JP3795510B2

JP3795510B2 - 超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定処理プログラム

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Publication number: JP3795510B2
Application number: JP2005044871A
Authority: JP
Inventors: 公一菱田; 治嗣森; 英昭手塚
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Keio University
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Keio University
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: JP2005208068A

Description

本発明は、超音波を利用した流体の流速分布及び流量を測定する超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定プログラムに係り、特に、金属配管の内部を流動する種々の流体の流速分布及び流量を非接触測定する超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定処理プログラムに関する。

超音波パルスを利用した超音波流量計として特開２０００−９７７４２号公報に開示された技術がある。

この超音波流量計は、トランスジューサから超音波パルスを流体配管内の測定線に向けて発射し、流体配管内を流れる流体内の懸濁微粒子からの反射波である超音波エコー信号を解析して懸濁微粒子の位置と速度から測定線に沿う流体の流速分布及び流量を求める装置である。測定線はトランスジューサから発射される超音波パルスのビームにより形成される。

超音波流量計は、不透明流体・不透明配管内に適応することができ、流体配管内を流れる流体を非接触測定でき、測定線に沿う線測定で流体配管内の流速分布や、流量が測定できる一方、不透明流体の流速分布や流量測定にも適用でき、水銀・ナトリウム等の液体金属の流動測定にも利用できる利点がある。

超音波流量計では、トランスジューサから流体内に発射される超音波パルスの測定線上における流体速度分布の経時変化が得られるので、金属配管内を流れる流体の過渡流れや乱流の場における流体の速度分布や流量測定への応用が期待されている。

上述した超音波流速分布計及び流量計の一例は、特開２０００−９７７４２号公報に掲載されている（例えば、特許文献１参照）。

更に、上述の流速分布及び流量計に類するものとして、同一のトレーサ粒子群から最初に得られた反射波（参照波）と、次の反射波（探索波）との時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間遅れτの差（時間差：Δτ）から流速を求めるものがある。これは、従来のドップラ式超音波流量計と比較して、時間分解能を飛躍的に向上させることができる。

この流量計においては、相互相関関数を用いて同一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを判別し、それぞれの時間遅れτを計算（相互相関法による流速分布計測）している。
特開２０００−９７７４２号公報

従来の相互相関法では、参照波及び探索波の相互相関を計算する際の探索範囲は経験的に適当な大きさに設定されていたが、これでは、超音波エコー信号同士の相互相関の誤認によるエラーが生じることがあった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、探索窓の大きさをトリガ発振周波数毎に設定可能とし、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、測定線に沿う流速分布又は流量を精度よく、高い信頼性をもって測定できる超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定プログラムを提供することにある。

本発明に係る超音波流速分布計及び流量計は、上述した課題を解決するため、請求項１に記載したように、トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手段と、前記トリガ信号を入力して超音波パルスを流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信する超音波発振手段と、前記流体内に懸濁する超音波反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手段と、前記超音波エコー信号をフィルタリング処理する信号処理手段と、前記超音波パルス受信手段が生成した超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布を形成する信号解析手段とを具備した、超音波流速分布及び流量計であって、前記信号解析手段は、所定の時間間隔をもって得られる２つの超音波パルスからの反射波である参照波及び探索波の相互相関を計算して、その相関値が、ある一定値以上の場合にこれらの波の位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出するとともに、前記信号解析手段は、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯に対応する超音波反射体の速度範囲を設定し、設定した超音波反射体の速度範囲に基づいて前記参照波と相互相関を取るべき探索波を探索する範囲を設定することを特徴とする、超音波流速分布及び流量計である。

本発明に係る超音波流速分布計及び流量方法は、上述した課題を解決するため、請求項３に記載したように、トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、前記トリガ信号を入力して超音波パルスを流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信する超音波発振手順と、前記流体内に懸濁する超音波反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手順と、前記超音波エコー信号をフィルタリング処理する信号処理手順と、前記超音波パルス受信手段が生成した超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布を形成する信号解析手順を備える超音波流速分布及び流量測定方法であって、前記信号解析手順は、所定の時間間隔をもって得られる２つの超音波パルスからの反射波である参照波及び探索波の相互相関を計算する相互相関計算処理ステップと、前記参照波及び探索波の相関値がある一定値以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、前記位相特定ステップにより特定した参照波及び探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップとを備えるとともに、前記相互相関計算処理ステップでは、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯に対応する超音波反射体の速度範囲を設定し、設定した超音波反射体の速度範囲に基づいて前記参照波と相互相関を取るべき探索波を探索する範囲を設定することを特徴とする、超音波流速分布及び流量測定方法である。

本発明に係る超音波流速分布計及び流量測定用プログラムは、上述した課題を解決するため、請求項５に記載したように、トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、前記トリガ信号を入力して超音波パルスを流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信する超音波発振手順と、前記流体内に懸濁する超音波反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手順と、前記超音波エコー信号をフィルタリング処理する信号処理手順と、前記超音波パルス受信手段が生成した超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布を形成する信号解析手順を備えた、超音波流速分布及び流量測定用プログラムであって、前記信号解析手順は、所定の時間間隔をもって得られる２つの超音波パルスからの反射波である参照波及び探索波の相互相関を計算する相互相関計算処理ステップと、前記参照波及び探索波の相関値がある一定値以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、前記位相特定ステップにより特定した参照波及び探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップとを備えるとともに、前記相互相関計算処理ステップでは、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯に対応する超音波反射体の速度範囲を設定し、設定した超音波反射体の速度範囲に基づいて前記参照波と相互相関を取るべき探索波を探索する範囲を設定することをコンピュータに実行させることを特徴とする、超音波流速分布及び流量測定用プログラムである。

本発明に係る超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定用プログラムにおいては、トリガ発振周期τ毎に探索窓の大きさを設定することができ、流体配管内を流れる流体とともに流動する超音波反射体が移動する場所を予測して探索窓の範囲を決定することができ、超音波エコー信号同士の相互相関の誤認によるエラーを防止して信頼性を向上させ、測定線に沿う流速分布又は流量を精度よく、高い信頼性をもって測定することができる等の優れた効果を奏する。

本発明に係る超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定用プログラムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。

［測定システム］
図１は、本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を概略的に示す測定システムの構成概略図である。

図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、携帯式コンピュータとしてのパーソナルコンピュータ（以下、パソコンとする）１１と、パソコン１１が読み出し実行可能な超音波流速分布及び流量測定プログラム（図中は測定ＰＧとし、以下、プログラムをＰＧと省略する）１２とを具備し、パソコン１１と超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２とが協働し、超音波流速分布計及び流量計として機能する。

図１に示されるパソコン１１には、コネクタコード１４を介してパソコン１１と超音波パルス発振手段及び受信手段としてのトランスジューサ１５とが接続される。このトランスジューサ１５は、被測定流体である測定対象流体１７を案内する流体配管としての金属配管１８に所定の設置角度θをなして外側から設置される。尚、図１には示されていないが、トランスジューサ１５は、音響インピーダンスを整合させるため、音響カプラを介して金属配管１８に設置されることが一般的である。

また、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２は、例えば、パソコン１１に内蔵されるハードディスク等のパソコン１１が読み出し可能な記録手段に記録され格納される。

尚、超音波流速分布及び流量測定時において、例えば、トランスジューサ１５が発信する超音波パルスの周波数の制御や反射波を受信する際のゲイン調整等の測定に付随的な処理操作（以下、基本処理操作とする）は、事前設定される基本処理ＰＧ２０によって各種機能が実現される。基本処理ＰＧ２０は、例えば、パソコン１１に内蔵されるハードディスク等のパソコン１１が読み出し可能な記録手段に記録され格納される。

［機能ブロック］
図２に本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態である超音波流速分布計及び流量計１０の機能ブロック図を示す。

図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０を機能的に捉えたものであり、図１に示されるパソコン１１と超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２とが協働することで、超音波流速分布計及び流量計として機能する。

図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、エミッショントリガ信号（電気信号）を出力するエミッショントリガ発振手段２２と、エミッショントリガ信号を受信して超音波パルスを発振する超音波パルス発振手段２３と、超音波パルスの反射波を受信し、受信した超音波パルスの反射波を電気信号に変換する超音波受信手段２４と、電気信号の信号処理を行なう信号処理手段２５と、受信した信号を解析して超音波流速分布及び流量を算出する信号解析手段２６とを具備する。

エミッショントリガ発振手段２２は、エミッショントリガ信号（電気信号）を発振して、発振したエミッショントリガ信号（以下、単にトリガ信号とする）を超音波パルス発振手段２３及び信号処理手段２５へ出力する。超音波パルス発振手段２３に入力されるトリガ信号は、超音波パルス発振手段２３において超音波を発振する際に使用される。また、信号処理手段２５に入力されるトリガ信号は、信号授受のタイミングの制御に使用される。

図２に示される超音波パルス発振手段２３は、入力されたトリガ信号により所要周波数（基本周波数ｆ０）の電気パルス信号を所定時間（τ）間隔毎に生成する電気パルス信号生成部２８と、受信した電気パルス信号の周波数及び時間間隔に応じて超音波パルスを発振する超音波パルス生成部（発振部）２９とを備える。

超音波パルス発振手段２３の電気パルス信号生成部２８は、図１に示されるパソコン１１及び基本処理ＰＧ２０とが協働することにより電気パルス信号生成機能が実現される。

図２に示される超音波パルス発振手段２３がエミッショントリガ発振手段２２から出力されたトリガ信号を受信すると、電気パルス信号発振部２８は、所要周波数、例えば、１ＭＨｚ，２ＭＨｚ，４ＭＨｚ等の基本周波数ｆ０の電気パルス信号を所定時間τ間隔で生成する。電気パルス信号生成部２８は、デジタルシンセサイザを有し、５０ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの電気パルス信号の出力が可能であり、様々な発振周波数特性を有するトランスジューサ１５に対応できる。電気パルス信号生成部２８において生成された電気パルス信号は、超音波パルス生成部２９へ出力される。

超音波パルス生成部２９は、図１に示されるトランスジューサ１５により超音波パルス生成機能が実現される。従って、超音波パルス発振部２９においてなされる電気パルス信号の受信は、図１に示されるパソコン１１とコネクタコード１４を介して接続されるトランスジューサ１５が、パソコン１１から出力された電気パルス信号を受信することでなされる。

超音波パルス発振部２９は、電気パルス信号発振部２８が生成した電気パルス信号を受信すると、受信した電気パルス信号を超音波パルスに変換し、得られた超音波パルスを発信する。

図１の構成概略図に示すようにトランスジューサ１５は、金属配管１８に所定の設置角度θをなして外側から設置される。トランスジューサ１５から発信された超音波パルスは、図１に示される測定線ＭＬに沿って、金属配管１８内を流れる流体１７中に入射され、懸濁する（混在する）超音波反射体により反射される。超音波反射体により反射された反射波はトランスジューサ１５に戻る。

図１に示されるトランスジューサ１５は、図２に示される超音波パルス発振手段２３の超音波パルス生成部２９とともに、超音波受信手段２４としての機能も担っている。超音波受信手段２４は、戻ってきた超音波パルスの反射波を受信して、受信した反射波の大きさに応じた超音波エコー信号（アナログ電気信号）への変換を行なう。変換により得られた超音波エコー信号は、信号処理手段２５へ送信される。

図２に示される信号処理手段２５は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理（以下、バンドパスフィルタリング処理：ＢＰＦ処理とする）を行なうＢＰＦ処理部３１と、超音波エコー信号をアナログ信号からデジタル信号に変換（以下、ＡＤ変換とする）するＡＤコンバータ３２を備える。

図２に示される信号処理手段２５は、図１に示されるパソコン１１及び基本処理ＰＧ２０とが協働することにより信号処理機能が実現される。具体的には、反射波である超音波エコー信号を信号処理手段２５が受信すると、まず、ＢＰＦ処理部３１に超音波エコー信号が入力され、ＢＰＦ処理がなされる。

ＢＰＦ処理部３１は、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、またはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により構成され、超音波反射体からの反射波である超音波エコー信号に対して、測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみを抽出する。ＢＰＦフィルタリング処理を施すことにより、測定に使用しない周波数成分に含まれるノイズがおよぼす流速分布及び流量測定への悪影響を抑制する。

信号号処理手段２５において信号処理された超音波エコー信号は、信号解析手段２６入力され、信号解析手段２６が入力された超音波エコー信号を解析することにより、図１に示される金属配管１８中を流動する流体１７の流速分布及び流量を算出する。

図２に示される信号解析手段２６は、図１に示されるパソコン１１と、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２と、基本処理ＰＧ２０とが協働することにより信号解析機能が実現される。

信号解析手段２６は、図１に示される流体１７中の超音波反射体の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出部３６と、反射体位置・速度算出部３６が算出した多数個の超音波反射体（以下、超音波反射体群とする）の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出部３７と、流速分布算出部３７が算出した流速から流体１７の流量を算出する流量算出部３８とを備える。

反射体位置・速度算出部３６は、相互相関法を用いた信号解析を行なう。相互相関法とは、ある一定の時間間隔をもって得られる２つの反射波（参照波、探索波）の相互相関を計算し、その計算結果から測定線ＭＬに沿う流体の速度分布を導き出す手法である。本手法を用いて流量測定を行なうことにより、従来のドップラ式超音波流量計と比較して、時間分解能を飛躍的に向上させることができる。

流速分布算出部３７は、反射体位置・速度算出部３６が算出した超音波反射体群の位置及び速度をプロットすることによって速度分布を得る。超音波反射体群の位置及び速度のプロット処理は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することでなされる。

図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０が、流体１７の流速分布のみを表示する場合は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が基本処理ＰＧ２０を実行し、流速分布算出部３７が出力した流速分布データをパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流速分布として表示する。

一方、図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０が、流速分布及び流量、又は、流量を表示する場合は、流速分布算出部３７が算出した流速分布データが流量算出部３８に入力される。

流量算出部３８は、流速分布算出部３７が算出した流速分布データを受信し、受信した流速分布データを用いて金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行なうことで流量を算出する。流量算出のための積分演算処理は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することでなされる。

図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、流量算出部３８が積分演算処理（流量算出）を完了すると、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が基本処理ＰＧ２０を実行し、流量算出部３８が算出した流量算出データをパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流量表示する。

尚、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、ＰＧを実行する手段（以下、ＰＧ実行手段とする）として携帯式コンピュータを用いているが、必ずしも携帯式コンピュータでなくても良い。図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は一実施例であり、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行できれば良いので、例えば、携帯不可能なデスクトップ型パソコン、ワークステーション、メインフレーム等を用いて超音波流速分布計及び流量計１０が構成されていても良い。

また、エミッショントリガ発振手段２２、超音波パルス発振手段２３、超音波受信手段２４の電気パルス信号生成部２８、信号処理手段２５及び信号解析手段２６は、必ずしもパソコン１１のみをＰＧと協同する構成としなくても良い。例えば、エミッショントリガ発振手段２２としてパソコン１１の外部にパソコン１１から出力される信号によって駆動するトリガ発振ユニットを設けても良い。

［流速分布及び流量測定方法］
超音波流速分布計及び流量計１０による流速分布及び流量測定方法を図１及び図２を用いて説明する。

超音波流速分布計及び流量計１０による流速分布及び流量測定方法は、エミッショントリガ発振手順と、超音波発振手順と、超音波パルス受信手順と、信号処理手順と、信号解析手順とを具備しており、この流速分布及び流量測定方法を図２に示される機能ブロック図に着目して手順を追って説明すると、超音波流速分布及び流量測定方法は、まず、トリガ信号を受信して電気パルス信号を生成する電気パルス信号生成工程と、この電気パルス信号生成工程で生成された電気パルス信号を超音波パルスに変換して発信する超音波パルス生成工程とを備えるエミッショントリガ発振手順を行なう。

エミッショントリガ発振手順は、エミッショントリガ発振手段２２が発振したトリガ信号（電気信号）を超音波パルス発振手段２３の電気パルス信号生成部２８及び信号処理手段２５のＡＤコンバータ３２に送信する。トリガ信号は、超音波エコー信号を受信した時点と、ＡＤ変換を開始する時点とを合わせるため、すなわち、同期をとるために使用される。

次に、エミッショントリガ発振手段２２が送信したトリガ信号を電気パルス信号生成部２８が受信すると、電気パルス信号生成工程として電気パルス信号生成部２８は、電気パルス信号を生成し、生成した電気パルス信号を超音波パルス生成部２９へ送信する。超音波パルス生成工程として超音波パルス生成部２９は、受信した電気パルス信号を超音波パルスに変換し、得られた超音波パルスを発信する。

上述したエミッショントリガ発振手順のトリガ信号（電気信号）の発振から超音波パルス生成手順の超音波パルスの発信までの手順は、図２に示される機能ブロックに着目して説明したものであるが、今度は図１に示される測定システム構成に着目して説明する。

エミッショントリガ発振工程のトリガ信号（電気信号）の発振から超音波パルス生成工程の超音波パルスの発信までの手順は、パソコン１１及び超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２が協働して行なわれる。

生成された電気パルス信号は、パソコン１１からコネクタコード１４を介して接続されるトランスジューサ１５に送信され、トランスジューサ１５は電気パルス信号を受信する。トランスジューサ１５は、電気パルス信号を受信して、例えば４ＭＨｚの正弦波状の超音波バースト信号に変換し、超音波パルスの発振を行なう。

トランスジューサ１５は、超音波パルスのビームを金属配管１８内に投影する一方、超音波パルスの発振後、測定対象流体１７に混在する気泡やパーティクル粒子等の超音波反射体からの反射波の受信を開始し、得られた反射波の超音波エコー信号を受信する。受信した超音波エコー信号は、トランスジューサ１５からコネクタコード１４を介して接続されるパソコン１１に送信される。

パソコン１１が超音波エコー信号を受信すると、パソコン１１及び超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２が協働して、受信した超音波エコー信号の信号処理及び信号解析を行なう。パソコン１１及び超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２が協働して行なう超音波エコー信号の信号処理及び信号解析について図２を用いて説明する。

信号処理手段２５が行なう信号処理手順としては、まず、ＢＰＦ処理工程として、ＢＰＦ処理部３１が超音波エコー信号に対して超音波周波数に応じたＢＰＦ処理を行ない、ＢＰＦ処理されてＡＤコンバータ３２に入力される超音波エコー信号をＡＤコンバータ３２が高速でデジタルサンプリング処理してデジタル化するＡＤ変換工程がなされる。

信号解析手順として信号解析手段２６が行なう超音波エコー信号の信号解析とは、相互相関法を用いて超音波エコー信号を解析することにより、金属配管１８内を流れる流体１７の測定線（ステンレス管１８ａの直径方向線）ＭＬに沿う速度分布を求めること又はＭＬに沿う速度分布を求め、求めた流速分布をステンレス管１８ａの内部面積に沿って積分することにより流量を求めることをいう。

信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、この反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、この流速分布算出工程で算出した流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する流量算出工程とを備える。

信号解析手順としての超音波エコー信号の信号解析は、まず、反射体位置・速度算出工程として反射体位置・速度算出部３６が、超音波反射体群の位置及び速度を算出する。超音波反射体群の位置及び速度の算出は、極めて短時間幅、例えば１μｓ毎に５１２系列サンプリングされるデジタル超音波エコー信号の連続する系列、すなわち、ｎ番目の系列に含まれる反射波（参照波）４５とｎ＋１番目の系列（ｎは、１≦ｎ≦５１１を満たす整数）に含まれる反射波（探索波）４６との相互相関を計算する。

相互相関計算処理ステップとして行なう参照波４５と探索波４６との相互相関の計算は、探索窓の大きさを変動探索窓法（詳細は後述する）を用いて設定し、探索波４６における必要な探索範囲において参照波４５との相互相関をｎ＝１からｎ＝５１１まで行なう。そして、参照波４５と探索波４６との相互相関を計算し、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からの反射波とみなす位相特定ステップを行ない、続いて、位相差計算ステップにより特定した参照波４５及び探索波４６の位相差を求め、その位相差から超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップを行なう。

このようにして、参照波４５と探索波４６との相関値が、ある一定値（閾値）以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなして、流体１７中で超音波を反射した各超音波反射体の位置及び速度を算出していく。そして、流速分布算出工程として算出された超音波反射体群の位置及び速度から流速分布算出部３７が流体１７の流速分布を算出する。

流速分布算出部３７は、得られた超音波反射体群の位置及び速度データから測定対象となる流体１７の流速分布を算出する。算出する流体１７の流速分布は、流体１７の流速を流体１７中に懸濁される超音波反射体群の速度とみなして、得られた超音波反射体群の位置及び速度データから金属配管１８（ステンレス配管１８ａ）の位置及びその位置における超音波反射体群の速度の関係、すなわち、金属配管１８内の流体１７の流速分布を算出する。

流体１７の流速分布が算出されると、続いて、流量算出工程として流量算出部３８が、算出された金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する。流量算出部３８が積分演算処理（流量算出）を完了すると、算出した流量をパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に表示する。

尚、信号解析手順は、反射体位置・速度算出工程と、流速分布算出工程と、流量算出工程とを備えているが、信号解析手順は、反射体位置・速度算出工程と、流速分布算出工程とを備える形態でも良い。この場合、超音波流速分布計及び流量計１０は、金属配管１８の内の流体１７の流速分布のみを算出し、流量の算出を行なわず、パソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流速分布が表示される。

［変動探索窓法の採用］
本発明においては、相互相関計算処理ステップに後述する変動探索窓法を採用している。

変動探索窓法とは、探索窓の大きさをエミッショントリガの発振周期τごとに設定する手法であり、信号解析手順の反射体位置・速度算出工程において参照波及び探索波の相互相関を計算する際に用いる。変動探索窓法における参照波及び探索波の相互相関の計算は、まず、図１２に示されるような各τにおいてデジタル超音波エコー信号をＦＦＴして求まる平均周波数ｆ_Ｇ及び標準偏差σを算出する。

次に、統計学のいわゆる３σルール（正規分布においては、平均値±３σの範囲に全体の９９．７％が包含される）により、出現し得る周波数帯を平均周波数ｆＧ±３σの範囲とみなし、存在し得る超音波反射体の速度の最小値ｕｍｉｎ及び最大値ｕｍａｘをｆ_Ｇ＋３σ、ｆ_Ｇ−３σから求める。

次に、上述した数式１の考え方から探索窓の大きさΔτｍｉｎ及びΔτｍａｘを決定し、この範囲の中で探索波を探すようにする。

以下に、本発明に係る相互相関法による超音波流速分布計について、より詳細に説明する。

［超音波流速分布計及び流量計の測定原理］
図３に示すように、水中に存在するステンレス管１８ａに超音波流速分布計及び流量計１０のトランスジューサ１５をセットし、超音波反射体としてトレーサ粒子４８を懸濁させた流体としての水１７をステンレス管１８ａ内に流したときの流体１７の流速分布を測定する。

図８に、金属配管１８内を流動するトレーサ粒子（超音波反射体）４８の移動を説明する説明図を示す。

超音波流速分布計及び流量計１０における流体１７の流速分布及び流量測定は、図８に示すように、時刻ｔ＝ｔ０において、流体１７中をビーム状に直進する超音波（以下、超音波ビームとする）４９が補足したトレーサ粒子４８が、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおいて、超音波ビーム４９が補足するトレーサ粒子４８の流体１７中の移動量Δｘを求めることにより行なう。

流体１７の流速分布を測定する際、トランスジューサ１５の圧電素子から超音波パルスを測定線ＭＬに沿って発信させると、発信された超音波パルスは、超音波反射体であるトレーサ粒子４８の表面で反射し、トランスジューサ１５に戻ってくる。この反射波は、ステンレス管１８ａ内の流動場の各所で起こるため、図９に示すように反射波が表われる。

図９において、最初に表われる超音波バースト信号（超音波エコー信号）ａは、エミッション領域と呼ばれ、超音波の発振直後に圧電素子の振動が残っているために生じる信号である。次に出てきた超音波バースト信号ｂは管上部によるものであり、水とステンレスの音響インピーダンスの違いから生じる信号であり、管下部による超音波バースト信号ｃも、信号ｂと同様である。超音波バースト信号ｂとｃの間にある信号ｄがステンレス管１８ａ内の流体流速情報を含んでおり、ピークが立っているところにトレーサ粒子４８が存在する。

トレーサ粒子４８の位置を反射波である超音波バースト信号ｄから求める。トランスジューサ１５からトレーサ粒子４８までの距離をｘ、超音波パルスを発振してから反射波を受信するまでの時間をτ、超音波の速度をｃとすると、

この超音波パルスの発振と反射波の受信をある時間間隔Δｔ後にもう一度行なうと、同様の反射波を得ることができるが、超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔の間に流体１７が移動すれば、トレーサ粒子４８も追従移動する。このため、反射波受信までの時間τも変化する。

図１０は、相互相関法による流体の流速を測定する測定原理を説明した説明図である。

図１０に示すように、ｘをトランスジューサ１５からの距離、Δｘを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に移動したトレーサ粒子４８の移動量、τを超音波パルス発射時点からの時間遅れ、Δτを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に変化した超音波パルス発射時点からの時間遅れとすると、ある位置ｘにおけるｘ方向速度ｕ（ｘ）は、

超音波パルスの反射は、測定線ＭＬ上の各所で起こるため、この測定線ＭＬ上における流体の流速計測を同時に行なうことができ、流体の流速分布を得ることができる。

流体の流速分布計測を超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔でｎ回（但し、ｎ≧２の自然数）連続的にパルス信号を入力して行なった場合、時間分解能Δｔの連続流速分布データをｎ−１枚取得することができる。

［相互相関関数］
ところで、超音波反射体であるトレーサ粒子による反射波は、超音波パルスの発振間隔Δｔを、流体の流速変動スケールに対して十分小さくとることにより、その時間間隔（発振間隔）Δｔの間でほぼ保存される。

超音波流速分布計及び流量計１０の信号処理手段２５は、入力された反射波のアナログ超音波エコー信号をＡＤコンバータ３２で高速サンプリング処理してデジタル信号に変換した後、超音波パルスの発振間隔Δｔをもって得られた２つの反射波の相互相関関数を計算する。そして、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目的で、相互相関に設定した最大値に対する閾値、又は相互相関の形状保存性に対する閾値を設定することにより、定量化した数値を基に同一のトレーサ粒子群からの反射であるか否かを判断することができる。

一般的に、相互相関関数（Ｒ（ε，τ））は次のように定義される。

τが基準となる時間遅れ、ｉが参照・探索窓内での位置、εが参照波と探索窓とのずれ、ｍは超音波パルスの周期分をそれぞれ表している。

この相互相関関数Ｒ（ε，τ）を用いて同一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを定量的に判別し、それぞれの時間遅れτを計算し、そこから時間変化量Δτを求める。つまり、最初に得られた反射波（参照波）と、次の反射波（探索波）との時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間遅れτの差（時間差）がΔτとなる。

一方、流体の流速分布速度を得るために必要な超音波パルスの発振間隔Δｔによる反射波の到達時間差Δτは、デジタルサンプリングされた反射波の相互相関関数を用いることにより得られる。

この相互相関関数Ｒ（ε，τ）は反射波のサンプリング時間間隔をもった離散的なもので得られ、超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすればするほど、トレーサ粒子群からのパルス反射波の形状は保存されるため、より細分割したメッシュでΔτを求める手法が不可欠である。

そこで超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすべく、例えば正規分布近似を利用した補完を行なうことができる。この補完により、より細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求めることができ、その結果速度分解能も向上する。

今、離散的に得られた各相関値の最大値をＰｋ、その前後の相関値をそれぞれＰｋ−１，Ｐｋ＋１とすれば、

本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においては、この分布近似を利用した補完を行なって信号処理することにより、速度分解能を格段に向上させることができる。

［プログラムの処理フロー］
図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０において、パソコン１１が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理の内容（以下、超音波流速分布及び流量測定処理方法とする）について処理手順を追って説明する。

図５は、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０において、パソコン１１が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法を説明する処理フロー図である。

図５によれば、超音波流速分布及び流量測定処理方法は、受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、信号処理後の超音波エコー信号を信号解析して流体１７の流速分布及び流量を得る信号解析手順とを具備する。

信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するＢＰＦ処理を行なうＢＰＦ処理工程と、超音波エコー信号をＡＤ変換するＡＤ変換工程とを備える。

信号解析手順は、測定対象である流体１７中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、反射体位置・速度算出工程で算出した超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、流速分布算出工程で算出した流速分布から流体１７の流量を算出する流量算出工程とを備える。

超音波流速分布及び流量測定処理方法が具備する信号処理手順及び信号解析手順の各処理工程の処理内容について説明する。

図５に示される超音波流速分布及び流量測定処理方法では、まず、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を読み出し実行して、信号処理手順（ステップＳ１〜ステップＳ２）及び信号解析手順（ステップＳ３〜ステップＳ４）を実行する。

ステップＳ１でなされるＢＰＦ処理工程は、図１に示されるトランスジューサ１５から受信した超音波エコー信号に対して、測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみを抽出する。抽出する周波数帯幅は、使用する超音波パルスの周波数に応じて測定開始以前に入力設定して行なう。

ＢＰＦ処理工程の具体的な処理内容は、図２に示されるＢＰＦ処理部３１の構成によって異なる。例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）により構成されるＢＰＦ処理部３１の場合、ローパスフィルタリング処理及びハイパスフィルタリング処理による２段階処理となるが、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により構成されるＢＰＦ処理部３１の場合は、バンドパスフィルタリング処理による１段階処理となる。しかし、どちらの例であっても、最終的には測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみが抽出される。

図５に示される超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号解析手順は、流体１７中の超音波反射体の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程（ステップＳ３）と、反射体位置・速度算出工程で算出した超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程（ステップＳ４）と、流速分布算出工程で算出した流速から流体１７の流量を算出する流量算出工程（ステップＳ５）とを備える。

超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号解析手順は、ステップＳ３で反射体群位置・速度算出工程が、ステップＳ４で流速分布算出工程が、ステップＳ５で流量算出工程がなされる。

図７に、信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ３）のより詳細な処理ステップを表した処理フロー図を示す。

図７によれば、図５に示されるステップＳ３の反射体群位置・速度算出工程は、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）と、位相特定ステップ（ステップＳ２２）と、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）と、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）と、探索完了判別ステップ（ステップＳ２５）とを備える。

反射体群位置・速度算出工程は、まず、ステップＳ２１で相互相関計算処理ステップがなされ、相互相関法による参照波４５及び探索波４６の相互相関を計算し相関値を算出する。相関値の算出は、探索波４６の探索窓の大きさを変動探索窓法を用いて設定し、探索波４６の探索範囲において、参照波４５の参照範囲との相互相関を計算することでなされる。相関値の算出が完了すると、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）は完了し、続いて、ステップＳ２２で位相特定ステップがなされる。

ステップＳ２２の位相特定ステップでは、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）で得られた相関値が閾値ｓ以上となる関係を有する探索波４６の位相が特定される。閾値ｓは、ＰＧ実行前又は実行時に設定する。位相特定ステップ（ステップＳ２２）は完了し、続いて、ステップＳ２３で位相差計算ステップがなされる。

ステップＳ２３の位相差計算ステップでは、特定した探索波４６の位相と参照波４５の参照した位相との位相差を計算する。位相差の計算が完了すると、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）は完了し、続いて、ステップＳ２４で位置・速度算出ステップがなされる。

ステップＳ２４の位置・速度算出ステップでは、計算した位相差から探索波４６の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度を算出する。探索波４６の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度の算出が完了すると、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）は完了し、続いて、ステップＳ２５の探索完了判別ステップがなされる。

ステップＳ２５の探索完了判別ステップでは、探索波４６において探索を行なう全ての探索範囲について探索が完了したかを判別する。全ての探索範囲について探索が完了していない場合（ステップＳ２５でＮＯの場合）には、ステップＳ２１に進み、ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返す。ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返すことで、流体１７中を流動する超音波反射体群の位置及び速度が算出される。一方、全ての探索範囲について探索が完了している場合（ステップＳ２５でＹＥＳの場合）には、反射体群位置・速度算出工程を終了する。

図５に示すように信号解析手段２６で反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ３）が完了すると、続いて、流速分布算出工程（ステップＳ４）がなされる。ステップＳ４の流速分布算出工程では、反射体群位置・速度算出工程で算出された反射体群位置及び速度から超音波反射体群の位置と速度との関係、すなわち、流速分布が算出される。流速分布算出の際は、各系列における同じ対応時刻（例えば、対応時刻τ１）において同位置で取得された全ての超音波反射体の速度を加算平均又は２乗平均して算出する。

流速分布が算出されると、流速分布算出工程（ステップＳ４）を完了し、続いて、流量算出工程（ステップＳ５）がなされる。ステップＳ５の流量算出工程では、算出した金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行なうことで流量を算出する。この時、金属配管１８の内径Ｄ等の流速分布以外に積分演算に必要な情報は、超音波流速分布及び流量測定処理がなされる前に入力設定しておく。

流量の算出が完了すると、流量算出工程（ステップＳ５）は完了し、信号解析手順は全処理工程を完了する。信号解析手順が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における全処理手順を完了する。超音波流速分布及び流量測定処理結果の表示は、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２の全処理手順を完了後、基本処理ＰＧ２０を読み出して実行することでなされる。

尚、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０が流速のみの算出を行なう場合には、超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号解析手順において、流量算出工程（ステップＳ５）は省略され、流速分布算出工程（ステップＳ４）の完了後、流速分布の表示がなされる。

また、上述した超音波流速分布及び流量測定処理方法では、算出した流速分布又は流量は、パソコン１１が基本処理ＰＧ２０を読み出して実行することでなされるが、流速分布又は流量の表示までの処理操作を超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することにより行ない得るようにしても良い。

［流体の流速分布及び流量の測定］
超音波流速分布計及び流量計１０を用いた流体の流速分布及び流量の計測作用について説明する。

図３は、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０の構成概略図における測定対象流体１７の供給元及び金属配管１８周辺をより詳細に表した説明図である。

図３に図示される金属配管１８には、例えば、内径Ｄが４１．２ｍｍφ、肉厚が３．７ｍｍのステンレス管１８を使用し、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、管開始位置（ｘ＝０）より管軸方向（ｘ軸方向）にｘ＝１９Ｄ（内径Ｄの１９倍）の位置にトランスジューサ１５を外側から設置する。設置する際、トランスジューサ１５は、ステンレス管１８ａの管軸に対して傾斜角度θで水中に設置される。トランスジューサ１５は音響カプラを介して金属配管１８に取り付けられ、トランスジューサ１５から発振される超音波パルスが金属配管１８内にスムーズに入射されるように案内される。

符号４１はオーバフロータンク、符号４２は縮流器、符号４３は実験領域のステンレス管１８ａを水中に設置するための流体配管設置容器である。測定対象流体１７として本実験設備では水を用いた。また、図中のＦは水の流れ方向を示している。

図１４に、図１及び図３に示される測定システムにおいて実測値から得られるトランスジューサからの距離と探索窓の大きさΔτとの関係を示し、図１５に変動探索窓法により参照波及び探索波の相互相関を求めた場合に測定される平均速度分布を示す。

図１４に示されるように横軸の約１５ｍｍ〜約７０ｍｍの区間において、平均周波数ｆＧの場合の探索窓の大きさΔτは、ｆＧ＋３σ、ｆＧ−３σにおける探索窓の大きさに挟まれた比較的狭小な範囲内に密に分布していることから、精度良く探索窓の大きさが設定できると考えられる。

本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を概略的に表した測定システムであり、実験設備に適用した測定システムの構成概略図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態である超音波流速分布計及び流量計の機能ブロック図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を実験設備に適用した測定システムにおいて、測定対象流体の供給元及び金属配管周辺をより詳細に表した説明図であり、（Ａ）は金属配管の平断面図、（Ｂ）は測定試験領域を示す断面図。トリガ信号及び超音波エコー信号受信波形とＡＤコンバータのサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計において、パソコンが超音波流速分布及び流量測定ＰＧを実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法の処理フロー図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においてなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号処理手順におけるＷＦ処理工程の処理ステップを表した処理フロー図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においてなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程の処理ステップを表した処理フロー図。金属配管内を流動する流体中に懸濁するトレーサ粒子（超音波反射体）の移動を説明する説明図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計のトランスジューサから発振される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号について説明する説明図。相互相関法による流体の流速を測定する測定原理を説明した説明図。トリガ信号（上段）、超音波エコー信号（中段）及びクラッタノイズの時系列変化（下段）を説明した説明図。（Ａ）は、デジタル超音波エコー信号を１番目の系列からｎ番目の系列まで並べて示した説明図であり、（Ｂ）は対応時刻エコーレベル信号を示した説明図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計を用いて金属配管の内を流動する流体の流速分布を測定する場合において、従来の相互相関法を用いた場合と、ＷＦによるクラッタノイズ低減手法を用いた場合とを対比した説明図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の測定システムにおいて実測値から得られるトランスジューサからの距離と探索窓の大きさΔτとの関係を表した説明図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計において採用される変動探索窓法により参照波及び探索波の相互相関を求めた場合に測定される平均速度分布と、従来の超音波流速分布計及び流量計において採用される固定探索窓法により参照波及び探索波の相互相関を求めた場合に測定される平均速度分布とを比較した説明図。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計とレーザードップラー流速計（ＬａｓｅｒＤｏｐｐｌｅｒＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＬＤＶ）とによる流体の平均流速分布を比較した説明図。

符号の説明

１０超音波流速分布計及び流量計
１１パソコン
１２超音波流速分布及び流量測定ＰＧ
１４コネクタケーブル（信号線）
１５トランスジューサ
１７測定対象流体（被測定流体）
１８金属配管
１８ａステンレス管
２０基本処理ＰＧ
２２エミッショントリガ発振手段
２３超音波パルス発振手段
２４超音波受信手段
２５信号処理手段
２６信号解析手段
２８電気パルス信号発振部
２９超音波パルス発振部
３１ＢＰＦ（バンドパスフィルタリング）処理部
３２ＡＤコンバータ
３６反射体位置・速度算出部
３７流速分布算出部
３８流量算出部
４１オーバフロータンク
４２縮流器
４３流体配管設置容器
４５参照波
４６探索波
４８トレーサ粒子（超音波反射体）
４９超音波ビーム

Claims

トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手段と、
前記トリガ信号を入力して超音波パルスを流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信する超音波発振手段と、
前記流体内に懸濁する超音波反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手段と、
前記超音波エコー信号をフィルタリング処理する信号処理手段と、
前記超音波パルス受信手段が生成した超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布を形成する信号解析手段とを具備した、超音波流速分布及び流量計であって、
前記信号解析手段は、所定の時間間隔をもって得られる２つの超音波パルスからの反射波である参照波及び探索波の相互相関を計算して、その相関値が、ある一定値以上の場合にこれらの波の位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出するとともに、
前記信号解析手段は、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯に対応する超音波反射体の速度範囲を設定し、
設定した超音波反射体の速度範囲に基づいて前記参照波と相互相関を取るべき探索波を探索する範囲を設定することを特徴とする、
超音波流速分布及び流量計。
前記信号解析手段は、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯であるｆ _Ｇ ±３σの範囲に対応する超音波反射体の速度範囲を算出し、算出した超音波反射体の速度範囲を用いて探索窓の大きさを設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波流速分布及び流量計。
トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、
前記トリガ信号を入力して超音波パルスを流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信する超音波発振手順と、
前記流体内に懸濁する超音波反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手順と、
前記超音波エコー信号をフィルタリング処理する信号処理手順と、
前記超音波パルス受信手段が生成した超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布を形成する信号解析手順を備える超音波流速分布及び流量測定方法であって、
前記信号解析手順は、所定の時間間隔をもって得られる２つの超音波パルスからの反射波である参照波及び探索波の相互相関を計算する相互相関計算処理ステップと、
前記参照波及び探索波の相関値がある一定値以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波及び探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップとを備えるとともに、
前記相互相関計算処理ステップでは、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯に対応する超音波反射体の速度範囲を設定し、
設定した超音波反射体の速度範囲に基づいて前記参照波と相互相関を取るべき探索波を探索する範囲を設定することを特徴とする、
超音波流速分布及び流量測定方法。
前記相互相関計算処理ステップは、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ_Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ_Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯であるｆ_Ｇ±３σの範囲に対応する超音波反射体の速度範囲を算出し、算出した超音波反射体の速度範囲を用いて探索窓の大きさを設定することを特徴とする請求項３に記載の超音波流速分布及び流量測定方法。
トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、
前記トリガ信号を入力して超音波パルスを流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信する超音波発振手順と、
前記流体内に懸濁する超音波反射体による超音波パルスの反射波を受信し超音波エコー信号へ変換する超音波パルス受信手順と、
前記超音波エコー信号をフィルタリング処理する信号処理手順と、
前記超音波パルス受信手段が生成した超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布を形成する信号解析手順を備えた超音波流速分布及び流量測定用プログラムであって、
前記信号解析手順は、所定の時間間隔をもって得られる２つの超音波パルスからの反射波である参照波及び探索波の相互相関を計算する相互相関計算処理ステップと、
前記参照波及び探索波の相関値がある一定値以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定ステップと、
前記位相特定ステップにより特定した参照波及び探索波の位相差を計算する位相差計算ステップと、
前記位相差計算ステップにより求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップとを備えるとともに、
前記相互相関計算処理ステップでは、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ _Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯に対応する超音波反射体の速度範囲を設定し、
設定した超音波反射体の速度範囲に基づいて前記参照波と相互相関を取るべき探索波を探索する範囲を設定することをコンピュータに実行させることを特徴とする、
超音波流速分布及び流量測定用プログラム。
前記相互相関計算処理ステップは、超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆ_Ｇ及び標準偏差σを算出し、算出した平均周波数ｆ_Ｇ及び標準偏差σを用いて、統計学的な周波数帯であるｆ_Ｇ±３σの範囲に対応する超音波反射体の速度範囲を算出し、算出した超音波反射体の速度範囲を用いて探索窓の大きさを設定することをコンピュータに実行させることを特徴とする請求項６または７に記載の超音波流速分布及び流量測定処理プログラム。