JP2017215171A - 流速分布の計測方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】時間領域相互相関法を用いた液体の流速分布及び流量の計測において、誤検出やノイズの影響を抑制し広い流速範囲での計測を可能とする方法及びその装置を提供する。【解決手段】測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる発射及び反射の超音波パルス同士の相互相関から与えられる該超音波反射体の位置と速度から管体を流れる流体の流速分布を計測する方法及び装置である。測定線に沿って発射される超音波パルス波形は、相互相関を与える所定時間内において周期ｃを有する基本パルス波形の少なくとも一部を調整パルス波形で置き換えた波形を有し、調整パルス波形はこれを前記周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形との間で少なくとも負の相関係数を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、液体の流速分布及び流量について超音波を利用して計測する方法及びその装置に関し、特に、時間領域相互相関法を用いた液体の流速分布及び流量の計測方法及びその装置に関する。

流体配管の外側に取り付けられたトランスジューサから超音波パルスを該配管内の測定線に向けて入力し、配管内を流れる流体内の懸濁微粒子のような反射体からの反射波としての超音波パルス信号を解析して懸濁微粒子の位置と速度から流体の流速分布や流量を求める超音波流量計がある（以下において、特に断りのない限り流体の流速分布を求めることにはその流量を求めることをも含むとする）。この超音波パルス信号の解析方法の１つとして、ある時間幅の中にある波形全体の相関を取って、入力及び反射超音波パルス間の時間差を求める「時間領域相互相関法（相関法）」が知られている。原理的には計測できる流速範囲に制限がなく、広範な用途に用い得る。

例えば、特許文献１では、超音波エコー信号を連続パルスで送信しこの信号の位相差を解析する相関法について述べている。超音波エコー信号に反射波とノイズを区別するために振幅に閾値を設定しこれを超えた超音波エコー信号同士の相互相関をとり、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する。このためには相互相関の最大値に閾値を設定しこれを超えた相互相関値から信号位相差を求め、更に、連続する３発振以上の超音波エコー信号から求めた２つ以上の相互相関の最大値に閾値を設定しこれらを超えた相互相関信号から位相差信号を求めるとしている。

特許文献２では、２つの反射波の時間遅れτごとに探索窓の大きさを設定する変動探索窓法を用いて、超音波エコー信号にクラッタノイズ等の定在的なノイズが重畳した場合であっても超音波エコー信号に対してノイズレベルを低減させようとする方法について述べている。エコーレベル信号をフーリエ変換し、全ての対応時刻エコーレベル信号から低周波相当成分を棄却して、これを逆フーリエ変換して系列順に並べ直すことで超音波エコー信号を再構築するとしている。

また、特許文献３では、探索窓の大きさをトリガ発振周波数毎に設定可能とすることで、超音波反射体からの反射波である超音波エコー信号同士の相互相関の信頼性を向上させることについて述べている。

一方、流速分布の誤検出を補正することでより正確な測定を行おうとする方法についても提案されている。

例えば、特許文献４では、真の流速分布から所定流速値分だけ離れた上下の位置に多峰性によって生じた流速分布（多峰性流速分布）が算出されるが、かかる多峰性流速分布の流速は誤った流速であるためこれらの流速を用いずに、真の流速分布の流速だけを用いて流量を算出する方法について述べている。流速分布の流速の中で最大度数の流速を抽出し流速から離れた所定範囲内にある流速に所定流速値を加算または減算して流速補正し、この流速を用いて被測定流体の流量を算出するとしている。

特開２００３−３４４１３１号公報 特開２００４−３３３２６０号公報 特開２００５−２０８０６８号公報 特開２０１０−１０１７６８号公報

上記したように、時間領域相互相関法においても、実際にはノイズの影響や誤検出によって流速範囲を制限される。そこで、相関係数に設定する閾値をノイズの影響や誤検出を回避するよう、例えば、相関係数の閾値＞０.９程度を設定することになるがこれでは信号検出率が下がって計測できなくなってしまう。一方で、この閾値を下げてしまうと、結局、速度範囲が制限されることとなってしまう。

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、時間領域相互相関法を用いた液体の流速分布及び流量の計測において、誤検出やノイズの影響を抑制し広い流速範囲での計測を可能とする方法及びその装置を提供することにある。

本発明による流速分布計測方法は、測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる発射及び反射の超音波パルス同士の相互相関から与えられる該超音波反射体の位置と速度から管体を流れる流体の流速分布を計測する方法であって、前記測定線に沿って発射される前記超音波パルス波形は、前記相互相関を与える所定時間内において周期ｃを有する基本パルス波形の少なくとも一部を調整パルス波形で置き換えた波形を有し、前記調整パルス波形はこれを前記周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形との間で少なくとも負の相関係数を有することを特徴とする。

かかる方法によれば、相関係数の閾値を下げても誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなる。結果として、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形は、前記相互相関を与える所定時間内において、同一周波数であって互いに逆位相であることを特徴としてもよい。かかる方法によれば、相関係数の閾値を下げても誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなり、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記超音波パルス波形は、前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形の間に位相調整波形を与えて位相シフトを与えることを特徴としてもよい。かかる方法によれば、周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形に対する相関係数をやはり下げ得るため、相関係数の閾値を下げても誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなり、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

本発明による流速分布計測装置は、測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる発射及び反射の超音波パルス信号同士の相互相関から与えられる該超音波反射体の位置と速度から管体を流れる流体の流速分布を計測する装置であって、前記測定線に沿って超音波パルス信号を発射するトランスジューサと、前記トランスジューサに信号を与える信号発振部と、を含み、前記信号発振部は、前記相互相関を与える所定時間内において周期ｃを有する基本パルス波形の少なくとも一部を調整パルス波形で置き換えた波形を有し、前記調整パルス波形はこれを前記周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形との間で少なくとも負の相関係数を有する超音波パルス波形を前記トランスジューサから発射させることを特徴とする。

かかる装置によれば、相関係数の閾値を下げても誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなる。結果として、広い流速範囲での計測を可能である。

上記した発明において、前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形は、前記相互相関を与える所定時間内において、同一周波数であって互いに逆位相であることを特徴としてもよい。かかる装置によれば、相関係数の閾値を下げても誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなり、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記超音波パルス波形は、前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形の間に位相調整波形を与えて位相シフトを与えることを特徴としてもよい。かかる装置によれば、周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形に対する相関係数をやはり下げ得るため、相関係数の閾値を下げても誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなり、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

本発明による装置を示す図である。 パルスと波形の変換を示す図である。 相互相関法の説明を与える図である。 入射超音波パルス波形を示す図である。 遅れ時間に対する相関係数の変化を示すグラフである。 入射超音波パルス波形の例を示す図である。 入射超音波パルス波形の例を示す図である。 入射超音波パルス波形の例を示す図である。 相関係数に対する流量誤差を示すグラフである。

本発明による流速分布計測装置及びその方法の１つの実施例について、図１乃至図１０を用いて説明する。

図１に示すように、装置１は一般的には金属からなる流体配管２１内を長手方向に沿って一方向に流れる流体２２の流速分布を計測する装置であって、主装置部１ａと信号形成処理部１ｂとを含む。なお、流速分布からは流体配管２１の内部面積に沿って積分して流量を計算で求め得るため、流速分布の計測のための装置は流量計測のための装置でもあり得る。

主装置部１ａは、流体配管２１に対して所定の設置角度を持って取り付けられたトランスジューサ１０を含む。トランスジューサ１０は、超音波パルスを測定線Ｌに沿って発射させる送信器であるとともに、懸濁体としての超音波反射体１２で反射されて戻ってくる反射超音波パルスを受信するセンサーでもある。

信号形成処理部１ｂは、トランスジューサ１０に所定の波形の超音波パルスを発射させる超音波送信手段３１、トランスジューサ１０で受信した電気的変化を信号化する超音波受信手段３２、超音波受信手段３２からの信号を処理する信号処理手段３３、処理された信号を解析する解析手段３４を含む。

超音波送信手段３１は、主として、発信周波数制御と振幅制御とから矩形パルス信号を形成し（図２（ａ）参照）、トランスジューサ１０から所定の波形の超音波パルス（図２（ｂ）参照）を発射させる。

超音波受信手段３２は、反射されてくる超音波パルスをトランスジューサ１０で受けこの電気的変化を所定のアナログ信号に変換するものである。

信号処理手段３３は、超音波受信手段３２からの電気信号をＡ／Ｄ変換処理する。なお、超音波発振手段３１からのトリガ信号を得ることで（Ｓ１）、信号授受のタイミングを同期させて信号処理をすることが出来る。つまり、受信した超音波パルスに対して超音波送信手段３１で送信した超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するバンドパスフィルタ処理を行って、超音波パルスをアナログ信号からデジタル信号に変換するのである。その上で、適宜、クラッタノイズ成分を低減するウォールフィルタ処理などの公知の処理を与え得て雑音を除去し得る。

信号解析手段３４は、信号処理手段３３で処理された信号を解析して流体２２の流速分布及び／又は流量を算出する。具体的には、ある時間幅毎にサンプリングされる連続する超音波パルスの相互相関を計算する。例えば、公知の変動探索窓法によって所定範囲の相互相関について区間毎に相互相関を計算し、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１２からの反射波とみなすのである。

ここで、ｘを超音波反射体１２のトランスジューサ１０からの距離、Δｘを超音波パルス信号の発振間隔Δｔの間に移動した移動量とすると、ある位置ｘにおけるｘ方向の速度ｕ（ｘ）は、Δｘ／Δｔで求め得る。また、測定線Ｌ上の複数の超音波反射体１２についてこれを求めることで流速分布を得られるのである。更に、上記したように、流速分布からは流体配管２１の内部面積に沿って積分することで流量を計算で求め得る。

次に、本発明の原理について述べる。

図３に示すように、ある時間幅Ｔにある発射パルス波形４１と反射パルス波形４２との全体の相互相関から時間差Δｔが決定できる（相関法）。かかる方法では、一時的に波形に乱れが生じたとしても波形全体に与える影響は小さいから、結果的にΔｔの誤差を小さくできる。一方で、ピーク４２−１のように、ノイズ等の影響でその高さが下がってしまうと、次のピーク４２−２をピーク４１−１と対応するピークとして検出してしまう場合もあって、相関法であってもΔｔの誤差が大きくなってしまうことがある。

そこで、図４に示すように、発射パルス波形について、一定周期（少なくとも相互相関を求める時間範囲において一定周期）で振幅変化する波形４１ａに対して、一部に、相関係数において逆符号の逆位相となる領域を含む波形４１ｂとするのである。このように、波形４１ｂは、時系列に沿って、基本パルス波形からなる同位相領域から、これを逆位相にする変換領域を経て、調整パルス波形からなる逆位相領域へと変化する。つまり、波形４１ｂは、相互相関を与える時間幅Ｔ（図３参照）の中において、開始時の初期周波数での波形(例えば、波形４１ａ)に対して、逆位相の波形を少なくとも一部に与えられた波形である。

ここで、２つの関数ｕ₀（ｔ）とｕ₁（ｔ）の相関関数Ｃ（τ）は、

で表される。波形４１ａの時間関数に対して、同一の波形について遅れ時間Δｔを変えていったときの相関係数の値、及び、逆位相領域を与えた波形４１について遅れ時間Δｔを変えていったときの操関係数の値を計算し、遅れ時間Δｔに対する相関係数を図５にまとめた。

図５に示すように、波形４１ａと同じ波形について時間シフトさせていった場合、曲線５１に示すように、遅れ時間Δｔが大きくなるにつれ相関係数も下がるが、一方で、周波数（波長）が同一であるから、相関係数は再び上昇し、１周期ｃ分ずれたときにピークとなる（ピーク５１ａ参照）。一方、波形４１ａに対して逆位相領域を含む波形４１ｂについて時間シフトさせていった場合、曲線５２に示すように、１周期ｃ分ずれたときは同様にピークとなるのではあるが、逆位相領域、つまり負の相関係数を含む領域の分だけ相関関数は曲線５１よりも小さくなるのである（ピーク５２ａ参照）。

つまり、２番目に大きな相関係数のピーク５１ａは、逆位相領域による負の相関係数によってより小さなピーク、ここでは半分以下のピーク５２ａとできるため、このようなサイドローブの影響を減じることができる。例えば、閾値を０.９→０.６に変更しても、２番目に大きな相関係数のピーク５１ａは検出されなくなるのである。これにより、流速範囲の拡大と信号検出率を上げることができる。

図６乃至８には、上記同様にサイドローブの影響を減じることができる他の発射パルス波形の例を示した。

図６に示すように、パルス波形４２ｂは、パルス波形４２ａの一部を逆位相とした波形であり図５と類似するが、このように逆位相領域の波数が少なくてもサイドローブの影響を減じることができる。なお、同位相領域としての基本パルス波形及び逆位相領域としての調整パルス波形の間には位相を逆転させるための位相調整波形を含むことになる。

また、図７に示すように、パルス波形４３ｂは、パルス波形４３ａの一部を逆位相とした波形であるが、全体の波数が少なくともサイドローブの影響を減じることができるのは同様である。つまり、同位相領域としての基本パルス波形に逆位相領域としての調整パルス波形を含めばよいのである。

なお、図８に示すように、逆位相領域を有するパルス波形４５ａに対して、逆位相領域を時間シフト（位相シフト）させてパルス波形４５ｂとすることも可能である。つまり、同位相領域としての基本パルス波形及び逆位相領域としての調整パルス波形の間に位相調整波形を含むが、結果として逆位相領域に時間シフトを与えても負の相関係数によりサイドローブの影響を減じることができるのである。

以上のように、波形の一部を負の相関を有するような逆位相とするパルスを形成させれば、上記同様にサイドローブの影響を減じることができるのであり、その波数や逆位相のタイミングパターンは適宜、変更し得る。

図９には、相関係数に対する閾値と流量誤差についてグラフにまとめたものである。例えば、流量誤差１％以下を目標とする場合、従来のパルス波形を用いた比較例では閾値＞０.８（矢印）が必要だが、このパルス波形の一部に逆位相領域を設けた実施例では閾値＞０.６程度でよいことになる。すなわち、信号検出率も倍以上あがることになり、流速計測範囲も倍以上に拡げられるのである。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１０ トランスジューサ
１２ 粒子
２１ 管体
２２ 流体

Claims (6)

1. 測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる発射及び反射の超音波パルス同士の相互相関から与えられる該超音波反射体の位置と速度から管体を流れる流体の流速分布を計測する方法であって、
   前記測定線に沿って発射される前記超音波パルス波形は、前記相互相関を与える所定時間内において周期ｃを有する基本パルス波形の少なくとも一部を調整パルス波形で置き換えた波形を有し、前記調整パルス波形はこれを前記周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形との間で少なくとも負の相関係数を有することを特徴とする流速分布計測方法。
2. 前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形は、前記相互相関を与える所定時間内において、同一周波数であって互いに逆位相であることを特徴とする請求項１記載の流速分布計測方法。
3. 前記超音波パルス波形は、前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形の間に位相調整波形を与えて位相シフトを与えることを特徴とする請求項２記載の流速分布計測方法。
4. 測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる発射及び反射の超音波パルス信号同士の相互相関から与えられる該超音波反射体の位置と速度から管体を流れる流体の流速分布を計測する装置であって、
   前記測定線に沿って超音波パルス信号を発射するトランスジューサと、前記トランスジューサに信号を与える信号発振部と、を含み、
   前記信号発振部は、前記相互相関を与える所定時間内において周期ｃを有する基本パルス波形の少なくとも一部を調整パルス波形で置き換えた波形を有し、前記調整パルス波形はこれを前記周期ｃだけ時間シフトさせたパルス波形との間で少なくとも負の相関係数を有する超音波パルス波形を前記トランスジューサから発射させることを特徴とする流速分布計測装置。
5. 前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形は、前記相互相関を与える所定時間内において、同一周波数であって互いに逆位相であることを特徴とする請求項４記載の流速分布計測装置。
6. 前記超音波パルス波形は、前記基本パルス波形及び前記調整パルス波形の間に位相調整波形を与えて位相シフトを与えることを特徴とする請求項５記載の流速分布計測装置。

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