JP2008232965A - Ultrasonic flowmeter, flow rate measurement method, and computer program - Google Patents

Ultrasonic flowmeter, flow rate measurement method, and computer program Download PDF

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JP2008232965A JP2007075873A JP2007075873A JP2008232965A JP 2008232965 A JP2008232965 A JP 2008232965A JP 2007075873 A JP2007075873 A JP 2007075873A JP 2007075873 A JP2007075873 A JP 2007075873A JP 2008232965 A JP2008232965 A JP 2008232965A
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治嗣 森
Hideaki Tezuka
英昭 手塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a computational effort increasing, when speed of flow is high or the bore of a pipe is large, and to reduce misrecognition of reflected echoes. <P>SOLUTION: An ultrasonic flowmeter includes an ultrasonic oscillating means (15) for generating ultrasonic pulses in a constant cycle and outputting it into a fluid to be measured; a continuous pulse oscillating means (15a) for oscillating continuous waves of the same frequency as that of the pulses; an ultrasonic wave receiving means (15) for receiving an ultrasonic echo signal from the fluid; a multiplying means (30a) for multiplying the received ultrasonic echo signal with the continuous waves; a signal analysis means for analyzing the processed signal for calculating position and the speed of an ultrasonic reflector along a measurement line; and an output means (40) for outputting at least one of a flow speed distribution and the flow rate of the fluid from the position and the speed of the ultrasonic reflector calculated by the analysis means. The signal analysis means analog-digitally converts a composited waveform signal, obtained by the multiplying means (30a) and carries out signal analysis by means of a low-pass filter. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能な超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。   The present invention relates to an ultrasonic flowmeter capable of instantaneously measuring a flow rate of a fluid to be measured from a flow velocity distribution in a measurement region in a time-dependent manner and a technique related thereto.

流体の流量測定の技術として、被測定流体に対して超音波パルスを発振してそのエコー信号を用いる超音波流量計がある。その中でも、相互相関法と呼ばれる方式は、被測定流体に対する異なるパルス(参照波、探索波)に対する同一の反射体からのエコー信号があった場合に、その時間差から反射体の速度を算出し、その速度を用いて流速分布や流量を計測する技術である。   As a fluid flow measurement technique, there is an ultrasonic flowmeter that oscillates an ultrasonic pulse with respect to a fluid to be measured and uses an echo signal thereof. Among them, the method called the cross correlation method calculates the velocity of the reflector from the time difference when there is an echo signal from the same reflector for different pulses (reference wave, search wave) for the fluid to be measured, This is a technique for measuring the flow velocity distribution and flow rate using the velocity.

この相互相関式の超音波流量計としては、参照波及び探索波の相互相関を計算する際、エミッショントリガの発振周期τによらず探索窓の大きさを一定にして相互相関の演算を行う固定探索窓法がある。しかし、被測定流体の速度および速度変動は、その位置により異なり、一定の探索窓を設定することは必ずしも妥当ではない。
そこで、この課題を解決するために、例えば特許文献1に開示されたような技術が存在する。
特開2005−208068号公報
This cross-correlation type ultrasonic flowmeter has a fixed cross-correlation calculation with a constant search window size regardless of the emission period of oscillation τ when calculating the cross-correlation between the reference wave and the search wave. There is a search window method. However, the velocity of the fluid to be measured and the velocity fluctuation vary depending on the position, and it is not always appropriate to set a fixed search window.
Therefore, in order to solve this problem, for example, there is a technique disclosed in Patent Document 1.
JP 2005-208068 A

この特許文献1に開示された技術は、参照波および探索波の相互相関を計算する際に必要となる探索範囲(探索窓の大きさ)を適切に設定することによって、相互相関の誤認によるエラーを抑制する技術である。   The technique disclosed in Patent Document 1 is an error due to misrecognition of cross-correlation by appropriately setting a search range (a size of a search window) necessary for calculating a cross-correlation between a reference wave and a search wave. It is a technology to suppress

さて、被測定流体の流速が速くなると、参照波および探索波が到達する時刻の差が大きくなる。これに伴って、参照波および探索波の相互相関を計算する際に必要となる探索範囲(探索窓の大きさ)を大きくする必要がある。このために計算量が増加し、相互相関の誤認によるエラーが発生することがあった。
被測定流体が流れる配管口径が大きい場合も、参照波および探索波が到達する時刻の差が大きくなり、同様の問題が生じていた。
Now, as the flow velocity of the fluid to be measured increases, the time difference between the arrival of the reference wave and the search wave increases. Along with this, it is necessary to increase the search range (the size of the search window) required when calculating the cross-correlation between the reference wave and the search wave. For this reason, the calculation amount increases, and an error due to misrecognition of the cross-correlation may occur.
Even when the diameter of the pipe through which the fluid to be measured flows is large, the difference between the arrival times of the reference wave and the search wave is large, and the same problem occurs.

例えば、1MHzにて発振した超音波が反射波となった場合、その中の周期成分(例えば1μs)は、速度算出のために必要とする領域の時間に比べて非常に短い。この周期成分を精密にサンプリングするためには、非常に多くのサンプリング点数を必要とする。そのため、計算量が増大してしまうのである。   For example, when an ultrasonic wave oscillated at 1 MHz becomes a reflected wave, the periodic component (for example, 1 μs) therein is very short compared to the time required for calculating the speed. In order to accurately sample this periodic component, a very large number of sampling points are required. Therefore, the calculation amount increases.

本発明が解決しようとする課題は、相互相関法を用いる超音波流量計において、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる技術を提供することにある。
請求項1から請求項3に記載の発明の目的は、大口径の配管の流量測定において、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる超音波流量計を提供することにある。
請求項4から請求項6に記載の発明の目的は、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる測定方法を提供することにある。
請求項7から請求項9に記載の発明の目的は、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる測定プログラムを提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is that an ultrasonic flowmeter using a cross-correlation method realizes accurate measurement even when the flow velocity of the fluid to be measured is high or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large. It is to provide a technology that can be used.
The object of the invention described in claims 1 to 3 is to accurately measure the flow rate of a large-diameter pipe even when the flow velocity of the fluid to be measured is high or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large. The object is to provide an ultrasonic flowmeter capable of realizing measurement.
The object of the invention described in claims 4 to 6 is to provide a measurement method capable of realizing accurate measurement even when the flow rate of the fluid to be measured is high or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large. There is.
The object of the invention described in claims 7 to 9 is to provide a measurement program capable of realizing accurate measurement even when the flow rate of the fluid to be measured is high or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large. There is.

本願発明は、被測定流体の流速が速い場合や被測定流体の流れる配管の口径が大きい場合において増大する計算量を抑制したり、反射エコーの誤認を減少させたりすることが可能な技術を案出し、下記の発明を提供する。   The present invention proposes a technique capable of suppressing the amount of calculation that increases when the flow rate of the fluid to be measured is high or when the diameter of the pipe through which the fluid to be measured is large, and reducing the misidentification of the reflected echo. And provide the following invention.

(請求項1)
請求項1記載の発明は、 超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手段(超音波トランスデューサ15)と、 その超音波発振手段(15)が出力する超音波パルスと同一周波数の連続波を発振する連続パルス発振手段(15a)と、 前記超音波発振手段(15)が発振して当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手段(15)と、 その超音波受信手段(15)が受信した超音波エコー信号と前記連続波とを乗算処理する乗算手段(30a)と、 その乗算手段(30a)が乗算処理した処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手段と、 その信号解析手段が算出した超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手段(たとえばモニタ出力などの表示手段40)と、を備え、
前記信号解析手段は、前記乗算手段(30a)によって得られた合成波形信号にローパスフィルタ(30b)によるフィルタリング処理を実行し、得られた波形信号をアナログデジタル変換して信号解析をすることとしたことを特徴とする超音波流量計である。
(Claim 1)
According to the first aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic oscillating means (ultrasonic transducer 15) that generates ultrasonic pulses at a constant period and outputs the ultrasonic pulses to a fluid to be measured, and an ultrasonic wave output from the ultrasonic oscillating means (15). A continuous pulse oscillating means (15a) that oscillates a continuous wave having the same frequency as the pulse; and an ultrasonic echo that is a reflected wave of the ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillating means (15) and reflected from the fluid to be measured. An ultrasonic receiving means (15) for receiving the signal, a multiplying means (30a) for multiplying the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic receiving means (15) and the continuous wave, and a multiplying means (30a) Analyzing the processed signal and calculating the position and speed of the ultrasonic reflector along the measurement line, and the position and speed of the ultrasonic reflector calculated by the signal analyzing means Output that outputs at least one of flow velocity distribution and flow rate Means (e.g. the display unit 40 such as a monitor output) comprises,
The signal analysis means performs a filtering process by a low-pass filter (30b) on the combined waveform signal obtained by the multiplication means (30a), and performs analog-to-digital conversion on the obtained waveform signal for signal analysis. This is an ultrasonic flowmeter.

(用語説明)
本願発明は、いわゆる「大口径配管」を流れる流体の流速分布またはその流速分布による流量を計測するものである。ここで「大口径配管」とは、直径が1メートル以上、特に3〜5メートル程度の配管に用いる場合に効果的である。
超音波発振手段と超音波受信手段とは、超音波トランスデューサとして一体に形成されたものを採用することが、部品点数の削減などにおいて好ましい。
(Glossary)
The present invention measures a flow velocity distribution of a fluid flowing through a so-called “large-diameter pipe” or a flow rate by the flow velocity distribution. Here, the “large-diameter pipe” is effective when used for a pipe having a diameter of 1 meter or more, particularly about 3 to 5 meters.
It is preferable that the ultrasonic oscillating means and the ultrasonic receiving means are integrally formed as an ultrasonic transducer in terms of reducing the number of parts.

「信号処理手段」とは、たとえば、超音波エコー信号をアナログデジタル変換するADコンバータ(32)とを備える。
また、たとえば、ADコンバータ(32)でデジタル化された超音波エコー信号に、ウォールフィルタによってクラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を実行するウォールフィルタ処理部(33)をさらに備えてもよい。この場合、前記ウォールフィルタ処理部(33)は、前記超音波発振手段(15)により周期的にn回(nは2以上)連続して発振された超音波パルスの反射波であるn系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得る。そして、前記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を実行した後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築する。
The “signal processing means” includes, for example, an AD converter (32) that performs analog-digital conversion on the ultrasonic echo signal.
Further, for example, a wall filter processing unit (33) may be further provided that performs a filtering process for reducing the clutter noise component by the wall filter on the ultrasonic echo signal digitized by the AD converter (32). In this case, the wall filter processing unit (33) is an n-sequence component that is a reflected wave of ultrasonic pulses periodically oscillated n times (n is 2 or more) by the ultrasonic oscillation means (15). From the ultrasonic echo signal, the signal level of the ultrasonic echo signal is acquired at every predetermined elapsed time from the start time of each series, arranged in order of the number of series, and the corresponding time echo level signal is configured. Fourier transform is performed to obtain a frequency equivalent component of the corresponding time echo level signal. And after rejecting the low frequency equivalent component from the frequency equivalent component of the corresponding time echo level signal, after performing the inverse Fourier transform on the frequency equivalent component of the corresponding time echo level signal in which the low frequency equivalent component is rejected, The digital ultrasonic echo signals are reconstructed by rearranging them in time series.

(作用)
超音波発振手段(15)が超音波パルスを一定周期(周波数をf0とする。)で生成して被測定流体内に出力する。また、連続パルス発振手段(15a)がその超音波パルスと同一周波数(f0)の連続波を発振する。そして、前記超音波発振手段(15)が発振して当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号(周波数をf0’とする。)でを、超音波受信手段(15)が受信する。
その超音波受信手段(15)が受信した超音波エコー信号と前記連続波とに対して、乗算手段(30a)によって乗算処理を実行すると、(f0+f0’)の周波数成分と(f0−f0’)の周波数成分(f0>f0’の場合、f0<f0’の場合は(f0’−f0)となる)を有するようになる。
この乗算結果の信号のうち、(f0+f0’)の周波数成分をローパスフィルタ(31b)によるフィルタリング処理によりカットし、(f0−f0’)の周波数成分だけを残すこととなる。このため、サンプリング点数を減らすことができるようになり、相互相関のための計算におけるデータ量を減少させることとなる。そのため、広い探索領域(配管口径が大きい場合や、被測定流体の流速が速い場合)にも、正確な計算が可能となる。 算出結果は、出力手段(40)に出力される。
(Function)
The ultrasonic oscillating means (15) generates an ultrasonic pulse at a constant period (frequency is set to f0) and outputs it in the fluid to be measured. The continuous pulse oscillating means (15a) oscillates a continuous wave having the same frequency (f0) as the ultrasonic pulse. Then, an ultrasonic echo signal (frequency is assumed to be f0 ′), which is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillating means (15) and reflected from the fluid to be measured, is used as an ultrasonic receiving means. (15) is received.
When multiplication processing is performed on the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception means (15) and the continuous wave by the multiplication means (30a), the frequency component of (f0 + f0 ′) and (f0−f0 ′) Frequency components (if f0> f0 ′, (f0′−f0) if f0 <f0 ′).
Of the multiplication result signal, the frequency component (f0 + f0 ′) is cut by the filtering process by the low-pass filter (31b), and only the frequency component (f0−f0 ′) is left. For this reason, the number of sampling points can be reduced, and the amount of data in the calculation for cross-correlation is reduced. Therefore, accurate calculation is possible even in a wide search region (when the pipe diameter is large or when the flow rate of the fluid to be measured is high). The calculation result is output to the output means (40).

(請求項2)
請求項2記載の発明は、 超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手段(15)と、 その超音波発振手段(15)が発振して当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手段(15)と、 その超音波受信手段(15)が受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するADコンバータ(32)と、 前記超音波発振手段(15)が発振した超音波パルスと同一周波数のデジタル波を連続波として発生させるデジタル波形発生手段(15b)と、 そのデジタル波と前記ADコンバータ(32)によってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とを乗算処理するデジタルミキサー(33)と、 そのデジタルミキサー(33)が乗算処理した処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手段と、 その信号解析手段が算出した超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手段(40)と、を備え、
前記信号解析手段は、前記デジタルミキサー(33)によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して信号解析をすることとしたことを特徴とする。
(Claim 2)
The invention described in claim 2 includes an ultrasonic oscillation means (15) that generates ultrasonic pulses at a constant cycle and outputs the ultrasonic pulses to the fluid under measurement, and the ultrasonic oscillation means (15) oscillates to generate the fluid under measurement. Ultrasonic wave receiving means (15) for receiving an ultrasonic echo signal which is a reflected wave of an ultrasonic pulse reflected from the signal, and an AD converter for analog-digital conversion of the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic wave receiving means (15) (32), digital waveform generation means (15b) for generating a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse oscillated by the ultrasonic oscillation means (15), and the digital wave and the AD converter (32) A digital mixer (33) that multiplies the ultrasonic digital echo signal digitized by the digital signal, and analyzes the processed signal multiplied by the digital mixer (33), and the position of the ultrasonic reflector along the measurement line Calculate speed Signal analysis means for, and the signal analyzer output unit means for outputting at least one of flow velocity distribution and flow rate of the fluid from the position and speed of the ultrasonic reflector calculated (40), provided with,
The signal analysis means performs signal analysis by executing filtering processing by a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the digital mixer (33).

(作用)
超音波発振手段(15)が超音波パルスを一定周期(周波数をf0とする。)で生成して被測定流体内に出力し、その超音波発振手段(15)が発振して当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を、超音波受信手段(15)が受信する。 その超音波受信手段(15)が受信した超音波エコー信号(周波数をf0’とする。)は、ADコンバータ(32)がアナログデジタル変換する。
一方、前記超音波発振手段(15)が発振した超音波パルスと同一周波数(f0)のデジタル波を、デジタル波形発生手段(15b)が発生させる。そして、そのデジタル波と前記ADコンバータ(32)によってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とを、デジタルミキサー(33)が乗算処理する。そのデジタルミキサー(33)が乗算処理した処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を、信号解析手段が算出する。その信号解析手段は、前記デジタルミキサー(33)によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行し、そうして算出した超音波反射体の位置と速度から、前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を、出力手段(40)が出力する。
デジタルミキサー(33)による乗算手段を実行すると、(f0+f0’)の周波数成分と(f0−f0’)の周波数成分(f0>f0’の場合、f0<f0’の場合は(f0’−f0)となる)を有するようになる。
この乗算結果の信号のうち、(f0+f0’)の周波数成分をデジタル・ローパスフィルタ(34)によるフィルタリング処理によりカットし、(f0−f0’)の周波数成分だけを残すこととなる。このため、サンプリング点数を減らすことができるようになり、相互相関のための計算におけるデータ量を減少させることとなる。そのため、広い探索領域(配管口径が大きい場合や、被測定流体の流速が速い場合)にも、正確な計算が可能となる。
(Function)
The ultrasonic oscillating means (15) generates an ultrasonic pulse at a constant period (frequency is set to f0) and outputs it into the fluid to be measured, and the ultrasonic oscillating means (15) oscillates to generate the fluid to be measured. The ultrasonic receiving means (15) receives an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of the ultrasonic pulse reflected from the ultrasonic wave. The ultrasonic echo signal (with frequency f0 ′) received by the ultrasonic receiving means (15) is analog-digital converted by the AD converter (32).
On the other hand, the digital waveform generating means (15b) generates a digital wave having the same frequency (f0) as the ultrasonic pulse oscillated by the ultrasonic oscillating means (15). Then, the digital mixer (33) multiplies the digital wave and the ultrasonic digital echo signal digitized by the AD converter (32). The processing signal multiplied by the digital mixer (33) is analyzed, and the signal analysis means calculates the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line. The signal analysis means performs a filtering process using a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the digital mixer (33), and from the position and velocity of the ultrasonic reflector thus calculated, the flow velocity distribution of the fluid and The output means (40) outputs at least one of the flow rates.
When the multiplication means by the digital mixer 33 is executed, the frequency component (f0 + f0 ′) and the frequency component (f0−f0 ′) (if f0> f0 ′, f0 <f0 ′, (f0′−f0)). Will come to have).
Of this multiplication result signal, the frequency component (f0 + f0 ′) is cut by the filtering process by the digital low-pass filter (34), leaving only the frequency component (f0−f0 ′). For this reason, the number of sampling points can be reduced, and the amount of data in the calculation for cross-correlation is reduced. Therefore, accurate calculation is possible even in a wide search region (when the pipe diameter is large or when the flow rate of the fluid to be measured is high).

(請求項3)
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の超音波流量計を限定したものである。
すなわち、デジタル波形発生手段は、デジタル波形データを蓄積した波形データベースと、その波形データベースから所望するデジタル波形を抽出してデジタルミキサー(33)に出力させるデジタル波形出力手段とを備えて形成したことを特徴とする。
(Claim 3)
The invention according to claim 3 limits the ultrasonic flowmeter according to claim 2.
That is, the digital waveform generation means is formed by including a waveform database in which digital waveform data is accumulated, and a digital waveform output means for extracting a desired digital waveform from the waveform database and outputting it to the digital mixer (33). Features.

(作用)
デジタル波形発生手段は、超音波発振手段(15)が発振した超音波パルスと同一周波数のデジタル波を波形データベースから抽出する。そして、デジタル波形出力手段が抽出されたデジタル波形データを、デジタル波形出力手段がデジタルミキサー(33)に出力する。
デジタル波形発生手段として、デジタル波形を毎回作成するのではなく、データベースから抽出するので、ハードウェア構成を単純化でき、運用コストが小さくできる。
(Function)
The digital waveform generation means extracts a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse oscillated by the ultrasonic oscillation means (15) from the waveform database. The digital waveform output means outputs the extracted digital waveform data to the digital mixer (33).
As a digital waveform generating means, a digital waveform is not created every time but is extracted from a database, so that the hardware configuration can be simplified and the operation cost can be reduced.

(請求項4)
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明に対応する方法発明である。
すなわち、超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、 その超音波発振手順にて出力される超音波パルスと同一周波数の連続波を発振する連続パルス発振手順と、 前記超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、 その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号と前記連続波とを乗算処理する乗算手順と、 その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、 その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、を備え、 前記信号解析手順においては、前記乗算手順によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行し、得られた波形信号をアナログデジタル変換して信号解析をすることとしたことを特徴とする。
(Claim 4)
The invention described in claim 4 is a method invention corresponding to the invention described in claim 1.
That is, an ultrasonic oscillation procedure that generates an ultrasonic pulse at a constant period and outputs it in the fluid to be measured, and a continuous pulse oscillation that oscillates a continuous wave of the same frequency as the ultrasonic pulse output by the ultrasonic oscillation procedure An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid to be measured; and received by the ultrasonic reception procedure A multiplication procedure for multiplying the ultrasonic echo signal and the continuous wave, and processing signals multiplied by the multiplication procedure are analyzed to calculate the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line A signal analysis procedure, and an output procedure for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure. Te, said executes a filtering process by the low-pass filter to the composite waveform signal obtained by multiplying the procedure, the resulting waveform signal from analog to digital converter, characterized in that it has decided to signal analysis.

(請求項5)
請求項5に記載の発明は、請求項2に記載の発明に対応する方法発明である。
すなわち、超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、 その超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、 その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号をADコンバータにてアナログデジタル変換するAD変換手順と、 前記超音波発振手順にて発振された超音波パルスと同一周波数のデジタル波を連続波として発生させるデジタル波形発生手順と、 そのデジタル波形発生手順にて発生されたデジタル波と前記ADコンバータによってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とをデジタルミキサーにて乗算処理する乗算手順と、 その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、 その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、を備え、 前記信号解析手順は、前記デジタルミキサーによって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して信号解析をすることとしたことを特徴とする。
(Claim 5)
The invention described in claim 5 is a method invention corresponding to the invention described in claim 2.
That is, an ultrasonic oscillation procedure for generating an ultrasonic pulse at a constant period and outputting it in the fluid to be measured, and a reflected wave of the ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid to be measured. An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal, an AD conversion procedure for analog-digital conversion of the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception procedure by an AD converter, and oscillation by the ultrasonic oscillation procedure A digital waveform generation procedure for generating a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse generated as a continuous wave, a digital wave generated by the digital waveform generation procedure, and an ultrasonic digital echo signal digitized by the AD converter, The digital signal is multiplied by a digital mixer, and the processed signal multiplied by the multiplication procedure is analyzed. A signal analysis procedure for calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector, and an output procedure for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure; The signal analysis procedure is characterized in that the combined waveform signal obtained by the digital mixer is subjected to a signal analysis by performing a filtering process using a low-pass filter.

(請求項6)
請求項6に記載の発明は、請求項3に記載の発明に対応する方法発明であり、請求項6に記載の流量計測方法を限定したものである。
すなわち、前記デジタル波形発生手順は、デジタル波形データを予め波形データベースに蓄積する波形データ蓄積手順と、その波形データベースから所望するデジタル波形を抽出して前記デジタルミキサーに出力させるデジタル波形出力手順とを含むことを特徴とする。
(Claim 6)
The invention described in claim 6 is a method invention corresponding to the invention described in claim 3, and limits the flow rate measuring method described in claim 6.
That is, the digital waveform generation procedure includes a waveform data storage procedure for storing digital waveform data in a waveform database in advance, and a digital waveform output procedure for extracting a desired digital waveform from the waveform database and outputting the digital waveform to the digital mixer. It is characterized by that.

(請求項7)
請求項7記載の発明は、請求項4記載の方法発明に対応したコンピュータプログラム発明であり、 被測定流体に超音波を発振してその反射波から流量を計測するためのコンピュータプログラムである。
そのプログラムは、 超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、 その超音波発振手順にて出力される超音波パルスと同一周波数の連続波を発振する連続パルス発振手順と、 前記超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、 その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号と前記連続波とを乗算処理する乗算手順と、 その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、 その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、をコンピュータに実行させるとともに、 前記信号解析手順においては、前記乗算手順によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行し、得られた波形信号をアナログデジタル変換して信号解析をすることとしたことを特徴とする。
(Claim 7)
The invention described in claim 7 is a computer program invention corresponding to the method invention described in claim 4, and is a computer program for oscillating ultrasonic waves in a fluid to be measured and measuring the flow rate from the reflected waves.
The program generates an ultrasonic pulse at a constant cycle and outputs it in the fluid to be measured, and continuously generates a continuous wave with the same frequency as the ultrasonic pulse output in the ultrasonic oscillation procedure. A pulse oscillation procedure, an ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated in the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid to be measured, and an ultrasonic reception procedure A multiplication procedure for multiplying the ultrasonic echo signal received by the continuous wave, and a processing signal multiplied by the multiplication procedure, and analyzing the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line. A computer executes a signal analysis procedure to calculate and an output procedure to output at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated by the signal analysis procedure. In the signal analysis procedure, the combined waveform signal obtained by the multiplication procedure is subjected to a filtering process using a low-pass filter, and the obtained waveform signal is converted from analog to digital for signal analysis. Features.

(請求項8)
請求項8記載の発明は、請求項5記載の方法発明に対応したコンピュータプログラム発明であり、 被測定流体に超音波を発振してその反射波から流量を計測するためのコンピュータプログラムである。
そのプログラムは、超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、 その超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、 その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号をADコンバータにてアナログデジタル変換するAD変換手順と、 前記超音波発振手順にて発振された超音波パルスと同一周波数のデジタル波を連続波として発生させるデジタル波形発生手順と、 そのデジタル波形発生手順にて発生されたデジタル波と前記ADコンバータによってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とをデジタルミキサーにて乗算処理する乗算手順と、 その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、 その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、をコンピュータに実行させるとともに、 前記信号解析手順は、前記デジタルミキサーによって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して信号解析をすることとしたことを特徴とする。
(Claim 8)
The invention described in claim 8 is a computer program invention corresponding to the method invention described in claim 5, and is a computer program for oscillating ultrasonic waves in a fluid to be measured and measuring the flow rate from the reflected waves.
The program includes an ultrasonic oscillation procedure for generating an ultrasonic pulse at a constant period and outputting it in the fluid to be measured, and a reflection of the ultrasonic pulse that is oscillated in the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid to be measured. An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a wave, an AD conversion procedure for analog-digital conversion of the ultrasonic echo signal received in the ultrasonic reception procedure by an AD converter, and the ultrasonic oscillation procedure A digital waveform generation procedure for generating a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse oscillated as a continuous wave, and a digital wave generated by the digital waveform generation procedure and an ultrasonic digital echo digitized by the AD converter The signal is multiplied by a digital mixer using a digital mixer, and the processed signal multiplied by the multiplication procedure is analyzed, and the measurement is performed. A signal analysis procedure for calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the line, and outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure The output procedure is executed by a computer, and the signal analysis procedure is characterized in that the combined waveform signal obtained by the digital mixer is subjected to a signal analysis by performing a filtering process using a low-pass filter.

(請求項9)
請求9に記載の発明は、請求項6に記載の発明に対応したコンピュータプログラムであり、請求項8に記載の発明を限定したものである。
すなわち、前記デジタル波形発生手順は、デジタル波形データを予め波形データベースに蓄積する波形データ蓄積手順と、その波形データベースから所望するデジタル波形を抽出して前記デジタルミキサーに出力させるデジタル波形出力手順とを含むことを特徴とする。
(Claim 9)
The invention described in claim 9 is a computer program corresponding to the invention described in claim 6, and the invention described in claim 8 is limited.
That is, the digital waveform generation procedure includes a waveform data storage procedure for storing digital waveform data in a waveform database in advance, and a digital waveform output procedure for extracting a desired digital waveform from the waveform database and outputting the digital waveform to the digital mixer. It is characterized by that.

上記した請求項7から請求項9に記載されたコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、CD−R、MO(光磁気ディスク)、DVD−Rなどである。   The computer program according to any one of claims 7 to 9 can be provided by being stored in a recording medium. Here, the “recording medium” is a medium that can carry a program that cannot occupy space by itself, such as a flexible disk, a hard disk, a CD-R, an MO (magneto-optical disk), a DVD- R and the like.

請求項1から請求項3に記載の発明によれば、大口径の配管の流量測定において、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる超音波流量計を提供することができた。
請求項4から請求項6に記載の発明によれば、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる測定方法を提供することができた。
請求項7から請求項9に記載の発明によれば、被測定流体の流速が速い場合あるいは被測定流体が流れる配管口径が大きい場合であっても、正確な測定を実現できる測定プログラムを提供することができた。
According to the first to third aspects of the present invention, even when the flow rate of the fluid to be measured is fast or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large, An ultrasonic flowmeter capable of realizing the measurement was provided.
According to the invention described in claims 4 to 6, there is provided a measurement method capable of realizing accurate measurement even when the flow rate of the fluid to be measured is high or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large. I was able to.
According to the seventh to ninth aspects of the present invention, there is provided a measurement program capable of realizing accurate measurement even when the flow rate of the fluid to be measured is high or the pipe diameter through which the fluid to be measured flows is large. I was able to.

本願発明を、実施形態および図面を参照して説明する。個々で使用する図面は、図1から図13である。   The present invention will be described with reference to embodiments and drawings. The drawings used individually are shown in FIGS.

(図1)
図1では、本発明に係る超音波流速分布計及び流量計のシステム構成を概略にて示している。
パソコン(図中「「PC」」11)と、そのパソコン11が読み出し実行可能な超音波流速分布及び流量測定プログラムとが協働し、被測定流体が流れる配管18に対して、超音波流速分布計及び流量計として機能する。すなわち、パソコン11に内蔵されるハードディスクには、超音波流速分布及び流量測定プログラムがインストールされている。
(Figure 1)
FIG. 1 schematically shows the system configuration of an ultrasonic flow velocity distribution meter and a flow meter according to the present invention.
The personal computer ("PC" 11 in the figure) and the ultrasonic flow velocity distribution and flow measurement program that can be read and executed by the personal computer 11 cooperate with each other, and the ultrasonic flow velocity distribution for the pipe 18 through which the fluid to be measured flows. It functions as a meter and a flow meter. That is, the ultrasonic velocity distribution and flow measurement program is installed in the hard disk built in the personal computer 11.

配管18には、超音波トランスデューサ15が固定される。
超音波トランスデューサ15は、配管18に所定の設置角度θをなして外側から設置される。超音波トランスデューサ15から発信された超音波パルスは、図1に示される測定線MLに沿って、配管18内を流れる被測定流体17中に入射され、懸濁する(混在する)超音波反射体により反射される。超音波反射体(気泡48)によって反射された反射波は、超音波トランスデューサ15に戻る。この信号と、超音波パルス発信器15a(またはデジタル波形発生装置15b)による信号の乗算が行われる。
An ultrasonic transducer 15 is fixed to the pipe 18.
The ultrasonic transducer 15 is installed on the pipe 18 from the outside at a predetermined installation angle θ. The ultrasonic pulse transmitted from the ultrasonic transducer 15 is incident and suspended (mixed) in the measured fluid 17 flowing in the pipe 18 along the measurement line ML shown in FIG. Is reflected by. The reflected wave reflected by the ultrasonic reflector (bubble 48) returns to the ultrasonic transducer 15. This signal is multiplied by the signal by the ultrasonic pulse transmitter 15a (or the digital waveform generator 15b).

図示は省略しているが、前述のトランスデューサ15は、音響インピーダンスを整合させるため、音響カプラを介して配管18に設置されることが一般的である。
超音波流速分布及び流量測定時において、例えば、トランスデューサ15が発信する超音波パルスの周波数の制御や反射波を受信する際のゲイン調整等の測定に付随的な処理操作(以下、「基本処理操作」)は、事前設定される基本処理PG20によって各種機能が実現される。基本処理PG20は、例えば、パソコン11に内蔵されるハードディスク等のパソコン11が読み出し可能な記録手段に記録され、保存される。
Although illustration is omitted, the above-described transducer 15 is generally installed in the pipe 18 via an acoustic coupler in order to match the acoustic impedance.
At the time of ultrasonic flow velocity distribution and flow rate measurement, for example, processing operations associated with measurements such as control of the frequency of ultrasonic pulses transmitted by the transducer 15 and gain adjustment when receiving reflected waves (hereinafter referred to as “basic processing operations”). "), Various functions are realized by the preset basic process PG20. The basic process PG20 is recorded and stored in a recording means readable by the personal computer 11 such as a hard disk built in the personal computer 11, for example.

(図2および図4)
図2は第一の実施形態である超音波流速分布計及び流量計の機能ブロック図を示し、図4は超音波の処理手順を概念的に示している。
超音波トランスデューサ15は、バースト波発信手段と、超音波受信手段として機能する。
前記の超音波トランスデューサ15におけるバースト波発信手段は、周波数f0のバースト波を所定の繰り返し周波数にて発信する。また、前記の超音波パルス発振機15aは、前記バースト波と同じ周波数f0の連続波を発振する。
(FIGS. 2 and 4)
FIG. 2 is a functional block diagram of the ultrasonic flow velocity distribution meter and the flow meter according to the first embodiment, and FIG. 4 conceptually shows an ultrasonic processing procedure.
The ultrasonic transducer 15 functions as burst wave transmitting means and ultrasonic receiving means.
The burst wave transmitting means in the ultrasonic transducer 15 transmits a burst wave having a frequency f0 at a predetermined repetition frequency. The ultrasonic pulse oscillator 15a oscillates a continuous wave having the same frequency f0 as the burst wave.

前記の超音波受信手段が受信したバースト波の反射波と、連続波を、乗算手段30aが乗算する。その超音波トランスデューサ15が受信した超音波エコー信号の周波数をf0’として、この乗算処理を実行すると、(f0+f0’)の周波数成分と(f0−f0’)の周波数成分(f0>f0’の場合、f0<f0’の場合は(f0’−f0)となる)を有するようになる。   The multiplying unit 30a multiplies the reflected wave of the burst wave received by the ultrasonic wave receiving unit and the continuous wave. When the frequency of the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic transducer 15 is f0 ′ and this multiplication process is executed, the frequency component of (f0 + f0 ′) and the frequency component of (f0−f0 ′) (f0> f0 ′) , F0 <f0 ′, (f0′−f0)).

(図5)
図5は、ローパスフィルタによるフィルタリング機能を概念的に示している。
前述の乗算結果の信号のうち、(f0+f0’)の周波数成分をローパスフィルタ(31b)によるフィルタリング処理によりカットすることにより、(f0−f0’)の周波数成分だけが残ることとなる。これにより、その後に実行される流速分布算出の際の算出においてサンプリング点数を減らすことができるようになり、相互相関のための計算におけるデータ量を減少させることとなる。
このため、後に実行される流速分布算出の際の計算範囲を絞ることができ、ハードウェアに対する負担を軽減できる。
(Fig. 5)
FIG. 5 conceptually shows the filtering function by the low-pass filter.
By cutting the frequency component of (f0 + f0 ′) by the filtering process by the low-pass filter (31b), only the frequency component of (f0−f0 ′) remains. As a result, the number of sampling points can be reduced in the calculation in the subsequent flow velocity distribution calculation, and the amount of data in the calculation for cross-correlation is reduced.
For this reason, it is possible to narrow the calculation range when calculating the flow velocity distribution to be executed later, and to reduce the burden on the hardware.

ローパスフィルタ30bにかけた信号は、超音波制御部25に送られる。この超音波制御部25は、ADコンバータ32と、ウォールフィルタによるWF処理部33とを備えている。
AD変換後のデジタル信号は、例えば、パソコン11に内蔵されるメモリ(図示を省略)にデジタルデータとして一旦蓄積される。メモリに蓄積されたデジタルデータは、例えば、パソコン11に内蔵されるハードディスクや、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、MO等のパソコン11が読み取り可能な記録手段に記録することができる。また、ADコンバータ32の解像度は、例えば8bitでサンプリング周波数が500MHzまで可能である。
The signal applied to the low pass filter 30b is sent to the ultrasonic control unit 25. The ultrasonic control unit 25 includes an AD converter 32 and a WF processing unit 33 using a wall filter.
The digital signal after AD conversion is temporarily stored as digital data in a memory (not shown) built in the personal computer 11, for example. The digital data stored in the memory can be recorded in a recording means readable by the personal computer 11 such as a hard disk built in the personal computer 11, a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, or an MO. Further, the resolution of the AD converter 32 is, for example, 8 bits and the sampling frequency can be up to 500 MHz.

前記のウォールフィルタは、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタである。この場合、前記ウォールフィルタ処理部33は、前記超音波発振手段15により周期的にn回(nは2以上)連続して発振された超音波パルスの反射波であるn系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得る。そして、前記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を実行した後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築する。   The wall filter is a filter that reduces clutter noise components. In this case, the wall filter processing unit 33 performs ultrasonic echoes for n series, which are reflected waves of ultrasonic pulses periodically oscillated n times (n is 2 or more) by the ultrasonic oscillating means 15. The signal level of the ultrasonic echo signal is obtained from the signal at every predetermined elapsed time from the start time of each series, arranged in order of the number of series, and the corresponding time echo level signal is Fourier transformed. The frequency equivalent component of the corresponding time echo level signal is obtained. And after rejecting the low frequency equivalent component from the frequency equivalent component of the corresponding time echo level signal, after performing the inverse Fourier transform on the frequency equivalent component of the corresponding time echo level signal in which the low frequency equivalent component is rejected, The digital ultrasonic echo signals are reconstructed by rearranging them in time series.

ただし、前述の乗算手段30aやローパスフィルタ30bによってクラッタノイズ成分が低減している場合には、必要ない場合もある。その場合の手順は、二点破線にて示している。
超音波制御部25にて処理された電気信号は、流速分布算出部37にて、流速分布を算出するのに用いられる。流速分布を出力したい場合には、表示手段40(パソコン11のディスプレイ等)にて出力する。その場合の手順は、二点破線にて示している。
However, this may not be necessary when the clutter noise component is reduced by the multiplication means 30a or the low-pass filter 30b described above. The procedure in that case is indicated by a two-dot broken line.
The electrical signal processed by the ultrasonic control unit 25 is used by the flow velocity distribution calculation unit 37 to calculate the flow velocity distribution. When it is desired to output the flow velocity distribution, the display means 40 (the display of the personal computer 11 or the like) outputs it. The procedure in that case is indicated by a two-dot broken line.

流速分布算出部37にて、流速分布を算出した結果を用いて流量を算出するには、流量算出部38にて積分演算などを実行し、単位時間あたりの流量を算出する。すなあち、流量算出部38は、流速分布算出部37が算出した流速分布データを受信し、受信した流速分布データを用いて配管18の内の流速分布を配管18の内部面積に沿う積分演算を実行することで流量を算出する。すなわち、流量算出のための積分演算処理は、パソコン11のCPU等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定プログラムを実行することでなされる。そして、その結果は表示手段40にて出力する。   In order to calculate the flow rate using the result of calculating the flow velocity distribution in the flow velocity distribution calculation unit 37, the flow rate calculation unit 38 executes an integral operation or the like to calculate the flow rate per unit time. In other words, the flow rate calculation unit 38 receives the flow rate distribution data calculated by the flow rate distribution calculation unit 37, and uses the received flow rate distribution data to convert the flow rate distribution in the pipe 18 along the internal area of the pipe 18. To calculate the flow rate. That is, the integral calculation process for calculating the flow rate is performed by the calculation processing means such as the CPU of the personal computer 11 executing the ultrasonic flow velocity distribution and flow rate measurement program. The result is output by the display means 40.

(図3)
図3では、第二の実施形態である超音波流速分布計及び流量計の機能ブロック図を示す。
この実施形態では、第一の実施形態にて用いた超音波パルス発振機15aは使用せず、代わりにデジタル波形発生装置15bを用いる。
超音波トランスデューサ15は、バースト波発信手段と、そのバースト波の反射波(超音波エコー信号)を受信する超音波受信手段として機能する。
(Figure 3)
FIG. 3 shows a functional block diagram of the ultrasonic flow velocity distribution meter and the flow meter according to the second embodiment.
In this embodiment, the ultrasonic pulse oscillator 15a used in the first embodiment is not used, and a digital waveform generator 15b is used instead.
The ultrasonic transducer 15 functions as a burst wave transmitting unit and an ultrasonic receiving unit that receives a reflected wave (ultrasonic echo signal) of the burst wave.

受信した超音波エコー信号は、超音波制御部25に送られる。この超音波制御部25は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するフィルタリング(以下、バンドパスフィルタリング処理=BPF処理)を実行するBPF処理部31と、超音波エコー信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するADコンバータ32と、デジタルミキサー33とを備えている。
バンドパスフィルタ処理部31は必須ではなく、超音波受信手段が受信した超音波エコー信号をいきなりADコンバータ32に送っても良い。
The received ultrasonic echo signal is sent to the ultrasonic control unit 25. The ultrasonic control unit 25 includes a BPF processing unit 31 that performs filtering for extracting the same frequency band as the used ultrasonic wave in the received ultrasonic echo signal (hereinafter referred to as a bandpass filtering process = BPF process), and an ultrasonic wave. An AD converter 32 that converts an echo signal from an analog signal to a digital signal and a digital mixer 33 are provided.
The band-pass filter processing unit 31 is not essential, and the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic receiving unit may be sent to the AD converter 32 suddenly.

前述のデジタルミキサー33は、前記デジタル波形発生手段15bによって前記超音波発振手段(15)が発振した超音波パルスと同一周波数のデジタル波と、前記ADコンバータ32によってデジタル化された超音波エコー信号とを乗算処理するものである。そのデジタル化された超音波エコー信号の周波数をf0’として、この乗算処理によって、(f0+f0’)の周波数成分と(f0−f0’)の周波数成分(f0>f0’の場合、f0<f0’の場合は(f0’−f0)となる)を有するようになる。   The digital mixer 33 includes a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse oscillated by the ultrasonic wave oscillating means (15) by the digital waveform generating means 15b, an ultrasonic echo signal digitized by the AD converter 32, and the like. Is multiplied. Assuming that the frequency of the digitized ultrasonic echo signal is f0 ′, this multiplication process results in a frequency component of (f0 + f0 ′) and a frequency component of (f0−f0 ′) (f0 <f0 ′ when f0> f0 ′). In this case, it becomes (f0′−f0)).

この乗算結果の信号のうち、(f0+f0’)の周波数成分をローパスフィルタ(31b)によるフィルタリング処理によりカットすることにより、(f0−f0’)の周波数成分だけが残ることとなる。これにより、その後に実行される流速分布算出の際の算出においてサンプリング点数を減らすことができるようになり、相互相関のための計算におけるデータ量を減少させることとなる。
このため、後に実行される流速分布算出の際の計算範囲を絞ることができ、ハードウェアに対する負担を軽減できる。
By cutting the frequency component of (f0 + f0 ′) by the filtering process by the low-pass filter (31b), only the frequency component of (f0−f0 ′) remains. As a result, the number of sampling points can be reduced in the calculation in the subsequent flow velocity distribution calculation, and the amount of data in the calculation for cross-correlation is reduced.
For this reason, it is possible to narrow the calculation range when calculating the flow velocity distribution to be executed later, and to reduce the burden on the hardware.

このデジタル・ローパスフィルタ34にてフィルタリングした信号は、必要であればWF処理部33にてウォールフィルタ処理を実行し、反射体位置・速度算出部36にて反射体48の位置および速度を算出する。処理された電気信号は、流速分布算出部37にて、流速分布を算出するのに用いられる。流速分布算出部37は、反射体位置・速度算出部36が算出した超音波反射体群の位置及び速度をプロットすることによって速度分布を得る。超音波反射体群の位置及び速度のプロット処理は、前記パソコン11のCPU等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定プログラムを実行することでなされる。   The signal filtered by the digital low-pass filter 34 is subjected to wall filter processing by the WF processing unit 33 if necessary, and the position and velocity of the reflector 48 are calculated by the reflector position / velocity calculation unit 36. . The processed electrical signal is used by the flow velocity distribution calculation unit 37 to calculate the flow velocity distribution. The flow velocity distribution calculator 37 obtains a velocity distribution by plotting the position and velocity of the ultrasonic reflector group calculated by the reflector position / velocity calculator 36. The plot processing of the position and velocity of the ultrasonic reflector group is performed by the calculation processing means such as the CPU of the personal computer 11 executing the ultrasonic flow velocity distribution and flow measurement program.

ここで算出された流速分布を出力したい場合には、表示手段40にて出力する。その場合の手順は、二点破線にて示している。
流速分布算出部37にて、流速分布を算出した結果を用いて流量を算出するには、流量算出部にて積分演算などを実行し、単位時間あたりの流量を算出する。その結果は表示手段40にて出力する。
When it is desired to output the flow velocity distribution calculated here, the display means 40 outputs it. The procedure in that case is indicated by a two-dot broken line.
In order to calculate the flow rate by using the result of calculating the flow velocity distribution in the flow velocity distribution calculation unit 37, the flow rate calculation unit executes an integral operation or the like to calculate the flow rate per unit time. The result is output by the display means 40.

(図6)
図6では、トリガ信号及び超音波エコー信号受信波形とADコンバータ32のサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図を示す。
横軸は時間軸、縦軸は信号レベルであり、上段はトリガ信号の時間変化、中段は超音波エコー信号受信波形の時間変化、下段はADコンバータ32のサンプリングのタイミングが図示される。図6の上段に示すようにトリガ信号は、例えば、所定時間(τ)間隔毎にパルス状の信号が次々と出力されている。このトリガ信号のタイミングに合わせて超音波エコー信号の受信及びADコンバータ32のサンプリングのタイミングが制御される。
(Fig. 6)
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the trigger signal and ultrasonic echo signal reception waveform and the sampling timing of the AD converter 32.
The horizontal axis represents the time axis, the vertical axis represents the signal level, the upper stage shows the time change of the trigger signal, the middle stage shows the time change of the received waveform of the ultrasonic echo signal, and the lower stage shows the sampling timing of the AD converter 32. As shown in the upper part of FIG. 6, for example, pulse signals are output one after another as the trigger signal at predetermined time (τ) intervals. The timing of reception of the ultrasonic echo signal and the sampling of the AD converter 32 are controlled in accordance with the timing of the trigger signal.

ADコンバータ32は、図6の下段に示すように、超音波エコー信号を極めて短時間幅、例えば1μs毎にデジタルサンプリング処理して、デジタル超音波エコー信号を取得、すなわち、所要系列数の時系列データ(例えば、512系列分)を取得する。ADコンバータ32が、所要系列数分の時系列データの取得を完了すると、WF処理工程としてデジタル超音波エコー信号に対してWF処理部33がWF処理を実行する。WF処理部33はクラッタノイズを低減する。WF処理が完了した超音波エコー信号は、信号解析手順によって信号解析される。   As shown in the lower part of FIG. 6, the AD converter 32 performs digital sampling processing on the ultrasonic echo signal for an extremely short time width, for example, every 1 μs to obtain the digital ultrasonic echo signal, that is, the time series of the required number of series. Data (for example, 512 series) is acquired. When the AD converter 32 completes the acquisition of time series data for the required number of series, the WF processing unit 33 executes WF processing on the digital ultrasonic echo signal as a WF processing step. The WF processing unit 33 reduces clutter noise. The ultrasonic echo signal for which the WF process has been completed is subjected to signal analysis by a signal analysis procedure.

なお、本発明では、発振された超音波パルスと同一の信号を乗算、ローパスフィルタによる処理を実行することにより、周波数変化のある場合のエコー信号を抽出することが可能であり、WF処理相当の効果がある。そのため、必ずしもWF処理の必要はない。   In the present invention, it is possible to extract an echo signal when there is a frequency change by multiplying the same signal as the oscillated ultrasonic pulse and executing processing by a low-pass filter, which is equivalent to WF processing. effective. Therefore, WF processing is not always necessary.

信号解析とは、相互相関法を用いて超音波エコー信号を解析することにより、配管18内を流れる流体17の測定線(ステンレス管18aの直径方向線)MLに沿う速度分布を求めること又はMLに沿う速度分布を求め、求めた流速分布をステンレス管18aの内部面積に沿って積分することにより流量を求めることである。   Signal analysis refers to obtaining a velocity distribution along the measurement line (diameter direction line of the stainless steel pipe 18a) ML of the fluid 17 flowing in the pipe 18 by analyzing the ultrasonic echo signal using the cross-correlation method, or ML. Is obtained, and the flow rate is obtained by integrating the obtained flow velocity distribution along the internal area of the stainless steel pipe 18a.

信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、この反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、この流速分布算出工程で算出した流速分布を配管18の内部面積に沿う積分演算を行い、流量を算出する流量算出工程とを備える。   The signal analysis procedure includes a reflector position / velocity calculating step for calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector group in the fluid, and a position of the ultrasonic reflector group in the fluid calculated in the reflector position / velocity calculating step. And a flow rate distribution calculating step for calculating a flow velocity distribution of the fluid from the velocity, and a flow rate calculating step for calculating a flow rate by performing an integral operation along the internal area of the pipe 18 for the flow velocity distribution calculated in the flow velocity distribution calculating step.

信号解析手順としての超音波エコー信号の信号解析は、まず、反射体位置・速度算出工程として反射体位置・速度算出部36が、超音波反射体群の位置及び速度を算出する。超音波反射体群の位置及び速度の算出は、極めて短時間幅、例えば1μs毎に512系列サンプリングされるデジタル超音波エコー信号の連続する系列、すなわち、n番目の系列に含まれる反射波(参照波)45とn+1番目の系列(nは、1<n<511を満たす整数)に含まれる反射波(探索波)46との相互相関を計算する。   In the signal analysis of the ultrasonic echo signal as the signal analysis procedure, first, the reflector position / velocity calculation unit 36 calculates the position and velocity of the ultrasonic reflector group as a reflector position / velocity calculation step. The position and velocity of the ultrasonic reflector group are calculated in a very short time width, for example, a continuous series of digital ultrasonic echo signals sampled 512 series every 1 μs, that is, a reflected wave included in the nth series (see Wave) 45 and the cross-correlation between the reflected wave (search wave) 46 included in the (n + 1) th series (n is an integer satisfying 1 <n <511).

相互相関計算処理ステップとしての参照波45と探索波46との相互相関の計算は、探索窓の大きさを変動探索窓法を用いて設定し、探索波46における必要な探索範囲において、参照波45との相互相関をn=1からn=511まで実行する。そして、参照波45と探索波46との相互相関を計算し、相関値がある一定値(閾値)以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定ステップを実行し、続いて、位相差計算ステップにより特定した参照波45及び探索波46の位相差を求め、その位相差から超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップを実行する。   The calculation of the cross-correlation between the reference wave 45 and the search wave 46 as the cross-correlation calculation processing step is performed by setting the size of the search window using the variable search window method, and in the necessary search range in the search wave 46 Cross correlation with 45 is performed from n = 1 to n = 511. Then, the cross-correlation between the reference wave 45 and the search wave 46 is calculated, and when the correlation value is equal to or greater than a certain value (threshold value), a phase specifying step that regards the reflected wave from the same ultrasonic reflector is executed, Then, the phase difference between the reference wave 45 and the search wave 46 specified in the phase difference calculating step is obtained, and the position / velocity calculating step for calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector from the phase difference is executed.

このようにして、参照波45と探索波46との相関値がある一定値(閾値)以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなして、流体17中で超音波を反射した各超音波反射体の位置及び速度を算出していく。そして、流速分布算出工程として算出された超音波反射体群の位置及び速度から流速分布算出部37が被測定流体17の流速分布を算出する。   In this way, when the correlation value between the reference wave 45 and the search wave 46 is a certain value (threshold value) or more, it is regarded as a reflected wave from the same ultrasonic reflector and the ultrasonic wave is reflected in the fluid 17. The position and speed of each ultrasonic reflector are calculated. Then, the flow velocity distribution calculating unit 37 calculates the flow velocity distribution of the fluid 17 to be measured from the position and velocity of the ultrasonic reflector group calculated as the flow velocity distribution calculating step.

流速分布算出部37は、得られた超音波反射体群の位置及び速度データから測定対象となる被測定流体17の流速分布を算出する。算出する被測定流体17の流速分布は、その流速を流体17中に懸濁される超音波反射体群の速度とみなして、得られた超音波反射体群の位置及び速度データから配管18(ステンレス配管18a)の位置及びその位置における超音波反射体群の速度の関係、すなわち、配管18内の流体17の流速分布を算出する。   The flow velocity distribution calculation unit 37 calculates the flow velocity distribution of the fluid 17 to be measured from the position and velocity data of the obtained ultrasonic reflector group. The calculated flow velocity distribution of the fluid 17 to be measured is regarded as the velocity of the ultrasonic reflector group suspended in the fluid 17, and the pipe 18 (stainless steel is obtained from the position and velocity data of the obtained ultrasonic reflector group. The relationship between the position of the pipe 18a) and the velocity of the ultrasonic reflector group at that position, that is, the flow velocity distribution of the fluid 17 in the pipe 18 is calculated.

なお、信号解析手順は、反射体位置・速度算出工程と、流速分布算出工程と、流量算出工程とを備えているが、信号解析手順は、反射体位置・速度算出工程と、流速分布算出工程とを備える形態でもよい。この場合、超音波流速分布計及び流量計10は、配管18内の被測定流体17の流速分布のみを算出し、流量の算出を行わず、パソコン11のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流速分布が表示される。   The signal analysis procedure includes a reflector position / velocity calculation step, a flow velocity distribution calculation step, and a flow rate calculation step. However, the signal analysis procedure includes a reflector position / velocity calculation step and a flow velocity distribution calculation step. The form provided with. In this case, the ultrasonic flow velocity distribution meter and the flow meter 10 calculate only the flow velocity distribution of the fluid to be measured 17 in the pipe 18 and do not calculate the flow rate, and the flow velocity is displayed on a display means such as a display of the personal computer 11. The distribution is displayed.

(図7)
図7は、図1に示される超音波流速分布計及び流量計において、パソコン11が超音波流速分布及び流量測定プログラムを実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法を説明する処理フロー図である。
すなわち、超音波流速分布及び流量測定処理方法は、受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、信号処理後の超音波エコー信号を信号解析して流体17の流速分布及び流量を得る信号解析手順とを具備する。
(Fig. 7)
FIG. 7 is a process for explaining the ultrasonic flow velocity distribution and flow measurement processing method performed by the personal computer 11 executing the ultrasonic flow velocity distribution and flow measurement program in the ultrasonic flow velocity distribution meter and flow meter shown in FIG. FIG.
That is, the ultrasonic flow velocity distribution and flow rate measurement processing method obtains the flow velocity distribution and flow rate of the fluid 17 by performing signal processing on the received ultrasonic echo signal and signal analysis of the ultrasonic echo signal after the signal processing. A signal analysis procedure.

信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するBPF処理を行うBPF処理工程と、超音波エコー信号をAD変換するAD変換工程と、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズ成分を低減するWF処理工程とを備える。   The signal processing procedure includes a BPF processing step for performing BPF processing for extracting the same frequency band as the used ultrasonic wave from the received ultrasonic echo signal, an AD conversion step for AD converting the ultrasonic echo signal, and an ultrasonic echo signal. And a WF processing step for reducing clutter noise components superimposed on the.

信号解析手順は、測定対象である流体17中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、反射体位置・速度算出工程で算出した超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、流速分布算出工程で算出した流速分布から流体17の流量を算出する流量算出工程とを備える。   The signal analysis procedure includes a reflector position / velocity calculating step for calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector group in the fluid 17 to be measured, and the ultrasonic reflector group calculated in the reflector position / velocity calculating step. A flow velocity distribution calculating step for calculating a flow velocity distribution of the fluid from the position and velocity; and a flow rate calculating step for calculating a flow rate of the fluid 17 from the flow velocity distribution calculated in the flow velocity distribution calculating step.

なお、本発明では、発振された超音波パルスと同一の信号を乗算、ローパスフィルタによる処理を実行することにより、周波数変化のある場合のエコー信号の抽出を行うことが可能であり、WF処理相当の効果がある。そのため、必ずしもWF処理の必要はない。   In the present invention, it is possible to extract an echo signal when there is a frequency change by multiplying the same signal as the oscillated ultrasonic pulse and executing processing by a low-pass filter, which corresponds to WF processing. There is an effect. Therefore, WF processing is not always necessary.

まず、パソコン11に内蔵されるCPU等の演算処理手段が超音波流速分布及び流量測定PG12を読み出し実行して、信号処理手順(ステップS1〜ステップS3)及び信号解析手順(ステップS4〜ステップS6)を実行する。
超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号処理手順は、ステップS1でBPF処理工程が、ステップS2でAD変換工程が、ステップS3でWF処理工程がなされる。
First, arithmetic processing means such as a CPU built in the personal computer 11 reads out and executes the ultrasonic flow velocity distribution and the flow measurement PG 12, and performs a signal processing procedure (steps S1 to S3) and a signal analysis procedure (steps S4 to S6). Execute.
In the signal processing procedure in the ultrasonic flow velocity distribution and flow rate measurement processing method, the BPF processing step is performed in step S1, the AD conversion step is performed in step S2, and the WF processing step is performed in step S3.

(図8)
図8は、信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程(ステップS4)のより詳細な処理ステップを表した処理フロー図を示す。
ステップS4の反射体群位置・速度算出工程は、相互相関計算処理ステップ(ステップS21)と、位相特定ステップ(ステップS22)と、位相差計算ステップ(ステップS23)と、位置・速度算出ステップ(ステップS24)と、探索完了判別ステップ(ステップS25)とを備える。
(Fig. 8)
FIG. 8 is a process flow diagram showing more detailed processing steps of the reflector group position / velocity calculating step (step S4) in the signal analysis procedure.
The reflector group position / velocity calculating step in step S4 includes a cross-correlation calculating step (step S21), a phase specifying step (step S22), a phase difference calculating step (step S23), and a position / velocity calculating step (step). S24) and a search completion determination step (step S25).

反射体群位置・速度算出工程は、まず、ステップS21で相互相関計算処理ステップがなされ、相互相関法による参照波45及び探索波46の相互相関を計算し相関値を算出する。相関値の算出は、探索波46の探索窓の大きさを変動探索窓法にて設定し、探索波46の探索範囲において、参照波45の参照範囲との相互相関を計算することでなされる。相関値の算出が完了すると、相互相関計算処理ステップ(ステップS21)は完了し、続いて、ステップS22で位相特定ステップがなされる。   In the reflector group position / velocity calculation step, first, a cross-correlation calculation processing step is performed in step S21, and the cross-correlation between the reference wave 45 and the search wave 46 by the cross-correlation method is calculated to calculate a correlation value. The correlation value is calculated by setting the size of the search window of the search wave 46 by the variable search window method and calculating the cross-correlation with the reference range of the reference wave 45 in the search range of the search wave 46. . When the calculation of the correlation value is completed, the cross-correlation calculation processing step (step S21) is completed, and then the phase specifying step is performed in step S22.

ステップS22の位相特定ステップでは、相互相関計算処理ステップ(ステップS21)で得られた相関値が閾値s以上となる関係を有する探索波46の位相が特定される。閾値sは、PG実行前又は実行時に設定する。位相特定ステップ(ステップS22)は完了し、続いて、ステップS23で位相差計算ステップがなされる。   In the phase identification step of step S22, the phase of the search wave 46 having a relationship in which the correlation value obtained in the cross correlation calculation processing step (step S21) is equal to or greater than the threshold value s is identified. The threshold s is set before or during execution of the PG. The phase identification step (step S22) is completed, and then a phase difference calculation step is performed in step S23.

ステップS23の位相差計算ステップでは、特定した探索波46の位相と参照波45の参照した位相との位相差を計算する。位相差の計算が完了すると、位相差計算ステップ(ステップS23)は完了し、続いて、ステップS24で位置・速度算出ステップがなされる。
ステップS24の位置・速度算出ステップでは、計算した位相差から探索波46の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度を算出する。探索波46の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度の算出が完了すると、位置・速度算出ステップ(ステップS24)は完了し、続いて、ステップS25の探索完了判別ステップがなされる。
In the phase difference calculation step of step S23, the phase difference between the phase of the identified search wave 46 and the phase referred to by the reference wave 45 is calculated. When the calculation of the phase difference is completed, the phase difference calculation step (step S23) is completed, and then the position / velocity calculation step is performed in step S24.
In the position / velocity calculating step of step S24, the position and velocity of the ultrasonic reflector within the search range of the search wave 46 are calculated from the calculated phase difference. When the calculation of the position and velocity of the ultrasonic reflector within the search range of the search wave 46 is completed, the position / velocity calculation step (step S24) is completed, and then the search completion determination step of step S25 is performed.

ステップS25の探索完了判別ステップでは、探索波46において探索する全ての探索範囲について探索が完了したかを判別する。全ての探索範囲について探索が完了していない場合(ステップS25でNOの場合)には、ステップS21に進み、ステップS21以降の処理ステップを繰り返す。ステップS21以降の処理ステップを繰り返すことで、流体17中を流動する超音波反射体群の位置及び速度が算出される。一方、全ての探索範囲について探索が完了している場合(ステップS25でYESの場合)には、反射体群位置・速度算出工程を終了する。   In the search completion determination step of step S25, it is determined whether or not the search has been completed for all search ranges searched in the search wave 46. If the search has not been completed for all search ranges (NO in step S25), the process proceeds to step S21, and the processing steps after step S21 are repeated. By repeating the processing steps after step S21, the position and speed of the ultrasonic reflector group flowing in the fluid 17 are calculated. On the other hand, when the search has been completed for all the search ranges (YES in step S25), the reflector group position / velocity calculating step is terminated.

信号解析手順にて反射体群位置・速度算出工程(ステップS4)が完了すると、続いて、流速分布算出工程(ステップS5)がなされる。ステップS5の流速分布算出工程では、反射体群位置・速度算出工程で算出された反射体群位置及び速度から超音波反射体群の位置と速度との関係、すなわち、流速分布が算出される。流速分布算出の際は、各系列における同じ対応時刻(例えば、対応時刻τ1)において同位置で取得された全ての超音波反射体の速度を加算平均又は2乗平均して算出する。   When the reflector group position / velocity calculating step (step S4) is completed in the signal analysis procedure, the flow velocity distribution calculating step (step S5) is subsequently performed. In the flow velocity distribution calculating step in step S5, the relationship between the position and velocity of the ultrasonic reflector group, that is, the flow velocity distribution is calculated from the reflector group position and velocity calculated in the reflector group position / velocity calculating step. When calculating the flow velocity distribution, the velocity of all the ultrasonic reflectors acquired at the same position at the same corresponding time (for example, corresponding time τ1) in each series is calculated by averaging or squaring.

流速分布が算出されると、流速分布算出工程(ステップS5)を完了し、続いて、流量算出工程(ステップS6)がなされる。ステップS6の流量算出工程では、算出した配管18の内の流速分布を配管18の内部面積に沿う積分演算することで流量を算出する。この時、配管18の内径D等の流速分布以外に積分演算に必要な情報は、超音波流速分布及び流量測定処理がなされる前に入力設定しておく。   When the flow velocity distribution is calculated, the flow velocity distribution calculation step (step S5) is completed, and then the flow rate calculation step (step S6) is performed. In the flow rate calculation step of step S6, the flow rate is calculated by integrating the flow velocity distribution in the calculated pipe 18 along the internal area of the pipe 18. At this time, information necessary for the integral calculation other than the flow velocity distribution such as the inner diameter D of the pipe 18 is input and set before the ultrasonic flow velocity distribution and flow rate measurement processing is performed.

流量の算出が完了すると、流量算出工程(ステップS6)は完了し、信号解析手順は全処理工程を完了する。信号解析手順が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における全処理手順を完了する。超音波流速分布及び流量測定処理結果の表示は、パソコン11に内蔵されるCPU等の演算処理手段が超音波流速分布及び流量測定プログラムの全処理手順を完了後、基本処理プログラムを読み出して実行することでなされる。   When the calculation of the flow rate is completed, the flow rate calculation step (step S6) is completed, and the signal analysis procedure completes all the processing steps. When the signal analysis procedure is completed, the entire processing procedure in the ultrasonic flow velocity distribution and flow rate measurement processing method is completed. The display of the ultrasonic flow velocity distribution and the flow measurement processing result is performed by reading out and executing the basic processing program after the arithmetic processing means such as a CPU built in the personal computer 11 completes the entire processing procedure of the ultrasonic flow velocity distribution and flow measurement program. That is done.

(ウォールフィルタ)
超音波流速分布計及び流量計10において、被測定流体17を案内する流体配管に金属配管18を用いた場合、測定対象流体17の流速分布及び流量を測定すると、受信した超音波エコー信号には、クラッタノイズと呼ばれるノイズ成分が顕著に重畳する。このノイズ成分によって誤ったトレーサ粒子の位置及び速度情報を得る可能性がある。これを避けるため、前述したWF処理部33によるクラッタノイズ低減処理を実行する。以下、WFによるクラッタノイズ低減処理方法について説明する。
(Wall filter)
In the ultrasonic flow velocity distribution meter and the flow meter 10, when the metal pipe 18 is used as the fluid pipe for guiding the fluid 17 to be measured, when the flow velocity distribution and the flow rate of the measurement target fluid 17 are measured, the received ultrasonic echo signal is In addition, a noise component called clutter noise is significantly superimposed. Due to this noise component, it is possible to obtain incorrect tracer particle position and velocity information. In order to avoid this, the clutter noise reduction processing by the WF processing unit 33 described above is executed. Hereinafter, a clutter noise reduction processing method using WF will be described.

(図9)
図9では、トリガ信号、超音波エコー信号及びクラッタノイズの時系列変化を説明している。
個々の系列のクラッタノイズは、どの系列においてもその1つ1つは略同様であり、時間の経過に伴い減衰振動するノイズである。このクラッタノイズは、系列数分のノイズが時間差τずつスライドして重畳したノイズとなるので、様々な周波数成分を有するとともに1番目〜n番目の系列の開始時点ごとにn個のピークを有する。
(Fig. 9)
FIG. 9 illustrates a time series change of the trigger signal, the ultrasonic echo signal, and the clutter noise.
Each series of clutter noise is substantially the same in any series, and is a noise that attenuates and oscillates as time passes. The clutter noise is noise in which the noise corresponding to the number of series slides and is superimposed by the time difference τ, and thus has various frequency components and n peaks for each start time of the 1st to nth series.

従来のLPF及びHPFを用いたフィルタリング処理やBPFを用いたフィルタリング処理では、様々な周波数成分を有するクラッタノイズを有効にフィルタリング処理できず、クラッタノイズの生じる部分をトレーサ粒子群からの超音波パルスの反射波として捉え、クラッタノイズを誤って有効信号として信号解析がなされていた。
そこで、クラッタノイズを有効信号として捉えるのを防止し、このクラッタノイズを有効信号に対して十分に低減するべくWFを使用したフィルタリング処理(WF処理)を実行する。WF処理では、まず、デジタル超音波エコー信号から対応時刻エコーレベル信号が取得される。
The conventional filtering process using LPF and HPF and the filtering process using BPF cannot effectively filter the clutter noise having various frequency components, and the portion where the clutter noise is generated is caused by the ultrasonic pulse from the tracer particle group. The signal was analyzed as a reflected signal, and the clutter noise was mistakenly regarded as an effective signal.
Therefore, a filtering process (WF process) using WF is executed to prevent the clutter noise from being recognized as an effective signal and to sufficiently reduce the clutter noise with respect to the effective signal. In the WF process, first, a corresponding time echo level signal is acquired from a digital ultrasonic echo signal.

本願発明は、流量計や流速計の製造業、流量計や流速計の販売業やメンテナンス業、プラントの保守・メンテナンス業、プラントの制御に関わるコンピュータプログラムの製作・メンテナンス業などにおいて、利用可能性がある。   The present invention can be used in the flow meter and current meter manufacturing industry, the flow meter and current meter sales and maintenance business, the plant maintenance and maintenance business, and the computer program production and maintenance business related to plant control. There is.

本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を概略的に表した測定システムであり、実験設備に適用した測定システムの構成概略図。1 is a measurement system schematically showing an embodiment of an ultrasonic flow velocity distribution meter and a flow meter according to the present invention, and is a schematic configuration diagram of the measurement system applied to experimental equipment. 第一の実施形態である超音波流速分布計及び流量計の機能ブロック図。The functional block diagram of the ultrasonic flow velocity distribution meter which is 1st embodiment, and a flowmeter. 第二の実施形態である超音波流速分布計及び流量計の機能ブロック図。The functional block diagram of the ultrasonic flow velocity distribution meter and flowmeter which are 2nd embodiment. 本発明における超音波の乗算を概念的に示す図。The figure which shows notionally the multiplication of the ultrasonic wave in this invention. 本発明におけるローパスフィルタの機能を概念的に示す図。The figure which shows notionally the function of the low-pass filter in this invention. トリガ信号及び超音波エコー信号受信波形とADコンバータのサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the relationship between a trigger signal and an ultrasonic echo signal reception waveform, and the timing of sampling of AD converter. 本発明に係る超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号処理手順および信号解析手順を示す処理フロー図。The processing flow figure which shows the signal processing procedure and signal analysis procedure of the ultrasonic flow velocity distribution and flow measurement processing method according to the present invention. 本発明に係る流速分布および流量測定処理方法による反射体位置・速度算出工程を示す処理フロー図。The processing flow figure which shows the reflector position and speed calculation process by the flow velocity distribution and flow measurement processing method concerning this invention. トリガ信号(上段)、超音波エコー信号(中段)及びクラッタノイズの時系列変化(下段)を説明した説明図。Explanatory drawing explaining the time series change (lower stage) of a trigger signal (upper stage), an ultrasonic echo signal (middle stage), and clutter noise.

符号の説明Explanation of symbols

11 パソコン(PC)
14 信号線
15 トランスデューサ 15a 超音波パルス発振機
15b デジタル波形発生装置
17 被測定流体
18 金属配管 18a ステンレス管
30a 乗算手段 30b ローパスフィルタ
31 BPF処理部 32 ADコンバータ
33 WF処理部 34 デジタル・ローパスフィルタ
36 反射体位置・速度算出部
37 流速分布算出部 38 流量算出部
40 表示手段(出力手段)
43 流体配管設置容器 45 参照波
46 探索波
48 気泡(反射体)
11 PC
14 Signal Line 15 Transducer 15a Ultrasonic Pulse Oscillator 15b Digital Waveform Generator 17 Measured Fluid 18 Metal Pipe 18a Stainless Steel Pipe 30a Multiplier 30b Low Pass Filter 31 BPF Processing Unit 32 AD Converter 33 WF Processing Unit 34 Digital Low Pass Filter 36 Reflection Body position / velocity calculation unit 37 Flow velocity distribution calculation unit 38 Flow rate calculation unit 40 Display means (output means)
43 Fluid piping installation container 45 Reference wave 46 Search wave 48 Bubble (reflector)

Claims (9)

超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手段と、
その超音波発振手段が出力する超音波パルスと同一周波数の連続波を発振する連続パルス発振手段と、
前記超音波発振手段が発振して当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手段と、
その超音波受信手段が受信した超音波エコー信号と前記連続波とを乗算処理する乗算手段と、
その乗算手段が乗算処理した処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手段と、
その信号解析手段が算出した超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手段と、を備え、
前記信号解析手段は、前記乗算手段によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して得られた波形信号をアナログデジタル変換して信号解析をすることとしたことを特徴とする超音波流量計。
An ultrasonic oscillating means for generating an ultrasonic pulse at a constant period and outputting it in a fluid to be measured;
Continuous pulse oscillation means for oscillating a continuous wave of the same frequency as the ultrasonic pulse output by the ultrasonic oscillation means;
Ultrasonic receiving means for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillation means and reflected from the fluid to be measured;
Multiplication means for multiplying the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception means and the continuous wave;
Analyzing the processing signal multiplied by the multiplication means, and calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line;
Output means for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated by the signal analysis means,
The signal analysis means performs signal analysis by performing analog-to-digital conversion on a waveform signal obtained by executing filtering processing by a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the multiplication means. Sonic flow meter.
超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手段と、
その超音波発振手段が発振して当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手段と、
その超音波受信手段が受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するADコンバータと、
前記超音波発振手段が発振した超音波パルスと同一周波数のデジタル波を連続波として発生させるデジタル波形発生手段と、
そのデジタル波と前記ADコンバータによってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とを乗算処理するデジタルミキサーと、
そのデジタルミキサーが乗算処理した処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手段と、
その信号解析手段が算出した超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手段と、を備え、
前記信号解析手段は、前記デジタルミキサーによって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して信号解析をすることとしたことを特徴とする超音波流量計。
An ultrasonic oscillating means for generating an ultrasonic pulse at a constant period and outputting it in a fluid to be measured;
An ultrasonic receiving means for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillating means and reflected from the fluid to be measured;
An AD converter for analog-to-digital conversion of an ultrasonic echo signal received by the ultrasonic receiving means;
Digital waveform generating means for generating a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse generated by the ultrasonic oscillating means as a continuous wave;
A digital mixer for multiplying the digital wave and the ultrasonic digital echo signal digitized by the AD converter;
Analyzing the processed signal multiplied by the digital mixer, and calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line;
Output means for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated by the signal analysis means,
The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the signal analysis means performs signal analysis by performing filtering processing by a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the digital mixer.
前記デジタル波形発生手段は、デジタル波形データを蓄積した波形データベースと、その波形データベースから所望するデジタル波形を抽出して前記デジタルミキサーに出力させるデジタル波形出力手段とを備えて形成したことを特徴とする請求項2に記載の超音波流量計。   The digital waveform generation means includes a waveform database in which digital waveform data is stored, and a digital waveform output means for extracting a desired digital waveform from the waveform database and outputting the digital waveform to the digital mixer. The ultrasonic flowmeter according to claim 2. 超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、
その超音波発振手順にて出力される超音波パルスと同一周波数の連続波を発振する連続パルス発振手順と、
前記超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、
その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号と前記連続波とを乗算処理する乗算手順と、
その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、
その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、を備え、
前記信号解析手順においては、前記乗算手順によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して得られた波形信号をアナログデジタル変換して信号解析をすることとしたことを特徴とする流量計測方法。
An ultrasonic oscillation procedure for generating ultrasonic pulses at a constant period and outputting them in the fluid to be measured;
A continuous pulse oscillation procedure for oscillating a continuous wave of the same frequency as the ultrasonic pulse output in the ultrasonic oscillation procedure;
An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated in the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid under measurement;
A multiplication procedure for multiplying the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception procedure and the continuous wave;
Analyzing the processed signal multiplied by the multiplication procedure, calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line,
An output procedure for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure,
The signal analysis procedure is characterized in that a signal analysis is performed by analog-digital conversion of a waveform signal obtained by performing filtering processing by a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the multiplication procedure. Flow measurement method.
超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、
その超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、
その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号をADコンバータにてアナログデジタル変換するAD変換手順と、
前記超音波発振手順にて発振された超音波パルスと同一周波数のデジタル波を連続波として発生させるデジタル波形発生手順と、
そのデジタル波形発生手順にて発生されたデジタル波と前記ADコンバータによってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とをデジタルミキサーにて乗算処理する乗算手順と、
その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、
その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、を備え、
前記信号解析手順は、前記デジタルミキサーによって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して信号解析をすることとしたことを特徴とする流量計測方法。
An ultrasonic oscillation procedure for generating ultrasonic pulses at a constant period and outputting them in the fluid to be measured;
An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid under measurement;
AD conversion procedure for analog-digital conversion of the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception procedure by an AD converter;
A digital waveform generation procedure for generating a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse oscillated in the ultrasonic oscillation procedure as a continuous wave;
A multiplication procedure for multiplying the digital wave generated by the digital waveform generation procedure and the ultrasonic digital echo signal digitized by the AD converter by a digital mixer;
Analyzing the processed signal multiplied by the multiplication procedure, calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line,
An output procedure for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure,
The flow rate measuring method according to claim 1, wherein the signal analysis procedure includes performing a signal analysis by performing a filtering process using a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the digital mixer.
前記デジタル波形発生手順は、デジタル波形データを予め波形データベースに蓄積する波形データ蓄積手順と、その波形データベースから所望するデジタル波形を抽出して前記デジタルミキサーに出力させるデジタル波形出力手順とを含むことを特徴とする請求項5に記載の流量計測方法。   The digital waveform generation procedure includes a waveform data storage procedure for storing digital waveform data in a waveform database in advance, and a digital waveform output procedure for extracting a desired digital waveform from the waveform database and outputting the digital waveform to the digital mixer. The flow rate measuring method according to claim 5, wherein the flow rate is measured. 被測定流体に超音波を発振してその反射波から流量を計測するためのコンピュータプログラムであって、
そのプログラムは、 超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、
その超音波発振手順にて出力される超音波パルスと同一周波数の連続波を発振する連続パルス発振手順と、
前記超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、
その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号と前記連続波とを乗算処理する乗算手順と、
その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、
その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、をコンピュータに実行させるとともに、
前記信号解析手順においては、前記乗算手順によって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して得られた波形信号をアナログデジタル変換して信号解析をすることとしたことを特徴とするコンピュータプログラム。
A computer program for oscillating ultrasonic waves in a fluid to be measured and measuring the flow rate from the reflected waves,
The program generates an ultrasonic pulse at a constant period and outputs it into the fluid to be measured.
A continuous pulse oscillation procedure for oscillating a continuous wave of the same frequency as the ultrasonic pulse output in the ultrasonic oscillation procedure;
An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated in the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid under measurement;
A multiplication procedure for multiplying the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception procedure and the continuous wave;
Analyzing the processed signal multiplied by the multiplication procedure, calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line,
An output procedure for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure; and
The signal analysis procedure is characterized in that a signal analysis is performed by analog-digital conversion of a waveform signal obtained by performing filtering processing by a low-pass filter on the combined waveform signal obtained by the multiplication procedure. Computer program.
被測定流体に超音波を発振してその反射波から流量を計測するためのコンピュータプログラムであって、
そのプログラムは、 超音波パルスを一定周期で生成して被測定流体内に出力する超音波発振手順と、
その超音波発振手順にて発振されて当該被測定流体から反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波受信手順と、
その超音波受信手順にて受信された超音波エコー信号をADコンバータにてアナログデジタル変換するAD変換手順と、
前記超音波発振手順にて発振された超音波パルスと同一周波数のデジタル波を連続波として発生させるデジタル波形発生手順と、
そのデジタル波形発生手順にて発生されたデジタル波と前記ADコンバータによってデジタル化された超音波デジタルエコー信号とをデジタルミキサーにて乗算処理する乗算手順と、
その乗算手順にて乗算処理された処理信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出する信号解析手順と、
その信号解析手順にて算出された超音波反射体の位置と速度から前記流体の流速分布および流量の少なくとも一方を出力する出力手順と、をコンピュータに実行させるとともに、
前記信号解析手順は、前記デジタルミキサーによって得られた合成波形信号にローパスフィルタによるフィルタリング処理を実行して信号解析をすることとしたことを特徴とするコンピュータプログラム。
A computer program for oscillating ultrasonic waves in a fluid to be measured and measuring the flow rate from the reflected waves,
The program generates an ultrasonic pulse at a constant period and outputs it into the fluid to be measured.
An ultrasonic reception procedure for receiving an ultrasonic echo signal that is a reflected wave of an ultrasonic pulse that is oscillated by the ultrasonic oscillation procedure and reflected from the fluid under measurement;
AD conversion procedure for analog-digital conversion of the ultrasonic echo signal received by the ultrasonic reception procedure by an AD converter;
A digital waveform generation procedure for generating a digital wave having the same frequency as the ultrasonic pulse oscillated in the ultrasonic oscillation procedure as a continuous wave;
A multiplication procedure for multiplying the digital wave generated by the digital waveform generation procedure and the ultrasonic digital echo signal digitized by the AD converter by a digital mixer;
Analyzing the processed signal multiplied by the multiplication procedure, calculating the position and velocity of the ultrasonic reflector along the measurement line,
An output procedure for outputting at least one of the flow velocity distribution and the flow rate of the fluid from the position and velocity of the ultrasonic reflector calculated in the signal analysis procedure; and
The computer program according to claim 1, wherein the signal analysis procedure includes performing a filtering process using a low-pass filter on the synthesized waveform signal obtained by the digital mixer and performing signal analysis.
前記デジタル波形発生手順は、デジタル波形データを予め波形データベースに蓄積する波形データ蓄積手順と、その波形データベースから所望するデジタル波形を抽出して前記デジタルミキサーに出力させるデジタル波形出力手順とを含むことを特徴とする請求項8に記載のコンピュータプログラム。   The digital waveform generation procedure includes a waveform data storage procedure for storing digital waveform data in a waveform database in advance, and a digital waveform output procedure for extracting a desired digital waveform from the waveform database and outputting the digital waveform to the digital mixer. The computer program according to claim 8, wherein the computer program is characterized.
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