JP2016169964A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、電源部から発生する周期的ノイズの影響低減に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow meter, and more particularly to reducing the influence of periodic noise generated from a power supply unit.
超音波流量計の流量測定方法としては、
a)伝搬時間差法
配管内に流れる流体に超音波を放射し、流体内を透過した際の上流・下流のトランスデューサの受信信号の伝搬時間差によって流量を求める
b)ドップラー法や反射相関法
流体内に含まれる気泡や夾雑物からの反射信号から超音波の伝搬する測線上の流速分布を求め、流量を計算する
などがある。
As a flow measurement method of the ultrasonic flowmeter,
a) Propagation time difference method Ultrasound is radiated to the fluid flowing in the pipe, and the flow rate is obtained by the propagation time difference of the received signals of the upstream and downstream transducers when passing through the fluid. b) Doppler method and reflection correlation method In the fluid There is a method of calculating a flow rate by obtaining a flow velocity distribution on a survey line through which ultrasonic waves propagate from reflected signals from contained bubbles and impurities.
図4は、従来から用いられている超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図4において、超音波流量計は、超音波信号の送受信を行う検出部10と、各部の統括的な制御や信号処理などを行う制御部20と、各部に所定の駆動用電力を供給する電源部30で構成されている。
FIG. 4 is a configuration explanatory view showing an example of an ultrasonic flowmeter conventionally used. In FIG. 4, an ultrasonic flowmeter includes a
検出部10は、被測定流体が流れる測定管11と、測定管11を挟むようにして測定管11の外壁にそれぞれの超音波信号の伝搬経路が測定管11の管軸に対して所定の角度で斜め方向に交わる位置関係で上流側と下流側に対向配置された超音波信号を送受信する超音波変換素子を含むセンサ12、13などで構成されている。
The
制御部20は、送受信切替部21、送信部22、受信部23、信号処理部24、表示部25などで構成されている。
The
送受信切替部21は、一方のセンサ12が送信部22に接続されているときは他方のセンサ13が受信部23に接続され、一方のセンサ12が受信部23に接続されているときは他方のセンサ13が送信部22に接続されるようにセンサ12、13の送受を相補的に切り替える。
The transmission /
信号処理部24は、所定のプログラムにしたがって、センサ12、13を所定のタイミングで駆動するための送受信タイミング信号の生成や、センサ12、13の検出信号に基づく流量演算などを行い、演算結果を表示部25に出力する。
The
表示部25は、信号処理部24の演算結果をはじめ、作業者の操作に応じて内部にあらかじめ設定されている個々の機器に固有のパラメータなども表示する。
The
ところで、反射相関型の超音波流量計による流量計測方法では、前述のように流体内に含まれる気泡・夾雑物などからの反射信号に基づいて超音波の伝搬経路上における流速を測定し、測定管11内の流速分布から流量を計測する。
By the way, in the flow measurement method using the reflection correlation type ultrasonic flowmeter, as described above, the flow velocity on the ultrasonic propagation path is measured based on the reflection signal from the bubbles and impurities contained in the fluid, and the measurement is performed. The flow rate is measured from the flow velocity distribution in the
ここで、気泡・夾雑物などからの反射信号は残響振動に比べて非常に小さいため、信号処理部24において特開2011-122914号公報に記載されているような残響振動を除去するためのウォールフィルタ(以下WFという)処理が行われる。
Here, since the reflected signal from the bubbles / contaminants is much smaller than the reverberation vibration, a wall for removing the reverberation vibration described in JP 2011-122914 A in the
図5は、反射相関型超音波流量計の動作を説明する波形例図である。図5(a)はWF処理前の受信波形であり、気泡からの反射信号の他に、センサ12または13が超音波を送信した際に発生する残響振動が含まれている。
FIG. 5 is a waveform example illustrating the operation of the reflection correlation type ultrasonic flowmeter. FIG. 5A shows a received waveform before WF processing, which includes reverberation vibration generated when the
図5(b)は、図5(a)の受信波形から定在波としてWF処理により取り除かれる残響振動波形である。図5(a)の受信波形から図5(b)に示す残響振動波形を取り除くことにより、図5(c)に示すような気泡・夾雑物などからの反射信号が得られる。 FIG. 5B shows a reverberation vibration waveform removed from the received waveform of FIG. 5A as a standing wave by WF processing. By removing the reverberation vibration waveform shown in FIG. 5B from the received waveform shown in FIG. 5A, a reflected signal from a bubble / contamination as shown in FIG. 5C is obtained.
信号処理部24は、このようにして残響振動が除去された受信信号を用いて、流速や流量などの演算処理を行う。
The
特許文献1には、超音波流量計において、定在波を除去するWFの処理負荷を軽減する技術が記載されている。
非特許文献1には、本発明と同様な伝搬時間差方式の超音波流量計の測定原理や構成などについて記載されている。
Non-Patent
超音波流量計の小型化や高効率化を図るために、電源部30としてスイッチングレギュレータを使用することも考えられる。
In order to reduce the size and increase the efficiency of the ultrasonic flowmeter, it is conceivable to use a switching regulator as the
しかし、スイッチングレギュレータを使用すると、スイッチングレギュレータの駆動に伴って図6に示すようなスイッチング周期に同期したリップルノイズが発生し、受信波形に重畳することがある。 However, when a switching regulator is used, ripple noise synchronized with the switching period as shown in FIG. 6 is generated as the switching regulator is driven, and may be superimposed on the received waveform.
図7は、電源部30としてスイッチングレギュレータを使用した反射相関型超音波流量計の動作を説明する波形例図である。図7(a)はWF処理前の受信波形であり、気泡からの反射信号を含む受信信号の他に、センサ12または13が超音波を送信した際に発生する残響振動と、スイッチングレギュレータの駆動に伴って発生する図6に示すようなリップルノイズも含まれている。このリップルノイズは、受信信号に対して非同期である。
FIG. 7 is a waveform example diagram for explaining the operation of the reflection correlation type ultrasonic flowmeter using a switching regulator as the
図7(b)は、図7(a)の受信波形から定在波としてWF処理により取り除かれる残響振動波形である。図7(a)の受信波形から図7(b)に示す残響振動波形を取り除くことにより、図7(c)に示すような気泡・夾雑物などからの反射信号が得られる。 FIG. 7B shows a reverberation vibration waveform that is removed from the received waveform of FIG. 7A as a standing wave by WF processing. By removing the reverberation vibration waveform shown in FIG. 7B from the received waveform shown in FIG. 7A, a reflected signal from a bubble / contamination as shown in FIG. 7C is obtained.
ところが、スイッチングレギュレータの駆動に伴って発生するリップルノイズは受信信号に対して非同期であることから、図7(b)に示す残響振動波形を取り除くだけではリップルノイズまで除去することは困難であり、図7(c)に示すようにリップルノイズの影響は残ってしまう。 However, since the ripple noise generated with the driving of the switching regulator is asynchronous to the received signal, it is difficult to remove the ripple noise only by removing the reverberation vibration waveform shown in FIG. As shown in FIG. 7C, the influence of ripple noise remains.
リップルノイズの影響が残る波形に基づいて流速の演算処理を行うと、気泡や夾雑物からの受信信号がノイズより小さい場合には、流速が求められなくなったり、間違った値を出力するなどの問題が発生することもある。 When calculating the flow velocity based on a waveform that remains affected by ripple noise, if the received signal from bubbles or other contaminants is smaller than the noise, the flow velocity cannot be obtained or an incorrect value is output. May occur.
この影響を回避する対策として、電源部をリップルノイズの小さいシリーズレギュレータで構成したり、電源部と制御部を電気的に隔離するなどが考えられるが、効率が低下したり、小型化が困難になるなどの新たな問題が発生する。 Possible measures to avoid this effect include configuring the power supply unit with a series regulator with low ripple noise and electrically isolating the power supply unit and the control unit, but this reduces efficiency and makes it difficult to reduce the size. New problems occur.
また、回路の構成を工夫したり、回路配置の最適化によってもリップルノイズの影響を低減できるが、装置形状が制約される場合にはこれらの実現は非常に難しくなる。 In addition, the influence of ripple noise can be reduced by devising the circuit configuration or optimizing the circuit arrangement. However, when the device shape is restricted, it is very difficult to realize these.
本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減できる超音波流量計を実現することにある。 The present invention solves these problems, and an object of the present invention is to realize an ultrasonic flowmeter that can relatively easily reduce the influence of periodic noise such as ripple noise of a power supply section generated by a switching regulator or the like. There is to do.
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
被測定象流体が流れる測定管に超音波信号を送受する超音波変換素子を含むセンサが取り付けられた検出部と、前記センサにおける超音波信号の送受を行い前記センサの検出信号に基づいて前記被測定象流体の流量演算を行う制御部と、各部に所定の駆動用電力を供給するスイッチングレギュレータよりなる電源部とで構成された超音波流量計において、
前記制御部は同期制御信号に基づき前記センサが前記電源部のスイッチングに同期して超音波信号を送受するように制御することを特徴とする。
In order to achieve such an object, the invention described in
A detection unit including a sensor including an ultrasonic transducer that transmits and receives an ultrasonic signal to a measurement tube through which the fluid to be measured flows, and the ultrasonic signal is transmitted and received by the sensor and the target is detected based on the detection signal of the sensor. In an ultrasonic flowmeter composed of a control unit that performs flow calculation of a measured fluid and a power supply unit that includes a switching regulator that supplies predetermined driving power to each unit,
The control unit controls the sensor to transmit and receive an ultrasonic signal in synchronization with switching of the power supply unit based on a synchronization control signal.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の超音波流量計において、
前記同期制御信号は、前記制御部から前記電源部に供給されることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the ultrasonic flowmeter according to
The synchronization control signal is supplied from the control unit to the power supply unit.
請求項3記載の発明は、請求項1記載の超音波流量計において、
前記同期制御信号は、外部から前記制御部および前記電源部に供給されることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the ultrasonic flowmeter according to
The synchronization control signal is supplied from the outside to the control unit and the power supply unit.
請求項4記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の超音波流量計において、
前記電源部は、複数のイッチングレギュレータで構成されていることを特徴とする。
The invention according to
The power supply unit includes a plurality of switching regulators.
請求項5記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の超音波流量計において、
前記制御部は、前記センサの検出信号に対して残響振動を除去するためのウォールフィルタ処理を行うことを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the ultrasonic flowmeter according to any one of
The control unit performs wall filter processing for removing reverberation vibration on the detection signal of the sensor.
これらにより、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減可能な超音波流量計を実現できる。 Accordingly, it is possible to realize an ultrasonic flowmeter that can relatively easily reduce the influence of periodic noise such as ripple noise of a power supply unit generated by a switching regulator or the like.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図4と共通する部分には同一の符号を付けている。図1が図4と異なる点は、制御部20の信号処理部24から電源部30に同期制御信号が供給されていて、センサ12、13は電源部30のスイッチングに同期して超音波信号を送受することである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. 1 is different from FIG. 4 in that a synchronization control signal is supplied from the
制御部20の信号処理部24から電源部30に供給される同期制御信号は、制御部20の信号処理部24をたとえばFPGA(Fieled Programmable Gate Array)で構成することにより、任意の所望の値に設定できる。
The synchronization control signal supplied from the
図2は、本発明に基づく具体的な電源部の構成例を示す説明図である。図2において、電源部30は、複数nのレベルシフタ31と、複数nのプルダウン回路32と、集積回路化された複数nのスイッチングレギュレータ33とで構成されている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a specific configuration example of the power supply unit according to the present invention. In FIG. 2, the
スイッチングレギュレータ33としては、たとえば同期制御信号などにより外部からスイッチング周波数を任意に設定できるように構成されたものを用いる。同期入力端子にはたとえば信号処理部24で生成されたクロック信号を入力するようにし、クロック信号が入力されていない場合は集積回路規定の周波数で動作するようにプルダウン(またはプルアップ)しておく。また、クロック信号は集積回路の動作電圧にレベル変換のためにレベルシフタ31を経由して各レギュレータ33の同期入力端子に接続する。
As the switching
なお、図2の実施例では、これら複数のスイッチングレギュレータ33としてそれぞれの出力電圧が異なるものを用いているが、用途によっては出力電圧が等しいものを用いてもよい。
In the embodiment of FIG. 2, those having different output voltages are used as the plurality of switching
図3は図1の動作を説明するタイミングチャートであって、(a)は電源部30におけるスイッチング波形を示し、(b)は電源部30におけるスイッチングノイズを示し、(c)は従来の構成における超音波送信シーケンス例を示し、(d)は本発明に基づく構成における超音波送信シーケンス例を示している。
3A and 3B are timing charts for explaining the operation of FIG. 1, wherein FIG. 3A shows a switching waveform in the
従来の構成における超音波送信シーケンスは、図3(c)に示すように、電源部30におけるスイッチング動作に同期することなく、独立した任意のタイミングで実行されていた。
As shown in FIG. 3C, the ultrasonic transmission sequence in the conventional configuration is executed at an independent arbitrary timing without being synchronized with the switching operation in the
この結果、前述の図7(c)に示すようにスイッチング動作に同期していないリップルノイズの影響が残ってしまい、高精度の演算結果が得られなくなるという問題があった。 As a result, as shown in FIG. 7C, the influence of ripple noise that is not synchronized with the switching operation remains, and there is a problem in that a highly accurate calculation result cannot be obtained.
これに対し、本発明によれば、超音波送信シーケンスは、図3(d)に示すように、電源部30におけるスイッチング動作の波形に同期したタイミングで実行される。
On the other hand, according to the present invention, the ultrasonic transmission sequence is executed at a timing synchronized with the waveform of the switching operation in the
このように超音波送信のタイミングと電源部30のスイッチングのタイミングを同期させることにより、電源部30のスイッチングによって発生するノイズは電源部30のスイッチングと同期しているため、上記の送信タイミングの制御により、送受信時のノイズは常に同じタイミングで発生することになる。
By synchronizing the timing of ultrasonic transmission and the switching timing of the
タイミングの制御に基づくスイッチングにより発生する図7(c)に示すようなリップルノイズは、見かけ上は残響振動と同様に定在波となり、前述のWF処理により図5(c)に示すように取り除くことができる。 The ripple noise as shown in FIG. 7C generated by switching based on the timing control apparently becomes a standing wave like the reverberation vibration, and is removed as shown in FIG. 5C by the WF process described above. be able to.
すなわち、電源部30は同期入力端子を備えるとともに、スイッチング周波数を任意に設定できるように構成されていて、同期制御信号に同期して同期制御信号のN倍の周波数でスイッチング電源として動作する。
That is, the
信号処理部24が同期制御信号に同期して超音波信号を送信することで、超音波送信信号と電源部30のスイッチングとが同期される。
The
そして、反射相関法による超音波の受信信号は、送信から受信するまでの時間によって配管内部での流速プロファイルが決まるため、内部パラメータを変更しない限り常に送信から同じタイミングで受信信号の取得が行われる。したがって、超音波信号の送信と電源部30のスイッチングとを同期させておけば、受信も電源部30のスイッチングと同期されることになる。
And, since the flow velocity profile inside the pipe is determined by the time from transmission to reception, the reception signal is always acquired from the transmission at the same timing as long as the internal parameters are not changed. . Therefore, if the transmission of the ultrasonic signal and the switching of the
なお、機器外部のノイズ源と同じ周期のクロック信号を入力してそのクロック信号に超音波の送信タイミングを同期させる機能を設け、WFで外部ノイズの影響を低減するように構成してもよい。 It is also possible to provide a function of inputting a clock signal having the same cycle as a noise source outside the device and synchronizing the transmission timing of the ultrasonic wave with the clock signal, and to reduce the influence of external noise by WF.
また、上記実施例では、透過型の超音波流量計について説明したが、本発明は透過型に限るものではなく、反射型の超音波流量計にも適用できる。 In the above-described embodiments, the transmission type ultrasonic flowmeter has been described. However, the present invention is not limited to the transmission type, and can be applied to a reflection type ultrasonic flowmeter.
以上説明したように、本発明によれば、スイッチングレギュレータなどで発生する電源部のリップルノイズのような周期的ノイズの影響を比較的簡単に低減できる超音波流量計を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize an ultrasonic flowmeter that can relatively easily reduce the influence of periodic noise such as ripple noise of a power supply unit generated by a switching regulator or the like.
10 検出部
11 測定管
12、13 センサ
20 制御部20
21 送受信切替部
22 送信部
23 受信部
24 信号処理部
25 表示部
30 電源部
31 レベルシフタ
32 プルダウン回路
33 スイッチングレギュレータ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記制御部は同期制御信号に基づき前記センサが前記電源部のスイッチングに同期して超音波信号を送受するように制御することを特徴とする超音波流量計。 A detection unit including a sensor including an ultrasonic transducer that transmits and receives an ultrasonic signal to a measurement tube through which the fluid to be measured flows, and the ultrasonic signal is transmitted and received by the sensor and the target is detected based on the detection signal of the sensor. In an ultrasonic flowmeter composed of a control unit that performs flow calculation of a measured fluid and a power supply unit that includes a switching regulator that supplies predetermined driving power to each unit,
The ultrasonic flowmeter, wherein the control unit controls the sensor to transmit and receive an ultrasonic signal in synchronization with switching of the power supply unit based on a synchronization control signal.
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KR101899409B1 (en) * | 2018-02-14 | 2018-10-29 | 주식회사 케이디 | Ultrasonic wave water meter for convergence and integration having temperature compensation algorithm |
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2015
- 2015-03-11 JP JP2015048320A patent/JP2016169964A/en active Pending
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