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技術 超音波流量計

出願人 横河電機株式会社
発明者 坂巻康弘
出願日 2015年2月24日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2015-033574
公開日 2016年9月1日 (3年6ヶ月経過) 公開番号 2016-156664
状態 特許登録済
技術分野 体積流量の測定(II);質量流量の測定
主要キーワード 絶対最大定格値 ダンピング動作 ダンピング機構 既存品 部品選定 選定作業 設計面 中高耐圧
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

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

被測定対象流体超音波変換器を介して超音波信号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。

概要

背景

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。

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。

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、陰極共通電位点に接続されている。

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。

MOSFET4のドレインは送信波形発生時における保護用抵抗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のカソード同軸ケーブル10の心線10aに接続されている。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

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。

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。

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。

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

半導体素子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。

<(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。

<(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。

<(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。

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。

<(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。

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。

概要

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選定できるようにして設計工数を削減し、小型化を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。被測定対象流体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。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

被測定対象流体超音波変換器を介して超音波信号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。

請求項2

前記超音波変換器は前記駆動信号の複数個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。

請求項3

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。

請求項4

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。

技術分野

0001

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、超音波信号送信回路に関する。

背景技術

0002

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。

0003

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。

0004

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、陰極共通電位点に接続されている。

0005

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。

0006

MOSFET4のドレインは送信波形発生時における保護用抵抗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のカソード同軸ケーブル10の心線10aに接続されている。

0007

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。

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

(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。

0013

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。

0014

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。

0015

図5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。

0016

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

0017

半導体素子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。

0018

<(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。

0019

<(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。

0020

<(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。

0021

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。

0022

<(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。

0023

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。

先行技術

0024

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.29−32

発明が解決しようとする課題

0025

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。

0026

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。

0027

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。

0028

この場合、Rは、
R=T/3/C=17Ω
となる。

0029

また図5(d)に示すピーク電流Ip1は、
Ip1=V/R=3.5A
となる。

0030

ここで、設計上の半導体選定は数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。

0031

定常的な電力バースト波(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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

課題を解決するための手段

0039

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。

0040

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。

0041

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。

0042

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。

発明の効果

0043

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。

図面の簡単な説明

0044

本発明の一実施例を示す回路図である。
図1の動作を説明するタイミングチャートである。
単パルスの波形例図である。
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。
図4の動作を説明するタイミングチャートである。

発明を実施するための最良の形態

0045

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。

0046

図2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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

0055

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。

0056

これらのことから、実用的には、図2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。

0057

図1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。

0058

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。

0059

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。

0060

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。

0061

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。

0062

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。

0063

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。

0064

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。

0065

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。

0066

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。

0067

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。

0068

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。

0069

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。

0070

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。

0071

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。

0072

1 制御部
2波形発生部
3 駆動部
4、5MOSFET
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

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