(57)【要約】【課題】最小限のハードウェア資源で容易に実現できると共に、必要十分な計測精度が得られる、流体に対して非接触にて計測する流量計ないし流速計を提供する。【解決手段】流速計は、流体自身が発する、流れに伴って発生するノイズを、所定の距離だけ離した振動検出センサで捉える。振動検出センサの信号をＡ／Ｄ変換した後、サンプル毎に二つの波形の相関値を導き出す。この相関データをＦＦＴ処理して、主成分の周波数から、流速を計算する。その後、流速をストレートパイプの内壁断面積で乗算した値を積算して、流量を算出する。【選択図】図１
2010256246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
均一な断面積を備えると共に流体が通過するストレートパイプの上流側に設けられて前記流体の振動を検出する上流側センサから得られる信号をデジタル変換して上流側データを出力する第一Ａ／Ｄ変換器と、
前記ストレートパイプの下流側に設けられて前記流体の振動を検出する下流側センサから得られる信号をデジタル変換して下流側データを出力する、前記第一Ａ／Ｄ変換器と等しいサンプリングクロックで稼動する第二Ａ／Ｄ変換器と、
前記上流側データ及び前記下流側データの相関値を演算して相関データを出力する相関値演算部と、
前記相関データを周波数解析する第一フーリエ変換部と、
前記第一フーリエ変換部の出力結果から、ピーク値を示すピーク周波数を出力するピーク周波数抽出部と、
前記ピーク周波数と、前記上流側センサ及び前記下流側センサとの距離とを基に前記流体の流速を算出する流速算出部と
を備える流速計。
【請求項２】
前記相関値演算部は、
ある時点から所定時間の前記上流側データを保持する第一メモリと、
前記第一メモリと等しい記憶容量を備え、前記第一メモリに保持された前記上流側データと同じ時点から前記所定時間の下流側データを保持する第二メモリと、
前記上流側データに対する前記下流側データの計算開始アドレスをずらしながら繰り返し乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力データを合算する合算器と
を備える、請求項１記載の流速計。
【請求項３】
前記ピーク周波数抽出部は、
前記相関値演算部が出力した相関値データをフーリエ変換する第二フーリエ変換部と、
前記第二フーリエ変換部が出力したデータのピーク値をフーリエ逆変換するピーク値抽出部と
を備える、請求項１又は２記載の流速計。
【請求項４】
均一な断面積を備えると共に流体が通過するストレートパイプの上流側に設けられて流体の振動を検出する上流側センサから得られる信号をデジタル変換して上流側データを出力する第一Ａ／Ｄ変換器と、
前記ストレートパイプの下流側に設けられて前記流体の振動を検出する下流側センサから得られる信号をデジタル変換して下流側データを出力する、前記第一Ａ／Ｄ変換器と等しいサンプリングクロックで稼動する第二Ａ／Ｄ変換器と、
前記上流側データ及び前記下流側データの相関値を演算して相関データを出力する相関値演算部と、
前記相関データを周波数解析する第一フーリエ変換部と、
前記第一フーリエ変換部の出力結果から、ピーク値を示すピーク周波数を出力するピーク周波数抽出部と、
前記ピーク周波数と、前記上流側センサ及び前記下流側センサとの距離と、前記ストレートパイプの前記断面積を基に前記流体の流量を算出する流量算出部と
を備える流量計。
【請求項５】
前記相関値演算部は、
ある時点から所定時間の前記上流側データを保持する第一メモリと、
前記第一メモリと等しい記憶容量を備え、前記第一メモリに保持された前記上流側データと同じ時点から前記所定時間の下流側データを保持する第二メモリと、
前記上流側データに対する前記下流側データの計算開始アドレスをずらしながら繰り返し乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力データを合算する合算器と
を備える、請求項４記載の流量計。
【請求項６】
前記ピーク周波数抽出部は、
前記相関値演算部が出力した相関値データをフーリエ変換する第二フーリエ変換部と、
前記代にフーリエ変換部が出力したデータのピーク値をフーリエ逆変換するピーク値抽出部と
を備える、請求項４又は５記載の流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速計及び流量計に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、流体が流れるパイプの内壁にセンサを挿入せずに、流体に非接触のまま、流体の流速を計測する流速計と、これを用いる流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガスに限らず、水素やバイオマスガスなど様々なガス種による多様なエネルギー資源の活用が模索されている。その資源である気体や液体といった流体の流量や流速を測定することは極めて重要である。これらの流体の流量（や流速）を計測する身近な例として、ガスメータや水道メータ等が挙げられる。現在普及しているガスメータには、例えば、膜式のものや超音波を利用したものもあるが、いずれも高い精度の計測を要求される。
【０００３】
前述の、多様なエネルギー資源の活用の一環として挙げられる、水素やバイオマスガスなどは、高度に整備された特定の都市ガス工場設備等から送出されるものとは異なり、一般家庭やオフィス、或は一般工場設備等の地域毎に設置された、比較的簡素且つ小規模な設備から生成される。このような「地域発生のガス」は、その生成設備が都市ガス工場設備等と比較すると精度が低いことが多い。このため、地域発生のガスの成分には、例えば水分等の、流量を計測するガスメータを故障させたり、或は計測精度に影響を与える成分が含まれる可能性がある。また、どのような不純物が混入して、機器に悪影響を与えるのか、予測が困難である。したがって、従来の都市ガス用ガスメータの設計技術を転用して、地域発生のガスのためのガスメータを設計しようとすると、あらゆる未知の成分にも対抗し得るガスメータを設計しなければならなくなり、現実的でない。しかしながら、社会インフラを提供する本出願人にとって、都市ガス等と同様、地域発生のガスのためのガスメータも必要であることに変わりはない。
なお、本発明に関連すると思われる先行技術文献を特許文献１に示し、その概要は後述する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１３４５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の機械的動作を伴う可動部分を必要とするガスメータや水道メータなどを、そのまま不純物などを含んだ流体の流量計測などに用いようとすると、腐食などによる機械的な脆弱が問題となり得る。超音波メータなどの場合であっても、微量な不純物等の成分が測定部や測定精度に影響を与えるおそれがある。
そこで、本出願人は、センサが流体に完全に非接触であって、かつ、流体の成分変化の影響を受けにくい流体の流量計測を流速の計測により実現する技術を、長い間模索していた。特許文献１はそのうちの一つである。
特許文献１は、所定の音を出して、流体の流速によって変化する音を捉え、そこから流速を演算する、という技術である。しかし、解析の演算量に比して十分な精度が得難く、また気体の場合、圧力によっても計測結果が変動するため、従来の接触型ガスメータ等を置換するには十分でなかった。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、最小限のハードウェア資源で容易に実現できると共に、必要十分な計測精度が得られる、流体に対して非接触にて計測する流速計ないし流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の流量計は、均一な断面積を備えると共に流体が通過するストレートパイプの上流側に設けられて流体の振動を検出する上流側センサから得られる信号をデジタル変換して上流側データを出力する第一Ａ／Ｄ変換器と、ストレートパイプの下流側に設けられて流体の振動を検出する下流側センサから得られる信号をデジタル変換して下流側データを出力する、第一Ａ／Ｄ変換器と等しいサンプリングクロックで稼動する第二Ａ／Ｄ変換器と、上流側データ及び下流側データの相関値を演算して相関データを出力する相関値演算部と、相関データを周波数解析する第一フーリエ変換部と、第一フーリエ変換部の出力結果から、ピーク値を示すピーク周波数を出力するピーク周波数抽出部と、ピーク周波数と、上流側センサ及び下流側センサとの距離と、ストレートパイプの断面積を基に流体の流量を算出する流量算出部とを備える。
【０００８】
発明者らは、流体自身が発する、流れに伴って発生するノイズに着目した。本発明の流量計は、このノイズを、所定の距離だけ離した振動検出センサで捉え、サンプリングクロックのステップ毎に二つの波形の相関値を導き出し、相関データをＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）処理して、主成分の周波数から、流速を計算する。その後、流速をストレートパイプの内壁断面積で乗算した値を積算して、流量を算出する。
このように流速計を構成することにより、特別な発振器等を用いることなく、極めて簡便且つ安価に、非接触の流速計を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、最小限のハードウェア資源で容易に実現できると共に、必要十分な計測精度が得られる、流体に対して非接触にて計測する流速計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の例である、流量計の全体ブロック図である。
【図２】位相差周波数算出部の内部ブロック図である。
【図３】位相差周波数算出部の、相関演算部としての動作の手順を示す概略図である。
【図４】位相差周波数算出部の、フーリエ変換部とピーク周波数抽出部としての動作の手順を示す概略図である。
【図５】相関演算部の動作原理を説明する概略図である。
【図６】本実施形態の流量計の、フーリエ変換部の出力データの波形である。
【図７】流速計の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図７を参照して説明する。
【００１２】
[流量計の全体構成]
図１は、本発明の実施形態の例である、流量計の全体ブロック図である。
流量計１０２は、流体が通過するストレートパイプ１０３の両端に貼付された二つの振動検出センサから得られる信号を処理することにより、流体の流量を算出して、表示部１０４に表示する。
なお、これ以降、流体の流れる方向の上流側に位置する振動検出センサを上流側センサ１０５、流体の流れる方向の下流側に位置する振動検出センサを下流側センサ１０６と呼ぶ。
【００１３】
ストレートパイプ１０３は、流体の通過路の途中に、流体の流速を測定するために設けられる。ストレートパイプ１０３はその名の通りに、屈曲部分が存在せず、また内壁の太さは均一である。もし、屈曲部分が存在したり、或は内壁に異物が存在すると、流体がぶつかって異音が発生し、正確な流速計測を阻害する虞がある。また、内壁の太さが不均一であると、流速が太さによって異なってしまうために、好ましくない。
ストレートパイプ１０３は、その外側に貼付される振動検出センサが、流体の流れによって生じる音を捉えることができるように、ある程度肉厚が薄くなっている必要がある。鋼管或は塩ビパイプであっても、最大１０ｍｍ程度の厚みを超えると、流体の流れによって生じる音を捉え難くなる。また、音の減衰を防ぐ上では、ビニールやゴム等の柔らかい材質よりも、金属や硬質の合成樹脂等の、できるだけ剛性の高い材質が好ましい。
【００１４】
上流側センサ１０５及び下流側センサ１０６からなる振動検出センサは、音声信号周波数帯域の振動を検出する。本実施形態では一例として、ＰＥＴ樹脂等の合成樹脂のフィルムに形成された圧電素子フィルムを、ストレートパイプ１０３に巻きつける。圧電素子フィルムの代わりに、周知のコンデンサマイクロフォンや、ダイナミックマイクロフォン等も利用可能である。
振動検出センサは、ストレートパイプ１０３の両端に、予め測定したい流速に基づく距離Ｌだけ離して、貼付される。
【００１５】
上流側センサ１０５及び下流側センサ１０６の二つの振動検出センサから得られる振動信号は、流量計１０２に入力される。
先ず、上流側センサ１０５から得られる振動信号は増幅器１０７ａで電圧増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０８ａでデジタルデータに変換される。同様に、下流側センサ１０６から得られる振動信号も増幅器１０７ｂで電圧増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０８ｂでデジタルデータに変換される。
なお、後述するデータ処理のため、Ａ／Ｄ変換器１０８ａとＡ／Ｄ変換器１０８ｂは、図示しない等しいサンプリングクロックで稼動しなければならない。
【００１６】
上流側センサ１０５の振動信号から得られる上流側データと、下流側センサ１０６の振動信号から得られる下流側データは、それぞれ相関演算部１０９に入力される。相関演算部１０９では、上流側データと下流側データの二つのデジタルデータの「相関値」を、位相をずらしながら継続的に演算し、得られた相関データを出力する。
相関データは、周知のフーリエ変換部１１０に入力され、時間軸上の相関データを周波数解析する。
【００１７】
フーリエ変換部１１０が出力する周波数解析データは、ピーク周波数抽出部１１１に入力される。ピーク周波数抽出部１１１は、周波数解析データの中で最大値を示す周波数成分を見つけ、その周波数データを出力する。
周波数データは、第一乗算器１１２に入力される。第一乗算器１１２は、図示しないＲＯＭに格納されている距離Ｌ１１３と乗算し、流速データを出力する。
第一乗算器１１２が算出した流速データは、第二乗算器１１４に入力される。第二乗算器１１４は、図示しないＲＯＭに格納されている内壁断面積Ｓ１１５と乗算し、所定の時間毎の流量データを出力する。
【００１８】
第二乗算器１１４が算出した所定の時間毎の流量データは、積算器１１６に入力される。積算器１１６は、ＲＡＭ１１７に格納されている直前値と、入力された所定の時間毎の流量データとを加算し、その値でＲＡＭ１１７に格納されている直前値を更新する。この値が流量データとなる。
積算器１１６が算出した流量データは、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示部１０４で表示される。
なお、これより説明の便宜上、相関演算部１０９、フーリエ変換部１１０及びピーク周波数抽出部１１１を位相差周波数算出部１１８と定義し、第一乗算器１１２、第二乗算器１１４及び積算器１１６を流量積算部１１９と定義する。これらは、周知のＤＳＰ（Digital Signal Processor）或はマイコンで構成できる。
【００１９】
[位相差周波数算出部１１８]
図２は、本発明の実施形態の例である流量計１０２の、位相差周波数算出部１１８の内部ブロック図である。
上流側データは、ある時点から順次、第一メモリ２０２に入力され、記憶される。
同様に、下流側データも、ある時点から順次、第二メモリ２０３に入力され、記憶される。
第一メモリ２０２及び第二メモリ２０３は、それぞれ等しいサンプル数の容量を備えている。本実施形態では一例として、第一メモリ２０２及び第二メモリ２０３はそれぞれ１０２４サンプルを記憶できる容量を備えているとする。
【００２０】
乗算器２０４は、第一メモリ２０２から第一ポインタＰ２０５を通じて一サンプルずつデータを読み出すと共に、第二メモリ２０３から第二ポインタＰ２０６を通じて一サンプルずつデータを読み出し、読み出したデータ同士を乗算し、乗算値を積算器２０７へ出力する。
積算器２０７は乗算器２０４から入力される乗算値と、積算メモリ２０８に格納されている積算値とを加算し、得られた値で積算メモリ２０８に格納されている積算値を更新する。
積算器２０７は、乗算器２０４が出力する乗算値を、第一メモリ２０２及び第二メモリ２０３のサンプル数分だけ積算した後、その積算値を後続の第一選択スイッチ２０９に出力する。
【００２１】
積算器２０７から出力される積算値は、第一選択スイッチ２０９の第一端子Ｔ２０９ａと、第一選択スイッチ２０９の先に接続されている第三ポインタＰ２１０を通じて、第三メモリ２１１に書き込まれる。第三メモリ２１１は前述の第一メモリ２０２及び第二メモリ２０３と等しいサンプル数の容量を備えている。本実施形態では１０２４サンプルとなる。この時点で、第三メモリ２１１の内部は積算器２０７が出力する積算値で満たされることとなる。
第三メモリ２１１の内部が積算器２０７が出力する積算値で全て満たされると、第三メモリ２１１に記憶されている全てのデータは、第一選択スイッチ２０９を通じてＦＦＴ２１２に入力される。
【００２２】
ＦＦＴ２１２は、第三メモリ２１１のデータを全て読み取り、周波数解析演算を実行し、その結果を第二選択スイッチ２１３の第二端子Ｔ２１３ｂと、第二選択スイッチ２１３の先に接続されている第四ポインタＰ２１４を通じて、第四メモリ２１５に書き込まれる。第四メモリ２１５は前述の第一メモリ２０２、第二メモリ２０３及び第三メモリ２１１と等しいサンプル数の容量を備えている。本実施形態では１０２４サンプルとなる。この時点で、第四メモリ２１５の内部はＦＦＴ２１２が出力する周波数解析結果データで満たされることとなる。
第四メモリ２１５の内部がＦＦＴ２１２が出力する周波数解析結果データで全て満たされると、第四メモリ２１５に記憶されている全てのデータは、第二選択スイッチ２１３を通じて再びＦＦＴ２１２に入力される。
【００２３】
ＦＦＴ２１２は、今度は第四メモリ２１５のデータを全て読み取り、周波数解析演算を実行し、その結果を第一選択スイッチ２０９の第二端子Ｔ２０９ｂと、第一選択スイッチ２０９の先に接続されている第三ポインタＰ２１０を通じて、第三メモリ２１１に書き込む。この時点で、第三メモリ２１１の内部はＦＦＴ２１２が出力する中心周波数解析結果データで満たされることとなる。
第三メモリ２１１の内部がＦＦＴ２１２が出力する中心周波数解析結果データで全て満たされると、第三メモリ２１１に記憶されている全てのデータは、第一選択スイッチ２０９を通じてピーク値抽出部２１６に入力される。ピーク値抽出部２１６は、第三メモリ２１１に記憶されている中心周波数解析結果データのうち、最大値を示すデータを見つけ、このデータから中心周波数を算出する。
【００２４】
第一ポインタＰ２０５、第二ポインタＰ２０６、第三ポインタＰ２１０、第四ポインタＰ２１４、第一選択スイッチ２０９及び第二選択スイッチ２１３は、シーケンス制御部２１７によって制御される。
【００２５】
[動作]
図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、位相差周波数算出部１１８の、相関演算部１０９としての動作の手順を示す概略図である。
先ず、第一メモリ２０２には、ある時点の１０２４サンプルの上流データが、第二メモリ２０３には第一メモリ２０２に取り込んだ上流データと同じ時点の１０２４サンプルの下流データが格納されている。
つまり、同時に同じ容量のデータを取り込むために、Ａ／Ｄ変換器１０８ａとＡ／Ｄ変換器１０８ｂは、図示しない等しいサンプリングクロックで稼動しなければならない。
【００２６】
この状態で、図３（ａ）では、第一ポインタＰ２０５が第一メモリ２０２の１番目のサンプルを読み出し、第二ポインタＰ２０６が第二メモリ２０３の１番目のサンプルを読み出し、これらデータを乗算器２０４が乗算する。乗算値は順次積算器２０７に入力され、積算処理が行われる。
次に、第一ポインタＰ２０５が第一メモリ２０２の２番目のサンプルを読み出し、第二ポインタＰ２０６が第二メモリ２０３の２番目のサンプルを読み出し、これらデータを乗算器２０４が乗算する。乗算値は順次積算器２０７に入力され、積算処理が行われる。
以下同様に、第一ポインタＰ２０５と第二ポインタＰ２０６は、第一メモリ２０２と第二メモリ２０３の読み出し位置を一つずつずらしていく。乗算器２０４が出力する乗算値は順次積算器２０７で積算処理される。
そして、１０２４サンプル分の積算処理が終了すると、積算値は第三メモリ２１１に１番目のデータとして書き込まれる。
【００２７】
次に、図３（ｂ）では、第一ポインタＰ２０５が第一メモリ２０２の１番目のサンプルを読み出し、第二ポインタＰ２０６が第二メモリ２０３の２番目のサンプルを読み出し、これらデータを乗算器２０４が乗算する。乗算値は積算器２０７に入力され、積算処理が行われる。
次に、第一ポインタＰ２０５が第一メモリ２０２の２番目のサンプルを読み出し、第二ポインタＰ２０６が第二メモリ２０３の３番目のサンプルを読み出し、これらデータを乗算器２０４が乗算する。乗算値は積算器２０７に入力され、積算処理が行われる。
以下同様に、第一ポインタＰ２０５と第二ポインタＰ２０６は、第一メモリ２０２と第二メモリ２０３の読み出し位置を一つずつずらしていく。乗算器２０４が出力する乗算値は順次積算器２０７で積算処理される。
そして、１０２４サンプル分の積算処理が終了すると、積算値は第三メモリ２１１に２番目のデータとして書き込まれる。
【００２８】
ここで、図３（ｂ）では、第二メモリ２０３を読み出す第二ポインタＰ２０６の最初の読み出し位置が、直前の図３（ａ）のときと異なり、一つずれている。図３（ａ）では１番目から１０２４番目までを順次読み出していたが、図３（ｂ）では２番目から１０２４番目までを順次読み出し、最後に１番目を読み出す。そして、算出した積算値は第三メモリ２１１の２番目のサンプルとして書き込まれる。
以下同様に、第二ポインタＰ２０６の最初の読み出し位置を一つずつずらして順次読み出し、第三メモリ２１１に積算値を書き込む位置を一つずつずらしていく。
以上の動作手順を経て、最終的に図３（ｃ）のように、第二ポインタＰ２０６を１０２３個ずらした１０２４番目のデータから読み出し、積算値は第三メモリ２１１に１０２４番目のデータとして書き込む。
以上説明した乗算器２０４と積算器２０７が、位相差周波数算出部１１８の相関演算部１０９に相当する。
【００２９】
図４（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、位相差周波数算出部１１８の、フーリエ変換部１１０とピーク周波数抽出部１１１としての動作の手順を示す概略図である。
先ず、先に説明した図３（ｃ）の時点で、第三メモリ２１１には１０２４サンプルの相関データが格納されている。
この状態で、図４（ｄ）では、第三メモリ２１１の相関データが、第三ポインタＰ２１０から第一選択スイッチ２０９の第三端子を通じて、ＦＦＴ２１２に読み込まれる。そして、ＦＦＴ２１２は１０２４サンプルの周波数解析データを、第二選択スイッチ２１３の第二端子Ｔ２１３ｂと第四ポインタＰ２１４を通じて、第四メモリ２１５に出力する。
この、図４（ｄ）の動作が、位相差周波数算出部１１８のフーリエ変換部１１０の動作である。
【００３０】
次に、先に説明した図４（ｄ）の時点で、第四メモリ２１５には１０２４サンプルの周波数解析データが格納されている。
この状態で、図４（ｅ）では、第四メモリ２１５の周波数解析データが、第四ポインタＰ２１４から第二選択スイッチ２１３の第一端子Ｔ２０９ａを通じて、ＦＦＴ２１２に読み込まれる。そして、ＦＦＴ２１２は１０２４サンプルの中心周波数解析データを、第一選択スイッチ２０９の第二端子Ｔ２１３ｂと第三ポインタＰ２１０を通じて、第三メモリ２１１に出力する。
最後に、図４（ｆ）では、第三メモリ２１１の中心周波数解析データが、第三ポインタＰ２１０から第一選択スイッチ２０９の第四端子を通じて、ピーク値抽出部２１６に読み込まれ、中心周波数が出力される。このとき、ピーク値抽出部２１６は第三メモリに格納されているデータのピーク値をフーリエ逆変換する。
この、図４（ｅ）及び（ｆ）の動作が、位相差周波数算出部１１８のピーク周波数抽出部１１１の動作である。
つまり、ＦＦＴ２１２はフーリエ変換部１１０とピーク周波数抽出部１１１の、二つの役割を担っている。
【００３１】
[動作原理]
これより、本発明の実施形態による流量計１０２の動作原理を説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）は、相関演算部１０９の動作原理を説明する概略図である。
図５（ａ）に示す、点線で囲まれた波形Ｗ５０２は、ある瞬間にシフトレジスタに取り込んだ、上流側データに相当する上流側センサ１０５から得られた振動信号のアナログ波形である。
図５（ｂ）に示す波形は、下流側データに相当する下流側センサ１０６から得られた振動信号のアナログ波形である。
【００３２】
気体或は液体の流体が管の中を流れると、そこには、管の壁面と流体との摩擦や、流体同士の摩擦等に起因する、音が生じる。
もし、仮に流体が管の中に存在するが全く流れていない状態では、管の中で何らかの雑音が生じていれば、上流側センサ１０５と下流側センサ１０６から得られる波形は、流体自体の音速にのみ依存する、僅かな位相差が生じる。
ところが、管の中を流体が流れると、この位相差が大きくなる。位相のずれは、流体の流速に一致する。
そこで、本実施形態の流量計１０２は、この位相のずれを検出する。
【００３３】
ある瞬間に、所定のサンプル数の上流側データは第一メモリ２０２に取り込まれる（波形Ｗ５０２）と共に、所定のサンプル数の下流側データは第二メモリ２０３に取り込まれる（波形Ｗ５０３）。
次に、第一ポインタＰ２０５が第一メモリ２０２に記憶されている上流側データを１番目から１サンプルずつ読み出すと共に、第二ポインタＰ２０６が第二メモリ２０３に記憶されている下流側データを１番目から１サンプルずつ読み出し、それらデータ同士が乗算器２０４で乗算される。
次に、第一ポインタＰ２０５が第一メモリ２０２に記憶されている上流側データを１番目から１サンプルずつ読み出すと共に、第二ポインタＰ２０６が第二メモリ２０３に記憶されている下流側データを２番目から１サンプルずつ読み出し、それらデータ同士が乗算器２０４で乗算される。
以下同様に、上流側データに対する、乗算器２０４に入力される下流側データが移動する。つまり、図５の点線矢印Ａ５０４、Ａ５０５及びＡ５０６に示すように、乗算する対象のデータが、１サンプル毎にずれていく。
図５（ｂ）で下流側データの波形Ｗ５０３を二つ並べているのは、上流側データと下流側データ同士を１サンプル毎にずらしながら相関演算を実行する有り様を視覚的に表現するためである。
【００３４】
もしも、上流側データを保持する第一メモリ２０２のデータと、下流側データを保持する第二メモリ２０３のデータの、波形の位相が一致していれば、乗算器２０４の出力は最大値になる。つまり、乗算器２０４とその後続の合算器は、上流側データと下流側データを照合するための演算処理である。図５の点線矢印Ａ５０７は、上流側データと下流側データの波形が一致している有り様を示す。このとき、相関値は最大値となる。
【００３５】
第二ポインタＰ２０６の初期読み出し位置をずらすことで、１サンプルずつ読み出す対象となるデータを移動しているので、上流側データと下流側データの照合の結果である相関値は、原理的にはサイン波のように周期的に現れる。実際には、管の中を流れる流体から生じるノイズを捉えているために、相関値は様々なノイズを含んでいる。そこで、このような相関値データの波形から、ＦＦＴ２１２を用いて最大の振幅成分を占める周波数を抽出する。
【００３６】
相関値データのうち、最大の振幅成分を占める周波数の波長、つまり時間が、流体が上流側センサ１０５と下流側センサ１０６との間の距離Ｌを通過するに掛かった時間である。
したがって、流速ｖは、波長Ｔ、周波数ｆ、距離Ｌとの関係で、以下のように求められる。
【００３７】
ｖ＝Ｌ／Ｔ＝Ｌｆ
【００３８】
したがって、周波数ｆと距離Ｌを第一乗算器１１２で乗算することで、流速ｖが得られる。
【００３９】
図６（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の流量計１０２の、フーリエ変換部１１０の出力データの波形である。
図６（ａ）は、第四メモリ２１５に格納されている周波数解析データを可視化したグラフである。グラフの左側に、低周波の領域でピークを示す箇所がある。しかしながら、このグラフを見て判るように、周期的に細かい波形成分が波形全体に含まれており、またピークがあまり明確に得られていない。
そこで、この周波数解析データを、波形として捉え、再度ＦＦＴ２１２に処理させる。これが、図６（ｂ）に示す、中心周波数解析データを可視化したグラフである。このグラフは、第四メモリ２１５から読み込んだ周波数解析データをＦＦＴ２１２で処理し、中心周波数解析データとして第三メモリ２１１に記憶させたデータである。図６（ｂ）では、ピークを示す位置が明確に判別できる。
ＦＦＴ２１２に相関データを二度通すことで、明確なピークを検出できることが、図６（ａ）及び（ｂ）で判る。そして、得られたピークのデータをフーリエ逆変換すれば、周波数が得られる。この周波数こそ、上流側データと下流側データとの位相ズレに起因する「うねり周波数」ｆである。
【００４０】
うねり周波数ｆが判れば、前述の式の通り、長さＬを掛ければ流速が得られる。
流速にストレートパイプの内壁の断面積Ｓを掛ければ、単位時間毎の流量が得られる。
単位時間毎の流量を積算すれば、積算流量計が実現する。
【００４１】
本実施形態には、以下のような応用例が考えられる。
（１）本実施形態の流速計は、測定可能な流速の範囲に限界がある。その限界は、上流側センサ１０５と下流側センサ１０６との間の距離Ｌに依存する。そこで、より広い範囲の流速を測定可能にするため、複数の振動検出センサをストレートパイプ１０３に設け、流速に応じて切り替えるとよい。
図７は、上述の思想に従う流速計の概略図である。
ストレートパイプ１０３には、上流側センサ１０５は一つだけ貼付されているが、下流側センサが、上流側センサ１０５に最も近い方から、７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃ及び７０３ｄと、四つ貼付されている。下流側センサの、上流側センサ１０５との距離は、最も近いものである７０３ａから、１：２：４：８という比率で設けられている。
下流側センサ７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃ及び７０３ｄは、レンジ切替スイッチ７０４にて、流速を計測するに適したものが選択される。
流速は、流体が単位時間に流れる距離に等しいので、流速が早ければ早いほど、上流側センサ１０５と下流側センサの距離を離す必要がある。
【００４２】
（２）本実施形態では流量計を開示したが、第一乗算器１１２の演算値を表示部１０４に表示させれば、流速計になる。
【００４３】
本実施形態においては、流量計を開示した。
流量計を実現するために、流体自身が発する、流れに伴って発生するノイズに着目した。流量計は、このノイズを、所定の距離だけ離した振動検出センサで捉え、サンプリングクロックのステップ毎に二つの波形の相関値を導き出し、相関データをＦＦＴ２１２処理して、主成分の周波数から、流速を計算する。そして、流速を基に積算処理を行い、流量計を構成する。
このように流量計を構成することにより、特別な発振器等を用いることなく、極めて簡便且つ安価に、非接触の流量計を実現することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００４５】
１０２…流量計、１０３…ストレートパイプ、１０４…表示部、１０５…上流側センサ、１０６…下流側センサ、１０７ａ、１０７ｂ…増幅器、１０８ａ、１０８ｂ…Ａ／Ｄ変換器、１０９…相関演算部、１１０…フーリエ変換部、１１１…ピーク周波数抽出部、１１２…第一乗算器、１１３…距離Ｌ、１１４…第二乗算器、１１５…内壁断面積Ｓ、１１６…積算器、１１７…ＲＡＭ、１１８…位相差周波数算出部、１１９…流量積算部、２０２…第一メモリ、２０３…第二メモリ、２０４…乗算器、Ｐ２０５…第一ポインタ、Ｐ２０６…第二ポインタ、２０７…積算器、２０８…積算メモリ、２０９…第一選択スイッチ、Ｐ２１０…第三ポインタ、２１１…第三メモリ、２１２…ＦＦＴ、２１３…第二選択スイッチ、Ｐ２１４…第四ポインタ、２１５…第四メモリ、２１６…ピーク値抽出部、２１７…シーケンス制御部、７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃ、７０３ｄ…下流側センサ、７０４…レンジ切替スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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