TW200307807A - Ultrasonic flowmeter and ultrasonic flowmetering method - Google Patents

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Yasushi Takeda
Harutsugu Mori
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Description

200307807 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種利用超音波脈衝來測定流體的流量 的超波流量計，尤其是關於一種可以非接觸測定含有較淸 潔的流體的各種流體的流量的超音波流量計。 【先前技術】 作爲利用超音波脈衝的杜卜勒效應（Doppler effect )的杜卜勒式超音波流量計，有揭示於日本特開2000-97742號公報的技術。 該杜卜勒式超音波流量計，是從轉換器朝流體配管內 的測定線發射超音波脈衝，解析來自流在流體配管內的流 體內的懸浮微粒子的反射波的超音波回波信號。並從懸浮 微粒子的位置與速度求出沿著測定線的流體的流量的裝置 。測定線是藉由從轉換器所發射的超音波脈衝的射束所形 成。 杜卜勒式超音波流量計，是可適應於不透明流體，不 透明流體配管內，可以非接觸測定流在流體配管內的流體 ，以沿著測定線的線測定可以測定流體配管內的流速分布 或流量，一方面，也可適用於不透明流體的流速分布或流 量測定，具有也可利用在水銀、鈉等流體金屬的流動測定 的優點。 在杜卜勒式超音波流量計中，可得到從轉換器發射至 流體內的超音波脈衝的測定線上的流體速度分布的經時變 -5- (2) (2)200307807 化之故，因而期待著對於流在流體配管內的流體的過度流 動或紊流場所的流體的速度分布或計測的應用。 上述的超音波流量計的一例是被記載於日本特開 2000-9 7 742號公報。（例如參照說明書段落號碼[〇〇1 5]至 [0019]、 [0026]至[0032]、 [0078]至[0082])。 在習知的杜卜勒式超音波流量計中，多數懸浮微小粒 子或氣泡等的超音波反射體存在於流在流體配管內的測定 對象流體，使得超音波反射體連續地流在測定線（超音波 射束）上乃爲流體的流體分布上必需的測定條件。若超音 波反射體混進流體而未連續地流進來自轉換器的測定線上 ，則在流體的流速分布測定會發生缺陷，而有降低流體的 流速分布測定及流量測定的精度的缺點問題。 又，習知的杜卜勒式超音波流量計，是信號處理來自 超音波反射體的反射波的超音波回波信號並進行解析，求 出流體的速度分布或流速，惟在既有的杜卜勒式超音波流 量計的信號處理法中，爲了得到一種速度分布，必須重複 發射多數超音波脈衝。在重複發射超音波脈衝的習知杜卜 勒式超音波流量計中，時間分解能最高也只有約10ms的低 値，而在流動流體配管內的流體流動場所存有過度流動或 紊流，則很難在精度優異下正確地測定流體的流量。 本發明是考慮上述事項而創作者，提供一種能提高時 間分解能，即使過度流動或紊流存在於流體配管內，也能 在精度優異下正確地測定流體的流量的超音波流量計。 本發明的其他目的是於提供一種即使超音波反射體不 -6- (3) (3)200307807 連續且間歇地流在測定對象流體的測定線上的狀態，也儲 存超音波反射體的位置，速度資料，能在精度優異下正確 地測定流體的流量的超音波流量計。 【發明內容】 本發明的超音波流量計，是爲了解決上述的課題，如 申請專利範圍第1項所述地，一種超音波流量計，其特徵 爲：具備輸出觸發信號的觸發振盪手段，及藉由來自該觸 發振盪手段的觸發信號輸出超音波脈衝振盪信號的脈波接 收機，及藉由來自該脈波接收機的超音波脈衝振盪信號， 朝流體內的測定線振盪超音波脈衝的轉換器，及將從該轉 換器所發射的超音波脈衝反射在懸浮於流體內的超音波反 射體，並接收該反射波的超音波回波信號，且信號處理所 接收的超音波回波信號的信號處理手段，及信號解析在該 信號處理手段經信號處理的超音波回波信號，並求出沿著 上述測定線的超音波反射體的位置與速度的信號解析手段 :上述觸發振盪手段是控制脈波接收機與AD換流器間的 信號授受時機，且連續複數次超音波脈衝振盪及超音波回 波信號接收，之後，調整設定成具備一定等待時間。 又，爲了解決上述課題，本發明超音波流量計是如申 請專利範圍第2項所述，上述信號處理手段是具備：具超 音波脈衝的反射波的超音波回波信號從轉換器被傳送’且 選擇因應於來自轉換器的超音波振盪頻率的頻帶的超音波 回波信號的濾波處理部的脈波接收機，及A D變換來自該 -7- (4) (4)200307807 脈波接收機的超音波回波信號的AD換流器；上述信號解 析手段是具備：求出採取經數位化的超音波回波信號彼此 間的相互相關所得到的相位差，算出上述超音波反射體的 速度分布之後算出上述超音波反射體所懸浮的流體的流速 分布的流速分布算出手段，及將算出流速分布的流體流量 加以算出的流量算出手段。 又，爲了解決上述課題，本發明超音波流量計，是如 申請專利範圍第3項所述，上述信號解析手段是具備採取 經數位化的超音波回波信號彼此間的相互相關來解析信號 相位差，算出上述超音波反射體的速度分布之後算出上述 超音波反射體所懸浮的流體的流速分布的流速分布算出手 段。 又，爲了解決上述課題，本發明超音波流量計，是如 申請專利範圍第4項所述，上述信號解析手段是以區別反 射波與雜訊爲目的，上述信號處理手段在經數位化的超音 波回波信號的振幅設成臨限値；選別具有超過臨限値的振 幅的超音波回波信號作爲上述反射波，針對於經選別的超 音波回波信號彼此間計算相互相關，同時以識別來自流體 中的同一超音波反射體的反射波爲目的，在計算相關的相 關値設定臨限値，當相關値超過臨限値時，判斷爲來自同 一超音波反射體的反射波而求出相位差，並從所求得的相 位差來算出上述超音波反射體的速度分布。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計，是 如申請專利範圍第5項所述，上述信號解析手段是具備： -8- (5) (5)200307807 以區別反射波與雜訊爲目的上述信號處理手段在經數位化 的超音波回波信號的振幅，及以識別來自流體內的同一超 音波反射體的反射波爲目的，在計算超音波回波信號彼此 間的相互相關的相關値設定臨限値，將該臨限値作成可變 ，因應於被測定流體中的多少超音波反射體，求出最適合 此些的流速分布的流速分布算出手段及流量測定手段。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計，是 如申請專利範圍第6項所述，上述信號解析手段是具備： 利用超音波，求出具有反射波的抽樣時間間隔的離散性相 互相關函數，又，爲了保存利用來自追踪粒子群的超音波 的脈衝反射波的形狀，利用更縮短離散間隔△ t的間隔的 近似正弦波而以更細分割的網目求出相互相關函數的流速 分布算出手段及流量測定手段。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計，是 如申請專利範圍第7項所述，上述脈波接收機是將輸入觸 發信號的觸發時間與輸出超音波脈衝振盪信號的信號發送 時間之間的參差不齊，在來自發射區域的反射波的超音波 回波信號彼此間增加相互相關來進行正信號發送時間的數 位觸發處理。 又’爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計，是 如申請專利範圍第8項所述，上述觸發振盪手段是連續複 數次超音波脈衝振盪及超音波回波信號之後，設定一定等 待時間以提高時間分解能。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計，是 -9 - (6) (6)200307807 如申請專利範圍第9項所述，上述觸發振盪手段是變更所 振盪的觸發信號的脈衝數及等待時間，藉由連續脈衝法、 二發送脈衝法、及三發送脈衝法的三種類的流體流速分布 計測方法的任一方法來進行流體的流速分布計測。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計，是 如申請專利範圍第1 〇項所述，上述觸發振盪手段是振盪外 部觸發，並將該外部觸發輸出至脈波接收機及AD換流器 ，來控制上述脈波接收機及AD換流器的信號授受的時機 〇 本發明的超音波流量計測方法，是爲了解決上述課題 ，如申請專利範圍第1 1項所述，其特徵爲具備：振盪觸發 信號的觸發信號振盪順序，及將超音波脈衝發送至測定對 象流體並使之入射的超音波脈衝發送順序，及將接收的反 射波變換成電信號而取得超音波回波信號的超音波回波信 號取得順序，及信號處理超音波回波信號的信號處理順序 ，及 進行超音波回波信號的解析的信號解析順序，及 選擇顯示流速分布及流量計測結果的至少一方的顯示 順序。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 2項所述，上述信號解析順序是 具備：從懸浮於流體中的各該超音波反射體的位置及速度 算出上述超音波反射體的速度分布，並算出上述流體的流 體分布的流速分布算出過程，及從流速分布算出上述流體 -10- (7) (7)200307807 的流量的流量算出過程。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 3項所述，上述信號解析順序是 具備：從懸浮於流體中的各該超音波反射體的位置及速度 算出上述超音波反射體的速度分布，並算出上述流體的流 體分布的流速分布算出過程。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 4項所述’上述流速分布算出過 程是選別以區別反射波與雜訊爲目的而具有超過對於經數 位化的超音波回波信號的振幅所設定的臨限値的振幅的超 音波回波信號作爲上述反射波’針對於所選別的超音波回 波信號彼此間計算相互相關，同時以識別來自液體中的同 一超音波反射體的反射波爲目的’對於相關値所設定的臨 限値超過計算的相關値時，判斷爲來自同一超音波反射體 的反射波而求出相位差，並算出上述超音波反射體的速度 分布。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 5項所述’上述流速分布算出過 程是選別以區別反射波與雜訊爲目的而具有超過對於經數 位化的超音波回波信號的振幅所設定的臨限値的振幅的超 音波回波信號作爲上述反射波，針對於所選別的超音波回 波信號彼此間計算相互相關。 又，爲了解決上述課題’本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 6項所述’使用具有反射波的抽 -11 - (8) (8)200307807 樣時間間隔的離散性相互相關函數求出上述超音波回波信 號彼此間的相關値；該互相相關函數是爲了保存利用來自 追踪粒子群的超音波的脈衝反射波的形狀，利用更縮短離 散間隔△ t的間隔的近似正弦波使用更細分割的網目求出 〇 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第17項所述，上述觸發振盪順序是 連續複數次超音波脈衝振盪及超音波回波信號之後，設定 一定等待時間。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 8項所述，上述觸發振盪順序是 振盪外部觸發作爲上述觸發信號。 又，爲了解決上述課題，本發明的超音波流量計測方 法，是如申請專利範圍第1 9項所述，上述觸發振盪順序是 變更所振盪的觸發信號的脈衝數及等待時間，來進行連續 脈衝法、二發送脈衝法、及三發送脈衝法。 【實施方式】 參照所附圖式說明本發明的超音波流量計的實施形態 (測定系統） 在第1圖，表示槪略地表示本發明的超音波流量計的 一實施形態的測定系統的構成槪略圖。 -12- (9) (9)200307807 超音波流量計1 0是作爲電腦的個人電腦1 1利用讀取流 體的流量計測用程式（以下稱爲流量計測PG，將程式稱 爲PG ) 12及基本處理PG13並加以實行，俾進行控制與個 人電腦連接於各機器及流體分布及流量計測上所需要的演 算處理，而將個人電腦1 1及與個人電腦1 1所連接的各機器 功能作爲超音波流量計者。 流量計測PG 1 2是在個人電腦1 1實行直接與流量計測有 關的演算處理所需的程式，基板處理PG 13是與流量計測沒 有直接性關連，惟爲了將計測結果顯示在個人電腦的顯示 器等顯示手段所必需的演算處理實行在個人電腦1 1的所謂 將附隨於流量計測的演算處理實行在個人電腦11所需的程 式。流量計測PG 1 2及基本處理PG 1 3是被儲存在個人電腦 1 1 ;個人電腦1 1是可讀取流量計測PG 12及基本處理PG 13並 加實行。 超音波流量計1 0是具備：個人電腦Η，作爲發射觸發 振盪手段的觸發振盪裝置1 4，及經由作爲信號傳送線的連 接電纜1 5被連接於該觸發振盪裝置1 4的脈波接收器1 6，及 類比數位（以下，稱爲AD )變換的AD換流器1 7 ;個人電 腦11，觸發振盪裝置14，脈波接收機16，AD換流器17是分 別經由連接電纜18相連接。 又，擬進行依超音波流量計10的流速分布及流量計測 ，成爲必須控制與個人電腦11連接的觸發振盪裝置1 4， 脈波接收器1 6及AD換流器1 7的控制PG，惟該控制PG是包 含在事先所設定的基本處理PG1 3。 -13- (10) (10)200307807 超音波流量計10的觸發振盪裝置14，是生成觸發信號 ，並將生成的觸發信號發送至脈波接收機16及AD轉換17 ，來控制脈波接收機1 6及AD換流器1 7的信號授受時機。 觸發信號的輸出波形，是藉由個人電腦1 1實行事先所設定 的基本處理PG，俾控制觸發振盪裝置14並可任意地設定。 脈波接收機1 6是經由信號傳送線的連接電纜1 9而與轉 換器20相連接，又經由連接電纜15而接收從觸發振盪裝置 1 4所發送的觸發信號（電信號），生成超音波脈衝振盪信 號（電信號），功能作爲輸出於轉換器20的超音波脈衝振 盪信號手段。又，脈波接收機1 6是內設數位合成器，可輸 出50KHz至20MHz的超音波脈衝振盪信號，可對應於具有 各種振盪頻率特性的轉換器20。 一方面，與脈波接收器1 6連接的轉換器20，是將從脈 波接收機1 6所輸出的超音波脈衝振盪信號變換成超音波脈 衝，功能作爲將所變換的超音波脈衝沿著測定線ML發送 的超音波脈衝振盪手段。轉換器20是形成所定設置角度0 從外側設於引導被測定流體的測定對象流體的流體配管22 ，爲了在流體配管22匹配音響阻抗，一般是經由音響耦合 器23所設置。 從轉換器20發送至測定對象流體2 1的超音波脈衝是射 入至流在流體配管22內的流體2 1中，而藉由懸浮（混雜） 的超音波反射體被反射。反射於超音波反射體所產生的反 射波，是回到轉換器20而被接收。 又，轉換器20是功能作爲將接收的反射波變換成因應 -14- (11) (11)200307807 於其大小的超音波回波信號（電信號）的超音波脈衝接收 手段及超音波回波信號生成手段。轉換器20所接收的超音 波脈衝的反射波是被變換成因應於其大小的超音波回波信 號。該超音波回波信號是從轉換器20之後繼續被發送至脈 波接收器1 6。 脈波接收機1 6是具備拒絕重疊於超音波回波信號的雜 訊成分的濾波處理部25。該濾波處理部25是具有低通濾波 器及高通濾波器或帶通濾波器，濾波處理反射波的超音波 回波信號，僅抽出所使用的超音波脈衝的頻帶。利用濾波 處理超音波回波信號，將對於因雜訊所產生的計測的不良 影響抑制成最小限度。亦即，脈波接收機1 6是兼具將接收 作爲超音波脈衝的反射波的超音波回波信號的超音波回波 信號接收手段及超音波回波信號予以信號處理的信號處理 手段。 在脈波接收機1 7經濾波的類比式超音波回波信號是繼 續被發送至AD換流器17，藉由該AD換流器17，超音波回 波信號是從類比信號變換成數位信號。A D換流器1 7是局 速地數位抽樣作爲反射波的超音波回波信號而取得超音波 回波信號的數位資料所需者。 在AD換流器1 7被變換的數位資料，是被儲存在內設 於AD換流器17的記憶體26，被儲存在記憶體26的資料是從 個人電腦1 1可讀取，讀取的資料是可保存在可保存如內設 在個人電腦1 1的硬體等數位資料的記錄媒體。又，AD換 流器1 7的淸晰度是例如在8位元（bh )，可使抽樣頻率達 (12) (12)200307807 到 500MHz。 又，AD換流器1 7是構成利用個人電腦1 1讀取控制AD 換流器1 7的控制程式並加以實行’可將類比輸入信號變換 成數位輸出信號，另一方面同時地開始所輸出的數位信號 的信號處理，能即時地顯示速度分布。 上述脈波接收機16的濾波處理部25及AD換流器17， 是構成信號處理手段2 7，該信號處理手段2 7進行超音波脈 衝的反射波的超音波回波信號的信號處理。經信號處理的 超音波信號，是在作爲信號解析手段的流速分布算出手段 2 8被信號解析，求出上述超音波反射體或超音波反射體群 的位置與速度。 流速分布算出手段28是求出超音波反射體或超音波反 射體群的位置與速度，利用作爲求出的流體配管22內的位 置的流體2 1的流速進行演算處理，來計測流動在流體配管 22的內部的流體21的流體分布。流速分布算出手段28是內 設於個人電腦1 1的演算處理手段，利用演算處理從AD換 流器1 7所讀取的數位資料，可求出超音波反射體或超音波 反射體群的位置與速度。 藉由流速分布算出手段28所計測的流體2 1的流速分布 資料’是被輸入於作爲信號解析手段的流量算出手段29。 流量算出手段29是與流速分布算出手段28同樣地內設在個 人電腦1 1的演算處理手段，流量算出手段29是演算處理流 體2 1的流速分布資料就可算出流量。經算出的流速分布及 流量是被輸出在個人電腦丨丨的顯示器等顯示手段而被顯示 -16- (13) (13)200307807 又，流速分布算出手段28及流量算出手段29是使用內 設在個人電腦1 1的演算處理手段，惟藉由工作站，主系統 等的演算處理手段來進行演算處理也可以。例如，在AD 換流器1 7的記憶體26內設所需的演算處理功能，與記憶體 26—起具備流速分布算出手段28所構成也可以。 又，超音波流量計10是構成在個人電腦1 1僅具有流速 分布算出手段2 8，而僅算出流體的流速分布也可以。又， 超音波流量計1 〇是構成作爲顯示的最終結果，並不一定必 須顯示流速分布及流量計測結果的雙方，而選擇流速分布 及流量計測結果的至少一方而加以顯示的流速分布算出手 段2 8及流量算出手段29也可以。 另一方面，在超音波流量計1 0中，流量計測P G 1 2及 基本處理PG 1 3等流體2 1及流速分布及流量計測所需要的 P G，是作成被儲存於個人電腦1 1，惟儲存於個人電腦i i 可讀取實行的外部裝置也可以。又，流量計測P G 1 2是超 音波流量計1 〇功能作爲未進行流量算出的流速分布計，而 能實行至流速分布算的流速分布計測P G也可以。 又，觸發振盪裝置1 4，脈波接收機1 6，及A D換流器 1 7，是構成作爲與個人電腦1 1獨立的一裝置，惟並不一定 構成作爲與個人電腦1 1獨立的一裝置也可以。例如將觸發 振盪裝置1 4，脈波接收機1 6，及AD換流器1 7分別作爲觸 發振盪盤’脈波接收機盤及A D換流器盤而與內設在個人 電腦Π的主盤相連接，而作爲被儲存於個人電腦丨丨內部的 -17- (14) (14)200307807 構成也可以。又，觸發振盪盤，脈波接收機盤及AD換流 器盤是被集中一枚盤也可以。 (流體的流量測定） 以下，說明使用超音波流量計1 0的流體的流量計測順 序及其作用。 爲了使用該超音波流量計來計測測定對象流體2 1的流 量，在實驗設備中，作爲流體配管22使用內徑D爲如44mm 办的丙烯樹脂管22a，如第2 ( A )圖及第2 ( B )圖所示， 在從管開始位置朝管軸方向（X方向）19D (=內徑D的19 倍）的位置從外側設置轉換器20。 轉換器20是對於流動被測定流體的測定對象氣體2 1的 丙烯樹脂管22a的軸向方向形成所需角度（設置角度）0 被安裝於水中。轉換器20是經由音響耦合器23被安裝於流 體配管22，從轉換器20所振盪的超音波脈衝能順利地射入 而被引導至丙烯樹脂管22a內。 記號31是溢流槽；記號32是縮流器；記號33是將實驗 領域的丙烯樹脂22a設在水中所需的流體配管設置容器。 作爲測定對象流體，在該實驗設備使用水。又，表示於圖 中的F是表示水的流動方向。 該超音波流量計1〇是成爲在信號處理手段27進行使用 相互相關法的信號，使用從具某一定時間間隔所得到的最 低二種反射波導出沿著測定線ML的流體速度分布的方法 來進行流量計測，與習知的杜卜勒式超音波流量計相比較 -18- (15) (15)200307807 ，可長足地提高時間分解能。 但是該方法是爲了連續極短時間間隔的反射波資料而 儲存在AD換流器1 7之後進行計算，反射波的資料量較多 ，在反射波資料的取得或計算上費時，而即時顯示流體的 流速分布時，有不方便。又，爲了減小所處理的反射波的 資料量，從連續的兩種反射波或三種反射波取得資料，顯 示流體的流速分布之後，進行下一次的反射波的取得。 超音波流量計1 0所進行的流體流量計測方法的順序是 具備：振盪觸發信號的觸發信號的觸發信號振盪順序，及 將送超音波脈衝並射入至測定對象流體2 1的超音波脈衝發 送順序，及將所接收的反射波變換成電信號而取得超音波 回波信號的超音波回波信號取得順序，及信號處理超音波 回波信號的信號處理順序，及進行超音波回波信號的解析 的信號解析順序，及選擇顯示流速分布及流量計測結果的 至少一方的顯示順序。 在超音波流量計1 0所進行的流體的流量計測方法中， 首先，作爲觸發信號振盪順序，觸發振盪裝置14生成觸發 信號（電信號），並將生成的觸發信號輸出至脈波接收機 16及AD換流器17。當觸發信號被輸入於脈波接收機16之後 ，脈波接收機1 6是進行作爲超音波脈衝發送順序的超音波 脈衝振盪信號生成過程，並使得所生成的超音波脈衝振盪 信號從脈波接收機1 6發送至轉換器20。 轉換器2 0接收超音波脈衝信號之後，轉換器2 0是進行 作爲超音波脈衝發送順序的超音波脈衝振盪過程，將超音 -19- (16) (16)200307807 波脈衝振盪信號變換成所需頻率（例如4MHz )的正弦波 狀超音波彩色同步信號，並進行超音波脈衝的振盪。當進 行振盪超音波脈衝’則進行作爲超音波脈衝發送順序的超 音波脈衝振盪過程，從轉換器20發送所振盪的超音波脈衝 〇 轉換器20是將超音波脈衝的射束（以下，稱爲超音波 射束）射入於流體配管22內，另一方面，射入超音波射束 之後’開始接收來自混雜於測定對象流體2丨的氣泡或微粒 子等的超音波反射體的反射波，進行取得因應於接收的反 射波的大小的超音波回波信號的超音波回波信號取得順序 〇 在超音波回波信號取得順序所得到的反射波的超音波 回波信號是被回送至脈波接收機1 6。所回送的超音波脈衝 的反射波，作爲信號處理順序，脈波接收機1 6的濾波處理 部25進行濾波處理，抽出所使用的超音波頻帶之後，將濾 波處理後的超音波回波信號輸出至AD換流器1 7。AD換流 器1 7是以高速資料抽樣處理所接收的濾波處理後的超音波 回波信號，進行作爲信號處理順序的AD變換。 作爲信號處理順序的濾波處理及經AD變換的超音波 回波信號，是在以下的信號解析順序中被信號解析°信號 解析順序是具備：從被懸浮在流體中的各該超音波反1寸11 的位置及速度算出上述超音波反射體的速度分布’並算出 流體2 1的流速分布的流速分布，算出過程，及從流體分布算 出流體2 1的流量的流量算出過程。 -20- (17) (17)200307807 在信號解析順序的流速分布算出過程中，藉由採取將 被數位化的超音波回波信號彼此間以例如每一 μs的極短時 間幅的相互相關的相互相關法，由另一方的超音波回波信 號檢測包含於一方的超音波回波信號的超音波反射體群的 位置，及與該超音波反射體群的各該超音波反射體同一的 超音波反射體，求出對於所檢測的各該超音波反射體的變 位量（相位差）。之後，由兩個信號的時間差及相位差算 出被懸浮在流體中的上述超音波反射體群的速度分布。 之後，在流量算出過程中，算出在流速分布算出過程 的流速分布算出流量，來計測流體的流量。流體的流量是 藉由沿著丙烯樹脂管22a的內部面積加以積分求出該流體 的流速分布。 因此，在超音波流量計1 〇所進行的流體的流量計測方 法中，可求出沿著流在流體配管22內的流體2 1的測定線（ 丙烯樹脂管22a的直徑方向線）ML的速度分布，同時容易 且可正確地精度優異求出流量。 在第3圖表示將觸發振盪裝置14，脈波接收機16及AD 換流器1 7間的信號授受定時的方法予以顯示的說明圖。 在該超音波流量計10中，脈波接收機16及AD換流器17 的信號授受時機，是藉由觸發振盪裝置14所進行。觸發振 盪裝置14，脈波接收機16及AD換流器17間的信號授受時機 的方法，是如第3圖所示地被定時控制，例如，以三次連 續等複數次連續地在短時間間隔進行脈衝狀的觸發信號發 送，信號接收及抽樣之後，設置一定等待時間作爲一周期 -21 - (18) (18)200307807 ，以後，控制成該周期能重複。設定等待時間’則可大幅 度提高時間分解能。 然而，如第4圖所示地，習知的超音波流量計是藉由 超音波回波信號的解析求出追踪粒子（超音波反射體）35 的移動量，惟在輸入於脈波接收機1 6的觸發信號的輸入時 機（觸發時機），及超音波回波振盪信號的信號振盪時間 之間，存有如第5圖的不確定時間的參差不齊。又’在信 號處理正確地求出的移動量的範圍是有限之故，因而藉由 脈波接收機1 6的硬體上不可避免的信號發送時間的參差不 齊誤差是在計測精度上有很大問題。 如此，在超音波流量計1 0中，發出超音波回波信號中 的超音波彩色同步信號後立即反射的振幅較大部分（來自 發射區域的反射波），不依賴發送時間，注重在信號形狀 經常地相等，將相互相關賦予振幅較大部分的信號彼此間 來進行修正超音波彩色同步信號的時間偏差的處理（數位 觸發處理）。 第5圖是表示比較將超音波彩色同步信號的信號發送 時間的參差不齊未進行數位觸發處理時與進行數位觸發處 理時加以說明的機率密度分布圖。 依照第5圖，進行數位觸發處理時的超音波彩色同步 信號的信號發送時間的時間偏差不齊，是對於未進行數位 觸發處理時，成爲約1/4，時間偏差不齊爲〇的時刻成爲最 高機率密度。因此，藉由修正超音波彩色同步信號的偏時 ’顯示數位觸發效果，而可大幅度地減少信號發送的參差 -22- (19) (19)200307807 不齊。藉由該數位觸發的效果，可提高流體的測定精度。 (超音波流量計的測定原理） 如第2圖所示地，在存在於水中的丙烯樹脂管2 2 a設定 超音波流量計1 0的轉換器20，測定作爲超音波反射體將作 爲懸浮追踪粒子3 5的流體的水2 1流在丙烯樹脂管22a內時 的流體的流體分布。 測定流體的流速分布之際，從轉換器20的壓電元件來 振盪超音波脈衝，將振盪的超音波脈衝沿著測定線ML射 入水中，則被振盪的超音波脈衝是在超音波反射體的追踪 粒子35表面反射，而回到轉換器20。該反射波是在丙烯 樹脂管22a內的流動的各部位會產生之故，因而如第6圖所 示地出現反射波。 最初所表示超音波彩色同步信號（超音波回波信號） a，是稱爲發射區.域，爲在剛進行超音波的振盪之後，因 留有壓電元件的振動而產生的信號。其次所出現的超音波 彩色同步信號b是依管上部者，由測定對象流體的水21與 流體配管的材料的丙烯樹脂的音響阻抗不相同而產生的信 號。又，超音波彩色同步信號c是位在管下部者，與信號b 同樣。位在超音波彩色同步信號b與c之間的信號d爲包含 丙烯樹脂.管22a內的流體流速資訊的信號，在峰値豎設之 處存有追踪粒子3 5。 追踪粒子3 5的位置是由反射波的超音波彩色同步信號 d求出。將從轉換器2 0至追踪粒子3 5的距離作爲X，將振盪 (20) 200307807 超音波脈衝振盪之後接收反射波爲止的時間作爲r ’而將 超音波的速度作爲c，則成立 [數1]
之關係。
在某一時間間隔△ t後再一次進行該超音波脈衝的振 盪及反射波的接收，則可得到同樣的反射波，惟在△ t的 時間間隔之間移動流體2 1，則如第7圖所示地，追踪粒子 35也成爲追隨移動，而在一直到接收反射波爲止的時間r 也變化。 將一直到接收反射波爲止的時間r的變化量作爲△ τ ，則在某一位置X方向速度u ( X)是以 [數2] <χ) Αχ c-Δτ At At (2)
表示。在式中，△ X是某一時間間隔△ t的追踪粒子3 5的移 動量。 超音波脈衝的反射是在測定線ML上的各處發生之故 ，因而可同時地進行該測定線ML上的流體的流體的流速 計測，而可得到流體的流速分布。 -24- (21) (21)200307807 以△ t的時間間隔而以η次（但是η - 2的自然數）連續 地以連續脈衝法進行流體的流速分布計測時，則可得到η-1枚時間分解能△ t的連續流速分布資料。 (相互相關函數） 依超音波反射體的追踪粒子3 5的反射波，是藉由將超 音波脈衝的振盪間隔△ t，對於流體的流速變動標度採取 充分小，而在該時間間隔（振盪間隔）△ t之間幾乎被保 存。 表示於第1圖的超音波流量計1 〇的脈波接收器1 6，是 將反射波的類比超音波回波信號使用AD換流器1 7而以高 速抽樣處理變換成數位信號之後，計算以具有超音波脈衝 的振盪間隔△ t所得到的兩種反射波（先前的反射波的參 照波，及△ t後的反射波的探索波）的相互相關函數，而 以識別來自流體內的同一超音波反射體的反射波爲目的， 藉由設定對於相關値的臨限値，以定量化的數値爲基準可 判斷是否爲來自同一追踪粒子群的反射波。 一般，相互相關函數（R ( ε ，τ ))是如下地被定 義。 [數3] (Arcf (T + 0 ^ (T))(^int + ^ + - Λ[η1 (T + ¢)) R{s,x) = . “η =- .厂.… ——_ m/2 _ m/2 _ A Σ (Are/(T + 0^A^(T))2J Σ ^ (T + f Ant (^ + 0)2 V；«^/2 Vi—m/2 (3) (22) (22)200307807 式中 m!2 _ 2λ-/(τ+〇 - ……(4) m
m/Z
Am" - ……(5) r是表示成爲基準的時間延遲，i是表示參照，探索 窗內的位置，ε是表示參照波與探索窗的偏移，m是表示 超音波脈衝的周期分鐘。 使用該相互相關函數（R ( e ，τ ))來定量地辨別 是否來自同一的追踪粒子群的反射波，計算各該時間延遲 r ，由此求出時間變化量△ r。亦即，求出最初所得到的 反射波，下一反射波的時間延遲r。該兩個反射波的時間 延遲的相差（時間差）成爲△ r。 一方面，爲了得到流體的流體分布速度所必，需的超音 波脈衝的振盪間隔△ t所產生的反射波的到達時間差△ r ，是藉由使用經數位抽樣的反射波的相互相關函數所得到 〇 該相互相關函數R ( ε ，τ )，是具有反射波的抽樣 時間間隔的離散性者，愈縮短△ t的間隔，則來自追踪粒 子群的脈衝反射波的形狀是被保存之故，因而以更細分割 的篩目來求出△ r的方法爲不可欠缺。 如此，爲了縮短△ t的間隔，例如可進行利用近似正 -26- (23) (23)200307807 弦波的內插。藉由該內插，用更細分割的網目就可求出相 互相關函數的峰値，結果也可提高速度分解能。 現在將離散地所得到的各相關値的最大値爲Ρκ，並將 其前後的相關値的最大値分別作爲，Ρκ+1，則成爲 [數4] + -】〇g(D - l0_^kj- ……(6) 2K\〇g(Pk.t)-2\og(Pk)^og(Pk+1) 在本發明的超音波流量計中，除了如申請專利範圍第2項 至第4項的方法之外，還可藉由進行利用該近以正弦波的 內插施以信號處理，可顯著地提高速度分解能。 (反射波的振幅，相關値的臨限値的設定） 在依超音波流量計1 〇的實際的流速分布或流量的計測 中，在信號解析反射波之際有得到錯誤的追踪粒子的位置 及速度資訊的可能性。爲了避免此種情形之故，因而利用 振幅，相關値的臨限値而不會錯誤取得追踪粒子的位置及 速度資訊。以下，說明反射波的振幅，相關値的臨限値的 設定。 作爲得到錯誤的追踪粒子的位置及速度資訊的情形， 第一可考量。有將實際上未產生反射的信號部分（無效信 號）捕捉作爲來自追踪粒子的超音波脈衝的反射波（有效 信號）的情形。此乃因將未包含追踪粒子的位置及速度資 訊的無效信號捕捉作爲反射波（有效信號）所產生者。 -27- (24) (24)200307807 如此，在該超音波流量計1 〇中’注重在包含追踪粒子 的位置及速度資訊的信號部分（有效信號）的振幅大於未 包含追踪粒子的位置及速度資訊的信號部分（無效信號） 的振幅的趨勢之處，而對於反射波（探索波）的振幅設定 臨限値。如此，僅限於大於探索波的振幅所設定的臨限値 的情形，計算參照波與探索波的相互相關。一方面，在小 於探索波的振幅所設定的臨限値的情形，則作爲無效信號 加以拒絕。如此地，對於反射波（探索波）的振幅來設定 臨限値，就可區別包含追踪粒子的位置及速度資訊的有效 信號與未包含的無效信號。 作爲得到錯誤的追踪粒子的位置及速度資訊的情形可 考量爲：計算參照波與探索波的相互相關，而將在參照波 中與來自參照的追踪粒子群的反射波不相同的來自追踪粒 子群的反射波視作爲來自同一追踪粒子群的反射波的情形 。爲了防止此種情形，計算參照波與探索波的相互相關而 在所求得的相關値設置臨限値。又，一倂將△ t的大小作 成充分小。若將△ t的大小作成充分小，則反射波的形狀 是幾乎沒有變化之故，因而可將可設定的相關係的臨限値 設定在更接近於1，而從探索波可以精度更優異地抽出來 自包含於參照波的同一追踪粒子群的反射波。 對於此種反射波的振幅及相關値設定臨限値，而從探 索波特定與包含於參照波的追踪粒子群同一的追踪粒子群 的超音波流量計1 0，是僅使用滿足設定的臨限値的信號， 求出特定的追踪粒子群的相位差之後，從求得的相位差求 -28- (25) (25)200307807 出追踪粒子群的位置及速度，計測測定對象流體2 1的流速 分布及流量。又，超音波流量計1 0是因應於得到對於反射 波的振幅及相關値的臨限値的反射波加以設定’而藉由進 行反射波（參照波及探索波）的信號解析，提高流體的流 速分布及流量計測的可靠性。 (發射觸發的導入） 表示於第1圖的超音波流量計1 〇，是在實驗所使用的 測定系統的槪略圖。該測定系統中，以來自觸發振盪裝置 1 4的外部觸發進行控制使用於正弦波狀的超音波脈衝的振 盪，接收的脈波接收機1 6及進行超音波回波信號的AD變 換的AD換流器17。 在這裏，所謂外部觸發，並不是內設於個人電腦1 1的 CPU所振盪的觸發信號，而是在CPU以外的部分所振盪的 觸發信號，在表示於第1圖的超音波流量計1 〇，爲指觸發 振盪裝置1 4所振盪的觸發信號。又，在個人電腦1 1的內部 設置作爲觸發振盪手段的觸發振盪盤，構成接收來自CPU 的信號使得觸發振盪盤振盪觸發信號的情形，亦即，即使 將作爲觸發振盪手段的觸發振盪裝置1 4設於個人電腦1 1的 內部的情形，從觸發振盪手段所振盪的觸發信號是成爲外 部觸發。 一方面，以數百MHz的階設定AD換流器1 7的抽樣頻 率時’如觸發極難嚴密地動作，而產生移頻。如此，注重 於在剛振盪來自轉換器20的超音波脈衝之後產生於反射波 -29- (26) (26)200307807 的發射領域，進行將先接收的反射波的發射領域作爲參照 波，而將後接收的反射波的發射領域作爲探索波的相互相 關的計算，求出時間變化量△ r ，再進依近似正弦波的內 插，進行相互相關的計算之前，僅修正該△ r分量。但是 ，以反射波的抽樣時間間隔進行修正之後，使用以更小離 散間隔細分割的網目在計測線上的各點的施加最後修 正，俾修正依來自觸發振盪裝置1 4的觸發所產生的微妙時 間的偏離。 第8圖是表示使用超音波流量計以發射觸發導入前與 發射觸發導入後來比較流速分布及流量計測之際的參照波 與探索波之時間錯開的說明圖。 依照第8圖，可知在發射觸發導入前所產生的參照波 與探索波的時間錯開，是在導入發射觸發後，就被解決， 而能有效地作用發射觸發。 (觸發間隔） 如第9圖所示地，在該超音波流量計1 〇中，可變更從 觸發振盪裝置1 4所振盪的觸發信號的施加方法，藉由施加 如第9 ( B ) 、 （ C )及（D )所示的觸發信號，利用連續 脈衝法、二發送脈衝法、及三發信脈衝法，可進行三種類 的流體的流速分布及流量測定法。 所謂連續脈衝法是指藉由發送表示於第9 ( B)圖的連 續脈衝來測定流體的流速分布及流量的測定方法，脈衝振 盪數（Μ )指Μ - 3。又，在連續脈衝法中，最小的M = 3時 -30- (27) 200307807 ，特別是稱爲三發信脈衝法，表示於第9 ( D)圖。 連續脈衝法是與表示於第9 ( A)圖的脈衝杜卜勒法相 比較可大幅度提局時間分解能，以例如1 5 〇 // s的極高時 間分解能的數値可以測定。雙脈衝法是以較少追踪粒子數 就可進行流體的流速分布及流量測定。 又，在脈衝杜卜勒法中，若假設將一流速分布測定所 需的脈衝發射次數爲25 ( = 3 2 )次，則如第9 ( A )圖所示 地在計測上需費3 1 X △ t的時間，惟在雙脈衝法中，如第9 (C )圖所示地，僅耗△ t，可大幅度縮短流速分布計測時 間，而可大幅度提高時間分解能。 在這裏，考慮轉換器20的測定線ML與追踪粒子35之 關係，將轉換器20對於流體配管22的設置角度作爲0 ’並 將轉換器2 0的直徑（有效徑）作爲D，則如第1 〇圖所示地 ，由一個追踪粒子3 5求出速度所需的條件’是在脈衝杜卜 勒法中，成爲 [數5] 义(ί + 31 · Δ，) - — ......⑺ COS0 而在雙脈衝法中，成爲 [數6] x(t + Δί) — ^ D COS0 (8) -31 - (28) 200307807 由（7 )式及（8 )式’雙脈衝法與脈衝杜卜勒法 較，可測定至更高流速的領域。又’雙脈衝法是僅取 二個反射波的波形的相互相關就可以，因此計算量極 更容易顯示即時的流體的流速分布或流量。 三脈衝法是雙脈衝法的發展型。原理上與雙脈衝 樣，如第1 0圖所示地，在相同一周期期間可得到兩倍 度分布，而可進行兩倍的流速分布及流量計測。 (時間分解能） 該超音波流量計1 〇是可將時間分解能提高至5 0 0 上100 左右。藉由提高該時間分解能，即使在流體 22內產生過度流動或紊流，或是即使產生不連續且間 流動，也可精度優異地正確測定流體流量。 爲了在超音波流量計1 〇適用連續脈衝法、雙脈衝 三脈衝法而得到流體流量，而欲得到兩種反射波有所 間被判斷爲時間分解能。但是，實際上連續脈衝法的 ’有η個反射波時，則可得到η·1枚的速度分布。亦即 初取得一個反射波之後，在每一次取得新的一個反射 可得到速度分布。因此，在該超音波流量計1 〇，時間 能是連續地取得反射波之際，可評價爲取得一反射波 的時間，此乃爲超音波脈衝的振盪間隔△ t。 (速度分解能與測定界限） 流體2 1的流速，是利用實驗條件，使得音速c及, 相比 一次 少， 法同 的速 μδ以 配管 歇性 法或 需時 情形 ，最 波就 分解 所需 △ t成 -32- (29) 200307807 爲常數’因此速度的測定精度是理論上依存於△ r的測定 精度。爲了得到該△ r ，數位抽樣兩個反射波，爲了取得 該相互相關’移動量是成爲整數値，將抽樣時間間隔作爲 t…P，貝丨J在△ τ的測定結果作爲隨伴±〇.5tsamP左右的誤差 〇 對應於抽樣時間間隔的速度，亦即△ r對應於1抽樣 時間間隔時的速度usamP是僅將△ r作爲tsamP，就可以計算 。亦即速度分解能dv是 [數7]
list (9) 藉由在此施以分布函數的內插，就可提高速度分解能 的測定精度。 如第4圖所示地，該超音波流量計1 0是隨伴著混雜於 流體中的追踪粒子等的超音波反射體35的移動，藉由使用 相互相關法的信號處理求出二時刻間的信號移動量，來計 測流體的流速分布或流量。 該超音波流量計10是如第3圖所示地，脈波接收機16 及AD換流器17的盤間時刻，連續進行數次脈衝振盪及信 號接收，然後，藉由設定一定時間的等待時間而構成一周 期的連續脈衝法，來進行流體的流速分布或流量計測。 這時候，設定等待時間，就可自由地調節時間分解能 。等待時間的設定，是個人電腦藉由實行基本處理PG 13並 -33- (30) (30)200307807 控制在被輸入在個人電腦11的等待時間或事先被程式化的 等待時間，就可自由地設定從觸發振盪裝置14所振盪的觸 發等待時間。 在使用於實驗的超音波流量計1 〇中，將時間分解能設 定在大約500 ，則比習知的超音波流量計的時間分解能 可提高數十倍。 第1 1圖是表示比較使用超音波流量計1 0所計測的流體 平均流速分布與使用LDV (Laser Doppler Velocimetry:雷 射杜卜勒流速計）所計測的流體平均流速分布的說明圖。 依照第11圖，獲知將超音波流量計10的轉換器20對於 流體配管22傾斜地計測，取3000時刻的時間平均的平均流 速分布40，及該流速分布40是得到與對於LDV的測定的平 均流速分布4 1極相一致的流速分布資料，能高精度地進行 流量計測。 第1 2圖是在超音波流量計1 〇中，將時間分解能設定在 如5 00 時，表示5時刻連續的瞬間速度分布者。表示於 第1 2圖的5枚的瞬間速度分布曲線也極近似，表示精度優 異地可正確測定流體的流速分布。 又’第13圖是表示採取流體配管22的丙烯樹脂管22a 的管中央附近與壁近旁的一點的瞬間速度者。可知在管中 央附近’則流速的參差不齊較小，而變動也僅在高頻成分 才看得到’惟在壁近旁，則流速的參差不齊較大，而在流 體的流速存有周期性波。 -34 - (31) (31)200307807 (產業上的利用可能性） 本發明的超音波流量計，是除了以非接觸可進行流在 流體配管內的氣體或水等的液體，液體金屬的流量測定之 外，還可藉由將被數位化的超音波回波信號彼此間採用連 續脈衝法的相互相關法加以信號解析在習知的脈衝杜卜勒 法難以測定的較淸潔的流體流量，而精度優異地可正確求 出流體的流速分布及流量。 本發明的超音波流量計，是藉由提高時間分解能，精 度優異地可正確測定流在流體配管內的流體的過度流動或 發生紊流時的流體流量，或是不連續性且間歇性的流體流 量也精度優異地可正確地測定。 【圖式簡單說明】 第1圖是槪略地表示本發明的超音波流量計的一實施 形態者；表示適用於實驗設備的例子的圖式。 第2 ( A )圖是表示設有第1圖的超音波流量計的流體 配管的平剖視圖。 第2 ( B )圖是表示第2 ( A )圖的實驗領域的剖視圖 〇 第3圖是表示在本發明的超音波流量計的流速分布及 流量計測中’說明使用連續脈衝法（三脈衝法）施加觸胃 信號時的觸發振盪裝置，脈波接收機及AD換流器間的信 號授受時機的採取方法的說明圖。 第4圖是表示說明本發明的超音波流量計的流速分布 -35- (32) (32)200307807 及流量計測的原理的圖式；說明流體配管內的二時刻間的 追踪粒子（超音波反射體）的移動的說明圖。 第5圖是表示將被輸入於脈波接收機的觸發信號的_ 發時間與從脈波接收機所輸出的信號發送時間之間的信號 發送時間的參差不齊，加以比較施以修正（數位觸發處理 )信號發送時間的時間錯開的情形與未施以修正的情形加 以表示的機率密度分布，說明數位觸發效果的說明圖。 第6圖是表示說明從本發明的超音波流量計的轉換器 所振盪的超音波脈衝的反射波的超音波回波信號的說明圖 〇 第7圖是表示說明本發明的超音波流量計的流速分布 及流量計測的原理的圖式；表示t = t〇及t = t的追踪粒子 的變位及反射波的時間變化量的說明圖。 第8圖是表示在本發明的超音波流量計中，以發射觸 發導入前與發射觸發導入後相比較流速分布及流量計測之 際的參照波與探索波的時間錯開而說明發射觸發導入的效 果的說明圖。 第9圖是表示說明使用於計測依本發明的超音波流量 計的流體的流速分布或流量之際的觸發信號的施加方法者 ;第9 ( A )圖是表示習知的脈衝杜卜勒法，第9 ( B )圖 是表示連續脈衝法，第9 ( C )圖是表示二脈衝法，第9 ( D)圖是表示三脈衝法的觸發振盪間隔的說明圖。 弟1 0 ( A ) 、 （ B )圖是表不以脈衝杜卜勒法及二脈 衝法說明來自轉換器的超音波射束上的追踪粒子的移動狀 -36- (33) 200307807 態的說明圖。 第11圖是表不比較說明依本發明的超音波流量計的流 體配管內的平均速度分布與LDV ( Laser Doppler Velocmetry )的平均速度分布的說明圖。 · 第12圖是表示將時間分解能作爲500 時，本發明的 _ 超音波流量計的5時刻連續的瞬間速度分布的圖式。 第1 3圖是表示使用本發明的超音波流量計而流體配管 的管中央附近與壁近旁的一點的瞬間速度的圖式。 (記號的說明） 10 超音波流量計 11 個人電腦
12 超音波流量計測P G
13 基本處理PG 14 觸發振盪裝置（觸發振盪手段） 1 5、1 8、1 9 連接電纜（信號傳送線） 16脈波接收機 ® 17 AD換流器 20 轉換器 21 測定對象流體（被測定流體） 22 流體配管 22a丙烯樹脂管 23 音響耦合器 25 濾波處理部 -37- (34) (34)200307807 26 記憶體 28 流體分布算出手段 29 流量算出手段 35 追踪粒子（超音波反射體） 36 超音波射束
-38-

Claims (1)

  1. (1) (1)200307807 拾、申請專利範圍 1· 一種超音波流量計，其特徵爲：具備 輸出觸發信號的觸發振盪手段，及 藉由來自該觸發振盪手段的觸發信號輸出超音波脈衝 振盪信號的脈波接收機，及 藉由來自該脈波接收機的超音波脈衝振盪信號，朝流 體內的測定線振盪超音波脈衝的轉換器，及 將從該轉換器所發射的超音波脈衝反射在懸浮於流體 內的超音波反射體，並接收該反射波的超音波回波信號， 且信號處理所接收的超音波回波信號的信號處理手段，及 信號解析在該信號處理手段經信號處理的超音波回波 信號，並求出沿著上述測定線的超音波反射體的位置與速 度的信號解析手段； 上述觸發振盪手段是控制脈波接收機與AD換流器間 的信號授受時機，且連續複數次超音波脈衝振盪及超音波 回波信號接收，之後，調整設定成具備一定等待時間。 2.如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其中 上述信號處理手段是具備：具超音波脈衝的反射波的 超音波回波信號從轉換器被傳送，且選擇因應於來自轉換 器的超音波振盪頻率的頻帶的超音波回波信號的濾波處理 部的脈波接收機’及AD變換來自該脈波接收機的超音波 回波信號的A D換流器； 上述信號解析手段是具備：求出採取經數位化的超音 波回波信號彼此間的相互相關所得到的相位差’算出上述 -39- (2) (2)200307807 超音波反射體的速度分布之後算出上述超音波反射體所懸 浮的流體的流速分布的流速分布算出手段，及將算出流速 分布的流體流量加以算出的流量算出手段。 3. 如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其中 ，上述信號解析手段是具備採取經數位化的超音波回波信 號彼此間的相互相關來解析信號相位差，算出上述超音波 反射體的速度分布之後算出上述超音波反射體所懸浮的流 體的流速分布的流速分布算出手段。 4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的超音波流量 計測方法，其中，上述信號解析手段是以區別反射波與雜 訊爲目的，上述信號處理手段在經數位化的超音波回波信 號的振幅設成臨限値；選別具有超過臨限値的振幅的超音 波回波信號作爲上述反射波，針對於經選別的超音波回波 信號彼此間計算相互相關，同時以識別來自流體中的同一 超音波反射體的反射波爲目的，在計算相關的相關値設定 臨限値，當相關値超過臨限値時，判斷爲來自同一超音波 反射體的反射波而求出相位差，並從所求得的相位差來算 出上述超音波反射體的速度分布。 5 .如申請專利範圍第1項或第2項所述的超音波流量 計，其中，上述信號解析手段是具備：以區別反射波與雜 訊爲目的上述信號處理手段在經數位化的超音波回波信號 的振幅，及以識別來自流體內的同一超音波反射體的反射 波爲目的，在計算超音波回波信號彼此間的相互相關的相 關値設定臨限値，將該臨限値作成可變，因應於被測定流 -40- (3) (3)200307807 體中的多少超音波反射體，求出最適合此些的速度分布的 流速分布算出手段及流量測定手段。 6 ·如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其中 ，上述信號解析手段是具備：利用超音波，求出具有反射 波的抽樣時間間隔的離散性相互相關函數，又，爲了保存 利用來自追踪粒子群的超音波的脈衝反射波的形狀，利用 更縮短離散間隔△ t的間隔的近似正弦波而以更細分割的 網目求出相互相關函數的流速分布算出手段及流量測定手 段。 7 ·如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其中 ，上述脈波接收機是將輸入觸發信號的觸發時間與輸出超 音波脈衝振盪信號的信號發送時間之間的參差不齊，在來 自發射區域的反射波的超音波回波信號彼此間增加相互相 關來進行正信號發送時間的數位觸發處理。 8 ·如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其中 ’上述觸發振盪手段是連續複數次超音波脈衝振盪及超音 波回波信號之後，設定一定等待時間以提高時間分解能。 9 ·如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其中 ，上述觸發振盪手段是變更所振盪的觸發信號的脈衝數及 等待時間，藉由連續脈衝法、二發送脈衝法、及三發送脈 衝法的三種類的流體流速分布計測方法的任一方法來進行 流體的流速分布計測。 10·如申請專利範圍第1項所述的超音波流量計，其 中，上述觸發振盪手段是振盪外部觸發，並將該外部觸發 -41 - (4) (4)200307807 輸出至脈波接收機及AD換流器，來控制上述脈波接收機 及AD換流器的信號授受的時機。 1 1. 一種超音波流量計測方法，其特徵爲具備： 振盪觸發信號的觸發信號振盪順序，及 將超音波脈衝發送至測定對象流體並使之入射的超音 波脈衝發送順序，及 將接收的反射波變換成電信號而取得超音波回波信號 的超音波回波信號取得順序，及 信號處理超音波回波信號的信號處理順序，及 進行超音波回波信號的解析的信號解析順序，及 選擇顯示流速分布及流量計測結果的至少一方的顯示 順序。 1 2.如申請專利範圍第1 1項所述的超音波流量計測方 法，其中，上述信號解析順序是具備：從懸浮於流體中的 各該超音波反射體的位置及速度算出上述超音波反射體的 速度分布，並算出上述流體的流體分布的流速分布算出過 程，及從流速分布算出上述流體的流量的流量算出過程。 13.如申請專利範圍第1 1項所述的超音波流量計測方 法，其中，上述信號解析順序是具備··從懸浮於流體中的 各該超音波反射體的位置及速度算出上述超音波反射體的 速度分布，並算出上述流體的流體分布的流速分布算出過 程。 1 4.如申請專利範圍第1 1項或第1 2項所述的超音波流 量計測方法，其中，上述流速分布算出過程是選別以區別 -42- (5) 200307807 反射波與雜訊爲目的而具有超過對於經數位化的超音波回 波信號的振幅所設定的臨限値的振幅的超音波回波信號作 爲上述反射波，針對於所選別的超音波回波信號彼此間計 算相互相關，同時以識別來自液體中的同一超音波反射體 的反射波爲目的，對於相關値所設定的臨限値超過計算的 相關値時，判斷爲來自同一超音波反射體的反射波求出相 位差，並算出上述超音波反射體的速度分布。 1 5 .如申請專利範圍第1 1項或第1 2項所述的超音波流 量計測方法，其中，上述流速分布算出過程是選別以區別 反射波與雜訊爲目的而具有超過對於經數位化的超音波回 波信號的振幅所設定的臨限値的振幅的超音波回波信號作 爲上述反射波，針對於所選別的超音波回波信號彼此間計 算相互相關。 1 6.如申請專利範圍第1 1項或第1 2項所述的超音波流 量計測方法，其中，使用具有反射波的抽樣時間間隔的離 散性相互相關函數求出上述超音波回波信號彼此間的相關 値；該互相相關函數是爲了保存利用來自追踪粒子群的超 音波的脈衝反射波的形狀，利用更縮短離散間隔△ t的間 隔的近似正弦波使用更細分割的網目求出。 1 7 ·如申請專利範圍第1 1項或第1 2項所述的超音波流 量計測方法，其中，上述觸發振盪順序是連續複數次超音 波脈衝振盪及超音波回波信號之後，設定一定等待時間。 1 8 ·如申請專利範圍第1 2項或第1 3項所述的超音波流 量計測方法，其中，上述觸發振盪順序是振盪外部觸發作 -43· (6) (6)200307807 爲上述觸發信號。 19.如申請專利範圍第12項或第13項所述的超音波流 量計測方法，其中，上述觸發振盪順序是變更所振盪的觸 發信號的脈衝數及等待時間，來進行連續脈衝法、二發送 脈衝法、及三發送脈衝法。
    -44-
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