(57)【要約】【課題】  本発明は、良好なＳＮ比を確保することのできる超音波流量計の送受信回路、及びその送受信回路の制御方法を提供する。【解決手段】  超音波流量計の送受信回路は、超音波流量計の超音波コンバータに接続するための超音波コンバータインターフェース、第１の入力端子及び第２の入力端子を有するアンプ、及び前記超音波コンバータを起動させる信号発生装置を有すると共に、前記アンプの第１の入力端子が前記信号発生装置に接続され、前記アンプの第２の入力端子が前記超音波コンバータインターフェース及びフィードバック素子を介して前記アンプの出力端子の両方に接続される。前記フィードバック素子のインピーダンスは可変可能であり、超音波流量計の作動モードに前記送受信回路を適応させるもので、特に送信モード又は受信モードに適応させるので、全体的に改善されたＳＮ比を得ることができる。また、前記回路の制御方法が開示される。【選択図】  図１
2005338078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波コンバータを有する超音波流量計の送受信回路において、
前記超音波コンバータに接続するためのインターフェース、前記第１の入力端子及び第２の入力端子を有するアンプ、及び前記超音波コンバータを起動する信号発生装置を有し、
前記アンプの第１の入力端子が前記信号発生装置に接続され、
前記アンプの第２の入力端子が前記超音波コンバータのインターフェース及びフィードバック素子を介して前記アンプの出力端子の両方に接続され、
前記フィードバック素子が可変可能なインピーダンスを有することを特徴とする送受信回路。
【請求項２】
前記フィードバック素子のインピーダンスを選択的に制御するセレクタユニットを有することを特徴とする請求項１記載の送受信回路。
【請求項３】
前記フィードバック素子は、電気スイッチ、電位計、又は光電子カプラーであることを特徴とする請求項２記載の送受信回路。
【請求項４】
前記フィードバック素子は、前記超音波コンバータのインターフェースを介して検出される信号には高いインピーダンスで対応し、信号発生装置によって発生される信号に対しては低いインピーダンスで対応する非線形装置であることを特徴とする請求項２記載の送受信回路。
【請求項５】
前記非線形装置は、少なくとも一つの抵抗と２つのダイオードを具備する回路であることを特徴とする請求項４記載の送受信回路。
【請求項６】
前記アンプは、非反転入力端子と反転入力端子を有し、前記非反転入力端子が前記第１の入力端子を構成し、且つ前記反転入力端子が第２の入力端子を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の送受信回路。
【請求項７】
前記請求項１又は２記載の送受信回路を有する超音波流量計。
【請求項８】
超音波コンバータに接続される超音波コンバータインターフェース、第１の入力端子及び第２の入力端子を有するアンプ及び信号発生装置を有し、前記アンプの第１の入力端子が前記信号発生装置に接続されると共に、前記アンプの第２の入力端子が前記超音波コンバータインターフェース及びフィードバック素子を介して前記アンプの出力端子の両方に接続され、且つ前記超音波コンバータが前記信号発生装置によって作動される超音波流量計の送受信回路システムの制御方法において、
前記フィードバック素子のインピーダンスを選択的に制御することを特徴とする送受信回路の制御方法。
【請求項９】
前記送受信回路は、前記信号発生装置が前記超音波コンバータに電圧信号を供給し、前記フィードバック素子のインピーダンスを低い値に設定する送信モードと、前記電圧信号が前記超音波コンバータに供給されず且つ前記フィードバック素子のインピーダンスが高い値に設定される受信モードとを交互に繰り返すことを特徴とする請求項８記載の送受信回路の制御方法。
【請求項１０】
前記送受信回路は、前記送受信モードの代わりとして、前記信号発生装置が超音波コンバータに電圧信号を供給し、フィードバック素子のインピーダンスをより高い値に設定するリフレクタンスモードにおいて制御されることを特徴とする請求項８又は９記載の送受信回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波コンバータを超音波流量計に接続するための超音波コンバータインターフェース、第１の入力端子及び第２の入力端子を有するアンプ、及び前記超音波コンバータを起動する信号発生装置を有すると共に、前記アンプの第１の入力端子が前記信号発生装置と接続されると同時に前記アンプの第２の入力端子が前記超音波コンバータインターフェース及びフィードバック素子を介して前記アンプの出力端子の両方と接続される超音波流量計の送受信回路システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計の作動において、超音波は、計測チューブを通過する流体媒体の速度及び流量を測定するために使用される。媒体流から得ることのできるパラメータは、例えば、ランタイム差、周波数変化、及び位相ずれを含む。その意味において、超音波コンバータは、連続した又はパルス形状の超音波を流媒体に発信し、反射信号を受信する。超音波流量計測が本質的に基礎とする原理は、一つは、超音波の伝搬速度が、超音波が流媒体を伝搬する間に変化するといういわゆるプリング効果であり、他の一つは、送信機及び受信機がお互いに相対的に移動する間に周波数が変化するドップラー効果である。
【０００３】
超音波流量計は、通常、流方向にお互いが相対的にずれて配置され且つ送信モード及び受信モードが交替する２つ超音波コンバータを装備するので、一方の超音波コンバータによって送信された超音波が、所定の間隔で流媒体を通過し、前記他方の超音波コンバータによって受信されることになる。
【０００４】
上述したことから明らかなように、超音波流量計の送信を司ると同時に受信動作も行うことができなければならない回路である超音波流量計の送受信回路システムは、所定の要求を満足させなければならない。特に、上記タイプの送受信回路は、送信モード及び受信モードの両方において、所定の性能、安定性及び受容可能なＳＮ比を確保しなければならない。問題は、送受信が回路システムに関して、お互いに異なる要求を有するという事実、送信モードにおいて信号発生装置が電圧信号を発生させて超音波コンバータに供給し、超音波コンバータが超音波を流媒体に送ることができ、受信モードにおいては超音波信号が発生され発信されず、超音波信号の最高の受信能力が確保されなければならないという事実において存在する。
【０００５】
超音波流量計の従来の送受信回路システムは、この問題について十分に取り組んでいるとは言えない。特に、それらは、十分なＳＮ比を得ることに失敗している。
【特許文献１】特開平８−１４９６４号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７０５５号公報
【特許文献３】特開２００５−９９０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それゆえに、本発明の目的は、良好なＳＮ比を確保することのできる超音波流量計の送受信回路、及びその送受信回路の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような送受信回路に関して、この目的はフィードバック素子のインピーダンスを変化させる能力によって達成される。
【０００８】
この発明の発展した形態において、送受信回路の性能、特にＳＮ比が、送受信回路の異なる作動モードに対してフィードバック素子のインピーダンスを適合させることによって十分に改善できることが発見された。信号発生装置が電圧信号を発生させ、これらを超音波コンバータの入力ポートに接続された超音波コンバータに送電する送信モードにおいて、フィードバック素子のインピーダンスは、相対的に低い値に減じられることが望ましく、これによって良好な送信性能が達成される。他方で、受信モードでは、フィードバック素子のインピーダンスは、フィードバック素子のインピーダンスの増加率が、利得ファクタが大きくなればなるほど大きくなるので、それに伴ってより高い値に上昇されることが望ましい。
【０００９】
さらに、信号発生装置が電圧信号を発生させ且つ前記超音波コンバータにそれを供給するリフレクタンスモードにおいて前記システムを作動することができる。しかしながら、このモードは、計測動作を意図したものではなく、例えば前記超音波流量計に装着された超音波導波管における伝達時間を設定し、全てのコンバータ及びケーブルが適切に接続されたかどうかを確認し、前記コンバータの性能パラメータをチェックし、又は計測チューブを流れる媒体によって反射される信号が受信されたことを確認するという用途をテストするために意図されたものである。このリフレクタンスモードの間、信号発生装置が電圧信号を発生し且つ供給し、送受信回路は反射された信号を受信して処理しなければならない。したがって、リフレクタンスモードにおいてフィードバック素子のより高いインピーダンスで作業することが望まれる。
【００１０】
フィードバック素子のインピーダンスの変動は、異なる方法に置いて達成することができる。この発明の一方の好ましい具体例は、フィードバック素子のインピーダンスを制御するセレクタユニットを用いるものである。特に、この発明の好ましい例において、フィードバック素子として電気スイッチ、電位形若しくは光電カブラーを使用することができる。前記フィードバック素子は、送信モードにおける相対的に低いインピーダンス、受信モードの比較的高いインピーダンス及びリフレクタンスモードにおけるより高いインピーダンスの選択ができるように設計される。
【００１１】
フィードバック素子のためのセレクタユニットの代わりとして、前記フィードバック素子は、非線形装置の形であっても良い。前記フィードバック素子として働く非線形装置は、ある意味で、超音波コンバータポートを介して受信される信号がより高いインピーダンスを作り、且つ信号発生装置によって発生される信号がより低いインピーダンスを作るように設計されることが望ましい。それゆえに、前記非線形装置は、その設計によって、非線形装置が、信号が受信されないが電圧信号が送られる送信モードと、信号が受信されるが電圧信号が発生され且つ送られない受信モードにおけるような状態間で異なるインピーダンスを自動的に作り出すことから、所定の制御条件を要求しない。
【００１２】
この発明の好ましい具体例において、前記非線形装置は、複数のダイオードと少なくとも一つの抵抗を有する回路であることがのぞましい。特に、一対のお互いに向かい合う並列接続されたダイオードと、これらダイオードに並列に接続された抵抗とを組み込んだ回路構成であることが望ましい。
【００１３】
最後に、この発明の好ましい具体例において、前記アンプは、非反転入力端子と反転入力端子を有すると共に、前記非反転入力端子が第１の入力端子として働き、反転入力端子が第２の入力端子として働くことが望ましい。
【００１４】
上述した目的を達成する超音波流量計の送受信回路の作動に関する上記方法は、フィードバック素子のインピーダンスが選択的に制御されることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、送信モード及び受信モードの各々に関して異なるインピーダンスを自動的に選択するような上述された非線形装置のようなフィードバック素子でない場合、フィードバック素子のインピーダンスは積極的な介入によって制御される。
【００１６】
送受信回路システムを作動させる方法のより好ましい具体例において、前記送受信回路が送信と受信とを交互に実行するので、送信モードにおいて信号発生装置は信号を超音波コンバータに供給し、フィードバック素子のインピーダンスを低い値に合わせると同時に、受信モードにおいて超音波コンバータに信号を供給せずフィードバック素子のインピーダンスをより高い値に合わせる。
【００１７】
この発明の好ましい具体例において、送受信モードに代えて、送受信回路は、前記信号発生装置が信号を前記超音波コンバータに供給し、前記フィードバック素子のインピーダンスをより高い値に設定するリフレクタンスモードにおいて作動することもできる。
【００１８】
全体的に見て、本願発明は、全ての動作モードにおいて同一の入力及び出力インピーダンスを得ることができるので、超音波流量計の高められた動作を可能にする。その上、それは、送受信回路の動作に関する新規な方法と同時に本願発明による送受信回路を形成し且つ発展させる大きな可能性を提示する。これに関連して、図面を参照することによって、従属クレーム及び本願発明の好ましい具体例に関する下記する詳細な説明に注意を促すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、超音波流量計の概念原理を示した概略構成図である。それは、流体媒体を流す計測チューブ２に相互にオフセットして配置された２つの超音波コンバータ１を有する。図１に示されるものは、２つの超音波コンバータ１によって限定され且つ計測チューブ２の縦軸、計測チューブ２を通過して流れる媒体の流方向に対して９０度で延出する断面平面を有する円筒状の計測チューブの断面図に対応する。
【００２０】
前記２つの超音波コンバータ１は、それぞれが、送受信回路に接続する接続ポート３を有する。下記に、これら接続ポート３に接続される本願発明の好ましい具体例にかかる送受信回路を記載する。
【実施例１】
【００２１】
図２は、本願発明の実施例１に係る超音波流量計のために設計された送受信回路を示す。それは、前記超音波コンバータ１がポート３を介して接続される超音波コンバータインターフェース４を有する。また、オペアンプ５は、第１の入力端子である非反転入力端子６及び第２の入力端子である反転入力端子７、同様に出力端子８を有する。前記オペアンプ５の非反転入力端子６は、超音波流量計の送信モード及びリフレクタンスモードにおいて電圧信号を発生させ且つ供給する信号発生装置９に接続される。前記オペアンプ５の反転入力端子７は、抵抗１０を介して前記超音波コンバータインターフェース４に接続されると共に、フィードバック素子１１を介して前記オペアンプ５の出力端子８と接続される。
【００２２】
このケースにおいて前記フィードバック素子１１は、そのインピーダンスを選択できるように設計されている。これによって、前記フィードバック素子１１は、例えば、電気的スイッチ、電位形又は光電カプラーであることが望ましい。セレクタユニット１２は、下記するように前記フィードバック素子１１を選択的に制御する。
【００２３】
送信モードにおいて、前記信号発生装置９は、超音波コンバータ１が、流媒体に超音波信号を放射することができるように、電圧信号を発生させ且つ供給し、セレクタユニット１２は前記フィードバック素子１１のインピーダンスを制御し、インピーダンスを低い値に降下させ、最大の送信出力性能を可能にする。しかし、信号発生装置９が電圧信号を発生及び供給せず且つ重要な唯一の側面が超音波コンバータ１によって検出された信号を受信し且つ増幅させることである超音波流量計の受信モードにおいては、前記セレクタユニット１２はフィードバック素子のインピーダンスをより高い値に合わせる。フードバック素子１１のインピーダンスが増加されるので、オペアンプ５の利得は、強い信号及びこれによって改善されたＳＮ比が得られる点まで増加される。
【００２４】
さらに、信号発生装置９が電圧信号を発生させ且つそれを前記超音波コンバータに供給するいわゆるリフレクタンスモードにおいて前記回路を作動させることができる。前記リフレクタンスモードは、測定することを意図せずテストすることを目的とするものであるが、これによって、例えば超音波流量計に装着された超音波導波管における伝搬時間が上記に記載されたように決定されることが可能となる。この概念は、前記信号発生装置９が、反射信号が計測されるように、電圧信号を発生させ且つ供給すると共に、反射信号の受信及び増幅が、セレクタユニット１２がフィードバック素子１１を、そのインピーダンスを高い値に合わせるという方法で制御することを可能とするものであり、その理由については上記受信モードに関連して既に記載してある。
【実施例２】
【００２５】
図３は、本願発明の第２の実施例に係る超音波流量計のための送受信回路を表している。この送受信回路は、フィードバック素子１１を制御するために設けられたセレクタユニット１２を除いて図２に示された本願発明の第１の実施例と本質的に同一である。本願発明の第２の実施例におけるフィードバック素子１１が、非線形装置の形であることから、前述したようなセレクタユニットは必要ないものである。
【００２６】
具体的に言うと、前記フィードバック素子１１は、図４で示される非線形装置として設計される。一対の並列に接続されたお互いに向かい合ったダイオード１４，１５と、これらに並列に接続された抵抗１３とによって、非線形装置が構成され、信号が超音波コンバータインターフェース４を介して信号が検出された時に高いインピーダンスが現れ、信号が信号発生装置９によって発生された時に低いインピーダンスが現れる。前記抵抗１３及び前記ダイオード１４，１５は、リフレクタンスモードにおける妥協解に設定されるので、十分な送信能力及び十分な利得因子を確保できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】２つの超音波コンバータ御及びそれらが接続されるポートを具備した超音波流量計の原理を示した概略構成図である。
【図２】本願発明の第１の好ましい具体例による超音波流量計のための送受信回路の概略構成図である。
【図３】本願発明の第２の好ましい具体例による超音波流量計のための送受信回路の概略構成図である。
【図４】本願発明の第２の好ましい具体例による送受信回路のためのフィードバック素子を構成する非線形装置の例を図示したものである。
【符号の説明】
【００２８】
１  超音波コンバータ
２  計測チューブ
３  ポート
４  超音波コンバータインターフェース
５  オペアンプ
６  非反転入力端子（第１の入力端子）
７  反転入力端子（第２の入力端子）
８  出力端子
９  信号発生装置
１０  抵抗
１１  フィードバック素子
１２  セレクタユニット
１３  抵抗
１４，１５  ダイオード
【図１】
2005338078.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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