JP5512007B1 - Detection method using DFT cross-correlation method - Google Patents
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Abstract
【課題】ノイズに耐性がある超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向配置され所定の超音波信号を送受信する一対の超音波素子と、上流側の超音波素子の受信出力である第1信号と下流側の超音波素子の受信出力である第2信号と、の各々についてフーリエ変換を行って第3信号と第4信号を生成するフーリエ変換手段と、第3信号と第4信号のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と共役複素信号との内積を計算して第5信号を生成する演算手段と、第5信号について逆フーリエ変換を行って第6信号を生成する逆フーリエ変換手段と、第6信号における極大値のタイミングに基づいて、被測定流体の流量を算出する算出手段と、を含む。
【選択図】図1An ultrasonic flowmeter that is resistant to noise is provided.
An ultrasonic flowmeter includes a pair of ultrasonic elements that are arranged opposite to each other with a flow path through which a fluid to be measured flows, and that transmits and receives a predetermined ultrasonic signal. Fourier transform means for generating a third signal and a fourth signal by performing a Fourier transform on each of the first signal that is the received output of the ultrasonic element and the second signal that is the received output of the downstream ultrasonic element And a calculation means for generating a conjugate complex signal of one of the third signal and the fourth signal, calculating an inner product of the other signal and the conjugate complex signal, and generating a fifth signal; Inverse Fourier transform means for performing the inverse Fourier transform to generate the sixth signal, and calculation means for calculating the flow rate of the fluid to be measured based on the timing of the maximum value in the sixth signal.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、超音波流量計に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow meter.
水などの流体の流量を計測する超音波流量計の一形態として、流体が流れる流路の上流側と下流側に流路を挟んで対向配置された一対の超音波素子を有する超音波流量計が知られている。 As one form of an ultrasonic flow meter for measuring the flow rate of a fluid such as water, an ultrasonic flow meter having a pair of ultrasonic elements arranged opposite to each other with the flow channel between the upstream side and the downstream side of the flow channel through which the fluid flows It has been known.
この超音波流量計は、上流側の超音波素子から送信された超音波信号が下流側の超音波素子に到達するまでの時間tuと、下流側の超音波素子から送信された超音波信号が上流側の超音波素子に到達するまでの時間tdと、の差Δtに基づいて、流路を流れる流体の平均流速度および流量を求める。 This ultrasonic flowmeter has a time tu until the ultrasonic signal transmitted from the upstream ultrasonic element reaches the downstream ultrasonic element and the ultrasonic signal transmitted from the downstream ultrasonic element. Based on the difference Δt between the time td to reach the upstream ultrasonic element and the difference Δt, the average flow velocity and flow rate of the fluid flowing through the flow path are obtained.
時間tdと時間tuとの差Δtを求める手法として、「ゼロクロス法」と「積和演算法」とが知られている。なお、「積和演算法」は「相互相関法」に属する。 As a method for obtaining the difference Δt between the time td and the time tu, a “zero cross method” and a “sum of products operation method” are known. The “product-sum operation method” belongs to the “cross-correlation method”.
ゼロクロス法(特許文献1参照)では、周期性を有する超音波信号が用いられ、超音波信号の到達タイミングを決めるための特定の条件に従って、各超音波素子での超音波信号の到達時間が測定され、その到達時間の差が、ハードウェアによるアナログ方式で求められるか、または、ソフトウェアによるデジタル方式で求められる。 In the zero cross method (see Patent Document 1), an ultrasonic signal having periodicity is used, and the arrival time of the ultrasonic signal at each ultrasonic element is measured according to a specific condition for determining the arrival timing of the ultrasonic signal. The difference in arrival time is obtained by an analog method using hardware or a digital method using software.
特定の条件の例として「超音波受信信号が初めてスレシュホールド電圧を超えた後にゼロ電圧となるタイミング(ゼロクロス点)を到達タイミングとする」という条件が用いられる。 As an example of the specific condition, a condition “the timing at which the ultrasonic reception signal becomes zero voltage after first exceeding the threshold voltage (zero cross point) is set as the arrival timing” is used.
一方、積和演算法では、上流側受信信号と下流側受信信号との相互相関が積和演算にて演算され、その相互相関値から到達時間の差が求められる。 On the other hand, in the product-sum operation method, the cross-correlation between the upstream reception signal and the downstream reception signal is calculated by the product-sum operation, and the difference in arrival time is obtained from the cross-correlation value.
具体的には、積和演算法では、時間軸上に上流側受信信号と下流側受信信号とを配置し、上流側受信信号と下流側受信信号が近づくように、時間軸上で下流側受信信号を段階的にずらしていく。そして、下流側受信信号をずらすごとに、時間軸上で同時刻の上流側受信信号と下流側受信信号との値同士を同時刻ごとに掛け合わし、その掛け合わされた値が足し算され、その足し算の結果が、ずらし時間における相互相関値として算出される。そして、相互相関値が最大となるずらし時間が、到達時間の差として求められる。 Specifically, in the product-sum operation method, the upstream side received signal and the downstream side received signal are arranged on the time axis, and the downstream side received signal on the time axis so that the upstream side received signal and the downstream side received signal are close to each other. Shift the signal step by step. Each time the downstream reception signal is shifted, the values of the upstream reception signal and the downstream reception signal at the same time on the time axis are multiplied at the same time, and the multiplied values are added, and the addition is performed. Is calculated as a cross-correlation value at the shift time. Then, the shift time that maximizes the cross-correlation value is obtained as the difference in arrival time.
ゼロクロス法では、ゼロクロス点にノイズが乗ると、その分ゼロクロス点が移動し、流量測定の精度が悪化する。つまり、ゼロクロス法では、ゼロクロス点という特定の測定点でのノイズが、測定精度に大きく影響する。 In the zero cross method, when noise is applied to the zero cross point, the zero cross point moves correspondingly and the accuracy of the flow rate measurement deteriorates. That is, in the zero cross method, noise at a specific measurement point, which is a zero cross point, greatly affects the measurement accuracy.
積和演算法では、受信信号(受波信号)の大きさそのものが重み付けとなる。このため、各受信信号において最も大きい値同士を掛け合わせた値が最も大きな重み付けをされることになる。よって、各受信信号において最も大きい値となる点でのノイズレベルが測定精度に大きく影響する。 In the product-sum operation method, the magnitude of the received signal (received signal) itself is weighted. For this reason, the value obtained by multiplying the largest values in each received signal is weighted the most. Therefore, the noise level at the point where each received signal has the largest value greatly affects the measurement accuracy.
したがって、ゼロクロス法でも積和演算法でも、特定の測定点でのノイズが測定精度に大きく影響するという問題があった。 Therefore, there is a problem that noise at a specific measurement point greatly affects the measurement accuracy in both the zero cross method and the product-sum operation method.
本発明の目的は、上記問題を解決可能な超音波流量計を提供することである。 The objective of this invention is providing the ultrasonic flowmeter which can solve the said problem.
本発明の超音波流量計は、
被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向配置され所定の超音波信号を送受信する一対の超音波素子と、
前記上流側の超音波素子の受信出力である第1信号と、前記下流側の超音波素子の受信出力である第2信号と、の各々について、フーリエ変換を行って第3信号と第4信号を生成するフーリエ変換手段と、
前記第3信号と前記第4信号のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と前記共役複素信号との内積を計算して第5信号を生成する演算手段と、
前記第5信号について逆フーリエ変換を行って第6信号を生成する逆フーリエ変換手段と、
前記第6信号における極大値のタイミングに基づいて、前記被測定流体の流量を算出する算出手段と、を含み、
前記逆フーリエ変換手段は、前記第5信号を所定時間間隔で前記逆フーリエ変換して第6信号を生成し、
前記算出手段は、前記第6信号における最大値のタイミングを特定し、当該最大値のタイミングより前記所定時間前のタイミングでの前記第6信号の微分値を傾きとして有する直線と、当該最大値のタイミングより前記所定時間後のタイミングでの前記第6信号の微分値を傾きとして有する直線と、を用いて、前記所定時間前のタイミングと前記所定時間後のタイミングの間の前記第6信号を直線補間し、該直線補間の結果に基づいて前記極大値のタイミングを算出する。
The ultrasonic flowmeter of the present invention is
A pair of ultrasonic elements that are arranged opposite to each other across the flow path on the upstream side and downstream side of the flow path through which the fluid to be measured flows, and transmit and receive a predetermined ultrasonic signal;
For each of the first signal that is the reception output of the upstream ultrasonic element and the second signal that is the reception output of the downstream ultrasonic element, the third signal and the fourth signal are subjected to Fourier transform. Fourier transform means for generating
Arithmetic means for generating a conjugate complex signal of one of the third signal and the fourth signal, calculating an inner product of the other signal and the conjugate complex signal, and generating a fifth signal;
An inverse Fourier transform means for performing an inverse Fourier transform on the fifth signal to generate a sixth signal;
Based on the timing of the maximum value in said sixth signal, seen including a calculation unit, a for calculating the flow rate of the fluid to be measured,
The inverse Fourier transform means generates the sixth signal by performing the inverse Fourier transform on the fifth signal at a predetermined time interval,
The calculating means specifies the timing of the maximum value in the sixth signal, and includes a straight line having a derivative value of the sixth signal at a timing before the predetermined time as a slope from the timing of the maximum value, and the maximum value A straight line having a slope of a differential value of the sixth signal at the timing after the predetermined time from the timing, and the sixth signal between the timing before the predetermined time and the timing after the predetermined time is a straight line. Interpolation is performed, and the timing of the maximum value is calculated based on the result of the linear interpolation.
本発明によれば、第1信号と第2信号との相互相関関数(第6信号)を算出するために、フーリエ変換が用いられる。フーリエ変換では、第1信号の全てを使っての計算、第2信号の全てを使っての計算が行われる。このため、フーリエ変換を用いて算出された相互相関関数は、第1信号や第2信号の特定の測定点におけるノイズに影響され難くなる。よって、特定の測定点でのノイズが測定精度に大きく影響することを抑制することが可能になる。 According to the present invention, Fourier transform is used to calculate a cross-correlation function (sixth signal) between the first signal and the second signal. In the Fourier transform, calculation using all of the first signal and calculation using all of the second signal are performed. For this reason, the cross-correlation function calculated using the Fourier transform is less susceptible to noise at specific measurement points of the first signal and the second signal. Therefore, it is possible to suppress the noise at a specific measurement point from greatly affecting the measurement accuracy.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態の超音波流量計を示した図である。 FIG. 1 is a diagram showing an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention.
図1において、超音波流量計は、超音波素子1および2と、送信信号発生器3と、パワーアンプ4と、マルチプレクサ5および6と、プリアンプ7と、AGC(Auto Gain Controller)8と、AD(Analog-Digital)コンバータ9と、記憶部10と、処理部11と、表示部12と、を含む。
In FIG. 1, an ultrasonic flowmeter includes ultrasonic elements 1 and 2, a
処理部11は、機能ブロックとして、測定指示部111と、フーリエ変換部112と、演算部113と、逆フーリエ変換部114と、算出部115と、を含む。
The
超音波素子1および2は、被測定流体(例えば、水などの流体)が流れる流路200の上流側と下流側に流路200を挟んで対向配置される一対の超音波振動子である。本実施形態では、超音波素子1は、流路200の上流側に配置され、超音波素子2は、流路200の下流側に配置される。 The ultrasonic elements 1 and 2 are a pair of ultrasonic transducers disposed opposite to each other with the flow path 200 interposed between the upstream side and the downstream side of the flow path 200 through which a fluid to be measured (for example, a fluid such as water) flows. In the present embodiment, the ultrasonic element 1 is disposed on the upstream side of the flow path 200, and the ultrasonic element 2 is disposed on the downstream side of the flow path 200.
超音波素子1と超音波素子2は、流路200を流れる被測定流体を介して4MHzの超音波信号を送受信する。4MHzの超音波信号は、所定の超音波信号および所定周波数の超音波信号の一例である。なお、送受信される超音波信号の周波数は、4MHzに限らず適宜変更可能であり、例えば、1〜4MHzの周波数や8MHzの周波数が用いられてもよい。 The ultrasonic element 1 and the ultrasonic element 2 transmit and receive a 4 MHz ultrasonic signal through the fluid to be measured flowing through the flow path 200. The 4 MHz ultrasonic signal is an example of a predetermined ultrasonic signal and an ultrasonic signal having a predetermined frequency. In addition, the frequency of the ultrasonic signal transmitted / received is not limited to 4 MHz, and can be changed as appropriate. For example, a frequency of 1 to 4 MHz or a frequency of 8 MHz may be used.
送信信号発生器3は、超音波素子1と超音波素子2を振動(駆動)させるための送信信号を発生する。本実施形態では、各送信信号は、予め定められた出力時間T1だけ出力される。
The
パワーアンプ4は、送信信号発生器3が発生した送信信号を、超音波素子1と超音波素子2の励起電圧に合うように電力増幅する。
The
マルチプレクサ5は、パワーアンプ4にて電力増幅された送信信号の出力先を、超音波素子1と超音波素子2との間で切り替える。なお、超音波素子1は、送信信号の入力に応じて、4MHzの超音波信号を超音波素子2に向けて送信し、超音波素子2は、送信信号の入力に応じて、4MHzの超音波信号を超音波素子1に向けて送信する。つまり、マルチプレクサ5は、送信側となる超音波素子を選択する。
The
マルチプレクサ6は、超音波素子1の受信出力(アナログ出力)と、超音波素子2の受信出力(アナログ出力)と、を受け付け、超音波素子1の受信出力と超音波素子2の受信出力とを択一的にプリアンプ7に出力する。つまり、マルチプレクサ6は、受信側となる超音波素子を選択する。なお、超音波素子1の受信出力は第1信号の一例であり、超音波素子2の受信出力は第2信号の一例である。
The
プリアンプ7は、マルチプレクサ6の出力、つまり択一的に出力された各受信出力(超音波素子1の受信出力と、超音波素子2の受信出力)をAGC8の入力電圧レンジまで増幅する。
The
AGC8は、プリアンプ7で増幅された各受信出力を、ADコンバータ9の入力電圧レンジに合わせて増幅する。なお、各受信出力の強度は被測定流体の流速によって変動する。AGC8は、この変動を補償するために、プリアンプ7で増幅された各受信出力を増幅する。
The
ADコンバータ9は、アナログ信号であるAGC8の出力(各受信出力)を、デジタル信号に変換する。具体的には、ADコンバータ9は、AGC8の出力(各受信出力)を一定の時間間隔(サンプリング時間)T2ごとにサンプリングしてデジタル信号(数値化されたデータデータ)に変換する。なお、T2は、T1よりも短い。ADコンバータ9では、数値化するときの最大の数値が決まっており、例えば、10ビットのADコンバータ9は、アナログ値を−512〜511の整数値に変換する。
The
記憶部10は、例えばRAM(Random Access Memory)であり、数値化されたデジタルデータ(デジタル化された各受信出力)を記憶する。
The
処理部11は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro Processing Unit)であり、記憶部10に記憶されたデジタルデータを用いて、流路200を流れる被測定流体の流量を算出する。
The
測定指示部111は、流量の測定時に、マルチプレクサ5および6に切替信号を出力する。なお、マルチプレクサ5および6は、切替信号に応じて、超音波素子1を送信側(送信信号が提供される側)とし超音波素子2を受信側(受信出力がマルチプレクサ6で選択される側)とする状態と、超音波素子2を送信側とし超音波素子1を受信側とする状態と、を切り替える。また、測定指示部111は、送信信号発生器3に動作信号を出力する。なお、送信信号発生器3は、動作信号を受けると、送信信号を発生する。
The
フーリエ変換部112は、フーリエ変換手段の一例である。フーリエ変換部112は、記憶部10内のデジタル化された各受信出力についてそれぞれフーリエ変換(例えば、DFT(離散的フーリエ変換))を行う。
The
以下、記憶部10内のデジタル化された各受信出力のうち、超音波素子1の受信出力を「信号f(t)」と称し、超音波素子2の受信出力を「信号g(t)」と称する。また、信号f(t)をフーリエ変換した結果を「信号F(s)」と称し、信号g(t)をフーリエ変換した結果を「信号G(s)」と称する。
Hereinafter, among the digitized reception outputs in the
なお、信号f(t)は第1信号の一例でもあり、信号g(t)は第2信号の一例でもあり、信号F(s)は第3信号の一例であり、信号G(s)は第4信号の一例である。 The signal f (t) is also an example of the first signal, the signal g (t) is also an example of the second signal, the signal F (s) is an example of the third signal, and the signal G (s) is It is an example of a 4th signal.
演算部113は、演算手段の一例である。演算部113は、信号F(s)と信号G(s)のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と共役複素信号との内積を計算して、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルを算出する。
The
本実施形態では、演算部113は、信号G(s)の共役複素信号(以下「信号H(s)」と称する)を生成する。演算部113は、信号F(s)と信号H(s)との内積(F(s)・H(s))を算出する。なお、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果は、第5信号の一例であり、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルを表す。
In the present embodiment, the
逆フーリエ変換部114は、逆フーリエ変換手段の一例である。逆フーリエ変換部114は、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果について逆フーリエ変換(例えば、IDFT(逆離散フーリエ変換))を行って信号c(t)を生成する。信号c(t)は、第6信号の一例であり、信号f(t)と信号g(t)との相互相関関数を表す。
The inverse
算出部115は、算出手段の一例である。算出部115は、信号c(t)の極大値を与えるta(タイミング)に基づいて、被測定流体の流量を算出する。
The
次に、動作を説明する。 Next, the operation will be described.
図2は、超音波流量計の動作のうち、信号F(s)と信号G(s)を生成するまでの動作を説明するためのフローチャートである。図3は、信号F(s)と信号G(s)を用いて被測定流体の流量を算出する動作を説明するためのフローチャートである。図4は、信号f(t)と信号g(t)を用いて被測定流体の流量を算出する動作を説明するための図である。 FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation until the signal F (s) and the signal G (s) are generated among the operations of the ultrasonic flowmeter. FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of calculating the flow rate of the fluid to be measured using the signal F (s) and the signal G (s). FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of calculating the flow rate of the fluid to be measured using the signal f (t) and the signal g (t).
また、図5は、信号f(t)と信号g(t)の一例を示した図である。図6は、信号F(s)と信号G(s)の一例を示した図であり、図6(a)は信号F(s)と信号G(s)の各々の実数部を示した図であり、図6(b)は信号F(s)と信号G(s)の各々の虚数部を示した図である。図7は、信号c(t)の実数部を示した図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the signal f (t) and the signal g (t). FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the signal F (s) and the signal G (s), and FIG. 6A is a diagram illustrating the real part of each of the signal F (s) and the signal G (s). FIG. 6B is a diagram illustrating the imaginary part of each of the signal F (s) and the signal G (s). FIG. 7 is a diagram showing the real part of the signal c (t).
流量の測定時に、測定指示部111は、マルチプレクサ5が超音波素子2を選択しマルチプレクサ6が超音波素子1を選択する切替信号を、マルチプレクサ5および6に出力する(ステップS201)。
At the time of measuring the flow rate, the
マルチプレクサ5は、その切替信号を受け付けると、送信側として超音波素子2を選択する(ステップS202)。また、マルチプレクサ6は、その切替信号を受け付けると、受信側として超音波素子1を選択する(ステップS203)。
Upon receiving the switching signal, the
測定指示部111は、ステップ201で切替信号を出力してから特定時間T3後に、動作信号を送信信号発生器3に出力する(ステップS204)。
The
送信信号発生器3は、動作信号を受け付けると、出力時間T1だけ送信信号を出力する(ステップS205)。
When receiving the operation signal, the
送信信号は、超音波素子1と超音波素子2の励起電圧に合うようにパワーアンプ4にて電力増幅され、その後、マルチプレクサ5を介して超音波素子2に到達する。超音波素子2は、電力増幅された送信信号に応じて、4MHzの超音波信号を、流路200内の被測定流体を介して、超音波素子1に向けて出力時間T1だけ送信する(ステップS206)。
The transmission signal is amplified by the
一方、超音波素子1の受信出力は、マルチプレクサ6が超音波素子1を選択した以降、プリアンプ7に出力される。超音波素子1の受信出力は、プリアンプ7およびAGC8で増幅され、その後、ADコンバータ9にてサンプリングされ数値化されたデジタルデータに変換され、記憶部10に記憶される(ステップS207)。以下では、ステップS207で記憶されるデジタルデータは、図5の信号f(t)であるとする。なお、ステップS207で記憶されるデジタルデータは、図5の信号f(t)に限らない。
On the other hand, the reception output of the ultrasonic element 1 is output to the
続いて、フーリエ変換部112は、ステップS207で記憶部10に記憶された超音波素子1の受信出力(デジタルデータ)つまり信号f(t)についてフーリエ変換を行って、信号F(s)を生成する(ステップS208)。図6(a)は、信号F(s)の実数部を示し、図6(b)は、信号F(s)の虚数部を示す。フーリエ変換部112は、信号F(s)を演算部113に出力する。
Subsequently, the
続いて、測定指示部111は、動作信号を出力してから時間T4が経過すると、マルチプレクサ5が超音波素子1を選択しマルチプレクサ6が超音波素子2を選択する切替信号を、マルチプレクサ5および6に出力する(ステップS209)。なお、時間T4は、時間T1に規定時間T5を加えた時間である。規定時間T5は、予め想定された、4MHzの超音波信号が送信されてから4MHzの超音波信号が受信されるまでに要する最大時間よりも、長い時間である。
Subsequently, when the time T4 elapses after the output of the operation signal, the
マルチプレクサ5は、その切替信号を受け付けると、送信側として超音波素子1を選択する(ステップS210)。また、マルチプレクサ6は、その切替信号を受け付けると、受信側として超音波素子2を選択する(ステップS211)。
Upon receiving the switching signal, the
測定指示部111は、ステップ209で切替信号を出力してから特定時間T3後に、動作信号を送信信号発生器3に出力する(ステップS212)。
The
送信信号発生器3は、動作信号を受け付けると、出力時間T1だけ送信信号を出力する(ステップS213)。
When receiving the operation signal, the
送信信号は、超音波素子1と超音波素子2の励起電圧に合うようにパワーアンプ4にて電力増幅され、その後、マルチプレクサ5を介して超音波素子1に到達する。超音波素子1は、電力増幅された送信信号に応じて、4MHzの超音波信号を、流路200内の被測定流体を介して、超音波素子2に向けて送信する(ステップS214)。
The transmission signal is amplified by the
一方、超音波素子2の受信出力は、マルチプレクサ6が超音波素子2を選択した以降、プリアンプ7に出力される。超音波素子2の受信出力は、プリアンプ7およびAGC8で増幅され、その後、ADコンバータ9にてサンプリングされ数値化されたデジタルデータに変換され、記憶部10に記憶される(ステップS215)。以下では、ステップS215で記憶されるデジタルデータは、図5の信号g(t)であるとする。なお、ステップS215で記憶されるデジタルデータは、図5の信号g(t)に限らない。
On the other hand, the reception output of the ultrasonic element 2 is output to the
続いて、フーリエ変換部112は、ステップS215で記憶部10に記憶された超音波素子2の受信出力(デジタルデータ)つまり信号g(t)についてフーリエ変換を行って、信号G(s)を生成する(ステップS216)。図6(a)は、信号G(s)の実数部を示し、図6(b)は、信号G(s)の虚数部を示す。
Subsequently, the
なお、測定指示部111は、ステップS212で動作信号を出力してから時間T4が経過すると、マルチプレクサ5が超音波素子1を選択しマルチプレクサ6が超音波素子2を選択することを停止する停止信号を、マルチプレクサ5および6に出力する。
The
フーリエ変換部112は、信号G(s)を演算部113に出力する。
The
演算部113は、信号F(s)と信号G(s)とを受け付けると、信号G(s)の共役複素信号である信号H(s)を算出する(ステップS217)。具体的には、演算部113は、信号G(s)の虚数部(Imaginal part)の正負の符号を反転することで信号H(s)を算出する。
When receiving the signal F (s) and the signal G (s), the
続いて、演算部113は、信号F(s)と信号H(s)との内積を算出する(ステップS218)。演算部113は、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果を、逆フーリエ変換部114に出力する。
Subsequently, the
逆フーリエ変換部114は、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果を受け付けると、その算出結果について逆フーリエ変換を行って、信号c(t)を生成する(ステップS219)。図7は、信号c(t)の実数部を示す。逆フーリエ変換部114は、信号c(t)を算出部115に出力する。
When receiving the calculation result of the inner product of the signal F (s) and the signal H (s), the inverse
算出部115は、図7に示すように、信号c(t)の実数部において極大値を与えるタイミングtaを特定する(ステップS220)。なお、タイミングtaは、上流側の超音波素子1から送信された超音波信号が下流側の超音波素子2に到達するまでの時間tuと、下流側の超音波素子2から送信された超音波信号が上流側の超音波素子1に到達するまでの時間tdとの差Δt(=td−tu)を表す。
As shown in FIG. 7, the
続いて、算出部115は、タイミングtaに基づいて、被測定流体の流量を算出する(ステップS221)。
Subsequently, the
なお、被測定流体の流量は、被測定流体の平均流速(m/sec)に、流路200の断面積を掛け合わせることで求められる。流路200の断面積は、予め測定できる値(定数)であるので、被測定流体の平均流速(m/sec)を求まれば、算出部115は、被測定流体の流量を算出することができる。
Note that the flow rate of the fluid to be measured is obtained by multiplying the average flow velocity (m / sec) of the fluid to be measured by the cross-sectional area of the flow path 200. Since the cross-sectional area of the channel 200 is a value (constant) that can be measured in advance, if the average flow velocity (m / sec) of the fluid to be measured is obtained, the
ここで、被測定流体中の超音波伝播経路の長さをLとし、被測定流体の流れる向きに対する超音波の伝播方向の角度をθとし、静止状態の測定流体中を通る超音波速度をcとすると、被測定流体の平均流速Vは、以下のように表される。 Here, the length of the ultrasonic propagation path in the fluid to be measured is L, the angle of the ultrasonic wave propagation direction with respect to the flow direction of the fluid to be measured is θ, and the velocity of the ultrasonic wave passing through the stationary fluid is c Then, the average flow velocity V of the fluid to be measured is expressed as follows.
数1において、L、θ、cは定数なので、左側の式では、Δtが求まれば、平均流速Vが求まる。 In Equation 1, since L, θ, and c are constants, the average flow velocity V can be obtained by obtaining Δt in the formula on the left side.
数1において、右側の式では、定数cの代わりに、上流側の超音波素子1から送信された超音波信号が下流側の超音波素子2に到達するまでの時間tuと、下流側の超音波素子2から送信された超音波信号が上流側の超音波素子1に到達するまでの時間tdとが用いられる。時間tuと時間tdとの測定手法は公知であるので、詳細な説明は割愛するが、例えば、算出部115が、測定指示部111が動作信号を出力したタイミングと、記憶部10に記憶された超音波素子1、2の受信出力のタイミングと、を用いて測定する。
In Equation 1, in the expression on the right side, instead of the constant c, the time tu until the ultrasonic signal transmitted from the upstream ultrasonic element 1 reaches the downstream ultrasonic element 2 and the downstream super The time td until the ultrasonic signal transmitted from the acoustic element 2 reaches the upstream ultrasonic element 1 is used. Since the measurement method of the time tu and the time td is known, a detailed description is omitted. For example, the
算出部115は、Δtとしてタイミングtaを用いて、数1の式に従って平均流速Vを求め、平均流速Vに流路200の断面積(定数)を掛け合わせて被測定流体の流量を算出する。
The
算出部115は、算出された被測定流体の流量を表示部12に表示する。なお、算出部115は、タイミングtaを表示部12に表示してもよい。
The
次に、本実施形態の効果を説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
本実施形態によれば、信号f(t)と信号g(t)との相互相関関数(信号c(t))を算出するために、フーリエ変換が用いられる。フーリエ変換では、信号f(t)の全てを使っての計算、信号g(t)の全てを使っての計算が行われる。このため、フーリエ変換を用いて算出された相互相関関数は、信号f(t)や信号g(t)の特定の測定点におけるノイズに影響され難くなる。よって、特定の測定点でのノイズが測定精度に大きく影響することを抑制することが可能になる。 According to the present embodiment, Fourier transform is used to calculate a cross-correlation function (signal c (t)) between the signal f (t) and the signal g (t). In the Fourier transform, calculation using all of the signal f (t) and calculation using all of the signal g (t) are performed. For this reason, the cross-correlation function calculated using the Fourier transform is less susceptible to noise at specific measurement points of the signal f (t) and the signal g (t). Therefore, it is possible to suppress the noise at a specific measurement point from greatly affecting the measurement accuracy.
また、従来の方式(ゼロクロス法や積和演算法)では、サンプリング周期に対して約10分の1の時間精度しか得られなかったが、本実施形態では、サンプリング周期の100分の1よりもさらに良い測定精度を得ることが可能になる。 In addition, in the conventional method (zero cross method or product-sum operation method), only about 1/10 time accuracy is obtained with respect to the sampling period, but in this embodiment, it is more than 1/100 of the sampling period. Even better measurement accuracy can be obtained.
また、本実施形態では、一対の超音波素子1、2間で所定の超音波信号の送受信が行われ、各超音波素子1、2の受信出力についてフーリエ変換が行われる。フーリエ変換では窓関数を用いた処理が良く使われるが、本実施形態では、送信される超音波信号にて各超音波素子の受信出力の形状を調整することができる。このため、例えば、送信される超音波信号として、各超音波素子1の受信出力そのものが窓関数による処理済みの形となる信号(例えば、図5の信号f(t)の波形と同様の波形を有する超音波信号)が用いられれば、窓関数を用いた処理を不要にできる。なお、図5の信号f(t)の波形と同様の波形を有する超音波信号は、超音波振動子に励起電圧の供給を開始し、その後励起電圧の供給の停止を行うことにより容易に実現できる。 In the present embodiment, a predetermined ultrasonic signal is transmitted and received between the pair of ultrasonic elements 1 and 2, and Fourier transform is performed on the reception output of each ultrasonic element 1 and 2. In the Fourier transform, processing using a window function is often used. In this embodiment, the shape of the reception output of each ultrasonic element can be adjusted by the transmitted ultrasonic signal. Therefore, for example, as an ultrasonic signal to be transmitted, a signal in which the reception output itself of each ultrasonic element 1 is processed by a window function (for example, a waveform similar to the waveform of the signal f (t) in FIG. 5). If an ultrasonic signal having (2) is used, processing using a window function can be made unnecessary. Note that an ultrasonic signal having a waveform similar to the waveform of the signal f (t) in FIG. 5 is easily realized by starting the supply of the excitation voltage to the ultrasonic transducer and then stopping the supply of the excitation voltage. it can.
DFT演算処理前に窓関数を乗じる方式の場合、窓関数の開始位置と終了位置を変えると計算結果である時間差の値が変わってしまう。さらに、窓関数を乗じることによりサンプリングデータに重み付けを行ってしまい、サンプリングにより得られたデータ点同士の時間差を計算しているとは厳密には言えない。窓関数を用いた処理を不要にできれば、これらの問題を解決可能となる。 In the case of the method of multiplying the window function before the DFT calculation processing, changing the start position and end position of the window function changes the value of the time difference that is the calculation result. Furthermore, it cannot be said strictly that the sampling data is weighted by multiplying by the window function and the time difference between the data points obtained by the sampling is calculated. If processing using a window function can be eliminated, these problems can be solved.
また、本実施形態では、所定周波数(例えば、4MHz)の超音波信号が用いられる。このため、例えば、受信出力用のフィルタを設ける場合、単一周波数の超音波信号を通過する高精度のフィルタが使いやすくなる。また、単一周波数の超音波信号についてフーリエ変換(例えば、DFT)を行うと、ノイズ成分が主成分周波数(送信超音波信号の周波数)以外の周波数に押しやられる形となる。そして、共役複素積(内積)を計算するときに、主成分周波数以外の周波数成分の値は無視できる程小さな値となり、結果として、2つ(上流・下流)受波の中の主成分周波数に関わる項目が重み付けされて計算される。 In the present embodiment, an ultrasonic signal having a predetermined frequency (for example, 4 MHz) is used. For this reason, for example, when a filter for reception output is provided, a high-accuracy filter that passes a single-frequency ultrasonic signal is easy to use. Further, when Fourier transform (for example, DFT) is performed on an ultrasonic signal having a single frequency, a noise component is pushed to a frequency other than the main component frequency (frequency of the transmitted ultrasonic signal). When calculating the conjugate complex product (inner product), the value of the frequency component other than the main component frequency is negligibly small. As a result, the main component frequency in the two (upstream and downstream) receptions is calculated. The items involved are weighted and calculated.
なお、信号f(t)や信号g(t)をそのままDFT演算処理すると、フーリエ変換の特性として演算開始点と終了点における信号値が異なる場合に大きなノイズとなる。また、信号f(t)や信号g(t)に含まれるノイズ成分が時間差計算の精度を悪くする。 If the signal f (t) and the signal g (t) are directly subjected to the DFT calculation process, a large noise is generated when the signal values at the calculation start point and the end point are different as the characteristics of the Fourier transform. In addition, noise components included in the signal f (t) and the signal g (t) deteriorate the accuracy of time difference calculation.
このため、例えばフーリエ変換部112が、信号f(t)や信号g(t)のうち、時間差比較の対象となる超音波信号部分(超音波信号の受信信号)の前や後ろの部分を強制的に「0」とする信号処理を実行し、その信号処理が実行された信号f(t)および信号g(t)の各々についてDFTを行うことが望ましい。なお、この信号処理は、フーリエ変換部112の前段に設けられた処理部(不図示)にて行われてもよい。
For this reason, for example, the
この信号処理が行われることで、DFT演算処理により生じるノイズの問題を低減でき、時間差計算の精度を改善することが可能になる。なお、「0」は特定値の一例である。そして、特定値は「0」に限らず適宜変更可能である。 By performing this signal processing, it is possible to reduce the noise problem caused by the DFT arithmetic processing and improve the accuracy of time difference calculation. “0” is an example of a specific value. The specific value is not limited to “0” and can be changed as appropriate.
また、DFT演算やIDFT演算におけるフーリエ級数の計算は多数の項を含むため計算に時間が掛かる。フーリエ級数の計算に必要なsin関数およびcos関数の値は以下のような形式である。 In addition, calculation of Fourier series in DFT calculation and IDFT calculation takes a lot of time because it includes many terms. The values of the sin function and the cos function necessary for the calculation of the Fourier series are in the following form.
ただし k,n は整数で、典型的にはk,n=0〜N−1
そこで、あらかじめk,n=0〜N−1の場合についてsin関数およびcos関数の値を計算してテーブルとして記憶部(記憶手段)保持しておき、フーリエ変換部112がDFTを計算する場合やフーリエ逆変換部114がIDFTを計算する場合に、数3に示すように、k、nを引数としてテーブル参照することで、フーリエ変換および逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値の再計算を行わずに高速にDFTやIDFTを計算可能にしてもよい。
Where k, n is an integer, typically k, n = 0 to N−1
Therefore, in the case of k, n = 0 to N−1, the values of the sin function and the cos function are calculated in advance and stored as a table (storage means), and the
図8は、フーリエ変換および逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値を示したテーブルを記憶した記憶部13を備えた超音波流量計の一例を示した図である。なお、図8において、図1に示したものと同一構成のものには同一符号を付してある。
FIG. 8 is a diagram showing an example of an ultrasonic flowmeter provided with a
図8に示した超音波流量計では、フーリエ変換部112は、記憶部13内のテーブル(フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値)を参照してフーリエ変換を実行する。また、逆フーリエ変換部114は、記憶部13内のテーブル(逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値)を参照してフーリエ変換を実行する。
In the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 8, the
また、図1、図8に示した超音波流量計において、信号c(t)の極大値のタイミングtaを求める手法して、以下の手法が用いられてもよい。 Moreover, in the ultrasonic flowmeter shown in FIGS. 1 and 8, the following method may be used as a method for obtaining the maximum value timing ta of the signal c (t).
(1)第1の手法「DFT演算および共役複素数積により得られた係数列によりIDFT演算を行う場合に、サンプリングポイントだけでなく任意のポイントにおけるIDFT演算値を繰り返し計算することで目的の有効桁数の時間差を得る方式」
従来の積和演算法では、サンプリングポイント単位で時間をずらした積和値が最大となるポイントが求められる。このため、積和演算法では、サンプリング周期単位の時間差精度しか得られない。
(1) First method: When performing IDFT operation using a coefficient sequence obtained by DFT operation and conjugate complex product, the target effective digit is obtained by repeatedly calculating the IDFT operation value not only at the sampling point but also at any point. A method to obtain the time difference between numbers ”
In the conventional product-sum operation method, the point at which the product-sum value obtained by shifting the time in units of sampling points is maximized is obtained. For this reason, in the product-sum operation method, only time difference accuracy in units of sampling periods can be obtained.
第1の手法では、逆フーリエ変換部114は、まず、サンプリングポイントT2(第1時間間隔)単位で、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルに対してIDFT演算を行って予備となる信号(第7信号)を生成する。
In the first method, the inverse
続いて、逆フーリエ変換部114は、予備となる信号の極大値のタイミング(最も確からしい時間差)tbを、サンプリング周期をもとに求める。
Subsequently, the inverse
続いて、逆フーリエ変換部114は、タイミングtbの前後を含む時間範囲(例えば「tb−α」から「tb+α」までの範囲)において、サンプリングポイント間隔よりも短い時間間隔(要求する精度の時間差間隔)で、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルに対してIDFT演算を行うことで、信号c(t)を生成する。逆フーリエ変換部114は、この信号c(t)を算出部115に出力する。算出部115は、この信号c(t)における極大値のタイミングに基づいて、被測定流体の流量を算出する。
Subsequently, the inverse
このため、第1の手法によれば、最も確からしい時間差Δtを、要求する精度で計算することが可能になる。 For this reason, according to the first method, the most probable time difference Δt can be calculated with the required accuracy.
(2)第2の手法「DFT演算結果が最大となる点すなわち目的の時間差を計算するときに、IDFT演算結果の関数の微分値が0となる点を直線補間により求める方式」
IDFT演算結果の関数の実数部の値が最大となる点を求めるために、目的の精度となるまで引数を増減して再計算を行うと時間がかかる。
(2) Second method “A method for obtaining a point where the differential value of the function of the IDFT calculation result is 0 when calculating the point where the DFT calculation result is the maximum, that is, the target time difference” by linear interpolation.
In order to find the point where the value of the real part of the function of the IDFT calculation result is maximized, it takes time to perform recalculation by increasing / decreasing arguments until the target precision is reached.
第2の手法では、IDFT演算結果の関数の微分値を与える計算式を導出し、IDFT演算結果の関数の極大値を与える点ではIDFT演算結果の関数の微分値が0となることを利用してIDFT演算結果の関数の極大値を与える点を求めることで、繰り返し計算を行なわなくとも、極大値のタイミングを計算できる。 In the second method, a formula that gives the derivative value of the function of the IDFT operation result is derived, and the fact that the derivative value of the function of the IDFT operation result is 0 in terms of giving the maximum value of the function of the IDFT operation result. By calculating the point that gives the maximum value of the function of the IDFT calculation result, the timing of the maximum value can be calculated without repeating the calculation.
例えば、逆フーリエ変換部114は、あらかじめ各サンプリングポイント上(所定時間間隔)で、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルに対してIDFT演算を行って信号c(t)を算出する。
For example, the inverse
続いて、算出部115は、信号c(t)の最大値(極大値)のタイミング(最も大きなIDFT値を与えるサンプリングポイント)を特定する。
Subsequently, the
続いて、算出部115は、その特定されたタイミングの直前のサンプリングポイント上のIDFT演算結果の関数の微分値を傾きとして有しそのIDFT演算結果を通る直線と、該特定されたタイミングの直後のサンプリングポイント上のIDFT演算結果の関数の微分値を傾きとして有しそのIDFT演算結果を通る直線と、を使って、直前のサンプリングポイントと直後のサンプリングポイントとの間の信号c(t)を直線補間する。
Subsequently, the
続いて、算出部115は、直線補間された信号c(t)の最大値を取るタイミング(直線の交点に対応するタイミング)を、信号c(t)の微分値が0となるタイミングとして特定する。
Subsequently, the
なお、目的の精度が出るようにサンプリングポイントの間隔を十分に狭く取っておけば、目的の精度を得ることができる。 It should be noted that the target accuracy can be obtained if the interval between the sampling points is sufficiently narrow so that the target accuracy is obtained.
任意時刻nのときのIDFTの実数部の計算式は、以下のような形をしている。 The calculation formula for the real part of IDFT at arbitrary time n has the following form.
なお、数4において、CCR_realは、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルの実数部を示し、CCR_imagは、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルの虚数部を示す。
In
IDFTをnについて微分すると以下となる。 Differentiating IDFT with respect to n yields:
ここで、 here,
となる求めるn0がn-1とn+1の間にあって直線補間できるとすると、求めるn0は以下のように計算できる。 If n0 to be obtained is between n-1 and n + 1 and linear interpolation can be performed, n0 to be obtained can be calculated as follows.
算出部115は、数7に従って、n0(直線補間された信号c(t)の最大値を取るタイミング)を算出する。
The
なお、上記実施形態において、信号f(t)は、下流側の超音波素子2が超音波信号を送信してから上流側の超音波素子1が超音波信号を受信し終わるまでの期間における上流側の超音波素子1の出力でもよく、信号g(t)は、上流側の超音波素子1が超音波信号を送信してから下流側の超音波素子2が超音波信号を受信し終わるまでの期間における下流側の超音波素子2の出力でもよい。 In the above-described embodiment, the signal f (t) is an upstream signal in a period from when the downstream ultrasonic element 2 transmits an ultrasonic signal until the upstream ultrasonic element 1 finishes receiving the ultrasonic signal. The signal g (t) may be output from the upstream ultrasonic element 1 after transmitting the ultrasonic signal until the downstream ultrasonic element 2 finishes receiving the ultrasonic signal. It may be the output of the ultrasonic element 2 on the downstream side during this period.
また、上記実施形態において、処理部11内の各部は、処理部11が、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたコンピュータプログラムを読み取り実行することで実現されてもよし、個別のハードウェアで実現されてもよい。
In the above-described embodiment, each unit in the
以上説明した実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。 In the embodiment described above, the illustrated configuration is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration.
1、2 超音波素子
3 送信信号発生器
4 パワーアンプ
5、6 マルチプレクサ
7 プリアンプ
8 AGC
9 ADコンバータ
10 RAM
11 処理部
111 測定指示部
112 フーリエ変換部
113 演算部
114 逆フーリエ変換部
115 算出部
200 流路
1, 2
9
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記上流側の超音波素子の受信出力である第1信号と、前記下流側の超音波素子の受信出力である第2信号と、の各々について、フーリエ変換を行って第3信号と第4信号を生成するフーリエ変換手段と、
前記第3信号と前記第4信号のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と前記共役複素信号との内積を計算して第5信号を生成する演算手段と、
前記第5信号について逆フーリエ変換を行って第6信号を生成する逆フーリエ変換手段と、
前記第6信号における極大値のタイミングに基づいて、前記被測定流体の流量を算出する算出手段と、を含み、
前記逆フーリエ変換手段は、前記第5信号を所定時間間隔で前記逆フーリエ変換して第6信号を生成し、
前記算出手段は、前記第6信号における最大値のタイミングを特定し、当該最大値のタイミングより前記所定時間前のタイミングでの前記第6信号の微分値を傾きとして有する直線と、当該最大値のタイミングより前記所定時間後のタイミングでの前記第6信号の微分値を傾きとして有する直線と、を用いて、前記所定時間前のタイミングと前記所定時間後のタイミングの間の前記第6信号を直線補間し、該直線補間の結果に基づいて前記極大値のタイミングを算出する、超音波流量計。 A pair of ultrasonic elements that are arranged opposite to each other across the flow path on the upstream side and downstream side of the flow path through which the fluid to be measured flows, and transmit and receive a predetermined ultrasonic signal;
For each of the first signal that is the reception output of the upstream ultrasonic element and the second signal that is the reception output of the downstream ultrasonic element, the third signal and the fourth signal are subjected to Fourier transform. Fourier transform means for generating
Arithmetic means for generating a conjugate complex signal of one of the third signal and the fourth signal, calculating an inner product of the other signal and the conjugate complex signal, and generating a fifth signal;
An inverse Fourier transform means for performing an inverse Fourier transform on the fifth signal to generate a sixth signal;
Based on the timing of the maximum value in said sixth signal, seen including a calculation unit, a for calculating the flow rate of the fluid to be measured,
The inverse Fourier transform means generates the sixth signal by performing the inverse Fourier transform on the fifth signal at a predetermined time interval,
The calculating means specifies the timing of the maximum value in the sixth signal, and includes a straight line having a derivative value of the sixth signal at a timing before the predetermined time as a slope from the timing of the maximum value, and the maximum value A straight line having a slope of a differential value of the sixth signal at the timing after the predetermined time from the timing, and the sixth signal between the timing before the predetermined time and the timing after the predetermined time is a straight line. An ultrasonic flowmeter that interpolates and calculates the timing of the maximum value based on a result of the linear interpolation .
前記所定の超音波信号は、所定周波数の超音波信号である、超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to claim 1,
The ultrasonic flowmeter, wherein the predetermined ultrasonic signal is an ultrasonic signal having a predetermined frequency.
前記フーリエ変換手段は、前記第1信号の両端部および前記第2信号の両端部を特定値とする信号処理を実行し、前記信号処理が実行された第1信号および第2信号の各々について前記フーリエ変換を行って前記第3信号と前記第4信号を生成する、超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to claim 1 or 2,
The Fourier transform means performs signal processing with specific values at both ends of the first signal and both ends of the second signal, and for each of the first signal and the second signal subjected to the signal processing, An ultrasonic flowmeter that performs Fourier transform to generate the third signal and the fourth signal.
前記フーリエ変換および前記逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値を示したテーブルを記憶する記憶手段を含み、
前記フーリエ変換手段は、前記テーブルを参照して前記フーリエ変換を実行し、
前記逆フーリエ変換手段は、前記テーブルを参照して前記逆フーリエ変換を実行する、超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 3,
Storage means for storing a table showing sin function values and cos function values necessary for the Fourier transform and the inverse Fourier transform;
The Fourier transform means performs the Fourier transform with reference to the table,
The inverse Fourier transform unit is an ultrasonic flowmeter that performs the inverse Fourier transform with reference to the table.
前記逆フーリエ変換手段は、前記第5信号を第1時間間隔で前記逆フーリエ変換して第7信号を生成し、前記第7信号の極大値のタイミングの前後を含む所定時間領域について、前記第5信号を前記第1時間間隔よりも短い第2時間間隔で前記逆フーリエ変換して前記第6信号を生成する、超音波流量計。 In the ultrasonic flowmeter according to any one of claims 1 to 4,
The inverse Fourier transform means generates the seventh signal by performing the inverse Fourier transform on the fifth signal at a first time interval, and for the predetermined time region including before and after the maximum value timing of the seventh signal. An ultrasonic flowmeter that generates the sixth signal by performing the inverse Fourier transform on five signals at a second time interval shorter than the first time interval.
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