JP2002243514A - 超音波流量計 - Google Patents
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
(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)。
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。
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。
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。
下流側信号の時間を基準として、(1)の式で示せる。
下に示す(2)の式となる。
関関数は同じ周波数を持つことがわかる。
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。
の位相P(τ)は、以下の(5)の式で定義することが
できる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
すフローチャートである。
した波形図である。
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。
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。
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受信信号の到達時刻算出アル
ゴリズムの概要である。
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。
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。
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。
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。
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