(57)【要約】【課題】  常に安定した高い検出精度を確保した超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路、およびこれを用いた超音波流量計を提供する。【解決手段】  到達時間検出用回路２は、圧電素子からなる各超音波センサＢ１，Ｂ２から超音波の受信に応じて発生される電荷を電圧信号に変換して出力するチャージアンプ３と、このチャージアンプから出力される電圧信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路５とを備えている。そして、流体が流れる流路内に一対の超音波センサＢ１，Ｂ２を所定距離だけ離間した状態で互いに対向配置するとともに、上記の時間検出用回路２を設けて超音波流量計１を構成している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子からなる超音波センサと、この超音波の受信に応じて前記超音波センサから発生される電荷を電圧信号に変換して出力するチャージアンプと、このチャージアンプから出力される電圧信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、を備えることを特徴とする超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路。
【請求項２】
請求項１記載の超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路を備えてなり、２つの前記超音波センサが流体が流れる流路内に所定距離だけ離間した状態で互いに対向配置されていることを特徴とする超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路、およびこれを用いた超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波流量計には、図６に示すように、圧電振動子からなる一対の超音波センサＢ１，Ｂ２を備え、ガス、液体等の流体が流れる流路内において、一方の超音波センサＢ１を上流側（図中左側）に、他方の超音波センサＢ２を下流側（図中右側）に所定距離Ｌだけ離間した状態で互いに対向配置した構成のものがある。なお、この場合の各超音波センサＢ１，Ｂ２は、超音波の送信と受信の双方の機能を有している。
【０００３】
ここで、流体が一定速度で流れているとしたとき、各超音波センサＢ１またはＢ２に励振用パルスを印加して超音波を送信する。その際、上流側の超音波センサＢ１から送信された超音波が下流側の超音波センサＢ２で受信されるまでに要した時間をｔ１、下流側の超音波センサＢから送信された超音波が上流側の超音波センサＡで受信されるまでに要した時間をｔ２とすると、ｔ１＜ｔ２となり、両時間ｔ１，ｔ２の差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）が流体の流速ｖにほぼ比例している。したがって、上記の時間差Δｔを検出することにより、流体の流速ｖを計測でき、さらに、流路の断面積が既知であれば、流速ｖから流量を計測することができる。
【０００４】
ところで、上記の超音波流量計において、超音波センサＢ１，Ｂ２を励振して送信される超音波は一般に振幅を繰り返す波形になるので、この超音波を受信した側の超音波センサＢ１またはＢ２から出力される受信信号も振幅を繰り返す波形となる。このため、受信側では、受信信号のどの時点を超音波を受信した時刻とみなすかが問題となる。
【０００５】
この場合、超音波センサＢ１，Ｂ２が超音波を受信した直後の時刻を検出することは実際上は難しいので、超音波センサＢ１，Ｂ２から出力される受信信号があるピークを過ぎてから逆のピークに向かうときに信号レベルが零になる時点（いわゆるゼロクロス点）を検知して受信時刻とすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、超音波センサＢ１，Ｂ２から出力される受信信号は比較的微弱であるので、従来は、図７に示すように、受信信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路５の前段に演算増幅器Ａｍｐ１と抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを組み合わせてなる電圧増幅回路４を設け、超音波センサＢ１またはＢ２から出力される受信信号を、この電圧増幅回路４で増幅した後にゼロクロス点検出回路５に与えるようにしている。なお、Ｃ１は超音波センサＢ１，Ｂ２に電圧増幅回路４を接続するための結合用コンデンサである。
【０００７】
いま、流体の流れが停止していて流量が零の場合を想定すると、各々の超音波センサから超音波を送信してから、その後にゼロクロス点検出回路５で受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した各時間の差Δｔは、本来ならば零になるはずである。ところが、実際には、各々の超音波センサＢ１，Ｂ２が受信した超音波を電気信号に変換した後、この受信信号がゼロクロス点検出回路５に入力されるまでの間に固有の時間差（以下、オフセット時間という）Δ１，Δ２を生じる。
【０００８】
これには次の要因が考えられる。まず、各超音波センサＢ１，Ｂ２は、板状の圧電体の両面に電極を形成して構成されているため、２つの電極間に静電容量が存在する。また、超音波センサＢ１，Ｂ２と電圧増幅回路４との間には抵抗値が存在する。そのため、超音波センサＢ１，Ｂ２からゼロクロス点検出回路５の入力端子までの間に静電容量と抵抗からなる遅延回路が形成され、これがオフセット時間Δ１，Δ２を生じさせる。
【０００９】
そして、個々の超音波センサＢ１，Ｂ２に付随して生じるオフセット時間Δ１，Δ２が互いに異なると、たとえ流量が零であっても上記の時間差Δｔは零にはならず誤差が残る。すなわち、各々の超音波センサＢ１，Ｂ２が超音波を送信してからゼロクロス点検出回路によって受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要する時間はそれぞれ（ｔ１＋Δ１），（ｔ２＋Δ２）となるので、両者の時間差Δｔは、
Δｔ＝（ｔ２＋Δ２）−（ｔ１＋Δ１）
＝（ｔ２−ｔ１）−（Δ２−Δ１）                              （１）
となる。つまり、流量が零でｔ２＝ｔ１であっても時間誤差Δｅ（＝Δ２−Δ１）が残ることになる。
【００１０】
このように、超音波流量計を構成する各超音波センサＢ１，Ｂ２のオフセット時間Δ１，Δ２の存在によって時間誤差Δｅが生じると、流体の流量を精度良く計測することができない。したがって、このような時間誤差Δｅを極力小さくする必要がある。
【００１１】
そのため、従来技術では、各超音波センサＢ１，Ｂ２の電極の一部をトリミングして両超音波センサＢ１，Ｂ２が保有する静電容量Ｃ１，Ｃ２が互いに略一致するように調整する、いわゆるペアリングを行っている。
【００１２】
【特許文献１】特許第２６５６３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術のように、各超音波センサＢ１，Ｂ２についてペアリングを行えば、両超音波センサＢ１，Ｂ２が保有する各静電容量Ｃ１，Ｃ２を略一致させることができるため、オフセット時間Δ１，Δ２を互いに近付けることができ、ある程度まで時間誤差Δｅを小さくすることが可能である。
【００１４】
しかしながら、このようなペアリングを行う際には、各超音波センサＢ１，Ｂ２の電極をトリミングするとともに、トリミング後の両者の静電容量が一致しているか否かをその都度計測せねばならず、調整に極めて手間がかかるばかりでなく、装置のコストアップの要因となっている。
【００１５】
しかも、ペアリングによって各超音波センサＢ１，Ｂ２の静電容量を仮に一致させることができたとしても、各々の超音波センサＢ１，Ｂ２に接続される配線とグランドとの間に浮遊容量が存在し、これらの浮遊容量の値が異なる場合がある。そのときには、依然として個々の超音波センサＢ１，Ｂ２に付随して生じるオフセット時間Δ１，Δ２が異なったものになるので、時間誤差Δｅが残ることになる。
【００１６】
また、特許文献２に記載されているチャージアンプを用いる従来回路は、圧電素子からの出力信号の振幅を大きくして検出感度を高めるためのものであって、前述のオフセット時間Δ１，Δ２の影響を可能な限り小さくすることを意図したものではない。したがって、この従来技術では、超音波センサの受信信号のゼロクロス点を検出して時間差Δｔを求める場合の時間誤差Δｅを可及的に低減して装置の検出精度を高めようとする点で未だ不十分である。
【００１７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、超音波センサのオフセット時間の影響を少なくして時間誤差を可及的に低減し、常に安定した高い検出精度を確保した超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路、およびこれを用いた超音波流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路は、圧電素子からなる超音波センサと、この超音波の受信に応じて前記超音波センサから発生される電荷を電圧信号に変換して出力するチャージアンプと、このチャージアンプから出力される電圧信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出回路と、を備えることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２記載の発明に係る超音波流量計は、請求項１記載の超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路を備えてなり、２つの前記超音波センサが流体が流れる流路内に所定距離だけ離間した状態で互いに対向配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の発明に係る超音波センサにおける超音波の到達時間検出用回路によれば、超音波センサの静電容量の違いや、超音波センサに接続される配線や浮遊容量が異なっている場合であっても、チャージアンプからはそのような遅延要因の影響が除かれた電圧信号が出力されるので、ゼロクロス点を検出する際に各超音波センサに付随したオフセット時間の違いによる影響を有効に除くことができる。
【００２１】
請求項２記載の発明に係る超音波流量計によれば、ゼロクロス点を検出する際に各超音波センサに付随したオフセット時間の違いによる影響が有効に除かれているので、超音波を正逆の方向にそれぞれ送受信するのに要した各時間の差を求める際に生じる時間誤差を可及的に低減することができる。このため、流体の流量を従来に比べて一層精度良く計測することができる。
【００２２】
しかも、超音波センサの電極をトリミングするなどのペアリング調整等は不要となるため、装置のコストダウンを図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１はこの実施の形態における超音波流量計の全体構成を示すブロック図、図２は同流量計を構成する到達時間検出用回路の具体的構成を示す回路図である。
【００２４】
この実施の形態におけるの超音波流量計１は、ガス、液体等の流体が流れる図示しない流体管内に配置された一対の超音波センサＢ１，Ｂ２を備えている。両超音波センサＢ１，Ｂ２は板状の圧電体の両面に電極を形成してなる圧電振動子からなるもので、例えば一方（図中左側）の超音波センサＢ１は流体管の上流側の内壁に、他方（図中右側）の超音波センサＢ２は流体管の下流側の内壁にそれぞれ所定距離だけ離間した状態で互いに対向して取り付けられている。
【００２５】
両超音波センサＢ１，Ｂ２には、第１切換回路ＳＷ１および第２切換回路ＳＷ２が接続されている。両切換回路ＳＷ１，ＳＷ２は、後述の演算制御回路７の制御によって相補的に切り換えられるもので、例えば一方の超音波センサＢ１に第１切換回路ＳＷ１が接続されたときには、他方の超音波センサＢ２に第２切換回路ＳＷ２が接続され、また、他方の超音波センサＢ２に第１切換回路ＳＷ１が接続されたときには、一方の超音波センサＳＷ１に第２切換回路ＳＷ２が接続されるようになっている。
【００２６】
第１切換回路ＳＷ１の共通接点には超音波センサＢ１，Ｂ２を励振駆動する駆動パルスを発生する駆動パルス発生回路６が接続されている。一方、第２切換回路ＳＷ２の共通接点には、到達時間検出用回路２および演算制御回路７が順次接続されている。そして、時間検出用回路２は、チャージアンプ３、電圧増幅回路４、およびゼロクロス点検出回路５を備えており、チャージアンプ３の出力側に電圧増幅回路４が結合コンデンサＣ１を介して接続され、さらに電圧増幅回路４の出力側にゼロクロス点検出回路５が接続されている。
【００２７】
チャージアンプ３は、超音波センサＢ１，Ｂ２の静電容量の違いや超音波センサＢ１，Ｂ２に接続される配線や浮遊容量といった遅延要因の影響を受けることなく超音波センサＢ１，Ｂ２からの発生電荷を電圧信号にそのまま変換して出力するもので、演算増幅器Ａｍｐ２と、この演算増幅器Ａｍｐ２の反転入力端子（−）と出力端子との間に接続された帰還コンデンサＣ２と、この帰還コンデンサＣ２に並列に接続された帰還抵抗Ｒ５とからなる。なお、演算増幅器Ａｍｐ２の非反転入力端子（＋）はグランドに接続されている。また、電圧増幅回路４は、従来と同様、演算増幅器Ａｍｐ１と複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４とを組み合わせて構成されている。
【００２８】
ゼロクロス点検出回路５は、受信信号のゼロクロス点を検出するもので、この回路自体は周知のものである。また、演算制御回路７は、例えばマイクロコンピュータで構成されており、駆動パルス発生回路６に対して駆動パルス発生のトリガ信号を出力するとともに、第１，第２スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２の切り換え制御を行う。さらに、この演算制御回路７は、駆動パルス発生回路６に対してトリガ信号を出力した後、ゼロクロス点検出回路５で各受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した時間を計測し、その計測結果に基づいて流体の流量を算出するようになっている。
【００２９】
上記構成の超音波流量計１において、流体管内に流れるガスや液体などの流体の流量を計測する場合の動作について説明する。
【００３０】
まず、一方の超音波センサＢ１から超音波を送信するために、この超音波センサＢ１に第１切換回路ＳＷ１が接続され、また、他方の超音波センサＢ２に第２切換回路ＳＷ２が接続される。
【００３１】
この状態で演算制御回路７から駆動パルス発生回路６に対してトリガ信号が与えられると、これに応じて駆動パルス発生回路６から駆動パルスが発生されて第１切換回路ＳＷ１を介して一方の超音波センサＢ１に加わるので、この超音波センサＢ１から超音波が他方の超音波センサＢ２に向けて送信される。
【００３２】
そして、他方の超音波センサＢ２で超音波が受信されると、この超音波センサＢ２からは受信した超音波の大きさに応じた電荷が発生され、この発生電荷が到達時間検出用回路２のチャージアンプ３に加わる。
【００３３】
チャージアンプ３は、超音波センサＢ１，Ｂ２の静電容量の違いや超音波センサＢ１，Ｂ２に接続される配線や浮遊容量といった遅延要因の影響を受けることなく超音波センサＢ１，Ｂ２からの発生電荷を電圧信号にそのまま変換して出力する。つまり、超音波センサＢ１，Ｂ２の静電容量の違いや、これに接続される配線や浮遊容量の違いによってチャージアンプ３から出力される電圧信号のレベルは変化するが、時間軸で見た場合にチャージアンプ３からはこれらの遅延要因の影響を受けない電圧信号が出力される。
【００３４】
こうして、チャージアンプ３から出力される電圧信号は、電圧増幅回路４で増幅された後、ゼロクロス点検出回路５に受信信号として加わるので、ゼロクロス点検出回路５は、この受信信号のゼロクロス点を検出する。したがって、この受信信号のゼロクロス点は、既にチャージアンプ３によって遅延要因の影響が除かれていることになる。そして、ゼロクロス点検出回路５の検出出力は次段の演算制御回路７に与えられる。
【００３５】
同様に、他方の超音波センサＢ２から超音波を送信する場合には、他方の超音波センサＢ２に第１切換回路ＳＷ１が接続され、また、一方の超音波センサＳＷ１に第２切換回路ＳＷ２が接続される。そして、駆動パルス発生回路６からの駆動パルスによって超音波センサＢ２から超音波が一方の超音波センサＢ１に向けて送信される。
【００３６】
そして、一方の超音波センサＢ１で超音波が受信されると、この超音波センサＢ１からは受信した超音波の大きさに応じた電荷が発生され、この発生電荷が時間検出用回路２に加えられる。その後の到達時間検出用回路２の信号処理動作は上述した説明と同じである。
【００３７】
演算制御回路７は、駆動パルス発生回路６に対してトリガ信号を出力して上流側の超音波センサＢ１から送信された超音波が下流側の超音波センサＢ２で受信された後、ゼロクロス点検出回路５で受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した時間ｔ１と、駆動パルス発生回路６に対してトリガ信号を出力して下流側の超音波センサＢ２から送信された超音波が上流側の超音波センサＢ１で受信された後、ゼロクロス点検出回路６で受信信号のゼロクロス点が検出されるまでに要した時間ｔ２とをそれぞれ計測する。
【００３８】
引き続いて、演算制御回路７は、こうして計測した両時間ｔ１，ｔ２の差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）を求める。この場合、各計測時間ｔ１，ｔ２には、各超音波センサＢ１，Ｂ２に付随した遅延要因によって生じるオフセット時間Δ１，Δ２の影響が除かれているので、前述の（１）式で示した時間誤差Δｅは極めて小さくなり、正確な時間差Δｔが算出されることになる。したがって、この時間差Δｔに基づいて従来よりも一層精度良く流量が算出されることになる。
【実施例】
【００３９】
任意に抽出した２個一組の超音波センサＢ１，Ｂ２を多数（ここでは４７組）作り、各１組の超音波センサＢ１，Ｂ２を用いて図２に示した本発明の到達時間検出用回路２を有する超音波流量計１と、従来の到達時間検出用回路（図７）を有する超音波流量計をそれぞれ構成した。なお、この場合、各組の超音波センサＢ１，Ｂ２についてペアリングは行っていない。
【００４０】
そして、本発明と従来の各超音波流量計を用いて、流体の流速が零の状態の下で、超音波を正逆の方向に送受信するのに要した各時間ｔ１，ｔ２を計測して、前述の（１）式に示したように両者の時間差（以下、到達時間差という）Δｔを計測した。その結果を図３に示す。
【００４１】
図３から明らかなように、本発明の到達時間検出用回路２を有する超音波流量計１で計測した到達時間差Δｔのばらつき（同図（ａ））は、従来装置で計測した到達時間差Δｔのばらつき（同図（ｂ））に比較して極めて小さい。
【００４２】
また、一対の超音波センサＢ１，Ｂ２の静電容量差ΔＣと超音波の到達時間差Δｔとの関係を、本発明の場合と従来の場合とについてそれぞれ調べた。その結果を比較して図４に示す。
【００４３】
図４から明らかなように、本発明の到達時間検出用回路２を有する超音波流量計１で到達時間差Δｔを計測する場合、一対の超音波センサＢ１，Ｂ２間の静電容量差ΔＣの違いに影響されることなく到達時間差Δｔは略一定の値を示す。これに対して、従来装置で到達時間差を計測する場合、一対の超音波センサＢ１，Ｂ２間の静電容量差の違いによって到達時間差Δｔも大きく影響されることが分かる。しかも、従来装置の場合は、一対の超音波センサＢ１，Ｂ２間の静電容量差ΔＣによる到達時間差Δｔのばらつきも大きい。
【００４４】
超音波センサＢ１，Ｂ２の静電容量は温度依存性があり、したがって、温度によってオフセット時間Δ１，Δ２が大きくなって到達時間差Δｔに影響を及ぼすことが考えらる。そこで、常温時の到達時間差を基準にして、温度を−３０℃〜７０℃の範囲で変化させ、そのときの本発明と従来の各超音波流量計を用いた場合の到達時間差Δｔの変化量を調べた。その結果を図５に示す。
【００４５】
図５から明らかなように、本発明の到達時間検出用回路２を有する超音波流量計１で計測した到達時間差Δｔの変化量（同図（ａ））は、従来装置で計測した到達時間差Δｔの変化量（同図（ｂ））に比較して極めて小さい。具体的には従来では標準偏差σが１．９あるが、本発明では標準偏差σが０．９と小さくなる。したがって、本発明に係る超音波流量計は、到達時間差Δｔの温度依存性を従来の１／３程度に低減することができる。このように、本発明の受信信号検知回路を有する超音波流量計は、温度変化の影響も受け難く、一層有利であることが理解される。
【００４６】
なお、従来技術では、圧電素子を各種の検出センサとして使用する場合、この圧電素子からの出力信号は電荷の変化として現れるので、この電荷の変化を増幅して電圧変化として出力するチャージアンプを設けたものがある。
【００４７】
しかしながら、この場合のチャージアンプは、本発明のように、超音波センサのオフセット時間の影響を少なくして時間誤差の発生を無くすことを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波流量計の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同流量計を構成する到達時間検出用回路の具体的構成を示す回路図である。
【図３】本発明の到達時間検出用回路を備えた超音波流量計を用いた場合と従来装置を用いた場合について、それぞれ超音波の到達時間差のばらつきを調べた結果を示す正規分布図である。
【図４】本発明の到達時間検出用回路を備えた超音波流量計と従来装置とについて、一対の超音波センサの静電容量差と超音波の到達時間差との関係を調べた結果を比較して示す特性図である。
【図５】本発明の到達時間検出用回路を備えた超音波流量計を用いた場合と従来装置を用いた場合について、それぞれの超音波の到達時間差のばらつきの温度依存性を調べた結果を示す正規分布図である。
【図６】超音波流量計を用いて流体の流量を計測する場合の原理説明図である。
【図７】従来の超音波センサにおける到達時間検出用回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    超音波流量計
Ｂ１，Ｂ２  超音波センサ
２    到達時間検出用回路
３    チャージアンプ
５    ゼロクロス点検出回路
【図１】
2005172518.tif 000003
【図２】
2005172518.tif 000004
【図３】
2005172518.tif 000005
【図４】
2005172518.tif 000006
【図５】
2005172518.tif 000007
【図６】
2005172518.tif 000008
【図７】
2005172518.tif 000009