JP5097503B2 - Ultrasonic flow meter signal processor - Google Patents

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Description

本発明は、デジタル的に信号の処理を行う超音波流量計の信号処理装置に関するものである。   The present invention relates to a signal processing apparatus for an ultrasonic flowmeter that digitally processes a signal.

超音波ビームを利用して、管路内の流速を測定する方法としては、上流から下流への超音波ビームの伝播時間と、下流から上流への超音波ビームの伝播時間との差を求めて計算する時間差方式が多く用いられている。   As a method of measuring the flow velocity in the pipeline using an ultrasonic beam, the difference between the propagation time of the ultrasonic beam from upstream to downstream and the propagation time of the ultrasonic beam from downstream to upstream is obtained. A time difference method for calculation is often used.

この時間差を求める方法として、特許文献1には信号のゼロクロス点を利用する方法が開示され、特許文献2には信号の相互相関を利用する方法が開示されている。   As a method for obtaining this time difference, Patent Document 1 discloses a method using a zero cross point of a signal, and Patent Document 2 discloses a method using a cross-correlation of signals.

特開2002−162269号公報JP 2002-162269 A 特開2002−243514号公報JP 2002-243514 A

超音波流量計においては、数ms〜数10msの周期で流体中にパルス状の超音波ビームを発信し、これの通過信号又は反射信号を受信して、その到達時間やドップラ効果による周波数偏移などを測定して流体の速度を求め、それにより流量を測定している。到達時間を測定する方法としては、受信信号の立ち上がりを捉える方法や、受信信号のゼロクロス点を捉える方法等がある。   In an ultrasonic flowmeter, a pulsed ultrasonic beam is transmitted in a fluid with a period of several ms to several tens of ms, a passing signal or a reflected signal is received, and a frequency shift due to the arrival time or the Doppler effect is received. Etc. are measured to determine the fluid velocity, thereby measuring the flow rate. As a method of measuring the arrival time, there are a method of capturing the rising edge of the received signal, a method of capturing the zero cross point of the received signal, and the like.

また、流体の上流側から下流側への到達時間と逆方向への到達時間との時間差を求める方法として、信号の相互相関を利用する方法、或いは相互相関の計算の乗算部分を信号の差の絶対値で置き換えたものを利用する方法などがある。   In addition, as a method of calculating the time difference between the arrival time from the upstream side to the downstream side of the fluid and the arrival time in the reverse direction, a method using the cross-correlation of the signal or a multiplication part of the calculation of the cross-correlation There is a method of using the one replaced with an absolute value.

図3は第1、第2管路1内を2つの方向を伝播した超音波ビームから得られたデータの波形図である。この信号から時間差を求める方法としては、特許文献2にある信号の相互相関を利用する方法などがある。   FIG. 3 is a waveform diagram of data obtained from an ultrasonic beam propagating in two directions in the first and second pipes 1. As a method for obtaining a time difference from this signal, there is a method using cross-correlation of signals described in Patent Document 2.

例えば、相互相関を利用して到達時間差を求める方法について述べると、データの個数Nから成る第1、第2のデータx、yの対応するポイントにおける相互相関は、式(1)で求められる。
Rxy[m]=Σ|x[n]*y[n+m]|
(m=0、1、2、……、N−1)…(1)
For example, a method for obtaining the arrival time difference using the cross-correlation will be described. The cross-correlation at the corresponding point of the first and second data x and y consisting of the number N of data is obtained by Expression (1).
Rxy [m] = Σ | x [n] * y [n + m] |
(M = 0, 1, 2,..., N-1) (1)

ただし、式(1)において、Rxyは相関関数を表し、x[n]、y[n+m]は相互相関を求める関数(データ)である。yの添字n+mはNで除した余りを使用する。相関関数の値が最大になる点を与えるmの値が、2つのデータx、yの時間差、即ち受信した超音波ビームの時間差を与えることになる。   In Equation (1), Rxy represents a correlation function, and x [n] and y [n + m] are functions (data) for obtaining cross-correlation. The subscript n + m of y uses the remainder divided by N. The value of m that gives the point where the value of the correlation function is maximized gives the time difference between the two data x and y, that is, the time difference of the received ultrasonic beam.

図4は図3のデータに対し相互相関の計算を行った結果の波形図である。そして、信号の時間差は波形の最大値の原点からのずれで求められる。   FIG. 4 is a waveform diagram obtained as a result of calculating cross-correlation for the data of FIG. The time difference between the signals is obtained by the deviation of the maximum value of the waveform from the origin.

次式(2)は信号の差分を利用する計算方法である。
Sxy[m]=Σ|x[n]−y[n+m]|
(m=0,1,2,…,N−1)…(2)
The following equation (2) is a calculation method using a signal difference.
Sxy [m] = Σ | x [n] −y [n + m] |
(M = 0,1,2, ..., N-1) (2)

式(2)においては、式(1)の乗算部分を減算の絶対値で置き換えた形になっている。乗算を減算に置き換えるのは、減算のほうが種々の面で有利になるからである。例えば、回路の面積、消費電流、計算時問などであり、これら単独又は組み合わせ等においても減算のほうが乗算に比べて有利になる。このことは処理をハードウエアで行う場合でもソフトウエアで行う場合でも同様である。   In equation (2), the multiplication part of equation (1) is replaced with the absolute value of subtraction. The reason for replacing multiplication with subtraction is that subtraction is advantageous in various aspects. For example, the area of the circuit, current consumption, calculation time, and the like, and subtraction is more advantageous than multiplication in these alone or in combination. This is the same whether the processing is performed by hardware or software.

これらの方法により、流体の流速を求めるための信号処理をする際には、超音波ビームの受信波形の振幅はできるだけ一定のほうが都合が良いため、通常ではAGC(Automatic Gain Control)ループを形成し、受信波形の振幅が一定値となるように制御している。しかし、今回の受信データを基に次回の受信時のゲインを決めているため、超音波ビームの発射周期よりも短い時間で変動が発生すると、ゲイン調整が追従できないという問題点がある。   When performing signal processing to determine the fluid flow velocity by these methods, it is convenient to make the amplitude of the received waveform of the ultrasonic beam as constant as possible. Therefore, normally, an AGC (Automatic Gain Control) loop is formed. The amplitude of the received waveform is controlled to be a constant value. However, since the gain at the time of the next reception is determined based on the current reception data, there is a problem that the gain adjustment cannot follow if a fluctuation occurs in a time shorter than the emission cycle of the ultrasonic beam.

通常のAGCで信号の振幅を一定にするには、受信信号のピーク値或いは平均値や実効値を基に、受信用可変ゲイン増幅器のゲインを調整することで行う。受信用可変ゲイン増幅器の構成としては、増幅器の帰還抵抗をアナログスイッチで切換える方法、アナログ乗算器を利用する方法などがある。   In order to make the signal amplitude constant in normal AGC, the gain of the variable gain amplifier for reception is adjusted based on the peak value, average value, or effective value of the received signal. As a configuration of the variable gain amplifier for reception, there are a method of switching the feedback resistance of the amplifier with an analog switch, a method of using an analog multiplier, and the like.

帰還抵抗をアナログスイッチで切換える方法では、ゲインを連続的に変えることができないため、信号が連続的に変化すると、その振幅を一定にすることができない。   In the method of switching the feedback resistor with an analog switch, the gain cannot be continuously changed. Therefore, when the signal continuously changes, the amplitude cannot be made constant.

アナログ乗算器を利用する方法では、ゲインの制御電圧を連続的に変化できればゲインも連続的に変えることができる。しかし、制御電圧をDA変換器で作成する場合には、連続的な制御をするためにD/A変換器の分解能(ビット数)を大きくする必要があり、コスト的に高分解能のD/A変換器の使用は困難である。   In the method using an analog multiplier, if the gain control voltage can be changed continuously, the gain can also be changed continuously. However, when the control voltage is generated by a DA converter, it is necessary to increase the resolution (number of bits) of the D / A converter in order to perform continuous control. Use of a transducer is difficult.

更に、超音波流量計においては振幅の計測と可変ゲイン増幅器のゲイン制御は、例えば数ms〜数10msの周期的に行うため、この周期よりも速い変化には追従することができない。   Further, in the ultrasonic flowmeter, the amplitude measurement and the gain control of the variable gain amplifier are periodically performed, for example, several ms to several tens of ms, and therefore cannot follow changes faster than this cycle.

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、フィードバックループの応答時間よりも早い変化をする信号に対しても、一定振幅のデータを得ることができる超音波流量計の信号処理装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a signal processing apparatus for an ultrasonic flowmeter that can solve the above-described problems and can obtain data having a constant amplitude even for a signal that changes faster than the response time of a feedback loop. There is to do.

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の信号処理装置は、管路の下流側から上流側への第1の方向と上流側から下流側への第2の方向に交互に超音波ビームを発信すると共に受信し、得られた前記超音波ビームによる信号をデジタルデータとして前記第1、第2の方向のデータ別にメモリに記憶し、該メモリからデータを読み出して信号処理をする超音波流量計の信号処理装置において、前記メモリ内の2種類のデータ毎に得られたデータの特長を現わす数値として、少なくとも、2種類の各デジタルデータの最大値を基にそれらの逆数となる係数を求める第1の手段と、前記メモリから読み出した2種類のデータ毎に前記係数を乗じて差分を求めることにより、2種類のデータによる前記超音波ビームの伝播時間差を求めて流量を測定する第2の手段とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic flowmeter signal processing device according to the present invention is alternately arranged in a first direction from the downstream side to the upstream side of the conduit and in a second direction from the upstream side to the downstream side. The ultrasonic beam is transmitted and received, and the obtained signal from the ultrasonic beam is stored as digital data in the memory for each of the data in the first and second directions, and the data is read from the memory for signal processing. In the signal processing device of the ultrasonic flowmeter, as a numerical value representing the characteristics of the data obtained for each of the two types of data in the memory , at least the reciprocal number based on the maximum value of each of the two types of digital data first means for determining the coefficients comprising, by obtaining the difference by multiplying the coefficient for each two data read out from said memory, seeking propagation time difference of the ultrasonic beam by two types of data Characterized by comprising a second means for measuring the amount.

本発明に係る超音波流量計の信号処理装置によれば、短時間の演算で流量測定の基となる正確な超音波ビームの伝播時間差を得ることができるので、相互相関の場合よりも単位時間当りの測定回数を多くすることが可能となり、従来と同様の測定回数とすれば回路の演算速度は低速で済む。   According to the signal processing device of the ultrasonic flowmeter according to the present invention, it is possible to obtain an accurate ultrasonic beam propagation time difference that is a basis of flow rate measurement in a short time, so that the unit time is larger than in the case of cross-correlation. It is possible to increase the number of times of measurement per unit, and if the number of times of measurement is the same as the conventional one, the operation speed of the circuit can be reduced.

また、AGC制御が不完全であっても、信号処理回路には振幅を揃えた信号を供給できる。更に、正常な受信が行われたかどうかの判別をより正確に行うことが可能となる。   Even if the AGC control is incomplete, the signal processing circuit can be supplied with signals having the same amplitude. Furthermore, it is possible to more accurately determine whether normal reception has been performed.

本発明を図1、図2に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は実施例のブロック回路構成図である。測定すべき流体が流れる管路1の上流側と下流側に、超音波ビームの発信、受信を兼ねた上流側超音波振動子2、下流側超音波振動子3が配置されている。これらの超音波振動子2、3は切換スイッチ4を介して、送信用増幅器5、受信用可変ゲイン増幅器6に接続されている。受信用可変ゲイン増幅器6の出力は、A/D変換器7、データバス8に接続されている。また、データバス8には、ピーク検出回路9、演算ユニット10、メモリ11、RAMとROMを備えたCPU12、I/Oコントローラ13が接続されている。
The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
FIG. 1 is a block circuit diagram of the embodiment. An upstream ultrasonic transducer 2 and a downstream ultrasonic transducer 3 that both transmit and receive ultrasonic beams are arranged on the upstream side and the downstream side of the conduit 1 through which the fluid to be measured flows. These ultrasonic transducers 2 and 3 are connected to a transmission amplifier 5 and a reception variable gain amplifier 6 through a changeover switch 4. The output of the receiving variable gain amplifier 6 is connected to an A / D converter 7 and a data bus 8. The data bus 8 is connected to a peak detection circuit 9, an arithmetic unit 10, a memory 11, a CPU 12 having a RAM and a ROM, and an I / O controller 13.

そして、メモリ11は2つのメモリRAMa、RAMbを有し、これらの出力は乗算器14を経て演算ユニット10に接続されている。乗算器14も2つの乗算器を有し、RAMa、RAMbの出力は2つの乗算器を介して演算ユニット10に出力されることになる。また、I/Oコントローラ13にはクロック発生回路15の出力が接続され、I/Oコントローラ13の出力は、切換スイッチ4、送信用増幅器5、可変ゲイン増幅器6、A/D変換器7に接続されている。   The memory 11 has two memories RAMa and RAMb, and their outputs are connected to the arithmetic unit 10 via a multiplier 14. The multiplier 14 also has two multipliers, and the outputs of the RAMa and RAMb are output to the arithmetic unit 10 via the two multipliers. The output of the clock generation circuit 15 is connected to the I / O controller 13, and the output of the I / O controller 13 is connected to the changeover switch 4, the transmission amplifier 5, the variable gain amplifier 6, and the A / D converter 7. Has been.

時間差方式の超音波流量計では、上述したように流れに対して上流側から下流側方向に送信した場合と、逆方向に送信した場合の到達時間の差から流体の流速を求め、流速に管路の断面積を乗ずることで流量を測定する。この測定の際の各回路の動作は、CPU12に内蔵のROMに記憶したプログラムの指令によって行われる。   In the time difference type ultrasonic flowmeter, as described above, the flow velocity of the fluid is obtained from the difference in arrival time between when the flow is transmitted from the upstream side to the downstream direction and when the flow is transmitted in the reverse direction. The flow rate is measured by multiplying the cross-sectional area of the road. The operation of each circuit at the time of measurement is performed by a program command stored in a ROM built in the CPU 12.

本実施例における差分を利用する処理のステップを時系列的に説明する。   The steps of the process using the difference in this embodiment will be described in time series.

[ステップS1]CPU12からの指令で切換スイッチ4を制御し、上流側超音波振動子2を送信用増幅器5の出力に、下流側超音波振動子3を受信用可変ゲイン増幅器6に接続し、ピーク検出回路9を初期化する。   [Step S1] The changeover switch 4 is controlled by a command from the CPU 12, the upstream ultrasonic transducer 2 is connected to the output of the transmission amplifier 5, and the downstream ultrasonic transducer 3 is connected to the reception variable gain amplifier 6. The peak detection circuit 9 is initialized.

[ステップS2]CPU12からの指令でI/Oコントローラ13が上流側超音波振動子2の駆動用のバースト信号を発生する。このバースト信号は超音波振動子2で超音波ビームに変換され、管路1内を伝播し、下流側超音波振動子3で受信され電気信号に変換される。この電気信号は受信用可変ゲイン増幅器6で増幅され、A/D変換器7でデジタル信号に変換されて、データバス8を介してメモリ11のRAMaに記憶される。これにより、図3に示すようなデータが得られ、蓄えられたデータを第1のデータxとする。また、同時にピーク検出回路9においてデジタルデータの特長を表す最大値を検出する。このときの最大値を第1のピーク値Pxとする。   [Step S2] In response to a command from the CPU 12, the I / O controller 13 generates a burst signal for driving the upstream ultrasonic transducer 2. This burst signal is converted into an ultrasonic beam by the ultrasonic transducer 2, propagates through the pipe 1, is received by the downstream ultrasonic transducer 3, and is converted into an electrical signal. This electric signal is amplified by the receiving variable gain amplifier 6, converted into a digital signal by the A / D converter 7, and stored in the RAM a of the memory 11 through the data bus 8. Thereby, data as shown in FIG. 3 is obtained, and the stored data is set as the first data x. At the same time, the peak detection circuit 9 detects the maximum value representing the characteristics of the digital data. The maximum value at this time is defined as a first peak value Px.

超音波ビームが伝播する時間としては、流体が水で2つの超音波振動子2、3の間隔が10cmの場合には60μs程度の時間である。これに対し、超音波ビームの周波数を2MHzとして、10サイクル程度の信号波が受信できるとすればその持続時間は5μsとなる。この信号を記憶するのに、余裕を見て10μsとすれば、AD変換のクロック周波数を50MHzとした場合には、512ポイントを記憶することが好ましい。   The propagation time of the ultrasonic beam is about 60 μs when the fluid is water and the distance between the two ultrasonic vibrators 2 and 3 is 10 cm. On the other hand, if the frequency of the ultrasonic beam is 2 MHz and a signal wave of about 10 cycles can be received, the duration is 5 μs. In order to store this signal, if it is 10 μs with a margin, it is preferable to store 512 points when the clock frequency of AD conversion is 50 MHz.

[ステップS3]ステップS1の超音波ビームの伝播方向を逆方向とする。即ち、CPU12からの指令で切換スイッチ4を制御し、下流側超音波振動子3を送信用増幅器5の出力に、上流側超音波振動子2を受信用可変ゲイン増幅器6に接続し、ピーク検出回路9を初期化する。   [Step S3] The propagation direction of the ultrasonic beam in step S1 is the reverse direction. That is, the selector switch 4 is controlled by a command from the CPU 12, the downstream ultrasonic transducer 3 is connected to the output of the transmission amplifier 5, and the upstream ultrasonic transducer 2 is connected to the reception variable gain amplifier 6 to detect the peak. The circuit 9 is initialized.

[ステップS4]ステップS2と同様な処理が行われ、得られたデータはCPU12のRAMbに記憶される。ここで得られるデータを第2のデータy、その最大値を第2のピーク値Pyとする。   [Step S4] The same processing as step S2 is performed, and the obtained data is stored in the RAMb of the CPU 12. The data obtained here is the second data y, and the maximum value is the second peak value Py.

なお、ステップS1、S2とステップS3、S4の順序は逆でもよい。   Note that the order of steps S1 and S2 and steps S3 and S4 may be reversed.

このようにして得られたデータは図3のように2種類の第1、第2のデータx、yとして得られる。   The data obtained in this way is obtained as two types of first and second data x and y as shown in FIG.

[ステップS5]ステップS2、S4では第1、第2のピークPx、Pyを図3のデータx、yから求め、その逆数となる係数Kx、Kyを求める。   [Step S5] In steps S2 and S4, the first and second peaks Px and Py are obtained from the data x and y in FIG. 3, and the coefficients Kx and Ky that are the reciprocals thereof are obtained.

これらの係数Kx、Kyは、デジタル信号処理で使用されることから、浮動小数点又は固定小数点の形式となる。第1、第2のピーク値Px、Pyのビット数はAD変換器7のビット数で決まり、仮にこれを8ビットとすれば、この8ビットは符号付きの整数とすることが好ましく、その場合に第1、第2のピーク値Px、Pyの採り得る値は0〜127の間となる。なお、このオーダのデータであれば、実際に逆数を計算することなく、CPU12内のROMにテーブルとして記憶しておき、このテーブルから逆数を抽出することで、処理時間の短縮を図ることができる。   Since these coefficients Kx and Ky are used in digital signal processing, they have a floating point or fixed point format. The number of bits of the first and second peak values Px and Py is determined by the number of bits of the AD converter 7. If this is assumed to be 8 bits, it is preferable that these 8 bits be a signed integer. In addition, the possible values of the first and second peak values Px and Py are between 0 and 127. If the data is of this order, the reciprocal number is not actually calculated, but is stored as a table in the ROM in the CPU 12, and the reciprocal number is extracted from this table, so that the processing time can be shortened. .

また、この逆数は1に対する逆数ではなく、任意の数値を除算した値でもよい。除算を整数演算で行う場合に、被除数のビット数が除数のビット数より大きくなければ商の有効ビットの桁数が減少してしまうため、被除数のビット数を除数よりも大きくする必要がある。   Further, this reciprocal number is not the reciprocal number with respect to 1, but may be a value obtained by dividing an arbitrary numerical value. When division is performed by integer arithmetic, if the number of bits of the dividend is not larger than the number of bits of the divisor, the number of significant bits of the quotient will decrease, so the number of bits of the dividend needs to be larger than the divisor.

例えば、除数(ピーク値)を符号付8ビットとし、除算した結果を符号付の16ビットの整数で表すとすれば、符号付の16ビット整数の最大値32767をピーク値で除した値とすることができる。除算の結果、小数点以下の値が発生することがあるが、その場合には小数点以下を切り捨て又は四捨五入すればよい。   For example, if the divisor (peak value) is 8 bits with a sign and the result of division is represented by a signed 16-bit integer, the maximum value 32767 of the signed 16-bit integer is divided by the peak value. be able to. As a result of division, a value after the decimal point may occur. In that case, the value after the decimal point may be rounded down or rounded off.

なお、乗算器14に入力するデジタルデータ、逆数のデータ、出力データのそれぞれのビット数は同じである必要はない。   Note that the number of bits of digital data, reciprocal data, and output data input to the multiplier 14 need not be the same.

[ステップS6]式(3)は、本実施例で演算する計算方法であり、演算ユニット10において実行する。
Sxy[m]=Σ|Kx*x[n]−Ky*y[n+m]|
(m=0,1,2,…,N−1)…(3)
[Step S6] Equation (3) is a calculation method for calculation in this embodiment, and is executed in the calculation unit 10.
Sxy [m] = Σ | Kx * x [n] −Ky * y [n + m] |
(M = 0, 1, 2,..., N-1) (3)

ステップS5で得られた係数Kx、Kyを乗算器14の係数として設定する。乗算器14は2つの乗算器A及び乗算器Bから構成されている。各乗算器A、Bはそれぞれ2つの入力を持ち、一方の入力は前述の係数Kx及びKyに接続され、他方の入力はメモリ11の2つのRAMa、RAMbに接続される。メモリ11のRAMa、RAMbから、第1、第2のデータx、yをそれぞれ同時に取り出すことが可能である。   The coefficients Kx and Ky obtained in step S5 are set as the coefficients of the multiplier 14. The multiplier 14 is composed of two multipliers A and B. Each multiplier A and B has two inputs, one input is connected to the aforementioned coefficients Kx and Ky, and the other input is connected to the two RAMa and RAMb of the memory 11. The first and second data x and y can be simultaneously extracted from the RAMa and RAMb of the memory 11, respectively.

[ステップS7]式(3)に従って差分の計算を行う。始めに、n=0、m=0とする。n及びn+mは第1、第2のデータx、yを記憶しているメモリ11のRAMa、RAMbのアドレスである。n、mは本例では0〜511の値をとり、n+mの値が512を超えた場合は512で除いた余りの値とする。第1のデータxを記憶しているメモリからx[n]の値、第2のデータyを記憶しているメモリからy[n+m]の値を取り出し、演算ユニット10において計算を行う。nの値を0〜511に変化させ、得られた値を全て積算し、その値を1つのデータとしてメモリ11に記憶する。次に、mを1だけ増加して、再度nを0〜511として前述の積算動作を行う。   [Step S7] The difference is calculated according to equation (3). First, n = 0 and m = 0. n and n + m are addresses of the RAMa and RAMb of the memory 11 storing the first and second data x and y. In this example, n and m take values of 0 to 511, and when the value of n + m exceeds 512, the remainder is removed by 512. The value of x [n] is extracted from the memory storing the first data x, and the value of y [n + m] is extracted from the memory storing the second data y, and calculation is performed in the arithmetic unit 10. The value of n is changed from 0 to 511, all the obtained values are integrated, and the value is stored in the memory 11 as one data. Next, m is increased by 1, and n is again set to 0 to 511, and the above-described integration operation is performed.

このようにして、mの値を0〜511まで繰り返すことで、図2に示すような波形図が得られる。実際には、全てのデー夕を求める必要はなく、流速が変化する範囲に対応した時間差が得られる範囲について計算すればよい。   In this way, by repeating the value of m from 0 to 511, a waveform diagram as shown in FIG. 2 is obtained. Actually, it is not necessary to obtain all the data evenings, and a range in which a time difference corresponding to the range in which the flow velocity changes can be obtained may be calculated.

なお、式(3)では係数Kx、Kyを乗算しているが、これを第1、第2のピーク値Px、Pyによる除算に変更しても同じ効果が得られる。これらの逆数の値は一連の計算が終了するまでは一定値が保たれる。しかし、除算を行う回路は乗算を行う回路に比べて回路規模が大きくなり、動作速度も遅いものとなりがちであり、除算を利用する方法の利点は少ない。   In Equation (3), the coefficients Kx and Ky are multiplied, but the same effect can be obtained by changing this to division by the first and second peak values Px and Py. These reciprocal values remain constant until a series of calculations is completed. However, a circuit that performs division tends to be larger in circuit scale and slower in operation than a circuit that performs multiplication, and there are few advantages of a method using division.

[ステップS8]信号の時間差は図2の波形の最大値の原点からのずれにより求められる。CPU12はステップS7で得られたデータから最下点にあたるデータの原点からのずれを基に信号の到達時間差を求め、この時間差から管路1における流体の流速を求める。   [Step S8] The time difference between the signals is obtained from the deviation of the maximum value of the waveform in FIG. 2 from the origin. The CPU 12 obtains a signal arrival time difference from the data obtained in step S7 based on the deviation from the origin of the data corresponding to the lowest point, and obtains the fluid flow velocity in the pipe line 1 from this time difference.

本実施例によれば、AD変換器7でデジタル変換されたデータの振幅が一定でない場合でも、第1、第2のピーク値Px、Pyの逆数を乗算する(結果的に除算をする)ことにより、ピーク値Px、Pyを一定にすることができ、この一定のピーク値Px、Pyを持った信号に対して処理を行うことが可能となる。   According to this embodiment, even when the amplitude of the data digitally converted by the AD converter 7 is not constant, the inverse of the first and second peak values Px and Py is multiplied (resulting in division). Thus, the peak values Px and Py can be made constant, and it becomes possible to perform processing on signals having these constant peak values Px and Py.

差分の計算においては、2つの波形の形状と振幅が一致していれば、その最小値はゼロになることが期待できる。2つの信号の間の波形の形状、又は振幅のずれが大きくなれば最小値の値も大きくなるため、差分の最小値の値は信号の品質の判断に利用できる。   In the calculation of the difference, if the shapes and amplitudes of the two waveforms match, the minimum value can be expected to be zero. Since the minimum value increases as the waveform shape or amplitude deviation between the two signals increases, the minimum value of the difference can be used to determine the quality of the signal.

液体の流速を測定する場合に、流体中に気泡や微粒子などが混入すると、超音波パルスの進行が妨げられ、信号の波形の乱れや振幅の変化などが発生し、信号の品質が低下する。特に、波形の乱れが大きくなると、正確な流速の測定が困難になり誤作動の原因となるため、信号の品質の判断は重要である。   When measuring the flow rate of the liquid, if bubbles or fine particles are mixed in the fluid, the progress of the ultrasonic pulse is hindered, the signal waveform is disturbed, the amplitude is changed, and the signal quality is deteriorated. In particular, if the waveform is greatly disturbed, accurate measurement of the flow velocity becomes difficult and causes a malfunction. Therefore, it is important to judge the signal quality.

しかし、通常のAGC制御では、2つの波形の振幅を正確に合わせることができないため、最小値の大きさが大きくなった時に、その原因が波形の差異によるものかAGC制御に起因するものか判別ができない。   However, in the normal AGC control, the amplitudes of the two waveforms cannot be accurately matched. Therefore, when the minimum value is increased, it is determined whether the cause is due to the waveform difference or the AGC control. I can't.

本実施例を適用しない場合、つまり乗算器14を使用しない場合は、振幅のずれが大きくなると差分の最小値も大きくなり、その時の測定データはエラーと見倣されて破棄されることとなる。しかし本実施例によれば、処理される信号のピーク値Px、Pyは常に一定となるため、AD変換されたデジタルデータに振幅のずれがあるデータも利用可能となるため、よりエラーの少ない測定をすることが可能となる。   When this embodiment is not applied, that is, when the multiplier 14 is not used, the minimum value of the difference increases as the amplitude shift increases, and the measurement data at that time is regarded as an error and discarded. However, according to the present embodiment, the peak values Px and Py of the signal to be processed are always constant, so that data having an amplitude deviation in the AD-converted digital data can also be used. It becomes possible to do.

ブロック回路構成図である。It is a block circuit block diagram. 図3の信号を基に差分計算を行った波形図である。It is the wave form diagram which performed the difference calculation based on the signal of FIG. 超音波信号の受信波形のグラフ図である。It is a graph figure of the received waveform of an ultrasonic signal. 図3の信号を基に相互相関の計算を行った波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram in which cross-correlation is calculated based on the signal of FIG. 3.

符号の説明Explanation of symbols

1 管路
2、3 超音波振動子
4 切換スイッチ
5 送信用増幅器
6 受信用可変ゲイン増幅器
7 A/D変換器
8 データバス
9 ピーク検出回路
10 演算ユニット
11 メモリ
12 CPU
13 I/Oコントローラ
14 乗算器
15 クロック発生回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pipe line 2, 3 Ultrasonic transducer 4 Changeover switch 5 Transmitting amplifier 6 Receiving variable gain amplifier 7 A / D converter 8 Data bus 9 Peak detection circuit 10 Arithmetic unit 11 Memory 12 CPU
13 I / O controller 14 Multiplier 15 Clock generation circuit

Claims (2)

管路の下流側から上流側への第1の方向と上流側から下流側への第2の方向に交互に超音波ビームを発信すると共に受信し、得られた前記超音波ビームによる信号をデジタルデータとして前記第1、第2の方向のデータ別にメモリに記憶し、該メモリからデータを読み出して信号処理をする超音波流量計の信号処理装置において、前記メモリ内の2種類のデータ毎に得られたデータの特長を現わす数値として、少なくとも、2種類の各デジタルデータの最大値を基にそれらの逆数となる係数を求める第1の手段と、前記メモリから読み出した2種類のデータ毎に前記係数を乗じて差分を求めることにより、2種類のデータによる前記超音波ビームの伝播時間差を求めて流量を測定する第2の手段とを備えたことを特徴とする超音波流量計の信号処理装置。 The ultrasonic beam is transmitted and received alternately in the first direction from the downstream side to the upstream side of the pipe and in the second direction from the upstream side to the downstream side, and the obtained signal by the ultrasonic beam is digitally transmitted. In the signal processing device of the ultrasonic flowmeter that stores the data in the memory according to the data in the first and second directions as the data, reads the data from the memory, and performs signal processing, the data is obtained for each of the two types of data in the memory. A first means for obtaining a coefficient that is the reciprocal number based on the maximum value of each of the two types of digital data as a numerical value that represents the characteristics of the obtained data, and for each of the two types of data read from the memory A second means for measuring a flow rate by obtaining a difference in propagation time of the ultrasonic beam by two types of data by multiplying the coefficient and obtaining a difference; Processing apparatus. 前記係数は記憶テーブルから抽出することを特徴とする請求項1に記載の超音波流量計の信号処理装置。   The signal processing apparatus for an ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the coefficient is extracted from a storage table.
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