JP2021067572A - Ultrasonic flowmeter and method for measuring flow rate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波流量計および流量計測方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow meter and a flow rate measuring method.
一般に、超音波流量計では、流体の流れを横切るように2つの超音波送受信器を向かい合わせて配置し、順逆方向のそれぞれで超音波信号を送受信して、2つの超音波送受信器の間における超音波伝搬時間を測定し、順逆方向における超音波伝搬時間の差に基づいて流体の流量を求めている。超音波伝搬時間の測定には、受信した超音波信号を示す信号の電圧(AC電圧)がゼロ電圧(0V)と交差するゼロクロス点のゼロクロス時刻に基づいて超音波伝搬時間を求める、いわゆるゼロクロス法が用いられている(特許文献1)。 Generally, in an ultrasonic flowmeter, two ultrasonic transmitters / receivers are arranged facing each other so as to cross a flow of fluid, and ultrasonic signals are transmitted / received in each of the forward and reverse directions to be transmitted between the two ultrasonic transmitters / receivers. The ultrasonic wave propagation time is measured, and the flow rate of the fluid is obtained based on the difference in the ultrasonic wave propagation time in the forward and reverse directions. The ultrasonic propagation time is measured by the so-called zero-cross method, in which the ultrasonic propagation time is obtained based on the zero-cross time at the zero-cross point where the voltage (AC voltage) of the received ultrasonic signal intersects with the zero voltage (0V). Is used (Patent Document 1).
このゼロクロス法では、伝搬時間を求める際、受信波に含まれる複数のパルスのうち、常に同じパルスと対応するゼロクロス点を使用する必要がある。一般的なゼロクロス法では、受信した超音波信号を示す信号の電圧(計測電圧)のうち同一ピークに対応する目標ゼロクロス点を検出するため、受信した超音波信号が所定の電圧レベルを超えた点を基準にして、これ以後のゼロクロス点に対して記録を開始するなどして、常に同じパルスに対応したゼロクロス点を使って伝搬時間計算を行うようにしている。 In this zero-cross method, when determining the propagation time, it is necessary to always use the same pulse and the corresponding zero-cross point among the plurality of pulses included in the received wave. In the general zero-cross method, in order to detect the target zero-cross point corresponding to the same peak in the voltage (measured voltage) of the signal indicating the received ultrasonic signal, the point where the received ultrasonic signal exceeds a predetermined voltage level. The propagation time is calculated using the zero crossing points corresponding to the same pulse at all times, such as by starting recording for the zero crossing points after that.
ここで、受信波にノイズ成分が重畳して波形歪みが生じた場合、超音波信号が所定の電圧レベルを超えて記録が開始されるゼロクロス点の時間位置が前側または後側に1超音波周期分ずれる場合がある。このようなゼロクロス点のずれが生じた場合、これに応じて超音波伝搬時間が変化するため、流量計測誤差の要因となる。このようなゼロクロス点のずれに対応するために、隣り合う時刻配列の間において、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となるよう、時刻配列の各々におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトするシフト処理を行う技術が提案されている。 Here, when a noise component is superimposed on the received wave and waveform distortion occurs, the time position of the zero cross point at which the ultrasonic signal exceeds a predetermined voltage level and recording is started is one ultrasonic period on the front side or the rear side. It may be misaligned. When such a deviation of the zero cross point occurs, the ultrasonic wave propagation time changes accordingly, which causes a flow rate measurement error. In order to deal with such a shift of the zero cross point, the time so that the zero cross time stored in the same storage position between adjacent time arrays becomes the zero cross time corresponding to the same pulse of each received wave. A technique has been proposed in which a shift process is performed to shift the storage position of the zero cross time in each of the arrays.
上述したシフト処理では、例えば、複数回の伝搬時間測定の結果に対して、図10A,図10Bに示すように、行単位で列位置をシフトさせ、同一ゼロクロス点に相当するゼロクロス情報を同じ列に並べてつなげなおしている。 In the shift process described above, for example, as shown in FIGS. 10A and 10B, the column positions are shifted in row units with respect to the results of a plurality of propagation time measurements, and the zero cross information corresponding to the same zero cross point is obtained in the same column. They are lined up and reconnected.
図10A、図10Bでは、計測電圧Vin#i毎に計測するゼロクロス点の数を5個(H=5)とした例が示され、これらゼロクロス点の各ゼロクロス時刻は、検出時の格納位置の前後に少なくとも2個(H−3)ずつオフセットが設けられている。これらオフセットは、検出時に格納位置K(K=H−2)から格納したゼロクロス時刻を、損失することなく前後にシフトさせるためである。これにより、少なくとも格納位置は全部で9個となる。 In FIGS. 10A and 10B, an example is shown in which the number of zero cross points measured for each measurement voltage Vin # i is 5 (H = 5), and each zero cross time of these zero cross points is the storage position at the time of detection. At least two offsets (H-3) are provided in the front-rear direction. This offset is for shifting the zero cross time stored from the storage position K (K = H-2) at the time of detection back and forth without loss. As a result, there are at least nine storage positions in total.
まず、予め設定されている整合対象となる整合格納位置、ここでは時刻配列の先頭から5番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#1[5]=「180000」(nsec)を整合ゼロクロス時刻として選択する。 First, the preset matching storage position to be matched, here, the zero cross time D # 1 [5] = "180000" (nsec) at the fifth storage position from the beginning of the time array is selected as the matching zero cross time. To do.
次に、D#1以外の他のD#j(j=2〜Xの整数)毎に、各ゼロクロス時刻と整合ゼロクロス時刻との時刻差を求め、時刻差が最も小さいゼロクロス時刻が整合格納位置となるよう、D#jの各ゼロクロス時刻の格納位置をシフトする。
Next, the time difference between each zero cross time and the matched zero cross time is obtained for each D # j (integer of j = 2 to X) other than
図10Aに示すように、例えば、D#2の場合、整合ゼロクロス時刻D#1[5]とD#2の7番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#2[7]=「180022」との時刻差「22」が、例えばD#2[5]=「160031」との時刻差「19969」などと比較して最も小さい。このため、D#2[7]が整合格納位置となるよう、D#2の各ゼロクロス時刻は、図10Aの紙面に向かって、左側に2つ分シフトさせる(左シフト×2)。
As shown in FIG. 10A, for example, in the case of
次のD#3の場合、D#1[5]とD#3の5番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#3[5]=「180011」との時刻差「11」が最も小さいため、D#3の各ゼロクロス時刻は、シフトさせない(シフトなし)。
In the case of the
また、D#5の場合、D#1[5]とD#5の3番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#5[3]=「180005」との時刻差「5」が最も小さい。このため、D#5[3]が整合格納位置となるよう、D#5の各ゼロクロス時刻は、図10Aの紙面に向かって右側に2つ分シフトさせる(右シフト×2)。
Further, in the case of
以上のシフト処理により、図10Bに示すように、各D#iの同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となる。 By the above shift processing, as shown in FIG. 10B, the zero cross time stored in the same storage position of each D # i becomes the zero cross time corresponding to the same pulse of each received wave.
ところで、流量計測中に発生したノイズなどにより、一部のゼロクロス点の情報が適切に取得できない場合が発生する。この場合、前述したようなシフト処理において、図の紙面左右方向にシフトさせるべきデータ(ゼロクロス時刻)が存在せず、シフト処理が実施できない場合が発生する。また、上述したように、データの一部が欠損していると、各列の数値からゼロクロス点の代表値(ランダムな揺らぎを除去するなどして抽出した代表値)を求める工程で、決められたデータ数を前提としたデジタルフィルタ処理が適用できなくなり、また、計算に使用できる列が制限される場合がある。 By the way, some zero crossing point information may not be properly acquired due to noise generated during flow rate measurement. In this case, in the shift process as described above, there may be a case where the shift process cannot be performed because there is no data (zero cross time) to be shifted in the left-right direction of the paper in the figure. In addition, as described above, if a part of the data is missing, it is determined in the process of obtaining the representative value of the zero cross point (representative value extracted by removing random fluctuations) from the numerical values in each column. Digital filtering based on the number of data data cannot be applied, and the columns that can be used for calculation may be limited.
欠損が生じた場合、欠損が生じた測定時刻のデータが使用できないため、この時刻のデータを破棄し、再計測することになるが、この場合、再計測により流量データの出力に遅れが生じ、また、再計測をするために電力が増大するなどの問題が発生することになる。 When a defect occurs, the data at the measurement time when the defect occurred cannot be used, so the data at this time is discarded and remeasured. However, in this case, the output of the flow rate data is delayed due to the remeasurement. In addition, problems such as an increase in power due to remeasurement will occur.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、一部のゼロクロス点の情報が取得できない場合であっても、再計測をすることなく、所定の精度が保たれた計測ができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and even when some zero cross point information cannot be obtained, a predetermined accuracy is maintained without remeasurement. The purpose is to enable the measurement.
本発明に係る超音波流量計は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程を複数回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の順・逆方向における伝搬時間の差に基づいて、流体の流量を計測する超音波流量計であって、計測工程毎に、超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、計測電圧が閾値電圧を超えた後、計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納するように構成された計測部と、隣り合う時刻配列の間において、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となるよう、時刻配列の各々におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトするシフト処理を行うように構成されたシフト処理部と、計測部が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出するように構成された欠損検出部と、欠損検出部が検出した欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とするように構成された補間部と、格納位置のうちから伝搬時間の計算に用いる目標格納位置を特定し、各時刻配列の目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間に基づいて、流体の流量を計測するように構成された流量計算部とを備える。 In the ultrasonic flowmeter according to the present invention, a measurement step of transmitting and receiving an ultrasonic signal in both directions via a fluid to be measured flowing in a pipe is performed a plurality of times between a pair of ultrasonic transmitters and receivers, and these measurements are performed. An ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid based on the difference in propagation time in the forward and reverse directions of the ultrasonic signal measured by the process, and is a measurement voltage that indicates the received wave of the ultrasonic signal for each measurement process. And the preset threshold voltage are compared, and after the measured voltage exceeds the threshold voltage, the zero cross time at which the measured voltage crosses zero is measured multiple times, and the measured multiple zero cross times are set in the time array corresponding to the measurement process. Of these, the zero cross time stored in the same storage position between the measurement unit configured to store in order from a preset specific storage position and the adjacent time array is the same for each received wave. A shift processing unit configured to shift the storage position of the zero-cross time in each of the time arrays so that the zero-cross time corresponds to the pulse, and a zero-cross time in the time array stored by the measurement unit. The interpolated data obtained by using the defect detection unit configured to detect the defect and the zero cross time stored in the storage position of the time array immediately before and after the defect location detected by the defect detection unit is deleted. The target storage position used for calculating the propagation time is specified from the interpolation unit configured to be the zero-cross time of the location and the storage position, and is obtained from the target zero-cross time stored in the target storage position of each time array. It is provided with a flow rate calculation unit configured to measure the flow rate of the fluid based on the propagation time.
上記超音波流量計一構成例において、欠損検出部が検出した欠損の箇所が、計測工程毎に、設定されている上限値を超えて連続している異常か否かを判定するように構成された判定部と、判定部が異常と判定すると、異常処理をするように構成された異常処理部とをさらに備える。 In the above ultrasonic flow meter configuration example, it is configured to determine whether or not the defect portion detected by the defect detection unit is a continuous abnormality exceeding the set upper limit value for each measurement process. The determination unit is further provided with an abnormality processing unit configured to perform an abnormality process when the determination unit determines that the abnormality is abnormal.
上記超音波流量計一構成例において、計測部が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の数に対する、補間部が補間した数の割合を求めるように構成された算出部と、算出部が算出した割合が設定されている上限値を超えたか否かを判定するように構成された判定部と、判定部が異常と判定すると、異常処理をするように構成された異常処理部とをさらに備える。 In the above ultrasonic flow meter configuration example, a calculation unit configured to obtain the ratio of the number interpolated by the interpolation unit to the number of zero cross times in the time array stored by the measurement unit, and the calculation unit calculated. It further includes a determination unit configured to determine whether or not the ratio exceeds a set upper limit value, and an abnormality processing unit configured to perform an abnormality process when the determination unit determines that an abnormality is made.
上記超音波流量計一構成例において、異常処理部は、流体の流量の計測の停止、または流体の流量の再計算のいずれかの処理を行う。 In the above ultrasonic flow meter configuration example, the abnormality processing unit performs either processing of stopping the measurement of the fluid flow rate or recalculating the fluid flow rate.
上記超音波流量計一構成例において、異常処理部は、判定部が異常と判定したときの、計測部により格納されている複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とする。 In the above ultrasonic flow meter configuration example, the abnormality processing unit excludes a plurality of zero cross times stored by the measurement unit when the determination unit determines that the abnormality is abnormal.
本発明に係る流量計測方法は、一対の超音波送受信器の間で、配管中を流れる計測対象となる流体を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程を複数回実施し、これら計測工程毎に得られた超音波信号の順・逆方向における伝搬時間の差に基づいて、流体の流量を計測する流量計測方法であって、計測工程毎に、超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、計測電圧が閾値電圧を超えた後、計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納する計測ステップと、時刻配列間において、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となるよう、個々の時刻配列におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトするシフト処理を行うシフト処理ステップと、計測ステップで格納された時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出するように構成された欠損検出ステップと、欠損検出ステップで検出された欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とするように構成された補間ステップと、格納位置のうちから伝搬時間の計算に用いる目標格納位置を特定し、各時刻配列の目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間に基づいて、流体の流量を計測する流量計測ステップとを備える。 In the flow rate measurement method according to the present invention, a measurement step of transmitting and receiving an ultrasonic signal in both directions is performed a plurality of times between a pair of ultrasonic transmitters and receivers via a fluid to be measured flowing in a pipe, and these measurement steps are performed. It is a flow rate measurement method that measures the flow rate of fluid based on the difference in propagation time in the forward and reverse directions of the ultrasonic signal obtained for each measurement process, and is a measurement voltage that indicates the received wave of the ultrasonic signal for each measurement process. And the preset threshold voltage are compared, and after the measured voltage exceeds the threshold voltage, the zero cross time at which the measured voltage crosses zero is measured multiple times, and the measured multiple zero cross times are set in the time array corresponding to the measurement process. Of these, the measurement step for storing in order from a specific storage position set in advance and the zero-cross time stored in the same storage position between the time arrays are the zero-cross times corresponding to the same pulse of each received wave. A shift processing step that shifts the storage position of the zero-cross time in each time array, and a defect detection configured to detect a loss of the zero-cross time in the time array stored in the measurement step. The interpolation data obtained by using the step and the zero-cross time stored in the storage position of the time array immediately before and after the defect detected in the defect detection step is configured to be the zero-cross time of the defect. The target storage position used for calculating the propagation time is specified from the interpolation step and the storage position, and the flow rate of the fluid is calculated based on the propagation time obtained from the target zero cross time stored in the target storage position of each time array. It is provided with a flow rate measurement step for measurement.
上記流量計測方法の一構成例において、欠損検出ステップで検出された欠損の箇所が、設定されている上限値を超えて、計測工程毎に連続している異常か否かを判定するように構成された判定ステップと、判定ステップで異常と判定されると、異常処理をする異常処理ステップとをさらに備える。 In one configuration example of the above flow rate measurement method, it is configured to determine whether or not the defect portion detected in the defect detection step exceeds the set upper limit value and is continuous in each measurement process. A determination step that has been performed, and an abnormality processing step that performs an abnormality process when it is determined to be abnormal in the determination step are further provided.
上記流量計測方法の一構成例において、計測ステップで格納された時刻配列の中のゼロクロス時刻の数に対する、補間ステップで補間された数の割合を求めるように構成された算出ステップと、算出ステップで算出された割合が設定されている上限値を超えたか否かを判定するように構成された判定ステップと、判定ステップが異常と判定すると、異常処理をする異常処理ステップとをさらに備える。 In one configuration example of the flow rate measurement method, the calculation step configured to obtain the ratio of the number interpolated in the interpolation step to the number of zero cross times in the time array stored in the measurement step, and the calculation step It further includes a determination step configured to determine whether or not the calculated ratio exceeds a set upper limit value, and an abnormality processing step that performs an abnormality process when the determination step determines that the abnormality is abnormal.
上記流量計測方法の一構成例において、異常処理ステップは、流体の流量の計測の停止、または流体の流量の再計算のいずれかの処理を行う。 In one configuration example of the flow rate measurement method, the abnormality handling step performs either processing of stopping the measurement of the fluid flow rate or recalculating the fluid flow rate.
上記流量計測方法の一構成例において、異常処理ステップは、判定ステップで異常と判定されたときの、計測ステップで格納された複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とする。 In one configuration example of the flow rate measurement method, the abnormality processing step excludes a plurality of zero cross times stored in the measurement step from the calculation target when an abnormality is determined in the determination step.
以上説明したように、本発明によれば、時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損の箇所の、直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とするので、一部のゼロクロス点の情報が取得できない場合であっても、再計測をすることなく、所定の精度が保たれた計測ができる。 As described above, according to the present invention, the interpolated data obtained by using the zero-cross time stored in the storage position of the time array immediately before and after the missing part of the zero-cross time in the time array can be obtained. Since the zero cross time of the missing part is set, even if the information of a part of the zero cross points cannot be acquired, the measurement can be performed with the predetermined accuracy without remeasurement.
以下、本発明の実施の形態に係る超音波流量計について説明する。 Hereinafter, the ultrasonic flowmeter according to the embodiment of the present invention will be described.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1に係る超音波流量計について図1を参照して説明する。この超音波流量計は、一対の超音波送受信器101,超音波送受信器102の間で、配管103中を流れる計測対象となる流体104を介して超音波信号を両方向で送受信する計測工程をN(Nは2以上の整数)回実施し、これら計測工程により計測した超音波信号の伝搬時間の差に基づいて、流量演算装置100において、流体104の流量を計測する。
[Embodiment 1]
First, the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This ultrasonic flowmeter performs a measurement step of transmitting and receiving an ultrasonic signal in both directions between a pair of ultrasonic transmitters /
超音波送受信器101は、配線を介して接続された流量演算装置100からの超音波駆動信号に応じて、配管103内に向けて超音波信号U1を送信する。同様に、超音波送受信器102は、配線を介して接続された流量演算装置100からの超音波駆動信号に応じて、配管103内に向けて超音波信号U2を送信する。超音波送受信器102(超音波送受信器101)は、配管103内を流れる流体を通過した、超音波送受信器101(超音波送受信器102)からの超音波信号U1(U2)を受信し、その受信結果を示す測定信号を、配線を介して流量演算装置100へ出力する。
The ultrasonic transmitter /
この際、超音波送受信器101,102との間でやり取りされる超音波信号U1,U2の伝搬時間t1,t2は、流体104の流れから受ける影響が異なるため、流体104の流量Qに応じた分だけ伝搬時間t1と伝搬時間t2の間に差、すなわち伝搬時間差Δtが生じる。超音波流量計は、このΔtに基づいて流量Qを導出する。なお、本実施の形態に係る流量演算装置100で用いる、伝搬時間差Δtから流量Qを求める演算方法については、一般的な超音波流量計で用いられている公知の計算式を用いればよく、ここでの詳細な説明は省略する。
At this time, the propagation times t1 and t2 of the ultrasonic signals U1 and U2 exchanged with the ultrasonic transmitters and
流量演算装置100は、計測部105、欠損検出部106、補間部107、シフト処理部108、流量計算部109、出力部110、制御部112、入出力I/F部113、および記憶部114を備える。
The flow
計測部105は、計測工程毎に、超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、計測電圧が閾値電圧を超えた後、計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納する。
The
欠損検出部106は、計測部105が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出する。例えば、欠損検出部106は、計測部105が格納してシフト処理部がシフト処理を行った時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出する。補間部107は、欠損検出部106が検出した欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とする。補間部107は、例えば、時刻配列の中で、欠損箇所と同じ列の隣接する行の間の値を線形内挿して補間データとする。また、同一列の前の行の値から外装して補間することもできる。また、同一列の前の行の値と同じ値を補間データとすることもできる。
The
また、欠損箇所と同じ行の近傍の列のデータが存在する場合、補間部107は、同一行で存在しているデータ(単独あるいは複数の平均)から、受信波の周期に応じた時間を引いた(足した)値を求め、補間データとすることもできる。また、同じ列の前後の間の値を線形内挿して、補間データを求めることもできる。また、直前の値から外装して補間データを求めることもできる。また、直前の値と同じ値を補間データとすることもできる。
If there is data in a column near the same row as the missing part, the
計測されるゼロクロス点の間隔は、受信される超音波の周期で決まる。このため、近傍のゼロクロス点から、相当する周期を加えることで、欠損したゼロクロス点の時刻を推定でき、データ欠損の補間に利用することができる。 The distance between the measured zero cross points is determined by the period of the received ultrasonic waves. Therefore, the time of the missing zero crossing point can be estimated by adding a corresponding period from the nearby zero crossing point, and it can be used for interpolation of data loss.
シフト処理部108は、隣り合う時刻配列の間において、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となるよう、時刻配列の各々におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトするシフト処理を行う。
The
流量計算部109は、格納位置のうちから伝搬時間の計算に用いる目標格納位置を特定し、各時刻配列の目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間に基づいて、流体の流量を計測する。例えば、流量計算部109は、シフト処理部108によるシフト処理の処理結果、および補間部107による補間処理の処理結果に基づいて、格納位置のうちから伝搬時間の計算に用いる目標格納位置を特定し、シフト処理および補間処理の後の各時刻配列の目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間に基づいて、流体の流量を計測する。
The flow
出力部110は、通信ネットワーク121を介して上位装置(図示せず)と接続し、定期的あるいは上位装置からの出力指示に応じて、記憶部114から流量Qを取得して上位装置へ出力する。
The
入出力I/F部113は、配線を介して超音波送受信器101,超音波送受信器102と接続されて、超音波送受信器101,超音波送受信器102との間で計測に用いる各種信号をやり取りする。記憶部114は、半導体メモリやハードディスクなどの記憶装置からなり、流量演算装置100での流量計測動作に用いる各種処理データやプログラムを記憶する。
The input / output I /
制御部112は、予め設定されている周期的な計測タイミングの到来、あるいはオペレータや上位装置(図示せず)からの任意のタイミングにおける指示に応じて、入出力I/F部113から、超音波送受信器101,超音波送受信器102に対して超音波駆動信号を出力し、超音波送受信器101,超音波送受信器102間で計測対象となる流体104を介して超音波信号U1,U2を両方向で交互に送受信する計測工程を繰り返し実施する。
The
次に、図2Aを参照して、シフト処理の原理について説明する。超音波送受信器101,102から流量演算装置100へ入力される計測信号を示す計測電圧Vinは、図2Aに示すように、振幅が時間軸に沿って増減する複数の正弦波交流パルスからなる。
Next, the principle of shift processing will be described with reference to FIG. 2A. As shown in FIG. 2A, the measurement voltage Vin indicating the measurement signal input from the ultrasonic transmitters /
流量演算装置100は、前述したゼロクロス法と同様に、Vinがゼロ電圧Vz(0V)と交差する複数のゼロクロス点のうちから目標ゼロクロス点が検出される時刻を計測して、計測した目標ゼロクロス点の時刻を、Vinと対応する超音波信号U1(U2)の受信時刻として特定し、得られた受信時刻によりU1(U2)の伝搬時間t1(t2)、さらには伝搬時間差Δtを計算して、流量Qを導出する。
Similar to the zero cross method described above, the flow
複数のゼロクロス点のうちから目標ゼロクロス点を特定する際、流量演算装置100は、Vinが予め設定した閾値電圧Vsを超えたトリガー点を計測することにより、Vinに含まれる複数の正側(負側)パルスのうち、先頭からM(Mは2以上の整数)個目のパルスを目標パルスとして特定する。また流量演算装置100は、特定したトリガー点以降に計測されたH(Hは3以上の整数)個のゼロクロス点のうち、先頭からN1,N2(N1,N2は1〜Hの整数)個目を目標ゼロクロス点として特定している。
When specifying the target zero crossing point from a plurality of zero crossing points, the flow
各計測工程において、多くの場合、正しいタイミング、すなわち目標パルスでトリガー点が計測される。しかしながら、Vinに対するノイズ成分の重畳などによるVinの振幅変化が発生した場合、トリガー点が1超音波周期分だけ前後にずれて計測される場合がある。図2Aでは、M=3,H=5,N1=2,N2=3の場合が例として示されている。図2Aには、Vinの先頭から3(M=3)波目すなわちパルスP3以降の5(H=5)のゼロクロス点Z3〜Z7のうち、先頭から2,3(N1=2,N2=3)個目のゼロクロス点Z4,Z5を目標ゼロクロス点として特定する例が示されている。 In each measurement process, the trigger point is often measured at the correct timing, that is, at the target pulse. However, when the amplitude change of Vin occurs due to the superimposition of a noise component on Vin, the trigger point may be shifted back and forth by one ultrasonic period and measured. In FIG. 2A, the case of M = 3, H = 5, N1 = 2, N2 = 3 is shown as an example. In FIG. 2A, of the 3 (M = 3) waves from the beginning of Vin, that is, the zero cross points Z3 to Z7 of 5 (H = 5) after the pulse P3, 2, 3 (N1 = 2, N2 = 3) from the beginning. An example is shown in which the) th zero cross points Z4 and Z5 are specified as the target zero cross points.
この場合、VinとVsを比較してパルスP3でトリガー点を計測するために、1つ前のパルスP2の振幅がVsを超えず、P3で初めてVsを超えるよう、Vsの電圧値が経験的に設定されている。このため、図2Aに示すように、VinがVin#1である場合、P3のVin#1が時刻Ts1にVsを超えているため、トリガー点が目標パルスで正しく計測される。これにより、Ts1にゼロクロス点の計測が開始され、結果としてTs1から2つ目,3つ目に計測されたゼロクロス点Z4,Z5が目標ゼロクロス点として計測される。
In this case, in order to compare Vin and Vs and measure the trigger point with the pulse P3, the voltage value of Vs is empirical so that the amplitude of the previous pulse P2 does not exceed Vs and exceeds Vs for the first time at P3. Is set to. Therefore, as shown in FIG. 2A, when Vin is
一方、ノイズ成分の重畳などの影響でVinの振幅が増大し、図2Aに示すように、VinがVin#2のように変化した場合、P3の手前のP2のVin#2が時刻Ts2にVsを超えてしまうことになり、トリガー点が目標パルスより1超音波周期分だけ早めに計測されることになる。この場合には、Ts1より手前のTs2にゼロクロス点の計測が開始され、結果としてTs2から2つ目,3つ目に計測されたゼロクロス点Z2,Z3が目標ゼロクロス点として計測されることになる。
On the other hand, when the amplitude of Vin increases due to the superposition of noise components and the Vin changes like
このため、各ゼロクロス点のゼロクロス時刻を計測工程iに対応する時刻配列D#iに格納した場合、Vin#1がVsを超えた時刻Ts1以降に計測されたゼロクロス点Z3,Z4,Z5,Z6,Z7に対応するゼロクロス時刻T3,T4,T5,T6,T7が、時刻配列D#1に対して格納されることになる。また、Vin#2がVsを超えた時刻Ts2以降に計測されたゼロクロス点Z1,Z2,Z3,Z4,Z5に対応するゼロクロス時刻T1,T2,T3,T4,T5が、時刻配列D#2に対して格納されることになる。
Therefore, when the zero cross time of each zero cross point is stored in the time array D # i corresponding to the measurement step i, the zero cross points Z3, Z4, Z5, Z6 measured after the time Ts1 when
したがって、図2Aの例では、Vin#1の場合にTs1以降に計測した最初のゼロクロス点、および、Vin#2の場合にTs2以降に計測した先頭から3番目のゼロクロス点の計測時刻は、Z3の時刻T3とほぼ等しくなる。また、Vin#1の場合にTs1以降に計測した先頭から3番目のゼロクロス点、および、Vin#2の場合にTs2以降に計測した先頭から5番目のゼロクロス点の計測時刻は、Z5の時刻T5とほぼ等しくなる。
Therefore, in the example of FIG. 2A, the measurement time of the first zero cross point measured after Ts1 in the case of
一方、ゼロクロス点に関する時間間隔と変動とには、一定の関係が見られる。図2Bは、ゼロクロス点に関する時間間隔と変動を示す説明図である。図2Bは、各ゼロクロス点の計測時刻が、Vin#i(iは1〜Xの整数)毎に時間軸上にプロットされている。 On the other hand, there is a certain relationship between the time interval and the fluctuation regarding the zero crossing point. FIG. 2B is an explanatory diagram showing the time interval and fluctuation with respect to the zero crossing point. In FIG. 2B, the measurement time of each zero cross point is plotted on the time axis for each Vin # i (i is an integer of 1 to X).
個々のゼロクロス点の計測時刻を観察すると、図2Bに示すように、ゼロクロス点の計測時刻は、Vinのノイズや脈動などの影響で変動するが、この変動幅は限定的であり、実際の計測では真値に対して±400nsec程度であることが判明している。一方、Vinのパルス幅は、超音波信号U1,U2の信号周波数fuに依存してほぼ一定である。例えば、Vinのパルス幅は、fu=500kHzの場合、U1,U2の半波長は1000nsecであり、ゼロクロス点の時間間隔もほぼ同じ1000nsecである。 When observing the measurement time of each zero cross point, as shown in FIG. 2B, the measurement time of the zero cross point fluctuates due to the influence of Vin noise and pulsation, but the fluctuation range is limited and the actual measurement is performed. It is known that the value is about ± 400 nsec with respect to the true value. On the other hand, the pulse width of Vin is substantially constant depending on the signal frequencies fu of the ultrasonic signals U1 and U2. For example, when the pulse width of Vin is fu = 500 kHz, the half wavelengths of U1 and U2 are 1000 nsec, and the time interval of the zero cross point is 1000 nsec, which is almost the same.
このため、短い時間間隔で複数回の計測を繰り返し行った場合、超音波信号U1, U2の伝搬時間は連続的に変化するため、隣接する2回計測の間(例えば、Vin#1とVin#2)に着目すると、同一パルスに対応するゼロクロス点の計測時刻が、ゼロクロス点の時間間隔1000nsecを超えて変動することは、まずありえないことが分かった。また、電圧がマイナスからゼロに通過するプラスゼロクロス点同士や、電圧がプラスからゼロに通過するマイナスゼロクロス点同士の時間間隔は、ほぼ2000nsecである。
Therefore, when the measurement is repeated a plurality of times at short time intervals, the propagation time of the ultrasonic signals U1 and U2 changes continuously, so that between two adjacent measurements (for example,
シフト処理部108は、上述したようなゼロクロス点の時間間隔と変動との関係に着目し、超音波信号U1,U2が繰り返し送受信される計測工程i(i=1〜Xの整数)において、計測電圧Vin#iが入力される毎に、Vin#iがVsを超えた後に計測した複数のゼロクロス点のゼロクロス時刻を時刻配列D#iに格納し、同一格納位置におけるゼロクロス時刻間の時刻差が最小となるよう、各時刻配列D#iにおけるゼロクロス時刻の格納位置をシフトするシフト処理を行う。また、シフト処理部108は、シフト処理後の時刻配列から、予め設定されている目標格納位置に格納されているゼロクロス時刻を抽出し、これらゼロクロス時刻を統計処理して得られた受信時刻に基づき、U1,U2の伝搬時間t1,t2を計算する。
The
次に、シフト処理部108のシフト処理の一例について、図3A,図3Bを参照して説明する。ここでは、前述した図2Aの目標ゼロクロス点と同様に、Vinの先頭から3(M=3)個目のパルスを計測し、それ以降に計測された5(H=5)個のゼロクロス点のうち先頭から2,3(N1=2,N2=3)個目を目標ゼロクロス点として計測する場合を例として説明する。なお、これに限定されるものではなく、M,H,Nとして異なる数を用いることもできる。また、伝搬時間の計算に用いる目標ゼロクロス時刻が2つ(N1,N2)の場合を例として説明するが、少なくとも1つ以上の目標ゼロクロス時刻が特定されていればいい。
Next, an example of the shift processing of the
シフト処理は、時刻配列D#iのうち同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻の時刻差が最小となるよう、個々の時刻配列におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトする。時刻配列D#iは、計測部105により、各計測工程iで計測された計測電圧Vin#i毎に、記憶部12に保存される。この例では、Vin#i毎に計測するゼロクロス点の数を5個(H=5)とした例が示されており、これらゼロクロス点の各ゼロクロス時刻は、計測時の格納位置の前後に少なくとも2個(H−3)ずつオフセットが設けられている。これらオフセットは、計測時に格納位置K(K=H−2)から格納したゼロクロス時刻を、損失することなく前後にシフトさせるためである。これにより、少なくとも格納位置は全部で9個となる。
The shift process shifts the storage position of the zero cross time in each time array so that the time difference of the zero cross time stored in the same storage position in the time array D # i is minimized. The time array D # i is stored in the storage unit 12 for each measurement voltage Vin # i measured in each measurement step i by the
まず、シフト処理部108は、予め設定されている整合対象となる整合格納位置、ここでは時刻配列の先頭から5番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#1[5]=「180000」(nsec)を整合ゼロクロス時刻として選択する。この際、整合格納位置については、予め設計値として設定されている目標格納位置とすることができる。また、経験的に格納頻度の高い格納位置を選択し整合格納位置として設定しておくこともできる。
First, the
次に、シフト処理部108は、D#1以外の他のD#j(j=2〜Xの整数)毎に、各ゼロクロス時刻と整合ゼロクロス時刻との時刻差を求め、時刻差が最も小さいゼロクロス時刻が整合格納位置となるよう、D#jの各ゼロクロス時刻の格納位置をシフトする。
Next, the
例えば、D#2の場合、整合ゼロクロス時刻D#1[5]とD#2の7番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#2[7]=「180022」との時刻差「22」が、例えばD#2[5]=「160031」との時刻差「19969」などと比較して最も小さい。このため、D#2[7]が整合格納位置となるよう、D#2の各ゼロクロス時刻は、紙面に向かって「左側に2つ分シフトさせる」(左シフト×2)というシフトパターンが適用されることになる。次のD#3の場合、D#1[5]とD#3の5番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#3[5]=「180011」との時刻差「11」が最も小さいため、D#3の各ゼロクロス時刻は、「シフトさせない」(シフトなし)というシフトパターンが適用されることになる。
For example, in the case of
また、D#5の場合、D#1[5]とD#5の3番目の格納位置にあるゼロクロス時刻D#5[3]=「180005」との時刻差「5」が最も小さいい。このため、D#5[3]が整合格納位置となるよう、D#5の各ゼロクロス時刻は、紙面に向かって「右側に2つ分シフトさせる」(右シフト×2)というシフトパターンが適用されることになる。
Further, in the case of
これにより、各D#iの同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となる。したがって、流量計算部109で、これらシフト処理後の各D#iの目標ゼロクロス時刻が特定されて、超音波信号U1(U2)の伝搬時間t1(t2)さらには伝搬時間差Δtが求められ、流体の流量Qが計算されることになる。
As a result, the zero-cross time stored in the same storage position of each D # i becomes the zero-cross time corresponding to the same pulse of each received wave. Therefore, the flow
なお、以上の説明では、最初の計測工程1のD#1における整合ゼロクロス時刻と、D#1以外の他のD#jにおける各ゼロクロス時刻との時刻差に基づいて、D#jのシフトパターンを決定する場合を例として説明した。時刻差についてこれに限定されるものではない。例えば、D#iにおける整合ゼロクロス時刻と、D#iの次の計測工程j(j=i+1)と隣接するD#jの各ゼロクロス時刻との時刻差に基づいて、D#jのシフトパターンを決定するものとし、i=1から順に繰り返し実行することもできる。
In the above description, the shift pattern of D # j is based on the time difference between the matched zero cross time in
ここで、シフトさせるべきデータ(ゼロクロス時刻)が存在しない(データの一部が欠損している)場合、シフト処理を実施した後に、特定の格納位置にデータが存在しない時刻配列が発生する。このデータの欠損を欠損検出部106で検出し、補間部107で、欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて補間データを求めて、欠損箇所のゼロクロス時刻とする。数msecの間隔で複数回繰り返して伝搬時間が計測されるので、同一のパルスに由来するゼロクロス点が記録される時間は、連続的に変化する傾向が強いことが判明している。これを利用して、欠損したデータを補うことで、誤差が少ない補間ができる。
Here, when there is no data to be shifted (zero cross time) (a part of the data is missing), a time array in which no data exists at a specific storage position occurs after the shift process is performed. This data defect is detected by the
この結果、流量計算部109は、データの欠損のない状態で、シフト処理の後の各時刻配列の目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた伝搬時間に基づいて、流体の流量を計測することができる。
As a result, the flow
次に、図4を参照して、実施の形態1に係る流量演算装置100の動作について説明する。流量演算装置100の計測部105、欠損検出部106、補間部107、シフト処理部108、および流量計算部109は、制御部112による計測工程毎に、図4の流量計測処理を実行する。
Next, the operation of the flow
ここでは、一連の計測工程で計測される計測電圧Vinの数を、超音波信号の順方向と逆方向のそれぞれでX個とし、計測したVinの先頭から3個目(M=3)のパルスP3を計測し、P3以降の5個(H=5)のゼロクロス点を計測し、そのうち先頭から2,3(N1=2,N2=3)番目を目標ゼロクロス点として選択する場合について、そのいずれか一方向を例として説明する。なお、Vsは、先頭から2個目のパルスP2の振幅より高くP3の振幅より低い電圧値が経験的に設定されているものとする。 Here, the number of measurement voltage Vins measured in a series of measurement steps is set to X in each of the forward and reverse directions of the ultrasonic signal, and the third pulse (M = 3) from the beginning of the measured Vins. When measuring P3, measuring 5 (H = 5) zero crossing points after P3, and selecting the 2nd and 3rd (N1 = 2, N2 = 3) th from the beginning as the target zero crossing point, any of them. One direction will be described as an example. It is assumed that Vs is empirically set to a voltage value higher than the amplitude of the second pulse P2 from the beginning and lower than the amplitude of P3.
まず、ステップS101で、計測部105が、計測工程i(i=1〜Xの整数)において入出力I/F部113でA/D変換された計測電圧Vin#iを新たに取得し、ステップS102で、Vin#iと閾値電圧Vsとを比較する。ここで、Vin#i≦Vsの場合(ステップS102のno)、ゼロクロスの計測を開始せず、ステップS101へ戻る。一方、Vin#i>Vsとなり、トリガー点を計測した場合(ステップS102のyes)、計測部105は、ゼロクロス点の計測を開始する。
First, in step S101, the
次に、ステップS103で、計測部105が、時刻配列D#iの格納位置kを予め設定されているK(K=H−2)番目に初期化した後、ステップS104で、入出力I/F部11でA/D変換された計測電圧Vin#iを新たに取得し、ステップS105で、Vin#iの極性変化の有無によりゼロクロス点かどうか確認する。ここで、Vin#iの極性変化がなくゼロクロス点でない場合(ステップS105のno)、ステップS104へ戻る。
Next, in step S103, the
一方、Vin#iの極性変化があり、ゼロクロス点を計測した場合(ステップS105のyes)、ステップS106で、ゼロクロス点を計測したVin#iの時刻をゼロクロス時刻Tzとして取得し、ステップS107で、時刻配列D#iの格納位置kにTzを格納する。 On the other hand, when there is a change in the polarity of Vin # i and the zero cross point is measured (yes in step S105), the time of Vin # i whose zero cross point is measured is acquired as the zero cross time Tz in step S106, and in step S107, Tz is stored in the storage position k of the time array D # i.
この後、ステップS108で、計測部105は、格納位置kをインクリメントして(k=k+1)、kとK+Mとを比較することにより、ゼロクロス計測の完了を確認する。k≦K+Mであり、ゼロクロス計測が未完了の場合(ステップS108のno)、ステップS104に戻る。
After that, in step S108, the
一方、k>K+Mであり、M個のゼロクロス点の計測が完了した場合(ステップS108のyes)、ステップS109で、計測部105は、計測工程番号iをインクリメント(i=i+1)した後、Xと比較することにより、計測工程の完了を確認する。i≦Xであり、計測工程が未完了の場合(ステップS109のno)、ステップS101に戻る。以上のように、順方向の超音波信号U1に対してM×X個のゼロクロス時刻を計測し、U2に対しても同様にM×X個のゼロクロス時刻を計測する。以降の処理はU1のゼロクロス時刻、U2のゼロクロス時刻それぞれに対しておこなう。
On the other hand, when k> K + M and the measurement of M zero cross points is completed (yes in step S108), in step S109, the
一方、i>Xであり、計測工程がすべて完了した場合(ステップS109のyes)、ステップS111で、シフト処理部108が、記憶部114に保存されているX個の時刻配列D#iを参照し、隣接する格納位置Kに格納されたゼロクロス時刻が、正しく取得できているか否か(異常値であるか否か)を判定する。例えば、超音波の周期性に基づくことで、上述した判定をすることができる。
On the other hand, when i> X and all the measurement steps are completed (yes in step S109), in step S111, the
よく知られてるように、超音波受信波によるゼロクロス時刻が正しく取得されていれば、隣接するゼロクロス時刻が取得される周期は、超音波の周波数によってきまり、ほぼ一定である。例えば、500kHzの受信波の場合、1000nsec前後となる。従って、前後のゼロクロス時刻との差が超音波周波数から想定される値と大きく異なっている場合、ゼロクロス時刻が正しく取得されていないものと判定することができる。 As is well known, if the zero cross time by the ultrasonic received wave is correctly acquired, the period for acquiring the adjacent zero cross time is determined by the frequency of the ultrasonic wave and is almost constant. For example, in the case of a received wave of 500 kHz, it is around 1000 nsec. Therefore, if the difference from the zero-cross time before and after is significantly different from the value assumed from the ultrasonic frequency, it can be determined that the zero-cross time has not been acquired correctly.
正しく取得されていないと判定した場合(ステップS111のyes)、ステップS112で、異常値処理をする。例えば、異常値処理として、正しく取得されていないと判断されたゼロクロス時刻を、異常値として欠損の状態とする。また、異常値処理として、正しく取得されていないと判断されたゼロクロス時刻を、同一時刻配列の中の前後のゼロクロス時刻と、超音波周波数とから想定される値(ゼロクロス時刻)に変更することもできる。
上述した異常値処理をした後、または、異常値が無いと判定した場合(ステップS111のno)は異常値処理をせずに、ステップS113で、シフト処理部108が、記憶部114に保存されているX個の時刻配列D#iを参照し、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻間の時刻差が最小となるよう、これら時刻配列D#iにおけるゼロクロス時刻の格納位置をシフトするシフト処理を実行する(シフト処理ステップ)。
If it is determined that the acquisition is not correct (yes in step S111), the abnormal value processing is performed in step S112. For example, as an outlier processing, the zero cross time determined not to be acquired correctly is set as an outlier and is in a missing state. In addition, as outlier processing, the zero cross time determined to be not acquired correctly can be changed to the value (zero cross time) expected from the previous and next zero cross times and the ultrasonic frequency in the same time array. it can.
After performing the above-mentioned abnormal value processing, or when it is determined that there is no abnormal value (no in step S111), the
次に、ステップS114で、欠損検出部106が、計測部105が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出する(欠損検出ステップ)。次に、ステップS115で、欠損が検出されたか否かを判定する。欠損が検出された場合(ステップS115のyes)、ステップS116で、補間部107が、欠損検出部106が検出した欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とする(補間ステップ)。
Next, in step S114, the
一方、欠損が検出されない場合(ステップS115のno)、ステップS117で、流量計算部109は、時刻配列D#i毎に、予め設定されている目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻を、対応するVin#iの受信時刻trとして特定し、受信時刻trを用いて計算したU1(U2)の伝搬時間t1(t2)に基づいて、流体の流量Qを計算し(流量計測ステップ)、得られた流量Qを記憶部114に保存し、一連の流量計測処理を終了する。
On the other hand, when no defect is detected (no in step S115), in step S117, the flow
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る超音波流量計について、図5を参照して説明する。以下、実施の形態2に係る超音波流量計の流量演算装置100aについて、説明する。他の構成は、前述した実施の形態1と同様である。
[Embodiment 2]
Next, the ultrasonic flowmeter according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Hereinafter, the flow
流量演算装置100aは、計測部105、欠損検出部106、補間部107、シフト処理部108、流量計算部109、出力部110、判定部111、異常処理部115、制御部112、入出力I/F部113、および記憶部114を備える。
The flow
判定部111は、欠損検出部が検出した欠損の箇所が、設定されている上限値を超えて、計測工程毎に連続している異常か否かを判定する。異常処理部115は、判定部111が異常と判定すると、異常処理をする。異常処理部115は、異常処理として、流量演算装置100aにおける流体の流量の計測を停止する。また、異常処理部115は、異常処理として、流量演算装置100aの計測部105、欠損検出部106、補間部107、シフト処理部108、流量計算部109などに、流体の流量の再計算の処理を実施させる。また、異常処理部115は、判定部111が異常と判定したときの、計測部105により格納されている複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とすることもできる。
The
次に、図6を参照して、実施の形態2に係る流量演算装置100aの動作について説明する。まず、ステップS110で、計測部105が、計測工程毎に、超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、計測電圧が閾値電圧を超えた後、計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納する(計測ステップ)。ステップS110は、前述した実施の形態1のステップS101〜ステップS109と同様である。
Next, the operation of the flow
次に、前述した実施の形態1と同様に、ステップS111〜S113により、シフト処理を実施する。次に、ステップS114で、欠損検出部106が、計測部105が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出する(欠損検出ステップ)。次に、ステップS115で、欠損が検出されたか否かを判定する。欠損が検出された場合(ステップS115のyes)、以下のステップS121に移行する。一方、欠損が検出されない場合(ステップS115のno)、後述するステップS117に移行する。
Next, the shift process is performed in steps S111 to S113 in the same manner as in the first embodiment described above. Next, in step S114, the
ステップS121では、判定部111が、欠損検出部106が検出した欠損の箇所が、設定されている上限値を超えて、計測工程毎に連続している異常か否かを判定する(判定ステップ)。欠損検出部106が検出した欠損の箇所が、設定されている上限値を超えて計測工程毎に連続している場合、このX組の時刻配列は流量計算に必要な精度を担保できていないと判断することができ、異常と判定することができる。
In step S121, the
検出された欠損の箇所が、上限値を超えて連続している場合(ステップS121のyes)、ステップS122で、異常処理部115が、異常処理として流体の流量の計測を停止する(異常処理ステップ)。次いで、ステップS123で、異常処理部115が、超音波流量計の計測に異常が発生している旨を、作業者あるいは上位装置に通知し、終了する。なお、ステップS121で、判定部111が、欠損検出部106が検出した欠損の箇所が、設定されている上限値を超えて、計測工程毎に連続していると判定した場合、ステップS110に戻り、再度計測を実施することもできる。この場合、異常と判定されたきの、計測部105により格納されている複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とすることもできる。また、この場合、閾値などの設定値を更新させることもできる。
When the detected defect locations exceed the upper limit value and are continuous (yes in step S121), in step S122, the
一方、検出された欠損の箇所が、上限値を超えて連続していない場合(ステップS121のno)、ステップS116で、補間部107が、欠損検出部106が検出した欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とする。
On the other hand, when the detected defect locations do not exceed the upper limit and are not continuous (no in step S121), in step S116, the
最後に、ステップS117で、流量計算部109は、時刻配列D#i毎に、予め設定されている目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻を、対応するVin#iの受信時刻trとして特定し、受信時刻trを用いて計算したU1(U2)の伝搬時間t1(t2)に基づいて、流体の流量Qを計算し、得られた流量Qを記憶部114に保存し、一連の流量計測処理を終了する。
Finally, in step S117, the flow
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3に係る超音波流量計について、図7を参照して説明する。以下、実施の形態3に係る超音波流量計の流量演算装置100bについて、説明する。他の構成は、前述した実施の形態1と同様である。
[Embodiment 3]
Next, the ultrasonic flowmeter according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. Hereinafter, the flow
流量演算装置100bは、計測部105、欠損検出部106、補間部107、シフト処理部108、流量計算部109、出力部110、判定部111a、算出部116、異常処理部115、制御部112、入出力I/F部113、および記憶部114を備える。
The flow
算出部116は、計測部105が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の数に対する、補間部が補間した数の割合を求める。算出部116は、例えば、計測部105が格納した時刻配列の中で、代表値算出に使用する予定の総データ数(D#1〜#nまでの行数×複数ゼロクロス列数)に対する、補間データ発生数の割合を補間率として算出する。判定部111aは、算出部116が算出した割合が、設定されている上限値を超えたか否かを判定する。異常処理部115は、判定部111aが異常と判定すると、流体の流量の計測を停止する。
The
割合(補間率)が、所定の割合を超えている場合は、流量の計測結果の精度が保証できないものすることができる。この場合、として、補間によるデータ利用を中止する。また、計測データ全体に対して異常フラグを立てる。例えば、すべて正常にデータが取得できた場合にその数が30で、補間が必要なデータが8あったら、補間率は8/30=0.27であり、この値の大小で、補間して全体を使用するか、そのデータ全体を異常な計測として破棄するかを決定する。 If the ratio (interpolation rate) exceeds a predetermined ratio, the accuracy of the flow rate measurement result cannot be guaranteed. In this case, as, the use of data by interpolation is stopped. In addition, an abnormality flag is set for the entire measurement data. For example, if all the data can be acquired normally, the number is 30, and if there is 8 data that needs to be interpolated, the interpolation rate is 8/30 = 0.27. Decide whether to use the whole or discard the whole data as an anomalous measurement.
次に、図8を参照して、実施の形態3に係る流量演算装置100bの動作について説明する。まず、ステップS110で、計測部105が、計測工程毎に、超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、計測電圧が閾値電圧を超えた後、計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納する(計測ステップ)。ステップS110は、前述した実施の形態1のステップS101〜ステップS109と同様である。
Next, the operation of the flow
次に、前述した実施の形態1,2と同様に、ステップS111〜S113により、シフト処理を実施する。次いで、ステップS114で、欠損検出部106が、計測部105が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出する(欠損検出ステップ)。次に、ステップS115で、欠損が検出されたか否かを判定する。欠損が検出された場合(ステップS115のyes)、ステップS116で、補間部107が、欠損検出部106が検出した欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とする。一方、欠損が検出されない場合(ステップS115のno)、後述するステップS117に移行する。
Next, the shift process is performed in steps S111 to S113 in the same manner as in the first and second embodiments described above. Next, in step S114, the
次に、ステップS116に続き、ステップS131で、算出部116が、計測部105が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の数に対する、補間された数の割合を求める(算出ステップ)。次に、ステップS132で、判定部111aが、算出部116が算出した割合が、設定されている上限値を超えたか否かを判定する(判定ステップ)。算出部116が算出した割合が、設定されている上限値を超えている場合、このX組の時刻配列は流量計算に必要な精度を担保できていないと判断することができ、異常と判定することができる。
Next, following step S116, in step S131, the
算出された割合が、設定されている上限値を超えた場合(ステップS132のyes)、ステップS122で、異常処理部115が、異常処理として流体の流量の計測を停止する(異常処理ステップ)。次いで、ステップS123で、異常処理部115が、超音波流量計の計測に異常が発生している旨を、作業者に通知し、終了する。なお、ステップS132で、判定部111aが、算出部116が算出した割合が、設定されている上限値を超えていると判定した場合、ステップS110に戻り、再度計測を実施することもできる。この場合、異常と判定されたきの、計測部105により格納されている複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とすることもできる。また、この場合、閾値などの設定値を更新させることもできる。
When the calculated ratio exceeds the set upper limit value (yes in step S132), in step S122, the
一方、算出された割合が、上限値を超えていない場合(ステップS132のno)、また、欠損が検出されない場合(ステップS113のno)、ステップS117で、流量計算部109は、シフト処理後の時刻配列D#i毎に、予め設定されている目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻を、対応するVin#iの受信時刻trとして特定し、受信時刻trを用いて計算したU1(U2)の伝搬時間t1(t2)に基づいて、流体の流量Qを計算し、得られた流量Qを記憶部114に保存し、一連の流量計測処理を終了する。
On the other hand, when the calculated ratio does not exceed the upper limit value (no in step S132), or when no defect is detected (no in step S113), in step S117, the flow
なお、上述した実施の形態に係る超音波流量計の流量演算装置は、図9に示すように、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)301と主記憶装置302と外部記憶装置303とネットワーク接続装置304となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置302に展開されたプログラムによりCPU301が動作する(プログラムを実行する)ことで、上述した各機能(流量計測方法)が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した流量計測方法をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置304は、ネットワーク305に接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。
As shown in FIG. 9, the flow calculation device of the ultrasonic flow meter according to the above-described embodiment is a CPU (Central Processing Unit) 301, a
以上に説明したように、本発明によれば、時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損の箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、欠損箇所のゼロクロス時刻とするので、一部のゼロクロス点の情報が取得できない場合であっても、再計測をすることなく、所定の精度が保たれた計測ができるようになる。 As described above, according to the present invention, the interpolated data obtained by using the zero-cross time stored in the storage position of the time array immediately before and after the missing part of the zero-cross time in the time array can be obtained. Since the zero cross time of the missing part is set, even if the information of a part of the zero cross points cannot be acquired, the measurement can be performed with the predetermined accuracy without remeasurement.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.
100…流量演算装置、101,102…超音波送受信器、103…配管、104…流体、105…計測部、106…欠損検出部、107…補間部、108…シフト処理部、109…流量計算部、110…出力部、112…制御部、113…入出力I/F部、114…記憶部、121…通信ネットワーク。 100 ... Flow rate calculation device, 101, 102 ... Ultrasonic transmitter / receiver, 103 ... Piping, 104 ... Fluid, 105 ... Measurement unit, 106 ... Defect detection unit, 107 ... Interpolation unit, 108 ... Shift processing unit, 109 ... Flow rate calculation unit , 110 ... Output unit, 112 ... Control unit, 113 ... Input / output I / F unit, 114 ... Storage unit, 121 ... Communication network.
Claims (10)
前記計測工程毎に、前記超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、前記計測電圧が前記閾値電圧を超えた後、前記計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納するように構成された計測部と、
隣り合う時刻配列の間において、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となるよう、時刻配列の各々におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトするシフト処理を行うように構成されたシフト処理部と、
前記計測部が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出するように構成された欠損検出部と、
前記欠損検出部が検出した欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、前記欠損箇所のゼロクロス時刻とするように構成された補間部と、
前記格納位置のうちから前記伝搬時間の計算に用いる目標格納位置を特定し、各時刻配列の前記目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた前記伝搬時間に基づいて、前記流体の流量を計測するように構成された流量計算部と
を備える超音波流量計。 A measurement process of transmitting and receiving an ultrasonic signal in both directions via a fluid to be measured flowing in a pipe between a pair of ultrasonic transmitters and receivers is performed a plurality of times, and the order of the ultrasonic signals measured by these measurement steps is performed. An ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of the fluid based on the difference in propagation time in the opposite direction.
For each measurement step, the measurement voltage indicating the received wave of the ultrasonic signal is compared with a preset threshold voltage, and after the measurement voltage exceeds the threshold voltage, a plurality of zero cross times at which the measurement voltage crosses zero are set. A measurement unit configured to measure multiple times and store a plurality of measured zero-cross times in order from a preset specific storage position in the time array corresponding to the measurement process.
The storage position of the zero-cross time in each of the time arrays is shifted so that the zero-cross time stored in the same storage position becomes the zero-cross time corresponding to the same pulse of each received wave between adjacent time arrays. A shift processing unit configured to perform shift processing, and
A defect detection unit configured to detect a zero-cross time defect in the time array stored by the measurement unit, and a defect detection unit.
An interpolation unit configured to use the interpolation data obtained by using the zero-cross time stored in the storage position of the time array immediately before and after the defect detected by the defect detection unit as the zero-cross time of the defect. When,
The target storage position used for calculating the propagation time is specified from the storage positions, and the flow rate of the fluid is based on the propagation time obtained from the target zero cross time stored in the target storage position of each time array. An ultrasonic flowmeter with a flow rate calculator configured to measure.
前記欠損検出部が検出した欠損の箇所が、前記計測工程毎に、設定されている上限値を超えて連続している異常か否かを判定するように構成された判定部と、
前記判定部が異常と判定すると、異常処理をするように構成された異常処理部と
をさらに備えることを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flow meter according to claim 1,
A determination unit configured to determine whether or not the defect portion detected by the defect detection unit is a continuous abnormality exceeding a set upper limit value for each measurement process.
An ultrasonic flowmeter characterized by further including an abnormality handling unit configured to perform an abnormality processing when the determination unit determines that the abnormality is determined.
前記計測部が格納した時刻配列の中のゼロクロス時刻の数に対する、前記補間部が補間した数の割合を求めるように構成された算出部と、
前記算出部が算出した割合が設定されている上限値を超えたか否かを判定するように構成された判定部と、
前記判定部が異常と判定すると、異常処理をするように構成された異常処理部と
をさらに備えることを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flow meter according to claim 1,
A calculation unit configured to obtain the ratio of the number interpolated by the interpolation unit to the number of zero-cross times in the time array stored by the measurement unit.
A determination unit configured to determine whether or not the ratio calculated by the calculation unit exceeds a set upper limit value, and a determination unit.
An ultrasonic flowmeter characterized by further including an abnormality handling unit configured to perform an abnormality processing when the determination unit determines that the abnormality is determined.
前記異常処理部は、前記流体の流量の計測の停止、または前記流体の流量の再計算のいずれかの処理を行うことを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flow meter according to claim 2 or 3.
The abnormality processing unit is an ultrasonic flow meter characterized in that the measurement of the flow rate of the fluid is stopped or the recalculation of the flow rate of the fluid is performed.
前記異常処理部は、前記判定部が異常と判定したときの、前記計測部により格納されている複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とすることを特徴とする超音波流量計。 In the ultrasonic flow meter according to claim 2 or 3.
The abnormality processing unit is an ultrasonic flowmeter that excludes a plurality of zero cross times stored by the measuring unit when the determination unit determines that the abnormality is abnormal.
前記計測工程毎に、前記超音波信号の受信波を示す計測電圧と予め設定した閾値電圧とを比較し、前記計測電圧が前記閾値電圧を超えた後、前記計測電圧がゼロクロスするゼロクロス時刻を複数回計測し、計測した複数のゼロクロス時刻を当該計測工程と対応する時刻配列のうち、予め設定されている特定の格納位置から順に格納する計測ステップと、
隣り合う時刻配列間において、同一格納位置に格納されているゼロクロス時刻が、それぞれの受信波の同一パルスと対応するゼロクロス時刻となるよう、個々の時刻配列におけるゼロクロス時刻の格納位置をそれぞれシフトするシフト処理を行うシフト処理ステップと、
前記計測ステップで格納された時刻配列の中のゼロクロス時刻の欠損を検出するように構成された欠損検出ステップと、
前記欠損検出ステップで検出された欠損箇所の直前および直後の時刻配列の格納位置に格納されているゼロクロス時刻を用いて求めた補間データを、前記欠損箇所のゼロクロス時刻とするように構成された補間ステップと、
前記格納位置のうちから前記伝搬時間の計算に用いる目標格納位置を特定し、各時刻配列の前記目標格納位置に格納されている目標ゼロクロス時刻から求めた前記伝搬時間に基づいて、前記流体の流量を計測する流量計測ステップと
を備える流量計測方法。 A measurement process of transmitting and receiving an ultrasonic signal in both directions via a fluid to be measured flowing in a pipe between a pair of ultrasonic transmitters and receivers is performed a plurality of times, and the ultrasonic signal obtained in each of these measurement steps is performed. It is a flow rate measurement method that measures the flow rate of the fluid based on the difference in propagation time in the forward and reverse directions of.
For each measurement step, the measurement voltage indicating the received wave of the ultrasonic signal is compared with a preset threshold voltage, and after the measurement voltage exceeds the threshold voltage, a plurality of zero cross times at which the measurement voltage crosses zero are set. A measurement step in which a plurality of measured zero-cross times are measured in order from a preset specific storage position in a time array corresponding to the measurement process.
A shift that shifts the storage position of the zero cross time in each time array so that the zero cross time stored in the same storage position becomes the zero cross time corresponding to the same pulse of each received wave between adjacent time arrays. The shift processing step to perform the processing and
A defect detection step configured to detect a zero-cross time defect in the time array stored in the measurement step, and a defect detection step.
Interpolation configured to use the interpolation data obtained by using the zero-cross time stored in the storage position of the time array immediately before and after the defect detected in the defect detection step as the zero-cross time of the defect. Steps and
The target storage position used for calculating the propagation time is specified from the storage positions, and the flow rate of the fluid is based on the propagation time obtained from the target zero cross time stored in the target storage position of each time array. A flow measurement method that includes a flow measurement step to measure.
前記欠損検出ステップで検出された欠損の箇所が、設定されている上限値を超えて、前記計測工程毎に連続している異常か否かを判定するように構成された判定ステップと、
前記判定ステップで異常と判定されると、異常処理をする異常処理ステップと
をさらに備えることを特徴とする流量計測方法。 In the flow rate measuring method according to claim 6,
A determination step configured to determine whether or not the defect portion detected in the defect detection step exceeds the set upper limit value and is continuous in each measurement process.
A flow rate measuring method comprising further including an abnormality handling step in which an abnormality processing is performed when an abnormality is determined in the determination step.
前記計測ステップで格納された時刻配列の中のゼロクロス時刻の数に対する、前記補間ステップで補間された数の割合を求めるように構成された算出ステップと、
前記算出ステップで算出された割合が設定されている上限値を超えたか否かを判定するように構成された判定ステップと、
前記判定ステップが異常と判定すると、異常処理をする異常処理ステップと
をさらに備えることを特徴とする流量計測方法。 In the flow rate measuring method according to claim 7,
A calculation step configured to obtain the ratio of the number interpolated by the interpolation step to the number of zero cross times in the time array stored in the measurement step.
A determination step configured to determine whether or not the ratio calculated in the calculation step exceeds the set upper limit value, and
A flow rate measuring method comprising further including an abnormality handling step in which an abnormality processing is performed when the determination step is determined to be abnormal.
前記異常処理ステップは、前記流体の流量の計測の停止、または前記流体の流量の再計算のいずれかの処理を行うことを特徴とする流量計測方法。 In the flow rate measuring method according to claim 7 or 8.
The abnormal processing step is a flow rate measuring method comprising either stopping the measurement of the flow rate of the fluid or recalculating the flow rate of the fluid.
前記異常処理ステップは、前記判定ステップで異常と判定されたときの、前記計測ステップで格納された複数のゼロクロス時刻を、計算対象外とすることを特徴とする流量計測方法。 In the flow rate measuring method according to claim 7 or 8.
The abnormality processing step is a flow rate measuring method characterized in that a plurality of zero cross times stored in the measurement step when it is determined to be abnormal in the determination step are excluded from the calculation target.
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