JPH0436405Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の属する技術分野〕 本考案は例えば超音波流量計に用いるのに適し
た超音波伝播時間検出回路装置の改良に関するも
のであるが、以下、TLL（Time Locked Loop）
方式と呼ばれる超音波流量計を例にとり説明す
る。

〔従来技術とその問題点〕

TLL方式による超音波伝播時間検出回路装置
は本件出願人によつて昭和50年に発行された富士
時報第48巻第２号第29頁ないし第38頁において詳
細に開示されている。そして、第１図はその富士
時報に掲載されたTLL方式による超音波伝播時
間検出回路の原理を示すブロツク図である。同図
において、１は受信回路、２はカウンタ、３は時
間差検出回路、４は電圧制御発振器（VCO）、５
は同期発生回路、６は送信回路、８ａ，８ｂはそ
れぞれ振動子、である。

次に回路動作を説明する。送信回路６により駆
動された送信側振動子８ａは、測定媒体中に超音
波パルスを送出する。受信側振動子８ｂはその超
音波パルスを受信し、受信出力を受信回路１に送
る。他方、同期発生回路５では、発振器４より出
力されるパルスに同期してスタートパルスを発生
して前記送信回路６をスタートさせると共に、カ
ウンタ２をスタートさせる。

カウンタ２は、発振器４からの繰り返し周波数
がのパルスをＮ個カウントしたらカウント終了
信号を時間差検出回路３へ送出するようになつて
いる。Ｎは適当に選択された整数である。

時間差検出回路３では、超音波パルスが送信側
振動子８ａから受信側振動子８ｂまで測定媒体中
を伝播し終えたとき受信回路１からタイミング信
号を与えられるとともに、カウンタ２から繰り返
し周波数のパルスをＮ個カウントし終えた旨の
計数動作終了信号を与えられる。そして、時間差
検出回路３は、受信回路１から送出されたタイミ
ング信号（伝播終了信号）とカウンタ２から送出
された計数動作終了信号の時間差をこれに比例す
る電圧値に変換し、この電圧値が所定値たとえば
ほぼ零になるように発振器４の繰り返し周波数を
制御する。すなわち、時間差検出回路３は、等価
的に、伝播に要した時間ｔとカウントに要した時
間Ｎ／を比較し、その時間差（ｔ−Ｎ／）が所定値 たとえば零になるように発振器４の繰り返し周波
数を制御する。その結果、ｔ＝Ｎ／なる関係が成 立し、これを変形すると＝Ｎ／ｔとなるので、発 振器４の出力周波数により、超音波パルスの伝
播時間の逆数１／ｔのＮ倍の値を取り出すことが出 来る。

次に、受信側振動子８ｂを送信側振動子とし、
送信側振動子８ａを受信側振動子として、測定媒
体中をこれまでとは逆方向に超音波パルスを伝播
させ、同様の操作を行なつて発振器４の出力周波
数を求める。

このようにして得られた発振器４からの二つの
出力周波数の値を用いて測定媒体の超音波伝播方
向に関係した流れの流量を求めるが、TLL方式
の超音波流量計の原理であるが、その詳細は本考
案とは直接関係がないので、これ以上の説明は省
く（詳細が知りたければ、例えば特開昭51−
101569号公報、特開昭54−149669号公報などを参
照されたい）。

第２図は従来の超音波伝播時間検出回路装置を
含むTLL方式超音波流量計を示すブロツク図、
第２Ａ図は第２図における時間差検出回路３の詳
細を示す回路図である。

これらの図において、第１図におけるのと同じ
要素には同じ符号を付してある。そのほか、７は
タイミング発生回路、S_1a，S_1bはそれぞれサンプ
リング接点、S_2a，S_2b，S_4a，S_4bはそれぞれ切換
接点、S₃は同期スタート接点、である。

タイミング発生回路７はたとえば４個のフリツ
プフロツプ（FF）が縦続接続されて成り、第１
段のFFのＱ出力からタイミングパルスＡが、第
２段のFFのＱ出力からタイミングパルスＢが、
第３段のFFのＱ出力からタイミングパルスＣが、
そして最終段のFFのＱ出力からタイミングパル
スＤがそれぞれ取出されるようになつている。

第３図は第２図、第２Ａ図の回路における各部
信号のタイミングチヤートである。

第２図、第３図を参照して回路動作の概要を説
明する。

第２図において、切換接点S_4a，S_4bおよび切換
接点S₂はタイミングパルスＤがＬ（ロウ）のとき
実線位置にあり、そしてタイミングパルスＤがＨ
（ハイ）のとき破線位置にあるとする。しかして、
今、タイミングパルスＡ〜ＤがすべてＬ（ロウ）
になつたタイミングt₁において、同期発生回路５
が送信回路６から送信パルスイを送出させ、かつ
スタート接点S₃を閉じる。

このため送信側振動子８ａから超音波パルスが
送出され受信側振動子８ｂはこれを受ける。これ
により受信回路１がタイミングt₂において受信波
出力ロを発生し、時間差検出回路３へ送る。他
方、カウンタ２は、発振器４ａからの出力パルス
をＮ個カウントし、カウントし終わるとカウント
エンド信号ハを、そのしばらく前のタイミングで
Ｈ（ハイ）にしていたのをＬに転じて時間差検出
回路３へカウントの終了を知らせる。

時間差検出回路３の詳細を示した回路図である
第２Ａ図を参照する。NANDゲートは、タイミ
ングt₂において受信した受信波出力ロによつてそ
の出力レベルをＬに転じてトランジスタT_rをオ
フに転じる。そのため、それまで定電流源からト
ランジスタT_rを通つて流れていた電流Ｉがダイ
オードD_iを通つてコンデンサC_pに流れ込み、コン
デンサC_pの両端電圧が次第に上昇する。

次にNANDゲートは、タイミングt₃において、
カウント終了によりカウントエンド信号ハがＨか
らＬに転じたのを検出すると、その出力をＨに転
じてトランジスタT_rをオンに転じる。このため
電流ＩはトランジスタT_rを流れ、コンデンサC_p
への充電は止み、ランプ出力ニが発生する。この
ランプ出力の大きさΔRは結局、先に第１図を参
照して説明したように、超音波パルスの伝播に要
した時間ｔとカウンタのカウントに要した時間
Ｎ／との時間差（ｔ−Ｎ／）に相当する出力であ る。

次にタイミングパルスＡとＤがＬであり、Ｂと
ＣがＨとなる期間（サンプリング期間）t₄におい
てサンプリング接点S_1aが閉じ、ランプ出力の大
きさΔRが零になるように発振器４ａの発振周波
数₁を制御する。

次にタイミングパルスＤがＨ（ハイ）になると、
切換接点S_4a，S_4bおよび切換接点S₂が実線位置か
ら破線位置へ切り換えられる。そしてタイミング
パルスＤがＬからＨに転じるタイミングt₅におい
て、同期発生回路５か送信パルスイを送出させ、
かつスタート接点S₃を閉じ、また第２Ａ図のスイ
ツチSWも瞬時だけ閉じてコンデンサC_pを放電さ
せておく。

この結果、今度は受信側振動子８ｂが受信側と
なり、発振側振動子８ａが受信側となつて、超音
波パルスの伝播方向が反転する。以下同様にし
て、次のサンプリング期間t₅においてサンプリン
グ接点S_1bが閉じ、ランプ出力の大きさが零にな
るように発振器４ｂの発振周波数₂を制御する。
このようにして、発振器４ａ，４ｂの発振周波数
₁，₂の差Δを周波数差検出回路９にて検出し、
そして図示されていない演算回路にて、二つの周
波数の差Δから流量を良く知られた演算式に従
つて算出する。

以上、従来の超音波伝播時間検出回路装置を含
む流量計の動作概要を説明した。ここで問題は、
サンプリング期間t₄，t₅等がタイミングＡ〜Ｄの
各論理値の組合せで決まる或る固定したタイミン
グに選定されており、受信回路１からの受信波出
力やカウンタ２からのカウントエンド信号とは直
接連動するような関係にはないことと関連して、
流量の測定値に誤差が発生することである。

以下、この問題点を第４図を参照して具体的に
説明する。

第４図において、αは第１回目の測定時におけ
るランプ出力波形を、βは第２回目の測定時にお
けるランプ出力波形をそれぞれ示すものとする。

ランプ出力波形（第２Ａ図において、コンデン
サC_pの両端に発生する電圧波形）は本来、その最
高レベルＭを持続する筈であるが、実際には、第
２Ａ図のダイオードD_iにおける漏れ電流、その他
の事情により時間と共にレベルが低下してくる。
第４図ではその低下してくる様子を分り易く示す
ため誇張して示してある。

第１回目のランプ出力波形αがその最高レベル
Ｍに達した時点と、第２回目のランプ出力波形β
が同じ最高レベルＭに達した時点（実際には、第
１回目と第２回目ではその最高レベルが相違する
のが普通であるが、ここでは説明を分り易くする
ため同一としている）では、固定的なタイミング
位相をもつサンプリング時点t_sを基準として見た
場合、ΔTの時間差があつたとする。すると、サ
ンプリング時点t_sでは、第１回目のランプ出力波
形αは、最高レベルＭよりΔL₂だけ低下したレベ
ルでサンプリングされるのに対し、第２回目のラ
ンプ出力波形βは、ΔL₁だけ低下したレベルでサ
ンプリングされる。

第４図から明らかなように、ΔL₁＝／ΔL₂である
から、本来、αとβでは、同じ大きさＭがサンプ
リングされるべき所を、（Ｍ−ΔL₂）と（Ｍ−
ΔL₁）という異なつた大きさがサンプリングされ
ることとなり、これが測定周波数に誤差となつて
影響してくることである。

〔考案の目的〕

本考案は、上述の如き従来技術の問題点を解決
するためになされたものであり、従つて本考案の
目的は、時間差検出回路の出力のサンプリング時
点が固定的なタイミング位相をもつことに起因し
て生じる測定誤差を解消することのできる超音波
伝播時間検出回路装置を提供することにある。

〔考案の要点〕

本考案の要点は、時間差検出回路の出力のサン
プリング時点を固定的なタイミング位相のものと
するのでなく、ランプ出力波形が最高レベルに達
した時点を基準として定めるようにした点、つま
りランプ出力波形が最高レベルに達した時点が変
動したとすれば（第４図のαとβの如く）、その
変動した時点を基準にして定めるようにした点に
ある。

〔考案の実施例〕

次に図を参照して本考案の実施例を説明する。

第５図は本考案の第１実施例を示すブロツク図
である。同図に示す実施例が第２図に示した従来
回路と本質的に相違する点は、サンプリング時間
設定回路１０を追加し、該設定回路１０は、カウ
ンタ２からのカウント終了信号ハ（第３図におけ
るランプ出力ニのタイミングt₃）を基準にしてそ
れより或る一定時間ΔT_s後（その一定時間ΔT_sと
は零でもよい）にサンプリング接点S_1aまたはS_1b
を閉じてサンプリングを行なうようにした点であ
る。

すなわち、サンプリング時間設定回路１０は、
第５Ａ図に示すように、カウンタ２からのカウン
ト終了信号ハを受けて一定時間ΔT_s（この一定時
間ΔT_sは零でもよい）後に出力信号を発信する
ΔT_s遅延回路１１と、このΔT_s遅延回路１１の出
力信号を受けて所定時間幅のサンプリングパルス
を発生する単安定マルチバイブレータ（MMV）
１２とからたとえば構成されている。そして、こ
の単安定マルチバイブレータ１２の出力信号つま
りサンプリング時間設定回路１０の出力信号ホは
アンド回路Ａ１，Ａ２に導かれる。アンド回路Ａ
１，Ａ２の他方の入力端子にはそれぞれサンプリ
ングパルスＤの否定信号およびサンプリングパ
ルスＤが導かれている。その否定信号は、たと
えばインバータによつてサンプリングパルスＤを
反転させることによつて形成するかまたはタイミ
ング発生回路７の最終段フリツプフロツプの出
力から取出すことができる。

従つて、サンプリングパルスＤおよびその否定
信号によつてサンプリング接点S_1a，S_1bの選択
がなされ、そしてサンプリング時間設定回路１０
の出力信号ホの生起によつてその選択されたサン
プリング接点S_1a，S_1bのON時が規定される。

第６図に本考案を実施した場合のランプ出力波
形とサンプリング時点の関係を示す。すなわち同
図に見られるように、本考案を実施した場合に
は、第１回目のランプ出力波形αが最高レベルＭ
に達した時点から一定時間ΔT_s後のタイミングtα
がサンプリング時点とされてその後単安定マルチ
バイブレータ１２によつて決まる所定時間がサン
プリング期間とされ、また第２回目のランプ出力
波形βが最高レベルＭに達した時点から同じく一
定時間ΔT_s後のタイミングtβがサンプリング時点
とされて同様にその後単安定マルチバイブレータ
１２によつて決まる所定時間がサンプリング期間
とされるので、最高レベルＭからのαの低下量
ΔL₂とβの低下量ΔL₁は等しくなり、従つて測定
誤差が発生しないことが認められるであろう。

第７図は本考案の第２実施例のブロツク図であ
る。この第２実施例が第１実施例と相違する点は
カウンタ２の後段にこのカウンタ２の出力信号つ
まりカウント終了信号ハを所定時間τ遅らせる遅
延回路１３を設け、この遅延回路１３の出力信号
ヘをサンプリング時間設定回路１０へ導くように
した点である。

カウンタ２の後段に遅延回路１３を設けるとい
う考えは冒頭で挙げた富士時報にも開示されてい
る。この場合には、サンプリング時間設定回路１
０を構成する遅延回路１１の遅延時間ΔT_s′は
ΔT_s′＝ΔT_s＋τとなるように設定される。

第８図は本考案の第３実施例のブロツク図であ
る。この第３実施例が第１実施例と異なる点は受
信回路１の出力信号ロをサンプリング時間設定回
路１０に導くようにした点である。従つて、この
場合には、このサンプリング時間設定回路１０を
構成する遅延回路１０の遅延時間ΔT_s″は時間差
検出回路３にて検出される時間差を経験的に予測
してその時間差よりも短くならないように設定さ
れる。

なお、第５図の実施例において、遅延時間ΔT_s
を零に設定した場合には、第５Ａ図における遅延
回路１１は省略することができる。

〔考案の効果〕

以上説明したように本考案によれば、超音波伝
播時間検出回路装置において、時間差検出回路の
出力のサンプリング時点が固定的なタイミング位
相をもつことに起因して従来生じていた測定誤差
を解消できという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はTLL方式による超音波伝播時間検出
回路の原理を示すブロツク図、第２図は従来の超
音波伝播時間検出回路装置を含むTLL方式超音
波流量計を示すブロツク図、第２Ａ図は第２図に
おける時間差検出回路３の詳細を示すブロツク
図、第３図は第２図における各部信号のタイミン
グチヤート、第４図は従来技術における問題点を
説明するためのランプ出力波形図、第５図は本考
案の第１実施例を示すブロツク図、第５Ａ図はそ
の要部の構成の一例を示すブロツク図、第６図は
本考案を実施した場合におけるランプ出力波形と
サンプリング時点との関係を示した説明図、第７
図および第８図は本考案の第２実施例および第３
実施例のブロツク図である。 符号の説明、１……受信回路、２……カウン
タ、３……時間差検出回路、４……電圧制御発振
器（VCO）、５……同期発生回路、６……送信回
路、７……タイミング発生回路、８ａ，８ｂ……
振動子、９……周波数差検出回路、１０……サン
プリング時間設定回路、１１……遅延回路、１２
……単安定マルチバイブレータ、Ａ１，Ａ２……
アンド回路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 カウンタが発振器の発振出力を設定値に達する
   まで計数したときに該カウンタから出力される計
   数動作終了信号に、前記カウンタと同期して駆動
   される送信回路側の超音波振動子から発射された
   超音波が測定媒体中を伝播して受信回路側の超音
   波振動子に到達したときに該受信回路から出力さ
   れる伝播終了信号とが入力され、前記計数動作終
   了信号と前記伝播終了信号の時間差をこれに比例
   する電圧信号に変換した後、前記電圧信号をサン
   プリングし、このサンプル値（電圧値）が所定値
   になるように前記発振器の発振周波数を制御し、
   この発振器の発振周波数から前記超音波の伝播時
   間を検出する回路装置において、 前記電圧信号をサンプリングするタイミングを
   前記カウンタの計数終了時刻または超音波の伝播
   終了時刻を基準にして決定する手段を具備したこ
   とを特徴とする超音波伝播時間検出回路装置。