JPH0682060B2

JPH0682060B2 - 相関式流量計

Info

Publication number: JPH0682060B2
Application number: JP62096822A
Authority: JP
Inventors: 豊稲田; ひさ乃山下
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1987-04-20
Filing date: 1987-04-20
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPS63262524A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、流れの情報を流路の上流側と下流側とで検出
してその相互相関値から流量を測定する相関式流量計に
関するものである。

「従来の技術」従来知られている相関式流量計としては、例えば、実開
昭60−21925公報、実開昭60−25920号公報に記載された
ものがある。これら流量計は、流れの方向に間隔を置い
た複数箇所に、この流れの変化に対応する検出信号、例
えば超音波の伝播特性、あるいは流体の静電容量等を出
力するセンサを設けておき、これら各センサの測定デー
タの相関関係から、流体に生じた“流れの乱れ”が各セ
ンサに検出される時間差を演算し、よって流体の流量を
知ることができるようになっている。

第３図は、センサに超音波式センサを用いた前記従来の
相関式流量計の一例を示す図である。図中、符中１は流
量の測定が行なわれる配管であり、この配管１には、そ
の流れ方向に間隔を置いて上流側センサ２、下流側セン
サ３が設けられている。これら上流側センサ２および下
流側センサ３は互いに同一の構成とされており、配管１
の外周に配設された超音波発信器（以下、単に発信器と
称する）2a、3aと、配管１を挾んで前記発信器2a、3aと
相対向する位置に配設され、発信器2a、3aから発信され
る超音波信号を受信する超音波受信器（以下、単に受信
器と称する）2b、3bとから構成されている。

前記各センサ２、３の発信器2a、3aには超音波源４が接
続され、この超音波源４の駆動により、各発信器2a、3a
から各受信器2b、3bに向って超音波が発信され、この超
音波は管路を横断して各受信器2b、3bにより受信され、
ここで電気信号に変換される。

また、各受信器2b、3bには信号処理器5a、5bが接続され
ており、各受信器2b、3bからの電気信号が入力されるよ
うになっている。配管１内の流体の流れに乱れが生じて
この入力信号が変調を受けると、信号処理器5a、5bから
その乱れ信号がA/D変換器６にてA/D変換され、相関演算
器７に出力される。そして、前記相関演算器７は、信号
処理器5a、5bから入力された“流れの乱れ信号”の相互
相関演算を行って、前記両センサ２、３間における“流
れの乱れ信号”の時間遅れτを測定結果として出力する
のである。

次に、このような構成を有する相関式流量計を例に取
り、前記時間差の演算方法をより具体的に説明する。各
センサは、流体の流れ方向に所定の間隔を置いて配設さ
れているから、これらセンサが流れの乱れを検出するタ
イミングには、流速および上流側、下流側センサ間の間
隔に比例する時間遅れτが生じる。また、上流側および
下流側の各センサ２、３の測定データは、前記相関演算
器７に入力される段階において、それぞれ次式で与えら
れるような時系列データの関数として表現できる。

ｆ（ｔ）＝X₁,X₂,……,Xn,… ……（１）ｇ（ｔ）＝Y₁,Y₂,……,Yn,… ……（２）（ｔ＝ｎ×Δt,ΔｔはA/D変換のサンプリング周期）そして、これらの関数ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）は、前記時間
遅れτに相当する位相差をもったほぼ同一の波形（厳密
には、流体及び流路により若干変形した波形）となる。
従って、これらｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の間には前記時間遅
れτを変数とする相互相関関係が成立する。

よって、関数ｆ（ｔ）とｇ（ｔ−τ）との積を一定の区
間〔0,T〕に亙って時間ｔで積分した式が最大となる場合（両関数の位相差が無くなる場合）の
τｍを求めれば、これがセンサ間での“流れの乱れ”が
検出される時間遅れτの実測値となる。実際には、次式
で与えられる値Ｒ（τ）が最大値を取るときのτｍ＝ｍ
×Δｔを時間遅れτの実測値とすればよい（第４図参
照）。

そして、前記上流側および下流側のセンサ間の距離をＬ
とすれば、この区間における流体の流速Ｖは、Ｖ＝L/τｍ ……（５）により与えられ、さらに流路内での流速がほぼ均一であ
ると仮定し、流路の断面積をＳとすれば、前記区間にお
ける流体の流量Ｑは、Ｑ＝Ｖ・Ｓ ……（６）により求めることができる。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、相関演算により求める“流れの乱れ”信号の
検出遅れ時間の分解能は信号をA/D変換する際のサンプ
リング周波数と比例する。したがって、上述したような
相関式流量計において、その時間分解能を高めるために
はサンプリング周波数を高いものとする必要がある。す
なわち、第５図は前記相関演算器７により行なわれる相
互相関演算の原理を模式的に表したものであるが、この
第５図におけるXi、Yiの各データを細かく採る必要があ
るわけである。しかしながら、このサンプリング周波数
が高くなることは、信号の単位時間あたりのデータ数が
増加することとなり、その結果、相関演算を行うための
データ数が多くなる。第５図における計算においては、
データ数が少しでも増えれば、その演算回数が大幅に増
加することが解る。従って、検出遅れ時間の分解能を高
めるべくサンプリング周波数を高めることは、演算時間
を延長させリアルタイムでの計測が困難となるといった
問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、上記のよ
うな原理に基づく相関式流量計において、検出遅れ時間
の分解能を確保しつつ相関演算を行うためのデータ数を
少なくすることにより、時間遅れ計測における正確性と
迅速性との双方を満足し得る相関式流量計を提供するこ
とを目的とするのである。

「問題点を解決するための手段」本発明は、流体の流路の流れ方向に相互に間隔を置いた
複数箇所に流れの変化に対応た検出信号を出力するセン
サを設け、これら各センサの検出信号をA/D変換した後
れらの相互相関演算値から各センサの検出信号の遅れ時
間を算出することによって前記流体の流量を測定する相
関式流量計において、一方のセンサからの検出信号をA/
D変換する際のサンプリング周波数を、他方のセンサか
らの検出信号をA/D変換する際のサンプリング周波数よ
りも低く設定したことを特徴とするものであり、さら
に、前記一方のセンサからの検出信号をA/D変換する際
のサンプリング周波数を少なくとも前記流れの変化を認
識し得る周波数に設定し、かつ他方のセンサからの検出
信号をA/D変換する際のサンプリング周波数を所要の遅
れ時間分解能が得られる周波数に設定したものを含むも
のである。

「作用」一方のセンサからの検出信号をA/D変換する際のサンプ
リング周波数を他方のセンサのそれよりも低く設定する
ことにより、相関演算に係わるデータ数が減少し、相互
相関演算が短時間にて実施される。

また、一方のセンサからの検出信号をA/D変換する際の
サンプリング周波数を少なくとも流れの変化を認識し得
る周波数に設定し、かつ他方のセンサからの検出信号を
A/D変換する際のサンプリング周波数を所要の時間分解
能を得るに足る周波数に設定することにより、時間遅れ
の測定を、必要な精度を確保した最短の時間で行うこと
ができる。

「実施例」以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明を超音波式相関式流量計に適用した例を
示したもので、図中、符号10は流量の測定が行なわれる
配管である。

この配管10の上流側（図中左側）外周には上流側センサ
11が設けられる一方、その下流側（図中右側）には、前
記上流側センサ11から管軸方向に間隔を置いて下流側セ
ンサ12が設けられている。これら上流側センサ11および
下流側センサ12は互いに同一の構成とされており、配管
10の外周に配設された発信器11a、12aと、配管10を挾ん
で発信器11a、12aと相対向する位置に配設され、発信器
11a、12aから発信される超音波信号を受信する受信器11
b、12bとからなるものである。

前記各センサ11、12の発信器11a、12aには超音波源13が
接続されている。この超音波源13の駆動により、各発信
器11a、12aから各受信器11b、12bに向って超音波が発信
され、この超音波は管路を横断して各受信器11b、12bに
より受信され、ここで電気信号に変換される。

また、各受信器11b、12bには信号処理器14a、14bが接続
されている。これら信号処理器14a、14bには、各受信器
11b、12bからの電気信号が入力されると共に、配管10内
の流体の流れに乱れ（流れの変化）が生じてこの入力信
号が変調を受けると、信号処理器14a、14bからその乱れ
信号がA/D変換器15に入力される。

ここで、A/D変換器15は、信号処理器14a、14bのそれぞ
れに対応して上流側センサ用A/D変換器15aと下流側セン
サ用A/D変換器15bとが独立して設けられたものとなって
いる。すなわち、一方の信号処理器14aからの電気信号
は上流側センサ用A/D変換器15aに入力され、他方の信号
処理器14bからの電気信号は下流側センサ用A/D変換器15
bに入力されるわけである。

そして、前記２個のA/D変換器15のうち、上流側センサ
用A/D変換器15aは信号処理器14aからの電気信号をA/D変
換する際において、必要最低限のサンプリング周波数を
もって行うものとなっている。必要最低限のサンプリン
グ周波数とは流れの乱れをサンプル値系列より再現する
に足る周波数であり、計測される流体による“流れの乱
れ信号”の周波数に鑑みて決定される。一般に、この
“流れの乱れ信号”自体の周波数帯域は低いものである
から、これに従いサンプリング周波数は低くすることが
できる。

また、一方、下流側センサ用A/D変換器15bのサンプリン
グ周波数は、所要の時間分解能が得られるように高いも
のとされている。ここで言う所要の時間分解能とは、時
間遅れτをどれだけの精度で検出するかということに係
わり、一例を挙げるならば、時間遅れτを百分の一単位
の精度で検出しようとするとき、この下流側センサ用A/
D変換器15bのサンプリング周波数はその周期が時間遅れ
τの百分の一以下の時間とする必要があるわけである。

これら上流側センサ用A/D変換器15a、および下流側セン
サ用A/D変換器15bによりデジタル化された信号は、それ
ぞれ乱れ信号データXi、Yjとして相関演算器16に入力さ
れる。相関演算器16は、前記乱れ信号データXi、Yjの相
互相関演算を行って、前記両センサ11、12間における流
れの乱れの時間遅れτを算出する。

以上のような構成を有する相関式流量計が設置された配
管10内に流体が流通され、この流体に生じた流れの乱れ
が上流側センサ11および下流側センサ12が設けられた区
間を通過すると、それぞれのセンサ11、12の受信器11
b、12bにより受信される超音波に変調が生じる。そし
て、各信号処理器14a,14bにより、この変調された受信
信号から乱れ信号が抽出され、この乱れ信号はそれぞれ
上流側センサ用A/D変換器15a、下流側センサ用A/D変換
器15bによりA/D変換され、さらに、相関演算器16によっ
て、これら双方のA/D変換器15a、15bから入力されたデ
ジタル化された乱れ信号Xi、Yjの相互相関演算が行なわ
れる。

ここにおいて、上述したように、上流側センサ用A/D変
換器15aは信号処理器14aからの電気信号をA/D変換する
際において、必要最低限のサンプリング周波数をもって
行い、下流側センサ用A/D変換器15bは信号処理器14bか
らの電気信号をA/D変換する際において、高いサンプリ
ング周波数にて行なわれるものであるから、データ数の
少ない上流側センサ11に対応するデータXiと、データ数
の下流側センサ12に対応するデータYjとの相関演算が行
われるわけである。すなわち、その相関演算は第２図に
示す如く形態で実施され、時間分解能を決定するYjのサ
ンプリング周期と、演算データ数に係わるXiとを別々に
設定することができる。

従って、上記構成なる相関式流量計においては、上流側
センサ11により検出された流れの乱れ信号を必要低限の
サンプリング周波数でもってA/D変換を行い、一方の下
流側センサ12により検出された流れの乱れ信号を高いサ
ンプリング周波数でもってA/D変換し、それらの相関演
算を行うものとしたものであるから、相関演算における
演算回数を大幅に減少しつつ、遅れ時間τの時間分解能
を確保することができ、このため、高精度かつリアルタ
イムでの計測が容易に可能となる。

また、時間分解能と演算データ数との関係については、
流れの状態、あるいは粘性等に起因する“流れの乱れ”
の発生状況などに合わせて最適な状態、すなわち、所望
の精度を得ながら最も演算回数が少ない（演算が早い）
状態とすることが可能である。

なお、本実施例においては、上流側センサ11からの信号
を低い周波数でサンプリングし、下流側センサ12からの
信号を高い周波数でサンプリングするものとしたが、こ
れとは逆に、下流側センサ12からの信号を低い周波数で
サンプリングし、上流側センサ11からの信号を高い周波
数でサンプリングするようにしてもその効果は同様であ
る。また、２台の信号処理器14a、14bからの信号を、そ
れぞれ独立したA/D変換器15a、15bにてA/D変換するもの
としたが、同時にA/D変換したデータのどちら一方を間
引いて相関演算するようにしても本実施例と同様の効果
が得られる。さらに、本実施例において、流れの乱れを
検出するセンサとして超音波式のものを使用している
が、これに限定されず、静電容量式、あるいは電磁式の
センサ等であっても良い。

「発明の効果」以上説明したとおり、本発明の相関式流量計によれば、
求める遅れ時間の分解能を、所望の精度が得られるよう
に高いものとしつつ、相関演算を行うデータ量の増加を
抑制することができ、この結果、精度の高い演算を短時
間で行うことが容易に可能となる。さらに、一方のセン
サからの検出信号をA/D変換する際のサンプリング周波
数を流れの変化を認識し得る下限域に設定し、かつ他方
のセンサからの検出信号をA/D変換する際のサンプリン
グ周波数を所要の時間分解能を得るに足る周波数に設定
した場合には、時間遅れの測定を、必要な精度を確保し
て最短の時間で行うことが可能となる、等の優れた効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である相関式流量計を一部断
面で示す正面図およびブロック図、第２図は本実施例実
施例における相関式流量計によりなされる相互相関演算
の原理を説明する図、第３図は従来の相関式流量計を一
部断面で示す正面図およびブロック、第４図は流れの乱
れの時間遅れと相互相関値との関係を示す図、第５図は
従来の相関式流量計によりなされる相互相関演算の原理
を説明する図である。 10……配管（流路）、11……上流側センサ（センサ）、
12……下流側センサ（センサ）、15……A/D変換器、16
……相関演算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流路の流れ方向に相互に間隔を置い
た複数箇所に流れの変化に対応した検出信号を出力する
センサを設け、これら各センサの検出信号をA/D変換し
た後それらの相互相関演算値から各センサの検出信号の
遅れ時間を算出することによって前記流体の流量を測定
する相関式流量計において、一方のセンサからの検出信
号をA/D変換する際のサンプリング周波数を、他方のセ
ンサからの検出信号をA/D変換する際のサンプリング周
波数よりも低く設定したことを特徴とする相関式流量
計。
【請求項２】前記一方のセンサからの検出信号をA/D変
換する際のサンプリング周波数を少なくとも前記流れの
変化を認識し得る周波数に設定すると共に、他方のセン
サからの検出信号をA/D変換する際のサンプリング周波
数を所要の遅れ時間分解能が得られる周波数に設定した
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の相関式流
量計。