(57)【要約】【課題】  ドップラ式超音波流速分布計において、反射波の受信感度を自動的に向上させることにより、流体の流束などの流体の状態に依存しない測定を可能とする。【解決手段】  パルスドップラ方式の超音波流量計において、受信信号を調整する方法を提供する。直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を予め求めておく。虚部絶対値平均を所定の閾値との比較に基づき、増幅器の出力信号の大きさを調整する。この調整は、増幅器の利得またはパルス生成器の出力を制御することにより行う。増幅器の利得を上げる場合、利得が既に最大ならば、送信出力を上げ、増幅器の利得は初期値に戻す。増幅器の利得を下げる場合、利得が既に最小ならば、送信出力を下げ、増幅器の利得は初期値に戻す。さらに、利得も送信電圧も既に最大の場合、ドップラ周波数信号の実部の平均が所定の基準値以上ならば、流速ゼロと判断し、基準値以下ならば、計測不能と判断する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波パルスを送受信するトランスデューサと、トランスデューサに送信信号を与えるパルス生成器と、トランスデューサからの受信波を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号からドップラ周波数の実部データと虚部データを抽出し、前記実部データと前記虚部データをそれぞれアナログ／デジタル変換する直交検波手段と、実部と虚部のアナログ／デジタル変換出力から流量を算出する演算制御手段とを備えたパルスドップラ方式の超音波流量計において、受信信号を調整する方法であり、
前記直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を求めるステップと、
前記虚部絶対値平均を所定の閾値との比較の基づき、前記増幅器の出力信号の大きさを調整する調整ステップとを含むことを特徴とするドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項２】
前記調整ステップが、前記増幅器の利得を制御するステップからなることを特徴とする請求項１記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項３】
前記調整ステップが、パルス生成器の出力を制御するステップからなることを特徴とする請求項１記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項４】
前記閾値が上限値であり、
前記調整ステップは、前記虚部絶対値平均が前記上限値を上回る場合、前記増幅器の利得を下げるステップを含むことを特徴とする請求項２記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項５】
前記調整ステップは、前記虚部絶対値平均が前記上限値を上回る場合、前記増幅器の利得が最小でなければ、前記増幅器の利得を下げるステップを含むことを特徴とする請求項４記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項６】
前記調整ステップは、前記虚部絶対値平均が前記上限値を上回る場合、前記増幅器の利得が既に最小ならば、前記パルス生成器の出力を下げる出力低減ステップを含むことを特徴とする請求項３記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項７】
前記出力低減ステップが、前記増幅器の利得を初期値に戻すステップを含むことを特徴とする請求項３記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項８】
前記閾値が下限値であり、
前記調整ステップは、前記虚部絶対値平均が前記下限値を下回る場合、前記増幅器の利得を上げるステップを含むことを特徴とする請求項２記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項９】
前記調整ステップは、前記虚部絶対値平均が前記下限値を下回る場合、前記増幅器の利得が最大でなければ、前記増幅器の利得を上げるステップを含むことを特徴とする請求項８記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項１０】
前記調整ステップは、前記虚部絶対値平均が前記下限値を下回る場合、前記増幅器の利得が既に最大ならば、前記パルス生成器の出力を上げる出力増大ステップを含むことを特徴とする請求項３記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項１１】
前記出力増大ステップは、前記増幅器の利得を初期値に戻すステップを含むことを特徴とする請求項１０記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項１２】
前記出力増大ステップは、
前記パルス生成器の前記出力電圧が最大に達したか否かを判断するステップと、
前記パルス生成器の前記出力電圧が最大でない場合に、前記パルス生成器の出力を上げて、前記増幅器の利得を初期値に戻すステップからなることを特徴とする請求項１０記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項１３】
前記パルス生成器の前記出力電圧が最大である場合、前記実部データを加算しサンプル回数で割った実部平均が一定の基準値以上か否かを判断するステップと、
実部平均が一定の基準値以上である場合、流速をゼロであると判断するステップとをさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項１４】
前記パルス生成器の前記出力電圧が最大である場合、前記実部データを加算しサンプル回数で割った実部平均が一定の基準値以上か否かを判断するステップと、
実部平均が一定の基準値以上でない場合、測定不可能であると判断するステップとをさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載のドップラ方式超音波流量計における受信信号調整方法。
【請求項１５】
超音波パルスを送受信するトランスデューサと、トランスデューサに送信信号を与えるパルス生成器と、トランスデューサからの受信波を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号からドップラ周波数の実部データと虚部データを抽出し、前記実部データと前記虚部データをそれぞれアナログ／デジタル変換する直交検波手段と、実部と虚部のアナログ／デジタル変換出力から流量を算出する演算制御手段とを備え、
前記演算制御手段が、
前記直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を求める手段と、
前記虚部絶対値平均を所定の閾値との比較の基づき、前記増幅器の出力信号の大きさを調整する調整手段とを備えることにより、受信信号の調整を動的に行うことを特徴とするドップラ方式の超音波流量計。
【請求項１６】
超音波パルスを送受信するトランスデューサと、トランスデューサに送信信号を与えるパルス生成器と、トランスデューサからの受信波を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号からドップラ周波数の実部データと虚部データを抽出し、前記実部データと前記虚部データをそれぞれアナログ／デジタル変換する直交検波手段と、実部と虚部のアナログ／デジタル変換出力から流量を算出する演算制御手段とを備えたパルスドップラ方式の超音波流量計において、前記演算制御手段に格納され、前記演算制御手段に
前記直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を求める機能と、
前記虚部絶対値平均を所定の閾値との比較の基づき、前記増幅器の出力信号の大きさを調整する機能とを実現させることにより、受信信号の動的な調整を可能とすることを特徴とするドップラ式超音波流量計用の受信信号調整プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスドップラ式超音波流速分布計または流量計に関し、さらに詳細には、ドップラ式超音波流量計において受信波のＳＮ比、レベルまたはこれらの両方を調節する技術にする。
【背景技術】
【０００２】
従来のパルスドップラ方式の流量計測では、測定対象の流体に流路を与える管の外壁に取り付けたトランスデューサ（超音波送受波器）から超音波パルスを送信し、流体内に存在する例えば気泡や不純物などの微粒子で散乱され上記のトランスデューサに戻る超音波エコーを受信する。この受信波にはこれを反射した微粒子（以降、測定点という）の流速に応じてドップラシフトを受けた周波数成分が含まれているので、各測定点からの受信波または受信信号から周波数分析によりドップラ周波数を求めることにより、各測定点の流速を算出し、さらに積分することにより流量を求める。
【０００３】
しかし、このパルスドップラ方式の場合、超音波パルスの送受信を行うトランスデューサから測定点が離れるほど、流体中での伝搬損失が大きくなり、受信信号レベルが低下するので、受信信号のＳ／Ｎ比も低下して測定が困難になってくる。だからといって、送信する超音波パルスの出力をあげると、離れた測定点からの反射波のＳ／Ｎ比は向上するが、トランスデューサ付近の管壁や流体からは大きな反射波が来るので、近距離位置の計測時に受信回路の増幅器が飽和して計測が困難になる。このように、受信信号のレベルは大きく変動するので、増幅器の出力も大幅に変動することになる。増幅器の出力レベルが、後段の回路のダイナミックレンジを超えるほどになると、ドップラ周波数を正確に検出することができなくなる。したがって、パルスドップラ方式では、受信信号のレベルやＳ／Ｎ比を適切に調整することが重要である。
【０００４】
この受信信号のレベルの調整に関する提案もすでになされている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、送信から受信までのゲート時間と出力レベルの関係を予め求めておき、ゲート時間に応じて送受信信号の調節を行う。
【特許文献１】特開２００１−１２４６０３号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の超音波流量計では、設置時に、送信波の電圧と受信時のアンプの利得を設定し、以降この設定状態で運用される。このように、送受信波を一度適切なレベルに設定しても、温度変化や素子の経年変化により動作点が変動すると、必ずしも適切な受信信号が得られるとは限らない。さらに、パルスドップラ方式の受信波は、流体の流束(流速×気泡密度)などの流体の状態に依存するものであり、流速などの流体の状態に応じて送信波の電圧と受信側のアンプの利得とを動的に調整し、適切に受信できるようにしなければいけない。
【０００６】
したがって、本発明は、パルスドップラ式超音波流量計において、流束などの流体の状態に依存しない流量計測ができるよう反射波の受信感度を自動的に向上させるシステム、方法およびプログラムを与えることを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、反射波の受信感度を自動的に向上させることにより流束などの流体の状態に依存しない測定が可能なパルスドップラ式超音波流量計を与えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明は、一面において、超音波パルスを送受信するトランスデューサと、トランスデューサに送信信号を与えるパルス生成器と、トランスデューサからの受信波を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号からドップラ周波数の実部データと虚部データを抽出し、実部データと虚部データをそれぞれアナログ／デジタル変換する直交検波手段と、実部と虚部のアナログ／デジタル変換出力から流量を算出する演算制御手段とを備えたパルスドップラ方式の超音波流量計において、受信信号を調整する方法を与える。本方法は、直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を求めるステップと、虚部絶対値平均を所定の閾値との比較の基づき、増幅器の出力信号の大きさを調整する調整ステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
調整ステップは、増幅器の利得を制御するステップで構成しても良いし、パルス生成器の出力を制御するステップで構成しても良い。
閾値が上限値であれば、調整ステップは、虚部絶対値平均が上限値を上回る場合、増幅器の利得を下げるステップを含む。
【００１０】
調整ステップは、虚部絶対値平均が上限値を上回る場合、増幅器の利得が最小でなければ、増幅器の利得を下げるステップを含んでもよい。
調整ステップは、虚部絶対値平均が上限値を上回る場合、増幅器の利得が既に最小ならば、パルス生成器の出力を下げる出力低減ステップを含んでもよい。
【００１１】
出力低減ステップは、好ましくは、増幅器の利得を初期値に戻すステップを含む。
閾値が下限値である場合、調整ステップは、虚部絶対値平均が下限値を下回る場合、増幅器の利得を上げるステップを含む。
【００１２】
調整ステップは、虚部絶対値平均が下限値を下回る場合、増幅器の利得が最大でなければ、増幅器の利得を上げるステップを含んでもよい。
調整ステップは、虚部絶対値平均が下限値を下回る場合、増幅器の利得が既に最大ならば、パルス生成器の出力を上げる出力増大ステップを含んでもよい。
【００１３】
出力増大ステップは、増幅器の利得を初期値に戻すステップを含むことが好ましい。
出力増大ステップは、パルス生成器の出力電圧が最大に達したか否かを判断するステップと、パルス生成器の出力電圧が最大でない場合に、パルス生成器の出力を上げて、増幅器の利得を初期値に戻すステップから構成しても良い。
【００１４】
本方法は、パルス生成器の出力電圧が最大である場合、実部データを加算しサンプル回数で割った実部平均が一定の基準値以上か否かを判断するステップと、実部平均が一定の基準値以上である場合、流速をゼロであると判断するステップとをさらに備えてもよい。
【００１５】
本方法は、パルス生成器の出力電圧が最大である場合、実部データを加算しサンプル回数で割った実部平均が一定の基準値以上か否かを判断するステップと、実部平均が一定の基準値以上でない場合、測定不可能であると判断するステップとをさらに備えてもよい。
【００１６】
本発明は、別の面においては、超音波パルスを送受信するトランスデューサと、トランスデューサに送信信号を与えるパルス生成器と、トランスデューサからの受信波を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号からドップラ周波数の実部データと虚部データを抽出し、実部データと虚部データをそれぞれアナログ／デジタル変換する直交検波手段と、実部と虚部のアナログ／デジタル変換出力から流量を算出する演算制御手段とを備え、演算制御手段が、直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を求める手段と、虚部絶対値平均を所定の閾値との比較の基づき、増幅器の出力信号の大きさを調整する調整手段とを備えることにより、受信信号の調整を動的に行うことを特徴とするドップラ方式の超音波流量計を与える。
【００１７】
本発明は、さらに別の面においては、超音波パルスを送受信するトランスデューサと、トランスデューサに送信信号を与えるパルス生成器と、トランスデューサからの受信波を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号からドップラ周波数の実部データと虚部データを抽出し、実部データと虚部データをそれぞれアナログ／デジタル変換する直交検波手段と、実部と虚部のアナログ／デジタル変換出力から流量を算出する演算制御手段とを備えたパルスドップラ方式の超音波流量計において、演算制御手段に格納され、演算制御手段に、  直交検波手段が出力する虚部データを加算しサンプル回数で割って、虚部絶対値平均を求める機能と、虚部絶対値平均を所定の閾値との比較の基づき、増幅器の出力信号の大きさを調整する機能とを実現させることにより、受信信号の動的な調整を可能とすることを特徴とするドップラ式超音波流量計用の受信信号調整プログラムを与える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、ドップラ式超音波流速分布計において、反射波の受信感度を自動的に向上させることにより、流体の流束などの流体の状態に依存しない測定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態と添付図面により本発明を詳細に説明する。なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の一実施形態によるパルスドップラ方式の超音波流量計の構成例を示す略ブロック図である。図１において、本発明のパルスドップラ式超音波流量計は、計測対象の流体に流路を与える管の外壁に取り付けられて超音波送受信を行うトランスデューサ１、トランスデューサ１に供給する送信パルス生成の元となる超音波周波数発信器１０、発信器１０からの正弦波を元に出力制御信号で指定された振幅の超音波パルスＴＰを発生・出力する出力可変パルス発生器１２、トランスデューサ１からの受信信号ＲＳを利得制御信号で指定された利得で増幅する利得可変増幅器１４、増幅器１４の出力からドップラ周波数を検出する直交検波部１６、出力可変パルス発生器１２と直交検波部１６に対して超音波信号の送受信に関するタイミングの制御を行う送受信タイミング制御部１８，および直交検波部１６から出力される実部データと虚部データとを基に流量計算を行う演算制御部２０から構成される。
【００２０】
送受信タイミング制御部１８は、個別部品で構成しても良いが、ＰＬＡ（programmable logic array）やカスタムＬＳＩなどを用いて構成しても良い。直交検波部１６は、超音波周波数発信器１０で発生さる信号を用いて利得可変増幅器１４からの受信信号を実部（正弦成分）と虚部（余弦成分）に分離し、分離した実部データおよび虚部データから図示しないフィルタによりドップラ周波数を抽出し、さらに抽出した信号をサンプリング、アナログ／デジタル変換を行う。
【００２１】
演算制御部２０は、好ましくは、図示しないＣＰＵ（中央情報処理装置）、ＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセス記憶装置）などから構成されるマイクロコンピュータで構成する。図１に示すように、演算制御部２０は、例えば、図示しないＲＯＭに格納された種々のプログラムにより、直交検波部１６から渡される実部データおよび虚部データに対し、それぞれ加算処理２２を行い、これらの加算結果からtan-1演算２４により繰返し周期のドップラ位相角を求める。このドップラ位相角からドップラ周波数(位相角×繰返し周波数)を求めて流速換算２６を行う。周知のように、これらの処理を各計測位置に対して行い、各計測位置に対する流速分布を求め、得られた流速の積分により流量を求める。
【００２２】
図３は、トランスデューサ１から出力される超音波パルスと超音波パルスが気泡などにより散乱または反射されて戻るエコー波との関係を示す図である。図３に示すように、トランスデューサ１から超音波パルスが出力される度にエコー波（受信信号）を利用して計測が行われるので超音波パルスの出力間隔を１計測周期と称する。実際には、受信信号をすべて用いて流量計測を行うのではなく、超音波パルスの送信後、一定の遅延期間Ｔｄが経過してから一定の計測期間Ｔｍに受信される受信信号を用いて計測を行う。
【００２３】
本明細書において、受信波の調整とは、受信される反射波を適切な大きさの実部信号と虚部信号として求めるようにすることである。このため、本発明によれば、超音波周波数発信器１０からの正弦波で直交交差により求めた虚部データの絶対値の加算値を求め、そのサンプリング回数での平均をそれぞれ求め（３２）、また、実部データのサンプリング回数での平均も求めておく（３０）。パルス生成器１２から送信パルスを送信する度に、虚部の絶対値の加算平均を用いて、以下に述べる方法により受信波の調整を行う。この、受信波の調整は、利得可変増幅器１４の利得制御（後述のステップ１０８，１１０，１２４および１３４）と出力電圧制御（後述のステップ１２２および１３２）からなる。この調整結果は、次の計測周期における流量計測のためのデータ収集に生かされることになる。なお、実部データの加算平均は、後述のように、十分なレベルの受信信号が得られない場合に、測定不能であることが原因か、または流速がゼロであることが原因かを判断するのに使用される。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態により演算制御部２０（具体的には、ＲＯＭ（図示せず）に格納されたプログラムの制御下でＣＰＵ（図示せず））が各計測周期ごとに行う受信波の調整動作の手順を示すフローチャートである。図２において、まずステップ１０２において、上記の虚部の絶対値平均は、所定の下限値より小さいか否かを判断する。小さくなければ、ステップ１０４において、虚部の絶対値平均は所定の上限値より大きいか否かを判断する。大きくなければ、虚部の絶対値平均は上限値と下限値の間にあるので、調整は行わず、この計測周期の調整処理を終了する。
【００２５】
判断ステップ１０４において、虚部の絶対値平均が所定の上限値を上回る場合、判断ステップ１２０において、利得可変増幅器１４の利得は最小かどうか判断する。最小でないなら、利得可変増幅器１４の利得を下げて、処理を終了する。ステップ１２０において、増幅器１４の利得が既に最小である場合、ステップ１２２において、出力可変パルス生成器１２の出力電圧、即ち、送信電圧を下げ、ステップ１２４において、利得可変増幅器１４の利得を初期値に戻して、処理を終了する。
【００２６】
要するに、虚部の絶対値平均が所定の上限値を上回る場合（ステップ１０４）、基本的には、増幅器１４の利得を下げる（ステップ１０８）のであるが、例えば、その時までの計測周期における受信信号調整動作により既に利得が最小に設定されているような場合（ステップ１２０）は、送信電圧を下げ（ステップ１２４）て、増幅器１４の利得を初期値に戻す（ステップ１２４）わけである。したがって、簡単なシステムを構築する場合は、ステップ１２０〜１２４を省略することも可能である。
【００２７】
一方、判断ステップ１０２において、虚部の絶対値平均が所定の下限値を下回る場合、ステップ１３０において、利得可変増幅器１４の利得は最大か否かを判断する。最大でなければ、増幅器１４の利得を下げ、この計測周期の受信信号調整動作を終了する。ステップ１３０で増幅器１４の利得が最大ならば、ステップ１４０において、出力可変パルス生成期１２の送信電圧が最大か否かを判断する。最大でないならば、ステップ１３２において、送信電圧を上げ、ステップ１３４において、増幅器１４の利得を初期値に戻して、処理を終了する。
【００２８】
要するに、虚部の絶対値平均が所定の下限値を下回る場合（ステップ１０２）、基本的には、増幅器１４の利得を上げる（ステップ１１０）のであるが、例えば、その時までの計測周期における受信信号調整動作により既に利得が最大に設定されているような場合（ステップ１３０）は、出力可変パルス生成期１２の出力を上げる余地があれば（ステップ１４０）、送信電圧を上げ（ステップ１３２）て、増幅器１４の利得を初期値に戻す（ステップ１３４）わけである。したがって、簡単なシステムを構築する場合は、ステップ１３０〜１３４および１４０を省略することも可能である。
【００２９】
また、ステップ１４０において、送信電圧が最大でない場合、判断ステップ１４２において、実部の平均は所定の閾値以上か否かを判断する。実部の平均は所定の基準値以上である場合、ステップ１４４において、流速はゼロであると判断して、処理を終了する。ステップ１４２において、実部の平均は所定の基準値以上でない場合、ステップ１４６において、測定不可能であると判断して、処理を終了する。
【００３０】
即ち、利得可変増幅器１４の利得も出力可変パルス生成期１２の出力電圧も最大である場合、実部の平均値と所定の基準値とを比較して、流速＝０か測定不可かを判断する。したがって、簡単なシステムでは、ステップ１４０〜１４６を省略することができる。
【００３１】
本発明によれば、パルスドップラ方式の流量計測を行いながら、受信信号を動的に調整することができるので、流束などの流体の状態に依存しない測定が可能となる。
以上は、本発明の説明のために実施例を掲げたに過ぎない。したがって、本発明の技術思想または原理に沿って上述の実施例に種々の変更、修正または追加を行うことは、当業者には容易である。
【００３２】
例えば、図２において説明した実施の形態は、最良の形態であり、図２の処理の一部のみを採用して、受信信号の調整を行っても良い。
一例を挙げると、ステップ１０２で虚部の絶対値平均が所定の下限値以下の場合、利得可変増幅器１４の利得を上げる（ステップ１１０）代わりに、送信電圧を上げ（ステップ１３２）ても良い。同様に、ステップ１０４で虚部の絶対値平均が所定の上限値以上の場合、利得可変増幅器１４の利得を下げる（ステップ１０８）代わりに、送信電圧を下げ（ステップ１２２）ても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態によるパルスドップラ方式の超音波流量計の構成例を示す略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態により演算制御部２０が行う受信波の調整動作の手順を示すフローチャートである。
【図３】トランスデューサ１から出力される超音波パルスと受信波の関係を示すとともに、計測周期、超音波パルスを送信してから計測を行うまでの遅延期間Ｔｄ、計測期間Ｔｍを説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  トランスデューサ
２  パルスドップラ方式の流量計測器
１０  超音波周波数発信器
１２  出力可変パルス発生器
１４  利得可変増幅器
１６  直交検波部
１８  送受信タイミング制御部
２０  演算制御部
２２  加算処理ルーチン
２４  tan―1処理ルーチン
２６  流速換算ルーチン
２８  流量演算ルーチン
３０  実部データ加算平均ルーチン
３２  虚部データ絶対値加算平均ルーチン
１０８，１１０，１２４，１３４  利得制御ルーチン
１２２，１３２  出力電圧制御ルーチン
【図１】
2005241504.tif 000003
【図２】
2005241504.tif 000004
【図３】
2005241504.tif 000005