(57)【要約】  測定装置１００は、配管９９内を流れる媒質９８中に超音波を伝搬させて受信する測定ユニット１０、受信された少なくとも２つの超音波の受信信号の波形の差分をとった差分信号を算出する差分算出部２３ａ、及び差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、超音波の送信に対する受信タイミングを特定する特定部２３ｄを備える。差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて受信タイミングを特定することで、この受信タイミングを用いて媒質９８の流速を精度よく測定することができる。
2017134835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒質に対して第１測定波および第２測定波を伝搬させて受信する測定ユニットと、
受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとった差分信号を算出する差分算出部と、
前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する特定部と、
を備える測定装置。
【請求項２】
前記差分算出部は、受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとって、前記第１測定波および前記第２測定波における対象信号成分の振幅差に応じた前記差分信号を算出する請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記測定ユニットは、前記媒質に対して複数の測定波を伝搬させて受信し、
前記差分算出部は、前記複数の測定波のうちの前記第１測定波および前記第２測定波の２以上の組のそれぞれについて、前記差分信号を算出し、
前記特定部は、前記差分算出部が算出した２以上の前記差分信号のそれぞれに含まれる対象信号成分に基づいて、前記測定波の送信に対する受信タイミングを特定する
請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記特定部は、前記差分算出部が算出した２以上の前記差分信号のそれぞれに含まれる対象信号成分に基づいて、前記測定波の送信に対する平均の受信タイミングを特定する請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記測定ユニットは、前記複数の測定波を順次前記媒質に対して伝搬させ、
前記差分算出部は、前記複数の測定波のうちの前記第１測定波と、前記第１測定波よりも２個以上後の前記第２測定波との差分をとって前記差分信号を算出する請求項３または４に記載の測定装置。
【請求項６】
前記差分信号の絶対値が最大となる点の極性に応じて、前記差分信号に含まれる対象信号成分の極性を判定する極性判定部を更に備え、
前記特定部は、前記差分信号に含まれる対象成分および前記極性判定部により判定された極性に基づいて、前記測定波の送信に対する受信タイミングを特定する
請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記特定部は、
第１測定モードにおいて、前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定し、
第２測定モードにおいて、前記第１測定波および前記第２測定波の少なくとも一方の測定波に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記差分信号の振幅が基準値以上である場合に前記第１測定モードを選択し、前記差分信号の振幅が基準値未満である場合に前記第２測定モードを選択するモード選択部を更に備える請求項７に記載の測定装置。
【請求項９】
複数組の前記第１測定波および前記第２測定波に応じた複数の前記差分信号のうち、予め定められた数または割合以上の差分信号の振幅が基準値以上であるか否かに応じて、前記第１測定モードおよび前記第２測定モードのいずれかを選択する請求項７に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記測定ユニットは、前記媒質に対して、前記第１測定波および前記第２測定波の第１組と、前記第１組の測定波とは逆方向に伝搬する前記第１測定波および前記第２測定波の第２組とを伝搬させて受信し、
前記差分算出部は、前記第１組の前記第１測定波および前記第２測定波に対する第１差分信号と、前記第２組の前記第１測定波および前記第２測定波に対する第２差分信号とを算出し、
前記特定部は、前記第１差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、前記第１組の測定波に対する第１受信タイミングを特定し、前記第２差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、前記第２組の測定波に対する第２受信タイミングを特定し、
当該測定装置は、前記第１受信タイミングおよび前記第２受信タイミングに基づいて、前記媒質の流速を算出する流速算出部を更に備える
請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記測定ユニットは、流体である前記媒質に対して超音波の前記第１測定波および前記第２測定波を伝搬させて受信する請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１２】
媒質に対して第１測定波および第２測定波を伝搬させて受信する段階と、
受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとった差分信号を算出する段階と、
前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する段階と、
を備える測定方法。
【請求項１３】
媒質に対して第１測定波および第２測定波を伝搬させて受信する手順と、
受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとった差分信号を算出する手順と、
前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する手順と、
をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置、測定方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波が媒質中を伝搬する時間を測定することで、媒質が流れる速度（すなわち、流速）又は量（すなわち、流量）を測定すること、また媒質の成分を特定することができる。【０００３】
超音波を用いる流速の測定法には、トリガ法及び相関法がある（例えば、特許文献１参照）。トリガ法では、超音波を流体中に流れの方向に伝播した際の伝播時間と逆方向に伝播した際の伝播時間とを測定し、それらの結果の差分から流速が求められる。トリガ法は、流速を精密に測定することができるが、流体中に異物が含まれる場合、例えば液状の流体中に気泡が含まれる場合或いは気体状の流体中に液滴が含まれる場合には、超音波が異物により散乱されることにより測定精度が著しく低下するという欠点がある。相関法では、超音波を流体中に流れの順方向及び逆方向にそれぞれ伝播させて受信し、それぞれの波形の相関から流速が求められる。相関法は、流体中にある程度の量の異物が含まれる場合でも流速を測定することができるが、トリガ法と比べると、測定精度が劣るという欠点がある。【０００４】
超音波を用いる媒質成分の特定では、媒質中での超音波の伝播時間を測定し、その結果に基づいて媒質を特定する。この方法も、トリガ法と同様に、流体中に異物が含まれる場合、超音波が異物により散乱して波形が乱れることにより特定精度が著しく低下するという欠点がある。
特許文献１  特開２０１０−３８６６７号公報
特許文献２  特許第５３２６６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
媒質中に異物が含まれる場合、超音波は異物により散乱されることで振幅を弱め、散乱が疎らな場合には部分的に振幅を弱める。それにより信号対雑音比（ＳＮ比）が低下する。そこで、例えば、複数の超音波の受信信号を加算平均する。それにより、受信信号に含まれる信号成分は加算により振幅を強め、ノイズは平均化により振幅を弱め、結果としてＳＮ比が向上する。しかし、超音波は媒質中を伝搬するだけでなく媒質が流れる配管も伝わるため、通常、媒質中を伝搬する超音波に由来する信号成分に配管を伝わる超音波に由来するノイズ（干渉ノイズと呼ぶ）が定常的に重畳する。干渉ノイズは、超音波、すなわちコヒーレントな波に由来するため加算平均しても振幅を弱めず、むしろ強めることもあり、また信号成分と同じ超音波に由来するため周波数が等しく、フィルタ処理して干渉ノイズのみを除去することもできない。【０００６】
特許文献１に記載の方法では、流量測定をするに際し、受信波形の波形特徴、前回測定の測定値、等からトリガ法と相関法とのいずれが適当かを判定し、その判定結果に基づいて適当な方法に切り替えて流量を測定する。しかし、媒質中に異物が含まれる場合等において受信信号が小さくなると相関法に切り替えられ、測定精度が低下することとなる。【０００７】
また、特許文献２に記載の方法では、流量測定をするに先立って、残響の影響を受けていない第１成分と残響の影響を受けた第２成分とを用いて残響成分を求め、流量測定をするに際し、受信信号から残響成分を除去して流量を測定する。しかし、媒質中に異物が含まれる場合には、受信信号から異物による散乱の影響を受けた残響成分を適切に除去することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様においては、媒質に対して第１測定波および第２測定波を伝搬させて受信する測定ユニットと、受信された第１測定波および第２測定波の差分をとった差分信号を算出する差分算出部と、差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する特定部と、を備える測定装置が提供される。【０００９】
本発明の第２の態様においては、媒質に対して第１測定波および第２測定波を伝搬させて受信する段階と、受信された第１測定波および第２測定波の差分をとった差分信号を算出する段階と、差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する段階と、を備える測定方法が提供される。【００１０】
本発明の第３の態様においては、媒質に対して第１測定波および第２測定波を伝搬させて受信する手順と、受信された第１測定波および第２測定波の差分をとった差分信号を算出する手順と、差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する手順と、をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。【００１１】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る測定装置の構成を示す。
【図２】本実施形態に係る測定方法のフローを示す。
【図３】測定波の波形を示す。
【図４Ａ】図３の測定波に対して受信された正常な受信信号の波形を示す。
【図４Ｂ】図３の測定波に対して受信された異常な受信信号の波形を示す。
【図５】図４Ａの受信信号と図４Ｂの受信信号との差分より得られる差分信号の波形を示す。
【図６】本実施形態に係るコンピュータのハードウェア構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る測定装置１００の構成を示す。測定装置１００は、測定波が媒質９８中を伝搬する時間（伝搬時間と呼ぶ）を測定することで媒質９８が配管９９内を流れる流速を測定する装置であり、媒質９８中に異物が含まれる場合でも精度よく流速を測定することを目的とする。なお、媒質９８は、水などの液体であり、気泡などの異物を含むことがあるものとする。また、媒質９８は、空気、水蒸気などの気体でもよく、水滴などの異物を含むことがあるものとしてもよい。また、媒質９８は、説明の都合のため、配管内を白抜き矢印の方向に流れ、この方向及び逆の方向をそれぞれ媒質の流れに対する順方向及び逆方向とする。測定装置１００は、測定ユニット１０及び演算部２０を備える。
【００１５】
測定ユニット１０は、配管９９を流れる媒質９８に測定波を伝搬させて受信するユニットである。測定波として、本実施形態では、超音波を使用する。測定ユニット１０は、センサ１１，１２、スイッチ１３，１４、送信部１５、受信部１６、及びタイミング生成部１７を含む。
【００１６】
センサ１１及び１２は、超音波を送受信する送受信機である。センサ１１及び１２は、それぞれ、既設の配管９９の外表面の径方向の一側（すなわち、図面左右方向に延びる配管９９の上側）及び他側（すなわち、下側）に、ただし媒質９８の流れの方向の一側（すなわち、上流側）及び他側（すなわち、下流側）に位置をずらして固定されている。センサ１１及び１２は、送信部１５から送信される超音波を受けて配管９９内に出力し、また配管９９内の媒質９８中を伝搬する超音波を受けて受信部１６に出力する。
【００１７】
スイッチ１３及び１４は、それぞれ、センサ１１及び１２を送信部１５又は受信部１６に接続する切替スイッチである。スイッチ１３は、タイミング生成部１７から切替信号、例えばハイレベル信号（Ｈ信号）を受けてセンサ１１を送信部１５に接続し、ローレベル信号（Ｌ信号）を受けてセンサ１１を受信部１６に接続する。スイッチ１４は、タイミング生成部１７からハイレベル信号（Ｈ信号）を受けてセンサ１２を受信部１６に接続し、ローレベル信号（Ｌ信号）を受けてセンサ１２を送信部１５に接続する。
【００１８】
送信部１５は、超音波源（不図示）を有し、これを用いてタイミング生成部１７から駆動信号（例えばＯＮ信号）を受けて超音波を生成し、出力する。超音波源として、例えばＰＺＴ等の混合物を含む圧電素子を採用することができる。
【００１９】
受信部１６は、タイミング生成部１７から駆動信号（例えばＯＮ信号）を受けて超音波を受信し、受信した超音波の振幅に応じた強度の電圧信号を受信信号として演算部２０に出力する。ここで、タイミング生成部１７から送られる駆動信号は、タイミング生成部１７から送信部１５に送られる駆動信号に、例えば媒質９８中における超音波の典型的な伝搬時間、或いはこれに対応する一定時間遅れて同期している。それにより、送信部１５から出力され、媒質９８中を伝搬した超音波の波形を捉えることができる。
【００２０】
タイミング生成部１７は、切替信号（すなわち、Ｈ信号及びＬ信号）を生成してスイッチ１３及び１４に送信するとともに、駆動信号（すなわち、オン信号）を生成して送信部１５及び受信部１６に送信する。タイミング生成部１７は、切替信号及び駆動信号を同期して、例えばＨ信号及びＬ信号を一定周期で繰り返し生成し、Ｈ信号及びＬ信号に同期してＯＮ信号を生成する。それにより、切替信号がＨ及び駆動信号がオンの場合、送信部１５から出力される超音波は、スイッチ１３を介してセンサ１１に送信され、センサ１１から配管９９内に出力され、配管９９内の媒質９８を順方向に伝搬してセンサ１２により受信され、スイッチ１４を介して受信部１６により受信される。切替信号がＬ及び駆動信号がオンの場合、送信部１５から出力される超音波は、スイッチ１４を介してセンサ１２に送信され、センサ１２から配管９９内に出力され、配管９９内の媒質９８を逆方向に伝搬してセンサ１１により受信され、スイッチ１３を介して受信部１６により受信される。
【００２１】
演算部２０は、測定ユニット１０から出力される受信信号を処理して媒質９８の流速を算出するユニットである。演算部２０は、ＡＤコンバータ２１、メモリ２２、及び算出部２３を含む。
【００２２】
ＡＤコンバータ２１は、測定ユニット１０の受信部１６に接続され、これから順次、入力される受信信号（すなわち、電圧信号）をデジタル信号に変換する。それにより、受信信号は、時間に対して変化する信号波形を表すデジタル値のシーケンスとなる。ＡＤコンバータ２１は、変換した受信信号をメモリ２２に送信する。
【００２３】
なお、ＡＤコンバータ２１の前段に増幅器（不図示）を設け、これを介して受信信号を増幅してＡＤコンバータ２１に入力することとしてもよい。
【００２４】
メモリ２２は、ＡＤコンバータ２１に接続され、これから入力される受信信号を信号番号とともに格納する。信号番号は、例えば、受信部１６から入力される順又はＡＤコンバータ２１からメモリ２２に格納される順の連番とする。
【００２５】
算出部２３は、メモリ２２に格納された受信信号を演算処理する。算出部２３は、制御用プログラムを実行することにより、差分算出部２３ａ、極性判定部２３ｂ、加算部２３ｃ、特定部２３ｄ、モード選択部２３ｅ、及び流速算出部２３ｆを発現する。
【００２６】
差分算出部２３ａは、メモリ２２に接続され、これに格納された複数の受信信号のなかから少なくとも異なる２つの受信信号について波形の差分を算出して差分信号を生成し、後段の極性判定部２３ｂに出力する。
【００２７】
極性判定部２３ｂは、差分算出部２３ａに接続され、これから入力される差分信号に含まれる対象信号成分の極性を判定する。極性判定部２３ｂは、複数の受信信号のほとんどは相似形となることから、例えば、差分信号の絶対値が最大となる点の極性に応じて対象信号成分の極性を判定することができる。なお、対象信号成分の極性は、差分信号の絶対値が最大となる点の極性に等しく定める、すなわち最大となる点の正及び負の値に対してそれぞれ正及び負と定めてよい。極性判定部２３ｂは、極性の判定結果とともに差分信号を後段の加算部２３ｃに出力する。
【００２８】
なお、極性判定部２３ｂは、極性の判定結果に基づいて、極性が正の場合、差分信号を（＋１倍して）出力し、極性が負の場合、差分信号を反転して（−１倍して）出力することとしてもよい。係る場合、後述する加算部２３ｃは、差分信号を単に加算することとなる。
【００２９】
加算部２３ｃは、極性判定部２３ｂ及びメモリ２２に接続され、極性判定部２３ｂから入力される差分信号を極性の判定結果に基づいて加算するとともに、メモリ２２に格納された受信信号を加算して、それぞれの結果を後段の特定部２３ｄに出力する。
【００３０】
なお、加算部２３ｃは、予め定められた任意の数の差分信号及び受信信号をそれぞれ加算して、特定部２３ｄに出力することとしてよい。任意の数は、１以上の数とする。任意の数１の場合、加算部２３ｃは、各差分信号及び各受信信号を加算することなく、特定部２３ｄに出力することとなる。
【００３１】
特定部２３ｄは、加算部２３ｃに接続され、これから入力される加算された差分信号に含まれる対象信号成分又は加算された受信信号に基づいて順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて超音波の送信に対する受信タイミングを特定する。受信タイミングは、例えば、差分信号に含まれる対象信号成分又は受信信号の振幅が予め定められた閾値を超えるタイミングより定めることができる。特定部２３ｄは、第１測定モードにおいて、加算された差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて受信タイミングを特定し、第２測定モードにおいて、加算された受信信号に基づいて受信タイミングを特定する。
【００３２】
モード選択部２３ｅは、特定部２３ｄに接続され、これにより加算された差分信号或いは個々の差分信号を用いて特定部２３ｄの測定モードを選択する。モード選択部２３ｅは、例えば、加算された差分信号或いは個々の差分信号の振幅が基準値以上である場合に特定部２３ｄの第１測定モードを選択し、振幅が基準値未満である場合に特定部２３ｄの第２測定モードを選択する。媒質９８中に異物が含まれない場合、複数の受信信号における信号波の成分はその振幅を弱めないため、２つの受信信号の差分より干渉ノイズだけでなく測定波も相殺され、差分信号において対象信号成分は受信タイミングを特定するのに十分な振幅を有さないこととなる。そこで、係る場合、差分信号の振幅が基準値以上である場合、すなわち媒質中に異物が含まれて信号波の振幅が個々の受信信号について大きく異なる異常時においては、差分信号を用いる第１測定モードを選択し、差分信号の振幅が基準値未満である場合、すなわち媒質中に異物がほとんど含まれず信号波の振幅が個々の受信信号についてほぼ一定である正常時においては、受信信号を用いる第２測定モードを選択することとする。
【００３３】
なお、モード選択部２３ｅは、差分算出部２３ａにより生成された複数の差分信号のうち、予め定められた数又は割合以上の差分信号の振幅が基準値以上であるか否かに応じて、特定部２３ｄの測定モードを選択してもよい。モード選択部２３ｅは、例えば、振幅が基準値を超える差分信号の数又は割合が所期の数又は割合を超える場合、第１測定モードを選択し、超えない場合、第２測定モードを選択する。
【００３４】
また、モード選択部２３ｅは、加算された差分信号或いは個々の差分信号に限らず、加算された受信信号或いは個々の受信信号を用いて特定部２３ｄの測定モードを選択してもよい。モード選択部２３ｅは、例えば、加算された受信信号或いは個々の受信信号の振幅が基準値以上である場合に特定部２３ｄの第２測定モードを選択し、振幅が基準値未満である場合に特定部２３ｄの第１測定モードを選択する。また、モード選択部２３ｅは、複数の受信信号のうち、予め定められた数又は割合以上の受信信号の振幅が基準値以上であるか否かに応じて、特定部２３ｄの測定モードを選択してもよい。モード選択部２３ｅは、例えば、振幅が基準値を超える受信信号の数又は割合が所期の数又は割合を超える場合、第２測定モードを選択し、超えない場合、第１測定モードを選択する。
【００３５】
特定部２３ｄは、２以上の差分信号のそれぞれに含まれる対象信号成分又は２以上の受信信号に基づいて受信タイミング、例えば平均の受信タイミングを特定してもよい。なお、２以上の差分信号を用いて受信タイミングを特定する場合、差分信号は極性判定部２３ｂにより判定された極性に基づいて各差分信号を加算して生成されていることで、特定部２３ｄは、差分信号に含まれる対象成分および極性判定部２３ｂにより判定された極性に基づいて測定波の送信に対する受信タイミングを特定しているに等しい。特定部２３ｄは、特定した受信タイミングを流速算出部２３ｆに出力する。
【００３６】
流速算出部２３ｆは、特定部２３ｄに接続され、これから入力される順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて特定された超音波の送信に対する受信タイミングに基づいて、媒質９８の流速を算出する。媒質９８の流速は、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについての受信タイミングの差分（超音波を媒質９８中に順方向及び逆方向に伝搬させたときの伝搬時間の差に等しい）を求め、これとセンサ１１及び１２の離間距離とを用いることで算出される。流速算出部２３ｆは、算出された流速を外部出力する。
【００３７】
なお、流速算出部２３ｆは、媒質９８の流速に限らず、算出された流速に配管９９の断面積を乗算して媒質９８の流量を算出してこれを外部出力することとしてもよい。
【００３８】
図２は、本実施形態に係る測定装置１００を用いた測定方法のフローを示す。
【００３９】
ステップ１では、測定ユニット１０により、配管９９を流れる媒質９８に超音波を伝搬させて受信する。ここで、測定ユニット１０の送信部１５により生成される超音波の波形の一例を、図３に示す。超音波は、正の振幅を有する正パルスとこれに続く負の振幅を有する負パルスとを含む基本パルスを３回繰り返す波形を有する。
【００４０】
測定ユニット１０は、タイミング生成部１７が生成する切替信号によるスイッチ１３及び１４の切り替え並びに駆動信号による送信部１５及び受信部１６の駆動の２つの前述の動作を例えば１〜５ミリ秒の間隔で繰り返すことで、超音波を、繰り返し、センサ１１から配管９９内の媒質９８中を順方向に伝搬させてセンサ１２により受信するとともにセンサ１２から配管９９内の媒質９８中を逆方向に伝搬させてセンサ１１により受信する。ここで、受信部１６により受信される超音波、すなわち受信信号の波形の一例を図４Ａ及び図４Ｂに示す。
【００４１】
図４Ａの波形は、図３の波形の超音波に対して受信された正常な受信信号の波形である。受信信号は、２つの成分を有する。２つの成分の一方は、センサ１１（１２）から配管９９内の媒質９８を伝搬してセンサ１２（１１）により受信される信号波である。信号波は、送信部１５により生成される超音波に等しい周期で振動するとともに、配管９９内の管壁で散乱する等により、より長い周期で振動のエンベロープの振幅を増大及び減少する。２つの成分の他方は、センサ１１（１２）から配管９９を伝わってセンサ１２（１１）により受信される干渉ノイズである。干渉ノイズは、送信部１５により生成される超音波に等しい周期で振動する。振動のエンベロープは、信号波に対して十分小さい振幅を有し、時間に対してほぼ一定である。受信信号において、これら２つの成分が重畳することで、時間ｔの前及び後において干渉ノイズが現れ、時間ｔの中程おいて信号波が支配的に現れる。
【００４２】
図４Ｂの波形は、図３の波形の超音波に対して受信された異常な受信信号の波形である。受信信号は、図４Ａの正常な受信信号と同様に、信号波と干渉ノイズとの２つの成分を有する。ここで、信号波は、センサ１１（１２）により配管９９内に出力された超音波が媒質９８に含まれる異物により散乱してその振幅を大きく減衰させるのに対し、干渉ノイズは、配管９９を伝わる超音波に由来することで、その振幅をほとんど減衰させることなく受信されている。それにより、受信信号において、干渉ノイズに対して信号波の振幅が小さい、すなわちＳＮ比が低い。
【００４３】
受信部１６により受信された受信信号は順次、演算部２０に送信され、ＡＤコンバータ２１を介してメモリ２２に信号番号とともに格納される。本実施形態では、センサ１１から配管９９内の媒質９８中を順方向に伝搬してセンサ１２により受信された超音波に由来する受信信号（順方向信号と呼ぶ）と、センサ１２から配管９９内の媒質９８中を逆方向に伝搬してセンサ１１により受信された超音波に由来する受信信号（逆方向信号と呼ぶ）と、のそれぞれについて受信した順に信号番号を付してメモリ２２に格納されるものとする。
【００４４】
ステップＳ２では、演算部２０の差分算出部２３ａにより、メモリ２２に格納された複数の受信信号の波形の差分を算出して差分信号を生成する。差分信号の波形の一例として、図４Ａの波形の受信信号と図４Ｂの波形の受信信号との差分より得られた差分信号を図５に示す。差分信号は、受信信号に含まれる２つの成分、すなわち信号波と干渉ノイズのうち、信号波は２つの受信信号においてその振動のエンベロープの振幅が異なることで、差分信号においても有限の振幅のエンベロープを有して現れる。それに対し、干渉ノイズは２つの受信信号においてその振動のエンベロープの振幅がほぼ等しいことで、２つの受信信号の差分により相殺され、差分信号にほとんど現れない。従って、差分信号は、２つの受信信号の波形における信号波の成分のみの振幅差に応じたものとなり、超音波の受信タイミングを特定するための対象信号成分とすることができる。
【００４５】
差分算出部２３ａは、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて、複数の受信信号のうちの２つの受信信号の２以上の組のそれぞれについて波形の差分を算出して、差分信号を生成する。例えば、差分算出部２３ａは、信号番号が前後する２つの受信信号のそれぞれについて、すなわちｉ番目の受信信号とｉ＋１番目の受信信号（ｉ＝１〜順方向信号又は逆方向信号の総数−１）とについて波形の差分を算出して、差分信号を生成する。或いは、差分算出部２３ａは、信号番号が２以上の数であるＮ前後する２つの受信信号のそれぞれについて、すなわちｉ番目の受信信号とｉ＋Ｎ番目の受信信号（ｉ＝１〜順方向信号又は逆方向信号の総数−Ｎ）とについて波形の差分を算出して、差分信号を生成する。これにより、第１測定波と第２測定波との間のタイムラグを確保できるため、第１測定波と第２測定波との差分を抽出しやすくする効果を奏する。媒質９８の流速が遅い場合、連続する受信信号における信号波の振幅の変動が緩やかであることからＮの値を大きく、媒質の流速が速い場合、連続する受信信号における信号波の振幅の変動が速いことからＮの値を小さくしてもよい。
【００４６】
ステップＳ３では、極性判定部２３ｂにより、差分算出部２３ａにより生成された差分信号に含まれる対象信号成分の極性を判定する。極性判定部２３ｂは、一例として、差分信号の絶対値が最大となる点（図５における点Ｓｍ）の値が正（負）の場合に対象信号成分の極性を正（負）と判定する。
【００４７】
ステップＳ４では、加算部２３ｃにより、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて、差分算出部２３ａにより生成された差分信号を加算する。ここで、加算部２３ｃは、極性判定部２３ｂによる極性の判定結果に基づいて、すなわち極性が正の場合、差分信号を反転せず（すなわち、＋１倍し）、極性が負の場合、差分信号を反転して（すなわち、−１倍して）差分信号を加算する。それにより、複数の差分信号のそれぞれについて、２つの受信信号の振幅の大小により変わり得る極性を統一して加算することができる。加算された差分信号において、これに含まれる白色ノイズは平均効果により除去される。
【００４８】
ステップＳ５では、モード選択部２３ｅにより、特定部２３ｄの測定モードを選択する。モード選択部２３ｅは、加算された差分信号或いは個々の差分信号の振幅が予め定められた基準値以上であるか否かを判断し、振幅が基準値以上の場合に第１測定モードを選択してステップＳ６に移行し、振幅が基準値未満である場合に第２測定モードを選択してステップＳ７に移行する。
【００４９】
なお、ステップＳ５において、モード選択部２３ｅは、加算された受信信号或いは個々の受信信号を用いて特定部２３ｄの測定モードを選択してもよい。
【００５０】
ステップＳ６では、特定部２３ｄにより、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて、加算部２３ｃにより加算された差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて受信タイミングを特定する。特定部２３ｄは、例えば、対象信号成分の振幅が予め定められた閾値を超えるタイミングより受信タイミングを特定する。特定後、測定装置１００は、処理をステップＳ９に進める。
【００５１】
ステップＳ７では、加算部２３ｃにより、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて、メモリ２２に格納された受信信号を加算する。ここで、加算部２３ｃは、極性を操作することなく受信信号を加算する。加算された受信信号において、これに含まれる白色ノイズは平均効果により除去される。
【００５２】
ステップＳ８では、特定部２３ｄにより、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて、加算部２３ｃにより加算された受信信号に基づいて受信タイミングを特定する。特定部２３ｄは、例えば、受信信号の振幅が予め定められた閾値を超えるタイミングより受信タイミングを特定する。特定後、測定装置１００は、処理をステップＳ９に進める。
【００５３】
ステップＳ９では、流速算出部２３ｆにより、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれについて特定された受信タイミングに基づいて、媒質９８の流速を算出する。流速算出部２３ｆは、順方向信号及び逆方向信号のそれぞれの受信タイミングの差分（ΔＴを用いて表す）を算出し、例えば受信タイミングの差分ΔＴと媒質９８の流れの方向に関するセンサ１１及び１２の離間距離とを用いて、流速Ｖを算出する。
【００５４】
なお、流速算出部２３ｆは、算出された流速に配管９９の断面積を乗算して媒質９８の流量を算出してもよい。
【００５５】
本実施形態の測定装置１００は、配管９９に設けられたセンサ１１及び１２を用いて配管９９内を流れる媒質９８中に超音波を伝搬させて受信する測定ユニット１０、受信された少なくとも２つの超音波の受信信号の波形の差分をとった差分信号を算出する差分算出部２３ａ、及び差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、超音波の送信に対する受信タイミングを特定する特定部２３ｄを備える。２つの受信信号の波形の差分により干渉ノイズは相殺され、信号波の成分のみの振幅差に応じた対象信号成分のみが差分信号に含まれることとなる。従って、差分信号に含まれる対象信号成分に基づくことで、超音波の送信に対する受信タイミングを精度よく特定することが可能となる。
【００５６】
なお、本実施形態の測定装置１００では、媒質中を伝搬させる測定波として超音波を用いたが、これに限らず、配管９９の外側から配管９９内を流れる媒質９８中を伝搬することができる測定波であれば例えば音波を用いてもよい。係る場合、媒質中を伝搬する測定波に由来する信号成分に配管を伝わる測定波に由来する干渉ノイズが定常的に重畳する場合に、受信信号から干渉ノイズを消去して信号成分のみに基づいて受信タイミングを特定することができる。
【００５７】
また、本実施形態の測定装置１００は、トリガ法、すなわち超音波を媒質中に流れの方向に伝播した際の伝播時間と逆方向に伝播した際の伝播時間とを測定し、それらの結果の差分から流速を得る装置としたが、これに限らず、媒質中での超音波の伝播時間を測定し、その結果に基づいて媒質を特定する装置或いは媒質のレベル等の伝搬距離を測定する装置としてもよい。
【００５８】
図６は、本実施形態に係るコンピュータ１９００のハードウェア構成の一例を示す。本実施形態に係るコンピュータ１９００は、ホスト・コントローラ２０８２により相互に接続されるＣＰＵ２０００、ＲＡＭ２０２０、グラフィック・コントローラ２０７５、及び表示装置２０８０を有するＣＰＵ周辺部と、入出力コントローラ２０８４によりホスト・コントローラ２０８２に接続される通信インターフェイス２０３０、ハードディスクドライブ２０４０、及びＣＤ−ＲＯＭドライブ２０６０を有する入出力部と、入出力コントローラ２０８４に接続されるＲＯＭ２０１０、フレキシブルディスク・ドライブ２０５０、及び入出力チップ２０７０を有するレガシー入出力部とを備える。
【００５９】
ホスト・コントローラ２０８２は、ＲＡＭ２０２０と、高い転送レートでＲＡＭ２０２０をアクセスするＣＰＵ２０００及びグラフィック・コントローラ２０７５とを接続する。ＣＰＵ２０００は、ＲＯＭ２０１０及びＲＡＭ２０２０に格納されたプログラムに基づいて動作し、各部の制御を行う。グラフィック・コントローラ２０７５は、ＣＰＵ２０００等がＲＡＭ２０２０内に設けたフレーム・バッファ上に生成する画像データを取得し、表示装置２０８０上に表示させる。これに代えて、グラフィック・コントローラ２０７５は、ＣＰＵ２０００等が生成する画像データを格納するフレーム・バッファを、内部に含んでもよい。
【００６０】
入出力コントローラ２０８４は、ホスト・コントローラ２０８２と、比較的高速な入出力装置である通信インターフェイス２０３０、ハードディスクドライブ２０４０、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２０６０を接続する。通信インターフェイス２０３０は、ネットワークを介して他の装置と通信する。ハードディスクドライブ２０４０は、コンピュータ１９００内のＣＰＵ２０００が使用するプログラム及びデータを格納する。ＣＤ−ＲＯＭドライブ２０６０は、ＣＤ−ＲＯＭ２０９５からプログラム又はデータを読み取り、ＲＡＭ２０２０を介してハードディスクドライブ２０４０に提供する。
【００６１】
また、入出力コントローラ２０８４には、ＲＯＭ２０１０と、フレキシブルディスク・ドライブ２０５０、及び入出力チップ２０７０の比較的低速な入出力装置とが接続される。ＲＯＭ２０１０は、コンピュータ１９００が起動時に実行するブート・プログラム、及び／又は、コンピュータ１９００のハードウェアに依存するプログラム等を格納する。フレキシブルディスク・ドライブ２０５０は、フレキシブルディスク２０９０からプログラム又はデータを読み取り、ＲＡＭ２０２０を介してハードディスクドライブ２０４０に提供する。入出力チップ２０７０は、フレキシブルディスク・ドライブ２０５０を入出力コントローラ２０８４へと接続すると共に、例えばパラレル・ポート、シリアル・ポート、キーボード・ポート、マウス・ポート等を介して各種の入出力装置を入出力コントローラ２０８４へと接続する。
【００６２】
ＲＡＭ２０２０を介してハードディスクドライブ２０４０に提供されるプログラムは、フレキシブルディスク２０９０、ＣＤ−ＲＯＭ２０９５、又はＩＣカード等の記録媒体に格納されて利用者によって提供される。プログラムは、記録媒体から読み出され、ＲＡＭ２０２０を介してコンピュータ１９００内のハードディスクドライブ２０４０にインストールされ、ＣＰＵ２０００において実行される。
【００６３】
コンピュータ１９００にインストールされ、コンピュータ１９００を測定装置１００として機能させるプログラムは、差分算出プログラム、極性判定プログラム、加算プログラム、特定プログラム、モード選択モジュール、及び流速算出プログラムを備える。これらのプログラム又はモジュールは、ＣＰＵ２０００等に働きかけて、コンピュータ１９００を、差分算出部２３ａ、極性判定部２３ｂ、加算部２３ｃ、特定部２３ｄ、モード選択部２３ｅ、及び流速算出部２３ｆとしてそれぞれ機能させる。
【００６４】
これらのプログラムに記述された情報処理は、コンピュータ１９００に読込まれることにより、ソフトウェアと上述した各種のハードウェア資源とが協働した具体的手段である差分算出部２３ａ、極性判定部２３ｂ、加算部２３ｃ、特定部２３ｄ、モード選択部２３ｅ、及び流速算出部２３ｆとして機能する。そして、これらの具体的手段によって、本実施形態におけるコンピュータ１９００の使用目的に応じた情報の演算又は加工を実現することにより、使用目的に応じた特有の測定装置１００が構築される。
【００６５】
一例として、コンピュータ１９００と外部の装置等との間で通信を行う場合には、ＣＰＵ２０００は、ＲＡＭ２０２０上にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理内容に基づいて、通信インターフェイス２０３０に対して通信処理を指示する。通信インターフェイス２０３０は、ＣＰＵ２０００の制御を受けて、ＲＡＭ２０２０、ハードディスクドライブ２０４０、フレキシブルディスク２０９０、又はＣＤ−ＲＯＭ２０９５等の記憶装置上に設けた送信バッファ領域等に記憶された送信データを読み出してネットワークへと送信し、もしくは、ネットワークから受信した受信データを記憶装置上に設けた受信バッファ領域等へと書き込む。このように、通信インターフェイス２０３０は、ＤＭＡ（ダイレクト・メモリ・アクセス）方式により記憶装置との間で送受信データを転送してもよく、これに代えて、ＣＰＵ２０００が転送元の記憶装置又は通信インターフェイス２０３０からデータを読み出し、転送先の通信インターフェイス２０３０又は記憶装置へとデータを書き込むことにより送受信データを転送してもよい。
【００６６】
また、ＣＰＵ２０００は、ハードディスクドライブ２０４０、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２０６０（ＣＤ−ＲＯＭ２０９５）、フレキシブルディスク・ドライブ２０５０（フレキシブルディスク２０９０）等の外部記憶装置に格納されたファイルまたはデータベース等の中から、全部または必要な部分をＤＭＡ転送等によりＲＡＭ２０２０へと読み込ませ、ＲＡＭ２０２０上のデータに対して各種の処理を行う。そして、ＣＰＵ２０００は、処理を終えたデータを、ＤＭＡ転送等により外部記憶装置へと書き戻す。このような処理において、ＲＡＭ２０２０は、外部記憶装置の内容を一時的に保持するものとみなせるから、本実施形態においてはＲＡＭ２０２０および外部記憶装置等をメモリ、記憶部、または記憶装置等と総称する。本実施形態における各種のプログラム、データ、テーブル、データベース等の各種の情報は、このような記憶装置上に格納されて、情報処理の対象となる。なお、ＣＰＵ２０００は、ＲＡＭ２０２０の一部をキャッシュメモリに保持し、キャッシュメモリ上で読み書きを行うこともできる。このような形態においても、キャッシュメモリはＲＡＭ２０２０の機能の一部を担うから、本実施形態においては、区別して示す場合を除き、キャッシュメモリもＲＡＭ２０２０、メモリ、及び／又は記憶装置に含まれるものとする。
【００６７】
また、ＣＰＵ２０００は、ＲＡＭ２０２０から読み出したデータに対して、プログラムの命令列により指定された、本実施形態中に記載した各種の演算、情報の加工、条件判断、情報の検索・置換等を含む各種の処理を行い、ＲＡＭ２０２０へと書き戻す。例えば、ＣＰＵ２０００は、条件判断を行う場合においては、本実施形態において示した各種の変数が、他の変数または定数と比較して、大きい、小さい、以上、以下、等しい等の条件を満たすかどうかを判断し、条件が成立した場合（又は不成立であった場合）に、異なる命令列へと分岐し、またはサブルーチンを呼び出す。
【００６８】
また、ＣＰＵ２０００は、記憶装置内のファイルまたはデータベース等に格納された情報を検索することができる。例えば、第１属性の属性値に対し第２属性の属性値がそれぞれ対応付けられた複数のエントリが記憶装置に格納されている場合において、ＣＰＵ２０００は、記憶装置に格納されている複数のエントリの中から第１属性の属性値が指定された条件と一致するエントリを検索し、そのエントリに格納されている第２属性の属性値を読み出すことにより、所定の条件を満たす第１属性に対応付けられた第２属性の属性値を得ることができる。
【００６９】
また、請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００７０】
以上に示したプログラム又はモジュールは、外部の記録媒体に格納されてもよい。記録媒体としては、フレキシブルディスク２０９０、ＣＤ−ＲＯＭ２０９５の他に、ＤＶＤ又はＣＤ等の光学記録媒体、ＭＯ等の光磁気記録媒体、テープ媒体、ＩＣカード等の半導体メモリ等を用いることができる。また、専用通信ネットワーク又はインターネットに接続されたサーバシステムに設けたハードディスク又はＲＡＭ等の記憶装置を記録媒体として使用し、ネットワークを介してプログラムをコンピュータ１９００に提供してもよい。
【００７１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
【００７２】
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１０…測定ユニット、１１…センサ、１２…センサ、１３…スイッチ、１４…スイッチ、１５…送信部、１６…受信部、１７…タイミング生成部、２０…演算部、２１…ＡＤコンバータ、２２…メモリ、２３…算出部、２３ａ…差分算出部、２３ｂ…極性判定部、２３ｃ…加算部、２３ｄ…特定部、２３ｅ…モード選択部、２３ｆ…流速算出部、９８…媒質、９９…配管、１００…測定装置、１９００…コンピュータ、２０００…ＣＰＵ、２０１０…ＲＯＭ、２０２０…ＲＡＭ、２０３０…通信インターフェイス、２０４０…ハードディスクドライブ、２０５０…フレキシブルディスク・ドライブ、２０６０…ＣＤ−ＲＯＭドライブ、２０７０…入出力チップ、２０７５…グラフィック・コントローラ、２０８０…表示装置、２０８２…ホスト・コントローラ、２０８４…入出力コントローラ、２０９０…フレキシブルディスク、２０９５…ＣＤ−ＲＯＭ。
【図１】
2017134835.tif 000003
【図２】
2017134835.tif 000004
【図３】
2017134835.tif 000005
【図４Ａ】
2017134835.tif 000006
【図４Ｂ】
2017134835.tif 000007
【図５】
2017134835.tif 000008
【図６】
2017134835.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月21日(2017.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒質に対して第１測定波および第２測定波を異なるタイミングで伝搬させてそれぞれ受信する測定ユニットと、
受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとった差分信号を算出する差分算出部と、
前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する特定部と、
を備える測定装置。
【請求項２】
前記差分算出部は、受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとって、前記第１測定波および前記第２測定波における対象信号成分の振幅差に応じた前記差分信号を算出する請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記測定ユニットは、前記媒質に対して複数の測定波を伝搬させて受信し、
前記差分算出部は、前記複数の測定波のうちの前記第１測定波および前記第２測定波の２以上の組のそれぞれについて、前記差分信号を算出し、
前記特定部は、前記差分算出部が算出した２以上の前記差分信号のそれぞれに含まれる対象信号成分に基づいて、前記測定波の送信に対する受信タイミングを特定する
請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記特定部は、前記差分算出部が算出した２以上の前記差分信号のそれぞれに含まれる対象信号成分に基づいて、前記測定波の送信に対する平均の受信タイミングを特定する請求項３に記載の測定装置。
【請求項５】
前記測定ユニットは、前記複数の測定波を順次前記媒質に対して伝搬させ、
前記差分算出部は、前記複数の測定波のうちの前記第１測定波と、前記第１測定波よりも２個以上後の前記第２測定波との差分をとって前記差分信号を算出する請求項３または４に記載の測定装置。
【請求項６】
前記差分信号の絶対値が最大となる点の極性に応じて、前記差分信号に含まれる対象信号成分の極性を判定する極性判定部を更に備え、
前記特定部は、前記差分信号に含まれる対象成分および前記極性判定部により判定された極性に基づいて、前記測定波の送信に対する受信タイミングを特定する
請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記特定部は、
第１測定モードにおいて、前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定し、
第２測定モードにおいて、前記第１測定波および前記第２測定波の少なくとも一方の測定波に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記差分信号の振幅が基準値以上である場合に前記第１測定モードを選択し、前記差分信号の振幅が基準値未満である場合に前記第２測定モードを選択するモード選択部を更に備える請求項７に記載の測定装置。
【請求項９】
複数組の前記第１測定波および前記第２測定波に応じた複数の前記差分信号のうち、予め定められた数または割合以上の差分信号の振幅が基準値以上であるか否かに応じて、前記第１測定モードおよび前記第２測定モードのいずれかを選択する請求項７に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記測定ユニットは、前記媒質に対して、前記第１測定波および前記第２測定波の第１組と、前記第１組の測定波とは逆方向に伝搬する前記第１測定波および前記第２測定波の第２組とを伝搬させて受信し、
前記差分算出部は、前記第１組の前記第１測定波および前記第２測定波に対する第１差分信号と、前記第２組の前記第１測定波および前記第２測定波に対する第２差分信号とを算出し、
前記特定部は、前記第１差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、前記第１組の測定波に対する第１受信タイミングを特定し、前記第２差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、前記第２組の測定波に対する第２受信タイミングを特定し、
当該測定装置は、前記第１受信タイミングおよび前記第２受信タイミングに基づいて、前記媒質の流速を算出する流速算出部を更に備える
請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記測定ユニットは、流体である前記媒質に対して超音波の前記第１測定波および前記第２測定波を伝搬させて受信する請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１２】
媒質に対して第１測定波および第２測定波を異なるタイミングで伝搬させてそれぞれ受信する段階と、
受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとった差分信号を算出する段階と、
前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する段階と、
を備える測定方法。
【請求項１３】
媒質に対して第１測定波および第２測定波を異なるタイミングで伝搬させてそれぞれ受信する手順と、
受信された前記第１測定波および前記第２測定波の差分をとった差分信号を算出する手順と、
前記差分信号に含まれる対象信号成分に基づいて、測定波の送信に対する受信タイミングを特定する手順と、
をコンピュータに実行させるプログラム。
【国際調査報告】
2017134835.tif 000010
2017134835.tif 000011