JP2003014515A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定対象の流体を媒質として対の超音波振動子
に超音波を授受させ超音波伝播時間τｘを計測して流量
を求める超音波流量計を、低消費電力で小型化が必要な
ガスメータに組込めるように、超音波受信信号２ｄ内の
細かい振動波の振動半波毎の配列上の特定位置にある振
動半波（本例では先頭半波を第１波とする第５波）のゼ
ロクロス点ｑ５ｘを、受信信号２ｄに流量変動による振
幅変動があっても、伝播時間τｘの終端として常に確実
に検出して正確な伝播時間、従って正確な流量を求め
る。 【解決手段】受信信号２ｄの振幅変化が無視できる短い
送信間隔Ｔｓで２回超音波送信を行い、１回目の受信信
号２ｄから信号２ｄの負側ピーク値Ｖｐｅａｋを検出
し、Ｖｐｅａｋに比例して可変閾値電圧Ｖｔｒｇを生成
し、２回目の受信信号２ｄと閾値電圧Ｖｔｒｇとの交点
ｃ５ｘで第５波の振動半波を確実に最初に検出し、その
ゼロクロス点ｑ５ｘを検出して伝播時間τｘを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体中における超
音波の伝播時間から、前記流体としての気体もしくは液
体の流量を測定する超音波流量計であって、特に、ガス
メータ等への組込みが容易なように、電池を電源として
低消費電力且つ小型に構成し得るようにした超音波流量
計に関する。

【０００２】なお、以下各図において同一の符号は同一
もしくは相当部分を示す。

【０００３】

【従来の技術】液体や気体の流量を測定する超音波流量
計は、測定管路に沿ってまたは測定管路内に２個１組以
上の超音波振動子を、送信側振動子と受信側振動子とを
結ぶ方向が流量方向に斜交または一致するように配置
し、互いの超音波振動子の伝播時間から流量を計測して
いる。

【０００４】図６はこの種の従来の超音波流量計の構成
例を示し、同図（Ｂ）は超音波流量計のブロック構成
を、同図（Ａ）は測定管路に沿う超音波振動子の配置を
それぞれ示す。図６（Ａ）に示すように、この超音波流
量計においては、流量測定の対象となる流体１Ａを流す
直線状の測定管１３に沿い、超音波振動子１としての上
流側の振動子１１と下流側の振動子１２が、流体１Ａを
媒質として互いに超音波信号１ａを授受できるように、
本例では振動子１１と１２を結ぶ方向が流路方向と斜交
する形で配置されている。

【０００５】次に図６（Ｂ）に示すように、この超音波
流量計は、前述した上流側振動子１１および下流側振動
子１２からなる超音波振動子１のほか、タイミング生成
回路２１，送信回路２２，スイッチＳＷ１等からなる送
信手段２と、スイッチＳＷ２，増幅器２３，振幅レベル
検出器３１，ワンショット回路３２，ゼロクロス検出器
３３，論理素子３４，基準電圧発生器３５等からなる受
信波検出手段３と、時間差計測回路２６からなる時間差
計測手段６と、演算装置２７からなる流量演算手段４と
によって構成されている。

【０００６】送信手段２内において、タイミング生成回
路２１は、流体１Ａの流れに対して上流側振動子１１お
よび下流側振動子１２からそれぞれ超音波信号１ａを切
り換えて送信するために、超音波を送信すべき（つまり
励振対象となる一方の）超音波振動子１１あるいは１２
を選択するタイミングを指示する図外のタイミング信号
のほか、超音波送信のタイミングを指示する超音波送信
タイミング信号２ａを生成する。

【０００７】また送信回路２２は、超音波送信タイミン
グ信号２ａを電力増幅し送信側振動子に対する励振パル
ス２ｂを送出し、スイッチＳＷｌは上記図外のタイミン
グ信号に基づいて当該励振対象の振動子１１あるいは１
２を選択する。次に受信波検出手段３内において、スイ
ッチＳＷ２は上記図外のタイミング信号に基づいて超音
波の受信側となる他方の振動子１２あるいは１１を選択
し、増幅器２３は当該受信側振動子が受信して出力した
超音波受信信号２ｃを増幅する。

【０００８】振幅レベル検出器３１は、超音波受信波の
増幅器２３によって増幅された超音波受信信号２ｄと基
準電圧発生器３５からの予め設定された基準電圧３ｆと
を比較し、後で詳述する図８（Ａ）に示すような連続す
る複数サイクルの振動波によって形成される受信超音波
信号（増幅器２３の出力）２ｄ内の振幅が基準電圧３ｆ
を上回るような振動半波を、本例ではトリガ点ｃ３ｘ，
ｃ５ｘ，ｃ７ｘによって検出し、この各トリガ点毎に立
ち上がるパルス３ａを出力する。

【０００９】ワンショット回路３２は、この振幅レベル
検出器３１の検出出力３ａでトリガされ、予め定められ
た一定期間出力パルス３ｂを出力する。ゼロクロス検出
器３３は、前記した超音波受信信号（増幅器２３の出
力）２ｄを形成する図８（Ａ）に示す複数サイクルの振
動波内の各振動半波、即ち第１波，第２波，第３波・・
・毎の各半波の後端部分の波形が、この複数サイクルの
振動波の基線となる、所定の回路動作基準電圧Ｖｍｉｄ
（本例では電源ＶＤＤ３Ｖの中間電圧である１．５Ｖ）
を通過する時点としてのゼロクロス時点、本例ではｑ１
ｘ，ｑ２ｘ，ｑ３ｘ，・・・を検出し、ゼロクロス時点
を両端とするパルス３ｃを出力する。

【００１０】論理素子３４は、このゼロクロス検出器３
３の出力３ｃとワンショット回路３２の出力３ｂとの論
理積をとり、振幅レベル検出器３１によって検出された
各振動半波の後端のゼロクロス時点、本例ではｑ３ｘ，
ｑ５ｘ，ｑ７ｘで立ち上がるパルス３ｅを出力する。そ
して、この論理素子出力３ｅのうちの最初のパルス、本
例では図８（Ａ）に示す第３波のゼロクロス時点ｑ３ｘ
を示す信号３ｅが、超音波受信信号の受信時刻として次
段の時間差計測手段６に取り込まれる。

【００１１】このようにして、図８（Ａ）に示すような
連続する複数サイクルの振動波によって形成される受信
超音波信号（増幅器２３の出力）２ｄ内の先頭側の波形
部分における、振幅が半波毎に漸増する各振動半波のう
ち、この各振動半波の配列内において予め定められた位
置を占める（換言すれば先頭半波を第１波とする振動半
波の順番（配列番号ともいう）が予め定められた番号と
なる）振動半波（本例では第３波、以下特定振動半波と
いう）が、振幅が始めて基準電圧３ｆを上回る振動半波
として検出されると同時に、この特定振動半波のゼロク
ロス時点、本例ではｑ３ｘが検出されることになる。

【００１２】次に時間差計測手段６内の時間差計測回路
２６は、このように超音波の受信側振動子としての下流
側振動子１２あるいは上流側振動子１１が受信した超音
波信号の受信時刻を示す論理素子３４の出力３ｅと、超
音波の送信側振動子１１あるいは１２を励振する時刻を
示す前記送信タイミング信号２ａとを入力し、流体１Ａ
中を伝搬する超音波信号１ａの伝搬時間２ｇ（τｘ）を
計時する。

【００１３】そして上流側振動子１１の励振時には、上
流側振動子１１から下流側振動子１２へ向かう超音波信
号１ａ（便宜上、この超音波送信を「下り送信」とい
い、伝搬時間τｘの添字ｘをｘ＝ｄとして区別する）の
伝搬時間２ｇ（τｄ）を出力し、また下流側振動子１２
の励振時には、下流側振動子１２から上流側振動子１１
へ向かう超音波信号１ａ（便宜上、この超音波送信を
「上り送信」といい、伝搬時間τｘの添字ｘをｘ＝ｕと
して区別する）の伝搬時間２ｇ（τｕ）を出力する。

【００１４】次に、流量演算手段４内の演算装置（マイ
コン）２７は、時間差計測回路２６からの上り送信時お
よび下り送信時の伝搬時間２ｇ（τｕ，τｄ）から流体
１Ａの流速あるいは流量２ｋを演算出力する。図７，図
８は図６の動作説明用の波形図で、図７は超音波の送信
波形と受信波形との関係を示し、図８は受信波検出手段
３内の各手段の出力波形を示す。

【００１５】即ち、図７（Ａ）は送信側超音波振動子に
対する励振パルス２ｂ、図７（Ｂ）は超音波送信波とし
ての超音波信号１ａ（具体的には流体１Ａ内の音圧）の
各波形をそれぞれ示し、図７（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は
それぞれ下り送信時，流量ゼロ時，上り送信時の超音波
受信信号としての受信波増幅器２３の出力２ｄの各波形
を示す。

【００１６】また、図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），
（Ｄ），（Ｅ）はそれぞれ受信波増幅器２３の出力２
ｄ、振幅レベル検出器３１の出力３ａ、ワンショット回
路３２の出力３ｂ、ゼロクロス検出器３３の出力３ｃ、
論理素子３４の出力３ｅの各波形をを示す。なお、図８
（Ａ）において、ｑ１ｘ，ｑ２ｘ，ｑ３ｘ・・・は、超
音波受信信号（増幅器２３の出力）２ｄがこの超音波受
信信号２ｄの基線となる回路動作基準電圧Ｖｍｉｄを通
過する時点としてのゼロクロス時点のうち、超音波受信
信号２ｄを形成する、連続の複数サイクルの振動波内の
各振動半波としての第１波，第２波，第３波，・・・毎
の後端のゼロクロス時点を一般に示している。

【００１７】また、ｃ３ｘ，ｃ５ｘ，ｃ７ｘは超音波受
信信号２ｄ内の振動半波（本例では回路動作基準電圧Ｖ
ｍｉｄに対する正側の振動半波としての第３波，第５
波，第７波）が、振動半波の振幅の検出レベルとしての
基準電圧３ｆを上回る時点（便宜上、トリガ時点とい
う）を示す。ここで各ゼロクロス時点およびトリガ時点
に付された添字ｘは当該超音波送信の送信方向を意味
し、ｘ＝ｕとしたときは上り送信を、ｘ＝ｄとしたとき
は下り送信をそれぞれ示す（図７（Ｃ）〜（Ｅ）参
照）。

【００１８】次に図７，図８を参照しつつ図６の動作を
説明する。図６の（Ｂ）において、タイミング生成回路
２１は予め定められた一定の間隔でタイミング信号２ａ
を発し、送信回路２２で超音波振動子１への励振パルス
２ｂを生成してスイッチＳＷｌで選択された図示例では
上流側振動子１１を励振する。図７において、この励振
パルス２ｂ（図７（Ａ））で励振された上流側振動子１
１は、超音波振動子１１の電気ー機械系で定まる固有振
動数の超音波信号１ａ（図７（Ｂ））を発生し、この超
音波信号１ａは、測定管１３内の流体１Ａを伝搬して、
下流側振動子１２で受信され電気信号２ｃに変換され
る。この受信された電気信号２ｃは、スイッチＳＷ２を
経由して増幅器２３で増幅される。

【００１９】この際、必要に応じて増幅器２３内に帯域
通過フィルタ特性を有する図外の同調フィルタを設け
て、この同調フィルタに受信信号２ｃを通過させること
により、受信信号２ｃから電気的・音響的ノイズ成分を
除去して、超音波振動子１１が発生する固有振動数のメ
イン周波数成分を抽出し、これを受信波増幅器２３の出
力２ｄ（図７（Ｃ））とする。

【００２０】このノイズ成分が除去された受信波増幅器
出力２ｄ（図７では点線で図示）を振幅レベル検出器３
１で基準電圧発生器３５からの基準電圧３ｆと比較し
て、出力２ｄの波形が基準電圧３ｆを始めて上回る時
刻、即ち、前記特定振動半波としての、超音波受信信号
２ｄ内の振動半波の配列上で予め定められた位置を占め
る（つまり所定の配列番号を持つ）振動半波（本例では
第３波）のトリガ時点ｃ３ｄ（図８（Ａ）でのｃ３ｘの
ｘ＝ｄとしたもの）を検出する。

【００２１】そして、このトリガ時刻ｃ３ｄで立ち上が
る振幅レベル検出器出力３ａ（図８（Ｂ））によってワ
ンショット回路３２をトリガすることにより、このトリ
ガ時刻から所定時間“Ｈ”に維持されるワンショット回
路出力３ｂ（図８（Ｃ））が得られる。一方、受信波増
幅器出力２ｄを別途入力するゼロクロス検出器３３は増
幅器出力２ｄの波形のゼロクロス時点ｑ１ｘ，ｑ２ｘ，
ｑ３ｘ・・・を検出し、区間（ｑ１ｘ〜ｑ２ｘ），（ｑ
３ｘ〜ｑ４ｘ），・・・を“Ｈ”とするゼロクロス検出
器出力３ｃ（図８（Ｄ））を送出する。

【００２２】次に、このゼロクロス検出器出力３ｃとワ
ンショット回路出力３ｂとの論理積を求める論理素子３
４の出力３ｅ（図８（Ｅ））から、基準電圧３ｆの値に
影響されない前記特定振動半波（本例では第３波）のゼ
ロクロス時点ｑ３ｄ（図８（Ａ）でのｑ３ｘのｘ＝ｄと
したもの）を超音波信号１ａの受信時刻として検出する
ことができる。

【００２３】こうして時間差計測回路２６を介し、上記
送信手段２が超音波振動子１１を励振する時刻（つまり
タイミング生成回路２１のタイミング信号２ａの出力時
点）と、受信波検出手段３が超音波受信信号２ｄを検出
するトリガ時点ｑ３ｄ（つまり論理素子３４の出力３ｅ
の立上がり時点）とから、上流側から下流側への（つま
り下り送信時の）超音波信号１ａの伝搬時間２ｇ（τ
ｄ）を計時出力させる。

【００２４】次は下流側から上流側への（つまり上り送
信時の）超音波信号１ａの伝搬時間２ｇ（τｕ）を計測
する。即ち、タイミング生成回路２１の次の図外のタイ
ミング信号でスイッチＳＷｌ，ＳＷ２をａ接点側からｂ
接点側に切り換え、同じく次の超音波送信タイミング信
号２ａに基づいて下流側振動子１２を励振パルス２ｂ
（図７（Ａ））で励振し、流体１Ａを伝搬する超音波信
号１ａを上流側振動子１１で受信して電気信号２ｃに変
換し、スイッチＳＷ２を経由して受信波増幅器２３で増
幅する。

【００２５】このときの受信波増幅器出力（超音波受信
信号）２ｄは、図７（Ｅ）の点線で図示され、前述した
下り送信の場合と同様に、論理素子３４の出力３ｅ（図
８（Ｅ））から、前記特定振動半波（本例では第３波）
のゼロクロス時点ｑ３ｕ（図８（Ａ）でのｑ３ｘのｘ＝
ｕとしたもの）を超音波信号１ａの受信時刻として検出
することができる。

【００２６】こうして下り送信の場合と同様に、時間差
計測回路２６を介し、上り送信時の超音波信号１ａの伝
搬時間２ｇ（τｕ）を計時出力させる。なお、図７
（Ｄ）は流体１Ａの流量がゼロの状態での受信波形（受
信波増幅器出力２ｄ）を示す。このようにして得た上り
送信時と下り送信時の超音波信号１ａの伝搬時間２ｇ
（τｕ，τｄ）をマイコンなどから構成される演算装置
２７で演算処理して流体１Ａの流量２ｋを求めることが
できる。

【００２７】なお、以上述べたように超音波信号１ａの
受信時刻（換言すれば超音波信号の伝播時間の終端）を
特定振動半波の後端のゼロクロス時点とする場合が一般
的ではあるが、超音波受信信号２ｄのゼロクロス時点の
うち、特定振動半波の後端のゼロクロス時点以後の所定
のゼロクロス時点を超音波信号１ａの受信時刻とする場
合もあり得る。

【００２８】ところで、上述したように一般の超音波流
量計では、上流側と下流側の互いの超音波振動子相互間
の超音波信号の伝播時間から流量を計測しているため、
流量の測定精度を向上するには連続する複数サイクルの
振動波からなる超音波受信信号の波形上の所定位置にあ
る（換言すれば所定の配列番号の）振動半波（前記特定
振動半波）を確実に検出し、正確な伝播時間を測定する
ことが必要である。

【００２９】超音波受信信号の波形上の所定位置を検出
する方式として、前述した方式、即ち或る閾値電圧とし
ての基準電圧３ｆと超音波受信信号（受信波増幅器出
力）２ｄ内の前記特定振動半波がクロスする点（トリガ
時点、例えばｃ３ｘ）を、振幅レベル検出器３１によっ
て検出し、その後のゼロクロス時刻（例えばｑ３ｘ）を
超音波受信信号の受信時刻とする方式は、超音波受信信
号に振幅の変動があっても超音波伝搬時間の計測誤差を
小さくすることができる。

【００３０】しかし、流量が大きくなった場合には超音
波が伝播する流体の流れが均−ではなくなるため、超音
波受信信号の振幅が大き＜変動し、超音波受信信号内の
同一の配列番号を持つ振動半波を常に検出することが困
難になり、超音波伝搬時間の計測誤差が増大するという
現象が生じる。この問題を解決する方法としては、従来
は測定管路部分の流体の流れを安定化するために、測定
管１３の上流部に流れを安定化できる直管長を確保した
り、整流機構を設けるなどの手法や、超音波受信信号の
振幅変動が無視できるくらいの早い周期で超音波の送信
を繰り返し、前回の受信信号を参考に増幅回路のゲイン
を切替え超音波受信信号の波形の大きさを−定に制御す
る方法などが知られている。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、測定管
路部分の流れを安定化するために必要な直管長を採用す
る場合には超音波流量計のサイズが大きくなるという問
題があり、特に、ガスメータに超音波流量計を利用しよ
うとすると、超音波流量計を用いていない従来品との取
り替えを考慮する必要があるため、大きさに制約があ
り、流量が安定する直管長を確保することが不可能であ
る。

【００３２】また、整流機構にて測定管路部分の流れを
安定化する方法では、整流機構での圧力損失が増大する
という問題があり、特に、ガスメータでは供給圧とガス
機器と使用流量の関係から圧力損失の上限が設定されて
おり、十分な整流機構を使用することが不可能である。
また、増幅回路のゲインを切替え超音波受信信号の波形
の大きさを−定に制御する方法の場合、ゲイン変更に伴
い回路遅延量が変化するため伝播時間計測の正確さを損
なうという問題がある。また、超音波受信信号波形の大
きさを一定にするために受信信号の振幅の変動周期より
も短い周期で超音波の送信を繰返す必要があり、電池駆
動が必要なガスメータでは電池寿命の制約から実現する
ことが困難である。

【００３３】本発明は上述した各種の問題を解消し、ガ
スメータに利用できる超音波流量計を提供することを課
題とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに請求項１の超音波流量計は、流量測定対象の流体
（１Ａ）を流す測定管（１３）に沿い、または該測定管
内に該流体を媒質として超音波を授受する少なくとも２
つの超音波振動子（１１，１２など）を備え、該超音波
振動子のうちの送信側となる振動子に（タイミング生成
回路２１，送信回路２２，スイッチＳＷ１などを介し）
励振パルス（２ｂ）を与えたのちに、前記超音波振動子
のうちの受信側となる振動子を介して（スイッチＳＷ
２，増幅器２３などを経て）得られ、連続する複数サイ
クルの振動波からなる電気信号としての超音波受信信号
（受信波増幅器出力２ｄなど）の先頭側の波形部分にお
ける、振幅が半波毎に漸増する各振動半波のうち、この
各振動半波の配列内において予め定められた位置を占め
る振動半波（第３波，第５波など、以下特定振動半波と
いう）を、予め設定される閾値レベル（可変閾値電圧Ｖ
ｔｒｇ）を振幅が最初に上回る振動半波として（振幅レ
ベル検出器３１などを介し、トリガ点ｃ３ｘ，ｃ５ｘな
どにより）検出し、（ワンショット回路３２，ゼロクロ
ス検出器３３，論理素子３４などを介し）前記超音波受
信信号が自身の基線レベル（回路動作基準電圧Ｖｍｉ
ｄ）と交わる時点としてのゼロクロス時点（ｑ１ｘ，ｑ
２ｘ，・・・）のうち、前記特定振動半波の後端のゼロ
クロス時点（ｑ３ｘ，ｑ５ｘなど）以後の所定のゼロク
ロス時点を検出し、この所定のゼロクロス時点を当該超
音波受信信号に関わる超音波送信の伝搬時間（２ｇ，τ
ｘ）の終端時点とし（て時間差計測回路２６に与え）、
少なくとも該伝搬時間を（演算装置２７を介する）前記
流体の流量（２ｋ）の計測に用いる超音波流量計におい
て、前記特定振動半波を検出する超音波送信に先立ち、
前記送信側振動子に励振パルスを与え、これにより前記
受信側振動子を介して得られる超音波受信信号を用いて
前記閾値レベルを生成し、該閾値レベルが前記のように
設定されるようにする先行送信・閾値生成手段（タイミ
ング生成回路２１，可変閾値電圧生成手段８など）を備
えたものとする。

【００３５】また請求項２の超音波流量計は、請求項１
に記載の超音波流量計において、前記先行送信・閾値生
成手段による、（時点ｔ１を起点とする）閾値レベルを
生成するための超音波送信に基づき前記受信側振動子が
超音波受信信号を送出開始する以前に、（送信間隔Ｔｓ
を経た時点ｔ２を起点として）前記特定振動半波を検出
する超音波送信を開始するようにする。

【００３６】また請求項３の超音波流量計は、請求項１
または２に記載の超音波流量計において、前記先行送信
・閾値生成手段が、当該の超音波受信信号内の各振動波
の振幅中の最大振幅を求める最大振幅検出手段と、前記
閾値レベルと前記基線レベルとのレベル差が、可調整の
ゲイン（ｒａｔｅ）で前記最大振幅に比例するように該
閾値レベルを生成する閾値調整手段とを備えたものとす
る。

【００３７】また請求項４の超音波流量計は、請求項３
に記載の超音波流量計において、前記最大振幅検出手段
が、（リセット信号２１ａによって予めリセットされた
のち、ピークサーチタイミング信号２１ｂの有効なピー
クホールド期間Ｔｐにおいて）当該の超音波受信信号の
前記基線レベルに対する負側または正側のピーク電圧を
検出し保持するピークホールド回路（８２）を持ち、前
記閾値調整手段が、この保持されたピーク電圧と前記基
線レベルとの差電圧を前記可調整のゲインで増幅する反
転増幅回路（閾値電圧調整回路８３）を持つようにす
る。

【００３８】また請求項５の超音波流量計は、請求項１
ないし４のいずれかに記載の超音波流量計において、前
記の設定される閾値レベルを所定の固定レベル（基準電
圧３ｆ）に切り換える閾値固定化手段（基準電圧発生器
３５，スイッチＳＷ３など）と、少なくとも前記流体の
流量が所定値を下回るとき、（１回送信／２回送信切換
信号２７ａを用いて）前記先行送信・閾値生成手段を無
効とし、前記閾値固定化手段を有効とする手段（演算装
置２７など）とを備えたものとする。

【００３９】本発明の作用は次のごとくである。即ち、
流量計測のための超音波送信に先立って、超音波受信信
号の最大振幅を調べるための超音波送信を実施し、１回
目の超音波送信時に求めた超音波受信信号の最大振幅か
ら、２回目の超音波送信時に超音波受信信号内の前記特
定振動半波を検知するための、従来の基準電圧３ｆに代
わる可変の閾値電圧Ｖｔｒｇを生成し、超音波受信信号
の振幅が変動しても常に、連続の複数サイクルの振動波
からなる超音波受信信号の波形上の所定位置にある（換
言すれば、所定の配列番号の）振動半波としての前記特
定振動半波（例えば第３波）を確実に検出して、この検
出された振動半波の後端のゼロクロス時点を検出し、正
確な伝播時間の計測を行うものである。

【００４０】なお、この場合、１回目と２回目の超音波
送信の間隔は、生成された可変の閾値電圧が常に２回目
の超音波受信信号内の同一位置の（つまり同一の配列番
号の）振動半波を検出できる程度に短くする。

【００４１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例としての基
本構成を示すブロック図で、この図は図６に対応してい
る。図１においては、受信波検出手段３内に図６の基準
電圧発生器３５に代わり、可変閾値電圧生成手段８が設
けられている。

【００４２】そして、可変閾値電圧生成手段８には受信
波増幅器２３の出力（超音波受信信号）２ｄのほか、タ
イミング生成回路２１から出力される後述のリセット信
号２１ａおよびピークサーチタイミング信号２１ｂが入
力され、可変閾値電圧生成手段８からは振幅レベル検出
器３１に対し従来の基準電圧３ｆに代わる可変閾値電圧
Ｖtrg が与えられる。

【００４３】ここで可変閾値電圧生成手段８は超音波伝
搬時間を計測する超音波送信に先立つ超音波送信によっ
て超音波受信信号の最大振幅を調べ、この最大振幅に比
例し可変閾値電圧Ｖｔｒｇを生成し、振幅レベル検出器
３１が常に超音波受信信号内の所定位置（つまり所定の
配列番号）の振動半波としての前記特定振動半波（例え
ば第３波）を検出するようにする。

【００４４】換言すれば超音波受信信号内の特定振動半
波（例えば第３波）が、可変閾値電圧Ｖtrg のレベルと
クロスすることによって振幅レベル検出器３１が常に最
初にトリガ時点（例えばｃ３ｘ）を検出し、これにより
当該超音波送信の伝播時間の終端の時点を示す特定振動
半波のゼロクロス時点（例えばｑ３ｘ）を常に検出でき
るようにするものである。

【００４５】（実施例１）図２は図１の具体的構成の第
１の実施例を示すブロック図である。同図においては、
可変閾値電圧生成手段８がローパスフィルタ（ＬＰＦと
も略記する）８１，ピークホールド回路８２，閾値電圧
調整回路８３によって構成されている。図３は図２の動
作説明用の要部の波形を示し、図４は図２の可変閾値電
圧生成手段８の１実施例としての回路構成を示す。

【００４６】次に図４の回路図を参照しつつ、主として
図３の波形図に基づいて図２の動作を説明する。超音波
の送信に先立って、スイッチＳＷｌ，ＳＷ２により測定
管１３に設置されている２つの振動子１１，１２の送受
信を切り換えるタイミングを、タイミング生成回路２１
に対して設定する。このタイミング設定については上り
送信と下り送信の超音波伝播時間の測定毎に切替える方
法を用いるこことする。

【００４７】なお、以下の動作説明では、図６の場合と
同様に、始めに下り送信を行って超音波伝播時間を測定
したのち、上り送信に切り換えて超音波伝播時間を測定
するものとする。上記のタイミング設定が完了した後、
図３の時点ｔ１において、タイミング生成回路２１から
超音波送信タイミング信号２ａを発し、送信回路２２か
ら超音波振動子１の固有振動周期に等しい間隔で、図示
のように例えば３発の励振パルス２ｂを上流側振動子１
１に与え、この振動子１１から１回目の超音波信号１ａ
を送信する。

【００４８】この１回目の送信に対する超音波受信信号
（受信波増幅器出力）２ｄは、そのの最大振幅（具体的
には受信波増幅器出力２ｄの基線レベルを与える回路動
作基準電圧Ｖｍｉｄ（本例では１．５Ｖ、なお電源ＶＤ
Ｄは３Ｖ）に対する超音波受信信号２ｄの負側のピーク
値Ｖｐｅａｋ）を検出するために利用する。この１回目
の超音波送信の後、図３の時点ｔ２に同じ上流側振動子
１１を励振して２回目の超音波送信を行うが、この２回
目の送信は、流量計測のための伝播時間測定に利用す
る。従って図２の時間差計測回路２６には、時点ｔ２に
対応する超音波送信タイミング信号２ａが超音波送信の
開始時点として取り込まれる。

【００４９】超音波送信の１回目と２回目の送信間隔Ｔ
ｓは、流量などによる１回目と２回目の超音波受信信号
２ｄ相互間の振幅変動が大きくならない程度に短い時間
であることが望ましい。このためには、管路の長さや流
体の変動周期にもよるが、気体などの音速が遅い媒質の
流量を計測する場合には１回目の超音波信号１ａが受信
側振動子に到達する前に２回目の超音波送信を実施する
ことが望ましい。この送信間隔Ｔｓの設定は、１回目と
２回目の超音波受信信号２ｄ相互の振幅の差、および１
回目の超音波受信信号２ｄから生成される可変閾値電圧
Ｖｔｒｇの精度から決定する。

【００５０】１回目の超音波受信信号２ｄのミニマム側
（つまり、回路動作基準電圧Ｖｍｉｄのレベルに対する
負側）のピーク値を検出して保持する機能を持つピーク
ホールド回路８２に対しては、１回目の超音波受信信号
２ｄが可変閾値生成手段８に到達する前の例えばリセッ
ト期間Ｔｒにおいて、タイミング生成回路２１から出力
されるリセット信号２１ａによってピークホールド回路
８２のＦＥＴＱ２をオンし、ホールドコンデンサＣ２の
リセットを行い、コンデンサＣ２を初期状態とする。

【００５１】その後、ピークホールド対象の１回目の超
音波受信信号２ｄの持続期間をカバーするピークホール
ド期間Ｔｐの間、タイミング生成回路２１から出力され
る“Ｌ”のピークサーチタイミング信号２１ｂにより、
ローパスフィルタ８１の常時オン状態にあるＦＥＴＱ１
をオフすることによってローパスフィルタ８１を無効と
し、ピークホールド回路８２に超音波受信信号（受信波
増幅器出力）２ｄが入力されるようにする。

【００５２】そして、２回目の超音波受信信号２ｄが送
出される前に、ピークサーチタイミング信号２１ｂを
“Ｈ”としてローパスフィルタ８１を有効化することに
より、超音波受信信号２ｄがフィルタコンデンサＣ１に
よってバイパスされ、ピークホールド回路８２に到達し
ないようにする。従って“Ｌ”（アクティブ）のピーク
サーチタイミング信号２１ｂが消滅したのち、次にリセ
ット信号２１ａが出力されるまでは、ピークホールド回
路８２の出力としてのオペアンプＯＰ２の出力は、ホー
ルドコンデンサＣ２が保持した超音波受信信号２ｄのピ
ーク値Ｖｐｅａｋを維持する。

【００５３】そして、このピーク値Ｖｐｅａｋに対応し
て、閾値電圧調整回路８３の出力としてのオペアンプＯ
Ｐ３の出力（つまり可変閾値電圧）Ｖｔｒｇも次式
（１）の値を維持する。但しＶｍｉｄは前記のように回
路動作基準電圧である。

【００５４】

【数１】 Ｖｔｒｇ＝Ｖｍｉｄ＋（Ｖｍｉｄ−Ｖｐｅａｋ）×ｒａｔｅ ・・・（１） ここで、ｒａｔｅは反転増幅回路を形成する閾値電圧調
整回路８３のゲインを決定する抵抗比Ｒ８／Ｒ７であ
り、この比を調整することによつて、超音波受信信号２
ｄ内の何番目の配列番号の振動半波を検出するかを決定
することができる。

【００５５】なお、図３および図４の実施例では超音波
受信信号２ｄの波形の基線レベルである回路動作基準電
圧Ｖｍｉｄのレベルに対する受信信号２ｄの負側のピー
クをホールドする構成としているが、これは回路動作基
準電圧Ｖｍｉｄのレベルに対し正側となるべき可変閾値
電圧Ｖｔｒｇを少ない回路構成で容易に生成できるよう
にしたものである。

【００５６】上記実施例に代わり、回路動作基準電圧Ｖ
ｍｉｄのレベルに対し負側の可変閾値電圧Ｖｔｒｇを生
成するには、回路動作基準電圧Ｖｍｉｄのレベルに対す
る超音波受信信号２ｄの正側のピークをホールドするこ
とで同様に考えることができる。その際には図４の回路
構成はダイオードＤ１〜Ｄ３の向きが逆になることと、
リセット電位がグランド側となるようにすることで容易
に対応可能である。

【００５７】上記した可変閾値電圧Ｖｔｒｇは１回目の
超音波受信信号２ｄのピーク電圧から求めたものである
が、１回目と２回目の超音波受信信号２ｄの振幅変動が
流量変動などによって大きくならない程度に短い時間差
で、２回目の超音波受信信号２ｄが到達するよう設定さ
れているため、２回目の超音波受信信号２ｄ内の特定位
置にある（つまり特定の配列番号の）振動半波（特定振
動半波、図３の例では第５波）のトリガ時点ｃ５ｘを正
しく捕らえることができる。

【００５８】そして、このようにして捕らえた、特定振
動半波の後端のゼロクロス時点（図３の例ではｑ５ｘ）
を２回目の超音波信号の受信時刻として、２回目の超音
波信号の伝搬時間τｘ＝τｄを図６の場合と同様に計時
することができる。次に、送信側振動子を下流側振動子
１２に切り換えた上り送信について、以上と同様、１回
目および２回目の超音波送信動作を繰り返して超音波信
号の伝搬時間τｘ＝τｕを計時し、この下り送信と上り
送信との２つの伝搬時間τｄとτｕから流量２ｋを求め
る。

【００５９】（実施例２）図５は図１の具体的構成の第
２の実施例を示すブロック図である。同図においては受
信波検出手段３内に図６（従来技術）で述べた基準電圧
発生器３５と図２（実施例１）で述べた可変閾値電圧生
成手段８とが共に組み込まれている。

【００６０】そして、従来例のように１回の超音波伝播
時間の計測を行うたびに１回、超音波送信を行う１回送
信モードと、実施例１のように１回の超音波伝播時間の
計測を行うたびに２回、超音波送信を行う２回送信モー
ドとの切り換えを指示する１回送信／２回送信切換信号
２７ａを、演算装置（マイコン）２７がタイミング生成
回路２１とスイッチＳＷ３に与えるように構成されてい
る。

【００６１】そしてスイッチＳＷ３が、この切換信号２
７ａによって振幅レベル検出器３１に対し、１回送信モ
ード時には基準電圧発生器３５の出力である基準電圧３
ｆを、２回送信モード時には可変閾値電圧生成手段８の
出力である可変閾値電圧Ｖｔｒｇをそれぞれ切り換えて
与えるように構成されている。このような構成とした理
由としては、実施例１では２回送信モードによって伝播
時間計測に利用する２回目の超音波受信信号の受信時刻
を正確に検知できるようにしている。

【００６２】しかしながら、超音波受信信号の振幅の変
動は流量が大き＜なった時に生じる現象であり、超音波
伝播時間の計測のつど常に２回、超音波送信を実施する
と消費電力が増加し、ガスメータのような電池駆動を行
う機器に超音波流量計を組み込もうとする場合には問題
がある。そこで、演算装置２７から出力される１回送信
／２回送信切換信号２７ａに基づき、流量計測値が小さ
い場合には従来例のように１回送信モードとして、超音
波受信信号２ｄ内の特定位置の振動半波（特定振動半
波）を検出する閾値レベルには一定の基準電圧３ｆを利
用し、超音波の伝播時間から計測した流量が大き＜なっ
た場合には、実施例１と同様に２回送信モードとして、
超音波受信信号２ｄ内の特定振動半波を検出する閾値レ
ベルには可変閾値電圧Ｖｔｒｇを利用するようにするも
のである。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、流量計測のための超音
波送信に先立って、超音波受信信号の最大振幅を検出す
るための超音波送受信を實施し、この検出された超音波
受信信号の最大振幅から、流量計測に用いる超音波伝播
時間を定める超音波受信信号内の特定振動半波の検出に
必要な閾値電圧を生成するようにしたので、流量を安定
させるための直管長や整流機構を設けたり、あるいは短
い周期で超音波送信を行って増幅回路のゲインを切替え
超音波受信信号の振幅を一定に制御したりしなくても、
大流量時における超音波受信信号の早い周期の振幅変動
に低消費電力で追従して超音波受信信号内の特定振動半
波を正確に検出し、超音波伝播時間を正確に計時して正
確な流量計測ができるようになり、ガスメータに超音波
流量計を利用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例としての基本構成を示すブロッ
ク図

【図２】図１の具体的構成の第１の実施例を示すブロッ
ク図

【図３】図２の動作説明用の要部の波形図

【図４】図２の可変閾値電圧生成手段の構成の１実施例
としての回路図

【図５】図１の具体的構成の第２の実施例を示すブロッ
ク図

【図６】図１に対応する従来のブロック図

【図７】図６の動作説明用の超音波の送信信号と受信信
号との関係例を示す波形図

【図８】図６の受信波検出手段の動作説明用の波形図

【符号の説明】

１ 超音波振動子 １Ａ 流体 １ａ 超音波信号 ２ 送信手段 ２ａ〜２ｃ 出力 ２ｄ 受信波増幅器出力（超音波受信信号） ２ｇ，τｕ，τｄ，τｘ 伝播時間 ２ｋ 流量 ３ 受信波検出手段 ３ａ〜３ｃ，３ｅ 出力 ３ｆ 基準電圧 ４ 流量演算手段 ６ 時間差計測手段 ８ 可変閾値電圧生成手段 １１ 上流側振動子 １２ 下流側振動子 １３ 測定管 ２１ タイミング生成回路 ２１ａ リセット信号 ２１ｂ ピークサーチタイミング信号 ２２ 送信回路 ２３ 増幅器（受信波増幅器） ２６ 時間差計測回路 ２７ 演算装置（マイコン） ２７ａ １回送信／２回送信切換信号 ３１ 振幅レベル検出器 ３２ ワンショット回路 ３３ ゼロクロス検出器 ３４ 論理素子（ＡＮＤ素子） ３５ 基準電圧発生器 ８１ ローパスフィルタ（ＬＰＦ） ８２ ピークホールド回路 ８３ 閾値電圧調整回路 ＳＷ１〜ＳＷ３ スイッチ Ｖｔｒｇ 可変閾値電圧 Ｖｍｉｄ 回路動作基準電圧 Ｖｐｅａｋ ピーク値 Ｔｓ 送信間隔 Ｔｒ リセット期間 Ｔｐ ピークホールド期間 ｃ５ｘ 第５波のトリガ点 ｑ５ｘ 第５波のゼロクロス点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流量測定対象の流体を流す測定管に沿い、
   または該測定管内に該流体を媒質として超音波を授受す
   る少なくとも２つの超音波振動子を備え、 該超音波振動子のうちの送信側となる振動子に励振パル
   スを与えたのちに、前記超音波振動子のうちの受信側と
   なる振動子を介して得られ、連続する複数サイクルの振
   動波からなる電気信号としての超音波受信信号の先頭側
   の波形部分における、振幅が半波毎に漸増する各振動半
   波のうち、この各振動半波の配列内において予め定めら
   れた位置を占める振動半波（以下特定振動半波という）
   を、予め設定される閾値レベルを振幅が最初に上回る振
   動半波として検出し、 前記超音波受信信号が自身の基線レベルと交わる時点と
   してのゼロクロス時点のうち、前記特定振動半波の後端
   のゼロクロス時点以後の所定のゼロクロス時点を検出
   し、 この所定のゼロクロス時点を当該超音波受信信号に関わ
   る超音波送信の伝搬時間の終端時点とし、少なくとも該
   伝搬時間を前記流体の流量の計測に用いる超音波流量計
   において、 前記特定振動半波を検出する超音波送信に先立ち、前記
   送信側振動子に励振パルスを与え、これにより前記受信
   側振動子を介して得られる超音波受信信号を用いて前記
   閾値レベルを生成し、該閾値レベルが前記のように設定
   されるようにする先行送信・閾値生成手段を備えたこと
   を特徴とする超音波流量計。
2. 【請求項２】請求項１に記載の超音波流量計において、 前記先行送信・閾値生成手段による、閾値レベルを生成
   するための超音波送信に基づき前記受信側振動子が超音
   波受信信号を送出開始する以前に、前記特定振動半波を
   検出する超音波送信を開始することを特徴とする超音波
   流量計。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の超音波流量計に
   おいて、 前記先行送信・閾値生成手段が、当該の超音波受信信号
   内の各振動波の振幅中の最大振幅を求める最大振幅検出
   手段と、 前記閾値レベルと前記基線レベルとのレベル差が、可調
   整のゲインで前記最大振幅に比例するように該閾値レベ
   ルを生成する閾値調整手段とを備えたことを特徴とする
   超音波流量計。
4. 【請求項４】請求項３に記載の超音波流量計において、 前記最大振幅検出手段が、当該の超音波受信信号の前記
   基線レベルに対する負側または正側のピーク電圧を検出
   し保持するピークホールド回路を持ち、 前記閾値調整手段が、この保持されたピーク電圧と前記
   基線レベルとの差電圧を前記可調整のゲインで増幅する
   反転増幅回路を持つことを特徴とする超音波流量計。
5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の超音
   波流量計において、前記の設定される閾値レベルを所定
   の固定レベルに切り換える閾値固定化手段と、 少なくとも前記流体の流量が所定値を下回るとき、前記
   先行送信・閾値生成手段を無効とし、前記閾値固定化手
   段を有効とする手段とを備えたことを特徴とする超音波
   流量計。