(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、前記可変利得アンプの出力に対応した信号を出力するレベル検知回路と、前記レベル検知回路の出力を受け前記可変利得アンプの出力をほぼ一定に制御する利得制御部と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部とを備え、前記演算部によって求めた流速が所定の流速以上になったときに、前記利得制御部が前記可変利得アンプの増幅率を所定の増幅率に固定する超音波流速計。
【請求項２】
被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部と、前記演算部によって求めた流速に応じて前記可変利得回路の増幅率を制御する利得制御部とを備えた超音波流速計。
【請求項３】
被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部と、前記可変利得アンプの出力に対応した信号を出力するレベル検知回路と、前記レベル検知回路の出力を受け前記可変利得アンプの出力をほぼ一定に制御する利得制御部とを備え、前記レベル検知回路の出力変動が所定の値以上になったときに、前記利得制御部が前記演算部によって求めた流速に応じて前記可変利得回路の増幅率を制御する超音波流速計。
【請求項４】
利得制御部がレベル検知回路出力の最大値と最小値より平均値を求め増幅率を制御する請求項３記載の超音波流速計。
【請求項５】
被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の前記超音波センサを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を動作させるトリガ信号を出力する制御部と、他方の前記超音波センサ出力を受け受信タイミングを決定するタイミング検知回路と、前記タイミング検知回路の出力を所定の遅延時間遅れて前記駆動回路のトリガ信号として出力する遅延回路と、超音波の送受信そして遅延回路で遅延時間の後に再度超音波の送受信を繰り返すという動作回数を計測し所定の回数で動作を停止する繰り返し回路と、少なくとも前記駆動回路による前記超音波センサの駆動から前記繰り返し回路の動作停止までの超音波の伝搬時間を測定するタイマと、前記タイマの値から前記一対の超音波センサ間の流速を演算によってもとめる演算部とを備え、前記遅延回路を測定の直前に所定時間動作させる超音波流速計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体や液体の超音波流速計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波流速計は、図８に示すようなものが一般的であった。この装置は流体の流れる測定経路１に設置した超音波センサ２と、超音波センサ２を駆動する駆動回路３と、駆動回路３にスタート信号を出力する制御部４と、超音波の伝播時間を測定するタイマ５と、タイマ５から測定データを受け取る演算部６と、超音波センサ２から送信した超音波を受ける超音波センサ７と、超音波センサ７の出力を利得制御回路８の出力に応じた増幅率で増幅する可変利得アンプ９と、可変利得アンプ９の出力と基準電圧とを比較し大小関係が反転したときにタイマ５を停止させるタイミング検知回路１０と、可変利得アンプ９の出力レベルを検知し利得制御回路８に出力するレベル検知回路１１とを有していた。
【０００３】
そして、上記超音波流速計は、制御部４からスタート信号を受けた駆動回路３が超音波センサ２を一定時間パルス駆動を行うと同時にタイマ５は制御部４からの信号によってに時間計測始める。パルス駆動された超音波センサ２からは超音波が送信される。超音波センサ２から送信した超音波は被測定流体中を伝搬し超音波センサ６で受信される。超音波センサ７の受信出力は、可変利得アンプ９において制御部４が設定した増幅率によって増幅される。そして可変利得アンプ９の出力を受けたタイミング検知回路１０で超音波の受信を判定しタイマ５を停止させる。そして制御部４ではタイマ５から得た時間情報ｔから（式１）によって流速を求める。
【０００４】
（タイマ５から得た測定時間をｔ、超音波センサ間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。）
ｖ＝（Ｌ／ｔ）−ｃ ・・・（式１）
タイミング検知回路１０はコンパレータによって基準電圧と受信信号を比較するようになっていた。
【０００５】
受信信号は、緩やかに立ち上がる波形となっており、超音波センサの温度特性や、流速によって受信信号のレベルは変化する。その前記基準電圧と受信信号のレベルが適正でないとタイミング検知回路１０の動作は安定せず測定精度が悪くなる。そこで、可変利得アンプ９の出力を受けているレベル検知回路１１は入力信号のピークレベルを監視しており、ピーク値が小さいあるいは大きい場合に利得制御部８へ出力を行う。利得制御部８は可変利得アンプ９の増幅率をレベル検知回路１１からの信号に対応し可変利得アンプ９の出力がほぼ一定となるように設定する。そして次の受信信号は可変利得アンプ９で目標の信号レベルへと増幅され、タイミング検知回路１０に与えられる。このようにタイミング検知回路１０へ与える信号のピークをほぼ一定とすることによって、受信時間の判定を行うタイミングを安定化していた。
【０００６】
また、他の測定方法としてタイミング検知回路１０の判定結果をタイマ５ではなく、遅延回路で一定時間遅延させた後に駆動回路３に返し、再度送信を行う場合もあった。このような繰り返し動作を決められた回数行い時間を測定し、その測定時間を元に（式２）の計算によって流速を求める方法もあった。
【０００７】
（遅延回路の遅延時間をＴｄ、繰り返しの回数をｎ、測定時間をｔｓ、超音波センサ間の流れ方向の有効距離をＬ、音速をｃ、被測定流体の流速をｖとする。）
ｖ＝Ｌ／（ｔｓ／ｎ−Ｔｄ）−ｃ  ・・・（式２）
この方法によれば（式１）の方法に比べ精度よく測定することができる。
【０００８】
また、超音波センサ２と超音波センサ７とを切り替え、被測定流体の上流から下流と下流から上流へのそれぞれの伝搬時間を測定し、（式３）より速度ｖを求める方法もある。
（上流から下流への測定時間時間をｔ１、下流から上流への測定時間時間をｔ２とする）
ｖ＝Ｌ／２（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））・・・（式３）
この方法によれば音速の変化の影響を受けずに流度を測定することが出来るので、流速・流量・距離などの測定に広く利用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の超音波流速計では、測定流速が早くなると超音波の伝播経路に渦などの乱れが発生し、受信信号が短い時間で大きく変動するようになる。その結果可変利得アンプの増幅率を適正な増幅率に設定できず常に変動するようになる。このため大流量での正確な測定が困難であり、早い流速を精度よく測定するという課題があった。
【００１０】
また、遅延回路の遅延時間の精度は測定精度にそのまま影響を与えるので、高精度の遅延時間をもつ遅延回路の実現が課題であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、前記可変利得アンプの出力に対応した信号を出力するレベル検知回路と、前記レベル検知回路の出力を受け前記可変利得アンプの出力をほぼ一定に制御する利得制御部と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部とを備え、前記演算部によって求めた流速が所定の流速以上になったときに、前記利得制御部が前記可変利得アンプの増幅率を所定の増幅率に固定する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に係る超音波流速計は被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、前記可変利得アンプの出力に対応した信号を出力するレベル検知回路と、前記レベル検知回路の出力を受け前記可変利得アンプの出力をほぼ一定に制御する利得制御部と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部とを備え、前記演算部によって求めた流速が所定の流速以上になったときに、前記利得制御回路が前記可変利得アンプの増幅率を所定の増幅率に固定する。
【００１３】
そして、流速が早くなると前記可変利得アンプの増幅率を所定の増幅率に固定するので、流れの変化による乱れや渦によって、増幅率が変化することがなく安定した測定を行うことができる。このため、流速計測を安定して精度良く行うことができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る超音波流速計は被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部とを有するものである。
【００１５】
そして、前記利得制御部が前記演算部で求めた流速に応じて前記可変利得回路の増幅率を制御するので、早い流速で生じる渦などによる受信信号の低下や、超音波の干渉によって起こる受信信号の変動を確実に補正し正確な流速測定を行うことができる。
【００１６】
本発明の請求項３に係る超音波流速計は被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の超音波センサを駆動する駆動回路と、他方の超音波センサで受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプと、前記可変利得アンプの出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路と、超音波の伝播時間を測定するタイマと、前記タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部と、前記可変利得アンプの出力に対応した信号を出力するレベル検知回路と、前記レベル検知回路の出力を受け前記可変利得アンプの出力をほぼ一定に制御する利得制御部とを有するものである。
【００１７】
そして前記レベル検知回路の出力変動が所定の値以上になったときに、前記利得制御部が前記演算部によって求めた流速に応じて前記可変利得回路の増幅率を制御するので、流速の変動によって発生する渦や、大流量で生じる渦などによる受信信号の低下や、超音波の干渉によって起こる受信信号の変動を確実に補正し正確な流速測定を行うことができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係る超音波流速計は前記利得制御部が前記レベル検知回路出力の最大値と最小値より平均値を求め増幅率を制御するので、流速が早い場合に伝播経路に発生する渦などによって受信信号が安定しないときでも、適正な受信感度に前記可変利得アンプの増幅率を設定するので、流速が早い場合でも安定した測定を精度良く測定できる。
【００１９】
本発明の請求項５に係る超音波流速計は 被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサと、一方の前記超音波センサを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を動作させるトリガ信号を出力する制御部と、他方の前記超音波センサ出力を受け受信タイミングを決定するタイミング検知回路と、前記タイミング検知回路の出力を所定の遅延時間遅れて前記駆動回路のトリガ信号として出力する遅延回路と、超音波の送受信そして遅延回路で遅延時間の後に再度超音波の送受信を繰り返すという動作回数を計測し所定の回数で動作を停止する繰り返し回路と、少なくとも前記駆動回路による前記超音波センサの駆動から前記繰り返し回路の動作停止までの超音波の伝搬時間を測定するタイマと、前記タイマの値から前記一対の超音波センサ間の流速を演算によってもとめる演算部とを有するものである。
【００２０】
そして前記遅延回路を測定の直前に所定時間動作させ、前記遅延回路の動作初期の不安定な動作を事前に行い、計測時の動作を安定にすることができるので、安定した時間測定ができ、正確な流速測定を行うことができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の超音波流速計のブロック図である。また図２は受信信号の受信タイミングをあらわす図である。
【００２３】
図１において、本発明の超音波流速計は流路１と、被測定流体中に配置され超音波を送受信する一対の超音波センサ１２、１３と、超音波センサ２を駆動する駆動回路１４と、駆動回路１４を動作させるトリガ信号と駆動回路１４の駆動開始位相を１８０°変化させる位相制御信号とを出力する制御部１５と、他方の超音波センサである超音波センサ１３の受信信号を前記位相制御信号に応じ立ち上がりあるいは立ち下がりでなおかつ所定の電位のとき受信タイミングを決定するタイミング検知回路１６と、少なくとも駆動回路１４による超音波センサ１２の駆動からタイミング検知回路１６が受信タイミングを決定するまでの超音波の伝搬時間を測定するタイマ１７と、異なる駆動開始位相で測定した複数のタイマ１７の値から超音波センサ間の流速を演算によってもとめる演算部１８とを有するものである。
【００２４】
そして制御部１５は駆動回路１４へ位相制御信号とトリガ信号を出力する。トリガ信号をうけた駆動回路１４は位相制御信号に応じた駆動開始位相で超音波センサ１２を駆動し超音波を送信する。この超音波を超音波センサ１３で受信し、タイミング検知回路１６に受信信号を出力する。タイミング検知回路１６では位相制御信号に応じ立ち上がりあるいは立ち下がりで受信検知を行う。トリガ信号の発生と同時に時間計測を開始したタイマ１７は受信検知と同時に停止し、超音波の伝播時間を計測する。タイマ１７の時間から演算部１８は（式１）より流速を求める。
【００２５】
たとえば位相制御信号がＬＯのとき、駆動回路１４が超音波センサ１２を駆動開始位相０°で駆動開始しタイミング検知回路１６は超音波受信信号の位相が０°の時の立ち上がりでタイミング検知する。次に位相制御信号がＨＩのときに前記駆動回路１４が超音波センサ１２を駆動開始位相を１８０°で駆動開始し、受信タイミング検知回路１６は超音波受信信号の位相が０°の時の立ち下がりでタイミングを検知する。
【００２６】
図２に示すように２つの受信タイミングの中心は、受信波形振幅の真の中心（位相０°か１８０°）となるので、振幅や波形が変化しても変わらない。そこで本装置では位相制御信号を変え２回の測定をし、その測定結果を平均することによって、振幅や波形の変化あるいはタイミング検知回路のもつオフセットに影響されない正確な受信タイミングの検知をおこない、正確な測定を行う事ができる。
【００２７】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の超音波流速計のブロック図である。
【００２８】
図３において、本発明の超音波流速計流路１と、被測定流体中に配置され超音波を送受信する超音波センサ１２、１３と、超音波センサ１２を駆動する駆動回路１４と、駆動回路１４を動作させるトリガ信号を出力する制御部１５と、超音波センサ１３の受信信号を前記位相制御信号に応じた変化方向でかつ所定の電位のとき受信タイミングを決定するタイミング検知回路１６と、タイミング検知回路１６の出力を駆動回路１４のトリガ信号として駆動回路１４へ出力しかつその回数を計測し所定の回数で動作を停止する繰り返し回路１９と、駆動回路１４へ駆動開始位相を180°変化させる位相制御信号を前記繰り返し回路１９の計測する繰り返し回数に応じて変え出力する位相制御回路２０と、少なくとも駆動回路１４による超音波センサの駆動から前記繰り返し回路の動作停止までの超音波の伝搬時間を測定するタイマ１７と、前記タイマ１７の値から超音波センサ間の流速を演算によってもとめる演算部１８とを有するものである。
【００２９】
そして、タイミング検知回路１６の出力を駆動回路１４に出力し再度前記超音波センサ１２を駆動することにより、超音波の伝搬を前記繰り返し回路１９にあらかじめ設定した回数行い、その合計の時間をタイマ１７で測定する構成となっている。この複数回超音波を伝播させる中で、位相制御回路２０が繰り返し回数に応じて位相制御信号を駆動回路１４とタイミング検知回路１６へ出力する。駆動回路１４は位相制御信号によって駆動位相を変更し送信し、タイミング検知回路１６も位相制御信号に対応した受信タイミングを検知する。このため２回の測定を行ない演算によって平均化する必要がなく、正確な流速を求めることができる。
【００３０】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の超音波流速計のブロック図である。
【００３１】
図４において、本発明の超音波流速計は流路１と、被測定流体中に配置され超音波を送受信するの超音波センサ１２、１３と、超音波センサ１２を駆動する駆動回路１４と、超音波センサ１３で受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプ２１と、可変利得アンプ２１の出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路１６と、可変利得アンプ２１の出力に対応した信号を出力するレベル検知回路２２と、レベル検知回路２２の出力を受け可変利得アンプ２１の出力をほぼ一定に制御する利得制御回路２３と、超音波の伝播時間を測定するタイマ１７と、タイマ１７から得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部１８とを備え、演算部１８によって求めた流速が所定の流速以上になったときに、利得制御回路２３が可変利得アンプ２１の増幅率を所定の増幅率に固定する。
【００３２】
そして、流速が早くなると可変利得アンプ２１の増幅率を所定の増幅率に固定するので、流れの変化による乱れや渦による受信信号のふらつきによって増幅率が変化することがなく安定した測定を行うことができる。このため、早い流速の計測を安定して精度良く行うことができる。
【００３３】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の超音波流速計のブロック図である。
【００３４】
図５において、本発明の超音波流速計は流路１と、被測定流体中に配置されたの超音波センサ１２、１３と、超音波センサ１２を駆動する駆動回路１４と、超音波センサ１３で受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプ２１と、可変利得アンプ２１の出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路１６と、超音波の伝播時間を測定するタイマ１７と、タイマから得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部１８と、可変利得アンプ２１の出力に対応した信号を出力するレベル検知回路２２と、レベル検知回路２２の出力を受け可変利得アンプ２１の出力をほぼ一定に制御する利得制御回路２３とを有するものである。
【００３５】
そして利得制御回路２３が前記演算部で求めた流速に応じて可変利得回路２１の増幅率を制御するので、早い流速で生じる渦などによる受信信号の低下や、超音波の干渉によって起こる受信信号の変動を確実に補正し正確な流速測定を行うことができる。
【００３６】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５の超音波流速計のブロック図である。
【００３７】
図６において、本発明の超音波流速計は流路１と、被測定流体中に配置され超音波を送受信する超音波センサ１２、１３と、超音波センサ１２を駆動する駆動回路１４と、超音波センサ１３で受信した受信信号を設定された増幅率で増幅する可変利得アンプ２１と、可変利得アンプ２１の出力から受信タイミングを判定するタイミング検知回路１６と、超音波の伝播時間を測定するタイマ１７と、タイマ１７から得たデータをもとに流速を演算によって求める演算部１８と、可変利得アンプ２１の出力に対応した信号を出力するレベル検知回路２２と、レベル検知回路２２の出力を受け可変利得アンプ２１の出力をほぼ一定に制御する利得制御回路２３とを有するものである。
【００３８】
そしてレベル検知回路２２の出力変動が所定の値以上になったときに、利得制御回路２３が演算部１８によって求めた流速に応じて可変利得アンプ２１の増幅率を制御するので、流速の変動によって発生する渦や、大流量で生じる渦などによる受信信号の低下や、超音波の干渉によって起こる受信信号の変動を確実に補正し正確な流速測定を行うことができる。
【００３９】
また、利得制御回路が前記レベル検知回路出力の最大値と最小値から平均値を求め増幅率を制御するので、流速が早い場合に伝播経路に発生する渦などによって受信信号が安定しないときでも、適正な受信感度に前記可変利得アンプの増幅率を設定するので、流速が早い場合でも安定した測定を精度良く測定できる。
【００４０】
（実施例６）
図７は本発明の実施例６の超音波流速計のブロック図である。
【００４１】
図７において、本発明の超音波流速計は流路１と、被測定流体中に配置され超音波を送受信する超音波センサ１２、１３と、前記超音波センサ１２を駆動する駆動回路１４と、駆動回路１４を動作させるトリガ信号を出力する制御部１５と、超音波センサ１３の受信信号を受け受信タイミングを決定するタイミング検知回路１６と、タイミング検知回路１６の出力を所定の遅延時間遅れて駆動回路１４のトリガ信号として出力する遅延回路２４と、超音波の送受信そして遅延回路２４で遅延時間の後に再度超音波の送受信を繰り返すという動作回数を計測し所定の回数で動作を停止する繰り返し回路１９と、少なくとも駆動回路１４による超音波センサ１２の駆動開始から前記繰り返し回路１９の動作停止までの超音波の伝搬時間を測定するタイマ１７と、前記タイマ１７の値から前記一対の超音波センサ間の流速を演算によってもとめる演算部１８とを有するものである。
【００４２】
そして遅延回路２４を測定の直前に所定時間動作させ、遅延回路２４の動作初期の不安定な動作を事前に行い、計測時の動作を安定にすることができるので、安定した時間測定ができ、正確な流速測定を行うことができる。
【００４３】
【発明の効果】
本願発明の超音波流速計によると、利得制御部が演算部で求めた流速に応じて前記可変利得回路の増幅率を制御するので、早い流速で生じる渦などによる受信信号の低下や、超音波の干渉によって起こる受信信号の変動を確実に補正し正確な流速測定を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１における超音波流速計の全体のブロック図
【図２】  同流速計における受信信号の受信タイミングをあらわす図
【図３】  本発明の実施例２における超音波流速計の全体のブロック図
【図４】  本発明の実施例３における超音波流速計の全体のブロック図
【図５】  本発明の実施例４における超音波流速計の全体のブロック図
【図６】  本発明の実施例５における超音波流速計の全体のブロック図
【図７】  本発明の実施例６における超音波流速計の全体のブロック図
【図８】  従来の超音波流速計の全体のブロック図
【符号の説明】
１２  超音波センサ
１３  超音波センサ
１４  駆動回路
１５  制御部
１６  タイミング検知回路
１７  タイマ
１８  演算部
１９  繰り返し回路
２０  位相制御回路
２１  可変利得アンプ
２２  レベル検知回路
２３  利得制御回路
２４  遅延回路
【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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【図８】
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