JPS6016594B2 - 超音波による時間幅測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は超音波距離測定装置、超音波位置測定装置、
超音波流量計等、超音波パルスを送波して超音波パルス
を受波するまでの時間幅を測定する超音波による時間幅
測定装置に関する。

例えば超音波レベル計においては第１図に示すようにタ
イミング回路１１からのタイミングパルスにより超音波
パルス発振器１２が駆動され、これよりの超音波パルス
にて送受功換回路１３を通じて送受波器１４が励振され
、第２図Ａに示すように超音波パルスＰｓが送波される
。

このパルスは例えば壁面等にて反射されて送受波器１４
にパルスＰｒとして受信され、これより送受切換回路１
３を通じ、増幅器１５にて増幅されて時間幅変換回路１
６に供給される。時間幅変換回路１６は超音波パルスＰ
ｓの送波後において第２図Ｂに示すように出力電圧が直
線的に上昇し、反射パルスＰｒの受信によってその上昇
が停止されてその電圧に保持される。従って送波より受
波迄の時間幅Ｔ，に応じた振幅Ｅ，の電圧が出力される
。この出力電圧はサンプル保持回路１７において反射波
Ｐｒの受信後、次の送信パルスＰｓの前に第２図Ｃに示
すようにサンプルされ、その電圧が回路１７に保持され
る。この保持電圧は指示計に指示され、或いは伝送され
る。サンプル保持回路１７は第３図に示すように時間幅
電圧変換回路１６よりの出力が増幅器１８の反転入力端
に供給され、その出力は抵抗器１９，２１の直列回路を
通じて積分回路用の増幅器２２の反転入力端に供給され
る。

この増幅器２２の入出力端間にコンデンサ２３が接続さ
れ、またその出力端は増幅器１８の非反転入力端に帰還
接続される。抵抗器１９，２１の接続点はスイッチ２４
を通じて共通電位点に接続される。増幅器２２、コンデ
ンサ２３にて積分回路２５が構成される。この入力信号
つまり時間幅変換回路１６の出力をサンプルする時点ｔ
Ｓにスイッチ２４がオフとされ、従ってこの時の積分回
路２５の出力と時間幅電圧変換回路１６の出力Ｅ，とが
比較され、その大小に応じて増幅器１８の出力側に正又
は負の出力が生じ、これが積分回路２５にて積分され、
この積分出力が入力電圧Ｅ，に接近するように動作する
。スイッチ２４は入力電圧Ｅ，をサンプルする時だけオ
フとされ、後はオンとされる。従って積分回路２５の出
力電圧は保持される。この場合雑音を反射波Ｐｒと間違
えてスイッチ２４が動作しても出力が大きく変化しない
ようにスイッチ２４は反射波がある毎にオフとなるが、
積分回路２５の時定数は比較的大きく選定され、反射波
の複数回が受信されて、つまりＥ，が積分回路２５の出
力と複数回比較されることによって両者が一致するよう
にこれ、雑音によってスイッチ２４が１回オフにされ、
時間幅電圧変換回路１６の出力が実際の測定レベルに達
する前の著しく異なったものがサンプル保持回路１７に
与えられても、この回路１７の出力が大きく変動しない
ようにされている。

このような従来の装置においては反射波が長い間受信さ
れない状態になると、スイッチ２４はオンとされたま）
となるが、スイッチ２４により抵抗器１９，２１の接続
点を正確に０電位とすることは難しく、かつ又増幅器１
８にはオフセット電圧が存在するため、積分回路２５に
は小さな電圧が与えられていることになり、これが徐々
に積分され、出力がドリフトする。

この発明の目的は長時間受信波がなくてもそれまでの測
定値を保持することができる超音波による時間幅測定装
置を提供することにある。

先ずこの発明の原理となるものを説明する。

即ち第４図に示すようにタイミング発生回路１１よりの
トリガパルスによって超音波発振器１２を駆動し、これ
より送受波器１３ａを駆動して超音波パルスを放射し、
その反射波を受波器１３ｂにて受けて受信回路２７にて
増幅検波する。つまり第５図Ａのトリガパルスにより超
音波発振器を駆動し、これより送受波器１３ａから送信
パルスＰｓを送信するが、トリガバルスによってカウン
タ２８がリセツトされ、これと同時にフリツプフロツプ
２９がセットされる。第５図Ｃに示すようにフリップフ
ロツプ２９の出力が高レベルとなり、これによりゲート
３１が開けられ、ゲート３１に端子３２よりのクロック
パルスがカウンタ２８に供給されて計数される。第２図
Ｂに示すように反射パルスＰｒが受波されると、受信回
路２７の出力にてフリップフロップ２９がリセツトされ
、従ってその出力が低レベルとなってゲート３１が閉じ
、カゥンタ２８の計数は停止される。

またフリップフロップ２９の出力が低レベルになった時
、ラツチパルス発生回路３３が駆動され、これより第５
図Ｄに示すようなラッチパルスが得られ、このパルスに
よりカウンタ２８の計数内容がラッチ回路３４‘こラッ
チされる。このラッチ回路３４の出力はＤＡ変換器３５
にてアナログ信号に変換され、第５図Ｅに示すような出
力が得られる。このような構成によればパルスの送波か
ら受波迄の間、一定のクロックがカウンタ２８に計数さ
れ、従ってその送波から受波迄の時間幅に応じた計数値
がカゥンタ２８に得られ、これがラッチ回路３４にラッ
チされ、更にアナログ信号に変換されて出力される。

従って仮に反射波が何等かの理由によって長い間受信さ
れない状態になってもカウンタ２８の内容がラッチ回路
３４に移されることが行なわれなくなるだけであり、ラ
ツチ回路３４の内容はデジタル信号であって、これが変
化することなく保持され、従ってＤＡ変換器３５の出力
も変化することがなく、つまり出力のドリフトは全くな
いものとなる。デジタルアナログ変換器３５として基準
電圧を入力のデジタル数だけ掛算するいわゆる積算型の
ものを使用すると、その基準電圧を周囲温度に応じて変
イヒすることによって温度補償することができる。

尚ラツチ回路３４としてエッジトリガタィプのものを使
用する場合はラッチパルス発生回路３３は省略され、フ
リップフロップ２９の出力をラッチ回路３４の入力端子
に供給すれば良い。クロック端子３２のクロックとして
は正確な周期のものとすることによってその測定精度を
上げることができるが、クロック発振器を電圧制御発振
器とし、その制御電圧を周囲温度によって変化させ温度
補償することが可能である。上述においてはカウンタ２
８をパルスの送波毎に０より計数動作させたが、例えば
液面の深さを測定する場合等においてはその最高レベル
に対応するもっとも深い場合の計数値を、第６図に第４
図と対応する部分に同一符号をつけて示すように設定回
路３６に設定しておき、パルスの送波に先立ってカウン
タ２８を設定回路３６の設定値にプリセツトし、ゲート
３１が開かれている時、端子３２からのク。

ツクパルスごとにカウンタ２８をその設定値より減算し
、つまりダウンカウントすれば良い。第４図、第６図に
おいて送波器と受波器を別としたが第１図に示すように
兼用しても良い。

このようにして第４図、第６図の構成によれば出力のド
リフトがない完全なホールドを行なうことができる。し
かしこれ等の時間幅測定装置において反射波ではなく雑
音を受波すると、その影響が直接現われてしまう。

即ち例えば第７図に示すように、本釆正しい反射波が受
信されて動作すべき場合の出力が曲線３７であるとして
も、その反射波の受信前に雑音によってラッチ動作が行
なわれてしまうと、つまり雑音を反射波としてしまうと
曲線３７のレベルよりも著しく低い曲線３８のレベルと
なり、これが直援測定出力として現われる。このような
点よりこの発明では出力のドリフトが全くなく、しかも
雑音の影響を受け難い超音波による時間幅測定装置を提
供するものであり、この発明によれ１よパルスの送波か
ら受波迄の間カウンタを計数した後その計数値をラッチ
回路にラッチするが、そのラッチした値を直接アナログ
信号に変換することなく、アップダウンカウンタの出力
とラッチ回路の内容とを比較し、それが大きいか小さい
かによってカウンタを数えるクロックよりも遅いクロッ
クでアップダウンカウソタをアップ又はダウンカウント
してアップダウンカウンタの内容とラッチ回路の内容と
が一致するように、アップダウンカウンタの内容を修正
する。

その修正速度を超音波パルスの送受の周期に比べて遅く
し、少なくとも複数回の受波により初めて修正が達成で
きるような速度とされる。そのアップダウンカゥンタの
内容をァナ。グ信号に変換する。例えば第８図に示すよ
うにカゥンタ２８は第４図又は第６図に示した構成によ
って端子３２からのクロックを計数する。そのカゥンタ
２８の内容は上述と同様にしてラッチ回路３４にラッチ
される。この発明においてはラッチ回路３４の内容は比
較器４１に供給され、これとアップダウンカウンタ４２
の内容とが比較される。ラッチ回路３４の内容がアップ
ダウンカゥンタ４２の内容より大きい場合は端子４３に
出力が生じ、小さい場合は端子４４に出力が生じ、一致
している場合は端子４５に出力が生じる。端子４３の出
力はアップダウンカウンタ４２をアップカウント動作状
態とし、端子４４の出力はダウンカウント動作状態にす
る。端子４５の出力はその反転信号がゲート４６に与え
られ、このゲート４６には端子４７より第４図のフリッ
プフロップ２９がセットされていることを示す情報も与
えられており、更に端子４８から端子３２のクロックよ
りも遅いクロックが供孫合される。よってラツチ回路３
４にラツチされた内容がアップダウンカゥンタ４２の内
容よりも大きいとゲート４６が開き、アップダウンカウ
ンタ４２は端子４８よりの第２クロツクをアップカウン
トし、その内容がラッチ回路３４の内容に近ずくように
動作する。

又逆にラッチ回路３４の内容が小さければアップダウン
カウンタ４２がダウンカウントしてラッチ回路の内容に
近ずくように動作する。両内容が等しい場合はアップダ
ウンカウンタ４２にはクロックが供給されず、それまで
の内容が保持される。従ってアップダウンカウンタ４２
の内容がラツチ回路３４の内容に等しくなると、その状
態が保持され、これがＤＡ変換器３５にてアナログ信号
に変換される。ところで端子４８に供給されるクロック
は端子３２の第１ク。

ックに比べ、著しく速度が遅く、従って仮に雑温によっ
てラッチ回路３４に対するラツチが行なわれ、アップダ
ウンカウンタ４２の内容との差が大きくなっても、その
一回のラツチに基ずくアップダウンカウンタ４２に対す
る修正作用は僅かであって少なくとも複数回ラッチ回路
３４の内容が書替えられて初めてアップダウンカウンタ
４２の内容はこれに一致するように端子４８のクロック
が選ばれる。よってラッチ回路３４に対して雑音により
ラッチが行なわれても出力が大きく変化することはなく
、一般には次には正しい受信波が得られるため、雑音に
よる誤動作は僅かである。尚このようにアップダウンカ
ウンタ４２の内容のラッチ回路３４に対する追従が遅い
ため、初期状態において正しい測定値にアップダウンカ
ゥン夕４２の内容がなるまでに可成りの時間がか）る。

よってこれを避けるには例えば第８図に示すように比較
的速いクロックを発生するクロツク発生器４９を設け、
この世力を切換スイッチ５１を通じて直接端子４８に供
給すると共にクロック発生器４９の出力を分周回路５２
にて分周し、その分周出力をスイッチ５１を通じて端子
４８に供給するようにし、電源スイッチを入れて、つま
りこの装置を動作し始めた状態においてはスイッチ５１
が端子４８をクロックパルス発生器４９に直接接続し、
遠いクロツクがゲート４６に供給されるようにし、一定
時間経過するとスイッチ５１が分周回路５２側に切換っ
て遅いクロックがゲート４６に供給されるようにするこ
とができる。第３図に示したアナログのサンプル保持回
路においても動作初期において追従性が悪く、従ってこ
れを速く追従させるには例えば積分回路２５の時定数を
変更し、つまりコンデンサ２３として容量の小さいもの
に切換えることになり、無接点でこのような切換を行な
うことは困難であり、この発明においてはデジタル処理
によって簡単に行なうことができる。

尚アップダウンカウンタ４２に対する修正は一回の反射
パルスによって一定量とするには例えばラッチ回路３４
にてラッチをする毎にこのラッチより遅れて一定時間の
一定幅のパルスを発生してこれによりゲート４６を開く
ようにすれば良い。上述においてはこの発明を超音波レ
ベル計に適用したが超音波レベル計のみならず例えば超
音波距離装置、更に位置測定装置、更には送波パルスを
受信して応答パルスを反射パルスとして送出する形式の
もの、また反射パルスのみならず例えば流路に対して斜
めの超音波を放射し、これを反対側で受波して流速を測
定する超音波流量計など各種の超音波を利用して時間幅
を測定する装置にこの発明は適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波レベル計を示すブロック図、第２図はそ
の動作の説明に供するための波形図、第３図は従来のサ
ンプル保持回路を示す接続図、第４図はこの発明の超音
波レベル計の時間幅測定回路に適用した超音波レベル計
を示すブロック図、第５図はその動作の説明に供するた
めの波形図、第６図は第４図の変形例を示すブロック図
、第７図は第４図及び第６図における雑音による出力の
影響を説明するための曲線図、第８図はこの発明による
超音波による時間幅測定装置の一例を示すフ。 ツク図である。２４：カウンタ、３２：クロック入力端
子、３４：ラッチ回路、３５：ＤＡ変換器、４２：アッ
プダウンカゥンタ、４３：比較器、４８：第２クロツク
入力端子。 第１図 第２図 第３図 第７図 第４図 第５図 第６図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 送波パルスの送波前にセツト又はプリセツトされ、
   送波パルスの送波から反射パルスの受波までの間第１ク
   ロツクを計数するカウンタと、そのカウンタの内容が上
   記パルスの送波毎に移されるラツチ回路と、送波パルス
   の送波前に所定の計数値がロードされるアツプダウンカ
   ウンタと、上記ラツチ回路の内容と、上記アツプダウン
   カウンタの内容との大小を比較する比較器と、その比較
   器により判定された大小に応じて上記ラツチから次のパ
   ルス送波までの時間に、上記第１クロツクより遅い第２
   クロツクで上記アツプダウンカウンタを上記ラツチ回路
   の内容に近づけるようにアツプ又はダウン計数させる修
   正手段と、上記アツプダウンカウンタの内容をアナログ
   信号に変換するＤＡ変換器と上記アツプダウンカウンタ
   の内容が上記ラツチ回路の内容に一致した時に上記修正
   手段の動作を停止させる停止手段とを有する超音波によ
   る時間幅測定装置。