JP2003139592A - 伝播時間差方式による超音波流量計 - Google Patents
伝播時間差方式による超音波流量計Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】十分に高い分解能を得ることができるととも
に、アナログ・デジタルコンバータのサンプリング位相
の変動にかかわらず、安定した高精度の計測を行なうこ
とができ、優れた測定精度の超音波流量計を提供する。 【解決手段】流路用管体１の流体の流れ方向上流側と下
流側に取り付けた１対の超音波振動子２ａ、２ｂと、こ
れらの送受信を交互に切り替える切替器３と、受信信号
を増幅する増幅器５と、増幅された受信信号のゼロクロ
ス点を測定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求
め、この伝播時間から流量信号を算出するデータ処理装
置９を備え、前記データ処理装置は受信信号の増幅波形
を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記
増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のう
ち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロク
ロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データか
ら、等次数の２つの近似式または３次以上の近似式を求
め、近似式の時刻軸切片からゼロクロス点の時刻近似値
を得て超音波の送信より受信までの伝播時間が算出され
る構成とした。
に、アナログ・デジタルコンバータのサンプリング位相
の変動にかかわらず、安定した高精度の計測を行なうこ
とができ、優れた測定精度の超音波流量計を提供する。 【解決手段】流路用管体１の流体の流れ方向上流側と下
流側に取り付けた１対の超音波振動子２ａ、２ｂと、こ
れらの送受信を交互に切り替える切替器３と、受信信号
を増幅する増幅器５と、増幅された受信信号のゼロクロ
ス点を測定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求
め、この伝播時間から流量信号を算出するデータ処理装
置９を備え、前記データ処理装置は受信信号の増幅波形
を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記
増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のう
ち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロク
ロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データか
ら、等次数の２つの近似式または３次以上の近似式を求
め、近似式の時刻軸切片からゼロクロス点の時刻近似値
を得て超音波の送信より受信までの伝播時間が算出され
る構成とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は伝播時間差方式（以
下時間差方式と称す）による超音波流量計の改良に関
し、特に伝播時間を十分に高い時間分解能とともに安定
に計測できる超音波流量計に関する。
下時間差方式と称す）による超音波流量計の改良に関
し、特に伝播時間を十分に高い時間分解能とともに安定
に計測できる超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１０は従来の時間差方式による超音波
流量計の構成を示し、以下その概要を説明する。同図に
おいて符号１は流体入口１ａと同出口１ｂを有する流路
用管体、２ａ、２ｂは管体の両端に設けた１対の超音波
振動子を示す。
流量計の構成を示し、以下その概要を説明する。同図に
おいて符号１は流体入口１ａと同出口１ｂを有する流路
用管体、２ａ、２ｂは管体の両端に設けた１対の超音波
振動子を示す。
【０００３】３は切替器であり、励振パルス電圧源４と
受信信号の増幅器５とを上記振動子２ａまたは２ｂへ交
互に切り替えて接続するが、その切替信号についてはこ
こでは触れない。
受信信号の増幅器５とを上記振動子２ａまたは２ｂへ交
互に切り替えて接続するが、その切替信号についてはこ
こでは触れない。
【０００４】６は振幅を検知する第１コンパレータ、７
はその参照電圧源、８はゼロクロス点を検知する第２コ
ンパレータであり、前記増幅器５にて増幅された受信波
形の電圧値が前記参照電圧源７の電圧値を超えると第２
コンパレータ８はゼロクロス点を検知できる状態にな
る。
はその参照電圧源、８はゼロクロス点を検知する第２コ
ンパレータであり、前記増幅器５にて増幅された受信波
形の電圧値が前記参照電圧源７の電圧値を超えると第２
コンパレータ８はゼロクロス点を検知できる状態にな
る。
【０００５】すなわち、第２コンパレータ８は第１コン
パレータ６の動作後における最初のゼロクロス点を検知
し、このゼロクロス点の受信時刻を検出する。
パレータ６の動作後における最初のゼロクロス点を検知
し、このゼロクロス点の受信時刻を検出する。
【０００６】９はデータ処理装置であり、上記第２コン
パレータ８の出力を受けて振動子励振時刻から受信時刻
までの時間すなわち超音波伝播時間を算出する。
パレータ８の出力を受けて振動子励振時刻から受信時刻
までの時間すなわち超音波伝播時間を算出する。
【０００７】上述した構成により、切替器３を操作して
超音波が流体の流れに逆らう場合の伝播時間Ｔｕと、流
れと同じ向きの場合の伝播時間Ｔｄを測定すれば、これ
らの差から下記のように流速Ｖが、さらにこれに管断面
積Ｓを乗じて流量Ｑが求められることはよく知られてい
るので詳細には述べない。ただしＣは音速、Ｌは振動子
間距離であり、かつＣは（Ｔｕ＋Ｔｄ）より求められ
る。 Ｔｕ−Ｔｄ＝２ＬＶ／Ｃ2 ∴Ｖ＝（Ｔｕ―Ｔｄ）Ｃ2 ／２Ｌ Ｑ＝ＳＶ
超音波が流体の流れに逆らう場合の伝播時間Ｔｕと、流
れと同じ向きの場合の伝播時間Ｔｄを測定すれば、これ
らの差から下記のように流速Ｖが、さらにこれに管断面
積Ｓを乗じて流量Ｑが求められることはよく知られてい
るので詳細には述べない。ただしＣは音速、Ｌは振動子
間距離であり、かつＣは（Ｔｕ＋Ｔｄ）より求められ
る。 Ｔｕ−Ｔｄ＝２ＬＶ／Ｃ2 ∴Ｖ＝（Ｔｕ―Ｔｄ）Ｃ2 ／２Ｌ Ｑ＝ＳＶ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の超
音波流量計には次のような技術的問題が生じる。伝播時
間をデジタル手段により計測する場合、十分に高い時間
分解能を得るためには、単に時間計測用のクロック周波
数を高くするだけでは不十分である。
音波流量計には次のような技術的問題が生じる。伝播時
間をデジタル手段により計測する場合、十分に高い時間
分解能を得るためには、単に時間計測用のクロック周波
数を高くするだけでは不十分である。
【０００９】このことは、Ｌ/Ｃ＝（Ｔｕ＋Ｔｄ）／２
を前記Ｖの式に入れて、 （Ｔｕ−Ｔｄ）／（Ｔｕ＋Ｔｄ）＝Ｖ／Ｃ なる式においてＣ＝１．５ｋｍ／ｓ、Ｖ＝１ｍ／ｓとす
れば伝播時間差は伝播時間の１／１０００以下であるこ
と、および通常使用される振動子の共振周波数が1〜２
ＭＨｚであること、したがって所要のクロック周波数が
極めて高くなることから容易に理解できる。
を前記Ｖの式に入れて、 （Ｔｕ−Ｔｄ）／（Ｔｕ＋Ｔｄ）＝Ｖ／Ｃ なる式においてＣ＝１．５ｋｍ／ｓ、Ｖ＝１ｍ／ｓとす
れば伝播時間差は伝播時間の１／１０００以下であるこ
と、および通常使用される振動子の共振周波数が1〜２
ＭＨｚであること、したがって所要のクロック周波数が
極めて高くなることから容易に理解できる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明に係る第１発明の伝播時間差方式による
超音波流量計は、流路用管体の流体の流れ方向上流側と
下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
る超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅
する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測
定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝
播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅波形
を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記
増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のう
ち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロク
ロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データの中
から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の対デー
タを選んで第１の対データ群とし、同じく電圧絶対値が
最小の対データを含み、第１の対データ群とは構成が同
一ではない複数の対データを選んで第２の対データ群と
し、各対データ群を構成する複数の対データに基づき、
電圧値を変数とし、時刻をその関数とする等次数の近似
式をそれぞれ求め、これら２式の時刻軸切片の平均値を
もって前記ゼロクロス点の時刻近似値とするとともに、
この近似値により超音波の送信より受信までの伝播時間
が算出されることを特徴としている。
ために、本発明に係る第１発明の伝播時間差方式による
超音波流量計は、流路用管体の流体の流れ方向上流側と
下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
る超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅
する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測
定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝
播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅波形
を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記
増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のう
ち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロク
ロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データの中
から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の対デー
タを選んで第１の対データ群とし、同じく電圧絶対値が
最小の対データを含み、第１の対データ群とは構成が同
一ではない複数の対データを選んで第２の対データ群と
し、各対データ群を構成する複数の対データに基づき、
電圧値を変数とし、時刻をその関数とする等次数の近似
式をそれぞれ求め、これら２式の時刻軸切片の平均値を
もって前記ゼロクロス点の時刻近似値とするとともに、
この近似値により超音波の送信より受信までの伝播時間
が算出されることを特徴としている。
【００１１】また、上記第１の発明における実施態様
は、前記第１の対データ群と第２の対データ群が、ｎを
整数として前記電圧絶対値が最小の対データの電圧極性
に応じ、一方の対データ群においては同一極性側にさら
にｎ＋１個、反対の極性側にｎ個の対データが選ばれ、
他方のデータ群においては同一極性側にさらにｎ個、反
対の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれ、好適には前
記ｎを、ｎ＝１とすることを特徴としている。
は、前記第１の対データ群と第２の対データ群が、ｎを
整数として前記電圧絶対値が最小の対データの電圧極性
に応じ、一方の対データ群においては同一極性側にさら
にｎ＋１個、反対の極性側にｎ個の対データが選ばれ、
他方のデータ群においては同一極性側にさらにｎ個、反
対の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれ、好適には前
記ｎを、ｎ＝１とすることを特徴としている。
【００１２】また、第１の発明における他の実施態様
は、前記２つの近似式を、ともに最小自乗法により得ら
れる直線とすることを特徴としている。
は、前記２つの近似式を、ともに最小自乗法により得ら
れる直線とすることを特徴としている。
【００１３】本発明に係る第２の伝播時間差方式による
超音波流量計は、流路用管体の流体の流れ方向上流側と
下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
る超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅
する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測
定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝
播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅波形
を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記
増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のう
ち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロク
ロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データの中
から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の対デー
タを選んで対データ群とし、この対データ群中の対デー
タに基づき、電圧値を変数とし、時刻をその関数とする
３次以上の次数を有する近似式を求め、この式の時刻軸
切片の平均値をもって前記ゼロクロス点の時刻近似値と
するとともに、この近似値により超音波の送信より受信
までの伝播時間が算出されることを特徴としている。
超音波流量計は、流路用管体の流体の流れ方向上流側と
下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
る超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅
する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測
定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝
播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅波形
を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記
増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のう
ち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロク
ロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データの中
から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の対デー
タを選んで対データ群とし、この対データ群中の対デー
タに基づき、電圧値を変数とし、時刻をその関数とする
３次以上の次数を有する近似式を求め、この式の時刻軸
切片の平均値をもって前記ゼロクロス点の時刻近似値と
するとともに、この近似値により超音波の送信より受信
までの伝播時間が算出されることを特徴としている。
【００１４】また、上記第２の発明における実施態様
は、前記対データ群は、ｎを整数として前記電圧絶対値
が最小の対データの時刻の前後からさらにそれぞれｎ個
ずつの対データが選ばれ、好適には前記ｎを、ｎ＝２と
することを特徴としている。
は、前記対データ群は、ｎを整数として前記電圧絶対値
が最小の対データの時刻の前後からさらにそれぞれｎ個
ずつの対データが選ばれ、好適には前記ｎを、ｎ＝２と
することを特徴としている。
【００１５】さらに、上記第２の発明における他の実施
態様は、前記対データ群は、ｎを整数として前記電圧絶
対値が最小の対データの時刻の前後に、この対データの
電圧極性に応じて、同一極性側にさらにｎ＋１個、反対
の極性側にｎ個の対データが選ばれ、好適には前記ｎ
を、ｎ＝１とすることを特徴としている。
態様は、前記対データ群は、ｎを整数として前記電圧絶
対値が最小の対データの時刻の前後に、この対データの
電圧極性に応じて、同一極性側にさらにｎ＋１個、反対
の極性側にｎ個の対データが選ばれ、好適には前記ｎ
を、ｎ＝１とすることを特徴としている。
【００１６】また、上記第２の発明におけるさらに他の
実施態様は、前記対データ群は、ｎを整数として前記電
圧絶対値が最小の対データの時刻の前後に、この対デー
タの電圧極性に応じて、同一極性側にさらにｎ個、反対
の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれ、好適には前記
ｎを、ｎ＝１とすることを特徴としている。
実施態様は、前記対データ群は、ｎを整数として前記電
圧絶対値が最小の対データの時刻の前後に、この対デー
タの電圧極性に応じて、同一極性側にさらにｎ個、反対
の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれ、好適には前記
ｎを、ｎ＝１とすることを特徴としている。
【００１７】
【実施例】以下、本発明に係る超音波流量計の実施例を
添付図面に基づいて説明する。なお、図１において符号
１〜５は図１０に示した従来のものに付した符号に対応
するので、説明は省略する。
添付図面に基づいて説明する。なお、図１において符号
１〜５は図１０に示した従来のものに付した符号に対応
するので、説明は省略する。
【００１８】本実施例の流量計は、データ処理装置９と
して数１０ＭＳ／ｓ程度のサンプリングレートと、１０
〜１２ビット程度の分解能を有するアナログ・デジタル
変換器（以下、ＡＤＣと称す）１０と、高速デジタル信
号処理器（以下、ＤＳＰと称す）１１を備え、増幅器５
にて増幅された受信波形のデータをこのデータ処理装置
９にて演算処理する点を特徴としている。
して数１０ＭＳ／ｓ程度のサンプリングレートと、１０
〜１２ビット程度の分解能を有するアナログ・デジタル
変換器（以下、ＡＤＣと称す）１０と、高速デジタル信
号処理器（以下、ＤＳＰと称す）１１を備え、増幅器５
にて増幅された受信波形のデータをこのデータ処理装置
９にて演算処理する点を特徴としている。
【００１９】振動子の共振周波数が例えば２ＭＨｚのと
きの受信波形をこのようなＡＤＣによりサンプリングす
る結果、図２に●印で示すようなデータが得られる（煩
雑さを避けるためにピークＰ1 付近のみにつき、個数も
減らして示す）。ここで○印はこのピークおよび隣接ピ
ークに付随するゼロクロス点の一例を示す。
きの受信波形をこのようなＡＤＣによりサンプリングす
る結果、図２に●印で示すようなデータが得られる（煩
雑さを避けるためにピークＰ1 付近のみにつき、個数も
減らして示す）。ここで○印はこのピークおよび隣接ピ
ークに付随するゼロクロス点の一例を示す。
【００２０】本発明におけるデータ処理装置９は増幅後
の受信信号の増幅波形を前記ＡＤＣ１０において複数の
電圧値−時刻の対データに変換し、少なくとも1個のゼ
ロクロス点例えばｑ1付近の前後時刻に分布する複数個
の前記対データに基づき、ＤＳＰ１１における演算によ
ってｑ1の時刻近似値を求める。
の受信信号の増幅波形を前記ＡＤＣ１０において複数の
電圧値−時刻の対データに変換し、少なくとも1個のゼ
ロクロス点例えばｑ1付近の前後時刻に分布する複数個
の前記対データに基づき、ＤＳＰ１１における演算によ
ってｑ1の時刻近似値を求める。
【００２１】しかして本発明の流量計においては、上述
したデータ処理装置９によるゼロクロス点の時刻近似値
の演算に関し、大別して２つの演算方式があり、以下各
演算方式について詳述する。
したデータ処理装置９によるゼロクロス点の時刻近似値
の演算に関し、大別して２つの演算方式があり、以下各
演算方式について詳述する。
【００２２】＜第１の演算方式＞第１の演算方式におい
ては、ゼロクロス点の前後時刻における複数の電圧値−
時刻の対データ中から任意の対データを選んで２組の対
データ群を決め、各対データ群の対データに基づいて互
いに次数の等しい近似式を求め、これら近似式の時刻軸
切片の平均値をゼロクロス点の近似値とするものであ
る。
ては、ゼロクロス点の前後時刻における複数の電圧値−
時刻の対データ中から任意の対データを選んで２組の対
データ群を決め、各対データ群の対データに基づいて互
いに次数の等しい近似式を求め、これら近似式の時刻軸
切片の平均値をゼロクロス点の近似値とするものであ
る。
【００２３】なお、前記２組の対データ群は、電圧絶対
値が最小である対データ（以下、最小対データと称す
る）をともに含み、他の対データは重複するものがあっ
てもよいが、云うまでもなく２組の対データ群は同一と
ならないようにしなければならない。
値が最小である対データ（以下、最小対データと称す
る）をともに含み、他の対データは重複するものがあっ
てもよいが、云うまでもなく２組の対データ群は同一と
ならないようにしなければならない。
【００２４】次に、上述した第１の演算方式の具体例を
図３(a)、(b)に基づいて説明する。なお、図３(a)は図
２に示した受信波形グラフにおけるゼロクロス点ｑ1付
近を拡大して示し、図３(b)は(a)をさらに拡大して示す
ものである。
図３(a)、(b)に基づいて説明する。なお、図３(a)は図
２に示した受信波形グラフにおけるゼロクロス点ｑ1付
近を拡大して示し、図３(b)は(a)をさらに拡大して示す
ものである。
【００２５】まず、第１の対データ群として前記最小対
データａ1と、その他の対データａ2、ａ3、ｂ1等を選
び、第２の対データ群として同じく最小対データａ
1と、その他の対データａ2、ｂ1、ｂ2等を選ぶ。
データａ1と、その他の対データａ2、ａ3、ｂ1等を選
び、第２の対データ群として同じく最小対データａ
1と、その他の対データａ2、ｂ1、ｂ2等を選ぶ。
【００２６】これら２つの対データ群につき、電圧値を
変数とし、時刻をその関数とする次数の等しい近似式を
それぞれ求め、これら２つの近似式Ｌ1、Ｌ2の時刻軸切
片ｒ 1およびｒ2の平均値を前記ゼロクロス点ｑ1の近似
値とする。
変数とし、時刻をその関数とする次数の等しい近似式を
それぞれ求め、これら２つの近似式Ｌ1、Ｌ2の時刻軸切
片ｒ 1およびｒ2の平均値を前記ゼロクロス点ｑ1の近似
値とする。
【００２７】ここで、上記近似式として電圧値を変数と
し、時刻をその関数とする理由は、これと逆の場合に比
べて時刻切片を求めるのが遥かに容易な点にある。
し、時刻をその関数とする理由は、これと逆の場合に比
べて時刻切片を求めるのが遥かに容易な点にある。
【００２８】すなわち、時刻を変数、電圧値をその関数
とし、次数が２次以上の近似式である場合、時刻切片を
求めるには、電圧を表す時刻の多次式の各項の係数を求
めた後に式の根を算出しなければならないので、計算が
煩雑になるからである。
とし、次数が２次以上の近似式である場合、時刻切片を
求めるには、電圧を表す時刻の多次式の各項の係数を求
めた後に式の根を算出しなければならないので、計算が
煩雑になるからである。
【００２９】上述のようにして求めたゼロクロス点ｑ1
の近似値から超音波の伝播時間を求め、流体の流方向に
対する正逆方向の伝播時間の差から流量信号が得られ
る。なお、各対データ群を構成する対データの数は通常
偶数でよいが、データ数によっては奇数がよい結果を与
えることもある。
の近似値から超音波の伝播時間を求め、流体の流方向に
対する正逆方向の伝播時間の差から流量信号が得られ
る。なお、各対データ群を構成する対データの数は通常
偶数でよいが、データ数によっては奇数がよい結果を与
えることもある。
【００３０】次に上述した第１の演算方式における実施
態様について説明する。前記２組の対データ群における
対データの個数について、前記最小対データの電圧極性
に応じ、ｎを整数として一方の対データ群は最小対デー
タと同一の極性側にさらにｎ＋１個、反対の極性側にｎ
個を選び、他方の対データ群は同一極性側にさらにｎ
個、反対側にｎ＋１個を選ぶよう構成する。
態様について説明する。前記２組の対データ群における
対データの個数について、前記最小対データの電圧極性
に応じ、ｎを整数として一方の対データ群は最小対デー
タと同一の極性側にさらにｎ＋１個、反対の極性側にｎ
個を選び、他方の対データ群は同一極性側にさらにｎ
個、反対側にｎ＋１個を選ぶよう構成する。
【００３１】一般に近似式を演算する際のデータ数が多
い程、近似精度は高まると考えられるが、ＡＤＣ１０の
サンプリングレートが超音波振動子の周波数に比べて十
分には高くない場合、データ数を増やせば近似式の次数
を挙げる必要が生じ、計算が煩雑になる割には精度は向
上せず、前記数値例ではｎとしてｎ＝１が好適である。
い程、近似精度は高まると考えられるが、ＡＤＣ１０の
サンプリングレートが超音波振動子の周波数に比べて十
分には高くない場合、データ数を増やせば近似式の次数
を挙げる必要が生じ、計算が煩雑になる割には精度は向
上せず、前記数値例ではｎとしてｎ＝１が好適である。
【００３２】また、近似式として、一般に最小自乗法に
よる式を使用するが、データ数と近似式の次数の差を１
としていわゆる補間公式を使用するのが簡便である。な
お、図３は直線近似の例を示している。
よる式を使用するが、データ数と近似式の次数の差を１
としていわゆる補間公式を使用するのが簡便である。な
お、図３は直線近似の例を示している。
【００３３】＜実施態様１−１＞次に、第１の演算方式
につき、実際の測定において得られる受信波形に近い波
形を想定した数値シミュレーションの結果を図４乃至図
６に基づいて説明する。図４は受信信号の模擬波形であ
り、その周波数は２ＭＨｚ、ＡＤＣ１０のサンプリング
レートは５０ＭＳ／ｓとしてある。
につき、実際の測定において得られる受信波形に近い波
形を想定した数値シミュレーションの結果を図４乃至図
６に基づいて説明する。図４は受信信号の模擬波形であ
り、その周波数は２ＭＨｚ、ＡＤＣ１０のサンプリング
レートは５０ＭＳ／ｓとしてある。
【００３４】同図４中に示した６つのゼロクロス点ｑ1
〜ｑ6につき、第１と第２の各対データ群における対デ
ータ数を４とし、近似式には最小自乗法による直線近似
式を使用してＡＤＣ１０のサンプリングの位相が変化し
たときのゼロクロス時刻誤差をシミュレーションにより
求めた結果を図５に示す。
〜ｑ6につき、第１と第２の各対データ群における対デ
ータ数を４とし、近似式には最小自乗法による直線近似
式を使用してＡＤＣ１０のサンプリングの位相が変化し
たときのゼロクロス時刻誤差をシミュレーションにより
求めた結果を図５に示す。
【００３５】ここで、横軸は各ゼロクロス点を基準とす
る最小対データの時刻を表し、その極性は受信波形の尾
に向かう方向を正としている。
る最小対データの時刻を表し、その極性は受信波形の尾
に向かう方向を正としている。
【００３６】この図５に示された結果から、各ゼロクロ
ス点によって誤差は異なるが、そのサンプリング位相変
化による誤差変動すなわち安定性は１００ｐｓ程度に収
まっていて、十分実用になることがわかる。なお、この
誤差そのものは伝播時間の一部として扱うことができ
る。
ス点によって誤差は異なるが、そのサンプリング位相変
化による誤差変動すなわち安定性は１００ｐｓ程度に収
まっていて、十分実用になることがわかる。なお、この
誤差そのものは伝播時間の一部として扱うことができ
る。
【００３７】＜実施態様１−２＞さらに、図６は第１と
第２の各対データ群における対データ数を４とし、近似
式には電圧値を変数とし、時刻をその関数とする補間３
次式を使用したときの誤差を示し、その位相変化による
誤差変動は最も大きいゼロクロス点ｑ1においても４０
ｐｓ程度に減少しており、精度の高い測定を行なえるこ
とがわかる。
第２の各対データ群における対データ数を４とし、近似
式には電圧値を変数とし、時刻をその関数とする補間３
次式を使用したときの誤差を示し、その位相変化による
誤差変動は最も大きいゼロクロス点ｑ1においても４０
ｐｓ程度に減少しており、精度の高い測定を行なえるこ
とがわかる。
【００３８】＜第２の演算方式＞次に、本発明に係る第
２の演算方式について説明する。上述した第１の演算方
式においては２組の対データ群に基づいて２つの近似式
を求めたが、この第２の演算方式においては、ゼロクロ
ス点ｑ1の前後時刻における複数の対データを選んで１
つの対データ群とし、この対データ群を構成する対デー
タに基づいて３次以上の次数の近似式を１つ求め、この
近似式の時刻軸切片を前記ゼロクロス点の時刻近似値と
する。なお、上記対データ群は前記最小対データを必ず
含むものとする。
２の演算方式について説明する。上述した第１の演算方
式においては２組の対データ群に基づいて２つの近似式
を求めたが、この第２の演算方式においては、ゼロクロ
ス点ｑ1の前後時刻における複数の対データを選んで１
つの対データ群とし、この対データ群を構成する対デー
タに基づいて３次以上の次数の近似式を１つ求め、この
近似式の時刻軸切片を前記ゼロクロス点の時刻近似値と
する。なお、上記対データ群は前記最小対データを必ず
含むものとする。
【００３９】具体的には、対データ群を最小データａ1
と、その他の対データａ2、ａ3、ｂ1、ｂ2、ｂ3等を選
び、これらの対データにつき電圧値を変数とし、時刻を
その関数とする３次以上の次数の近似式を１つ求め、こ
の近似式の時刻軸切片をゼロクロス点ｑ1の時刻近似値
とする。
と、その他の対データａ2、ａ3、ｂ1、ｂ2、ｂ3等を選
び、これらの対データにつき電圧値を変数とし、時刻を
その関数とする３次以上の次数の近似式を１つ求め、こ
の近似式の時刻軸切片をゼロクロス点ｑ1の時刻近似値
とする。
【００４０】そして、この時刻近似値より超音波の伝播
時間を求め、流体の流方向に対する正逆方向の伝播時間
の差から流量信号を得る。なお、近似式として電圧値を
変数とし、時刻をその関数とする理由は、第１の演算方
式と同じであり、時刻切片を求めるのが容易である点に
ある。
時間を求め、流体の流方向に対する正逆方向の伝播時間
の差から流量信号を得る。なお、近似式として電圧値を
変数とし、時刻をその関数とする理由は、第１の演算方
式と同じであり、時刻切片を求めるのが容易である点に
ある。
【００４１】ところで、複数の対データから近似式を演
算してゼロクロス点を求めるには、最小自乗法による直
線（１次式）を使用するのが一般的であるが、この演算
方法では伝播時間の演算に適用する場合近似精度が不十
分であるので、上述した第２の演算方式では３次以上の
次数の近似式を用いている。
算してゼロクロス点を求めるには、最小自乗法による直
線（１次式）を使用するのが一般的であるが、この演算
方法では伝播時間の演算に適用する場合近似精度が不十
分であるので、上述した第２の演算方式では３次以上の
次数の近似式を用いている。
【００４２】上述した第１の演算方式と第２の演算方式
とを比較すると、近似式を得るのに用いる対データの総
数が同じである場合、第１の演算方式では２つの近似式
を使用するので、近似式の次数が少なくて済み、したが
って、時間軸切片の計算が第２の演算方式よりも容易で
ある。ただし、近似精度は一般に第２の演算方式の方が
優れているので、必要に応じていずれかの方式を選ぶ。
とを比較すると、近似式を得るのに用いる対データの総
数が同じである場合、第１の演算方式では２つの近似式
を使用するので、近似式の次数が少なくて済み、したが
って、時間軸切片の計算が第２の演算方式よりも容易で
ある。ただし、近似精度は一般に第２の演算方式の方が
優れているので、必要に応じていずれかの方式を選ぶ。
【００４３】また、上述した各演算方式の説明では、１
つのゼロクロス点の近似値を求める場合について述べた
が、複数のゼロクロス点について上述した各演算方式と
同様の手順で近似値を求め、得られた複数の時刻近似値
を平均すれば、より精度と安定度の高い伝播時間が得ら
れ、したがって高精度の流量測定を行なうことができる
ことは明らかである。
つのゼロクロス点の近似値を求める場合について述べた
が、複数のゼロクロス点について上述した各演算方式と
同様の手順で近似値を求め、得られた複数の時刻近似値
を平均すれば、より精度と安定度の高い伝播時間が得ら
れ、したがって高精度の流量測定を行なうことができる
ことは明らかである。
【００４４】＜実施態様２−１＞次に上述した第２の演
算方式における実施態様について説明する。前記対デー
タ群を構成する対データとして、前記最小対データと、
この最小対データの時刻前と同時刻後に分布する対デー
タをそれぞれ２個ずつ選び、これら５つの対データに基
づいて電圧値を変数とし、時刻をその関数とする近似式
として最小自乗法による３次近似式を使用したときのシ
ミュレーション結果を図７に示す。
算方式における実施態様について説明する。前記対デー
タ群を構成する対データとして、前記最小対データと、
この最小対データの時刻前と同時刻後に分布する対デー
タをそれぞれ２個ずつ選び、これら５つの対データに基
づいて電圧値を変数とし、時刻をその関数とする近似式
として最小自乗法による３次近似式を使用したときのシ
ミュレーション結果を図７に示す。
【００４５】このシミュレーション結果から、第２の演
算方式により得られたゼロクロス点の近似値は実用上十
分な精度を有するということがわかる。
算方式により得られたゼロクロス点の近似値は実用上十
分な精度を有するということがわかる。
【００４６】＜実施態様２−２＞さらに、図８は第２の
演算方式において、対データ群を構成する対データを、
最小対データと同一の極性側にさらに１個、反対の極性
側に２個を選び、これら４つの対データにつき電圧値を
変数とし、時刻をその関数とする３次補間式を使用した
ときの誤差を示し、その位相変化による誤差変動は図６
に示した第１の演算方式によるシミュレーション結果よ
り少なく、良好な結果が得られた。
演算方式において、対データ群を構成する対データを、
最小対データと同一の極性側にさらに１個、反対の極性
側に２個を選び、これら４つの対データにつき電圧値を
変数とし、時刻をその関数とする３次補間式を使用した
ときの誤差を示し、その位相変化による誤差変動は図６
に示した第１の演算方式によるシミュレーション結果よ
り少なく、良好な結果が得られた。
【００４７】＜他の実施例＞本発明に係る超音波流量計
における検出器の構成としては、図１に示すように流路
用管体１に直管１ａの両端に超音波振動子２ａ、２ｂを
設ける構成の他に、例えば図９に示すように超音波振動
子１２ａ、１２ｂを、直管よりなる流路用管体１３の外
周に設けたいわゆるクランプオン形とする場合もあり、
図１の構成と同様に適用できて良好な結果が得られる。
における検出器の構成としては、図１に示すように流路
用管体１に直管１ａの両端に超音波振動子２ａ、２ｂを
設ける構成の他に、例えば図９に示すように超音波振動
子１２ａ、１２ｂを、直管よりなる流路用管体１３の外
周に設けたいわゆるクランプオン形とする場合もあり、
図１の構成と同様に適用できて良好な結果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、受信
波形のゼロクロス点の時刻近似値を２つの近似式からま
たは３次以上の１つの近似式から演算して求めるので、
十分に高い分解能を得ることができるとともに、ＡＤＣ
のサンプリング位相の変動にかかわらず、安定した高精
度の計測を行なうことができ、優れた測定精度の超音波
流量計を実現することができる。
波形のゼロクロス点の時刻近似値を２つの近似式からま
たは３次以上の１つの近似式から演算して求めるので、
十分に高い分解能を得ることができるとともに、ＡＤＣ
のサンプリング位相の変動にかかわらず、安定した高精
度の計測を行なうことができ、優れた測定精度の超音波
流量計を実現することができる。
【図１】本発明に係る超音波流量計の構成図。
【図２】本発明における受信波形を示すグラフ。
【図３】(a)は図２のグラフにおけるゼロクロス点付近
を拡大して示すグラフであり、(b)はさらに拡大して示
すグラフ。
を拡大して示すグラフであり、(b)はさらに拡大して示
すグラフ。
【図４】受信波形を模擬した波形を示すグラフ。
【図５】実施態様１−１による誤差評価の一例を示すグ
ラフ。
ラフ。
【図６】実施態様１−２による誤差評価の一例を示すグ
ラフ。
ラフ。
【図７】実施態様２−１による誤差評価の一例を示すグ
ラフ。
ラフ。
【図８】実施態様２−２による誤差評価の一例を示すグ
ラフ。
ラフ。
【図９】本発明の流量計における検出器の他の例を示す
一部破断正面図。
一部破断正面図。
【図１０】従来の伝播時間差方式による超音波流量計の
構成図。
構成図。
【符号の説明】
１ 流路用管体
２ａ、２ｂ 超音波振動子
３ 切替器
４ 励振電圧源
５ 増幅器
６ 第１のコンパレータ
７ 参照電圧
８ 第２のコンパレータ
９ データ処理装置
１０ アナログ・デジタル変換器
１１ 高速デジタル信号処理器
１２ａ、１２ｂ 超音波振動子
１３ 流路用管体
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 重田 邦和
東京都八王子市打越町983−55 有限会社
テクノデータ内
Ｆターム(参考） 2F035 DA14 DA23
Claims (10)
- 【請求項１】(a) 流路用管体の流体の流れ方向上流側と
下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
る超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅
する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測
定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝
播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
(b) 前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅
波形を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、(c) か
つ、前記増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス
点のうち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、この
ゼロクロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対デー
タの中から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の
対データを選んで第１の対データ群とし、同じく電圧絶
対値が最小の対データを含み、第１の対データ群とは構
成が同一ではない複数の対データを選んで第２の対デー
タ群とし、各対データ群を構成する複数の対データに基
づき、電圧値を変数とし、時刻をその関数とする等次数
の近似式をそれぞれ求め、これら２式の時刻軸切片の平
均値をもって前記ゼロクロス点の時刻近似値とするとと
もに、この近似値により超音波の送信より受信までの伝
播時間が算出される伝播時間差方式による超音波流量
計。 - 【請求項２】前記第１の対データ群と第２の対データ群
は、ｎを整数として前記電圧絶対値が最小の対データの
電圧極性に応じ、一方の対データ群においては同一極性
側にさらにｎ＋１個、反対の極性側にｎ個の対データが
選ばれ、他方のデータ群においては同一極性側にさらに
ｎ個、反対の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれる請
求項１に記載の伝播時間差方式による超音波流量計。 - 【請求項３】前記ｎを、ｎ＝１とする請求項２に記載の
伝播時間差方式による超音波流量計。 - 【請求項４】前記２つの近似式を、ともに最小自乗法に
より得られる直線とする請求項１に記載の伝播時間差方
式による超音波流量計。 - 【請求項５】(a) 流路用管体の流体の流れ方向上流側と
下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた
１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送
信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播す
る超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅
する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測
定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝
播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
(b) 前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅
波形を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、(c) か
つ、前記増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス
点のうち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、この
ゼロクロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対デー
タの中から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の
対データを選んで対データ群とし、この対データ群中の
対データに基づき、電圧値を変数とし、時刻をその関数
とする３次以上の次数を有する近似式を求め、この式の
時刻軸切片の平均値をもって前記ゼロクロス点の時刻近
似値とするとともに、この近似値により超音波の送信よ
り受信までの伝播時間が算出される伝播時間差方式によ
る超音波流量計。 - 【請求項６】前記対データ群は、ｎを整数として前記電
圧絶対値が最小の対データの時刻の前後からさらにそれ
ぞれｎ個ずつの対データが選ばれる請求項５に記載の伝
播時間差方式による超音波流量計。 - 【請求項７】前記ｎを、ｎ＝２とする請求項６に記載の
伝播時間差方式による超音波流量計。 - 【請求項８】前記対データ群は、ｎを整数として前記電
圧絶対値が最小の対データの時刻の前後に、この対デー
タの電圧極性に応じて、同一極性側にさらにｎ＋１個、
反対の極性側にｎ個の対データが選ばれる請求項５に記
載の伝播時間差方式による超音波流量計。 - 【請求項９】前記対データ群は、ｎを整数として前記電
圧絶対値が最小の対データの時刻の前後に、この対デー
タの電圧極性に応じて、同一極性側にさらにｎ個、反対
の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれる請求項５に記
載の伝播時間差方式超音波流量計。 - 【請求項１０】前記ｎを、ｎ＝１とする請求項８および
９に記載の伝播時間差方式超音波流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001335162A JP3698667B2 (ja) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | 伝播時間差方式による超音波流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001335162A JP3698667B2 (ja) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | 伝播時間差方式による超音波流量計 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005127096A Division JP4156608B2 (ja) | 2005-04-25 | 2005-04-25 | 伝播時間差方式による超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003139592A true JP2003139592A (ja) | 2003-05-14 |
| JP3698667B2 JP3698667B2 (ja) | 2005-09-21 |
Family
ID=19150181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001335162A Expired - Lifetime JP3698667B2 (ja) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | 伝播時間差方式による超音波流量計 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3698667B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100791319B1 (ko) | 2006-01-11 | 2008-01-03 | (주) 그린텍아이엔씨 | 하수관거용 초음파 도플러 유량계 |
| JP5286524B2 (ja) * | 2006-03-22 | 2013-09-11 | 国立大学法人群馬大学 | 周波数測定装置及び周波数測定方法 |
| CN106404084A (zh) * | 2015-08-10 | 2017-02-15 | 杭州思筑智能设备有限公司 | 一种测量气体流量的方法 |
| CN106643930A (zh) * | 2015-08-10 | 2017-05-10 | 杭州思筑智能设备有限公司 | 一种改进的超声波流量计 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5346870B2 (ja) * | 2010-04-16 | 2013-11-20 | 株式会社アツデン | 超音波流量計 |
-
2001
- 2001-10-31 JP JP2001335162A patent/JP3698667B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100791319B1 (ko) | 2006-01-11 | 2008-01-03 | (주) 그린텍아이엔씨 | 하수관거용 초음파 도플러 유량계 |
| JP5286524B2 (ja) * | 2006-03-22 | 2013-09-11 | 国立大学法人群馬大学 | 周波数測定装置及び周波数測定方法 |
| CN106404084A (zh) * | 2015-08-10 | 2017-02-15 | 杭州思筑智能设备有限公司 | 一种测量气体流量的方法 |
| CN106643930A (zh) * | 2015-08-10 | 2017-05-10 | 杭州思筑智能设备有限公司 | 一种改进的超声波流量计 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3698667B2 (ja) | 2005-09-21 |
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