(57)【要約】【課題】スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減できる超音波流量計を実現すること。【解決手段】被測定象流体が流れる測定管に超音波信号を送受する超音波変換素子を含むセンサが取り付けられた検出部と、前記センサにおける超音波信号の送受を行い前記センサの検出信号に基づいて前記被測定象流体の流量演算を行う制御部と、各部に所定の駆動用電力を供給するスイッチングレギュレータよりなる電源部とで構成された超音波流量計において、  前記制御部は同期制御信号に基づき前記センサが前記電源部のスイッチングに同期して超音波信号を送受するように制御することを特徴とするもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定象流体が流れる測定管に超音波信号を送受する超音波変換素子を含むセンサが取り付けられた検出部と、前記センサにおける超音波信号の送受を行い前記センサの検出信号に基づいて前記被測定象流体の流量演算を行う制御部と、各部に所定の駆動用電力を供給するスイッチングレギュレータよりなる電源部とで構成された超音波流量計において、
前記制御部は同期制御信号に基づき前記センサが前記電源部のスイッチングに同期して超音波信号を送受するように制御することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記同期制御信号は、前記制御部から前記電源部に供給されることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記同期制御信号は、外部から前記制御部および前記電源部に供給されることを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記電源部は、複数のイッチングレギュレータで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記制御部は、前記センサの検出信号に対して残響振動を除去するためのウォールフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、電源部から発生する周期的ノイズの影響低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計の流量測定方法としては、
ａ）伝搬時間差法
配管内に流れる流体に超音波を放射し、流体内を透過した際の上流・下流のトランスデューサの受信信号の伝搬時間差によって流量を求める
ｂ）ドップラー法や反射相関法
流体内に含まれる気泡や夾雑物からの反射信号から超音波の伝搬する測線上の流速分布を求め、流量を計算する
などがある。
【０００３】
図４は、従来から用いられている超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図４において、超音波流量計は、超音波信号の送受信を行う検出部１０と、各部の統括的な制御や信号処理などを行う制御部２０と、各部に所定の駆動用電力を供給する電源部３０で構成されている。
【０００４】
検出部１０は、被測定流体が流れる測定管１１と、測定管１１を挟むようにして測定管１１の外壁にそれぞれの超音波信号の伝搬経路が測定管１１の管軸に対して所定の角度で斜め方向に交わる位置関係で上流側と下流側に対向配置された超音波信号を送受信する超音波変換素子を含むセンサ１２、１３などで構成されている。
【０００５】
制御部２０は、送受信切替部２１、送信部２２、受信部２３、信号処理部２４、表示部２５などで構成されている。
【０００６】
送受信切替部２１は、一方のセンサ１２が送信部２２に接続されているときは他方のセンサ１３が受信部２３に接続され、一方のセンサ１２が受信部２３に接続されているときは他方のセンサ１３が送信部２２に接続されるようにセンサ１２、１３の送受を相補的に切り替える。
【０００７】
信号処理部２４は、所定のプログラムにしたがって、センサ１２、１３を所定のタイミングで駆動するための送受信タイミング信号の生成や、センサ１２、１３の検出信号に基づく流量演算などを行い、演算結果を表示部２５に出力する。
【０００８】
表示部２５は、信号処理部２４の演算結果をはじめ、作業者の操作に応じて内部にあらかじめ設定されている個々の機器に固有のパラメータなども表示する。
【０００９】
ところで、反射相関型の超音波流量計による流量計測方法では、前述のように流体内に含まれる気泡・夾雑物などからの反射信号に基づいて超音波の伝搬経路上における流速を測定し、測定管１１内の流速分布から流量を計測する。
【００１０】
ここで、気泡・夾雑物などからの反射信号は残響振動に比べて非常に小さいため、信号処理部２４において特開２０１１-１２２９１４号公報に記載されているような残響振動を除去するためのウォールフィルタ(以下WFという)処理が行われる。
【００１１】
図５は、反射相関型超音波流量計の動作を説明する波形例図である。図５（ａ）はWF処理前の受信波形であり、気泡からの反射信号の他に、センサ１２または１３が超音波を送信した際に発生する残響振動が含まれている。
【００１２】
図５（ｂ）は、図５（ａ）の受信波形から定在波としてWF処理により取り除かれる残響振動波形である。図５（ａ）の受信波形から図５（ｂ）に示す残響振動波形を取り除くことにより、図５（ｃ）に示すような気泡・夾雑物などからの反射信号が得られる。
【００１３】
信号処理部２４は、このようにして残響振動が除去された受信信号を用いて、流速や流量などの演算処理を行う。
【００１４】
特許文献１には、超音波流量計において、定在波を除去するWFの処理負荷を軽減する技術が記載されている。
【００１５】
非特許文献１には、本発明と同様な伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１１-１２２９１４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】福原  聡、外３名、「超音波流量計  ＵＳ３５０」、横河技報、横河電機株式会社、２００４年１月２０日、Ｖｏｌ．４８  Ｎｏ．１（２００４）  ｐ．２９−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
超音波流量計の小型化や高効率化を図るために、電源部３０としてスイッチングレギュレータを使用することも考えられる。
【００１９】
しかし、スイッチングレギュレータを使用すると、スイッチングレギュレータの駆動に伴って図６に示すようなスイッチング周期に同期したリップルノイズが発生し、受信波形に重畳することがある。
【００２０】
図７は、電源部３０としてスイッチングレギュレータを使用した反射相関型超音波流量計の動作を説明する波形例図である。図７（ａ）はWF処理前の受信波形であり、気泡からの反射信号を含む受信信号の他に、センサ１２または１３が超音波を送信した際に発生する残響振動と、スイッチングレギュレータの駆動に伴って発生する図６に示すようなリップルノイズも含まれている。このリップルノイズは、受信信号に対して非同期である。
【００２１】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の受信波形から定在波としてWF処理により取り除かれる残響振動波形である。図７（ａ）の受信波形から図７（ｂ）に示す残響振動波形を取り除くことにより、図７（ｃ）に示すような気泡・夾雑物などからの反射信号が得られる。
【００２２】
ところが、スイッチングレギュレータの駆動に伴って発生するリップルノイズは受信信号に対して非同期であることから、図７（ｂ）に示す残響振動波形を取り除くだけではリップルノイズまで除去することは困難であり、図７（ｃ）に示すようにリップルノイズの影響は残ってしまう。
【００２３】
リップルノイズの影響が残る波形に基づいて流速の演算処理を行うと、気泡や夾雑物からの受信信号がノイズより小さい場合には、流速が求められなくなったり、間違った値を出力するなどの問題が発生することもある。
【００２４】
この影響を回避する対策として、電源部をリップルノイズの小さいシリーズレギュレータで構成したり、電源部と制御部を電気的に隔離するなどが考えられるが、効率が低下したり、小型化が困難になるなどの新たな問題が発生する。
【００２５】
また、回路の構成を工夫したり、回路配置の最適化によってもリップルノイズの影響を低減できるが、装置形状が制約される場合にはこれらの実現は非常に難しくなる。
【００２６】
本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減できる超音波流量計を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定象流体が流れる測定管に超音波信号を送受する超音波変換素子を含むセンサが取り付けられた検出部と、前記センサにおける超音波信号の送受を行い前記センサの検出信号に基づいて前記被測定象流体の流量演算を行う制御部と、各部に所定の駆動用電力を供給するスイッチングレギュレータよりなる電源部とで構成された超音波流量計において、
前記制御部は同期制御信号に基づき前記センサが前記電源部のスイッチングに同期して超音波信号を送受するように制御することを特徴とする。
【００２８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、
前記同期制御信号は、前記制御部から前記電源部に供給されることを特徴とする。
【００２９】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の超音波流量計において、
前記同期制御信号は、外部から前記制御部および前記電源部に供給されることを特徴とする。
【００３０】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波流量計において、
前記電源部は、複数のイッチングレギュレータで構成されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波流量計において、
前記制御部は、前記センサの検出信号に対して残響振動を除去するためのウォールフィルタ処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
これらにより、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減可能な超音波流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】本発明に基づく具体的な電源部の構成例を示す説明図である。
【図３】図１の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】従来から用いられている反射相関法に基づく超音波流量計の一例を示す構成説明図である。
【図５】反射相関型超音波流量計の動作を説明する波形例図である。
【図６】スイッチングレギュレータの駆動に伴って周期的に発生するリップルノイズの説明図である。
【図７】電源部３０としてスイッチングレギュレータを使用した反射相関型超音波流量計の動作を説明する波形例図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１が図４と異なる点は、制御部２０の信号処理部２４から電源部３０に同期制御信号が供給されていて、センサ１２、１３は電源部３０のスイッチングに同期して超音波信号を送受することである。
【００３５】
制御部２０の信号処理部２４から電源部３０に供給される同期制御信号は、制御部２０の信号処理部２４をたとえばＦＰＧＡ(Fieled Programmable Gate Array)で構成することにより、任意の所望の値に設定できる。
【００３６】
図２は、本発明に基づく具体的な電源部の構成例を示す説明図である。図２において、電源部３０は、複数ｎのレベルシフタ３１と、複数ｎのプルダウン回路３２と、集積回路化された複数ｎのスイッチングレギュレータ３３とで構成されている。
【００３７】
スイッチングレギュレータ３３としては、たとえば同期制御信号などにより外部からスイッチング周波数を任意に設定できるように構成されたものを用いる。同期入力端子にはたとえば信号処理部２４で生成されたクロック信号を入力するようにし、クロック信号が入力されていない場合は集積回路規定の周波数で動作するようにプルダウン（またはプルアップ）しておく。また、クロック信号は集積回路の動作電圧にレベル変換のためにレベルシフタ３１を経由して各レギュレータ３３の同期入力端子に接続する。
【００３８】
なお、図２の実施例では、これら複数のスイッチングレギュレータ３３としてそれぞれの出力電圧が異なるものを用いているが、用途によっては出力電圧が等しいものを用いてもよい。
【００３９】
図３は図１の動作を説明するタイミングチャートであって、（ａ）は電源部３０におけるスイッチング波形を示し、（ｂ）は電源部３０におけるスイッチングノイズを示し、（ｃ）は従来の構成における超音波送信シーケンス例を示し、（ｄ）は本発明に基づく構成における超音波送信シーケンス例を示している。
【００４０】
従来の構成における超音波送信シーケンスは、図３（ｃ）に示すように、電源部３０におけるスイッチング動作に同期することなく、独立した任意のタイミングで実行されていた。
【００４１】
この結果、前述の図７（ｃ）に示すようにスイッチング動作に同期していないリップルノイズの影響が残ってしまい、高精度の演算結果が得られなくなるという問題があった。
【００４２】
これに対し、本発明によれば、超音波送信シーケンスは、図３（ｄ）に示すように、電源部３０におけるスイッチング動作の波形に同期したタイミングで実行される。
【００４３】
このように超音波送信のタイミングと電源部３０のスイッチングのタイミングを同期させることにより、電源部３０のスイッチングによって発生するノイズは電源部３０のスイッチングと同期しているため、上記の送信タイミングの制御により、送受信時のノイズは常に同じタイミングで発生することになる。
【００４４】
タイミングの制御に基づくスイッチングにより発生する図７（ｃ）に示すようなリップルノイズは、見かけ上は残響振動と同様に定在波となり、前述のWF処理により図５（ｃ）に示すように取り除くことができる。
【００４５】
すなわち、電源部３０は同期入力端子を備えるとともに、スイッチング周波数を任意に設定できるように構成されていて、同期制御信号に同期して同期制御信号のＮ倍の周波数でスイッチング電源として動作する。
【００４６】
信号処理部２４が同期制御信号に同期して超音波信号を送信することで、超音波送信信号と電源部３０のスイッチングとが同期される。
【００４７】
そして、反射相関法による超音波の受信信号は、送信から受信するまでの時間によって配管内部での流速プロファイルが決まるため、内部パラメータを変更しない限り常に送信から同じタイミングで受信信号の取得が行われる。したがって、超音波信号の送信と電源部３０のスイッチングとを同期させておけば、受信も電源部３０のスイッチングと同期されることになる。
【００４８】
なお、機器外部のノイズ源と同じ周期のクロック信号を入力してそのクロック信号に超音波の送信タイミングを同期させる機能を設け、WFで外部ノイズの影響を低減するように構成してもよい。
【００４９】
また、上記実施例では、透過型の超音波流量計について説明したが、本発明は透過型に限るものではなく、反射型の超音波流量計にも適用できる。
【００５０】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減できる超音波流量計を実現できる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  検出部
１１  測定管
１２、１３  センサ
２０  制御部２０
２１  送受信切替部
２２  送信部
２３  受信部
２４  信号処理部
２５  表示部
３０  電源部
３１  レベルシフタ
３２  プルダウン回路
３３  スイッチングレギュレータ
【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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