JP2002243514A - 超音波流量計 - Google Patents
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- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
- G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
- G01F1/712—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means
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- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
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- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
- G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
- G01F1/7082—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using acoustic detecting arrangements
Abstract
(57)【要約】
【課題】 比較的簡単な信号処理で精度よくしかも高速
に流速に相当する正確な時間差である相関の最大値を求
める方法を実現することを目的とする。 【解決手段】 上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ
／Ｄ変換することにより、離散化する値を求め、前記上
流側信号と前記下流側信号との相互相関を求め、相関演
算手段により求められた演算結果についてヒルベルト変
換を行い、相関演算手段により求められた演算結果と、
前記ヒルベルト変換により求められた演算結果とから位
相関係を求め、位相演算手段により求められた位相関係
の演算結果から最大値検出手段を経て時間差を演算する
超音波流量計を提供する。
に流速に相当する正確な時間差である相関の最大値を求
める方法を実現することを目的とする。 【解決手段】 上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ
／Ｄ変換することにより、離散化する値を求め、前記上
流側信号と前記下流側信号との相互相関を求め、相関演
算手段により求められた演算結果についてヒルベルト変
換を行い、相関演算手段により求められた演算結果と、
前記ヒルベルト変換により求められた演算結果とから位
相関係を求め、位相演算手段により求められた位相関係
の演算結果から最大値検出手段を経て時間差を演算する
超音波流量計を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波信号につい
てＡ／Ｄ変換を行い、離散化した相関値を演算し流速に
相当する時間差を求める超音波流量計に関する。
てＡ／Ｄ変換を行い、離散化した相関値を演算し流速に
相当する時間差を求める超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の超音波流量計において、流体を通
過する超音波信号の相関により時間差である流速を求め
る方法は、外乱等のノイズに強いというメリットがあ
る。超音波信号の相関値を求めるには、Ａ／Ｄ変換を行
い、その値の相関をとることになる。従って、相関値は
離散化した値となる。そして、その相関値の結果から、
流速に相当する正確な時間差を求めるためには、図１２
に示すように、離散化したデータの内挿を求め、そこか
ら相関値の最大値となる時間を計算する必要がある。
過する超音波信号の相関により時間差である流速を求め
る方法は、外乱等のノイズに強いというメリットがあ
る。超音波信号の相関値を求めるには、Ａ／Ｄ変換を行
い、その値の相関をとることになる。従って、相関値は
離散化した値となる。そして、その相関値の結果から、
流速に相当する正確な時間差を求めるためには、図１２
に示すように、離散化したデータの内挿を求め、そこか
ら相関値の最大値となる時間を計算する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】相関値の最大値を求め
るには、一般的に高次の曲線での補間が利用されるが、
そのためには、多くのデータが必要となる。多くのデー
タを得るためには非常に高速で高分解能なＡ／Ｄコンバ
ータを用意し、複雑な高次曲線補間演算を行う必要があ
る。逆に、少ない離散データで、曲線補間をする場合
は、誤差は大きい。このような高分解能の高速Ａ／Ｄコ
ンバータは非常にコストがかかり、また高次曲線補間演
算も、構成が複雑になる。
るには、一般的に高次の曲線での補間が利用されるが、
そのためには、多くのデータが必要となる。多くのデー
タを得るためには非常に高速で高分解能なＡ／Ｄコンバ
ータを用意し、複雑な高次曲線補間演算を行う必要があ
る。逆に、少ない離散データで、曲線補間をする場合
は、誤差は大きい。このような高分解能の高速Ａ／Ｄコ
ンバータは非常にコストがかかり、また高次曲線補間演
算も、構成が複雑になる。
【０００４】本発明は、上記の事情に鑑みなされたもの
であり、比較的簡単な信号処理で精度良くしかも高速に
時間差を演算し、相関の最大値を求める方法を実現する
超音波流量計を提供することを目的とする。
であり、比較的簡単な信号処理で精度良くしかも高速に
時間差を演算し、相関の最大値を求める方法を実現する
超音波流量計を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、流体を通過する超音波
信号に基づいて流量を求める超音波流量計であって、上
流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ変換すること
により、離散化する演算手段と、前記上流側信号と前記
下流側信号との相互相関を求める相関演算手段と、前記
相関演算手段により求められた演算結果についてヒルベ
ルト変換を行う演算手段と、前記相関演算手段により求
められた演算結果と、前記ヒルベルト変換により求めら
れた演算結果とから位相関係を求める位相演算手段と、
前記位相演算手段により求められた位相関係の演算結果
から時間差を演算する第一の演算手段と、を有すること
を特徴とする。
めに、請求項１に記載の発明は、流体を通過する超音波
信号に基づいて流量を求める超音波流量計であって、上
流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ変換すること
により、離散化する演算手段と、前記上流側信号と前記
下流側信号との相互相関を求める相関演算手段と、前記
相関演算手段により求められた演算結果についてヒルベ
ルト変換を行う演算手段と、前記相関演算手段により求
められた演算結果と、前記ヒルベルト変換により求めら
れた演算結果とから位相関係を求める位相演算手段と、
前記位相演算手段により求められた位相関係の演算結果
から時間差を演算する第一の演算手段と、を有すること
を特徴とする。
【０００６】従って、請求項１に記載の発明によれば、
複雑な高次曲線補間演算を行うことなく、上流側／下流
側受信信号が離散化され、相関演算手段により相関値が
求められ、ヒルベルト変換によりヒルベルト演算結果を
得、相関値とヒルベルト演算結果とにより位相演算を行
い最大値を求める。
複雑な高次曲線補間演算を行うことなく、上流側／下流
側受信信号が離散化され、相関演算手段により相関値が
求められ、ヒルベルト変換によりヒルベルト演算結果を
得、相関値とヒルベルト演算結果とにより位相演算を行
い最大値を求める。
【０００７】また、請求項２に記載の発明は、流体を通
過する超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量計
であって、上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ
変換することにより、離散化する演算手段と、前記上流
側信号と前記下流側信号との相互相関を求める相関演算
手段と、前記相関演算手段により求められた演算結果に
ついてヒルベルト変換を行う演算手段と、前記相関演算
手段により求められた演算結果と、前記ヒルベルト変換
により求められた演算結果とから位相関係を求める位相
演算手段と、前記位相演算手段により求められた位相関
係の演算結果から時間差を演算する第一の演算手段と、
上流側受信信号と下流側受信信号とをヒルベルト変換を
行う演算手段と、上流側受信信号及び下流側受信信号
と、ヒルベルト変換による演算結果とからエンベロープ
を求める演算手段と、前記エンベロープから時間差を求
める第二の演算手段と、第二の演算手段により求められ
た時間差と前記第一の演算手段により求められた時間差
から、流速に依存する時間差を求める機能と、を有する
ことを特徴とする。
過する超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量計
であって、上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ
変換することにより、離散化する演算手段と、前記上流
側信号と前記下流側信号との相互相関を求める相関演算
手段と、前記相関演算手段により求められた演算結果に
ついてヒルベルト変換を行う演算手段と、前記相関演算
手段により求められた演算結果と、前記ヒルベルト変換
により求められた演算結果とから位相関係を求める位相
演算手段と、前記位相演算手段により求められた位相関
係の演算結果から時間差を演算する第一の演算手段と、
上流側受信信号と下流側受信信号とをヒルベルト変換を
行う演算手段と、上流側受信信号及び下流側受信信号
と、ヒルベルト変換による演算結果とからエンベロープ
を求める演算手段と、前記エンベロープから時間差を求
める第二の演算手段と、第二の演算手段により求められ
た時間差と前記第一の演算手段により求められた時間差
から、流速に依存する時間差を求める機能と、を有する
ことを特徴とする。
【０００８】従って、請求項２に記載の発明によれば、
上流側／下流側受信信号のヒルベルト変換を行い、上流
側受信信号及び下流側受信信号と、ヒルベルト変換によ
る演算を行いエンベロープを求め、そのエンベロープの
最大値から大まかな時間差と、位相演算の結果により求
められる正確な時間差とから、相関値が多峰性となった
場合に真の時間差を一意的に判別可能にする。
上流側／下流側受信信号のヒルベルト変換を行い、上流
側受信信号及び下流側受信信号と、ヒルベルト変換によ
る演算を行いエンベロープを求め、そのエンベロープの
最大値から大まかな時間差と、位相演算の結果により求
められる正確な時間差とから、相関値が多峰性となった
場合に真の時間差を一意的に判別可能にする。
【０００９】さらに、請求項３に記載の発明は、流体を
通過する超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量
計であって、上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／
Ｄ変換することにより、離散化する演算手段と、前記上
流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める相関演
算手段と、前記相関演算手段により求められた演算結果
についてヒルベルト変換を行う演算手段と、前記相関演
算手段により求められた演算結果と、前記ヒルベルト変
換により求められた演算結果とから位相関係を求める位
相演算手段と、前記位相演算手段により求められた位相
関係の演算結果から時間差を演算する第一の演算手段
と、前記相関演算手段により求められた演算結果と前記
ヒルベルト変換を行う演算手段により求められた演算結
果との相乗平均値からエンベロープを求め、その最大値
から時間差を演算する第三の演算手段と、前記第三の演
算手段により求められた時間差と前記第一の演算手段に
より求められた時間差から、流速に依存する時間差を求
める機能と、を有することを特徴とする。
通過する超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量
計であって、上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／
Ｄ変換することにより、離散化する演算手段と、前記上
流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める相関演
算手段と、前記相関演算手段により求められた演算結果
についてヒルベルト変換を行う演算手段と、前記相関演
算手段により求められた演算結果と、前記ヒルベルト変
換により求められた演算結果とから位相関係を求める位
相演算手段と、前記位相演算手段により求められた位相
関係の演算結果から時間差を演算する第一の演算手段
と、前記相関演算手段により求められた演算結果と前記
ヒルベルト変換を行う演算手段により求められた演算結
果との相乗平均値からエンベロープを求め、その最大値
から時間差を演算する第三の演算手段と、前記第三の演
算手段により求められた時間差と前記第一の演算手段に
より求められた時間差から、流速に依存する時間差を求
める機能と、を有することを特徴とする。
【００１０】従って、請求項３に記載の発明によれば、
上流側／下流側受信信号との相互相関演算による相関値
と、そのヒルベルト変換の結果との相乗平均値からエン
ベローブを求めその最大値から大まかな時間差を演算
し、位相演算の結果とにより最大値である正確な時間差
を求め、相関値が多峰性となった場合に真の時間差を判
別可能にする。
上流側／下流側受信信号との相互相関演算による相関値
と、そのヒルベルト変換の結果との相乗平均値からエン
ベローブを求めその最大値から大まかな時間差を演算
し、位相演算の結果とにより最大値である正確な時間差
を求め、相関値が多峰性となった場合に真の時間差を判
別可能にする。
【００１１】また、請求項４に記載の発明は、流体を通
過するた超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量
計であって、上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／
Ｄ変換することにより、離散化する演算手段と、前記上
流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める相関演
算手段と、前記相関演算手段により求められた演算結果
についてヒルベルト変換を行う演算手段と、前記相関演
算手段により求められた演算結果と、前記ヒルベルト変
換により求められた演算結果とから位相関係を求める位
相演算手段と、前記位相演算手段により求められた位相
関係の演算結果から時間差を演算する第一の演算手段
と、超音波信号の上下流側の送信信号と受信信号との自
己相関をそれぞれ求めて時間差を演算する第四の演算手
段と、前記第四の演算手段により求められた時間差と前
記第一の演算手段により求められた時間差から、流速に
依存する時間差を求める機能と、を有することを特徴と
する。
過するた超音波信号に基づいて流量を求める超音波流量
計であって、上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／
Ｄ変換することにより、離散化する演算手段と、前記上
流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める相関演
算手段と、前記相関演算手段により求められた演算結果
についてヒルベルト変換を行う演算手段と、前記相関演
算手段により求められた演算結果と、前記ヒルベルト変
換により求められた演算結果とから位相関係を求める位
相演算手段と、前記位相演算手段により求められた位相
関係の演算結果から時間差を演算する第一の演算手段
と、超音波信号の上下流側の送信信号と受信信号との自
己相関をそれぞれ求めて時間差を演算する第四の演算手
段と、前記第四の演算手段により求められた時間差と前
記第一の演算手段により求められた時間差から、流速に
依存する時間差を求める機能と、を有することを特徴と
する。
【００１２】従って、請求項４に記載の発明によれば、
上流側／下流側送信信号及び受信信号の自己相関を求
め、そこから大まかな時間差を演算し、位相演算の結果
とにより最大値である正確な時間差を求め、相関値が多
峰性となった場合に真の時間差を判別可能にする。
上流側／下流側送信信号及び受信信号の自己相関を求
め、そこから大まかな時間差を演算し、位相演算の結果
とにより最大値である正確な時間差を求め、相関値が多
峰性となった場合に真の時間差を判別可能にする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１では超音波信号の信号処理に
おける基本構成の概要が示してある。流体を通過した超
音波信号の受信信号（上流／下流の２つ）は、Ａ／Ｄコ
ンバータにより離散化された数値にする（ステップＳ
１、Ｓ２）。その結果から上流側受信信号（上流側から
下流側へ伝達した超音波信号の受信信号）と下流側受信
信号（下流側から上流側へ伝達した超音波信号の受信信
号）の相互相関を、相関演算手段により求める（ステッ
プ３）。
に基づいて説明する。図１では超音波信号の信号処理に
おける基本構成の概要が示してある。流体を通過した超
音波信号の受信信号（上流／下流の２つ）は、Ａ／Ｄコ
ンバータにより離散化された数値にする（ステップＳ
１、Ｓ２）。その結果から上流側受信信号（上流側から
下流側へ伝達した超音波信号の受信信号）と下流側受信
信号（下流側から上流側へ伝達した超音波信号の受信信
号）の相互相関を、相関演算手段により求める（ステッ
プ３）。
【００１４】相関演算手段により求められた値をＣ
（τ）（τは時間差に相当する値）とする。また、ヒル
ベルト変換手段によりヒルベルト演算結果であるＨ
（τ）を得る（ステップ４）。そして、位相演算手段に
よりＣ（τ）とＨ（τ）とを用いて位相が計算される
（ステップ５）。位相の計算結果から最大値検出手段
（第一の演算手段）により相関値の最大値（時間差）が
求められる（ステップＳ６）。
（τ）（τは時間差に相当する値）とする。また、ヒル
ベルト変換手段によりヒルベルト演算結果であるＨ
（τ）を得る（ステップ４）。そして、位相演算手段に
よりＣ（τ）とＨ（τ）とを用いて位相が計算される
（ステップ５）。位相の計算結果から最大値検出手段
（第一の演算手段）により相関値の最大値（時間差）が
求められる（ステップＳ６）。
【００１５】流体を通過して得られる受信信号は、超音
波流量計の場合一般的に、図２のような波形になる。図
２の波形は実際にバースト波をＳＵＳの配管を介して流
体中に入れ、受信信号を検出し、そのＡ／Ｄ変換結果を
グラフ化したものである。このグラフ化した波形図で
は、受信信号を強度に対して規格化し、横軸は時間とな
っている。
波流量計の場合一般的に、図２のような波形になる。図
２の波形は実際にバースト波をＳＵＳの配管を介して流
体中に入れ、受信信号を検出し、そのＡ／Ｄ変換結果を
グラフ化したものである。このグラフ化した波形図で
は、受信信号を強度に対して規格化し、横軸は時間とな
っている。
【００１６】この基本周波数（搬送波の周波数）は、送
信系の持つ共振周波数、例えば、送信素子である圧電素
子の共振周波数となり、そのときの波形はｓｉｎ波と見
ることが出来る。また、包絡波は、測定系全体の共振、
例えば、配管の厚みでの多重反射による共振や、バース
ト波の場合その時間間隔、測定系に生じるノイズなどに
より形状が決まる。
信系の持つ共振周波数、例えば、送信素子である圧電素
子の共振周波数となり、そのときの波形はｓｉｎ波と見
ることが出来る。また、包絡波は、測定系全体の共振、
例えば、配管の厚みでの多重反射による共振や、バース
ト波の場合その時間間隔、測定系に生じるノイズなどに
より形状が決まる。
【００１７】つぎに、図１の相関演算手段において計算
される相互相関の結果（相互相関関数）について、どの
ような波形になるかを近似する。図２に示すように、受
信信号は、送信系により決まる周波数を持つｓｉｎ波と
仮定できる。送信周波数をｆ0、上流側受信信号と下流
側受信信号の時間差をδ、また、θを［０，２π］で一
応分布する確率変数とする。
される相互相関の結果（相互相関関数）について、どの
ような波形になるかを近似する。図２に示すように、受
信信号は、送信系により決まる周波数を持つｓｉｎ波と
仮定できる。送信周波数をｆ0、上流側受信信号と下流
側受信信号の時間差をδ、また、θを［０，２π］で一
応分布する確率変数とする。
【００１８】このとき、上下流側受信信号は、それぞれ
下流側信号の時間を基準として、（１）の式で示せる。
下流側信号の時間を基準として、（１）の式で示せる。
【００１９】
【数１】
【００２０】そして、この相互相関関数Ｃ（τ）は、以
下に示す（２）の式となる。
下に示す（２）の式となる。
【００２１】
【数２】
【００２２】つまり、周波数ｆ0を持つ正弦波の相互相
関関数は同じ周波数を持つことがわかる。
関関数は同じ周波数を持つことがわかる。
【００２３】つぎに、この相互相関関数Ｃ（τ）のヒル
ベルト変換を求めると、（２）の式で求めた（３）の式
に対し（４）の式が導かれる。
ベルト変換を求めると、（２）の式で求めた（３）の式
に対し（４）の式が導かれる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
【数４】 そして、位相演算手段において、Ｃ（τ）とＨ（τ）と
の位相Ｐ（τ）は、以下の（５）の式で定義することが
できる。
の位相Ｐ（τ）は、以下の（５）の式で定義することが
できる。
【００２６】
【数５】
【００２７】このとき、次の（６）の式が成り立つ。
【００２８】
【数６】
【００２９】そのため、下記の（７）の式を求めること
ができる。
ができる。
【００３０】
【数７】
【００３１】従って、この位相のゼロクロス点が求める
相関の最大値＝時間差＝流速に相当する。現実には、離
散化された時刻のデータからδを求めることになるが、
時刻τに対して１次となっているので、現実的なデータ
がノイズなどによる揺らぎを持っていたとしても、原理
的に１次近似（直線近似）を行えば時間差を精度良く求
めることができる。
相関の最大値＝時間差＝流速に相当する。現実には、離
散化された時刻のデータからδを求めることになるが、
時刻τに対して１次となっているので、現実的なデータ
がノイズなどによる揺らぎを持っていたとしても、原理
的に１次近似（直線近似）を行えば時間差を精度良く求
めることができる。
【００３２】図３では、超音波信号の受信信号の各処理
結果がグラフ化されており、図３（ａ）では、点線が図
２の相互相関の演算結果Ｃ（τ）、一点鎖線がそのヒル
ベルト変換結果Ｈ（τ）、二点鎖線はその位相を示して
いる。そして、この図３（ａ）からもその拡大図である
図３（ｂ）からも、離散化したデータから１次近似でδ
は容易に求められることがわかる。
結果がグラフ化されており、図３（ａ）では、点線が図
２の相互相関の演算結果Ｃ（τ）、一点鎖線がそのヒル
ベルト変換結果Ｈ（τ）、二点鎖線はその位相を示して
いる。そして、この図３（ａ）からもその拡大図である
図３（ｂ）からも、離散化したデータから１次近似でδ
は容易に求められることがわかる。
【００３３】また、この結果は０〜２πの周期で繰り返
すが、算出された結果は周期的な解を持つ。どの値が真
の最大値かは、最大値同士の比較をするか、あるいは、
次に示す他の最大値推定手段を併用する必要がある。
すが、算出された結果は周期的な解を持つ。どの値が真
の最大値かは、最大値同士の比較をするか、あるいは、
次に示す他の最大値推定手段を併用する必要がある。
【００３４】さらに、図１において、相関演算手段は複
数設けてもよい。図１１に示すようにヒルベルト変換専
用の相関演算手段であるユニットを複数設け、全体の処
理の速度を上げることも可能である。
数設けてもよい。図１１に示すようにヒルベルト変換専
用の相関演算手段であるユニットを複数設け、全体の処
理の速度を上げることも可能である。
【００３５】つぎに、本発明の他の実施の形態として、
相関の演算結果である相関値が多峰性となった場合の多
峰性のピークでの付加構成について説明する。特に、ク
ランプオン超音波流量計では、例えば、薄い肉厚の配管
によって超音波が多重反射をおこすなどの原因で、相関
値が多峰性となってしまう場合がある。図４（ａ）は通
常の相関の演算結果であり、図４（ｂ）が多峰性の相関
の演算結果である。図４（ｂ）のようにピークの大きさ
が似通っている場合、どれが真のピーク、すなわち時間
差なのかの判別が困難となる。
相関の演算結果である相関値が多峰性となった場合の多
峰性のピークでの付加構成について説明する。特に、ク
ランプオン超音波流量計では、例えば、薄い肉厚の配管
によって超音波が多重反射をおこすなどの原因で、相関
値が多峰性となってしまう場合がある。図４（ａ）は通
常の相関の演算結果であり、図４（ｂ）が多峰性の相関
の演算結果である。図４（ｂ）のようにピークの大きさ
が似通っている場合、どれが真のピーク、すなわち時間
差なのかの判別が困難となる。
【００３６】多峰性のピークに対しては、図５のような
構成の処理を行うことになる。図１の処理に付加された
処理構成は、大まかな時間を特定する手段であり、どの
程度の時間差が妥当かを判別するために設けられてい
る。
構成の処理を行うことになる。図１の処理に付加された
処理構成は、大まかな時間を特定する手段であり、どの
程度の時間差が妥当かを判別するために設けられてい
る。
【００３７】多峰性のピーク検出機構の原理としては、
ヒルベルト変換によりエンベロープを求め、そこから受
信信号の到達時間差を求めることになる。最大値検出手
段は図１に示す手段と同じである。ただし多峰性の場
合、多くの解が存在することになる。そこで、それを同
定するために、他の手段によって、超音波信号の受信信
号の大まかな時間差を以下のように求める。その受信信
号の到達時刻算出アルゴリズムの概要が図６に示してあ
る。以下にその方法を図５及び図６を用いて説明する。
ヒルベルト変換によりエンベロープを求め、そこから受
信信号の到達時間差を求めることになる。最大値検出手
段は図１に示す手段と同じである。ただし多峰性の場
合、多くの解が存在することになる。そこで、それを同
定するために、他の手段によって、超音波信号の受信信
号の大まかな時間差を以下のように求める。その受信信
号の到達時刻算出アルゴリズムの概要が図６に示してあ
る。以下にその方法を図５及び図６を用いて説明する。
【００３８】まず、超音波信号の上流側／下流側受信信
号は、Ａ／Ｄコンバータにより離散化された数値になる
（ステップＳ５１、Ｓ５２）。その結果から上流側受信
信号と下流側受信信号の相互相関を相関演算手段により
求める（ステップ５３）。求められた相関値は、ヒルベ
ルト変換手段によりヒルベルト演算結果を得る（ステッ
プ５４）。そして、位相演算手段により相関値とヒルベ
ルト演算結果とを用いて位相が計算される（ステップ５
５）。
号は、Ａ／Ｄコンバータにより離散化された数値になる
（ステップＳ５１、Ｓ５２）。その結果から上流側受信
信号と下流側受信信号の相互相関を相関演算手段により
求める（ステップ５３）。求められた相関値は、ヒルベ
ルト変換手段によりヒルベルト演算結果を得る（ステッ
プ５４）。そして、位相演算手段により相関値とヒルベ
ルト演算結果とを用いて位相が計算される（ステップ５
５）。
【００３９】そして、図５に示すように、図１に加えら
れた他の手段により、超音波信号の上流側／下流側受信
信号をデジタル化（Ａ／Ｄ変換）し、離散化された数値
からそのヒルベルト変換を求める（ステップ５７）。つ
ぎに、超音波信号の受信信号とヒルベルト変換結果とか
らエンベロープを算出する。エンベロープは超音波信号
の受信信号をＳ、そのヒルベルト変換結果をＨとする
と、（８）の式で与えられる。
れた他の手段により、超音波信号の上流側／下流側受信
信号をデジタル化（Ａ／Ｄ変換）し、離散化された数値
からそのヒルベルト変換を求める（ステップ５７）。つ
ぎに、超音波信号の受信信号とヒルベルト変換結果とか
らエンベロープを算出する。エンベロープは超音波信号
の受信信号をＳ、そのヒルベルト変換結果をＨとする
と、（８）の式で与えられる。
【００４０】
【数８】
【００４１】図７は超音波信号の受信信号に基づいて実
際に計算した結果であり、エンベロープが（８）の式で
正しく計算されていることを示している。このエンベロ
ープの傾斜から補間を行いゼロクロス点を求め、信号到
達時刻を求める。そして、時刻計測手段（第二の演算手
段）により上流側／下流側それぞれについて行い、その
到達時刻の差が大まかな時間差となる（ステップ５
８）。一方、複数の最大値を与える時間差の候補は、図
１に示す構成である最大値検出手段を用いることにな
る。最大値検出手段により、位相の計算結果及び時刻計
測手段の結果から最大値（時間差）が求められる（ステ
ップＳ５６）。
際に計算した結果であり、エンベロープが（８）の式で
正しく計算されていることを示している。このエンベロ
ープの傾斜から補間を行いゼロクロス点を求め、信号到
達時刻を求める。そして、時刻計測手段（第二の演算手
段）により上流側／下流側それぞれについて行い、その
到達時刻の差が大まかな時間差となる（ステップ５
８）。一方、複数の最大値を与える時間差の候補は、図
１に示す構成である最大値検出手段を用いることにな
る。最大値検出手段により、位相の計算結果及び時刻計
測手段の結果から最大値（時間差）が求められる（ステ
ップＳ５６）。
【００４２】この方法では、基本構成で持つヒルベルト
変換のアルゴリズムがそのまま利用できる。また、エン
ベロープを外挿でしかもゼロクロスで信号を求めるた
め、単純に信号に対しスレッショホルドを求めるときに
起きるような突発的なノイズで大きな誤差が生じたりす
ることも少ない。
変換のアルゴリズムがそのまま利用できる。また、エン
ベロープを外挿でしかもゼロクロスで信号を求めるた
め、単純に信号に対しスレッショホルドを求めるときに
起きるような突発的なノイズで大きな誤差が生じたりす
ることも少ない。
【００４３】また、この時間分解能は、隣のピークとの
判別ができればよい程度で十分ある。相関の原理で述べ
たように、相関関数は送信系と同じ周波数、ｆ0＝１〜
数ＭＨｚを持つので、１周期は０．１〜１μSec程度の
分解能があれば足りることになる。流速による時間差は
小さい場合数百〜数十psecのオーダーなのでこれは十分
容易に実現できる値である。
判別ができればよい程度で十分ある。相関の原理で述べ
たように、相関関数は送信系と同じ周波数、ｆ0＝１〜
数ＭＨｚを持つので、１周期は０．１〜１μSec程度の
分解能があれば足りることになる。流速による時間差は
小さい場合数百〜数十psecのオーダーなのでこれは十分
容易に実現できる値である。
【００４４】また、図５においてヒルベルト変換器を二
つ用いずに一つのヒルベルト変換器を共用することも可
能である。具体的な構成例としては、図１１に示すよう
に、一つのヒルベルト変換器を、相関演算中は受信信号
の変換に用い、相関演算が終了した後には、切り替え信
号により、もう一度相関演算のヒルベルト変換に用いる
ということも可能である。
つ用いずに一つのヒルベルト変換器を共用することも可
能である。具体的な構成例としては、図１１に示すよう
に、一つのヒルベルト変換器を、相関演算中は受信信号
の変換に用い、相関演算が終了した後には、切り替え信
号により、もう一度相関演算のヒルベルト変換に用いる
ということも可能である。
【００４５】さらに、図６及び図８において、エンベロ
ープの計算結果から信号到着時刻を求める方法は特に限
定しない。図６に関して、信号到達時間は単にエンベロ
ープを外挿して求める、としているが、目的は大まかな
時間差が求められればよい。そのため、例えば数点のデ
ータによる２次程度の曲線近似を行うという手段もあ
る。また、図８に関しては２次曲線で内挿−微分係数を
求める、といった方法や、ある値を超える数点で平均値
を求めるといった手段もある。
ープの計算結果から信号到着時刻を求める方法は特に限
定しない。図６に関して、信号到達時間は単にエンベロ
ープを外挿して求める、としているが、目的は大まかな
時間差が求められればよい。そのため、例えば数点のデ
ータによる２次程度の曲線近似を行うという手段もあ
る。また、図８に関しては２次曲線で内挿−微分係数を
求める、といった方法や、ある値を超える数点で平均値
を求めるといった手段もある。
【００４６】本発明の実施の形態におけるその他の多峰
性のピーク検出機構（多峰性のピークの判別法）とし
て、以下の方法がある。２信号の相互相関演算結果と、
そのヒルベルト変換の結果の相乗平均とを採る。この２
つの値は（３）、（４）の式で示したようにsinとcosと
の関数になっているので、相乗平均を採るとエンベロー
プが計算され、図８に示すように、振幅に相当する値が
求められる。
性のピーク検出機構（多峰性のピークの判別法）とし
て、以下の方法がある。２信号の相互相関演算結果と、
そのヒルベルト変換の結果の相乗平均とを採る。この２
つの値は（３）、（４）の式で示したようにsinとcosと
の関数になっているので、相乗平均を採るとエンベロー
プが計算され、図８に示すように、振幅に相当する値が
求められる。
【００４７】そこで、その最大値の時刻を求めれば、そ
れが大まかな時間差に相当する（第三の演算手段）。そ
して、ここで求められた大まかな時間差と位相演算手段
により計算された結果から最大値検出手段により相関値
の最大値が求められる。具体的には、ここで求められた
大まかな時間差と（７）の式で求める正確な時間差を求
める方法の組み合わせにより、多峰性の相関結果から正
しい時間差を正確に求めることが可能となる。
れが大まかな時間差に相当する（第三の演算手段）。そ
して、ここで求められた大まかな時間差と位相演算手段
により計算された結果から最大値検出手段により相関値
の最大値が求められる。具体的には、ここで求められた
大まかな時間差と（７）の式で求める正確な時間差を求
める方法の組み合わせにより、多峰性の相関結果から正
しい時間差を正確に求めることが可能となる。
【００４８】その他の別の多峰性ピーク検出機構（多峰
性のピークの判別法）として、以下の方法がある。図９
に多峰性ピーク検出機構のフローチャートが示されてい
る。ここでは、大まかなの時間差を求めるために、従来
行われていた自己相互相関を用いる方法を採用してい
る。この多峰性ピーク検出機構では、大まかな時間差を
計算するのに、送信信号と受信信号の自己相互相関から
上下流側の時間差を求めることを行っている。この多峰
性ピーク検出機構自体は、一般的な超音波流量計での相
関演算手段と同様の処理を行っている。
性のピークの判別法）として、以下の方法がある。図９
に多峰性ピーク検出機構のフローチャートが示されてい
る。ここでは、大まかなの時間差を求めるために、従来
行われていた自己相互相関を用いる方法を採用してい
る。この多峰性ピーク検出機構では、大まかな時間差を
計算するのに、送信信号と受信信号の自己相互相関から
上下流側の時間差を求めることを行っている。この多峰
性ピーク検出機構自体は、一般的な超音波流量計での相
関演算手段と同様の処理を行っている。
【００４９】具体的には、図９に示すように、超音波信
号の上流側／下流側受信信号は、Ａ／Ｄコンバータによ
り離散化された数値になる（ステップＳ７１、Ｓ７
２）。その結果から上流側受信信号と下流側受信信号の
相互相関を相関演算手段により求める（ステップ７
３）。求められた相関値は、ヒルベルト変換手段により
ヒルベルト演算結果を得る（ステップ７４）。そして、
位相演算手段により相関値とヒルベルト演算結果とを用
いて位相が計算される（ステップ７５）。
号の上流側／下流側受信信号は、Ａ／Ｄコンバータによ
り離散化された数値になる（ステップＳ７１、Ｓ７
２）。その結果から上流側受信信号と下流側受信信号の
相互相関を相関演算手段により求める（ステップ７
３）。求められた相関値は、ヒルベルト変換手段により
ヒルベルト演算結果を得る（ステップ７４）。そして、
位相演算手段により相関値とヒルベルト演算結果とを用
いて位相が計算される（ステップ７５）。
【００５０】そして、上流側相関演算部４０では相関演
算が行われることになる。超音波信号の送信信号及び受
信信号をＡ／Ｄコンバータにより離散化された数値にす
る（ステップＳ９１、Ｓ９２）。その結果から上流側送
信信号と上流側受信信号の自己相互相関を、相関演算手
段により求める（ステップ９３）。そして、下流側相関
演算部５０においても、送信信号及び受信信号をＡ／Ｄ
コンバータにより離散化された数値にし（ステップＳ９
４、Ｓ９５）、自己相互相関を、相関演算手段により求
める（ステップ９６）。
算が行われることになる。超音波信号の送信信号及び受
信信号をＡ／Ｄコンバータにより離散化された数値にす
る（ステップＳ９１、Ｓ９２）。その結果から上流側送
信信号と上流側受信信号の自己相互相関を、相関演算手
段により求める（ステップ９３）。そして、下流側相関
演算部５０においても、送信信号及び受信信号をＡ／Ｄ
コンバータにより離散化された数値にし（ステップＳ９
４、Ｓ９５）、自己相互相関を、相関演算手段により求
める（ステップ９６）。
【００５１】つぎに、それぞれ相関演算手段により求め
られた自己相互相関を用いて時間差演算手段（第四の演
算手段）により大まかな時間差を求める（ステップ９
７）。相関演算手段により求められた値（ステップ３）
と、ヒルベルト変換手段によりヒルベルト演算結果が位
相演算手段により位相が計算された結果（ステップ７
５）と時間差演算手段による結果（ステップ９７）とか
ら最大値検出手段により相関値の最大値である正確な時
間差が求められる（ステップＳ７６）。
られた自己相互相関を用いて時間差演算手段（第四の演
算手段）により大まかな時間差を求める（ステップ９
７）。相関演算手段により求められた値（ステップ３）
と、ヒルベルト変換手段によりヒルベルト演算結果が位
相演算手段により位相が計算された結果（ステップ７
５）と時間差演算手段による結果（ステップ９７）とか
ら最大値検出手段により相関値の最大値である正確な時
間差が求められる（ステップＳ７６）。
【００５２】また、この自己相関部分に関しては、波形
や演算結果が明らかに異常な場合、例えば求めた時刻が
異常に小さい、相関値が小さい等には、その結果を利用
しないなどのアルゴリズム上の工夫を加えることにな
る。
や演算結果が明らかに異常な場合、例えば求めた時刻が
異常に小さい、相関値が小さい等には、その結果を利用
しないなどのアルゴリズム上の工夫を加えることにな
る。
【００５３】さらに、本発明の実施の形態において、突
発的なノイズにより波形および相関値が予測される値を
おおきくはずれた場合、そのデータを以後の処理に用い
ない、といったアルゴリズム上の工夫は随所に盛り込む
ことも可能である。
発的なノイズにより波形および相関値が予測される値を
おおきくはずれた場合、そのデータを以後の処理に用い
ない、といったアルゴリズム上の工夫は随所に盛り込む
ことも可能である。
【００５４】また、本発明の実施の形態では、受信信号
と受信信号との相互相関を例に挙げたが、送信信号（変
調信号）と受信信号の自己相関を用いることもできる。
その相関演算から時間を求めるのに、ヒルベルト変換を
用いた補間法で正確な時間を求めることが可能になる。
また、伝達時間を正確に測定することにより、音速を求
めることも可能である。
と受信信号との相互相関を例に挙げたが、送信信号（変
調信号）と受信信号の自己相関を用いることもできる。
その相関演算から時間を求めるのに、ヒルベルト変換を
用いた補間法で正確な時間を求めることが可能になる。
また、伝達時間を正確に測定することにより、音速を求
めることも可能である。
【００５５】
【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、複雑な
高次曲線補間演算を行うことなく、相関法の本来持って
いる信号の外乱による突発的な変化に強い特徴はそのま
ま維持しつつ、比較的簡単な構成で精度の高い時間分解
能を実現できる。
高次曲線補間演算を行うことなく、相関法の本来持って
いる信号の外乱による突発的な変化に強い特徴はそのま
ま維持しつつ、比較的簡単な構成で精度の高い時間分解
能を実現できる。
【００５６】また、請求項２から請求項４に記載の発明
によれば、相関値が多峰性となった場合に真の時間差を
判別することができる。
によれば、相関値が多峰性となった場合に真の時間差を
判別することができる。
【図１】本発明の超音波信号の信号処理の基本構成を示
すフローチャートである。
すフローチャートである。
【図２】超音波信号の受信信号をＡ／Ｄ変化しグラフ化
した波形図である。
した波形図である。
【図３】図２の受信信号の各演算結果をグラフ化した波
形図である。（ａ）は図２の受信信号の相互相関の演算
結果、そのヒルベルト変換結果及びその位相を示す波形
図である。（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
形図である。（ａ）は図２の受信信号の相互相関の演算
結果、そのヒルベルト変換結果及びその位相を示す波形
図である。（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図４】相関の演算結果を示すグラフ化された波形図で
ある。（ａ）は通常の相関の演算結果を示すグラフ化さ
れた波形図である。（ｂ）は相関の演算結果が多峰性と
なったグラフ化された波形図である。
ある。（ａ）は通常の相関の演算結果を示すグラフ化さ
れた波形図である。（ｂ）は相関の演算結果が多峰性と
なったグラフ化された波形図である。
【図５】本発明における相関の演算結果である相関値が
多峰性となる超音波信号の信号処理の基本構成を示すフ
ローチャートである。
多峰性となる超音波信号の信号処理の基本構成を示すフ
ローチャートである。
【図６】本発明における相関の演算結果である相関値が
多峰性となる超音波信号の受信信号の到達時刻算出アル
ゴリズムの概要である。
多峰性となる超音波信号の受信信号の到達時刻算出アル
ゴリズムの概要である。
【図７】超音波信号の受信信号に基づいて実際に計算し
たエンベロープをグラフ化した波形図である。
たエンベロープをグラフ化した波形図である。
【図８】上流側及び下流側の受信信号の相互相関演算結
果と、そのヒルベルト変換の演算結果との相乗平均とる
ことにより得られたエンベロープをグラフ化した波形図
である。
果と、そのヒルベルト変換の演算結果との相乗平均とる
ことにより得られたエンベロープをグラフ化した波形図
である。
【図９】本発明における相関の演算結果である相関値が
多峰性となる超音波信号の信号処理の構成を示すフロー
チャートである。
多峰性となる超音波信号の信号処理の構成を示すフロー
チャートである。
【図１０】図５においてヒルベルト変換器を一つにした
構成を示すフローチャートである。
構成を示すフローチャートである。
【図１１】図１において複数の相関演算手段を用いた構
成を示すフローチャートである。
成を示すフローチャートである。
【図１２】従来の流速に相当する正確な時間差を求める
グラフである。
グラフである。
Claims (4)
- 【請求項１】流体を通過する超音波信号に基づいて流量
を求める超音波流量計であって、 上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ変換するこ
とにより、離散化する演算手段と、 前記上流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める
相関演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果についてヒ
ルベルト変換を行う演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果と、前記ヒ
ルベルト変換により求められた演算結果とから位相関係
を求める位相演算手段と、 前記位相演算手段により求められた位相関係の演算結果
から時間差を演算する第一の演算手段と、を有すること
を特徴とする超音波流量計。 - 【請求項２】流体を通過する超音波信号に基づいて流量
を求める超音波流量計であって、 上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ変換するこ
とにより、離散化する演算手段と、 前記上流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める
相関演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果についてヒ
ルベルト変換を行う演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果と、前記ヒ
ルベルト変換により求められた演算結果とから位相関係
を求める位相演算手段と、 前記位相演算手段により求められた位相関係の演算結果
から時間差を演算する第一の演算手段と、 上流側受信信号と下流側受信信号とをヒルベルト変換を
行う演算手段と、 上流側受信信号及び下流側受信信号と、ヒルベルト変換
による演算結果とからエンベロープを求める演算手段
と、 前記エンベロープから時間差を求める第二の演算手段
と、 第二の演算手段により求められた時間差と前記第一の演
算手段により求められた時間差から、流速に依存する時
間差を求める機能と、を有することを特徴とする超音波
流量計。 - 【請求項３】流体を通過する超音波信号に基づいて流量
を求める超音波流量計であって、 上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ変換するこ
とにより、離散化する演算手段と、 前記上流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める
相関演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果についてヒ
ルベルト変換を行う演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果と、前記ヒ
ルベルト変換により求められた演算結果とから位相関係
を求める位相演算手段と、 前記位相演算手段により求められた位相関係の演算結果
から時間差を演算する第一の演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果と前記ヒル
ベルト変換を行う演算手段により求められた演算結果と
の相乗平均値からエンベロープを求め、その最大値から
時間差を演算する第三の演算手段と、 前記第三の演算手段により求められた時間差と前記第一
の演算手段により求められた時間差から、流速に依存す
る時間差を求める機能と、を有することを特徴とする超
音波流量計。 - 【請求項４】流体を通過するた超音波信号に基づいて流
量を求める超音波流量計であって、 上流側受信信号と下流側受信信号とをＡ／Ｄ変換するこ
とにより、離散化する演算手段と、 前記上流側信号と前記下流側信号との相互相関を求める
相関演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果についてヒ
ルベルト変換を行う演算手段と、 前記相関演算手段により求められた演算結果と、前記ヒ
ルベルト変換により求められた演算結果とから位相関係
を求める位相演算手段と、 前記位相演算手段により求められた位相関係の演算結果
から時間差を演算する第一の演算手段と、 超音波信号の上下流の送信信号と受信信号との自己相関
をそれぞれ求めて時間差を演算する第四の演算手段と、 前記第四の演算手段により求められた時間差と前記第一
の演算手段により求められた時間差から、流速に依存す
る時間差を求める機能と、を有することを特徴とする超
音波流量計。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001038255A JP4135056B2 (ja) | 2001-02-15 | 2001-02-15 | 超音波流量計 |
| US10/074,837 US6587796B2 (en) | 2001-02-15 | 2002-02-13 | Ultrasonic flowmeter |
| DE10206134A DE10206134B4 (de) | 2001-02-15 | 2002-02-14 | Ultraschall-Strömungsmesser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001038255A JP4135056B2 (ja) | 2001-02-15 | 2001-02-15 | 超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002243514A true JP2002243514A (ja) | 2002-08-28 |
| JP4135056B2 JP4135056B2 (ja) | 2008-08-20 |
Family
ID=18901265
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001038255A Expired - Lifetime JP4135056B2 (ja) | 2001-02-15 | 2001-02-15 | 超音波流量計 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6587796B2 (ja) |
| JP (1) | JP4135056B2 (ja) |
| DE (1) | DE10206134B4 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2005181268A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-07 | Yokogawa Electric Corp | 超音波流量計 |
| JP2007298347A (ja) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Tokyo Keiso Co Ltd | 超音波流量計 |
| DE102007044377A1 (de) | 2007-09-17 | 2009-03-19 | Tokyo Keiso Co., Ltd. | Ultraschalldurchflussmesser |
| JP2011017623A (ja) * | 2009-07-09 | 2011-01-27 | Yokogawa Electric Corp | 超音波測定器 |
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| WO2021084985A1 (ja) | 2019-10-29 | 2021-05-06 | オムロン株式会社 | 伝搬時間測定装置 |
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