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特許6455300超音波流量計

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6455300

(24)【登録日】2018年12月28日

(45)【発行日】2019年1月23日

(54)【発明の名称】超音波流量計

(51)【国際特許分類】

G01F 1/66 20060101AFI20190110BHJP

【ＦＩ】

G01F1/66 101

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-91234(P2015-91234)

(22)【出願日】2015年4月28日

(65)【公開番号】特開2016-206127(P2016-206127A)

(43)【公開日】2016年12月8日

【審査請求日】2017年12月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】古儀史也

(72)【発明者】

【氏名】坂巻康弘

【審査官】森雅之

(56)【参考文献】

【文献】特許第３６８９９７７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２００６−１７５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７−１８９８７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受信部と送信部と送受信切替部とを備え、測定管内の測定流体から得られる超音波信号に基づいて前記測定流体の流量を求めるように構成された超音波流量計において、
所定の駆動電力を供給する電源部としてスイッチングレギュレータが前記受信部と前記送信部と前記送受信切替部のそれぞれに個別に設けられ、
流量測定における前記受信部が動作する前後のタイミングで、前記送信部と前記送受信切替部に設けられたスイッチングレギュレータの動作を一時的に停止させる制御手段を設けたことを特徴とする超音波流量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、電源部から発生するスイッチングノイズの影響低減に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波流量計の流量測定方法としては、
ａ）伝搬時間差法や透過法
配管内に流れる流体に超音波を放射し、流体内を透過した際の上流・下流のトランスデューサの受信信号の伝搬時間差によって流量を求める
ｂ）ドップラー法や反射相関法
流体内に含まれる気泡や夾雑物からの反射信号から超音波の伝搬する測線上の流速分布を求め、流量を計算する
などがある。

【0003】

図６は、従来から用いられている超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図４において、超音波流量計は、超音波信号の送受信を行う検出部１０と、各部の統括的な制御や信号処理などを行う制御部２０と、各部に所定の駆動用電力を供給する電源部３０で構成されている。

【0004】

検出部１０は、被測定流体が流れる測定管１１と、測定管１１を挟むようにして測定管１１の外壁にそれぞれの超音波信号の伝搬経路が測定管１１の管軸に対して所定の角度で斜め方向に交わる位置関係で上流側と下流側に対向配置された超音波信号を送受信する超音波変換素子を含むセンサ１２、１３などで構成されている。

【0005】

制御部２０は、送受信切替部２１、送信部２２、受信部２３、信号処理部２４、表示部２５などで構成されている。

【0006】

送受信切替部２１は、一方のセンサ１２が送信部２２に接続されているときは他方のセンサ１３が受信部２３に接続され、一方のセンサ１２が受信部２３に接続されているときは他方のセンサ１３が送信部２２に接続されるようにセンサ１２、１３の送受を相補的に切り替える。

【0007】

信号処理部２４は、所定のプログラムにしたがって、センサ１２、１３を所定のタイミングで駆動するための送受信タイミング信号の生成や、センサ１２、１３の検出信号に基づく流量演算などを行い、演算結果を表示部２５に出力する。

【0008】

表示部２５は、信号処理部２４の演算結果をはじめ、作業者の操作に応じて内部にあらかじめ設定されている個々の機器に固有のパラメータなども表示する。

【0009】

ところで、超音波流量計の小型化や高効率化を図るために、電源部としてスイッチングレギュレータを利用することが多くなっている。

【0010】

ところが、スイッチングレギュレータは、図７に示すように、スイッチングによる電圧の急激な変化によって発生するスパイクノイズや、使用する部品のＥＳＲ（等価直列抵抗）によって発生するリップルノイズ等のノイズの発生源となる。

【0011】

図８は超音波流量計の伝搬時間差法における受信波形例図であり、（ａ）はノイズの影響がない場合を示し、（ｂ）はノイズの影響を受けた場合を示している。伝搬時間差法では、電源部で発生したノイズが配線、空間を通して受信部に重畳されると、到達時刻のばらつきが大きくなってしまう。

【0012】

図９は超音波流量計の反射相関法における受信波形例図であり、（ａ）はノイズの影響がない場合を示し、（ｂ）はノイズの影響を受けた場合を示している。反射相関法では、電源部で発生したノイズが配線、空間を通して受信部に重畳されると、微小な受信信号がノイズに埋もれしまい、異常な値を出力するなどにより測定できなくなるという問題が発生する。

【0013】

非特許文献１には、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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】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．４８Ｎｏ．１（２００４）ｐ．２９−３２

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

上記の影響を回避するために、電源部をノイズの小さいシリーズレギュレータで構成することや、電源部と制御部を隔離するなどが考えられる。

【0016】

しかし、電源部をシリーズレギュレータで構成した場合には、消費電力の効率が低下するとともに、小型化が難しいという問題が発生する。

【0017】

また、電源部のノイズの影響は、回路の構成や配置を最適化することによってかなり低減できるが、装置の形状に制約がある場合はそれらの実現は困難となる。

【0018】

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のノイズの影響を、装置の形状による制約などを受けることなく低減できる超音波流量計を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0019】

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、
受信部と送信部と送受信切替部とを備え、測定管内の測定流体から得られる超音波信号に基づいて前記測定流体の流量を求めるように構成された超音波流量計において、
所定の駆動電力を供給する電源部としてスイッチングレギュレータが前記受信部と前記送信部と前記送受信切替部のそれぞれに個別に設けられ、
流量測定における前記受信部が動作する前後のタイミングで、前記送信部と前記送受信切替部に設けられたスイッチングレギュレータの動作を一時的に停止させる制御手段を設けたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

これらにより、超音波流量計で用いられるスイッチングレギュレータから発生する電源部のリップルノイズなどの周期的ノイズの影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の一実施例を示す構成説明図である。

【図2】本発明に基づく具体的な電源部の構成例を示す説明図である。

【図3】図２の送受信シーケンス動作の流れを説明する動作説明図である。

【図4】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。

【図5】図４の送受信シーケンス動作の流れを説明する動作説明図である。

【図6】従来から用いられている超音波流量計の一例を示す構成説明図である。

【図7】スイッチングレギュレータに発生するノイズの説明図である。

【図8】超音波流量計の伝搬時間差法における受信波形例図である。

【図9】超音波流量計の反射相関法における受信波形例図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0025】

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構成説明図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図６の異なる点は、信号処理部２４には電源制御部２４ａが設けられていて、この電源制御部２４ａから電源部３０に電源部３０の動作を制御する制御信号が出力されていることである。

【0026】

信号処理部２４の電源制御部２４ａから電源部３０に供給される制御信号は、制御部２０の信号処理部２４をたとえばＦＰＧＡ(Fieled Programmable Gate Array)で構成することにより、電源部３０が任意のタイミング・長さで動作するように設定できる。

【0027】

図２は、本発明に基づく具体的な電源部３０の構成例を示す説明図である。図２において、電源部３０は、複数ｎのレベルシフタ３１と、複数ｎのプルダウン回路３２と、集積回路化された複数ｎのスイッチングレギュレータ３３と、複数ｎ−１のコンデンサ３４などで構成されている。

【0028】

大半のスイッチングレギュレータ３３としては、たとえばイネーブル信号ＥＮにより外部からスイッチング動作を任意にオン／オフできるように構成されたものを用いる。

【0029】

具体的には、スイッチングレギュレータ３３₁は常に受信部２３に所定の出力電圧を供給する。

【0030】

スイッチングレギュレータ３３₂は、イネーブル信号ＥＮに応じて、送受信切替部２１に所定の駆動電圧を供給する。

【0031】

スイッチングレギュレータ３３_nは、イネーブル信号ＥＮに応じて、送信部２２に所定の駆動電圧を供給する。

【0032】

送受信切替部２１および送信部２２に所定の駆動電圧を供給するスイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nは、受信部２３の受信動作時には使用しないことから、たとえばイネーブル信号ＥＮなどで外部から動作を一時的に停止できるように構成されたものを用いる。

【0033】

スイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nのイネーブル信号ＥＮの入力端子（以下ＥＮ入力端子という）には信号処理部２４の電源制御部２４ａで生成された制御信号が入力されるが、制御信号が入力されていない場合でも正常にこれらレギュレータ３３₂〜３３_nが動作するようにプルダウン回路３２でプルダウンされている。なお、レギュレータ３３₂〜３３_nの回路構成に応じて、プルダウン回路３２に代えてプルアップ回路を用いる。

【0034】

スイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nのＥＮ入力端子に入力される制御信号は、それぞれレベルシフタ３１でスイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nの動作電圧にレベル変換される。

【0035】

また、これらＥＮ入力端子に制御信号が入力されるスイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nの出力端子には、所定の出力電圧を維持するための電解コンデンサ等の静電容量が大きいコンデンサ３４が接続されている。

【0036】

図３は、図２の送受信シーケンス動作の流れを説明する動作説明図である。（ａ）は超音波信号の送受信シーケンス例であり、超音波信号の受信は、超音波信号の送信に対して任意の時間後に行うものとする。

【0037】

スイッチングレギュレータを用いた従来の機器では、スイッチングレギュレータは電源スイッチが投入された以降は電源スイッチが遮断されるまでの間、常時連続的に動作することが一般的であって、超音波流量計の場合も例外ではなく、受信部２３の受信動作時も動作しているために、少なからずスイッチングレギュレータのスイッチングノイズの影響を受けていた。

【0038】

これに対し、本発明では、（ｂ）に示すように信号処理部２４の電源制御部２４ａで生成された制御信号を用いて、受信部２３が動作する前後の任意のタイミングで、送受信切替部２１や送信部２２などの受信部２３の動作時には使用していない回路に駆動電圧を供給するスイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nの動作を停止させる。

【0039】

これにより、（ｃ）に示すようにこれらスイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nから発生するノイズを最小にでき、受信部２３の受信波形に与える影響を小さくできる。

【0040】

また、スイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nの動作停止時は（ｄ）に示すように回路の待機電流により電圧降下が発生するが、スイッチングレギュレータ３３₂〜３３_nの出力端子には電解コンデンサ等の静電容量の大きいコンデンサ３４が接続されているので、許容できる電圧降下範囲内の所定の出力電圧を維持することができる。

【0041】

図４は、本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図４の実施例では、ＥＮ入力端子を有するスイッチングレギュレータ３３とシリーズレギュレータ３５を組み合わせて、いずれか一方のレギュレータから出力電圧を供給する。

【0042】

図４において、スイッチングレギュレータ３３とシリーズレギュレータ３５のそれぞれのＥＮ入力端子には信号処理部２４から動機制御信号がレベルシフト回路３１およびプルダウン回路３２を介して入力され、電圧入力端子には共通の入力電圧Ｖｉｎが入力されている。そして、スイッチングレギュレータ３３とシリーズレギュレータ３５の出力端子は、ダイオード３６を介して共通に接続されている。

【0043】

ここで、スイッチングレギュレータ３３は高効率であるがノイズが比較的大きいという特性を有し、シリーズレギュレータ３５は低効率であるがノイズは小さいという特性を有している。

【0044】

したがって、これらスイッチングレギュレータ３３とシリーズレギュレータ３５のＥＮ入力端子を利用して両者の優れた特性をうまく組み合わせて超音波流量計の駆動電源として用いることで、超音波流量計におけるノイズの影響を低減できる。

【0045】

図５は、スイッチングレギュレータ３３とシリーズレギュレータ３５の特性をうまく組み合わせた図４の送受信シーケンス動作の流れを説明する動作説明図である。（ａ）は超音波信号の送受信シーケンスであり、超音波信号の受信は、図３と同様に、超音波信号の送信に対して任意の時間後に行うものとする。

【0046】

制御信号は、（ｂ）に示すように、超音波信号の送信時にはスイッチングレギュレータ３３を動作させ、超音波信号の受信時にはシリーズレギュレータ３５を動作させる。

【0047】

電源部３０を構成するレギュレータから発生するノイズに着目すると、（ｃ）に示すように、スイッチングレギュレータ３３が動作している超音波信号の送信時は比較的大きなノイズが発生するが、シリーズレギュレータ３５が動作する超音波信号の受信時になると発生するノイズの大きさはかなり低下する。

【0048】

なお、電源部３０の出力電圧は、（ｄ）に示すように、これらスイッチングレギュレータ３３とシリーズレギュレータ３５の切替に伴ってわずかながら変動するが、この電源部３０の出力電圧の変動分が制御部２０の動作に悪影響を与えることはない。