KR101330032B1 - Dft 상호 상관법을 이용한 초음파 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노이즈에 내성이 있는 초음파 유량계에 관한 것으로, 피측정 유체가 흐르는 유로의 상류 측과 하류 측에 해당 유로를 사이에 두고 대향 배치되어 소정의 초음파 신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 소자와, 상류 측의 초음파 소자의 수신출력이 있는 제1신호와 하류 측의 초음파 소자의 수신출력이 있는 제2신호 각각에 대해서 푸리에 변환을 행해 제3신호와 제4신호를 생성하는 푸리에 변환부와, 상기 제3신호와 제4신호 중 어느 한편의 공역복소신호를 생성하며, 다른 한편의 신호와 상기 공역복소신호와의 내적을 계산하여 제5신호를 생성하는 연산부와, 상기 제5신호에 대해서 역푸리에 변환을 행해 제6신호를 생성하는 역푸리에 변환부와, 상기 제6신호에 있어서 극대치의 타이밍을 근간으로 피측정 유체의 유량을 산출하는 산출부를 포함함을 특징으로 한다.

Description

DFT 상호 상관법을 이용한 초음파 유량계{ULTRASONIC FLOW MEASUREMENT SYSTEM DFT CORRELATION METHOD}

본 발명은 유량 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 노이즈가 측정 정밀도에 큰 영향을 주는 것을 억제하는 초음파 유량계에 관한 것이다.

물 등의 유체의 유량을 계측하는 초음파 유량계의 한 형태로써 유체가 흐르는 유로의 상류 측과 하류 측에 유로를 사이에 두고 대향 배치한 한 쌍의 초음파 소자를 가진 초음파 유량계가 알려지고 있다.

이 초음파 유량계는 상류 측의 초음파 소자부터 송신된 초음파 신호가 하류 측의 초음파 소자에 도달하기까지의 시간 tu와, 하류 측의 초음파 소자부터 송신된 초음파 신호가 상류 측의 초음파 소자에 도달하기까지의 시간 td와의 차이

를 근거로 해서 유로를 흐르는 유체의 평균 유속도 및 유량을 구한다. 시간 td와 시간 tu와의 차이

를 구하는 수법으로서 제로 크로스법과 적화 연산법이 알려져 있다. 덧붙여 적화 연산법은 상호 상관법에 속한다.

제로 크로스법(특허문헌 1 참조)은 주기성을 가지는 초음파 신호를 이용하여 초음파 신호의 도달 타이밍을 정하기 위해 특정 조건에 따라서 각 초음파 소자에서 초음파 신호의 도달 시간이 측정되어, 그 도달 시간의 차이가 하드웨어에 의해 아날로그 방식으로 구해지거나 또는 소프트웨어에 의해 디지털방식으로 구할 수 있다. 특정 조건의 예를 들면 "초음파 수신 신호가 처음으로 임계(threshold)전압을 넘은 후에 제로 전압이 되는 타이밍(제로 크로스 점)을 도달 타이밍이라 한다." 라고 하는 조건을 이용한다.

한편 적화 연산법은 상류 측 수신신호와 하류 측 수신신호와의 상호상관이 적화 연산으로 연산되며, 그 상호 상관치로부터 도달시간의 차가 구해진다. 구체적으로는 적화 연산법에는 시간축 상에 상류 측 수신신호와 하류 측 수신신호를 배치해 상류 측 수신신호와 하류 측 수신신호가 가깝게 시간축 상에서 하류 측 수신신호를 단계적으로 옮긴다. 그리고 하류 측 수신신호를 옮긴 것에 시간축 상에서 동시각의 상류 측 수신신호와 하류 측 수신 신호와의 값을 동시각인 것에 곱하며, 그 곱한 값을 더해서 그 더한 결과가 옮긴 시간에 있어서의 상호 상관치로 산출된다. 그리고 상호 상관치가 최대가 되는 옮긴 시간이 도달시간의 차이로 구할 수 있다.

일본국 특개 2012-193966호 공보

상술한 제로 크로스법에서는 제로 크로스 점에 노이즈가 발생하거나 포함되면, 그만큼 제로 크로스 점이 이동하며 유량측정의 정도가 악화된다. 즉, 제로 크로스법에서는 제로 크로스 점이라 하는 특정의 측정점에서의 노이즈가 측정 정도에 큰 영향을 준다.

한편 적화 연산법에서는 수신신호(수파신호)의 크기 그 자체가 가중치가 된다. 이 때문에 각 수신신호에 있어서 최대 값끼리 곱한 값이 최대의 가중치가 된다. 그러므로 각 수신신호에 있어서 최대치가 되는 점에서의 노이즈 레벨이 측정 정도에 큰 영향을 준다.

따라서, 제로 크로스법에서도 적화 연산법에서도 특정 측정점에서의 노이즈가 측정 정도에 큰 영향을 주는 문제가 있다. 이에 본 발명의 목적은 상기 문제를 해결하기 위해 것으로서 노이즈에 내성이 있는 초음파 유량계를 제공하는 것으로 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량계는,

피측정 유체가 흐르는 유로의 상류 측과 하류 측에 해당 유로를 사이에 두고 대향 배치되어 소정의 초음파 신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 소자와;

전술한 상류 측의 초음파 소자의 수신출력인 제1신호와 전술한 하류 측의 초음파 소자의 수신출력인 제2신호 각각에 대해서 푸리에 변환을 행한 제3신호 및 제4신호를 생성하는 푸리에 변환부와;

전술한 제3신호와 전술한 제4신호 중 한편의 신호의 공역복소신호를 생성하며, 다른 한편의 신호와 전술한 공역복소신호와의 내적을 계산하여 제5신호를 생성하는 연산부와;

전술한 제5신호에 대해서 역푸리에 변환을 행한 제6신호를 생성하는 역 푸리에 변환부와;

전술한 제6신호에 있어서 극대치의 타이밍을 근거로 해서 전술한 피측정 유체의 유량을 산출하는 산출부;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 제1신호와 제2신호의 상호상관 함수(제 6신호)를 산출하기 위해 푸리에 변환이 이용된다. 푸리에 변환에서는 제1신호 전체를 사용하는 계산, 제2신호의 전체를 이용한 계산이 행해진다. 이 때문에 푸리에 변환을 이용해서 산출한 상호상관 함수는 제1신호와 제2신호의 특정의 측정점에 있어서 노이즈에 영향을 받는 것이 어렵게 된다. 따라서 특정 측정점에서의 노이즈가 측정 정밀도에 큰 영향을 주는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 초음파 유량계를 표시한 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 유량계의 동작을 설명하기 위한 플로우 차트.
도 4는 신호 f(t)와 신호 g(t)를 이용해서 피측정 유체의 유량을 산출하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 5는 신호 f(t)와 신호 g(t)의 일 예를 보여주는 도면.
도 6은 신호 F(s)와 신호 G(s)의 일 예를 보여주는 도면.
도 7은 신호 c(t)와 실수부를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 초음파 유량계를 표시한 도면.

이하 도면을 참조해서 본 발명의 일 실시 형태를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 초음파 유량계를 보여주는 도면이다.

도 1에 있어서 초음파 유량계는 초음파 소자 1 및 2와, 송신신호 발생기 3과, 파워앰프 4와 멀티플렉서 5 및 6과, 프리앰프 7과, AGC(auto gain controller) 8과, AD(analog digital) 컨버터 9와, 기억부 10과, 처리부 11과 표시부 12를 포함한다.

처리부 11은 기능 프로그램이라 하며, 측정 지시부 111과, 푸리에 변환부 112, 연산부 113, 역푸리에 변환부 114 및 산출부 115를 포함한다.

초음파 소자 1 및 2는 피측정 유체(예를 들어 물 등의 유체)가 흐르는 유로 200의 상류 측과 하류 측에 유로 200을 사이에 두고 대향 배치된 한 쌍의 초음파 진동자이다. 본 실시 형태에서는 초음파 소자 1이 유로 200의 상류 측에 배치되고 초음파 소자 2는 유로 200의 하류에 배치된다.

초음파 소자 1과 초음파 소자 2는 유로 200을 흐르는 피측정 유체를 통해 4 MHz의 초음파 신호를 송수신한다. 4 MHz의 초음파 신호는 소정(정해져 있음)의 초음파 신호 및 소정 주파수의 초음파 신호의 일 예이다. 덧붙여 송수신 되는 초음파 신호의 주파수는 4 MHz에 한정하지 않고 적당히 변경 가능하다. 예를 들어 1~4 MHz의 주파수와 8 MHz의 주파수가 이용될 수 있다.

송신신호 발생기 3은 초음파 소자 1과 초음파 소자 2를 진동(구동)하기 위해 송신신호를 발생한다. 본 실시형태에서는 각 송신신호는 미리 정해진 출력 시간 T1만 출력된다. 파워 앰프 4는 송신신호 발생기 3이 발생한 송신신호를 초음파 소자 1과 초음파 소자 2의 여기(勵起)전압에 맞게 전력을 증폭한다. 멀티플렉서 5는 파워앰프 4에서 전압 증폭한 송신신호의 출력처를 초음파 소자 1과 초음파 소자 2 사이에서 전환한다. 덧붙여 초음파 소자 1은 송신신호의 입력에 대해 4 MHz의 초음파 신호를 초음파 소자 2로 향하게 송신하며, 초음파 소자 2는 송신신호의 입력에 대해서 4 MHz의 초음파 신호를 초음파 소자 1로 향하게 송신한다. 즉 멀티플렉서 5는 송신측이 되는 초음파 소자를 선택한다.

멀티플렉서 6은 초음파 소자 1의 수신출력(아날로그 출력)과, 초음파 소자 2의 수신출력(아날로그 출력)을 받아들여 초음파 소자 1의 수신출력과 초음파 소자 2의 수신출력을 택일적으로 프리앰프 7에 출력한다. 즉 멀티플렉서 6은 수신 측이 되는 초음파 소자를 선택한다. 덧붙여 초음파 소자 1의 수신출력은 제1신호의 일 예이며, 초음파 소자 2의 수신 출력은 제2신호의 일 예이다.

프리앰프 7은 멀티플렉서 6의 출력, 즉 택일적으로 출력한 각 수신출력(초음파 소자 1의 수신출력과 초음파 소자 2의 수신출력)을 AGC 8의 입력 전압 레인지까지 증폭한다.

AGC 8은 프리앰프 7에서 증폭한 각 수신출력을 AD 컨버터 9의 입력 전압레인지에 맞게 증폭한다. 덧붙여 각 수신출력의 강도는 피측정 유체의 유속에 따라 변동한다. AGC 8은 이 변동을 보상하기 위해 프리앰프 7에서 증폭한 각 수신 출력을 증폭한다.

AD 컨버터 9는 아날로그 신호인 AGC 8의 출력(각 수신출력)을 디지털신호로 변환한다. 구체적으로 AD 컨버터 9는 AGC 8의 출력(각 수신출력)을 일정 시간간격(샘플링 시간) T2마다 샘플링하여 디지털신호(수치화한 데이터)로 변환한다. 덧붙여 T2는 T1보다 짧다. AD 컨버터 9에서는 수치화할 때 최대의 수치가 정해져 있다. 예를 들어 10비트의 AD 컨버터 9는 아날로그 치를 -512~511의 정수치로 변환한다.

기억부 10은 예를 들어 RAM(Random Access Memory)이 있으며, 수치화한 디지털 데이터(디지털화된 각 수신출력)을 기억한다.

처리부 11은 예를 들어 CPU(central Processing Unit)와 MPU(Micro Processing Unit)가 있으며, 기억부 10에 기억한 데이터를 이용하여 유로 200을 흐르는 피 측정 유체의 유량을 산출한다.

측정 지시부 111은 유량 측정시에 멀티플렉서 5 및 6의 전환신호를 출력한다. 덧붙여 멀티플렉서 5 및 6은 전환신호에 대해서 초음파 소자 1을 송신측(송신신호가 제공되는 측), 초음파 소자 2를 수신측(수신출력이 멀티플렉서 6에서 선택한 측)이라 하는 상태와 초음파 소자 2를 송신측, 초음파 소자 1을 수신측 이라는 상태로 전환한다. 또 측정 지시부 111은 송신신호 발생기 3에 동작 신호를 출력한다. 덧붙여 송신신호 발생기 3은 동작 신호를 받으면 송신신호를 발생한다.

푸리에 변환부 112는 푸리에 변환수단의 일 예이다. 푸리에 변환부 112는 기억부 10 내의 디지털화된 각 수신출력에 대해서 각각 푸리에 변환(예를 들어 DFT (이산적 푸리에 변환))을 행한다.

이하 기억부 10 내의 디지털화된 각 수신 출력 가운데 초음파 소자 1의 수신출력을 [신호 f(t)]라 칭하며, 초음파 소자 2의 수신출력을 [신호 g(t)]라 칭한다. 또 신호 f(t)를 푸리에 변환한 결과를 [신호 F(s)]라 칭하며, 신호 g(t)를 푸리에 변환한 결과를 [신호 G(s)]라 칭한다.

덧붙여 신호 f(t)는 제1신호의 일 예며, 신호 g(t)는 제2신호의 일 예며, 신호 F(s)는 제3신호의 일 예며, 신호 G(s)는 제4신호의 일 예다. 연산부 113은 연산수단의 일 예다. 연산부 113은 신호 F(s)와 신호 G(s) 중 어느 한 신호의 공역복소신호와의 내적을 계산해, 신호 f(t)와 신호 g(t)의 크로스 스펙트럼을 산출한다.

본 실시 형태에서 연산부 113은 신호 G(s)의 공역복소신호(이하[신호 H(s)]라 칭함)를 생성한다. 연산부 113은 신호 F(s)와 신호 H(s)와의 내적((F(s)·H(s))을 산출한다. 덧붙여 신호 F(s)와 신호 H(s)와의 내적의 산출 결과에 대해서 역푸리에 변환(예를 들어 IDFT(역이산 푸리에 변환))을 행해 신호 c(t)를 생성한다. 신호 c(t)는 제6신호의 일 예이며, 신호 f(t)와 신호 g(t)와의 상호상관 함수를 나타낸다.

산출부 115는 산출수단의 일 예다. 산출부 115는 신호 c(t)의 극대치를 가져다주는 ta(타이밍)를 근거로 해서 피측정 유체의 유량을 산출한다.

이하 상술한 구성을 가지는 초음파 유량계의 동작을 설명하기로 한다.

도 2는 초음파 유량계의 동작 중 구체적으로 신호 F(s)와 신호 G(s)를 생성하기까지의 동작을 설명하기 위한 플로우 차트이며, 도 3은 신호 F(s)와 신호 G(s)를 이용하여 피측정 유체의 유량을 산출하기 위한 동작을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 도 4는 신호 f(t)와 신호 g(t)를 이용하여 피측정 유체의 유량을 산출하는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 5는 신호 f(t)와 신호 g(t)의 일 예를 보여주는 도면이며, 도 6은 신호 F(s)와 신호 G(s)의 일 예를 보여주는 도면이고, 도 6의 (a)는 신호 F(s)와 신호 G(s) 각각의 실수부를 표시한 도면이며, 도 6의 (b)는 신호 F(s)와 신호 G(s) 각각의 허수부를 표시한 도면이다. 도 7은 신호 c(t)의 실수부를 보여주는 도면이다.

우선 유량 측정시에 측정 지시부 111은 멀티플렉서 5가 초음파 소자 2를 선택하고 멀티플렉서 6이 초음파 소자 1을 선택하는 전환 신호를 멀티플렉서 5 및 6에 출력한다(스텝 S201). 멀티플렉서 5가 그 전환신호를 받아들이면, 송신측으로서 초음파 소자 2를 선택한다(스텝 S202). 또 멀티플렉서 6이 그 전환신호를 받아들이면 수신측으로서 초음파 소자 1을 선택한다(스텝 S203). 측정 지시부 111은 스텝 201에서 전환신호를 출력한 이후 특정시간 T3 후에 동작신호를 송신신호 발생기 3에 출력한다(스텝 S204). 송신신호 발생기 3은 동작신호를 받아들이면 출력시간 T1동안만 송신신호를 출력한다(스텝 S205).

송신신호는 초음파 소자 1과 초음파 소자 2의 여기전압에 맞게 파워앰프 4에서 전력 증폭되며, 그 후 멀티플렉서 5를 통해 초음파 소자 2에 도달한다. 초음파 소자 2는 전력 증폭된 송신신호에 의해 4 MHz의 초음파 신호를 유로 200내의 피측정 유체를 사이에 두고 초음파 소자 1를 향해 출력시간 T1 동안만 송신한다(스텝 S206).

한편 초음파 소자 1의 수신출력은 멀티플렉서 6이 초음파 소자 1을 선택한 이후, 프리앰프 7로 출력된다. 초음파 소자 1의 수신출력은 프리앰프 7 및 AGC 8에서 증폭되며, 그 후 AD컨버터 9에서 샘플링되어 수치화된 디지털 데이터로 변환되며, 기억부 10에 기억된다(스텝 S207). 이하에서는 스텝 S207에서 기억된 디지털 데이터는 도 5의 신호 f(t)이다. 덧붙여 스텝 S207에서 기억된 디지털 데이터는 도5의 신호 f(t)에 한정되지 않는다.

계속해서 푸리에 변환부 112는 스텝 S207에서 기억부 10에 기억된 초음파 소자 1의 수신출력(디지털 데이터) 즉 신호 f(t)에 대해서 푸리에 변환을 실행하고, 신호 F(s)를 생성한다(스텝 S208).

도 6의 (a)는 신호 F(s)의 실수부를 표시하며, 도 6의 (b)는 신호 F(s)의 허수부를 나타낸다. 푸리에 변환부 112는 신호 F(s)를 연산부 113에 출력한다. 계속해서 측정 지시부 111은 동작신호를 출력하고부터 시간 T4가 경과하면 멀티플렉서 5가 초음파 소자 1을 선택하도록 하고 멀티플렉서 6이 초음파 소자 2를 선택하도록 전환신호를 멀티플렉서 5 및 6으로 출력한다(스텝 S209). 덧붙여 시간 T4는 시간 T1에 규정시간 T5를 더한 시간이다. 규정시간 T5는 미리 지정된 4 MHz의 초음파 신호가 송신되고 나서 4 MHz의 초음파 신호가 수신되기까지 필요한 최대시간보다도 긴 시간이다. 멀티플렉서 5가 그 전환신호를 받아들이면 송신측으로써 초음파 소자 1을 선택한다(스텝 S210). 또 멀티플렉서 6은 그 전환신호을 받아들이면 수신측으로써 초음파 소자 2를 선택한다(스텝S211).

측정 지시부 111은 스텝 209에서 전환신호를 출력한 후 특정시간 T3 후에 동작신호를 송신신호 발생기 3으로 출력한다(스텝 S212). 송신신호 발생기 3은 동작신호를 받아들이면 출력시간 T1만 송신신호를 출력한다(스텝S213). 송신신호는 초음파 소자 1과 초음파 소자 2의 여기전압에 맞게 파워앰프 4에서 전력 증폭되며, 그 후 멀티플렉서 5를 통해 초음파 소자 1에 도달한다. 초음파 소자 1은 전력 증폭된 송신신호에 따라 4 MHz의 초음파신호를 유로 200내의 피측정 유체를 사이에 두고 초음파 소자 2를 향해 송신한다(스텝 S214).

한편 초음파 소자 2의 수신출력은 멀티플렉서 6이 초음파 소자 2를 선택한 이후 프리앰프 7로 출력된다. 초음파 소자 2의 수신출력은 프리앰프 7 및 AGC 8에서 증폭되며, 기억부 10에 기억된다(스텝 S215). 이하에서는 스텝 S215에서 기억한 디지털 데이터가 도 5의 신호 g(t)라고 한다. 덧붙여 스텝 S215에서 기억한 디지털 데이터는 도 5의 신호 g(t)에 한정되지 않는다.

계속해서 푸리에 변환부 112는 스텝 S215에서 기억부 10에 기억된 초음파 소자 2의 수신출력(디지털 데이터) 즉 신호 g(t)에 관해서 푸리에 변환을 행하며, 신호 G(s)를 생성한다(스텝 S216). 도 6의 (a)는 신호 G(s)의 실수부를 나타내며, 도6의 (b)는 신호 G(s)의 허수부를 나타낸다.

덧붙여 측정 지시부 111은 스텝 S212에서 동작신호를 출력한 이후부터 시간 T4가 경과되면 멀티플렉서 5가 초음파 소자 1을 선택해 멀티플렉서 6이 초음파 소자 2를 선택하는 것을 정지하는 정지신호를 멀티플렉서 5 및 6에 출력한다. 푸리에 변환부 112는 신호 G(s)를 연산부 113에 출력한다. 연산부 113은 신호 F(s)와 신호 G(s)를 받아들이면 신호 G(s)의 공역복소신호로 신호 H(s)를 산출한다(스텝S217). 구체적으로는 연산부 113은 신호 G(s)의 허수부(Imaginal part)의 정부의 부호를 반전하는 것으로 신호 H(s)를 연산한다.

계속해서 연산부 113은 신호 F(s)와 신호 H(s)의 내적을 산출한다(스텝 S218). 연산부 113은 신호 F(s)와 신호 H(s)와의 내적의 연산 결과를 역푸리에 변환부 114에 출력한다. 역푸리에 변환부 114는 신호 F(s)와 신호 H(s)와의 내적의 연산결과를 받아들이면 그 산출 결과에 대해서 역푸리에 변환을 행하며 신호 c(t)를 생성한다(스텝S219).

도 7은 신호 c(t)의 실수부를 나타낸다. 역 푸리에 변환부 114는 신호 c(t)를 산출부 115로 출력한다. 산출부 115는 도 7에 나타나 있듯이 신호 c(t)의 실수부에 있어 극대치를 주는 타이밍 ta를 특정한다(스텝 S220). 덧붙여 타이밍 ta는 상류측의 초음파 소자 1부터 송신된 초음파 신호가 하류측 소자 2에 도달하기까지의 시간 tu와 하류측의 초음파 소자 2부터 송신된 초음파신호가 상류측 초음파 소자 1에 도달하기까지의 시간 td와의 차이

(=td-tu)를 나타낸다. 계속해서 산출부 115는 타이밍 ta를 근거로 해서 피측정 유체의 유량을 연산한다(스텝 S221).

덧붙여 피측정 유체의 유량은 피측정 유체의 평균유속(m/sec)에 유로 200의 단면적을 곱해 구할 수 있다. 유로 200의 단면적은 미리 측정 가능한 값(정수)이기 때문에 피측정 유체의 평균유속(m/sec)를 구하면 산출부 115는 피측정 유체의 유량을 산출하는 것이 가능하다.

여기서 피측정 유체 안의 초음파 전파경로의 길이를 L이라 하며 피측정 유체의 흘러가는 방향에 대해서 초음파의 전파방향의 각도를 θ라 하며, 정지상태의 측정 유체 안을 통과하는 초음파 속도를 c라 하면 피측정 유체의 평균유속 V는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 1에서 L, θ, c는 정수이므로 좌측의 식에서는

가 구해지면 평균유속 V가 구해진다. 수학식 1에서 좌측에 정수 c를 대신해 상류 측의 초음파 소자 1에서부터 송신된 초음파 신호가 하류 측의 초음파 소자 2에 도달하기까지의 시간 tu와 하류 측의 초음파 소자 2에서부터 송신된 초음파 신호가 상류 측의 초음파 소자 1에 도달하기까지의 시간 td가 이용될 수 있다. 시간 tu와 시간 td와의 측정수법은 공지되어 있기 때문에 구체적은 설명은 생략하지만, 예를 들어 산출부 115가 측정 지시부 111이 동작신호를 출력한 타이밍과 기억부 10에 기억한 초음파 소자 1, 2의 수신출력의 타이밍을 이용하여 측정한다.

산출부 115는

로써 타이밍 ta를 이용해서 수학식 1에 따라서 평균 유속 V를 구하며, 평균유속 V에 유로 200의 단면적(정수)을 곱해서 측정 유체의 유량을 산출한다. 산출부 115는 산출한 피측정 유체의 유량을 표시부 12에 표시한다. 덧붙여 산출부 115는 타이밍 ta를 표시부 12에 표시해도 좋다.

다음에 본 실시형태의 효과를 설명하겠다.

본 실시형태에 따르면 신호 f(t)와 신호 g(t)와의 상호상관 함수(신호 c(t))를 산출하기 위해 푸리에 변환이 사용된다. 푸리에 변환에서는 신호 f(t) 전체를 이용해서 계산하며, 신호 g(t)의 전체를 이용해서 계산이 행해진다. 이 때문에 푸리에 변환을 이용해 산출하는 상호상관 함수는 신호 f(t)와 신호 g(t)의 특정의 정점에 있어 노이즈에 영향을 받기 어렵게 된다. 따라서 특정의 측정점의 노이즈가 측정 정도에 큰 영향을 주는 것을 억제하는 것이 가능하게 되었다.

또 종래의 방식(제로 크로스법과 적화 연산법)에서는 샘플링 주기에 대해서 약 10분의 1의 시간 정도밖에 얻을 수 없지만 본 실시 형태에서는 샘플링 주기의 100분의 1보다 한층 더 좋은 측정 정도를 얻는 것이 가능하게 된다. 또 실시 형태에서는 한 쌍의 초음파 소자 1, 2 사이에서 소정의 초음파 신호의 송수신이 행해지며, 각 초음파 소자 1, 2의 수신출력에 대해서 푸리에 변환이 행해진다. 푸리에 변환에서는 창함수(window function)를 이용한 처리가 잘 사용되고 있지만 본 실시 형태에서는 송신된 초음파 신호에서 각 초음파 소자의 수신출력의 형태를 조정하는 것이 가능하다. 이 때문에 예를 들어 송신된 초음파 신호로써 각 초음파 소자 1의 수신출력 그 자체가 창함수에 따라 처리된 형태의 신호(예를 들어 도 5의 신호 f(t)의 파형과 동일한 파형을 가지는 초음파 신호)가 이용되면 창함수를 이용한 처리가 불필요할 수 있다. 덧붙여 도 5의 신호 f(t)의 파형과 동일한 파형을 가지는 초음파 신호는 초음파 진동자에 여기전압의 공급을 개시하며, 그 후 여기전압의 공급 정지를 실시하는 것을 용이하게 실현될 수 있다.

DFT 연산 처리 전에 창함수를 곱하는 방식의 경우 창함수의 개시 위치와 종료 위치를 바꾸면 계산 결과인 시간차이 값이 변해 버린다. 게다가 창함수를 곱하는 것으로 샘플링 데이터에 가중치를 행해버려, 샘플링에 의해 얻을 수 있던 데이터점 끼리의 시간차이를 계산하고 있다고는 엄밀하게 말할 수 없다. 창함수를 이용한 처리를 불필요하게 할 수 있으면 이것들의 문제를 해결 가능하게 된다. 또 본 실시 형태에서는 소정 주파수(예를 들어 4 MHz)의 초음파 신호가 이용된다. 이 때문에 예를 들어 송신출력의 필터를 설치한 경우 단일 주파수의 초음파 신호를 통과하는 고정도의 필터가 사용하기 쉽게 된다. 또 단일 주파수의 초음파 신호에 대해서 푸리에 변환(예를 들어, DFT)을 행하면, 노이즈 성분이 주성분 주파수(송신주파수 신호의 주파수) 이외의 주파수에 밀리는 형태가 된다. 그리고 공역복소적을 계산할 때에 주성분 주파수 이외의 주파수 성분 값이 무시할 수 있을 만큼 작은 값이 되어 결과적으로 두 개(상류, 하류)의 수신파 중에 주성분 주파수에 관한 항목이 가중치가 되어 계산된다.

덧붙여 신호 f(t)와 신호 g(t)를 그대로 DFT 연산처리하면 푸리에 변환의 특성으로써 연산 개시점과 종료점에 있어 신호치가 다른 경우에 큰 노이즈가 된다. 또 신호 f(t)와 신호 g(t)에 포함되는 노이즈 성분이 시간차 계산의 정도를 안 좋게 한다. 이 때문에 예를 들어 푸리에 변환부 112가 신호 f(t), 신호 g(t) 전에 시간차 비교의 대상이 되는 초음파 신호부분(초음파 신호의 수신신호)의 앞뒤의 부분을 강제적으로 [0]으로 해서 신호 처리를 실행하며, 그 신호처리가 실행된 신호 f(t) 및 신호 g(t)의 각각에 대해서 DFT를 실시하는 것이 바람직하다. 덧붙여 이 신호처리는 푸리에 변환부 112의 전단에 설치해 처리부(미도시)에서 행해져도 좋다. 이 신호 처리가 행해지는 것으로 DFT 연산처리에 의해 생기는 노이즈의 문제를 저감할 수 있어 시간차 계산의 정도를 개선하는 것이 가능하게 된다. 덧붙여 [0]은 특정치의 일 예다. 그리고 특정치는 [0]에 한정 짓지 않고 적당히 변경 가능하다.

또한 DFT 연산과 IDFT 연산에 있어 푸리에 급수의 계산은 다수의 항을 포함하기 때문에 계산에 시간이 걸린다. 푸리에 급수의 계산에 필요한 sin 계수 및 cos 계수값은 아래와 같은 형태이다.

다만 k,n은 정수로 전형적으로는 k,n=0~N-1

여기서 미리 k,n=0~N-1의 경우에 대해 sin 계수 및 cos 계수값을 계산해서 테이블화해 기억부(기억수단)에 보관해두고, 푸리에 변환부 112가 DFT를 계산한 경우와 푸리에 역변환부 114가 IDFT를 계산한 경우에 수학식 3에 나타낸 것과 같이 k,n을 인수로써 테이블 참조하는 것으로, 푸리에 변환 및 역푸리에 변환에 필요한 sin 계수값 및 cos 계수값의 재계산을 행하지 않고 고속으로 DFT와 IDFT를 계산하는 것이 가능하다.

도 8은 푸리에 변환 및 역푸리에 변환에 필요한 sin 계수값 및 cos 계수값을 표시한 테이블을 기억한 기억부 13을 갖춘 초음파 유량계의 일 예를 나타내는 그림이다. 덧붙여 도 8에 있어서 도 1에 나타낸 것과 동일 구성의 것에는 동일부호를 붙인다.

도 8에 나타낸 초음파 유량계에서는 푸리에 변환부 112는 기억부 13내의 테이블(푸리에 변환에 필요한 sin계수값 및 cos 계수값)를 참조해서 푸리에 변환을 실시한다. 또한 도 1, 도 8에 나타낸 초음파 유량계에 있어 신호 c(t)의 극대치의 타이밍 ta를 구하는 수법으로 이하의 수법이 사용되어도 좋다.

(1) 제1의 수법[DFT 연산 및 공역복소수 적(積)에 의해 얻은 계수열에 의해 IDFT 연산을 행하는 경우에 샘플링 포인트만이 아니고 임의의 포인트에 있어서 IDFT 연산치를 반복해서 계산하는 것으로 목적의 유효자리수의 시간차를 얻는 방식]

종래의 적화 연산법에서는 샘플링 포인트 단위로 시간을 늦춘 적화치가 최대가 되는 포인트가 필요하다. 이 때문에 적화 연산법에서는 샘플링 주기단위의 시간 차 정도 밖에 얻을 수 없다.

제1수법에서는 역푸리에 변환부 114는 먼저 샘플링 포인트 T2(제1시간 간격) 단위로 신호 f(t)와 신호 g(t)의 크로스 스펙트럼에 대해서 IDFT 연산을 실시해 예비가 되는 신호(제7신호)를 생성한다.

계속해서 역푸리에 변환부 114는 예비가 되는 신호의 극대치의 타이밍(가장 확실 할 것 같은 시간차) tb를 샘플링 주기에 맞춰 구한다. 계속해서 역푸리에 변환부 114는 타이밍 tb의 전후를 포함한 시간 범위(예를 들어 [tb-α]부터 [tb+α]까지의 범위)에 있어서 샘플링 포인트 간격에 있어서도 짧은 시간 간격(요구하는 정도의 시간차이 간격)으로 신호 f(t)와 신호 g(t)의 크로스 스팩트럼에 대해서 IDFT 연산을 행하는 것으로 신호 c(t)를 생성한다. 역푸리에 변환부 114는 이 신호 c(t)를 산출부 115에 출력한다. 산출부 115는 이 신호 c(t)에 있어서 극대치의 타이밍에 근거해서 피측정 유체의 유량을 산출한다. 이 때문에 제1수법에 의하면 가장 확실할 것 같은 시간차

를 요구하는 정도로 계산하는 것이 가능하게 된다.

(2) 제2의 수법[DFT 연산 결과가 최대가 되는 점, 즉 목적의 시간차이를 계산할 때에 IDFT 연산결과의 함수 미분치가 0이 되는 점을 직선 보간에 의해 구하는 방식]

IDFT 연산결과의 계수의 실수부 값이 최대가 되는 점을 구하기 위해 목적의 정도가 되기까지 인수를 증폭해서 재계산을 행하면 시간이 걸린다.

제2수법에서는 IDFT 연산결과의 계수의 미분치를 주는 계산식을 도출하며, IDFT 연산 결과의 함수의 극대치를 주는 점에서는 IDFT 연산결과의 함수의 미분치가 0이 되는 것을 이용해서 IDFT 연산결과의 함수 극대치를 주는 점을 구하는 것으로 반복 계산해서 극대치의 타이밍을 계산할 수 있다.

예를 들어 역푸리에 변환부 114는 미리 각 샘플링 포인트 상(소정시간 간격)에서 신호 f(t)와 신호 g(t)의 크로스 스펙트럼에 대해서 IDFT 연산을 실시해 신호 c(t)를 산출한다. 계속해서 산출부 115는 신호 c(t)의 최대치(극대치)의 타이밍 (가장 큰 IDFT치를 주는 샘플링 포인트)를 특정한다. 계속해서 산출부 115는 그 특정된 타이밍 전후의 샘플링 포인트 상의 IDFT 연산결과의 함수 미분치를 기울기로 해서 IDFT 연산결과를 통한 직선과 특정된 타이밍 직후 샘플링 포인트 상의 IDFT 연산결과 함수의 미분치를 기울기로 해서 IDFT 연산결과를 통해 직선을 사용해 직선의 샘플링 포인트 직후의 샘플링 포인트와의 사이의 신호 c(t)를 직선보간(선형보간)한다.

계속해서 산출부 115는 직선보간된 신호 c(t)의 최대치를 취해 타이밍(직선의 교점에 대응한 타이밍)을 신호 c(t)의 미분치가 0이 되는 타이밍으로써 특정한다. 덧붙여 목적의 정도가 나오게 샘플링 포인트의 간격을 충분히 좁게 취해두면 목적의 정도를 얻는 것이 가능하다.

임의시각 n일 때의 IDFT의 실수부의 계산식은 아래와 같은 형태를 하고 있다.

덧붙여 수학식 4에 있어 CCR_real은 신호 f(t)와 g(t)의 크로스 스펙트럼의 실수부를 보여주며, CCR_imag는 신호 f(t)와 g(t)의 크로스 스펙트럼의 허수부를 보여준다.

IDFT를 n에 관해서 미분하면 아래가 된다.

여기서

라고 구해진다. n0가 n-1과 n+1의 사이에 있어 직선보간 할 수 있다고 하고 구하면 n0는 아래와 같이 계산할 수 있다.

산출부 115는 수학식 7에 따라서 n0 (직선보간된 신호 c(t)의 최대치를 취하는 타이밍)을 산출한다.

덧붙여 상기 실시형태에 있어 신호 f(t)는 하류의 초음파 소자 2가 초음파 신호를 송신하고 나서 상류 측의 초음파 소자 1이 초음파 신호를 다 수신할 때까지의 기간에 있어서 상류 측 초음파 소자 1의 출력에도 좋고, 신호 g(t)는 상류 측 초음파 소자 1이 초음파 신호를 송신하고 나서 하류 측의 초음파 소자 2가 초음파신호를 다 수신할 때까지의 기간에 있어 하류 측 초음파 소자 2의 출력에도 좋다.

또 상기 실시형태에 있어 처리부 11 내의 부분은 처리부 11이 컴퓨터 등의 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램을 읽어내 실행하는 것으로 실현되어도 좋으며, 개별의 하드웨어로 실현되어도 좋다.

이상 설명한 실시 형태에 있어 도시한 구성은 단순한 일 예이며 본 발명은 그 구성에 한정되어 있는 것이 아니다.

1, 2: 초음파 소자 3: 송신신호 발생기
4: 파워 앰프 5, 6: 멀티플렉서
7: 프리앰프 8: AGC
9: AD 컨버터 10: RAM
11: 처리부 111: 측정 지시부
112: 푸리에 변환부 113: 연산부
114: 역푸리에 변환부 115: 산출부
200: 유로

Claims (8)

1. 피측정 유체가 흐르는 유로의 상류 측과 하류 측에 유로를 사이에 두고 대향 배치되어 소정의 초음파 신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 소자와;
   상기 상류 측 초음파 소자의 수신 출력인 제1신호와 상기 하류 측 초음파 소자의 수신 출력인 제2신호 각각에 관해서 푸리에 변환을 행하는 제3신호와 제4신호를 생성하는 푸리에 변환부와;
   상기 제3신호와 제4신호 중 어느 한 신호의 공역복소신호를 생성하며, 다른 한 신호와 상기 공역복소신호와의 내적을 계산해서 제5신호를 생성하는 연산부와;
   상기 제5신호에 관해서 역푸리에 변환을 행하여 제6신호를 생성하는 역푸리에 변환부와;
   상기 제6신호에서 극대치의 타이밍을 근간으로 상기 피측정 유체의 유량을 산출하는 산출부;를 포함하며,
   상기 역푸리에 변환부는 상기 제5신호를 제1시간 간격 단위로 역푸리에 변환하여 제7신호를 생성하며, 상기 제7신호의 극대치 타이밍의 전후를 포함하는 소정의 시간영역에 대해서 상기 제5신호를 상기 제1시간 간격보다 짧은 제2시간 간격으로 역푸리에 변환하여 상기 제6신호를 생성함을 특징으로 하는 초음파 유량계.
2. 피측정 유체가 흐르는 유로의 상류 측과 하류 측에 유로를 사이에 두고 대향 배치되어 소정의 초음파 신호를 송수신하는 한 쌍의 초음파 소자와;
   상기 상류 측 초음파 소자의 수신 출력인 제1신호와 상기 하류 측 초음파 소자의 수신 출력인 제2신호 각각에 관해서 푸리에 변환을 행하는 제3신호와 제4신호를 생성하는 푸리에 변환부와;
   상기 제3신호와 제4신호 중 어느 한 신호의 공역복소신호를 생성하며, 다른 한 신호와 상기 공역복소신호와의 내적을 계산해서 제5신호를 생성하는 연산부와;
   상기 제5신호에 관해서 역푸리에 변환을 행하여 제6신호를 생성하는 역푸리에 변환부와;
   상기 제6신호에서 극대치의 타이밍을 근간으로 상기 피측정 유체의 유량을 산출하는 산출부;를 포함하며,
   상기 역푸리에 변환부는 상기 제5신호를 소정 시간 간격으로 역푸리에 변환하여 상기 제6신호를 생성하며, 상기 산출부의 최대치 샘플링 포인트를 특정하며, 그 특정된 샘플링 포인트의 타이밍보다 상기 소정 시간 전의 타이밍에서 상기 제6신호의 미분치를 기울기로 하는 직선과, 상기 최대치 샘플링 포인트보다 상기 소정 시간 후의 타이밍에서 상기 제6신호의 미분치를 기울기로 가지는 직선을 이용해서 상기 소정시간 전의 타이밍과 상기 소정시간 후의 타이밍 사이의 상기 제6신호를 직선 보간하며, 직선 보간 결과에 근거하여 상기 최대치의 샘플링 포인트를 산출함을 특징으로 하는 초음파 유량계.
3. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소정의 초음파 신호는 소정 주파수의 초음파 신호임을 특징으로 하는 초음파 유량계.
4. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 푸리에 변환부는,
   상기 제1신호의 양단부 및 상기 제2신호의 양단부를 특정치로 하는 신호처리를 실행해, 상기 신호처리가 실행된 제1신호 및 제2신호 각각에 대해 전술한 푸리에 변환을 행하여 상기 제3신호와 제4신호를 생성함을 특징으로 하는 초음파 유량계.
5. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 푸리에 변환 및 상기 역푸리에 변환에 필요한 sin 계수값 및 cos 계수값을 나타낸 테이블을 기억하는 기억부를 더 포함하되, 상기 푸리에 변환부는 상기 테이블을 참조해서 전술한 푸리에 변환을 실행하며, 상기 역푸리에 변환부는 상기 테이블을 참조해서 전술한 역 푸리에 변환을 실행함을 특징으로 하는 초음파 유량계.
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