JP2008014771A - Apparatus for measuring propagation time of pulse signal and ultrasonic apparatus for measuring quantity of flow - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス状の超音波等のパルス状信号が気体、液体、固体等の媒質中を伝搬するのに要する時間を測定する伝搬時間測定装置、かかるパルス状信号の伝搬時間に基づいて液体や気体の流速等の物理量を測定する物理量測定装置、及びかかる伝搬時間測定装置及び物理量測定装置を超音波式流量測定に適用した超音波式流量測定装置に関する。 The present invention relates to a propagation time measuring device for measuring the time required for a pulsed signal such as a pulsed ultrasonic wave to propagate through a medium such as gas, liquid, solid, etc., and a liquid based on the propagation time of the pulsed signal. The present invention relates to a physical quantity measuring device that measures a physical quantity such as a gas flow velocity or the like, and an ultrasonic flow measuring device in which the propagation time measuring device and the physical quantity measuring device are applied to ultrasonic flow measurement.
パルス状信号を受信してその伝搬時間を測定し、それに基づいて既知の関係式により物理量を評価ないしは測定することが広く知られている。例えば、流体の流速を求める方法の一つである超音波伝搬時間差法では、流れに沿う方向及びその逆方向に超音波を発信し、それら二つの方向での超音波の伝搬時間から既知の関係式に基づいて伝搬経路上での平均流速を求める。また、超音波の発信位置と受信位置の物理的距離Lと音速Cのうち一方が既知で他方が未知である場合、ある音源からパルス状信号を送信し、そのパルス状信号が受信されるまでの伝搬時間Tを計測すれば、L=C×Tの関係式に基づいて未知量を評価できる。 It is widely known to receive a pulsed signal, measure its propagation time, and evaluate or measure a physical quantity based on a known relational expression. For example, in the ultrasonic propagation time difference method, which is one of the methods for obtaining the flow velocity of a fluid, an ultrasonic wave is transmitted in the direction along the flow and vice versa, and a known relationship is found from the propagation time of the ultrasonic wave in those two directions. Based on the equation, the average flow velocity on the propagation path is obtained. Further, when one of the physical distance L and the sound velocity C between the transmission position and reception position of the ultrasonic wave is known and the other is unknown, a pulse signal is transmitted from a certain sound source, and the pulse signal is received. Can be evaluated based on the relational expression L = C × T.
パルス状信号の伝搬時間に基づく物理量の測定では、パルス状信号の伝搬時間の正確な計測が不可欠である。パルス状信号の送信タイミングは通常は測定者により与えられ既知であるので、伝搬時間の正確な計測は受信タイミング、すなわち受信したパルス状信号の時間軸上の受信位置を正確に評価ないしは測定することに帰結する。 In the measurement of a physical quantity based on the propagation time of a pulse signal, accurate measurement of the propagation time of the pulse signal is indispensable. Since the transmission timing of the pulse signal is usually given and known by the measurer, accurate measurement of the propagation time is to accurately evaluate or measure the reception timing, that is, the reception position on the time axis of the received pulse signal. As a result.
一般に、パルス状信号の時間軸上の受信位置の測定に関し、信号振幅に対する閾値を設け、受信信号が閾値を超えた時点、あるいはその前後のゼロクロス点を受信位置とする方法(閾値法)と、ある基準波形との相互相関係数の変化から受信位置を求める方法(相互相関法)が知られている。 In general, regarding the measurement of the reception position on the time axis of the pulse signal, a method for setting a threshold for the signal amplitude and setting the reception position at the time when the reception signal exceeds the threshold or before and after the zero cross point (threshold method), A method (cross-correlation method) for obtaining a reception position from a change in cross-correlation coefficient with a certain reference waveform is known.
しかし、パルス状信号の送信波形が同一であっても、パルス状信号が伝搬する媒質の状態や周囲の環境により受信波形は様々な形状に変化する。従って、閾値法では、ある一定の閾値を超える振幅が発生するタイミングは受信波形内で相対的に変化する可能性があり、それによって伝搬時間評価に誤差が生じる。例えば、受信波形が図7(A),(B)に示すように変化する場合、図7(A)に示す波形と図7(B)に示す波形では一定の閾値THを超える振幅が発生するタイミングは1波分異なる(符号a,a’参照)。これに対し、特許文献1に記載の方法では、2つのほぼ連続するパルス状信号を受信し、1個目の受信波形の最大振幅に基づいて閾値を調整し、2個目の波形がその閾値を超える時点に基づいて伝搬時間を決定している。しかし、かかる閾値調整を行っても時系列的に見て受信波形の波形形状が安定しない限り、閾値を超える時点はやはり受信波形内で相対的に変化するので、正確な伝搬時間評価はなされない。また、相互相関法については、様々に変化する受信波形形状に対応する適切な基準波形を定めることは困難であり、相関係数の最大値等で規定した受信位置も受信波形内で相対的に変化することが容易に推察される。
However, even if the transmission waveform of the pulse signal is the same, the reception waveform changes into various shapes depending on the state of the medium through which the pulse signal propagates and the surrounding environment. Therefore, in the threshold method, the timing at which the amplitude exceeding a certain threshold value occurs may change relatively in the received waveform, which causes an error in the propagation time evaluation. For example, when the received waveform changes as shown in FIGS. 7A and 7B, the waveform shown in FIG. 7A and the waveform shown in FIG. 7B generate an amplitude exceeding a certain threshold TH. The timing differs by one wave (see symbols a and a ′). On the other hand, in the method described in
本発明は、高精度でのパルス状信号の伝搬時間の測定を実現することを課題とする。また、本発明は、さらに、本発明は高精度での流量計測を実現することを課題とする。 An object of the present invention is to realize measurement of the propagation time of a pulse signal with high accuracy. Further, the present invention has an object to realize flow measurement with high accuracy.
第1の発明は、発信器(1A,1B)から発信されたパルス状信号が媒質中を伝搬して受信器(1A,1B)に到達するまでの伝搬時間(T+,T−)を測定するパルス状信号の伝搬時間測定装置であって、前記受信器で受信された波形を記憶する記憶手段(16)と、前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形(32)の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段(S3−1)と、前記概略位置算出手段(S3−1)で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク(PN−2,PN−1,PN,PN+1)を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲(NLR)と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク(PN+1)とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク(PN)との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置(tr)と判定する第1の判定手段(S3−3)と、前記発信器から前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置(tt)と前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段(S3−6)とを備えることを特徴とするパルス状信号の伝搬時間測定装置を提供する。 The first invention measures the propagation time (T + , T − ) until the pulse signal transmitted from the transmitter (1A, 1B) propagates through the medium and reaches the receiver (1A, 1B). A pulse time signal propagation time measuring device for storing a waveform received by the receiver (16), and a waveform of the pulse signal received from the waveform stored in the memory means (32). ) Of the approximate position on the time axis and the approximate position on the time axis calculated by the approximate position calculation means (S3-1). Peaks (P N-2 , P N-1 , P N , P N + 1 ) are sequentially detected retrospectively along the time axis, and the detected peaks are compared with a predetermined noise level range (NLR), The peak that first falls below the noise level range. Click (P N + 1) and the peak (P N) receive position on the time axis of the pulse-shaped signal the zero-cross point between (t r) and the first determining exceeding the noise level range immediately before Determination means (S3-3), propagation time calculation means (S3-) for calculating the propagation time from the transmission position (t t ) on the time axis from which the pulse signal is transmitted from the transmitter and the reception position And 6). A device for measuring a propagation time of a pulse signal is provided.
第1の判定手段は、受信器で受信される信号の信号レベルによらずパルス状信号の受信波形の時間軸上の受信位置を高精度で判定できる。従って、伝搬時間算出手段はパルス状信号の送信位置と受信位置からパルス状信号の正確な伝搬時間を算出できる。 The first determination means can determine the reception position on the time axis of the reception waveform of the pulse signal with high accuracy regardless of the signal level of the signal received by the receiver. Therefore, the propagation time calculation means can calculate the accurate propagation time of the pulse signal from the transmission position and the reception position of the pulse signal.
より高精度で受信位置を判定するには、前記ノイズレベル範囲(NLR)を最初に下回った前記ピーク(PN+1)の直前の前記ピーク(PN)とさらにその直前の前記ピーク(PN−1)との間の時間間隔(δt)が、前記発信器(2A,2B)から発信されるパルス状信号の波長(λ)の1/2から予め定められた範囲外であれば、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク(PN+1)の直前の前記ピーク(PN)とさらにその直前の前記ピーク(PN−1)との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置(tr’)と判定する第2の判定手段(S3−4)をさらに備えることが好ましい。 More determines reception position with high accuracy, the noise level range (NLR) the peak (P N) and further the peak of the immediately preceding immediately before the first to the peak falls below the (P N + 1) (P N- 1 )) if the time interval (δt) is outside the predetermined range from 1/2 of the wavelength (λ) of the pulse signal transmitted from the transmitter (2A, 2B), the noise said peak falls below the level range for the first (P N + 1) said peak (P N) and further the time axis of the pulse-shaped signal the zero-cross point between the peak of the immediately preceding (P N-1) immediately preceding the It is preferable to further include second determination means (S3-4) for determining the upper reception position (t r ′).
また、より高精度に受信位置を判定するには、前記第1の判定手段(S3−3)及び前記第2の判定手段(S3−4)で判定された前記パルス状信号の前記時間軸上の前記受信位置(tr,tr’)から前記時間軸上を予め定められた期間(N)だけ遡った範囲内に前記ノイズレベル範囲(NLR)を上回るピーク(P’)があれば、前記第1の判定手段(S3−3)及び前記第2の判定手段(S3−4)にそのピーク位置(P’)から前記時間軸を遡って前記受信位置(tr,tr’)の判定を再度実行させる再判定手段(S3−5)をさらに備えることが好ましい。 Further, in order to determine the reception position with higher accuracy, the pulse-like signal determined by the first determination means (S3-3) and the second determination means (S3-4) on the time axis. if there is the reception position of (t r, t r ') predetermined time period on the time axis from (N) only predated the noise level range within the range (NLR) peak (P greater than'), The first determination means (S3-3) and the second determination means (S3-4) are moved back from the peak position (P ′) to the time axis and the reception position ( tr , tr ′). It is preferable to further include a re-determination means (S3-5) for executing the determination again.
前記ノイズレベル(NL)及び前記ノイズレベル範囲(NLR)は、前記受信波形(32)を含まない程度に前記概略位置よりも以前の前記受信器で検出される信号レベルに基づいて算出することが好ましい。これによって受信ゲインの変動等による信号レベルの変化に対してノイズレベルの変動を自己補償することができ、より構成の伝搬時間の測定が可能となる。 The noise level (NL) and the noise level range (NLR) may be calculated based on a signal level detected by the receiver before the approximate position to the extent that the received waveform (32) is not included. preferable. As a result, the fluctuation of the noise level can be self-compensated with respect to the change of the signal level due to the fluctuation of the reception gain or the like, and the propagation time of the configuration can be measured.
第2の発明は、水路(1)の両側に配置された一対の超音波プローブ(2A,2B)のうちの一方から発信された超音波のパルス状信号が前記水路を流れる流水中を伝播して他方の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間(T+,T−)に基づいて、前記水路を流れる流水の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、前記超音波プローブで受信された波形を記憶する記憶手段(16)と、前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形(32)の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段(S3−1)と、前記概略位置算出手段で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク(PN−2,PN−1,PN,PN+1)を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲(NLR)と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク(PN+1)とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク(PN)との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置(tr)と判定する判定手段(S3−3)と、前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置(tt)と、前記判定手段で判定された前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段(S3−6)と前記伝搬時間算出手段で算出された前記伝搬時間に基づいて流速の測定値(Vm)を算出する流速算出手段(18)と、前記流速算出手段で算出された前記流速の測定値(Vm)に基づいて流量(Q)を算出する流量算出手段(21)とを備えることを特徴とする超音波式流量測定装置を提供する。 According to a second aspect of the present invention, an ultrasonic pulse signal transmitted from one of a pair of ultrasonic probes (2A, 2B) disposed on both sides of the water channel (1) propagates in flowing water flowing through the water channel. And an ultrasonic flow measuring device that measures the flow rate of the flowing water flowing through the water channel based on the propagation time (T + , T − ) until the other ultrasonic probe is reached. Storage means (16) for storing the processed waveform, and approximate position calculation means (S3) for calculating the approximate position on the time axis of the received waveform (32) of the pulse signal from the waveform stored in the storage means -1), and the approximate position on the time axis calculated by the approximate position calculation means, the peak (P N-2 , P N−1 , P N , P N + 1 ) of the waveform is expressed on the time axis. Detected retroactively and before detection Compared to a predetermined noise level range a peak (NLR), between the peak (P N) above the noise level range of the and the immediately preceding peak (P N + 1) falls below the noise level range for the first Determining means (S3-3) for determining the zero-crossing point as the reception position (t r ) on the time axis of the pulse signal, and the transmission position (t t ) on the time axis at which the pulse signal is transmitted And a propagation time calculation means (S3-6) for calculating the propagation time from the reception position determined by the determination means, and a flow velocity measurement value (S3-6) based on the propagation time calculated by the propagation time calculation means (S3-6). comprises a flow rate calculating means for calculating a V m) (18), and a measured value of the flow rate calculated by the flow rate calculating means (flow rate calculating means (21 for calculating the flow rate (Q) based on V m)) That To provide an ultrasonic flow rate measuring device according to symptoms.
受信側の超音波プローブで受信される超音波の信号レベルによらず、発信側の超音波プローブから発信された超音波のパルス状信号が水中を電波して受信側の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間を正確に測定し、それに基づいて高精度での流量測定が可能である。 Regardless of the signal level of the ultrasonic wave received by the ultrasonic probe on the reception side, the pulse signal of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic probe on the transmission side reaches the ultrasonic probe on the reception side via radio waves in water. It is possible to accurately measure the propagation time up to and measure the flow rate with high accuracy.
第1の発明のパルス状信号の伝搬時間測定装置によれば、受信器で受信される信号の信号レベルによらず、発信器から発信されたパルス状信号が媒質中を伝搬して受信器に到達するまでの伝搬時間を正確に測定できる。また、第2の発明の超音波式流量測定装置によれば、伝搬時間を正確に測定し、それに基づいて高精度での流量測定を行うことができる。 According to the pulse signal propagation time measuring apparatus of the first invention, the pulse signal transmitted from the transmitter propagates through the medium to the receiver regardless of the signal level of the signal received by the receiver. Propagation time to reach can be measured accurately. Further, according to the ultrasonic flow measuring device of the second invention, it is possible to accurately measure the propagation time and perform flow measurement with high accuracy based on it.
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す。この超音波式流量測定装置は、開水路1の両岸に配置された一対の超音波プローブ2A,2Bと、これらの超音波プローブ2A,2Bによる超音波の発信及び受信の制御と、各種の演算を含む流量測定のための処理を実行する処理装置3とを備える。
FIG. 1 shows an ultrasonic flow measuring device according to an embodiment of the present invention. This ultrasonic flow measuring device includes a pair of
超音波プローブ2A,2Bは、超音波の発信及び受信を行うためのピエゾ素子を備えている。超音波プローブ2A,2Bは開水路1中の流水の流れ方向Fに対して直角でない角度θをなすように対向して配置されている。超音波プローブ2Aが上流側に位置し、超音波プローブ2Bが下流側に位置している。また、超音波プローブ2A,2Bは、川底から同一の高さに配置されている。
The
処理装置3は、周知のオシロスコープ、パーソナルコンピュータ、各種電気・電子回路により構成され、パルス発生部11、タイマ12、増幅器13、A/D変換器14、サンプリング回路15、メモリ16、伝搬時間算出部17、流速計算部18、及び流量算出部21を備える。
The processing device 3 includes a known oscilloscope, personal computer, and various electric / electronic circuits, and includes a
パルス発生部11は、ピエゾ素子を駆動するためのパルス電圧を発信側の超音波プローブ2A,2Bに印加し、超音波のパルス状信号を超音波プローブ2A,2Bに発信させる。超音波プローブ2A,2Bからパルス状信号が発信された時間軸上の位置である送信位置tsがタイマ12により計時される。超音波プローブ2A,2Bのうちの一方から発信されたパルス状信号は開水路1中の流水を伝搬して超音波プローブ2A,2Bのうちの他方に到達する。図4に示すように、超音波プローブ2A,2Bのうちの一方から発信されるパルス状信号の送信波形31は本実施形態では矩形波形である。超音波プローブ2A,2Bのうちの他方に到達したパルス状信号の受信波形32は流水中を伝搬する間に大きく変化する。
The
図4を参照すると、前述の送信位置ttと発信されたパルス状信号が受信側の超音波プローブ2A,2Bで受信される時間軸上の位置である受信位置trとの時間間隔が2つの超音波プローブ2A,2B間をパルス状信号が伝搬するのに要した伝搬時間T+,T−である。伝搬時間T+,T−について、添字「+」は上流側の超音波プローブ2Aから下流側の超音波プローブ2Bへ向かうパルス状信号の伝搬時間(流れ方向Fに沿う方向の伝搬時間)であることを示し、添字「−」は下流側の超音波プローブ2Bから上流側の超音波プローブ2Aへ向かうパルス状信号の伝搬時間(流れ方向Fとは逆方向の伝搬時間)であることを示す。
Referring to FIG. 4, the time interval between the position at which the receiving position t r on the time axis originating pulsed signal and the transmission position t t described above is received by the
増幅器13は受信側の超音波プローブ2A,2Bの出力するアナログ信号を増幅し、A/D変換器14は増幅されたアナログ信号をA/D変換する。サンプリング回路15はデジタル化された信号のサンプリングを行い、メモリ16はサンプリング回路15でサンプリングされた受信信号を記憶する。従って、メモリ16には受信側の超音波プローブ2A,2Bで受信された波形が記憶される。伝搬時間算出部17はメモリ16に記憶された波形からパルス状信号の受信波形の受信位置trを判定し、さらに判定した受信位置trと前述の送信位置ttとから伝搬時間T+,T−を計算する。流速計算部18は伝搬時間計算部17で計算された伝搬時間T+,T−から開水路1の流速の測定値Vmを計算する。流量計算部21は流速の測定値Vmから開水路1の流量Qを計算する。
The
図2及び図3のフローチャートを参照して本実施形態の超音波式流量測定装置による流量測定について説明する。 Flow measurement by the ultrasonic flow measurement device of the present embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
流速測定は図2に示す手順で実行される。ステップS2−1,S2−2は伝搬時間T+を得るための処理である。まず、ステップS2−1において、上流側の超音波プローブ2Aから発信された超音波のパルス状信号を下流側の超音波プローブ2Bで受信し、メモリ16に記憶する。次に、ステップS2−2において伝搬時間算出部17が超音波プローブ2Bで受信した波形に基づいて、伝搬時間T+を判定する。ステップS2−3,S2−4は伝搬時間T−を得るための処理である。まず、ステップS2−3において、下流側の超音波プローブ2Bから発信された超音波のパルス状信号を上流側の超音波プローブ2Aで受信し、メモリ16に記憶する。次に、ステップS2−4において伝搬時間算出部17が超音波プローブ2Bで受信した波形に基づいて、伝搬時間T−を判定する。最後に、ステップS2−5において、流速計算部20が下記の式(1)に基づいて伝搬時間T+,T−から流速の測定値Vmを算出する。
The flow velocity measurement is performed according to the procedure shown in FIG. Steps S2-1 and S2-2 are processes for obtaining the propagation time T + . First, in step S 2-1, an ultrasonic pulse signal transmitted from the upstream
図2のステップS2−2,S2−4の伝搬時間T+,T−の判定は、図3に示す手順で実行される。まず、ステップS3−1において、相互相関法や閾値法によりメモリ16に記憶された波形からパルス状信号の受信波形32の時間軸上の概ねの位置(概略位置)を算出する。
The determination of the propagation times T + and T − in steps S2-2 and S2-4 in FIG. 2 is executed according to the procedure shown in FIG. First, in step S3-1, an approximate position (approximate position) on the time axis of the received
次に、ステップS3−2において、ノイズレベルNLを設定する。詳細には、受信波形32の信号を含まないとみなせる程度にステップS3−1で算出した受信波形32の概略位置よりも十分前の一定期間(ノイズ区間)における信号レベル(バッグラウンドノイズ)の平均値をノイズレベルNLとする。また、ノイズレベルNLに対してノイズ区間での信号レベルの標準偏差σのm倍(mは正の実数である。)でノイズレベルNLを増減した範囲、すなわちNL+mσからNL−mσの範囲をノイズレベル範囲NLRとする。なお、ノイズ区間における信号レベルの経時的にあまり変化しないと想定できる場合には、ある一定値をノイズレベルNLとして規定してもよい。
Next, in step S3-2, a noise level NL is set. In detail, the average of the signal level (bag round noise) in a certain period (noise interval) sufficiently before the approximate position of the
次に、ステップS3−3においてピークサーチにより受信波形32の時間軸上の受信位置trの判定を行う。具体的には、ステップS3−1で算出された時間軸上の概略位置から超音波プローブ2A,2Bで受信された波形(受信波形32)のピークを時間軸を遡って順次検出する。例えば、受信波形32が図5に示すような波形である場合、受信波形32のピークPN−2,PN−1,PN,PN+1がこの順で順次検出される。図5において点線の矢印A1はピークサーチの順序を概念的に示している。この受信波形32のピークの検出には、極大点及び極小点等を用いる方法や、ゼロクロス点(受信波形32がノイズレベルNRと交差する点)を用いる方法等がある。また、単に受信波形32のピークを検出するだけでなく、検出したピークをノイズレベル範囲NLRと比較する。図5の例では、ピークPN−2,PN−1,PNはいずれもノイズレベル範囲NLRを上回るが、時間軸上でピークPNよりも1つ遡ったピークPN+1はノイズレベル範囲NLRを下回る。換言すれば、時間軸を遡ってピークPN−2,PN−1,PN,PN+1・・・を順次検出していくと、ピークPN+1が最初にノイズレベル範囲NLRを下回る。この時間軸を遡ってピークを検出していく過程で最初にノイズレベル範囲NLRを下回ったピークと、その直前のノイズレベル範囲NLRを上回っているピークとの間のゼロクロス点が受信波形32の時間軸上の受信位置trとして判定される。図5の例では、最初にノイズレベル範囲NLRを下回るのはピークPN+1であるので、このピークPN+1とその直前のノイズレベル範囲NLRを上回っているピークPNとの間のゼロクロス点が受信波形32の時間軸上の受信位置trであると判定される。時間軸を遡ったピークサーチと、検出したピークとノイズレベル範囲NLRとの比較に基づいて受信位置trを判定することにより、受信される信号の信号レベルによらずパルス状信号の受信波形32の時間軸上の受信位置trを高精度で判定できる。また、前述のようにバックグラウンドノイズレベルに基づいてノイズレベルNL及びノイズレベル範囲NLRを算出しているので、受信ゲインの変動等による信号レベルの変化に対してノイズレベルの変動を自己補償することができ、これの点でも高精度の判定が可能である。なお、ノイズレベルNL及びノイズレベル範囲NRLは、本実施形態のものに限定されない。例えばバックグラウンドノイズレベルの実効値からバックグラウンドノイズレベルを引いた差の自然数倍や、バッグラウンドノイズレベルの平均値の自然数倍をノイズレベル範囲NRLとして設定してもよい。
Next, the determination of the received position t r on the time axis of the received
次に、ステップS3−4において、ステップS3−3で判定した受信位置trの評価を行う。この受信位置trの評価はパルス状信号の送信波形31と受信波形32は同様の波長ないしは周波数を有するので、ピーク間の時間間隔は波長の1/2程度になるはずであることに基づいている。図5の波形の例に詳細に説明すると、ノイズレベル範囲NLRを最初に下回ったピークPN+1の直前のピークPNとその直前のピークPN−1との時間間隔δtを送信波形31の周期λ(図4参照)を比較する。具体的には、下記の式(2)が成立する場合、すなわち周期λの1/2倍に対して所定の値Δλ(Δλは1/2λよりも十分小さい)を増減した範囲を規定し、この範囲に時間間隔δtがこの範囲内にある場合には、ステップS3−3で判定した受信位置trは正確であると判断し、受信位置trは変更しない。
Next, at step S3-4, to evaluate the receiving position t r determined in step S3-3. This evaluation of the received position t r is transmitted
一方、式(2)が成立しない場合、すなわち時間間隔δtが1/2λに対してΔλを増減した範囲外にあれば、ステップS3−3で判定した受信位置trは正確でないと判断し、受信位置trを変更する。図5を例に説明すると、ノイズレベル範囲NLRを最初に下待ったピークPN+1の直前のピークPNとさらにその直前のピークPN−1との間のゼロクロス点(図5において符号tr’で示す。)を受信波形32の時間軸上の受信位置と判定する。ステップS3−4の受信位置trの評価後、ステップS3−5に移行する。かかる受信位置trの評価を行うことにより、より高精度で受信位置trを判定できる。
On the other hand, if the expression (2) is not satisfied, i.e., if the time interval δt outside the range that increases or decreases the Δλ against 1/2 [lambda], the receiving position t r determined in step S3-3 is determined not to be correct, The reception position tr is changed. When the Figure 5 will be described as an example, the zero-crossing point between the peak P N-1 of the addition immediately before the peak P N + 1 immediately before the peak P N waiting below the noise level range NLR first (code t r 5 ' Is determined as the reception position on the time axis of the
図6に示すように、超音波の伝搬状況によっては信号の干渉、重ね合わせ等の原因により、受信波形32の一部がノズルレベル範囲NLRを下回る場合がある。このような場合、例えばピークPから時間軸を遡ってピークサーチを行うことによって得られる受信位置trは真の受信位置tr’’ではない。そこで、ステップS3−5においてステップS3−3,S3−4で判定された受信位置trから時間軸を遡った前方にノイズレベルNRLを上回るピークがあれば、そのピークからステップS3−3,S3−4の受信位置trの判定を繰り返す。図6を参照して具体的に説明すると、ステップS3−3,S3−4で判定された受信位置trから時間軸上を受信波形32のN波分だけ遡った範囲内(Nは自然数)にノイズレベル範囲NRLを上回る値のピークP’があれば、そのピークP’から時間軸を遡ってピークサーチを行い(ステップS3−3)、ピークサーチで判定された受信位置tr’’の評価を行う(ステップS3−4)。かかる再判定を行うことにより、より高精度で受信位置trを判定できる。ステップS3−5において受信位置trから時間軸を遡った前方にノイズレベル範囲NLRを上回るピークがない場合には、ステップS3−6に移行する。
As shown in FIG. 6, depending on the propagation state of ultrasonic waves, a part of the received
次に、ステップS3−6では、前述のようにタイマ12で経時された送信位置ttと、ステップS3−1〜S3−5の処理により判定した受信位置trとから伝搬時間T+,T−を算出する。伝搬時間T+,T−は送信位置ttと受信位置trの差として与えられる。送信位置ttは測定者により与えられる送信タイミングに対応するので、正確な値が既知である。また、前述のように受信位置trも高精度で反対されている。従って、正確な伝搬時間T+,T−を算出できる。
Next, at step S3-6, the propagation time from the time the transmission position t t by the
流速測定部18から流速の測定値Vmを取得した流量計算部21は、以下の式(3)に基づいて流量Qを算出する。
The flow rate calculation unit 21 that has acquired the flow velocity measurement value V m from the flow
式(3)において、Kは補正係数、Aは流れ方向Fと直交する方向での開水路1の平均断面積である。前述のように流速の有効値Veは精度が高く、かつ欠測も最小限に低減されているので、高精度かつリアルタイムで流量Qを計測できる。
In Expression (3), K is a correction coefficient, and A is an average cross-sectional area of the
流量測定装置を例に本発明を説明したが、本発明は他の用途にも適用できる。例えば、図3のステップS3−1〜S3−6の処理による伝搬時間の測定は、水中での超音波の伝搬時間の測定に限定されず、他の液体、固体、気体中でのパルス状信号の伝搬時間の測定に適用できる。 Although the present invention has been described by taking a flow rate measuring device as an example, the present invention can be applied to other applications. For example, the measurement of the propagation time by the processing of steps S3-1 to S3-6 in FIG. 3 is not limited to the measurement of the propagation time of ultrasonic waves in water, but a pulse signal in another liquid, solid, or gas. It can be applied to the measurement of propagation time.
1 開水路
2A,2B 超音波プローブ
11 パルス発生部
12 タイマ
13 増幅器
14 A/D変換器
15 サンプリング回路
16,19 メモリ
17 伝搬時間算出部
18 流速計算部
21 流量計算部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記受信器で受信された波形を記憶する記憶手段(16)と、
前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形(32)の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段(S3−1)と、
前記概略位置算出手段(S3−1)で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク(PN−2,PN−1,PN,PN+1)を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲(NLR)と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク(PN+1)とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク(PN)との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置(tr)と判定する第1の判定手段(S3−3)と、
前記発信器から前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置(tt)と前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段(S3−6)と
を備えることを特徴とするパルス状信号の伝搬時間測定装置。 Propagation of a pulse signal that measures the propagation time (T + , T − ) until the pulse signal transmitted from the transmitter (1A, 1B) propagates through the medium and reaches the receiver (1A, 1B). A time measuring device,
Storage means (16) for storing the waveform received by the receiver;
An approximate position calculating means (S3-1) for calculating an approximate position on the time axis of the received waveform (32) of the pulse signal from the waveform stored in the storage means;
For the approximate position on the time axis calculated by the approximate position calculating means (S3-1), the peak (P N-2 , P N-1 , P N , P N + 1 ) of the waveform is plotted on the time axis. The detected peaks are sequentially detected, and the detected peaks are compared with a predetermined noise level range (NLR). The peak (P N + 1 ) that first falls below the noise level range and the noise level range immediately before it are obtained. First determination means (S3-3) for determining a zero-crossing point between the above peak (P N ) and the reception position (t r ) of the pulse signal on the time axis;
Propagation time calculation means (S3-6) for calculating the propagation time from the transmission position (t t ) on the time axis from which the pulse signal is transmitted from the transmitter and the reception position, An apparatus for measuring the propagation time of a pulse signal.
前記超音波プローブで受信された波形を記憶する記憶手段(16)と、
前記記憶手段に記憶された前記波形から前記パルス状信号の受信波形(32)の時間軸上での概略位置を算出する概略位置算出手段(S3−1)と、
前記概略位置算出手段で算出された前記時間軸上の前記概略位置について、前記波形のピーク(PN−2,PN−1,PN,PN+1)を前記時間軸を遡って順次検出し、かつ検出した前記ピークを予め定められたノイズレベル範囲(NLR)と比較し、前記ノイズレベル範囲を最初に下回った前記ピーク(PN+1)とその直前の前記ノイズレベル範囲を上回る前記ピーク(PN)との間のゼロクロス点を前記パルス状信号の前記時間軸上の受信位置(tr)と判定する判定手段(S3−3)と、
前記パルス状信号が発信された時間軸上の送信位置(tt)と、前記判定手段で判定された前記受信位置とから前記伝搬時間を算出する伝搬時間算出手段(S3−6)と
前記伝搬時間算出手段で算出された前記伝搬時間に基づいて流速の測定値(Vm)を算出する流速算出手段(18)と、
前記流速算出手段で算出された前記流速の測定値(Vm)に基づいて流量(Q)を算出する流量算出手段(21)と
を備えることを特徴とする超音波式流量測定装置。 An ultrasonic pulse signal transmitted from one of a pair of ultrasonic probes (2A, 2B) disposed on both sides of the water channel (1) propagates through the flowing water flowing through the water channel, and the other ultrasonic probe. An ultrasonic flow measuring device for measuring the flow rate of flowing water flowing through the water channel based on propagation times (T + , T − ) until reaching
Storage means (16) for storing a waveform received by the ultrasonic probe;
An approximate position calculating means (S3-1) for calculating an approximate position on the time axis of the received waveform (32) of the pulse signal from the waveform stored in the storage means;
With respect to the approximate position on the time axis calculated by the approximate position calculating means, the peaks (P N−2 , P N−1 , P N , and P N + 1 ) of the waveform are sequentially detected retrospectively on the time axis. The detected peak is compared with a predetermined noise level range (NLR), and the peak (P N + 1 ) that first falls below the noise level range and the peak that exceeds the noise level range immediately before (P N + 1 ) Determination means (S3-3) for determining the zero-crossing point between N ) and the reception position (t r ) of the pulse signal on the time axis;
Propagation time calculation means (S3-6) for calculating the propagation time from the transmission position (t t ) on the time axis from which the pulse signal is transmitted and the reception position determined by the determination means, and the propagation A flow velocity calculation means (18) for calculating a measured value (V m ) of the flow velocity based on the propagation time calculated by the time calculation means;
An ultrasonic flow rate measuring device comprising: a flow rate calculating unit (21) that calculates a flow rate (Q) based on the measured value (V m ) of the flow rate calculated by the flow rate calculating unit.
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