(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向配置され所定の超音波信号を送受信する一対の超音波素子と、
前記上流側の超音波素子の受信出力である第１信号と、前記下流側の超音波素子の受信出力である第２信号と、の各々について、フーリエ変換を行って第３信号と第４信号を生成するフーリエ変換手段と、
前記第３信号と前記第４信号のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と前記共役複素信号との内積を計算して第５信号を生成する演算手段と、
前記第５信号について逆フーリエ変換を行って第６信号を生成する逆フーリエ変換手段と、
前記第６信号における極大値のタイミングに基づいて、前記被測定流体の流量を算出する算出手段と、を含み、
前記逆フーリエ変換手段は、前記第５信号を所定時間間隔で前記逆フーリエ変換して第６信号を生成し、
前記算出手段は、前記第６信号における最大値のタイミングを特定し、当該最大値のタイミングより前記所定時間前のタイミングでの前記第６信号の微分値を傾きとして有する直線と、当該最大値のタイミングより前記所定時間後のタイミングでの前記第６信号の微分値を傾きとして有する直線と、を用いて、前記所定時間前のタイミングと前記所定時間後のタイミングの間の前記第６信号を直線補間し、該直線補間の結果に基づいて前記極大値のタイミングを算出する、超音波流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波流量計において、
前記所定の超音波信号は、所定周波数の超音波信号である、超音波流量計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
前記フーリエ変換手段は、前記第１信号の両端部および前記第２信号の両端部を特定値とする信号処理を実行し、前記信号処理が実行された第１信号および第２信号の各々について前記フーリエ変換を行って前記第３信号と前記第４信号を生成する、超音波流量計。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波流量計において、
前記フーリエ変換および前記逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値を示したテーブルを記憶する記憶手段を含み、
前記フーリエ変換手段は、前記テーブルを参照して前記フーリエ変換を実行し、
前記逆フーリエ変換手段は、前記テーブルを参照して前記逆フーリエ変換を実行する、超音波流量計。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波流量計において、
前記逆フーリエ変換手段は、前記第５信号を第１時間間隔で前記逆フーリエ変換して第７信号を生成し、前記第７信号の極大値のタイミングの前後を含む所定時間領域について、前記第５信号を前記第１時間間隔よりも短い第２時間間隔で前記逆フーリエ変換して前記第６信号を生成する、超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
水などの流体の流量を計測する超音波流量計の一形態として、流体が流れる流路の上流側と下流側に流路を挟んで対向配置された一対の超音波素子を有する超音波流量計が知られている。
【０００３】
この超音波流量計は、上流側の超音波素子から送信された超音波信号が下流側の超音波素子に到達するまでの時間tuと、下流側の超音波素子から送信された超音波信号が上流側の超音波素子に到達するまでの時間tdと、の差Δtに基づいて、流路を流れる流体の平均流速度および流量を求める。
【０００４】
時間tdと時間tuとの差Δtを求める手法として、「ゼロクロス法」と「積和演算法」とが知られている。なお、「積和演算法」は「相互相関法」に属する。
【０００５】
ゼロクロス法（特許文献１参照）では、周期性を有する超音波信号が用いられ、超音波信号の到達タイミングを決めるための特定の条件に従って、各超音波素子での超音波信号の到達時間が測定され、その到達時間の差が、ハードウェアによるアナログ方式で求められるか、または、ソフトウェアによるデジタル方式で求められる。
【０００６】
特定の条件の例として「超音波受信信号が初めてスレシュホールド電圧を超えた後にゼロ電圧となるタイミング（ゼロクロス点）を到達タイミングとする」という条件が用いられる。
【０００７】
一方、積和演算法では、上流側受信信号と下流側受信信号との相互相関が積和演算にて演算され、その相互相関値から到達時間の差が求められる。
【０００８】
具体的には、積和演算法では、時間軸上に上流側受信信号と下流側受信信号とを配置し、上流側受信信号と下流側受信信号が近づくように、時間軸上で下流側受信信号を段階的にずらしていく。そして、下流側受信信号をずらすごとに、時間軸上で同時刻の上流側受信信号と下流側受信信号との値同士を同時刻ごとに掛け合わし、その掛け合わされた値が足し算され、その足し算の結果が、ずらし時間における相互相関値として算出される。そして、相互相関値が最大となるずらし時間が、到達時間の差として求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１９３９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ゼロクロス法では、ゼロクロス点にノイズが乗ると、その分ゼロクロス点が移動し、流量測定の精度が悪化する。つまり、ゼロクロス法では、ゼロクロス点という特定の測定点でのノイズが、測定精度に大きく影響する。
【００１１】
積和演算法では、受信信号（受波信号）の大きさそのものが重み付けとなる。このため、各受信信号において最も大きい値同士を掛け合わせた値が最も大きな重み付けをされることになる。よって、各受信信号において最も大きい値となる点でのノイズレベルが測定精度に大きく影響する。
【００１２】
したがって、ゼロクロス法でも積和演算法でも、特定の測定点でのノイズが測定精度に大きく影響するという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記問題を解決可能な超音波流量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超音波流量計は、
被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向配置され所定の超音波信号を送受信する一対の超音波素子と、
前記上流側の超音波素子の受信出力である第１信号と、前記下流側の超音波素子の受信出力である第２信号と、の各々について、フーリエ変換を行って第３信号と第４信号を生成するフーリエ変換手段と、
前記第３信号と前記第４信号のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と前記共役複素信号との内積を計算して第５信号を生成する演算手段と、
前記第５信号について逆フーリエ変換を行って第６信号を生成する逆フーリエ変換手段と、
前記第６信号における極大値のタイミングに基づいて、前記被測定流体の流量を算出する算出手段と、を含み、
前記逆フーリエ変換手段は、前記第５信号を所定時間間隔で前記逆フーリエ変換して第６信号を生成し、
前記算出手段は、前記第６信号における最大値のタイミングを特定し、当該最大値のタイミングより前記所定時間前のタイミングでの前記第６信号の微分値を傾きとして有する直線と、当該最大値のタイミングより前記所定時間後のタイミングでの前記第６信号の微分値を傾きとして有する直線と、を用いて、前記所定時間前のタイミングと前記所定時間後のタイミングの間の前記第６信号を直線補間し、該直線補間の結果に基づいて前記極大値のタイミングを算出する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１信号と第２信号との相互相関関数（第６信号）を算出するために、フーリエ変換が用いられる。フーリエ変換では、第１信号の全てを使っての計算、第２信号の全てを使っての計算が行われる。このため、フーリエ変換を用いて算出された相互相関関数は、第１信号や第２信号の特定の測定点におけるノイズに影響され難くなる。よって、特定の測定点でのノイズが測定精度に大きく影響することを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態の超音波流量計を示した図である。
【図２】超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】超音波流量計の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】信号f(t)と信号g(t)を用いて被測定流体の流量を算出する動作を説明するための図である。
【図５】信号f(t)と信号g(t)の一例を示した図である。
【図６】信号F(s)と信号G(s)の一例を示した図である。
【図７】信号c(t)の実数部を示した図である。
【図８】本発明の他の実施形態の超音波流量計を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態の超音波流量計を示した図である。
【００１９】
図１において、超音波流量計は、超音波素子１および２と、送信信号発生器３と、パワーアンプ４と、マルチプレクサ５および６と、プリアンプ７と、ＡＧＣ（Auto Gain Controller）８と、ＡＤ（Analog-Digital）コンバータ９と、記憶部１０と、処理部１１と、表示部１２と、を含む。
【００２０】
処理部１１は、機能ブロックとして、測定指示部１１１と、フーリエ変換部１１２と、演算部１１３と、逆フーリエ変換部１１４と、算出部１１５と、を含む。
【００２１】
超音波素子１および２は、被測定流体（例えば、水などの流体）が流れる流路２００の上流側と下流側に流路２００を挟んで対向配置される一対の超音波振動子である。本実施形態では、超音波素子１は、流路２００の上流側に配置され、超音波素子２は、流路２００の下流側に配置される。
【００２２】
超音波素子１と超音波素子２は、流路２００を流れる被測定流体を介して４ＭＨｚの超音波信号を送受信する。４ＭＨｚの超音波信号は、所定の超音波信号および所定周波数の超音波信号の一例である。なお、送受信される超音波信号の周波数は、４ＭＨｚに限らず適宜変更可能であり、例えば、１〜４ＭＨｚの周波数や８ＭＨｚの周波数が用いられてもよい。
【００２３】
送信信号発生器３は、超音波素子１と超音波素子２を振動（駆動）させるための送信信号を発生する。本実施形態では、各送信信号は、予め定められた出力時間T1だけ出力される。
【００２４】
パワーアンプ４は、送信信号発生器３が発生した送信信号を、超音波素子１と超音波素子２の励起電圧に合うように電力増幅する。
【００２５】
マルチプレクサ５は、パワーアンプ４にて電力増幅された送信信号の出力先を、超音波素子１と超音波素子２との間で切り替える。なお、超音波素子１は、送信信号の入力に応じて、４ＭＨｚの超音波信号を超音波素子２に向けて送信し、超音波素子２は、送信信号の入力に応じて、４ＭＨｚの超音波信号を超音波素子１に向けて送信する。つまり、マルチプレクサ５は、送信側となる超音波素子を選択する。
【００２６】
マルチプレクサ６は、超音波素子１の受信出力（アナログ出力）と、超音波素子２の受信出力（アナログ出力）と、を受け付け、超音波素子１の受信出力と超音波素子２の受信出力とを択一的にプリアンプ７に出力する。つまり、マルチプレクサ６は、受信側となる超音波素子を選択する。なお、超音波素子１の受信出力は第１信号の一例であり、超音波素子２の受信出力は第２信号の一例である。
【００２７】
プリアンプ７は、マルチプレクサ６の出力、つまり択一的に出力された各受信出力（超音波素子１の受信出力と、超音波素子２の受信出力）をＡＧＣ８の入力電圧レンジまで増幅する。
【００２８】
ＡＧＣ８は、プリアンプ７で増幅された各受信出力を、ＡＤコンバータ９の入力電圧レンジに合わせて増幅する。なお、各受信出力の強度は被測定流体の流速によって変動する。ＡＧＣ８は、この変動を補償するために、プリアンプ７で増幅された各受信出力を増幅する。
【００２９】
ＡＤコンバータ９は、アナログ信号であるＡＧＣ８の出力（各受信出力）を、デジタル信号に変換する。具体的には、ＡＤコンバータ９は、ＡＧＣ８の出力（各受信出力）を一定の時間間隔（サンプリング時間）T2ごとにサンプリングしてデジタル信号（数値化されたデータデータ）に変換する。なお、T2は、T1よりも短い。ＡＤコンバータ９では、数値化するときの最大の数値が決まっており、例えば、１０ビットのＡＤコンバータ９は、アナログ値を−５１２〜５１１の整数値に変換する。
【００３０】
記憶部１０は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）であり、数値化されたデジタルデータ（デジタル化された各受信出力）を記憶する。
【００３１】
処理部１１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）であり、記憶部１０に記憶されたデジタルデータを用いて、流路２００を流れる被測定流体の流量を算出する。
【００３２】
測定指示部１１１は、流量の測定時に、マルチプレクサ５および６に切替信号を出力する。なお、マルチプレクサ５および６は、切替信号に応じて、超音波素子１を送信側（送信信号が提供される側）とし超音波素子２を受信側（受信出力がマルチプレクサ６で選択される側）とする状態と、超音波素子２を送信側とし超音波素子１を受信側とする状態と、を切り替える。また、測定指示部１１１は、送信信号発生器３に動作信号を出力する。なお、送信信号発生器３は、動作信号を受けると、送信信号を発生する。
【００３３】
フーリエ変換部１１２は、フーリエ変換手段の一例である。フーリエ変換部１１２は、記憶部１０内のデジタル化された各受信出力についてそれぞれフーリエ変換（例えば、DFT（離散的フーリエ変換））を行う。
【００３４】
以下、記憶部１０内のデジタル化された各受信出力のうち、超音波素子１の受信出力を「信号f(t)」と称し、超音波素子２の受信出力を「信号g(t)」と称する。また、信号f(t)をフーリエ変換した結果を「信号F(s)」と称し、信号g(t)をフーリエ変換した結果を「信号G(s)」と称する。
【００３５】
なお、信号f(t)は第１信号の一例でもあり、信号g(t)は第２信号の一例でもあり、信号F(s)は第３信号の一例であり、信号G(s)は第４信号の一例である。
【００３６】
演算部１１３は、演算手段の一例である。演算部１１３は、信号F(s)と信号G(s)のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と共役複素信号との内積を計算して、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルを算出する。
【００３７】
本実施形態では、演算部１１３は、信号G(s)の共役複素信号（以下「信号H(s)」と称する）を生成する。演算部１１３は、信号F(s)と信号H(s)との内積（F(s)・H(s)）を算出する。なお、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果は、第５信号の一例であり、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルを表す。
【００３８】
逆フーリエ変換部１１４は、逆フーリエ変換手段の一例である。逆フーリエ変換部１１４は、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果について逆フーリエ変換（例えば、IDFT（逆離散フーリエ変換））を行って信号c(t)を生成する。信号c(t)は、第６信号の一例であり、信号f(t)と信号g(t)との相互相関関数を表す。
【００３９】
算出部１１５は、算出手段の一例である。算出部１１５は、信号c(t)の極大値を与えるta（タイミング）に基づいて、被測定流体の流量を算出する。
【００４０】
次に、動作を説明する。
【００４１】
図２は、超音波流量計の動作のうち、信号F(s)と信号G(s)を生成するまでの動作を説明するためのフローチャートである。図３は、信号F(s)と信号G(s)を用いて被測定流体の流量を算出する動作を説明するためのフローチャートである。図４は、信号f(t)と信号g(t)を用いて被測定流体の流量を算出する動作を説明するための図である。
【００４２】
また、図５は、信号f(t)と信号g(t)の一例を示した図である。図６は、信号F(s)と信号G(s)の一例を示した図であり、図６（ａ）は信号F(s)と信号G(s)の各々の実数部を示した図であり、図６（ｂ）は信号F(s)と信号G(s)の各々の虚数部を示した図である。図７は、信号c(t)の実数部を示した図である。
【００４３】
流量の測定時に、測定指示部１１１は、マルチプレクサ５が超音波素子２を選択しマルチプレクサ６が超音波素子１を選択する切替信号を、マルチプレクサ５および６に出力する（ステップＳ２０１）。
【００４４】
マルチプレクサ５は、その切替信号を受け付けると、送信側として超音波素子２を選択する（ステップＳ２０２）。また、マルチプレクサ６は、その切替信号を受け付けると、受信側として超音波素子１を選択する（ステップＳ２０３）。
【００４５】
測定指示部１１１は、ステップ２０１で切替信号を出力してから特定時間T3後に、動作信号を送信信号発生器３に出力する（ステップＳ２０４）。
【００４６】
送信信号発生器３は、動作信号を受け付けると、出力時間T1だけ送信信号を出力する（ステップＳ２０５）。
【００４７】
送信信号は、超音波素子１と超音波素子２の励起電圧に合うようにパワーアンプ４にて電力増幅され、その後、マルチプレクサ５を介して超音波素子２に到達する。超音波素子２は、電力増幅された送信信号に応じて、４ＭＨｚの超音波信号を、流路２００内の被測定流体を介して、超音波素子１に向けて出力時間T1だけ送信する（ステップＳ２０６）。
【００４８】
一方、超音波素子１の受信出力は、マルチプレクサ６が超音波素子１を選択した以降、プリアンプ７に出力される。超音波素子１の受信出力は、プリアンプ７およびＡＧＣ８で増幅され、その後、ＡＤコンバータ９にてサンプリングされ数値化されたデジタルデータに変換され、記憶部１０に記憶される（ステップＳ２０７）。以下では、ステップＳ２０７で記憶されるデジタルデータは、図５の信号f(t)であるとする。なお、ステップＳ２０７で記憶されるデジタルデータは、図５の信号f(t)に限らない。
【００４９】
続いて、フーリエ変換部１１２は、ステップＳ２０７で記憶部１０に記憶された超音波素子１の受信出力（デジタルデータ）つまり信号f(t)についてフーリエ変換を行って、信号F(s)を生成する（ステップＳ２０８）。図６（ａ）は、信号F(s)の実数部を示し、図６（ｂ）は、信号F(s)の虚数部を示す。フーリエ変換部１１２は、信号F(s)を演算部１１３に出力する。
【００５０】
続いて、測定指示部１１１は、動作信号を出力してから時間T4が経過すると、マルチプレクサ５が超音波素子１を選択しマルチプレクサ６が超音波素子２を選択する切替信号を、マルチプレクサ５および６に出力する（ステップＳ２０９）。なお、時間T4は、時間T1に規定時間T5を加えた時間である。規定時間T5は、予め想定された、４ＭＨｚの超音波信号が送信されてから４ＭＨｚの超音波信号が受信されるまでに要する最大時間よりも、長い時間である。
【００５１】
マルチプレクサ５は、その切替信号を受け付けると、送信側として超音波素子１を選択する（ステップＳ２１０）。また、マルチプレクサ６は、その切替信号を受け付けると、受信側として超音波素子２を選択する（ステップＳ２１１）。
【００５２】
測定指示部１１１は、ステップ２０９で切替信号を出力してから特定時間T3後に、動作信号を送信信号発生器３に出力する（ステップＳ２１２）。
【００５３】
送信信号発生器３は、動作信号を受け付けると、出力時間T1だけ送信信号を出力する（ステップＳ２１３）。
【００５４】
送信信号は、超音波素子１と超音波素子２の励起電圧に合うようにパワーアンプ４にて電力増幅され、その後、マルチプレクサ５を介して超音波素子１に到達する。超音波素子１は、電力増幅された送信信号に応じて、４ＭＨｚの超音波信号を、流路２００内の被測定流体を介して、超音波素子２に向けて送信する（ステップＳ２１４）。
【００５５】
一方、超音波素子２の受信出力は、マルチプレクサ６が超音波素子２を選択した以降、プリアンプ７に出力される。超音波素子２の受信出力は、プリアンプ７およびＡＧＣ８で増幅され、その後、ＡＤコンバータ９にてサンプリングされ数値化されたデジタルデータに変換され、記憶部１０に記憶される（ステップＳ２１５）。以下では、ステップＳ２１５で記憶されるデジタルデータは、図５の信号g(t)であるとする。なお、ステップＳ２１５で記憶されるデジタルデータは、図５の信号g(t)に限らない。
【００５６】
続いて、フーリエ変換部１１２は、ステップＳ２１５で記憶部１０に記憶された超音波素子２の受信出力（デジタルデータ）つまり信号g(t)についてフーリエ変換を行って、信号G(s)を生成する（ステップＳ２１６）。図６（ａ）は、信号G(s)の実数部を示し、図６（ｂ）は、信号G(s)の虚数部を示す。
【００５７】
なお、測定指示部１１１は、ステップＳ２１２で動作信号を出力してから時間T4が経過すると、マルチプレクサ５が超音波素子１を選択しマルチプレクサ６が超音波素子２を選択することを停止する停止信号を、マルチプレクサ５および６に出力する。
【００５８】
フーリエ変換部１１２は、信号G(s)を演算部１１３に出力する。
【００５９】
演算部１１３は、信号F(s)と信号G(s)とを受け付けると、信号G(s)の共役複素信号である信号H(s)を算出する（ステップＳ２１７）。具体的には、演算部１１３は、信号G(s)の虚数部（Imaginal part）の正負の符号を反転することで信号H(s)を算出する。
【００６０】
続いて、演算部１１３は、信号F(s)と信号H(s)との内積を算出する（ステップＳ２１８）。演算部１１３は、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果を、逆フーリエ変換部１１４に出力する。
【００６１】
逆フーリエ変換部１１４は、信号F(s)と信号H(s)との内積の算出結果を受け付けると、その算出結果について逆フーリエ変換を行って、信号c(t)を生成する（ステップＳ２１９）。図７は、信号c(t)の実数部を示す。逆フーリエ変換部１１４は、信号c(t)を算出部１１５に出力する。
【００６２】
算出部１１５は、図７に示すように、信号c(t)の実数部において極大値を与えるタイミングtaを特定する（ステップＳ２２０）。なお、タイミングtaは、上流側の超音波素子１から送信された超音波信号が下流側の超音波素子２に到達するまでの時間tuと、下流側の超音波素子２から送信された超音波信号が上流側の超音波素子１に到達するまでの時間tdとの差Δt（＝td−tu）を表す。
【００６３】
続いて、算出部１１５は、タイミングtaに基づいて、被測定流体の流量を算出する（ステップＳ２２１）。
【００６４】
なお、被測定流体の流量は、被測定流体の平均流速（m/sec）に、流路２００の断面積を掛け合わせることで求められる。流路２００の断面積は、予め測定できる値（定数）であるので、被測定流体の平均流速（m/sec）を求まれば、算出部１１５は、被測定流体の流量を算出することができる。
【００６５】
ここで、被測定流体中の超音波伝播経路の長さをLとし、被測定流体の流れる向きに対する超音波の伝播方向の角度をθとし、静止状態の測定流体中を通る超音波速度をcとすると、被測定流体の平均流速Vは、以下のように表される。
【００６６】
【数１】
0005512007.tif 000002
【００６７】
数１において、L、θ、cは定数なので、左側の式では、Δtが求まれば、平均流速Vが求まる。
【００６８】
数１において、右側の式では、定数cの代わりに、上流側の超音波素子１から送信された超音波信号が下流側の超音波素子２に到達するまでの時間tuと、下流側の超音波素子２から送信された超音波信号が上流側の超音波素子１に到達するまでの時間tdとが用いられる。時間tuと時間tdとの測定手法は公知であるので、詳細な説明は割愛するが、例えば、算出部１１５が、測定指示部１１１が動作信号を出力したタイミングと、記憶部１０に記憶された超音波素子１、２の受信出力のタイミングと、を用いて測定する。
【００６９】
算出部１１５は、Δtとしてタイミングtaを用いて、数１の式に従って平均流速Vを求め、平均流速Vに流路２００の断面積（定数）を掛け合わせて被測定流体の流量を算出する。
【００７０】
算出部１１５は、算出された被測定流体の流量を表示部１２に表示する。なお、算出部１１５は、タイミングtaを表示部１２に表示してもよい。
【００７１】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００７２】
本実施形態によれば、信号f(t)と信号g(t)との相互相関関数（信号c(t)）を算出するために、フーリエ変換が用いられる。フーリエ変換では、信号f(t)の全てを使っての計算、信号g(t)の全てを使っての計算が行われる。このため、フーリエ変換を用いて算出された相互相関関数は、信号f(t)や信号g(t)の特定の測定点におけるノイズに影響され難くなる。よって、特定の測定点でのノイズが測定精度に大きく影響することを抑制することが可能になる。
【００７３】
また、従来の方式（ゼロクロス法や積和演算法）では、サンプリング周期に対して約１０分の１の時間精度しか得られなかったが、本実施形態では、サンプリング周期の１００分の１よりもさらに良い測定精度を得ることが可能になる。
【００７４】
また、本実施形態では、一対の超音波素子１、２間で所定の超音波信号の送受信が行われ、各超音波素子１、２の受信出力についてフーリエ変換が行われる。フーリエ変換では窓関数を用いた処理が良く使われるが、本実施形態では、送信される超音波信号にて各超音波素子の受信出力の形状を調整することができる。このため、例えば、送信される超音波信号として、各超音波素子１の受信出力そのものが窓関数による処理済みの形となる信号（例えば、図５の信号f(t)の波形と同様の波形を有する超音波信号）が用いられれば、窓関数を用いた処理を不要にできる。なお、図５の信号f(t)の波形と同様の波形を有する超音波信号は、超音波振動子に励起電圧の供給を開始し、その後励起電圧の供給の停止を行うことにより容易に実現できる。
【００７５】
DFT演算処理前に窓関数を乗じる方式の場合、窓関数の開始位置と終了位置を変えると計算結果である時間差の値が変わってしまう。さらに、窓関数を乗じることによりサンプリングデータに重み付けを行ってしまい、サンプリングにより得られたデータ点同士の時間差を計算しているとは厳密には言えない。窓関数を用いた処理を不要にできれば、これらの問題を解決可能となる。
【００７６】
また、本実施形態では、所定周波数（例えば、４ＭＨｚ）の超音波信号が用いられる。このため、例えば、受信出力用のフィルタを設ける場合、単一周波数の超音波信号を通過する高精度のフィルタが使いやすくなる。また、単一周波数の超音波信号についてフーリエ変換（例えば、DFT）を行うと、ノイズ成分が主成分周波数（送信超音波信号の周波数）以外の周波数に押しやられる形となる。そして、共役複素積（内積）を計算するときに、主成分周波数以外の周波数成分の値は無視できる程小さな値となり、結果として、２つ（上流・下流）受波の中の主成分周波数に関わる項目が重み付けされて計算される。
【００７７】
なお、信号f(t)や信号g(t)をそのままDFT演算処理すると、フーリエ変換の特性として演算開始点と終了点における信号値が異なる場合に大きなノイズとなる。また、信号f(t)や信号g(t)に含まれるノイズ成分が時間差計算の精度を悪くする。
【００７８】
このため、例えばフーリエ変換部１１２が、信号f(t)や信号g(t)のうち、時間差比較の対象となる超音波信号部分（超音波信号の受信信号）の前や後ろの部分を強制的に「０」とする信号処理を実行し、その信号処理が実行された信号f(t)および信号g(t)の各々についてDFTを行うことが望ましい。なお、この信号処理は、フーリエ変換部１１２の前段に設けられた処理部（不図示）にて行われてもよい。
【００７９】
この信号処理が行われることで、DFT演算処理により生じるノイズの問題を低減でき、時間差計算の精度を改善することが可能になる。なお、「０」は特定値の一例である。そして、特定値は「０」に限らず適宜変更可能である。
【００８０】
また、DFT演算やIDFT演算におけるフーリエ級数の計算は多数の項を含むため計算に時間が掛かる。フーリエ級数の計算に必要なsin関数およびcos関数の値は以下のような形式である。
【００８１】
【数２】
0005512007.tif 000003
【００８２】
ただし k,n は整数で、典型的にはk,n=0〜N−1
そこで、あらかじめk,n=0〜N−1の場合についてsin関数およびcos関数の値を計算してテーブルとして記憶部（記憶手段）保持しておき、フーリエ変換部１１２がDFTを計算する場合やフーリエ逆変換部１１４がIDFTを計算する場合に、数３に示すように、k、nを引数としてテーブル参照することで、フーリエ変換および逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値の再計算を行わずに高速にDFTやIDFTを計算可能にしてもよい。
【００８３】
【数３】
0005512007.tif 000004
【００８４】
図８は、フーリエ変換および逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値を示したテーブルを記憶した記憶部１３を備えた超音波流量計の一例を示した図である。なお、図８において、図１に示したものと同一構成のものには同一符号を付してある。
【００８５】
図８に示した超音波流量計では、フーリエ変換部１１２は、記憶部１３内のテーブル（フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値）を参照してフーリエ変換を実行する。また、逆フーリエ変換部１１４は、記憶部１３内のテーブル（逆フーリエ変換に必要なsin関数値およびcos関数値）を参照してフーリエ変換を実行する。
【００８６】
また、図１、図８に示した超音波流量計において、信号c(t)の極大値のタイミングtaを求める手法して、以下の手法が用いられてもよい。
【００８７】
（１）第１の手法「DFT演算および共役複素数積により得られた係数列によりIDFT演算を行う場合に、サンプリングポイントだけでなく任意のポイントにおけるIDFT演算値を繰り返し計算することで目的の有効桁数の時間差を得る方式」
従来の積和演算法では、サンプリングポイント単位で時間をずらした積和値が最大となるポイントが求められる。このため、積和演算法では、サンプリング周期単位の時間差精度しか得られない。
【００８８】
第１の手法では、逆フーリエ変換部１１４は、まず、サンプリングポイントT2（第１時間間隔）単位で、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルに対してIDFT演算を行って予備となる信号（第７信号）を生成する。
【００８９】
続いて、逆フーリエ変換部１１４は、予備となる信号の極大値のタイミング（最も確からしい時間差）tbを、サンプリング周期をもとに求める。
【００９０】
続いて、逆フーリエ変換部１１４は、タイミングtbの前後を含む時間範囲（例えば「tb−α」から「tb＋α」までの範囲）において、サンプリングポイント間隔よりも短い時間間隔（要求する精度の時間差間隔）で、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルに対してIDFT演算を行うことで、信号c(t)を生成する。逆フーリエ変換部１１４は、この信号c(t)を算出部１１５に出力する。算出部１１５は、この信号c(t)における極大値のタイミングに基づいて、被測定流体の流量を算出する。
【００９１】
このため、第１の手法によれば、最も確からしい時間差Δtを、要求する精度で計算することが可能になる。
【００９２】
（２）第２の手法「DFT演算結果が最大となる点すなわち目的の時間差を計算するときに、IDFT演算結果の関数の微分値が0となる点を直線補間により求める方式」
IDFT演算結果の関数の実数部の値が最大となる点を求めるために、目的の精度となるまで引数を増減して再計算を行うと時間がかかる。
【００９３】
第２の手法では、IDFT演算結果の関数の微分値を与える計算式を導出し、IDFT演算結果の関数の極大値を与える点ではIDFT演算結果の関数の微分値が0となることを利用してIDFT演算結果の関数の極大値を与える点を求めることで、繰り返し計算を行なわなくとも、極大値のタイミングを計算できる。
【００９４】
例えば、逆フーリエ変換部１１４は、あらかじめ各サンプリングポイント上（所定時間間隔）で、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルに対してIDFT演算を行って信号c(t)を算出する。
【００９５】
続いて、算出部１１５は、信号c(t)の最大値（極大値）のタイミング（最も大きなIDFT値を与えるサンプリングポイント）を特定する。
【００９６】
続いて、算出部１１５は、その特定されたタイミングの直前のサンプリングポイント上のIDFT演算結果の関数の微分値を傾きとして有しそのIDFT演算結果を通る直線と、該特定されたタイミングの直後のサンプリングポイント上のIDFT演算結果の関数の微分値を傾きとして有しそのIDFT演算結果を通る直線と、を使って、直前のサンプリングポイントと直後のサンプリングポイントとの間の信号c(t)を直線補間する。
【００９７】
続いて、算出部１１５は、直線補間された信号c(t)の最大値を取るタイミング（直線の交点に対応するタイミング）を、信号c(t)の微分値が０となるタイミングとして特定する。
【００９８】
なお、目的の精度が出るようにサンプリングポイントの間隔を十分に狭く取っておけば、目的の精度を得ることができる。
【００９９】
任意時刻nのときのIDFTの実数部の計算式は、以下のような形をしている。
【０１００】
【数４】
0005512007.tif 000005
【０１０１】
なお、数４において、CCR＿realは、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルの実数部を示し、CCR＿imagは、信号f(t)と信号g(t)のクロススペクトルの虚数部を示す。
【０１０２】
IDFTをnについて微分すると以下となる。
【０１０３】
【数５】
0005512007.tif 000006
【０１０４】
ここで、
【０１０５】
【数６】
0005512007.tif 000007
【０１０６】
となる求めるn0がn-1とn+1の間にあって直線補間できるとすると、求めるn0は以下のように計算できる。
【０１０７】
【数７】
0005512007.tif 000008
【０１０８】
算出部１１５は、数７に従って、n0（直線補間された信号c(t)の最大値を取るタイミング）を算出する。
【０１０９】
なお、上記実施形態において、信号f(t)は、下流側の超音波素子２が超音波信号を送信してから上流側の超音波素子１が超音波信号を受信し終わるまでの期間における上流側の超音波素子１の出力でもよく、信号g(t)は、上流側の超音波素子１が超音波信号を送信してから下流側の超音波素子２が超音波信号を受信し終わるまでの期間における下流側の超音波素子２の出力でもよい。
【０１１０】
また、上記実施形態において、処理部１１内の各部は、処理部１１が、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたコンピュータプログラムを読み取り実行することで実現されてもよし、個別のハードウェアで実現されてもよい。
【０１１１】
以上説明した実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１１２】
１、２  超音波素子
３      送信信号発生器
４      パワーアンプ
５、６  マルチプレクサ
７      プリアンプ
８      ＡＧＣ
９      ＡＤコンバータ
１０      ＲＡＭ
１１      処理部
１１１    測定指示部
１１２    フーリエ変換部
１１３    演算部
１１４    逆フーリエ変換部
１１５    算出部
２００      流路
【要約】
【課題】ノイズに耐性がある超音波流量計を提供する。
【解決手段】超音波流量計は、被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向配置され所定の超音波信号を送受信する一対の超音波素子と、上流側の超音波素子の受信出力である第１信号と下流側の超音波素子の受信出力である第２信号と、の各々についてフーリエ変換を行って第３信号と第４信号を生成するフーリエ変換手段と、第３信号と第４信号のうち一方の信号の共役複素信号を生成し、他方の信号と共役複素信号との内積を計算して第５信号を生成する演算手段と、第５信号について逆フーリエ変換を行って第６信号を生成する逆フーリエ変換手段と、第６信号における極大値のタイミングに基づいて、被測定流体の流量を算出する算出手段と、を含む。
【選択図】図１【図１】
0005512007.tif 000009
【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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【図８】
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