてもよい。また、測定対象は流体に限らず、例えば、液体容器の外壁に取り付けられ、容器内の液面高さを測定するレベル計にも適用可能である。この場合は、超音波送受信手段は発信した超音波を液面で反射させて自ら受信し、その伝播時間から超音波送受信手段と液面との距離を測定する。
【００４０】
以上で説明した超音波流量計では、本発明は次のように把握することもできる。
【００４１】
流路を流れる流体の流速を順方向の超音波伝搬時間と逆方向の超音波伝搬時間との差に基づいて測定することを利用してその流体の流量を測定する超音波流量計であって、
流体の流路中に超音波を送信する超音波発信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段と、
超音波発信手段から発信されて超音波受信手段で受信される超音波の出力を増幅することにより、その増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出させる低率増幅手段と、
前記低率増幅手段におけるゼロクロスポイントの決定のために、前記超音波受信手段で受信される超音波の出力を、前記低率増幅手段の増幅率より高率で増幅することにより、その高率で増幅された高率増幅波のひとつの波が所定のしきい値を超えた時点をトリガとして、前記低率増幅手段の超音波増幅波において前記ゼロクロスポイントの検出を行わせるようにする高率増幅手段と、
を含む超音波流量計。
【００４２】
上記構成により、ゼロクロスポイントの決定は、低率増幅手段で行い、いつの時点でゼロクロスポイントを検出すればよいか決定のために超音波の到達波が届いたどうかの検出を高率増幅手段で行うようにしており、流体、流量、圧力、温度等環境条件が変化して超音波受信信号が小さくなっても、高率増幅手段により超音波受信信号を大きく増幅するため超音波の到達波が届いたことを容易に検出でき、検出したことをトリガとして、この検出の後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントの確実な検出が可能で、オートゲインコントロール回路などの複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。前記低率増幅手段はフィルターをいれて雑音を回避し低雑音で増幅するようにすればさらによい。
【００４３】
また、流路を流れる流体の流速を順方向の超音波伝搬時間と逆方向の超音波伝搬時間との差に基づいて測定することを利用してその流体の流量を測定する超音波流量計であって、
流体の流路中に超音波を送信する超音波発信手段と、
送信された超音波を受信する超音波受信手段と、
超音波発信手段から発信されて超音波受信手段で受信される超音波の出力を増幅する低率増幅手段と、
前記超音波受信手段で受信される超音波の出力を、前記低率増幅手段とは別に、かつその低率増幅手段の増幅率より高率で増幅する高率増幅手段と、
その高率増幅手段で増幅された高率増幅波のひとつの波が所定のしきい値を超えたかどうかにより超音波の到達を判定する超音波到達判定手段と、
前記低率増幅手段により増幅されている低率増幅波においてその増幅された波のうちの超音波到達を示すひとつの特定波が時間軸と交差する点をゼロクロスポイントとして、超音波発信からそのゼロクロスポイント検出までの時間を超音波伝搬時間として検出することを前提として、前記超音波到達判定手段により前記高率増幅波のひとつが所定のしきい値を超えたと判定されたときに、前記低率増幅波における前記ゼロクロスポイントを検出させるためのトリガ信号を出力するゼロクロスポイント決定のためのトリガ信号出力手段と、
そのトリガ信号出力信号の出力をトリガとして、前記低率増幅手段による増幅波におけるゼロクロスポイントを、超音波伝搬時間の測定における到達時の情報として決定するゼロクロスポイント決定手段と、
を含む超音波流量計。
【００４４】
上記構成により、ゼロクロスポイントの決定は、低率増幅手段で行い、いつの時点でゼロクロスポイントを検出すればよいか決定のために超音波の到達波が届いたどうかの検出を高率増幅手段で行うようにしており、流体、流量、圧力、温度等環境条件が変化して超音波受信信号が小さくなっても、高率増幅手段により超音波受信信号を大きく増幅するため超音波の到達波が届いたことを容易に検出でき、検出したことをトリガ信号として、この検出の後にゼロクロスポイントの検出を行わせるもので、ゼロクロスポイントを確実に検出でき、超音波伝播時間の測定が確実に可能となり、回路の信号処理も簡単で、複雑な回路が不要で、コストが安くなり、計測が容易になるとともに計測時間の信頼性も向上する。これは、順方向においても逆方向においても同一のことである。前記低率増幅手段はフィルターをいれて雑音を回避し低雑音で増幅するようにすればさらによい。
【００４５】
さらに、前記ゼロクロスポイント決定手段は、前記トリガ信号出力手段からトリガ信号が出力された後、前記低率増幅手段による低雑音増幅波の、時間軸と交差するゼロ点のうち、前記トリガ信号の直後にくるゼロ点をスキップして、その次又はその次の次にくるゼロ点を前記ゼロクロスポイントとして決定する。
【００４６】
上記構成により、直後よりもその次のゼロ点又はその次の次のゼロ点とすることにより波形の傾きが立ってくるため、波形の交差するゼロ点をとらえる位置的な誤差が少ないので超音波到達の測定精度が向上し、計測の信頼性も高められる。
【００４７】
また、前記高率増幅手段による高率増幅波が前記しきい値を超えることにより前記トリガ信号が前記トリガ信号出力手段から出力された後は、前記高率増幅手段の増幅を終了させて前記低率増幅手段の増幅波におけるゼロクロスポイントの決定処理に移行する。
【００４８】
上記構成により、消費電流が低減でき、この種の超音波流量計は電池駆動で長期間駆動することを要求されるが、それに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波送受信装置の概念を示す全体構成図。
【図２】本発明の超音波送受信装置の一例を示すブロック図。
【図３】図２の例のタイミングチャート。
【図４】高利得増幅後の反転出力信号とラッチ出力とを拡大して示すタイミングチャート。
【図５】図３の他の例のタイミングチャート。
【図６】図３の他の例のタイミングチャート。
【図７】本発明に係るラッチの動作の一例を示すフローチャート。
【図８】ゼロクロスポイントの説明のための超音波信号波形図。
【図９】図２の他の実施例を示すブロック図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  超音波素子
３  順／逆切替手段
４  送信手段
５  受信手段
６  低雑音増幅手段
７  高利得増幅手段
８  ゼロクロスポイント検出手段
９  時間計測手段
１０  到達波検出手段
１２  低雑音増幅器
１３  高利得増幅器
１４  コンパレータ（第１コンパレータ）
１５  ゲート回路
１６  ゼロクロスポイントパルス発生回路
１７  コンパレータ（第２コンパレータ）
１８  ラッチ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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