(57)【要約】【課題】小型で安価な超音波式流量計を実現するため、コンパレータ１つでゼロクロス時間を検出できる方法、および装置を提供する。【解決手段】超音波受信波形に含まれるノイズレベルよりも十分高い位置もしくは低い位置にコンパレータの閾値電圧を設定し、コンパレータ出力の立ち上がりエッジと立下りエッジ両方の時間を検出し、それぞれの時間の平均値を計算することで受信波形の極大ピーク時間と極小ピーク時間を獲得し、さらに、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで、受信波形のゼロクロス時間を獲得することを特徴とした超音波式流量計。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体に対して超音波を発信し、超音波受信波のゼロクロス時間を用いて流体の流速もしくは流量を測定する装置において、該ゼロクロス時間検出手段としてコンパレータを備え、該コンパレータの所定閾値電圧における超音波受信波形のコンパレータ出力の上昇エッジと下降エッジの時間を連続的に検出し、両者の平均値を順次計算することにより受信波形の極大ピーク時間および極小ピーク時間を獲得し、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで受信波形のゼロクロス時間を求めるゼロクロス時間検出手段を搭載したことを特徴とする超音波式流量計。
【請求項２】
該流体の流れる配管中にお互いに超音波の送受信ができるように配置した超音波振動子２つを具備し、流体の流れに対して順方法、逆方向に超音波の送受信を実施して獲得されるゼロクロス時間の差から流体の流速もしくは流量を測定する装置である、請求項１に記載の超音波式流量計。
【請求項３】
流体に対して発信した超音波の受信波のゼロクロス時間をコンパレータを用いて検出し、流体の流速もしくは流量を測定する方法において、コンパレータの所定閾値電圧における超音波受信波形のコンパレータ出力の上昇エッジと下降エッジの時間を連続的に検出し、両者の平均値を順次計算することにより受信波形の極大ピーク時間および極小ピーク時間を獲得し、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで受信波形のゼロクロス時間を求めることを特徴とする超音波式の流量測定方法。
【請求項４】
コンパレータを備え、超音波の受信波のゼロクロス時間を検出する回路において、コンパレータの所定閾値電圧における超音波受信波形のコンパレータ出力の上昇エッジと下降エッジの時間を連続的に検出し、両者の平均値を順次計算することにより受信波形の極大ピーク時間および極小ピーク時間を獲得し、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで受信波形のゼロクロス時間を求める手段を備えることを特徴とするゼロクロス時間検出回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により、流体の流量を測定する装置に関するものである。さらに詳細には、例えば医療目的で使用される酸素濃縮器から送り出されたサンプルガスの流量測定に適する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流れる配管中に２つの超音波振動子を対向させて配置し、流体の流れに対して順方向、逆方向への超音波送受信を実施した際に得られる超音波の伝播時間の差を元に、流体の流速、もしくは流量を測定する超音波式流量計に関しては、様々な提案が行われている。例えば流体の流れに対して順逆双方向への超音波送受信を実施して測定する超音波の伝播時間の差としては、受信超音波のゼロクロス時間を検出し、その差を用いる方法が「超音波便覧」（第８章  超音波計測、１９９９年発行  丸善株式会社）に記載されている。該ゼロクロス時間を検出する方法としては、受信波形のゼロレベルには各種ノイズ成分が含まれているため、特開平６−１３７８５０に記載されているように、受信波形の振幅がノイズレベルを上回るように設定された閾値を越えた後のゼロクロス点を検出する方法が一般的である。該方法を実現するためには、受信波形が閾値を超えたことを検出するためのコンパレータと、ゼロクロス時間を検出するためのコンパレータがそれぞれ必要となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１３７８５０号公報
【非特許文献１】
「超音波便覧」第８章  超音波計測、１９９９年発行  丸善株式会社
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型で安価な超音波式流量計を実現するため、コンパレータ１つでゼロクロス時間を検出できる方法、および装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、流体の流れる配管中に対向させて配置した超音波振動子を具備し、流体の流れに対して順方法、逆方向に超音波の送受信を実施して獲得されるゼロクロス時間の差から流体の流速もしくは流量を測定する装置において、１つのコンパレータのみを搭載し、該コンパレータの閾値電圧の絶対値を超音波受信波形に含まれるノイズレベルよりも十分高い位置に設定し、コンパレータ出力の立ち上がりエッジと立下りエッジ両方の時間を検出し、それぞれの時間の平均値を計算することで受信波形の極大ピーク時間と極小ピーク時間を獲得し、さらに、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで、受信波形のゼロクロス時間を獲得できることを見出したものである。
【０００６】
すなわち本発明は、流体に対して超音波を発信し、超音波受信波のゼロクロス時間を用いて流体の流速もしくは流量を測定する装置において、該ゼロクロス時間検出手段としてコンパレータを備え、該コンパレータの所定閾値電圧における超音波受信波形のコンパレータ出力の上昇エッジと下降エッジの時間を連続的に検出し、両者の平均値を順次計算することにより受信波形の極大ピーク時間および極小ピーク時間を獲得し、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで受信波形のゼロクロス時間を求めるゼロクロス時間検出手段を搭載したことを特徴とする超音波式流量計を提供するものである。
【０００７】
また本発明は、かかる流体の流れる配管中にお互いに超音波の送受信ができるように配置した超音波振動子２つを具備し、流体の流れに対して順方法、逆方向に超音波の送受信を実施して獲得されるゼロクロス時間の差から流体の流速もしくは流量を測定する装置である超音波式流量計を提供するものである。
【０００８】
また本発明は、流体に対して発信した超音波の受信波のゼロクロス時間をコンパレータを用いて検出し、流体の流速もしくは流量を測定する方法において、コンパレータの所定閾値電圧における超音波受信波形のコンパレータ出力の上昇エッジと下降エッジの時間を連続的に検出し、両者の平均値を順次計算することにより受信波形の極大ピーク時間および極小ピーク時間を獲得し、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで受信波形のゼロクロス時間を求めることを特徴とする超音波式の流量測定方法を提供するものである。
【０００９】
さらに本発明は、超音波の受信波のゼロクロス時間をコンパレータを用いて検出し、コンパレータの所定閾値電圧における超音波受信波形のコンパレータ出力の上昇エッジと下降エッジの時間を連続的に検出し、両者の平均値を順次計算することにより受信波形の極大ピーク時間および極小ピーク時間を獲得し、該極大ピーク時間と該極小ピーク時間の平均時間を算出することで受信波形のゼロクロス時間を求めることを特徴とするゼロクロス時間検出回路を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施態様の例を示す。
本実施例における超音波式流量計は気体用超音波流量計であり、その構成は図１に示すとおりである。サンプルガスの流れる配管１の中に超音波振動子２を対向させて配置し、該超音波振動子２の送受信を切り替える切り替え器４、該超音波振動子２に超音波送信パルスを伝えるドライバ５、超音波受信波形のゼロクロス時間を検出するためのコンパレータ６、サンプルガスのゼロクロス時間と、該ゼロクロス時間の差から流量を算出するためのマイクロコンピュ−タ７を備える。
【００１１】
超音波振動子２の配置方法は図１に示した方法に限定されるものではなく、例えば特開昭６３−１７３９２０に示された方法のように、配管１に対して斜めに設置する方法であっても良い。超音波振動子の対向配置とは、２つの超音波振動子が互いに発信した超音波を受信できる位置に向かい合って配置することを意味し、配管が直管で振動子が平行に配置する例を示したが、配管はＵ字管など曲がっていても良い。
【００１２】
さらに、本発明におけるゼロクロス時間検出方法は気体用の超音波流量計のみではなく、液体用流量計や、ゼロクロス時間の検出を必要とするその他の超音波計測装置にも容易に適用できる。
【００１３】
まず、マイクロコンピュータ７から、超音波送信用のパルスがドライバ５、送受信切り替え器４を介して、選択された超音波振動子２に印加される。発信された超音波は反対側の超音波振動子２によって受信され、受信信号が送受信切り替え器４を介してコンパレータ６に送られる。
【００１４】
図２に、超音波受信波形の一例を示す。本実施例における超音波受信波形に含まれるノイズレベルは、最大で±０．０５Ｖであったため、コンパレータ６の閾値電圧は、＋０．１Ｖとした。コンパレータの閾値電圧は、＋側の設定に限定されるものではなく、−側に設定した場合においても容易に実現できる。
【００１５】
図３に、コンパレータ６に入力される受信波形信号と、コンパレータ出力の関係を模式的に示した。図３に示すとおり、コンパレータ６の立ち上がりエッジにて得られる時間をそれぞれＴｕ１、Ｔｕ２、・・・、Ｔｕ（ｎ）とし、立下りエッジにて得られる時間をＴｄ１、Ｔｄ２、・・・、Ｔｄ（ｎ）とする。ここで、受信波形の極大ピーク時間Ｔｐ１、極小ピーク時間Ｔｎ１はそれぞれ次式で求めることができる。
Ｔｐ１＝（Ｔｕ１＋Ｔｄ１）／２      −−−−−−−−−−  式（１）
Ｔｎ１＝（Ｔｄ１＋Ｔｕ２）／２      −−−−−−−−−−  式（２）
【００１６】
次の極大ピーク時間Ｔｐ２，  Ｔｐ３，  ・・・，  Ｔｐ（ｎ）や、極小ピーク時間Ｔｎ２，  Ｔｎ３，・・・，Ｔｎ（ｎ）も式（１）、（２）と同様に求めることが可能であり、それぞれの関係を図４に示す。さらに、極大ピーク時間Ｔｐ１，  Ｔｐ２，  ・・・，  Ｔｐ（ｎ）と、極小ピーク時間Ｔｎ１，  Ｔｎ２，・・・，Ｔｎ（ｎ）を用いることで、受信波形の降下側のゼロクロス時間Ｚｃｄ１と、上昇側ゼロクロス時間Ｚｃｕ１は次式によって求めることが可能である。
Ｚｃｄ１＝（Ｔｐ１＋Ｔｎ１）／２    −−−−−−−−−−  式（３）
Ｚｃｕ１＝（Ｔｎ１＋Ｔｐ２）／２    −−−−−−−−−−  式（４）
【００１７】
もちろん、Ｚｃｄ２、Ｚｃｄ３、・・・、Ｚｃｄ（ｎ）やＺｃｕ２、Ｚｃｕ３、・・・、Ｚｃｕ（ｎ）も式（３）、（４）と同様に求めることが可能であり、それぞれの関係を図５に示す。
【００１８】
以上の方法により、コンパレータ１つを用いることで特別な信号処理等を使用することなく、受信超音波のゼロクロス時間を容易に検出することが可能となる。上記処理は、サンプルガスの流れに対して順逆双方向に実施され、それぞれで獲得されたゼロクロス時間の差を求めることによって、サンプルガスの流量が計算され、結果は表示器８に表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波式流量計の構成を示す概略図。
【図２】超音波受信波形の一例。
【図３】受信波形とコンパレータ出力の関係。
【図４】コンパレータ出力と極大、極小ピーク時間との関係。
【図５】極大、極小ピーク時間とゼロクロス時間との関係。
【符号の説明】
１  配管
２  超音波振動子
３  温度センサ
４  送受信切り替え器
５  ドライバ
６  コンパレータ
７  マイクロコンピュ−タ
８  表示器
９  不揮発性メモリ
【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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