JPS5832668B2 - 超音波利用測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、超音波距離測定装置（超音波水位計を含む
）や超音波流速測定装置のように、静止ないし流動する
媒質中で、短時間のみ持続する超音波を送信波として送
信子から発し、これを直接にないし反射面を介して受信
波として受信子で受け、送信波を発した時から受信波を
受けた時までの経過時間に基いて、超音波の通路の全長
に関連する長さないしその通路に沿う方向の媒質の分速
度を算定する超音波利用測定装置に関する。

超音波距離測定装置は、媒質中の音速ｖ１前記経過時間
Ｔ、及び超音波の通路の全長りの間の、Ｌ＝ＶＸＴなる
関係に基いてＬに関連する長さを算定するものであり、
超音波流速測定装置は、前記の諸量、Ｖ、Ｔ、Ｌ、媒質
の流速υ、及び媒質の流れ方向と超音波の通路に沿う方
向とのなす角θ 間の、Ｌ＝（■＋υ・ｃｏｓθ）×Ｔ
１即ちυ・ｃｏｓθ＝（Ｌ／Ｔ）−Ｖに基いて流速υを
算定するものであって、倒れも経過時間Ｔの測定値を算
定の基礎としている。

この種の装置の送信子は、例えばセラミックスなどの誘
電体を使用する超音波の周波数を共振周波数とする平板
の形に形成し、両面を導電性の被膜で覆ったもので、こ
の両崩間１こ共振周波数の交番電圧を印す口して電歪現
象により両面間の距離に振動的変化をひきおこさせ、こ
れにより隣接する空気を強制的に振動させるものである
が、急激に大きな交番電圧を印加しても、誘電体自身の
慣性や被膜の内部摩擦などのために、振幅は徐々にしか
大きくならない。

このため、第１図ａに示すように振幅が全期間均一な交
番電圧を印加した場合に生ずる送信波は、第１図すに示
すように最初の振幅がきわめて小さく、従って受は波も
同様に最初の振幅がきわめて小さくなるのが通例である
。

ところで、従来の超音波利用測定装置では、前記経過時
間Ｔとして、送信波の始点から受信波の始点までの時間
を使用しており、送信波の始点は送信波発生手段の作動
に基いて正確に検出できるが、受信波の始点は前記の事
情で検出が甚だ困難であるため、１〜２周期分の測定誤
差を避けることができない点に問題があった。

この測定誤差は、使用周波数ｆを大きく選んで波長λ＝
Ｖ／ｆを小さくしても、この場合は減衰のためｌζ振幅
が小さくなり、始点の検出が困難になるため、事態は少
しも改善されない。

このような事情のため、従来から周波数ｆを１０〜５０
ＫＨｚ程度とするのが普通であるが、この場合音速Ｖ＝
３４０ｍ／ｓ 、ｆ＝５０ＫＨｚとすると波長λ＝Ｖ／
ｆ ＝ ６．８ｍｍとなるから、この１〜２倍即ち６
．８〜１３．６ｍｍ程度の距離測定誤差は不可避であっ
た。

これに対処して、送信波として振幅がほとんど０から漸
増の後に急減するものを用い、受信波に基づく受信信号
に対して半周期遅れの遅延信号を作ってこれを受信信号
に加算して、最後のひと山を残して他をほとんど相殺し
、最後のひと山の発生時点を検出して発信波の最後のひ
と山から受信波の最後のひと山までの経過時間を実測す
るものが提案されている。

←特開昭５２−６５５６号）しかし、受信波の振幅は、
実際には、誘電体自身の慣性によるエネルギの放出や本
来以外の通路を経由する反射波などのために、第１図す
に示す発信波にもまして、後縁で漸減し、従って受信信
号と前記遅延信号とを加算すると、振幅の漸減に対応し
て最後のひと山の代りに多数の低い波を生じ、その位相
は振幅の漸増時に対し半周期ずれており山の高さは多少
高いとしても、振幅減少開始時点を明確ζこ検出できる
ほどの顕著な差異がないので、経過時間の正確な測定が
困難である。

このため、例えば開渠流量計において、液面の上方に液
面を対象物とする送信子及び受信子を配置して、液面ま
での距離を測定する液位計であって、測定距離の範囲が
２００７１ｍ以下と小さいものに使用するのには、従来
のままの超音波距離測定装置では誤差が太き過ぎて実用
にならないし、超音波の通路の全長りが小さい超音波流
量計についても同様な理由で実用にならない点に問題が
あった。

この発明は、従来と同程度の周波数の超音波を使用し、
しかも測定誤差をきわめて小さくして、前記の問題を解
決した、超音波利用測定装置の実現を自力とするもので
ある。

この発明は、実施例について後記する通り、前記の超音
波利用測定装置において、送信波としてその持続時間の
過程に振幅が最大値から比較的急速に縮小するものを使
用し、受信波の振幅に追従する出力と、これにその増大
時にのみ追従し減少時は不変の出力とを作り、前者が後
者より小さくなったことによって受信波の振幅の縮小の
事実を検出してその瞬間に計時信号を発する受信波振幅
縮小検出手段を設け、送信波の振幅の縮小から計時信号
までの時間に基づいて前記経過時間を算定することを特
徴とする、超音波利用測定装置である。

この種の装置では、受信波の振幅は減衰により送信波の
振幅より全般的に小さいが、持続時間中の各波の振幅の
大小関係は相似する。

本件発明では、前記のように、持続時間の過程に振幅が
最大値から比較的急速に縮小する送信波を使用するから
、受信波の振幅も同様の過程で変化し、振幅の急速な縮
小を生ずる波は互に対応している。

そして、送信波の振幅縮小時期は、送信波をだすために
送信子を駆動する駆動電圧の振幅の縮小の時期によって
知ることができ、受信波の振幅の縮小の時期は、受信子
が生ずる受信電圧の振幅の縮小の事実を検出してその瞬
間に計時信号を発する受信波振幅縮小検出手段を使用し
て正確に知ることができる。

又、駆動電圧と送信波との間、及び受信波と受信電圧と
の間に位相の差異があるが、それは一定値であるから、
それを補正することによって送信波を発してから受信波
を受けるまでの経過時間Ｔを正しく知ることができ、媒
質の温度に関連して音速Ｖを補正すれば、超音波の通路
の全長りに関連する長さや、流速υを正確に算定するこ
とができる。

第２図にブロック図を示す実施例は、開渠流量計の液面
の上方の定位置に下方に向けて送信子と受信子とを兼ね
る送受信子を設けて、液面までの距離の２倍を超音波の
通路の全長りとして、液位を測定する超音波液位計であ
って、次のようにして送信波を生ずる。

まず発振回路１で１００ ＫＨｚの方形波を作り、分周
回路２で５０ＫＨｚ及び更に下位周波数の方形波を作り
、同期微分回路３で第２図ｇに示す周波数１００ Ｘ
２− ” ２Ｋ Ｈｚ ％ 周期４０．９６ｍ５の方形
波と、第２図すに示す周期４０．９６ｍ５毎ζこ０．３
Ｚｍｓ間持続する負論理のパルスを生ずる。

このパルスの０．３２ ｍｓの期間に、送信用ランプ発
振回路４は第２図ｇに示すように振幅が漸増急減的に変
化するのこぎり波を生じ、送信パルス形成回路５は第２
図ｇに示すように５０ＫＨｚの送信パルスを１６波生じ
、スイッチング変調回路６は第２図ｇに示すように振幅
が漸増急激的に変化する１６波の変調パルスを生ずる。

これを受けてドライバ回路γは第２図下に示すような振
動電流を生じ、これを電力増幅回路８で増幅して第２図
ｇに示すような駆動電流を作り、これで共振周波数が５
０ＫＨｚの送受信子９を駆動して、第２図りに示すよう
な送信波を生ずる。

送信波は媒質である空気中を進行し、液面で反射して逆
方向１こ空気中を進行して、受信波として送受信子９に
達するときには、第２図下に示すように、振幅の変化傾
向は送信波と同様であるが、減衰のため振幅は全般的に
、超音波の通路の全長に反比例して小さくなる。

送受信子９は受信波を受けて対応する受信電圧を生じ前
段増幅回路１０に伝える。

前段増幅回路１０では第３図に示すように初段の増幅に
エミッタ接地のトランジスタ（Ｔｒ）をベース・エミッ
タ間の電圧の増加に伴うコレクタ電流が次第に増加する
領域で使用し、そのベースに利得調節回路１１によるバ
イアスをかけ、このバイアスは平素は０．６Ｖとし、同
期微分回路３の第２図ｇに示した方形波の出力の立下り
に起因して利得調節回路１１の主要部をなす積分回路を
始動させて、第２図下部の線図ｊに示すように、時の経
過とともに所定の経過で漸増させ、その結果、超音波の
通路の全長の変化範囲、従って測定距離範囲の全域に亘
り、少くとも受信波の振幅の最大時の近辺では、前記ト
ランジスタを能動領域の一定の範囲内１こあらしめ、こ
れによって前段増幅回路１０の出力の水準をほぼ一定に
保つ。

前段増幅回路１０の出力を後段増幅回路１２で増幅し、
更に、半波整流回路１３で整流して、第２図ｋに示すよ
うに、最大振幅が約１０ｖの正論理の半波を作る。

後段増幅回路１２の途中の増幅段の出力に基き同調増幅
回路１４、パルス化回路１５、及び振幅標本化パルス形
成回路１６を経て、半波整流回路１３の出力する各半波
にの振幅の極大値の瞬間毎に、第２図１に示すような、
長さ１μｓの標本化パルスを作る。

振幅標本値保持回路１１は、振幅標本化パルス形成回路
１６の標本化パルスと、半波整流回路１３の半波とを同
時に受けて、第２図ｍに示すように、標本化パルスのつ
とその時の半波整流回路１３の出力？・こ対応する出力
を次の標本化パルスまで保持する。

ピーク値保持回路１８は、振幅標本値保持回路１γの出
力の増大時にのみその出力にその最初の縮小時の縮小量
である図示の値Ｓ未満の範囲内で小さい値を保持しつつ
追従して増大し、減少時は変化しないで第２図ｎに示す
ように最大出力を保持する。

比較回路１９は、振幅標本値保持回路１γの出力ｍとピ
ーク値保持１路１８の出力ｎとを比較して前者が後者よ
り小さくなった瞬間に計時信号を発する。

計時用標本化パルス形成回路２０は、比較回路１ａの計
時信号のつと長さ２〜３μｓの計時用の標本化パルスを
作る。

同期微分回路３の第２図ａの方形波の出力の立下りから
２ｍｓ遅れて、リセット信号形成回路２１の出力が低電
位となる。

この結果、振幅標本値保持回路１１とピーク値保持回路
１８とが作動可能状態になる。

この時フリップフロップ２２のリセット入力端子Ｒは低
電位となるが出力は変化しないＯ 半波、整流回路１３の第２図ｋに示す半波の出力が２ｖ
を越えると、しきい値検出回路２３が出力を生じフリッ
プフロップ２２のセット入力端子Ｓは高電位となり、そ
の結果、一方の出力端子Ｑが低電圧となり、振幅標本値
保持回路１γが作動を開始し、ピーク値保持回路１８も
出力を生じ始める。

（第２図ｍ、ｎ参照）一方の出力端子Ｑが低電圧となる
と同時に他方の出力端子Ｑが高電位となり、それより、
第２図ｍの振幅標本値保持四路１１の出力の開始から、
比較回路１９の計時信号までの時間を若干越える時間で
ある０、４ｍｓだけ遅れて利得調節回路１１の出力によ
り前段増幅回路１０の前記トランジスタのベースにかか
るバイアスは０．６Ｖに戻る。

バイアスが０．６ｖ近辺では、正規の受信波でない雑音
によっても半波整流回路１３に出力を正するが、それが
２ｖを越えない限り、振幅標本値保持回路１γとピーク
値保持回路１８とに出力を正じないから、雑音の影響を
受けるおそれがない。

又、比較回路１９の計時信号後しばらくしてバイアスを
０．６Ｖに戻し、しきい値検出回路２３゜フリップフロ
ップ２２を介して振幅標本値保持回１１を不作動とする
から、例えば、短い測定距離の場合などに、第１回の受
信波が送受信子９近辺で再び反対されて液面ンこ向い、
液面から第２回の反射波が再び送受信子９に到達しても
、前段増幅回路１０以降が作動しない。

即ち、第２回以降の反射波による誤動作を防止している
。

基準電圧回路２４で作った基準電圧を計時用ランプ発振
回路２５に入力し、同期微分回路３の第２図ａの方形波
出力の立下りを起点として、第２図下端の線図ｐに示す
ように０．６Ｖから時の経過とともに直線的に増大する
出力を生ずる。

この出力は、第２図ａに示す同期微分回路３の方形波出
力の立上りより前に最高値に達し、立上りとともに０．
６Ｖに戻る。

この方形波の立下りから、最高値に達するまでの時間に
よって、経過時間Ｔの最高値従って測定距離の最高値が
定まる。

計時用標本値保持回路２６は、計時用標本化パルス形成
回路２０の標本化パルス毎にそのときの計時用ランプ発
振回路２５の出力を反覆的に検知し、それを平滑化して
最近値を常時記憶する。

この記憶値に、温度検知器２８の出力１こ基いて温吠補
正回路２９で温度補正を行ない、０点補正装置２γで所
要の０点補正を行ない、このようにして得た経過時間に
よって得た液面までの距離の測定値１こ基き、引算回路
３０で流量に直接に関係する水位に換算し、スパン調整
回路３１で使用目的に応じて測定範囲を調整したうえ、
Ｖ−Ｉ変換回路３２で、測定値に関連する電流値に変換
して、離隔位置の受信装置に伝送する。

第２図の実施例は液位針ｌこ関するものであるが、利得
調節回路１１を除き、超音波流量計の経過時間Ｔの測定
にも利用できるものである。

この発明によると、超音波利用測定装置において、経過
時間の測定精度の向上を介して目的の物理量の測定精度
を高めることができるから、産業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂは、従来の超音波利用測定装置の送信波及
び受信波の波形を示す線図、第２図は、この発明の一実
施例のブロック図、第２図ａ−ｐは、第２図の実施例の
主要部分の出力を示す線図である。 第３図は前段増幅回路１０の回路図である。 ９・・・・・・送信子、受信子（受信波振幅縮小検知手
段）、１０・・・・・・前段増幅回路（増幅回路）（受
信波振幅縮小検知手段）、１２・・・・・・後段増幅回
路（増幅回路）（受信波振幅縮小検知手段）、１３・・
・・・・半波整流回路（受信波振幅縮小検知手段）、１
６・・・・・・振幅標本化パルス形成回路（受信波振幅
縮小検知手段）、１１・・・・・・振幅標本値保持回路
（受信波振幅縮小検知手段）、１８・・・・・・ピーク
値保持回路（受信波振幅縮小検知手段）、１９・・・・
・・比較回路（受信波振幅縮小検知手段）、１１・・・
・・・利得調整回路（受信波振幅縮小検知手段）、Ｔｒ
・・・・・・トランジスタ（受信波振幅縮小検知手段）
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 静止ないし流動する媒質中で、短時間のみ持続する
   超音波を送信波として送信子から発し、これを直接にな
   いし反射面を介して受信波として受信子で受け、送信波
   を発した時から受信波を受けた時までの経過時間に基づ
   いて、超音波の通路の全長に関連する長さないしその通
   路に沿う方向の媒質の分速度を算定する超音波流用測定
   装置において、送信波としてその持続時間の過程に振幅
   が最大値から比較的急速に縮小するものを使用し、受信
   波の振幅に追従する出力と、これにその増大時にのみ追
   従し減少時は不変の出力とを作り前者が後者より小さく
   なったことによって、受信波の振幅の縮小の事実を検出
   してその瞬間に計時信号を発する受信波振幅縮小検出手
   段を設け、送信波の振幅の縮小から計時信号までの時間
   に基づいて前記経過時間を算定することを特徴とする、
   超音波利用測定装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の超音波利用測定装置
   において、受信波振幅縮小検知手段として、受信波を電
   気信号に変換する受信子、受信子の電気信号を増幅する
   増幅回路、増幅回路の出力の一方極性の各半波のみに対
   応する出力を生ずる半波整流回路、半波整流回路の出力
   の各半波の振幅の極大値に合致して瞬間的のパルスを発
   する振幅標本化パルス形成回路、振幅標本化パルス形成
   回路のパルスのつとその時の半波整流回路の出力に対応
   する出力を次のパルスまで保持する振幅標本値保持回路
   、振幅標本値保持回路の出力の増大時にのみその出力に
   その最初の縮小時の縮小量未満の範囲内で小さい値を保
   持しつつ追従して増大し減少時は変化しない出力を保持
   するピーク値保持回路、及び：振幅標本値保持回路の出
   力とピーク値保持回路の出力とを比較して前者が後者よ
   り小さくなった瞬間に計時信号を発する比較回路を設け
   たことを特徴とする、超音波利用測定装置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の超音波利用測定装置
   であって、送信子から送信波を対象物に向けて発し対象
   物からの反射波を受信波として受信子が受けて送信波を
   発した時から受信波を受けた時までの経過時間に基づい
   て送信子ないし受信子から対象物までの距離を算定する
   ようにした超音波距離測定装置において、受信子の、出
   力を増幅する増幅回路における初段の増幅にトランジス
   タをエミッタ接地接続でベース・エミッタ間の電圧の増
   加に伴いコレクタ電流が次第に増加する領域で使用し、
   このトランジスタのベースに送信波以後の時の経過とと
   もに漸次増大するバイアスをかける利得調節回路を設け
   て、距離測定範囲の全域に亘り、受信波の最大振幅時近
   辺において、前記トランジスタを能動領域の一定の範囲
   内にあらしめることを特徴とする、超音波距離測定装置
   。