JP4904289B2 - モジュロ２ｐｉ剰余トラッキングを用いた超音波流量センサ - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念による超音波流量センサの超音波信号の遅延時間を求める方法と請求項１０の上位概念による超音波流量センサとに関する。

超音波流量センサは、特に、導管を通るガス状又は液状の媒体の体積流量もしくは質量流量又は流速の測定に使用される。公知の超音波流量センサは流れ方向にずらして配置された２つの超音波トランスジューサを有しており、これらの超音波トランスジューサがそれぞれ超音波信号を発生させ、それを他方の超音波トランスジューサに送信する。超音波信号はそれぞれ他方のトランスジューサにより受信され、電子ユニットによって評価される。その際、流れ方向の信号と反対方向の信号の伝搬時間の差が流体の流速の尺度となる。

図１は、２つの超音波トランスジューサＡ，Ｂを備えた超音波流量センサの一般的な構成が示したものである。この図において、超音波流量センサＡ，Ｂは導管３内に配置されており、距離Ｌで互いに向かい合っている。流体１は矢印２の方向に速度ｖで導管３内を流れる。測定区間Ｌは流れ方向２に対して角度ａだけ傾いている。測定中、超音波流量センサＡ，Ｂは相互に超音波信号を送信しあい、送信された超音波信号は流れの方向に応じて減速又は加速される。その際、音波信号の伝搬時間が測定すべき流速の尺度となる。

図２は、図１の構成による電気回路の非常に簡略化した図示的表現を示したものである。２つの超音波トランスジューサＡ，Ｂは制御・評価電子ユニット４に接続されており、発振器により所定のクロック周波数８（矩形波信号）で励起される。これにより発生した超音波信号１５（ここでは超音波信号１５のエンベロープ１６のみが図示されている）は測定区間Ｌを走破し、それぞれ他方の超音波トランスジューサＡ，Ｂによって検出される。その際、信号１５の伝搬時間ｔ₁₂及びｔ₂₁が測定される。

超音波信号１５の伝搬時間測定のためには、超音波信号１５の受信時点が一意的かつ正確に求められることが非常に重要である。様々なイベントが超音波信号の受信時点として定められうる。従来技術からは、例えば、信号振幅が所定の閾値を超えた後の超音波信号１５の最初のゼロ交差Ｎ₀を「受信時点」として定義することが知られている。代替的に、例えば、最大振幅の時点又は超音波信号１５のエンベロープの重心を受信時点として定義してもよい。さらには、超音波信号１５の伝搬時間を基準クロック８に対する信号の位相を評価することにより求めることも公知である。伝搬時間測定の従来の方法は通常、比較的コストのかかるものであるか、又は妨害信号に対して十分にロバストでない。

したがって、本発明の課題は、超音波流量センサの超音波信号の伝搬時間を求める方法、ならびに特別な信号評価を用いた超音波流量センサを、特に簡単に実施でき、かつ妨害信号に対して高いロバストネスを有するように構成することである。

本発明によればこの課題は請求項１および請求項１０に記載の特徴によって解決される。本発明の他の実施形態は従属請求項の対象である。

本発明の基本思想は、基準クロックに対する超音波信号の位相位置（ΔΦ）を直交復調により求め、超音波信号の総伝搬時間を位相位置（ΔΦ）と２ｐｉの整数倍である剰余成分（ｒ（ｔ））とから計算することにある。位相位置（ΔΦ）を求めるために、超音波信号はクロック信号と位相シフトさせたクロック信号とによって区分的に反転させられる。区分的に反転させられた信号はそのあと有利には積分又はフィルタリングされ、三角関数の計算により位相位置（ΔΦ）が求められる。剰余成分（ｒ（ｔ））は、本発明によれば、例えばエンベロープの重心の受信時点のような、超音波信号の所定の受信イベントから求められる。直交復調の特別な利点は、この技術が信号の位相シフトを生じさせることなく、妨害信号に対して非常に帯域の狭いフィルタのように作用することにある。ＲＣ素子を用いた従来の帯域通過フィルタリングは、例えば、温度によってドリフトする位相シフトを引き起こしかねないため、潜在的に伝搬時間測定の誤差につながりうる。直交復調法の妨害信号に対する並外れたロバストネスにもかかわらず、そのために必要なハードウェアコストは例えば相互相関のような類似のロバストな方法に比べて比較的低い。最終的に剰余成分（ｎ・２ｐｉ）が計算される基となる超音波信号の受信イベントは、有利には、信号振幅に依存しない超音波信号の量、例えば、受信した超音波信号の重心、信号のエンベロープの重心、又は信号振幅に依存しない他の量の時点である。これは信号振幅が異なっても受信時点がシフトしないという利点を有している。

本発明の有利な実施形態によれば、剰余成分（ｒ（ｔ）＝ｎ・２ｐｉ）は超音波信号のエンベロープの重心から求められる。

剰余成分ｒ（ｔ）は有利には受信イベント（ｔ_s)、位相位置（ΔΦ）、及びオフセット値（ｔ_o）の関数として計算され、次の式が成り立つ： r(t) = f(t_s, ΔΦ, t_o)。

この関数ｆは、有利には、ある値を次の整数へ丸める丸め関数（例えば、round）を含んでいる。

本発明の有利な実施形態によれば、丸めの程度を示すばらつきパラメータが評価ユニットによって計算される。伝搬時間の計算はこのばらつきパラメータが可能な限り最も小さい場合に特に正確かつロバストである。それゆえ、本発明によれば、ばらつきパラメータを小さな値へと制御すること、ならびに、このためにオフセット値（ｔ_o）を相応して調整することが提案される。オフセット値（ｔ_o）は、有利には、ばらつきパラメータの絶対値が時間平均で所定の閾値を超えた場合に変更される。

ばらつきパラメータ制御の際、有利には、ばらつきパラメータ（ｓ）の絶対値の時間平均が計算される。代わりに又はそれに加えて、ばらつきパラメータ（ｓ）の時間平均を計算してもよい。

基準クロック又は位相シフトさせた基準クロックで反転させられた超音波信号は、有利には、それぞれ１つの積分器に供給され、この積分器がこの信号を複数の位相にわたって、有利には超音波信号の全持続時間にわたって積分する。そして、積分器の出力信号から有利には位相位置（ΔΦ）が求められる。積分器の代わりに、選択的にフィルタ回路を設けてもよい。

区分的に反転させられた超音波信号は、有利には、さらに基準クロックの１周期にわたって信号を積分する積分器の第２の組に供給される。これらの積分器の出力信号から有利にはエンベロープが計算される。なお、このエンベロープの重心（ｔ_s)が超音波信号の受信時点を表す。

超音波信号の伝搬時間を受信した信号の基準クロックに対する位相位置（ΔΦ）と剰余成分（ｒ（ｔ））とから計算する本発明に従って形成された超音波流量センサは、超音波信号を送信及び／又は受信するための少なくとも１つの超音波トランスジューサと、クロック信号を生成する超音波トランスジューサに接続された発振器と、制御・評価ユニットとを有している。評価ユニットは、本発明に従い、超音波信号の位相位置（ΔΦ）を直交復調法で求める装置（回路又はソフトウェア）と、例えばエンベロープの重心のような受信イベントを求め、それから剰余成分（ｒ（ｔ））を計算する装置（回路又はソフトウェア）とを有しており、受信された超音波信号はクロック信号の周波数又はｐｉ／２だけシフトしたクロック信号の周波数によって区分的に反転される。

それ以外には、制御・評価ユニットは前記した機能のうちの１つ又は複数を実施することができるように実現されている。

以下に、添付図面に基づいて本発明の実施例をより詳細に説明する。
図１は、２つの超音波トランスジューサを備えた従来技術から公知の超音波流量センサを示している。
図２は、関連する制御・評価電子ユニットを備えた超音波流量センサを示している。
図３は、個々の超音波信号の信号推移をそのエンベロープとともに示している。
図４は、直交復調法で動作する評価電子ユニットを備えた超音波流量センサの特別な実施形態を示している。
図５ａは、位相位置計算を表したグラフを示している。
図５ｂは、図４の積分器の出力信号の推移を示している。
図５ｃは、超音波信号から計算されたエンベロープの推移を示している。
図６は、オフセット値ｔ_oに依存するばらつきパラメータ|ｓ|の時間平均を示している。
図７は、さまざまな信号妨害の場合について、オフセット値ｔ_oに依存するばらつきパラメータ|ｓ|の推移を示している。
図８は、強さの異なる妨害の場合について、オフセット値ｔ_oに依存する平均したばらつきパラメータｓの推移を示している。

図１から３の説明に関しては、明細書の冒頭を参照されたい。

図４には、２つの超音波トランスジューサＡ，Ｂと制御・評価電子ユニット４とを備えた超音波流量センサ６の実施形態が示されている。電子ユニット４は、トランスジューサＡ，Ｂを励起するためのクロック信号８を発生させる発振器７を含んでいる。２つのトランスジューサＡはこれにより超音波信号１５を発生させ、超音波信号１５はそれぞれ他方のトランスジューサに伝送され、そこで検出される。信号１５の一方の方向における伝搬時間ｔ₁₂と他方の方向における伝搬時間ｔ₂₁とから、最終的に流動媒体１の流速ｖ又は質量流量を計算することができる。

超音波信号１５の伝搬時間は位相としても表現され、次の式が成り立つ：
t 〜 n・2pi + ΔΦ または
t 〜 r (t) + ΔΦ
ここで、ΔΦは受信した超音波信号１５の基準クロック８に対する位相位置であり、ｎ・２ｐｉ又はｒ（ｔ）は全位相の剰余成分であり、ｎは伝搬時間中の全波列の個数である。

位相位置ΔΦはここでは２つの積分器１２，１３による直交復調法で求められる。（直交復調法は択一的にアナログでも、例えば反転増幅器又は非反転増幅器によっても実現することができる。）剰余成分ｒ（ｔ）は、例えばエンベロープ１６の重心の受信時点のような、超音波信号１５を特徴付ける量から計算される。

位相位置ΔΦを求めるために、電子ユニット４は受信信号１５をデジタル化するＡ／Ｄ変換器１４と以下に説明する他のエレメント１０−１３を有している。デジタル化された受信信号は２つの信号経路に分割され、基準クロック８又はｐｉ／２だけ位相シフトさせた基準クロック９の状態に応じて変更されないまま転送されるか、又は反転させられる。例えば、デジタル化された受信信号は「ハイ」の状態では変更されず転送され、「ロー」の状態では反転される。基準クロック信号８とｐｉ／２だけシフトさせたクロック信号９はユニット２０によって発振器クロック８から生成される。デジタル化された受信信号１５の変更なしの転送と反転は値＋１と−１とによる乗算に対応している。それゆえ、関連する信号演算は２つの乗算器１０，１１によって示されている。

区分的に反転させられた信号は後置接続された２つの積分器１２又は１３に供給され、これら積分器が信号をその全持続時間にわたって積分する（積分器の代わりに、ローパスフィルタリングを用いてもよい）。

２つ積分値ｕ₁及びｕ₂はベクトルｕの成分を表しており、このベクトルｕの座標系に対する角度がまさに位相位置ΔΦである。図５ａには、ベクトルｕとその成分ｕ₁及びｕ₂、ならびに角度ΔΦが示されている。信号ｕ，ｕ’の評価は、例えばマイクロコントローラ（図示せず）のような電子ユニットによって行われる。

図５ｂには、超音波信号１５の時間積分の推移が示されている。位相位置ΔΦは、終了値ｕ₁，ｕ₂から、例えばａｒｃｔａｎ（ｕ₁／ｕ₂）又はａｔａｎ２（ｕ₁，ｕ₂）のような三角関数を介して計算することができる。有利には、次の関係式が立てられる：
ΔΦ = atan2(u₁,u₂)
この関数は一意ではなく、モジュロ２ｐｉで周期的である。

剰余成分（ｒ（ｔ）＝ｎ・２ｐｉ、ｎは整数）はここでは超音波信号１５のエンベロープの重心ｔ_sから計算される。（選択的に、信号振幅に依存しない他の量を参照してもよい）。このために、デジタル化された信号と区分的に反転された信号はそれぞれ１つの積分器１８又は１９に供給され、それぞれ基準クロック８の１周期にわたって積分される。その際、積分は各周期ごとに新たにゼロから始まる。出力信号ｕ₁'(ｉ)ないしｕ₂'(ｉ)から、図５ｃに示されているエンベロープ１７が得られる。積分器１８、１９は乗算器１０、１１に接続されており、クロック入力側において基準クロック８によりクロッキングされる。ここで、ｉは超音波信号１５の各周期のランニングインデックスである。

次いで、このエンベロープ１７から重心ｔ_sが特徴的な時点として求められる。この特徴的な時点ｔ_sが超音波信号の総伝搬時間ｔ_mesの粗い尺度を提供する。重心ｔ_sに関しては、例えば次の式を立てることができる：

ここで、h(i) = u₁'(i)² + u₂'(i)²である。計算ステップ（ｕ₁，ｕ₂）を少なくするためと、比較的大きな信号振幅を不均衡に重く重み付けするために、ここでは、エンベロープではなく２乗したエンベロープｈ（ｉ）を用いた。

前述した位相位置ΔΦ＝ａｔａｎ２（ｕ₁，ｕ₂）のモジュロ２ｐｉの多価性のため、総伝搬時間は流速に対して鋸波状の推移を示す。

伝搬時間に関して連続的な直線の特性曲線を得るためには、測定された位相位置ΔΦに階段関数ｒ（ｔ）を加えなければならない。その際、階段関数ｒ（ｔ）のジャンプがつねに鋸波曲線ΔΦ（ｔ）のジャンプと同時に起こることが重要である。所望の剰余成分ｒ（ｔ）は例えば量ｔ_rest（伝播時間剰余）から導出される。ここで、次の式が成り立つ：
r(t) = f(t_rest), ただし t_rest = t_s−ΔΦ+t_o
ここで、ｔ_oは後で説明する定数オフセット値である。この伝播時間剰余ｔ_restは正確な位相シフトΔΦを差し引いた超音波信号１５の総伝搬時間ｔの粗い尺度である。

たしかに関数ｔ_rest（ｔ）は階段状であるが、妨害信号、乱れ、又はエンベロープの変化に起因する雑音がこの関数に重畳している。階段関数ｒ（ｔ）は、したがって、直接ｔ_rest（ｔ）によって定義されるのではなく、有利には丸め関数によって定義される。ここで、次の式が成り立つ：
r(t) = 2pi・round(t_rest(t)／2pi) .
ここで、関数roundは数値を次の整数に切り上げ又は切り下げする丸め関数である。

オフセット値ｔ_oに関しては次のように述べることができる：伝搬時間剰余ｔ_restがちょうど丸め関数の（切り上げと切り下げの）境界にある値をとると、剰余成分ｒ（ｔ）にジャンプが生じかねない。したがって、信号のジャンプを避けるために、オフセット値ｔ_oは関数ｒ（ｔ）の丸めの程度が時間平均してできるだけ小さくなるように選ばれる。丸めの程度を決定するため、以下に、ばらつきパラメータｓが定義される：
s = g(t_s,t_o,ΔΦ) = round(t_rest／2pi)−t_rest／2pi.
ばらつきパラメータｓはまた、ｔ_restがどれほど丸められるか又は理想的な階段関数ｒ（ｔ）からどれほど離れているかを示す。オフセット値ｔ_oは、|ｓ|が複数の伝搬時間測定にわたって時間平均して可能な限り最も小さくなる場合に、ちょうどよく選択されている。この場合、切り上げと切り下げはほぼ正確に同じ頻度で行われる。

超音波トランスジューサＡ，Ｂの減衰パラメータの変化のため、エンベロープ１７は時間とともに変化することがありうる。これにより、またしても信号のジャンプが生じかねない。それゆえ、オフセット値ｔ_oを変化させ、ばらつきパラメータをできるだけ小さな値へ制御することが提案される。その場合、|ｓ|の時間平均値を所定の閾値Ｓ_maxと比較し、|ｓ|の時間平均値が閾値Ｓ_maxを超えていたら、オフセット値ｔ_oを変化させるようにしてもよい。閾値Ｓ_maxは例えばおよそＳ_max＝０．３に設定することができる。選択的に、|ｓ|の時間平均値を（ゼロに向かって）極小値へと制御してもよい。

図６には、|ｓ|の時間平均値の推移が示されており、ここで、曲線２２は時間的に比較的初期の状態を表し、曲線２３はエンベロープ１７の形が変化した時間的に比較的後期の状態を表している。曲線２３では、時間平均値|ｓ|は矢印Ａに従ってより高い値へ上昇している。制御の際に、オフセット値ｔ_oはばらつきパラメータの時間平均値|ｓ|が極小となるように変化させられる（矢印Ｂ参照）。

図７ａには、妨害の強さが異なる場合について、|ｓ|の平均値の推移が示されており、ここで、曲線２４は信号妨害が比較的弱い場合の状態を表しており、曲線２５は信号妨害が比較的強い場合の状態を表している。図から気づかれる通り、曲線２５の極小値はカーブの程度がより弱いため、より不明確に定められている。

図７ｂには、信号妨害が弱い場合（曲線２７）と信号妨害が強い場合（曲線２８）とについて、時間平均値ｓの推移に相当する曲線が示されている。

曲線２５の極小値の領域では、

はオフセットパラメータｔ_oに線形に依存し、信号妨害には僅かにしか影響されない。この場合、最良の制御ストラテジーはオフセットパラメータｔ_oを

となるように変化させることである。ただし、そもそもこの制御領域に達するためには、さらに絶対値

の時間平均値が必要とされる。例えば

が最大ならば、同様に

ではあるが、オフセット値ｔ_oは不適切に選択されている。このことを考慮するために、例えば、

が所定の閾値よりも大きいのか否か、例えば

であるか否かをまず検査するようにしてもよい。この場合、

はｔ_oを±３／４・ｐｉだけ変化させることにより直ちに領域

内に移される。ｔ_oの変化は

の場合には正の方向に、

の場合には負の方向に行われなければならない。

それに対して、平均値

が閾値よりも小さい場合、例えば

である場合には、ｔ_oは

で代替される。このように、

はつねに隣りの極小値へと再調整され、しかもその際に制御変動が生じることがない。

２つの超音波トランスジューサを備えた従来技術から公知の超音波流量センサを示す。 関連する制御・評価電子ユニットを備えた超音波流量センサを示す。 個々の超音波信号の信号推移をそのエンベロープとともに示す。 直交復調法で動作する評価電子ユニットを備えた超音波流量センサの特別な実施形態を示す。 位相位置計算を表したグラフを示す。 図４の積分器の出力信号の推移を示す。 超音波信号から計算されたエンベロープの推移を示す。 オフセット値ｔ_oに依存するばらつきパラメータ|ｓ|の時間平均を示す。 さまざまな信号妨害の場合について、オフセット値ｔ_oに依存するばらつきパラメータ|ｓ|の推移を示す。 強さの異なる妨害の場合について、オフセット値ｔ_oに依存する平均したばらつきパラメータｓの推移を示す。

１ 流れる液体
２ 流れ方向
３ 導管
４ 制御・評価ユニット
５ トランスジューサ出力信号
６ 超音波流量センサ
７ 発振器
８ クロック信号
９ 位相シフトさせたクロック信号
１０ 乗算器
１１ 乗算器
１２ 積分器
１３ 積分器
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ 超音波信号
１６ エンベロープ
１７ 計算されたエンベロープ
１８ 積分器
１９ 積分器
２０ 時間制御ユニット
２１ ＯＲゲート

Ｌ 測定区間
Ａ，Ｂ 超音波トランスジューサ
ｔ_s エンベロープの重心

Claims (16)

1. 超音波トランスジューサ（Ａ，Ｂ）によって測定区間（Ｌ）内に入力結合された超音波センサ（６）の超音波信号（１５）の伝搬時間（ｔ）を求める方法であって、超音波信号（１５）の伝搬時間（ｔ）の尺度として基準クロック（８）に対する超音波信号（１５）の位相シフト（ΔΦ）と剰余成分（ｒ（ｔ））とを求めるようにした方法において、
   受信した超音波信号（１５）をクロック信号（８）と位相シフトさせたクロック信号（９）とを用いて区分的に反転させる直交復調法により前記位相シフト（ΔΦ）を求め、
   受信した超音波信号（１５）の重心（ｔ _s ）または受信した超音波信号（１５）のエンベロープ（１７）の重心（ｔ _s ）を求め、当該重心（ｔ _s ）の受信時点から伝搬時間（ｔ）の剰余成分（ｒ（ｔ））を求めることを特徴とする超音波センサ（６）の超音波信号（１５）の伝搬時間（ｔ）を求める方法。
2. 受信した超音波信号（１５）の振幅に依存する超音波信号（１５）の量から前記剰余成分（ｒ（ｔ））を求める、請求項１記載の方法。
3. 前記剰余成分（ｒ（ｔ））は前記重心（ｔ_s）と前記位相シフト（ΔΦ）とオフセット値（ｔ_o）との関数である、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記オフセット値（ｔ_o）は可変である、請求項３記載の方法。
5. 前記剰余成分（ｒ（ｔ））は丸め関数（ｒｏｕｎｄ）を含んでいる、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 丸めの程度を示すばらつきパラメータ（ｓ）を計算する、請求項５記載の方法。
7. 前記ばらつきパラメータ（ｓ）を小さな値へと制御する、請求項６記載の方法。
8. 制御の際に、連続する複数の測定にわたるばらつきパラメータ（ｓ）の時間平均を計算する、請求項７記載の方法。
9. 区分的に反転された超音波信号（１５）をそれぞれ１つの積分器（１８，１９）により積分し、その際、クロック信号（８）の各周期ごとに新たに積分を開始し、積分器（１８，１９）の出力信号から剰余成分（ｒ（ｔ））を求める、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. とりわけ導管（３）を流れる媒体（１）の流速を求める超音波センサであって、超音波信号（１５）を送信及び／又は受信する少なくとも１つの超音波トランスジューサ（Ａ，Ｂ）と、該超音波トランスジューサ（Ａ，Ｂ）に接続された発振器（７）と、超音波信号（１５）の伝搬時間（ｔ）の尺度として受信した超音波信号（１５）のクロック信号（８）に対する位相シフト（ΔΦ）を求める評価ユニットとを有する形式の超音波センサにおいて、前記評価ユニット（４）は、直交復調法により前記位相シフト（ΔΦ）を求める装置（１０−１３）と、受信した超音波信号（１５）の重心（ｔ _s ）または受信した超音波信号（１５）のエンベロープ（１７）の重心（ｔ _s ）を求め、当該重心（ｔ _s ）の受信時点から伝搬時間（ｔ）の剰余成分（ｒ（ｔ））を求める装置（１８，１９）とを有している、ことを特徴とする超音波センサ。
11. 前記評価ユニット（４）は、受信した超音波信号（１５）をクロック信号と位相シフトさせたクロック信号（９）とを用いて区分的に反転させる反転器（１０，１１）と、クロック信号（８）を用いて反転させられた超音波信号（１５）が供給される第１の積分器（１２）と、位相シフトさせたクロック信号（９）を用いて反転させられた超音波信号（１５）が供給される第２の積分器（１３）を含んでいる、請求項１０記載の超音波流量センサ。
12. 前記評価ユニット（４）は、クロック信号（８）を用いて反転させられた超音波信号（１５）が供給される積分器（１８）と、位相シフトさせたクロック信号（９）を用いて反転させられた超音波信号（１５）が供給される積分器（１９）とを含んでおり、積分は信号（１５）の各周期ごとに新たに開始される、請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記評価ユニット（４）は前記剰余成分（ｒ（ｔ））を前記エンベロープ（１７）の重心（ｔ_s ）の受信時点と位相シフト（ΔΦ）とオフセット値（ｔ_o）との関数として計算する、請求項１０から１２のいずれか１項記載の超音波流量センサ。
14. 前記評価ユニット（４）は前記剰余成分（ｒ（ｔ））を丸め関数（ｒｏｕｎｄ）を用いて計算する、請求項１０から１３のいずれか１項記載の超音波流量センサ。
15. 前記評価ユニット（４）は丸めの程度を示すばらつきパラメータ（ｓ）を計算する、請求項１４記載の超音波流量センサ。
16. 前記評価ユニット（４）はばらつきパラメータ（ｓ）を制御する、請求項１５記載の超音波流量センサ。

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