JP4661714B2

JP4661714B2 - 超音波流速計

Info

Publication number: JP4661714B2
Application number: JP2006197911A
Authority: JP
Inventors: 裕治中林; 文一芝; 行夫長岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: JP2008026103A

Description

本発明は、特に超音波によって流速または流量を計測する装置に関するものである。

従来の超音波流速計は、図３に示すように、流路１に超音波振動子２および３を流れの方向に相対して設置し、制御部４はタイマ５をスタートさせると同時に駆動回路６を動作させる。駆動回路６により駆動された超音波振動子２から送信された超音波は、超音波振動子３で受信され、超音波振動子３の出力を受けた受信検知回路７により受信検知される。タイマ５は超音波が送信されてから受信検知されるまでの伝搬時間を計測し、演算部８はタイマ５が計測した時間から流路１の中の流速を演算によって求めていた。

また、低流速時の微少な伝搬時間の変化を計測するため、時間分解能の高い高分解能タイマを設置し前記タイマと高分解能タイマとを組み合わせ、低流速の計測を可能としてい
る超音波流速計もあった。（例えば、特許文献１参照）。前記高分解能タイマを図４に示す、構成が簡単、起動時間が短い、高周波発振が可能という特徴をもつ発振回路、反転手段を奇数個リング状に接続したリングオシレータを利用している。

前記リングオシレータの動作を図５を用いて説明すると、ＮＡＮＤ反転手段９と、ＩＮＶ反転手段１０、１１、１２、１３、１４、１５は入力信号を反転させた出力をそれぞれ遅延手段１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２へ出力する。それぞれの遅延手段では入力と同じ信号を遅延時間経過した後にそれぞれに対する次段の反転手段１０、１１、１２、１３、１４、１５、９へ出力する。このようにリング状に接続された経路一周中に反転手段は奇数設置しているので、安定することなく時間経過とともに信号がリング状経路を移動し発振するよう構成されている。この発振数をカウンタ２３で数え時間計測する。

反転手段の出力遅延時間に対し、遅延手段の出力遅延時間は長いため、反転手段の出力周期はそれぞれの遅延手段の合計遅延時間の約２倍となり、この周期が時間計測の分解能となる。
特開２０００−２１３９７１号公報

しかしながら前記従来の構成では、さらなる低流速を計測する流速計を実現しようとした場合、前記高分解能タイマの周波数をさらに上げる必要がある。この場合周波数の増加に比例し消費電流が増え、電池で長時間動作させることができないという問題があった。

さらに、前記リングオシレータの周波数を上げるため、遅延手段９の遅延時間を短くすると、図５に示すように反転手段の入力電圧がＨｉ或いはＬｏで安定する前に、ＨｉからＬｏ或いはＬｏからＨｉへ変化するため、反転手段９の入力信号振幅がスレッショルドレベル付近で小さな幅で変動するようになる。このような状態ではノイズ、回路の電源電圧、反転手段９の特性などの要因で発振動作が不安定になるという問題があった。

そこで、時間計測の高分解能化を安定かつ低消費電流で実現するという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、低流速を低消費電力で精度よく計測する流速計を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波流速計は、超音波の伝搬時間を計測するタイマが、入力を反転した信号を出力する反転手段を奇数個リング状に接続した発振部（リングオシレータ）と、前記発振部の発振数をカウントするカウンタと、前記リング状発振部内の接続部の信号状態を検知する信号検知手段と、前記カウンタと前記信号検知手段とから演算によって計測時間を求める時間変換手段とを備えたものである。

上記発明によれば、信号検知手段によりリングオシレータ内の接続部信号が、ＨｉあるいはＬｏどちらであるか検知する。時間変換手段ではリングオシレータのどの箇所までＨｉあるいはＬｏの伝達が進んでいるかを、時間に変換する。よって時間分解能は信号検知手段の検知間隔となる。これによりリングオシレータの発振周波数を上げることなく高い時間分解能を得る。

本発明の流速計は、低消費電流で動作する時間計測手段の実現により、低消費電流で安定した超音波流速計を提供することができる。

第１の発明は、流路に超音波を伝搬させる超音波送受信手段と、前記超音波の伝搬時間を計測するタイマと、タイマの計測結果から流速を演算により求める演算手段とを有し、前記タイマが入力を反転した信号を出力する奇数個の反転手段と、前記反転手段のそれぞれの間に挿入され、入力信号を所定時間遅延させて次段の反転手段に出力する複数の遅延手段とを、リング状に接続したリング状発振部（リングオシレータ）と、前記発振部の発振数をカウントするカウンタと、前記リング状発振部内の前記反転手段の入力部接続部の信号状態を検知する信号検知手段と、前記カウンタと前記信号検知手段とから演算によって計測時間を求める時間変換手段とを備え、前記遅延手段は、反転手段を偶数個接続することで構成したものである。これにより、信号検知手段によりリングオシレータ内の接続部信号が、ＨｉあるいはＬｏどちらであるか検知する。時間変換手段ではリングオシレータのどの箇所までＨｉあるいはＬｏの伝達が進んでいるかを、時間に変換する。よって時間分解能は信号検知手段の検知間隔となる。これによりリングオシレータの発振周波数を上げることなく高い時間分解能を得る。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における超音波流速計のブロック図を示すものである。

図１において、流路１に超音波振動子２および３を流れの方向に相対して設置し、制御部４はタイマ５を計測開始させると同時に駆動回路６を動作させる。駆動回路６により駆動された超音波振動子２から送信された超音波は、超音波振動子３で受信され、超音波振動子３の出力を受けた受信検知回路７により受信検知される。受信検知回路７は受信検知するとタイマ５を止める。このようにしてタイマ５は超音波が送信されてから受信検知されるまでの伝搬時間を計測する。演算部８はタイマ５が計測した伝搬時間から流路１の中の流速を演算によって求める。

図２はタイマ５の詳細な図である。図２のＮＡＮＤ反転手段９、ＩＮＶ反転手段１０、１１、１２、１３、１４、１５は入力信号を反転させた出力をそれぞれ遅延手段１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２へ出力するリング状回路２６を構成する。それぞれの遅延手段で入力信号を遅延時間経過した後にそれぞれに対する次段の反転手段１０、１１、１２、１３、１４、１５、９へ出力する。遅延手段では、ＩＮＶ反転手段を偶数個接続した構成としている。このようにリング状に接続された経路一周中に反転手段は奇数設置しているので、安定することなく時間経過とともに信号がリング状経路を移動し発振するよう構成されている。この発振数を遅延手段１０の出力をカウンタ２３により数える。ＮＡＮＤ反転手段９の第２入力は、制御部４へ接続され計測開始の信号を受ける、第３入力は受信検知回路７の出力を受けＮＡＮＤ反転手段９の出力をホールドする。さらに遅延手段１６、１７、１８，１９、２０、２１、２２の出力信号をラッチするラッチ回路２４と、ラッチした信号を受け時間情報に変更する時間変換手段２５を備え、タイマ５の出力としてカウンタ２３と時間変換手段２５との出力を演算部８へ出力する。

以上のように構成された超音波流速計にについて、以下その動作、作用を説明する。制御部４はＮＡＮＤ反転手段９の入力にＨｉ信号を送ることにより、リング状回路２６の発振を開始させると同時に駆動回路６を動作させ超音波振動子２を駆動し超音波を流路１内に伝搬させる。リング状回路２６の発振数をカウンタ２３で数える。受信検知回路７で超音波が受信されると受信検知回路７の出力をＨｉからＬｏに変更する。ＮＡＮＤ反転手段９は受信検知回路７の出力Ｌｏを受け、Ｌｏ信号を受けた時の出力に固定するので、リン
グ状回路２６の発振は停止する。また受信検知回路の出力を受けたラッチ回路２４は、入力をラッチし表１に示す対応に従い時間情報に変更し演算手段８に出力する。カウンタ２３はリング状回路２６の発振数を遅延手段１０の出力からカウントし演算手段８に出力する。演算手段８では入力した時間情報から演算により流速を求める。

また、前回の計測で求めた伝搬時間が所定の値以上の時には、制御部４からラッチ回路２４への動作停止信号２７により、ラッチ回路２４は動作を停止し、演算手段は８はカウンタ２３の出力のみで流速を演算によって算出する。

また、前回の計測で求めた流速が所定の値以上の時には、制御部からラッチ回路への動作停止信号２７により、ラッチ回路２４は動作を停止し、演算手段は８はカウンタ２３の出力のみで流速を演算によって算出する。

このように、リング状回路２６の発振周波数を高くすることなく、発振周波数以上の時間分解能を得ることができる。

また、リング状回路２６からラッチ信号を取り出す接続部間のリングオシレータ内の構成がほぼ同等であるので、遅延時間が均等にすることができ、ラッチした信号から算出した時間精度を高くすることができる。また、時間間隔の検定が不要になる。

また、遅延手段と反転手段を偶数個接続することによって構成したものである。反転手段と遅延手段の構成が同じなので、リングオシレータ内の移動する信号の速度が一定になり、検知手段で検知する信号の間隔が等しくなるので、正確な時間を計測することができる。また時間間隔の検定が不要になる。また、温度特性・電圧変動特性も均一になるので、補正が容易にできる。

また、伝搬時間が所定以上の時には、制御部４からラッチ回路２４への動作停止信号により、ラッチ回路２４は動作を停止し、演算手段は８はカウンタ２３の出力のみで流速を演算によって算出する。ラッチ回路２４の動作を無効とし必要以上の動作、演算を抑制するので、計測分解能を確保しつつ消費電流を少なくすることができる。

また、前回計測した流速が所定以上の値の時には、制御部４からラッチ回路２４への動作停止信号により、ラッチ回路２４は動作を停止し、演算手段は８はカウンタ２３の出力のみで流速を演算によって算出する。ラッチ回路２４の動作を無効とし必要以上の動作、演算を抑制することにより、消費電流を少なくすることができる。

また、時間変換手段２５の全てもしくは一部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。そして、プログラムであるので汎用コンピュータやサーバーを用いて本発明の超音波流速計の一部或いは全てを容易に実現することができる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布やインストール作業が簡単にできる。

なお、ここでは反転手段を複数個使用し、その間の接続点から信号を取り出しラッチしたが、遅延手段を複数個使用しても、時間換算の論理をへんこうすることにより同等の作用効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる超音波流速計は高分解能・低消費電力で流速計測が可能になるので、温度の高精度計測等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波流速計のロック図本発明の実施の形態１におけるタイマの詳細図本発明の実施の形態１における信号時間変換表を示す図従来の超音波流速計のブロック図従来の超音波流速計のタイマの詳細図

１流路
２超音波振動子
３超音波振動子
４制御部
５タイマ
６駆動回路
７受信検知回路
８演算部
９〜１５反転手段
１６〜２２遅延手段
２３カウンタ
２４信号検知手段
２５時間変換手段
２６リングオシレータ
２７無効手段

Claims

流路に超音波を伝搬させる超音波送受信手段と、前記超音波の伝搬時間を計測するタイマと、タイマの計測結果から流速を演算により求める演算手段と、前記タイマが入力を反転した信号を出力する奇数個の反転手段と、前記反転手段のそれぞれの間に挿入され、入力信号を所定時間遅延させて次段の反転手段に出力する複数の遅延手段とをリング状に接続したリング状発振部（リングオシレータ）と、前記発振部の発振数をカウントするカウンタと、前記リング状発振部内の前記反転手段の入力部の信号状態を検知する信号検知手段と、前記カウンタと前記信号検知手段とから演算によって計測時間を求める時間変換手段とを備え、前記遅延手段は、反転手段を偶数個接続することで構成した超音波流速計。