JP2011122914A

JP2011122914A - 超音波流量計

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Publication number: JP2011122914A
Application number: JP2009280353A
Authority: JP
Inventors: Masami Wada; 正巳和田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-23
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: JP5397836B2

Abstract

【課題】超音波流量計において、定在波を除去するウォールフィルタの処理負荷を軽減する。
【解決手段】配管内の流体に対して超音波信号を発信し、その反射信号を受信信号として受信するトランスデューサと、受信信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換部と、デジタル化された受信信号から定在波成分を取り除くウォールフィルタと、定在波成分が取り除かれた受信号に基づいて流体の流速を演算する流速演算部とを備えた超音波流量計であって、ウォールフィルタは、複数個の受信信号について、対応する時系列のデータ毎に平滑化処理を行なうことで定在波成分を抽出し、受信信号から抽出された定在波成分を引くことで、受信信号から定在波成分を取り除く。
【選択図】図１

Description

本発明は、配管内の流体に対して超音波信号を発信し、その反射信号を受信して配管内の流量を求める超音波流量計に係り、特に、受信信号から定在波を除去するウォールフィルタに関する。

特許文献１に記載されているように、配管内の流体に対して超音波信号を発信し、その反射信号を受信して配管内の流量を求める超音波流量計が知られている。超音波流量計の測定原理は、いくつかの方式が提案されているが、相互相関方式と呼ばれる方式では、配管内の流体に斜めに超音波信号を送信して、流体内の気泡等に反射して戻ってきた反射信号を受信し、流れに沿った向きと流れに逆らった向きとで超音波信号の伝播時間に差が生じることを利用して流体の流速を求める。そして、得られた流速に配管の断面積をかけることで流体の流量を算出することができる。

図６は、従来提案されている超音波流量計の構成を示すブロック図である。超音波流量計は、トランスデューサ（検出器）１１０を用いて、被流体の流れている配管内に対してパルス形状の超音波を送信し、反射信号を受信する。送信波は、図７（ａ）に示すように、所定間隔の数個のパルスを一組として送信する。

送信する超音波パルスは、送信回路１２０で生成され、受信した反射信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１３０によって送信した超音波と同じ周波数帯が抽出される。抽出された信号の振幅を、ゲイン調整器１４０を用いてＡＤＣ１５０の出力レベルが適切となるような大きさとしてから、ＡＤＣ１５０によりデジタルデータに変換する。

受信波は、図７（ｂ）に示すように、流体内の気泡からの反射波に、配管の影響等によって生じる定在波が重畳した形状となる。この定在波を取り除いて、気泡からの反射波を抽出するために、ウォールフィルタ（ＷＦ）１６０が用いられる。そして、図７（ｃ）に示すような定在波が取り除かれた受信波に基づいて流速演算部１７０が流体の流速を算出し、出力回路１８０が算出結果を出力する。

特開２００５−２０８０６８号公報

特許文献１に記載された超音波流量計では、定在波を取り除くウォールフィルタ１６０の処理においてＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いている。しかしながら、ＦＦＴは、演算量が多く、メモリ容量も多量に必要とする。このため、実装時において、各種コストが増大するとともに、消費電力も多くなる。

そこで、本発明は、超音波流量計において、定在波を除去するウォールフィルタの処理負荷を軽減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の超音波流量計は、配管内の流体に対して超音波信号を発信し、その反射信号を受信信号として受信するトランスデューサと、前記受信信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換部と、デジタル化された前記受信信号から定在波成分を取り除くウォールフィルタと、定在波成分が取り除かれた前記受信号に基づいて前記流体の流速を演算する流速演算部とを備えた超音波流量計であって、前記ウォールフィルタは、複数個の受信信号について、対応する時系列のデータ毎に平滑化処理を行なうことで定在波成分を抽出し、前記受信信号から抽出された前記定在波成分を引くことで、前記受信信号から定在波成分を取り除くことを特徴とする。

本発明の超音波流量計は、ウォールフィルタの処理において、ＦＦＴを用いずに、簡易な構成で実現可能な平滑処理を行なうことで定在波を抽出しているため、ウォールフィルタの処理負荷を軽減することができる。

より具体的には、前記ウォールフィルタ部は、今回のデータおよび前回の出力値を用いて今回の出力値を算出するローパスフィルタを用いて前記平滑化処理を行なうことができる。

このとき、前記ＡＤ変換部に入力する前記受信信号の振幅を調整するゲイン変換部と、前記ゲイン変換部におけるゲインを設定するゲイン制御部とをさらに備え、前記ウォールフィルタ部は、前記ゲイン制御部によりゲインが変更された場合に、前記ローパスフィルタにおける前回の出力値の重み付けを変更された前記ゲインに応じて変化させるようにしてもよい。

これにより、受信信号のゲインを変化させた場合に、ウォールフィルタを即座に追従させることができるようになる。

本発明によれば、超音波流量計において、定在波を除去するウォールフィルタの処理負荷を軽減することができる。

本実施形態に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。トランスデューサを用いた計測の様子を模式的に示す図である。測定の受信信号とローパスフィルタの出力との関係例を示す図である。ゲイン変更に基づくフィルタ演算係数の変更処理について説明するフローチャートである。ＡＤＣの出力とゲイン調整との関係を説明する図である。従来提案されている超音波流量計の構成を示すブロック図である。送信波と受信波の形状および定在波除去後の受信波の形状を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波流量計は、従来と同様に、トランスデューサ（検出器）１０を用いて、被流体の流れている配管内に対してパルス形状の超音波を送信し、反射信号を受信する。

図２は、トランスデューサ１０を用いた計測の様子を模式的に示す図である。本図に示すように、トランスデューサ１０から、配管１００内の流体に斜めに超音波パルス信号を送信する。超音波パルスの送信は、ある一定間隔をおいて行ない、気泡の移動による反射波の到達時刻の変化を検出することにより、流体の流速を算出し、流体の流量を求める。

送信する超音波パルスは、送信回路２０で生成され、受信した反射信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）３０によって送信した超音波と同じ周波数帯が抽出される。抽出された信号の振幅を、ゲイン調整器４０を用いてＡＤＣ１５０の出力レベルが適切となる大きさとしてから、ＡＤＣ５０によりデジタルデータに変換する。なお、ＢＰＦ３０は、ゲイン調整器４０の後段に配置したり、ゲイン調整器４０の前段および後段に配置するようにしてもよい。

図７（ｂ）に示したように、受信波は、流体内の気泡からの反射波に、配管１００の影響等によって生じる定在波が重畳した形状となる。この定在波を取り除いて、気泡からの反射波を抽出するために、ウォールフィルタ（ＷＦ）６０が用いられる。そして、ウォールフィルタ６０によって定在波が取り除かれた受信波に基づいて流速演算部７０が流体の流速を算出し、出力回路８０が算出結果を出力する。配管１００の断面積は既知であるため、出力回路８０から出力された流速に基づいて被測定流体の流量を算出することができる。

次に、本実施形態におけるウォールフィルタ６０の処理について説明する。本実施形態では、複数回の一連の測定結果を用いて、それぞれの測定結果の対応するサンプリングデータに対してローパスフィルタを施すことにより、受信波の平滑化を行なう。ローパスフィルタの出力結果は、個々の測定結果特有の反射波成分が取り除かれるため定在波を表わすものと考えられる。

そこで、受信波からローパスフィルタの出力結果を引くことで定在波を得ることができ、これをウォールフィルタ６０の出力とする。

例えば、図３左に示すように、ｎ−１回目の測定の受信信号の一連の系列をｘ_ｎ-1＝（ｘ_ｎ-1，１，ｘ_ｎ-1，２，ｘ_ｎ-1，３…）とおき、ｎ回目の測定の受信信号の一連の系列をｘ_ｎ＝（ｘ_ｎ，１，ｘ_ｎ，２，ｘ_ｎ，３…）とおく。ここで、ｘ_ｎ，ｋは、ｎ回目の計測における超音波パルスの発信後、受信を開始してからｋ番目のデータを表わしている。

そして、図３右に示すように、複数回の計測において、ｋ番目のデータ同士を、ローパスフィルタを通すことで、ｙ_ｋ（ｎ）で示す定在波を抽出する。ローパスフィルタは、例えば、［数１］に示す式で表わすことができる。今回の定在波であるｙ_ｋ（ｎ）を算出するために、前回算出された定在波ｙ_ｋ（ｎ−１）を用いるようにしている。ただし、他の平滑化フィルタを用いるようにしてもよい。
ここで、Ｔは、測定周期であり、Ｔｆは、フィルタの時定数である。

ウォールフィルタ６０の出力ｗ_ｋは、定在波除去後の受信波を示し、［数２］に示す式で表わすことができる。あるいは、［数３］に示す式を用いてもよい。
このように、本実施形態では、ウォールフィルタ６０の処理において、ＦＦＴを用いずに、簡易な構成のローパスフィルタを用いて定在波を抽出しているため、ウォールフィルタ６０の処理負荷を軽減することができる。

ところで、流体内の気泡からの反射波に重畳する定在波は、短時間では変化しないが、配管１００、流体の温度変動等により、長期的には一定ではない。このため、受信信号の振幅の大きさが変動する場合がある。

受信信号の振幅の大きさが変動した場合には、ＡＤＣ５０の出力レベルが適切な大きさとなるように、必要に応じてゲイン調整器４０のゲインを調整しなければならない。ゲインを変化させた場合にも、ウォールフィルタ６０を即座に追従させることが望ましいが、従来は、ゲインを変化させた場合の対応については考慮されておらず、フィルタ結果が安定するまでに複数回の測定が必要になってしまう。

そこで、本実施形態では、ゲイン調整とフィルタ演算係数とについて図４に示すような制御を行なうこととする。この制御を行なうために、本実施形態の超音波流量計は、ＧＡＩＮ（ゲイン）制御部９０を備えている。

まず、ゲイン調整器４０のゲインとして所定の初期値を設定し、ウォールフィルタ６０で用いるローパスフィルタの演算係数として［数１］に示した初期値を設定する。

そして、一連の計測を行なう（Ｓ１０２）。計測の結果取得された受信波に対してゲイン調整器４０でゲイン調整を行ない、ＡＤＣ５０でデジタル変換したときに、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、所定の基準値を下回っているかどうかを判定する（Ｓ１０３）。所定の基準値は、例えば、ＡＤＣ５０出力値のフルスケールに対する値等とすることができる。また、ＢＰＦ３０の出力値やＡＤＣ５０の入力値を所定の基準値と比較するようにしてもよい。

その結果、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、所定の基準値を下回っている場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）には、ゲイン調整器４０におけるゲインを増加させるように設定する（Ｓ１０４）。ここでは、ゲインをｒ倍（ｒ＞１）に設定するものとする。

このとき、今回までのウォールフィルタ６０のローパスフィルタでは、ゲインをｒ倍する前の測定値を用いて定在波ｙ_ｋ（ｎ−１）を算出していた。そこで、ゲインをｒ倍とする次回の定在波ｙ_ｋ（ｎ）の算出においては、［数４］に示すように、ｙ_ｋ（ｎ−１）をｒ倍した値を用いるものとする（Ｓ１０５）。
これにより、ゲインを増加した場合に、即座にウォールフィルタ６０のローパスフィルタを対応させることができるようになる。

一方、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、所定の基準値を下回っていない場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）には、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、所定の基準値を上回っているかどうかを判定する（Ｓ１０６）。

その結果、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、所定の基準値を上回っている場合（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）には、ゲイン調整器４０におけるゲインを低下させるように設定する（Ｓ１０７）。ここでは、ゲインをｒ倍（ｒ＜１）に設定するものとする。

このとき、今回までのウォールフィルタ６０のローパスフィルタでは、ゲインをｒ倍する前の測定値を用いて定在波ｙ_ｋ（ｎ−１）を算出していた。そこで、ゲインをｒ倍とする次回の定在波ｙ_ｋ（ｎ）の算出においては、［数４］に示したように、ｙ_ｋ（ｎ−１）をｒ倍した値を用いるものとする（Ｓ１０８）。

これにより、ゲインを低下させた場合にも、即座にウォールフィルタ６０のローパスフィルタを対応させることができるようになる。

一方、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、所定の基準値を上回っていない場合（Ｓ１０６：Ｎｏ）、すなわち、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が所定の基準範囲に収まっている場合には、ゲイン調整器４０におけるゲインは変更しない。さらに、フィルタ演算係数を変更している場合には、［数１］に示した初期設定の状態に戻す。したがって、［数４］に示した式は、ゲインを変更した直後の一回の測定のみに適用し、以降は、［数１］に示した初期設定の式でローパスフィルタの処理を行なうようにする。

以上のような制御を行なうことにより、本実施形態では、受信波のゲインを変化させた場合に、ウォールフィルタを即座に追従させることができるようになる。

図５は、ゲイン制御の例を示す図である。本図は、ＡＤＣ５０の出力値を示し、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、フルスケール（ＦＳ）の１／２を超えると、ゲインを１／√２倍に低下させ、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、フルスケール（ＦＳ）の１／４を下回ると、ゲインを√２倍に増加させるものとする。

図５（ａ）は、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、フルスケール（ＦＳ）の１／２を超えた状態を示している。このような場合には、次の測定の際に、ゲイン調整器４０におけるゲインを１／√２倍に低下させ、ウォールフィルタ６０の演算に［数４］に示した式を用いるものとする。図５（ｂ）は、ゲインを１／√２倍に低下させた状態を示している。

図５（ｃ）は、ＡＤＣ５０の出力値の絶対値が、フルスケール（ＦＳ）の１／４を下回った状態を示している。このような場合には、次の測定の際に、ゲイン調整器４０におけるゲインを√２倍に増加させ、ウォールフィルタ６０の演算に［数４］に示した式を用いるものとする。図５（ｄ）は、ゲインを√２倍に増加させた状態を示している。

このように、本実施形態では、ゲインの変更と、ウォールフィルタ６０の演算とを同時にコントロールすることにより、ゲイン変更時にも安定した動作を行なうことができるようになる。

１０…トランスデューサ、２０…送信回路、３０…ＢＰＦ、４０…ゲイン調整器、５０…ＡＤＣ、６０…ウォールフィルタ、７０…流速演算部、８０…出力回路、９０…ゲイン制御部、１００…配管、１１０…トランスデューサ、１２０…送信回路、１３０…ＢＰＦ、１４０…ゲイン調整器、１５０…ＡＤＣ、１６０…ウォールフィルタ、１７０…流速演算部、１８０…出力回路

Claims

配管内の流体に対して超音波信号を発信し、その反射信号を受信信号として受信するトランスデューサと、
前記受信信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換部と、
デジタル化された前記受信信号から定在波成分を取り除くウォールフィルタと、
定在波成分が取り除かれた前記受信号に基づいて前記流体の流速を演算する流速演算部とを備えた超音波流量計であって、
前記ウォールフィルタは、複数個の受信信号について、対応する時系列のデータ毎に平滑化処理を行なうことで定在波成分を抽出し、前記受信信号から抽出された前記定在波成分を引くことで、前記受信信号から定在波成分を取り除くことを特徴とする超音波流量計。
前記ウォールフィルタ部は、今回のデータおよび前回の出力値を用いて今回の出力値を算出するローパスフィルタを用いて前記平滑化処理を行なうことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
前記ＡＤ変換部に入力する前記受信信号の振幅を調整するゲイン変換部と、
前記ゲイン変換部におけるゲインを設定するゲイン制御部とをさらに備え、
前記ウォールフィルタ部は、前記ゲイン制御部によりゲインが変更された場合に、前記ローパスフィルタにおける前回の出力値の重み付けを変更された前記ゲインに応じて変化させることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。