JP2021071307A - 伝搬時間測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1)前記送信信号の自己相関関数における最大ピークに対する他のピークの高さの比が0.8以下であり、且つ、
2)前記送信信号の持続長が前記送信信号の最短周期の5倍以上であるか、又は、前記送信信号の持続長が前記送信信号の自己相関関数の最大ピークの半値半幅の20倍以上である、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成するとよい。
3)前記送信信号の持続長が前記送信信号の最短周期の10倍以上であるか、又は、前記送信信号の持続長が前記送信信号の自己相関関数の最大ピークの半値半幅の40倍以上である、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成してもよい。この条件3は、条件2をさらに厳しくした条件である。したがって、条件3を満たす持続長の送信信号を用いることにより、相互相関関数の誤差を一層低減することができ、音響時間の伝搬時間の測定精度を一層向上することができる。
4)前記送信信号の持続長が、前記第1振動子から前記第2振動子までの音響信号の伝搬時間として想定される最小の伝搬時間よりも短い、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成してもよい。条件4を満たすように送信信号の持続長の上限を設定することにより、送信信号の送信期間と受信信号の受信期間の重なりを避けることができるため、クロストークにより送信信号が受信信号の経路に混入したとしても、混入した送信信号が信号解析に影響することを防止することができる。
図1を参照して、伝搬時間測定装置の適用例を説明する。
媒質の特性、流体の流速、伝搬角度、伝搬方向(上流から下流か、下流から上流か)などがわかれば、音響信号の伝搬時間がとり得る範囲をあらかじめ想定することができる。仮に、伝搬時間の最小値がTmin、最大値がTmaxと想定された場合には、送信信号の持続長がTminよりも短くなるように設定すればよい。
(装置構成)
図1及び図3を参照して、伝搬時間測定装置1の具体的な構成を説明する。図1は、伝搬時間測定装置1の構成を模式的に示すブロック図であり、図3は、配管への振動子の設置例を示す断面図である。本実施形態の伝搬時間測定装置1は、配管120内を流れる流体121の流速及び流量を非破壊で計測するための装置であり、超音波流量計又は超音波流量センサとも称される。
び信号増幅を行い、所定の電圧の送信信号(アナログ信号)を振動子101へ出力する回路である。A/D変換器104は、振動子101から入力された受信信号(アナログ信号)を所定のサンプリング周期でA/D変換し、受信信号(デジタルデータ)を制御回路102へ出力する回路である。切り替え器105は、D/A変換器103及びA/D変換器104と第1振動子101a及び第2振動子101bとの接続関係を切り替えるスイッチである。D/A変換器103に接続された振動子101が送信側となり、A/D変換器104に接続された振動子101が受信側となる。出力器106は、制御回路102による信号処理や演算処理の結果などの情報を出力するデバイスであり、例えば表示器などである。なお、装置本体100に、ユーザが操作するための入力部(例えば、ボタン、タッチパネルなど)を設けたり、外部装置(例えば、外部のコンピュータやサーバなど)に情報を送信する通信回路(例えばWiFiモジュールなど)を設けてもよい。
本実施形態の伝搬時間測定装置1は、前述した条件1と条件2、又は、条件1と条件3を満たすように設計された送信信号を測定に用いる。以下、これらの条件を満たす送信信号の一例を挙げる。
と、自己相関関数における2番目のピークの値は約0.2であり、図4Aの送信信号が条件1を満たしていることがわかる。また、図4Aの送信信号の最短周期は0.2マイクロ秒(5MHzに対応する波長)であり、信号持続長はその5倍であるため、図4Aの送信信号は条件2も満たしている。
自己相関関数の最大ピークは急峻であり、信号持続長が最大ピークの半値半幅の20倍以上であることは明らかであるため、図7Aの送信信号は条件2も満たしている。
図10のフローチャートに沿って、伝搬時間測定装置1の測定動作の流れを説明する。
子101bにD/A変換器103を接続し、第1振動子101aにA/D変換器104を接続する。すなわち、送信側と受信側の振動子が入れ替えられる。以降のステップS108〜S112の処理は、ステップS102〜S106の処理と同様である(ただし、「第1振動子101a」は「第2振動子101b」と読み替え、「第2振動子101b」は「第1振動子101a」と読み替える。)。
以上述べた本実施形態の構成によれば、測定用の信号として、条件1と条件2、又は条件1と条件3を満たす送信信号を用いるので、誤差が少なく、且つ、最大ピークの識別性・明瞭性が高い、相互相関関数を得ることができる。したがって、相互相関関数における最大ピークの位置、すなわち、音響信号の伝搬時間を精度よく求めることが可能となる。よって、微少流量の測定など、高い精度が要求される場面への適用も可能である。
本発明の第2実施形態では、同一の伝搬経路に対し音響信号の送信及び受信を複数回実施し、得られた複数回分の受信信号を用いて相互相関解析を行うことにより、測定精度の向上を図る。基本構成は第1実施形態と同様であるため、以下では、第1実施形態と異なる構成部分を中心に説明する。
本発明の第3実施形態に係る伝搬時間測定装置1は、振動子対の配置(位置関係)に応じて適切な送信信号波形を自動で設定する機能を有する。基本構成は上記実施形態と同様であるため、以下では、上記実施形態と異なる構成部分を中心に説明する。
、制御回路102は、クランプ30の開度に基づいて2つの振動子101a、101bの相対的な位置関係を計算し、2つの振動子101a、101bのあいだの伝搬距離に基づいて音響信号の伝搬時間を推定する。このとき、伝搬時間に影響を与える他のパラメータ(配管120の肉厚や材質、流体121の流速・流量など)については、予め設定された値を用いてもよいし、ユーザが与えてもよい。ステップS142において、制御回路102は、伝搬時間の推定値に基づいて、送信信号の持続長の上限を決定する。このとき、伝搬時間の推定値よりも短くなるように、持続長の上限を定めるとよい。そして、ステップS143において、制御回路102は、記憶部112に登録されている複数の波形データのなかから、最適な持続長の波形データを選択する。例えば、信号の持続長がステップS142で定めた上限以下の波形データのうちで最も持続長の長いものを、測定に用いる波形データとして選択してもよい。これにより、条件4を満たす送信信号のなかで可及的に持続長の長いものを測定に用いることができるため、測定精度の向上を図ることができる。
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態の装置では、音響信号の伝搬時間を測定した後、その伝搬時間の測定値を利用して流体の流速及び流量を計算したが、流速及び流量の計算は必須ではない。伝搬時間測定装置は、単に伝搬時間を測定する処理を行うだけでもよい。その場合は、図10又は図13のフローにおけるステップS100〜S106の処理を実行するだけでもよい。また、単に伝搬時間を測定するだけであれば、伝搬角度θは90度でもよい。また、上記実施形態では、配管を挟み込むように取り付け可能なクランプオン型の装置を例示したが、配管組み込み型の装置構成を採用してもよい。また、振動子の数は3つ以上でもよく、上流側から下流側への音響信号の伝搬に用いる振動子対と、下流側から上流側への音響信号の伝搬に用いる振動子対を分けてもよい。
(1) 流体(121)を流す配管(120)に対し互いに異なる位置に配置される複数の振動子(101a、101b)であって、電気信号としての送信信号を音響信号に変換する第1振動子(101a)と、前記第1振動子(101a)から送信されて前記配管(120)内の流体(121)を伝搬した前記音響信号を受信し電気信号としての受信信
号に変換する第2振動子(101b)とを少なくとも含む、複数の振動子(101a、101b)と、
測定に用いる前記送信信号を生成する送信信号生成部(110)と、
前記送信信号と前記受信信号のあいだの相互相関解析により、前記第1振動子(101a)から前記第2振動子(101b)までの前記音響信号の伝搬時間を求める信号処理部(111)と、を備え、
前記送信信号生成部(110)は、
1)前記送信信号の自己相関関数における最大ピークに対する他のピークの高さの比が0.8以下であり、且つ、
2)前記送信信号の持続長が前記送信信号の最短周期の5倍以上であるか、又は、前記送信信号の持続長が前記送信信号の自己相関関数の最大ピークの半値半幅の20倍以上である、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成する
ことを特徴とする伝搬時間測定装置(1)。
101:振動子
101a:第1振動子
101b:第2振動子
102:制御回路
110:送信信号生成部
111:信号処理部
120:配管
121:流体
Claims (14)
- 流体を流す配管に対し互いに異なる位置に配置される複数の振動子であって、電気信号としての送信信号を音響信号に変換する第1振動子と、前記第1振動子から送信されて前記配管内の流体を伝搬した前記音響信号を受信し電気信号としての受信信号に変換する第2振動子とを少なくとも含む、複数の振動子と、
測定に用いる前記送信信号を生成する送信信号生成部と、
前記送信信号と前記受信信号のあいだの相互相関解析により、前記第1振動子から前記第2振動子までの前記音響信号の伝搬時間を求める信号処理部と、を備え、
前記送信信号生成部は、
1)前記送信信号の自己相関関数における最大ピークに対する他のピークの高さの比が0.8以下であり、且つ、
2)前記送信信号の持続長が前記送信信号の最短周期の5倍以上であるか、又は、前記送信信号の持続長が前記送信信号の自己相関関数の最大ピークの半値半幅の20倍以上である、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成する
ことを特徴とする伝搬時間測定装置。 - 前記送信信号生成部は、さらに、
3)前記送信信号の持続長が前記送信信号の最短周期の10倍以上であるか、又は、前記送信信号の持続長が前記送信信号の自己相関関数の最大ピークの半値半幅の40倍以上である、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成する
ことを特徴とする請求項1に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記送信信号生成部は、さらに、
4)前記送信信号の持続長が、前記第1振動子から前記第2振動子までの音響信号の伝搬時間として想定される最小の伝搬時間よりも短い、
という条件を満たすように、前記送信信号を生成する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記送信信号は、周波数変調された信号を含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記送信信号は、ランダムパルスにより構成される信号を含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記送信信号は、異なる周波数の複数の信号が合成された信号を含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記送信信号は、所定の時間区分ごとに周波数が変化する信号を含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記信号処理部は、前記第1振動子からの送信及び前記第2振動子による受信を複数回行うことによって得られた複数の受信信号を用いて相互相関解析を行う
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記信号処理部は、前記複数の受信信号からノイズが低減された受信信号を生成し、前記送信信号と前記ノイズが低減された受信信号とのあいだの相互相関解析を行う
ことを特徴とする請求項8に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記第1振動子と前記第2振動子は、前記配管を挟んで対向するように配置される
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記第1振動子と前記第2振動子は、前記配管の長手方向の異なる位置に配置される
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記第2振動子に前記送信信号が入力され、前記第2振動子から送信された音響信号を受信した前記第1振動子から前記受信信号が出力されるように切り替えを行う切り替え部をさらに備え、
前記信号処理部は、前記第2振動子に入力した前記送信信号と前記第1振動子から出力された前記受信信号のあいだの相互相関解析により、前記第2振動子から前記第1振動子までの前記音響信号の伝搬時間を求める
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記信号処理部は、前記第1振動子から前記第2振動子までの前記音響信号の伝搬時間と、前記第2振動子から前記第1振動子までの前記音響信号の伝搬時間との差に基づいて、前記配管内の流体の流速及び/又は流量を求める
ことを特徴とする請求項12に記載の伝搬時間測定装置。 - 前記第1振動子及び前記第2振動子は、それぞれ、異なる周波数特性をもつ複数の振動子を組み合わせて構成されている
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の伝搬時間測定装置。
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