JP4904098B2 - 物理量測定装置及び超音波式流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス状の超音波等のパルス状信号が気体、液体、固体等の媒質中を伝搬するのに要する時間を測定する伝搬時間測定装置、かかるパルス状信号の伝搬時間に基づいて液体や気体の流速等の物理量を測定する物理量測定装置、及びかかる伝搬時間測定装置及び物理量測定装置を超音波式流量測定に適用した超音波式流量測定装置に関する。

パルス状信号を受信してその伝搬時間を測定し、それに基づいて既知の関係式により物理量を評価ないしは測定することが広く知られている。例えば、流体の流速を求める方法の一つである超音波伝搬時間差法では、流れに沿う方向及びその逆方向に超音波を発信し、それら二つの方向での超音波の伝搬時間から既知の関係式に基づいて伝搬経路上での平均流速を求める。また、超音波の発信位置と受信位置の物理的距離Ｌと音速Ｃのうち一方が既知で他方が未知である場合、ある音源からパルス状信号を送信し、そのパルス状信号が受信されるまでの伝搬時間Ｔを計測すれば、Ｌ＝Ｃ×Ｔの関係式に基づいて未知量を評価できる。

パルス状信号の伝搬時間に基づく物理量の測定では、パルス状信号の伝搬時間の正確な計測が不可欠である。パルス状信号の送信タイミングは通常は測定者により与えられ既知であるので、伝搬時間の正確な計測は受信タイミング、すなわち受信したパルス状信号の時間軸上の受信位置を正確に評価ないしは測定することに帰結する。

一般に、パルス状信号の時間軸上の受信位置の測定に関し、信号振幅に対する閾値を設け、受信信号が閾値を超えた時点、あるいはその前後のゼロクロス点を受信位置とする方法（閾値法）と、ある基準波形との相互相関係数の変化から受信位置を求める方法（相互相関法）が知られている。

しかし、パルス状信号の送信波形が同一であっても、パルス状信号が伝搬する媒質の状態や周囲の環境により受信波形は様々な形状に変化する。従って、閾値法では、ある一定の閾値を超える振幅が発生するタイミングは受信波形内で相対的に変化する可能性があり、それによって伝搬時間評価に誤差が生じる。例えば、受信波形が図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように変化する場合、図１１（Ａ）に示す波形と図１１（Ｂ）に示す波形では一定の閾値ＴＨを超える振幅が発生するタイミングは１波分異なる（符号ａ，ａ’参照）。これに対し、特許文献１に記載の方法では、２つのほぼ連続するパルス状信号を受信し、１個目の受信波形の最大振幅に基づいて閾値を調整し、２個目の波形がその閾値を超える時点に基づいて伝搬時間を決定している。しかし、かかる閾値調整を行っても時系列的に見て受信波形の波形形状が安定しない限り、閾値を超える時点はやはり受信波形内で相対的に変化するので、正確な伝搬時間評価はなされない。また、相互相関法については、様々に変化する受信波形形状に対応する適切な基準波形を定めることは困難であり、相関係数の最大値等で規定した受信位置も受信波形内で相対的に変化することが容易に推察される。

測定されたパルス状信号の伝搬時間にその信号周波数のｋ波分（ｋは自然数）のずれがあると、伝搬時間に基づいて測定した物理量もそのｋ波分のずれに相当する誤差を含むため、物理量の測定値が離散的に変化してしまう。この測定された伝搬時間のｋ波分のずれに起因する誤差が物理量の測定値に対して無視できない大きさとなると、物理量の測定精度は大幅に低下する。図１２を参照すると、ある物理量について、ｋ波分のずれを含まない正しい測定値の群ｂに対し、１波分のずれを含む測定値の群ｂ’は値が大きく異なる。

ｋ波分のずれが不可避的に混入し得る物理量の測定に関し、特許文献２に記載の方法では、現在の測定値が直前の測定値に対して１波分のずれがある場合は、現在の測定値を誤差として棄却し、直前の測定値を現在の測定値として採用している。しかし、測定される物理量の値が徐々に変化する場合、直前の測定値に対する現在の測定値のずれ幅は１波分から増減するので、特許文献２に記載の方法は必ずしも正確な物理量の評価とはならない。また、特許文献２に記載の方法のようにずれを含む測定値を単に棄却することは欠測につながり、リアルタイムでの物理量の測定に適さない。

特開２００３−１４５１５号公報 特開平１０−１４９２５１号公報

本発明は、パルス状信号の伝搬時間に基づく高精度でリアルタイムの物理量の測定を実現することを課題とする。また、本発明は高精度かつリアルタイムでの流量計測を実現することを課題とする。

第１の発明は、 発信器（２Ａ，２Ｂ）から発信されて媒質中を伝搬したパルス状信号が受信器（２Ａ，２Ｂ）で受信される時間軸上の受信位置（ｔ_ｒ）に基づいて物理量を測定する物理量測定装置であって、前記受信位置（ｔ_ｒ）から前記物理量の測定値（Ｖ_ｍ）を算出する算出手段と、前記測定値（Ｖ_ｍ）が基準値（Ｓｔ）を中心とする第１の範囲（ＥＲ_０）内にあれば、その測定値をそのまま物理量の有効値（Ｖ_ｅ）として採用し、前記測定値が前記基準値に前記パルス状信号の１波長に相当する前記物理量の誤差である波長相当誤差（Δｘ）の自然数倍（ｋ）を加えた和を中心とする第２の範囲内（ＥＲ^＋ _ｋ）であれば、前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を前記有効値として採用し、前記測定値が前記基準値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を中心とする第３の範囲内（ＥＲ⁻ _ｋ）であれば、前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用し、かつ前記測定値が前記第１、第２、及び第３の範囲（ＥＲ_０，ＥＲ^＋ _ｋ，ＥＲ⁻ _ｋ）のいずれにも属さない場合には前記測定値を棄却する補正手段（Ｓ２−５〜２−１５）とを備え、前記補正手段は、前記有効値を採用した後、現時点から予め定められた第１の時間（ΔＴ _３ ）を遡った期間内に前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差又は前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用した個数（Ｍｐｃ）を更新し、この個数に応じて前記基準値を補正することを特徴とする物理量測定装置を提供する。好ましくは、前記補正手段は、更新された前記個数を予め定められた閾値（Ｓ _ｅ ）と比較し、前記個数が前記閾値以上であれば、予め定められた第２の時間（ΔＴ _１ ）遡った期間内における前記物理量の測定値の度数分布の最頻値を前記基準値に設定する一方、前記個数が前記閾値未満であれば、現在の基準値を維持する。

パルス状信号の時間軸上の受信位置の測定値には、パルス状信号の波長の自然数倍の誤差が含まれている可能性がある。従って、それに基づいて算出した物理量の測定値にも、パルス状信号の波長の自然数倍に対応する誤差が含まれている可能性がある。第２の発明では、このパルス状信号の波長の自然数倍に対応する物理量の測定値の誤差を補正手段で補正することにより、物理量を高精度で測定できる。また、補正手段が物理量の測定値を棄却するのは、第１、第２、及び第３の範囲のいずれにも属さない場合に限られ、物理量の測定値の棄却は最小限に止められているので、欠測が生じずリアルタイムでの計測を実現できる。なお、物理量には、発信器で発信されたパルス状信号が受信器で受信されるまでの伝搬時間、この伝搬時間に基づいて算出される位置、距離、速度、加速度、流速、流量等が含まれる。

第２の発明は、水路（１）の両側に配置された一対の超音波プローブ（２Ａ，２Ｂ）のうちの一方から発信された超音波のパルス状信号が前記水路を流れる流水中を伝播して他方の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間（Ｔ^＋，Ｔ⁻）に基づいて、前記水路を流れる流水の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、前記伝搬時間に基づいて流速の測定値（Ｖ_ｍ）を算出する流速算出手段（１８）と、前記流速の測定値が基準値（Ｓ _ｔ ）を中心とする第１の範囲内（ＥＲ_０）にあればその測定値をそのまま流速の有効値（Ｖ_ｅ）として採用し、前記測定値が前記基準値に前記受信波形の１波長に対応する前記測定値の誤差である波長対応誤差（Δｘ）の自然数倍（ｋ）を加えた和を中心とする第２の範囲（ＥＲ^＋ _ｋ）内であれば、前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を前記有効値として採用し、前記測定値が前記基準値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を中心とする第３の範囲（ＥＲ⁻ _ｋ）内であれば、前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用し、かつ前記測定値が前記第１、第２、及び第３の範囲（ＥＲ_０，ＥＲ^＋ _ｋ，ＥＲ⁻ _ｋ）のいずれにも属さない場合には、前記流速の前記測定値を棄却する流速補正手段（２０）と、前記流速補正手段で補正済みの前記流速の有効値（Ｖ_ｅ）に基づいて流量（Ｑ）を算出する流量算出手段（２１）とを備え、前記補正手段は、前記流速の有効値を採用した後、現時点から予め定められた第１の時間（ΔＴ _３ ）を遡った期間内に前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差又は前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用した個数（Ｍｐｃ）を更新し、この個数に応じて前記基準値を補正することを特徴とする超音波式流量測定装置を提供する。好ましくは、前記補正手段は、更新された前記個数を予め定められた閾値（Ｓｅ）と比較し、前記個数が前記閾値以上であれば、予め定められた第２の時間（ΔＴ _１ ）遡った期間内における前記流速の測定値の度数分布の最頻値を前記基準値に設定する一方、前記個数が前記閾値未満であれば、現在の基準値を維持する。

伝搬時間に基づいて算出した流速の測定値に含まれるパルス状信号の波長の自然数倍に対応する誤差は速度補正手段により補正される。さらに、速度補正手段による流速の測定値の棄却は最小限に抑制されるので欠測が生じない。従って、高精度かつリアルタイムでの流量測定が可能である。

第１の発明のパルス状信号の物量測定装置によれば、パルス状信号の波長の自然数倍に対応する誤差を補正することにより、パルス状信号が受信器で受信される時間軸上の受信位置の測定値に基づいて物理量を高精度かつリアルタイムで測定できる。また、第２の発明の超音波式流量測定装置によれば、伝搬時間から算出した流速の測定値に含まれるパルス状信号の波長の自然数倍に対応する誤差を測定値の棄却を最小限に抑制しつつ補正できる。従って、高精度かつリアルタイムで流量測定を行うことができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波式流量測定装置を示す。この超音波式流量測定装置は、開水路１の両岸に配置された一対の超音波プローブ２Ａ，２Ｂと、これらの超音波プローブ２Ａ，２Ｂによる超音波の発信及び受信の制御と、各種の演算を含む流量測定のための処理を実行する処理装置３とを備える。

超音波プローブ２Ａ，２Ｂは、超音波の発信及び受信を行うためのピエゾ素子を備えている。超音波プローブ２Ａ，２Ｂは開水路１中の流水の流れ方向Ｆに対して直角でない角度θをなすように対向して配置されている。超音波プローブ２Ａが上流側に位置し、超音波プローブ２Ｂが下流側に位置している。また、超音波プローブ２Ａ，２Ｂは、川底から同一の高さに配置されている。

処理装置３は、周知のオシロスコープ、パーソナルコンピュータ、各種電気・電子回路により構成され、パルス発生部１１、タイマ１２、増幅器１３、Ａ／Ｄ変換器１４、サンプリング回路１５、第１メモリ１６、伝搬時間算出部１７、流速計算部１８、第２メモリ１９、流速補正部２０、及び流量算出部２１を備える。

パルス発生部１１は、ピエゾ素子を駆動するためのパルス電圧を発信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂに印加し、超音波のパルス状信号を超音波プローブ２Ａ，２Ｂに発信させる。超音波プローブ２Ａ，２Ｂからパルス状信号が発信された時間軸上の位置である送信位置ｔ_ｓがタイマ１２により計時される。超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの一方から発信されたパルス状信号は開水路１中の流水を伝搬して超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの他方に到達する。図５に示すように、超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの一方から発信されるパルス状信号の送信波形３１は本実施形態では矩形波形である。超音波プローブ２Ａ，２Ｂのうちの他方に到達したパルス状信号の受信波形３２は流水中を伝搬する間に大きく変化する。

図５を参照すると、前述の送信位置ｔ_ｔと発信されたパルス状信号が受信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂで受信される時間軸上の位置である受信位置ｔ_ｒとの時間間隔が２つの超音波プローブ２Ａ，２Ｂ間をパルス状信号が伝搬するのに要した伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻である。伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻について、添字「＋」は上流側の超音波プローブ２Ａから下流側の超音波プローブ２Ｂへ向かうパルス状信号の伝搬時間（流れ方向Ｆに沿う方向の伝搬時間）であることを示し、添字「−」は下流側の超音波プローブ２Ｂから上流側の超音波プローブ２Ａへ向かうパルス状信号の伝搬時間（流れ方向Ｆとは逆方向の伝搬時間）であることを示す。

増幅器１３は受信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂの出力するアナログ信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器１４は増幅されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換する。サンプリング回路１５はデジタル化された信号のサンプリングを行い、第１メモリ１６はサンプリング回路１５でサンプリングされた受信信号を記憶する。従って、第１メモリ１６には受信側の超音波プローブ２Ａ，２Ｂで受信された波形が記憶される。伝搬時間算出部１７は第１メモリ１６に記憶された波形からパルス状信号の受信波形の受信位置ｔ_ｒを判定し、さらに判定した受信位置ｔ_ｒと前述の送信位置ｔ_ｔとから伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻を計算する。流速計算部１８は伝搬時間計算部１７で計算された伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻から開水路１の流速の測定値Ｖｍを計算する。メモリ１９は流速の測定値Ｖ_ｍを記憶する。流速補正部２０はメモリ１９に記憶された流速の測定値Ｖ_ｍを補正し、流速の有効値Ｖｅを算出する。流量計算部２１は流速の有効値Ｖｅから開水路１の流量Ｑを計算する。

図２から図４のフローチャートを参照して本実施形態の超音波式流量測定装置による流量測定について説明する。

図２のステップＳ２−１において測定を開始すると、ステップＳ２−１において所定の時間ΔＴ_１の間（例えば１０分間）の流速の測定値Ｖ_ｍを第２メモリ１９に蓄積する。流速測定は図３に示す手順で実行される。ステップＳ３−１，Ｓ３−２は伝搬時間Ｔ^＋を得るための処理である。まず、ステップＳ３−１において、上流側の超音波プローブ２Ａから発信された超音波のパルス状信号を下流側の超音波プローブ２Ｂで受信し、第１メモリ１６に記憶する。次に、ステップＳ３−２において伝搬時間算出部１７が超音波プローブ２Ｂで受信した波形に基づいて、伝搬時間Ｔ^＋を判定する。ステップＳ３−３，Ｓ３−４は伝搬時間Ｔ⁻を得るための処理である。まず、ステップＳ３−３において、下流側の超音波プローブ２Ｂから発信された超音波のパルス状信号を上流側の超音波プローブ２Ａで受信し、第１メモリ１６に記憶する。次に、ステップＳ３−４において伝搬時間算出部１７が超音波プローブ２Ｂで受信した波形に基づいて、伝搬時間Ｔ⁻を判定する。最後に、ステップＳ３−５において、流速計算部２０が下記の式（１）に基づいて伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻から流速の測定値Ｖ_ｍを算出する。

図３のステップＳ３−２，Ｓ３−４の伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻の判定は、図４に示す手順で実行される。まず、ステップＳ４−１において、相互相関法や閾値法により第１メモリ１６に記憶された波形からパルス状信号の受信波形３２の時間軸上の概ねの位置（概略位置）を算出する。

次に、ステップＳ４−２において、ノイズレベルＮＬを設定する。詳細には、受信波形３２の信号を含まないとみなせる程度にステップＳ４−１で算出した受信波形３２の概略位置よりも十分前の一定期間（ノイズ区間）における信号レベル（バッグラウンドノイズ）の平均値をノイズレベルＮＬとする。また、ノイズレベルＮＬに対してノイズ区間での信号レベルの標準偏差σのｍ倍（ｍは正の実数である。）でノイズレベルＮＬを増減した範囲、すなわちＮＬ＋ｍσからＮＬ−ｍσの範囲をノイズレベル範囲ＮＬＲとする。なお、ノイズ区間における信号レベルの経時的にあまり変化しないと想定できる場合には、ある一定値をノイズレベルＮＬとして規定してもよい。

次に、ステップＳ４−３においてピークサーチにより受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔ_ｒの判定を行う。具体的には、ステップＳ４−１で算出された時間軸上の概略位置から超音波プローブ２Ａ，２Ｂで受信された波形（受信波形３２）のピークを時間軸を遡って順次検出する。例えば、受信波形３２が図６に示すような波形である場合、受信波形３２のピークＰ_Ｎ−２，Ｐ_Ｎ−１，Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｎ＋１がこの順で順次検出される。図６において点線の矢印Ａ１はピークサーチの順序を概念的に示している。この受信波形３２のピークの検出には、極大点及び極小点等を用いる方法や、ゼロクロス点（受信波形３２がノイズレベルＮＲと交差する点）を用いる方法等がある。また、単に受信波形３２のピークを検出するだけでなく、検出したピークをノイズレベル範囲ＮＬＲと比較する。図６の例では、ピークＰ_Ｎ−２，Ｐ_Ｎ−１，Ｐ_Ｎはいずれもノイズレベル範囲ＮＬＲを上回るが、時間軸上でピークＰ_Ｎよりも１つ遡ったピークＰ_Ｎ＋１はノイズレベル範囲ＮＬＲを下回る。換言すれば、時間軸を遡ってピークＰ_Ｎ−２，Ｐ_Ｎ−１，Ｐ_Ｎ，Ｐ_Ｎ＋１・・・を順次検出していくと、ピークＰ_Ｎ＋１が最初にノイズレベル範囲ＮＬＲを下回る。この時間軸を遡ってピークを検出していく過程で最初にノイズレベル範囲ＮＬＲを下回ったピークと、その直前のノイズレベル範囲ＮＬＲを上回っているピークとの間のゼロクロス点が受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔ_ｒとして判定される。図６の例では、最初にノイズレベル範囲ＮＬＲを下回るのはピークＰ_Ｎ＋１であるので、このピークＰ_Ｎ＋１とその直前のノイズレベル範囲ＮＬＲを上回っているピークＰ_Ｎとの間のゼロクロス点が受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔ_ｒであると判定される。時間軸を遡ったピークサーチと、検出したピークとノイズレベル範囲ＮＬＲとの比較に基づいて受信位置ｔ_ｒを判定することにより、受信される信号の信号レベルによらずパルス状信号の受信波形３２の時間軸上の受信位置ｔ_ｒを高精度で判定できる。また、前述のようにバックグラウンドノイズレベルに基づいてノイズレベルＮＬ及びノイズレベル範囲ＮＬＲを算出しているので、受信ゲインの変動等による信号レベルの変化に対してノイズレベルの変動を自己補償することができ、これの点でも高精度の判定が可能である。なお、ノイズレベルＮＬ及びノイズレベル範囲ＮＲＬは、本実施形態のものに限定されない。例えばバックグラウンドノイズレベルの実効値からバックグラウンドノイズレベルを引いた差の自然数倍や、バッグラウンドノイズレベルの平均値の自然数倍をノイズレベル範囲ＮＲＬとして設定してもよい。

次に、ステップＳ４−４において、ステップＳ３−３で判定した受信位置ｔ_ｒの評価を行う。この受信位置ｔ_ｒの評価はパルス状信号の送信波形３１と受信波形３２は同様の波長ないしは周波数を有するので、ピーク間の時間間隔は波長の１／２程度になるはずであることに基づいている。図６の波形の例に詳細に説明すると、ノイズレベル範囲ＮＬＲを最初に下回ったピークＰ_Ｎ＋１の直前のピークＰ_Ｎとその直前のピークＰ_Ｎ−１との時間間隔δｔを送信波形３１の周期λ（図５参照）を比較する。具体的には、下記の式（２）が成立する場合、すなわち周期λの１／２倍に対して所定の値Δλ（Δλは１／２λよりも十分小さい）を増減した範囲を規定し、この範囲に時間間隔δｔがこの範囲内にある場合には、ステップＳ４−３で判定した受信位置ｔ_ｒは正確であると判断し、受信位置ｔ_ｒは変更しない。

一方、式（２）が成立しない場合、すなわち時間間隔δｔが１／２λに対してΔλを増減した範囲外にあれば、ステップＳ４−３で判定した受信位置ｔ_ｒは正確でないと判断し、受信位置ｔ_ｒを変更する。図６を例に説明すると、ノイズレベル範囲ＮＬＲを最初に下待ったピークＰ_Ｎ＋１の直前のピークＰ_Ｎとさらにその直前のピークＰ_Ｎ−１との間のゼロクロス点（図６において符号ｔ_ｒ’で示す。）を受信波形３２の時間軸上の受信位置と判定する。ステップＳ４−４の受信位置ｔ_ｒの評価後、ステップＳ４−５に移行する。かかる受信位置ｔｒの評価を行うことにより、より高精度で受信位置ｔ_ｒを判定できる。

図７に示すように、超音波の伝搬状況によっては信号の干渉、重ね合わせ等の原因により、受信波形３２の一部がノズルレベル範囲ＮＬＲを下回る場合がある。このような場合、例えばピークＰから時間軸を遡ってピークサーチを行うことによって得られる受信位置ｔ_ｒは真の受信位置ｔ_ｒ’’ではない。そこで、ステップＳ４−５においてステップＳ４−３，Ｓ４−４で判定された受信位置ｔ_ｒから時間軸を遡った前方にノイズレベルＮＲＬを上回るピークがあれば、そのピークからステップＳ４−３，Ｓ４−４の受信位置ｔ_ｒの判定を繰り返す。図７を参照して具体的に説明すると、ステップＳ４−３，Ｓ４−４で判定された受信位置ｔ_ｒから時間軸上を受信波形３２のＮ波分だけ遡った範囲内（Ｎは自然数）にノイズレベル範囲ＮＲＬを上回る値のピークＰ’があれば、そのピークＰ’から時間軸を遡ってピークサーチを行い（ステップＳ４−３）、ピークサーチで判定された受信位置ｔ_ｒ’’の評価を行う（ステップＳ４−４）。かかる再判定を行うことにより、より高精度で受信位置ｔｒを判定できる。ステップＳ４−５において受信位置ｔ_ｒから時間軸を遡った前方にノイズレベル範囲ＮＬＲを上回るピークがない場合には、ステップＳ４−６に移行する。

次に、ステップＳ４−６では、前述のようにタイマ１２で経時された送信位置ｔ_ｔと、ステップＳ４−１〜Ｓ４−５の処理により判定した受信位置ｔ_ｒとから伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻を算出する。伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻は送信位置ｔ_ｔと受信位置ｔ_ｒの差として与えられる。送信位置ｔ_ｔは測定者により与えられる送信タイミングに対応するので、正確な値が既知である。また、前述のように受信位置ｔ_ｒも高精度で反対されている。従って、正確な伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻を算出できる。

再度図２を参照すると、ステップＳ２−２で時間ΔＴ_１の間の流速の測定値Ｖ_ｍを第２メモリ１９に蓄積し、ステップＳ２−３で後述する基準値Ｓ_ｔの初期値を設定した後、ステップＳ２−４〜Ｓ２−１５の処理が繰り返される。これらステップＳ２−４〜Ｓ２−１５のうち、ステップＳ２−４では、流速計算部１８が図３及び図４を参照して説明した手順で流速測定を実行し、次のないしは新たな測定値Ｖ_ｍを得る。そして、流速補正部２０がステップＳ２−５〜ステップＳ２−１５の処理により、新たな測定値Ｖ_ｍの補正を実行する。

前述の高精度で受信波形３２の受信位置ｔ_ｒを判定し、それに基づいて伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻を算出しても、超音波のパルス状信号の波長のｋ波分（ｋは自然数）のずれないしは誤差が伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻に混入するのを可能性を完全には排除できない。そして、伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻にｋ波分の誤差があると、伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻から算出した流速の測定値Ｖ_ｍにもｋ波分に相当する誤差が含まれることになる。従って、流速の測定値Ｖ_ｍは伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻のｋ波分に相当するずれを含まない群、伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻の１波分に相当するずれを含む群、伝搬時間Ｔ^＋，Ｔ⁻の２波分に相当するずれを含む群等の離散的な分布を示す可能性がある。ステップＳ２−５〜ステップＳ２−１２の処理では、測定値Ｖ_ｍに含まれるｋ波分に相当する誤差を補正する。

ステップＳ２−３では、基準値Ｓ_ｔの初期値を設定する。基準値Ｓ_ｔはステップＳ２−４で測定される流速の測定値Ｖ_ｍがｋ波分のずれに相当する誤差を含むか否かを判断する際の基準となる値であり、ステップＳ２−４の流速測定で測定値Ｖ_ｍが取り得る最も確からしい値を表している。時間ΔＴ１の間に蓄積された測定値Ｖ_ｍの度数分布を求め、最頻値を基準値Ｓ_ｔの初期値に設定する。

ステップＳ２−５では、流速の測定値Ｖ_ｍが基準値Ｓ_ｔを中心する以下の式（３）で規定される範囲（有効範囲ＥＲ_０）内にあるか否かを判断する。

式（３）において、ε_３は有効範囲ＥＲ_０の幅を規定する定数である。

ステップＳ２−５において流速の測定値Ｖ_ｍが式（３）で規定される有効範囲ＥＲ_０の範囲内であれば、その測定値Ｖ_ｍはｋ波分のずれに相当する誤差を含まない正確な値であると判断できるので、ステップＳ２−６においてその測定データＶ_ｍをそのまま流速の有効値Ｖ_ｅとする（Ｖ_ｅ＝Ｖ_ｍ）。

一方、ステップＳ２−５において測定値Ｖ_ｍが有効範囲ＥＲ_０の範囲内でなければ、ステップＳ２−７において変数ｋを初期値である１に設定し、ステップＳ２−８に移行する。

ステップＳ２−８では、流速の測定値Ｖ_ｍが基準値Ｓ_ｔにｋ波分のずれに相当する誤差を加算した和を中心とする以下の式（４）で規定される範囲（有効範囲ＥＲ^＋ _ｋ）内にあるか否かを判断する。

式（４）において、Δｘは受信位置ｔ_ｒの１波長分のずれに相当する流速の誤差（波長対応誤差）である。また、ε_３は有効範囲ＥＲ^＋ _ｋの幅を規定する定数である。

ステップＳ２−８において流速の測定値Ｖ_ｍが式（４）で規定される有効範囲ＥＲ^＋ _ｋの範囲内であれば、その測定値Ｖ_ｍはｋ波分のずれに相当する誤差が上乗せされた値であると判断できるので、ステップＳ２−９において測定値Ｖ_ｍから波長対応誤差Δｘのｋ倍を減じた差を有効値Ｖ_ｅとする（Ｖｅ＝Ｖ_ｍ−ｋΔｘ）。

一方、ステップＳ２−８において測定値Ｖ_ｍが有効範囲ＥＲ^＋ _ｋの範囲内でなければ、ステップＳ２−１０に移行する。

ステップＳ２−１０では、流速の測定値Ｖ_ｍが基準値Ｓ_ｔからｋ波分のずれに相当する誤差を減算した差を中心とする以下の式（５）で規定される範囲（有効範囲ＥＲ⁻ _ｋ）内にあるか否かを判断する。

前述の式（４）と同様に、式（５）においてΔｘは波長相当誤差であり、ε_３は有効範囲ＥＲ⁻ _ｋの幅を規定する定数である。

ステップＳ２−１０において流速の測定値Ｖ_ｍが式（５）で規定される有効範囲ＥＲ⁻ _ｋの範囲内であれば、その測定値Ｖ_ｍはｋ波分のずれに相当する誤差が差し引かれた値であると判断できるので、ステップＳ２−１１において測定値Ｖ_ｍに波長対応誤差Δｘのｋ倍を加えた和を有効値Ｖ_ｅとする（Ｖｅ＝Ｖ_ｍ＋ｋΔｘ）。

一方、ステップＳ２−１０において測定値Ｖ_ｍが有効範囲ＥＲ⁻ _ｋの範囲内でなければ、ステップＳ２−１３に移行する。ステップＳ２−１３で波数ｋが予め定められた最大値ｋ_ｍａｘ（２以上の自然数）でなければ、ステップＳ２−１４でｋを１だけインクリメントした後、ステップＳ２−８に戻る。ステップＳ２−８又はステップＳ２−１０において、測定値Ｖ_ｍが有効範囲ＥＲ^＋ _ｋ又は有効範囲ＥＲ⁻ _ｋの範囲内とならない限り、ステップＳ２−１３において波数ｋが最大値になるまでステップＳ２−８，Ｓ２−１０，ステップＳ２−１４の処理が繰り返される。例えば、波数ｋの最大値のｋ_ｍａｘが４である場合、ステップＳ２−５〜ステップＳ２−１４の処理により、流速の測定値Ｖ_ｍがｋ波分のずれに相当する誤差を含まない正確な値、１波分のずれに相当する誤差を含む値、２波分のずれに相当するずれ誤差を含む値、３波分のずれに相当する誤差を含む値、及び４波分のずれに相当する誤差を含む値のいずれに属するかが判断される。

ステップＳ２−１３において、波数ｋが最大値ｋ_ｍａｘ以上であれば、ステップＳ２−１５に移行する。ステップＳ２−１５では、流速の測定値Ｖ_ｍはｋ波分のずれを含まない値でも、ｋ波分のずれに相当する誤差を含む値でもなく採用することができない不適切な測定データとして棄却される。

ステップＳ２−６，Ｓ２−９，Ｓ２−１１で流速の有効値Ｖ_ｅを決定した後、ステップＳ１２−１２で新たな基準値Ｓ_ｔを設定する。具体的には、現時点から所定の時間ΔＴ_２遡った期間内の流速の有効値Ｖ_ｅの平均値を新たな基準値Ｓ_ｔに設定する。一方、ステップＳ２−１５で流速の測定値Ｖ_ｍを棄却した場合には、基準値Ｓ_ｔは変更しない。

図８はステップＳ２−４〜Ｓ２−１２の処理の模式的な一例を示す。図８には、時間α１〜α８までに測定された８個の流速の測定値Ｖ_ｍ１〜Ｖ_ｍ８を示している。また、単純化のために波数ｋの最大値ｋ_ｍａｘを２に設定し、各時間α１〜α８について有効範囲ＥＲ_０，ＥＲ^＋ _１，ＥＲ⁻ _１，ＥＲ^＋ _２，ＥＲ⁻ _２を模式的に示している。

時間α１の測定値Ｖ_ｍ１は、ｋ波分のずれに相当する誤差を含まない有効範囲ＥＲ_０内にある。従って、測定値Ｖ_ｍ１がそのまま有効値Ｖ_ｅ１として採用する。また、時間α２についての基準値Ｓ_ｔを新たに設定する。その結果、時間α２についての有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２は、時間α１についての有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２とは異なる。

時間α２の測定値Ｖ_ｍ２は、有効範囲ＥＲ^＋ _１、すなわち１波分のずれに相当する誤差が上乗せされていると判断できる範囲にある。従って、測定値Ｖ_ｍ２から１×Δｘを減じた差を有効値Ｖ_ｅ２として採用する。また、時間α３についての基準値Ｓ_ｔが新たに設定され、有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２が変動する。

時間α３の測定値Ｖ_ｍ３は、いずれの有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２にも含まれない。従って、測定値Ｖ_ｍ３は不適切値として棄却する。また、基準値Ｓ_ｔの変更は行わないので、時間α４の有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２は、時間α３の有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２と同一である。

時間α４，α５の測定値Ｖ_ｍ４，Ｖ_ｍ５は、共に有効範囲ＥＲ_０に含まれる。従って、これらの測定値Ｖ_ｍ４，Ｖ_ｍ５はそのまま有効値Ｖ_ｅ４，Ｖ_ｅ５として採用される。また、基準値Ｓ_ｔが新たに設定され、有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２が変動する。

時間α６の測定値Ｖ_ｍ６は、ＥＲ⁻ _２、すなわち２波分のずれに相当する誤差が差し引かれていると判断できる範囲にある。従って、測定値Ｖ_ｍ６に２×Δｘを加算した和を有効値Ｖ_ｅ６として採用する。また、時間α７についての基準値Ｓ_ｔが新たに設定され、有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２が変動する。

時間α７の測定値Ｖ_ｍ７は、いずれの有効範囲ＥＲ_０〜ＥＲ⁻ _２にも含まれない。従って、測定値Ｖ_ｍ７は不適切値として棄却し、基準値Ｓ_ｔの変更は行わない。

時間α８の測定値Ｖ_ｍ８は有効範囲ＥＲ_０に含まれる。従って、測定値Ｖ_ｍ８はそのまま有効値Ｖ_ｅ８として採用する。

以上のように本実施形態の流量測定装置によれば、流速の測定値Ｖ_ｍに含まれる受信波形３２のｋ波分のずれに相当する誤差を補正して有効値Ｖ_ｅを算出することで、高精度で流速を測定できる。また、流速の測定値Ｖ_ｍが棄却されるのは、いずれの有効範囲ＥＲ_０，ＥＲ^＋ _ｋ，ＥＲ⁻ _ｋにも含まれない場合に限られ、測定値Ｖ_ｍの棄却は最小限に止められているので、欠損が生じずリアルタイムでの計測が可能である

図９は流速測定の結果の一例を示す。実線αは図２のステップＳ２−１〜Ｓ２−１５の処理で得られた流速の有効値Ｖ_ｅを示し、点γは図４のステップＳ４−１〜４−６の処理による受信位置の判定も、図２のステップＳ２−５〜２−１５の処理によるｋ波分に相当する誤差の補正も実行しなかった場合の流速を示す。この図９から明らかなように、本実施形態の流速測定ではｋ波分のずれが補正され、かつ欠測も生じていない。

流速補正部２０から流速の有効値Ｖ_ｅを取得した流量計算部２１は、以下の式（６）に基づいて流量Ｑを算出する。

式（６）において、Ｋは補正係数、Ａは流れ方向Ｆと直交する方向での開水路１の平均断面積である。前述のように流速の有効値Ｖ_ｅは精度が高く、かつ欠測も最小限に低減されているので、高精度かつリアルタイムで流量Ｑを計測できる。

図１０はステップＳ１２−１２に代えて実行してもよい処理を示す。この図１０の処理では流速の測定値Ｖ_ｍに対するｋ波分に相当する誤差の補正の妥当性を検討し、それに基づいて基準値Ｓ_ｔを設定する。まず、ステップＳ１０−１において、現時点から時間ΔＴ_３を遡った期間内でｋ波分のずれに相当する誤差の補正を行った流速の測定値Ｖ_ｍの個数Ｍｐｃを更新する。次に、ステップＳ１０−２において、誤差の補正を行った測定値Ｖ_ｍの個数Ｍｐｃが予め定められた閾値Ｓｅ以上の場合、すなわち誤差の補正の頻度が高すぎて基準値Ｓ_ｔが妥当でないと判断される場合には、ステップＳ１０−３に移行する。ステップＳ１０−３では、現時点から時間ΔＴ_１遡った期間内の測定値Ｖ_ｍの度数分布を求め、最頻値を新たな基準値Ｓ_ｔに設定する。次に、ステップＳ１０−４で個数Ｍｐｃを０にクリアした後、図２のステップＳ２−４に戻る。一方、ステップＳ１０−２において個数Ｍｐｃが閾値Ｓｅ未満の場合には、基準値Ｓ_ｔを変更することなく、図２のステップＳ２−４に戻る。

流量測定装置を例に本発明を説明したが、本発明は他の用途にも適用できる。例えば、図４のステップＳ４−１〜Ｓ４−６の処理による伝搬時間の測定は、水中での超音波の伝搬時間の測定に限定されず、他の液体、固体、気体中でのパルス状信号の伝搬時間の測定に適用できる。また、図２のステップＳ２−５〜Ｓ２−１５の処理によるｋ波分のずれに相当する誤差の補正は流速の補正に限定されず、パルス状信号の伝搬時間の測定値、パルス状信号の伝搬時間に基づいて算出される位置、距離、速度、加速度、流量等の測定値の補正に適用できる。

本発明の実施形態に係る流量測定装置を示す模式図。 流量測定装置の実行する処理を説明するためのフローチャート。 流速測定に関する処理を説明するためのフローチャート。 伝搬時間の判定に関する処理を説明するためのフローチャート。 送信波形と受信波形を示す模式的なグラフ。 ピークサーチによる受信位置の検索を説明するための模式的なグラフ。 いったんノイズレベルまで低下した振幅が再度ノイズレベルから上昇する波形の例を示す模式的なグラフ。 流速の測定データの補正を説明するための模式的なグラフである。 本実施形態による流速測定の結果の一例を示す模式的なグラフ。 図２のステップＳ２−１２の代替の処理を示すフローチャート。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ受信波形の一例を示す模式的なグラフ。 ｋ波分のずれを含む測定値群とずれを含まない測定値群を示す模式的なグラフ。

符号の説明

１ 開水路
２Ａ，２Ｂ 超音波プローブ
１１ パルス発生部
１２ タイマ
１３ 増幅器
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ サンプリング回路
１６，１９ メモリ
１７ 伝搬時間算出部
１８ 流速計算部
２０ 流速補正部
２１ 流量計算部

Claims (4)

1. 発信器（２Ａ，２Ｂ）から発信されて媒質中を伝搬したパルス状信号が受信器（２Ａ，２Ｂ）で受信される時間軸上の受信位置（ｔ_ｒ）に基づいて物理量を測定する物理量測定装置であって、
   前記受信位置（ｔ_ｒ）から前記物理量の測定値（Ｖ_ｍ）を算出する算出手段と、
   前記測定値（Ｖ_ｍ）が基準値（Ｓｔ）を中心とする第１の範囲（ＥＲ_０）内にあれば、その測定値をそのまま物理量の有効値（Ｖ_ｅ）として採用し、前記測定値が前記基準値に前記パルス状信号の１波長に相当する前記物理量の誤差である波長相当誤差（Δｘ）の自然数倍（ｋ）を加えた和を中心とする第２の範囲内（ＥＲ^＋ _ｋ）であれば、前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を前記有効値として採用し、前記測定値が前記基準値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を中心とする第３の範囲内（ＥＲ⁻ _ｋ）であれば、前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用し、かつ前記測定値が前記第１、第２、及び第３の範囲（ＥＲ_０，ＥＲ^＋ _ｋ，ＥＲ⁻ _ｋ）のいずれにも属さない場合には前記測定値を棄却する補正手段（Ｓ２−５〜２−１５）とを備え、
   前記補正手段は、前記有効値を採用した後、現時点から予め定められた第１の時間（ΔＴ _３ ）を遡った期間内に前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差又は前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用した個数（Ｍｐｃ）を更新し、この個数に応じて前記基準値を補正することを特徴とする物理量測定装置。
2. 前記補正手段は、
   更新された前記個数を予め定められた閾値（Ｓ _ｅ ）と比較し、
   前記個数が前記閾値以上であれば、予め定められた第２の時間（ΔＴ _１ ）遡った期間内における前記物理量の測定値の度数分布の最頻値を前記基準値に設定する一方、
   前記個数が前記閾値未満であれば、現在の基準値を維持することを特徴とする請求項１に記載の物理量測定装置。
3. 水路（１）の両側に配置された一対の超音波プローブ（２Ａ，２Ｂ）のうちの一方から発信された超音波のパルス状信号が前記水路を流れる流水中を伝播して他方の超音波プローブに到達するまでの伝搬時間（Ｔ^＋，Ｔ⁻）に基づいて、前記水路を流れる流水の流量を測定する超音波式流量測定装置であって、
   前記伝搬時間に基づいて流速の測定値（Ｖ_ｍ）を算出する流速算出手段（１８）と、
   前記流速の測定値が基準値（Ｓ _ｔ ）を中心とする第１の範囲内（ＥＲ_０）にあればその測定値をそのまま流速の有効値（Ｖ_ｅ）として採用し、前記測定値が前記基準値に前記受信波形の１波長に対応する前記測定値の誤差である波長対応誤差（Δｘ）の自然数倍（ｋ）を加えた和を中心とする第２の範囲（ＥＲ^＋ _ｋ）内であれば、前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を前記有効値として採用し、前記測定値が前記基準値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差を中心とする第３の範囲（ＥＲ⁻ _ｋ）内であれば、前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用し、かつ前記測定値が前記第１、第２、及び第３の範囲（ＥＲ_０，ＥＲ^＋ _ｋ，ＥＲ⁻ _ｋ）のいずれにも属さない場合には、前記流速の前記測定値を棄却する流速補正手段（２０）と、
   前記流速補正手段で補正済みの前記流速の有効値（Ｖ_ｅ）に基づいて流量（Ｑ）を算出する流量算出手段（２１）と
   を備え、
   前記補正手段は、前記流速の有効値を採用した後、現時点から予め定められた第１の時間（ΔＴ _３ ）を遡った期間内に前記測定値から前記波長対応誤差の自然数倍を減じた差又は前記測定値に前記波長対応誤差の自然数倍を加えた和を前記有効値として採用した個数（Ｍｐｃ）を更新し、この個数に応じて前記基準値を補正することを特徴とする超音波式流量測定装置。
4. 前記補正手段は、
   更新された前記個数を予め定められた閾値（Ｓｅ）と比較し、
   前記個数が前記閾値以上であれば、予め定められた第２の時間（ΔＴ _１ ）遡った期間内における前記流速の測定値の度数分布の最頻値を前記基準値に設定する一方、
   前記個数が前記閾値未満であれば、現在の基準値を維持することを特徴とする請求項３に記載の超音波式流量測定装置。

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