(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、
前記第１振動子あるいは第２振動子の駆動を行う送信手段と、
前記第１振動子あるいは第２振動子からの信号を受信する受信手段と、
前記第１振動子あるいは第２振動子の送受信を切換える切換手段と、
前記第１振動子あるいは第２振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、
前記繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、
所定の周波数パルスを発生する第１基準クロックと、
前記超音波の送信時から受信時までの間、前記第１基準クロックを計数する第１計数手段と、
所定の周波数パルスを発生する第２基準クロックと、
この第２基準クロックの出力パルスを計数する第２計数手段と、
前記第２基準クロックより高い周波数パルスを発生する第３基準クロックと、
この第３基準クロックの出力パルスを計数する第３計数手段と、を備え、
前記超音波の受信時に立ち上がる前記第２計数手段と前記第３計数手段とを用いて、前記遅延手段で遅らせる遅延時間を計数するものとし、
前記第３計数手段は、遅延動作開始時から前記第２基準クロックの出力パルスが立ち上がるまでを計数し、前記第２計数手段は、残りの遅延時間を計数する構成とした流量計測装置。
【請求項２】
遅延手段は、第１基準クロックの出力パルスを計数する第４計数手段と、前記第１基準クロックより高い周波数パルスを発生する第３基準クロックを有し、この第３基準クロックの出力パルスを計数する第３計数手段を有し、この第３計数手段と前記第４計数手段とから演算された時間を遅延時間とするようにした請求項１記載の流量計測装置。
【請求項３】
第１基準クロックあるいは第２基準クロックの出力パルスの１周期を第３基準クロックで測定し、全体の遅延時間を補正するようにした請求項１または請求項２記載の流量計測装置。
【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などの流量を計測する流量計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の流量計測装置としては、例えば特開平１１−１０８７１８号公報に記載されているようなものがあった。図６は、前記公報に記載された従来の流量計測装置を示すものである。図６において、第１振動子１と第２振動子２はともに流体管路３に含まれる。送信部４が第１振動子１を駆動し、超音波が流体管路３を伝播する。超音波信号は第２振動子２を介して受信部５で受信される。繰り返し部６は受信部５から信号入力があると、遅延手段７を動作させ、所定の遅延時間後に送信部４、第１振動子１を介して再び超音波が流体管路３内に発射されるものであった。遅延手段７では非同期発振回路の発振出力を遅延カウンタで計数し、所定の遅延時間を設定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の流量計測装置では流量計測の分解能を高くするため、非同期発振回路の発振周波数を高くすることが必要であったため、消費電力の点で不利であった。また、非同期発振回路に用いる遅延素子としてＬ及びＲを用いたものを使用するため、温度特性が悪く、精度確保が困難であるという課題を有していた。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、消費電力を小さくし、精度も確保した流量計測装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記第１振動子あるいは第２振動子の駆動を行う送信手段と、前記第１振動子あるいは第２振動子の信号を受信する受信手段と、前記第１振動子あるいは第２振動子の送受信の切換を行う切換手段と、前記第１振動子あるいは第２振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、前記繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、所定の周波数パルスを発生する第１基準クロックと、それぞれの複数回繰り返し時間の間前記第１基準クロックを計数する第１計数手段からなり、前記遅延手段は、所定の周波数パルスを発生する第２基準クロックと、この第２基準クロックのクロックを計数する第２計数手段と、所定の周波数パルスを発生する第３基準クロックと、この第３基準クロックのクロックを計数する第３計数手段を有し、前記第２計数手段と前記第３計数手段とから演算された時間を遅延時間とするようにしたものである。
【０００５】
これによって、遅延時間の大部分は周波数の低い第２基準クロックを用い、端数の部分を周波数の高い第３基準クロックを用いるようにすることにより、精度を確保しながら、消費電力を小さくするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、流体管路に設けられ超音波信号を送受信する第１振動子及び第２振動子と、前記第１振動子あるいは第２振動子の駆動を行う送信手段と、前記第１振動子あるいは第２振動子からの信号を受信する受信手段と、前記第１振動子あるいは第２振動子の送受信を切換える切換手段と、前記第１振動子あるいは第２振動子間相互の超音波伝搬を複数回行う繰り返し手段と、前記繰り返し時に送信信号を遅らせる遅延手段と、所定の周波数パルスを発生する第１基準クロックと、前記超音波の送信時から受信時までの間、前記第１基準クロックを計数する第１計数手段と、所定の周波数パルスを発生する第２基準クロックと、この第２基準クロックの出力パルスを計数する第２計数手段と、前記第２基準クロックより高い周波数パルスを発生する第３基準クロックと、この第３基準クロックの出力パルスを計数する第３計数手段と、を備え、前記超音波の受信時に立ち上がる前記第２計数手段と前記第３計数手段とを用いて、前記遅延手段で遅らせる遅延時間を計数するものとし、前記第３計数手段は、遅延動作開始時から前記第２基準クロックの出力パルスが立ち上がるまでを計数し、前記第２計数手段は、残りの遅延時間を計数する構成としたもので、この構成によれば、遅延時間の大部分は周波数の低い第２基準クロックを用い、端数の部分を周波数の高い第３基準クロックを用いるようにすることにより、精度を確保しながら、消費電力を小さくするものである。
【０００８】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１に記載した前記遅延手段を、前記第１基準クロックの出力パルスを計数する第４計数手段と、前記第１基準クロックより高い周波数パルスを発生する第３基準クロックを有し、この第３基準クロックの出力パルスを計数する第３計数手段を有し、前記第３計数手段と前記第４計数手段とから演算された時間を遅延時間とするようにしたもので、周波数の低いクロックとして、繰り返し時間を計数する第１クロックを兼用することにより、構成を簡略化し、計測精度は維持しながら、低価格を実現するものである。
【０００９】
本発明の請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載した前記第１基準クロックあるいは前記第２基準クロックの出力パルスの１周期を前記第３基準クロックで測定し、全体の遅延時間を補正するようにしたもので、高精度の遅延時間を得ることができるものである。
【００１０】
【実施例】
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。
【００１１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における流量計測装置のブロック図を示すものである。図１において、流体管路１０の途中に超音波を送受信する第１振動子１１及び第２振動子１２が流れ方向に配置されている。１３は送信手段で、第１振動子１１あるいは第２振動子１２へ超音波を出力する。１４はトリガ手段で、送信手段１３を経て、第１振動子１１あるいは第２振動子１２を駆動させる。１５は受信手段で、第１振動子１１あるいは第２振動子１２で受信した信号を増幅する。１６は切換手段で、第１振動子１１あるいは第２振動子１２と送信手段１３あるいは受信手段１５の接続を切り換える。１７は比較手段で、内蔵する基準値と受信手段１５の出力を比較し、受信信号が基準値以上の場合に信号を出力する。１８は繰り返し手段で、比較手段１７から出力があると繰り返し信号をトリガ手段１４に送る。１９は遅延回路で、トリガ手段１４から信号があると、内蔵する第２基準クロック１９ａ、第２計数手段１９ｂ、第３基準クロック１９ｃ、第３計数手段１９ｄにより所定の遅延時間を設定する。２０は第１計数手段で、スタート手段２１から測定開始信号が出力されると第１基準クロック２２の出力を計時する。２３は流量演算手段で、第１計数手段２０の計数値と遅延手段１９の遅延時間により流量演算を行う。以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００１２】
図２は本発明の実施例１における流量計測装置の動作を示すフローチャート、図３は同タイミングを示すものである。まず、スタート手段２１が計測を開始させると、繰り返し手段１８は切換手段１６を動作させて、第１振動子１１を送信に、第２振動子１２を受信にする。すなわち、第１振動子１１を送信手段１３に接続し、第２振動子１２を受信手段１５に接続することになり、流れの方向に対して、上流側から下流側に超音波が伝搬されることになる（図２のステップ１）。
【００１３】
同時に、第１計数手段２０、第２計数手段１９ｂ及び第３計数手段１９ｄを初期化する（ステップ２）。
【００１４】
そして、繰り返し手段１８の値を初期値にし、第１計数手段２０は第１基準クロック２２の出力パルスの計数を始める（ステップ３）。また、繰り返し手段１８はトリガ手段１４を動作させ、送信手段１３はトリガ手段１４のトリガ信号によって、所定の周波数で第１振動子１１を駆動し、流体管路１０内に超音波を発射させる（ステップ４）。
【００１５】
流体管路１０内を超音波が伝搬し、第２振動子１２に所定の伝搬時間後（流体管路１０中の気体の温度と第１振動子１１と第２振動子１２の距離で決まる）に到達する。受信手段１５は、第２振動子１２で受信した超音波信号を所定の値に増幅し、比較手段１７に出力する。比較手段１７では、内蔵する基準値を比較し、増幅された受信信号が基準値以上の場合に繰り返し手段１８に信号を出力する（ステップ５）。
【００１６】
繰り返し手段１８は再びトリガ手段１４を動作させるが、同時に遅延手段１９を動作させる。これは、トリガ手段１４が送信手段１３をすぐに動作させ、流体管路１０内に超音波を発射すると、第２振動子１２において、前に発射された超音波の多重反射成分と受信波が重なってしまい、受信レベルが減衰する。そのため、多重反射成分を避ける必要があり、所定の遅延時間をおいてから、超音波を発射させねばならない。
【００１７】
トリガ手段１４から信号を受けた遅延手段１９は、内蔵する第３計数手段１９ｄを動作させ、第３基準クロック１９ｃの計数を開始すると同時に内蔵する第２計数手段１９ｂを動作させ、第２基準クロック１９ａの計数を開始させる。このとき、第２基準クロック１９ａの発振を開始させており、遅延手段１９が動作を開始する時には安定な発振となっている。第２基準クロック１９ａの発振周波数は第３基準クロック１９ｃの発振周波数よりも低く、安定な発振まで時間がかかり、周波数によっては、遅延手段１９の動作開始と同時に発振を開始させても十分に発振が安定しない場合がある。第２基準クロック１９ａの発振を開始させるタイミングは消費電力の点から、受信手段１５が超音波信号を受信させる直前が望ましく、しかも安定に発信するのに十分な時間をとる必要がある。しかしながら、第２基準クロック１９ａは受信手段１５とは非同期に動作しているので、遅延時間の計数に誤差が出る場合がある。遅延時間は、流量算出の精度を決める要因の１つであるため精度を要する。
【００１８】
図３に遅延手段１９の計時のタイミングを示す。遅延手段１９が動作を開始してから（図３のＡ点）、第２基準クロック１９ａの出力パルスの立ち上がり時点（図３のＢ点）までを、第３基準クロック１９ｃを第３計数手段１９ｄで計時し、その後、第２基準クロック１９ａを第２計数手段１９ｂで所定の回数計数する。（図３のＣ点）例えば、第２基準クロック１９ａの発振周波数を１MHz、第３基準クロック１９ｃの発振周波数を２０MHzとし、遅延時間として１５０μｓを設定したい場合、図３において、遅延手段１９の動作開始時点から第２基準クロック１９ａまでの立ち上がりまでは、第２基準クロック１９ａの半周期分、すなわち、０．５μｓを２０MHzで計測すると第３計数手段１９ｄで５０周期計数することになり、第２基準クロック１９ａの発振周波数１MHzで残りの１４９．５μｓを計数すると１４９周期分となり、遅延時間としては１４９．５μｓとなる。設定値の１５０μｓに比べて０．５μｓの差がでるが、この程度の差は、前述した多重反射成分を回避するには十分な精度で、１４９．５μｓの計数を２０MHzの精度、すなわち０．０５μｓの精度で遅延時間を設定することができる。また、遅延時間の大部分を周波数の低い第２基準クロック１９ａで設定し、第２基準クロック１９ａの端数の部分をより周波数の高い第３基準クロック１９ｃで設定できるので、低消費電力化を図ることができる（ステップ６、７、８）。
【００１９】
遅延手段１９の遅延時間設定終了でトリガ手段１４は送信手段１３を動作させ、所定の周波数で第１振動子１１を駆動し、流体管路１０内に再び超音波信号を発射させる。以降、繰り返し手段１８の繰り返し回数は設定値に達するまで、送信〜受信〜遅延を繰り返す（ステップ９、１０）。
【００２０】
繰り返し手段１８の計数が終了すると、第１計数手段２０の計時を停止する。流量演算手段２３は第１計数手段２０、第２計数手段１９ｂ、第３計数手段１９ｄの値を読み込む。次に、第２基準クロック１９ａの１周期を第３基準クロック１９ｃで測定する。このときの計数値がＫ２となり、また、第３計数手段１９ｄの計数値がＫ１になったとする。Ｋ１を第２基準クロック１９ａの１周期に正規化すると、Ｋ１／Ｋ２となる。第２計数手段１９ｂの計数値がＬとすると、遅延時間を第２基準クロック１９ａの発振周波数で合わせると、Ｌ＋Ｋ１／Ｋ２となる。さらに、第２基準クロック１９ａの発振周波数を第１基準クロック２２の発振周波数に合わせるための補正値をαとし、第１計数手段２０の計数値をＴとすると、上流側から下流側すなわち、第１振動子１１から第２振動子１２に伝搬するのに要する時間Ｔ１は、繰り返し回数をＮとするとＴ１＝（Ｔ−α（Ｌ＋Ｋ１／Ｋ２））／Ｎとなる。この値を流量演算手段２３に記憶する（ステップ１１）。
【００２１】
次に、再び、スタート手段２１が計測を開始させると、繰り返し手段１８の値を初期値にし、第１計数手段２０の計数を開始させる。また、第２計数手段１９ｂ及び第３計数手段１９ｄを初期化される。第１計数手段２０は第１基準クロック２２の出力パルスの計数を始める。同時に、繰り返し手段１８は切換手段１６を動作させて、第１振動子１１を受信側に、第２振動子１２を送信側に設定する。すなわち、第１振動子１１を受信手段１５に接続し、第２振動子１２を送信手段１３に接続し、流れの方向に対して、下流側から上流側に超音波が伝搬されることになる。（ステップ１３）以降は、上流から下流に超音波を伝搬させる場合と同様であるので、説明を割愛する。繰り返しが終了し、下流側から上流側すなわち、第２振動子１２から第１振動子１１に伝搬するのに要する時間はＴ２となる。両方向の計測が終了すれば（ステップ１２）流量演算を行うが、このとき、流体管路１０に流れがあれば下流から上流への超音波の伝搬時間は遅れるのでＴ１＞Ｔ２となる。Ｔ１とＴ２の逆数差を流量演算手段２３で求め、さらに流体管路１０の断面積や流れの状態などを考慮して流量値を演算する（ステップ１４）。
【００２２】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２における流量計測装置のブロック図を示すものである。図４において、流体管路１０の途中に超音波を送受信する第１振動子１１及び第２振動子１２が流れ方向に配置されている。１３は送信手段で、第１振動子１１あるいは第２振動子１２へ超音波を出力する。１４はトリガ手段で、送信手段１３を経て、第１振動子１１あるいは第２振動子１２を駆動させる。１５は受信手段で、第１振動子１１あるいは第２振動子１２で受信した信号を増幅する。１６は切換手段で、第１振動子１１あるいは第２振動子１２と送信手段１３あるいは受信手段１５の接続を切り換える。１７は比較手段で、内蔵する基準値と受信手段１５の出力を比較し、受信信号が基準値以上の場合に信号を出力する。１８は繰り返し手段で、比較手段１７から出力があると繰り返し信号をトリガ手段１４に送る。１９は遅延回路で、トリガ手段１４から信号があると、第１基準クロック２２と内蔵する第４計数手段１９ｅ、第３基準クロック１９ｃ、第３計数手段１９ｄにより所定の遅延時間を設定する。２０は第１計数手段で、スタート手段２１から信号から測定開始信号が出力されると第１基準クロック２２の出力を計数する。２３は流量演算手段で、第１計数手段２０の計数値と遅延手段１９の遅延時間により流量演算を行う。実施例１と異なるところは、遅延時間の設定に第１基準クロック２２を用いたところにある。
【００２３】
以上のように構成された流量計測装置について、以下その動作、作用について説明する。遅延時間の設定以外のところは実施例１と同様であるのでここでは説明を割愛する。トリガ手段１４から信号を受けた遅延手段１９は、内蔵する第３計数手段１９ｄを動作させ、第３基準クロック１９ｃの計数を開始すると同時に内蔵する第４計数手段１９ｅを動作させ、第１基準クロック２２の計数を開始させる。第１基準クロック２２はスタート手段２１が計測を開始してから計数を開始している第１計数手段２０に入力されているが、同じクロックを第４計数手段１９ｅでも計数する。図５に遅延手段１９の計時のタイミングを示す。遅延手段１９が動作を開始してから（図５のＤ点）、第１基準クロック２２の出力パルスの立ち上がり時点（図５のＥ点）までを、第３基準クロック１９ｃを第３計数手段１９ｄで計時し、その後、第１基準クロック２２を第４計数手段１９ｅで計数する（図５のＦ点）。遅延時間の設定に伝搬時間全体の計数を行うために第１基準クロック２２を兼用するため、精度を損なうことなく、構成が単純になり、安価に実現できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１、２、４に記載の発明によれば、遅延時間の設定に周波数の高いクロックと低いクロックの２つを使用するため、遅延時間の精度は周波数の高いクロックで得ることができ、遅延時間の大部分を周波数の低いクロックで計数するため、低省電力を実現できる。また、非同期の発振手段を実現するためＬやＲを用いないため、温特やばらつきの影響を少なくすることができる。
【００２５】
また請求項３記載の発明によれば、遅延時間の設定に用いるクロックを伝搬時間の計数に用いるクロックを兼用するため、構成が簡単で低コストを実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における流量計測装置の構成を示すブロック図
【図２】同装置の動作を示すフローチャート
【図３】同装置の遅延手段の計数のタイミングを示す図
【図４】本発明の実施例２における流量計測装置の構成を示すブロック図
【図５】同装置の遅延手段の計数のタイミングを示す図
【図６】従来の流量計測装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１０  流体管路
１１  第１振動子
１２  第２振動子
１３  送信手段
１４  トリガ手段
１５  受信手段
１６  切換手段
１７  比較手段
１８  繰り返し手段
１９  遅延手段
１９ａ  第２基準クロック
１９ｂ  第２計数手段
１９ｃ  第３基準クロック
１９ｄ  第３計数手段
１９ｅ  第４計数手段
２０  第１計数手段
２１  スタート手段
２２  第１基準クロック
２３  流量演算手段
【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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