(57)【要約】【課題】超音波信号に混入するノイズを効果的に低減でき、高い精度で流量を計測することができる超音波流量計を提供すること。【解決手段】管路（７）を通過する流体の流量を、超音波を用いて測定する超音波流量計において、流体へ超音波を送信する超音波送信部（１）と、超音波を受信する超音波受信部（２）と、超音波受信部より受信した超音波信号からノイズを低減する平均化フィルタ（３）と、超音波信号に基づいて流体の流量を算出する流量演算部（５）と、平均化フィルタと流量演算部との間に位置する、非線形関数を用いた非線形フィルタ（４）と、を有し、非線形フィルタにて設定された閾値に基づいて、平均化フィルタから出力された超音波信号のノイズを低減する構成とした。【選択図】図１
2018044954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路を通過する流体の流量を、超音波を用いて測定する超音波流量計において、
前記流体へ前記超音波を送信する超音波送信部と、
前記超音波を受信する超音波受信部と、
前記超音波受信部より受信した超音波信号からノイズを低減する平均化フィルタと、
前記超音波信号に基づいて前記流体の流量を算出する流量演算部と、
前記平均化フィルタと前記流量演算部との間に位置する、非線形関数を用いた非線形フィルタと、を有し、
前記非線形フィルタにて設定された閾値に基づいて、前記平均化フィルタから出力された前記超音波信号のノイズを低減することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
前記非線形フィルタは、前記超音波信号が生成される前のタイミングの波形に基づいて、ノイズ振幅を検出するノイズ解析部と、前記ノイズ振幅に基づいて前記閾値を決定する閾値処理部と、前記閾値に基づいて前記超音波信号のノイズを低減するノイズ除去部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
【請求項３】
前記閾値は、前記ノイズ振幅の２倍以上に設定されることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記ノイズ除去部は、εフィルタであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記非線形フィルタの前段に、前記平均化フィルタからのフィルタ信号と、前回、前記非線形フィルタを通して得た超音波信号とを差分演算する第１の差分演算部と、前記第１の差分演算部の差分信号から、前記閾値に設定されたノイズ振幅以下の信号を除去するノイズ除去部と、前記フィルタ信号と、前記ノイズ除去部からの出力信号とを差分演算する第２の差分演算部と、を備える別の非線形フィルタを有することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記別の非線形フィルタに設けられた前記ノイズ除去部は、前記差分信号に基づいて、振幅成分を解析して、前記閾値とする前記ノイズ振幅を設定し、設定された前記ノイズ振幅以下の信号を除去することを特徴とする請求項５に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波方式により、流体の流量を測定する超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波流量計では、流体の流れる管路に対し、管路の外周に超音波を送受信させる超音波センサを配置する。そして、管路内での超音波の送受信により、管路内を移動する流体の流量を測定することができる。
【０００３】
例えば、伝搬時間差方式と呼ばれる超音波流量計では、超音波を、管路の内部を移動する流体に対して、斜めに横切るような経路で往復させる。そして、超音波が伝搬するのに要する時間の差から流体の流量を求めている。このとき、伝搬時間の差としては、数ナノ秒程度の差を計測する場合もあり、超音波の信号波形に混入するノイズを極力抑制することが流量測定の精度向上には重要となる。
【０００４】
一般に、ノイズとしては、超音波が流体を通過して到着するよりも前に、管路内を直接伝搬し到着するノイズや、配管内で超音波が反射を繰り返し、所謂残響ノイズ（定在波）となるもの等、種々のノイズが発生する。
【０００５】
特許文献１に記載の発明によれば、超音波センサと管路との取り付け部の間に、超音波を減衰させる超音波吸収体を配置した構造が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２に記載の発明によれば、管路の外周に超音波吸収体を固定した構造が開示されている。
【０００７】
このように、超音波吸収体を用いることで、管路伝搬波を減衰でき、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３３７９１１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１５７１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１及び、特許文献２に記載の発明のように、超音波吸収体を用いる構成では、超音波自体の信号もある程度減衰してしまい、Ｓ／Ｎ比を効果的に向上させることはできない。また、超音波吸収体が余分に必要となるため、機構的にも複雑化し、高コストとなる。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、超音波信号に混入するノイズを効果的に低減でき、高い精度で流量を計測することができる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】
【００１１】
本発明の超音波流量計は、管路を通過する流体の流量を、超音波を用いて測定する超音波流量計において、前記流体へ前記超音波を送信する超音波送信部と、前記超音波を受信する超音波受信部と、前記超音波受信部より受信した超音波信号からノイズを低減する平均化フィルタと、前記超音波信号に基づいて前記流体の流量を算出する流量演算部と、前記平均化フィルタと前記流量演算部との間に位置する、非線形関数を用いた非線形フィルタと、を有し、前記非線形フィルタにて設定された閾値に基づいて、前記平均化フィルタから出力された前記超音波信号のノイズを低減することを特徴とする。
【００１２】
この構成により、超音波信号に混入するノイズを効果的に低減でき、高い精度で流量を計測することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、平均化フィルタと流量演算部との間に、非線形関数を用いた非線形フィルタを設けることで、超音波信号と周波数的に重なるノイズを効果的に低減でき、高い精度で流量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態に係る超音波流量計の信号処理過程を示す機能ブロック図と、超音波流量計を構成する超音波センサを、管路に設置した状態を示す模式図である。
【図２】本実施の形態に係る非線形フィルタの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態にて用いられる非線形関数を示す。
【図４】図４Ａは、非線形フィルタに入力される前の信号波形（平均化フィルタの出力波形）を示し、図４Ｂは、本実施の形態における非線形フィルタの出力波形を示し、図４Ｃは、本実施の形態における非線形フィルタに代えて、一般的な線形フィルタに通した場合の出力波形を示す。
【図５】図２に示す非線形フィルタとは異なる別の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示される非線形フィルタの各部の出力波形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本実施の形態に係る超音波流量計について詳細に説明する。なお、以下の説明では、すべての図面において同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る超音波流量計の信号処理過程を示す機能ブロック図と、超音波流量計を構成する超音波センサを、管路に設置した状態を示す模式図である。本実施の形態の超音波流量計は、図１に示すように、超音波送信部１と、超音波受信部２と、平均化フィルタ３と、非線形フィルタ４と、流量演算部５と、を有して構成される。
【００１７】
図１に示すように、流体が流れる管路７の外周部には、一対の超音波センサ６が設置される。図１に示す超音波信号の送受信を行う２つの超音波センサ６のうち一方は、流体の流れる方向の上流側に、他方が、流体の流れる方向の下流側に配置されている。
【００１８】
超音波センサ６は、夫々、超音波の送受信が可能な振動子を含むものであり、超音波センサ６が、交互に超音波送信部１と、超音波受信部２とに切り替えられて、超音波の送受が行われる。すなわち、図１では、一方の超音波センサ６が、超音波送信部１として、他方の超音波センサ６が超音波受信部２として図示されているが、超音波センサ６間で送受信が切替えられる。そして、流体の流量は、流体の流れ方向及び逆方向に超音波を伝搬させたときの夫々の伝搬時間を計測し、伝搬時間に基づいて演算される。
【００１９】
超音波送信部１から超音波受信部２に向けて送信された超音波は、管路７内の流体を通過し、管路７を直接伝搬するノイズ、また、管路７内に残響するノイズ等の影響を受け、超音波受信部２で超音波信号に電圧変換される。この電圧信号に変換された超音波信号は、図示しない回路上のアンプで増幅され、Ａ／Ｄコンバータに通される。
【００２０】
本実施の形態では、ノイズを含む超音波信号から、フィルタ３、４等により各種ノイズを除去した後の超音波信号に基づいて、流体の流量を演算する。
【００２１】
平均化フィルタ３は、入力した超音波信号から、ランダムノイズを低減し、ノイズ全体のレベルを下げる。このようなフィルタ処理により、後述する非線形フィルタ４にて閾値εを安定して検出することができる。平均化フィルタ３においてランダムノイズ等が除去された超音波信号（平均化出力）は、例えば、図２に示すように、超音波信号の帯域のみ通過させるバンドパスフィルタ８を介して、非線形フィルタ４に入力される。超音波信号のフィルタ処理として、バンドパスフィルタ８を用いることで、ある程度のノイズを除去することができる。ただし、ノイズは、多種の周波数成分を含んでおり、バンドパスフィルタ８などの線形フィルタでは、完全にノイズを除去することができない。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、非線形関数を用いた非線形フィルタ４によって、超音波信号と周波数的にも重なり合うノイズを周波数領域だけでなく、ノイズの振幅情報も用いて、ノイズを効果的に低減させる。
【００２３】
図２に示すように、非線形フィルタ４は、ノイズ解析部４ａと、閾値処理部４ｂと、ノイズ除去部４ｃとで構成されている。
【００２４】
ノイズ解析部４ａでは、ノイズ振幅を解析する。ところで、超音波が、超音波送信部１から超音波受信部２に到達するタイミングは、超音波センサ６間の距離、管路７の構成、及び流体の音速により、ある程度、事前に予測することができる。これを利用し、ノイズ解析部４ａでは、超音波信号が入力される前の波形に基づいて、ノイズ振幅を検出することができる。なお、ノイズ解析部４ａで検出されるノイズを、以下、小振幅ノイズという。
【００２５】
閾値処理部４ｂは、ノイズ解析部４ａで検出された小振幅ノイズの振幅に基づいて閾値εを設定する。ノイズ除去部４ｃは、閾値処理部４ｂで設定された閾値εを用いて、小振幅ノイズを閾値ε以下にする。これにより、超音波信号から小振幅ノイズを除去することができる。本実施の形態では、閾値εを、小振幅ノイズの振幅の１倍以上２倍以下とすることで、非線形フィルタ４により、確実に、超音波信号のノイズを、閾値ε以下に抑制しながらフィルタリングすることができる。これにより、非線形フィルタ４の出力に基づいて、流量演算部５にて流量を高精度にて計測することができる。
【００２６】
ノイズ除去部４ｃとしては、例えば、εフィルタを用いることができる。εフィルタは、比較的大きな変化を伴う信号に重畳した小振幅ノイズを、信号の急峻性を損なわずに効果的に取り除くことができる。εフィルタの入出力式は、小振幅ノイズが重畳した入力信号をｘ（ｎ）、εフィルタの出力信号をｙ（ｎ）とすると、式（１）のように示すことができる。
【００２７】
【数１】
2018044954.tif 000003
【００２８】
【数２】
2018044954.tif 000004
は、非巡回型デジタルフィルタ（ＦＩＲ）である。ａｉは非巡回型デジタルフィルタのフィルタ係数であり、フィルタ係数の直流ゲインを１とするために、その総和は式（３）のように示される。
【００２９】
【数３】
2018044954.tif 000005
【００３０】
またＦ（ｘ）は、絶対値をεに制限する非線形関数であり、式（４）のように示される。
【００３１】
【数４】
2018044954.tif 000006
【００３２】
図３に、使用する非線形関数Ｆ（ｘ）を示す。このように、εフィルタは非巡回型デジタルフィルタを非線形化することにより導くことができ、入力信号ｘ（ｎ）と出力信号ｙ（ｎ）との差を、閾値ε以下に抑えながら、波形を平滑化することができる。εフィルタにより、アナログ回路フィルタ等の線形フィルタでは除去できない小振幅ノイズを、除去することができる。なお、εフィルタは、非巡回型デジタルフィルタであり、その位相特性は周波数で変わらない。すなわち、位相一定（位相直線性）が保証されるため、急峻な周波数特性を持たせた場合においても、一般の線形フィルタに用いられるようなフィルタ出力の波形の歪みは発生しない特徴を持つ。
【００３３】
非線形フィルタ４のノイズ除去部４ｃの出力信号は、流量演算部５に送られる。流量演算部５は、管路７を流れる流体の流量を演算する。非線形フィルタ４のノイズ解析部４ａは、超音波信号波形が生成する前のタイミングでノイズを検出することにより、小振幅ノイズの振幅を容易に検出することができる。閾値処理部４ｂにおいて、小振幅ノイズの振幅から決定された閾値εを用いて、ノイズ除去部４ｃが小振幅ノイズを閾値ε以下に抑えることで、超音波信号に重畳した小振幅ノイズを、効果的に低減することができる。よって、流量演算部５において、小振幅ノイズが低減された超音波信号波形から流体の流量を高Ｓ／Ｎ比にて演算することができる。
【００３４】
このように、本実施の形態では、特許文献に示す超音波吸収体を用いる必要がなく、簡単な構成で、高精度な超音波流量計を実現でき、従来に比べて、低コスト化を図ることができる。
【００３５】
図４Ａは、非線形フィルタに入力される前の信号波形（平均化フィルタ３の出力波形）を示す。図４Ｂは、本実施の形態における非線形フィルタ４の出力波形を示す。図４Ｃは、本実施の形態における非線形フィルタ４に代えて、一般的な線形フィルタに通した場合の出力波形を示す。
【００３６】
図４Ａに示すように、平均化フィルタ３の出力波形（図２に示す「非線形フィルタへの入力」波形に相当）では、超音波信号に対してほぼ同一周波数のノイズが重畳していることがわかる。この平均化フィルタ３の出力波形に対して、非線形関数を利用した非線形フィルタ４を適用すると、周波数だけでなく、小振幅ノイズの振幅情報も加味することができる。すなわち、例えば、図３に示すような非線形関数Ｆ（ｘ）を使用することで、ノイズ振幅に合わせて、小振幅ノイズを除去できる。このため、図４Ｂに示す非線形フィルタ４の出力波形に示すように、小振幅ノイズだけを適切に除去でき、高Ｓ／Ｎ比を取得することが可能である。
【００３７】
これに対して、一般的な線形フィルタを適用すると、超音波信号とノイズの周波数帯域が重なるために、図４Ｃに示すように、図４Ａの出力波形からノイズを低減させると、超音波信号の振幅も大きく低減してしまう。よって、一般的な線形フィルタを用いる構成では、高Ｓ／Ｎ比を得ることができない。
【００３８】
ところで、受信した超音波信号に対して、比較的、大振幅のノイズ（例えば、スパイクノイズなど）が重畳した場合、前述の平均化フィルタ３では、大振幅のノイズ除去が困難である。
【００３９】
そこで、図５に示す、図２とは別の非線形フィルタ１４を用いて、大振幅ノイズを除去することを可能とした。なお、図６を用いて、図５の非線形フィルタの各部の出力波形例も合わせて説明する。
【００４０】
図５に示す非線形フィルタ１４は、第１の差分演算部１４ａと、第２の差分演算部１４ｂと、ノイズ除去部１４ｃとを有して構成される。
【００４１】
非線形フィルタ１４には、バンドパスフィルタ８を通したフィルタ信号Ａ（図６Ａを参照）と、前回、非線形フィルタ１４を通して取得した超音波信号Ｂとが入力される。前回取得の超音波信号Ｂ（図６Ｂを参照）は、予め、図５に示す記憶部１０に記憶されている。
【００４２】
フィルタ信号Ａと、前回取得の超音波信号Ｂとは、非線形フィルタ１４の第１の差分演算部１４ａにて差分演算され、図６Ｃに示す差分信号Ｃが取得される。これにより、フィルタ信号Ａから前回取得の超音波信号Ｂの信号成分が除かれる。得られた差分信号Ｃ（残留する信号成分）は、ノイズ成分が支配的になっている。
【００４３】
図６Ｃに示すように、差分信号Ｃには、大振幅ノイズと小振幅ノイズとが残存している。大振幅ノイズは、小振幅ノイズよりも突発的に振幅が大きい異常なノイズ成分である。ノイズ除去部１４ｃでは、差分信号Ｃのうち、小振幅ノイズを除去する。小振幅ノイズを除去すべく、閾値を、小振幅ノイズよりも若干大きい値に設定する。これにより、ノイズ除去部１４ｃでは、小振幅ノイズを除去し、大振幅ノイズが残存する出力信号Ｄ（図６Ｄ参照）を得ることができる。
【００４４】
ノイズ除去部１４ｃで小振幅ノイズを除去する前に、ノイズ解析部により、ノイズの振幅成分を解析し、閾値処理部で、小振幅ノイズよりも若干大きい振幅に閾値を設定する。このようなノイズ解析部及び閾値処理部は、第１の差分演算部１４ａとノイズ除去部１４ｃの間に設けられており、或いは、ノイズ除去部１４ｃ内にその機能が集約されている。図５は、ノイズ除去部１４ｃ内に、ノイズ解析部、及び閾値処理部の機能が集約されている。
【００４５】
そして、第２の差分演算部１４ｂで、フィルタ信号Ａと、ノイズ除去部１４ｃから取得された出力信号Ｄとを差分することにより、フィルタ信号Ａから、大振幅ノイズを除去した出力信号Ｅを得ることができる（図６Ｅを参照）。図６Ｅに示すように、出力信号Ｅには、小振幅ノイズが残ったままである。出力信号Ｅは、ノイズとしては、図４Ａに示す出力信号と同様に大振幅ノイズがなく小振幅ノイズのみが存在する。
【００４６】
大振幅ノイズが除去された出力信号Ｅは、図２の非線形フィルタ４に通される。既に記載したように、図２の非線形フィルタ４に通されることで、小振幅ノイズが取り除かれる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００４８】
例えば、上記の実施の形態では、バンドパスフィルタ８によるフィルタリングは、平均化フィルタ３の前であってもよいし、平均化フィルタ３内に組み込まれていても、或いは、非線形フィルタ４内に組み込まれていてもよい。また、図３に示す非線形関数も一例であってこれに限定されるものではない。
【００４９】
最後に、上記の実施の形態における特徴点を整理する。
【００５０】
上記実施の形態に記載の管路７を通過する流体の流量を、超音波を用いて測定する超音波流量計において、流体へ超音波を送信する超音波送信部１と、超音波を受信する超音波受信部２と、超音波受信部２より受信した超音波信号からノイズを低減する平均化フィルタ３と、超音波信号に基づいて流体の流量を算出する流量演算部５と、平均化フィルタ３と流量演算部５との間に位置する、非線形関数を用いた非線形フィルタ４と、を有し、非線形フィルタ４にて設定された閾値に基づいて、平均化フィルタ３から出力された超音波信号のノイズを低減することを特徴とする。
【００５１】
このように、平均化フィルタ３と流量演算部５との間に、非線形関数を用いた非線形フィルタ４を設けることで、平均化フィルタ３の出力信号から小振幅ノイズを適切に低減できる。したがって、超音波信号と周波数的に重なるノイズを効果的に低減でき、高い精度で流量を計測することができる。
【００５２】
また、上記実施の形態に記載の超音波流量計において、非線形フィルタ４は、超音波信号が生成される前のタイミングの波形に基づいて、ノイズ振幅を検出するノイズ解析部４ａと、ノイズ振幅に基づいて閾値を決定する閾値処理部４ｂと、閾値に基づいて超音波信号のノイズを除去するノイズ除去部４ｃと、を備えることが好ましい。
【００５３】
このように、本実施の形態では、ノイズ解析部４ａにて、超音波信号が生成される前のタイミングの波形でノイズ振幅を検出できる。これにより、ノイズ振幅を簡単且つ精度よく検出することができる。また、環境によるノイズ変動も適切に吸収して、ノイズ振幅を検出することができる。そして、このノイズ振幅に基づいて、閾値を設定することができ、ノイズ除去部４ｃでは、閾値に基づき、超音波信号に重畳された小振幅ノイズのノイズ振幅の大きさに応じて、小振幅ノイズの除去を適切に行うことが可能である。
【００５４】
また、上記実施の形態に記載の超音波流量計において、閾値は、ノイズ振幅の２倍以上に設定されることが好ましい。これにより、超音波信号から効果的に小振幅ノイズを除去することができる。
【００５５】
また、上記実施の形態に記載の超音波流量計において、ノイズ除去部４ｃは、εフィルタとすることができる。
【００５６】
εフィルタにより、アナログ回路フィルタ等の線形フィルタでは除去できない小振幅ノイズを、超音波信号から信号の急峻性を損なわずに効果的に取り除くことができる。
【００５７】
また、図５に示す別の非線形フィルタ１４を、非線形フィルタ４の前段に配置することができる。図５に示す非線形フィルタ１４は、第１の差分演算部１４ａと、ノイズ除去部１４ｃと、第２の差分演算部１４ｂと、を備える。第１の差分演算部１４ａでは、平均化フィルタからのフィルタ信号Ａと、前回、非線形フィルタ１４を通して得た超音波信号Ｂとを差分演算する。ノイズ除去部１４ｃでは、閾値に設定されたノイズ振幅以下の信号を除去する。第２の差分演算部１４ｂでは、フィルタ信号Ａと、ノイズ除去部１４ｃからの出力信号Ｄとを差分演算する。
【００５８】
これにより、スパイクノイズなどの異常な大振幅のノイズが重畳した場合でも、大振幅のノイズを適切に除去することができる。
【００５９】
また、上記実施の形態に記載の超音波流量計において、別の非線形フィルタ１４に設けられたノイズ除去部１４ｃは、差分信号に基づいて、振幅成分を解析して、閾値とするノイズ振幅を設定し、設定されたノイズ振幅以下の信号を除去することが好ましい。
【００６０】
このように、ノイズ除去部１４ｃにノイズ除去機能のみならず、ノイズ解析機能及び閾値処理機能を集約させることができる。これにより、非線形フィルタ１４をコンパクトにでき処理能力を速めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明した本発明は、気体や液体等の流体の流れに対して斜めに超音波を伝播させたときの、超音波の伝搬時間差から流体の流量を計測するようにした超音波流量計に有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１      ：超音波送信部
２      ：超音波受信部
３      ：平均化フィルタ
４、１４      ：非線形フィルタ
４ａ    ：ノイズ解析部
４ｂ    ：閾値処理部
４ｃ、１４ｃ    ：ノイズ除去部
５      ：流量演算部
６      ：超音波センサ
７      ：管路
８      ：バンドパスフィルタ
１０    ：記憶部
１４ａ  ：第１の差分演算部
１４ｂ  ：第２の差分演算部
Ａ      ：フィルタ信号
Ｂ      ：超音波信号
Ｃ      ：差分信号
Ｄ      ：出力信号
Ｅ      ：出力信号
Ｆ      ：非線形関数
ｘ      ：入力信号
ｙ      ：出力信号
ε      ：閾値
【図１】
2018044954.tif 000007
【図２】
2018044954.tif 000008
【図３】
2018044954.tif 000009
【図４】
2018044954.tif 000010
【図５】
2018044954.tif 000011
【図６】
2018044954.tif 000012