JP2021043042A - Range-finding device, range-finding method and liquid-level meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測距装置、測距方法および液面計に関するものである。 The present invention relates to a distance measuring device, a distance measuring method, and a liquid level gauge.
測距装置では、測距結果をリアルタイムで監視し、記録することが求められる。しかし、測距システムによっては測距値が変動することがある。このような場合、測距結果をそのまま表示すると、本当に知りたい値や傾向が見えにくいことから、例えば、平均化などの統計処理を行う例もある。しかし、単純な平均化処理では、測距値の変動を十分に抑えきれないことがある。 The distance measuring device is required to monitor and record the distance measurement result in real time. However, the distance measurement value may fluctuate depending on the distance measurement system. In such a case, if the distance measurement result is displayed as it is, it is difficult to see the value or tendency that you really want to know. Therefore, for example, there is an example of performing statistical processing such as averaging. However, a simple averaging process may not be able to sufficiently suppress fluctuations in the distance measurement value.
測距装置の例として、原油、液化ガスなどを運搬するタンカーに設置される液面計がある。この種の液面計は、貨物としての原油などの積荷作業時および揚荷作業時に主として用いられ、基準点から時間とともに変化する液面までの距離を連続的に測定することができる。 An example of a distance measuring device is a liquid level gauge installed in a tanker that transports crude oil, liquefied gas, and the like. This type of liquid level gauge is mainly used during loading and unloading operations of crude oil as cargo, and can continuously measure the distance from a reference point to a liquid level that changes with time.
上記液面計などの測距装置における測距方式の一つとして電波式測距装置がある。電波式測距装置においては、測距装置から測距対象までの間に、何ら電波の障害になる物がないことが望ましいが、システムの都合上、電波障害物を実装せざるを得ない場合がある。この電波障害物は、測距装置から発射した電波を反射するため、測距対象としての液面と上記電波障害物が互いに近くにあると、測距結果に、低い周波数の、大きなリップルが生じる。 There is a radio wave type distance measuring device as one of the distance measuring methods in the distance measuring device such as the liquid level gauge. In the radio wave type distance measuring device, it is desirable that there is no obstacle to the radio wave between the distance measuring device and the distance measurement target, but for the convenience of the system, there is no choice but to implement a radio wave obstacle. There is. Since this radio wave obstacle reflects the radio wave emitted from the distance measuring device, if the liquid level as the distance measuring target and the radio wave obstacle are close to each other, a large ripple of a low frequency occurs in the distance measuring result. ..
このような電波式液面計の利用者には、上記電波障害物の存在を意識させないようにする必要があるため、測距信号に上記リップルが影響しないようにする必要がある。リップルが抑圧されると、測距対象までの本来の測距結果のみを知ることができる。しかし、測距装置の検出信号を単純に平均化処理して上記リップルを抑圧しただけでは、実時間での測距結果を知ることはできない。本発明に係る測距方式を用いると、実時間で測定することが可能になる。 Since it is necessary for the user of such a radio wave type liquid level gauge to be unaware of the existence of the radio wave obstacle, it is necessary to prevent the ripple from affecting the distance measurement signal. When the ripple is suppressed, only the original distance measurement result up to the distance measurement target can be known. However, it is not possible to know the real-time distance measurement result by simply averaging the detection signals of the distance measuring device to suppress the ripple. By using the distance measuring method according to the present invention, it becomes possible to measure in real time.
なお、FIRフィルタやIIRフィルタなどのデジタルフィルタを用いてデジタル信号に含まれるリップルを除去する技術が特許文献1に記載されている。 Patent Document 1 describes a technique for removing ripples contained in a digital signal by using a digital filter such as an FIR filter or an IIR filter.
本発明は、液面計などの測距装置からの検出信号に含まれるリップル成分を、デジタルフィルタを用いて除去するとともに実時間で測定することができる測距装置、測距方法および液面計を得ることを目的とする。 The present invention uses a distance measuring device, a distance measuring method, and a liquid level meter capable of removing a ripple component contained in a detection signal from a distance measuring device such as a liquid level gauge by using a digital filter and measuring in real time. The purpose is to obtain.
本発明に係る測距装置は、
測距信号をデジタル信号で出力する測距装置であって、
検出信号の傾きを計算する傾き計算部と、
前記検出信号に生じるリップルを除去する目的のデジタルフィルタと、
前記検出信号の傾きと前記デジタルフィルタのフィルタ長に基づき、リップル除去処理に起因して生じる前記デジタルフィルタの出力の遅延量を計算する遅延量計算部と、
前記遅延量に相当する補正を前記デジタルフィルタに与える補正部と、
を有し、
前記測距信号を実時間で出力することを最も主要な特徴とする。
The distance measuring device according to the present invention is
It is a distance measuring device that outputs a distance measuring signal as a digital signal.
A slope calculation unit that calculates the slope of the detection signal,
A digital filter for the purpose of removing ripples generated in the detection signal, and
A delay amount calculation unit that calculates the delay amount of the output of the digital filter caused by the ripple removal processing based on the slope of the detection signal and the filter length of the digital filter.
A correction unit that gives a correction corresponding to the delay amount to the digital filter,
Have,
The most important feature is to output the ranging signal in real time.
本発明によれば、検出信号に含まれるリップル成分を、デジタルフィルタを用いて除去するとともに、デジタルフィルタ処理に起因する時間遅れの影響をなくして、実時間で測距信号を出力することができる。 According to the present invention, the ripple component contained in the detection signal can be removed by using a digital filter, and the distance measurement signal can be output in real time without being affected by the time delay caused by the digital filter processing. ..
以下、本発明に係る測距装置、測距方法および液面計の実施例を、図面を参照しながら説明する。本発明に係る測距装置および測距方法は、液面計に限らず広く適用可能であるが、液面計についてその概要を説明する。 Hereinafter, examples of the distance measuring device, the distance measuring method, and the liquid level gauge according to the present invention will be described with reference to the drawings. The distance measuring device and the distance measuring method according to the present invention are widely applicable not only to the liquid level gauge, but the outline of the liquid level gauge will be described.
[液面計の概要]
図9は、タンカーなどに構築されているタンク10を示している。タンク10の天井板12からは底板11に向かって垂直に導波管15が下ろされている。タンク10には、貨物として液体13が積み込まれており、液体13の液面と天井板12との間には気体14が溜まっている。
[Overview of liquid level gauge]
FIG. 9 shows a
導波管15は、円筒形状で下方端部が開放されており、また、導波管15の最上部分の外周には、気体を通す目的の孔が複数開けられているため、導波管15内にも液体13が浸入する。導波管15内の液面もタンク10内の液面の変動に伴って変動し、これら液面の高さは等しい。導波管15の上端上方には図示しないが液面計が設置される。液面計は例えば電波式液面計である。測定方式は限定されないが、例えば周波数変調連続波レーダー(FMCWレーダー)方式である。液面計は、基準点から時間とともに変化する液面までの距離を測定する。
Since the
導波管15内には、様々な目的のために液面計の基準位置から予め定められた既知の距離位置に、測定基準部材16が設置されている。液面計は、液面までの実測データと測定基準部材16までの既知の物理的距離、さらに、液面計によって計測された測定基準部材16までの実測距離との関係によって、液面までの実測データを補正し、液面までの実距離を算出する。
In the
図9に示す例では、測定基準部材16が、液面計の基準位置から18.5mの位置に設置されている。以下の説明では、液面計による測定距離が、18mから19mまで変動する場合、すなわち揚荷のときの液面の変動を例にして説明する。ここで、距離は液面計の基準点すなわち導波管の上端部を零値として扱い、導波管の下方すなわちタンクの底部に向かうに従って距離値は大きくなる。
In the example shown in FIG. 9, the
[測定値に現れるリップルについて]
図1は、図9に示す液面計の例において、液面が18mから19mまで変動する場合の液面計による検出信号20を示す。横軸は時間軸、縦軸は液面距離(m)であって、検出信号20はデジタル信号であり、例えば1秒ごとにサンプリングされ、時間軸はサンプル点数で表している。このグラフの例では、液体の貨物が荷揚げされることにより、1秒間に液面が1mmずつ低下する方向、すなわち測定距離が順次長くなる向きに変動する例を示している。
[Ripple appearing in measured values]
FIG. 1 shows a
図1に示すように、液面までの距離が18mから19mまで変動する間に、検出信号20にリップル21が生じている。リップル21の発生原因は電波の反射波の干渉によるものである。図9に示す液面計の例では、電波の液面からの反射波と測定基準部材16からの反射波とが互いに干渉することによってリップル21を生じている。これは、測定基準部材16の影響により、本来の液面の計測結果が乱されることを意味しており、先に測定基準部材16を電波障害物と表現したのはこのためである。
As shown in FIG. 1, a
電波式液面計においては、タンクの構造などによって生じる電波のマルチパスなどもリップルの要因になる。タンカーなどに設置される電波式液面計において検出信号にリップルが生じると、液面までの距離を精度よく測定することができないので、リップルの影響を除去する必要がある。 In the radio wave level gauge, the multipath of radio waves generated by the structure of the tank is also a factor of ripple. If a ripple occurs in the detection signal in a radio wave type liquid level gauge installed in a tanker or the like, the distance to the liquid level cannot be measured accurately, so it is necessary to eliminate the influence of the ripple.
図1に示す右上がりの検出信号20は、液面の移動に基づく測距値であって、何らの処理も行われていない未処理の信号である。また、図1に示す検出信号20は、前記測定基準部材16の位置に対応するサンプル点数n=500を中心にしてその前後約300点、すなわちサンプル点数n=おおむね200〜800までの範囲にリップルが発生している。このリップルの実時間処理による除去について以下に説明する。
The upward-sloping
[リップルの影響除去と問題点]
デジタル信号に含まれるリップルの影響を除去するために、FIRフィルタやIIRフィルタなどのデジタルフィルタが用いられる。図2は、図1に示す電波式液面計の検出信号20をFIRフィルタに通すことによって得られるFIRフィルタ出力22の例を検出信号20とともに示す。
[Removing the effects of ripple and problems]
A digital filter such as an FIR filter or an IIR filter is used to remove the influence of ripple contained in the digital signal. FIG. 2 shows an example of the
この例におけるFIRフィルタの仕様は以下の通りである。
フィルタ長:n=241
フィルタの種類:LPF
窓の種類:Blackman窓
正規化遮断周波数:0.035
The specifications of the FIR filter in this example are as follows.
Filter length: n = 241
Filter type: LPF
Window type: Blackman window Normalized cutoff frequency: 0.035
図2に示す例では、FIRフィルタが1秒ごとに1サンプルを取得し、フィルタ長:n=241としている。したがって、FIRフィルタ出力22は、検出信号20に対してフィルタ長nの1/2の120サンプル分の遅延が発生している。実際の液面の変動速度は前述の通り1mm/secであるから、FIRフィルタ出力22をモニタに出力すると、実時間での液面までの距離よりも120mmだけ短く表示されることになる。
In the example shown in FIG. 2, the FIR filter acquires one sample every second and sets the filter length: n = 241. Therefore, the
そこで、図3に示すように、FIRフィルタ出力22を、上記遅延量の120サンプル前側に時間シフトすることが考えられる。図3に示すグラフ24は、FIRフィルタ出力22を上記のように時間シフトさせたことにより、FIRフィルタ出力22と検出信号20とが重なった状態を示している。
Therefore, as shown in FIG. 3, it is conceivable that the
FIRフィルタ出力22を時間シフトすることにより、FIRフィルタ出力22が、検出信号20の位置に移動し、検出信号20と重なっている。すなわち、FIRフィルタ出力22を時間シフトすることにより、FIRフィルタによる遅延を正しく補正することができている。
しかし、この方法では、時間シフトがフィルタ処理の後になるため、実時間での補正ができない。FIRフィルタ出力22を時間シフトしただけでは、実時間での液面までの距離に対して120サンプル分前、すなわち2分前の距離が表示されることになり、時間遅れの影響は補正されないからである。
By time-shifting the
However, in this method, since the time shift is performed after the filtering process, the correction in real time cannot be performed. If the
[距離補正]
上記の欠点を補うために、本実施例ではリアルタイム処理法を用いる。すなわち、FIRフィルタ出力22の時間シフトではなく、図4に示すように、FIRフィルタ出力22を、縦軸すなわち液面距離を示す軸上においてシフトすることによって、遅延分を補正する方法である。ここでは、FIRフィルタによるリップル除去処理に起因する時間遅れの際に生じることが予測される液面距離の変動分を計算し、計算した変動分をFIRフィルタ出力22に加えて、測距値を実時間で補正するものである。
[Distance correction]
In order to make up for the above drawbacks, a real-time processing method is used in this embodiment. That is, instead of the time shift of the
図5は、FIRフィルタ出力22を、液面距離を示す軸上においてシフトすることにより補正する具体例を示すもので、図4におけるn=0〜400部分を拡大したものである。前述の通り、FIRフィルタのフィルタ長nは241である。FIRフィルタは、入力データが241サンプル揃ったらフィルタ計算を行う。
FIG. 5 shows a specific example of correcting the
そして、最初のフィルタ計算に用いたn=0からn=240までの入力データを用いて最小二乗法で検出信号20の傾きを求める。図5のグラフ26は、このようにして求めた前記検出信号20の傾き部分を表している。
Then, the slope of the
次に、求めた傾きに、フィルタ長nの1/2サンプルである120を掛けて、FIRフィルタによるリップル除去処理に起因する遅れ時間に対応して生じるFIRフィルタ出力22の遅延量を計算し、FIRフィルタ出力22を遅延量に相当する分だけ補正する。すなわちFIRフィルタ出力22を、図5において液面距離軸上において遅延量に相当する分だけシフトし、液面までの距離の測定値を補正する。以後、n=1〜241、n=2〜242、n=3〜243、・・・というように順にフィルタ演算を行い、そのたびに、上に述べた処理と同様の処理を行う。
Next, the obtained slope is multiplied by 120, which is a 1/2 sample of the filter length n, to calculate the delay amount of the
[距離補正の別の例]
図5に示す距離補正の例では、241点のデータを用いて検出信号20の傾きを求めている。しかし、傾きを求めるのに用いられるデータ自体にリップル21が含まれている場合、検出信号20の傾きを求めるときにリップル21の影響を受けやすい。そこで、実際には、図6に示す距離補正の例のように、フィルタ長241の半分以下のサンプル点数の検出信号に基づいて、検出信号20の傾きを計算する。ここでは、デジタルフィルタが掛けられる検出信号の後半部分に相当する120サンプルを用いて検出信号20の傾きを求める。リップルは、測定基準部材16の位置に対応して検出信号20上に部分的に生じるものであるから、リップルが大きい箇所付近のサンプルのみを使用すると、検出信号の傾きを正確に求めることができない。また、距離補正に用いるサンプル点数を多くすると処理時間が長くなってしまう。そこで、リップルの少ない、直線に近づくサンプルであって、後半120サンプルを用いて検出信号の傾きを検出することで、短い処理時間で、検出信号の傾きをより正確に求めることができる。
[Another example of distance correction]
In the example of distance correction shown in FIG. 5, the inclination of the
より具体的には、n=241、242、243・・・の各時点においてサンプル点数n=121〜240、122〜241、123〜242、・・・というように、当該実時間で得られる補正対象データの直前120サンプルを用いて検出信号20の傾きを求める。図6において、グラフ30は、このようにして求めた検出信号20の傾きを示している。
More specifically, at each time point of n = 241, 242, 243 ..., the number of sample points n = 121-240, 122-241, 123-242, ... The slope of the
その後は、前述の例と同様に、デジタルフィルタの遅延に起因する液面距離の誤差を補正量として計算し、フィルタ出力22を補正する。FIRフィルタによるリップル除去処理に起因する遅れ時間に対応して前記FIRフィルタの出力22の遅延量を計算し、FIRフィルタの出力22を遅延量に相当する分だけ補正する。このようにしてFIRフィルタ22の出力が補正され、補正されたFIRフィルタ22の出力が時間遅れなく検出信号20に重なる。こうすることで、リップルからの影響が軽減される。
After that, as in the above example, the error of the liquid level distance due to the delay of the digital filter is calculated as the correction amount, and the
図7は、以上説明したFIRフィルタ出力22をシフトすることによって距離を補正した結果を示している。図7において、太線の検出信号20に一部重なる細線で示すグラフ28は、FIRフィルタ出力22を距離軸上においてシフトすることによって補正したグラフである。グラフ28は、FIRフィルタ出力22が上記のようにしてシフトされることにより、液面計の検出信号20に時間遅れもなく重なっており、リップルも除去されている。
FIG. 7 shows the result of correcting the distance by shifting the
ここまでの説明では、液面計を想定して説明したが、本願発明は液面計に限られるものではなく、測距装置一般に適用可能である。特に測定対象が時間軸上で変動するものにおいて有効である。 Although the description so far has assumed a liquid level gauge, the present invention is not limited to the liquid level gauge, and is generally applicable to distance measuring devices. This is particularly effective when the measurement target fluctuates on the time axis.
[フローチャート]
図8は、以上説明した液面計における液面測距値データ処理の動作フローを示す。符号S1,S2,・・・は動作ステップを示す。
[flowchart]
FIG. 8 shows an operation flow of the liquid level distance measurement value data processing in the liquid level gauge described above. Reference numerals S1, S2, ... Indicates an operation step.
図8において、液面計から検出信号が入力されると、この検出信号はデジタルフィルタに入力される(S1)。デジタルフィルタは、前述の例ではFIRフィルタである。 In FIG. 8, when a detection signal is input from the liquid level gauge, this detection signal is input to the digital filter (S1). The digital filter is an FIR filter in the above example.
次に、最小二乗法等の適切な方法で検出信号の傾きを求める(S2)。次いで、検出信号の傾きとフィルタ長に基づいて、フィルタ出力22の遅延量を計算する(S3)。この遅延量と検出信号の傾きを掛け合わせることにより、補正量を計算する(S4)。そして、補正量をフィルタ出力22に加算して、フィルタ出力22を補正する(S5)。補正されたフィルタ出力22は、測距信号として出力される。
Next, the slope of the detection signal is obtained by an appropriate method such as the least squares method (S2). Next, the delay amount of the
ステップS2は、測距装置の検出信号の傾きを計算する傾き計算部によって実行される。 Step S2 is executed by the inclination calculation unit that calculates the inclination of the detection signal of the distance measuring device.
ステップS3は、デジタルフィルタに起因する遅延量を計算する遅延量計算部によって実行される。
ステップS4は、遅延量と検出信号の傾きを掛け合わせることによりデジタルフィルタの出力の補正量を計算する補正量計算部によって実行される。
Step S3 is executed by the delay amount calculation unit that calculates the delay amount due to the digital filter.
Step S4 is executed by the correction amount calculation unit that calculates the correction amount of the output of the digital filter by multiplying the delay amount and the slope of the detection signal.
ステップS5は、デジタルフィルタの出力を前記補正量だけ補正する補正部によって実行される。 Step S5 is executed by the correction unit that corrects the output of the digital filter by the correction amount.
上記傾き計算部としての機能、補正量計算部としての機能、補正部としての機能は、デジタル信号処理装置(DSP)やマイクロコンピュータなどによって実行させることができる。 The function as the inclination calculation unit, the function as the correction amount calculation unit, and the function as the correction unit can be executed by a digital signal processing device (DSP), a microcomputer, or the like.
検出信号20に重なったFIRフィルタ22の出力は、リップルの影響が除去された高い精度の測距信号となる。また、上記のように、FIRフィルタ22の出力を補正して実時間で測距することができるため、測距対象の位置が常時変動しているものであっても、時間遅れがなく実時間で測距することができる。
The output of the
本発明に係る測距装置および測距方法は、タンカーなどのタンクに設置される液面計に適用することができる。 The distance measuring device and the distance measuring method according to the present invention can be applied to a liquid level gauge installed in a tank such as a tanker.
検出信号20の傾きを求めるために、実施例では最小二乗法を用いるものとして説明したが、最小二乗法に限らず、他の方法を用いてもよい。
In the embodiment, the method of using the least squares method has been described for obtaining the slope of the
10 タンク
15 導波管
20 検出信号
21 リップル
22 FIRフィルタ出力
28 シフトされたFIRフィルタ出力
10
Claims (11)
検出信号の傾きを計算する傾き計算部と、
前記検出信号に生じるリップルを除去する目的のデジタルフィルタと、
前記検出信号の傾きと前記デジタルフィルタのフィルタ長に基づき、リップル除去処理に起因して生じる前記デジタルフィルタの出力の遅延量を計算する遅延量計算部と、
前記遅延量と前記検出信号の傾きを掛け合わせることにより、デジタルフィルタの出力の補正量を計算する補正量計算部と、
前記補正量を前記デジタルフィルタの出力に加算することで、前記デジタルフィルタの出力を補正する補正部と、を有し、
前記測距信号を実時間で出力する、
測距装置。 It is a distance measuring device that outputs a distance measuring signal as a digital signal.
A slope calculation unit that calculates the slope of the detection signal,
A digital filter for the purpose of removing ripples generated in the detection signal, and
A delay amount calculation unit that calculates the delay amount of the output of the digital filter caused by the ripple removal processing based on the slope of the detection signal and the filter length of the digital filter.
A correction amount calculation unit that calculates the correction amount of the output of the digital filter by multiplying the delay amount and the slope of the detection signal.
It has a correction unit that corrects the output of the digital filter by adding the correction amount to the output of the digital filter.
Output the ranging signal in real time,
Distance measuring device.
検出信号の傾きを計算し、
前記検出信号のリップルをデジタルフィルタで除去し、
前記検出信号の傾きと前記デジタルフィルタのフィルタ長に基づき、リップル除去処理に起因して生じる前記デジタルフィルタの出力の遅延量を計算し、
前記遅延量と前記検出信号の傾きを掛け合わせることにより、デジタルフィルタの出力の補正量を計算し、
前記補正量を前記デジタルフィルタの出力に加算することで、前記デジタルフィルタの出力を補正して、前記測距信号を実時間で出力する、
測距方法。 It is a distance measurement method that outputs a distance measurement signal as a digital signal.
Calculate the slope of the detection signal and
The ripple of the detection signal is removed by a digital filter, and the ripple is removed.
Based on the slope of the detection signal and the filter length of the digital filter, the amount of delay in the output of the digital filter caused by the ripple removal processing is calculated.
By multiplying the delay amount by the slope of the detection signal, the correction amount of the output of the digital filter is calculated.
By adding the correction amount to the output of the digital filter, the output of the digital filter is corrected and the distance measurement signal is output in real time.
Distance measurement method.
検出信号の傾きを計算する傾き計算部と、
前記検出信号に生じるリップルを除去する目的の除去するデジタルフィルタと、
前記検出信号の傾きと前記デジタルフィルタのフィルタ長に基づき、リップル除去処理起因して生じる前記デジタルフィルタの出力の遅延量を計算する遅延量計算部と、
前記遅延量と前記検出信号の傾きを掛け合わせることにより、デジタルフィルタの出力の補正量を計算する補正量計算部と、
前記補正量を前記デジタルフィルタの出力に加算することで、前記デジタルフィルタの出力を補正する補正部と、を有し、
前記測距信号を実時間で出力する、
液面計。 It is a liquid level gauge that outputs a distance measurement signal to the liquid level as a digital signal.
A slope calculation unit that calculates the slope of the detection signal,
A digital filter for removing ripples generated in the detection signal, and a digital filter for removing the ripples.
A delay amount calculation unit that calculates the delay amount of the output of the digital filter caused by the ripple removal processing based on the slope of the detection signal and the filter length of the digital filter.
A correction amount calculation unit that calculates the correction amount of the output of the digital filter by multiplying the delay amount and the slope of the detection signal.
It has a correction unit that corrects the output of the digital filter by adding the correction amount to the output of the digital filter.
Output the ranging signal in real time,
Liquid level indicator.
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JP (1) | JP2021043042A (en) |
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2019
- 2019-09-10 JP JP2019164690A patent/JP2021043042A/en active Pending
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