JP5326697B2 - 超音波測定器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流速や流量を測定する超音波測定器に関する。

配管内を流れる流体の流速や流量を測定する測定器の１つとして、超音波を用いた超音波測定器が知られている。この超音波測定器の代表的なものに伝播時間差方式を用いたものがある。かかる方式の超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体の流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体の流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管内を流れる流体の流速や流量を測定するものである。

以下の非特許文献１には、流体を介した超音波信号の送受信を複数回に亘って行い、測定された波形を平均（同期加算平均）することで、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比：Signal to Noise Ratio）を向上させる技術が開示されている。しかしながら、非特許文献１のように、超音波を一定の時間間隔で複数回に亘って繰り返し送受信すると、先に送信された超音波の残響が後の超音波に重畳されて測定された波形に歪みが生じ、これによって誤差が生ずる場合がある。以下の特許文献１には、超音波を送信する時間間隔を変動させることで、超音波の残響を低減する技術が開示されている。

特公平５−３５３６４号公報

飯塚幸理，他２名，「鋼管商品を支える非破壊検査技術」，ＪＦＥ技報，Ｎｏ．９，２００５年８月，ｐ．４０−４５

ところで、上記の特許文献１に開示されている技術を用いて超音波の残響の時間位置を変動させれば、超音波の残響をある程度は低減することはできる。しかしながら、特許文献１では残響の時間位置を変動させているため、その副作用として測定された波形の変動成分が大きくなり、この結果として配管を流れる流体の流速や流量の測定結果が揺動するため、安定した測定を行うことができないという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、超音波の残響を低減して誤差を小さくし、且つ測定される波形の変動成分を小さくして安定的に流体の流速や流量を測定することができる超音波測定器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波測定器は、流体（Ｘ）を介した超音波信号を用いて前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定する超音波測定器（１）において、前記流体に対する超音波信号の送信を行う第１期間（Ｔ１）と前記流体に対する超音波信号の送信を停止する第２期間（Ｔ２）とが設定された送信部（１１、１２、１４ａ、１４ｂ）と、前記送信部から送信されて前記流体を介した超音波信号を受信する受信部（１４ａ、１４ｂ、１５）と、前記受信部から出力される受信信号から前記超音波信号の残響の影響を受けていない第１成分と前記超音波信号の残響の影響を受けた第２成分とを求め、該第１成分及び第２成分を用いて前記流体を介した超音波信号の残響成分を求める残響成分算出部（２４）と、前記受信部から出力される受信信号から、前記残響成分算出部で算出された前記残響成分を除去する残響成分除去部（２５）と、前記残響成分除去部で得られる信号を用いて前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を求める演算部（２６）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、流体に対する超音波信号の送信が第１期間に行われる一方で第２期間では停止され、流体を介した超音波信号を受信部で受信して得られる受信信号から超音波信号の残響の影響を受けていない第１成分と超音波信号の残響の影響を受けた第２成分とが求められ、これら第１成分及び第２成分を用いて流体を介した超音波信号の残響成分が求められ、受信部から出力される受信信号から残響成分が除去された上で、流体の流速及び流量の少なくとも一方が求められる。
また、本発明の超音波測定器は、前記残響成分算出部が、前記受信部から出力される受信信号から、前記超音波信号の残響の影響を受けていない第１成分を求める第１算出部（２４ａ）と、前記受信部から出力される受信信号から、前記超音波信号の残響の影響を受けた第２成分を求める第２算出部（２４ｂ）と、前記第１算出部で求められた前記第１成分と前記第２算出部で求められた前記第２成分とを用いて前記残響成分を求める第３算出部（２４ｃ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第３算出部が、前記第２算出部で求められた前記第２成分から、前記第１算出部で求められた前記第１成分を減算して前記残響成分を求めることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記送信部が、前記第１期間において前記超音波信号を断続的に送信し、前記第１算出部が、前記第２期間から前記第１期間に切り替えられる直後に前記送信部から送信される最初の超音波信号に基づく受信信号を用いて前記第１成分を求め、前記第２算出部が、前記第１期間において前記最初の超音波信号よりも後に前記送信部から送信される超音波信号に基づく受信信号を用いて前記第２成分を求めることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記送信部が、前記第１期間における前記超音波信号の断続的な送信を、時間間隔を変動させながら行うことを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記残響成分算出部が、前記送信部から複数の前記第１期間に亘って出力される超音波信号に基づく受信信号を用いて前記残響成分を求めることを特徴としている。

本発明によれば、流体に対する超音波信号の送信を第１期間に行う一方で第２期間では停止し、流体を介した超音波信号を受信部で受信して得られる受信信号から超音波信号の残響の影響を受けていない第１成分と超音波信号の残響の影響を受けた第２成分とを求め、これら第１成分及び第２成分を用いて流体を介した超音波信号の残響成分を求め、受信部から出力される受信信号から残響成分を除去した上で、流体の流速及び流量の少なくとも一方を求めている。このため、超音波の残響を低減することができるとともに、測定される波形の変動成分を小さくすることができ、この結果として流体の流速や流量を誤差が少なく安定して測定することができるという効果がある。

本発明の一実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。 信号処理装置１６から出力される超音波発信信号Ｓ１の一例を示す図である。 受信回路１５から出力される受信信号Ｓ３の一例を示す図である。 残響成分算出部２４で行われる処理を説明するための図である。 残響成分除去部２５で行われる処理を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による超音波測定器について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の超音波測定器１は、送信回路１１（送信部）、遅延回路１２（送信部）、切替器１３、トランスデューサ１４ａ，１４ｂ（送信部、受信部）、受信回路１５（受信部）、及び信号処理装置１６を備えており、超音波を用いて配管Ｒを流れる流体Ｘの流速や流量を測定する。

尚、本実施形態の超音波測定器１は、伝播時間差方式を用いて流体Ｘの流速や流量を測定するものであるとする。つまり、配管Ｒ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体の流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管Ｒ内を流れる流体の流速や流量を測定するものであるとする。

送信回路１１は、信号処理装置１６から出力されて遅延回路１２を介した超音波発信信号Ｓ１に基づいて、流体Ｘに対する超音波信号を発生させるための駆動信号Ｓ２を出力する。ここで、本実施形態の超音波測定器１には、流体Ｘに対する超音波信号を送信すべき期間である送信期間（第１期間）と、流体Ｘに対する超音波信号の送信を停止すべき期間である休止期間（第２期間）とが設定されており、信号処理装置１６からは送信期間にのみ超音波発信信号Ｓ１が出力される。

図２は、信号処理装置１６から出力される超音波発信信号Ｓ１の一例を示す図である。図２において、符号Ｔ１を付した期間が送信期間、符号Ｔ２を付した期間が休止期間であって、これら送信期間Ｔ１及び休止期間Ｔ２はある時間間隔をもって交互に現れるように設定されている。送信期間Ｔ１の長さは流体Ｘを測定する際の安定性や必要となる測定精度（流体Ｘの流速や流量の測定精度）に応じて設定され、休止期間Ｔ２の長さは流体Ｘに対して送信された超音波信号の残響の長さ等に応じて設定される。送信期間Ｔ１及び休止期間Ｔ２の長さは例えば数十ミリ秒程度に設定され、送信期間Ｔ１の長さと休止期間Ｔ２の長さは同じであっても良く、或いは異なっていても良い。

図２に示す通り、送信期間Ｔ１内に信号処理装置１６から出力される超音波発信信号Ｓ１は、符号Ｐ１〜Ｐｎ（ｎは２以上の整数）を付して示したｎ個のパルス状の断続する信号（以下、パルス信号という）からなる信号である。これらパルス信号Ｐ１〜Ｐｎの時間間隔は、例えば数ミリ秒程度であり、繰り返し回数はパルス信号Ｐ１〜Ｐｎの時間間隔と送信期間Ｔ１の長さとに応じて決定される。尚、図２に示す送信期間Ｔ１の各々におけるパルス信号Ｐ１は、休止期間Ｔ２から送信期間Ｔ１に切り替えられる直後に信号処理装置１６から出力される最初のパルス信号である。

遅延回路１２は、信号処理装置１６から出力される制御信号Ｃ１に基づいて、信号処理装置１６から出力される超音波発振信号Ｓ１を遅延させる。この遅延回路１２は、その遅延量を動的に変化させることが可能である。このため、信号処理装置１６から出力される超音波発信信号Ｓ１をなすパルス信号Ｐ１〜Ｐｎの時間間隔を変化させることなく波発信信号Ｓ１を全体的に遅延させること以外に、パルス信号Ｐ１〜Ｐｎの各々に対する遅延時間を変動させて、パルス信号Ｐ１〜Ｐｎの時間間隔をランダムにすることも可能である。

切替器１３は、送信回路１１が接続される接続端Ａ１、受信回路１５が接続される接続端Ａ２、及びトランスデューサ１４ａ，１４ｂがそれぞれ接続される接続端Ｂ１，Ｂ２を備えており、信号処理装置１６から出力される制御信号Ｃ２に基づいて、接続端Ａ１，Ａ２と接続端Ｂ１，Ｂ２との接続関係を切り替える。具体的には、接続端Ａ１と接続端Ｂ１とを接続するとともに接続端Ａ２と接続端Ｂ２とを接続し、或いは接続端Ａ１と接続端Ｂ２とを接続するとともに接続端Ａ２と接続端Ｂ１とを接続する。この切替器１３は、超音波信号を送信するトランスデューサと超音波信号を受信するトランスデューサとを切り替えるために設けられる。

トランスデューサ１４ａ，１４ｂは、流体Ｘが流れる配管Ｒを挟むように配置されており、送信回路１１から出力される駆動信号Ｓ２に基づいて配管Ｒ内を流れる流体Ｘに対して超音波信号を送信するとともに、流体Ｘを介した超音波信号を受信する。尚、これらトランスデューサ１４ａ，１４ｂは何れも超音波信号の送受信が可能であり、何れか一方から送信された超音波信号は何れか他方で受信される。

また、図１に示す通り、トランスデューサ１４ａはトランスデューサ１４ｂよりも上流側に配置されている。これは、配管Ｒ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号が送受信されるようにするためである。従って、トランスデューサ１４ａからトランスデューサ１４ｂに向けて超音波信号を送信すれば流体Ｘの流れに沿う向きにおける超音波信号の伝播時間を求めることができ、逆にトランスデューサ１４ｂからトランスデューサ１４ａに向けて超音波信号を送信すれば流体Ｘの流れに逆らう向きにおける超音波信号の伝播時間を求めることができる。受信回路１５は、トランスデューサ１４ａ，１４ｂの何れか一方から出力されて切替器１３の接続端Ａ２から出力される信号を受信し、この信号に応じた受信信号Ｓ３を出力する。

信号処理装置１６は、制御部２１、切替部２２、同期加算平均部２３、残響成分算出部２４、残響成分除去部２５、及び流速流量演算部２６（演算部）を備えており、配管Ｒ内を流れる流体Ｘに対する超音波信号の送信制御を行うとともに、流体Ｘを介した超音波信号を受信して得られる受信信号Ｓ３を用いて、流体Ｘの流速や流量を測定する。尚、流体Ｘの流速のみ、或いは流体Ｘの流量のみを測定しても良く、これらの双方を測定しても良い。

制御部２１は、流体Ｘに対する超音波信号の送信制御、及び受信回路１５から出力される受信信号Ｓ３の受信制御を行う。具体的には、前述した超音波発振信号Ｓ１及び制御信号Ｃ１を遅延回路１２に出力するとともに制御信号Ｃ２を切替器１３に出力して、流体Ｘに対する超音波信号の送信制御を行う。また、切替部２２の入力端と出力端と接続関係を切り替える制御信号Ｃ３を出力して、受信回路１５から出力される受信信号Ｓ３の受信制御を行う。

切替部２２は、受信信号Ｓ３が入力される１つの入力端と、同期加算平均部２３及び残響成分算出部２４にそれぞれ接続される２つの出力端とを備えており、制御部２１から出力される制御信号Ｃ３に基づいて、入力端と出力端との接続関係を切り替える。同期加算平均部２３は、切替部２２を介して入力される受信信号Ｓ３に対して同期加算処理を行う。ここで、同期加算平均部２３で行われる処理について説明する。

図３は、受信回路１５から出力される受信信号Ｓ３の一例を示す図である。図２に示す送信期間Ｔ１においてパルス信号Ｐ１〜Ｐｎからなる超音波発信信号Ｓ１が出力されると、パルス信号Ｐ１〜Ｐｎの各々に対応した成分ｒ１〜ｒｎからなる受信信号Ｓ３が得られる。尚、図３においては、理解を容易にするために、受信信号Ｓ３をなす成分ｒ１〜ｒｎを分離した状態で図示しているが、これらは互いに分離している訳ではなく重ね合わさった状態にある。

図３に示す通り、受信信号Ｓ３をなす成分ｒ１〜ｒｎの各々には、トランスデューサ１４ａ，１４ｂの一方から送信されて流体Ｘを介して直接他方に受信された波形成分（以下、直接成分という）Ｗ１と、トランスデューサ１４ａ，１４ｂの一方から送信されて配管Ｒ内で多重反射等した後で他方に受信された波形成分（以下、残響成分という）Ｗ２とがそれぞれ含まれる。同期加算平均部２３で行われる同期加算処理は、受信信号Ｓ３をなす成分ｒ１〜ｒｎに含まれる直接成分Ｗ１の時間位置を同期させて重ね合わせる処理である。以上の同期加算処理は、送信期間Ｔ１の各々について行われる。

残響成分算出部２４は、正規波形算出部２４ａ（第１算出部）、重畳波形算出部２４ｂ（第２算出部）、及び残響波形算出部２４ｃ（第３算出部）を備えており、受信回路１５から出力されて切替部２２を介した受信信号Ｓ３と同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４とを用いて、残存している残響成分を求める。正規波形算出部２４ａは、受信回路１５から出力されて切替部２２を介した受信信号Ｓ３を用いて、超音波信号の残響の影響を受けていない波形成分（第１成分：以下、正規波形という）を求める。

具体的には、図２に示す休止期間Ｔ２から送信期間Ｔ１への切り替えが行われた直後に送信される最初の超音波信号（パルス信号Ｐ１に基づいて送信される超音波信号）を受信したときに出力される受信信号Ｓ３を用いて正規波形を求める。つまり、図３に示す受信信号Ｓ３をなす成分ｒ１に含まれる直接成分Ｗ１を切り出す処理を行うことによって正規波形を求める。また、求められた正規波形の平均化処理を行う場合がある。

重畳波形算出部２４ｂは、同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４（受信信号Ｓ３に対して同期加算処理を行って得られる信号）から、超音波信号の残響の影響を受けた波形成分（第２成分：以下、重畳波形という）を求める。具体的には、図２に示す送信期間Ｔ１において、複数の超音波信号（パルス信号Ｐ２〜Ｐｎに基づいて送信される超音波信号）を受信したときに同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４を切り出す処理を行うことによって重畳波形を求める。重畳波形算出部２４ｂは、同期加算平均部２３から信号Ｓ４が出力される度に以上の処理を行い、得られた重畳波形の平均化処理も行う場合がある。

残響波形算出部２４ｃは、正規波形算出部２４ａで求められた正規波形と、重畳波形算出部２４ｂで求められた重畳波形とを用いて残存している残響成分を求める。具体的には、重畳波形算出部２４ｂで求められた重畳波形から正規波形算出部２４ａで求められた正規波形を減算して残響成分を求める。

残響成分除去部２５は、同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４から、残響成分算出部２４の残響波形算出部２４ｃで求められた残響成分を除去する処理を行う。具体的には、同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４から残響成分算出部２４の残響波形算出部２４ｃで求められた残響成分を減算することで、上記の残響成分を除去する。

流速流量演算部２６は、残響成分除去部２５から出力される信号に基づいて、配管Ｒ内を流れる流体Ｘの流速や流量を求める。具体的には、流体Ｘの流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体の流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管Ｒ内を流れる流体の流速を測定する。尚、測定された流速と配管Ｒの断面積とを乗算すれば流体Ｘの流量を求めることができる。

次に、上記構成における超音波測定器１の動作について説明する。配管Ｒ内を流れる流体Ｘに対する測定が開始されると、まず信号処理装置１６から制御信号Ｃ１が出力されて遅延回路１２の遅延量が設定される。尚、ここでは、説明を簡単にするために、制御信号Ｃ１によって遅延回路１２の遅延量が零に設定されており、信号処理装置１６から出力される超音波発振信号Ｓ１は遅延回路１２において遅延が生ずることなく送信回路１１に入力されるものとする。次に、制御部２１から制御信号Ｃ２が出力され、切替器１３の接続関係が設定される。ここでは、接続端Ａ１と接続端Ｂ１とが接続されるとともに、接続端Ａ２と接続端Ｂ２とが接続されるとする。

以上の処理が終了すると、制御部２１から超音波発振信号Ｓ１の出力が開始される。制御部２１から出力された超音波発信信号Ｓ１（パルス信号Ｐ１）は、遅延回路１２を介して送信回路１１に入力される。すると、送信回路１１において、パルス信号Ｐ１に基づいて駆動信号Ｓ２が生成される。生成された駆動信号Ｓ２は切替器１３を介してトランスデューサ１４ａに入力され、これによりトランスデューサ１４ａが駆動されて超音波信号が送信される。トランスデューサ１４ａから送信された超音波信号は、流体Ｘの流れに沿う向きに流体Ｘを伝播してトランスデューサ１４ｂに受信される。

超音波信号がトランスデューサ１４ｂで受信されることによって得られた信号は、切替器１３を介して受信回路１５に入力された後に受信信号Ｓ３として出力される。ここで、パルス信号Ｐ１が出力された時点では、制御部２１から出力される制御信号Ｃ３によって、切替部２２の入力端と残響成分算出部２４とが接続された状態に制御される。このため、受信回路１５から出力された受信信号Ｓ３は残響成分算出部２４に入力され、正規波形算出部２４ａにおいて正規波形が求められる。

以上の処理が終了すると、制御部２１から次の超音波発信信号Ｓ１（パルス信号Ｐ２）が出力される。また、これと同時に制御部２１から制御信号Ｃ３が出力され、切替部２２の入力端と同期加算平均部２３とが接続された状態に制御される。制御部２１からパルス信号Ｐ２が出力されると、パルス信号Ｐ１が出力された場合と同様に、送信回路１１で駆動信号Ｓ２が生成され、この駆動信号Ｓ２に基づいてトランスデューサ１４ａから流体Ｘに対して超音波信号が送信される。そして、流体Ｘを介した超音波信号は、トランスデューサ１４ｂで受信され、これにより受信信号Ｓ３が得られる。

ここで、先に制御部２１から切替部２２に対して出力された制御信号Ｃ３によって切替部２２の入力端と同期加算平均部２３とが接続された状態であるため、受信回路１５から出力された受信信号Ｓ３は同期加算平均部２３に入力される。以後同様に、制御部２１から超音波発信信号Ｓ１が出力される度に得られる受信信号Ｓ３は、切替部２２を介して同期加算平均部２３に入力されて同期加算処理が順次行われる。

図２に示す送信期間Ｔ１が経過すると休止期間Ｔ２に切り替わり、制御部２１からの超音波発信信号Ｓ１の出力は停止される。すると、同期加算平均部２３から同期加算処理の処理結果を示す信号Ｓ４が出力される。この信号Ｓ４は、残響成分算出部２４の重畳波形算出部２４ｂ及び残響成分除去部２５にそれぞれ入力される。信号Ｓ４が重畳波形算出部２４ｂに入力されると、重畳波形算出部２４ｂにおいて重畳波形が求められる。

正規波形算出部２４ａで求められた正規波形及び重畳波形算出部２４ｂで求められた重畳波形は残響波形算出部２４ｃに出力され、重畳波形から正規波形が減算されて残響成分が求められる。図４は、残響成分算出部２４で行われる処理を説明するための図であって、（ａ）は正規波形の一例を示す図であり、（ｂ）は重畳波形の一例を示す図であり、（ｃ）は残響成分の一例を示す図である。尚、図４（ａ）〜図４（ｃ）は何れも横軸に時間をとり、縦軸に信号強度（任意単位）をとっている

図４（ａ）に示す通り、正規波形は、時刻ｔ１において信号強度が急峻に立ち上がり、時刻ｔ２において信号強度がほぼ零になる形状である。この、正規波形は、時刻ｔ１よりも前の時刻、及び時刻ｔ２よりも後の時刻においては、雑音が殆ど無いことが分かる。また、図４（ｂ）に示す通り、重畳波形は、大まかな形状が正規波形と同様の形状である。

しかしながら、重畳波形は、時刻ｔ２が経過しても信号強度が零にならず、また時刻ｔ１よりも前の時刻、及び時刻ｔ２よりも後の時刻における雑音が正規波形よりも大きいことが分かる。これらは、超音波信号の残響の影響によるものであると考えられる。同期加算平均部２３は、Ｓ／Ｎ比を向上させるために設けられているため、図４（ｂ）に示す通り、同期加算平均部２３で超音波信号の残響を除去できていないことが分かる。

図４（ｂ）に示す重畳波形から図４（ａ）に示す正規波形を減算することにより、図４（ｃ）に示す残響成分が得られる。この残響成分を参照すると、残響成分の波形形状は、図４（ｂ）に示す重畳成分から、時刻ｔ２付近において重畳されている雑音、時刻ｔ１よりも前の時刻、及び時刻ｔ２よりも後の時刻における雑音を抜き出した波形形状であることが分かる。

残響成分算出部２４の残響波形算出部２４ｃで求められた残響成分は、残響成分除去部２５に入力される。そして、残響成分除去部２５において、同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４から、残響波形算出部２４ｃで求められた残響成分を減算する処理が行われる。これにより、信号Ｓ４に重畳されている残響成分が除去される。

図５は、残響成分除去部２５で行われる処理を説明するための図であって、（ａ）は同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４の波形の一例を示す図であり、（ｂ）は残響成分除去部２５で得られる信号の波形の一例を示す図である。尚、図５（ａ），図５（ｂ）は何れも横軸に時間をとり、縦軸に信号強度（任意単位）をとっている。但し、図５（ａ），図５（ｂ）の縦軸のスケールは、図４（ａ）〜図４（ｃ）の縦軸のスケールの数十倍程度に設定している。

図５（ａ）に示す通り、同期加算平均部２３から出力される信号Ｓ４は、ｔ１において信号強度が急峻に立ち上がっているものの、時刻ｔ２を経過しても信号強度が零にならずなだらかに信号強度が減少していることが分かる。また、信号Ｓ４は、時刻ｔ１よりも前の時刻、及び時刻ｔ２よりも後の時刻において、超音波信号の残響に起因する雑音が大きいことが分かる。

これに対し、図５（ｂ）に示す通り、残響成分除去部２５で得られる信号は、図５（ａ）に示す信号Ｓ４に比べて、時刻ｔ２における信号強度が遥かに小さくなっていることが分かる。また、時刻ｔ１よりも前の時刻、及び時刻ｔ２よりも後の時刻における雑音も極めて小さくなっていることが分かる。このため、本実施形態では、超音波信号の残響の悪影響が効果的に除去されていることが分かる。残響成分除去部２５で得られた信号は流速流量演算部２６に出力され、配管Ｒ内を流れる流体Ｘの流れに沿う向きにおける超音波信号の伝播時間が求められる。

以上の処理が終了すると、制御部２１から制御信号Ｃ２が出力され、切替器１３の接続関係が切り替えられる。具体的には、接続端Ａ１と接続端Ｂ２とが接続され、接続端Ａ２と接続端Ｂ１とが接続される接続関係に切り替えられる。そして、図２に示す休止期間Ｔ２の経過後に制御部２１から超音波発信信号Ｓ１が出力され、配管Ｒ内を流れる流体Ｘの流れに逆らう向きにおける超音波信号の伝播時間が求められる。

そして、流速流量演算部２６において、流体Ｘの流れに沿う向きにおける超音波信号の伝播時間と、流体Ｘの流れに逆らう向きにおける超音波信号の伝播時間との差が求められ、これにより配管Ｒ内を流れる流体Ｘの流速が求められ、更にはその流量が求められる。尚、流体Ｘの流量は、流体Ｘの流速に配管Ｒの断面積を乗算すれば求められる。

以上説明した通り、本実施形態によれば、配管Ｒ内を流れる流体Ｘに対して超音波信号の送信を行う送信期間Ｔ１と超音波信号の送信を停止する休止期間Ｔ２とを設定し、流体Ｘを介した超音波信号を受信して得られる受信信号Ｓ３から超音波信号の残響の影響を受けていない正規波形と影響を受けた重畳波形とを求めている。そして、重畳波形から正規波形を減算して残響成分を求め、受信信号Ｓ３に対して同期加算処理を行って得られた信号Ｓ４から残響成分を除去する処理を行っている。このため、超音波信号の残響の悪影響を効果的に除去することができ、安定して流体Ｘの流速や流量を測定することができる。

以上、本発明の実施形態による超音波測定器について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、以上説明した実施形態では、説明を簡単にするために、遅延回路１２の遅延量が零である場合について説明したが、超音波発信信号Ｓ１をなすパルス信号Ｐ１〜Ｐｎの各々に対する遅延時間を変動させて、パルス信号Ｐ１〜Ｐｎの時間間隔をランダムにする場合であっても、本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、説明を簡単にするために、１つの送信期間Ｔ１のみに着目して残響成分を求める例について説明した。しかしながら、複数の送信期間Ｔ１に亘って得られる受信信号Ｓ３を平均して正規波形を求めるとともに、複数の送信期間Ｔ１に亘って得られる信号Ｓ４を平均して重畳波形を求め、これらから残響成分を求めても良い。尚、上記受信信号Ｓ３を平均する処理は正規波形算出部２４ａで行われ、信号Ｓ４を平均する処理は重畳波形算出部２４ｂで行われる。

また、上記実施形態では、流体Ｘの流れに沿う向きへの超音波信号の送信を行って得られる受信信号に対して同期加算処理等を行ってから、流体Ｘの流れに逆らう向きへの超音波信号の送信を行って得られる受信信号に対して同期加算処理等を行う例について説明した。しかしながら、流体Ｘの流れに沿う向きへの超音波信号の送信と、流体Ｘの流れに逆らう向きへの超音波信号の送信とを切り替えながら順次行い、これと並行して各々の超音波信号の送信によって得られる受信信号に対する同期加算処理等を行っても良い。

また、上記実施形態では、残響波形算出部２４ｃが重畳波形から正規波形を減算して残響成分を求め、残響成分除去部２５が信号Ｓ４から残響成分を減算することで残響成分を除去する例について説明した。しかしながら、残響波形算出部２４ｃ及び残響成分除去部２５で行われる演算は減算に限られる訳ではなく、適宜他の演算方法を用いることも可能である。更に、本発明は、伝播時間差方式以外の方式を用いて流体の流速や流量を測定する超音波測定器にも適用することが可能である。

１ 超音波測定器
１１ 送信回路
１２ 遅延回路
１４ａ，１４ｂ トランスデューサ
１５ 受信回路
２４ 残響成分算出部
２４ａ 正規波形算出部
２４ｂ 重畳波形算出部
２４ｃ 残響波形算出部
２５ 残響成分除去部
２６ 流速流量演算部
Ｔ１ 送信期間
Ｔ２ 休止期間
Ｘ 流体

Claims (6)

1. 流体を介した超音波信号を用いて前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定する超音波測定器において、
   前記流体に対する超音波信号の送信を行う第１期間と前記流体に対する超音波信号の送信を停止する第２期間とが設定された送信部と、
   前記送信部から送信されて前記流体を介した超音波信号を受信する受信部と、
   前記受信部から出力される受信信号から前記超音波信号の残響の影響を受けていない第１成分と前記超音波信号の残響の影響を受けた第２成分とを求め、該第１成分及び第２成分を用いて前記流体を介した超音波信号の残響成分を求める残響成分算出部と、
   前記受信部から出力される受信信号から、前記残響成分算出部で算出された前記残響成分を除去する残響成分除去部と、
   前記残響成分除去部で得られる信号を用いて前記流体の流速及び流量の少なくとも一方を求める演算部と
   を備えることを特徴とする超音波測定器。
2. 前記残響成分算出部は、前記受信部から出力される受信信号から、前記超音波信号の残響の影響を受けていない第１成分を求める第１算出部と、
   前記受信部から出力される受信信号から、前記超音波信号の残響の影響を受けた第２成分を求める第２算出部と、
   前記第１算出部で求められた前記第１成分と前記第２算出部で求められた前記第２成分とを用いて前記残響成分を求める第３算出部と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波測定器。
3. 前記第３算出部は、前記第２算出部で求められた前記第２成分から、前記第１算出部で求められた前記第１成分を減算して前記残響成分を求めることを特徴とする請求項２記載の超音波測定器。
4. 前記送信部は、前記第１期間において前記超音波信号を断続的に送信し、
   前記第１算出部は、前記第２期間から前記第１期間に切り替えられる直後に前記送信部から送信される最初の超音波信号に基づく受信信号を用いて前記第１成分を求め、
   前記第２算出部は、前記第１期間において前記最初の超音波信号よりも後に前記送信部から送信される超音波信号に基づく受信信号を用いて前記第２成分を求める
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の超音波測定器。
5. 前記送信部は、前記第１期間における前記超音波信号の断続的な送信を、時間間隔を変動させながら行うことを特徴とする請求項４記載の超音波測定器。
6. 前記残響成分算出部は、前記送信部から複数の前記第１期間に亘って出力される超音波信号に基づく受信信号を用いて前記残響成分を求めることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の超音波測定器。

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