超音波流量計
【課題】ゼロクロス電圧のドリフト変化に対して影響を受けにくく、超音波伝播時間を正確に測定できる超音波流量計を提供する。
【解決手段】流体が流れる流路に超音波素子を設ける。送信側の超音波素子には、一定周期の駆動信号を印加する。受信側の超音波素子から出力される受信信号と、駆動信号との位相差を検出することにより、超音波が流路を伝播する時間を求める。受信信号は、一定周期を持つ波形なので、ゼロクロス電圧のドリフト変化による影響を受けにくい。
【解決手段】流体が流れる流路に超音波素子を設ける。送信側の超音波素子には、一定周期の駆動信号を印加する。受信側の超音波素子から出力される受信信号と、駆動信号との位相差を検出することにより、超音波が流路を伝播する時間を求める。受信信号は、一定周期を持つ波形なので、ゼロクロス電圧のドリフト変化による影響を受けにくい。
【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するものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−２３９８６８号公報
【０００３】
従来から、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用して流速を測定する超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波素子（超音波送受信素子）を設け、超音波の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波素子から発信された超音波が流れ方向下手側の超音波素子に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、流れ方向下手側の超音波素子から発信された超音波が流れ方向上手側の超音波素子に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求める方法である。
【０００４】
流量測定をする際には、まず一方の超音波素子に駆動信号を入力して超音波を発信させる。その超音波は流路を伝播し、他方の超音波素子で受信される。超音波を受信すると超音波素子は電気信号（受信信号）を出力し、その受信信号は受信回路に入力される。受信回路では、超音波素子が出力した受信信号を増幅し、増幅した信号をコンパレータなどの比較器に入力する。そして、ゼロクロス電圧と増幅信号の比較をして二値化する。得られた二値化信号をつかってゼロクロス検出信号を出力させ、駆動信号が入力されてからゼロクロス検出信号が出力されるまでの時間（超音波伝播時間）を計測する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コンパレータでは、ゼロクロス電圧と超音波受信信号を比較するが、ノイズなどによりゼロクロス電圧がドリフトすると、超音波伝播時間を正確に測定できない問題がある。
【０００６】
また、従来の計測方式は、超音波受信信号の位相雑音や温度変化によるドリフトに対しても影響を受けやすく、厳密な計測ができない可能性がある。
【０００７】
本発明は上述のような事情を背景になされたもので、特に、ゼロクロス電圧のドリフト変化に対して影響を受けにくく、超音波伝播時間を正確に測定できる超音波流量計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明は、
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
超音波受信側の前記超音波素子から出力された前記受信信号と、前記駆動信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
検出された位相差に基づいて、前記流路を前記超音波が伝播する時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計である。
【０００９】
上記発明によると、超音波素子に一定周期の駆動信号を送ることにより、その超音波素子から一定周期の超音波を発信させている。受信側の超音波素子がこの超音波を受信すると、始めのうちは自己の固有振動数で振動するが、次第に発信された超音波の周期で振動するようになる。これにより、駆動信号と同一周期の受信信号が出力される。ある特定の超音波が送信されてから受信されるまでの時間と、駆動信号と受信信号の位相差を測定することにより、超音波が流路を伝播する時間を正確に求めることができる。また、この方法はノイズや温度変化によってゼロクロス電圧が変化しても、影響を受けにくい。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、
前記位相差検出手段は、前記駆動信号を特定位相ずらした位相ずれ信号と、前記受信信号との排他的論理和から前記位相差を求める超音波流量計である。この発明によると、ゼロクロス電圧がずれても、正確に位相差を求めることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、
互いに位相が異なる複数の前記位相ずれ信号が予め用意され、その複数の位相ずれ信号の中から、前記受信信号との位相ずれが最小の位相ずれ信号を選択し、前記受信信号と排他的論理和をとり、得られた信号の幅を高分解能時間計測手段を使って測定することにより、前記超音波伝播時間を計測する超音波流量計である。
【００１２】
上記発明によると、位相ずれ信号と受信信号の排他的論理和をとり、得られた信号の幅を高分解能時間計測手段を使って計測するため、超音波伝播時間を正確に計測できる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明を具体的にしたもので、
前記高分解能時間計測手段としてリングオシレーターを用いることを特徴とする超音波流量計である。リングオシレーターを使うとシンプルなデジタル回路になるため、安価な超音波流量計を実現できる。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明を具体的にしたもので、
前記高分解能時間計測手段として三角波回路を用いることを特徴とする超音波流量計である。このようにすると、三角波の充放電を複数回繰り返し、その後、三角波を１回求めるだけで積算時間を求めることが可能となり、シンプルな超音波流量計が実現できる。
【００１５】
請求項６記載の発明は、
前記駆動信号の周期を用いて、前記高分解能時間計測手段による計測時間を補正する超音波流量計である。
【００１６】
高分解能時間計測手段は温度や回路電圧により計測時間が変化するが、上記発明のように、駆動信号の周期を用いて補正すれば、安定して時間計測を行うことが可能になる。
【００１７】
請求項７記載の発明は、
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
前記駆動信号の周期をφ０、前記駆動信号に対して位相差φａずれた位相ずれ信号と前記受信信号との位相差をφ、前記駆動信号が送信されてから超音波を受信するまでに検知された駆動周期のパルス数をＮ、前記位相差φをｍ回（ｍは２以上の自然数）計測した平均値をΣφ／ｍとした場合、前記流路を前記超音波が伝播する時間Ｔｕｄを、
Ｔｕｄ＝φ０・Ｎ＋φａ＋Σφ／ｍ
から求める時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計である。
【００１８】
上記発明によると、超音波素子に一定周期の駆動信号を送ることにより、その超音波素子から一定周期の超音波を発信させている。受信側の超音波素子がこの超音波を受信すると、駆動信号と同一周期の受信信号が出力される。このような受信信号を使って超音波伝播時間を計測すると、ノイズ等によるゼロクロス電圧のドリフトの影響が少なくなる。また、位相ずれ信号と受信信号の位相差φを複数回（ｍ回）計測して、その平均をとっているので、測定値が正確である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１Ａは、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例のブロック図である。超音波流量計１の流量測定用の流路２には、流量測定用ガス（流体）が図示の流れ方向に流通している。流路２には、流れ方向上手側に上手側超音波素子３が設けられ、流れ方向下手側に下手側超音波素子４が設けられている。これらの超音波素子３，４は圧電素子などから構成され、駆動電圧を印加すると超音波を発信する超音波発信機能と、超音波を受信すると電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。
【００２０】
測定対象がガスの場合、測定用流路２は閉鎖されており、その軸断面形状は、例えば円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等が採用される。本実施形態の流路２は矩形状に形成され、断面図（図１Ｂ）に示すように上壁１１ａに上手側超音波素子３及び下手側超音波素子４が取り付けられている。上手側超音波素子３または下手側超音波素子４から発信した超音波は底壁１１ｂによって角度θで反射し、相手側の超音波素子に到達する構造になっている。なお、図１では超音波が底壁１１ｂで反射するＶ字型構造を採用したが、例えば上手側超音波素子３を上壁１１ａに配置し、下手側超音波素子４を底壁１１ｂに配置し、超音波を反射させないで送受信する構造（Ｚ型）を採用することもできる。
【００２１】
また、図１Ａに示すように、超音波流量計１には送信手段１２、送信側スイッチ８、受信側スイッチ９、制御手段１０、増幅手段５、位相差検出手段６、時間計測手段７が設けられている。送信手段１２は、超音波素子３，４に対して駆動信号を入力するための回路である。送信側スイッチ８、受信側スイッチ９を切り替えることにより、送信側の超音波素子と受信側の超音波素子の切り替えを行う。制御手段１０は超音波流量計１の全体的な動作制御を行うもので、駆動信号の発信タイミングの制御や流量演算、スイッチ８，９の切り替え制御等を行う。
【００２２】
図１Ａのように、送信側スイッチ８をａ側に接続し、受信側スイッチ９をｂ側に接続することにより、上手側超音波素子３を送信側にし、下手側超音波素子４を受信側にする。そして、送信手段１２から上手側超音波素子３に対して駆動信号を送信する。これにより上手側超音波素子３から超音波が発信され、流路２を伝播して底壁１１ｂで反射する。反射した超音波を下手側超音波素子４が受信すると受信信号が出力され、その受信信号はスイッチ９を通って増幅手段５へ送信される。この後、受信信号を用いて、超音波が流路２を伝播した時間（順方向超音波伝播時間Ｔｕｄ）を計測するが、その方法の詳細については後述する。
【００２３】
その後、送信側スイッチ８をｂ側に切り替え、受信側スイッチ９をａ側に切り替えることにより、上手側超音波素子３を受信側にし、下手側超音波素子４を送信側にする。そして、送信手段から駆動信号を発信し、上述と同様の動作を行うことにより逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕを求める。
【００２４】
図１Ａにおいて、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の反射角をθ、超音波の伝搬距離をＬとすると、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄ及び逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｕｄ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （１）
Ｔｄｕ＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ （３）
したがって、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄと逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。ただし、Ａは流路１の断面積である。
ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ） （４）
Ｑ＝ｖ・Ａ （５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（超音波伝播時間Ｔｕｄ，Ｔｄｕ）と一定値（伝搬距離Ｌ，反射角θ）とから流速ｖ、流量Ｑが算出できる。
【００２５】
次に図２を用いて、超音波伝播時間を計測する原理について説明する。まず送信手段１２から上手側超音波素子３へ複数発の駆動信号Ｖａを入力する。この駆動信号Ｖａは周期φ０が一定である。これにより、上手側超音波素子３から、周期φ０の超音波が発信される。この超音波は流路２を伝播し、下手側超音波素子４に到達する。超音波を受信した下手側超音波素子４は、図２に示すように受信信号Ｖｂを出力する。
【００２６】
受信信号Ｖｂは、超音波を受信した始めのうちは振幅が小さいため、検出しにくい。従って、振幅が十分に大きくなるまで超音波の受信を続ける。超音波受信直後は、下手側超音波素子４は素子固有の共振周波数で振動するため、超音波の周期φ０とは異なる周期で振動し、周期が不安定である。振幅が十分に大きくなるまで待つと、受信信号Ｖｂの周期は超音波の周期φ０と同調し、安定してくる。
【００２７】
例えば、上手側超音波素子３から５０発の超音波を発信すると、２０発目には十分安定した受信信号が得られる。従って、上手側超音波素子３が２０発目の超音波を発信してから、下手側超音波素子４がその２０発目の受信信号を出力するまでの時間を計測すれば、超音波が流路を伝播する時間（順方向伝播時間Ｔｕｄ）が求まる。なお、図２では簡略化のため、４発目の超音波を受信した時点で受信信号Ｖｂが安定するように記載してある。
【００２８】
ここで仮に、超音波を連続で発射せず、単発で発信すると、下手側超音波素子４は素子固有の共振周波数で振動してしまう。この状態では振幅が小さいため、受信信号Ｖｂを検出しにくく、またノイズ等の影響を受けやすい。そのため本発明では、一定周期の超音波を発信し、下手側超音波素子４がその超音波に同調するまで待つことにより、受信信号Ｖｂを安定させ、ノイズ等の影響を受けにくくしている。
【００２９】
受信信号Ｖｂは、増幅手段５（図１Ａ）によって増幅され、増幅信号Ｖｃとなる。この増幅信号Ｖｃは後述のコンパレータによって２値化され、図２に示すように二値化信号Ｖｄが得られる。二値化信号Ｖｄの（１）〜（６）波は、それぞれ駆動信号Ｖａの（１）〜（６）波に対応している。
【００３０】
一方、図４に示すように、駆動信号Ｖａと周期φ０が同じで位相が少しずつ異なる位相ずれ信号Ｖｅを複数個用意しておく。この位相ずれ信号は、例えば送信手段１２から出力させることができる。
【００３１】
図２に戻る。複数個の位相ずれ信号Ｖｅの中から、二値化信号Ｖｄとの位相差が最小で、且つ０でない位相ずれ信号を選択し、その位相ずれ信号Ｖｅと二値化信号との排他的論理和をとる。その結果、図２のＥＸＯＲ信号Ｖｆが得られる。
【００３２】
下手側超音波素子４が４発目の超音波を受信した時には受信信号Ｖｂの周期が安定していると仮定した場合、図２に示すように、４発目の駆動信号Ｖａを発信してから、４発目の二値化信号Ｖｄを受信するまでの時間を計測することにより、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄを計測できる。すなわち、４発目の駆動信号Ｖａを発信してから位相ずれ信号をカウントし、その数Ｎを求める（図２では９発となっている）。そして、位相ずれ信号Ｖｅと二値化信号Ｖｄの位相差φを、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅を使って計測する。この計測は、リングオシレーターや三角波回路を使って行う。すなわち、図６に示すように、リングオシレーター等を使って短い周期ｃｌｋを持つ信号を出力させ、その信号をカウントすることにより、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを計測する。この際、１回だけ計測するのではなく、複数回（ｍ回）計測し、その加算平均をとる。これにより、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを正確に求めることができる。
【００３３】
図２に戻る。上述したように、用意された複数の位相ずれ信号の中から、二値化信号Ｖｄとの位相差φが最小で且つ０でない位相ずれ信号Ｖｅを選択し、二値化信号Ｖｄとの排他的論理和をとっている。ここで位相差φが最小のものを選択するのは、リングオシレーター等を使って時間計測をする時のカウント数が少なくてすむからである。また、位相差φが０のものを選択すると、φを計測することができない。そのため、位相差φが０でない位相ずれ信号Ｖｅを選択している。
【００３４】
ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φをｍ回計測した加算平均をΣφ／ｍ、位相ずれ信号Ｖｅと駆動信号Ｖａの位相差をφａ、位相ずれ信号Ｖｅの周期をφ０、位相ずれ信号Ｖｅのカウント数をＮとした場合、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄは、
Ｔｕｄ＝φ０・Ｎ＋φａ＋Σφ／ｍ （６）
として求めることができる。また、逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕは、下手側超音波素子４から超音波を発信し、上手側超音波素子３で受信することで、計測することができる。
【００３５】
なお上記説明では、連続して送信される二値化信号Ｖｄのうち、４発目の信号を検出しているが、受信直後の受信信号Ｖｂの波形は不安定なので、１発目の信号を確実に検出できないことがある。そのため、５発目の信号を４発目の信号だと間違えて検出してしまう恐れがある。しかし実際は、超音波伝播時間の測定を何回も繰り返し行っており、間違えて検出した場合は、いきなり超音波伝播時間が長くなったと分かるため、補正することができる。例えば、駆動信号Ｖａの周期φ０を５μｓにすると、家庭用の超音波流量計では１波長ずれた場合、流量換算で５０００Ｌ／ｈ変化したことになる。このような急激な流量変化は誤検出だと判断することができる。この判断は、例えば上述の制御手段１０によって行うことができる。
【００３６】
次に、増幅手段５、位相差検出手段６、時間計測手段７の具体的な構成を図３に示す。このように、増幅手段５は増幅器５１（オペアンプ）から構成され、位相差検出手段６はコンパレータ６１、ＥＸＯＲ回路６２から構成される。また、時間計測手段７は高分解能時間計測手段７ａ（高分解能パルスカウンタ回路７１および高分解能クロックパルス発生回路７２）とパルスカウンタ回路７３からなる。高分解能クロックパルス発生回路７２はリングオシレーターや三角波回路からなる。
【００３７】
超音波素子３，４から出力された受信信号Ｖｂは、増幅器５１に入力され、ここで電圧増幅されて増幅信号Ｖｃとして出力される。増幅信号Ｖｃはコンパレータ６１へ入力される。コンパレータ６１は増幅信号Ｖｃとゼロクロス電圧の比較をし、ゼロクロス電圧よりも電圧が高い部分と低い部分を二値化した信号（二値化信号Ｖｄ）を出力する。二値化信号ＶｄはＥＸＯＲ回路６２に入力される。一方、送信手段１２から位相ずれ信号ＶｅがＥＸＯＲ回路６２に入力され、ＥＸＯＲ回路６２は二値化信号Ｖｄと位相ずれ信号Ｖｅとの排他的論理和をとってＥＸＯＲ信号Ｖｆを出力する。
【００３８】
高分解能時間計測手段７ａでは、このＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを計測する。すなわち、高分解能クロックパルス発生回路７２からパルスを出力して、そのパルスを高分解能パルスカウンタ回路７１でカウントするのである。得られた結果（すなわち、二値化信号Ｖｄと位相ずれ信号との位相差φ）は制御手段１０へ送信される。位相差φは、上述したように複数回計測され、制御手段１０でその加算平均Σφ／ｍを算出する。
【００３９】
一方、パルスカウンタ回路７３は位相ずれ信号Ｖｅのパルス数Ｎをカウントし、その結果を制御手段１０へ送信する。制御手段１０は、これらの結果から順方向超音波伝播時間Ｔｕｄを算出し、流体の流量を求める。
【００４０】
次に図５を用いて、排他的論理和をとる利点について説明する。上述したように、受信信号Ｖｂとゼロクロス電圧の比較をして二値化信号Ｖｄを出力している。ゼロクロス電圧がノイズ等の影響を受けない場合は、二値化信号Ｖｄは（１）のようになり、これと位相ずれ信号Ｖｅの排他的論理和から、ＥＸＯＲ信号Ｖｆは（１）のようになる。この場合、信号の幅φｘとφｙは殆ど等しい。
【００４１】
ノイズ等によりゼロクロス電圧にオフセットがかかった場合、二値化信号Ｖｄは（２）のようになり、ＥＸＯＲ信号Ｖｆは（２）のようになる。この場合、φｘ’はφｙ’よりも短くなるが、
φｘ＋φｙ＝φｘ’＋φｙ’ （７）
の関係が成立する。従って、φｘ’とφｙ’の加算平均をとれば、ノイズ等によってゼロクロス電圧がドリフトする影響を全く受けなくてすむ。
【００４２】
次に図７を用いて、高分解能時間計測手段７ａの補正について説明する。上述したように、高分解能時間計測手段７ａはリングオシレーターや三角波回路等を用いている。これらのパルス発生回路は、回路電圧や温度の影響を受けて周波数が変化しやすい。そこで、駆動信号Ｖａの周期φ０をリングオシレーターの発信周波数を使ってカウントする。駆動信号Ｖａは水晶発信子等を用いているため、周期φ０は比較的安定している。リングオシレーターの発信周波数をｃｌｋとし、その発信周波数を使ってφ０を測定した時のカウント数をＮ０とすると、
φ０＝ｃｌｋ・Ｎ０ （８）
である。これから、
ｃｌｋ＝φ０／Ｎ０ （９）
が求められる。一方、図６に示すように、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φをリングオシレーターのパルスで測定した時のカウント数をＮ１とすると、
φ＝ｃｌｋ・Ｎ１ （１０）
（１０）式に（９）式を代入して、
φ＝φ０・Ｎ１／Ｎ０ （１１）
となる。（１１）式にはリングオシレーターの発信周波数ｃｌｋが無いため、温度や回路電圧の影響を受けず、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを安定して計測できる。
【００４３】
次に、制御手段１０の具体例を図８に示す。制御手段１０は例えばマイコンであって、ＣＰＵ１４、ＲＯＭ１５、ＲＡＭ１６、Ｉ／Ｏ１７、これらを接続するバスライン１３を備える。ＲＯＭ１５には、図９に示すように伝播時間演算プログラム１５ａ、位相ずれ信号発生・選択プログラム１５ｂ、Σφ／ｍ演算プログラム１５ｃ、流量演算プログラム１５ｄ、補正プログラム１５ｅ等の各種プログラムが記憶されている。伝播時間演算プログラム１５ａは、上述した（６）式を使って超音波伝播時間を算出するプログラムである。また、位相ずれ信号発生・選択プログラムは、図４のように複数個の位相ずれ信号Ｖｅを発生させ、その中から、二値化信号Ｖｄとの位相差が最小で且つ０でないものを選択するプログラムである。Σφ／ｍ演算プログラムは、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φの加算平均を求めるプログラムである。また、流量演算プログラム１５ｄは、上述した（４）式および（５）式を使って流体の流量を求めるプログラムである。さらに、補正プログラム１５ｅは、（１１）式を使ってＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを求めるプログラムである。
【００４４】
図１０は従来例である。従来は、超音波素子に駆動信号を単発で送信していた。そのため超音波は単発で送られ、受信側の超音波素子は図１０に示す波形の受信信号を出力していた。超音波受信時の過渡応答は、素子固有の共振周波数、反共振周波数、Ｑ値などによって決まるため、超音波流量計を量産する場合、個々の素子の特性を流量計に反映させるのは難しい。また、受信信号の始めの方はノイズ等がのりやすいため、例えば第３波が発生した時点でゼロクロス信号を発生させ、駆動信号を発信してからそのゼロクロス信号が出力されるまでの時間を使って、超音波伝播時間を求めていた。しかしこの方法では受信信号が比較的弱いので、ゼロクロス電圧がノイズ等でドリフトすると、例えば第５波が発生した時点でゼロクロス信号が発生してしまい、超音波伝播時間を正確に測定できない問題があった。これに対して本発明は一定周期の駆動信号を複数回送信するため、受信信号の振幅が大きくなり、かつ周期が安定した時点で超音波伝播時間を計測できる。このため、ノイズ等でゼロクロス電圧がドリフトしても影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る超音波流量計のブロック図。
【図２】駆動信号、受信信号、位相ずれ信号、ＥＸＯＲ信号の関係を示す図。
【図３】受信回路の具体例。
【図４】複数の位相ずれ信号が用意されている状態を説明する図。
【図５】受信信号のゼロクロス電圧が変動した場合の、位相ずれ信号との位相差を説明する図。
【図６】リングオシレーターのパルスとＥＸＯＲ信号との関係
【図７】駆動信号の周期を使ってリングオシレーターの計測時間を補正する図。
【図８】制御手段１０の構成例
【図９】ＲＯＭ１５の例
【図１０】従来例
【符号の説明】
【００４６】
１ 超音波流量計
２ 流路
３ 上手側超音波素子
４ 下手側超音波素子
５ 増幅手段
６ 位相差検出手段
７ 時間計測手段
８ 送信側スイッチ
９ 受信側スイッチ
１０ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−２３９８６８号公報
【０００３】
従来から、都市ガス、水などの流体の流量を計測する流量計測装置として、超音波を利用して流速を測定する超音波流量計が知られている。その際の測定原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上手側及び下手側に一対の超音波素子（超音波送受信素子）を設け、超音波の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波素子から発信された超音波が流れ方向下手側の超音波素子に到達するまでの時間（順方向伝播時間）と、流れ方向下手側の超音波素子から発信された超音波が流れ方向上手側の超音波素子に到達するまでの時間（逆方向伝播時間）とを計測して、両者の時間差から流路を流れる流体の平均流速度及び流量を求める方法である。
【０００４】
流量測定をする際には、まず一方の超音波素子に駆動信号を入力して超音波を発信させる。その超音波は流路を伝播し、他方の超音波素子で受信される。超音波を受信すると超音波素子は電気信号（受信信号）を出力し、その受信信号は受信回路に入力される。受信回路では、超音波素子が出力した受信信号を増幅し、増幅した信号をコンパレータなどの比較器に入力する。そして、ゼロクロス電圧と増幅信号の比較をして二値化する。得られた二値化信号をつかってゼロクロス検出信号を出力させ、駆動信号が入力されてからゼロクロス検出信号が出力されるまでの時間（超音波伝播時間）を計測する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コンパレータでは、ゼロクロス電圧と超音波受信信号を比較するが、ノイズなどによりゼロクロス電圧がドリフトすると、超音波伝播時間を正確に測定できない問題がある。
【０００６】
また、従来の計測方式は、超音波受信信号の位相雑音や温度変化によるドリフトに対しても影響を受けやすく、厳密な計測ができない可能性がある。
【０００７】
本発明は上述のような事情を背景になされたもので、特に、ゼロクロス電圧のドリフト変化に対して影響を受けにくく、超音波伝播時間を正確に測定できる超音波流量計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明は、
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
超音波受信側の前記超音波素子から出力された前記受信信号と、前記駆動信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
検出された位相差に基づいて、前記流路を前記超音波が伝播する時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計である。
【０００９】
上記発明によると、超音波素子に一定周期の駆動信号を送ることにより、その超音波素子から一定周期の超音波を発信させている。受信側の超音波素子がこの超音波を受信すると、始めのうちは自己の固有振動数で振動するが、次第に発信された超音波の周期で振動するようになる。これにより、駆動信号と同一周期の受信信号が出力される。ある特定の超音波が送信されてから受信されるまでの時間と、駆動信号と受信信号の位相差を測定することにより、超音波が流路を伝播する時間を正確に求めることができる。また、この方法はノイズや温度変化によってゼロクロス電圧が変化しても、影響を受けにくい。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、
前記位相差検出手段は、前記駆動信号を特定位相ずらした位相ずれ信号と、前記受信信号との排他的論理和から前記位相差を求める超音波流量計である。この発明によると、ゼロクロス電圧がずれても、正確に位相差を求めることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、
互いに位相が異なる複数の前記位相ずれ信号が予め用意され、その複数の位相ずれ信号の中から、前記受信信号との位相ずれが最小の位相ずれ信号を選択し、前記受信信号と排他的論理和をとり、得られた信号の幅を高分解能時間計測手段を使って測定することにより、前記超音波伝播時間を計測する超音波流量計である。
【００１２】
上記発明によると、位相ずれ信号と受信信号の排他的論理和をとり、得られた信号の幅を高分解能時間計測手段を使って計測するため、超音波伝播時間を正確に計測できる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明を具体的にしたもので、
前記高分解能時間計測手段としてリングオシレーターを用いることを特徴とする超音波流量計である。リングオシレーターを使うとシンプルなデジタル回路になるため、安価な超音波流量計を実現できる。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明を具体的にしたもので、
前記高分解能時間計測手段として三角波回路を用いることを特徴とする超音波流量計である。このようにすると、三角波の充放電を複数回繰り返し、その後、三角波を１回求めるだけで積算時間を求めることが可能となり、シンプルな超音波流量計が実現できる。
【００１５】
請求項６記載の発明は、
前記駆動信号の周期を用いて、前記高分解能時間計測手段による計測時間を補正する超音波流量計である。
【００１６】
高分解能時間計測手段は温度や回路電圧により計測時間が変化するが、上記発明のように、駆動信号の周期を用いて補正すれば、安定して時間計測を行うことが可能になる。
【００１７】
請求項７記載の発明は、
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
前記駆動信号の周期をφ０、前記駆動信号に対して位相差φａずれた位相ずれ信号と前記受信信号との位相差をφ、前記駆動信号が送信されてから超音波を受信するまでに検知された駆動周期のパルス数をＮ、前記位相差φをｍ回（ｍは２以上の自然数）計測した平均値をΣφ／ｍとした場合、前記流路を前記超音波が伝播する時間Ｔｕｄを、
Ｔｕｄ＝φ０・Ｎ＋φａ＋Σφ／ｍ
から求める時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計である。
【００１８】
上記発明によると、超音波素子に一定周期の駆動信号を送ることにより、その超音波素子から一定周期の超音波を発信させている。受信側の超音波素子がこの超音波を受信すると、駆動信号と同一周期の受信信号が出力される。このような受信信号を使って超音波伝播時間を計測すると、ノイズ等によるゼロクロス電圧のドリフトの影響が少なくなる。また、位相ずれ信号と受信信号の位相差φを複数回（ｍ回）計測して、その平均をとっているので、測定値が正確である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１Ａは、一般住宅用ガスメータ等として用いられる超音波流量計の一実施例のブロック図である。超音波流量計１の流量測定用の流路２には、流量測定用ガス（流体）が図示の流れ方向に流通している。流路２には、流れ方向上手側に上手側超音波素子３が設けられ、流れ方向下手側に下手側超音波素子４が設けられている。これらの超音波素子３，４は圧電素子などから構成され、駆動電圧を印加すると超音波を発信する超音波発信機能と、超音波を受信すると電気信号（受信信号）を出力する超音波受信機能とを複合して備えるものである。
【００２０】
測定対象がガスの場合、測定用流路２は閉鎖されており、その軸断面形状は、例えば円形状、楕円形状、正方形状、矩形状等が採用される。本実施形態の流路２は矩形状に形成され、断面図（図１Ｂ）に示すように上壁１１ａに上手側超音波素子３及び下手側超音波素子４が取り付けられている。上手側超音波素子３または下手側超音波素子４から発信した超音波は底壁１１ｂによって角度θで反射し、相手側の超音波素子に到達する構造になっている。なお、図１では超音波が底壁１１ｂで反射するＶ字型構造を採用したが、例えば上手側超音波素子３を上壁１１ａに配置し、下手側超音波素子４を底壁１１ｂに配置し、超音波を反射させないで送受信する構造（Ｚ型）を採用することもできる。
【００２１】
また、図１Ａに示すように、超音波流量計１には送信手段１２、送信側スイッチ８、受信側スイッチ９、制御手段１０、増幅手段５、位相差検出手段６、時間計測手段７が設けられている。送信手段１２は、超音波素子３，４に対して駆動信号を入力するための回路である。送信側スイッチ８、受信側スイッチ９を切り替えることにより、送信側の超音波素子と受信側の超音波素子の切り替えを行う。制御手段１０は超音波流量計１の全体的な動作制御を行うもので、駆動信号の発信タイミングの制御や流量演算、スイッチ８，９の切り替え制御等を行う。
【００２２】
図１Ａのように、送信側スイッチ８をａ側に接続し、受信側スイッチ９をｂ側に接続することにより、上手側超音波素子３を送信側にし、下手側超音波素子４を受信側にする。そして、送信手段１２から上手側超音波素子３に対して駆動信号を送信する。これにより上手側超音波素子３から超音波が発信され、流路２を伝播して底壁１１ｂで反射する。反射した超音波を下手側超音波素子４が受信すると受信信号が出力され、その受信信号はスイッチ９を通って増幅手段５へ送信される。この後、受信信号を用いて、超音波が流路２を伝播した時間（順方向超音波伝播時間Ｔｕｄ）を計測するが、その方法の詳細については後述する。
【００２３】
その後、送信側スイッチ８をｂ側に切り替え、受信側スイッチ９をａ側に切り替えることにより、上手側超音波素子３を受信側にし、下手側超音波素子４を送信側にする。そして、送信手段から駆動信号を発信し、上述と同様の動作を行うことにより逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕを求める。
【００２４】
図１Ａにおいて、ガスの平均流速をｖ、ガス中を伝搬する音速をｃ、超音波の反射角をθ、超音波の伝搬距離をＬとすると、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄ及び逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕはそれぞれ次のように表わされる。
Ｔｕｄ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （１）
Ｔｄｕ＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （２）
（１）、（２）式の逆数をとり、その差をとれば次式が得られる。
１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ＝２ｖ・ｃｏｓθ／Ｌ （３）
したがって、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄと逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕの測定から、ガスの平均流速ｖと流量Ｑが次式により求められる。ただし、Ａは流路１の断面積である。
ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ（１／Ｔｕｄ−１／Ｔｄｕ） （４）
Ｑ＝ｖ・Ａ （５）
このように、ガスの温度・含有成分等に依存する音速ｃを（４）式から消去することで、測定値（超音波伝播時間Ｔｕｄ，Ｔｄｕ）と一定値（伝搬距離Ｌ，反射角θ）とから流速ｖ、流量Ｑが算出できる。
【００２５】
次に図２を用いて、超音波伝播時間を計測する原理について説明する。まず送信手段１２から上手側超音波素子３へ複数発の駆動信号Ｖａを入力する。この駆動信号Ｖａは周期φ０が一定である。これにより、上手側超音波素子３から、周期φ０の超音波が発信される。この超音波は流路２を伝播し、下手側超音波素子４に到達する。超音波を受信した下手側超音波素子４は、図２に示すように受信信号Ｖｂを出力する。
【００２６】
受信信号Ｖｂは、超音波を受信した始めのうちは振幅が小さいため、検出しにくい。従って、振幅が十分に大きくなるまで超音波の受信を続ける。超音波受信直後は、下手側超音波素子４は素子固有の共振周波数で振動するため、超音波の周期φ０とは異なる周期で振動し、周期が不安定である。振幅が十分に大きくなるまで待つと、受信信号Ｖｂの周期は超音波の周期φ０と同調し、安定してくる。
【００２７】
例えば、上手側超音波素子３から５０発の超音波を発信すると、２０発目には十分安定した受信信号が得られる。従って、上手側超音波素子３が２０発目の超音波を発信してから、下手側超音波素子４がその２０発目の受信信号を出力するまでの時間を計測すれば、超音波が流路を伝播する時間（順方向伝播時間Ｔｕｄ）が求まる。なお、図２では簡略化のため、４発目の超音波を受信した時点で受信信号Ｖｂが安定するように記載してある。
【００２８】
ここで仮に、超音波を連続で発射せず、単発で発信すると、下手側超音波素子４は素子固有の共振周波数で振動してしまう。この状態では振幅が小さいため、受信信号Ｖｂを検出しにくく、またノイズ等の影響を受けやすい。そのため本発明では、一定周期の超音波を発信し、下手側超音波素子４がその超音波に同調するまで待つことにより、受信信号Ｖｂを安定させ、ノイズ等の影響を受けにくくしている。
【００２９】
受信信号Ｖｂは、増幅手段５（図１Ａ）によって増幅され、増幅信号Ｖｃとなる。この増幅信号Ｖｃは後述のコンパレータによって２値化され、図２に示すように二値化信号Ｖｄが得られる。二値化信号Ｖｄの（１）〜（６）波は、それぞれ駆動信号Ｖａの（１）〜（６）波に対応している。
【００３０】
一方、図４に示すように、駆動信号Ｖａと周期φ０が同じで位相が少しずつ異なる位相ずれ信号Ｖｅを複数個用意しておく。この位相ずれ信号は、例えば送信手段１２から出力させることができる。
【００３１】
図２に戻る。複数個の位相ずれ信号Ｖｅの中から、二値化信号Ｖｄとの位相差が最小で、且つ０でない位相ずれ信号を選択し、その位相ずれ信号Ｖｅと二値化信号との排他的論理和をとる。その結果、図２のＥＸＯＲ信号Ｖｆが得られる。
【００３２】
下手側超音波素子４が４発目の超音波を受信した時には受信信号Ｖｂの周期が安定していると仮定した場合、図２に示すように、４発目の駆動信号Ｖａを発信してから、４発目の二値化信号Ｖｄを受信するまでの時間を計測することにより、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄを計測できる。すなわち、４発目の駆動信号Ｖａを発信してから位相ずれ信号をカウントし、その数Ｎを求める（図２では９発となっている）。そして、位相ずれ信号Ｖｅと二値化信号Ｖｄの位相差φを、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅を使って計測する。この計測は、リングオシレーターや三角波回路を使って行う。すなわち、図６に示すように、リングオシレーター等を使って短い周期ｃｌｋを持つ信号を出力させ、その信号をカウントすることにより、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを計測する。この際、１回だけ計測するのではなく、複数回（ｍ回）計測し、その加算平均をとる。これにより、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを正確に求めることができる。
【００３３】
図２に戻る。上述したように、用意された複数の位相ずれ信号の中から、二値化信号Ｖｄとの位相差φが最小で且つ０でない位相ずれ信号Ｖｅを選択し、二値化信号Ｖｄとの排他的論理和をとっている。ここで位相差φが最小のものを選択するのは、リングオシレーター等を使って時間計測をする時のカウント数が少なくてすむからである。また、位相差φが０のものを選択すると、φを計測することができない。そのため、位相差φが０でない位相ずれ信号Ｖｅを選択している。
【００３４】
ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φをｍ回計測した加算平均をΣφ／ｍ、位相ずれ信号Ｖｅと駆動信号Ｖａの位相差をφａ、位相ずれ信号Ｖｅの周期をφ０、位相ずれ信号Ｖｅのカウント数をＮとした場合、順方向超音波伝播時間Ｔｕｄは、
Ｔｕｄ＝φ０・Ｎ＋φａ＋Σφ／ｍ （６）
として求めることができる。また、逆方向超音波伝播時間Ｔｄｕは、下手側超音波素子４から超音波を発信し、上手側超音波素子３で受信することで、計測することができる。
【００３５】
なお上記説明では、連続して送信される二値化信号Ｖｄのうち、４発目の信号を検出しているが、受信直後の受信信号Ｖｂの波形は不安定なので、１発目の信号を確実に検出できないことがある。そのため、５発目の信号を４発目の信号だと間違えて検出してしまう恐れがある。しかし実際は、超音波伝播時間の測定を何回も繰り返し行っており、間違えて検出した場合は、いきなり超音波伝播時間が長くなったと分かるため、補正することができる。例えば、駆動信号Ｖａの周期φ０を５μｓにすると、家庭用の超音波流量計では１波長ずれた場合、流量換算で５０００Ｌ／ｈ変化したことになる。このような急激な流量変化は誤検出だと判断することができる。この判断は、例えば上述の制御手段１０によって行うことができる。
【００３６】
次に、増幅手段５、位相差検出手段６、時間計測手段７の具体的な構成を図３に示す。このように、増幅手段５は増幅器５１（オペアンプ）から構成され、位相差検出手段６はコンパレータ６１、ＥＸＯＲ回路６２から構成される。また、時間計測手段７は高分解能時間計測手段７ａ（高分解能パルスカウンタ回路７１および高分解能クロックパルス発生回路７２）とパルスカウンタ回路７３からなる。高分解能クロックパルス発生回路７２はリングオシレーターや三角波回路からなる。
【００３７】
超音波素子３，４から出力された受信信号Ｖｂは、増幅器５１に入力され、ここで電圧増幅されて増幅信号Ｖｃとして出力される。増幅信号Ｖｃはコンパレータ６１へ入力される。コンパレータ６１は増幅信号Ｖｃとゼロクロス電圧の比較をし、ゼロクロス電圧よりも電圧が高い部分と低い部分を二値化した信号（二値化信号Ｖｄ）を出力する。二値化信号ＶｄはＥＸＯＲ回路６２に入力される。一方、送信手段１２から位相ずれ信号ＶｅがＥＸＯＲ回路６２に入力され、ＥＸＯＲ回路６２は二値化信号Ｖｄと位相ずれ信号Ｖｅとの排他的論理和をとってＥＸＯＲ信号Ｖｆを出力する。
【００３８】
高分解能時間計測手段７ａでは、このＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを計測する。すなわち、高分解能クロックパルス発生回路７２からパルスを出力して、そのパルスを高分解能パルスカウンタ回路７１でカウントするのである。得られた結果（すなわち、二値化信号Ｖｄと位相ずれ信号との位相差φ）は制御手段１０へ送信される。位相差φは、上述したように複数回計測され、制御手段１０でその加算平均Σφ／ｍを算出する。
【００３９】
一方、パルスカウンタ回路７３は位相ずれ信号Ｖｅのパルス数Ｎをカウントし、その結果を制御手段１０へ送信する。制御手段１０は、これらの結果から順方向超音波伝播時間Ｔｕｄを算出し、流体の流量を求める。
【００４０】
次に図５を用いて、排他的論理和をとる利点について説明する。上述したように、受信信号Ｖｂとゼロクロス電圧の比較をして二値化信号Ｖｄを出力している。ゼロクロス電圧がノイズ等の影響を受けない場合は、二値化信号Ｖｄは（１）のようになり、これと位相ずれ信号Ｖｅの排他的論理和から、ＥＸＯＲ信号Ｖｆは（１）のようになる。この場合、信号の幅φｘとφｙは殆ど等しい。
【００４１】
ノイズ等によりゼロクロス電圧にオフセットがかかった場合、二値化信号Ｖｄは（２）のようになり、ＥＸＯＲ信号Ｖｆは（２）のようになる。この場合、φｘ’はφｙ’よりも短くなるが、
φｘ＋φｙ＝φｘ’＋φｙ’ （７）
の関係が成立する。従って、φｘ’とφｙ’の加算平均をとれば、ノイズ等によってゼロクロス電圧がドリフトする影響を全く受けなくてすむ。
【００４２】
次に図７を用いて、高分解能時間計測手段７ａの補正について説明する。上述したように、高分解能時間計測手段７ａはリングオシレーターや三角波回路等を用いている。これらのパルス発生回路は、回路電圧や温度の影響を受けて周波数が変化しやすい。そこで、駆動信号Ｖａの周期φ０をリングオシレーターの発信周波数を使ってカウントする。駆動信号Ｖａは水晶発信子等を用いているため、周期φ０は比較的安定している。リングオシレーターの発信周波数をｃｌｋとし、その発信周波数を使ってφ０を測定した時のカウント数をＮ０とすると、
φ０＝ｃｌｋ・Ｎ０ （８）
である。これから、
ｃｌｋ＝φ０／Ｎ０ （９）
が求められる。一方、図６に示すように、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φをリングオシレーターのパルスで測定した時のカウント数をＮ１とすると、
φ＝ｃｌｋ・Ｎ１ （１０）
（１０）式に（９）式を代入して、
φ＝φ０・Ｎ１／Ｎ０ （１１）
となる。（１１）式にはリングオシレーターの発信周波数ｃｌｋが無いため、温度や回路電圧の影響を受けず、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを安定して計測できる。
【００４３】
次に、制御手段１０の具体例を図８に示す。制御手段１０は例えばマイコンであって、ＣＰＵ１４、ＲＯＭ１５、ＲＡＭ１６、Ｉ／Ｏ１７、これらを接続するバスライン１３を備える。ＲＯＭ１５には、図９に示すように伝播時間演算プログラム１５ａ、位相ずれ信号発生・選択プログラム１５ｂ、Σφ／ｍ演算プログラム１５ｃ、流量演算プログラム１５ｄ、補正プログラム１５ｅ等の各種プログラムが記憶されている。伝播時間演算プログラム１５ａは、上述した（６）式を使って超音波伝播時間を算出するプログラムである。また、位相ずれ信号発生・選択プログラムは、図４のように複数個の位相ずれ信号Ｖｅを発生させ、その中から、二値化信号Ｖｄとの位相差が最小で且つ０でないものを選択するプログラムである。Σφ／ｍ演算プログラムは、ＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φの加算平均を求めるプログラムである。また、流量演算プログラム１５ｄは、上述した（４）式および（５）式を使って流体の流量を求めるプログラムである。さらに、補正プログラム１５ｅは、（１１）式を使ってＥＸＯＲ信号Ｖｆの幅φを求めるプログラムである。
【００４４】
図１０は従来例である。従来は、超音波素子に駆動信号を単発で送信していた。そのため超音波は単発で送られ、受信側の超音波素子は図１０に示す波形の受信信号を出力していた。超音波受信時の過渡応答は、素子固有の共振周波数、反共振周波数、Ｑ値などによって決まるため、超音波流量計を量産する場合、個々の素子の特性を流量計に反映させるのは難しい。また、受信信号の始めの方はノイズ等がのりやすいため、例えば第３波が発生した時点でゼロクロス信号を発生させ、駆動信号を発信してからそのゼロクロス信号が出力されるまでの時間を使って、超音波伝播時間を求めていた。しかしこの方法では受信信号が比較的弱いので、ゼロクロス電圧がノイズ等でドリフトすると、例えば第５波が発生した時点でゼロクロス信号が発生してしまい、超音波伝播時間を正確に測定できない問題があった。これに対して本発明は一定周期の駆動信号を複数回送信するため、受信信号の振幅が大きくなり、かつ周期が安定した時点で超音波伝播時間を計測できる。このため、ノイズ等でゼロクロス電圧がドリフトしても影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る超音波流量計のブロック図。
【図２】駆動信号、受信信号、位相ずれ信号、ＥＸＯＲ信号の関係を示す図。
【図３】受信回路の具体例。
【図４】複数の位相ずれ信号が用意されている状態を説明する図。
【図５】受信信号のゼロクロス電圧が変動した場合の、位相ずれ信号との位相差を説明する図。
【図６】リングオシレーターのパルスとＥＸＯＲ信号との関係
【図７】駆動信号の周期を使ってリングオシレーターの計測時間を補正する図。
【図８】制御手段１０の構成例
【図９】ＲＯＭ１５の例
【図１０】従来例
【符号の説明】
【００４６】
１ 超音波流量計
２ 流路
３ 上手側超音波素子
４ 下手側超音波素子
５ 増幅手段
６ 位相差検出手段
７ 時間計測手段
８ 送信側スイッチ
９ 受信側スイッチ
１０ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
超音波受信側の前記超音波素子から出力された前記受信信号と、前記駆動信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
検出された位相差に基づいて、前記流路を前記超音波が伝播する時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記位相差検出手段は、前記駆動信号を特定位相ずらした位相ずれ信号と、前記受信信号との排他的論理和から前記位相差を求める請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
互いに位相が異なる複数の前記位相ずれ信号が予め用意され、その複数の位相ずれ信号の中から、前記受信信号との位相ずれが最小の位相ずれ信号を選択し、前記受信信号と排他的論理和をとり、得られた信号の幅を高分解能時間計測手段を使って測定することにより、前記超音波伝播時間を計測する請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記高分解能時間計測手段としてリングオシレーターを用いることを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記高分解能時間計測手段として三角波回路を用いることを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記駆動信号の周期を用いて、前記高分解能時間計測手段による計測時間を補正する請求項３ないし５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項７】
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
前記駆動信号の周期をφ０、前記駆動信号に対して位相差φａずれた位相ずれ信号と前記受信信号との位相差をφ、前記駆動信号が送信されてから超音波を受信するまでに検知された駆動周期のパルス数をＮ、前記位相差φをｍ回（ｍは２以上の自然数）計測した平均値をΣφ／ｍとした場合、前記流路を前記超音波が伝播する時間Ｔｕｄを、
Ｔｕｄ＝φ０・Ｎ＋φａ＋Σφ／ｍ
から求める時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項１】
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
超音波受信側の前記超音波素子から出力された前記受信信号と、前記駆動信号との位相差を検出する位相差検出手段と、
検出された位相差に基づいて、前記流路を前記超音波が伝播する時間を計測する時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記位相差検出手段は、前記駆動信号を特定位相ずらした位相ずれ信号と、前記受信信号との排他的論理和から前記位相差を求める請求項１記載の超音波流量計。
【請求項３】
互いに位相が異なる複数の前記位相ずれ信号が予め用意され、その複数の位相ずれ信号の中から、前記受信信号との位相ずれが最小の位相ずれ信号を選択し、前記受信信号と排他的論理和をとり、得られた信号の幅を高分解能時間計測手段を使って測定することにより、前記超音波伝播時間を計測する請求項２記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記高分解能時間計測手段としてリングオシレーターを用いることを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記高分解能時間計測手段として三角波回路を用いることを特徴とする請求項３記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記駆動信号の周期を用いて、前記高分解能時間計測手段による計測時間を補正する請求項３ないし５のいずれか１項に記載の超音波流量計。
【請求項７】
流体が流通する流路と、
その流路に設けられ、前記流体の流れ方向上手側または下手側に向けて超音波を発信した後、流れ方向上手側または下手側から到来する超音波を受信して受信信号を出力する一対の超音波素子と、
超音波送信側の前記超音波素子に対して一定周期の駆動信号を送り、該超音波素子に超音波を発信させる送信手段と、
前記駆動信号の周期をφ０、前記駆動信号に対して位相差φａずれた位相ずれ信号と前記受信信号との位相差をφ、前記駆動信号が送信されてから超音波を受信するまでに検知された駆動周期のパルス数をＮ、前記位相差φをｍ回（ｍは２以上の自然数）計測した平均値をΣφ／ｍとした場合、前記流路を前記超音波が伝播する時間Ｔｕｄを、
Ｔｕｄ＝φ０・Ｎ＋φａ＋Σφ／ｍ
から求める時間計測手段と、
を備えることを特徴とする超音波流量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２３２６５９（Ｐ２００７−２３２６５９Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５７１９２（Ｐ２００６−５７１９２）
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【出願人】（０００００６９３２）リコーエレメックス株式会社 (708)
【Ｆターム（参考）】
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