JP2001324363A - Ultrasonic flow meter - Google Patents

Ultrasonic flow meter

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JP2001324363A
JP2001324363A JP2000140503A JP2000140503A JP2001324363A JP 2001324363 A JP2001324363 A JP 2001324363A JP 2000140503 A JP2000140503 A JP 2000140503A JP 2000140503 A JP2000140503 A JP 2000140503A JP 2001324363 A JP2001324363 A JP 2001324363A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively reduce influence of noise due to reflection or reverberation of ultrasonic waves in a flow passage in a pulse Doppler ultrasonic flow meter. SOLUTION: In this ultrasonic flow meter, scattered waves generated when ultrasonic waves 4 emitted from an ultrasonic wave transmitting/receiving means 3 are scattered in fluid are received in a plurality of measurement positions individually with gate time control by means of a gate circuit 15, and on the basis of Doppler deviation caused in the received scattered wave in each of the measurement positions, a flow velocity distribution in the flow passage is found, and then, a flow rate is found from the flow velocity distribution. The ultrasonic flow meter is provided with a storing means 11 taking in a signal waveform of noise due to reflection or reverberation of ultrasonic waves and storing it as a canceling noise signal and a computing means 13 finding a difference between a measured signal and the canceling noise signal, and a noise signal can be removed from the measurement signal by this differential processing.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波のドップラ
偏移を利用して流体の流量を測定する超音波流量計に関
し、特に、例えば雨水排水や農業用水用あるいは工業用
水や下水道水用として既に設置されている流体機械の保
守管理などとしてなされる能力評価などのための流量測
定に好適な超音波流量計に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic flowmeter for measuring the flow rate of a fluid by utilizing the Doppler shift of ultrasonic waves, and more particularly, for example, for rainwater drainage, agricultural water, industrial water or sewage water. The present invention relates to an ultrasonic flowmeter suitable for flow measurement for performance evaluation or the like performed as maintenance management of a fluid machine already installed.

【0002】[0002]

【従来の技術】超音波のパルスを流体中に放射し、その
流体中での散乱におけるドップラ偏移を利用して流体の
流量を測定する流量検出装置(超音波流量計)について
は、例えば特開平10−239127号公報や特開平1
0−281832号公報に記載のもの、また特開平5−
1929号公報や特開平10−246660号公報に記
載のもの、あるいは「超音波パルスドップラー法におけ
る高精度流量算出に関する考察」(日本機械学会論文
集,B編64巻622号:平成10年6月,白畑洋氏ほ
か3名共著)の148〜155ページに記載のものなど
が知られている。
2. Description of the Related Art A flow rate detector (ultrasonic flow meter) which emits an ultrasonic pulse into a fluid and measures the flow rate of the fluid by utilizing the Doppler shift in scattering in the fluid is disclosed in, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 10-239127 and
No. 0-281832, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-281832.
No. 1929 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-246660, or "Consideration on High-Accuracy Flow Rate Calculation in Ultrasonic Pulse Doppler Method" (Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 64, No. 622, June 1998) And co-authors by Hiroshi Shirahata et al., Pp. 148-155.

【0003】これらで知られるパルスドップラ式の超音
波流量計では、例えば排水ポンプの吐出管における流量
を測定する場合であれば、その測定対象である流路(吐
出管)の管壁外面に超音波送受波器を取り付け、この超
音波送受波器から所定周波数の超音波のパルスをバース
ト状に発信する。そして管路を流れる排水中に混入して
いる砂や気泡などの微小粒子で散乱された超音波を上記
の送受波器で受信する。その受信波には微小粒子の移動
速度、すなわち排水の流速に基づく周波数のドップラ偏
移を受けた信号が入っている。したがって周波数分析に
よりドップラ偏移周波数を求め、下記の式(1)から流
速Vを検出することができる。 V=CΔf/2f0cosθ (1) ここに、Cは測定対象流体中での音速、f0 は送信超音
波の周波数、Δfはドップラ偏移周波数、そしてθは超
音波の進行方向と流路管壁とがなす角度である。
[0003] In the pulse Doppler type ultrasonic flowmeter known in the art, for example, when measuring the flow rate in the discharge pipe of a drainage pump, the ultrasonic flowmeter is placed on the outer surface of the pipe wall of the flow path (discharge pipe) to be measured. A sound wave transmitter / receiver is attached, and a pulse of an ultrasonic wave having a predetermined frequency is transmitted from the ultrasonic wave transmitter / receiver in a burst shape. Then, the ultrasonic wave scattered by minute particles such as sand and air bubbles mixed in the drainage flowing through the pipeline is received by the above-mentioned transducer. The received wave contains a signal that has undergone a Doppler shift of a frequency based on the moving speed of the fine particles, that is, the flow velocity of the wastewater. Therefore, the Doppler shift frequency is obtained by frequency analysis, and the flow velocity V can be detected from the following equation (1). V = CΔf / 2f0cosθ (1) Here, C is the speed of sound in the fluid to be measured, f0 is the frequency of the transmitted ultrasonic wave, Δf is the Doppler shift frequency, and θ is the traveling direction of the ultrasonic wave and the flow path wall. Angle.

【0004】この流速Vを流路の径方向にわたって複数
位置で検出する。各検出位置Lは下記の式(2)により
求められる。 L=C・t・sin θ/2 (2) ここに、tは散乱超音波を受信するゲートタイミング時
間である。この信号取り込のゲートタイミングに応じて
検出位置を変えることができる。そしてこのようにゲー
ト時間を変えることにより流路の径方向における流速分
布が得られ、この流速分布を流路断面について積分する
ことにより流量を求めることができる。
The flow velocity V is detected at a plurality of positions in the radial direction of the flow path. Each detection position L is obtained by the following equation (2). L = C · t · sin θ / 2 (2) where t is a gate timing time for receiving scattered ultrasonic waves. The detection position can be changed according to the gate timing of the signal capture. By changing the gate time in this manner, a flow velocity distribution in the radial direction of the flow path can be obtained, and the flow rate can be obtained by integrating the flow velocity distribution with respect to the cross section of the flow path.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のような超音波流
量計については、測定対象の流体とそれが流れる流路の
管壁との音響インピーダンス(媒体の密度に音速を乗じ
た物性値)が大きく異なるため、その境界面で生じる超
音波の反射波やその残響に起因する大きなノイズにより
測定精度が低下してしまうという問題がある。すなわち
流体と管壁の境界面で生じる超音波の反射波やこの反射
波が減衰しにくいために生じる残響波が大きな振幅のノ
イズをもたらす。そしてこのノイズが微小な振幅のドッ
プラ信号に対して信号対ノイズ比率を低下させ、その結
果、測定が実際上不可能な領域を生じ、流量の測定精度
を低下させ、また測定範囲を狭めてしまう。
In such an ultrasonic flowmeter as described above, the acoustic impedance (the physical property value obtained by multiplying the density of the medium by the speed of sound) between the fluid to be measured and the pipe wall of the flow path through which the fluid flows is measured. Since there is a great difference, there is a problem that the measurement accuracy is reduced due to the reflected noise of the ultrasonic wave generated at the boundary surface or the large noise caused by the reverberation. That is, the reflected wave of the ultrasonic wave generated at the interface between the fluid and the pipe wall and the reverberant wave generated because the reflected wave is hardly attenuated cause noise of a large amplitude. And this noise lowers the signal-to-noise ratio for Doppler signals of small amplitude, resulting in regions where measurement is practically impossible, reducing the measurement accuracy of the flow rate and narrowing the measurement range. .

【0006】このような問題について、上記特開平10
−281832号公報には一つの解決方法が示されてい
る。この方法では、ノイズの大きい送受波器取付け管壁
近傍については管壁近傍以外のデータを外挿することで
測定精度を高めたり、広い測定範囲をとれるようにして
いる。この方法はそれなりに有効であるといえる。しか
しそれで得られる改善程度では未だ不十分である。すな
わち大きなノイズは送受波器取付け管壁近傍に集中する
ものの、送受波器取付け管壁の反対側の管壁による反射
や残響によるノイズもかなりの程度でS/N比を低下さ
せる。そのため高精度な測定を広い範囲で行なえるよう
にするには、これら送受波器取付け管壁近傍以外におけ
るノイズいついても対処が必要となる。
Regarding such a problem, Japanese Patent Laid-Open No.
Japanese Patent No. 2881832 discloses one solution. In this method, the measurement accuracy is increased or a wide measurement range can be obtained by extrapolating data other than the vicinity of the tube wall in the vicinity of the tube wall where the transmitter / receiver is noisy. This method can be said to be effective as such. However, the degree of improvement obtained is still insufficient. That is, while large noise concentrates near the tube wall on which the transducer is mounted, noise due to reflection or reverberation by the tube wall on the opposite side of the tube wall on which the transducer is mounted also lowers the S / N ratio to a considerable extent. Therefore, in order to perform high-accuracy measurement over a wide range, it is necessary to take measures against noises other than those near the tube wall where the transducer is mounted.

【0007】ここで、送受波器取付け管壁の近傍におけ
る大きなノイズについては、送受波器を流路管壁の複数
箇所に取り付けることで対処することが考えられる。す
なわち例えば二つの送受波器を流路を挟んで対向するよ
うに設置すれば、それぞれの取付け管壁の近傍について
は対向する送受波器により低ノイズのデータを得ること
ができ、取付け管壁の近傍における大きなノイズの影響
をなくすことができる。しかし例えば既設の雨水排水用
ポンプ設備などの場合には、例えば曲管部分だけである
というように、その流路管が外部に露出している部分が
非常に限られている。そしてその露出している曲管部分
も送受波器を取り付けることのできる位置が限られてお
り、送受波器の対向設置を行なえない場合が多い。つま
り既設の流体機械についてその性能検査などのために行
なう流量測定では、複数の送受波器を用いることでノイ
ズの影響をなくす手法を用いることをできない場合が多
いということである。
Here, it is conceivable to cope with a large noise in the vicinity of the tube wall where the transducer is mounted by mounting the transducer at a plurality of locations on the flow channel wall. That is, for example, if two transducers are installed so as to face each other with the flow path interposed therebetween, low-noise data can be obtained by the facing transducers in the vicinity of the respective mounting pipe walls. The influence of large noise in the vicinity can be eliminated. However, in the case of existing rainwater drainage pumping equipment, for example, only a curved pipe portion has a very limited portion in which the flow pipe is exposed to the outside. Also, the position where the transducer can be attached is limited also in the exposed curved tube portion, and in many cases, the opposed installation of the transducer cannot be performed. In other words, in a flow rate measurement performed for an existing fluid machine for performance inspection or the like, it is often impossible to use a method of eliminating the influence of noise by using a plurality of transducers.

【0008】またドップラ式の超音波流量計におけるノ
イズの低減に関しては、上記特開平5−1929号公報
にフィルタを用いる方法が示され、上記特開平10−2
46660号公報に位相差を用いる方法が示されてい
る。これらの方法はそれなりにノイズの低減を図れるも
のの、十分であるとは言えない。すなわちフィルタで除
去できるノイズの範囲は狭いものであり、反射や残響に
よるノイズの除去にはそれほど有効でない。また位相差
法も除去できるノイズの条件に制約がある。
Regarding the reduction of noise in a Doppler type ultrasonic flowmeter, a method using a filter is disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-1929.
No. 46660 discloses a method using a phase difference. Although these methods can reduce noise as such, they cannot be said to be sufficient. That is, the range of noise that can be removed by the filter is narrow, and is not so effective in removing noise due to reflection or reverberation. In addition, there are restrictions on noise conditions that can be removed by the phase difference method.

【0009】したがって本発明の目的は、測定に伴うノ
イズの影響をより効果的に低減することで、より高い精
度で流路中の流体流量を計測することを可能とする超音
波流量計を提供することにある。また本発明の目的は、
既設の流体機械のように送受波器の取り付けに制限があ
るような条件での測定においも高精度な流量計測を可能
とする超音波流量計を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic flowmeter capable of measuring the fluid flow rate in a flow path with higher accuracy by more effectively reducing the influence of noise accompanying the measurement. Is to do. The object of the present invention is
It is an object of the present invention to provide an ultrasonic flowmeter capable of performing high-accuracy flow measurement even in a measurement under conditions where the mounting of a transducer is limited as in an existing fluid machine.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的のために本発明
では、流体が流れる流路の管壁に取り付けた送信手段あ
るいは超音波送受波手段から放射される超音波が前記流
体中で散乱されて生じる散乱波をゲート時間の制御によ
り複数の測定位置ごとで受信し、この各測定位置ごとの
受信散乱波に生じているドップラ偏移に基づいて前記流
路における径方向での流体の流速分布を求め、この流速
分布から前記流路における流体の流量を求めるようにな
っている超音波流量計において、前記流路管壁による超
音波の反射や残響などに起因するノイズの信号波形を取
り込んでキャンセル用ノイズ信号として記憶する記憶手
段を備えるとともに、流速分布測定のための測定で得ら
れる測定信号と前記記憶手段に記憶されているキャンセ
ル用ノイズ信号との差分をとる演算手段を備えたことを
特徴としている。
According to the present invention, there is provided, in the present invention, an ultrasonic wave radiated from a transmitting means or an ultrasonic wave transmitting / receiving means attached to a pipe wall of a flow path through which a fluid flows, and is scattered in the fluid. The generated scattered waves are received at each of a plurality of measurement positions by controlling the gate time, and the flow velocity distribution of the fluid in the radial direction in the flow path based on the Doppler shift occurring in the received scattered waves at each of the measurement positions In the ultrasonic flowmeter adapted to determine the flow rate of the fluid in the flow path from the flow velocity distribution, captures the signal waveform of noise caused by reflection or reverberation of ultrasonic waves by the flow path pipe wall. With the storage means for storing as a noise signal for cancellation, the noise signal for cancellation stored in the storage means and a measurement signal obtained by measurement for flow velocity distribution measurement It is characterized by comprising a calculating means for calculating the difference.

【0011】また上記目的のために本発明では、流体が
流れる流路の管壁に取り付けた送信手段あるいは超音波
送受波手段から放射される超音波が前記流体中で散乱さ
れて生じる散乱波をゲート時間の制御により複数の測定
位置ごとで受信し、この各測定位置ごとの受信散乱波に
生じているドップラ偏移に基づいて前記流路における径
方向での流体の流速分布を求め、この流速分布から前記
流路における流体の流量を求めるようになっている超音
波流量計において、超音波送受波手段が受信した測定信
号から取り出されたドップラ信号の一周期内で振幅が所
定の大きさ以上である区間の幅を監視する手段を有し、
前記区間の幅が所定の幅よりも狭い場合には、当該区間
を除いた部分について信号を取り込むように前記ゲート
時間の制御がなされるようになっていることを特徴とし
ている。
According to the present invention, for the above purpose, in the present invention, a scattered wave generated by scattering ultrasonic waves radiated from a transmitting means or an ultrasonic wave transmitting / receiving means attached to a pipe wall of a flow path through which a fluid flows is described. The flow is received at a plurality of measurement positions by controlling the gate time, and the flow velocity distribution of the fluid in the radial direction in the flow path is obtained based on the Doppler shift occurring in the received scattered wave at each measurement position. In the ultrasonic flowmeter adapted to obtain the flow rate of the fluid in the flow path from the distribution, the amplitude is equal to or larger than a predetermined value within one cycle of the Doppler signal extracted from the measurement signal received by the ultrasonic wave transmitting / receiving means. Has means for monitoring the width of the section which is
When the width of the section is smaller than a predetermined width, the gate time is controlled so that a signal is taken in a portion excluding the section.

【0012】また上記目的のために本発明では、流体が
流れる流路の管壁に取り付けた送信手段あるいは超音波
送受波手段から放射される超音波が前記流体中で散乱さ
れて生じる散乱波をゲート時間の制御により複数の測定
位置ごとで受信し、この各測定位置ごとの受信散乱波に
生じているドップラ偏移に基づいて前記流路における径
方向での流体の流速分布を求め、この流速分布から前記
流路における流体の流量を求めるようになっている超音
波流量計において、超音波送受波手段が受信した測定信
号から取り出されたドップラ信号における振幅の大きさ
を監視する手段を有し、前記振幅が所定の大きさ以下で
ある部分についてのみ信号を取り込むように前記ゲート
時間の制御がなされるようになっていることを特徴とし
ている。
According to the present invention for the above purpose, according to the present invention, a scattered wave generated when ultrasonic waves radiated from a transmitting means or an ultrasonic wave transmitting / receiving means attached to a pipe wall of a flow path through which a fluid flows are scattered in the fluid. The flow is received at a plurality of measurement positions by controlling the gate time, and the flow velocity distribution of the fluid in the radial direction in the flow path is obtained based on the Doppler shift occurring in the received scattered wave at each measurement position. In an ultrasonic flowmeter adapted to obtain the flow rate of the fluid in the flow path from the distribution, the ultrasonic flowmeter has means for monitoring the magnitude of the amplitude in the Doppler signal extracted from the measurement signal received by the ultrasonic wave transmitting / receiving means. The gate time is controlled so as to take in a signal only in a portion where the amplitude is equal to or smaller than a predetermined value.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1に第1の実施形態による超音
波流量計の構成例を機能ブロック図で示す。図では超音
波送受波器である超音波プローブを1個だけ用いる場合
を示しているが、複数個の超音波プローブを用いる場合
も基本的には同様である。以下では図1の超音波流量計
を例えば既設の雨水排水用ポンプ設備における鋼鉄管や
鋳鉄管で形成された流路1に流れる流体2の流量測定に
用いる場合であり、この流路1における流量を測定する
ことにより、既設の雨水排水用ポンプ設備の能力を検査
する場合を例にとって説明する。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a configuration example of an ultrasonic flowmeter according to a first embodiment. Although the figure shows a case where only one ultrasonic probe, which is an ultrasonic transducer, is used, the same applies to the case where a plurality of ultrasonic probes are used. In the following, a case where the ultrasonic flowmeter of FIG. 1 is used for measuring the flow rate of a fluid 2 flowing through a flow path 1 formed of a steel pipe or a cast iron pipe in an existing rainwater drainage pump facility, for example, The following describes an example in which the capacity of the existing rainwater drainage pump equipment is inspected by measuring the water flow rate.

【0014】超音波パルスの送受を行う超音波プローブ
3は流路の管壁1wに取り付けられる。この超音波プロ
ーブ3には、流量計制御器14の制御の下に送信パルス
発生器5で生成され、それから送信アンプ7で増幅され
た所定の周期、パルス数のバースト波状の電気信号が与
えられる。超音波プローブ3は、この電気信号を超音波
4に変換して流体2中に放射する。流体中に放射される
バースト波状の超音波4の一例を、その生成に用いられ
る電気信号、それに後述するゲート信号との関係ととも
に図2に示す。そのバースト波に含まれるパルス数は例
えば256個であり、このパルス数に応じた回数で各測
定点(各測定位置)における測定が繰り返される。つま
り、流路1にその径方向でN個の測定点を設定したとす
れば、このN個の測定点それぞれごとにパルス数に応じ
た測定が繰り返される。なお図2では一つのパルス中に
超音波を3サイクルで描いてあるが実際には放射する超
音波の周波数に応じたサイクルが含まれることになる。
An ultrasonic probe 3 for transmitting and receiving an ultrasonic pulse is attached to the tube wall 1w of the flow path. The ultrasonic probe 3 is supplied with a burst-wave-shaped electric signal having a predetermined period and a predetermined pulse number generated by the transmission pulse generator 5 under the control of the flow meter controller 14 and then amplified by the transmission amplifier 7. . The ultrasonic probe 3 converts this electric signal into an ultrasonic wave 4 and radiates it into the fluid 2. FIG. 2 shows an example of a burst-wave-like ultrasonic wave 4 radiated into a fluid, together with an electric signal used for its generation and a relationship with a gate signal described later. The number of pulses included in the burst wave is, for example, 256, and the measurement at each measurement point (each measurement position) is repeated the number of times corresponding to the number of pulses. That is, assuming that N measurement points are set in the flow path 1 in the radial direction, the measurement according to the pulse number is repeated for each of the N measurement points. In FIG. 2, one ultrasonic pulse is drawn in three cycles, but actually includes a cycle corresponding to the frequency of the emitted ultrasonic wave.

【0015】放射された超音波4は、流体2に含まれて
いる微小な砂などの散乱性微粒子により散乱される。散
乱超音波は、散乱性微粒子の移動速度つまり流体2の流
速に応じたドップラ偏移を受ける。そしてこのドップラ
偏移を受けた散乱超音波の一部が超音波プローブ3に入
射して電気信号に変換されることで測定信号として受信
される。超音波プローブ3からの出力信号は受信アンプ
7で増幅される。受信アンプ7の出力は、送信パルス発
生器5からのパルス信号(基準信号)とともに周波数偏
移検出手段である平衡変調器8に入力し、そこで混合さ
れた後、ローパスフィルタ9を通過し、これにより超音
波プローブ3の出力信号からドップラ偏移に関する情報
が乗っている低周波の信号、つまりドップラ信号が取り
出される。その信号の位相波形の例を図3に示す。ドッ
プラ信号は、送信超音波のパルス周期に同期した波形が
バースト波に含まれるパルス数に応じた数で連続したも
のとして得られる。図3に見られるように、パルス送信
周期一周期期間の波形のA期間には大きな振幅をもつ波
が発生している。これはパルスドップラ法による流量測
定に伴う管壁と流路との境界面における反射波やその残
響波などに起因するノイズ等によるものである。ノイズ
は、測定対象の流路の管壁の材質や構造も含めた測定系
の条件に応じて固定的に生じるものであり、ほぼ一定の
波形を示し、超音波プローブ3が取り付けられている管
壁1wの近傍において特に大きくなる。そのためA部に
大きな振幅の波を発生させる。ドップラ信号はこの大き
な振幅のノイズ信号に重畳されている。したがってこれ
をそのまま処理しようとすると、後段のサンプリングホ
ールド回路16などで振幅が飽和してしまうなどの問題
から、求めるドップラ信号を得られなくなってしまう場
合がある。
The radiated ultrasonic waves 4 are scattered by scattering fine particles such as fine sand contained in the fluid 2. The scattered ultrasonic waves undergo Doppler shift corresponding to the moving speed of the scattering fine particles, that is, the flow velocity of the fluid 2. Then, a part of the scattered ultrasonic wave which has undergone the Doppler shift enters the ultrasonic probe 3 and is converted into an electric signal, and is received as a measurement signal. The output signal from the ultrasonic probe 3 is amplified by the receiving amplifier 7. The output of the receiving amplifier 7 is input to a balanced modulator 8 serving as frequency shift detecting means together with a pulse signal (reference signal) from the transmission pulse generator 5 and mixed there, and then passes through a low-pass filter 9. Accordingly, a low-frequency signal on which information on the Doppler shift is superimposed, that is, a Doppler signal, is extracted from the output signal of the ultrasonic probe 3. FIG. 3 shows an example of the phase waveform of the signal. The Doppler signal is obtained as a waveform in which the waveform synchronized with the pulse period of the transmission ultrasonic wave is continuous with a number corresponding to the number of pulses included in the burst wave. As shown in FIG. 3, a wave having a large amplitude is generated in the period A of the waveform of one cycle of the pulse transmission cycle. This is due to noise or the like caused by a reflected wave or a reverberation wave at the boundary surface between the pipe wall and the flow path due to the flow measurement by the pulse Doppler method. The noise is fixedly generated in accordance with the conditions of the measurement system including the material and structure of the tube wall of the flow path to be measured, has a substantially constant waveform, and has a substantially uniform waveform. It becomes particularly large near the wall 1w. Therefore, a wave having a large amplitude is generated in the portion A. The Doppler signal is superimposed on this large amplitude noise signal. Therefore, if this is to be processed as it is, the desired Doppler signal may not be obtained due to the problem that the amplitude is saturated in the sampling and holding circuit 16 at the subsequent stage.

【0016】ここで、ドップラ偏移成分の取得方法につ
いて図5と図6を参照して説明すると以下の通りであ
る。図5は、図3と同様な図であるが、図3の場合より
も多くの周期を示してある。図6は、図5における、
、・・・等の各周期(受信信号の周期)について一
定のゲートタイミング(ゲート位置)でゲート時間TG
にて取り込んだ信号の各周期ごとの時間的変化として表
示し直したものである。図に見られるように、各周期
(図中に1、2、3、4、5の数字で示してある)にお
いては、ドップラ偏移による位相変化を電圧で表したも
のであるドップラ信号位相電圧DSが変化しており、こ
の変化の周波数が求めるドップラ偏移周波数である。す
なわちドップラ偏移成分は、各周期(受信信号の周期)
におけるゲートタイミング時の受信信号の振幅が測定位
置における流体の流速(散乱微粒子の移動速度)に応じ
た周期で変動することに基づいて得られるものであり、
その変動する振幅の周期間の差として得られるものであ
る。
Here, the method of obtaining the Doppler shift component will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is similar to FIG. 3, but shows more periods than in FIG. FIG. 6 is a diagram of FIG.
,... And the like (the period of the received signal) at a constant gate timing (gate position) at a gate time T G
Are displayed again as a temporal change in each cycle of the signal taken in. As shown in the figure, in each cycle (indicated by numerals 1, 2, 3, 4, and 5 in the figure), a Doppler signal phase voltage which represents a phase change due to Doppler shift in voltage. DS has changed, and the frequency of this change is the Doppler shift frequency to be obtained. That is, the Doppler shift component is calculated at each cycle (the cycle of the received signal).
Is obtained based on the fact that the amplitude of the reception signal at the time of the gate timing fluctuates in a cycle corresponding to the flow velocity of the fluid at the measurement position (the moving velocity of the scattering fine particles),
It is obtained as the difference between the periods of the varying amplitude.

【0017】次ぎに、本発明の理解の参考までに、図1
2に示す従来の超音波流量計におけるドップラ信号の処
理について説明する。ローパスフィルタ9から出力され
たドップラ信号は、ゲート回路15において位置に関す
る抽出を受ける。つまり送信パルス発生器5からの信号
で制御されるゲート回路15によりゲートタイミングを
設定することで特定の測定点についてのドップラ信号を
取り込む。これにより生成された特定位置ドップラ信号
は、抽出電圧保持用のサンプリングホールド回路16を
経ることで当該測定点についての連続波に成形される。
つまり上記のように一つのバースト波が256パルスで
形成されているとすると、一つの測定点について256
回の信号取り込みがあることになり、この256個の信
号が当該測定点についての連続波に成形される。
Next, FIG. 1 is used for reference for understanding the present invention.
The processing of the Doppler signal in the conventional ultrasonic flowmeter shown in FIG. 2 will be described. The Doppler signal output from the low-pass filter 9 is subjected to position extraction in the gate circuit 15. In other words, the gate timing is set by the gate circuit 15 controlled by the signal from the transmission pulse generator 5, and the Doppler signal at a specific measurement point is captured. The specific position Doppler signal thus generated is formed into a continuous wave at the measurement point by passing through the sampling and holding circuit 16 for holding the extracted voltage.
That is, assuming that one burst wave is formed by 256 pulses as described above, one measurement point has 256 pulses.
There will be signal acquisitions twice, and these 256 signals are shaped into a continuous wave for the measurement point.

【0018】サンプリングホールド回路16で連続波化
された特定位置ドップラ信号は、フィルタ17を経て周
波数分析器17に入力する。例えばスペクトルアナライ
ザやFFT(Fast Fourier Trasform)などが用いられる
周波数分析器17は、特定位置ドップラ信号からその測
定点におけるドップラ偏移周波数を求める。そしてこの
ドップラ偏移周波数から上記式(1)により、当該測定
点における流速が流速・流量計算機19にて算出され
る。測定位置はゲートタイミングを変えることにより順
次移動させることができ、これにより流路内における流
速分布が求まるので、この流速分布を用いて、流速・流
量計算機19が流量を算出する。
The specific position Doppler signal converted into a continuous wave by the sampling and holding circuit 16 is input to a frequency analyzer 17 via a filter 17. For example, the frequency analyzer 17 using a spectrum analyzer, FFT (Fast Fourier Trasform), or the like obtains a Doppler shift frequency at a measurement point from a specific position Doppler signal. Then, the flow velocity at the measurement point is calculated by the flow velocity / flow rate calculator 19 from the Doppler shift frequency according to the above equation (1). The measurement position can be sequentially moved by changing the gate timing, whereby the flow velocity distribution in the flow path is obtained. The flow velocity / flow rate calculator 19 calculates the flow rate using this flow velocity distribution.

【0019】上記のように受信信号には大きな振幅のノ
イズ信号が重なっている。そのため以上のような従来の
超音波流量計における信号処理では、このノイズに影響
されて目的とするドップラ信号を取り出すことができな
い場合がある。具体的には図3のA部におけるようにノ
イズの振幅が特に大きい部分ではドップラ信号を取り出
すことが実際的に不可能である。本発明ではこの問題を
解決するために、ノイズの波形を別個に取り込んでお
き、測定信号の処理に際してこのノイズ波形を測定信号
波形から差し引くことにより、測定信号からノイズ成分
を除去するようにしている。このような処理を可能とす
るのは、上記のようにノイズが測定系の条件に応じた固
定的なものであることによる。つまりノイズの波形が固
定的なものであることから、別個に取り込んで保持して
おいたノイズ波形と各ゲートタイミングごとの測定信号
波形との差分をとることにより、ノイズ成分が除去され
たドップラ信号を得ることが可能である。
As described above, a large amplitude noise signal overlaps with the received signal. Therefore, in the above-described signal processing in the conventional ultrasonic flowmeter, there is a case where a target Doppler signal cannot be extracted due to the influence of the noise. Specifically, it is practically impossible to extract a Doppler signal in a portion where the amplitude of noise is particularly large as in the portion A in FIG. In the present invention, in order to solve this problem, a noise waveform is separately taken in, and the noise component is removed from the measurement signal by subtracting the noise waveform from the measurement signal waveform when processing the measurement signal. . Such processing is possible because the noise is fixed according to the conditions of the measurement system as described above. In other words, since the noise waveform is fixed, the Doppler signal from which the noise component has been removed is obtained by taking the difference between the noise waveform separately captured and held and the measurement signal waveform at each gate timing. It is possible to obtain

【0020】ノイズ波形の取り込みは、流量測定に先立
って行なうのが通常であるが、例えば既設の流体機械の
性能検査などのために行なう流量測定のようにリアルタ
イム性を必要としない場合には、流量測定のための測定
信号を取り込んだ後に行なうことも可能である。またノ
イズ波形の取り込みは、流路に流体が流れていない状態
でも行なえるし、流路に流体が流れている状態でも行な
える。流路に流体が流れている状態でもノイズキャンセ
ル用のノイズ波形の取り込みを可能とする理由は、上記
したようなドップラ偏移成分の取得方法に基づいてい
る。すなわちドップラ偏移成分は、一つの測定点におい
て所定回数繰り返される各測定ごとに異なる振幅値の差
として得られるものであり、したがって上記の説明で用
いた例であれば、例えばの周期における測定信号を基
準信号として記憶しておき、他の、、・・・の各
信号からこれを差し引くことにより、ノイズ成分をキャ
ンセルしてなおドップラ偏移成分はそのまま得ることが
できる。
The acquisition of the noise waveform is usually performed prior to the flow rate measurement. However, for example, when the flow rate measurement performed for the performance inspection of the existing fluid machine does not require the real-time property, It is also possible to perform the measurement after acquiring a measurement signal for measuring the flow rate. The noise waveform can be captured even when the fluid is not flowing through the flow path, or can be captured even when the fluid is flowing through the flow path. The reason why the noise waveform for noise cancellation can be captured even in the state where the fluid is flowing in the flow path is based on the above-described method of acquiring the Doppler shift component. That is, the Doppler shift component is obtained as a difference between amplitude values that are different for each measurement that is repeated a predetermined number of times at one measurement point. Therefore, in the example used in the above description, the measurement signal in a cycle of, for example, Is stored as a reference signal, and by subtracting this from each of the other signals,..., The noise component can be canceled and the Doppler shift component can be obtained as it is.

【0021】以下では流量測定に先立って流路に流体が
流れていない状態でノイズ波形の取り込みを行なう場合
を例にとって本実施形態の超音波流量計(図1)におけ
る信号処理について説明する。まず流路1に水が流れて
いない状態で、流量計制御器14からの指令で一周期分
の超音波パルスを流路1に放射する。放射された超音波
パルスは、流路1の管壁1wでの反射やその反射波の繰
り返しによる残響波を生じ、これらが主な原因となって
ノイズ波を発生させる。このノイズ波は超音波プローブ
3に入射してノイズ信号として受信される。ノイズ信号
は、上記における測定信号と同様に、受信アンプ7、平
衡変調器8およびローパスフィルター9を経ることで、
測定信号に対し、それに含まれるノイズ信号をキャンセ
ルことを可能とする低周波信号(キャンセル用ノイズ信
号)となって出力される。キャンセル用ノイズ信号は、
アナログ信号を入力してディジタル信号を出力するA/
D変換器11にてアナログ信号からディジタル信号に変
換された後、半導体記憶素子例えばRAMなどが用いら
れる記憶回路11にその波形を記憶される。
Hereinafter, the signal processing in the ultrasonic flowmeter (FIG. 1) of the present embodiment will be described by taking as an example the case where a noise waveform is taken in a state where no fluid is flowing in the flow path before the flow rate measurement. First, in a state where water is not flowing through the flow channel 1, an ultrasonic pulse for one cycle is emitted to the flow channel 1 in accordance with a command from the flow meter controller 14. The emitted ultrasonic pulse generates a reverberation wave due to reflection on the tube wall 1w of the flow path 1 and repetition of the reflected wave, and these mainly generate a noise wave. This noise wave enters the ultrasonic probe 3 and is received as a noise signal. The noise signal passes through the receiving amplifier 7, the balanced modulator 8, and the low-pass filter 9 similarly to the measurement signal described above,
The measurement signal is output as a low-frequency signal (cancellation noise signal) capable of canceling a noise signal included in the measurement signal. The noise signal for cancellation is
A / which inputs analog signals and outputs digital signals
After being converted from an analog signal to a digital signal by the D converter 11, the waveform is stored in the storage circuit 11 using a semiconductor storage element such as a RAM.

【0022】このようにしてノイズ波形の取り込みが終
了したら、その後は上記したようにして流量測定用のバ
ースト波の放射とそれが流体により散乱された散乱波の
受信がなされ、これに応じてローパスフィルター9から
はノイズ信号が重畳されたドップラ信号が出力される。
本発明の場合にはこのドップラ信号は、演算手段である
減算器13に入力し、記憶回路11から取り出されてデ
ィジタル信号を入力してアナログ信号を出力するD/A
変換器12にてディジタル信号からアナログ信号に変換
された後に同じく減算器13に入力するノイズ信号との
間で差分を取られ、これによりノイズが除去された信号
となる。このようにして図3の信号からノイズが除去さ
れて得られる信号の例を図4に示す。図に見られるよう
にノイズ除去がなされた信号は微少なドップラ信号を効
果的に取り出すのに十分な波形となっている。ノイズ除
去がなされた以降の信号処理は上で説明した従来の超音
波流量計におけるとれと同様である。
When the acquisition of the noise waveform is completed in this manner, the emission of the burst wave for flow measurement and the reception of the scattered wave scattered by the fluid are performed as described above, and the low-pass is accordingly performed. The filter 9 outputs a Doppler signal on which a noise signal is superimposed.
In the case of the present invention, this Doppler signal is inputted to a subtractor 13 which is an arithmetic means, taken out of a storage circuit 11, inputted with a digital signal, and outputted as an analog signal.
After being converted from a digital signal to an analog signal by the converter 12, a difference between the digital signal and the noise signal input to the subtractor 13 is obtained, whereby the noise is removed. FIG. 4 shows an example of a signal obtained by removing noise from the signal of FIG. 3 in this way. As shown in the figure, the signal from which noise has been removed has a waveform sufficient to effectively extract a minute Doppler signal. The signal processing after the noise is removed is the same as that in the conventional ultrasonic flowmeter described above.

【0023】ここで、以上の説明ではノイズ波形の取り
込みを一周期の全体について行なうことを前提にしてい
たが、ノイズ信号の振幅が一定以上に大きい部分、具体
的には図3のA部についてのみノイズ波形を取り込むよ
うにしてもよい。すなわちノイズの影響が大きい部分に
ついてだけノイズのキャンセルを行なうようにするもの
である。このようにすることで、記憶回路11の容量を
節約することができる。また上記のように各測定位置ご
とに測定を繰り返す場合には、各測定位置の近傍におけ
るノイズ波形だけを取り込み、この部分ノイズ波形で各
測定位置ごとにノイズのキャンセルを行なうようにする
方式も可能であり、この方式によっても記憶回路11の
容量を節約することができる。さらにノイズ波形の取り
込みに関しては、それを複数回行なう、つまり複数の周
期(複数のパルス)についてノイズ信号を取り込み、そ
の複数のノイズ信号から平均値として得られるノイズ信
号をキャンセル用ノイズ信号として記憶するようにする
ことも好ましい形態である。このようにすることで、よ
り効果的にノイズの低減を行なえるようになる。すなわ
ち一つの周期だけで取り込んだ場合であると、その周期
に特異的なノイズがある場合にはこの特異的なノイズに
より、ノイズキャンセルを効果的に行なえなくなってし
まう可能性があるが、平均値をとることにより、このよ
うな問題を避けることができる。
In the above description, it is assumed that the noise waveform is fetched for the entire period. However, the portion where the amplitude of the noise signal is larger than a certain value, specifically, the portion A in FIG. Only a noise waveform may be fetched. That is, noise cancellation is performed only for a portion where the influence of noise is large. By doing so, the capacity of the storage circuit 11 can be saved. When the measurement is repeated at each measurement position as described above, it is also possible to take in only the noise waveform near each measurement position and cancel the noise at each measurement position with this partial noise waveform. The capacity of the storage circuit 11 can also be saved by this method. Further, the noise waveform is acquired a plurality of times, that is, a noise signal is acquired for a plurality of cycles (a plurality of pulses), and a noise signal obtained as an average value from the plurality of noise signals is stored as a noise signal for cancellation. This is also a preferred mode. By doing so, noise can be more effectively reduced. In other words, if the noise is captured only in one cycle, if there is specific noise in that cycle, this specific noise may make it impossible to effectively perform noise cancellation. By taking the above, such a problem can be avoided.

【0024】以上のようにしてノイズをキャンセルする
ことで目的のドップラ信号をより効果的に取り出すこと
ができるようになるが、以下のような処理をこれに付加
することもできる。図7に示すのは図3と同様なローパ
スフィルター9からの出力信号の波形であるが、大きな
振幅のノイズが重畳している区間Aが超音波プローブ3
を取り付けた管壁1wの近傍の狭い範囲に限られる場合
である。このようなことは管壁1wの材質や厚みなどの
条件によりままあることである。このような場合には、
パルス送信周期の全域を測定するのではなく、反射や残
響ノイズが小なるBの区間のみ測定する。信号の取り込
み範囲を区間Bに制限する制御は、流量計制御器14が
行なう。つまり区間Aの幅を流量計制御器14で監視
し、それが一定以下であった場合には区間Bについての
み信号を取り込むようにする。
By canceling the noise as described above, the target Doppler signal can be more effectively extracted, but the following processing can be added to this. FIG. 7 shows the waveform of the output signal from the low-pass filter 9 similar to that of FIG.
Is limited to a narrow range in the vicinity of the tube wall 1w to which is attached. This is due to conditions such as the material and thickness of the tube wall 1w. In such a case,
Rather than measuring the entire area of the pulse transmission cycle, only the section B where reflection and reverberation noise are small is measured. The flow meter controller 14 performs control to limit the signal capture range to the section B. That is, the width of the section A is monitored by the flow meter controller 14, and if it is less than a certain value, a signal is taken in only the section B.

【0025】このように信号の取り込み範囲(取り込み
位置)を制限した場合には、信号の取り込みがなされな
かった区間Aの処理の仕方として以下の二つの方法があ
る。一つは、区間Bの信号に基づいて区間Aを外挿する
方法である。その例は特開平10−281832号公報
に示されている。他の方法は、超音波プローブを対にし
て用いる方法である。すなわち流路を挟んで対向する位
置のそれぞれに超音波プローブを取り付け、一方の超音
波プローブでは信号の取り込みをなさなかった区間にい
つては他方の超音波プローブで取り込むようにする。こ
のような方法は測定対象の流体機械が超音波プローブの
対使用を許す条件の場合にだけ用いることができるもの
であり、例えば既設の雨水排水ポンプ設備などでは流水
管が曲管部分などでほんの一部を外部に露出させている
場合が多く、このような条件では超音波プローブの対使
用は一般に困難である。
When the signal capture range (capture position) is limited as described above, there are the following two methods for processing the section A in which no signal is captured. One is a method of extrapolating the section A based on the signal in the section B. An example thereof is disclosed in JP-A-10-281832. Another method is to use ultrasonic probes in pairs. That is, an ultrasonic probe is attached to each of the positions facing each other across the flow path, and a signal is not taken in by one of the ultrasonic probes, and the signal is taken in by the other ultrasonic probe. Such a method can be used only when the condition of the fluid machine to be measured permits the use of the ultrasonic probe.For example, in an existing rainwater drainage pump facility, the flowing water pipe is only a curved pipe part. In many cases, a part of the ultrasonic probe is exposed to the outside. Under such conditions, it is generally difficult to use the ultrasonic probe in pairs.

【0026】このように区間Aの幅が一定以下である条
件で信号の取り込み区間を制限する方法は、実際の信号
を得ることができない区間を一定以下に抑えることがで
き、それだけ測定精度を高めることができる。したがっ
てこのような信号取り込み区間制限方式を上記ノイズキ
ャンセル法に適宜組み合わせることで、より高精度な流
量測定が可能となる。ただ条件によっては、ノイズキャ
ンセル法を用いずに信号取り込み区間制限方式だけを用
いても必要な精度で流量測定を行なえる場合もあり、そ
のような場合には信号取り込み区間制限方式だけで測定
を行なうようにしてもよい。以上のような区間制限方式
を用いる否かを決める区間Aの幅の程度は、必要な測定
精度などの条件を考慮して適宜に選択することになる。
As described above, the method of limiting the signal capturing section under the condition that the width of the section A is equal to or less than a certain value can suppress the section in which an actual signal cannot be obtained to a certain value or less, thereby increasing the measurement accuracy. be able to. Therefore, by appropriately combining such a signal capturing section restriction method with the above-described noise canceling method, more accurate flow rate measurement becomes possible. However, depending on the conditions, there are cases where the flow rate measurement can be performed with the required accuracy by using only the signal acquisition section limitation method without using the noise cancellation method.In such a case, measurement can be performed using only the signal acquisition section limitation method. It may be performed. The width of the section A that determines whether or not to use the section restriction method as described above is appropriately selected in consideration of conditions such as required measurement accuracy.

【0027】以上のような信号の取り込み区間を制限す
る考え方は他の形態で用いることもできる。例えば図8
に示すような位相波形の測定信号が得られる場合には、
全体としてノイズ信号にドップラ信号が埋没している。
しかしノイズ信号の振幅が小さい部分においてはドップ
ラ信号を効果的に取り出すことが可能である。そこで、
ノイズ信号の振幅が一定以下である微小区間(時間)P
1、P2、P3・・Piを抽出し、その区間付近にのみ
ゲート位置を設定して信号を取り込むようにする。これ
らの制御は、図1の構成例であれば、流量計制御器14
が行なうことになる。この場合にも必要な測定精度など
の条件を考慮して、振幅のレベルを適宜に選択すること
になる。
The above-described concept of restricting the signal capturing section can be used in other forms. For example, FIG.
When the measurement signal of the phase waveform as shown in is obtained,
The Doppler signal is buried in the noise signal as a whole.
However, it is possible to effectively extract a Doppler signal from a portion where the amplitude of the noise signal is small. Therefore,
A minute section (time) P in which the amplitude of the noise signal is equal to or less than a certain value
1, P2, P3,... Pi are extracted, and a gate position is set only in the vicinity of the section to take in signals. These controls are performed by the flow meter controller 14 in the configuration example of FIG.
Will do. In this case as well, the level of the amplitude is appropriately selected in consideration of the necessary conditions such as the measurement accuracy.

【0028】図9に第2の実施形態による超音波流量計
の構成例を機能ブロック図で示す。本実施形態による超
音波流量計は流路中に逆流部分を生じている場合でも流
量の測定を高精度で行なえるようにしたタイプである。
例えば既設の雨水排水用ポンプ設備の能力を検査するな
どの場合には、ポンプ設備の流路配管がその曲管の部分
だけで露出しているだけであり、この曲管部分で流量測
定を行なわざるを得ないような場合がある。そして曲管
部分においては流速の不均一性が大きくなり、負の流速
つまり逆流も生じる場合がある。そのためこの逆流の流
速も測定することができないと高精度な流量測定を行な
えなくなる。本実施形態による超音波流量計はこのよう
な要求にも応えることができる。
FIG. 9 is a functional block diagram showing an example of the configuration of an ultrasonic flowmeter according to the second embodiment. The ultrasonic flowmeter according to the present embodiment is of a type capable of measuring the flow rate with high accuracy even when a backflow portion is generated in the flow path.
For example, when inspecting the capacity of an existing rainwater drainage pump facility, the flow pipe of the pump facility is only exposed at the curved pipe portion, and the flow rate measurement is performed at this curved pipe portion. There are cases where it is inevitable. In the curved pipe portion, the non-uniformity of the flow velocity becomes large, and a negative flow velocity, that is, a reverse flow may also occur. Therefore, if the flow velocity of the backflow cannot be measured, high-precision flow measurement cannot be performed. The ultrasonic flowmeter according to the present embodiment can meet such a demand.

【0029】そのために本実施形態による超音波流量計
では、受信アンプ7から周波数分析器18まで至る信号
処理回路が実部用と虚部用として2系統で設けられてい
る。2系統の各信号処理回路は、それぞれ実部ドップラ
信号と虚部ドップラ信号を検出する。そして周波数分析
器18は、実部信号と虚部信号とによる複素信号を入力
として周波数分析を行い、これにより正流と逆流の識別
分析を可能としている。
Therefore, in the ultrasonic flowmeter according to the present embodiment, two signal processing circuits from the receiving amplifier 7 to the frequency analyzer 18 are provided for the real part and the imaginary part. Each of the two signal processing circuits detects a real part Doppler signal and an imaginary part Doppler signal. Then, the frequency analyzer 18 performs frequency analysis with a complex signal of the real part signal and the imaginary part signal as input, thereby enabling discrimination analysis of a normal flow and a reverse flow.

【0030】以下、本実施形態における信号処理につい
て説明する。流量計制御器14からの送信パルス制御信
号26により送信パルス発生器5では、送信パルス信号
22を生成して出力するとともに、2系統の信号処理回
路における各平衡変調器8に出力する変調信号23、2
4を生成する。送信アンプ6は、送信パルス信号22を
増幅して超音波プローブ送・受信信号20として出力す
る。超音波プローブ3は、超音波プローブ送・受信信号
20に対応した超音波を流路1中に放射する。この放射
された超音波が流路1を流れる流体2中で散乱されて発
生する散乱波の一部が超音波プローブ3に入射して電気
信号に変換されることで測定信号として受信される。超
音波プローブ3からの出力信号は受信アンプ7で増幅さ
れ、受信アンプ出力信号21となる。受信アンプ出力信
号21は各平衡変調器8に被変調信号として入力され
る。各平衡変調器8は、被変調信号21を変調信号2
3、24により変調し、実部変調出力27ないし虚部変
調出力28を出力する。ここで変調信号23、24は、
繰返し周波数が送信パルスの繰返し周波数と同じで、そ
れぞれの位相が90度異なった信号である。
Hereinafter, signal processing in the present embodiment will be described. The transmission pulse generator 5 generates and outputs a transmission pulse signal 22 in response to a transmission pulse control signal 26 from the flow meter controller 14, and modulates a signal 23 to be output to each balanced modulator 8 in the two signal processing circuits. , 2
4 is generated. The transmission amplifier 6 amplifies the transmission pulse signal 22 and outputs it as an ultrasonic probe transmission / reception signal 20. The ultrasonic probe 3 emits an ultrasonic wave corresponding to the ultrasonic probe transmission / reception signal 20 into the flow path 1. A part of the scattered wave generated by the radiated ultrasonic wave being scattered in the fluid 2 flowing through the flow path 1 enters the ultrasonic probe 3 and is converted into an electric signal, and is received as a measurement signal. The output signal from the ultrasonic probe 3 is amplified by the receiving amplifier 7 and becomes a receiving amplifier output signal 21. The reception amplifier output signal 21 is input to each balanced modulator 8 as a modulated signal. Each balanced modulator 8 converts the modulated signal 21 into the modulated signal 2
The signals are modulated by the signals 3 and 24, and a real part modulation output 27 to an imaginary part modulation output 28 are output. Here, the modulation signals 23 and 24 are
The repetition frequency is the same as the repetition frequency of the transmission pulse, and the phase of each signal is different by 90 degrees.

【0031】各ローパスフイルタ9は、実部変調出力2
7と虚部変調出力28のそれぞれから低域成分のみを通
過させ、実部ローパスフイルタ出力信号29ないし虚部
ローパスフイルタ出力信号30を出力する。これらの実
部ローパスフイルタ出力信号29と虚部ローパスフイル
タ出力信号30はそれぞれの系統の記憶回路(差分処理
回路)25に、流量計制御器14からの記憶回路制御信
号31ないし32とともに入力する。各差分処理回路2
5は、上述したようにして予め取り込んであるノイズ信
号の波形を記憶しており、このノイズ信号とローパスフ
イルタ出力信号29ないし30との差分をとることによ
り、実部差分出力信号33ないし虚部差分出力信号34
を出力する。各ゲート回路15は、実部差分出力信号3
3ないし虚部差分出力信号34とゲート信号31ないし
32を入力とし、上述したような位置に関する抽出を行
ない、実部ゲート出力信号37ないし虚部ゲート出力信
号38を出力する。各サンプリングホールド回路16
は、実部ゲート出力信号37ないし虚部ゲート出力信号
38と流量計制御器14からのサンプリング信号41な
いし42を入力とし、実部サンプリングホールド出力信
号39ないし虚部サンプリングホールド出力信号40を
出力する。各フイルタ回路17は、実部サンプリングホ
ールド出力信号39ないし虚部サンプリングホールド出
力信号40を入力とし、実部フイルタ出力信号43ない
し虚部フイルタ出力信号44を出力する。この実部フイ
ルタ出力信号43と虚部フイルタ出力信号44は何れも
周波数分析器18に入力する。周波数分析器18は、こ
れら実部フイルタ出力信号43と虚部フイルタ出力信号
44に対して周波数分析を行い、周波数分析出力信号4
5を出力する。そして流速・流量計算機19がこの周波
数分析出力信号45から流速と流量を算出する。算出結
果は、図外のディスプレイなどに表示するのが通常であ
る。
Each low-pass filter 9 outputs the real-part modulated output 2
7 and the imaginary part modulation output 28, only low-frequency components are passed, and a real part low-pass filter output signal 29 to an imaginary part low-pass filter output signal 30 are output. The real part low-pass filter output signal 29 and the imaginary part low-pass filter output signal 30 are input to storage circuits (difference processing circuits) 25 of respective systems together with storage circuit control signals 31 to 32 from the flow meter controller 14. Each difference processing circuit 2
Numeral 5 stores the waveform of the noise signal previously acquired as described above, and calculates the difference between the noise signal and the low-pass filter output signals 29 to 30 to obtain the real part difference output signal 33 or the imaginary part. Difference output signal 34
Is output. Each gate circuit 15 outputs the real part difference output signal 3
With the 3 to imaginary part difference output signal 34 and the gate signals 31 to 32 as inputs, the above-described position extraction is performed, and the real part gate output signal 37 to the imaginary part gate output signal 38 are output. Each sampling hold circuit 16
Receives the real part gate output signal 37 to the imaginary part gate output signal 38 and the sampling signals 41 to 42 from the flow meter controller 14, and outputs the real part sampling hold output signal 39 to the imaginary part sampling hold output signal 40. . Each of the filter circuits 17 receives the real part sampling hold output signal 39 to the imaginary part sampling hold output signal 40 and outputs the real part filter output signal 43 to the imaginary part filter output signal 44. Both the real part filter output signal 43 and the imaginary part filter output signal 44 are input to the frequency analyzer 18. The frequency analyzer 18 performs a frequency analysis on the real part filter output signal 43 and the imaginary part filter output signal 44, and outputs the frequency analysis output signal 4
5 is output. Then, the flow velocity / flow rate calculator 19 calculates the flow velocity and the flow rate from the frequency analysis output signal 45. Normally, the calculation result is displayed on a display or the like (not shown).

【0032】図10に図9の記憶回路25の具体的な構
成例を示す。第一の低域濾波器46は、ローパスフイル
タ出力(29、30)を入力とし、アナログディジタル
変換回路48の標本化周波数及び差分処理成分の帯域に
より決定される成分を通過するように設定された遮断周
波数以下の成分のみを通過させ、第一の低域濾波出力信
号58を出力する。サンプリングホールド回路47は、
第一の低域濾波出力信号58と記憶制御回路53からの
サンプリングホールド信号54を入力とし、サンプリン
グホールド出力59を出力する。アナログディジタル変
換回路48は、サンプリングホールド出力59と記憶制
御回路53からのアナログディジタル変換制御信号55
を入力とし、アナログディジタル変換出力信号60を出
力する。ここでアナログディジタル変換回路48のサン
プリング周期及び量子化ビット数は、上記のようなノイ
ズを低減するために効果のある周波数帯域及びダイナミ
ックレンジが得られる値に設定する。またサンプリング
周期は送信パルスの繰返し周期(t)及び送信周期(T
s)と同期が取れる値に設定する。
FIG. 10 shows a specific configuration example of the storage circuit 25 of FIG. The first low-pass filter 46 receives the low-pass filter output (29, 30) as an input, and is set to pass a component determined by the sampling frequency of the analog-to-digital conversion circuit 48 and the band of the difference processing component. Only the components below the cutoff frequency are passed, and a first low-pass filtered output signal 58 is output. The sampling hold circuit 47
It receives a first low-pass filtered output signal 58 and the sampling and holding signal 54 from the storage control circuit 53 and outputs a sampling and holding output 59. The analog-to-digital converter 48 includes a sampling hold output 59 and an analog-to-digital conversion control signal 55 from the storage controller 53.
And an analog-to-digital conversion output signal 60 is output. Here, the sampling period and the number of quantization bits of the analog-to-digital conversion circuit 48 are set to values that provide a frequency band and a dynamic range effective for reducing noise as described above. The sampling period is the repetition period (t) of the transmission pulse and the transmission period (T
Set to a value that can be synchronized with s).

【0033】記憶素子49は、アナログディジタル変換
出力信号60と記憶制御回路53からの記憶素子制御信
号56を入力とし、アナログディジタル変換出力信号6
0の予め定められた期間分の信号をキャンセル用ノイズ
信号として記憶する。記憶した信号は必要時に記憶素子
制御信号56により記憶出力信号61として出力され
る。ラッチ回路50は、記憶素子出力信号61のタイミ
ングを揃えるためのもので、記憶出力信号61とラッチ
制御信号57を入力とし、ラッチ出力信号62を出力す
る。ディジタルアナログ変換回路51は、ラッチ出力信
号62を入力とし、ディジタルアナログ変換出力信号6
3を出力する。第2の低域濾波器52は、ディジタルア
ナログ変換出力信号63を入力とし、第2の低域濾波器
出力信号64を出力する。ここで第2の低域濾波器52
の遮断周波数としては例えば第1の低域濾波器46の遮
断周波数と同じ値に設定する。演算手段である差分回路
66は、第2の低域濾波器出力信号64とローパスフイ
ルタ出力(29、30)を入力とし、両入力信号の差信
号である差分出力信号34を出力する。ここで差分回路
66は、低減すべきノイズ成分をできるだけ除去できる
ように両信号の振幅または利得などにより設定する。記
憶制御回路回路53は、流量計制御器14から出力され
る記憶タイモング制御信号、差分タイミング制御信号及
び記憶素子記録・読み出し制御用クロック信号からなる
記憶回路制御信号群32を入力とし、上記の制御信号5
4、55、56及び57を生成し出力する。以上のよう
に本実施形態では、記憶素子49の構成要素として、半
導体メモリなどのディジタルメモリを用いた回路構成と
していたが、これに代えてアナログメモリを用いても同
様の処理が可能である。その場合にはアナログディジタ
ル変換器48やディジタルアナログ変換機51及び関連
回路が不要となるなどの利点がある。
The storage element 49 receives the analog-to-digital conversion output signal 60 and the storage element control signal 56 from the storage control circuit 53 as inputs, and outputs the analog-to-digital conversion output signal 6.
A signal for a predetermined period of 0 is stored as a noise signal for cancellation. The stored signal is output as the storage output signal 61 by the storage element control signal 56 when necessary. The latch circuit 50 is for aligning the timing of the storage element output signal 61, receives the storage output signal 61 and the latch control signal 57, and outputs a latch output signal 62. The digital-to-analog conversion circuit 51 receives the latch output signal 62 as an input,
3 is output. The second low-pass filter 52 receives the digital-to-analog conversion output signal 63 as an input, and outputs a second low-pass filter output signal 64. Here, the second low-pass filter 52
Is set to the same value as the cutoff frequency of the first low-pass filter 46, for example. The difference circuit 66, which is a calculating means, receives the second low-pass filter output signal 64 and the low-pass filter outputs (29, 30) as inputs and outputs a difference output signal 34 which is a difference signal between the two input signals. Here, the difference circuit 66 is set by the amplitude or the gain of both signals so that the noise component to be reduced can be removed as much as possible. The storage control circuit 53 receives the storage circuit control signal group 32 including the storage timing control signal, the difference timing control signal, and the storage element recording / reading control clock signal output from the flow meter controller 14, and performs the above-described control. Signal 5
4, 55, 56 and 57 are generated and output. As described above, in the present embodiment, a circuit configuration using a digital memory such as a semiconductor memory is used as a component of the storage element 49, but the same processing can be performed by using an analog memory instead. In this case, there is an advantage that the analog-to-digital converter 48, the digital-to-analog converter 51 and related circuits are not required.

【0034】図11に、上記した複数の周期についての
平均としてノイズキャンセル信号を記憶する場合の図1
0における記憶素子49の構成例を示す。加算回路67
は、アナログディジタル変換出力信号60と記憶素子出
力信号61を入力としてこれらを加算し、加算回路出力
信号65を出力する。この加算回路67は、予めアナロ
グディジタル変換出力信号60の平均値サンプル数で除
して加算することにより、平均値としてノイズキャンセ
ル信号(加算回路出力信号65)を得ることが出来る。
メモリ68は、加算回路出力信号65と制御信号56を
入力として加算回路出力信号65を記憶し、必要時に記
憶素子出力信号61として出力する。
FIG. 11 shows a case where the noise canceling signal is stored as an average for a plurality of periods described above.
5 shows a configuration example of the storage element 49 at 0. Adder circuit 67
Receives an analog-to-digital conversion output signal 60 and a storage element output signal 61, adds them, and outputs an addition circuit output signal 65. The adder circuit 67 can obtain a noise cancel signal (adder circuit output signal 65) as an average value by dividing by the number of average value samples of the analog-to-digital conversion output signal 60 in advance and adding the result.
The memory 68 receives the addition circuit output signal 65 and the control signal 56 as inputs, stores the addition circuit output signal 65, and outputs it as a storage element output signal 61 when necessary.

【0035】以上の各実施形態における超音波流量計は
何れもアナログ方式を基本とするものであったが、これ
に代えてディジタル処理による方式についても、以上に
説明した本発明の構成を適用することが可能である。
Although the ultrasonic flowmeter in each of the above embodiments is basically based on an analog system, the configuration of the present invention described above is applied to a system based on digital processing instead. It is possible.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、流
路管壁での超音波の反射や残響などに起因するノイズの
影響を効果的に低減することができ、パルスドップラ式
による流量測定をより高い精度で行なうことが可能とな
る。また本発明によれば、既設の流体機械についての性
能検査などのように流量測定に制約が多い条件でも高精
度な測定が可能となる。
As described above, according to the present invention, it is possible to effectively reduce the influence of noise caused by the reflection or reverberation of ultrasonic waves on the flow channel wall, and to reduce the flow rate by the pulse Doppler method. Measurement can be performed with higher accuracy. Further, according to the present invention, high-precision measurement can be performed even under conditions where there are many restrictions on flow rate measurement, such as a performance test for an existing fluid machine.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施形態による超音波流量計の構成を示
すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a first embodiment.

【図2】超音波のパルス波形をその生成に用いられる電
気信号、それにゲート信号との関係とともに示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a pulse waveform of an ultrasonic wave together with an electric signal used for its generation and a relationship with a gate signal.

【図3】ノイズ成分の除去を行なう前のドップラ信号の
位相波形図である。
FIG. 3 is a phase waveform diagram of a Doppler signal before removing a noise component.

【図4】ノイズ成分の除去を行なった後のドップラ信号
の位相波形図である。
FIG. 4 is a phase waveform diagram of a Doppler signal after removing a noise component.

【図5】超音波のパルス波形図である。FIG. 5 is a pulse waveform diagram of an ultrasonic wave.

【図6】図5における各ゲートタイミングにおいて取り
込んだ信号の各取り込み時における時間的変化として表
示し直した電圧変化図である。
FIG. 6 is a voltage change diagram re-displayed as a temporal change at each fetch of a signal fetched at each gate timing in FIG. 5;

【図7】振幅の大きいノイズ成分が乗っている区間が狭
い例のドップラ信号の位相波形図である。
FIG. 7 is a phase waveform diagram of a Doppler signal in an example in which a section in which a noise component having a large amplitude rides is narrow.

【図8】振幅の大きいノイズ成分と振幅の大きいノイズ
成分が混在して乗っているドップラ信号の位相波形図で
ある。
FIG. 8 is a phase waveform diagram of a Doppler signal in which a noise component having a large amplitude and a noise component having a large amplitude are mixed.

【図9】第2の実施形態による超音波流量計の構成を示
すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a second embodiment.

【図10】図9の超音波流量計における記憶回路の内部
構成のブロック図である。
10 is a block diagram of an internal configuration of a storage circuit in the ultrasonic flow meter of FIG.

【図11】複数の周期についての平均としてノイズキャ
ンセル信号を記憶する場合の図10における記憶素子の
内部構成のブロック図である。
11 is a block diagram of an internal configuration of the storage element in FIG. 10 in a case where a noise cancellation signal is stored as an average for a plurality of periods.

【図12】従来の超音波流量計の構成を示すブロック図
である。
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a conventional ultrasonic flowmeter.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 流路 2 流体 3 超音波プローブ(超音波送受波手段) 4 超音波 8 平衡変調器(周波数偏移検出手段) 11 記憶回路(記憶手段) 13 減算器(演算手段) 14 流量計制御器(監視手段) 15 ゲート回路 49 記憶素子(記憶手段) 66 差分回路(演算手段) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flow path 2 Fluid 3 Ultrasonic probe (ultrasonic transmission / reception means) 4 Ultrasound 8 Balanced modulator (frequency shift detection means) 11 Storage circuit (storage means) 13 Subtractor (arithmetic means) 14 Flow meter controller ( Monitoring means) 15 gate circuit 49 storage element (storage means) 66 difference circuit (arithmetic means)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡村 共由 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 小林 正治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立画像情報システム内 (72)発明者 青木 均 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立画像情報システム内 (72)発明者 矢川 幸二 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社土 浦テクノロジー内 Fターム(参考) 2F035 DA08 DA13  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kyoyoshi Okamura 603, Kandachi-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Industrial Machinery Systems Division, Hitachi Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Masaharu Kobayashi 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Inside Hitachi Image Information Systems Co., Ltd. (72) Inventor Hitoshi Aoki 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside Co., Ltd. Hitachi Image Information Systems Co., Ltd. (72) Koji Yagawa 603, Kandamachi, Tsuchiura-shi, Ibaraki Co., Ltd. Tsuchiura Technology F-term (reference) 2F035 DA08 DA13

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 流体が流れる流路の管壁に取り付けた送
信手段あるいは超音波送受波手段から放射される超音波
が前記流体中で散乱されて生じる散乱波をゲート時間の
制御により複数の測定位置ごとで受信し、この各測定位
置ごとの受信散乱波に生じているドップラ偏移に基づい
て前記流路における径方向での流体の流速分布を求め、
この流速分布から前記流路における流体の流量を求める
ようになっている超音波流量計において、前記流路管壁
による超音波の反射や残響などに起因するノイズの信号
波形を取り込んでキャンセル用ノイズ信号として記憶す
る記憶手段を備えるとともに、流速分布測定のための測
定で得られる測定信号と前記記憶手段に記憶されている
キャンセル用ノイズ信号との差分をとる演算手段を備え
たことを特徴とする超音波流量計。
An ultrasonic wave radiated from a transmission means or an ultrasonic wave transmission / reception means attached to a pipe wall of a flow path through which a fluid flows is scattered in the fluid and a plurality of scattered waves generated by controlling a gate time are measured. Received at each position, the flow velocity distribution of the fluid in the radial direction in the flow path is determined based on the Doppler shift occurring in the received scattered wave at each measurement position,
In the ultrasonic flow meter adapted to obtain the flow rate of the fluid in the flow channel from the flow velocity distribution, a noise signal waveform caused by reflection or reverberation of the ultrasonic wave by the flow channel tube wall is taken in, and noise for cancellation is taken. A storage unit for storing the signal as a signal, and an arithmetic unit for calculating a difference between a measurement signal obtained by measurement for measuring the flow velocity distribution and a noise signal for cancellation stored in the storage unit. Ultrasonic flow meter.
【請求項2】 ノイズ信号の取り込みを複数回行い、こ
れで得られた複数のノイズ信号を平均してキャンセル用
ノイズ信号を形成するようにされている請求項1に記載
の超音波流量計。
2. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the noise signal is taken in a plurality of times, and a plurality of the obtained noise signals are averaged to form a canceling noise signal.
【請求項3】 超音波送受波手段が受信した測定信号か
らドップラ信号を取り出す周波数偏移検出手段と、この
周波数偏移検出手段で取り出したドップラ信号とノイズ
信号との差分をとる演算手段を含む処理系が2系統で設
けられている請求項1または請求項2に記載の超音波流
量計。
3. A frequency shift detecting means for extracting a Doppler signal from a measurement signal received by an ultrasonic wave transmitting / receiving means, and a calculating means for calculating a difference between a Doppler signal extracted by the frequency shift detecting means and a noise signal. 3. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein two processing systems are provided.
【請求項4】 流体が流れる流路の管壁に取り付けた送
信手段あるいは超音波送受波手段から放射される超音波
が前記流体中で散乱されて生じる散乱波をゲート時間の
制御により複数の測定位置ごとで受信し、この各測定位
置ごとの受信散乱波に生じているドップラ偏移に基づい
て前記流路における径方向での流体の流速分布を求め、
この流速分布から前記流路における流体の流量を求める
ようになっている超音波流量計において、超音波送受波
手段が受信した測定信号から取り出されたドップラ信号
の一周期内で振幅が所定の大きさ以上である区間の幅を
監視する手段を有し、前記区間の幅が所定の幅よりも狭
い場合には、当該区間を除いた部分について信号を取り
込むように前記ゲート時間の制御がなされるようになっ
ていることを特徴とする超音波流量計。
4. A method for measuring a plurality of scattered waves generated by scattering ultrasonic waves radiated from a transmitting means or an ultrasonic wave transmitting / receiving means attached to a pipe wall of a flow path through which a fluid flows in said fluid by controlling a gate time. Received at each position, the flow velocity distribution of the fluid in the radial direction in the flow path is determined based on the Doppler shift occurring in the received scattered wave at each measurement position,
In the ultrasonic flow meter adapted to obtain the flow rate of the fluid in the flow path from the flow velocity distribution, the amplitude is set to a predetermined value within one cycle of the Doppler signal extracted from the measurement signal received by the ultrasonic wave transmitting / receiving means. Means for monitoring the width of the section that is greater than or equal to, and when the width of the section is smaller than a predetermined width, the gate time is controlled so as to capture a signal for a portion excluding the section. An ultrasonic flowmeter characterized in that:
【請求項5】 流体が流れる流路の管壁に取り付けた送
信手段あるいは超音波送受波手段から放射される超音波
が前記流体中で散乱されて生じる散乱波をゲート時間の
制御により複数の測定位置ごとで受信し、この各測定位
置ごとの受信散乱波に生じているドップラ偏移に基づい
て前記流路における径方向での流体の流速分布を求め、
この流速分布から前記流路における流体の流量を求める
ようになっている超音波流量計において、超音波送受波
手段が受信した測定信号から取り出されたドップラ信号
における振幅の大きさを監視する手段を有し、前記振幅
が所定の大きさ以下である部分についてのみ信号を取り
込むように前記ゲート時間の制御がなされるようになっ
ていることを特徴とする超音波流量計。
5. A method for measuring a plurality of scattered waves generated by scattering ultrasonic waves radiated from a transmitting means or an ultrasonic wave transmitting / receiving means attached to a pipe wall of a flow path through which a fluid flows in said fluid by controlling a gate time. Received at each position, the flow velocity distribution of the fluid in the radial direction in the flow path is determined based on the Doppler shift occurring in the received scattered wave at each measurement position,
In the ultrasonic flow meter adapted to obtain the flow rate of the fluid in the flow path from the flow velocity distribution, means for monitoring the magnitude of the amplitude in the Doppler signal extracted from the measurement signal received by the ultrasonic wave transmitting / receiving means An ultrasonic flowmeter, wherein the gate time is controlled so as to take in a signal only in a portion where the amplitude is equal to or smaller than a predetermined value.
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