JPWO2006080182A1 - Ultrasonic flow meter, 2-type combined ultrasonic flow meter - Google Patents

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Abstract

流速分布計測部11は、センサ1等による計測結果に基づいて、測定線に沿った流速分布を求める。パワー・標準偏差算出処理部12は、この流速分布計測部11による処理過程に得られるドップラーシフト周波数とその平均値や、ドップラースペクトル等に基づいて、各チャンネル毎のパワーと標準偏差とを算出し、この算出結果に基づいて被測定流体の状態を判別する。The flow velocity distribution measuring unit 11 obtains the flow velocity distribution along the measurement line based on the measurement result by the sensor 1 or the like. The power / standard deviation calculation processing unit 12 calculates the power and standard deviation for each channel based on the Doppler shift frequency and its average value, the Doppler spectrum, etc. obtained in the process by the flow velocity distribution measuring unit 11. Based on the calculation result, the state of the fluid to be measured is determined.

Description

本発明は、超音波流量計に関する。   The present invention relates to an ultrasonic flow meter.

従来より、超音波による流量計測技術として、クランプオン型超音波流量計がある。このクランプオン型超音波流量計は、被測定流体がその内部を通過する配管に対し、この配管の外周面の一部に、音波を配管に伝えるための材料、すなわち楔(くさび)を設置し、この楔を介して音波を配管内部に送信することにより、上記被測定流体の流量を測定する流量計である。クランプオン型超音波流量計として、パルスドップラー法を用いた流量測定技術(以下、パルスドップラー方式と呼ぶ)や伝搬時間差法を用いた流量測定技術(以下、伝搬時間差方式と呼ぶ)が知られている。   Conventionally, there is a clamp-on type ultrasonic flowmeter as a flow measurement technique using ultrasonic waves. In this clamp-on type ultrasonic flowmeter, a material for transmitting sound waves to the pipe, that is, a wedge, is installed on a part of the outer peripheral surface of the pipe to which the fluid to be measured passes. The flowmeter measures the flow rate of the fluid to be measured by transmitting sound waves to the inside of the pipe through the wedge. As a clamp-on type ultrasonic flowmeter, flow measurement technology using the pulse Doppler method (hereinafter referred to as pulse Doppler method) and flow measurement technology using the propagation time difference method (hereinafter referred to as propagation time difference method) are known. Yes.

パルスドップラー方式は、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定するものであり、例えば、特許文献1に記載されているように、非定常状態の流体に対し、非接触で高精度な測定を可能にしている。特許文献1記載の流量計測技術は、超音波パルス(群)を管内の被測定流体に対して一定の間隔で送信し、流体中に混在する気泡などの異物(測線上の反射体)によって反射された超音波エコー波の周波数が、流速に比例した大きさだけ変化するという、ドップラシフトの原理を応用したものである。すなわち、上記エコー波に基づいてドップラーシフトを算出し、被測定流体の流速分布を求め、この流速分布に基づいて積分演算により流量を算出することで、被測定流体の流量を求めるものである。   The pulse Doppler method measures the flow rate of the fluid from the moving speed of the suspended particles and the like, assuming that the suspended particles and bubbles contained in the fluid move at the same speed as the fluid. As described above, the non-steady state fluid can be measured with high accuracy without contact. The flow measurement technique described in Patent Document 1 transmits ultrasonic pulses (group) at a constant interval to a fluid to be measured in a pipe, and is reflected by foreign matters such as bubbles (reflectors on the measurement line) mixed in the fluid. This is an application of the principle of Doppler shift, in which the frequency of the ultrasonic echo wave is changed by a magnitude proportional to the flow velocity. That is, the Doppler shift is calculated based on the echo wave, the flow velocity distribution of the fluid to be measured is obtained, and the flow rate is calculated by integration calculation based on the flow velocity distribution, thereby obtaining the flow rate of the fluid to be measured.

上記パルスドップラー方式は、伝搬時間差方式と比較して、精度が高く高速応答が可能で、かつ耐気泡性に優れており、さらに計測線を複数設けることで偏流でも高精度な計測が可能となる特徴がある。しかし、上記パルスドップラー方式は、被測定流体に、一定量の反射体が、ある程度均一に存在することで測定が可能になる為、十分な反射体が存在しない又は反射体が偏って存在する流体では高精度な測定を行うことができないという問題がある。   The above-mentioned pulse Doppler method has high accuracy and high-speed response compared to the propagation time difference method, and is excellent in bubble resistance. Furthermore, by providing multiple measurement lines, high-precision measurement is possible even when there is a drift. There are features. However, the pulse Doppler method enables measurement by having a certain amount of reflector in the fluid to be measured to a certain degree, so that there is not enough reflector or the reflector is biased. However, there is a problem that high-precision measurement cannot be performed.

一方、伝搬時間差方式は、一対の送受信一体型トランスデューサを1組以上用いて、上流側から下流側への超音波伝搬時間と下流側から上流側への超音波伝搬時間とを比較して、その差を用いることで、非測定流体の平均流速および流量を算出するものである。この方式では、パルスドップラー方式と比較して、不純物の少ない液体や純水の流量を計測するのに適する。逆に言えば、伝搬時間差方式では、被測定流体内に気泡等の不純物が多く混入していると、高精度な測定が困難になることがある。   On the other hand, the propagation time difference method uses one or more pairs of transmission / reception integrated transducers to compare the ultrasonic propagation time from the upstream side to the downstream side and the ultrasonic propagation time from the downstream side to the upstream side. By using the difference, the average flow velocity and flow rate of the non-measurement fluid are calculated. This method is suitable for measuring the flow rate of liquid or pure water with less impurities compared to the pulse Doppler method. In other words, in the propagation time difference method, if a large amount of impurities such as bubbles are mixed in the fluid to be measured, high-accuracy measurement may be difficult.

従来の超音波流量計では、パルスドップラー方式か伝搬時間差方式の何れか一方の方式で計測を行なっていた。
また、従来、例えば特許文献2記載の発明が提案されている。
In the conventional ultrasonic flowmeter, measurement is performed by either the pulse Doppler method or the propagation time difference method.
Conventionally, for example, an invention described in Patent Document 2 has been proposed.

特許文献2記載の発明は、時間差式超音波流量計とドップラー式超音波流量計とを備え、定められた流量のしきい値以下では時間差式超音波流量計に、しきい値以上ではドップラー式超音波流量計に切り換えるものである。   The invention described in Patent Document 2 includes a time difference type ultrasonic flow meter and a Doppler type ultrasonic flow meter, and is a time difference type ultrasonic flow meter below a predetermined flow rate threshold, and a Doppler type above a threshold value. Switch to an ultrasonic flowmeter.

但し、上記特許文献2におけるドップラー式とは、上記パルスドップラー方式とは異なる。すなわち、上記特許文献2におけるドップラー法とは、一般に連続波方式と呼ばれる方法であり、上記パルスドップラー方式はパルス波方式である。上記特許文献2におけるドップラー法(連続波方式)に関しては、例えば非特許文献1等で説明されているが、簡単に説明するならば、配管の中心軸上の一点での被測定流体の速度をドップラシフトを用いて求め、この流体速度から流量を算出する手法である。一方、パルスドップラー方式は、配管内の特定位置(複数)の流速を求め、得られた流速分布を用いて流量を算出する手法である。それ故、上記特許文献2には、ドップラー式は時間差式に比べて精度が悪いという問題点を有している旨の記載がある。一方、パルスドップラー方式は、上記の通り、伝搬時間差方式と比較して、測定精度が高い。   However, the Doppler method in Patent Document 2 is different from the pulse Doppler method. That is, the Doppler method in Patent Document 2 is a method generally called a continuous wave method, and the pulse Doppler method is a pulse wave method. The Doppler method (continuous wave method) in Patent Document 2 is described in, for example, Non-Patent Document 1 and the like. However, if briefly described, the velocity of the fluid to be measured at one point on the central axis of the pipe is described. This is a technique for calculating the flow rate from the fluid velocity obtained by using Doppler shift. On the other hand, the pulse Doppler method is a method of calculating the flow rate using the obtained flow velocity distribution by obtaining the flow velocity at specific positions (plural) in the pipe. Therefore, Patent Document 2 has a description that the Doppler method has a problem that accuracy is lower than that of the time difference method. On the other hand, the pulse Doppler method has higher measurement accuracy than the propagation time difference method as described above.

上記の通り、パルスドップラー法を用いた流量計測技術は、伝搬時間差方式に比べて優れている点が多いが、被測定流体の状態(上記反射体の量や偏り等)によっては、伝搬時間差方式を用いたほうが良い場合がある。ここで、被測定流体の状態は、ある測定地点(超音波流量計の設置地点)において一定というわけではなく、変化するものである。よって、ある時点で被測定流体に一定量の反射体がある程度均一に存在するとしても、別の時点では十分な反射体が存在しない又は/及び反射体が偏って存在する状況となる場合もある。   As described above, the flow measurement technique using the pulse Doppler method has many advantages over the propagation time difference method. However, depending on the state of the fluid to be measured (the amount of the above-mentioned reflector, the deviation, etc.), the propagation time difference method It may be better to use. Here, the state of the fluid to be measured is not constant at a certain measurement point (installation point of the ultrasonic flowmeter) but changes. Therefore, even if a certain amount of reflector exists in the measured fluid at a certain point in time to a certain degree, there may be a situation where there is not enough reflectors at another point in time and / or the reflectors are biased. .

したがって、各測定地点毎に、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とを混在させた超音波流量計を設置し、被測定流体の状態に応じて両者を切り替える手法が考えられる。
しかしながら、従来では、被測定流体の状態を装置によって自動的に判別することは困難であった。従来では、上記流量演算の為の処理中に得られる上記流速分布を表示させたり、上記反射された超音波エコー波の受信信号を表示させたりして、これら表示内容を人間が見て、被測定流体の状態を経験的に判断していた。
Therefore, an ultrasonic flow meter in which the pulse Doppler method and the propagation time difference method are mixed for each measurement point and a method of switching both in accordance with the state of the fluid to be measured can be considered.
However, conventionally, it has been difficult to automatically determine the state of the fluid to be measured by the apparatus. Conventionally, the flow velocity distribution obtained during the processing for the flow rate calculation is displayed, or the received signal of the reflected ultrasonic echo wave is displayed. The state of the measurement fluid was judged empirically.

以上述べたように、被測定流体の状態を装置によって自動的に判別することが望まれる。そして、この判別結果に基づいて、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とを切り替えることで、より高精度に流量計測を行えるようにすることが望まれる。   As described above, it is desirable to automatically determine the state of the fluid to be measured by the apparatus. Then, it is desired to perform flow rate measurement with higher accuracy by switching between the pulse Doppler method and the propagation time difference method based on the determination result.

これに対して、上記特許文献2記載の手法では、流量に基づいて切り替えを行っているに過ぎず、反射体の量や均一性等のような被測定流体の状態を判別するものではなく、切り替えの判断基準が十分に適切なものとは言えない。また、特許文献2は、上記の通り、そもそもパルスドップラー方式に関するものではない。パルスドップラー方式を用いることで、非定常状態においても、より高精度な測定が可能となる。
特開2000−97742号公報 特開2004−184245号公報 「計装エンジニアのための流量計測A to Z」128頁〜131頁、著者:社団法人 日本計量機器工業連合会、出版社:工業技術社、平成7年11月1日 初版
On the other hand, in the method described in Patent Document 2, the switching is merely performed based on the flow rate, and does not determine the state of the fluid to be measured such as the amount of the reflector and the uniformity, The criteria for switching are not adequately appropriate. Further, as described above, Patent Document 2 is not related to the pulse Doppler method in the first place. By using the pulse Doppler method, measurement with higher accuracy is possible even in an unsteady state.
JP 2000-97742 A JP 2004-184245 A "Flow measurement for instrumentation engineers A to Z" pages 128-131, author: Japan Metrology Equipment Industry Association, publisher: Kogyo Kogyosha, November 1, 1995, first edition

本発明の課題は、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする超音波流量計、2方式併用型超音波流量計等を提供することである。   An object of the present invention is to determine the state of a fluid to be measured in a pulse Doppler type ultrasonic flowmeter so that the accuracy of a measurement result can be known. Further, a combined use of a pulse Doppler method and a propagation time difference method The type of ultrasonic flow meter is configured, and the pulse Doppler method is switched to the propagation time difference method according to the determination result of the state of the fluid to be measured. It is to provide an ultrasonic flow meter, a two-system combined ultrasonic flow meter, and the like that can measure a flow rate without using a flow rate.

本発明のパルスドップラー式超音波流量計は、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、各チャンネル毎に、前記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段とを有するように構成する。   The pulse Doppler type ultrasonic flowmeter of the present invention includes, for each channel, power calculation means for calculating power indicating the intensity of the echo signal based on a Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal, and each channel. For each channel, the standard deviation calculating means for calculating the standard deviation based on the Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal and the average value thereof, and the power or / and the standard deviation for each channel, respectively. A state discriminating unit for discriminating the state of the fluid to be measured by comparing with a predetermined threshold value is provided.

上記算出されるパワーは、被測定流体に含まれる反射体の状態(数に比例等)を示しており、標準偏差は流れの安定性を示すものである。例えばパワーが閾値より大きく且つ標準偏差が閾値より小さい場合には、被測定流体の状態は、反射体がある程度多く含まれ且つある程度均一な流れであるものと見做せる。つまり、パルスドップラー方式で高精度な測定が行える状態にあると見做せる。この様に、被測定流体の状態を自動的に判別できるので、例えば判別結果を表示等すれば、監視者等は、測定結果の確からしさを知ることができる。   The calculated power indicates the state of the reflector contained in the fluid to be measured (proportional to the number, etc.), and the standard deviation indicates the flow stability. For example, when the power is larger than the threshold value and the standard deviation is smaller than the threshold value, the state of the fluid to be measured can be regarded as having a certain amount of reflector and a uniform flow. In other words, it can be considered that high-precision measurement can be performed by the pulse Doppler method. In this way, since the state of the fluid to be measured can be automatically determined, for example, by displaying the determination result, the supervisor can know the certainty of the measurement result.

更に、上記被測定流体の状態の判別手法を、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計に適用することで、両測定方式を適切なときに切り替えることができる。   Further, by applying the method for determining the state of the fluid to be measured to an ultrasonic flowmeter of the combined use of the pulse Doppler method and the propagation time difference method, both measurement methods can be switched at an appropriate time.

すなわち、本発明の2方式併用型超音波流量計は、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計であって、通常時は、パルスドップラー方式を用いるものとし、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、各チャンネル毎に、前記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段と、状態判別手段による判別結果に応じて一時的に伝搬時間差方式に切り換えるか否かを決定する切換手段とを有するように構成する。   That is, the two-method combined ultrasonic flowmeter of the present invention is a combined ultrasonic flowmeter of the pulse Doppler method and the propagation time difference method, and normally uses the pulse Doppler method for each channel. And a power calculation means for calculating power indicating the intensity of the echo signal based on a Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal, and a Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal for each channel. And a standard deviation calculating means for calculating the standard deviation based on the average value thereof, and for each channel, the power or / and the standard deviation are respectively compared with a predetermined threshold value, thereby determining the state of the fluid to be measured. A state determination unit for determining and a switch for determining whether to temporarily switch to the propagation time difference method according to the determination result by the state determination unit. Configured to have a means.

上記状態判別手段によって、パルスドップラー方式で高精度な測定が行える状態にあるか否かを判別できるので、測定精度が悪化していると判定した場合には、一時的に伝搬時間差方式に切り換えることで、測定精度の大幅な悪化を防止できる。   The state discriminating means can determine whether it is in a state where high-accuracy measurement can be performed by the pulse Doppler method, so if it is determined that the measurement accuracy has deteriorated, temporarily switch to the propagation time difference method. Thus, it is possible to prevent a significant deterioration in measurement accuracy.

そして、例えば、前記状態判別手段は、前記各チャンネル毎に、測定精度が悪化しているか否かを判定するものであり、前記切換手段は、前記状態判別手段によって測定精度が悪化していると判定されたチャンネルの数が、予め設定される割合以上であった場合は、測定方式を伝搬時間差方式に切り換える。   For example, the state determination unit determines whether or not the measurement accuracy is deteriorated for each channel, and the switching unit has the measurement accuracy deteriorated by the state determination unit. When the number of determined channels is equal to or greater than a preset ratio, the measurement method is switched to the propagation time difference method.

また、例えば、前記パワーは前記ドップラースペクトルを積分処理して得られる総パワー又は該総パワーを取込回数で除算した平均化パワーである。
また、例えば、前記ドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて算出される標準偏差に代えて、該算出された標準偏差を前記ドップラーシフト周波数の平均値によって規格化した値を用いるものである。
Further, for example, the power is a total power obtained by integrating the Doppler spectrum or an averaged power obtained by dividing the total power by the number of acquisitions.
Further, for example, instead of the standard deviation calculated based on the Doppler shift frequency and the average value thereof, a value obtained by normalizing the calculated standard deviation by the average value of the Doppler shift frequency is used.

また、例えば、予め任意の測定回数又は測定時間を設定させ、前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定は、前記設定された測定回数又は測定時間分、行われるようにしてもよい。   Further, for example, when an arbitrary number of measurements or measurement time is set in advance and the switching means is temporarily switched to the propagation time difference method, the measurement by the propagation time difference method is performed by the set number of measurements or measurement time. May be performed.

また、例えば、前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定結果を、該切換え直前のパルスドップラー方式による測定結果から緩やかに変化するように補正して出力するようにしてもよい。   Also, for example, when the switching means is temporarily switched to the propagation time difference method, the measurement result by the propagation time difference method is corrected and output so as to change gently from the measurement result by the pulse Doppler method immediately before the switching. You may make it do.

本発明の超音波流量計、2方式併用型超音波流量計等によれば、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする。また、判別精度が高いので、適切なときに切換えが行われるようになる。   According to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the two-type combined ultrasonic flowmeter, etc., it is possible to know the certainty of the measurement result by determining the state of the fluid to be measured in the pulse Doppler type ultrasonic flowmeter. In addition, by configuring an ultrasonic flow meter that combines the pulse Doppler method and the propagation time difference method, and switching the pulse Doppler method to the propagation time difference method according to the determination result of the state of the fluid to be measured, It makes it possible to measure the flow rate without degrading the measurement accuracy while taking advantage of the high-precision measurement by the Doppler method. In addition, since the discrimination accuracy is high, switching is performed at an appropriate time.

本例によるパルスドップラー式超音波流量計の構成・機能ブロック図である。It is a structure and functional block diagram of the pulse Doppler type ultrasonic flowmeter by this example. 実験結果に基づく被測定流体の状態の判別基準を示す図である。It is a figure which shows the discrimination criterion of the state of the to-be-measured fluid based on an experimental result. 実験結果に基づく被測定流体の状態の判別基準を示す図である。It is a figure which shows the discrimination criterion of the state of the to-be-measured fluid based on an experimental result. 実験結果に基づく被測定流体の状態の判別基準を示す図である。It is a figure which shows the discrimination criterion of the state of the to-be-measured fluid based on an experimental result. 本例による2方式併用型超音波流量計の構成・機能ブロック図である。It is a configuration / function block diagram of a two-system combined ultrasonic flowmeter according to this example. 本例の流量測定処理のフローチャート図である。It is a flowchart figure of the flow measurement process of this example. 図4の処理の変形例である。It is a modification of the process of FIG. 成功率を用いて判別する処理を説明する為の図である。It is a figure for demonstrating the process discriminate | determined using a success rate. 両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time. 両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time. 両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time. 両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time. チャンネルについて示す図である。It is a figure shown about a channel.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本例によるパルスドップラー式超音波流量計の構成・機能ブロック図であり、これは被測定流体の状態を判別することができるものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration / function block diagram of a pulse Doppler type ultrasonic flowmeter according to this example, which can determine the state of a fluid to be measured.

図示のパルスドップラー式超音波流量計は、センサ1、発信器2、エミッタ3、増幅器4、A/D変換部5、表示装置6、及びCPU/MPU10より成る。CPU/MPU10は、その内臓メモリ又は不図示の外部メモリに格納された所定のアプリケーション・プログラムを実行することにより、流速分布計測部11、パワー・標準偏差算出処理部12、及び流量演算処理部13の各機能部の処理を実行する。   The illustrated pulse Doppler type ultrasonic flowmeter includes a sensor 1, a transmitter 2, an emitter 3, an amplifier 4, an A / D converter 5, a display device 6, and a CPU / MPU 10. The CPU / MPU 10 executes a predetermined application program stored in its built-in memory or an external memory (not shown), whereby a flow velocity distribution measurement unit 11, a power / standard deviation calculation processing unit 12, and a flow rate calculation processing unit 13 are executed. The processing of each functional unit is executed.

センサ1は、超音波トランジューサであり、被測定流体が流れる配管の管壁7の外周面の一部に設置されている楔8に取り付けられている。センサ1は、発信器2及びエミッタ3により生成される電気信号に基づいて超音波パルスを出力する。この超音波パルスは、例えば直径5mm程度の直進性のビームであり、楔8、管壁7を介して配管内を流れる流体中に入り、流体中に含まれる反射体9(気泡等)によって反射される。この反射エコーはセンサ1が受信して電気信号に変換した後、増幅器4に出力する。   The sensor 1 is an ultrasonic transducer and is attached to a wedge 8 installed on a part of the outer peripheral surface of a pipe wall 7 of a pipe through which a fluid to be measured flows. The sensor 1 outputs an ultrasonic pulse based on the electrical signal generated by the transmitter 2 and the emitter 3. This ultrasonic pulse is, for example, a straight beam having a diameter of about 5 mm, enters the fluid flowing through the pipe via the wedge 8 and the tube wall 7, and is reflected by the reflector 9 (such as bubbles) contained in the fluid. Is done. The reflected echo is received by the sensor 1 and converted into an electrical signal, and then output to the amplifier 4.

発信器2は、基本周波数f0の電気信号を発生させ、エミッタ3は、この発振器2からの電気信号を所定の時間間隔(1/Fprf)毎にパルス状に出力する。これより、センサ1からは、基本周波数f0の上記超音波パルスが所定の時間間隔毎に出力される。尚、上記基本周波数f0は、基本的には、配管の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、尚、センサ1は、配管に対して一定の角度だけ傾斜するようにして楔8に取り付けられるものであり、上記超音波パルスは図示の測定線に沿って流体中を進行するものである。また、尚、反射体9は、上記気泡以外にも、微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物等がある。   The transmitter 2 generates an electric signal having a fundamental frequency f0, and the emitter 3 outputs the electric signal from the oscillator 2 in a pulse shape at predetermined time intervals (1 / Fprf). Accordingly, the ultrasonic pulse having the fundamental frequency f0 is output from the sensor 1 at predetermined time intervals. The basic frequency f0 is basically a required frequency determined in inverse proportion to the inner diameter of the pipe. The sensor 1 is attached to the wedge 8 so as to be inclined at a certain angle with respect to the pipe, and the ultrasonic pulse travels in the fluid along the illustrated measurement line. . In addition to the bubbles, the reflector 9 includes particles such as fine powder, foreign matter having an acoustic impedance different from that of the fluid to be measured, and the like.

上記センサ1から出力される反射エコー電気信号は、増幅器4によって増幅され、更にA/D変換部5によってディジタル化されて、CPU/MPU10に入力する。
CPU/MPU10においては、上記流速分布計測部11と流量演算処理部13は、従来から存在する処理部であり、上記ディジタル信号が入力されると、まず、流速分布計測部11によって被測定流体の流速分布を算出し、流量演算処理部13がこの流速分布に基づいて被測定流体の流量を算出するが、本装置では、更に、パワー・標準偏差算出処理部12を有している。
The reflected echo electrical signal output from the sensor 1 is amplified by the amplifier 4, digitized by the A / D converter 5, and input to the CPU / MPU 10.
In the CPU / MPU 10, the flow velocity distribution measuring unit 11 and the flow rate calculation processing unit 13 are existing processing units. When the digital signal is input, first, the flow velocity distribution measuring unit 11 detects the fluid to be measured. A flow velocity distribution is calculated, and the flow rate calculation processing unit 13 calculates the flow rate of the fluid to be measured based on the flow velocity distribution. The apparatus further includes a power / standard deviation calculation processing unit 12.

上記の通り、パルスドップラー法による測定では、所定の繰返し周期(1/Fprf)で上記超音波パルスの送信・受信を繰返し多数回実行する。
流速分布計測部11は、上記多数回の計測結果に基づいて、測定線上の各位置の流速を算出し、算出した各位置(計測点)の流速に基づいて、流速分布を求めることになる。流速算出の際には、ドップラーシフト(送信パルスの周波数と受信エコーの周波数との差)成分を抽出して、このドップラーシフトの周波数fd等に基づいて、流速を算出する。
As described above, in the measurement by the pulse Doppler method, the transmission / reception of the ultrasonic pulse is repeatedly performed many times at a predetermined repetition period (1 / Fprf).
The flow velocity distribution measuring unit 11 calculates the flow velocity at each position on the measurement line based on the measurement results obtained many times, and obtains the flow velocity distribution based on the calculated flow velocity at each position (measurement point). When calculating the flow velocity, a Doppler shift (difference between the transmission pulse frequency and the reception echo frequency) component is extracted, and the flow velocity is calculated based on the Doppler shift frequency fd and the like.

ここで、各位置(計測点)は、1点を意味するのではなく、測定領域(例えば、管軸に対して垂直方向における配管半径分の領域)を分割して成る各エリア(チャンネルと呼ぶ)を意味するものである。当然、反射体9がどのエリアを通過するのかは予測がつかないものであるが、更に各エリア毎に、そのエリア内の何処を反射体9が流れてくるのかは予測のつかないものである。つまり、パルスドップラー方式は、確率的な事象を扱うものであり、真値を得ることは困難である。よって、各チャンネル毎に、例えば256回分の流速計測が行われたら、その平均値を算出し、これを上記各位置(計測点)の流速としている。そして、各チャンネル毎に、この256回分の計測結果に基づいて、ドップラースペクトルを算出することになる。尚、各計測実行毎に、その計測点(そのとき反射体9が存在した位置)がどのチャンネルであるのかは、上記超音波パルスの送信から反射エコーの受信までに掛かる時間に基づいて判別できる。   Here, each position (measurement point) does not mean one point, but each area (referred to as a channel) formed by dividing a measurement region (for example, a region corresponding to a pipe radius in a direction perpendicular to the tube axis). ). Naturally, it is unpredictable which area the reflector 9 passes through, but it is also unpredictable where in each area the reflector 9 flows for each area. . That is, the pulse Doppler system handles a probabilistic event, and it is difficult to obtain a true value. Therefore, for example, if 256 times of flow velocity measurement is performed for each channel, the average value is calculated and used as the flow velocity at each position (measurement point). Then, a Doppler spectrum is calculated for each channel based on the measurement results for 256 times. It should be noted that, for each measurement execution, which channel is the measurement point (the position where the reflector 9 was present) can be determined based on the time taken from the transmission of the ultrasonic pulse to the reception of the reflected echo. .

パワー・標準偏差算出処理部12は、まず、上記流速分布計測部11による流速演算の処理過程で得られるデータ(上記ドップラーシフト周波数fdやドップラースペクトル等)に基づいて、例えば参考文献1(「基礎超音波医学」八木晋一、遠藤信行、平田經雄、伊藤紘一 著; 医歯薬出版株式会社; 2002年10月10日 第1版第3刷発行の26頁〜31頁)、参考文献2(「超音波医学辞典」辻本文雄 著 秀潤社 2000年9月8日 第1版第1刷発行の170頁〜175頁)等に記載の方法により、以下に説明するように、各チャンネル毎に、パワー(P)と標準偏差σとを算出する。   First, the power / standard deviation calculation processing unit 12 is based on data (such as the Doppler shift frequency fd or Doppler spectrum) obtained in the flow rate calculation process by the flow rate distribution measuring unit 11, for example, Reference 1 (“Basics”). Ultrasonic Medicine, Shinichi Yagi, Nobuyuki Endo, Ikuo Hirata, Junichi Ito; Ishiyaku Shuppan Co., Ltd .; October 10, 2002, first edition, third edition, pages 26-31), Reference 2 ( As described below, the “Ultrasound Medical Dictionary” is written for each channel as described below by the method described in the textbook of Ultrasonic Medicine, Shujunsha, Shujunsha, September 8, 2000. , Power (P) and standard deviation σ are calculated.

各チャンネル毎に、例えば、上記参考文献1、2に記載されているように、まず、ドップラーシフト周波数fdを横軸、パワーを縦軸とするパワースペクトル、すなわちドップラースペクトルP(fd)を求める。そして、このドップラースペクトルP(fd)を用いて、以下の(1)式により、そのチャンネルにおけるパワー(P)を算出する。   For each channel, for example, as described in Reference Documents 1 and 2, first, a power spectrum having the horizontal axis of Doppler shift frequency fd and the vertical axis of power, that is, Doppler spectrum P (fd), is obtained. Then, using this Doppler spectrum P (fd), the power (P) in the channel is calculated by the following equation (1).

上記パワー(P)はエコー波の強度を示すものであり、また上記参考文献1に記載のように、被測定流体内の反射体の数に比例するものである。 The power (P) indicates the intensity of the echo wave and is proportional to the number of reflectors in the fluid to be measured, as described in the above-mentioned reference 1.

また、ドップラーシフト周波数fdの平均値である平均ドップラーシフト周波数
(一次モーメント)より、ドップラーシフト周波数fdのバラツキの程度を特定する統計量である分散σ(二次モーメント)は以下の(2)式で表すことができる。
Further, the average Doppler shift frequency which is an average value of the Doppler shift frequency fd
From (primary moment), variance σ 2 (secondary moment), which is a statistic that specifies the degree of variation in Doppler shift frequency fd, can be expressed by the following equation (2).

上記分散の平方根(√)が、標準偏差σである。この標準偏差は、各チャンネル毎に、そのチャンネルに係る計測結果の時間領域におけるばらつき(流れの安定性)を示すものであり、このばらつきが実用的な範囲であれば、計測結果は有効なものと考えられる。 The square root (√) of the dispersion is the standard deviation σ. This standard deviation indicates the variation in the time domain of the measurement results for each channel (flow stability) for each channel. If this variation is within a practical range, the measurement results are valid. it is conceivable that.

以上述べたように、パワー(P)は被測定流体に含まれる反射体の状態(数等)を示しており、標準偏差は流れの安定性を示すものであるから、図2Aに示すように、パワーが大きく且つ標準偏差が大きい場合には、被測定流体の状態は、反射体がある程度多く含まれ且つ不均一な流れであることを示す。また、パワーが大きく且つ標準偏差が小さい場合には、被測定流体の状態は、反射体がある程度多く含まれ且つ均一な流れであることを示す。また、パワーが小さく且つ標準偏差が大きい場合には、被測定流体の状態は、反射体が少なく(又は無い)且つ不均一な流れであることを示す。   As described above, the power (P) indicates the state (number, etc.) of the reflector included in the fluid to be measured, and the standard deviation indicates the flow stability. When the power is large and the standard deviation is large, the state of the fluid to be measured indicates that the reflector is contained to some extent and the flow is uneven. In addition, when the power is large and the standard deviation is small, the state of the fluid to be measured indicates that the reflector is contained to some extent and the flow is uniform. Further, when the power is small and the standard deviation is large, the state of the fluid to be measured indicates that there is little (or no) reflector and non-uniform flow.

ここで、本出願の発明者は、パルスドップラー式超音波流量計において同流量計の特徴である高精度の流量計測を行える条件(被測定流体の状態)を、実験等に基づいて確認した。すなわち、図2Aに示すように、パワーが大きく、標準偏差が小さいという条件を満たす場合には、問題なく高精度の流量測定を行える状態にあることを確認した。   Here, the inventor of the present application has confirmed the conditions (state of the fluid to be measured) under which a high-accuracy flow rate measurement, which is a feature of the flow meter, in the pulse Doppler ultrasonic flow meter can be performed based on experiments and the like. That is, as shown in FIG. 2A, it was confirmed that when the condition that the power is large and the standard deviation is small is satisfied, the flow rate can be measured with high accuracy without any problem.

具体例としては、例えばSUS50A配管を用いた実験により、図2Bに示すように、本実験結果としては、被測定流体の平均流速が0.4(m/s)〜2(m/s)である場合には測定精度が良く、測定結果のバラツキが少なく、平均流速0.2(m/s)においては測定精度の悪化や測定結果の大きなバラツキが確認できる。そして、発明者は、更に、実験により、被測定流体の平均流速を順次変えながら、パワー(P)と標準偏差を算出した結果、図2Cに示す実験結果を得た。   As a specific example, for example, as shown in FIG. 2B by an experiment using SUS50A piping, the average flow velocity of the fluid to be measured is 0.4 (m / s) to 2 (m / s) as shown in FIG. 2B. In some cases, the measurement accuracy is good, there are few variations in the measurement results, and at an average flow velocity of 0.2 (m / s), it is possible to confirm the deterioration of the measurement accuracy and the large variations in the measurement results. Then, the inventor further obtained the experimental result shown in FIG. 2C as a result of calculating the power (P) and the standard deviation while sequentially changing the average flow velocity of the fluid to be measured.

図2Cに示す通り、測定精度よく測定可能な平均流速である0.4(m/s)〜2(m/s)の範囲内にある各流速は、図2Cを図2Aに示す分類に当てはめた場合、「パワーが大きく且つ標準偏差が小さい」という条件にほぼ該当している。そして、この実験顕結果では、“大きい”と“小さい”とを分ける閾値は、大体、パワー(P)に関しては10の7乗〜8乗付近、標準偏差はおよそ1〜1.5(rad)付近であると判断できる。   As shown in FIG. 2C, each flow velocity in the range of 0.4 (m / s) to 2 (m / s), which is an average flow velocity that can be measured with high accuracy, is applied to the classification shown in FIG. 2A. In this case, the condition “power is large and standard deviation is small” is almost applicable. In this experimental result, the threshold value for separating “large” and “small” is roughly 10 7 to 8 to the power (P), and the standard deviation is about 1 to 1.5 (rad). It can be judged that it is near.

ここで、本実験では、流速を変化させて、各流速におけるパワーと標準偏差を求めているが、これは流速によって正常・異常を判定するという意味ではない。流速を変えることで、被測定流体の状態がどの様になるのかが、ある程度分かっているので、流速をパラメータとして使用しているのである。すなわち、本実験では流体中に気泡等をほぼ一定量でほぼ均一となるように含ませるが、流速が早いほど、単位時間当たりに測定線を通過する反射体9の数が多くなる。よって、流速が流体中の反射体の数を示唆することになる。また、本実験では反射体として気泡を用いており、水中の気泡は、当然、浮かび上がる性質であるが、流速が早いとそのまま押し流されていくので、バラツキは小さい。一方、流速が遅いと、途中で気泡が浮かび上がり、配管の重力方向上側に気泡が偏る為、バラツキが大きくなる。   Here, in this experiment, the flow rate is changed to obtain the power and standard deviation at each flow rate, but this does not mean that normality / abnormality is determined by the flow rate. Since it is known to some extent how the state of the fluid to be measured changes by changing the flow velocity, the flow velocity is used as a parameter. That is, in this experiment, bubbles are included in the fluid so as to be substantially uniform with a substantially constant amount. However, the faster the flow velocity, the greater the number of reflectors 9 that pass through the measurement line per unit time. Thus, the flow rate suggests the number of reflectors in the fluid. In this experiment, bubbles are used as the reflector, and the bubbles in the water naturally have the property of floating. However, when the flow velocity is high, the bubbles are swept away as they are, so the variation is small. On the other hand, if the flow rate is slow, the bubbles emerge on the way, and the bubbles are biased to the upper side in the gravity direction of the pipe.

以上述べたように、上記実験結果は、例えば流速が2m/sである場合は常に正常に計測できるという意味ではなく、流速によって、被測定流体の状態を再現しているだけであり、
上記パワー(P)、標準偏差は、流体中の反射体の数、バラツキに応じた値が算出されるものである。
As described above, the above experimental results, for example, do not always mean that normal measurement can be performed when the flow velocity is 2 m / s, but only the state of the fluid to be measured is reproduced by the flow velocity.
The power (P) and standard deviation are calculated according to the number of reflectors in the fluid and variations.

尚、換言すれば、パワー・標準偏差算出処理部12は、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、上記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出部と、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出部と、各チャンネル毎に、上記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別部(何れも不図示)とから成ると言える。   In other words, the power / standard deviation calculation processing unit 12 calculates the power indicating the intensity of the echo signal based on the Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal for each channel. And a standard deviation calculation unit for calculating the standard deviation based on the Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal and the average value for each channel, and the power or / and for each channel. It can be said that it comprises a state discriminating unit (both not shown) for discriminating the state of the fluid to be measured by comparing the standard deviation with a predetermined threshold value.

以上述べたように、パワー・標準偏差算出処理部12が算出したパワー(P)と標準偏差とを例えば表示装置6に表示し、オペレータ等が上記実験結果による閾値等に基づいて現在の被測定流体の状態を判断し、測定精度が悪化していないか等を確認することができる。あるいは、パワー・標準偏差算出処理部12において予め上記閾値等を設定しておき、例えば「パワーが大きく且つ標準偏差が小さい」という条件に該当しない場合には、測定精度が悪化している旨を表示装置6に表示するようにしてもよい。つまり、これら表示内容は、測定結果の確からしさを知る指標となる。   As described above, the power (P) and the standard deviation calculated by the power / standard deviation calculation processing unit 12 are displayed on the display device 6, for example, and the operator or the like currently measures the threshold based on the experimental result. The state of the fluid can be judged and it can be confirmed whether the measurement accuracy has deteriorated. Alternatively, the threshold value or the like is set in advance in the power / standard deviation calculation processing unit 12 and, for example, if the condition “high power and small standard deviation” is not satisfied, the measurement accuracy is deteriorated. You may make it display on the display apparatus 6. FIG. That is, these display contents serve as an index for knowing the certainty of the measurement result.

上記のようにパワーと標準偏差を用いることで、被測定流体の状態を的確に表すことができるので、上記「測定結果の確からしさを知る指標」は信頼性の高いものとなる。更に、上記のように実験結果に基づいて適切な閾値を設定することで、測定精度が悪化しているか否かの判断の信頼性も高いものとなり、後述する2方式併用型超音波流量計においては適切なときに切換えが行われるようになる。   By using the power and the standard deviation as described above, the state of the fluid to be measured can be accurately expressed, and thus the “index for knowing the accuracy of the measurement result” is highly reliable. Furthermore, by setting an appropriate threshold value based on the experimental results as described above, the reliability of the determination as to whether or not the measurement accuracy has deteriorated is also high. In the two-method combined ultrasonic flow meter described later, Will be switched when appropriate.

すなわち、上記被測定流体の状態の判別手法を、以下に述べる図3に示す2方式併用型超音波流量計に適用することで、パルスドップラー方式の測定精度の高さを活かしつつ、測定精度が悪化する状態になった場合には、伝搬時間差方式に切り替えることで、測定精度の悪化を抑止することができるようになる。   That is, by applying the method for determining the state of the fluid to be measured to the two-method combined ultrasonic flow meter shown in FIG. 3 described below, the measurement accuracy can be improved while taking advantage of the high measurement accuracy of the pulse Doppler method. When the state becomes worse, the deterioration of measurement accuracy can be suppressed by switching to the propagation time difference method.

図3は、本例による2方式併用型超音波流量計の構成・機能ブロック図である。
尚、2方式とは、上記の通り、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とである。
図示の2方式併用型超音波流量計は、センサ1、センサ21、センサ22、スイッチ23、増幅器24、増幅器25、切替部26、A/D変換器27、CPU/MPU28、送信回路29、表示装置30、及び入力装置31より成る。
FIG. 3 is a configuration / function block diagram of the two-method combined ultrasonic flowmeter according to this example.
Note that the two systems are the pulse Doppler system and the propagation time difference system as described above.
The two-type ultrasonic flowmeter shown in the figure includes a sensor 1, a sensor 21, a sensor 22, a switch 23, an amplifier 24, an amplifier 25, a switching unit 26, an A / D converter 27, a CPU / MPU 28, a transmission circuit 29, and a display. It comprises a device 30 and an input device 31.

センサ1は、上記図1に示すパルスドップラー方式用の超音波トランジューサである。図3では、更に伝搬時間差方式用の1対の超音波トランジューサであるセンサ21、センサ22が設けられている。尚、センサ21、センサ22自体は、センサ1と同じであってよいので、共用することもできる。すなわち、センサ1は削除し、センサ21をパルスドップラー方式用としても使用するようにしてもよい。   The sensor 1 is an ultrasonic transducer for the pulse Doppler system shown in FIG. In FIG. 3, a sensor 21 and a sensor 22 which are a pair of ultrasonic transducers for the propagation time difference method are further provided. The sensors 21 and 22 themselves may be the same as the sensor 1 and can be shared. That is, the sensor 1 may be deleted and the sensor 21 may be used for the pulse Doppler method.

送信回路29は、例えば図1に示す発信器2及びエミッタ3より成る。
スイッチ23は、センサ1を用いるのかセンサ21,22を用いるのかを切り替える為のスイッチである。スイッチ23がセンサ1側に切り替わっている場合には、送信回路29から出力される電気信号は、センサ1に入力して超音波パルスが発射され、これが反射体9等によって反射された結果センサ1から出力されるエコー電気信号は、増幅器24に入力されるようになる。一方、スイッチ23がセンサ21,22側に切り替わっている場合には、送信回路29から出力される電気信号は、センサ21又は22に入力して超音波パルスが発射され、これをセンサ22又は21が受信して出力する電気信号(受信波)は、増幅器25に入力されるようになる。
The transmission circuit 29 includes, for example, the transmitter 2 and the emitter 3 shown in FIG.
The switch 23 is a switch for switching between using the sensor 1 and using the sensors 21 and 22. When the switch 23 is switched to the sensor 1 side, the electrical signal output from the transmission circuit 29 is input to the sensor 1 to emit an ultrasonic pulse, which is reflected by the reflector 9 or the like. The echo electrical signal output from is input to the amplifier 24. On the other hand, when the switch 23 is switched to the sensor 21 or 22 side, the electrical signal output from the transmission circuit 29 is input to the sensor 21 or 22, and an ultrasonic pulse is emitted. The electric signal (received wave) received and output by is input to the amplifier 25.

増幅器24,25は、増幅器4と同様、単なる信号増幅回路であり、増幅器24は上記エコー電気信号を増幅し、増幅器25は上記受信波を増幅する。
切替部26は、増幅器24、25の何れか一方の増幅出力信号を、A/D変換器27に入力させるものであり、当然、センサ1を使用する場合には増幅器24側に切り替わっている。A/D変換器27は上記何れかの増幅出力信号をA/D変換し、このディジタル信号をCPU/MPU28に出力する。
Similarly to the amplifier 4, the amplifiers 24 and 25 are simply signal amplification circuits, the amplifier 24 amplifies the echo electric signal, and the amplifier 25 amplifies the received wave.
The switching unit 26 inputs the amplified output signal of either one of the amplifiers 24 and 25 to the A / D converter 27. Of course, when the sensor 1 is used, the switching unit 26 is switched to the amplifier 24 side. The A / D converter 27 A / D converts any one of the amplified output signals and outputs the digital signal to the CPU / MPU 28.

CPU/MPU28は、図1のCPU/MPU10と同様に上記流速分布計測部11、パワー・標準偏差算出処理部12、及び流量演算処理部13の各機能部を有するが、更に、パワー・標準偏差算出処理部12によって上記の通り測定精度が悪化していると判定された場合に、切替部26及びスイッチ23を伝搬時間差方式側へと切り替える切替制御部(不図示)を有している。また、伝搬時間差方式による流量算出処理を実行する処理機能部(不図示)も有している。   The CPU / MPU 28 has the function units of the flow velocity distribution measurement unit 11, the power / standard deviation calculation processing unit 12, and the flow rate calculation processing unit 13 in the same manner as the CPU / MPU 10 of FIG. When the calculation processing unit 12 determines that the measurement accuracy is deteriorated as described above, the calculation processing unit 12 includes a switching control unit (not illustrated) that switches the switching unit 26 and the switch 23 to the propagation time difference method side. Moreover, it has a processing function part (not shown) which performs the flow volume calculation process by a propagation time difference system.

CPU/MPU28において上記何れかの方式により流量が算出されると、この流量は表示装置30に表示される。また、現在、上記何れの方式を用いているのかを、表示装置30に表示してもよい。   When the CPU / MPU 28 calculates the flow rate by any of the above methods, the flow rate is displayed on the display device 30. Moreover, you may display on the display apparatus 30 which said system is used now.

図4に、CPU/MPU28によって実行される流量測定処理のフローチャート図を示す。
本例では、通常はパルスドップラー方式で流量測定を行っており、測定精度が悪化したと判定されたときだけ伝搬時間差方式に切り替えるものである。
FIG. 4 shows a flowchart of the flow rate measurement process executed by the CPU / MPU 28.
In this example, the flow rate measurement is normally performed by the pulse Doppler method, and only when it is determined that the measurement accuracy has deteriorated, the switching to the propagation time difference method is performed.

これより、通常時は、スイッチ23及び切替部26はセンサ1側に切り替えられており、センサ1によって検出されたエコー波のディジタル信号を、A/D変換器27から入力すると、上記流速分布計測部11によって流速算出が行われるが(ステップS11)、上記の通り、その処理過程で得られるドップラースペクトルP(fd)等を用いて、パワー・標準偏差算出処理部12がパワー(P)と標準偏差σとを算出する(ステップS12)。   Accordingly, in normal times, the switch 23 and the switching unit 26 are switched to the sensor 1 side, and when the digital signal of the echo wave detected by the sensor 1 is input from the A / D converter 27, the flow velocity distribution measurement is performed. The flow rate is calculated by the unit 11 (step S11). As described above, the power / standard deviation calculation processing unit 12 uses the Doppler spectrum P (fd) obtained in the processing process, and the power (P) and standard are calculated. The deviation σ is calculated (step S12).

そして、上述してあるように、予めパワー(P)に対する閾値Xと標準偏差σに対する閾値Yが設定・登録されているので、ステップS12で算出したパワー(P)と標準偏差を、各々、閾値X、Yと比較し、例えばパワー(P)≧X且つ標準偏差≦Yである場合、すなわち上記「パワーが大きく且つ標準偏差が小さい」という条件を満たしている場合には(ステップS13,YES)、そのままパルスドップラー方式を継続するものとし、流量演算処理部13によって流量を算出し(ステップS14)、算出結果等を表示装置30に出力する(ステップS19)。   As described above, since the threshold value X for the power (P) and the threshold value Y for the standard deviation σ are set and registered in advance, the power (P) and the standard deviation calculated in step S12 are respectively set to the threshold values. Compared with X and Y, for example, when power (P) ≧ X and standard deviation ≦ Y, that is, when the condition “power is large and standard deviation is small” is satisfied (step S13, YES). Then, the pulse Doppler system is continued as it is, and the flow rate calculation processing unit 13 calculates the flow rate (step S14), and outputs the calculation result and the like to the display device 30 (step S19).

一方、上記「パワー(P)≧X且つ標準偏差≦Y」の条件を満たさない場合には(ステップS13,NO)、伝搬時間差方式に切り替える。すなわち、まずスイッチ23及び切替部26を切り替えた後、センサ21から超音波パルスを送信させてセンサ22で受信させ、センサ22から超音波パルスを送信させてセンサ21で受信させ(ステップS15)、両方とも正常に受信できた場合には(ステップS16,YES)、両者の伝搬時間差に基づいて被測定流体の平均流速および流量を算出し(ステップS17)、結果を表示装置30に出力する。尚、少なくとも一方が正常受信できなかった場合には(ステップS16,NO)、異常処理を行う(ステップS18)。   On the other hand, when the condition of “power (P) ≧ X and standard deviation ≦ Y” is not satisfied (step S13, NO), the mode is switched to the propagation time difference method. That is, first, after switching the switch 23 and the switching unit 26, the ultrasonic pulse is transmitted from the sensor 21 and received by the sensor 22, the ultrasonic pulse is transmitted from the sensor 22 and received by the sensor 21 (step S15), If both have been received normally (step S16, YES), the average flow velocity and flow rate of the fluid to be measured are calculated based on the difference in propagation time between the two (step S17), and the result is output to the display device 30. If at least one of the signals cannot be normally received (step S16, NO), an abnormality process is performed (step S18).

尚、ステップS13の処理は、上記説明では「パワー(P)≧X且つ標準偏差≦Y」を判定条件としたが、この例に限らず、「パワー(P)≧X」のみを判定条件としてもよいし、「標準偏差≦Y」のみを判定条件としてもよい。図2Cに示す実験結果によれば標準偏差のみを用いても、ある程度判別可能である。また、パワーは、被測定流体中の反射体の数に比例するのであり、パルスドップラー方式では反射体の数が少ないと精度良い計測が行えないことは分かっているので、パワーのみを用いても、ある程度判別可能であるからである。   In the above description, the process of step S13 is “power (P) ≧ X and standard deviation ≦ Y” as a determination condition. However, the present invention is not limited to this example, and only “power (P) ≧ X” is a determination condition. Alternatively, only “standard deviation ≦ Y” may be set as the determination condition. According to the experimental results shown in FIG. 2C, it is possible to discriminate to some extent even using only the standard deviation. The power is proportional to the number of reflectors in the fluid to be measured, and it is known that accurate measurement cannot be performed if the number of reflectors is small in the pulse Doppler method. This is because it can be discriminated to some extent.

図5に、図4の処理の変形例を示す。
図5に示すステップS21〜S26の処理は、図4のステップS11〜S19の処理とほぼ同じである(ステップS25の処理は図4のステップS15〜S18の処理である)。異なる点は、事前の任意のときに、ユーザに任意の閾値Xs、Ysを設定させることで(ステップS27)、ステップS23の判定は、ステップS13における閾値X,Yの代わりに、上記閾値Xs、Ysを用いることである。すなわち、上記2方式併用型超音波流量計の製造元では、上記実験結果等やその他経験・勘等に基づいて上記閾値X、Yを設定するが、最適な閾値は配管条件や被測定流体の性質等によって変わってくる。よって、各ユーザ毎に、そのユーザが適切と考える任意に閾値Xs、Ysを設定できるようにする。これは不図示の閾値設定画面を表示装置30に表示し、ユーザは入力装置31を操作して、所望の閾値を入力するものである。入力装置31は、タッチパネル、キーボード等である。
FIG. 5 shows a modification of the process of FIG.
The process of steps S21 to S26 shown in FIG. 5 is almost the same as the process of steps S11 to S19 of FIG. 4 (the process of step S25 is the process of steps S15 to S18 of FIG. 4). The difference is that the user sets arbitrary threshold values Xs and Ys at an arbitrary time in advance (step S27), and the determination in step S23 is performed in place of the threshold values Xs and Y in step S13. Ys is used. That is, the manufacturer of the above-mentioned two-method combined ultrasonic flowmeter sets the threshold values X and Y based on the experimental results and other experiences and intuitions, but the optimum threshold values are the piping conditions and the properties of the fluid to be measured. It depends on etc. Therefore, for each user, thresholds Xs and Ys can be arbitrarily set that the user considers appropriate. This displays a threshold setting screen (not shown) on the display device 30, and the user operates the input device 31 to input a desired threshold value. The input device 31 is a touch panel, a keyboard, or the like.

流速の算出は、上記の通り配管の管軸に対して垂直方向(配管断面方向)の各位置(チャンネル)毎に行われるが、図4、図5の処理が、一部のチャンネルのみを用いるのか全てチャンネルのみを用いるのか等について、説明していなかった。これは、任意の1つのチャンネルのみを用いることや、任意の一部(複数)のチャンネルを用いることも考えられるが、判定精度良く判定する為に適切と考える手法を、以下に、図6を参照して説明する。   The flow velocity is calculated for each position (channel) in the direction perpendicular to the pipe axis of the pipe (pipe section direction) as described above. However, the processes in FIGS. 4 and 5 use only some of the channels. However, it was not explained whether all channels were used only. Although it is conceivable that only one arbitrary channel or an arbitrary part (plurality) of channels may be used, a technique that is considered appropriate for determining with high determination accuracy is shown in FIG. The description will be given with reference.

図6に示す処理例では、まず事前に図5と同様にユーザ側で任意に閾値Xs、Ysを設定させると共に任意の成功率の閾値Zsを設定させる。この成功率の閾値Zsは、0%〜100%の間の任意の値を設定できるが、本発明者は実験結果等から70%程度が適切であると考える。尚、パワーと標準偏差の閾値は、図4と同様、製造元で設定した値X、Yを用いてもよい。同様に、成功率の閾値も、製造元で設定した値を用いてもよい。   In the processing example shown in FIG. 6, first, the threshold values Xs and Ys are arbitrarily set on the user side in advance as in FIG. 5, and the threshold value Zs of an arbitrary success rate is set. The success rate threshold Zs can be set to any value between 0% and 100%, but the present inventor considers that about 70% is appropriate from the experimental results and the like. Note that the values X and Y set by the manufacturer may be used as the power and standard deviation threshold values as in FIG. Similarly, the threshold set for the success rate may be a value set by the manufacturer.

図6において、ステップS31、S32の処理は、上記ステップS11,S12等と同様であるが、パワー(P)と標準偏差は、全てのチャンネルについて、それぞれ算出する。   In FIG. 6, the processing in steps S31 and S32 is the same as that in steps S11 and S12, but the power (P) and standard deviation are calculated for all channels.

そして、各チャンネル毎にそのパワー(P)と標準偏差を、上記閾値Xs、Ysと比較して、測定精度が悪化しているか否かを判定し、測定精度は悪化していないと判定されたチャンネルの数をカウントする。そして、このカウント数nと全チャンネル数Nとにより、成功率=n/Nを算出する。そして、算出した成功率を上記成功率の閾値Zsと比較して、成功率≧Zsであれば(ステップS34,YES)、そのままパルスドップラー方式を用いるものとし、流量演算処理部13によって流量演算を実行する(ステップS35)。一方、成功率<Zsであれば(ステップS34,NO)、伝搬時間差方式に切り替えるものとし、図4で説明したステップS15〜S18の処理を実行する(ステップS36)。   Then, for each channel, the power (P) and standard deviation are compared with the threshold values Xs and Ys to determine whether or not the measurement accuracy is deteriorated, and it is determined that the measurement accuracy is not deteriorated. Count the number of channels. Then, the success rate = n / N is calculated from the count number n and the total channel number N. Then, the calculated success rate is compared with the success rate threshold value Zs. If the success rate ≧ Zs (step S34, YES), the pulse Doppler method is used as it is, and the flow rate calculation processing unit 13 performs the flow rate calculation. Execute (Step S35). On the other hand, if the success rate <Zs (step S34, NO), the process is switched to the propagation time difference method, and the processes of steps S15 to S18 described in FIG. 4 are executed (step S36).

ここで、上述したパワー(P)や標準偏差の算出は、設定したパラメータに影響を受ける。例えば、パワー(P)は、取込回数によって影響を受ける。この取込回数とは、例えば上記説明で256回としているものであり、取込回数が多ければパワー(P)は大きくなる。この様にパラメータによって影響を受ける為、上記閾値によって一元的に正常・異常を評価できない場合がある。   Here, the calculation of the power (P) and the standard deviation described above is affected by the set parameters. For example, power (P) is affected by the number of acquisitions. The number of acquisitions is, for example, 256 in the above description, and the power (P) increases as the number of acquisitions increases. Since it is affected by the parameters in this way, there is a case where normality / abnormality cannot be evaluated centrally by the threshold value.

よって、パワー(P)や標準偏差が設定パラメータによって変動することを抑える為に、パワー(P)や標準偏差の算出方法を、以下の様にしてもよい。
パワー(P)は、取込回数で平均化した値としてもよい。すなわち、上記(1)式で求めたパワー(P)を取込回数で除算したもの(パワー(P)/取込回数)を、パワー(P)の算出結果としてもよい。
Therefore, in order to prevent the power (P) and the standard deviation from fluctuating depending on the setting parameters, the power (P) and the standard deviation may be calculated as follows.
The power (P) may be a value averaged by the number of acquisitions. That is, the power (P) calculated by the above equation (1) divided by the number of acquisitions (power (P) / number of acquisitions) may be used as the calculation result of the power (P).

あるいは、標準偏差は、上記(2)式に基づいて求めた上記標準偏差σを、上記平均ドップラーシフト周波数
によって規格化した値
Alternatively, the standard deviation is the average Doppler shift frequency calculated from the standard deviation σ obtained based on the equation (2).
Value normalized by

としてもよい。これは、σの値が同じであっても、平均ドップラーシフト周波数
の値が大きい場合と小さい場合とでは、その意味が違うからである。つまり、σの値が同じであっても、平均ドップラーシフト周波数
It is good. This is the average Doppler shift frequency even if the value of σ is the same.
This is because the meaning differs depending on whether the value of is large or small. That is, even if the values of σ are the same, the average Doppler shift frequency

の値が小さい場合は、大きい場合に比べて、バラツキが大きいことになる。勿論、これらの場合には、上記閾値X,Y等も、平均化又は規格化した値に基づいて決定される。 When the value of is small, the variation is larger than when the value is large. Of course, in these cases, the threshold values X, Y, etc. are also determined based on averaged or standardized values.

また、上記標準偏差は、ドップラーシフト周波数fdの標準偏差としたが、代わりに、ドップラーシフト位相角ωdの標準偏差としてもよい。ドップラーシフト周波数fdとドップラーシフト位相角ωdとの関係は、以下の(3)式で表される。従って、上記(2)式の算出結果の平方根より算出されるドップラーシフト周波数fdの標準偏差に、2πTを乗算した値が、ドップラーシフト位相角ωdの標準偏差となる。尚、Tは、上記パルス繰返し周期1/Fprfである。   The standard deviation is the standard deviation of the Doppler shift frequency fd, but may instead be the standard deviation of the Doppler shift phase angle ωd. The relationship between the Doppler shift frequency fd and the Doppler shift phase angle ωd is expressed by the following equation (3). Therefore, the standard deviation of the Doppler shift phase angle ωd is obtained by multiplying the standard deviation of the Doppler shift frequency fd calculated from the square root of the calculation result of the expression (2) by 2πT. T is the pulse repetition period 1 / Fprf.

上述した2方式併用型超音波流量計では、パルスドップラー方式による計測を基本とし、上記閾値に基づいて測定精度が悪化していると判定されたときだけ、一時的に、伝搬時間差方式に切り換えるが、被測定流体の状態によっては、例えば上記パワーと標準偏差の算出結果が、上記閾値とほぼ同じ値となる場合があり、この場合、ちょっとした変動により、閾値を超えたり超えなかったりする為、上記切り換えが頻繁に行われるという状況に成り得る。しかし、パルスドップラー方式による計測結果と、伝搬時間差方式による計測結果とでは、例えば図7Aに示すように、多少異なる為、両測定方式が短時間で頻繁に切り替わった場合、測定結果は例えば図7Bに示すように、頻繁に変動することになる。 The two-method combined ultrasonic flow meter described above is based on pulse Doppler measurement and is temporarily switched to the propagation time difference method only when it is determined that the measurement accuracy is deteriorated based on the threshold value. Depending on the state of the fluid to be measured, for example, the calculation result of the power and the standard deviation may be almost the same value as the threshold value.In this case, the threshold value is not exceeded or exceeded by a slight fluctuation. It can be a situation where switching occurs frequently. However, since the measurement result by the pulse Doppler method and the measurement result by the propagation time difference method are slightly different as shown in FIG. 7A, for example, when both measurement methods are frequently switched in a short time, the measurement result is, for example, FIG. 7B. As shown in FIG.

尚、パルスドップラー方式においては、1チャンネルの流速計測の為に超音波パルスの送受信を、例えば256回行って平均値をとり、更に測定方式を切り換えるか否かを判定する。一方、伝搬時間差においても、256回分の処理を行った後、相関演算、伝搬時間,伝搬時間差の算出、温度補正等の演算を行い、最終的に被測定流体の流速、及び流量を算出する。従って、伝搬時間差法、並びパルスドップラー法における流量算出までの処理時間は、同程度のオーダーとなるので、例えば図7Bに示すような状態に成り得る。   In the pulse Doppler method, ultrasonic pulse transmission / reception is performed, for example, 256 times to measure the flow velocity of one channel, an average value is obtained, and it is further determined whether or not the measurement method is switched. On the other hand, for the propagation time difference, after processing 256 times, correlation calculation, calculation of propagation time, propagation time difference, temperature correction, etc. are performed, and finally the flow velocity and flow rate of the fluid to be measured are calculated. Accordingly, the processing time until the flow rate calculation in the propagation time difference method and the pulsed Doppler method is on the same order, and can be in a state as shown in FIG. 7B, for example.

超音波流量計は、流量を測定・表示するが、流速も表示して、これを監視者等が参照して、異常がないかを判断している場合も少なくない。この為、上記の通り流速が頻繁に変動すると、異常が発生したと誤解する可能性がある。また、出力する流量値への影響も少なくない。   The ultrasonic flowmeter measures and displays the flow rate, but also displays the flow velocity, and it is often the case that a monitor or the like refers to this to determine whether there is an abnormality. For this reason, if the flow velocity fluctuates frequently as described above, it may be misunderstood that an abnormality has occurred. In addition, there is a considerable influence on the output flow rate value.

本例では、この問題に対応する為に、以下の2通りを提案するが、この例に限るものではない。
第1の方法は、パルスドップラー方式から伝搬時間差方式に切り替わった場合に、一定時間t経過するまで又は測定回数nを実行するまでは伝搬時間差方式による測定を継続する方法である。上記t又はnの値は、例えばユーザ側で設定可能であり、予め任意に設定しておくものである。例えば、nとして20を設定すれば、伝搬時間差方式に切り替わった後、伝搬時間差方式による測定を20回連続して行った後、パルスドップラー方式に戻り、測定方式の切換を判定することになる。この様にして、両測定方式が短時間で頻繁に切り替わることを防止できる。たとえ図7Bに示すような状況であっても、計測結果は例えば図7Cに示すようになる。
In this example, the following two ways are proposed to deal with this problem, but the present invention is not limited to this example.
The first method is a method in which, when the pulse Doppler method is switched to the propagation time difference method, the measurement by the propagation time difference method is continued until a predetermined time t elapses or until the measurement number n is executed. The value of t or n can be set by the user, for example, and is set arbitrarily in advance. For example, if 20 is set as n, after switching to the propagation time difference method, measurement by the propagation time difference method is continuously performed 20 times, and then returning to the pulse Doppler method, and switching of the measurement method is determined. In this way, frequent switching between both measurement methods in a short time can be prevented. Even in the situation shown in FIG. 7B, the measurement result is as shown in FIG. 7C, for example.

第2の方法は、パルスドップラー方式から伝搬時間差方式に切り替わる直前のパルスドップラー方式による流速の測定結果をv1とし、切り替え後の伝搬時間差方式による測定回数nまでの各流速測定結果をv2(k;1〜nまでの整数であり、v2は、k回目の流量測定結果を意味する)とした場合に、切り替え後の流速vを、伝搬時間差方式によって測定を行う毎に以下の式により算出するものである。In the second method, the flow velocity measurement result by the pulse Doppler method immediately before switching from the pulse Doppler method to the propagation time difference method is set to v1, and each flow velocity measurement result up to the number of measurements n by the propagation time difference method after switching is v2 k (k ; an integer from 1 to n, v2 k is calculated, when the mean flow rate measurement results of the k th), the flow velocity v after switching, the following formula for each of performing measurement by the propagation time difference method To do.

v=(a−1)v1+a×v2
(但し、nは上記第1の方法と同様に設定される測定回数であり、a=(1/n)×kである)。
v = (a k −1) v1 + a k × v2 k
(Where n is the number of measurements set in the same manner as in the first method, and a k = (1 / n) × k).

上記算出式により、流速vの値は、v1に近い値から徐々に伝搬時間差方式による測定結果の値に近づいていくので、出力される流速値は、急激に変化することなく、例えば図7Dに示すように時間の経過と共に緩やかに変化することになる。   According to the above calculation formula, the value of the flow velocity v gradually approaches the value of the measurement result by the propagation time difference method from the value close to v1, so that the output flow velocity value does not change rapidly, for example, in FIG. As shown, it gradually changes with the passage of time.

そして、n回測定した時点で、パルスドップラー方式に切り換える。
上記第2の方法は、特に、v1とv2の差が大きい場合に有効である。
上記第1又は第2の方法により、測定方式の切換えによる出力の乱れを抑制することができる。
Then, when measuring n times, switch to the pulse Doppler method.
The second method is particularly effective when the difference between v1 and v2 is large.
By the first or second method, it is possible to suppress output disturbance due to switching of the measurement method.

最後に、上記測定線上の位置(チャンネル)について、一応、図8に示しておく。
図8に示すCH1、CH2,CH3等が、上記測定線上の位置(チャンネル)に相当する。
本発明の超音波流量計、2方式併用型超音波流量計等によれば、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする。また、判別精度が高いので、適切なときに切換えが行われるようになる。
Finally, the position (channel) on the measurement line is temporarily shown in FIG.
CH1, CH2, CH3, etc. shown in FIG. 8 correspond to positions (channels) on the measurement line.
According to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the two-type combined ultrasonic flowmeter, etc., it is possible to know the certainty of the measurement result by determining the state of the fluid to be measured in the pulse Doppler type ultrasonic flowmeter. In addition, by configuring an ultrasonic flow meter that combines the pulse Doppler method and the propagation time difference method, and switching the pulse Doppler method to the propagation time difference method according to the determination result of the state of the fluid to be measured, It makes it possible to measure the flow rate without degrading the measurement accuracy while taking advantage of the high-precision measurement by the Doppler method. In addition, since the discrimination accuracy is high, switching is performed at an appropriate time.

【0006】
[図2A]実験結果に基づく被測定流体の状態の判別基準を示す図である。
[図2B]実験結果に基づく判別方法(基準)について説明するための図である。
[図2C]実験結果に基づく判別方法(基準)について説明するための図である。
[図3]本例による2方式併用型超音波流量計の構成・機能ブロック図である。
[図4]本例の流量測定処理のフローチャート図である。
[図5]図4の処理の変形例である。
[図6]成功率を用いて判別する処理を説明する為の図である。
[図7A]両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
[図7B]両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
[図7C]両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
[図7D]両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
[図8]チャンネルについて示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
[0025]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本例によるパルスドップラー式超音波流量計の構成・機能ブロック図であり、これは被測定流体の状態を判別することができるものである。
[0026]
図示のパルスドップラー式超音波流量計は、センサ1、発信器2、エミッタ3、増幅器4、A/D変換部5、表示装置6、及びCPU/MPU10より成る。CPU/MPU10は、その内臓メモリ又は不図示の外部メモリに格納された所定のアプリケーション・プログラムを実行することにより、流速分布計測部11、パワー・標準偏差算出処理部12、及び流量演算処理部13の各機能部の処理を実行する。
[0027]
センサ1は、超音波トランジューサであり、被測定流体が流れる配管の管壁7の外周面の一部に設置されている楔8に取り付けられている。センサ1は、発信器2及びエミッタ3により生成される電気信号に基づいて超音波パルスを出力する。この超音波パ
[0006]
FIG. 2A is a diagram showing a criterion for determining a state of a fluid to be measured based on an experimental result.
FIG. 2B is a diagram for explaining a discrimination method (reference) based on an experimental result.
FIG. 2C is a diagram for explaining a discrimination method (reference) based on an experimental result.
FIG. 3 is a configuration / function block diagram of a two-system combined ultrasonic flowmeter according to this example.
FIG. 4 is a flowchart of the flow rate measurement process of this example.
FIG. 5 is a modification of the process of FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining processing for determination using a success rate.
[FIG. 7A] It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time.
[FIG. 7B] It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time.
[FIG. 7C] It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measurement systems switch frequently in a short time.
[FIG. 7D] It is a figure for demonstrating the response | compatibility method when both measuring methods switch frequently in a short time.
FIG. 8 is a diagram showing a channel.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0025]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration / function block diagram of a pulse Doppler type ultrasonic flowmeter according to this example, which can determine the state of a fluid to be measured.
[0026]
The illustrated pulse Doppler type ultrasonic flowmeter includes a sensor 1, a transmitter 2, an emitter 3, an amplifier 4, an A / D converter 5, a display device 6, and a CPU / MPU 10. The CPU / MPU 10 executes a predetermined application program stored in its built-in memory or an external memory (not shown), whereby a flow velocity distribution measurement unit 11, a power / standard deviation calculation processing unit 12, and a flow rate calculation processing unit 13 are executed. The processing of each functional unit is executed.
[0027]
The sensor 1 is an ultrasonic transducer and is attached to a wedge 8 installed on a part of the outer peripheral surface of a pipe wall 7 of a pipe through which a fluid to be measured flows. The sensor 1 outputs an ultrasonic pulse based on the electrical signal generated by the transmitter 2 and the emitter 3. This ultrasonic filter

【0007】
ルスは、例えば直径5mm程度の直進性のビームであり、楔8、管壁7を介して配管内を流れる流体中に入り、流体中に含まれる反射体9(気泡等)によって反射される。この反射エコーはセンサ1が受信して電気信号に変換した後、増幅器4に出力する。
[0028]
発信器2は、基本周波数f0の電気信号を発生させ、エミッタ3は、この発信器2からの電気信号を所定の時間間隔(1/Fprf)毎にパルス状に出力する。これより、センサ1からは、基本周波数f0の上記超音波パルスが所定の時間間隔毎に出力される。尚、上記基本周波数f0は、基本的には、配管の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、尚、センサ1は、配管に対して一定の角度だけ傾斜するようにして楔8に取り付けられるものであり、上記超音波パルスは図示の測定線に沿って流体中を進行するものである。また、尚、反射体9は、上記気泡以外にも、微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物等がある。
[0029]
上記センサ1から出力される反射エコー電気信号は、増幅器4によって増幅され、更にA/D変換部5によってディジタル化されて、CPU/MPU10に入力する。
CPU/MPU10においては、上記流速分布計測部11と流量演算処理部13は、従来から存在する処理部であり、上記ディジタル信号が入力されると、まず、流速分布計測部11によって被測定流体の流速分布を算出し、流量演算処理部13がこの流速分布に基づいて被測定流体の流量を算出するが、本装置では、更に、パワー・標準偏差算出処理部12を有している。
[0030]
上記の通り、パルスドップラー法による測定では、所定の繰返し周期(1/Fprf)で上記超音波パルスの送信・受信を繰返し多数回実行する。
流速分布計測部11は、上記多数回の計測結果に基づいて、測定線上の各位置の流速を算出し、算出した各位置(計測点)の流速に基づいて、流速分布を求めることになる。流速算出の際には、ドップラーシフト(送信パルスの周波数と受信エコーの周波数との差)成分を抽出して、このドップラーシフトの周波数fd等に基づいて、流速を算出する。
[0031]
ここで、各位置(計測点)は、1点を意味するのではなく、測定領域(例えば、管軸に対して垂直方向における配管半径分の領域)を分割して成る各エリア(チャンネルと呼ぶ)を意味するものである。当然、反射体9がどのエリアを通過するのかは予測が
[0007]
Luth is a straight beam having a diameter of about 5 mm, for example, enters the fluid flowing through the pipe via the wedge 8 and the tube wall 7 and is reflected by the reflector 9 (such as bubbles) contained in the fluid. The reflected echo is received by the sensor 1 and converted into an electrical signal, and then output to the amplifier 4.
[0028]
The transmitter 2 generates an electrical signal having a fundamental frequency f0, and the emitter 3 outputs the electrical signal from the transmitter 2 in a pulse shape at predetermined time intervals (1 / Fprf). Accordingly, the ultrasonic pulse having the fundamental frequency f0 is output from the sensor 1 at predetermined time intervals. The basic frequency f0 is basically a required frequency that is determined in inverse proportion to the inner diameter of the pipe. The sensor 1 is attached to the wedge 8 so as to be inclined at a certain angle with respect to the pipe, and the ultrasonic pulse travels in the fluid along the illustrated measurement line. . In addition to the bubbles, the reflector 9 includes particles such as fine powder, foreign matter having an acoustic impedance different from that of the fluid to be measured, and the like.
[0029]
The reflected echo electrical signal output from the sensor 1 is amplified by the amplifier 4, digitized by the A / D converter 5, and input to the CPU / MPU 10.
In the CPU / MPU 10, the flow velocity distribution measuring unit 11 and the flow rate calculation processing unit 13 are existing processing units. When the digital signal is input, first, the flow velocity distribution measuring unit 11 detects the fluid to be measured. A flow velocity distribution is calculated, and the flow rate calculation processing unit 13 calculates the flow rate of the fluid to be measured based on the flow velocity distribution. The apparatus further includes a power / standard deviation calculation processing unit 12.
[0030]
As described above, in the measurement by the pulse Doppler method, transmission / reception of the ultrasonic pulse is repeatedly performed many times at a predetermined repetition period (1 / Fprf).
The flow velocity distribution measuring unit 11 calculates the flow velocity at each position on the measurement line based on the measurement results obtained many times, and obtains the flow velocity distribution based on the calculated flow velocity at each position (measurement point). When calculating the flow velocity, a Doppler shift (difference between the transmission pulse frequency and the reception echo frequency) component is extracted, and the flow velocity is calculated based on the Doppler shift frequency fd and the like.
[0031]
Here, each position (measurement point) does not mean one point, but each area (referred to as a channel) formed by dividing a measurement region (for example, a region corresponding to a pipe radius in a direction perpendicular to the tube axis). ). Of course, it is predicted which area the reflector 9 will pass through.

【0014】
プS27)、ステップS23の判定は、ステップS13における閾値X,Yの代わりに、上記閾値Xs、Ysを用いることである。すなわち、上記2方式併用型超音波流量計の製造元では、上記実験結果等やその他経験等に基づいて上記閾値X、Yを設定するが、最適な閾値は配管条件や被測定流体の性質等によって変わってくる。よって、各ユーザ毎に、そのユーザが適切と考える任意に閾値Xs、Ysを設定できるようにする。これは不図示の閾値設定画面を表示装置30に表示し、ユーザは入力装置31を操作して、所望の閾値を入力するものである。入力装置31は、タッチパネル、キーボード等である。
[0059]
流速の算出は、上記の通り配管の管軸に対して垂直方向(配管断面方向)の各位置(チャンネル)毎に行われるが、図4、図5の処理が、一部のチャンネルのみを用いるのか全てチャンネルのみを用いるのか等について、説明していなかった。これは、任意の1つのチャンネルのみを用いることや、任意の一部(複数)のチャンネルを用いることも考えられるが、判定精度良く判定する為に適切と考える手法を、以下に、図6を参照して説明する。
[0060]
図6に示す処理例では、まず事前に図5と同様にユーザ側で任意に閾値Xs、Ysを設定させると共に任意の成功率の閾値Zsを設定させる。この成功率の閾値Zsは、0%〜100%の間の任意の値を設定できるが、本発明者は実験結果等から70%程度が適切であると考える。尚、パワーと標準偏差の閾値は、図4と同様、製造元で設定した値X、Yを用いてもよい。同様に、成功率の閾値も、製造元で設定した値を用いてもよい。
[0061]
図6において、ステップS31、S32の処理は、上記ステップS11,S12等と同様であるが、パワー(P)と標準偏差は、全てのチャンネルについて、それぞれ算出する。
[0062]
そして、各チャンネル毎にそのパワー(P)と標準偏差を、上記閾値Xs、Ysと比較して、測定精度が悪化しているか否かを判定し、測定精度は悪化していないと判定されたチャンネルの数をカウントする。そして、このカウント数nと全チャンネル数Nとにより、成功率=n/Nを算出する。そして、算出した成功率を上記成功率の閾値Zsと比較して、成功率≧Zsであれば(ステップS34,YES)、そのままパルスドップラー方式を用いるものとし、流量演算処理部13によって流量演算を実行する(ステップS35
[0014]
In step S23), the determination in step S23 is to use the threshold values Xs and Ys in place of the threshold values X and Y in step S13. That is, the manufacturer of the above-mentioned two-method combined ultrasonic flowmeter sets the threshold values X and Y based on the experimental results and other experiences, etc., but the optimum threshold depends on the piping conditions and the properties of the fluid to be measured. It will change. Therefore, for each user, thresholds Xs and Ys can be arbitrarily set that the user considers appropriate. This displays a threshold setting screen (not shown) on the display device 30, and the user operates the input device 31 to input a desired threshold value. The input device 31 is a touch panel, a keyboard, or the like.
[0059]
The flow velocity is calculated for each position (channel) in the direction perpendicular to the pipe axis of the pipe (pipe section direction) as described above. However, the processes in FIGS. 4 and 5 use only some of the channels. However, it was not explained whether all channels were used only. Although it is conceivable that only one arbitrary channel or an arbitrary part (plurality) of channels may be used, a technique that is considered appropriate for determining with high determination accuracy is shown in FIG. The description will be given with reference.
[0060]
In the processing example shown in FIG. 6, first, the threshold values Xs and Ys are arbitrarily set on the user side in advance as in FIG. 5, and the threshold value Zs of an arbitrary success rate is set. The success rate threshold Zs can be set to any value between 0% and 100%, but the present inventor considers that about 70% is appropriate from the experimental results and the like. Note that the values X and Y set by the manufacturer may be used as the power and standard deviation threshold values as in FIG. Similarly, the threshold set for the success rate may be a value set by the manufacturer.
[0061]
In FIG. 6, the processing in steps S31 and S32 is the same as that in steps S11 and S12, but the power (P) and standard deviation are calculated for all channels.
[0062]
Then, for each channel, the power (P) and standard deviation are compared with the threshold values Xs and Ys to determine whether or not the measurement accuracy is deteriorated, and it is determined that the measurement accuracy is not deteriorated. Count the number of channels. Then, the success rate = n / N is calculated from the count number n and the total channel number N. Then, the calculated success rate is compared with the success rate threshold value Zs. If the success rate ≧ Zs (step S34, YES), the pulse Doppler method is used as it is, and the flow rate calculation processing unit 13 performs the flow rate calculation. Execute (step S35)

【0018】
とができる。
[0077]
最後に、上記測定線上の位置(チャンネル)について、図8に示しておく。
図8に示すCH1、CH2,CH3等が、上記測定線上の位置(チャンネル)に相当する。
本発明の超音波流量計、2方式併用型超音波流量計等によれば、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする。また、判別精度が高いので、適切なときに切換えが行われるようになる。
[0018]
You can.
[0077]
Finally, the positions (channels) on the measurement line are shown in FIG.
CH1, CH2, CH3, etc. shown in FIG. 8 correspond to positions (channels) on the measurement line.
According to the ultrasonic flowmeter of the present invention, the two-type combined ultrasonic flowmeter, etc., it is possible to know the certainty of the measurement result by determining the state of the fluid to be measured in the pulse Doppler type ultrasonic flowmeter. In addition, by configuring an ultrasonic flow meter that combines the pulse Doppler method and the propagation time difference method, and switching the pulse Doppler method to the propagation time difference method according to the determination result of the state of the fluid to be measured, It makes it possible to measure the flow rate without degrading the measurement accuracy while taking advantage of the high-precision measurement by the Doppler method. In addition, since the discrimination accuracy is high, switching is performed at an appropriate time.

Claims (11)

パルスドップラー式超音波流量計において、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段と、
を有することを特徴とするパルスドップラー式超音波流量計。
In pulse Doppler type ultrasonic flowmeter,
For each channel, based on a Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal, power calculating means for calculating power indicating the intensity of the echo signal;
Standard deviation calculating means for calculating the standard deviation for each channel based on the Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal and its average value;
A state discriminating unit that discriminates the state of the fluid to be measured by comparing the power or / and the standard deviation with a predetermined threshold value for each channel,
A pulse Doppler type ultrasonic flowmeter characterized by comprising:
パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計であって、
通常時は、パルスドップラー方式を用いるものとし、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段と、
状態判別手段による判別結果に応じて一時的に伝搬時間差方式に切り換えるか否かを決定する切換手段と、
を有することを特徴とする2方式併用型超音波流量計。
A combined ultrasonic flow meter with a pulse Doppler method and a propagation time difference method,
In normal times, the pulse Doppler method shall be used.
For each channel, based on a Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal, power calculating means for calculating power indicating the intensity of the echo signal;
Standard deviation calculating means for calculating the standard deviation for each channel based on the Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal and its average value;
A state discriminating unit that discriminates the state of the fluid to be measured by comparing the power or / and the standard deviation with a predetermined threshold value for each channel,
Switching means for deciding whether or not to temporarily switch to the propagation time difference method according to the determination result by the state determination means;
2 type combined use ultrasonic flowmeter characterized by having.
前記状態判別手段は、前記各チャンネル毎に、測定精度が悪化しているか否かを判定するものであり、
前記切換手段は、前記状態判別手段によって測定精度が悪化していると判定されたチャンネルの数が、予め設定される割合以上であった場合は、測定方式を伝搬時間差方式に切り換えることを特徴とする請求項2記載の2方式併用型超音波流量計。
The state determination means determines whether or not the measurement accuracy is deteriorated for each channel,
The switching means switches the measurement method to a propagation time difference method when the number of channels determined that the measurement accuracy is deteriorated by the state determination means is equal to or higher than a preset ratio. The two-system combined ultrasonic flowmeter according to claim 2.
前記パワーは前記ドップラースペクトルを積分処理して得られる総パワー又は該総パワーを取込回数で除算した平均化パワーであることを特徴とする請求項2又は3記載の2方式併用型超音波流量計。   4. The two-system combined ultrasonic flow rate according to claim 2, wherein the power is a total power obtained by integrating the Doppler spectrum or an averaged power obtained by dividing the total power by the number of acquisitions. Total. 前記ドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて算出される標準偏差に代えて、該算出された標準偏差を前記ドップラーシフト周波数の平均値によって規格化した値を用いることを特徴とする請求項2又は3記載の2方式併用型超音波流量計。   3. A value obtained by normalizing the calculated standard deviation by an average value of the Doppler shift frequency is used instead of the standard deviation calculated based on the Doppler shift frequency and an average value thereof. Or 2 type | mold combined use type ultrasonic flowmeter of 3 description. 標準偏差算出手段は、前記ドップラーシフト周波数とその平均値に代えて、ドップラーシフト位相角とその平均値を用いて、ドップラーシフト位相角の標準偏差を算出することを特徴とする請求項2又は3記載の2方式併用型超音波流量計。   The standard deviation calculating means calculates the standard deviation of the Doppler shift phase angle using the Doppler shift phase angle and its average value instead of the Doppler shift frequency and its average value. 2 type combined use ultrasonic flowmeter of description. 前記閾値を設定・変更させる入力手段を更に有することを特徴とする請求項2記載の2方式併用型超音波流量計。   The two-type combined ultrasonic flowmeter according to claim 2, further comprising an input means for setting and changing the threshold value. 予め任意の測定回数又は測定時間を設定させ、
前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定は、前記設定された測定回数又は測定時間分、行われることを特徴とする請求項2記載の2方式併用型超音波流量計。
Set any number of measurements or measurement time in advance,
3. The combined use of the two methods according to claim 2, wherein when the switching means is temporarily switched to the propagation time difference method, the measurement by the propagation time difference method is performed for the set number of measurements or measurement time. Type ultrasonic flowmeter.
前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定結果を、該切換え直前のパルスドップラー方式による測定結果から緩やかに変化するように補正して出力することを特徴とする請求項2記載の2方式併用型超音波流量計。     When the switching means is temporarily switched to the propagation time difference method, the measurement result by the propagation time difference method is corrected and output so as to change gradually from the measurement result by the pulse Doppler method immediately before the switching. The two-system combined ultrasonic flowmeter according to claim 2. パルスドップラー式超音波流量計におけるコンピュータに、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出する機能と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する機能と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する機能と、
を実現させる為のプログラム。
In the computer in the pulse Doppler type ultrasonic flowmeter,
A function for calculating the power indicating the intensity of the echo signal based on the Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal for each channel;
A function for calculating the standard deviation for each channel based on the Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal and its average value,
A function for determining the state of the fluid to be measured by comparing the power or / and the standard deviation with a predetermined threshold value for each channel;
A program to realize
パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計におけるコンピュータに、
通常時は、パルスドップラー方式を用いるものとし、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出する機能と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する機能と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は/及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する機能と、
状態判別手段による判別結果に応じて、伝搬時間差方式に切り換えるか否かを決定する機能と、
を実現させる為のプログラム。
In the computer in the ultrasonic flow meter of the combined use type of the pulse Doppler method and the propagation time difference method,
In normal times, the pulse Doppler method shall be used.
A function for calculating the power indicating the intensity of the echo signal based on the Doppler spectrum obtained based on the measured echo signal for each channel;
A function for calculating the standard deviation for each channel based on the Doppler shift frequency obtained based on the measured echo signal and its average value,
A function for determining the state of the fluid to be measured by comparing the power or / and the standard deviation with a predetermined threshold value for each channel;
A function for determining whether to switch to the propagation time difference method according to the determination result by the state determination means;
A program to realize
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