JP3698667B2

JP3698667B2 - 伝播時間差方式による超音波流量計

Info

Publication number: JP3698667B2
Application number: JP2001335162A
Authority: JP
Inventors: 徹藤井; 保小林; 邦和重田
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: JP2003139592A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は伝播時間差方式（以下時間差方式と称す）による超音波流量計の改良に関し、特に伝播時間を十分に高い時間分解能とともに安定に計測できる超音波流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の時間差方式による超音波流量計の構成を示し、以下その概要を説明する。
同図において符号１は流体入口１ａと同出口１ｂを有する流路用管体、２ａ、２ｂは管体の両端に設けた１対の超音波振動子を示す。
【０００３】
３は切替器であり、励振パルス電圧源４と受信信号の増幅器５とを上記振動子２ａまたは２ｂへ交互に切り替えて接続するが、その切替信号についてはここでは触れない。
【０００４】
６は振幅を検知する第１コンパレータ、７はその参照電圧源、８はゼロクロス点を検知する第２コンパレータであり、前記増幅器５にて増幅された受信波形の電圧値が前記参照電圧源７の電圧値を超えると第２コンパレータ８はゼロクロス点を検知できる状態になる。
【０００５】
すなわち、第２コンパレータ８は第１コンパレータ６の動作後における最初のゼロクロス点を検知し、このゼロクロス点の受信時刻を検出する。
【０００６】
９はデータ処理装置であり、上記第２コンパレータ８の出力を受けて振動子励振時刻から受信時刻までの時間すなわち超音波伝播時間を算出する。
【０００７】
上述した構成により、切替器３を操作して超音波が流体の流れに逆らう場合の伝播時間Ｔｕと、流れと同じ向きの場合の伝播時間Ｔｄを測定すれば、これらの差から下記のように流速Ｖが、さらにこれに管断面積Ｓを乗じて流量Ｑが求められることはよく知られているので詳細には述べない。
ただしＣは音速、Ｌは振動子間距離であり、かつＣは（Ｔｕ＋Ｔｄ）より求められる。
Ｔｕ−Ｔｄ＝２ＬＶ／Ｃ²
∴Ｖ＝（Ｔｕ―Ｔｄ）Ｃ² ／２Ｌ
Ｑ＝ＳＶ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の超音波流量計には次のような技術的問題が生じる。
伝播時間をデジタル手段により計測する場合、十分に高い時間分解能を得るためには、単に時間計測用のクロック周波数を高くするだけでは不十分である。
【０００９】
このことは、Ｌ/Ｃ＝（Ｔｕ＋Ｔｄ）／２を前記Ｖの式に入れて、
（Ｔｕ−Ｔｄ）／（Ｔｕ＋Ｔｄ）＝Ｖ／Ｃ
なる式においてＣ＝１．５ｋｍ／ｓ、Ｖ＝１ｍ／ｓとすれば伝播時間差は伝播時間の１／１０００以下であること、および通常使用される振動子の共振周波数が1〜２ＭＨｚであること、したがって所要のクロック周波数が極めて高くなることから容易に理解できる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明に係る第１発明の伝播時間差方式による超音波流量計は、流路用管体の流体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播する超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅波形を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、かつ、前記増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のうち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロクロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データの中から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の対データを選んで第１の対データ群とし、同じく電圧絶対値が最小の対データを含み、第１の対データ群とは構成が同一ではない複数の対データを選んで第２の対データ群とし、各対データ群を構成する複数の対データに基づき、電圧値を変数とし、時刻をその関数とする等次数の近似式をそれぞれ求め、これら２式の時刻軸切片の平均値をもって前記ゼロクロス点の時刻近似値とするとともに、この近似値により超音波の送信より受信までの伝播時間が算出されることを特徴としている。
【００１１】
また、上記第１の発明における実施態様は、前記第１の対データ群と第２の対データ群が、ｎを整数として前記電圧絶対値が最小の対データの電圧極性に応じ、一方の対データ群においては同一極性側にさらにｎ＋１個、反対の極性側にｎ個の対データが選ばれ、他方のデータ群においては同一極性側にさらにｎ個、反対の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれ、好適には前記ｎを、ｎ＝１とすることを特徴としている。
【００１２】
また、第１の発明における他の実施態様は、前記２つの近似式を、ともに最小自乗法により得られる直線とすることを特徴としている。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【実施例】
以下、本発明に係る超音波流量計の実施例を添付図面に基づいて説明する。なお、図１において符号１〜５は図１０に示した従来のものに付した符号に対応するので、説明は省略する。
【００１８】
本実施例の流量計は、データ処理装置９として数１０ＭＳ／ｓ程度のサンプリングレートと、１０〜１２ビット程度の分解能を有するアナログ・デジタル変換器（以下、ＡＤＣと称す）１０と、高速デジタル信号処理器（以下、ＤＳＰと称す）１１を備え、増幅器５にて増幅された受信波形のデータをこのデータ処理装置９にて演算処理する点を特徴としている。
【００１９】
振動子の共振周波数が例えば２ＭＨｚのときの受信波形をこのようなＡＤＣによりサンプリングする結果、図２に●印で示すようなデータが得られる（煩雑さを避けるためにピークＰ₁ 付近のみにつき、個数も減らして示す）。
ここで○印はこのピークおよび隣接ピークに付随するゼロクロス点の一例を示す。
【００２０】
本発明におけるデータ処理装置９は増幅後の受信信号の増幅波形を前記ＡＤＣ１０において複数の電圧値−時刻の対データに変換し、少なくとも1個のゼロクロス点例えばｑ₁付近の前後時刻に分布する複数個の前記対データに基づき、ＤＳＰ１１における演算によってｑ₁の時刻近似値を求める。
【００２１】
しかして本発明の流量計においては、上述したデータ処理装置９によるゼロクロス点の時刻近似値の演算に関し、大別して２つの演算方式があり、以下各演算方式について詳述する。
【００２２】
＜第１の演算方式＞
第１の演算方式においては、ゼロクロス点の前後時刻における複数の電圧値−時刻の対データ中から任意の対データを選んで２組の対データ群を決め、各対データ群の対データに基づいて互いに次数の等しい近似式を求め、これら近似式の時刻軸切片の平均値をゼロクロス点の近似値とするものである。
【００２３】
なお、前記２組の対データ群は、電圧絶対値が最小である対データ（以下、最小対データと称する）をともに含み、他の対データは重複するものがあってもよいが、云うまでもなく２組の対データ群は同一とならないようにしなければならない。
【００２４】
次に、上述した第１の演算方式の具体例を図３(a)、(b)に基づいて説明する。なお、図３(a)は図２に示した受信波形グラフにおけるゼロクロス点ｑ₁付近を拡大して示し、図３(b)は(a)をさらに拡大して示すものである。
【００２５】
まず、第１の対データ群として前記最小対データａ₁と、その他の対データａ₂、ａ₃、ｂ₁等を選び、第２の対データ群として同じく最小対データａ₁と、その他の対データａ₂、ｂ₁、ｂ₂等を選ぶ。
【００２６】
これら２つの対データ群につき、電圧値を変数とし、時刻をその関数とする次数の等しい近似式をそれぞれ求め、これら２つの近似式Ｌ₁、Ｌ₂の時刻軸切片ｒ₁およびｒ₂の平均値を前記ゼロクロス点ｑ₁の近似値とする。
【００２７】
ここで、上記近似式として電圧値を変数とし、時刻をその関数とする理由は、これと逆の場合に比べて時刻切片を求めるのが遥かに容易な点にある。
【００２８】
すなわち、時刻を変数、電圧値をその関数とし、次数が２次以上の近似式である場合、時刻切片を求めるには、電圧を表す時刻の多次式の各項の係数を求めた後に式の根を算出しなければならないので、計算が煩雑になるからである。
【００２９】
上述のようにして求めたゼロクロス点ｑ₁の近似値から超音波の伝播時間を求め、流体の流方向に対する正逆方向の伝播時間の差から流量信号が得られる。
なお、各対データ群を構成する対データの数は通常偶数でよいが、データ数によっては奇数がよい結果を与えることもある。
【００３０】
次に上述した第１の演算方式における実施態様について説明する。
前記２組の対データ群における対データの個数について、前記最小対データの電圧極性に応じ、ｎを整数として一方の対データ群は最小対データと同一の極性側にさらにｎ＋１個、反対の極性側にｎ個を選び、他方の対データ群は同一極性側にさらにｎ個、反対側にｎ＋１個を選ぶよう構成する。
【００３１】
一般に近似式を演算する際のデータ数が多い程、近似精度は高まると考えられるが、ＡＤＣ１０のサンプリングレートが超音波振動子の周波数に比べて十分には高くない場合、データ数を増やせば近似式の次数を挙げる必要が生じ、計算が煩雑になる割には精度は向上せず、前記数値例ではｎとしてｎ＝１が好適である。
【００３２】
また、近似式として、一般に最小自乗法による式を使用するが、データ数と近似式の次数の差を１としていわゆる補間公式を使用するのが簡便である。なお、図３は直線近似の例を示している。
【００３３】
＜実施態様１−１＞
次に、第１の演算方式につき、実際の測定において得られる受信波形に近い波形を想定した数値シミュレーションの結果を図４乃至図６に基づいて説明する。図４は受信信号の模擬波形であり、その周波数は２ＭＨｚ、ＡＤＣ１０のサンプリングレートは５０ＭＳ／ｓとしてある。
【００３４】
同図４中に示した６つのゼロクロス点ｑ₁〜ｑ₆につき、第１と第２の各対データ群における対データ数を４とし、近似式には最小自乗法による直線近似式を使用してＡＤＣ１０のサンプリングの位相が変化したときのゼロクロス時刻誤差をシミュレーションにより求めた結果を図５に示す。
【００３５】
ここで、横軸は各ゼロクロス点を基準とする最小対データの時刻を表し、その極性は受信波形の尾に向かう方向を正としている。
【００３６】
この図５に示された結果から、各ゼロクロス点によって誤差は異なるが、そのサンプリング位相変化による誤差変動すなわち安定性は１００ｐｓ程度に収まっていて、十分実用になることがわかる。
なお、この誤差そのものは伝播時間の一部として扱うことができる。
【００３７】
＜実施態様１−２＞
さらに、図６は第１と第２の各対データ群における対データ数を４とし、近似式には電圧値を変数とし、時刻をその関数とする補間３次式を使用したときの誤差を示し、その位相変化による誤差変動は最も大きいゼロクロス点ｑ₁においても４０ｐｓ程度に減少しており、精度の高い測定を行なえることがわかる。
【００３８】
＜第２の演算方式＞
次に、本発明に係る第２の演算方式について説明する。
上述した第１の演算方式においては２組の対データ群に基づいて２つの近似式を求めたが、この第２の演算方式においては、ゼロクロス点ｑ₁の前後時刻における複数の対データを選んで１つの対データ群とし、この対データ群を構成する対データに基づいて３次以上の次数の近似式を１つ求め、この近似式の時刻軸切片を前記ゼロクロス点の時刻近似値とする。
なお、上記対データ群は前記最小対データを必ず含むものとする。
【００３９】
具体的には、対データ群を最小データａ₁と、その他の対データａ₂、ａ₃、ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃等を選び、これらの対データにつき電圧値を変数とし、時刻をその関数とする３次以上の次数の近似式を１つ求め、この近似式の時刻軸切片をゼロクロス点ｑ₁の時刻近似値とする。
【００４０】
そして、この時刻近似値より超音波の伝播時間を求め、流体の流方向に対する正逆方向の伝播時間の差から流量信号を得る。
なお、近似式として電圧値を変数とし、時刻をその関数とする理由は、第１の演算方式と同じであり、時刻切片を求めるのが容易である点にある。
【００４１】
ところで、複数の対データから近似式を演算してゼロクロス点を求めるには、最小自乗法による直線（１次式）を使用するのが一般的であるが、この演算方法では伝播時間の演算に適用する場合近似精度が不十分であるので、上述した第２の演算方式では３次以上の次数の近似式を用いている。
【００４２】
上述した第１の演算方式と第２の演算方式とを比較すると、近似式を得るのに用いる対データの総数が同じである場合、第１の演算方式では２つの近似式を使用するので、近似式の次数が少なくて済み、したがって、時間軸切片の計算が第２の演算方式よりも容易である。
ただし、近似精度は一般に第２の演算方式の方が優れているので、必要に応じていずれかの方式を選ぶ。
【００４３】
また、上述した各演算方式の説明では、１つのゼロクロス点の近似値を求める場合について述べたが、複数のゼロクロス点について上述した各演算方式と同様の手順で近似値を求め、得られた複数の時刻近似値を平均すれば、より精度と安定度の高い伝播時間が得られ、したがって高精度の流量測定を行なうことができることは明らかである。
【００４４】
＜実施態様２−１＞
次に上述した第２の演算方式における実施態様について説明する。
前記対データ群を構成する対データとして、前記最小対データと、この最小対データの時刻前と同時刻後に分布する対データをそれぞれ２個ずつ選び、これら５つの対データに基づいて電圧値を変数とし、時刻をその関数とする近似式として最小自乗法による３次近似式を使用したときのシミュレーション結果を図７に示す。
【００４５】
このシミュレーション結果から、第２の演算方式により得られたゼロクロス点の近似値は実用上十分な精度を有するということがわかる。
【００４６】
＜実施態様２−２＞
さらに、図８は第２の演算方式において、対データ群を構成する対データを、最小対データと同一の極性側にさらに１個、反対の極性側に２個を選び、これら４つの対データにつき電圧値を変数とし、時刻をその関数とする３次補間式を使用したときの誤差を示し、その位相変化による誤差変動は図６に示した第１の演算方式によるシミュレーション結果より少なく、良好な結果が得られた。
【００４７】
＜他の実施例＞
本発明に係る超音波流量計における検出器の構成としては、図１に示すように流路用管体１に直管１ａの両端に超音波振動子２ａ、２ｂを設ける構成の他に、例えば図９に示すように超音波振動子１２ａ、１２ｂを、直管よりなる流路用管体１３の外周に設けたいわゆるクランプオン形とする場合もあり、図１の構成と同様に適用できて良好な結果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、受信波形のゼロクロス点の時刻近似値を２つの近似式からまたは３次以上の１つの近似式から演算して求めるので、十分に高い分解能を得ることができるとともに、ＡＤＣのサンプリング位相の変動にかかわらず、安定した高精度の計測を行なうことができ、優れた測定精度の超音波流量計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波流量計の構成図。
【図２】本発明における受信波形を示すグラフ。
【図３】 (a)は図２のグラフにおけるゼロクロス点付近を拡大して示すグラフであり、(b)はさらに拡大して示すグラフ。
【図４】受信波形を模擬した波形を示すグラフ。
【図５】実施態様１−１による誤差評価の一例を示すグラフ。
【図６】実施態様１−２による誤差評価の一例を示すグラフ。
【図７】実施態様２−１による誤差評価の一例を示すグラフ。
【図８】実施態様２−２による誤差評価の一例を示すグラフ。
【図９】本発明の流量計における検出器の他の例を示す一部破断正面図。
【図１０】従来の伝播時間差方式による超音波流量計の構成図。
【符号の説明】
１流路用管体
２ａ、２ｂ超音波振動子
３切替器
４励振電圧源
５増幅器
６第１のコンパレータ
７参照電圧
８第２のコンパレータ
９データ処理装置
１０アナログ・デジタル変換器
１１高速デジタル信号処理器
１２ａ、１２ｂ超音波振動子
１３流路用管体

Claims

(a) 流路用管体の流体の流れ方向上流側と下流側における流路用管体の外側にそれぞれ取り付けた１対の超音波振動子と、これら１対の超音波振動子の送信、受信を交互に切り替える切替器と、流体内を伝播する超音波により受信側の振動子に生じる受信信号を増幅する増幅器と、増幅された受信信号のゼロクロス点を測定して上流向けおよび下流向け伝播時間を求め、この伝播時間から流量信号を算出するデータ処理装置を備え、
(b) 前記データ処理装置は前記増幅後の受信信号の増幅波形を複数の電圧値−時刻の対データに変換し、
(c) かつ、前記増幅波形が時刻軸と交差する複数のゼロクロス点のうち、少なくとも１個のゼロクロス点を選び、このゼロクロス点の前後時刻に分布する複数個の前記対データの中から、電圧絶対値が最小の対データを含む複数の対データを選んで第１の対データ群とし、同じく電圧絶対値が最小の対データを含み、第１の対データ群とは構成が同一ではない複数の対データを選んで第２の対データ群とし、各対データ群を構成する複数の対データに基づき、電圧値を変数とし、時刻をその関数とする等次数の近似式をそれぞれ求め、これら２式の時刻軸切片の平均値をもって前記ゼロクロス点の時刻近似値とするとともにこの近似値により超音波の送信より受信までの伝播時間が算出される伝播時間差方式による超音波流量計。
前記第１の対データ群と第２の対データ群は、ｎを整数として前記電圧絶対値が最小の対データの電圧極性に応じ、一方の対データ群においては同一極性側にさらにｎ＋１個、反対の極性側にｎ個の対データが選ばれ、他方のデータ群においては同一極性側にさらにｎ個、反対の極性側にｎ＋１個の対データが選ばれる請求項１に記載の伝播時間差方式による超音波流量計。
前記ｎを、ｎ＝１とする請求項２に記載の伝播時間差方式による超音波流量計。
前記２つの近似式を、ともに最小自乗法により得られる直線とする請求項１に記載の伝播時間差方式による超音波流量計。