超音波流量計

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【発明の名称】	超音波流量計
【発明者】	【氏名】小林保
【要約】	【課題】気泡の発生しやすい流体中においても、大きな誤差を生じずに流量を計測することができる超音波流量計を提供する。【解決手段】流路用管体１に対向して取付けられた１対の超音波振動子２ａ、２ｂと、これら１対の振動子の送信・受信を交互に切換えることにより超音波の伝播方向を切換える切換器３と、流体内を伝播して受信側の振動子により受信される受信信号を増幅する増幅器５と、同増幅器からの出力波形の振幅の値と設定器６により設定される振幅基準値とを比較し、前記増幅器からの出力波形の振幅の値が振幅基準値を超えると比較出力を発する比較器７と、同比較器からの比較出力に基づいて超音波の伝播時間を計測し、かつ、前記切換器による超音波の伝播方向の切換えに伴う超音波の伝播時間の差から流量を計測する演算・制御装置８とを備え、前記設定器における振幅基準値を、前記受信信号のピーク値に比例する値に設定する構成のものとした。

【特許請求の範囲】
【請求項１】流路用管体に対向して取付けられた１対の超音波振動子と、これら１対の振動子の送信・受信を交互に切換えることにより超音波の伝播方向を切換える切換器と、流体内を伝播して受信側の振動子により受信される受信信号を増幅する増幅器と、同増幅器からの出力波形の振幅の値と設定器により設定される振幅基準値とを比較し、前記増幅器からの出力波形の振幅の値が振幅基準値を超えると比較出力を発する比較器と、同比較器からの比較出力に基づいて超音波の伝播時間を計測し、かつ、前記切換器による超音波の伝播方向の切換えに伴う超音波の伝播時間の差から流量を計測する演算・制御装置とを備え、前記設定器における振幅基準値を、前記受信信号のピーク値に比例する値に設定することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】前記設定器は、前記増幅器からの増幅受信信号を整流するダイオード回路と、この整流された受信信号である電圧信号の最高電圧を保持し、所定回数の受信毎に放電するピーク整流コンデンサと、この放電の直前にピーク整流コンデンサからの出力をサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路と、このサンプルホールド回路からの出力を分圧して出力するポテンシオメータとで構成されてなる請求項１に記載の超音波流量計。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、伝播時間差方式の超音波流量計の改良に係るものであり、特に、気泡を含む流体の計測に好適な超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は、従来の伝播時間差方式の超音波流量計を示し、以下その概要を説明する。同図において符号１は流体入口１ａ、同出口１ｂを有する流路用管体、２ａ、２ｂは管体の両端に設けた１対の超音波振動子、３は切換器であり、パルス励振電圧源４と、受信信号の増幅器５とを、前記超音波振動子２ａまたは２ｂへ交互に切換えて接続するものとしてある。
【０００３】６は増幅器５の出力の振幅に対する基準値を設定するための設定器で、従来例では直流定電圧を与えられるポテンシオメータで構成され、比較器７は増幅器５および設定器６のタップ出力を比較し、例えば、増幅器５の出力波形の振幅の値が基準値を超えた時刻に、比較出力を演算・制御装置８に与える。
【０００４】演算・制御装置８はパルス励振電圧源４を制御して振動子２ａ、２ｂをパルス的に励振させるとともに、前記比較器７からの比較出力の時間的間隔から、超音波の伝播時間を計測し、かつ切換器３を制御して超音波の伝播方向を切換え、伝播方向の切換による超音波の伝播時間の差を演算し、この時間差から流路用管体１を流れる流体の値を得ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のような構成の伝播時間差方式の超音波流量計は、半導体デバイス製造分野において、コンタミネーションの少ない薬液用の流量計として賞用されているが、過酸化水素水の流量計に適用しようとすると、過酸化水素水中の酸素気泡によって超音波信号が減衰し、かつ、その減衰量は時間的に急速に変動する。
【０００６】図５は従来の超音波流量計における増幅器５の出力波形の具体例を示し、実線Ａは液中の気泡が少ない場合、破線Ｂは気泡が多い場合の波形例を示し、鎖線Ｃは振幅基準値である。
【０００７】同図に示した例においては、気泡が少ない場合、振幅基準値Ｃは波形の２つの隣合うピークＰおよびＱの中間に設定されているので、若干の雑音の混入に対しても安定に比較機能を発揮できる。
【０００８】しかし、気泡が多い場合は、受信波形の減衰に伴って検知ピークが後ろのピークＲ’近くに移行し、十分な受信信号が比較器に入力されず、流量計測結果に大きな誤差が生じ、減衰が著しい場合には検知不能になることもある。また、気泡が多い場合に合わせて振幅基準値Ｃを低過ぎる値に設定すると、気泡が少なくてさほど減衰がない場合にも雑音が多くなって、計測に誤差を生じる。
【０００９】
【発明の目的】本発明は、上述した従来技術の問題点を解消し、気泡の発生しやすい流体中においても、大きな誤差を生じずに流量を計測することができる超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る超音波流量計は、流路用管体に対向して取付けられた１対の超音波振動子と、これら１対の振動子の送信・受信を交互に切換えることにより超音波の伝播方向を切換える切換器と、流体内を伝播して受信側の振動子により受信される受信信号を増幅する増幅器と、同増幅器からの出力波形の振幅の値と設定器により設定される振幅基準値とを比較し、前記増幅器からの出力波形の振幅の値が振幅基準値を超えると比較出力を発する比較器と、同比較器からの比較出力に基づいて超音波の伝播時間を計測し、かつ、前記切換器による超音波の伝播方向の切換えに伴う超音波の伝播時間の差から流量を計測する演算・制御装置とを備え、前記設定器における振幅基準値を、前記受信信号のピーク値に比例する値に設定する構成のものとしてある。
【００１１】また、本発明に係る超音波流量計は、前記設定器を、前記増幅器からの増幅受信信号を整流するダイオード回路と、この整流された受信信号である電圧信号の最高電圧を保持し、所定回数の受信毎に放電するピーク整流コンデンサと、この放電の直前にピーク整流コンデンサからの出力をサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路と、このサンプルホールド回路からの出力を分圧して出力するポテンシオメータとで構成したものとしてある。
【００１２】
【実施例】以下、本発明に係る超音波流量計の実施例を添付図１乃至図３に基づいて説明する。なお、図において従来例のものと同じ構成には同じ符号を付して説明は省略した。
【００１３】本実施例における振幅基準値を設定する設定器６は、ピーク検知用スイッチ６１、理想化ダイオード回路６２、ピーク整流コンデンサ６３、このピーク整流コンデンサ６３に備えられた放電用スイッチ６４、サンプルホールド回路６５、このサンプルホールド回路６５に備えられたピーク値ホールド用コンデンサ６６、このサンプルホールド回路６５からの出力が与えられるポテンシオメータ６７、このポテンシオメータ６７に備えられたタップ６８などにより構成される。
【００１４】なお、ピーク検知用スイッチ６１、放電用スイッチ６４、サンプルホールド回路６５の各制御端子ｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ は、演算・制御装置８の対応する端子ｔ₁₁、ｔ₁₂、ｔ₁₃に接続され、各スイッチ６１、６４のＯＮ／ＯＦＦ、および回路６５の機能を制御する。
【００１５】（作用）まず、本実施例に係る超音波流量計の振幅基準値を設定する設定器６について説明する。演算・制御装置８はタイマ機能を有し、切換器３の切換のタイミングなどから予定される受信信号の到来に合せて、端子ｔ₁ に論理信号Ｈを与え（図２（Ｂ）上段）ピーク検知用スイッチ６１をＯＮとし、受信信号の波形を取り込む。
【００１６】この取り込まれた波形（図２（Ｃ））すなわち電圧波形は、ダイオード回路６２により整流され（図２（Ｄ））、ピーク整流コンデンサ６３の電位は階段状（図２（Ｅ））に変化し、やがて受信波ピーク群の最高値（この場合は図２（Ｄ）の４つのピークのうちの３番目のピーク値）をとる。
【００１７】次に、ｔ₂ （図２（Ｂ）中段）がＨとなると、サンプルホールド回路６５は、ピーク整流コンデンサ６３の電位をサンプリング（図３（Ｆ）の太線）し、この電位をポテンシオメータ６７に与える（サンプル状態）。
【００１８】そして、ピーク値ホールド用コンデンサ６６を同電位とし、ｔ₂ がＬとなると、サンプルホールド回路６５はピーク値ホールド用コンデンサ６６の電位を出力としてホールドし続ける（ホールド状態（図３（Ｆ）の太線から右に続く実線））。
【００１９】次にｔ₃ （図２（Ｂ）下段）がＨとなると、放電用スイッチ６４がコンデンサ６３を放電し（図２（Ｅ）右の急な傾斜）、次回のピーク整流に備える。このようにして、ポテンシオメータ６７には毎回の受信波形のピーク値が与えられる。
【００２０】ポテンシオメータ６７のタップ６８は、サンプルホールド回路６５のホールド状態の出力をα倍に分圧すなわち比例制御して（図３（Ｆ）の鎖線）、比較器７に電圧の基準値として供給する。
【００２１】このαの値を、０＜α＜１とし、しかも経験則による所定の値とすることで、常に基準値を最適の値、例えば受信波の２つのピーク（図３のＰとＱ、またはＰ’とＱ’）の中間に位置する値とすることができ、比較器７は安定に動作することができる。
【００２２】次に、上述した設定器６によって前回の受信の際に設定される基準値により、本実施例に係る超音波流量計が次回の受信の際に得る作用を、図３により説明する。同図において（Ａ）は気泡による減衰が少ない場合、（Ｂ）は減衰が著しい場合の各受信波形を示し、同図（Ａ）（Ｂ）中のＣは振幅基準値である。
【００２３】一般に、気泡により超音波が減衰されても、超音波の受信信号の波形におけるピーク群の継続時間は、数マイクロ秒間であって、ほぼ一定と見なせる。そして、同図（Ａ）、（Ｂ）の波形を比べると、横軸（時間軸）は同一で縦軸（電圧軸）のみが縮小・拡大された形をとる。
【００２４】したがって、減衰が少ない受信の際に同図（Ａ）のように、ピークＲの電圧値に比例する振幅基準値Ｃをタップ６８により、ピークであるＰとＱの中間に位置するようにαの値を設定して置けば、次の受信の際に、超音波信号の減衰が著しくて同図（Ｂ）のようになった場合においても、同じαの値によって得られる振幅基準値Ｃ’はピークＰ’、Ｑ’のほぼ中間に位置する。
【００２５】逆に、減衰が著しい状態から減衰の少ない状態になった場合であっても同様であり、減衰が著しい受信の際に同図（Ｂ）のように、ピークＲ’の電圧値に比例する振幅基準値Ｃ’をタップ６８により、ピークであるＰ’とＱ’の中間に位置するようにαの値を設定しておけば次の受信の際に減衰が少なく、同図（Ａ）のように減衰が少なくなった場合においても、同じαの値によって得られる設定値ＣはピークＰ、Ｑのほぼ中間に位置することになる。
【００２６】そして、一度、このαの値を定めれば、常に、ほぼ最適な基準値Ｃ、Ｃ’を得られる。すなわち、前回と今回の受信の間隔、あるいは前回と今回の計測の間隔は、十分に短くでき、流体中の気泡による減衰が時間的に急速に変動しても、この変動よりも十分に速く対応できる。
【００２７】つまり、受信等の間隔を十分に短くできることから、減衰の変動に伴う受信波形の変動は十分に小さく、よって前回と今回の基準値の差（図３（Ｆ）の鎖線の段差）は、十分に小さくでき、前回の受信により設定された基準値を今回の受信に採用できる。
【００２８】以上、説明したように、本発明によれば、流体中の気泡による減衰が時間的に急速に変動しても、設定器６の基準値は、前回の受信信号のピーク値のα倍（０＜α＜１）とし、くり返して行う各計測を十分に速く行うことで、減衰の状態に応じた基準値を設定でき、したがって、大きな誤差を生じずに流量を計測することができる。
【００２９】また、受信波形は、縦軸のみが縮小・拡大された形をとるので、一定のαの値により、振幅基準値は、常に受信波形の２つのピーク（ＰとＱ、またはＰ’とＱ’）の中間に位置し、比較器７は安定に動作することができ、従って気泡を含む流体の超音波による流量計測を安定に行うことができる。
【００３０】上述した実施例においては、受信波形の整流に理想化ダイオード回路６２を使用したが、通常のダイオードに代えることも可能であり、この場合、ポテンシオメーター６７に与えられる電圧は、正確には受信波形のピーク値と比例しないが、本発明における基準値とピーク値との間の比例関係は厳密である必要はなく、要は波形の変動に拘らず基準値がピークの１つに、例えば最大ピークのＲ，Ｒ’に接近することがなければよい。
【００３１】また、本実施例においてはピーク値の検出、ホールド、および基準値の設定等をハードウエアで実現しているが、これらをＡ／Ｄ変換機能、Ｄ／Ａ変換機能を有するいわゆるワンチップ形ＣＰＵによるソフトウエアにより実現する場合もある。
【００３２】さらに、本実施例においては、演算・制御装置８によって直接伝播時間を計測しているが、従来のシング・アラウンド方式あるいはＰＬＬ（位相同期）方式により周波数すなわち伝播時間の送数の形で流量を計測する装置を演算・制御装置として使用する場合もある。
【００３３】また、本実施例においては、受信波形の振幅の値が振幅基準値を超えた時点をもって超音波信号の到来としたが、受信波形が振幅基準値を超えた後の最初のゼロクロス点（波形がゼロ・ラインを横切る点）をもって信号の到来とする従来の方式を採用する場合もある。
【００３４】さらに、本実施例では、図２に示すようにｔ₁ のＨ信号の時間範囲としてピーク群中の最高値Ｒをも含むようにかなり広い範囲に選んだが、この時間範囲を短時間にして、例えば振幅基準値Ｃを超えた直後のピークＱのみを含むようにする場合もあり、この場合、設定器６が比較器７に与える振幅基準値Ｃは受信直後のピークの電圧に比例する。
【００３５】
【発明の効果】本発明に係る超音波流量計によれば、流体中の気泡による減衰が時間的に急速に変動しても、受信波形の振幅基準値が受信信号の２つのピーク値の中間に設定されるので、比較器が安定して動作し、したがって気泡を含む流体の流量測定においても安定して流量を計測することができる。

【出願人】	【識別番号】３９００２６９９６【氏名又は名称】東京計装株式会社
【出願日】	平成１１年６月２２日（１９９９．６．２２）
【代理人】	【識別番号】１０００６５０８６【弁理士】【氏名又は名称】前田清美
【公開番号】	特開２００１－４４１７（Ｐ２００１－４４１７Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１２日（２００１．１．１２）
【出願番号】	特願平１１－１７５６２６