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JPS6125288B2 - - Google Patents
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JPS6125288B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6125288B2
JPS6125288B2 JP5918980A JP5918980A JPS6125288B2 JP S6125288 B2 JPS6125288 B2 JP S6125288B2 JP 5918980 A JP5918980 A JP 5918980A JP 5918980 A JP5918980 A JP 5918980A JP S6125288 B2 JPS6125288 B2 JP S6125288B2
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JP
Japan
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phase
voltage
output
circuit
measuring device
Prior art date
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Expired
Application number
JP5918980A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS56154668A (en
Inventor
Shunichi Wada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP5918980A priority Critical patent/JPS56154668A/en
Publication of JPS56154668A publication Critical patent/JPS56154668A/en
Publication of JPS6125288B2 publication Critical patent/JPS6125288B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/01Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by using swirlflowmeter

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は導管内を流れる測定流体中に渦発生
柱を設け、その下流に発生したカルマン渦の数
(発生渦周波数)を超音波で検出して流速または
流量を測定する流速測定装置に関するもので、そ
の目的は電圧制御位相偏移回路を用いた位相同期
ループ回路により渦信号を検出する流速測定装置
の初期の位相同期角を確実にできる方法を提供す
るものであり、さらには電圧制御位相偏移回路が
動作可能な位相偏移角を外れて位相同期ループが
同期外れを生じた場合にもすみやかに再同期して
通常の渦信号検出動作を再び行なわせる為の方法
を提供するものである。 導管内に渦発生柱を設け、その下流に発生した
カルマン渦の発生周波数を超音波で検出して管内
を流れる流体の流速または流量を測定する方法は
実公昭48−17010で提案されている。この方法で
カルマン渦を検出する場合、超音波発信器から発
信された超音波は流体中を伝播しカルマン渦で変
調され受信器で受信される。超音波の受ける変調
は振幅変調、周波数変調、位相変調等であり、そ
れぞれの復調方式により渦信号を復調する事がで
きる。それらの復調方式の1つに位相復調回路方
式がある。第1図に位相復調回路方式の従来の一
実施例を示す。図において、1は渦発生柱、11
は導管、2は超音波送信子、3は超音波送信子2
の最適発振周波数で励振する為の発振器、4は超
音波受信子、5は受信信号を波形整形する為の増
巾器、7はループフイルタを構成するアクテイブ
ローパスフイルタ回路で、71,74,75は抵
抗、72はコンデンサ、73は演算増巾器、8は
電圧制御位相偏移回路、81,82は入力信号の
位相を制御電圧V7に応じて偏移させる為の時間
幅可変の単安定マルチ回路からなる位相偏移回
路、83は出力パルスのデユーテイ比を調整する
為の固定時間幅の単安定マルチ回路、811,8
21,831,835,836は抵抗、812,
822,823はコンデンサ、813,823,
833はダイオード、814,824,834は
電圧比較器、815,825,835はDフリツ
プフロツプ回路である。 超音波送信器2は発振器3により駆動され超音
波を発振する。音波はカルマン渦列により位相変
調され受信器4により変調信号が受信され増幅器
5により波形整形され電圧V5となりエクスクル
ーシブオア回路で構成された位相比較器6の1方
の入力として与えられる。電圧制御位相偏移回路
8はループフイルタ7の出力電圧V7に対応して
上記発振器3の出力信号V1からの位相偏移角が
制御される位相偏移信号を発生する回路で、互い
に縦続接続されループフイルタ7の出力電圧によ
つてパルス幅が制御できる複数(本実施例では2
つ)の位相偏移回路81,82と出力パルス幅を
発振周波数信号パルス幅と略一致する様に設定す
る固定時間幅の単安定マルチ回路83とから構成
されている。上記各段の位相偏移回路81,82
はそれぞれ抵抗811,821とコンデンサ81
2,822との時定数回路、このコンデンサ電圧
とループフイルタ7の電圧V7とを比較する電圧
比較器814,824、上記発振器3の信号V1
を第1段のトリガ信号として順次トリガされ上記
各比較器814,824の出力によつてリセツト
されるD型フリツプフロツプ回路815,825
及び該フリツプフロツプ回路の出力によつて上記
コンデンサ812,822の充放電を制御させる
ダイオード812,823により構成されてい
る。電圧制御位相偏移回路8の出力信号V4は位
相比較器6の他方の入力へ入力され、位相比較器
6、ループフイルタ7、電圧制御位相偏移回路8
とともに位相同期ループを構成している。第2図
V1〜V6は第1図同符号V1〜V6で示す各部の電圧
信号波形図を示す。 上記の様に構成された位相同期ループにおいて
発振回路3の信号V1を基準としてカルマン渦に
より位相変調されさらに送信器2から受信器4に
到達するまでの位相遅れを伴なつた変調信号V5
が位相比較器6の一方の入力として与えられる。 第2図においては発振器3の信号V1と変調信
号V5とはたまたま同位相となつているが被測定
流体の密度が変り音速が変化するとこの2つの信
号間の位相差には広角度の位相差が生じるもので
ある。 一方発振器3の信号V1は電圧制御位相偏移回
路8に与えられる。電圧制御位相偏移回路8にお
いては、先ず、第1段目のD型フリツプフロツプ
815が発振器3の信号V1の「H」レベルへの
立上りによりトリガーされて反転動作し、コンデ
ンサ812の充電が開始されこのコンデンサの充
電電圧がループフイルタ7の出力電圧V7に達し
た時にD型フリツプフロツプ815は比較器81
4の出力によりリセツトされ、出力電圧V7に対
応した時間幅TD1のパルス出力V2を出力する。
第2段目のD型フリツプフロツプ825は第1段
目のパルス出力V2の「H」レベルへの立上りで
トリガーされてループフイルタ7の出力電圧V7
に対応した時間幅TD2のパルス出力V3を発生
し、このパルス出力V3の「H」レベル立上りに
より第3段目のフリツプフロツプ回路835はト
リガーされて抵抗835,836の分割電圧で決
まる所定の時間幅のパルス出力V4を発生し位相
比較器6の他方の入力として与えられる。即ち電
圧制御位相偏移回路8の出力V4はループフイル
タ7の出力電圧V7に対応した第1、第2段目の
位相偏移回路81,82のパルス時間幅TD1,
TD2の合成時間の位相だけ発振器3の信号V1
対して位相偏移した信号となる。 位相比較器6は上述の変調信号V5と電圧制御
位相偏移回路8の出力信号V4との位相差に対応
した電圧V6を発生しループフイルタ7はその出
力電圧V6の高周波成分や雑音等の不要成分を除
去して電圧制御位相偏移回路8の位相偏移角を位
相比較器6の2入力V4,V5の位相誤差が小さく
なるように制御し結局位相同期ループが構成され
るものである。位相比較器6の入力の位相差に対
応した出力電圧の平均値の電圧特性を第3図に示
す。第3図から明らかなように第1図ループフイ
ルタ7の演算増幅器73の正相入力端子の設定電
圧を抵抗74,75の分圧比により1/2に設定す
れば信号V4とV5の位相差はπ/2で位相同期ル
ープを構成することが判る。 この様にして構成された位相同期ループにより
カルマン渦による位相変調信号V5の位相変調に
追随した信号V4が得られるので、ループフイル
タ7のループの応答性の設定によりカルマン渦の
位相変調信号つまり渦信号がループフイルタの出
力V7あるいは位相比較器6の出力V6に表われ、
キヤリアフイルタ9により不必要な周波数成分を
除去した渦信号1や2が得られる。 一方、位相とは元来2πごとの周期函数である
ことから、上述の第3図で示したところの位相同
期点は正確にはπ/2±2nπ(nは整数)とな
り複数個存在するのに対して、上述の位相偏移回
路81,82の1段当りの偏移可能な位相偏移角
は入力信号に対して0から2πまでと有限であ
る。変調信号V5が広角度位相変調される場合に
でも電圧制御位相偏移回路8の出力V4が追随す
る為には1段当り0〜2πの位相偏移回路81,
82を多数個縦続接続すればよく、2段の場合に
はループフイルタ7の出力電圧V7に対応する位
相偏移角の関係は第4図の様になる。位相同期が
成立している時のループフイルタ7の出力V7
ループで決定される所定の値になるが前述の様に
ループの位相同期の安定点はπ/2±2nπと複
数個存在する為ループの安定点を与える所定の出
力V7も複数個存在することがわかる。この複数
個の安定点に相当するループフイルタ7の出力電
圧V7が第4図に示す電圧制御位相偏移回路8の
制御可能な位相偏移角の最小値に相当する最小電
圧Vminより大きく制御可能な最大電圧Vmaxよ
りも小さければこの位相同期ループは成立する
が、そうでない場合にはループは成立せずカルマ
ン渦信号の復調も不可能となる欠点がある。 この発明は上記欠点を除去しようとするもの
で、この流速測定装置を動作させると同時に最適
な位相同期安定点で位相同期ループが作動する流
速測定装置を提供しうると共に、万が一位相同期
ループが同期外れを生じた場合にでもすみやかに
再同期が行なわれる流速測定装置を提供しようと
するものである。さらにこの流速測定装置を使用
電源電圧変動の大きい、被測定流体の温度変化の
大きい自動車エンジンの吸入空気量の測定等に用
いる場合にも前述の位相同期ループの動作が安定
に行なわれ渦信号の検出が安定な流速測定装置を
提供する事を目的としている。 以下第5図に示すこの発明の一実施例について
説明する。即ち第5図において抵抗55とコンデ
ンサ56は時定数回路で57はツエナーダイオー
ド、抵抗54はトランジスタ52のベースエミツ
タ間抵抗、53は抵抗でトランジスタ51はルー
プフイルタ7の積分コンデンサ72の放電用のト
ランジスタである。上記の様に構成された流速測
定装置においてまず装置電源電圧Vccが零Vの状
態でステツプ的に印加された場合にはコンデンサ
56の充電電圧は抵抗55とコンデンサ56の時
定数で上昇してゆく。このコンデンサ電圧がトラ
ンジスタ52のベース・エミツタ間電圧とツエナ
ーダイオード57のツエナー電圧Vzを加えた反
転電圧以下にある期間はトランジスタ52は
OFF状態となり、トランジスタ51はON状態と
なり、ループフイルタ7の出力電圧V7は演算増
幅器13の正相入力端子の基準電圧に等しい値に
設定される。この電圧の値を第4図に示した電圧
制御位相偏移回路8の位相偏移角度対コントロー
ル電圧V7とのカーブより求まる最小偏移角θmin
と最大偏移角θmaxの略中心角に対応したコント
ロール電圧に設定しておく。この時の信号V4
V5との位相差が第6図に示すa点にあつた場
合、前述のコンデンサ電圧が上昇して反転電圧を
越すとトランジスタ52が「ON」しトランジス
タ51が「OFF」して位相同期ループが正常に
動作し始め、第6図に示す同期点1へと位相同期
される。この場合コントロール電圧V7は第7図
に示す同期点1に対応した出力電圧となる。この
場合にはa点から同期点2にループが収束するこ
とは理論上あり得ずこのループフイルタ7に付加
したリセツト回路により初期の同期点は電圧制御
位相偏移回路8の位相偏移角の略中心角度点から
の最寄りの最短角度の同期点となり、すみやかに
位相同期される。電源投入時の信号V4とV5の位
相差がb点の場合には同期点2のほうが角度差が
小さく近いので同期点2のほうへ位相同期され
る。この様にして位相同期された流速測定装置に
よれば電源投入時に位相同期が同期不可能という
事態は全くなく、電源投入後の変調信号V5に対
する追従可能な位相偏移角度も進み側と遅れ側の
両方向へ比較的均等な角度の位相偏移が可能であ
る。この効果は位相偏移回路の段数が大きくなれ
ばなる程有効である。 次に電源電圧が非常にゆるやかに上昇していく
場合のリセツト回路の動作を考える。この場合に
は抵抗55とコンデンサ56で決まる時定数回路
の動作は期待できないが、電源電圧Vccが前述の
反転電圧以下の期間はトランジスタ52が
「ON」しないのでリセツト回路が動作しており、
Vccが上昇して反転電圧を越すとリセツトが解除
されすみやかに位相同期ループが動作する。 さて位相同期ループが正常に動作し電圧制御位
相偏移回路8の動作可能範囲で動作している場合
には初期の位相同期のみを確実に行なうようにす
ればそれで良いのだが、多段の位相偏移回路8
1,82の段数に比べて変調信号V5の位相変化
範囲が大きくなり過ぎて位相偏移角がθmin以下
あるいはθmax以上、つまりループフイルタ7の
出力のコントロール電圧V7がVmin以下、もしく
はVmax以上に動作しないと位相同期ループの位
相同期が成立しない様な状態となると位相同期外
れという状態が発生し外部からリセツト信号を印
加させない限り正常な動作への復帰が行なわれな
い状態が発生する場合がある。この様な場合には
電源を一度「OFF」してから再投入すれば再同
期が可能であるが、回路自身でリセツト信号を発
生して再同期を可能とする方法がある。 以下第8図に示すこの発明の他の実施例につい
て説明する。抵抗101及びコンデンサ102に
よる積分回路は電圧制御位相偏移回路8の出力
V4の反転信号の出力周波数を直流の検出電
圧VDETに変換し電圧比較器108の反転入力端
子に入力される。抵抗103,104は電圧比較
器108の正相入力端子に入力された電圧比較器
の反転レベルを決定する。抵抗105は反転レベ
ルにヒステリシスを与えるものである。抵抗10
6は電圧比較器108の出力抵抗、抵抗107は
トランジスタ109のベース抵抗である。 上記の様に構成された流速測定装置において位
相同期ループ回路が正常に動作している場合、電
圧制御位相偏移回路8の出力は周波数が発振
器3の周波数に等しく出力のパルス幅はduty比
約50%に近い値になつている。この電圧を積分し
た直流電圧は約1/2に等しい。電圧比較器108
の反転レベルを約3/8に設定したとする電圧比較
器108の出力は「L」レベルとなりトランジス
タ109は「OFF」するのでリセツト回路のト
ランジスタ51,52の動作に影響を与えない。
次に位相同期ループが同期外れを生じた場合には
位相偏移回路81,82各段のフリツプフロツプ
815,825のトリガー信号とリセツト信号の
動作が発振器3の出力周波数をもはや維持できな
い状態であり電圧制御位相偏移回路8の出力周波
数は必らず低下し、出力信号の積分電圧VDE
も電圧値3/8以下に低下する。そして電圧比較器
108の出力が「H」へ反転しトランジスタ10
9が「ON」し、トランジスタ51が「ON」しリ
セツト回路が動作し電圧制御位相偏移回路8の出
力は正常に復帰する。出力が正常に復帰する
とその積分電圧VDETは1/2に復帰し、電圧比較器
108の出力は「L」に反転し、リセツト動作が
解除される。リセツトが解除されると位相同期ル
ープが再同期され正常動作に復帰する。この様に
して位相同期ループ回路の同期外れの状態を電圧
制御位相偏移回路8の出力電圧の異常により検出
しリセツト回路を動作させることにより万が一同
期外れが生じた様な場合にでもすみやかに正常動
作に復帰させる事ができる。 なお上記実施例では位相同期ループの同期外れ
を直接電圧制御位相偏移回路8の出力により検出
しリセツト回路を動作させたが、同期外れに相当
するループフイルタ7の出力電圧にループフイル
タ7の出力が近ずいた事を検出してリセツト回路
を動作させて安定な同期点に再同期させる様にし
ても同様に効果が期待できる。 以下第9図に示す他の実施例について説明す
る。201はウインドコンパレータ回路で、ルー
プフイルタ7の出力電圧の値を監視してリセツト
回路を動作させる為のものである。ウインドコン
パレータ201の設定を下表の様にしたとする。
This invention relates to a flow velocity measuring device that measures flow velocity or flow rate by installing a vortex generation column in a measuring fluid flowing in a conduit and detecting the number of Karman vortices (generation vortex frequency) generated downstream of the column using ultrasonic waves. , the purpose of which is to provide a method that can ensure the initial phase locking angle of a flow velocity measurement device that detects eddy signals by a phase-locked loop circuit using a voltage-controlled phase-shift circuit, and furthermore, To provide a method for quickly resynchronizing and restarting normal eddy signal detection operation even when the phase locked loop becomes out of synchronization due to a shift circuit being out of an operable phase shift angle. . Japanese Utility Model Publication No. 17010/1973 proposes a method in which a vortex generating column is provided in a conduit and the generation frequency of the Karman vortex generated downstream of the column is detected using ultrasonic waves to measure the flow velocity or flow rate of fluid flowing within the tube. When detecting the Karman vortex using this method, the ultrasound transmitted from the ultrasound transmitter propagates through the fluid, is modulated by the Karman vortex, and is received by the receiver. The modulation that ultrasonic waves undergo is amplitude modulation, frequency modulation, phase modulation, etc., and the vortex signal can be demodulated by each demodulation method. One of these demodulation methods is a phase demodulation circuit method. FIG. 1 shows an example of a conventional phase demodulation circuit system. In the figure, 1 is a vortex generation column, 11
is a conduit, 2 is an ultrasonic transmitter, 3 is an ultrasonic transmitter 2
4 is an ultrasonic receiver, 5 is an amplifier for waveform shaping the received signal, 7 is an active low-pass filter circuit constituting a loop filter, 71, 74, 75 is a resistor, 72 is a capacitor, 73 is an operational amplifier, 8 is a voltage controlled phase shift circuit, and 81 and 82 are monostable units with variable time width for shifting the phase of the input signal according to the control voltage V7 . A phase shift circuit consisting of a multi-circuit, 83 is a monostable multi-circuit with a fixed time width for adjusting the duty ratio of the output pulse, 811, 8
21,831,835,836 are resistors, 812,
822, 823 are capacitors, 813, 823,
833 is a diode, 814, 824, 834 are voltage comparators, and 815, 825, 835 are D flip-flop circuits. The ultrasonic transmitter 2 is driven by an oscillator 3 to oscillate ultrasonic waves. The sound wave is phase modulated by a Karman vortex street, a modulated signal is received by a receiver 4, and the waveform is shaped by an amplifier 5 to form a voltage V5 , which is applied as one input of a phase comparator 6 constituted by an exclusive OR circuit. The voltage controlled phase shift circuit 8 is a circuit that generates a phase shift signal whose phase shift angle from the output signal V 1 of the oscillator 3 is controlled in response to the output voltage V 7 of the loop filter 7, and is connected in series with each other. The pulse width can be controlled by the output voltage of the loop filter 7.
It consists of phase shift circuits 81 and 82 (two) and a monostable multi-circuit 83 with a fixed time width that sets the output pulse width to substantially match the oscillation frequency signal pulse width. Phase shift circuits 81 and 82 in each stage above
are resistors 811 and 821 and capacitor 81, respectively.
2, 822, a voltage comparator 814, 824 that compares this capacitor voltage with the voltage V 7 of the loop filter 7, and a signal V 1 of the oscillator 3.
D-type flip-flop circuits 815 and 825 are sequentially triggered using the first stage trigger signal and are reset by the outputs of the comparators 814 and 824, respectively.
and diodes 812, 823 which control charging and discharging of the capacitors 812, 822 by the output of the flip-flop circuit. The output signal V 4 of the voltage controlled phase shift circuit 8 is input to the other input of the phase comparator 6, and the phase comparator 6, the loop filter 7, and the voltage controlled phase shift circuit 8 are input to the other input of the phase comparator 6.
Together, they form a phase-locked loop. Figure 2
V 1 to V 6 represent voltage signal waveform diagrams of respective parts indicated by the same reference numerals V 1 to V 6 in FIG. 1. In the phase-locked loop configured as described above, a modulated signal V 5 is phase-modulated by a Karman vortex using the signal V 1 of the oscillation circuit 3 as a reference, and is further accompanied by a phase delay from the transmitter 2 to the receiver 4.
is given as one input of the phase comparator 6. In Fig. 2, the signal V 1 of the oscillator 3 and the modulation signal V 5 happen to be in the same phase, but when the density of the fluid being measured changes and the speed of sound changes, the phase difference between these two signals has a wide angle. A phase difference occurs. On the other hand, the signal V 1 from the oscillator 3 is given to the voltage controlled phase shift circuit 8 . In the voltage controlled phase shift circuit 8, first, the first stage D-type flip-flop 815 is triggered by the rise of the signal V1 of the oscillator 3 to the "H" level and performs an inverting operation, and charging of the capacitor 812 begins. When the charging voltage of this capacitor reaches the output voltage V7 of the loop filter 7 , the D-type flip-flop 815 activates the comparator 81.
4, and outputs a pulse output V2 with a time width TD1 corresponding to the output voltage V7 .
The second stage D-type flip-flop 825 is triggered by the rise of the first stage pulse output V 2 to the "H" level, and the output voltage V 7 of the loop filter 7 is triggered.
A pulse output V 3 with a time width TD2 corresponding to It generates a pulse output V 4 with a time width and is applied as the other input of the phase comparator 6 . That is, the output V 4 of the voltage controlled phase shift circuit 8 has the pulse time width TD1 of the first and second phase shift circuits 81 and 82 corresponding to the output voltage V 7 of the loop filter 7.
The signal becomes a signal whose phase is shifted from the signal V1 of the oscillator 3 by the phase of the synthesis time of TD2. The phase comparator 6 generates a voltage V 6 corresponding to the phase difference between the above-mentioned modulation signal V 5 and the output signal V 4 of the voltage controlled phase shift circuit 8, and the loop filter 7 generates a high frequency component of the output voltage V 6 . By removing unnecessary components such as noise, the phase shift angle of the voltage controlled phase shift circuit 8 is controlled so that the phase error of the two inputs V 4 and V 5 of the phase comparator 6 becomes small, and a phase locked loop is eventually formed. It is something that will be done. FIG. 3 shows the voltage characteristics of the average value of the output voltage corresponding to the phase difference of the input of the phase comparator 6. As is clear from FIG. 3, if the set voltage of the positive phase input terminal of the operational amplifier 73 of the loop filter 7 in FIG . It can be seen that the phase difference is π/2 and a phase locked loop is formed. With the phase-locked loop configured in this way, a signal V 4 that follows the phase modulation of the phase modulation signal V 5 due to the Karman vortex is obtained, so by setting the loop response of the loop filter 7, the phase modulation signal of the Karman vortex is In other words, the vortex signal appears at the output V 7 of the loop filter or the output V 6 of the phase comparator 6,
The carrier filter 9 provides vortex signals 1 and 2 from which unnecessary frequency components have been removed. On the other hand, since the phase is originally a periodic function every 2π, the phase synchronization point shown in Figure 3 above is exactly π/2±2nπ (n is an integer), and there may be multiple points. On the other hand, the phase shift angle that can be shifted per stage of the above-mentioned phase shift circuits 81 and 82 is limited from 0 to 2π with respect to the input signal. In order for the output V 4 of the voltage controlled phase shift circuit 8 to follow even when the modulation signal V 5 is wide-angle phase modulated, a phase shift circuit 81 of 0 to 2π is required per stage.
82 may be connected in series, and in the case of two stages, the relationship between the phase shift angle corresponding to the output voltage V7 of the loop filter 7 is as shown in FIG. When phase synchronization is established, the output V 7 of loop filter 7 will be a predetermined value determined by the loop, but as mentioned above, there are multiple stable points of phase synchronization of the loop, π/2 ± 2nπ. Therefore, it can be seen that there are also multiple predetermined outputs V 7 that provide stable points for the loop. The output voltage V7 of the loop filter 7 corresponding to the plurality of stable points is controlled to be greater than the minimum voltage Vmin corresponding to the minimum value of the controllable phase shift angle of the voltage controlled phase shift circuit 8 shown in FIG. If the voltage is smaller than the maximum possible voltage Vmax, this phase-locked loop will be established, but if not, the loop will not be established and demodulation of the Karman vortex signal will be impossible. The present invention aims to eliminate the above-mentioned drawbacks, and provides a current velocity measuring device in which the phase-locked loop operates at the optimum phase-locked stable point at the same time as the current velocity measuring device is operated, and also provides a flow velocity measuring device in which the phase-locked loop operates at the optimum phase-locked stable point, and even if the phase-locked loop becomes synchronized by any chance. It is an object of the present invention to provide a flow rate measuring device that can quickly resynchronize even if a deviation occurs. Furthermore, when this flow rate measuring device is used for measuring the intake air amount of an automobile engine where the power supply voltage fluctuates widely or the temperature of the fluid to be measured changes greatly, the above-mentioned phase-locked loop operates stably. The purpose is to provide a flow rate measuring device with stable detection. An embodiment of the present invention shown in FIG. 5 will be described below. That is, in FIG. 5, a resistor 55 and a capacitor 56 are time constant circuits, 57 is a Zener diode, resistor 54 is a base-emitter resistance of transistor 52, 53 is a resistor, and transistor 51 is a transistor for discharging the integrating capacitor 72 of loop filter 7. be. In the flow rate measuring device configured as described above, when the device power supply voltage Vcc is first applied in a stepwise manner in a state of zero V, the charging voltage of the capacitor 56 increases with the time constant of the resistor 55 and the capacitor 56. . During the period when this capacitor voltage is below the inversion voltage which is the sum of the base-emitter voltage of the transistor 52 and the Zener voltage Vz of the Zener diode 57, the transistor 52 is
It is in the OFF state, the transistor 51 is in the ON state, and the output voltage V 7 of the loop filter 7 is set to a value equal to the reference voltage of the positive phase input terminal of the operational amplifier 13. The value of this voltage is the minimum deviation angle θmin found from the curve of the phase deviation angle of the voltage controlled phase deviation circuit 8 versus the control voltage V 7 shown in FIG.
The control voltage is set to approximately correspond to the center angle of the maximum deviation angle θmax. At this time the signal V 4 and
When the phase difference with V 5 is at point a shown in Figure 6, the capacitor voltage mentioned above rises and exceeds the inversion voltage, transistor 52 is turned on and transistor 51 is turned off, forming a phase-locked loop. starts operating normally and is phase-synchronized to synchronization point 1 shown in FIG. In this case, the control voltage V7 becomes an output voltage corresponding to synchronization point 1 shown in FIG. In this case, it is theoretically impossible for the loop to converge from point a to synchronization point 2, and the reset circuit added to this loop filter 7 sets the initial synchronization point to the phase shift angle of voltage controlled phase shift circuit 8. This becomes the nearest and shortest angle synchronization point from the approximately central angle point, and phase synchronization is quickly achieved. If the phase difference between the signals V 4 and V 5 at the time of power-on is point b, the phase synchronization is performed toward the synchronization point 2 because the angular difference is smaller and closer to the synchronization point 2. According to the current velocity measuring device that is phase-synchronized in this way, there is no situation where phase synchronization cannot be synchronized when the power is turned on, and the phase shift angle that can be followed for the modulation signal V 5 after the power is turned on is both leading and lagging. A relatively uniform angular phase shift in both directions is possible. This effect becomes more effective as the number of stages of the phase shift circuit increases. Next, consider the operation of the reset circuit when the power supply voltage rises very slowly. In this case, the time constant circuit determined by the resistor 55 and capacitor 56 cannot be expected to operate, but the reset circuit is operating because the transistor 52 is not turned on during the period when the power supply voltage Vcc is below the above-mentioned inversion voltage.
When Vcc rises and exceeds the inversion voltage, the reset is released and the phase locked loop immediately operates. Now, if the phase-locked loop is operating normally and within the operable range of the voltage-controlled phase shift circuit 8, it would be fine if only the initial phase synchronization was performed reliably, but multi-stage phase shift Transfer circuit 8
Compared to the number of stages of 1.82, the phase change range of the modulation signal V 5 becomes too large and the phase deviation angle is less than θmin or more than θmax, that is, the control voltage V 7 of the output of the loop filter 7 is less than Vmin or more than Vmax. If the phase synchronization of the phase-locked loop cannot be established unless the loop is operated properly, a state called phase synchronization may occur, and a state may occur in which normal operation cannot be restored unless a reset signal is applied from the outside. be. In such a case, resynchronization can be achieved by turning off the power and then turning it on again, but there is a method in which the circuit itself generates a reset signal to enable resynchronization. Another embodiment of the invention shown in FIG. 8 will be described below. An integrating circuit consisting of a resistor 101 and a capacitor 102 is the output of the voltage controlled phase shift circuit 8.
The output frequency of the inverted signal 4 of V 4 is converted into a DC detection voltage V DET , which is input to the inverted input terminal of the voltage comparator 108 . Resistors 103 and 104 determine the inversion level of the voltage comparator input to the positive phase input terminal of voltage comparator 108. The resistor 105 provides hysteresis to the inversion level. resistance 10
6 is an output resistance of the voltage comparator 108, and a resistor 107 is a base resistance of the transistor 109. When the phase-locked loop circuit is operating normally in the flow rate measuring device configured as described above, the frequency of the output 4 of the voltage controlled phase shift circuit 8 is equal to the frequency of the oscillator 3, and the pulse width of the output is equal to the duty ratio. The value is close to about 50%. The DC voltage obtained by integrating this voltage is equal to approximately 1/2. Voltage comparator 108
When the inversion level of is set to about 3/8, the output of voltage comparator 108 becomes "L" level and transistor 109 is turned "OFF", so that it does not affect the operation of transistors 51 and 52 of the reset circuit.
Next, when the phase-locked loop loses synchronization, the operation of the trigger signal and reset signal of the flip-flops 815 and 825 in each stage of the phase shift circuits 81 and 82 is in a state where the output frequency of the oscillator 3 can no longer be maintained, and the voltage The output frequency of the control phase shift circuit 8 necessarily decreases, and the integrated voltage V DE of the output signal 4 decreases.
T also decreases to 3/8 or less of the voltage value. Then, the output of the voltage comparator 108 is inverted to "H", and the transistor 10
9 turns on, the transistor 51 turns on, the reset circuit operates, and the output of the voltage controlled phase shift circuit 8 returns to normal. When the output 4 returns to normal, its integrated voltage V DET returns to 1/2, the output of the voltage comparator 108 is inverted to "L", and the reset operation is canceled. When the reset is released, the phase-locked loop is resynchronized and returns to normal operation. In this way, the out-of-synchronization state of the phase-locked loop circuit is detected by an abnormality in the output voltage of the voltage-controlled phase shift circuit 8, and by operating the reset circuit, even in the unlikely event that out-of-synchronization occurs, the circuit can be restored to normal. It can be restored to operation. In the above embodiment, the out-of-synchronization of the phase-locked loop is detected by the output of the direct voltage control phase shift circuit 8 and the reset circuit is operated. A similar effect can be expected by detecting that the synchronization point is approaching and operating the reset circuit to resynchronize to a stable synchronization point. Another embodiment shown in FIG. 9 will be described below. 201 is a window comparator circuit for monitoring the value of the output voltage of the loop filter 7 and operating the reset circuit. Assume that the settings of the window comparator 201 are as shown in the table below.

【表】 ループフイルタ7の出力電圧V7が電圧制御位
相偏移回路8の制御可能(動作可能)電圧範囲に
あればウインドコンパレータ201の出力が
「L」でリセツト回路は動作しない。逆に制御可
能電圧範囲を外れるかあるいは外れる値に近ずく
とウインドコンパレータ201の出力は「H」に
なりリセツト回路が動作する。リセツト回路が動
作するとV7は所定の値に設定し直され、電圧制
御位相偏移回路8は正常動作範囲に復帰し、リセ
ツト回路は動作を停止し、位相同期ループが再同
期される。実際にこの実施例の動作を行なわせる
為にはリセツト回路が動作を完了するのに必要な
時間を確保する為にデイレイ回路とコンパレータ
電圧のヒステリシス等が必要であるが説明を簡単
にする為に省略した。 以上説明した通り、本発明によれば、カルマン
渦により超音波が受けた位相変調信号を電圧制御
位相偏移回路を用いた位相同期ループ回路で位相
復調する方式の流速測定装置で、位相が2π毎の
周期函数である事より由来する複数個の位相同期
角(点)のどの点に初期の同期が行なわれるのか
解らないという欠点を、リセツト回路により電圧
制御位相偏移回路の初期設定値を最適値に初期セ
ツトするという簡単な構成で解決するものであ
る。 さらにリセツト回路の動作を電源電圧の立上り
に同期させて一定時間行なう事により、電源投入
後の回路の動作を安定にかつすみやかに行なわせ
る事ができる効果がある。 さらに電源電圧が非常にゆつくりとした早さで
上昇する様な場合にも、電圧レベルを検出してリ
セツトを「ON」、「OFF」させる事により、電源
電圧の立上り方に依存しない安定な初期リセツト
が可能である。 この様にして位相同期ループの初期同期角を確
実に行なわせても、位相変調信号の位相偏移量が
被測定流体の急激な温度変化等により大きく変化
し電圧制御位相偏移回路の正常動作が可能な位相
偏移角度範囲を外れて位相同期ループの同期外れ
が発生するか、あるいは発生寸前に到つた場合に
でも、本発明によれば電圧制御位相偏移回路の出
力異常あるいはループフイルタの出力電圧値ある
いは出力電圧の異常を検出してリセツト回路を動
作させすみやかに正常動作に復帰させる効果があ
る。 さらには外部から得られる任意のリセツト信号
によつてリセツト回路を動作させて、位相同期角
を再同期させて位相同期ループの動作を安定化さ
せる効果がある事はいうまでもない。任意のリセ
ツト信号としては、自動車エンジンの吸入空気量
の測定にこの流速測定装置に用いた場合の各種の
エンジンパラメータ、たとえばクランキング信
号、キースイツチ、ブーストスイツチ、吸入空気
温度等が考えられる。
[Table] If the output voltage V7 of the loop filter 7 is within the controllable (operable) voltage range of the voltage controlled phase shift circuit 8, the output of the window comparator 201 is "L" and the reset circuit does not operate. Conversely, when the voltage falls outside the controllable voltage range or approaches a value outside the controllable voltage range, the output of the window comparator 201 becomes "H" and the reset circuit operates. When the reset circuit operates, V7 is reset to a predetermined value, the voltage controlled phase shift circuit 8 returns to its normal operating range, the reset circuit ceases operation, and the phase locked loop is resynchronized. In order to actually perform the operation of this embodiment, a delay circuit and hysteresis of the comparator voltage are required in order to secure the time necessary for the reset circuit to complete its operation, but for the sake of simplicity, Omitted. As explained above, according to the present invention, there is provided a flow velocity measuring device which uses a phase locked loop circuit using a voltage controlled phase shift circuit to demodulate the phase modulation signal received by an ultrasonic wave due to a Karman vortex. The disadvantage of not knowing at which point of the multiple phase synchronization angles (points) the initial synchronization will be performed due to the fact that it is a periodic function of This can be solved with a simple configuration of initially setting the value to the optimum value. Furthermore, by synchronizing the operation of the reset circuit with the rise of the power supply voltage and performing it for a certain period of time, there is an effect that the operation of the circuit can be performed stably and quickly after the power is turned on. Furthermore, even when the power supply voltage rises at a very slow rate, by detecting the voltage level and turning the reset ON or OFF, a stable system that does not depend on how the power supply voltage rises can be maintained. Initial reset is possible. Even if the initial synchronization angle of the phase-locked loop is ensured in this way, the amount of phase deviation of the phase modulation signal will change significantly due to sudden temperature changes in the fluid being measured, and the voltage-controlled phase-shift circuit will not operate normally. Even if the phase-locked loop goes out of the possible phase shift angle range and the phase-locked loop goes out of synchronization, or even if it is about to go out of synchronization, according to the present invention, the output abnormality of the voltage-controlled phase-shift circuit or the loop filter can be corrected. This has the effect of detecting an output voltage value or an abnormality in the output voltage and operating the reset circuit to quickly restore normal operation. Furthermore, it goes without saying that the reset circuit can be operated by an arbitrary reset signal obtained from the outside to resynchronize the phase synchronization angle and stabilize the operation of the phase lock loop. As the arbitrary reset signal, various engine parameters such as a cranking signal, a key switch, a boost switch, an intake air temperature, etc. can be considered when this flow rate measuring device is used to measure the intake air amount of an automobile engine.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は位相復調回路方式を利用した従来の流
速測定装置を示す構成図、第2図は第1図の各部
の動作波形図、第3図は第1図中の位相比較器の
入出力特性図、第4図は第1図中の電圧制御位相
偏移回路の入出力特性図、第5図はこの発明に係
る流速測定装置の一実施例を示す構成図、第6
図、第7図は第5図の動作を簡単に説明した説明
図、第8図、第9図はそれぞれこの発明の異なる
実施例を示す構成図である。 なお図中、1は渦発生柱、2は超音波送信器、
3は発振器、4は超音波受信器、6は位相比較
器、7はループフイルタ、8は電圧制御位相偏移
回路、51はリセツト回路を構成するトランジス
タである。なお各図中同一符号は同一又は相当部
分を示す。
Figure 1 is a configuration diagram showing a conventional flow velocity measurement device using a phase demodulation circuit system, Figure 2 is an operating waveform diagram of each part in Figure 1, and Figure 3 is the input/output of the phase comparator in Figure 1. 4 is an input/output characteristic diagram of the voltage controlled phase shift circuit in FIG. 1, FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of the flow rate measuring device according to the present invention, and FIG.
7 are explanatory diagrams briefly explaining the operation of FIG. 5, and FIGS. 8 and 9 are configuration diagrams showing different embodiments of the present invention. In the figure, 1 is a vortex generating column, 2 is an ultrasonic transmitter,
3 is an oscillator, 4 is an ultrasonic receiver, 6 is a phase comparator, 7 is a loop filter, 8 is a voltage controlled phase shift circuit, and 51 is a transistor constituting a reset circuit. Note that the same reference numerals in each figure indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 流体の流れに略直交して配設された渦発生
柱、この渦発生柱の下流側に発生するカルマン渦
列の流れを横切つて超音波を伝播させるように設
けられた超音波送信器、超音波送信器を励振させ
る発振器、上記カルマン渦によつて位相変調され
た超音波を受信する超音波受信子、受信された位
相変調信号を一方の入力とする位相比較器、この
位相比較器の出力の不要周波数成分を除去するル
ープフイルタ、上記発振器の出力信号からの位相
偏移角が上記ループフイルタの出力電圧に対応し
て制御される出力信号を発生して上記位相比較器
の他方の入力とし、上記位相比較器およびループ
フイルタとともに位相同期ループを構成する電圧
制御位相偏移回路、および上記ループフイルタの
出力を位相同期ループの動作とは切り離して所定
の電圧値を与える為のリセツト回路を備えた事を
特徴とする流速測定装置。 2 流速測定装置の電源の立上りに同期し、電源
の立上り時から一定の時間リセツト回路が動作す
る事を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の流
速測定装置。 3 流速測定装置の電源電圧が所定の電圧値以下
ではリセツト回路が動作し、所定の電圧以上では
リセツト回路の動作が解除される事を特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の流速測定装置。 4 リセツト回路動作時のループフイルタの出力
電圧値か、電圧制御位相偏移回路の動作可能な位
相偏移角範囲の最大角と最小角の略中心角度とな
る電圧値に設定された事を特徴とする特許請求の
範囲第1項、第2項及び第3項のいずれかに記載
の流速測定装置。 5 電圧制御位相偏移回路が動作可能な位相偏移
角範囲を外れた事を電圧制御位相偏移回路の出力
信号により検出しリセツト回路を動作させる事を
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の流速測定
装置。 6 電圧制御位相偏移回路が動作可能な位相偏移
角範囲を外れる事をループフイルタの出力電圧値
により検出し、リセツト回路を動作させる事を特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の流速測定装
置。
[Scope of Claims] 1. A vortex generating column arranged substantially perpendicular to the flow of fluid, and arranged so as to propagate ultrasonic waves across the flow of the Karman vortex street generated downstream of the vortex generating column. an ultrasonic transmitter, an oscillator that excites the ultrasonic transmitter, an ultrasonic receiver that receives the ultrasonic wave phase-modulated by the Karman vortex, and a phase comparison that uses the received phase-modulated signal as one input. a loop filter for removing unnecessary frequency components from the output of the phase comparator, and generating an output signal whose phase deviation angle from the output signal of the oscillator is controlled in accordance with the output voltage of the loop filter; A voltage controlled phase shift circuit which serves as the other input of the phase comparator and constitutes a phase locked loop together with the phase comparator and the loop filter, and the output of the loop filter is separated from the operation of the phase locked loop and set to a predetermined voltage value. A flow velocity measuring device characterized by being equipped with a reset circuit for giving 2. The flow rate measuring device according to claim 1, characterized in that the reset circuit operates for a certain period of time from the power up time in synchronization with the power up of the flow rate measuring device. 3. The flow rate measuring device according to claim 1, wherein the reset circuit operates when the power supply voltage of the flow rate measuring device is below a predetermined voltage value, and is deactivated when the voltage exceeds the predetermined voltage value. . 4. It is characterized by being set to the output voltage value of the loop filter when the reset circuit is operating, or the voltage value that is approximately the center angle between the maximum angle and the minimum angle of the operable phase shift angle range of the voltage controlled phase shift circuit. A flow rate measuring device according to any one of claims 1, 2, and 3. 5. Claim 1, characterized in that the reset circuit is operated by detecting, based on the output signal of the voltage-controlled phase-shift circuit, that the voltage-controlled phase-shift circuit is out of an operable phase-shift angle range. The flow rate measuring device described. 6. The flow rate according to claim 1, wherein the voltage controlled phase shift circuit detects, based on the output voltage value of the loop filter, that the voltage control phase shift circuit is out of an operable phase shift angle range, and operates the reset circuit. measuring device.
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DE3751386T2 (en) * 1986-07-17 1996-01-11 Mitsubishi Electric Corp Measuring device for engine intake air quantity.

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