JP2008164329A - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波センサの出力は微弱で、電圧10−3V、電流20×10−6Aのものである。従って、この出力に外部からの電気的なノイズ(コモンモードノイズ)が重畳すると高精度な測定ができなくなる。
【解決手段】流体を導く流路50と、流路50に設けられた超音波センサ51,52と、制御部53とを備え、制御部は、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路54と、超音波センサの受信波を検知する受信回路56とを備え、また受信回路は定電圧源56を有し、かつ、前記受信回路は低インピーダンスの終端57を有し、かつ、低インピーダンスの終端57は、超音波センサの出力の一部を受信回路の基準電位と共通にせずに低インピーダンスで終端するようにしたものである。
【選択図】図1The output of an ultrasonic sensor is weak and has a voltage of 10 −3 V and a current of 20 × 10 −6 A. Therefore, when electrical noise (common mode noise) from the outside is superimposed on this output, high-precision measurement cannot be performed.
A flow path for guiding a fluid, ultrasonic sensors 51 and 52 provided in the flow path, and a control unit are provided. The control unit transmits a transmission signal to the ultrasonic sensor. And a reception circuit 56 for detecting a reception wave of the ultrasonic sensor, the reception circuit has a constant voltage source 56, the reception circuit has a low impedance termination 57, and a low impedance The termination 57 is configured such that a part of the output of the ultrasonic sensor is terminated at a low impedance without being shared with the reference potential of the receiving circuit.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、特に超音波によって都市ガス、LPガス等流体の流量を測定する超音波流量計に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid such as city gas or LP gas, particularly by ultrasonic waves.
従来の超音波流量計としては、例えば特許文献1に記載されている。 A conventional ultrasonic flowmeter is described in Patent Document 1, for example.
図4は特許文献1に記載されている従来の超音波流量計を示す制御ブロック図である。 FIG. 4 is a control block diagram showing a conventional ultrasonic flowmeter described in Patent Document 1. In FIG.
図4において、流体管路4の途中に超音波を発信する第1振動子5と受信する第2振動子6とが流れ方向に配置されている。7は第1振動子5への発信回路、8は第2振動子6で受信した信号の増幅回路で、この増幅された信号は基準信号と比較回路9で比較され、発信から受信までの時間をタイマカウンタのような計時手段10で求め、その超音波伝幡時間に応じて管路の大きさや流れの状態を考慮して流量演算手段11で流量値を求め、この流量演算手段11の値によって発信回路7のトリガ手段13への信号送出のタイミングを調節する。 In FIG. 4, a first vibrator 5 that transmits ultrasonic waves and a second vibrator 6 that receives ultrasonic waves are disposed in the flow direction along the fluid conduit 4. 7 is a transmission circuit to the first vibrator 5, and 8 is an amplification circuit for a signal received by the second vibrator 6. This amplified signal is compared with a reference signal by the comparison circuit 9, and the time from transmission to reception is shown. Is calculated by the time counting means 10 such as a timer counter, the flow rate value is obtained by the flow rate calculation means 11 in consideration of the size of the pipeline and the flow state according to the ultrasonic propagation time, and the value of the flow rate calculation means 11 is obtained. To adjust the timing of signal transmission to the trigger means 13 of the transmission circuit 7.
次にその動作について述べる。トリガ手段13から発信回路7よりバースト信号を送出され第1振動子5で発信された超音波信号は、流れの中を伝幡し第2振動子6で受信され増幅回路8と比較回路9で信号処理され、発信から受信までの時間を計時手段10で測定する。 Next, the operation will be described. The ultrasonic signal transmitted from the trigger circuit 13 from the transmission circuit 7 and transmitted from the first vibrator 5 is transmitted through the flow and received by the second vibrator 6, and is received by the amplification circuit 8 and the comparison circuit 9. Signal processing is performed, and the time from transmission to reception is measured by the time measuring means 10.
静止流体中の音をc、流体の流れの速さをvとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は(c+v)となる。振動子5と6の間の距離をL、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφとすると、超音波が到達する時間Tは、
T=L/(c+vcosφ) (1)
となり、(1)式より
v=(L/T−c)/cosφ (2)
となり、Lとφが既知ならTを測定すれば流速vが求められる。この流速より流量Qは、通過面積をS、補正計数をKとすれば、
Q=KSv (3)
となる。
If the sound in the static fluid is c and the flow velocity of the fluid is v, the propagation speed of the ultrasonic wave in the forward direction of the flow is (c + v). When the distance between the transducers 5 and 6 is L, and the angle formed by the ultrasonic transmission axis and the central axis of the pipe is φ, the time T that the ultrasonic wave reaches is:
T = L / (c + vcosφ) (1)
From the equation (1), v = (L / Tc) / cosφ (2)
If L and φ are known, the flow velocity v can be obtained by measuring T. From this flow velocity, if the flow rate Q is S and the correction count is K,
Q = KSv (3)
It becomes.
図5は前記公報に記載されている従来の超音波流量計の第4の実施例を示す制御ブロック図であり、発信から受信を繰り返し手段15によって繰り返し設定手段16で設定された回数だけ繰り返し、さらに発振と受信の切換を切換手段17で行なった後、同様に繰り返しを行う。すなわち発振回路7によって第1振動子4から超音波が発生し、この超音波を第2振動子5で受信し、増幅回路8を介し比較回路9に到達すると繰り返し手段16で再びトリガ手段13で発信回路7をトリガする。この繰り返しは繰り返し設定手段15で設定された回数だけ行われ、設定回数に達すると繰り返しに要した時間を計時手段10で計測する。しかる後、切換手段17により第1振動子4と第2振動子5の発信受信を逆に接続し、今度は第2振動子から第1振動子5に向かって超音波を発信し前述と同様に到達時間を求め、この差を流量演算手段11で流量値を演算する。 FIG. 5 is a control block diagram showing a fourth embodiment of the conventional ultrasonic flowmeter described in the publication, and repeats transmission and reception by the number of times set by the repeat setting means 16 by the repeat means 15; Further, after switching between oscillation and reception by the switching means 17, the same is repeated. That is, an ultrasonic wave is generated from the first vibrator 4 by the oscillation circuit 7, and this ultrasonic wave is received by the second vibrator 5 and reaches the comparison circuit 9 via the amplifier circuit 8. The transmission circuit 7 is triggered. This repetition is performed the number of times set by the repetition setting means 15, and when the set number of times is reached, the time required for the repetition is measured by the time measuring means 10. After that, the transmission and reception of the first vibrator 4 and the second vibrator 5 are reversely connected by the switching means 17, and this time, the ultrasonic waves are sent from the second vibrator toward the first vibrator 5 and the same as described above. The flow time value is calculated by the flow rate calculation means 11.
静止流体中の音をc、流体の流れの速さをvとすると、流れの順方向の超音波の伝幡速度は(c+v)、逆方向の伝幡速度は(c−v)となる。振動子7と8の間の距離をL、超音波伝幡軸と管路の中心軸とがなす角度をφ、繰り返し回数をnとすると、順方向と逆
方向のそれぞれの繰り返し時間T1とT2は、
T1=n×L/(c+vcosφ) (4)
T2=n×L/(c−vcosφ) (5)
となり、(4)、(5)式より
v=n×L/2cosφ×(1/T1−1/T2) (6)
となり、Lとφが既知ならT1とT2を測定すれば流速vが求められる。しかしながらT1とT2の差は流量が小さくかつ繰り返し回数が小さいときには極めて微小であり、正確に計ることが困難であるので測定回数を多く設定し誤差を比較的小さくし、流量が大きくなるとT1−T2の差も大きくなるので測定が容易になりその場合には繰り返し設定の回数を小さくしてサンプリング間隔を速くして誤差を小さくする。
If the sound in the static fluid is c and the flow velocity of the fluid is v, the propagation speed of ultrasonic waves in the forward direction of the flow is (c + v), and the propagation speed of the reverse direction is (cv). If the distance between the transducers 7 and 8 is L, the angle between the ultrasonic transmission axis and the central axis of the pipe is φ, and the number of repetitions is n, the forward and reverse repetition times T1 and T2 respectively. Is
T1 = n × L / (c + v cos φ) (4)
T2 = n × L / (c−v cos φ) (5)
From the equations (4) and (5), v = n × L / 2 cos φ × (1 / T1-1 / T2) (6)
If L and φ are known, the flow velocity v can be obtained by measuring T1 and T2. However, the difference between T1 and T2 is extremely small when the flow rate is small and the number of repetitions is small, and it is difficult to measure accurately. Therefore, when the number of measurements is set large to reduce the error relatively, and the flow rate increases, T1-T2 Therefore, the measurement becomes easy, and in this case, the number of repeated settings is reduced, the sampling interval is increased, and the error is reduced.
すなわち、流量演算手段11によって繰り返し設定手段15の回数を変更する。 That is, the number of repetition setting means 15 is changed by the flow rate calculation means 11.
特許文献1は2つの振動子を用いて、送信と受信とを切り替え、それぞれの受信波形から求められる超音波の伝播時間から流速を求めて、流量を演算する方式である。 Patent Document 1 is a method of calculating flow rate by using two transducers to switch between transmission and reception, obtaining a flow velocity from ultrasonic propagation time obtained from each received waveform, and calculating a flow rate.
また特許文献2には、振動子と、前記振動子で受信した信号の増幅回路(受信回路)が、受信波形の形状の決定要素となるので、流量計測精度が、これらにより大きく左右されるという課題があり、そのために複数の振動子の特性差異や、回路のインピーダンス差により生じる受信波形の差異を少なくすることが記載されている。具体的には、電圧源を有した送信回路と、オペアンプで構成した低インピーダンスの終端素子を有する受信回路を用いたものである。
流量は流速から求められ、流速は式(6)より、順方向と逆方向のそれぞれの繰り返し時間T1とT2の逆数の差で表される。逆数差は(T1−T2)と近似することが出来る。 The flow rate is obtained from the flow velocity, and the flow velocity is expressed by the difference between the reciprocal times T1 and T2 in the forward direction and the reverse direction from the equation (6). The reciprocal difference can be approximated as (T1-T2).
流体が流れる管路(流路とも呼ぶ)の大きさにもよるが、2000リッター/時間から6000リッター/時間の気体を測定する超音波流量計の大きさであれば、(T1−T2)が1×10−9秒であれば2リッター/時間に相当し、1リッター/時間の精度で計量しようとする場合、大変な精度で時間を計測する必要がある。 Depending on the size of the conduit (also referred to as the flow path) through which the fluid flows, if the size of an ultrasonic flowmeter that measures gas of 2000 liters / hour to 6000 liters / hour, (T1-T2) is If it is 1 × 10 −9 seconds, it corresponds to 2 liters / hour, and it is necessary to measure the time with great accuracy when attempting to measure with an accuracy of 1 liter / hour.
また、第1、2振動子(超音波センサとも呼ぶ)の出力は微弱で、電圧10−3V、電流20×10−6Aのものである。従って、この出力に外部からの電気的なノイズが重畳すると高精度な測定ができなくなる。このため従来の超音波流量計はノイズフィイルタや、超音波センサのリード線にはシールド線を用いるなどのノイズ対策を行っているが、コモンモードのノイズに対して弱いことがわかった。 Further, the outputs of the first and second vibrators (also referred to as ultrasonic sensors) are weak and have a voltage of 10 −3 V and a current of 20 × 10 −6 A. Therefore, if electrical noise from the outside is superimposed on this output, high-precision measurement cannot be performed. For this reason, the conventional ultrasonic flowmeter has taken noise countermeasures such as using a noise filter and a shield wire for the lead wire of the ultrasonic sensor, but it has been found to be weak against common mode noise.
図6は従来の超音波流量計における超音波センサと、低インピーダンス終端の受信回路との接続を表した模式図である。超音波センサ20は断面構造で図示しており、上下面に電極のある圧電振動体21を金属ケース22内に設けた構造で、圧電振動体21の上の面は金属ケース22と電気的に接続されている。下面に電極は、金属ケース22とは絶縁された端子23と接続される。また、金属ケース22と同電位の端子24も設けられている。端子23、24はシールド線25に接続される。シールド線25も断面構造で示している。 FIG. 6 is a schematic diagram showing the connection between an ultrasonic sensor in a conventional ultrasonic flowmeter and a receiving circuit having a low impedance termination. The ultrasonic sensor 20 is shown in a cross-sectional structure, and has a structure in which a piezoelectric vibrating body 21 having electrodes on upper and lower surfaces is provided in a metal case 22, and the upper surface of the piezoelectric vibrating body 21 is electrically connected to the metal case 22. It is connected. The electrode on the lower surface is connected to a terminal 23 that is insulated from the metal case 22. A terminal 24 having the same potential as that of the metal case 22 is also provided. The terminals 23 and 24 are connected to the shield wire 25. The shield wire 25 is also shown in a cross-sectional structure.
端子23はシールド線25の芯線に接続され、端子24はシールド線25の外周にも設けられている網目線に接続される。シールド線25の外周の網目線は、オペアンプで構成された低インピーダンスの終端素子を備えた受信回路26の基準電位27に接続される。シールド線25の芯線は受信回路26のオペアンプに入力される。受信回路26の基準電位27とシールド線25にコモンモードで重畳してくる高周波電磁波ノイズ28、29のうち、高周波電磁波ノイズ29は受信回路26に進入しないが、高周波電磁波ノイズ28は受信回路26に進入し、計測誤差を生じさせるため、受信回路をコモンモードノイズに対して強くしなければならないという課題がある。 The terminal 23 is connected to the core wire of the shield wire 25, and the terminal 24 is connected to a mesh line provided also on the outer periphery of the shield wire 25. The mesh line on the outer periphery of the shield line 25 is connected to a reference potential 27 of a receiving circuit 26 having a low-impedance termination element composed of an operational amplifier. The core wire of the shield wire 25 is input to the operational amplifier of the receiving circuit 26. Of the high-frequency electromagnetic wave noises 28 and 29 superimposed in common mode on the reference potential 27 and the shield line 25 of the reception circuit 26, the high-frequency electromagnetic wave noise 29 does not enter the reception circuit 26, but the high-frequency electromagnetic wave noise 28 does not enter the reception circuit 26. In order to enter and cause measurement errors, there is a problem that the receiving circuit must be made strong against common mode noise.
コモンモードノイズは一般的に2つの電線に同じように重畳するため、2つの電線間の信号の差を取ることとで、コモンモードノイズは除去される。 Since common mode noise is generally superimposed on two electric wires in the same manner, the common mode noise is eliminated by taking the difference in signal between the two electric wires.
本発明の超音波センサの信号を受ける受信回路は、低インピーダンスの終端を有し、かつ、低インピーダンスの終端は、超音波センサの2本の信号線の一部を受信回路の基準電位と共通にせずに2つの線をそれぞれ低インピーダンスで終端するようにして、2つの電線間の信号の差を取るようにする。さらに、送信回路は定電圧源を有した構成として、2つの超音波センサの特性差異により生じる、2つの超音波センサの受信波形の差異を少なくするようにする。 The receiving circuit that receives the signal of the ultrasonic sensor of the present invention has a low impedance termination, and the low impedance termination shares a part of the two signal lines of the ultrasonic sensor with the reference potential of the receiving circuit. Instead, the two wires are each terminated with a low impedance so that the signal difference between the two wires is taken. Further, the transmission circuit is configured to have a constant voltage source so as to reduce the difference in the received waveform of the two ultrasonic sensors caused by the difference in the characteristics of the two ultrasonic sensors.
(実施の形態1)
流体を導く流路と、前記流路に設けられた超音波センサと、制御部とを備え、前記制御部は、前記超音波センサに送信信号を与える送信回路と、前記超音波センサの受信波を検知する受信回路とを備え、また前記送信回路は定電圧源を有し、かつ、前記受信回路は低インピーダンスの終端を有し、かつ、前記低インピーダンスの終端は、前記超音波センサの信号線の一部を前記受信回路の基準電位と共通とせずに低インピーダンスで終端するようにする。
(Embodiment 1)
A flow path for guiding a fluid; an ultrasonic sensor provided in the flow path; and a control unit, wherein the control unit includes a transmission circuit that provides a transmission signal to the ultrasonic sensor, and a received wave of the ultrasonic sensor. The transmitter circuit has a constant voltage source, the receiver circuit has a low impedance termination, and the low impedance termination is a signal of the ultrasonic sensor. A part of the line is terminated not with the reference potential of the receiving circuit but with a low impedance.
図1は本発明の実施の形態1における超音波流量計の実施例を示す回路図である。流路50は流体の通る管で、途中に超音波センサ51、52が設けてある。超音波センサ51、52はリード線で制御部53が設けられているプリント基板と接続される。プリント基板には超音波センサ51、52への送信信号を、リード線を介して供給するための送信回路54と、超音波センサ51、52からの信号がリード線を介して伝達される受信回路55と、受信回路55の出力を増幅する1段目の増幅回路A59と、2段目の増幅回路B60と、増幅回路B60の出力を電圧源62で供給される直流電位と比較する比較回路64からなる制御部53が設けられている。スイッチ群65は、超音波センサ51、52の送受信切換えのために設けており、同図では超音波センサ51が送信回路54に、超音波センサ52が受信回路56に接続される状態にある。 FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention. A flow path 50 is a pipe through which a fluid passes, and ultrasonic sensors 51 and 52 are provided on the way. The ultrasonic sensors 51 and 52 are connected to a printed board on which the control unit 53 is provided by lead wires. A transmission circuit 54 for supplying transmission signals to the ultrasonic sensors 51 and 52 to the printed circuit board via lead wires, and a reception circuit for transmitting signals from the ultrasonic sensors 51 and 52 via the lead wires 55, a first-stage amplifier circuit A59 that amplifies the output of the receiving circuit 55, a second-stage amplifier circuit B60, and a comparison circuit 64 that compares the output of the amplifier circuit B60 with the DC potential supplied from the voltage source 62. The control part 53 which consists of is provided. The switch group 65 is provided for switching between transmission and reception of the ultrasonic sensors 51 and 52, and in the figure, the ultrasonic sensor 51 is connected to the transmission circuit 54 and the ultrasonic sensor 52 is connected to the reception circuit 56.
受信回路56に接続された超音波センサ52の2本の信号線は、それぞれ受信回路58の低インピーダンス終端57に接続されている。この低インピーダンス終端57はオペアンプで構成されており、このオペアンプは出力からマイナス端子に抵抗で帰還がかけられており、プラス端子には電圧源で直流電圧が与えられている。このため、マイナス端子は電圧源の直流電圧に保たれるように、オペアンプの出力電位が変化する。これは仮想的に電圧源がマイナス端子に接続された状態と同じであり、電圧源はインピーダンスが極小であるので、低インピーダンス終端とみなされる。 Two signal lines of the ultrasonic sensor 52 connected to the receiving circuit 56 are connected to a low impedance termination 57 of the receiving circuit 58, respectively. The low-impedance termination 57 is composed of an operational amplifier. The operational amplifier is fed back from the output to the negative terminal with a resistor, and a DC voltage is applied to the positive terminal from a voltage source. For this reason, the output potential of the operational amplifier changes so that the negative terminal is kept at the DC voltage of the voltage source. This is virtually the same as when the voltage source is connected to the negative terminal. Since the impedance of the voltage source is minimal, it is regarded as a low impedance termination.
このように、低インピーダンス終端57であるオペアンプのマイナス端子は超音波センサ52に接続され、かつ、プラス端子は電圧源に接続されるので、超音波センサ52の一
方を受信回路の基準電位58と共通にすることなく、超音波センサの2本の信号線両方を低インピーダンスで終端することになる。オペアンプからなる低インピーダンス終端は、超音波センサ52の電流に比例する大きさの電圧を出力する。
Thus, since the negative terminal of the operational amplifier which is the low impedance termination 57 is connected to the ultrasonic sensor 52 and the positive terminal is connected to the voltage source, one of the ultrasonic sensors 52 is connected to the reference potential 58 of the receiving circuit. Without being common, both the two signal lines of the ultrasonic sensor are terminated with low impedance. The low impedance termination composed of an operational amplifier outputs a voltage having a magnitude proportional to the current of the ultrasonic sensor 52.
送信回路54は電圧源56と発振回路65で駆動されるトランジスタ群を有しており、超音波センサ51を駆動する500kHz程度の矩形波を作っている。すなわち、超音波センサ51に接続されて駆動するもとになるのは電圧源56である。このような構成により、2つの超音波センサの特性差異により生じる、2つの超音波センサにおける受信波形の差異を少なくすることができる。 The transmission circuit 54 includes a transistor group driven by a voltage source 56 and an oscillation circuit 65, and generates a rectangular wave of about 500 kHz that drives the ultrasonic sensor 51. That is, it is the voltage source 56 that is connected to and driven by the ultrasonic sensor 51. With such a configuration, it is possible to reduce the difference in received waveform between the two ultrasonic sensors, which is caused by the characteristic difference between the two ultrasonic sensors.
図2は超音波センサ52と受信回路55との接続を表した模式図で、図6の従来例の図と共通する部分には、共通の符号を用いている。超音波センサ52と2線式のシールド線67が接続され、2線式のシールド線67の2線は受信回路55に接続される。2線式のシールド線67の外周の網目線は受信回路の基準電位58に接続される。基準電位58に対して、2線式シールド線67に重畳する高周波のコモンモードノイズ68、69は受信回路55に侵入するが、受信回路55は、2線式シールド線67の2線間に流れる電流に比例した電圧を出力するため、コモンモードノイズ68、69は受信回路55の出力においてキャンセルされている。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the connection between the ultrasonic sensor 52 and the receiving circuit 55, and the same reference numerals are used for the parts common to the conventional example of FIG. The ultrasonic sensor 52 and the two-wire shielded wire 67 are connected, and the two wires of the two-wire shielded wire 67 are connected to the receiving circuit 55. The mesh line on the outer periphery of the two-wire shield wire 67 is connected to the reference potential 58 of the receiving circuit. High-frequency common mode noises 68 and 69 superimposed on the two-wire shield line 67 with respect to the reference potential 58 enter the reception circuit 55, but the reception circuit 55 flows between the two lines of the two-wire shield line 67. In order to output a voltage proportional to the current, the common mode noises 68 and 69 are canceled at the output of the receiving circuit 55.
(実施の形態2)
低インピーダンスの終端素子を備えた受信回路の出力は、差動の増幅回路で増幅できるようにする。図1は本発明の実施の形態2における超音波流量計の実施例を示す回路図である。同図において、受信回路55の出力は、差動の増幅回路A59に接続され、かつ、増幅回路A59の出力は差動の増幅回路Bに接続されて信号増幅を行う。増幅回路A59と増幅回路B60はいずれも差動増幅回路の構成を取っているため、コモンモードノイズを除去する能力を有し、耐ノイズ性の強い性能を得ることが出来る。
(Embodiment 2)
The output of the receiving circuit having a low impedance termination element can be amplified by a differential amplifier circuit. FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an ultrasonic flowmeter according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the output of the receiving circuit 55 is connected to a differential amplifier circuit A59, and the output of the amplifier circuit A59 is connected to a differential amplifier circuit B to perform signal amplification. Since both of the amplifier circuit A59 and the amplifier circuit B60 are configured as differential amplifier circuits, they have the ability to remove common mode noise and can obtain performance with high noise resistance.
(実施の形態3)
増幅は少なくとも増幅度の可変できる2つの差動の増幅回路AおよびBで構成され、増幅回路AおよびBで合計nの増幅度に設定された状態から、増幅回路Aの増幅度が変えられても増幅回路Bの増幅度を変えることにより元の増幅度nと同じにできる増幅度を含むように増幅回路A、Bの増幅度を設定する。図1は本発明の実施の形態3における超音波流量計の実施例を示す回路図である。差動の増幅回路A59、および差動の増幅回路B60は増幅度が変えられるように帰還抵抗を可変可能な構成としている。
(Embodiment 3)
Amplification is composed of at least two differential amplifier circuits A and B whose amplification degree can be varied, and the amplification degree of the amplification circuit A is changed from a state where the amplification circuits A and B are set to a total amplification degree n. Also, the amplification degree of the amplification circuits A and B is set so as to include the amplification degree that can be made the same as the original amplification degree n by changing the amplification degree of the amplification circuit B. FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an ultrasonic flowmeter according to Embodiment 3 of the present invention. The differential amplifier circuit A59 and the differential amplifier circuit B60 are configured such that the feedback resistor can be varied so that the amplification degree can be changed.
増幅回路A59、および増幅回路B60の増幅度(倍数)は、図3(a)に示す増幅度表のように設定している。増幅回路Aは増幅倍数が1倍、2倍、3倍、4倍、5倍、増幅回路Bが1倍、2倍、3倍、4倍、5倍で合計の倍数は表に示すようになる。増幅回路Aが2倍の欄で、合計が3倍、4倍、5倍、6倍は、増幅回路Aが1倍の欄での合計にも含まれている。また、増幅回路Aが2倍の欄の合計のうち4倍、5倍、6倍、7倍は、増幅回路Aが3倍の欄の合計にも含まれている。 The amplification degrees (multiples) of the amplification circuit A59 and amplification circuit B60 are set as shown in the amplification degree table shown in FIG. The amplification circuit A has an amplification factor of 1, 2 times, 3 times, 4 times, 5 times, the amplification circuit B has a time of 1, 2, 3, 4 and 5 times. Become. Amplification circuit A is included in the double column, and the total of 3, 4, 5, and 6 times is also included in the total in the column of amplification circuit A of 1. In addition, among the totals in the column for the amplification circuit A, 4 times, 5 times, 6 times, and 7 times are included in the total in the column for the amplification circuit A 3 times.
超音波センサの受信信号は、流量の大きさや、温度によってよってその大きさが変化する。また、超音波センサ51を送信側、超音波センサ52を受信側にしたときの受信信号の大きさと、超音波センサ52を送信側、超音波センサ51を受信側にしたときの受信信号の大きさとが流量の大きさによって異なることもある。このような特性を持つので、受信信号の信号処理を簡単にするために、増幅回路の出力は増幅回路の増幅度を変えて振幅を一定に保つようにする。このために増幅回路の増幅度は変えられることが必要である。今、増幅回路Aの増幅度が2で増幅回路Bの増幅度が4、5の範囲(合計では6、7の範囲)で変化するような受信信号の大きさの変化がある場合で、さらに増幅度の増加が必要
になった場合は、増幅回路Aの増幅度が3で増幅回路Bの増幅度が4、5の範囲(合計では7、8の範囲)に移る。この時点で、増幅度の減少が必要な受信信号の変化が生じた場合は、回路Aの増幅度が3で増幅回路Bの増幅度が3、4の範囲(合計では6、7の範囲)に移る。また再び、増幅度の増加が必要になった場合は、増幅回路Aの増幅度が3で増幅回路Bの増幅度が3、4、5の範囲(合計では6、7、8の範囲)で動作することができる。この場合、増幅回路Aの増幅度は3のままで対応することが出来る。
The magnitude of the received signal of the ultrasonic sensor changes depending on the magnitude of the flow rate and the temperature. Also, the magnitude of the received signal when the ultrasonic sensor 51 is set to the transmitting side and the ultrasonic sensor 52 is set to the receiving side, and the magnitude of the received signal when the ultrasonic sensor 52 is set to the transmitting side and the ultrasonic sensor 51 is set to the receiving side. May vary depending on the magnitude of the flow rate. Since it has such characteristics, in order to simplify the signal processing of the received signal, the output of the amplifier circuit is kept constant by changing the amplification degree of the amplifier circuit. For this reason, it is necessary to change the amplification degree of the amplifier circuit. Now, when there is a change in the magnitude of the received signal such that the amplification degree of the amplification circuit A is 2 and the amplification degree of the amplification circuit B is in the range of 4 and 5 (a total range of 6 and 7), When it is necessary to increase the amplification degree, the amplification degree of the amplification circuit A shifts to the range of 3 and the amplification degree of the amplification circuit B shifts to the range of 4 and 5 (a total range of 7 and 8). At this time, when a change in the received signal that requires a decrease in the amplification degree occurs, the amplification degree of the circuit A is 3 and the amplification degree of the amplification circuit B is 3 or 4 (total of 6 or 7). Move on. Again, when it is necessary to increase the amplification degree, the amplification degree of the amplification circuit A is 3, and the amplification degree of the amplification circuit B is in the range of 3, 4, and 5 (total of 6, 7, and 8). Can work. In this case, it is possible to cope with the amplification degree of the amplification circuit A being 3 as it is.
同図(b)のような場合で、同じようなことが生じた場合を考えると、合計で6、7の増幅度を得ようとすると、増幅回路Aの増幅度が1で増幅回路Bの増幅度が5、また、増幅回路Aの増幅度が6で増幅回路Bの増幅度が1の選択肢しかなく、さらに増幅度の増加が必要になった場合は、増幅回路Aの増幅度が6で増幅回路Bの増幅度が1、2の範囲(合計では7、8の範囲)に移る。この時点で、増幅度の減少が必要な受信信号の変化が生じた場合は、回路Aの増幅度が1で増幅回路Bの増幅度が5(合計6)、また、増幅回路Aの増幅度が6で増幅回路Bの増幅度が1(合計7)に移る。また再び、増幅度の増加が必要になった場合は、増幅回路Aの増幅度が1で増幅回路Bの増幅度が5、増幅回路Aの増幅度が6で増幅回路Bの増幅度が1、2の範囲(合計では6、7、8の範囲)といった動きとなり、増幅回路AとBの両方の増幅度が変化することになる。増幅回路は、増幅度が変わると波形の歪が変わり、それがごくわずかであっても高精度な計量には無視の出来ないものとなることがある。 Considering the case where the same thing occurs in the case as shown in FIG. 5B, when trying to obtain a total amplification degree of 6 or 7, the amplification degree of the amplification circuit A is 1 and the amplification circuit B When the amplification degree is 5, and the amplification degree of the amplification circuit A is 6 and the amplification degree of the amplification circuit B is only 1, and the amplification degree needs to be increased, the amplification degree of the amplification circuit A is 6 Thus, the amplification degree of the amplifier circuit B shifts to a range of 1 or 2 (a total range of 7 or 8). At this time, when a change in the received signal that requires a decrease in the amplification degree occurs, the amplification degree of the circuit A is 1, the amplification degree of the amplification circuit B is 5 (total 6), and the amplification degree of the amplification circuit A 6 and the amplification degree of the amplifier circuit B shifts to 1 (7 in total). Again, when it is necessary to increase the amplification degree, the amplification degree of the amplification circuit A is 1, the amplification degree of the amplification circuit B is 5, the amplification degree of the amplification circuit A is 6, and the amplification degree of the amplification circuit B is 1. 2 (total of 6, 7, and 8), and the amplification degree of both the amplifier circuits A and B changes. The amplification circuit may change the distortion of the waveform when the amplification degree changes, and even if it is very small, it may not be negligible for high-precision measurement.
このため、2つの増幅回路A,Bの内、両方の増幅回路の増幅度がかわるよりも、増幅回路Bだけの増幅度の変化内で計量できることが望ましい。そこで、同図(a)のように、増幅は少なくとも増幅度の可変できる2つの差動の増幅回路AおよびBで構成し、増幅回路AおよびBで合計nの増幅度に設定された状態から、増幅回路Aの増幅度が変えられても増幅回路Bの増幅度を変えることにより元の増幅度nと同じにできる増幅度を含むように増幅回路A、Bの増幅度を設定する。 For this reason, it is desirable that the measurement can be made within the change in the amplification degree of only the amplification circuit B, rather than the amplification degree of both of the amplification circuits A and B being changed. Therefore, as shown in FIG. 5A, the amplification is made up of at least two differential amplification circuits A and B whose amplification degree can be varied, and the amplification circuits A and B are set to a total amplification degree of n. Even if the amplification degree of the amplification circuit A is changed, the amplification degree of the amplification circuits A and B is set so as to include the amplification degree that can be made the same as the original amplification degree n by changing the amplification degree of the amplification circuit B.
(実施の形態4)
増幅回路の最終は、増幅された超音波センサの信号が直流電位に対して変化するように出力する構成とする。図1は本発明の実施の形態4における超音波流量計の実施例を示す回路図である。同図において増幅回路の最終61は、電圧源62の直流電位がプラス端子に与えられるオペアンプからなる。オペアンプはプラス端子とマイナス端子に加わる信号の差を出力するが、その信号は電圧源62の直流電位が重畳されたものとなる。このような構成とすることにより、次段の比較回路により受信検知が行えるようになる。このオペアンプの増幅度は増幅回路の最終61内の抵抗によって決定される。
(Embodiment 4)
The final configuration of the amplifier circuit is configured to output the amplified ultrasonic sensor signal so as to change with respect to the DC potential. FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an ultrasonic flowmeter according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, the final 61 of the amplifier circuit is composed of an operational amplifier in which the DC potential of the voltage source 62 is applied to the plus terminal. The operational amplifier outputs a difference between signals applied to the plus terminal and the minus terminal, and the signal is a signal on which the DC potential of the voltage source 62 is superimposed. With this configuration, reception detection can be performed by the comparison circuit at the next stage. The amplification degree of this operational amplifier is determined by the resistance in the final 61 of the amplifier circuit.
(実施の形態5)
増幅回路の最終の出力は、比較回路で定めた直流電位と比較して、超音波の伝播時間を求めるための信号を生成し、前記定めた直流電位は、前記増幅回路の最終で用いた直流電位と同じものを用いるようにする。前述したように、高精度な計量を行うためには、比較回路で比較する基準となる電圧源の電位と、増幅回路の最終で、信号に重畳される電圧源の直流電位とが温度などの影響で、個々にドリフト(変化)すると伝播時間の測定に誤差が生じるようになる。このため比較回路で比較する基準となる電圧源の電位と、増幅回路の最終で、信号に重畳される電圧源の直流電位とは同じものを用いるようにする。
(Embodiment 5)
The final output of the amplifier circuit is compared with the direct current potential determined by the comparison circuit to generate a signal for determining the propagation time of the ultrasonic wave. The predetermined direct current potential is the direct current voltage used at the end of the amplifier circuit. Use the same thing as the place. As described above, in order to perform high-precision measurement, the potential of the voltage source serving as a reference to be compared in the comparison circuit and the direct current potential of the voltage source superimposed on the signal at the end of the amplification circuit are such as temperature. Due to the influence, if drift (change) individually, an error occurs in the measurement of the propagation time. For this reason, the same potential is used as the reference potential of the voltage source to be compared by the comparison circuit and the direct current potential of the voltage source superimposed on the signal at the end of the amplifier circuit.
図1は本発明の実施の形態4における超音波流量計の実施例を示す回路図である。同図において比較回路64のマイナス端子には増幅回路の最終出力63が入力され、プラス端子には電圧源62が接続される。この電圧源62は、増幅回路の最終61で、超音波センサの信号に重畳される電圧源とおなじものである。従って温度により、この電圧源62の直流電位がドリフト(変化)しても、比較回路64のプラス端子に与えられる比較の基準
となる直流電位も同様に変化するため比較する際には誤差が発生しにくいようになる。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an ultrasonic flowmeter according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, the final output 63 of the amplifier circuit is input to the minus terminal of the comparison circuit 64, and the voltage source 62 is connected to the plus terminal. This voltage source 62 is the same as the voltage source superimposed on the signal of the ultrasonic sensor in the final 61 of the amplifier circuit. Therefore, even if the DC potential of the voltage source 62 drifts (changes) due to temperature, the DC potential serving as a reference for comparison applied to the plus terminal of the comparison circuit 64 also changes in the same manner, so that an error occurs in the comparison. It becomes difficult to do.
以上のように、本発明にかかる超音波流量計は、外部からの電気(電磁波)ノイズが、計測に影響を与えにくいものとすることができるので、正確な計測が要求される、天然ガスや液化石油ガスの流量を測定する業務用や家庭用の超音波式ガス流量測定装置(ガスメータ)の用途に展開できる。 As described above, the ultrasonic flowmeter according to the present invention can make electrical (electromagnetic wave) noise from outside hardly affect the measurement. It can be used for commercial and household ultrasonic gas flow measurement devices (gas meters) that measure the flow of liquefied petroleum gas.
50 流路
51、52 超音波センサ
53 制御部
54 送信回路
55 受信回路
56 定電圧源
57 低インピーダンス終端
58 受信回路の基準電位
59 増幅回路A
60 増幅回路B
61 増幅回路の最終
62 直流電圧
63 増幅回路の最終の出力
64 比較回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 Flow path 51,52 Ultrasonic sensor 53 Control part 54 Transmission circuit 55 Reception circuit 56 Constant voltage source 57 Low impedance termination 58 Reference potential of reception circuit 59 Amplifier circuit A
60 Amplifier circuit B
61 Final of amplifier circuit 62 DC voltage 63 Final output of amplifier circuit 64 Comparison circuit
Claims (5)
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| JP2006351252A JP2008164329A (en) | 2006-12-27 | 2006-12-27 | Ultrasonic flow meter |
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2006
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