JPH0117090B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、複数のピークを有する超音波信号を
増幅し、該増幅信号中の信号検出用ピークの波高
が基準レベルに達した時出力を出す、超音波信号
の検出装置に係り、特に、超音波流量計に用いる
に好適な、前記信号検出用ピークの波高が一定範
囲内に保たれるよう、自動利得制御をかけた超音
波信号の検出装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に超音波を利用した測定器においては、被
測定物体内に超音波信号を伝搬させ、その伝搬時
間の変化から、対象とする物理的性質を検出する
ことが多い。この被測定物体内を伝搬してきた超
音波信号、特に超音波パルスは、多重反射等によ
る相互干渉により、その波形がかなり乱れている
ので、何らかの手段により波形を整形する必要が
ある。しかし従来は、適切な波形整形方法がなか
つたので、波形が大きく変化した場合、測定する
伝搬時間に誤差を生じ、測定対象である物理的性
質が正確に求められないという問題があつた。

第１図に、超音波信号の伝搬時間から、パイプ
１０の中を流れる流体１２の流量を測定する超音
波流量計の構成を示す。図において、１４及び１
６は、それぞれシユー１８及び２０を介して、互
いに対向するようパイプ１０の表面に取付けられ
た、送信子と受信子を兼ねた超音波振動子、２１
は回路部で、２２及び２４は、一定周期毎に連動
して自動的に切換えられる切換スイツチ、２６は
超音波振動子を加振する駆動回路、２８は、流体
１２を伝搬した超音波ビーム３０を受信する増幅
器、３２は、増幅器２８で一定レベルの超音波ビ
ームを受信した時にパルスを出力する受信パルス
発生回路、３４は、駆動回路２６で一方の超音波
振動子にパルス信号を加えてから、他方の超音波
振動子を介して、受信パルスが検出される迄の時
間間隔を測定する時間差測定回路である。

切換スイツチ２２，２４が第１図の位置にある
時には、駆動回路２６からの駆動信号が超音波振
動子１４に加わり、そこから発生する超音波ビー
ム３０は、超音波振動子１６で受けられ、増幅器
２８に入る。切換スイツチ２２，２４が第１図と
反対側の位置に切換わつた時は、駆動回路２６か
らの駆動信号は超音波振動子１６に加わり、超音
波ビーム３０は超音波振動子１４で受けられ、増
幅器２８に入る。パイプ１０中で流体１２が流れ
ている場合、前記第１の場合のごとく、流体の流
れの下流方向へ超音波ビームを発射した場合、そ
の伝搬時間は、流体１２が静止している場合の伝
搬時間より小となり、逆に、前記第２の場合のご
とく、流体の流れの上流方向へ超音波ビームを発
射した場合、その伝搬時間は流体１２が静止して
いる場合の伝搬時間より大となる。この超音波ビ
ームの伝搬方向を変えた場合の伝搬時間の差は、
流体の流速ｖに比例した値となるので、この時間
差から流速が求められる。

このような構成の超音波流量計において、超音
波受信信号は、基本的には超音波振動子の固有振
動周波数をもつ共振波形であるが、温度、流体の
流速、異なる経路を通る超音波パルスの相互干渉
等により、奇麗な波形とはならず、一般に第２図
に実線Ａ或いは破線Ｂで示すような複数のピーク
を有する波形となる。受信パルス発生回路３２に
おいては、超音波信号が入力しない時のレベルを
l₀とすると、l₀から一定の値だけ離れたところに
別の基準レベルl₁を設定し、入力波形のピーク波
高が、該基準レベルl₁に到達した時に、出力を出
すようにしている。従つて、受信パルス発生回路
３２への入力は、常に一定の波形をもつことが望
ましいが、実際には流体の流速変化等により、第
２図に実線Ａ、破線Ｂで示すごとく、ピーク波高
及びピーク波高の相対高さが変化する。実線Ａに
示すような超音波信号が入力した場合は、超音波
の受信パルスが第１ピークにより発生され、破線
Ｂのような超音波信号が入力した場合は、第２ピ
ークで発生される。このように信号検出ピークが
変化すると、測定される伝搬時間に大きな誤差を
生じ、正確な流速を測定できない。

前記のような、超音波信号の波形変化による受
信時間の測定誤差を防止するため、従来は、超音
波信号中の最大の波高を有するピークの波高を一
定範囲内に保つように、増幅器２８の利得を変化
させる方式が行なわれている。このような従来の
自動利得制御が加えられた超音波流量計の受信増
幅回路を第３図に示す。図において、３６は、そ
の利得を制御端子から与えられる電気信号により
制御可能な増幅器、３８は、直流電源４０で与え
られる電圧E₁により設定される基準レベルl₁より
入力信号が大である時に出力を出す第１の比較
器、４２は、直流電源４４で与えられる電圧E₂
により設定される利得制御レベルl₂（l₂＞l₁）より
入力信号が大である時に出力を出す第２の比較
器、４６は該第２の比較器４２と増幅器３６間に
配設される利得制御回路である。前記増幅器３６
は、切換スイツチ２４の出力側に接続され、第１
の比較器３８の出力は、時間差測定回路３４の入
力側に接続されている。他の点については、前記
第１図と同様であるので説明は省略する。

前記利得制御回路４６は、リセツト端子が第２
の比較器４２の出力と接続され、セツト端子が駆
動回路２６と接続されたフリツプフロツプ回路４
８と、該フリツプフロツプ回路４８の出力により
動作する切換スイツチ５０，５２と、該切換スイ
ツチ５０に接続された正電源５４と、前記切換ス
イツチ５２に接続された負電源５６と、前記切換
スイツチ５０，５２により選択された正電源或い
は負電源から正電圧或るいは負電圧が入力される
積分器５８とを有する。

このような超音波流量計の受信増幅回路におい
ては、超音波振動子からの信号を受けると、増幅
器３６は積分器５８からの制御信号により決まる
利得で該信号を増幅し、第１及び第２の比較器３
８，４２に入力を与える。第１の比較器３８は受
信信号が基準レベルl₁を越えた時に受信パルスを
発生し、第２の比較器４２は、その利得制御レベ
ルl₂が基準レベルl₁より大であるため、第１の比
較器３８より遅れて、受信信号が利得制御レベル
l₂を越えた時に、第４図に示す如く、パルス信号
Ｘを出力する。利得制御回路４６のフリツプフロ
ツプ回路４８は測定周期毎に駆動回路２６から取
出された送信タイミングと同じ周期をもつパルス
信号Ｙにより測定周期毎にセツトされている。こ
こにパルス信号Ｘが入力すると、その出力Ｚはリ
セツトされるので第４図に示すような矩形波が出
力される。出力は出力Ｚを反転した波形とな
る。このＺ、により切換スイツチ５０，５２が
制御されるため、積分器５８の出力Ｕは、切換ス
イツチ５０がオンの時に電圧が下がる方向へ、切
換スイツチ５２がオンの時電圧の上がる方向へ動
く。この電圧出力Ｕが利得制御回路４６の出力と
なり、増幅器３６の制御信号となる。制御信号が
大となると、増幅器３６の利得が下がり、逆に制
御信号が小となると、増幅器３６の利得が上がる
ため、受信信号のピーク波高値が減少すると、第
２の比較器４２からはパルス信号Ｘが出なくな
り、Ｚが高レベルを保ち、電圧出力Ｕが低下し、
増幅器３６の利得が上がるので、増幅器３６の出
力は増加する。逆に受信信号のピーク波高値が増
加すると、第２の比較器４２からは測定周期毎に
パルス信号Ｘが出て、Ｚは交互に高レベルと低レ
ベルが繰返し、電圧出力Ｕが増加し、増幅器３６
の利得が下がるので、増幅器３６の出力が減少す
る。このようにして、受信信号の波高値が変動し
ても、増幅器３６の出力は一定範囲内に保たれ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕 このような従来の自動利得制御回路を備えた超
音波流量計の受信増幅回路においては、次のよう
な問題点がある。即ち、従来の構成では、自動利
得制御が働き、出力が一定になるのは、受信波形
のピークのうち最も波高値の高いところである。
しかし、通常超音波受信時間を決める第１の比較
器３８は、受信波形のうち第１ピーク、或るいは
第２ピークなどで動作する。受信波形のうち波高
値が最大であるピークは、第２図に示すごとく、
かなり後ろの方であるのが普通であるため、第１
の比較器３８の働くピークとは異なる。従つて、
自動利得制御をきかせても、第１の比較器３８が
動作する信号検出ピークの波高を一定にすること
はできない。従つて、ピーク波形の相対高さが大
きく変化した場合、異なるピークで受信信号を比
較するという恐れは解消されていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、信号検出用ピークの波高が一
定範囲内に保たれるようにして、超音波信号を確
実に検出できる超音波信号の検出装置を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、複数のピ
ークを有する超音波信号を増幅する利得可変の増
幅器と、該増幅器の出力波高が基準レベルに達し
た時出力を出す第１の比較器と、同じく出力波高
が前記基準レベルより高い利得制御レベルに達し
た時出力を出す第２の比較器と、該第２の比較器
の出力に応じて前記増幅器の利得を変える利得制
御回路とを備えた超音波信号の検出装置におい
て、増幅器の出力波高が時間幅信号出力レベルに
達した時動作する時間幅信号出力回路と、時間幅
信号が出されている時だけ、前記第２の比較器出
力を前記利得制御回路に伝えるゲート回路とを設
け、信号検出用ピーク受信時間内の超音波信号に
応じて前記増幅器の増幅度を変え、信号検出用ピ
ークの波高が一定範囲内に保たれるようにしたこ
とを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。本発明の第１実施例は、第５図に示す
ごとく、従来の利得制御回路を備えた超音波流量
計の受信増幅回路に、第１の比較器３８の出力に
より動作する時間幅信号出力回路６０と、該時間
幅信号出力回路６０の出力が出されている時だ
け、第２の比較器４２の出力を利得制御回路４６
の伝えるAND回路６２とを設けたものである。
他の点については、前記第３図に示す従来例と同
様であるので説明は省略する。

前記時間幅信号出力回路６０は、第１の比較器
３８の出力Ｖが出されてから一定時間τだけ出力
を出すようにされている。この時間幅τとして
は、信号検出用ピークが基準レベルに達してか
ら、次のピークが同じく基準レベルに達する迄の
時間、例えば基本周波数1MHzの超音波信号にお
いては約1μs以内とすることができる。

以下第６図を参照して動作を説明する。増幅器
３６は、超音波振動子からの受信信号を入力と
し、その出力を第１及び第２の比較器３８，４２
に与える。第１の比較器３８は、入力信号が基準
レベルl₁を超えた時出力Ｖを発生する。この出力
Ｖは従来と同様に時間差測定回路３４へ与えられ
るだけでなく、時間幅信号出力回路６０にも入力
される。時間幅信号出力回路６０は、入力が与え
られた後、一定時間τの間だけ時間幅信号Ｗを出
力する。一方第２の比較器４２は、従来と同様
に、入力信号が利得制御レベルl₂を超えた時出力
Ｘを発生する。この出力Ｘは、直ちに利得制御回
路４６に入力されるのではなく、AND回路６２
を通つた後利得制御回路４６に与えられる。従つ
て、利得制御回路４６に伝わるパルス信号X′は、
パルス信号Ｘのうち時間幅信号出力回路６０の出
力Ｗが出されている時間内のものだけである。利
得制御回路４６の動作については、前記従来例と
同様であるのは説明は省略する。

本実施例においては、基準レベルが時間幅信号
出力レベルとされ、時間幅信号出力回路が、第１
の比較器３８の出力後、一定時間τだけ時間幅信
号を出すようにされているので、超音波信号中の
最初のピークの波高に対し自動利得制御をかける
ことができ、最初のピークを信号検出用ピークと
することができる。

本実施例においては、時間幅出力回路を動作す
るための時間幅出力レベルを基準レベルで兼用さ
せているので、回路構成が極めて簡単である。

本発明の第２実施例を第７図に示す。本実施例
は、増幅器３６の出力側に配設される第３の比較
器６４と、該第３の比較器６４により動作する時
間幅信号出力回路６６と、第１の比較器３８の出
力と時間幅信号出力回路６６出力とのANDをと
るAND回路６８とを設けた点が前記第１実施例
と異なる。

前記第３の比較器６４は、入力信号が直流電源
７０で設定される電圧E₃により決まる時間幅信
号出力レベルl₃（l₃＜l₁）より大となつた時出力Ｔ
を発生する。

前記時間幅信号出力回路６６は、入力が与えら
れてから、τ₁時間経過後時間幅τ₂の時間幅信号
W′を出すようにされている。この遅延時間τ₁及
び時間幅τ₂は、目的とする信号検出用ピークが時
間幅τ₂内に受信されるように選定されている。例
えば超音波信号中の第２ピークが信号検出用ピー
クとされている場合には、τ₁、τ₂を、それぞれ超
音波信号の１つのピーク周期に相当する時間幅と
することができる。

以下第８図を参照して動作を説明する。超音波
信号が入力し、増幅器３６の出力がまず時間幅信
号出力レベルl₃を越えると、第３の比較器６４が
出力Ｔを発生する。すると時間幅信号出力回路６
６が動作し、遅延時間τ₁経過後、τ₂の時間幅を有
する出力W′を発生する。第１のピークが基準レ
ベルl₁を越えることがあつても、AND回路６２，
６８の一方の入力がオフであるため、AND回路
６２，６８の出力X″、V′がオンとなることはな
い。第２のピーク、即ち信号検出用ピークが入力
すると、時間幅信号出力回路６６がオンとなつて
いるため、AND回路６２，６８は、共に他方の
入力Ｘ或るいはＶが入力した場合、出力V′、
W′を出す。３番目以降のピークについては、時
間幅信号出力回路６６が再びオフとなり、AND
回路６２，６８の一方の入力がオフとなるため
AND回路６２，６８の出力がオンとなることは
ない。

本実施例においては、時間幅信号出力回路が増
幅器の出力波高が時間幅信号出力レベルに達した
時から、遅延時間τ₁経過後に出力を出すようにさ
れているので、２番目のピークを信号検出用ピー
クとすることができる。

又、時間幅信号出力回路６６を利用して、第１
の比較器３８の出力中から信号検出用ピークのみ
を取出すようにしているので、後段の時間差測定
回路の構成が簡単にできる。

なお前記実施例においては、第２のピークを信
号検出用ピークとしていたが、時間幅出力回路の
遅延時間τ₁の長さを変更することにより、任意の
ピークを信号検出用ピークとできることは明らか
である。

前記実施例は、いずれも、比較器が使用された
自動利得制御回路を有する受信増幅回路に本発明
を適用していたが、本発明の適用範囲は、これに
限定されない。

又、前記実施例は、いずれも超音波流量計にお
ける超音波信号の検出に本発明を適用していた
が、本発明の適用範囲はこれに限定されず、超音
波レベル計、超音波探傷装置など他の超音波応用
装置に適用できることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明は、複数のピーク
を有する超音波信号を増幅する利得可変の増幅器
と、該増幅器の出力波高が基準レベルに達した時
出力を出す第１の比較器と、同じく出力波高が前
記基準レベルより高い利得制御レベルに達した時
出力を出す第２の比較器と、該第２の比較器の出
力に応じて前記増幅器の利得を変える利得制御回
路とを備えた超音波信号の検出装置において、増
幅器の出力波高が時間幅信号出力レベルに達した
時動作する時間幅信号出力回路と、時間幅信号が
出されている時だけ、前記第２の比較器出力を前
記利得制御回路に伝えるゲート回路とを設け、信
号検出用ピーク受信時間内の超音波信号に応じて
前記増幅器の増幅度を変えるようにしたので、信
号検出用ピークの波高が一定範囲内に保たれ、超
音波信号を安定して検出できるという優れた効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が適用される超音波流量計の
構成を示すブロツク線図、第２図は、超音波流量
計における超音波信号の受信波形を示す線図、第
３図は、従来の自動利得制御回路が採用された超
音波流量計の受信増幅回路部分を示すブロツク線
図、第４図は、第３図の各部波形を示す線図、第
５図は、本発明が適用された超音波流量計の受信
増幅回路部分の第１実施例の構成を示すブロツク
線図、第６図は、第５図の各部波形を示す線図、
第７図は、本発明に係る第２実施例の構成を示す
ブロツク線図、第８図は、第７図の各部波形を示
す線図である。 １０……パイプ、１２……流体、１４，１６…
…超音波振動子、３０……超音波ビーム、３２…
…受信パルス発生回路、３４……時間差測定回
路、３６……増幅器、３８，４２，６４……比較
器、４６……利得制御回路、６０，６６……時間
幅信号出力回路、６２，６８……AND回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のピークを有する超音波を増幅する利得
   可変の増幅器と、該増幅器の出力波高が基準レベ
   ルに達した時出力を出す第１の比較器と、同じく
   出力波高が前記基準レベルより高い利得制御レベ
   ルに達した時出力を出す第２の比較器と、該第２
   の比較器の出力に応じて前記増幅器の利得を変え
   る利得制御回路とを備えた超音波信号の検出装置
   において、増幅器の出力波高が時間幅信号出力レ
   ベルに達した時動作する時間幅信号出力回路と、
   時間幅信号が出されている時だけ、前記第２の比
   較器出力を前記利得制御回路に伝えるゲート回路
   とを設け、信号検出用ピーク受信時間内の超音波
   信号に応じて前記増幅器の増幅度を変え、信号検
   出用ピークの波高が一定範囲内に保たれるように
   したことを特徴とする超音波信号の検出装置。 ２ 前記時間幅信号出力回路が、基準レベルを時
   間幅信号出力レベルとし、第１の比較器の出力後
   一定時間、時間幅信号を出力するようにされてお
   り、超音波信号中の最初のピークの波高が一定範
   囲内に保たれている特許請求の範囲第１項記載の
   超音波信号の検出装置。 ３ 前記時間幅信号出力回路が、増幅器の出力波
   高が時間幅信号出力レベルに達した時から一定時
   間経過後に一定時間、時間幅信号を出力するよう
   にされており、超音波信号中の２番目以降のピー
   クの波高が一定範囲内に保たれている特許請求の
   範囲第１項記載の超音波信号の検出装置。