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JP2016156664A - Ultrasonic flow meter - Google Patents

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JP2016156664A JP2015033574A JP2015033574A JP2016156664A JP 2016156664 A JP2016156664 A JP 2016156664A JP 2015033574 A JP2015033574 A JP 2015033574A JP 2015033574 A JP2015033574 A JP 2015033574A JP 2016156664 A JP2016156664 A JP 2016156664A
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康弘 坂巻
Yasuhiro Sakamaki
康弘 坂巻
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

【課題】回路構成を変えることなく電子部品の選択の幅を広げて小型部品が選定できるようにして設計工数を削減し、小型化を図ることでコスト面についても削減できる超音波流量計を実現すること。
【解決手段】被測定対象流体に超音波変換器を介して超音波信号を送受して流量を測定するように構成された超音波流量計において、
前記超音波変換器は小信号クラスの駆動信号で駆動されることを特徴とするもの。
【選択図】 図1
[PROBLEMS] To realize an ultrasonic flowmeter that can reduce the design man-hour by expanding the selection range of electronic parts without changing the circuit configuration, reducing the number of design steps, and reducing the cost. To do.
An ultrasonic flowmeter configured to measure a flow rate by transmitting and receiving an ultrasonic signal to a fluid to be measured via an ultrasonic transducer,
The ultrasonic transducer is driven by a driving signal of a small signal class.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、超音波信号の送信回路に関する。   The present invention relates to an ultrasonic flow meter, and more particularly to an ultrasonic signal transmission circuit.

図4は、従来の超音波流量計で用いられている超音波信号の送信回路の一例を示す回路図である。図4において、制御部1は波形発生部2に波形データを出力するとともに、波形発生部2における波形の発生を制御する。波形発生部2は後述の超音波発振器13を駆動するためのパルス波形を生成する。   FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of an ultrasonic signal transmission circuit used in a conventional ultrasonic flowmeter. In FIG. 4, the control unit 1 outputs waveform data to the waveform generation unit 2 and controls the waveform generation in the waveform generation unit 2. The waveform generator 2 generates a pulse waveform for driving an ultrasonic oscillator 13 described later.

駆動部3は波形発生部2から生成出力されるパルス波形に基づきMOSFET4、5を駆動するもので、その出力信号はMOSFET4、5のゲートに接続されている。   The drive unit 3 drives the MOSFETs 4 and 5 based on the pulse waveform generated and output from the waveform generation unit 2, and the output signal is connected to the gates of the MOSFETs 4 and 5.

正電圧源6は送信波形電圧+V1を供給するものであり、陽極はMOSFET4のソースに接続され、陰極は共通電位点に接続されている。   The positive voltage source 6 supplies a transmission waveform voltage + V1, and the anode is connected to the source of the MOSFET 4 and the cathode is connected to a common potential point.

負電圧源7は送信波形電圧−V2を供給するものであり、陰極はMOSFET5のドレインに接続され、陽極は共通電位点に接続されている。   The negative voltage source 7 supplies the transmission waveform voltage −V2, the cathode is connected to the drain of the MOSFET 5, and the anode is connected to the common potential point.

MOSFET4のドレインは送信波形発生時における保護用の抵抗8を介して保護用のダイオード9のアノードに接続され、ダイオード9のカソードは同軸ケーブル10の心線10aに接続されている。   The drain of the MOSFET 4 is connected to the anode of the protective diode 9 via the protective resistor 8 when the transmission waveform is generated, and the cathode of the diode 9 is connected to the core wire 10 a of the coaxial cable 10.

MOSFET5のソースは送信波形発生時における保護用の抵抗11を介して保護用のダイオード12のカソードに接続されていて、ダイオード12のアノードは同軸ケーブル10の心線10aに接続されている。   The source of the MOSFET 5 is connected to the cathode of the protective diode 12 via the protective resistor 11 when the transmission waveform is generated, and the anode of the diode 12 is connected to the core wire 10 a of the coaxial cable 10.

同軸ケーブル10の心線10aと外皮導体10bの端部には、たとえばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)で構成された超音波発振器13(以下、PTZともいう)が接続されている。   An ultrasonic oscillator 13 (hereinafter also referred to as PTZ) made of, for example, PZT (lead zirconate titanate) is connected to the end portion of the core wire 10a of the coaxial cable 10 and the outer conductor 10b.

ダイオード9のカソードとダイオード12のアノードと同軸ケーブル10の心線10aとの接続点は、ダンピング時の保護用抵抗14とPZTの電荷を放出するためのスイッチ15との直列回路を介して共通電位点に接続されている。   The connection point between the cathode of the diode 9, the anode of the diode 12, and the core wire 10 a of the coaxial cable 10 is connected to a common potential via a series circuit of a protection resistor 14 at the time of damping and a switch 15 for discharging the charge of PZT. Connected to a point.

図4の構成において、超音波発振器13から超音波を発生させて測定対象流体の流量を測定する。超音波発振器13に内蔵されているPZTを所定のパルス波形で駆動する。駆動条件としては、たとえば周波数はPZTの共振周波数である数MHzとし、電圧は±電源で数十Vとする。なお±で同じ電圧である必要はないが、一般的には同じ電圧にして動作させる。PZTはほぼ容量負荷として動作する。   In the configuration of FIG. 4, ultrasonic waves are generated from the ultrasonic oscillator 13 to measure the flow rate of the measurement target fluid. The PZT built in the ultrasonic oscillator 13 is driven with a predetermined pulse waveform. As driving conditions, for example, the frequency is set to several MHz which is the resonance frequency of PZT, and the voltage is set to several tens of volts with a ± power supply. It is not necessary to have the same voltage for ±, but generally the same voltage is used for operation. PZT operates almost as a capacitive load.

初期状態として、スイッチ15はOFF(開放)とする。
(1)制御部1は波形発生部2へ送信波形のデータを送る。
(2)制御部1は波形発生部2から波形発生をスタートさせる。
(3)波形発生部2の出力波形は駆動部3でMOSFET4、5を駆動できる適切な波形としてレベルシフトされ、MOSFET4、5を駆動する。
As an initial state, the switch 15 is turned off (opened).
(1) The control unit 1 sends transmission waveform data to the waveform generation unit 2.
(2) The control unit 1 starts waveform generation from the waveform generation unit 2.
(3) The output waveform of the waveform generator 2 is level-shifted as an appropriate waveform that allows the drive unit 3 to drive the MOSFETs 4 and 5 to drive the MOSFETs 4 and 5.

(4)駆動されたMOSFET4、5の出力波形は波形発生部2の送信波形とほぼ同じであり、ケーブル10を介して超音波発振器13内のPZTを駆動し、超音波を出力させる。
(5)駆動が終了すると、波形発生部2はスイッチ15をON(短絡)とし、 超音波発振器13内のPZTの電荷を放出する。
(4) The output waveforms of the driven MOSFETs 4 and 5 are substantially the same as the transmission waveform of the waveform generator 2, and the PZT in the ultrasonic oscillator 13 is driven via the cable 10 to output ultrasonic waves.
(5) When the driving is completed, the waveform generator 2 turns on the switch 15 (short circuit), and releases the charge of PZT in the ultrasonic oscillator 13.

これら(1)から(5)の一連のステップで1パルス分の送信波形による超音波発振器13の駆動を終了するが、実際の超音波流量計はこれら一連のステップを適当な間隔をあけて必要な回数だけ繰り返す。   In the series of steps (1) to (5), the driving of the ultrasonic oscillator 13 by the transmission waveform for one pulse is completed. However, the actual ultrasonic flowmeter needs these series of steps at appropriate intervals. Repeat as many times as necessary.

ここで、抵抗8、11、14およびダイオード9、12は保護用の素子であり、基本的な動作での影響は小さい。   Here, the resistors 8, 11, 14 and the diodes 9, 12 are protective elements, and their influence on the basic operation is small.

図5は図4の動作を説明するタイミングチャートであり、(a)は波形発生部2の出力波形を示し、(b)はMOSFET4の動作を示し、(c)はMOSFET5の動作を示し、(d)はMOSFET4の電流を示し、(e)はMOSFET5の電流を示し、(f)はスイッチ15の動作を示し、(g)はスイッチ15の電流を示し、(h)は超音波発振器13の電圧波形を示している。   FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 4, (a) shows the output waveform of the waveform generator 2, (b) shows the operation of the MOSFET 4, (c) shows the operation of the MOSFET 5, d) shows the current of the MOSFET 4, (e) shows the current of the MOSFET 5, (f) shows the operation of the switch 15, (g) shows the current of the switch 15, and (h) shows the current of the ultrasonic oscillator 13. A voltage waveform is shown.

前述の(1)から(5)の各ステップの動作を詳しく説明する。
<(1)波形データの送信>
制御部1は波形発生部2に以下のような波形データを出力する。
1)(b)に示すMOSFET4のON時間に相当するパルス幅データ
2)(c)に示すMOSFET5のON時間に相当するパルス幅データ
なお、(b)と(c)のON時間は同一でなくてもよい。
3)(f)に示すスイッチ15のON時間に相当するパルス幅データ
The operation of each step (1) to (5) will be described in detail.
<(1) Transmission of waveform data>
The control unit 1 outputs the following waveform data to the waveform generation unit 2.
1) Pulse width data corresponding to the ON time of the MOSFET 4 shown in (b) 2) Pulse width data corresponding to the ON time of the MOSFET 5 shown in (c) Note that the ON times of (b) and (c) are not the same. May be.
3) Pulse width data corresponding to the ON time of the switch 15 shown in (f)

半導体素子や負荷の特性の違いなどから補助的に以下のデータを使用する場合がある。
・MOSFET4がOFFしてMOSFET5がONになるまでの待機時間
・MOSFET5がOFFしてスイッチ15がONになるまでの待機時間
図5ではいずれも待機時間を”0”として示している。
The following data may be used supplementarily due to differences in the characteristics of semiconductor elements and loads.
-Standby time until MOSFET 4 is turned off and MOSFET 5 is turned on-Standby time until MOSFET 5 is turned off and switch 15 is turned on In FIG. 5, the standby time is shown as "0".

<(2)送信波形のスタート>
制御部1は、図5に「スタート」として示すように、波形発生部2に対して波形信号の発生を指示する。
<(2) Start transmission waveform>
The control unit 1 instructs the waveform generation unit 2 to generate a waveform signal, as shown as “start” in FIG.

<(3)送信波形による超音波検出器の駆動その1>
駆動部3により、(b)に示す信号でMOSFET4をONにする。正電圧源6→MOSFET4→抵抗8→ダイオード9→ケーブル10の経路を介して、(h)に示す振幅電圧+V1のパルス状の駆動信号で超音波発振器13を駆動する。(d)は超音波発振器13のPZTに流れ込む電流波形であり、PZTは容量負荷のためこのようにピーク+Ip1を有する。このピーク値Ip1は、供給電圧と、前述の正電圧源6→MOSFET4→抵抗8→ダイオード9→ケーブル10で形成される経路の等価的な抵抗値で決まる。
<(3) Driving of ultrasonic detector by transmission waveform 1>
The drive unit 3 turns on the MOSFET 4 with the signal shown in FIG. The ultrasonic oscillator 13 is driven by a pulsed drive signal of amplitude voltage + V1 shown in (h) through the path of positive voltage source 6 → MOSFET 4 → resistor 8 → diode 9 → cable 10. (D) is a current waveform flowing into the PZT of the ultrasonic oscillator 13, and the PZT has a peak + Ip1 in this way because of a capacitive load. This peak value Ip1 is determined by the supply voltage and the equivalent resistance value of the path formed by the positive voltage source 6 → the MOSFET 4 → the resistor 8 → the diode 9 → the cable 10.

<(4)送信波形による超音波検出器の駆動その2>
MOSFET4をOFFにし、同様に駆動部3によりMOSFET5をONする。場合により、MOSFET4をOFFにした後、多少時間を空けてからMOSFET5をONするが、図5では空き時間を”0”としている。負電圧源7→MOSFET5→抵抗11→ダイオード12→ケーブル10の経路を介して、(h)に示す振幅電圧−V2のパルス状の駆動信号で超音波発振器13を駆動する。このピーク値Ip2は、供給電圧と、前述の負電圧源7→MOSFET5→抵抗11→ダイオード12→ケーブル10で形成される経路の等価的な抵抗値で決まる。
<(4) Driving of ultrasonic detector by transmission waveform 2>
The MOSFET 4 is turned OFF, and the MOSFET 5 is similarly turned ON by the drive unit 3. In some cases, after the MOSFET 4 is turned off, the MOSFET 5 is turned on after some time has passed. In FIG. 5, the idle time is set to “0”. The ultrasonic oscillator 13 is driven by a pulsed drive signal having an amplitude voltage −V2 shown in (h) through the path of the negative voltage source 7 → MOSFET 5 → resistor 11 → diode 12 → cable 10. This peak value Ip2 is determined by the supply voltage and the equivalent resistance value of the path formed by the negative voltage source 7 → the MOSFET 5 → the resistor 11 → the diode 12 → the cable 10.

ピーク電流+Ip1、−Ip2は、出力段と超音波発振器13までの経路の等価抵抗値で決まるが、MOSFET4、MOSFET5のON抵抗はバラツキが大きく、ON抵抗のみでピーク電流+Ip1、−Ip2を制限することは困難である。そこで、抵抗8、11をMOSFET4、MOSFET5に直列接続している。   The peak currents + Ip1 and -Ip2 are determined by the equivalent resistance values of the path to the output stage and the ultrasonic oscillator 13, but the ON resistances of the MOSFETs 4 and 5 vary widely, and the peak currents + Ip1 and -Ip2 are limited only by the ON resistances. It is difficult. Therefore, resistors 8 and 11 are connected in series to MOSFET 4 and MOSFET 5.

<(5)スイッチ15によるダンピング>
MOSFET5がOFFになると、スイッチ15をONにしてケーブル10の心線10aを共通電位点に接続し、PZTの振動をダンピングさせて停止させる。これは、MOSFET5がOFFにしても超音波発振器13内のPZTはある程度振動し続けることを考慮して、その振動をダンピングさせて静止させる。場合により、MOSFET5がOFFの後、多少時間を空けてスイッチ15をOFFにするが、図5では空き時間を”0”としている。このPZTのダンピング機能としては、スイッチ15に代えて超音波発振器13内のPZTと平行に抵抗を接続し、自然放電させて停止させてもよい。
<(5) Damping by switch 15>
When the MOSFET 5 is turned off, the switch 15 is turned on to connect the core wire 10a of the cable 10 to the common potential point, and the vibration of PZT is damped and stopped. In consideration of the fact that the PZT in the ultrasonic oscillator 13 continues to vibrate to some extent even when the MOSFET 5 is turned off, the vibration is damped to be stationary. In some cases, after the MOSFET 5 is turned off, the switch 15 is turned off after some time. In FIG. 5, the idle time is set to “0”. As a damping function of the PZT, a resistor may be connected in parallel with the PZT in the ultrasonic oscillator 13 instead of the switch 15, and may be stopped by spontaneous discharge.

非特許文献1には、本発明と同様な透過法に基づく伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。   Non-Patent Document 1 describes the measurement principle and configuration of an ultrasonic flowmeter of a propagation time difference method based on the transmission method similar to the present invention.

福原 聡、外3名、「超音波流量計 US350」、横河技報、横河電機株式会社、2004年1月20日、Vol.48 No.1(2004) p.29−32Satoshi Fukuhara, 3 others, “Ultrasonic Flowmeter US350”, Yokogawa Technical Report, Yokogawa Electric Corporation, January 20, 2004, Vol. 48 No. 1 (2004) p. 29-32

しかし、このような従来の構成によれば、MOSFET4、抵抗8、ダイオード9およびMOSFET5、抵抗11、ダイオード12で構成される出力段の耐電圧は数百V以上が必要であり、さらに図5(d)に示すピーク電流+Ip1および図5(e)に示すピーク電流−Ip2に必要とされる電流容量も数A以上が必要となる。   However, according to such a conventional configuration, the withstand voltage of the output stage composed of the MOSFET 4, the resistor 8, the diode 9 and the MOSFET 5, the resistor 11, and the diode 12 needs to be several hundred volts or more, and FIG. The current capacity required for the peak current + Ip1 shown in d) and the peak current -Ip2 shown in FIG.

従来の構成に基づくパルス幅とピーク電流の算出例を説明する。
PZTの静電容量Cを10nf、共振周波数を1MHz、PZTの駆動電圧を60Vとして、図5(b)に示す従来の駆動波形のピーク電流とピーク電流を決定する等価抵抗Rを計算する。
An example of calculating the pulse width and the peak current based on the conventional configuration will be described.
Assuming that the capacitance C of PZT is 10 nf, the resonance frequency is 1 MHz, and the driving voltage of PZT is 60 V, the conventional driving waveform shown in FIG. 5B and the equivalent resistance R that determines the peak current are calculated.

図5(b)に示す従来の駆動波形のパルス幅Tは、共振周波数からその周期の1/2となり500nsecとなる。PZTの電圧波形のピークまでの時間を、たとえば時定数τ(=RC)の3倍を想定したとする。   The pulse width T of the conventional driving waveform shown in FIG. 5B is ½ of the period from the resonance frequency and becomes 500 nsec. Assume that the time to the peak of the voltage waveform of PZT is, for example, three times the time constant τ (= RC).

この場合、Rは、
R=T/3/C=17Ω
となる。
In this case, R is
R = T / 3 / C = 17Ω
It becomes.

また図5(d)に示すピーク電流Ip1は、
Ip1=V/R=3.5A
となる。
Further, the peak current Ip1 shown in FIG.
Ip1 = V / R = 3.5A
It becomes.

ここで、設計上の半導体の選定は数Aの電流を流せる中高耐圧品(現状ではこれらはほぼDIP品)クラスとなり、また抵抗も17Ωで数Aのパルスに耐えるものは特殊品で面実装品でもサイズの大きな抵抗となる。   Here, the selection of semiconductors for design is a medium and high withstand voltage product (currently these are almost DIP products) that can pass a current of several A, and those that can withstand pulses of several A with a resistance of 17Ω are special products and surface mount products. But it's a big resistance.

定常的な電力はバースト波(発生する1パルスの周期はパルス幅の数10〜数100倍の間隔)であることから比較的小さいが、このピーク電流のため各素子の外形は比較的大きくなる。   The steady power is relatively small because it is a burst wave (the period of one pulse to be generated is an interval of several tens to several hundred times the pulse width), but due to this peak current, the outer shape of each element is relatively large. .

なお、スイッチ15のダンピングについては、パルス幅を比較的長く設定できるので、ピーク電流Ip3は図5(g)に示すように比較的小さく、出力段に比べて小型の素子が選定できることから今回は問題にしない。   As for the damping of the switch 15, since the pulse width can be set relatively long, the peak current Ip3 is relatively small as shown in FIG. 5 (g), and a smaller element than the output stage can be selected this time. It doesn't matter.

このように出力段を構成する前述の各素子として中高耐圧レベルの部品を用いなければならないことから、以下のような問題が発生することになる。   As described above, since the components of the medium and high withstand voltage level must be used as the above-described elements constituting the output stage, the following problems occur.

出力段の各素子は外形が大きく、発熱素子(主に半導体素子)に対する放熱機構も必要となるため、これら素子の実装空間が大きくなってしまう。   Each element in the output stage has a large outer shape and requires a heat dissipation mechanism for the heat generating elements (mainly semiconductor elements), so that the mounting space for these elements becomes large.

超音波発振器13は多チャンネルであることから、外形が大きく放熱機構が必要な各素子を用いる構成となるため、全体的に大きくなり小型化は困難である。   Since the ultrasonic oscillator 13 is multi-channel, it has a configuration in which each element having a large outer shape and requiring a heat dissipation mechanism is used.

P形のMOSFET4とN形のMOSFET5の選定にあたり、負荷となるPZTの仕様を考慮するとともに、P形MOSFETとN形MOSFETとして同等の性能を必要とするが、同一メーカーの同一形状のMOSFETを比較すると一般的にはN形の電気的特性が優れていることから、同一メーカーの同一形状の条件に基づいて所望の素子を選別することは困難であり、メーカーが異なったり、外形が異なることは避けられない。   In selecting the P-type MOSFET 4 and the N-type MOSFET 5, the specifications of the PZT used as a load are taken into consideration, and the same performance is required as the P-type MOSFET and the N-type MOSFET. Then, since the electrical characteristics of the N type are generally excellent, it is difficult to select a desired element based on the same shape conditions of the same manufacturer. Unavoidable.

以上のように部品が大きくなり、さらに部品の選定作業も困難であり、電気的特性、実装空間を含めた最適設計をするにはかなりの制約が発生し、設計工数も多くなる。   As described above, the parts become large, and it is difficult to select the parts, and there are considerable restrictions on the optimum design including the electrical characteristics and the mounting space, and the design man-hours increase.

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、送信波形のパルス幅を工夫することにより、回路構成を変えることなく電子部品の選択の幅を広げて小型部品が選定できるようにして設計工数を削減し、小型化を図ることでコスト面についても削減できる超音波流量計を実現することにある。   The present invention solves such problems, and its purpose is to devise the pulse width of the transmission waveform, thereby expanding the selection range of electronic components without changing the circuit configuration and selecting small components. The object is to realize an ultrasonic flowmeter that can reduce the design man-hours and reduce the size, thereby reducing the cost.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
被測定対象流体に超音波変換器を介して超音波信号を送受して流量を測定するように構成された超音波流量計において、
前記超音波変換器は小信号クラスの駆動信号で駆動されることを特徴とする。
In order to achieve such an object, the invention described in claim 1 of the present invention is
In the ultrasonic flowmeter configured to send and receive an ultrasonic signal to the fluid to be measured via an ultrasonic transducer and measure the flow rate,
The ultrasonic transducer is driven by a driving signal of a small signal class.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の超音波流量計において、
前記超音波変換器は前記駆動信号の複数個のパルスで徐々に充電されることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the ultrasonic flowmeter according to claim 1,
The ultrasonic transducer is gradually charged with a plurality of pulses of the driving signal.

請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載の超音波流量計において、
前記超音波変換器の駆動信号の一方の極性がONになった後に他方の極性がONになることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the ultrasonic flowmeter according to claim 1 or 2,
The polarity of one of the drive signals of the ultrasonic transducer is turned on and then the other is turned on.

請求項4記載の発明は、請求項3記載の超音波流量計において、
他方の極性がONになった後にダンピング動作を行うことを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the ultrasonic flowmeter according to claim 3,
A damping operation is performed after the other polarity is turned on.

これらにより、回路部品として小型部品を選定できるとともに設計工数を削減でき、小型化を図ることでコストも削減できる超音波流量計が実現できる。   As a result, it is possible to realize an ultrasonic flowmeter that can select a small component as a circuit component, reduce the number of design steps, and reduce the cost by reducing the size.

本発明の一実施例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one Example of this invention. 図1の動作を説明するタイミングチャートである。2 is a timing chart illustrating the operation of FIG. 1. 単パルスの波形例図である。It is a waveform example diagram of a single pulse. 従来の超音波流量計における超音波信号の送信回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the transmission circuit of the ultrasonic signal in the conventional ultrasonic flowmeter. 図4の動作を説明するタイミングチャートである。5 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 4.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例を示す回路図である。図1の回路構成は実質的に図4と同一であるが、図4と異なる点は、図2に示すようなタイミングチャートの場合には図1の破線で囲まれた回路Aの全てが小信号(100mA)用の低耐圧部品で構成されていることである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention. The circuit configuration of FIG. 1 is substantially the same as that of FIG. 4, except that the circuit A surrounded by the broken line in FIG. 1 is small in the timing chart as shown in FIG. That is, it is composed of low-voltage components for signals (100 mA).

図2は図1の動作を説明するタイミングチャートであり、(a)は波形発生部2の出力波形を示し、(b)はMOSFET4の動作を示し、(c)はMOSFET5の動作を示し、(d)はMOSFET4の電流を示し、(e)はMOSFET5の電流を示し、(f)はスイッチ15の動作を示し、(g)はスイッチ15の電流を示し、(h)は超音波発振器13の電圧波形を示している。   2 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 1, (a) shows the output waveform of the waveform generator 2, (b) shows the operation of the MOSFET 4, (c) shows the operation of the MOSFET 5, d) shows the current of the MOSFET 4, (e) shows the current of the MOSFET 5, (f) shows the operation of the switch 15, (g) shows the current of the switch 15, and (h) shows the current of the ultrasonic oscillator 13. A voltage waveform is shown.

図2のタイミングチャートと図5のタイミングチャートの異なる点は、(b)に示しているMOSFET4の動作波形である。このMOSFET4の動作波形に注目すると、図2(b)のMOSFET4の動作波形は、図5(b)のMOSFET4の動作波形に比べてパルス幅が広くなっている。   The difference between the timing chart of FIG. 2 and the timing chart of FIG. 5 is the operation waveform of the MOSFET 4 shown in FIG. When attention is paid to the operation waveform of the MOSFET 4, the pulse width of the operation waveform of the MOSFET 4 in FIG. 2B is wider than that of the MOSFET 4 in FIG. 5B.

MOSFET4とMOSFET5の動作波形を比較すると、図5のタイミングチャートでは両者のパルス幅は等しく設定しているが、図2のタイミングチャートではMOSFET4のパルス幅は図5のMOSFET4のパルス幅の数倍に設定している。   Comparing the operation waveforms of the MOSFET 4 and the MOSFET 5, in the timing chart of FIG. 5, both pulse widths are set equal, but in the timing chart of FIG. 2, the pulse width of the MOSFET 4 is several times the pulse width of the MOSFET 4 of FIG. It is set.

このパルス幅について、従来はPZTの共振周波数の周波数に基づいて算出していたのに対し、本発明では選定する回路素子に応じて決定する。   The pulse width is conventionally calculated based on the frequency of the resonance frequency of PZT, but is determined according to the circuit element to be selected in the present invention.

PZTの電気的な動作は、PZTを「静電容量」と考えると、コンデンサを電圧パルス駆動した時と同じ挙動となる。すなわち、電圧を鋭く立ち上げるにはスパイク状の大電流で充電し、立下り時にはスパイク状の大電流で放電する必要がある。このスパイク状の電流にリミットをかけると電圧の立ち上がり時間および立ち下り時間が鈍る。   When the PZT is considered to be “capacitance”, the electrical operation of the PZT has the same behavior as when the capacitor is voltage-pulse driven. That is, it is necessary to charge with a spiked large current to raise the voltage sharply and to discharge with a spiked large current at the fall. When a limit is applied to this spike-like current, the rise time and fall time of the voltage become dull.

この立ち上がり時のスパイク状の電流ピーク値である+Ip1を、図2(a)に示すようにPZTが電圧+V1になるまで図2(b)に示すMOSFET4がONのパルス幅でゆっくり充電する。   As shown in FIG. 2A, + Ip1, which is a spike-like current peak value at the time of rising, is slowly charged with the ON pulse width of the MOSFET 4 shown in FIG. 2B until PZT becomes the voltage + V1.

その後、図2(c)に示すMOSFET5がONのパルス幅で所定の共振周波数を有する電圧−V2のパルスにより、超音波発振器13内のPZTをパルス駆動し、超音波信号を発振出力する。   After that, the PZT in the ultrasonic oscillator 13 is pulse-driven by the pulse of the voltage −V2 having a predetermined resonance frequency with the ON width of the MOSFET 5 shown in FIG. 2C, and an ultrasonic signal is oscillated and output.

このような回路構成にすることで、図1のMOSFET4、5、抵抗8、11、ダイオード9、12として外形が小さい回路部品を用いることができ、これらに基づき許容できる+IP1を算出してそれに合うパルス幅とすることができる。   With such a circuit configuration, circuit components having a small external shape can be used as the MOSFETs 4 and 5, the resistors 8 and 11, and the diodes 9 and 12 in FIG. 1. The pulse width can be set.

PZTの駆動に必要な波形について説明する。
PZT自体は図3に示すような単パルスでも駆動可能であり、このパルス幅は共振周波数の周期の1/2となる。ただし、超音波流量計としては、この駆動ではPZTは安定に動作せず、実用化は困難である。そこで、通常±電源で駆動される。
A waveform necessary for driving the PZT will be described.
The PZT itself can be driven by a single pulse as shown in FIG. 3, and the pulse width is ½ of the period of the resonance frequency. However, as an ultrasonic flow meter, PZT does not operate stably with this driving, and practical application is difficult. Therefore, it is normally driven by a ± power supply.

また、図5に示す波形のみではPZTが振動し続けてしまうので、実際には図5のパルス駆動の後に、図1に示すスイッチ15のようなダンピング機構を設けてPZTを停止させる必要がある。   Further, since the PZT continues to vibrate only with the waveform shown in FIG. 5, it is actually necessary to provide a damping mechanism such as the switch 15 shown in FIG. 1 to stop the PZT after the pulse driving shown in FIG. .

これらのことから、実用的には、図2や図5に示すような±の電圧波形で駆動するとともに、ダンピング波形を付加している。   From these facts, practically, it is driven with a ± voltage waveform as shown in FIGS. 2 and 5, and a damping waveform is added.

図1の等価回路について説明する。
正電圧源6からMOSFET4、抵抗8、ダイオード9を経てケーブル10までの電流経路における全抵抗をRとし、超音波発振器13の静電容量をCとすると、簡単な一次のRC回路のパルス応答となり、立ち上がり時間は、
tr=V0×(1−exp(−t/RC))
で示される。V0は正電圧源6の電圧であって、±数十V〜±100V程度である。
The equivalent circuit of FIG. 1 will be described.
If the total resistance in the current path from the positive voltage source 6 to the cable 10 through the MOSFET 4, the resistor 8 and the diode 9 is R, and the capacitance of the ultrasonic oscillator 13 is C, the pulse response of a simple primary RC circuit is obtained. The rise time is
tr = V0 × (1-exp (−t / RC))
Indicated by V0 is the voltage of the positive voltage source 6 and is about ± several tens to ± 100V.

本発明に基づきPZTを駆動する図2(b)に示す波形のパルス幅とピーク電流について説明する。このパルス幅は、PZTの1MHzからではなく、小信号クラスの素子(たとえば100mA品)の選定に基づき算定する。   The pulse width and peak current of the waveform shown in FIG. 2B for driving the PZT according to the present invention will be described. This pulse width is calculated not based on 1 MHz of PZT but based on selection of a small signal class element (for example, 100 mA product).

ここで、素子のマージンなど考慮し、Ip1はたとえば従来例の1/100の35mAに抑えるとする。PZTの駆動電圧を60Vとすると、図2および図5に示すピーク電流Ip1は35mAになることから、抵抗Rは、
R=V/Ip1=60/35mA=1.7kΩ
となる。
Here, in consideration of the margin of the element, Ip1 is suppressed to 35 mA, which is 1/100 of the conventional example. When the driving voltage of PZT is 60 V, the peak current Ip1 shown in FIGS. 2 and 5 is 35 mA, so the resistance R is
R = V / Ip1 = 60/35 mA = 1.7 kΩ
It becomes.

この場合のパルス幅は、同様にたとえばτの3倍と考えると、
パルス幅=1.7K×10nF×3=51μsec
となる。
Similarly, if the pulse width in this case is considered to be, for example, three times τ,
Pulse width = 1.7K × 10nF × 3 = 51 μsec
It becomes.

ここで設定されるパルス幅は従来例の数十〜数百倍となる。このパルス幅の長さは次の駆動パルスと重なるほど長いと動作上問題となるが、実際にはその間隔は設定間隔よりさらに広くなっており、実用上特に問題とはならないレベルである。   The pulse width set here is several tens to several hundred times that of the conventional example. If this pulse width is long enough to overlap with the next drive pulse, there will be a problem in operation, but the interval is actually wider than the set interval, which is not a problem in practical use.

このようにして選定される部品の必要な絶対最大定格値は、電圧に関しては従来どおりの値が必要となるが、電流はピークを極めて低く抑えられるため小さい値でよい。この結果、半導体や抵抗部品として小型の小信号用SMD品を選択できることになる。   The required absolute maximum rating value of the component selected in this way requires a conventional value for the voltage, but the current can be small because the peak can be kept extremely low. As a result, a small small-signal SMD product can be selected as the semiconductor or resistance component.

出力段における+側回路の改善について説明したが、PZTは回路的には極性のないコンデンサであることから、駆動波形としてはまず−側をONにした後に+側をONにし、最後にダンピング動作させてもよい。以上から部品の小型化が可能になり、出力段の回路の実装空間を小さくできる。   Although the improvement of the + side circuit in the output stage has been explained, since PZT is a capacitor with no polarity in terms of circuit, the drive waveform is first turned on the-side, then turned on the + side, and finally the damping operation You may let them. From the above, it is possible to reduce the size of the components, and to reduce the mounting space of the circuit of the output stage.

超音波流量計が±の出力段における+側か−側のいずれか一方の出力段しか縮小効果がないのでコスト面での効果は薄いが、実際の超音波流量計は多チャンネル(たとえば4チャネル)であり、全体としては部品の小型化と実装空間の削減の効果が得られ、小型化も図れる。   Since the ultrasonic flowmeter has only a reduction effect on either the positive side or the negative side in the ± output stage, the cost effect is small. However, an actual ultrasonic flowmeter has many channels (for example, four channels). As a whole, the effect of reducing the size of the component and reducing the mounting space can be obtained, and the size can be reduced.

そして、回路の設計面では、出力段の設計にあたり、電子部品特性を主体とした部品選定ができるようになり、非常に設計が容易になる。   In terms of circuit design, it becomes possible to select components mainly based on electronic component characteristics when designing the output stage, and the design becomes very easy.

従来、超音波流量計における出力段の電子部品選定は、主にPZTの特性に基づき決定されていた。超音波発振器としてのPZTは、測定する配管の違いなどにより駆動周波数や駆動電圧が異なるため数種類が必要になっていた。   Conventionally, the selection of electronic components in the output stage of an ultrasonic flowmeter has been determined mainly based on the characteristics of PZT. Since PZT as an ultrasonic oscillator has different driving frequencies and driving voltages due to differences in piping to be measured, several types of PZTs are required.

これらPZTの種類に対応しかつ±出力段に用いる部品(MOSFET)の電気的特性のバランスも含めた部品選定が必要であり、実際に選定できるのは中高耐圧品のものとなることから、比較的外形が大きく小型化する際の制約となっていた。   It is necessary to select a part that corresponds to the type of PZT and includes the balance of electrical characteristics of the part (MOSFET) used in the ± output stage. It was a restriction when the external size was large and miniaturized.

本発明に基づいて駆動波形を工夫することにより、出力段の+側か−側の少なくともいずれか一方の設計を、PZTではなく電子部品の特性を主体にして部品選定ができ、比較的小型の部品も選択範囲に入れることができる。   By devising the drive waveform based on the present invention, the design of at least one of the + side and the-side of the output stage can be selected mainly based on the characteristics of the electronic components, not PZT, and is relatively small. Parts can also be included in the selection range.

これにより、PZTに依存することなく入手性のよい電子部品を選定でき、設計の自由度を大幅に上げ工数削減でき超音波流量計としても問題なく動作させることができる。   Thereby, it is possible to select an electronic component with high availability without depending on PZT, greatly increasing the degree of design freedom, and reducing the number of man-hours, and the ultrasonic flow meter can be operated without any problem.

また既存品に適用するのにあたっては、デジタルデータである駆動パルス幅を変更するだけで基本的なハード構成を変更することなく実施でき、回路設計における素子選定の自由度を広げるとともに、その素子に合わせた駆動波形の作成も容易に行え、小型化と設計工数の削減に効果が期待できる。   In addition, when applied to existing products, it can be implemented without changing the basic hardware configuration simply by changing the drive pulse width, which is digital data, and the flexibility of element selection in circuit design is increased. It is easy to create a combined drive waveform, which can be expected to reduce the size and design man-hours.

以上説明したように、本発明によれば、送信波形のパルス幅を工夫することにより、回路構成を変えることなく電子部品の選択の幅を広げて小型部品が選定できるようにして設計工数を削減でき、小型化を図ることでコスト面についても削減できる超音波流量計を実現できる。   As described above, according to the present invention, by devising the pulse width of the transmission waveform, the selection range of electronic components can be expanded without changing the circuit configuration so that small parts can be selected, thereby reducing the design man-hours. In addition, an ultrasonic flow meter that can be reduced in terms of cost can be realized by downsizing.

1 制御部
2 波形発生部
3 駆動部
4、5 MOSFET
6 正電圧源
7 負電圧源
8、11、14 抵抗
9、12 ダイオード
10 同軸ケーブル
13 超音波発振器
15 スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control part 2 Waveform generation part 3 Drive part 4, 5 MOSFET
6 Positive voltage source 7 Negative voltage source 8, 11, 14 Resistance 9, 12 Diode 10 Coaxial cable 13 Ultrasonic oscillator 15 Switch

Claims (4)

被測定対象流体に超音波変換器を介して超音波信号を送受して流量を測定するように構成された超音波流量計において、
前記超音波変換器は小信号クラスの駆動信号で駆動されることを特徴とする超音波流量計。
In the ultrasonic flowmeter configured to send and receive an ultrasonic signal to the fluid to be measured via an ultrasonic transducer and measure the flow rate,
The ultrasonic flowmeter, wherein the ultrasonic transducer is driven by a driving signal of a small signal class.
前記超音波変換器は前記駆動信号の複数個のパルスで徐々に充電されることを特徴とする請求項1記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the ultrasonic transducer is gradually charged with a plurality of pulses of the drive signal. 前記超音波変換器の駆動信号の一方の極性がONになった後に他方の極性がONになることを特徴とする請求項1または請求項2記載の超音波流量計。   3. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the polarity of the drive signal of the ultrasonic transducer is turned on after the polarity of the drive signal is turned on. 他方の極性がONになった後にダンピング動作を行うことを特徴とする請求項3記載の超音波流量計。   4. The ultrasonic flowmeter according to claim 3, wherein a damping operation is performed after the other polarity is turned on.
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