JP5097503B2 - 超音波流量計の信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル的に信号の処理を行う超音波流量計の信号処理装置に関するものである。

超音波ビームを利用して、管路内の流速を測定する方法としては、上流から下流への超音波ビームの伝播時間と、下流から上流への超音波ビームの伝播時間との差を求めて計算する時間差方式が多く用いられている。

この時間差を求める方法として、特許文献１には信号のゼロクロス点を利用する方法が開示され、特許文献２には信号の相互相関を利用する方法が開示されている。

特開２００２−１６２２６９号公報 特開２００２−２４３５１４号公報

超音波流量計においては、数ｍｓ〜数１０ｍｓの周期で流体中にパルス状の超音波ビームを発信し、これの通過信号又は反射信号を受信して、その到達時間やドップラ効果による周波数偏移などを測定して流体の速度を求め、それにより流量を測定している。到達時間を測定する方法としては、受信信号の立ち上がりを捉える方法や、受信信号のゼロクロス点を捉える方法等がある。

また、流体の上流側から下流側への到達時間と逆方向への到達時間との時間差を求める方法として、信号の相互相関を利用する方法、或いは相互相関の計算の乗算部分を信号の差の絶対値で置き換えたものを利用する方法などがある。

図３は第１、第２管路１内を２つの方向を伝播した超音波ビームから得られたデータの波形図である。この信号から時間差を求める方法としては、特許文献２にある信号の相互相関を利用する方法などがある。

例えば、相互相関を利用して到達時間差を求める方法について述べると、データの個数Ｎから成る第１、第２のデータｘ、ｙの対応するポイントにおける相互相関は、式（１）で求められる。
Ｒｘｙ［ｍ］＝Σ｜ｘ［ｎ］＊ｙ［ｎ＋ｍ］｜
（ｍ＝０、１、２、……、Ｎ−１）…（１）

ただし、式（１）において、Ｒｘｙは相関関数を表し、ｘ［ｎ］、ｙ［ｎ＋ｍ］は相互相関を求める関数（データ）である。ｙの添字ｎ＋ｍはＮで除した余りを使用する。相関関数の値が最大になる点を与えるｍの値が、２つのデータｘ、ｙの時間差、即ち受信した超音波ビームの時間差を与えることになる。

図４は図３のデータに対し相互相関の計算を行った結果の波形図である。そして、信号の時間差は波形の最大値の原点からのずれで求められる。

次式（２）は信号の差分を利用する計算方法である。
Ｓｘｙ［ｍ］＝Σ｜ｘ［ｎ］−ｙ［ｎ＋ｍ］｜
（ｍ＝０,１,２,…,Ｎ−１）…（２）

式（２）においては、式（１）の乗算部分を減算の絶対値で置き換えた形になっている。乗算を減算に置き換えるのは、減算のほうが種々の面で有利になるからである。例えば、回路の面積、消費電流、計算時問などであり、これら単独又は組み合わせ等においても減算のほうが乗算に比べて有利になる。このことは処理をハードウエアで行う場合でもソフトウエアで行う場合でも同様である。

これらの方法により、流体の流速を求めるための信号処理をする際には、超音波ビームの受信波形の振幅はできるだけ一定のほうが都合が良いため、通常ではＡＧＣ(Automatic Gain Control)ループを形成し、受信波形の振幅が一定値となるように制御している。しかし、今回の受信データを基に次回の受信時のゲインを決めているため、超音波ビームの発射周期よりも短い時間で変動が発生すると、ゲイン調整が追従できないという問題点がある。

通常のＡＧＣで信号の振幅を一定にするには、受信信号のピーク値或いは平均値や実効値を基に、受信用可変ゲイン増幅器のゲインを調整することで行う。受信用可変ゲイン増幅器の構成としては、増幅器の帰還抵抗をアナログスイッチで切換える方法、アナログ乗算器を利用する方法などがある。

帰還抵抗をアナログスイッチで切換える方法では、ゲインを連続的に変えることができないため、信号が連続的に変化すると、その振幅を一定にすることができない。

アナログ乗算器を利用する方法では、ゲインの制御電圧を連続的に変化できればゲインも連続的に変えることができる。しかし、制御電圧をＤＡ変換器で作成する場合には、連続的な制御をするためにＤ／Ａ変換器の分解能（ビット数）を大きくする必要があり、コスト的に高分解能のＤ／Ａ変換器の使用は困難である。

更に、超音波流量計においては振幅の計測と可変ゲイン増幅器のゲイン制御は、例えば数ｍｓ〜数１０ｍｓの周期的に行うため、この周期よりも速い変化には追従することができない。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、フィードバックループの応答時間よりも早い変化をする信号に対しても、一定振幅のデータを得ることができる超音波流量計の信号処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波流量計の信号処理装置は、管路の下流側から上流側への第１の方向と上流側から下流側への第２の方向に交互に超音波ビームを発信すると共に受信し、得られた前記超音波ビームによる信号をデジタルデータとして前記第１、第２の方向のデータ別にメモリに記憶し、該メモリからデータを読み出して信号処理をする超音波流量計の信号処理装置において、前記メモリ内の２種類のデータ毎に得られたデータの特長を現わす数値として、少なくとも、２種類の各デジタルデータの最大値を基にそれらの逆数となる係数を求める第１の手段と、前記メモリから読み出した２種類のデータ毎に前記係数を乗じて差分を求めることにより、２種類のデータによる前記超音波ビームの伝播時間差を求めて流量を測定する第２の手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る超音波流量計の信号処理装置によれば、短時間の演算で流量測定の基となる正確な超音波ビームの伝播時間差を得ることができるので、相互相関の場合よりも単位時間当りの測定回数を多くすることが可能となり、従来と同様の測定回数とすれば回路の演算速度は低速で済む。

また、ＡＧＣ制御が不完全であっても、信号処理回路には振幅を揃えた信号を供給できる。更に、正常な受信が行われたかどうかの判別をより正確に行うことが可能となる。

本発明を図１、図２に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例のブロック回路構成図である。測定すべき流体が流れる管路１の上流側と下流側に、超音波ビームの発信、受信を兼ねた上流側超音波振動子２、下流側超音波振動子３が配置されている。これらの超音波振動子２、３は切換スイッチ４を介して、送信用増幅器５、受信用可変ゲイン増幅器６に接続されている。受信用可変ゲイン増幅器６の出力は、Ａ／Ｄ変換器７、データバス８に接続されている。また、データバス８には、ピーク検出回路９、演算ユニット１０、メモリ１１、ＲＡＭとＲＯＭを備えたＣＰＵ１２、Ｉ／Ｏコントローラ１３が接続されている。

そして、メモリ１１は２つのメモリＲＡＭａ、ＲＡＭｂを有し、これらの出力は乗算器１４を経て演算ユニット１０に接続されている。乗算器１４も２つの乗算器を有し、ＲＡＭａ、ＲＡＭｂの出力は２つの乗算器を介して演算ユニット１０に出力されることになる。また、Ｉ／Ｏコントローラ１３にはクロック発生回路１５の出力が接続され、Ｉ／Ｏコントローラ１３の出力は、切換スイッチ４、送信用増幅器５、可変ゲイン増幅器６、Ａ／Ｄ変換器７に接続されている。

時間差方式の超音波流量計では、上述したように流れに対して上流側から下流側方向に送信した場合と、逆方向に送信した場合の到達時間の差から流体の流速を求め、流速に管路の断面積を乗ずることで流量を測定する。この測定の際の各回路の動作は、ＣＰＵ１２に内蔵のＲＯＭに記憶したプログラムの指令によって行われる。

本実施例における差分を利用する処理のステップを時系列的に説明する。

［ステップＳ１］ＣＰＵ１２からの指令で切換スイッチ４を制御し、上流側超音波振動子２を送信用増幅器５の出力に、下流側超音波振動子３を受信用可変ゲイン増幅器６に接続し、ピーク検出回路９を初期化する。

［ステップＳ２］ＣＰＵ１２からの指令でＩ／Ｏコントローラ１３が上流側超音波振動子２の駆動用のバースト信号を発生する。このバースト信号は超音波振動子２で超音波ビームに変換され、管路１内を伝播し、下流側超音波振動子３で受信され電気信号に変換される。この電気信号は受信用可変ゲイン増幅器６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換されて、データバス８を介してメモリ１１のＲＡＭａに記憶される。これにより、図３に示すようなデータが得られ、蓄えられたデータを第１のデータｘとする。また、同時にピーク検出回路９においてデジタルデータの特長を表す最大値を検出する。このときの最大値を第１のピーク値Ｐｘとする。

超音波ビームが伝播する時間としては、流体が水で２つの超音波振動子２、３の間隔が１０ｃｍの場合には６０μｓ程度の時間である。これに対し、超音波ビームの周波数を２ＭＨｚとして、１０サイクル程度の信号波が受信できるとすればその持続時間は５μｓとなる。この信号を記憶するのに、余裕を見て１０μｓとすれば、ＡＤ変換のクロック周波数を５０ＭＨｚとした場合には、５１２ポイントを記憶することが好ましい。

［ステップＳ３］ステップＳ１の超音波ビームの伝播方向を逆方向とする。即ち、ＣＰＵ１２からの指令で切換スイッチ４を制御し、下流側超音波振動子３を送信用増幅器５の出力に、上流側超音波振動子２を受信用可変ゲイン増幅器６に接続し、ピーク検出回路９を初期化する。

［ステップＳ４］ステップＳ２と同様な処理が行われ、得られたデータはＣＰＵ１２のＲＡＭｂに記憶される。ここで得られるデータを第２のデータｙ、その最大値を第２のピーク値Ｐｙとする。

なお、ステップＳ１、Ｓ２とステップＳ３、Ｓ４の順序は逆でもよい。

このようにして得られたデータは図３のように２種類の第１、第２のデータｘ、ｙとして得られる。

［ステップＳ５］ステップＳ２、Ｓ４では第１、第２のピークＰｘ、Ｐｙを図３のデータｘ、ｙから求め、その逆数となる係数Ｋｘ、Ｋｙを求める。

これらの係数Ｋｘ、Ｋｙは、デジタル信号処理で使用されることから、浮動小数点又は固定小数点の形式となる。第１、第２のピーク値Ｐｘ、Ｐｙのビット数はＡＤ変換器７のビット数で決まり、仮にこれを８ビットとすれば、この８ビットは符号付きの整数とすることが好ましく、その場合に第１、第２のピーク値Ｐｘ、Ｐｙの採り得る値は０〜１２７の間となる。なお、このオーダのデータであれば、実際に逆数を計算することなく、ＣＰＵ１２内のＲＯＭにテーブルとして記憶しておき、このテーブルから逆数を抽出することで、処理時間の短縮を図ることができる。

また、この逆数は１に対する逆数ではなく、任意の数値を除算した値でもよい。除算を整数演算で行う場合に、被除数のビット数が除数のビット数より大きくなければ商の有効ビットの桁数が減少してしまうため、被除数のビット数を除数よりも大きくする必要がある。

例えば、除数（ピーク値）を符号付８ビットとし、除算した結果を符号付の１６ビットの整数で表すとすれば、符号付の１６ビット整数の最大値３２７６７をピーク値で除した値とすることができる。除算の結果、小数点以下の値が発生することがあるが、その場合には小数点以下を切り捨て又は四捨五入すればよい。

なお、乗算器１４に入力するデジタルデータ、逆数のデータ、出力データのそれぞれのビット数は同じである必要はない。

［ステップＳ６］式（３）は、本実施例で演算する計算方法であり、演算ユニット１０において実行する。
Ｓｘｙ［ｍ］＝Σ｜Ｋｘ＊ｘ［ｎ］−Ｋｙ＊ｙ［ｎ＋ｍ］｜
（ｍ＝０,１,２,…,Ｎ−１）…（３）

ステップＳ５で得られた係数Ｋｘ、Ｋｙを乗算器１４の係数として設定する。乗算器１４は２つの乗算器Ａ及び乗算器Ｂから構成されている。各乗算器Ａ、Ｂはそれぞれ２つの入力を持ち、一方の入力は前述の係数Ｋｘ及びＫｙに接続され、他方の入力はメモリ１１の２つのＲＡＭａ、ＲＡＭｂに接続される。メモリ１１のＲＡＭａ、ＲＡＭｂから、第１、第２のデータｘ、ｙをそれぞれ同時に取り出すことが可能である。

［ステップＳ７］式（３）に従って差分の計算を行う。始めに、ｎ＝０、ｍ＝０とする。ｎ及びｎ＋ｍは第１、第２のデータｘ、ｙを記憶しているメモリ１１のＲＡＭａ、ＲＡＭｂのアドレスである。ｎ、ｍは本例では０〜５１１の値をとり、ｎ＋ｍの値が５１２を超えた場合は５１２で除いた余りの値とする。第１のデータｘを記憶しているメモリからｘ［ｎ］の値、第２のデータｙを記憶しているメモリからｙ［ｎ＋ｍ］の値を取り出し、演算ユニット１０において計算を行う。ｎの値を０〜５１１に変化させ、得られた値を全て積算し、その値を１つのデータとしてメモリ１１に記憶する。次に、ｍを１だけ増加して、再度ｎを０〜５１１として前述の積算動作を行う。

このようにして、ｍの値を０〜５１１まで繰り返すことで、図２に示すような波形図が得られる。実際には、全てのデー夕を求める必要はなく、流速が変化する範囲に対応した時間差が得られる範囲について計算すればよい。

なお、式（３）では係数Ｋｘ、Ｋｙを乗算しているが、これを第１、第２のピーク値Ｐｘ、Ｐｙによる除算に変更しても同じ効果が得られる。これらの逆数の値は一連の計算が終了するまでは一定値が保たれる。しかし、除算を行う回路は乗算を行う回路に比べて回路規模が大きくなり、動作速度も遅いものとなりがちであり、除算を利用する方法の利点は少ない。

［ステップＳ８］信号の時間差は図２の波形の最大値の原点からのずれにより求められる。ＣＰＵ１２はステップＳ７で得られたデータから最下点にあたるデータの原点からのずれを基に信号の到達時間差を求め、この時間差から管路１における流体の流速を求める。

本実施例によれば、ＡＤ変換器７でデジタル変換されたデータの振幅が一定でない場合でも、第１、第２のピーク値Ｐｘ、Ｐｙの逆数を乗算する（結果的に除算をする）ことにより、ピーク値Ｐｘ、Ｐｙを一定にすることができ、この一定のピーク値Ｐｘ、Ｐｙを持った信号に対して処理を行うことが可能となる。

差分の計算においては、２つの波形の形状と振幅が一致していれば、その最小値はゼロになることが期待できる。２つの信号の間の波形の形状、又は振幅のずれが大きくなれば最小値の値も大きくなるため、差分の最小値の値は信号の品質の判断に利用できる。

液体の流速を測定する場合に、流体中に気泡や微粒子などが混入すると、超音波パルスの進行が妨げられ、信号の波形の乱れや振幅の変化などが発生し、信号の品質が低下する。特に、波形の乱れが大きくなると、正確な流速の測定が困難になり誤作動の原因となるため、信号の品質の判断は重要である。

しかし、通常のＡＧＣ制御では、２つの波形の振幅を正確に合わせることができないため、最小値の大きさが大きくなった時に、その原因が波形の差異によるものかＡＧＣ制御に起因するものか判別ができない。

本実施例を適用しない場合、つまり乗算器１４を使用しない場合は、振幅のずれが大きくなると差分の最小値も大きくなり、その時の測定データはエラーと見倣されて破棄されることとなる。しかし本実施例によれば、処理される信号のピーク値Ｐｘ、Ｐｙは常に一定となるため、ＡＤ変換されたデジタルデータに振幅のずれがあるデータも利用可能となるため、よりエラーの少ない測定をすることが可能となる。

ブロック回路構成図である。 図３の信号を基に差分計算を行った波形図である。 超音波信号の受信波形のグラフ図である。 図３の信号を基に相互相関の計算を行った波形図である。

符号の説明

１ 管路
２、３ 超音波振動子
４ 切換スイッチ
５ 送信用増幅器
６ 受信用可変ゲイン増幅器
７ Ａ／Ｄ変換器
８ データバス
９ ピーク検出回路
１０ 演算ユニット
１１ メモリ
１２ ＣＰＵ
１３ Ｉ／Ｏコントローラ
１４ 乗算器
１５ クロック発生回路

Claims (2)

1. 管路の下流側から上流側への第１の方向と上流側から下流側への第２の方向に交互に超音波ビームを発信すると共に受信し、得られた前記超音波ビームによる信号をデジタルデータとして前記第１、第２の方向のデータ別にメモリに記憶し、該メモリからデータを読み出して信号処理をする超音波流量計の信号処理装置において、前記メモリ内の２種類のデータ毎に得られたデータの特長を現わす数値として、少なくとも、２種類の各デジタルデータの最大値を基にそれらの逆数となる係数を求める第１の手段と、前記メモリから読み出した２種類のデータ毎に前記係数を乗じて差分を求めることにより、２種類のデータによる前記超音波ビームの伝播時間差を求めて流量を測定する第２の手段とを備えたことを特徴とする超音波流量計の信号処理装置。
2. 前記係数は記憶テーブルから抽出することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計の信号処理装置。

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