(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手段と、
このエミッショントリガ発振手段からのトリガ信号により超音波パルスを一定周期で生成し出力する超音波発振手段と、
この超音波発振手段が出力する超音波パルスを、流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信し、前記流体内に懸濁する超音波反射体で反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波パルス受信手段と、
この超音波パルス受信手段が受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、
この信号処理手段が信号処理後の超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布及び流量の少なくとも一方を測定する信号解析手段とを具備し、
前記信号処理手段は、受信した超音波エコー信号のうち測定に使用する超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理を行なうバンドパスフィルタリング処理部と、
このバンドパスフィルタリング処理部から受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するＡＤコンバータと、
デジタル化された超音波エコー信号に、ウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を行なうウォールフィルタ処理部とを備え、
前記ウォールフィルタ処理部は、前記超音波発信手段により周期的にｎ回（ｎ≧２）連続して発信された超音波パルスの反射波であるｎ系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、
前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、
上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を行なった後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築するように構成したことを特徴とする超音波流速分布計及び流量計。
【請求項２】
トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、
このエミッショントリガ発振手順で出力されたトリガ信号により超音波パルスを一定周期で生成し出力する超音波発振手順と、
この超音波発振手順で出力された超音波パルスを、流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信し、前記流体内に懸濁する超音波反射体で反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波パルス受信手順と、
超音波パルス受信手順で受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、
この信号処理手順で信号処理後の超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布及び流量の少なくとも一方を測定する信号解析手順とを具備し、
前記信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち測定に使用する超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理を行なうバンドパスフィルタリング処理工程と、
このバンドパスフィルタリング処理工程から受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換工程と、
デジタル化された超音波エコー信号に、ウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を行なうウォールフィルタ処理工程とを備え、
前記ウォールフィルタ処理工程は、前記超音波発信手順により周期的にｎ回（ｎ≧２）連続して発信された超音波パルスの反射波であるｎ系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、
前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、
上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を行なった後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築することを特徴とする超音波流速分布及び流量測定方法。
【請求項３】
前記信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、
前記反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、
この流速分布算出工程で算出した流速分布を流体配管の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する流量算出工程とを備えることを特徴とする請求項２記載の超音波流速分布及び流量測定方法。
【請求項４】
トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、
このエミッショントリガ発振手順で出力されたトリガ信号により超音波パルスを一定周期で生成し出力する超音波発振手順と、
この超音波発振手順で出力された超音波パルスを、流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信し、前記流体内に懸濁する超音波反射体で反射される超音波の反射波である超音波エコー信号を受信する超音波パルス受信手順と、
超音波パルス受信手順で受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、
この信号処理手順で信号処理後の超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布及び流量の少なくとも一方を測定する信号解析手順とをコンピュータに実行させるためのプログラムであり、
前記信号処理手順において、受信した超音波エコー信号のうち超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理を行なうバンドパスフィルタリング処理工程と、
このバンドパスフィルタリング処理工程から受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換工程と、
デジタル化された超音波エコー信号にウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を行なうウォールフィルタ処理工程とをコンピュータに実行させ、さらに、
前記ウォールフィルタ処理工程は、前記超音波発信手順により周期的にｎ回（ｎ≧２）連続して発信された超音波パルスの反射波であるｎ系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、
前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、
上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を行なった後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築するように、コンピュータに実行させるための超音波流速分布及び流量測定処理プログラム。
【請求項５】
前記信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、
前記反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、
この流速分布算出工程で算出した流速分布を流体配管の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する流量算出工程とを備えることを特徴とする請求項４記載の超音波流速分布及び流量測定処理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用した流体の流速分布及び流量を測定する超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定プログラムに係り、特に、金属配管の内部を流動する種々の流体の流速分布及び流量を非接触又は接触測定する超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定処理プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波パルスを利用した超音波流量計として特開２０００−９７７４２号公報に開示された技術がある。
【０００３】
この超音波流量計は、トランスジューサから超音波パルスを流体配管内の測定線に向けて発射し、流体配管内を流れる流体内の懸濁微粒子からの反射波である超音波エコー信号を解析して懸濁微粒子の位置と速度から測定線に沿う流体の流速分布及び流量を求める装置である。測定線はトランスジューサから発射される超音波パルスのビームにより形成される。
【０００４】
超音波流量計は、不透明流体・不透明配管内に適応することができ、流体配管内を流れる流体を非接触測定でき、測定線に沿う線測定で流体配管内の流速分布や、流量が測定できる一方、不透明流体の流速分布や流量測定にも適用でき、水銀・ナトリウム等の液体金属の流動測定にも利用できる利点がある。
【０００５】
超音波流量計では、トランスジューサから流体内に発射される超音波パルスの測定線上における流体速度分布の経時変化が得られるので、金属配管内を流れる流体の過渡流れや乱流の場における流体の速度分布や流量測定への応用が期待されている。
【０００６】
上述した超音波流速分布計及び流量計の一例は、特開２０００−９７７４２号公報に掲載されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−９７７４２号公報（明細書段落番号［００１５］〜［００１９］，［００２６］〜［００３２］，［００７８］〜［００８２］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のドップラ式超音波流量計では、微小粒子や気泡等の超音波反射体が多数懸濁された測定対象流体を案内する流体配管が金属配管の場合、クラッタノイズと呼ばれる定在的な（時間によらない）ノイズが超音波エコー信号に重畳し流体の流速分布又は流量を正確に精度よく測定することが困難であった。
【０００９】
また、流体配管が、例えば、アクリル配管や塩化ビニル配管等の非金属配管の場合であっても、ポンプ等の電源又はインバータからのノイズ（定在的なノイズ）が混入する環境下にあっては、ノイズが超音波エコー信号に重畳し流体の流速分布又は流量を正確に精度よく測定することが困難であった。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、超音波エコー信号にクラッタノイズ等の定在的なノイズが重畳した場合において、超音波エコー信号に対してノイズレベルを十分に低減し、精度良く流速分布又は流量が測定できる超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定プログラムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る超音波流速分布計及び流量計は、上述した課題を解決するため、請求項１に記載したように、トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手段と、このエミッショントリガ発振手段からのトリガ信号により超音波パルスを一定周期で生成し出力する超音波発振手段と、この超音波発振手段が出力する超音波パルスを、流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信し、前記流体内に懸濁する超音波反射体で反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波パルス受信手段と、この超音波パルス受信手段が受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手段と、この信号処理手段が信号処理後の超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布及び流量の少なくとも一方を測定する信号解析手段とを具備し、前記信号処理手段は、受信した超音波エコー信号のうち測定に使用する超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理を行なうバンドパスフィルタリング処理部と、このバンドパスフィルタリング処理部から受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するＡＤコンバータと、デジタル化された超音波エコー信号に、ウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を行なうウォールフィルタ処理部とを備え、前記ウォールフィルタ処理部は、前記超音波発信手段により周期的にｎ回（ｎ≧２）連続して発信された超音波パルスの反射波であるｎ系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を行なった後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築するように構成したものである。
【００１２】
本発明に係る超音波流速分布及び流量測定方法は、上述した課題を解決するため、請求項２に記載したように、トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、このエミッショントリガ発振手順で出力されたトリガ信号により超音波パルスを一定周期で生成し出力する超音波発振手順と、この超音波発振手順で出力された超音波パルスを、流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信し、前記流体内に懸濁する超音波反射体で反射される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号を受信する超音波パルス受信手順と、超音波パルス受信手順で受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、この信号処理手順で信号処理後の超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布及び流量の少なくとも一方を測定する信号解析手順とを具備し、前記信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち測定に使用する超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理を行なうバンドパスフィルタリング処理工程と、このバンドパスフィルタリング処理工程から受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換工程と、デジタル化された超音波エコー信号に、ウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を行なうウォールフィルタ処理工程とを備え、前記ウォールフィルタ処理工程は、前記超音波発信手順により周期的にｎ回（ｎ≧２）連続して発信された超音波パルスの反射波であるｎ系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を行なった後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築する方法である。
【００１３】
さらに、上述した課題を解決するため、本発明に係る超音波流速分布及び流量測定方法は、請求項３に記載したように、前記信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、前記反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、この流速分布算出工程で算出した流速分布を流体配管の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する流量算出工程とを備えることを特徴とする超音波流速分布及び流量測定方法である。
【００１４】
本発明に係る超音波流速分布及び流量測定処理プログラムは、上述した課題を解決するため、請求項４に記載したように、トリガ信号を出力するエミッショントリガ発振手順と、このエミッショントリガ発振手順で出力されたトリガ信号により超音波パルスを一定周期で生成し出力する超音波発振手順と、この超音波発振手順で出力された超音波パルスを、流体配管内を案内される流体内の測定線に向けて発信し、前記流体内に懸濁する超音波反射体で反射される超音波の反射波である超音波エコー信号を受信する超音波パルス受信手順と、超音波パルス受信手順で受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、この信号処理手順で信号処理後の超音波エコー信号を解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出し、算出結果から前記流体の流速分布及び流量の少なくとも一方を測定する信号解析手順とをコンピュータに実行させるためのプログラムであり、前記信号処理手順において、受信した超音波エコー信号のうち超音波パルスと同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理を行なうバンドパスフィルタリング処理工程と、このバンドパスフィルタリング処理工程から受信した超音波エコー信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換工程と、デジタル化された超音波エコー信号にウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理を行なうウォールフィルタ処理工程とをコンピュータに実行させ、さらに、前記ウォールフィルタ処理工程は、前記超音波発信手順により周期的にｎ回（ｎ≧２）連続して発信された超音波パルスの反射波であるｎ系列分の超音波エコー信号から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に超音波エコー信号の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却し、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換を行なった後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築するように、コンピュータに実行させるプログラムである。
【００１５】
さらに、上述した課題を解決するため、本発明に係る超音波流速分布及び流量測定処理プログラムは、請求項５に記載したように、前記信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、前記反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から前記流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、この流速分布算出工程で算出した流速分布を流体配管の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する流量算出工程とを備えることを特徴とするプログラムである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定プログラムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１７】
［測定システム］
図１は、本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を概略的に示す測定システムの構成概略図である。
【００１８】
図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、携帯式コンピュータとしてのパーソナルコンピュータ（以下、パソコンとする）１１と、パソコン１１が読み出し実行可能な超音波流速分布及び流量測定プログラム（図中は測定ＰＧとし、以下、プログラムをＰＧと省略する）１２とを具備し、パソコン１１と超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２とが協働し、超音波流速分布計及び流量計として機能する。
【００１９】
図１に示されるパソコン１１には、コネクタコード１４を介してパソコン１１と超音波パルス発振手段及び受信手段としてのトランスジューサ１５とが接続される。このトランスジューサ１５は、被測定流体である測定対象流体１７を案内する流体配管としての金属配管１８に所定の設置角度θをなして外側から設置される。尚、図１には示されていないが、トランスジューサ１５は、音響インピーダンスを整合させるため、音響カプラを介して金属配管１８に設置されることが一般的である。
【００２０】
また、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２は、例えば、パソコン１１に内蔵されるハードディスク等のパソコン１１が読み出し可能な記録手段に記録され格納される。
【００２１】
尚、超音波流速分布及び流量測定時において、例えば、トランスジューサ１５が発信する超音波パルスの周波数の制御や反射波を受信する際のゲイン調整等の測定に付随的な処理操作（以下、基本処理操作とする）は、事前設定される基本処理ＰＧ２０によって各種機能が実現される。基本処理ＰＧ２０は、例えば、パソコン１１に内蔵されるハードディスク等のパソコン１１が読み出し可能な記録手段に記録され格納される。
【００２２】
［機能ブロック］
図２に本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態である超音波流速分布計及び流量計１０の機能ブロック図を示す。
【００２３】
図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０を機能的に捉えたものであり、図１に示されるパソコン１１と超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２とが協働することで、超音波流速分布計及び流量計として機能する。
【００２４】
図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、エミッショントリガ信号（電気信号）を出力するエミッショントリガ発振手段２２と、エミッショントリガ信号を受信して超音波パルスを発振する超音波パルス発振手段２３と、超音波パルスの反射波を受信し、受信した超音波パルスの反射波を電気信号に変換する超音波受信手段２４と、電気信号の信号処理を行なう信号処理手段２５と、受信した信号を解析して超音波流速分布及び流量を算出する信号解析手段２６とを具備する。
【００２５】
エミッショントリガ発振手段２２は、図１に示されるパソコン１１及び基本処理ＰＧ２０とが協働することにより、エミッショントリガ発振機能が実現される。ここで、エミッショントリガとは、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）等の演算処理手段（図１において省略）が内部クロック信号を利用して発振するトリガとは異なるもので、ＣＰＵ等の演算手段と別個に設けられたトリガ発振手段が発振するトリガ（外部トリガ）をいう。すなわち、内部クロックが支配的とならないトリガ発振手段によって発振されるトリガである。
【００２６】
エミッショントリガ発振手段２２は、例えば、トリガ発振機能を有するボード（以下、トリガ発振ボードとする）をパソコン１１に内蔵されるマザーボート（図１において省略）と接続し、ＣＰＵ等の演算処理手段によってトリガ発振ボードを機能させる等の方法により実現される。
【００２７】
エミッショントリガ発振手段２２は、エミッショントリガ信号（電気信号）を発振して、発振したエミッショントリガ信号（以下、単にトリガ信号とする）を超音波パルス発振手段２３及び信号処理手段２５へ出力する。超音波パルス発振手段２３に入力されるトリガ信号は、超音波パルス発振手段２３において超音波を発振する際に使用される。また、信号処理手段２５に入力されるトリガ信号は、信号授受のタイミングの制御に使用される。
【００２８】
エミッショントリガ発振手段２２が出力するトリガ信号の出力波形は、測定者が、例えば、図１に示されるパソコン１１の入力手段（図１において省略）から設定条件を入力操作する等してパソコン１１に設定条件を入力することで任意に設定することができる。パソコン１１に設定条件が入力されると、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が入力された設定条件を認識し、基本処理ＰＧ２０を読み出し実行して入力された設定条件に合致したトリガ信号の出力を行なう。
【００２９】
図２に示される超音波パルス発振手段２３は、入力されたトリガ信号により所要周波数（基本周波数ｆ０）の電気パルス信号を所定時間（τ）間隔毎に生成する電気パルス信号生成部２８と、受信した電気パルス信号の周波数及び時間間隔に応じて超音波パルスを発振する超音波パルス生成部（発振部）２９とを備える。
【００３０】
超音波パルス発振手段２３の電気パルス信号生成部２８は、図１に示されるパソコン１１及び基本処理ＰＧ２０とが協働することにより電気パルス信号生成機能が実現される。
【００３１】
図２に示される超音波パルス発振手段２３がエミッショントリガ発振手段２２から出力されたトリガ信号を受信すると、電気パルス信号発振部２８は、所要周波数、例えば、１ＭＨｚ，２ＭＨｚ，４ＭＨｚ等の基本周波数ｆ０の電気パルス信号を所定時間τ間隔で生成する。電気パルス信号生成部２８は、デジタルシンセサイザを有し、５０ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの電気パルス信号の出力が可能であり、様々な発振周波数特性を有するトランスジューサ１５に対応できる。電気パルス信号生成部２８において生成された電気パルス信号は、超音波パルス生成部２９へ出力される。
【００３２】
超音波パルス生成部２９は、図１に示されるトランスジューサ１５により超音波パルス生成機能が実現される。従って、超音波パルス発振部２９においてなされる電気パルス信号の受信は、図１に示されるパソコン１１とコネクタコード１４を介して接続されるトランスジューサ１５が、パソコン１１から出力された電気パルス信号を受信することでなされる。
【００３３】
超音波パルス発振部２９は、電気パルス信号発振部２８が生成した電気パルス信号を受信すると、受信した電気パルス信号を超音波パルスに変換し、得られた超音波パルスを発信する。
【００３４】
図１の構成概略図に示すようにトランスジューサ１５は、金属配管１８に所定の設置角度θをなして外側から設置される。トランスジューサ１５から発信された超音波パルスは、図１に示される測定線ＭＬに沿って、金属配管１８内を流れる流体１７中に入射され、懸濁する（混在する）超音波反射体により反射される。超音波反射体により反射された反射波はトランスジューサ１５に戻る。
【００３５】
図１に示されるトランスジューサ１５は、図２に示される超音波パルス発振手段２３の超音波パルス生成部２９とともに、超音波受信手段２４としての機能も担っている。超音波受信手段２４は、戻ってきた超音波パルスの反射波を受信して、受信した反射波の大きさに応じた超音波エコー信号（アナログ電気信号）への変換を行なう。変換により得られた超音波エコー信号は、信号処理手段２５へ送信される。
【００３６】
図２に示される信号処理手段２５は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理（以下、バンドパスフィルタリング処理：ＢＰＦ処理とする）を行なうＢＰＦ処理部３１と、超音波エコー信号をアナログ信号からデジタル信号に変換（以下、ＡＤ変換とする）するＡＤコンバータ３２と、受信した超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズ成分を低減するウォールフィルタ（以下、ＷＦとする）によるフィルタリング処理を行なうＷＦ処理部３３とを備える。
【００３７】
図２に示される信号処理手段２５は、図１に示されるパソコン１１及び基本処理ＰＧ２０とが協働することにより信号処理機能が実現される。具体的には、反射波である超音波エコー信号を信号処理手段２５が受信すると、まず、ＢＰＦ処理部３１に超音波エコー信号が入力され、ＢＰＦ処理がなされる。
【００３８】
ＢＰＦ処理部３１は、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、またはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により構成され、超音波反射体からの反射波である超音波エコー信号に対して、測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみを抽出する。ＢＰＦフィルタリング処理を施すことにより、測定に使用しない周波数成分に含まれるノイズがおよぼす流速分布及び流量測定への悪影響を抑制する。
【００３９】
ＢＰＦ処理部３１において、超音波エコー信号のＢＰＦ処理が完了すると、次に、超音波エコー信号は、ＡＤコンバータ３２に入力される。ＡＤコンバータ３２は、受信した超音波エコー信号を高速にデジタルサンプリングしてアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段として機能する。
【００４０】
ＡＤ変換後のデジタル信号は、例えば、パソコン１１に内蔵されるメモリ（図１において省略）にデジタルデータとして一旦蓄積される。メモリに蓄積されたデジタルデータは、例えば、パソコン１１に内蔵されるハードディスクや、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＭＯ等のパソコン１１が読み取り可能な記録手段に記録することができる。また、ＡＤコンバータ３２の解像度は、例えば８ｂｉｔでサンプリング周波数が５００ＭＨｚまで可能である。
【００４１】
ＡＤコンバータ３２が超音波エコー信号をＡＤ変換すると、次に、超音波エコー信号は、ＷＦ処理部３３に入力される。ＷＦ処理部３３は、ＷＦにより構成され、受信した超音波エコー信号に対してＷＦ処理を施す。ＷＦ処理部３３が超音波エコー信号に対してＷＦ処理を施すことにより、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズを低減され、クラッタノイズがおよぼす流速分布及び流量測定への悪影響を抑制する。
【００４２】
ＷＦ処理部３３が、超音波エコー信号に対するＷＦ処理を完了すると、図２に示される信号処理手段２５において実施される全ての信号処理は完了する。信号処理手段２５において信号処理された超音波エコー信号は、信号解析手段２６に入力され、信号解析手段２６が入力された超音波エコー信号を解析することにより、図１に示される金属配管１８中を流動する流体１７の流速分布及び流量を算出する。
【００４３】
図２に示される信号解析手段２６は、図１に示されるパソコン１１と、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２と、基本処理ＰＧ２０とが協働することにより信号解析機能が実現される。
【００４４】
信号解析手段２６は、図１に示される流体１７中の超音波反射体の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出部３６と、反射体位置・速度算出部３６が算出した多数個の超音波反射体（以下、超音波反射体群とする）の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出部３７と、流速分布算出部３７が算出した流速から流体１７の流量を算出する流量算出部３８とを備える。
【００４５】
反射体位置・速度算出部３６は、入力された超音波エコー信号から流体１７中に懸濁された超音波反射体の位置及び速度を算出する。超音波反射体の位置及び速度の算出は、例えば、図１に示される金属配管１８内を流動する流体１７中の超音波反射体の場合、測定線ＭＬ上の異なる位置をあるピッチ（以下、測定ピッチとする）で算出し、一つの位置に対して超音波反射体の速度を数個算出する。
【００４６】
超音波反射体の位置及び速度の算出処理は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することでなされる。また、測定ピッチは、主としてＡＤコンバータ３２の分解能（サンプリング周波数）によって決定するため、ＡＤコンバータ３２の分解能を考慮しつつ、金属配管１８の内径Ｄ及び流体１７の種類に応じて測定前に設定する。
【００４７】
流速分布算出部３７は、反射体位置・速度算出部３６が算出した超音波反射体群の位置及び速度をプロットすることによって速度分布を得る。超音波反射体群の位置及び速度のプロット処理は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することでなされる。
【００４８】
図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０が、流体１７の流速分布のみを表示する場合は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が基本処理ＰＧ２０を実行し、流速分布算出部３７が出力した流速分布データをパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流速分布として表示する。
【００４９】
一方、図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０が、流速分布及び流量、又は、流量を表示する場合は、流速分布算出部３７が算出した流速分布データが流量算出部３８に入力される。
【００５０】
流量算出部３８は、流速分布算出部３７が算出した流速分布データを受信し、受信した流速分布データを用いて金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行なうことで流量を算出する。流量算出のための積分演算処理は、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することでなされる。
【００５１】
図２に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、流量算出部３８が積分演算処理（流量算出）を完了すると、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が基本処理ＰＧ２０を実行し、流量算出部３８が算出した流量算出データをパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流量表示する。
【００５２】
尚、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、ＰＧを実行する手段（以下、ＰＧ実行手段とする）として携帯式コンピュータを用いているが、必ずしも携帯式コンピュータでなくても良い。図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は一実施例であり、超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行できれば良いので、例えば、携帯不可能なデスクトップ型パソコン、ワークステーション、メインフレーム等を用いて超音波流速分布計及び流量計１０が構成されていても良い。
【００５３】
また、エミッショントリガ発振手段２２、超音波パルス発振手段２３、超音波受信手段２４の電気パルス信号生成部２８、信号処理手段２５及び信号解析手段２６は、必ずしもパソコン１１のみをＰＧと協同する構成としなくても良い。例えば、エミッショントリガ発振手段２２としてパソコン１１の外部にパソコン１１から出力される信号によって駆動するトリガ発振ユニットを設けても良い。
【００５４】
［流体の流速分布及び流量の測定］
次に、超音波流速分布計及び流量計１０を用いた流体の流速分布及び流量の計測作用について説明する。
【００５５】
図３は、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０の構成概略図における測定対象流体１７の供給元及び金属配管１８周辺をより詳細に表した説明図である。
【００５６】
図３に図示される金属配管１８には、例えば、内径Ｄが４１．２ｍｍφ、肉厚が３．７ｍｍのステンレス管１８を使用し、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、管開始位置（ｘ＝０）より管軸方向（ｘ軸方向）にｘ＝１９Ｄ（内径Ｄの１９倍）の位置にトランスジューサ１５を外側から設置する。設置する際、トランスジューサ１５は、ステンレス管１８ａの管軸に対して傾斜角度θで水中に設置される。トランスジューサ１５は音響カプラを介して金属配管１８に取り付けられ、トランスジューサ１５から発振される超音波パルスが金属配管１８内にスムーズに入射されるように案内される。
【００５７】
符号４１はオーバフロータンク、符号４２は縮流器、符号４３は実験領域のステンレス管１８ａを水中に設置するための流体配管設置容器である。測定対象流体１７として本実験設備では水を用いた。また、図中のＦは水の流れ方向を示している。
【００５８】
図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０は、信号解析手段２６が相互相関法を用いた信号解析を行なう。相互相関法とは、ある一定の時間間隔をもって得られる２つの反射波（参照波、探索波）の相互相関を計算し、その計算結果から測定線ＭＬに沿う流体の速度分布を導き出す手法である。本手法を用いて流量測定を行なうことにより、従来のドップラ式超音波流量計と比較して、時間分解能を飛躍的に向上させることができる。
【００５９】
超音波流速分布計及び流量計１０による流速分布及び流量測定方法を図１及び図２を用いて説明する。
【００６０】
超音波流速分布計及び流量計１０による流速分布及び流量測定方法は、エミッショントリガ発振手順と、超音波発振手順と、超音波パルス受信手順と、信号処理手順と、信号解析手順とを具備しており、この流速分布及び流量測定方法を図２に示される機能ブロック図に着目して手順を追って説明すると、超音波流速分布及び流量測定方法は、まず、トリガ信号を受信して電気パルス信号を生成する電気パルス信号生成工程と、この電気パルス信号生成工程で生成された電気パルス信号を超音波パルスに変換して発信する超音波パルス生成工程とを備えるエミッショントリガ発振手順を行なう。
【００６１】
エミッショントリガ発振手順は、エミッショントリガ発振手段２２が発振したトリガ信号（電気信号）を超音波パルス発振手段２３の電気パルス信号生成部２８及び信号処理手段２５のＡＤコンバータ３２に送信する。トリガ信号は、超音波エコー信号を受信した時点と、ＡＤ変換を開始する時点とを合わせるため、すなわち、同期をとるために使用される。
【００６２】
次に、エミッショントリガ発振手段２２が送信したトリガ信号を電気パルス信号生成部２８が受信すると、電気パルス信号生成工程として電気パルス信号生成部２８は、電気パルス信号を生成し、生成した電気パルス信号を超音波パルス生成部２９へ送信する。超音波パルス生成工程として超音波パルス生成部２９は、受信した電気パルス信号を超音波パルスに変換し、得られた超音波パルスを発信する。
【００６３】
上述したエミッショントリガ発振手順のトリガ信号（電気信号）の発振から超音波パルス生成手順の超音波パルスの発信までの手順は、図２に示される機能ブロックに着目して説明したものであるが、今度は図１に示される測定システム構成に着目して説明する。
【００６４】
エミッショントリガ発振工程のトリガ信号（電気信号）の発振から超音波パルス生成工程の超音波パルスの発信までの手順は、パソコン１１及び超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２が協働して行なわれる。
【００６５】
生成された電気パルス信号は、パソコン１１からコネクタコード１４を介して接続されるトランスジューサ１５に送信され、トランスジューサ１５は電気パルス信号を受信する。トランスジューサ１５は、電気パルス信号を受信して、例えば４ＭＨｚの正弦波状の超音波バースト信号に変換し、超音波パルスの発振を行なう。
【００６６】
トランスジューサ１５は、超音波パルスのビームを金属配管１８内に投影する一方、超音波パルスの発振後、測定対象流体１７に混在する気泡やパーティクル粒子等の超音波反射体からの反射波の受信を開始し、得られた反射波の超音波エコー信号を受信する。受信した超音波エコー信号は、トランスジューサ１５からコネクタコード１４を介して接続されるパソコン１１に送信される。
【００６７】
パソコン１１が超音波エコー信号を受信すると、パソコン１１及び超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２が協働して、受信した超音波エコー信号の信号処理及び信号解析を行なう。パソコン１１及び超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２が協働して行なう超音波エコー信号の信号処理及び信号解析について図２を用いて説明する。
【００６８】
超音波受信手段２４が受信した超音波エコー信号は、信号処理手段２５が信号処理手順としての信号処理を行なう。信号処理手段２５が行なう信号処理手順は、超音波エコー信号に対して超音波周波数に応じたＢＰＦ処理を行なうＢＰＦ処理工程と、ＢＰＦ処理後の超音波エコー信号に対してＡＤ変換を行うＡＤ変換工程と、デジタル超音波エコー信号に対してＷＦ処理を行なうＷＦ処理工程とを備える。
【００６９】
信号処理手段２５が行なう信号処理手順としては、まず、ＢＰＦ処理工程として、ＢＰＦ処理部３１が超音波エコー信号に対して超音波周波数に応じたＢＰＦ処理を行ない、ＢＰＦ処理されてＡＤコンバータ３２に入力される超音波エコー信号をＡＤコンバータ３２が高速でデジタルサンプリング処理してデジタル化するＡＤ変換工程がなされる。
【００７０】
図４に、トリガ信号及び超音波エコー信号受信波形とＡＤコンバータ３２のサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図を示す。
【００７１】
図４において、横軸は時間軸、縦軸は信号レベルであり、上段はトリガ信号の時間変化、中段は超音波エコー信号受信波形の時間変化、下段はＡＤコンバータ３２のサンプリングのタイミングが図示される。図４の上段に示すようにトリガ信号は、例えば、所定時間（τ）間隔毎にパルス状の信号が次々と出力されている。このトリガ信号のタイミングに合わせて超音波エコー信号の受信及びＡＤコンバータ３２のサンプリングのタイミングが制御される。
【００７２】
ＡＤコンバータ３２は、図４の下段に示すように、超音波エコー信号を極めて短時間幅、例えば１μｓ毎にデジタルサンプリング処理して、デジタル超音波エコー信号を取得、すなわち、所要系列数の時系列データ（例えば、５１２系列分）を取得する。ＡＤコンバータ３２が、所要系列数分の時系列データの取得を完了すると、ＷＦ処理工程としてデジタル超音波エコー信号に対してＷＦ処理部３３がＷＦ処理を行なう。
【００７３】
ＷＦ処理部３３は、段落［００９４］〜［０１０１］に後述するＷＦ処理を行ない、クラッタノイズを低減する。ＷＦ処理が完了した超音波エコー信号は、信号解析手順２６により信号解析される。
【００７４】
信号解析手順として信号解析手段２６が行なう超音波エコー信号の信号解析とは、相互相関法を用いて超音波エコー信号を解析することにより、金属配管１８内を流れる流体１７の測定線（ステンレス管１８ａの直径方向線）ＭＬに沿う速度分布を求めること又はＭＬに沿う速度分布を求め、求めた流速分布をステンレス管１８ａの内部面積に沿って積分することにより流量を求めることをいう。
【００７５】
信号解析手順は、流体中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、この反射体位置・速度算出工程で算出した流体中の超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、この流速分布算出工程で算出した流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する流量算出工程とを備える。
【００７６】
信号解析手順としての超音波エコー信号の信号解析は、まず、反射体位置・速度算出工程として反射体位置・速度算出部３６が、超音波反射体群の位置及び速度を算出する。超音波反射体群の位置及び速度の算出は、極めて短時間幅、例えば１μｓ毎に５１２系列サンプリングされるデジタル超音波エコー信号の連続する系列、すなわち、ｎ番目の系列に含まれる反射波（参照波）４５とｎ＋１番目の系列（ｎは、１≦ｎ≦５１１を満たす整数）に含まれる反射波（探索波）４６との相互相関を計算する。
【００７７】
相互相関計算処理ステップとして行なう参照波４５と探索波４６との相互相関の計算は、探索窓の大きさを変動探索窓法（詳細は後述する）を用いて設定し、探索波４６における必要な探索範囲において参照波４５との相互相関をｎ＝１からｎ＝５１１まで行なう。そして、参照波４５と探索波４６との相互相関を計算し、相関値がある一定値（閾値）以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定ステップを行ない、続いて、位相差計算ステップにより特定した参照波４５及び探索波４６の位相差を求め、その位相差から超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出ステップを行なう。
【００７８】
このようにして、参照波４５と探索波４６との相関値がある一定値（閾値）以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなして、流体１７中で超音波を反射した各超音波反射体の位置及び速度を算出していく。そして、流速分布算出工程として算出された超音波反射体群の位置及び速度から流速分布算出部３７が流体１７の流速分布を算出する。
【００７９】
流速分布算出部３７は、得られた超音波反射体群の位置及び速度データから測定対象となる流体１７の流速分布を算出する。算出する流体１７の流速分布は、流体１７の流速を流体１７中に懸濁される超音波反射体群の速度とみなして、得られた超音波反射体群の位置及び速度データから金属配管１８（ステンレス配管１８ａ）の位置及びその位置における超音波反射体群の速度の関係、すなわち、金属配管１８内の流体１７の流速分布を算出する。
【００８０】
流体１７の流速分布が算出されると、続いて、流量算出工程として流量算出部３８が、算出された金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行ない流量を算出する。流量算出部３８が積分演算処理（流量算出）を完了すると、算出した流量をパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に表示する。
【００８１】
尚、信号解析手順は、反射体位置・速度算出工程と、流速分布算出工程と、流量算出工程とを備えているが、信号解析手順は、反射体位置・速度算出工程と、流速分布算出工程とを備える形態でも良い。この場合、超音波流速分布計及び流量計１０は、金属配管１８の内の流体１７の流速分布のみを算出し、流量の算出を行なわず、パソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流速分布が表示される。
【００８２】
［プログラムの処理フロー］
図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０において、パソコン１１が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理の内容（以下、超音波流速分布及び流量測定処理方法とする）について処理手順を追って説明する。
【００８３】
図５は、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０において、パソコン１１が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法を説明する処理フロー図である。
【００８４】
図５によれば、超音波流速分布及び流量測定処理方法は、受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、信号処理後の超音波エコー信号を信号解析して流体１７の流速分布及び流量を得る信号解析手順とを具備する。
【００８５】
信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するＢＰＦ処理を行なうＢＰＦ処理工程と、超音波エコー信号をＡＤ変換するＡＤ変換工程と、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズ成分を低減するＷＦ処理工程とを備える。
【００８６】
信号解析手順は、測定対象である流体１７中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、反射体位置・速度算出工程で算出した超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、流速分布算出工程で算出した流速分布から流体１７の流量を算出する流量算出工程とを備える。
【００８７】
超音波流速分布及び流量測定処理方法が具備する信号処理手順及び信号解析手順の各処理工程の処理内容について説明する。
【００８８】
図５に示される超音波流速分布及び流量測定処理方法では、まず、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を読み出し実行して、信号処理手順（ステップＳ１〜ステップＳ３）及び信号解析手順（ステップＳ４〜ステップＳ６）を実行する。
【００８９】
超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号処理手順は、ステップＳ１でＢＰＦ処理工程が、ステップＳ２でＡＤ変換工程が、ステップＳ３でＷＦ処理工程がなされる。
【００９０】
ステップＳ１でなされるＢＰＦ処理工程は、図１に示されるトランスジューサ１５から受信した超音波エコー信号に対して、測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみを抽出する。抽出する周波数帯幅は、使用する超音波パルスの周波数に応じて測定開始以前に入力設定して行なう。
【００９１】
ＢＰＦ処理工程の具体的な処理内容は、図２に示されるＢＰＦ処理部３１の構成によって異なる。例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）により構成されるＢＰＦ処理部３１の場合、ローパスフィルタリング処理及びハイパスフィルタリング処理による２段階処理となるが、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により構成されるＢＰＦ処理部３１の場合は、バンドパスフィルタリング処理による１段階処理となる。しかし、どちらの例であっても、最終的には測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみが抽出される。
【００９２】
超音波エコー信号に対し、測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみを抽出すると、ＢＰＦ処理工程（ステップＳ１）は完了し、続いてＡＤ変換工程（ステップＳ２）がなされる。ステップＳ２でなされるＡＤ変換工程は、ステップＳ１のＢＰＦ処理工程でＢＰＦ処理後の超音波エコー信号をデジタルサンプリングして時系列データ（例えば、５１２系列分）を取得する。サンプリング数の設定（例えば、１系列当たりのサンプリング数）は、測定開始以前に入力設定して行なう。
【００９３】
取得された時系列データに対しデジタルサンプリングが完了すると、ＡＤ変換工程（ステップＳ２）は完了する。ＡＤ変換工程（ステップＳ２）が完了すると、続いて、ＷＦ処理工程（ステップＳ３）がなされる。ステップＳ３でなされるＷＦ処理工程は、ステップＳ２のＡＤ変換工程でデジタル化した超音波エコー信号に対して、ＷＦ（ウォールフィルタ）を用いたフィルタリング処理である。
【００９４】
図６に、信号処理手順におけるＷＦ処理工程（ステップＳ３）のより詳細な処理ステップを表した処理フロー図を示す。
【００９５】
図６によれば、図５に示されるステップＳ３のＷＦ処理工程は、各系列のデジタル超音波エコー信号（時系列データ）において、系列数と信号レベルとの関係を得る対応時刻エコーレベル信号取得ステップ（ステップＳ１１）と、対応時刻エコーレベル信号取得ステップで得られた信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理するＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１２）と、ＦＦＴ処理後の信号の周波数相当成分に対し、Ｓ／Ｎ比を閾値としたフィルタリング処理を施すクラッタノイズ低減処理ステップ（ステップＳ１３）と、クラッタノイズ低減処理ステップ後の信号を逆ＦＦＴ処理する逆ＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１４）とを備える。
【００９６】
ステップＳ３のＷＦ処理工程では、まず、ステップＳ１１でデジタル超音波エコー信号の各系列において、各系列の開始時刻からの経過時刻τ１等の対応する任意の時刻（以下、対応時刻とする）において信号レベルを取得する（以下、取得した信号レベルを系列数１から並べて構成される信号を対応時刻エコーレベル信号とする）。
【００９７】
同様にして、τ１以外の対応時刻τ２・・・・τｊ（ｊは任意の自然数：上記例では少なくともｊ≧３）についても各系列の信号レベルを取得する。尚、信号レベルを取得する対応時刻の数は、事前にプログラミングしても良いし、測定開始前に入力設定するようにしても良い。対応時刻エコーレベル信号を得ると、対応時刻エコーレベル信号取得ステップ（ステップＳ１１）は完了し、ステップＳ１２で、ＦＦＴ処理ステップがなされる。
【００９８】
ステップＳ１２のＦＦＴ処理ステップでは、対応時刻エコーレベル信号をＦＦＴ処理して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得る。対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得ると、ＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１２）は完了し、続いて、ステップＳ１３で、クラッタノイズ低減処理ステップがなされる。
【００９９】
ステップＳ１３のクラッタノイズ低減処理ステップでは、対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分の棄却を行なう。これにより、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズが低減される。クラッタノイズ低減処理ステップにおけるフィルタリング処理の閾値設定は、測定開始以前に入力設定して行なう。
【０１００】
クラッタノイズ低減処理ステップ（ステップＳ１３）が完了したら、続いて、ステップＳ１４で逆ＦＦＴ処理ステップがなされ、クラッタノイズ低減処理後の対応時刻超音波エコー信号の周波数成分に対して、逆ＦＦＴ処理を行った後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号（時系列データ）を再構築する。
【０１０１】
ステップＳ１４の逆ＦＦＴ処理ステップを完了してデジタル超音波エコー信号を得ると、図５に示されるステップＳ３のＷＦ処理工程が完了する。また、ＷＦ処理工程（ステップＳ３）が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号処理手順は、全処理工程を完了する。信号処理手順が完了すると、続いて、信号解析手順（ステップＳ４〜ステップＳ６）がなされる。
【０１０２】
図５に示される超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号解析手順は、流体１７中の超音波反射体の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程（ステップＳ４）と、反射体位置・速度算出工程で算出した超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程（ステップＳ５）と、流速分布算出工程で算出した流速から流体１７の流量を算出する流量算出工程（ステップＳ６）とを備える。
【０１０３】
超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号解析手順は、ステップＳ４で反射体群位置・速度算出工程が、ステップＳ５で流速分布算出工程が、ステップＳ６で流量算出工程がなされる。
【０１０４】
図７に、信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ４）のより詳細な処理ステップを表した処理フロー図を示す。
【０１０５】
図７によれば、図５に示されるステップＳ４の反射体群位置・速度算出工程は、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）と、位相特定ステップ（ステップＳ２２）と、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）と、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）と、探索完了判別ステップ（ステップＳ２５）とを備える。
【０１０６】
反射体群位置・速度算出工程は、まず、ステップＳ２１で相互相関計算処理ステップがなされ、相互相関法による参照波４５及び探索波４６の相互相関を計算し相関値を算出する。相関値の算出は、探索波４６の探索窓の大きさを変動探索窓法（詳細は後述する）を用いて設定し、探索波４６の探索範囲において、参照波４５の参照範囲との相互相関を計算することでなされる。相関値の算出が完了すると、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）は完了し、続いて、ステップＳ２２で位相特定ステップがなされる。
【０１０７】
ステップＳ２２の位相特定ステップでは、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）で得られた相関値が閾値ｓ以上となる関係を有する探索波４６の位相が特定される。閾値ｓは、ＰＧ実行前又は実行時に設定する。位相特定ステップ（ステップＳ２２）は完了し、続いて、ステップＳ２３で位相差計算ステップがなされる。
【０１０８】
ステップＳ２３の位相差計算ステップでは、特定した探索波４６の位相と参照波４５の参照した位相との位相差を計算する。位相差の計算が完了すると、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）は完了し、続いて、ステップＳ２４で位置・速度算出ステップがなされる。
【０１０９】
ステップＳ２４の位置・速度算出ステップでは、計算した位相差から探索波４６の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度を算出する。探索波４６の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度の算出が完了すると、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）は完了し、続いて、ステップＳ２５の探索完了判別ステップがなされる。
【０１１０】
ステップＳ２５の探索完了判別ステップでは、探索波４６において探索を行なう全ての探索範囲について探索が完了したかを判別する。全ての探索範囲について探索が完了していない場合（ステップＳ２５でＮＯの場合）には、ステップＳ２１に進み、ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返す。ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返すことで、流体１７中を流動する超音波反射体群の位置及び速度が算出される。一方、全ての探索範囲について探索が完了している場合（ステップＳ２５でＹＥＳの場合）には、反射体群位置・速度算出工程を終了する。
【０１１１】
図５に示すように信号解析手段２６で反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ４）が完了すると、続いて、流速分布算出工程（ステップＳ５）がなされる。ステップＳ５の流速分布算出工程では、反射体群位置・速度算出工程で算出された反射体群位置及び速度から超音波反射体群の位置と速度との関係、すなわち、流速分布が算出される。流速分布算出の際は、各系列における同じ対応時刻（例えば、対応時刻τ１）において同位置で取得された全ての超音波反射体の速度を加算平均又は２乗平均して算出する。
【０１１２】
流速分布が算出されると、流速分布算出工程（ステップＳ５）を完了し、続いて、流量算出工程（ステップＳ６）がなされる。ステップＳ６の流量算出工程では、算出した金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算を行なうことで流量を算出する。この時、金属配管１８の内径Ｄ等の流速分布以外に積分演算に必要な情報は、超音波流速分布及び流量測定処理がなされる前に入力設定しておく。
【０１１３】
流量の算出が完了すると、流量算出工程（ステップＳ６）は完了し、信号解析手順は全処理工程を完了する。信号解析手順が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における全処理手順を完了する。超音波流速分布及び流量測定処理結果の表示は、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２の全処理手順を完了後、基本処理ＰＧ２０を読み出して実行することでなされる。
【０１１４】
尚、図１に示される超音波流速分布計及び流量計１０が流速のみの算出を行なう場合には、超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号解析手順において、流量算出工程（ステップＳ６）は省略され、流速分布算出工程（ステップＳ５）の完了後、流速分布の表示がなされる。
【０１１５】
また、上述した超音波流速分布及び流量測定処理方法では、算出した流速分布又は流量は、パソコン１１が基本処理ＰＧ２０を読み出して実行することでなされるが、流速分布又は流量の表示までの処理操作を超音波流速分布及び流量測定ＰＧ１２を実行することにより行ない得るようにしても良い。
【０１１６】
［超音波流速分布計及び流量計の測定原理］
図３に示すように、水中に存在するステンレス管１８ａに超音波流速分布計及び流量計１０のトランスジューサ１５をセットし、超音波反射体としてトレーサ粒子４８を懸濁させた流体としての水１７をステンレス管１８ａ内に流したときの流体１７の流速分布を測定する。
【０１１７】
図８に、金属配管１８内を流動するトレーサ粒子（超音波反射体）４８の移動を説明する説明図を示す。
【０１１８】
超音波流速分布計及び流量計１０における流体１７の流速分布及び流量測定は、図８に示すように、時刻ｔ＝ｔ０において、流体１７中をビーム状に直進する超音波（以下、超音波ビームとする）４９が補足したトレーサ粒子４８が、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおいて、超音波ビーム４９が補足するトレーサ粒子４８の流体１７中の移動量Δｘを求めることにより行なう。
【０１１９】
流体１７の流速分布を測定する際、トランスジューサ１５の圧電素子から超音波パルスを測定線ＭＬに沿って発信させると、発信された超音波パルスは、超音波反射体であるトレーサ粒子４８の表面で反射し、トランスジューサ１５に戻ってくる。この反射波は、ステンレス管１８ａ内の流動場の各所で起こるため、図９に示すように反射波が表われる。
【０１２０】
図９において、最初に表われる超音波バースト信号（超音波エコー信号）ａは、エミッション領域と呼ばれ、超音波の発振直後に圧電素子の振動が残っているために生じる信号である。次に出てきた超音波バースト信号ｂは管上部によるものであり、水とステンレスの音響インピーダンスの違いから生じる信号であり、管下部による超音波バースト信号ｃも、信号ｂと同様である。超音波バースト信号ｂとｃの間にある信号ｄがステンレス管１８ａ内の流体流速情報を含んでおり、ピークが立っているところにトレーサ粒子４８が存在する。
【０１２１】
トレーサ粒子４８の位置を反射波である超音波バースト信号ｄから求める。トランスジューサ１５からトレーサ粒子４８までの距離をｘ、超音波パルスを発振してから反射波を受信するまでの時間をτ、超音波の速度をｃとすると、
【数１】
0003669588.tif 000002
の関係が成立する。
【０１２２】
この超音波パルスの発振と反射波の受信をある時間間隔Δｔ後にもう一度行なうと、同様の反射波を得ることができるが、超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔の間に流体１７が移動すれば、トレーサ粒子４８も追従移動する。このため、反射波受信までの時間τも変化する。
【０１２３】
図１０は、相互相関法による流体の流速を測定する測定原理を説明した説明図である。
【０１２４】
図１０に示すように、ｘをトランスジューサ１５からの距離、Δｘを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に移動したトレーサ粒子４８の移動量、τを超音波パルス発射時点からの時間遅れ、Δτを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に変化した超音波パルス発射時点からの時間遅れとすると、ある位置ｘにおけるｘ方向速度ｕ（ｘ）は、
【数２】
0003669588.tif 000003
で表わされる。
【０１２５】
超音波パルスの反射は、測定線ＭＬ上の各所で起こるため、この測定線ＭＬ上における流体の流速計測を同時に行なうことができ、流体の流速分布を得ることができる。
【０１２６】
流体の流速分布計測を超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔でｎ回（但し、ｎ≧２の自然数）連続的にパルス信号を入力して行なった場合、時間分解能Δｔの連続流速分布データをｎ−１枚取得することができる。
【０１２７】
［相互相関関数］
ところで、超音波反射体であるトレーサ粒子による反射波は、超音波パルスの発振間隔Δｔを、流体の流速変動スケールに対して十分小さくとることにより、その時間間隔（発振間隔）Δｔの間でほぼ保存される。
【０１２８】
超音波流速分布計及び流量計１０の信号処理手段２５は、入力された反射波のアナログ超音波エコー信号をＡＤコンバータ３２で高速サンプリング処理してデジタル信号に変換した後、超音波パルスの発振間隔Δｔをもって得られた２つの反射波の相互相関関数を計算する。そして、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で、相互相関に設定した最大値に対する閾値、又は相互相関の形状保存性に対する閾値を設定することにより、定量化した数値を基に同一のトレーサ粒子群からの反射であるか否かを判断することができる。
【０１２９】
一般的に、相互相関関数（Ｒ（ε，τ））は次のように定義される。
【数３】
0003669588.tif 000004
τが基準となる時間遅れ、ｉが参照・探索窓内での位置、εが参照波と探索窓とのずれ、ｍは超音波パルスの周期分をそれぞれ表している。
【０１３０】
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）を用いて同一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを定量的に判別し、それぞれの時間遅れτを計算し、そこから時間変化量Δτを求める。つまり、最初に得られた反射波（参照波）と、次の反射波（探索波）との時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間遅れτの差（時間差）がΔτとなる。
【０１３１】
一方、流体の流速分布速度を得るために必要な超音波パルスの発振間隔Δｔによる反射波の到達時間差Δτは、デジタルサンプリングされた反射波の相互相関関数を用いることにより得られる。
【０１３２】
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）は反射波のサンプリング時間間隔をもった離散的なもので得られ、超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすればするほど、トレーサ粒子群からのパルス反射波の形状は保存されるため、より細分割したメッシュでΔτを求める手法が不可欠である。
【０１３３】
そこで超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすべく、例えば正規分布近似を利用した補完を行なうことができる。この補完により、より細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求めることができ、その結果速度分解能も向上する。
【０１３４】
今、離散的に得られた各相関値の最大値をＰｋ、その前後の相関値をそれぞれＰｋ−１，Ｐｋ＋１とすれば、
【数４】
0003669588.tif 000005
となる。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においては、この分布近似を利用した補完を行なって信号処理することにより、速度分解能を格段に向上させることができる。
【０１３５】
［ウォールフィルタによるクラッタノイズ低減手法］
超音波流速分布計及び流量計１０において、測定対象流体１７を案内する流体配管に金属配管１８を用いた場合、測定対象流体１７の流速分布及び流量測定を行なうと、受信した超音波エコー信号には、クラッタノイズと呼ばれるノイズ成分が顕著に重畳する。このノイズ成分によって誤ったトレーサ粒子の位置及び速度情報を得る可能性がある。これを避けるため、ＷＦによるクラッタノイズ低減処理を行なう。以下、ＷＦによるクラッタノイズ低減処理方法について説明する。
【０１３６】
図１１に、トリガ信号、超音波エコー信号及びクラッタノイズの時系列変化を説明した説明図を示す。
【０１３７】
図１１に示すように、個々の系列のクラッタノイズは、どの系列においてもその１つ１つは略同様であり、時間の経過に伴い減衰振動するノイズである。このクラッタノイズは、系列数分のノイズが時間差τずつスライドして重畳したノイズとなるので、様々な周波数成分を有するとともに、図１１に示すような１番目〜ｎ番目の系列の開始時点ごとにｎ個のピークを有する。
【０１３８】
従って、従来のＬＰＦ及びＨＰＦを用いたフィルタリング処理やＢＰＦを用いたフィルタリング処理では、様々な周波数成分を有するクラッタノイズを有効にフィルタリング処理できず、クラッタノイズの生じる部分をトレーサ粒子群からの超音波パルスの反射波として捉え、クラッタノイズを誤って有効信号として信号解析がなされていた。
【０１３９】
そこで、クラッタノイズを有効信号として捉えるのを防止し、このクラッタノイズを有効信号に対して十分に低減するべくＷＦを使用したフィルタリング処理（ＷＦ処理）を行なう。ＷＦ処理では、まず、デジタル超音波エコー信号から対応時刻エコーレベル信号が取得される。
【０１４０】
図１２に、デジタル超音波エコー信号の系列数（ｎ）と信号レベルとの関係、すなわち、対応時刻エコーレベル信号について説明した説明図を示す。
【０１４１】
図１２（Ａ）は、デジタル超音波エコー信号を１番目の系列（以下、系列＃１とする。その他の順番についても同様）からｎ番目の系列まで並べて図示したものである。図１２（Ａ）において、横軸Ｔは時間軸であり、図１１に示される各系列の開始時刻（Ｔ＝０）からの経過時刻を示し、縦軸は信号レベルを示す。尚、Ｔ＝τは、図１１に示されるエミッショントリガの発振周期τに対応する。
【０１４２】
一方、図１２（Ｂ）は、対応時刻エコーレベル信号を図示したものであり、対応時刻エコーレベル信号は、対応時刻Ｔ＝τ１における各系列（系列＃１〜系列＃ｎ）のデジタル超音波エコー信号の信号レベルを系列番号順にプロットしたものである。図１２（Ｂ）に示される対応時刻エコーレベル信号は、図１２（Ａ）に示されるＴ＝τ１において、系列＃１〜系列＃ｎのデジタル超音波エコー信号をサンプリングして得られる。図１２（Ｂ）は、系列♯ｎのデジタル超音波エコー信号をサンプリングし、各系列のデジタル超音波エコー信号のＴ＝τ１における信号レベルと系列番号との相関を表わすものである。
【０１４３】
図１２（Ｂ）に示される対応時刻エコーレベル信号は、例えば、対応時刻１００００点等の設定された任意の個数ｊ個分構成される（ｊは任意の自然数）。このようにして得られた各対応時刻エコーレベル信号に対してＦＦＴ処理を行ない、対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を取得し、この周波数相当成分から低周波相当成分を棄却することでクラッタノイズ成分を低減させる。その後、逆ＦＦＴ処理を行ない時系列順に並べ直して超音波エコー信号を復元する。
【０１４４】
図１３は、従来の相互相関法を用いた場合に得られる流速分布と、ウォールフィルタＷＦによるクラッタノイズ低減手法を用いた場合に得られる流速分布とを対比した説明図である。尚、図１４において、横軸は金属配管１８の深さ方向（図３に示されるｙ軸方向）における金属配管１８内の位置であり、縦軸は流体の平均速度である。
【０１４５】
図１３によれば、従来の相互相関法を用いた場合に得られる流速分布（図中◇で示された分布）は、金属配管１８内の各所において流速が略０となっており、現実と矛盾する測定結果となっている。これに対し、ウォールフィルタＷＦによるクラッタノイズ低減手法を用いた場合に得られる速度分布（図中△で示された分布）では、金属配管１８内の位置の変化に応じた流速が得られている。すなわち、超音波流速分布計及び流量計１０を用いて、金属配管１８の内部を流動する流体１７の流速分布及び流量測定を行なう場合、ウォールフィルタＷＦによるクラッタノイズ低減手法が有効に機能していると考えられる。
【０１４６】
［変動探索窓法の採用］
従来の相互相関法では、参照波及び探索波の相互相関を計算する際、エミッショントリガの発振周期τによらず探索窓の大きさを一定にして相互相関の演算を行なう固定探索窓法が採用されており、設定する探索窓の大きさは、経験的な勘によって適当な大きさに設定されていた。
【０１４７】
しかし、金属管内１８の速度及び速度変動は、その位置によって異なるので、各τに一定の探索窓を設定して相互相関演算を行なうことが必ずしも妥当であるとはいえない。また、探索窓の大きさの設定の際に経験的な勘によらない手法を確立する要請がある。そこで、本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においては、探索窓の大きさをτごとに設定した変動探索窓法を採用する。
【０１４８】
変動探索窓法とは、探索窓の大きさをエミッショントリガの発振周期τごとに設定する手法であり、信号解析手順の反射体位置・速度算出工程において参照波及び探索波の相互相関を計算する際に用いる。変動探索窓法における参照波及び探索波の相互相関の計算は、まず、図１２に示されるような各τにおいてデジタル超音波エコー信号のレベルを取得した対応時刻エコーレベル信号をＦＦＴして求まる平均周波数ｆＧ及びＲＭＳ値σを算出する。
【０１４９】
次に、統計学のいわゆる３σルール（正規分布においては、平均値±３σの範囲に全体の９９．７％が包含される）により、出現し得る周波数帯を平均周波数ｆＧ±３σの範囲とみなし、存在し得る超音波反射体の速度の最小値ｕｍｉｎ及び最大値ｕｍａｘをｆＧ＋３σ、ｆＧ−３σから求める。
【数５】
0003669588.tif 000006
【０１５０】
次に、上述した数式５の考え方から探索窓の大きさΔτｍｉｎ及びΔτｍａｘを決定する。
【０１５１】
【数６】
0003669588.tif 000007
【０１５２】
図１４に、図１及び図３に示される測定システムにおいて実測値から得られるトランスジューサからの距離と探索窓の大きさΔτとの関係を示し、図１５に変動探索窓法により参照波及び探索波の相互相関を求めた場合に測定される平均速度分布を示す。
【０１５３】
図１４に示されるように横軸の約１５ｍｍ〜約７０ｍｍの区間において、平均周波数ｆＧの場合の探索窓の大きさΔτは、ｆＧ＋３σ、ｆＧ−３σにおける探索窓の大きさに挟まれた比較的狭小な範囲内に密に分布していることから、精度良く探索窓の大きさが設定できると考えられる。また、図１５によれば、変動探索窓法により求めた平均速度分布（図１５中の◇：Ａｕｔｏｍａｔｉｃに対応）は、固定探索窓法により求めた平均速度分布（図１５中の◆：Ｆｉｘｉｎｇに対応）とほとんど同じであり変動探索窓法が有効であると判断できる。
【０１５４】
尚、横軸０〜約１５ｍｍの区間及び約７０ｍｍ以降の区間では、図１４において、ｆＧ＋３σ及びｆＧ−３σにおける探索窓の大きさの幅が大きいが、これらの箇所は、カプラ、金属配管１８の肉厚分又は金属配管１８の外部に対応する距離であり、流体の流速分布及び流量の測定には不要な区間である。また、図１５では、図１４において探索窓の大きさの幅が大きくなる横軸０〜約１５ｍｍの区間及び約７０ｍｍ以降の区間、すなわち、流体の流速分布及び流量の測定には不要な区間においては、平均速度０［ｍ／ｓ］となっている。
【０１５５】
［エミッショントリガの導入］
超音波流速分布計及び流量計１０では、正弦波上の超音波パルスの発振に用いる超音波パルス発信手段２３及びアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ３２の制御を外部トリガであるエミッショントリガによって行なう。エミッショントリガを導入することにより、超音波パルス発信手段２３及びＡＤコンバータ３２のタイミング制御がより正確になされる。
【０１５６】
一方、ＡＤコンバータ３２のサンプリング周波数を数百ＭＨｚのオーダーで設定する場合、厳密にトリガ通りに動かすことは非常に難しく、周波数シフトが生じる。そこで、トランスジューサ１５からの超音波パルスの発振直後に反射波に生じるエミッション領域に注目し、先に受信した反射波のエミッション領域を探索波、後に受信した反射波のエミッション領域を参照波としての相互相関の計算を行ない、時間変化量Δτを求める。
【０１５７】
さらに分布近似による補完を行ない、相互相関の計算を行なう前に、このΔτの分だけ修正する。但し、反射波のサンプリング時間間隔で修正を行った後、より小さい離散間隔で細分割したメッシュで最後に計測線上の各点でのΔτに修正を加え、エミッショントリガ発振手段２２からのトリガによる微妙な時間のずれを補正する。
【０１５８】
エミッショントリガ発振手段２２から発振されるエミッショントリガの発振制御は、予めプログラミングして設定したり、測定開始前にトリガ信号の周波数等の諸設定を受け付ける等して自由に行なうことができる。
【０１５９】
図１６は、超音波流速分布計及び流量計１０とレーザードップラー流速計（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＬＤＶ）とによる流体の平均流速分布を比較した説明図である。
【０１６０】
図１６において、一方（図中■で示された分布）は、超音波流速分布計及び流量計１０を用いて得られる流速分布であり、トランスジューサ１５を金属配管１８に対して傾け、３０００時刻分の時間平均をとって算出した平均流速分布である。他方（図中□で示された分布）は、ＬＤＶの測定により得られる平均流速分布である。図１６によれば、超音波流速分布計及び流量計１０を用いて得られる流速分布は、ＬＤＶの測定に対する平均流速分布と非常によく一致する流速分布が得られたことから、超音波流速分布計及び流量計１０が高精度に流体の流速分布及び流量測定を行ない得ることがわかった。
【０１６１】
以上のことから、超音波流速分布計及び流量計１０は、例えば、クラッタノイズ等の定在的な（時間によらない）ノイズに対して、超音波エコー信号が微弱な場合にあっても、ノイズレベルを低減し、ノイズ成分による測定誤差を抑制し精度良く流体１７の流速分布及び流量を測定することができる。
【０１６２】
実施形態の説明では、図１等に示すように測定対象流体１７を案内する流体配管が金属配管１８の場合を一例に説明したが、定在的なノイズに対して、超音波エコー信号が微弱な場合の他の具体例としては、
１）ポンプの電源ノイズ又はインバータノイズが混入する環境下において、流体配管（金属配管１８以外の非金属配管、例えば、アクリル配管又は塩化ビニル配管等を含む）を流動する流体の流速分布又は流量測定を行なう場合、
２）金属配管１８を流動する流体１７にトランスジューサ１５表面を直接接液させて流速分布又は流量測定を行なう場合、
３）上記１）及び２）の場合において、超音波反射体の音響インピーダンスが被測定流体１７の音響インピーダンスに近い場合、
４）上記１）及び２）の場合において、超音波反射体の体積が小さい場合、
５）上記１）及び２）の場合において、超音波反射体の密度が小さい場合等がある。
【０１６３】
【発明の効果】
本発明に係る超音波流速分布計及び流量計、超音波流速分布及び流量測定方法並びに超音波流速分布及び流量測定プログラムによれば、例えば、測定対象流体を案内する流体配管が金属配管の場合のように、クラッタノイズが超音波エコー信号に重畳して、流体配管に定在的なクラッタノイズに対して、超音波エコー信号が微弱な場合においても、超音波エコー信号に対してクラッタノイズ成分を十分低減することが可能であり、流体の流速分布及び流量を精度よく測定することができる。
【０１６４】
また、超音波エコー信号に対してクラッタノイズ成分を十分低減することが可能なため、定在的なノイズの発生要因が測定システムの外部にある場合（例えば、ポンプの電源ノイズが混入する場合）にあっても、流体の流速分布及び流量を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を概略的に表した測定システムであり、実験設備に適用した測定システムの構成概略図。
【図２】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態である超音波流速分布計及び流量計の機能ブロック図。
【図３】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の一実施形態を実験設備に適用した測定システムにおいて、測定対象流体の供給元及び金属配管周辺をより詳細に表した説明図であり、（Ａ）は金属配管の平断面図、（Ｂ）は測定試験領域を示す断面図。
【図４】  トリガ信号及び超音波エコー信号受信波形とＡＤコンバータのサンプリングのタイミングとの関係を説明する説明図。
【図５】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計において、パソコンが超音波流速分布及び流量測定ＰＧを実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法の処理フロー図。
【図６】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においてなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号処理手順におけるＷＦ処理工程の処理ステップを表した処理フロー図。
【図７】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においてなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法の信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程の処理ステップを表した処理フロー図。
【図８】  金属配管内を流動する流体中に懸濁するトレーサ粒子（超音波反射体）の移動を説明する説明図。
【図９】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計のトランスジューサから発振される超音波パルスの反射波である超音波エコー信号について説明する説明図。
【図１０】  相互相関法による流体の流速を測定する測定原理を説明した説明図。
【図１１】  トリガ信号（上段）、超音波エコー信号（中段）及びクラッタノイズの時系列変化（下段）を説明した説明図。
【図１２】  （Ａ）は、デジタル超音波エコー信号を１番目の系列からｎ番目の系列まで並べて示した説明図であり、（Ｂ）は対応時刻エコーレベル信号を示した説明図。
【図１３】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計を用いて金属配管の内を流動する流体の流速分布を測定する場合において、従来の相互相関法を用いた場合と、ＷＦによるクラッタノイズ低減手法を用いた場合とを対比した説明図。
【図１４】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計の測定システムにおいて実測値から得られるトランスジューサからの距離と探索窓の大きさΔτとの関係を表した説明図。
【図１５】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計において採用される変動探索窓法により参照波及び探索波の相互相関を求めた場合に測定される平均速度分布と、従来の超音波流速分布計及び流量計において採用される固定探索窓法により参照波及び探索波の相互相関を求めた場合に測定される平均速度分布とを比較した説明図。
【図１６】  本発明に係る超音波流速分布計及び流量計とレーザードップラー流速計（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＬＤＶ）とによる流体の平均流速分布を比較した説明図。
【符号の説明】
１０  超音波流速分布計及び流量計
１１  パソコン
１２  超音波流速分布及び流量測定ＰＧ
１４  コネクタケーブル（信号線）
１５  トランスジューサ
１７  測定対象流体（被測定流体）
１８  金属配管
１８ａ  ステンレス管
２０  基本処理ＰＧ
２２  エミッショントリガ発振手段
２３  超音波パルス発振手段
２４  超音波受信手段
２５  信号処理手段
２６  信号解析手段
２８  電気パルス信号発振部
２９  超音波パルス発振部
３１  ＢＰＦ（バンドパスフィルタリング）処理部
３２  ＡＤコンバータ
３３  ＷＦ（ウォールフィルタフィルタリング）処理部
３６  反射体位置・速度算出部
３７  流速分布算出部
３８  流量算出部
４１  オーバフロータンク
４２  縮流器
４３  流体配管設置容器
４５  参照波
４６  探索波
４８  トレーサ粒子（超音波反射体）
４９  超音波ビーム
【図１】
0003669588.tif 000008
【図２】
0003669588.tif 000009
【図３】
0003669588.tif 000010
【図４】
0003669588.tif 000011
【図５】
0003669588.tif 000012
【図６】
0003669588.tif 000013
【図７】
0003669588.tif 000014
【図８】
0003669588.tif 000015
【図９】
0003669588.tif 000016
【図１０】
0003669588.tif 000017
【図１１】
0003669588.tif 000018
【図１２】
0003669588.tif 000019
【図１３】
0003669588.tif 000020
【図１４】
0003669588.tif 000021
【図１５】
0003669588.tif 000022
【図１６】
0003669588.tif 000023