JP2012052994A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】反射相関方式の超音波流量計において、流速算出の精度を向上させる。
【解決手段】流体が流れる配管内に複数回出射される超音波信号に対する複数個の反射信号を受信する受信信号処理部と、複数個の反射信号に対してそれぞれ異なる周波数帯域を透過させる複数個のバンドパスフィルタと、複数個の反射信号について、同一のバンドパスフィルタから得られた信号同士の相関演算を行なう相関演算部と、相関演算部の複数個の相関演算結果に基づいて、流体の流速を特定する流速特定部と、を備えた超音波流量計。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に係り、特に、反射相関方式の超音波流量計において、流速演算の精度を高めるための技術に関する。

超音波を利用して配管内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計の計測方式の１つとして、反射相関方式が知られている。反射相関方式の超音波流量計では、流体が流れる配管に傾斜して取り付けられたトランスデューサから管内に向けて、例えば、図４（ａ）に示すような超音波信号を２回出力し、流体内を流体とともに移動する気泡やパーティクル等の超音波反射体からの反射信号を受信する。

そして、受信した２個の反射信号について一方を参照波、他方を探索波として相関演算を行ない、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からの反射信号であるとみなして、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出することで、配管内の流速分布（流速プロファイル）を求め、流体の流量を算出する。

例えば、図４（ｂ）に示すような、同一の超音波反射体からの反射信号とみなされた１回目の出力信号に対する反射信号Ｔ１と２回目の出力信号に対する反射信号Ｔ２において、時間差ΔＴは、１回目の信号出力と２回目の信号出力との間に進んだ超音波反射体の距離、すなわち、流体の速度に対応し、伝搬時間Ｔｄは、超音波反射体のトランスデューサからの距離、すなわち、超音波反射体の配管内の径方向の位置に対応する。超音波反射体による反射は、配管内の各所で起こるため、配管内の径方向について、図４（ｃ）に示すような流速プロファイルを得ることができる。この流速プロファイルを配管の断面積に沿って積分することで流体の流量が算出される。

特開２００４−３３３２６０号公報

図４（ｂ）に示したように、相関演算を行なう反射信号の波形は、一般的に、サイン波形状の周期性を持った波となる。このため、参照波と探索波の相関係数を計算すると、相関係数の多峰性と呼ばれるように、周期的に高い相関係数が現れることになる。この周期を流速に換算すると、流速Ｖｃの間隔で相関係数のピークが現れる。なお、流速Ｖｃは、［数１］に従って算出することができる。
ただし、Ｔｉは、超音波信号の出力間隔、ｆは、超音波信号の周波数、θは超音波信号の入射角、Ｃは音速である。

参照波と探索波の類似性が高ければ、図５（ａ）に示すように、正しい流速に対応する相関係数が突出して大きくなり、明確に流速を同定することができる。しかしながら、ノイズや他の超音波反射体による外乱等で、図５（ｂ）に示すように、相関係数ピークの大きさに明確な違いが見られなくなる場合がある。このような場合には、例えば、真の流速Ｖ０に対して、Ｖ０±ｎＶｃを流速値と誤検出してしまうことがあり、その結果、図６に示すような誤った流速プロファイルが作成され、流量演算に大きな誤差を生じさせてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、反射相関方式の超音波流量計において、流速算出の精度を向上させ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、流体が流れる配管内に複数回出射される超音波信号に対する複数個の反射信号を受信する受信信号処理部と、前記複数個の反射信号に対してそれぞれ異なる周波数帯域を透過させる複数個のバンドパスフィルタと、前記複数個の反射信号について、同一のバンドパスフィルタから得られた信号同士の相関演算を行なう相関演算部と、前記相関演算部の複数個の相関演算結果に基づいて、前記流体の流速を特定する流速特定部と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記流速特定部は、前記反射信号の前記超音波信号の出射時からの伝搬時間に基づいて、特定した流速の前記配管内の位置を算出するようにしてもよい。このとき、算出された位置毎の流速に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部をさらに備えるようにしてもよい。

また、前記流速特定部は、複数個の相関演算結果について、いずれの相関演算結果においても、相関係数がピークとなる流速を、前記流体の流速として特定することができる。

本発明によれば、反射相関方式の超音波流量計において、流速算出の精度を向上させることができる。

本実施形態の超音波流量計の構成を示すブロック図である。 第１相関演算の結果と第２相関演算の結果の一例を示す図である。 本実施形態における超音波流量計の処理動作について説明するフローチャートである。 送信超音波パルスと、反射信号と、流速プロファイルについて説明する図である。 相関係数の多峰性について説明する図である。 誤った流速プロファイルの例を示す図である。

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、本実施形態の超音波流量計の構成を示すブロック図である。本図に示すように、配管２００内を流れる流体の流量を計測する超音波流量計１００は、トランスデューサ１０１、超音波信号送信部１１０、受信信号処理部１２０、第１ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１３０、第２ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１４０、相関演算部１５０、流速特定部１６０、流速プロファイル作成部１７０、流量算出部１８０を備えている。

超音波流量計１００のトランスデューサ１０１を除く各機能部は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等を備えた汎用、あるいは特定用途の情報処理装置等を用いてソフトウェア的に構成することができる。このため、ハードウェア的には従来と同様の構成とすることができる。もちろん、各機能部をハードウェアで実現するようにしてもよい。

トランスデューサ１０１は、超音波信号送信部１１０の制御に従って超音波信号の送信を行なうとともに、配管２００、流体中の気泡やパーティクル等の超音波反射体によって反射した超音波信号を受信して受信信号処理部１２０に出力する。

超音波信号送信部１１０は、トランスデューサ１０１に所定のタイミングでトリガ信号を出力し、超音波信号を出射させる。本実施形態では、反射相関法の流量計測を行なうため、１回の測定について、間隔Ｔｉで２回、超音波信号を出射させる。以下では、１回目の超音波信号出射で得られた反射信号をＴ１とし、２回目の超音波出射で得られた反射信号をＴ２とする。

受信信号処理部１２０は、トランスデューサ１０１が受信した反射信号を入力し、反射信号Ｔ１、反射信号Ｔ２のそれぞれに対し、デジタルサンプリング処理、ウォールフィルタ処理、メモリへの格納処理等を行なう。なお、ウォールフィルタ処理は、反射信号から残留振動等の定在波を取り除くための処理である。トランスデューサ１０１をクランプオン型ではなく、定在波の発生が顕著でないスプールピース型を用いた場合等には、省くようにしてもよい。

第１ＢＰＦ１３０は、通過中心周波数をｆ１とするバンドパスフィルタであり、第２ＢＰＦ１４０は、通過中心周波数をｆ２とするバンドパスフィルタである。周波数ｆ１と周波数ｆ２とは異なった値とし、トランスデューサ１０１の出射する超音波信号の周波数ｆ０付近の値とすることができる。

なお、トランスデューサ１０１が出射する超音波信号の周波数がｆ０であっても、実際には、種々の周波数成分が混入し、さらには、配管２００に突入する際に、共鳴やフィルタ作用等により、周波数ｆ０を含む周波数帯域の超音波信号として配管２００内に入射する。このため、反射信号もある程度の周波数帯域を有した信号となるため、第１ＢＰＦ１３０により、周波数ｆ１の反射信号を抽出することができ、第２ＢＰＦ１４０により、周波数ｆ２の反射信号を抽出することができる。

相関演算部１５０は、２つの入力信号について、同一の超音波反射体からの反射信号を判別するために、一方を参照波、他方を探索波として相関演算を行なう。本実施形態では、反射信号Ｔ１を第１ＢＰＦ１３０に通して得られた信号と、反射信号Ｔ２を第１ＢＰＦ１３０に通して得られた信号とにより第１相関演算を行ない、反射信号Ｔ１を第２ＢＰＦ１４０に通して得られた信号と、反射信号Ｔ２を第２ＢＰＦ１４０に通して得られた信号とにより第２相関演算を行なう。

ここで、第１相関演算は、通過中心周波数をｆ１とする第１ＢＰＦ１３０を通して得られた反射信号同士の相関演算であるから、［数２］に示す流速Ｖｃ１の間隔で相関係数のピークが現れる。

また、第２相関演算は、通過中心周波数をｆ２とする第２ＢＰＦ１４０を通して得られた反射信号同士の相関演算であるから、［数３］に示す流速Ｖｃ２の間隔で相関係数のピークが現れる。

図２は、第１相関演算の結果と第２相関演算の結果の一例を示す図である。本図に示すように、第１相関演算の結果と第２相関演算の結果とは、反射信号の周波数が異なるため、相関係数のピークの周期が異なる。しかしながら、真の流速Ｖに相当する相関係数のピーク位置は一致し、誤流速のピーク位置は、ずれることになる。

なお、誤流速のピーク位置のずれを明確にするために、第１ＢＰＦ１３０の中心周波数ｆ１と第２ＢＰＦ１４０の中心周波数ｆ２は、Ｖｃ１とＶｃ２とが互いに約数にならないように定めるようにする。また、ピークを明確にするために、周波数ｆ１と周波数ｆ２は、反射信号の周波数成分として多く含まれる周波数とすることが望ましい。例えば、一方の周波数は、出力する超音波信号と同じ周波数としてもよい。

図１の説明に戻って、流速特定部１６０は、第１相関演算の結果と第２相関演算の結果とから相関係数のピークが一致する流速を抽出し、抽出された流速を真の流速として特定する。また、流速特定部１６０は、特定された流速の位置を、反射信号の伝搬時間から算出する。この処理を繰り返すことで、流速特定部１６０は、配管２００内の各位置について流速を特定する。

流速プロファイル作成部１７０は、流速特定部１６０が特定した各位置における流速に基づいて流速プロファイルを作成する。流速プロファイル作成部１７０は、誤計測の影響を排除するために、多数回の計測結果を蓄積し、ヒストグラムを作成し、ヒストグラムのピークから外れた結果を取り除いて流速プロファイルを作成する。

流量算出部１８０は、流速プロファイル作成部１７０が作成した流速プロファイルに基づいて、配管２００を流れる流体の流量を算出する。

次に、本実施形態における超音波流量計１００の処理動作について図３のフローチャートを参照して説明する。

まず、超音波信号送信部１１０の指示により、トランスデューサ１０１が１回目の超音波信号を出射し、トランスデューサ１０１が受信した反射信号Ｔ１を、受信信号処理部１２０が取り込む（Ｓ１０１）。そして、必要に応じてウォールフィルタ処理を行ない（Ｓ１０２）、残響振動等による定在波を除去する。

そして、反射信号Ｔ１に対して、第１ＢＰＦ処理を行なって（Ｓ１０３）、周波数ｆ１付近の信号を抽出する。また、反射信号Ｔ１に対して、第２ＢＰＦ処理を行なって（Ｓ１０４）、周波数ｆ２付近の信号を抽出する。

１回目の超音波信号出射からＴｉ時間後に、超音波信号送信部１１０の指示により、トランスデューサ１０１が２回目の超音波信号を出射し、トランスデューサ１０１が受信した反射信号Ｔ２を、受信信号処理部１２０が取り込む（Ｓ１０５）。そして、必要に応じてウォールフィルタ処理を行ない（Ｓ１０６）、残響振動等による定在波を除去する。

そして、反射信号Ｔ２に対して、第１ＢＰＦ処理を行なって（Ｓ１０７）、周波数ｆ１付近の信号を抽出する。また、反射信号Ｔ２に対して、第２ＢＰＦ処理を行なって（Ｓ１０８）、周波数ｆ２付近の信号を抽出する。

次いで、相関演算部１５０が、反射信号Ｔ１を第１ＢＰＦ１３０に通して得られた周波数ｆ１の信号と、反射信号Ｔ２を第１ＢＰＦ１３０に通して得られた周波数ｆ１の信号とにより第１相関演算を行ない（Ｓ１０９）、反射信号Ｔ１を第２ＢＰＦ１４０に通して得られた周波数ｆ２の信号と、反射信号Ｔ２を第２ＢＰＦ１４０に通して得られた周波数ｆ２の信号とにより第２相関演算を行なう（Ｓ１１０）。

上述のように、第１相関演算の結果と第２相関演算の結果とは、ピークの周期が異なるが、正しい流速に相当するピークの位置は一致して、誤流速のピーク位置はずれる。そこで、流速特定部１６０が、第１相関演算の結果と第２相関演算の結果とでピーク位置が一致する流速を正しい流速として特定する（Ｓ１１１）。流速の特定は、配管２００の径方向の各位置について行なう。

以上の計測処理を複数回繰り返して、位置毎の流速の計測結果を蓄積する。そして、蓄積された計測結果に基づいてヒストグラムを作成し（Ｓ１１２）、ヒストグラムのピークから外れた結果を取り除いた上で、位置毎の流速を決定し、流速プロファイルを作成する（Ｓ１１３）。

流速プロファイルが作成されると、配管２００の断面積に沿って積分を行なうことで配管２００を流れる流体の流量を算出する（Ｓ１１４）。

以上説明したように、本実施形態に係る超音波流量計は、異なる通過帯域のバンドパスフィルタを用いて、複数個の相関演算を行ない、それぞれの相関演算結果に基づいて流速を特定することにより、正確な流速の特定を行なうことができるため、流速算出の精度を向上させることができる。

なお、バンドパスフィルタは、２個に限られず、通過帯域の異なる３個以上用いて、バンドパスフィルタ毎に相関演算を行なうようにしてもよい。この場合も、真の流速に相当するピークの位置はすべて一致することになる。

また、［数１］から分かるように、相関係数のピークの周期Ｖｃは、周波数のみならず、出力間隔Ｔｉにも依存する。そこで、超音波信号の出力間隔Ｔｉを変化させた２組以上の計測を行ない、それぞれの相関演算の結果を用いて流速を特定することで、流速の誤検出をさらに減らすことができる。

また、上記の例では、デジタルサンプリング後のデータに対してデジタルフィルタで構成したバンドパスフィルタを施すことを想定しているが、トランスデューサ１０１が入力したアナログ信号に対して、アナログフィルタを用いてフィルタ処理を行なうようにしてもよい。

１００…超音波流量計
１０１…トランスデューサ
１１０…超音波信号送信部
１２０…受信信号処理部
１３０…第１ＢＰＦ
１４０…第２ＢＰＦ
１５０…相関演算部
１６０…流速特定部
１７０…流速プロファイル作成部
１８０…流量算出部
２００…配管

Claims (4)

1. 流体が流れる配管内に複数回出射される超音波信号に対する複数個の反射信号を受信する受信信号処理部と、
   前記複数個の反射信号に対してそれぞれ異なる周波数帯域を透過させる複数個のバンドパスフィルタと、
   前記複数個の反射信号について、同一のバンドパスフィルタから得られた信号同士の相関演算を行なう相関演算部と、
   前記相関演算部の複数個の相関演算結果に基づいて、前記流体の流速を特定する流速特定部と、
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記流速特定部は、
   前記反射信号の前記超音波信号の出射時からの伝搬時間に基づいて、特定した流速の前記配管内の位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 算出された位置毎の流速に基づいて、前記流体の流量を算出する流量算出部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記流速特定部は、複数個の相関演算結果について、いずれの相関演算結果においても、相関係数がピークとなる流速を、前記流体の流速として特定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波流量計。