JP2006208360A

JP2006208360A - 伝達時間計測装置

Info

Publication number: JP2006208360A
Application number: JP2005285851A
Authority: JP
Inventors: Kunikazu Shigeta; 邦和重田; Tamotsu Kobayashi; 保小林
Original assignee: TECHNO DATA KK; Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: TECHNO DATA KK; Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-08-10
Also published as: US7305309B2; US20060145683A1

Abstract

【課題】
高価なアナログ・ディジタル変換器を使用しなくても十分に時間分解能を小さく、すなわち精度よく測定することができ、工業上有用な伝達時間計測装置を提供する。
【解決手段】
中央処理装置６からの信号２を受けて計測すべき伝達時間に係る情報を含む出力信号３を発信する伝達時間計測対象１と、出力信号をディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器４と、ディジタルデータを処理して所要の伝達時間を算出する前記中央処理装置６を備え、中央処理装置６にクロック信号８を与えるクロック源７とアナログ・ディジタル変換器４の間に可変遅延器９を設けて、前記中央処理装置６により前記可変遅延器９に遅延制御信号１２を与えて前記計測開始信号２に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号の遅延時間を時間とともに変更するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種計測機器において信号が被計測物中を伝達する時間を計測するための装置に関する。

各種計測機器においては、被計測物中を伝わる信号の伝達時間から所要の物理量を求めるものがあり、例えば被測定流体中をその流れ方向および流れ方向とは逆方向に伝播する超音波の伝播時間（伝達時間）の差から流量を求める超音波流量計がある（例えば、特許文献１、２参照）。

上述のような計測機器は、信号伝達時間を計測する装置を備えているが、従来の伝達時間計測装置としては図５に示すような構成のものがあり、以下その概要を説明する。

同図５において、５１は伝達時間計測対象であり、上述した超音波流量計では超音波の送受信を行う手段に相当し、中央処理装置５６からの計測開始信号５２を受けて信号を発すると、伝達時間に係る情報を含む出力信号５３が出力され、この出力信号はアナログ・ディジタル変換器５４に送られる。

上記アナログ・ディジタル変換器は、入力されたアナログ信号をディジタルデータに変換して５５に出力し、同ディジタルデータは中央処理装置５６によって処理されて所要の伝達時間が算出される。

またクロック源５７は前記中央処理装置５６とアナログ・ディジタル変換器５４とにクロック信号それぞれ５８、５９を与えて両者を正常に動作させる。
特開２００２−１６２２６９号公報（第１〜６頁、図１〜７）特開２００２−２９６０８５号公報（第１〜５頁、図１〜６）

前述した従来方式の伝達時間計測装置においては、アナログ・ディジタル変換器５４のクロック信号５９と伝達時間計測対象の計測開始信号５２とは常に同期関係にあるので、中央処理装置５６が算出する伝達時間の時間分解能はこのクロック信号の周期以下にはならず、伝達時間の測定分解能は使用するアナログ・ディジタル変換器の特性に依存する。

したがって、時間分解能を高めるためには許容サンプリング周波数の高いアナログ・ディジタル変換器を使用する必要があり、高価になるという問題がある。

上述した課題を解決するために、本発明に係る第１の伝達時間計測装置は、中央処理装置からの計測開始信号を受けて計測すべき伝達時間に係る情報を含む出力信号を発信する伝達時間計測対象と、上記出力信号を受けてディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器と、上記ディジタルデータを処理して所要の伝達時間を算出する前記中央処理装置と、上記中央処理装置にクロック信号を与えるクロック源と、上記クロック源と上記アナログ・ディジタル変換器の間に介在してクロック源より与えられるクロック信号を遅延させてアナログ・ディジタル変換器に与える可変遅延器とよりなり、前記中央処理装置は前記可変遅延器に遅延制御信号を与えて前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号の遅延時間を時間とともに変更するように構成したことを特徴としている。

実施態様の第１は前記可変遅延器が複数の遅延出力タップを有するプログラマブル遅延モジュールと、上記遅延出力タップのうちの１つを任意に選択して出力するマルチプレクサとよりなることを特徴としている。

また実施態様の第２は前記可変遅延器が電圧可変形のアクティブ遅延素子であることを特徴としている。

本発明に係る第２の伝達時間計測装置は、流路用管体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り換える切替器と、前記超音波振動子を駆動する振動子駆動源と、流体内を伝播する超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器と、上記増幅器出力を受けてこれをディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器と、上記ディジタルデータを受けてメモリ内に格納するプログラマブル・ロジック・デバイスと、上記プログラマブル・ロジック・デバイスにクロック信号を与えるクロック源と、上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して演算処理し、前記１対の超音波振動子間を上流向けおよび下流向けに伝播する超音波の伝播時間を求めて両伝播時間の差に基づいて前記流路用管体を流れる流体の流量を算出する中央処理装置とよりなり、前記プログラマブル・ロジック・デバイスは前記クロック源より与えられるクロック信号を受けて前記振動子駆動源に計測始開始信号を与えるとともに、内部要素により互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号のうちの１つを前記アナログ・ディジタル変換器に与えて前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号の遅延時間を時間とともに変更するように構成してある。

本発明に係る第３の伝達時間計測装置は、流路用管体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り換える切替器と、前記超音波振動子を駆動する振動子駆動源と、流体内を伝播する超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器と、上記増幅器出力を受けてこれをディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器と、上記ディジタルデータを受けてメモリ内に格納するプログラマブル・ロジック・デバイスと、上記プログラマブル・ロジック・デバイスにクロック信号を与えるクロック源と、上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して演算処理し、前記１対の超音波振動子間を上流向けおよび下流向けに伝播する超音波の伝播時間を求めて両伝播時間の差に基づいて前記流路用管体を流れる流体の流量を算出する中央処理装置とよりなり、前記プログラマブル・ロジック・デバイスは前記クロック源より与えられる信号を受けて前記アナログ・ディジタル変換器にクロック信号を与えるとともに、内部要素により互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号のうちの１つを前記振動子駆動源に計測開始信号として与えて前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号を時間とともに変更するように構成してある。

本発明に係る第４の伝達時間計測装置は、流路用管体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り換える切替器と、前記超音波振動子を駆動する振動子駆動源と、流体内を伝播する超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器と上記増幅器出力を受けてこれをディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器と、上記ディジタルデータを受けてメモリ内に格納するプログラマブル・ロジック・デバイスと、上記プログラマブル・ロジック・デバイスにクロック信号を与えるクロック源と、上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して演算処理し、前記１対の超音波振動子間を上流向けおよび下流向けに伝播する超音波の伝播時間を求めて両伝播時間の差に基づいて前記流路用管体を流れる流体の流量を算出する中央処理装置とよりなり、前記プログラマブル・ロジック・デバイスは前記クロック源より与えられるクロック信号を受け、その内部要素により互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号のうちの１つを前記振動子駆動源に計測開始信号として与え、かつ同一または別の遅延クロック信号の１つを前記アナログ・ディジタル変換器に与え、前記前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号を時間とともに変更するように構成してある。

本発明によれば、可変遅延器を有しているので、許容サンプリング周波数の高いアナログ・ディジタル変換器を使用せず、比較的安価な部品を使用しても十分に時間分解能を小さくすることができ、したがって精度よく測定ができ、工業上有用な伝達時間計測装置を提供することができる。

以下、本発明に係る装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて説明する。
図１中の符号１は伝達時間計測対象であり、計測開始信号２が入力されると、計測しようとする伝達時間経過後に、この伝達時間に係る情報を含むアナログ信号３が出力されるものとしてある。

４はアナログ・ディジタル変換器であり、上記アナログ信号３をディジタルデータに変換し、中央処理装置（セントラル・プロセッサ・ユニット）６に送る。

７はクロック源であり、通常水晶発信器が使用され、その出力は上記中央処理装置６に与えられて同中央処理装置の正常な動作を可能にする。

また、前記中央処理装置６はこのクロック信号に同期して適当なタイミングで前記計測開始信号２を発信する。

前記クロック源７からのクロック信号１０は可変遅延器９に出力され、この可変遅延器９は入力されたクロック信号１０を遅延させ、遅延クロック信号１１として前記アナログ・ディジタル変換器４に与え、同変換器の正常な動作を可能にする。

また前記中央処理装置６は、クロック信号の遅延時間を制御するための遅延制御信号１２を可変遅延器９に与え、この遅延制御信号１２の変更周期は可変遅延器９の遅延時間に比べて大きく、かつ所要の伝達時間の計測時間に比べて短く選定するのが適切である。

上述のように構成した本発明の伝達時間計測装置は、計測開始信号に対する上記アナログ・ディジタル変換器４のクロック信号の遅延時間すなわちパルス位相は時間的に変化し、したがって前記中央処理装置６がディジタルデータより算出する伝達時間の時間分解能は上記クロック信号周期の数分の１程度に小さくなり、すなわち計測精度が格段に向上する。

次に、図２に基づいて可変遅延器９の具体例について説明する。
同図２中の符号２１はプログラマブル遅延モジュールと呼ばれる部品であり、その入力２２には通常のクロック信号が与えられる。

２３は入力波形整形用インバータ、２４は遅延要素、２５は出力波形整形用インバータを示し、２６はマルチプレクサ、２７は遅延要素２４からタップにより取り出した異なる遅延クロック出力、２８はこれら出力のうち１つを選択したもの、２９は中央処理装置より与えられる選択信号を示している。

前記出力２８は前記アナログ・ディジタル変換器に与えられ、中央処理装置からの遅延時間制御信号２９がマルチプレクサ２６に与えられることは上述の説明と同様であり、この遅延器を使用した場合に得られる効果も同様である。

さらに上記可変遅延器９の他の具体例としては、一般に市販されている可変容量ダイオードを利用した可変遅延器を用いる場合もある。この可変遅延器はクロック入力を遅延して出力するが、その遅延時間は可変容量に加える直流あるいは低周波信号により変更することができる。

この直流あるいは低周波信号を中央処理装置から与えれば前述した実施例と同様の効果が得られる。

次に本発明に係る第２の伝達時間計測装置の実施例を図３に示す具体例に基づいて説明する。
同図３において、符号３１は流路用管体、３２は被計測流体の流入口、３３は流体の流出口、３４、３５は１対の超音波振動子、３６は送受信切替器であり、振動子駆動源３７と増幅器３８を交互に上記振動子対に切替接続する。この切替を行う信号については公知の各種技術を適用できるので、具体的な説明は省略する。

上述の構成により交互に、振動子の一方は高い電圧で駆動され、被計測流体中を伝播した超音波は他方の振動子により検出され、増幅後に伝達時間（以下、超音波に係る時間につき伝播時間と呼ぶ）情報を含む受信波をアナログ・ディジタル変換器３９に与える。

同アナログ・ディジタル変換器３９により変換されたディジタルデータはプログラマブル・ロジック・デバイス４０に入り内部メモリに記憶される。

４１は通常水晶発振器で構成されるクロック源であり、上記プログラマブル・ロジック・デバイス４０はクロック源４１よりクロック信号を受けるともにこの信号に同期して上記振動子駆動源３７に計測開始信号を送り、中央処理装置４２は上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して処理し、前記１対の超音波振動子間の上流向け方向および下流向け方向の超音波伝播時間を求めて両時間の差より所要の流量を算出する。

ここでプログラマブル・ロジック・デバイス４０において、クロック源４１よりのクロック信号に内部の複数の要素、例えばゲートあるいは遅延ラインにより互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、その１つを上記アナログ・ディジタル変換器３９に与える。

上述した構成の伝達時間計測装置は、前記計測開始信号に対しアナログ・ディジタル変換器３９のクロック信号の遅延時間、すなわちパルス位相は時間的に変化する。したがって、前記中央処理装置４２がディジタルデータより算出する伝播時間の時間分解能は上記クロック信号周期の数分の１程度に小さくなる。

これを図４により詳細に説明すれば、同図中の（a）は計測開始信号としての振動子駆動信号、(b)は上流向けあるいは下流向けの受信波形を示し、伝播時間はＴpとして表されるが、通常適当に選定されるゼロクロス点（●印）までの時間Ｔpを精密に計測し、これと波形立ち上がりから上記ゼロクロス点までの時間Ｔ₀との差を計測してＴpとしている。

次に本発明装置においてゼロクロス点近傍を拡大して動作説明をすれば、図４中の(c)はあるクロック信号波形、(d)は一例としてこれを時間τ1だけ遅延させた波形を示す。アナログ・ディジタル変換器３９はクロック信号(c)により受信波形(e)上に○印で示す波形値をディジタルデータに変換する。またクロック信号(d)に対しては×印で示す波形値を変換する。

中央処理装置４２はゼロクロス点近傍の複数のデータを読み出し、例えば最小自乗法あるいはその改良方式によりこれらのデータからゼロクロス点を推定し、上述の差演算により伝播時間を算出し、さらに流量を計算するが、○印データより求めるゼロクロス点と×印データより求めたゼロクロス点は受信波形が直線ではないので一般には異なる。

本発明ではクロックの遅延時間を時間的に変化させるので、算出されるゼロクロス点は遅延時間の変更数に応じた数の値となる。このデータに、例えば平均演算のような統計処理を加えることにより時間分解能のよい計測結果が得られる。

従来の計測装置においては図４中、(ｃ)に示すクロック信号に対応した○印データのみが得られるので、算出されるゼロクロス点も伝播時間が一定な限り１個の値となり、したがって本発明の装置に比べると時間分解能が劣ることになる。

ここで図１と図３に示した各実施例のものを比較すると、その構成が異なるように見えるが、プログラマブル・ロジック・デバイス４０は中央処理装置４２と協調動作してその下部機能を分担し、かつ可変遅延器としても機能しているので、両図に示す伝達時間計測装置は実質的に同一である。
本計測装置においては特に個別の遅延要素を使用しないのでコスト面で有用である。

数値例を挙げれば、超音波振動子対３４、３５として共振周波数が１〜２Ｍサイクルのもの、アナログ・ディジタル変換器３９としてサンプリング周波数４０〜５０Ms/sのもの、プログラマブル・ロジック・デバイス４０としてゲート遅延時間１ns程度のものを使用し、本発明に他のデータ処理方法の工夫も加味して５０psの時間分解能を得ることができた。

次に本発明に係る第３の伝達時間計測装置の実施例を同じく図３に示す具体例に基づき、第２の伝達時間計測装置と異なる点を主に説明する。

プログラマブル・ロジック・デバイス４０はクロック源４１よりクロック信号を受け、この信号に同期してアナログ・ディジタル変換器３９にクロック信号を与えるとともに、内部の複数の要素、例えば、ゲートあるいは遅延ラインにより互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、そのうちの１つを振動子駆動源３７に計測開始信号として与える。

すなわち、第３の伝達時間計測装置の第２の伝達時間計測装置との差異はプログラマブル・ロジック・デバイスと振動子駆動源とが相互に入れ替えられている点であり、したがって両伝達時間測定装置により得られる効果も同一である。

次に本発明に係る第４の伝達時間測定装置の実施例を同じく図３に示す具体例に基づき、第２の伝達時間測定装置と異なる点を主に説明する。

プログラマブル・ロジック・デバイス４０はクロック源４１よりクロック信号を受けて内部の複数の要素、例えば、ゲートあるいは遅延ラインにより互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号の１つを振動子駆動源３７に計測開始信号として与え、かつ同一または別の遅延クロック信号の１つをアナログ・ディジタル変換器３９にクロック信号として与える。

この結果、計測開始信号に対してアナログ・ディジタル変換器のクロック・パルス位相が時間的に変化する点は上述の第２、第３の伝達時間測定装置と同じであるが、この第４の伝達時間測定装置では、位相の変更数が計測開始信号と、アナログ・ディジタル変換器のクロック信号それぞれの変更数の積になり、より統計的処理に適したものになっている点で異なる。

本発明に係る伝達時間計測装置の実施例を示す構成図。可変遅延器の一例を示す構成図。本発明に係る伝達時間計測装置の他の実施例を示す構成図。本発明に係る伝達時間計測装置の動作を説明するグラフ。従来の伝達時間計測装置の一例を示す構成図。

符号の説明

１伝達時間計測対象
２計測開始信号
３出力信号
４アナログ・ディジタル変換器
５ディジタル出力
６中央処理装置
７クロック源
８クロック信号
９可変遅延器
１０クロック信号
１１遅延クロック信号
１２遅延制御号
２１プログラマブル遅延モジュール
２２クロック入力端子
２３入力波形整形インバータ
２４ディレーライン
２５出力波形整形インバータ
２６マルチプレクサ
２７遅延クロック端子
２８出力端子
２９選択信号入力端子
３１流路用管体
３２流体流入口
３３流体流出口
３４超音波振動子
３５超音波振動子
３６送受信切替器
３７振動子駆動源
３８増幅器
３９アナログ・ディジタル変換器
４０プログラマブル・ロジック・デバイス
４１クロック源
４２中央処理装置

Claims

（a）中央処理装置からの計測開始信号を受けて計測すべき伝達時間に係る情報を含む出力信号を発信する伝達時間計測対象
（b）上記出力信号を受けてディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器
（c）上記ディジタルデータを処理して所要の伝達時間を算出する前記中央処理装置
（d）上記中央処理装置にクロック信号を与えるクロック源
（e）上記クロック源と上記アナログ・ディジタル変換器の間に介在してクロック源より与えられるクロック信号を遅延させてアナログ・ディジタル変換器に与える可変遅延器
とよりなり、
前記中央処理装置は前記可変遅延器に遅延制御信号を与えて前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号の遅延時間を時間とともに変更するようになしたことを特徴とする伝達時間計測装置。
請求項１に記載の可変遅延器は、複数の遅延出力タップを有するプログラマブル遅延モジュールと、これら遅延出力タップのうちの１つを任意に選択して出力するマルチプレクサとよりなることを特徴とする伝達時間計測装置。
請求項１に記載の可変遅延器は、電圧可変形のアクティブ遅延素子であることを特徴とする伝達時間計測装置。
（a）流路用管体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り換える切替器と、前記超音波振動子を駆動する振動子駆動源と、流体内を伝播する超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器
（b）上記増幅器出力を受けてこれをディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器
（c）上記ディジタルデータを受けてメモリ内に格納するプログラマブル・ロジック・デバイス
（d）上記プログラマブル・ロジック・デバイスにクロック信号を与えるクロック源
（e）上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して演算処理し、前記１対の超音波振動子間を上流向けおよび下流向けに伝播する超音波の伝播時間を求めて両伝播時間の差に基づいて前記流路用管体を流れる流体の流量を算出する中央処理装置
とよりなり、
前記プログラマブル・ロジック・デバイスは前記クロック源より与えられるクロック信号を受けて前記振動子駆動源に計測始開始信号を与えるとともに、内部要素により互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号のうちの１つを前記アナログ・ディジタル変換器に与えて前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号の遅延時間を時間とともに変更するようになしたことを特徴とする伝達時間計測装置。
（a）流路用管体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り換える切替器と、前記超音波振動子を駆動する振動子駆動源と、流体内を伝播する超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器
（b）上記増幅器出力を受けてこれをディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器
（c）上記ディジタルデータを受けてメモリ内に格納するプログラマブル・ロジック・デバイス
（d）上記プログラマブル・ロジック・デバイスにクロック信号を与えるクロック源
（e）上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して演算処理し、前記１対の超音波振動子間を上流向けおよび下流向けに伝播する超音波の伝播時間を求めて両伝播時間の差に基づいて前記流路用管体を流れる流体の流量を算出する中央処理装置
とよりなり、
前記プログラマブル・ロジック・デバイスは前記クロック源より与えられるクロック信号を受けて前記アナログ・ディジタル変換器にクロック信号を与えるとともに、内部要素により互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号のうちの１つを前記振動子駆動源に計測開始信号として与えて前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号を時間とともに変更するようになしたことを特徴とする伝達時間計測装置。
（a）流路用管体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り換える切替器と、前記超音波振動子を駆動する振動子駆動源と、流体内を伝播する超音波により受信側の超音波振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器
（b）上記増幅器出力を受けてこれをディジタルデータに変換するアナログ・ディジタル変換器
（c）上記ディジタルデータを受けてメモリ内に格納するプログラマブル・ロジック・デバイス
（d）上記プログラマブル・ロジック・デバイスにクロック信号を与えるクロック源
（e）上記プログラマブル・ロジック・デバイスのメモリ内容を読み出して演算処理し、前記１対の超音波振動子間を上流向けおよび下流向けに伝播する超音波の伝播時間を求めて両伝播時間の差に基づいて前記流路用管体を流れる流体の流量を算出する中央処理装置
とよりなり、
前記プログラマブル・ロジック・デバイスは前記クロック源より与えられるクロック信号を受け、その内部要素により互いに異なる遅延を与えて複数の遅延クロック信号を生成し、これら遅延クロック信号のうちの１つを前記振動子駆動源に計測開始信号として与え、かつ同一または別の遅延クロック信号の１つを前記アナログ・ディジタル変換器のクロック信号として与えて前記前記計測開始信号に対するアナログ・ディジタル変換器のクロック信号を時間とともに変更するようになしたことを特徴とする伝達時間計測装置。