TWI759886B - 傳播時間測定裝置 - Google Patents

Abstract

於本發明的傳播時間測定裝置中，藉由發送訊號與接收訊號之間的相互相關解析而求得音響訊號的傳播時間，所述裝置以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即：1）所述發送訊號的自身相關函數中的其他波峰相對於最大波峰的高度比為0.8以下，且2）所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的最短週期的5倍以上，或者所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的20倍以上。

Description

傳播時間測定裝置

本發明是有關於一種測定音響訊號的傳播時間的技術。

已實際應用一種裝置，藉由安裝於配管外側的感測器（sensor）測定音響訊號在配管內部傳播的的傳播時間，且基於所述傳播時間，能夠非破壞性地測量在配管內流動的流體的流速或流量。此種裝置一般使用超音波作為音響訊號，而將其稱為「超音波流量計」或「超音波式流量計」等。

例如於專利文獻1中，揭示了一種裝置，使用配置於配管上游側及下游側的一對超音波振子，基於朝流體的流動的正方向傳播的超音波與朝反方向傳播的超音波的傳播時間差而求得流體的流量。於專利文獻1的裝置中，藉由計算上游側的超音波振子的接收訊號與下游側的超音波振子的接收訊號的相互相關，而計算傳播時間差。又，於專利文獻2，揭示了在自上游側的接收訊號與下游側的接收訊號的相互相關求得相關波峰時，利用希爾伯特（Hilbert）轉換。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2008-304281號公報 [專利文獻2]日本專利特開2002-243514號公報

[發明所欲解決之課題]

先前，通常使用脈衝（pulse）訊號或猝發（burst）訊號作為測定用訊號。然而，所述訊號容易受到雜訊（noise）的影響，而於相互相關解析的精度上具有界限。因此，現有的超音波流量計無法用於微小流量的測定等的、被要求高精度的用途。

本發明鑒於所述實際情況而完成，其目的在於提供一種對於雜訊的穩健（robust）性高、且能夠進行傳播時間的高精度測定的技術。 [解決課題之手段]

本揭示的傳播時間測定裝置包括：多個振子、發送訊號生成部以及訊號處理部，所述多個振子相對於供流體流動的配管配置於互不相同的位置，且包含將作為電訊號的發送訊號轉換成音響訊號的第一振子、及接收自所述第一振子發送且於所述配管內的流體中傳播的所述音響訊號並轉換成作為電訊號的接收訊號的第二振子，所述發送訊號生成部生成用於測定的所述發送訊號；所述訊號處理部藉由所述發送訊號與所述接收訊號之間的相互相關解析，而求得所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間。此處，所述發送訊號生成部可以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 1）所述發送訊號的自身相關函數中的其他波峰相對於最大波峰的高度比為0.8以下，且 2）所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的最短週期的5倍以上，或者所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的20倍以上。

藉由使用滿足條件1的發送訊號，於發送訊號與接收訊號的相互相關函數中，最大波峰與最大波峰以外的波峰的差充分變大。因此，即便接收訊號的波形因雜訊等的影響而稍有失真，亦維持最大波峰與最大波峰以外的波峰的差（即最大波峰的識別性、明顯性）。又，藉由使用滿足條件2的持續時長的發送訊號，可用於發送訊號與接收訊號之間的相互相關解析的資訊量增加，故可期待降低相互相關函數的誤差的效果。即，若使用滿足條件1與條件2的發送訊號，可獲得誤差少、且最大波峰的識別性、明顯性高的相互相關函數。因此，可精度良好地求得相互相關函數中的最大波峰的位置、即音響訊號的傳播時間。

所述發送訊號生成部進而亦可以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 3）所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的最短週期的10倍以上，或者所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的40倍以上。所述條件3為使條件2更加嚴格的條件。因此，藉由使用滿足條件3的持續時長的發送訊號，而可進一步降低相互相關函數的誤差，從而可進一步提高音響訊號的傳播時間的測定精度。

所述發送訊號生成部進而亦可以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 4）所述發送訊號的持續時長短於設想為音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間的最小傳播時間。藉由以滿足條件4的方式設定發送訊號的持續時長的上限，而可避免發送訊號的發送期間與接收訊號的接收期間重合，故即便發送訊號因串擾（cross talk）而混入接收訊號的路徑，亦可防止所混入的發送訊號對訊號解析帶來影響。

可考量各種滿足上文所述的條件1～條件4的發送訊號。例如，所述發送訊號可包含經頻率調變的訊號。又，所述發送訊號亦可包含由隨機脈衝（random pulse）構成的訊號。又，所述發送訊號亦可包含將不同頻率的多個訊號合成而成的訊號。又，所述發送訊號亦可包含頻率針對每一規定的時間區分而變化的訊號。

所述訊號處理部可使用多個接收訊號進行相互相關解析，所述多個接收訊號藉由多次進行來自所述第一振子的發送及由所述第二振子進行的接收而獲得。藉由使用多個接收訊號，可降低雜訊，而提高相互相關解析的精度。

所述訊號處理部可自所述多個接收訊號生成雜訊經降低的接收訊號，而進行所述發送訊號與所述雜訊經降低的接收訊號之間的相互相關解析。藉由採用在使用多個接收訊號將接收訊號的雜訊予以降低之後計算相互相關函數的程序，而可將運算負荷大的相互相關函數的運算次數抑制為少，從而可實現高速處理。

所述第一振子與所述第二振子可以隔著所述配管而相向的方式配置。又，所述第一振子與所述第二振子亦可配置於所述配管的長度方向上的不同的位置。

所述傳播時間測定裝置可更包括切換部，所述切換部以對所述第二振子輸入所述發送訊號，自接收到自所述第二振子發送的音響訊號的所述第一振子輸出所述接收訊號的方式進行切換；所述訊號處理部藉由輸入至所述第二振子的所述發送訊號與自所述第一振子輸出的所述接收訊號之間的相互相關解析，而求得所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間。根據此種結構，可精度良好地求得於同一傳播路徑中，自上游側朝下游側傳播音響訊號時的傳播時間、與自下游側朝上游側傳播音響訊號時的傳播時間。

所述訊號處理部可基於所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間、與所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間的差，求得所述配管內的流體的流速及/或流量。藉此，可高精度地測定配管內的流體的資訊。

可將本發明視為具有所述結構的至少一部分的傳播時間測定裝置，亦可視為流速測定裝置、流量測定裝置、流量計、流量感測器等，還可視為生成發送訊號的發送訊號生成裝置、發送電路等。又，可將本發明視為具有所述處理的至少一部分的傳播時間測定方法、流速測定方法、流量測定方法、發送訊號生成方法，或亦可視為用於實現所述方法的程式或將所述程式非暫時性地予以記錄的記錄媒體。再者，可使所述結構及處理各者盡可能地相互組合而構成本發明。 [發明的效果]

根據本發明，可提供一種對於雜訊的穩健性高、且能夠進行傳播時間的高精度測定的技術。

＜應用例＞ 參照圖1，說明傳播時間測定裝置的應用例。

傳播時間測定裝置1包括兩個以上的振子101，利用另一振子（例如101b）接收自任一振子（例如101a）發送的音響訊號，而測定音響訊號在兩個振子之間的路徑中進行傳播所需的時間（傳播時間）。由於各振子101相對於配管120配置於互不相同的位置，故在兩個振子101之間傳播的音響訊號通過（橫切）配管120的內部。因此，音響訊號的傳播時間並非一定，受到在配管120內流動的流體121的狀態（例如：流速、流量、氣泡或異物的存在等）的影響而變化。因此，藉由利用由傳播時間測定裝置1測定的傳播時間，而可非破壞性地測量配管120內的流體121的狀態。

再者，流體121只要為可傳播音響訊號的物質即可，可為液體亦可為氣體。音響訊號典型而言為超音波，但亦可包含可聽區的音波。

傳播時間測定裝置1對於傳播時間的計算利用相互相關解析。例如，在將賦予至發送側的振子101的驅動用電訊號稱為「發送訊號」、將自接收側的振子101輸出的電訊號稱為「接收訊號」時，傳播時間測定裝置1計算發送訊號與接收訊號之間的相互相關函數，並基於相互相關函數的最大波峰位置，求得接收訊號對於發送訊號的遲延（lag）（時間延遲）。所述遲延相當於音響訊號自發送側的振子101至接收側的振子101的傳播時間。

於發送訊號的訊號波形在接收訊號中亦被充分保存的情形下，在相互相關函數中顯現明顯的波峰，故可精度良好地求得兩個訊號之間的遲延（即傳播時間）。然而，於現實情況下，音響訊號在配管120及流體121中傳播時衰減且伴有各種因素的雜訊，故接收訊號的波形失真。因此，相互相關函數的波峰變得不明顯，波峰位置的推定精度降低，或根據情況而亦有可能錯誤地選擇正確的波峰以外的波峰。在如現有的超音波流量計般使用脈衝訊號或猝發訊號作為發送訊號的情形下，容易受到此種衰減或雜訊的影響。近來，能夠計測微小流量的流體的裝置的需求高漲，為了實現此需求，例如需要能夠以奈秒級至皮秒級的精度對傳播時間進行測定的性能。

因此，傳播時間測定裝置1將以對於音響訊號的衰減或雜訊具有高穩健性的方式設計的發送訊號用於測定。具體而言，傳播時間測定裝置1可以發送訊號的波形及持續時長滿足以下條件1、條件2的方式生成發送訊號。

條件1） 發送訊號的自身相關函數中的其他波峰相對於最大波峰的高度比為0.8以下。

條件2）發送訊號的持續時長為發送訊號的最短週期的5倍以上，或者發送訊號的持續時長為發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的20倍以上。

在發送訊號自身的週期性高的情形下，於發送訊號與接收訊號的相互相關函數中，以與發送訊號的波形的週期對應的間隔而重覆顯現波峰。於接收訊號中將訊號波形保存地愈好則愈容易區別最大波峰與最大波峰以外的波峰，但如前文所述般，當接收訊號的波形因衰減或雜訊的影響而失真時，在發送訊號的週期性高的情形下，誤辨認相互相關函數的最大波峰的可能性變高。條件1可謂是用於確保發送訊號自身的週期性不會過高的條件。

圖2的（A）表示發送訊號的自身相關函數的一例。橫軸為時間（時移量），縱軸為以最大波峰的高度為1的方式經規格化的自身相關的值。發送訊號的自身相關函數為發送訊號與將其自身予以時間偏移的訊號之間的相關，在時移量為0的情形下（由於兩個訊號完全重合）顯現最大波峰，在發送訊號的波形具有週期性的情形下，於與所述週期對應的位置亦顯現波峰。在滿足條件1的情形下，即最大波峰以外的波峰對於最大波峰的高度比為0.8以下的情形下，可謂發送訊號的波形的週期性充分低。於此種情形下，於發送訊號與接收訊號之間的相互相關函數中，最大波峰與最大波峰以外的波峰的差亦充分大，即便接收訊號的波形因衰減或雜訊的影響而失真，亦不易產生最大波峰的誤辨認。

條件2是為了抑制相互相關函數的誤差所需的訊號持續時長的條件。圖2的（B）表示發送訊號的一例。橫軸為時間，縱軸為振幅。如圖2的（B）所示般，「發送訊號的持續時長」為發送訊號整體的時間長度。又，「發送訊號的最短週期」為在發送訊號為經頻率調變的訊號的情形下可考慮的概念，為相當於發送訊號所含的最大頻率的倒數的週期。「自身相關函數的最大波峰的半值半寬」如圖2的（A）所示般為自身相關函數的最大波峰（在時移量為0時顯現的波峰）的高度成為一半的時移量。在無法考慮最短週期的發送訊號的情形下使用條件2中後者的條件即可，在可考慮最短週期的發送訊號的情況下可使用前者的條件與後者的條件中任一條件。

持續時長短的訊號中，可用於相互相關解析的資訊量少。因此，容易受到接收訊號所含的雜訊的影響，而相互相關函數的誤差增大。此成為波峰位置的推定精度的降低或產生最大波峰的誤辨認的一個原因。對此，藉由使用至少滿足條件2的持續時長的訊號，而可期待降低相互相關函數的誤差的效果，從而能夠準確地推定波峰位置。

再者，由於可期待訊號的持續時長愈長，則誤差降低效果愈高，故可設定更嚴格的條件3而代替條件2。

條件3）發送訊號的持續時長為發送訊號的最短週期的10倍以上，或者發送訊號的持續時長為發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的40倍以上。

除了追加條件1、條件2或條件1、條件3以外，亦可進一步追加下述條件4。條件4為將訊號的持續時長的上限予以規定的條件。

條件4）發送訊號的持續時長短於設想為音響訊號自發送側的振子至接收側的振子的傳播時間的最小傳播時間。

音響訊號的傳播時間在音響訊號沿著流體流動的方向傳播的情形與在與流體的流動為相反的方向上傳播的情形下，發生變化。又，傳播時間亦根據傳播路徑、媒質、流體的流速等而變化。例如，若已知配管及各振子的尺寸與相對位置、傳播的媒質的特性、流體的流速、傳播角度、傳播方向（自上游至下游、抑或自下游至上游）等，則可預先設想可獲得音響訊號的傳播時間的範圍。假定在設想傳播時間的最小值為Tmin、最大值為Tmax的情形下，以發送訊號的持續時長短於Tmin的方式設定即可。

由於音響訊號在傳播中衰減，故接收訊號的位準相對於發送訊號的位準極其小。因此，若發送訊號的發送期間與接收訊號的接收期間即便稍有重合，發送訊號亦會經由電路上的浮遊電容迂回至接收訊號，而有可能使接收訊號的雜訊增加。關於此點，藉由以滿足條件4的方式設定發送訊號的持續時長的上限，而可避免發送期間與接收期間的重合，故即便發送訊號混入接收訊號的路徑，亦可防止所混入的發送訊號對訊號解析帶來影響。再者，在另外採取了用於防止訊號迂回的對策的情況、或在可忽略因訊號的迂回所致的雜訊的情況等下，亦可不予滿足條件4（即，持續時長的上限）。

＜第一實施形態＞ （裝置結構） 參照圖1及圖3，對傳播時間測定裝置1的具體的結構進行說明。圖1是示意性地表示傳播時間測定裝置1的結構的框圖，圖3是表示振子朝向配管的設置例的剖視圖。本實施形態的傳播時間測定裝置1是用於非破壞性地測量在配管120內流動的流體121的流速及流量的裝置，亦將其稱為超音波流量計或超音波流量感測器。

傳播時間測定裝置1具有裝置本體100、以及多個振子101。裝置本體100與各振子101之間由纜線連接。於本實施形態中，設置有配置於配管120的長度方向上的上游側的第一振子101a、以及配置於較第一振子101a更靠下游側的第二振子101b此兩個振子101（以下，在需要對兩個振子予以區別時表述為「第一振子101a」、「第二振子101b」，在進行兩者共通的說明時簡單採用「振子101」的表述）。再者，振子101的數目不限於兩個，亦可設置三個以上的振子101。

振子101是將電訊號與音響訊號相互轉換的元件，亦將其稱為轉換器（transducer）。作為振子101，可使用例如藉由壓電效應將電壓與力進行相互轉換的壓電元件等。如圖3所示般，各振子101埋設於包含樹脂的夾持具（clamp）30中。當利用夾持具30夾著配管120時，以兩個振子101a、101b隔著配管120而相向、且連結兩個振子101a、101b的直線相對於配管120的軸線為規定的角度θ的方式設置各振子101a、101b。藉由採用此種夾持結構，可對於已設置的配管120簡單地（並且無需對配管120施加改修）將振子101安裝於適當的位置。再者，為了使夾持具30與配管120之間密接、且謀求音響阻抗（impedance）的整合，可於夾持具30與配管120之間塗佈滑脂（grease）或凝膠（gel）等。將角度θ稱為音響訊號的傳播角度。傳播角度θ為任意角度，但在利用後述的傳播時間差法的情形下可設定成0度＜θ＜90度，較佳的是設定為20度＜θ＜60度的範圍。

裝置本體100作為主要的結構而具有：控制電路102、數位/類比（digital/analog，D/A）轉換器103、類比/數位（analog/digital，A/D）轉換器104、切換器105、以及輸出器106。控制電路102是進行傳播時間測定裝置1的各部的控制、訊號處理、運算處理等的電路。D/A轉換器103是基於自控制電路102輸入的發送訊號（數位資料（digital data））進行D/A轉換及訊號放大、並將規定的電壓的發送訊號（類比（analog）訊號）朝振子101輸出的電路。A/D轉換器104是以規定的取樣週期將自振子101輸入的接收訊號（類比訊號）予以A/D轉換，並將接收訊號（數位資料（digital data））朝控制電路102輸出的電路。切換器105是將D/A轉換器103及A/D轉換器104與第一振子101a及第二振子101b的連接關係予以切換的開關（switch）。連接於D/A轉換器103的振子101為發送側，連接於A/D轉換器104的振子101為接收側。輸出器106是將由控制電路102進行的訊號處理或運算處理的結果等的資訊予以輸出的元件，是例如顯示器等。再者，亦可於裝置本體100設置用於由使用者進行操作的輸入部（例如，按鈕（button）、觸控面板（touch panel）等），或設置對外部裝置（例如，外部的電腦（computer）或伺服器（server）等）發送資訊的通訊電路（例如無線網路模組（Wireless Fidelity module，WiFi模組）等）。

如圖1所示般，控制電路102具有：發送訊號生成部110、訊號處理部111、以及儲存部112。發送訊號生成部110具有生成用於測定的發送訊號的資料並輸出至D/A轉換器103的功能。訊號處理部111具有基於發送訊號與接收訊號計算音響訊號的傳播時間、進而自傳播時間計算流體的流速及/或流量的功能。儲存部112儲存對發送訊號的波形予以定義的波形資料。儲存部112可儲存多種波形資料，發送訊號生成部110自儲存部112選擇適當的波形資料，並生成發送訊號的資料。

控制電路102例如可包括電腦，所述電腦具有：中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）（處理器（processor））、隨機存取記憶體（random Access Memory，RAM）、非揮發性儲存裝置（例如唯讀記憶體（Read Only Memory，ROM）、快閃記憶體（Flash memory）、硬碟（hard disk）等）、以及輸入/輸出（Input/Output，I/O）等。此種情形下，CPU將保存於儲存裝置的程式於RAM展開、並執行所述程式，藉此提供發送訊號生成部110及訊號處理部111的功能。與電腦的形態無關。例如，可為個人電腦（Personal computer），亦可為組入用電腦，還可為智慧型手機（smartphone）或平板（Tablet）終端機等。或者是，亦可使控制電路102所提供的功能的全部或一部分由如專用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或現場可程式閘陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的電路構成。或者是，亦可利用分散式運算或雲端運算（Cloud computing）的技術，由控制電路102與其他電腦協同而進行後述的處理。

與配管120的材質、尺寸、形狀無關。例如，可使用金屬配管或樹脂配管。又，配管120的尺寸可為由日本工業標準（Japanese Industrial Standards，JIS）或美國國家標準協會（American National Standards Institute，ANSI）決定的規格尺寸，亦可為單獨的尺寸。本實施形態的方法具有可高精度地進行微小流量的測定的優點，故可尤佳應用於測定1/8英吋管（外徑：3.18 mm、內徑：1.59 mm）、1/4英吋管（外徑：6.35 mm、內徑：3.97 mm）、1/2英吋管（外徑：12.70 mm、內徑：9.53 mm）等小型配管。又，不限於直線狀配管，亦可為具有屈曲部的配管或曲線狀配管等，配管的剖面形狀亦為任意。

（用於測定的發送訊號） 本實施形態的傳播時間測定裝置1用於測定以滿足前文所述的條件1與條件2、或滿足條件1與條件3的方式設計的發送訊號。以下，舉出滿足所述條件的發送訊號的一例。

圖4的（A）是經頻率調變的訊號的例。橫軸為時間，縱軸為振幅（以最大振幅為1的方式經規格化的振幅）。圖4的（A）的發送訊號的持續時長為1微秒，頻率隨著時間自1 MHz線形增加至5 MHz。圖4的（B）表示圖4的（A）的發送訊號的自身相關函數。橫軸為時間，縱軸為自身相關函數的值（以偏移量為零時的最大波峰值為1的方式經規格化的值）。觀察圖4的（B）可知，自身相關函數中的第二個波峰的值為約0.2，而圖4的（A）的發送訊號滿足條件1。又，由於圖4的（A）的發送訊號的最短週期為0.2微秒（與5 MHz對應的波長），且訊號持續時長為其5倍，故圖4的（A）的發送訊號亦滿足條件2。

為了驗證圖4的（A）的發送訊號的效果，而假定相對於鐵氟龍（TEFLON）（注冊商標）製的1/8英吋管，以角度θ為45度的方式設置兩個振子101a、101b的體系，藉由模擬（simulation）求得在將圖4的（A）的發送訊號輸入至第一振子101a時由第二振子101b接收的接收訊號，並計算發送訊號與接收訊號之間的相互相關函數。其結果為，可確認到即便改變接收訊號的衰減或雜訊的條件，亦不會產生波峰位置的推定精度的降低或最大波峰的誤辨認，而精度良好地求得傳播時間。再者，於上文所述的模擬中，兩個振子之間的音響訊號的傳播時間為約3微秒，而發送訊號的持續時長（1微秒）亦滿足條件4。

圖5的（A）是經頻率調變的訊號的另一例。橫軸為時間，縱軸為振幅（以最大振幅為1的方式經規格化的振幅）。圖5的（A）的發送訊號的持續時長為1微秒，頻率隨著時間自3.5 MHz線形增加至5 MHz。圖5的（B）表示圖5的（A）的發送訊號的自身相關函數。橫軸為時間，縱軸為自身相關函數的值（以偏移量為零時的最大波峰值為1的方式經規格化的值）。觀察圖5的（B）可知，自身相關函數中的第二個波峰的值為約0.75，而圖5的（A）的發送訊號滿足條件1。又，由於圖5的（A）的發送訊號的最短週期為0.2微秒（與5 MHz對應的波長），且訊號持續時長為其5倍，故圖5的（A）的發送訊號亦滿足條件2。

對圖5的（A）的發送訊號亦進行與上述相同的模擬，結果可確認到即便改變接收訊號的衰減或雜訊的條件，亦不會產生波峰位置的推定精度的降低或最大波峰的誤辨認，而精度良好地求得傳播時間。再者，在進行所述模擬時，圖5的（A）的發送訊號亦滿足條件4。

圖6的（A）是作為比較例的頻率調變訊號。圖6的（A）的訊號的持續時長為1微秒，頻率隨著時間自4 MHz線形增加至5 MHz。圖6的（B）表示圖6的（A）的發送訊號的自身相關函數。觀察圖6的（B）可知，自身相關函數中的第二個波峰的值超過0.8，而圖6的（A）的發送訊號不滿足條件1。對圖6的（A）的發送訊號進行與上述相同的模擬，結果可確認到根據接收訊號的衰減或雜訊的條件，而有可能產生波峰位置的推定精度的降低或最大波峰的誤辨認。

再者，於圖4的（A）及圖5的（A）中，表示頻率隨著時間而線形增加的訊號的示例，但頻率調變的方式不限於此。例如，可為頻率隨著時間而減少的訊號，亦可為頻率隨著時間而非線性地（例如指數函數性地）增加或減少的訊號。

圖7的（A）是由隨機脈衝構成的發送訊號的示例。橫軸為時間，縱軸為振幅（以最大振幅為1的方式經規格化的振幅）。圖7的（A）的發送訊號的持續時長為6.2微秒，由具有隨機寬度的多個脈衝的組合而構成。圖7的（B）表示圖7的（A）的發送訊號的自身相關函數。橫軸為時間，縱軸為自身相關函數的值（以偏移量為零時的最大波峰值為1的方式經規格化的值）。觀察圖7的（B）可知，自身相關函數中的第二個波峰的值為約0.25，而圖7的（A）的發送訊號滿足條件1。又，由於明確可知圖7的（A）的發送訊號的自身相關函數的最大波峰急遽，且訊號持續時長為最大波峰的半值半寬的20倍以上，故圖7的（A）的發送訊號亦滿足條件2。

對圖7的（A）的發送訊號亦進行與上述相同的模擬，結果可確認到即便改變接收訊號的衰減或雜訊的條件，亦不會產生波峰位置的推定精度的降低或最大波峰的誤辨認，而精度良好地求得傳播時間。

圖8的（A）是表示將不同頻率的多個訊號合成而成的發送訊號的示例，是使1 MHz的訊號成分與5 MHz的訊號成分重合的示例。橫軸為時間，縱軸為振幅（以最大振幅為1的方式經規格化的振幅）。圖8的（A）的發送訊號的持續時長為2微秒。圖8的（B）表示圖8的（A）的發送訊號的自身相關函數。橫軸為時間，縱軸為自身相關函數的值（以偏移量為零時的最大波峰值為1的方式經規格化的值）。觀察圖8的（B）可知，自身相關函數中的第二個波峰的值為約0.7，而圖8的（A）的發送訊號滿足條件1。又，由於圖8的（A）的發送訊號的最短週期為0.2微秒（與5 MHz對應的波長），且訊號持續時長為其10倍，故圖8的（A）的發送訊號亦滿足條件3。

對圖8的（A）的發送訊號亦進行與上述相同的模擬，結果可確認到即便改變接收訊號的衰減或雜訊的條件，亦不會產生波峰位置的推定精度的降低或最大波峰的誤辨認，而精度良好地求得傳播時間。再者，在進行所述模擬時，圖8的（A）的發送訊號亦滿足條件4。

圖9的（A）是頻率針對每一規定的時間區分而變化的發送訊號的示例。橫軸為時間，縱軸為振幅（以最大振幅為1的方式經規格化的振幅）。於所述例中，頻率針對每2微秒依照1 MHz、5 MHz、1 MHz、3 MHz、1 MHz的順序而變化。發送訊號的持續時長為10微秒。圖9的（B）表示圖9的（A）的發送訊號的自身相關函數。橫軸為時間，縱軸為自身相關函數的值（以偏移量為零時的最大波峰值為1的方式經規格化的值）。觀察圖9的（B）可知，自身相關函數中的第二個波峰的值為約0.5，而圖9的（A）的發送訊號滿足條件1。又，由於圖9的（A）的發送訊號的最短週期為0.2微秒（與5 MHz對應的波長），且訊號持續時長為其50倍，故圖9的（A）的發送訊號亦滿足條件3。

對圖9的（A）的發送訊號亦進行與上述相同的模擬，結果可確認到即便改變接收訊號的衰減或雜訊的條件，亦不會產生波峰位置的推定精度的降低或最大波峰的誤辨認，而精度良好地求得傳播時間。

（測定動作） 沿著圖10的流程圖，對傳播時間測定裝置1的測定動作的流程進行說明。

於步驟S100中，控制電路102的發送訊號生成部110自儲存部112讀取發送訊號的波形資料。發送訊號的波形資料為將發送訊號的波形予以定義的資料，與其形式無關。例如，若為圖4的（A）及圖5的（A）所示的發送訊號，則可以訊號持續時長、頻率掃描的範圍（開始頻率與結束頻率）、振幅等參數而定義，若為圖7的（A）所示的發送訊號，則可以訊號持續時長、構成發送訊號的各機脈的寬度、振幅等參數而定義，若為圖8的（A）所示的發送訊號，則可以訊號持續時長、各訊號成分的頻率、振幅等參數而定義，若為圖9的（A）所示的發送訊號，則可以訊號持續時長、各時間區分的長度與頻率、振幅等參數而定義。作為波形資料的其他形式，亦可使用利用函數將訊號波形予以定義者，或可使用將訊號波形上的多個點的振幅值予以定義者等。

於步驟S101中，控制電路102控制切換器105，將D/A轉換器103連接於第一振子101a，將A/D轉換器104連接於第二振子101b。藉此，第一振子101a為發送側，第二振子101b為接收側。

於步驟S102中，發送訊號生成部110基於步驟S100中所讀取的波形資料而生成發送訊號，並輸出至D/A轉換器103。又，所述發送訊號用於後段的相互相關解析，故暫時保存於RAM（工作記憶體（Work memory））中。

於步驟S103中，將由D/A轉換器103 予以D/A轉換及放大的發送訊號輸入第一振子101a，且自第一振子101a發送基於發送訊號的音響訊號。圖11的（A）為發送訊號的示例（頻率調變訊號），圖11的（B）為基於圖11的（A）的發送訊號的音響訊號的示例。此處，儘管發送訊號的振幅為一定，但於音響訊號中振幅並非一定，這是由於振子的頻率特性。音響訊號經由夾持具30、配管120、及流體121，到達第二振子101b。

於步驟S104中，第二振子101b將接收到的音響訊號轉換成接收訊號，並朝A/D轉換器104輸出。圖11的（C）為接收訊號的示例。由於在傳播過程中音響訊號衰減，故接收訊號的振幅（電壓）與發送訊號相比為1/100～1/1000左右的等級。例如，相對於圖11的（A）的發送訊號的振幅為約30 V，圖11的（C）的接收訊號的振幅為約10 mV。又，如圖11的（C）所示般，於接收訊號伴有各種雜訊。由A/D轉換器104予以A/D轉換的接收訊號，被取入控制電路102，並暫時保存於RAM（工作記憶體）中。

於步驟S105中，訊號處理部111自RAM讀取發送訊號與接收訊號，並計算兩個訊號之間的相互相關函數。圖11的（D）為相互相關函數的一例，僅放大地表示最大波峰的附近。在相當於發送訊號與接收訊號之間的遲延處，顯現有明顯的波峰。再者，由於相互相關函數為公知的技術，故此處省略詳細的說明。

於步驟S106中，訊號處理部111求得相互相關函數中的最大波峰的頂點的位置。所述位置相當於音響訊號自第一振子101a至第二振子101b的傳播時間。在數位訊號處理的制約上，步驟S105中所計算的相互相關函數包含離散性的資料。因此，如圖12的（A）所示般，可獲得相互相關函數的資料的點（由黑色圓所示的點）與波峰的頂點的位置未必一致。因此，訊號處理部111可在自相互相關函數的離散性的資料近似地求得最大波峰的形狀之後，推定最大波峰的頂點的位置。例如，如圖12的（B）所示般，訊號處理部111可將相互相關函數中的最大波峰附近的資料藉由希爾伯特轉換而轉換成相位資料，將轉換後的資料予以直線近似，而將所述近似直線的零交叉（zero cross）點（相位為零的位置）視為最大波峰的頂點的位置。或者是，訊號處理部111可藉由多項式近似而內插相互相關函數的最大波峰附近的資料，藉此推定最大波峰的形狀並求得所述頂點的位置。藉由此種處理，可以高於A/D轉換的取樣週期的解析度，準確地求得相互相關為最大的位置、即音響訊號的傳播時間。

於步驟S107中，控制電路102控制切換器105，將D/A轉換器103連接於第二振子101b，將A/D轉換器104連接於第一振子101a。即，調換發送側與接收側的振子。以後的步驟S108～步驟S112的處理與步驟S102～步驟S106的處理相同（其中，「將第一振子101a」替換成「第二振子101b」，將「第二振子101b」替換成「第一振子101a」）。

藉由以上處理，可獲得音響訊號自第一振子101a至第二振子101b的傳播時間Tab、與音響訊號自第二振子101b至第一振子101a的傳播時間Tba。於配管120內的流體121流動的情形下，於傳播時間Tab與傳播時間Tba之間產生與流體121的流速相應的時間差。因此，可利用傳播時間Tab與傳播時間Tba，計算流體121的流速及流量。

於步驟S113中，訊號處理部111藉由下述式而求得流體121的流速V。 [數1]

此處，V為流體的流速，L為配管內部的傳播路徑長，θ為傳播角度，Tab為自上游側振子至下游側振子的傳播時間，Tba為自下游側振子至上游側振子的傳播時間，To為流體以外的部分的傳播時間。再者，流體以外的部分的傳播時間To例如為音響訊號在夾持具30及配管120的部分進行傳播的時間，若已知配管120的規格（內徑、外徑、材質等），則可藉由實驗或模擬而預先求得。

於步驟S114中，訊號處理部111藉由下述式而求得流體的流量Q。 [數2]

此處，Q為流體的流量，V為流體的流速，A為配管內部的剖面積。將剖面積A設為已知。

於步驟S115中，訊號處理部111將處理結果（例如傳播時間、流速、流量等）輸出至輸出器106。

（本實施形態的優點） 根據以上所述的本實施形態的結構，作為測定用訊號，使用滿足條件1與條件2、或條件1與條件3的發送訊號，故可獲得誤差少、且最大波峰的識別性、明顯性高的相互相關函數。因此，可精度良好地求得相互相關函數中的最大波峰的位置、即音響訊號的傳播時間。因此，亦可應用於測定微小流量等、被要求高精度的情況。

＜第二實施形態＞ 於本發明的第二實施形態中，對於同一傳播路徑多次實施音響訊號的發送及接收，並使用所獲得的多次接收訊號進行相互相關解析，藉此謀求測定精度的提高。由於基本結構與第一實施形態相同，故以下以與第一實施形態不同的結構部分為中心進行說明。

圖13是表示第二實施形態的傳播時間測定裝置1的測定動作的流程的流程圖。對於與第一實施形態的流程圖（圖10）相同的處理標註相同的步驟序號。

步驟S100～步驟S104的處理與第一實施形態相同。然後，於步驟S130中，計數接收訊號的取得次數，並重覆步驟S102～步驟S104的處理，直至取得次數為N次為止。N可任意設定，於本實施形態中例如設定為3次～500次左右。藉由此種處理，而將N次份額的接收訊號蓄集於RAM。

於步驟S131中，訊號處理部111使用N次份額的接收訊號，生成降低了雜訊的接收訊號。訊號處理部111例如可求得N次份額的接收訊號的平均值，亦可生成單純地將N次份額的接收訊號相加而成的訊號。任一情形下均可提高接收訊號的訊噪（signal-noise，SN）比。

於步驟S132中，訊號處理部111計算發送訊號與雜訊降低後的接收訊號之間的相互相關函數。除了使用雜訊降低後的接收訊號以外，與第一實施形態的步驟S105的處理相同。然後，於步驟S106中，訊號處理部111求得自第一振子101a至第二振子101b的傳播時間。

其後，調換發送側與接收側的振子，並進行同樣的處理。再者，關於步驟S107以後的處理，除了發送側與接收側的振子不同以外，與上述處理相同，故省略說明。

根據以上所述的本實施形態，由於將N次份額的接收訊號用於相互相關解析，故與第一實施形態相比可進行更高精度的測定。又，於本實施形態中，採用在將N次份額的接收訊號予以平均或相加而降低接收訊號的雜訊之後，計算相互相關函數的程序，但亦可相反地，在對於N次份額的接收訊號分別計算相互相關函數之後，將N次份額的相互相關函數予以平均或相加，而降低相互相關函數的雜訊。其中，由於相互相關函數的運算負荷非常大，故相互相關函數的運算次數少的前者程序更為有利。又，於本實施形態中，僅將接收訊號平均化，但亦可將發送訊號平均化。藉由亦將發送訊號平均化而降低發送訊號的雜訊，故作為結果而可進一步降低相互相關函數的雜訊。

＜第三實施形態＞ 本發明的第三實施形態的傳播時間測定裝置1具有根據振子對的配置（位置關係）而自動設定適當的發送訊號波形的功能。由於基本結構與上文所述實施形態相同，故以下以與上文所述實施形態不同的結構部分為中心進行說明。

圖14是表示第三實施形態的發送訊號的自動設定處理的流程的流程圖。例如，當將傳播時間測定裝置1的夾持具30安裝於配管120之後，按下規定的按鈕等而啟動自動設定功能時，控制電路102開始圖14的處理。

於步驟S140中，控制電路102檢測夾持具30的開度。所謂夾持具30的開度，為一對夾持片之間的間隔或角度，例如只要藉由距離感測器或電位計（potentiometer）等感測器檢測即可。於步驟S141中，控制電路102基於夾持具30的開度而計算兩個振子101a、101b的相對性的位置關係，基於兩個振子101a、101b之間的傳播距離而推定音響訊號的傳播時間。此時，對傳播時間帶來影響的其他參數（配管120的壁厚或材質、流體121的流速、流量等），可使用預先設定的值，亦可由使用者提供。於步驟S142中，控制電路102基於傳播時間的推定值，決定發送訊號的持續時長的上限。此時，可以短於傳播時間的推定值的方式決定持續時長的上限。然後，於步驟S143中，控制電路102自於儲存部112中所記錄的多個波形資料中，選擇最佳持續時長的波形資料。例如，可選擇訊號的持續時長為步驟S142中所決定的上限以下的波形資料中持續時長最長的波形資料，作為用於測定的波形資料而。藉此，可將於滿足條件4的發送訊號中持續時長盡可能長的發送訊號用於測定，故可謀求測定精度的提高。

再者，於本實施形態中，根據夾持具30的開度求得兩個振子之間的距離，但亦可藉由其他方法求得距離或傳播時間。例如，可在將夾持具30安裝於配管120之後，自其中一個振子發送測試用訊號，藉此測量傳播時間。或者是，亦可令使用者設定配管尺寸、流體種類、流速等的參數，自所述設定的參數推定距離或傳播時間。

＜其他＞ 所述實施形態僅例示性地說明本發明的結構例。本發明不限定於上文所述的具體性的形態，可在其技術性思想範圍內進行各種變形。例如，於所述實施形態的裝置中，在測定音響訊號的傳播時間之後，利用所述傳播時間的測定值而計算流體的流速及流量，但不是必須進行流速及流量的計算。傳播時間測定裝置可僅進行測定傳播時間的處理。此種情形下，可僅執行圖10或圖13的流程中的步驟S100～S106的處理。又，若僅測定傳播時間，則傳播角度θ可為90度。又，於所述實施形態中，例示了能夠將配管以夾入的方式進行安裝的夾合（clamp on）型裝置，但亦可採用配管組入型的裝置結構。又，振子的數目可為三個以上，亦可區分用於音響訊號自上游側朝下游側傳播的振子對、與用於音響訊號自下游側朝上游側傳播的振子對。

又，如圖15的（A）所示般，可使第一振子101a包含具有不同頻率特性的多個振子101c、101d，且使第二振子101b亦同樣地包含具有不同頻率特性的多個振子101c、101d。例如，將於1 MHz附近具有共振頻率的振子101c與於5 MHz附近具有共振頻率的振子101d排列配置，藉此無論對於哪一頻率成分均可提高電訊號與音響訊號之間的轉換效率。此種結構的振子適宜於使用例如圖8的（A）例示的、將不同頻率的訊號合成而成的發送訊號的情況，或使用如圖4的（A）或圖5的（A）例示的、經頻率調變的發送訊號的情況。再者，於圖15的（A）的示例中，組合兩個振子101c、101d，但亦可組合三個以上的振子。又，多個振子101c、101d可於配管120的軸方向上排列，亦可於徑方向上排列。

＜附記1＞ （1）一種傳播時間測定裝置（1），其特徵在於包括：多個振子（101a、101b），所述多個振子（101a、101b）相對於供流體（121）流動的配管（120）配置於互不相同的位置，且至少包括將作為電訊號的發送訊號轉換成音響訊號的第一振子（101a）、及接收自所述第一振子（101a）發送且於所述配管（120）內的流體（121）中傳播的所述音響訊號並轉換成作為電訊號的接收訊號的第二振子（101b）； 發送訊號生成部（110），生成用於測定的所述發送訊號；以及 訊號處理部（111），藉由所述發送訊號與所述接收訊號之間的相互相關解析，而求得所述音響訊號自所述第一振子（101a）至所述第二振子（101b）的傳播時間； 所述發送訊號生成部（110）以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 1）所述發送訊號的自身相關函數中的其他波峰相對於最大波峰的高度比為0.8以下，且 2）所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的最短週期的5倍以上，或者所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的20倍以上。

1:傳播時間測定裝置 30:夾持具 100:裝置本體 101、101c、101d:振子 101a:第一振子（振子） 101b:第二振子（振子） 102:控制電路 103:D/A轉換器 104:A/D轉換器 105:切換器 106:輸出器 110:發送訊號生成部 111:訊號處理部 112:儲存部 120:配管 121:流體 S100～S115、S130～S132、S134、S140～S143:步驟 θ:連結兩個振子的直線相對於配管的軸線所成的角度（音響訊號的傳播角度）

圖1是示意性地表示傳播時間測定裝置的結構的圖。 圖2的（A）是表示發送訊號的自身相關函數的一例的圖，圖2的（B）是表示發送訊號的一例的圖。 圖3是表示振子朝向配管的設置例的剖視圖。 圖4的（A）是表示經頻率調變的訊號的示例的圖，圖4的（B）是表示圖4的（A）的發送訊號的自身相關函數的圖。 圖5的（A）是表示經頻率調變的訊號的示例的圖，圖5的（B）是表示圖5的（A）的發送訊號的自身相關函數的圖。 圖6的（A）是表示比較例的頻率調變訊號的圖，圖6的（B）是表示圖6的（A）的頻率調變訊號的自身相關函數的圖。 圖7的（A）是表示由隨機脈衝構成的發送訊號的示例的圖，圖7的（B）是表示圖7的（A）的發送訊號的自身相關函數的圖。 圖8的（A）是表示將不同頻率的多個訊號合成而成的發送訊號的示例的圖，圖8的（B）是表示圖8的（A）的發送訊號的自身相關函數的圖。 圖9的（A）是表示頻率針對每一規定的時間區分而變化的發送訊號的示例的圖，圖9的（B）是表示圖9的（A）的發送訊號的自身相關函數的圖。 圖10是表示第一實施形態的傳播時間測定裝置的測定動作的流程的流程圖（flow chart）。 圖11的（A）是表示發送訊號的示例的圖，圖11的（B）是表示基於圖11的（A）的發送訊號的音響訊號的示例的圖，圖11的（C）是表示接收訊號的示例的圖，圖11的（D）是表示相互相關函數的一例的圖。 圖12的（A）是將相互相關函數的最大波峰附近予以放大的圖，圖12的（B）是表示希爾伯特轉換的示例的圖。 圖13是表示第二實施形態的傳播時間測定裝置的測定動作的流程的流程圖。 圖14是表示第三實施形態的發送訊號的自動設定處理的流程的流程圖。 圖15的（A）及圖15的（B）是表示振子的變形例的圖。

1:傳播時間測定裝置

100:裝置本體

101:振子

101a:第一振子(振子)

101b:第二振子(振子)

102:控制電路

103:D/A轉換器

104:A/D轉換器

105:切換器

106:輸出器

110:發送訊號生成部

111:訊號處理部

112:儲存部

120:配管

121:流體

Claims (14)

1. 一種傳播時間測定裝置，其特徵在於包括：多個振子，所述多個振子相對於供流體流動的配管配置於互不相同的位置，且至少包括將作為電訊號的發送訊號轉換成音響訊號的第一振子、及接收自所述第一振子發送且於所述配管內的流體中傳播的所述音響訊號並轉換成作為電訊號的接收訊號的第二振子； 發送訊號生成部，生成用於測定的所述發送訊號；以及 訊號處理部，藉由所述發送訊號與所述接收訊號之間的相互相關解析，而求得所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間， 所述發送訊號生成部以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 1）所述發送訊號的自身相關函數中的其他波峰相對於最大波峰的高度比為0.8以下，且 2）所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的最短週期的5倍以上，或者所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的20倍以上。
2. 如請求項1所述的傳播時間測定裝置，其中所述發送訊號生成部進而以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 3）所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的最短週期的10倍以上，或者所述發送訊號的持續時長為所述發送訊號的自身相關函數的最大波峰的半值半寬的40倍以上。
3. 如請求項1所述的傳播時間測定裝置，其中所述發送訊號生成部進而以滿足下述條件的方式生成所述發送訊號，即： 4）所述發送訊號的持續時長短於設想為音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間的最小傳播時間。
4. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述發送訊號包含經頻率調變的訊號。
5. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述發送訊號包含由隨機脈衝構成的訊號。
6. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述發送訊號包含將不同頻率的多個訊號合成而成的訊號。
7. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述發送訊號包含頻率針對每一規定的時間區分而變化的訊號。
8. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述訊號處理部使用多個接收訊號進行相互相關解析，所述多個接收訊號藉由多次進行來自所述第一振子的發送及由所述第二振子進行的接收而獲得。
9. 如請求項8所述的傳播時間測定裝置，其中所述訊號處理部自所述多個接收訊號生成雜訊經降低的接收訊號，而進行所述發送訊號與所述雜訊經降低的接收訊號之間的相互相關解析。
10. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述第一振子與所述第二振子以隔著所述配管而相向的方式配置。
11. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述第一振子與所述第二振子配置於所述配管的長度方向上的不同的位置。
12. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，更包括切換部，所述切換部以對所述第二振子輸入所述發送訊號，自接收到自所述第二振子發送的音響訊號的所述第一振子輸出所述接收訊號的方式進行切換； 所述訊號處理部藉由輸入至所述第二振子的所述發送訊號與自所述第一振子輸出的所述接收訊號之間的相互相關解析，而求得所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間。
13. 如請求項12所述的傳播時間測定裝置，其中所述訊號處理部基於所述音響訊號自所述第一振子至所述第二振子的傳播時間、與所述音響訊號自所述第二振子至所述第一振子的傳播時間的差，求得所述配管內的流體的流速及/或流量。
14. 如請求項1至請求項3中任一項所述的傳播時間測定裝置，其中所述第一振子及所述第二振子分別將具有不同頻率特性的多個振子予以組合而構成。

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