JP5914643B2 - 超音波伝搬時間法による流体の流量検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波伝搬時間法により流体の流量を検出する方法であって、超音波信号が測定区間を通過する伝搬時間から、流速及びその流速から流体の流量を検出して、この測定区間の伝達関数を少なくとも近似的に決定する方法に関する。

今日では、伝搬時間法に基づき体積及び質量流量を測定する超音波検出方式は、定着した高精度な測定技術として看做すことができる。そのような測定機器の実現可能な精度は、伝搬系の影響によって決まり、時間的に変化しない系の場合には、その影響を校正によって解消することができる。

流量測定の用途では、超音波変換器の伝達関数が変化する原因が（例えば、汚染、大気湿度又は材料の劣化現象など）多岐に渡る場合が有る。そのような変換器の伝達関数の変化は、測定量のドリフトとして作用する。

それに関して、特許文献１は、例えば、超音波変換器から出力される電圧などの電気動作量を測定することによって、そのようなドリフトを補償する手法を記載している。そのため、その信号から、超音波センサのドリフトを補償するために使用できる校正量を導出している。

ドイツ特許公開第１０２００５０３７４５８号明細書

本発明の課題は、前記のドリフトを考慮して、それにより測定結果を改善する改善方法を提供することである。

本課題を解決するために、本発明では、少なくとも一つの超音波伝搬時間が、この伝達関数の群伝搬時間から決定された校正値を用いて校正されるものと規定する。

有利には、この校正値は、動作の進行中に定期的に決定される。

本発明の別の変化形態では、少なくとも三つの周波数点において超音波変換器の電気インピーダンスを決定することによって、この伝達関数を近似するものと規定される。

本発明の別の変化形態は、この伝達関数を受信信号のＦＦＴから決定することを特徴とする。

それに代わって、この伝達関数を送信信号と受信信号の相関のＦＦＴから決定することができる。

本発明では、伝達関数の理論モデルを作成して、そのモデルパラメータを適合手法により決定するものと規定することができる。

本発明の有利な変化形態は、校正された伝搬時間に精密な温度測定から決定された音波速度を乗算することによって、センサ間の実際の間隔を計算するものと規定する。

この場合、特に、センサ間の実際の間隔を動作の進行中に定期的に決定することは、本発明の目的に適っている。

以下の記述において、実施例により、添付図面を参照して、本発明を詳しく説明する。

超音波パルスの伝送区間の模式図 超音波変換器の伝達関数の変化に対する伝搬時間誤差のグラフ

図１の通り、バンドパスフィルタＢＰ１（送信側変換器）、大気区間及びバンドパスフィルタＢＰ２（受信側変換器）の構成要素から成る測定区間を図示することができる。この場合、Ｓ_０は、送信信号のＦＦＴを表し、Ｓ_ｔは、送信（伝送）される信号のＦＦＴを表し、Ｓ_Ｌは、大気区間の後で受信側変換器の入力前の信号のＦＦＴを表し、Ｓ_Ｅは、（フィルタＢＰ２後の）受信信号のＦＦＴを表す。ＦＦＴは、「高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」の略語である。このＦＦＴは、離散フーリエ変換の値を効率的に計算するためのアルゴリズムであり、直接的な計算と異なり、事前に計算した中間結果を考慮して、そのような算術計算作業を節約している。

例えば、トリガー法、位相決定活用法、相関法などの伝搬時間の決定に使用できる様々な方法が知られている。これらの方法では、次の通り、個別項の全体伝達関数から得られる平均信号伝搬時間を決定している。

ここで、ｔ_ｍｅｓｓは、全体の伝搬時間を表し、ｔ_Ｌｕｆｔは、大気区間での音波伝搬時間を表し、ｔ_ＢＰ１は、第一のバンドパスフィルタの信号伝搬時間（群伝搬時間）を表し、ｔ_ＢＰ２は、第二のフィルタの群伝搬時間を表す。

流量測定の測定量は、以下の通り、大気区間の伝達関数Ｌ（ω）の変化に対応する一方、二つのバンドパスフィルタの伝達関数の場合によっては起こり得る変化が雑音量として作用する。

ここで、ＢＰ１とＢＰ２は、二つのバンドパスフィルタの複素伝達関数を表し、｜ＢＰ１｜と｜ＢＰ２｜は、それらの絶対値を表し、Ф_１とФ_２は、位相を表す。

このドリフトが、図２に図示されている通り、二つのバンドパスフィルタの群伝搬時間の変化に相当することは明らかである。このドリフトを校正によって解消する場合、それは、測定動作中ではなく、精密に制御された環境条件の下でのゼロバランスとしてのみ可能である。

本方法では、上記の通り、測定した伝搬時間（ｔ_ｍｅｓｓ）を理論的な音波伝搬時間（ｔ_{Ｌｕｆｔ，０；ｔｈｅｏｒｅｔｉｓｃｈ}）と比較することによって、超音波センサの群伝搬時間の実際の値を決定している。その後、これらの校正係数は、動作の進行中に、測定した伝搬時間から差し引かれ、それにより、大気区間での音波伝搬時間（ｔ_Ｌｕｆｔ）が決定される。

本発明による方法によって、測定動作の進行中にゼロ点補償を定期的に行なうことができる。そのために、測定区間の伝達関数は、少なくとも近似的に決定されて、少なくとも一つの超音波伝搬時間が、その伝達関数の群伝搬時間から決定された校正値を用いて校正される。この場合、この校正値は、動作の進行中に定期的に決定することができる。

この伝達関数を決定するために、複数の手法が存在し、有利には、少なくとも三つの周波数点における超音波変換器の電気インピーダンスを決定することによって近似されるが、受信信号のＦＦＴ又は受信信号と送信信号の相関のＦＦＴから決定することもできる。場合によっては、この伝達関数の理論モデルを作成して、適合手法を用いて、そのモデルパラメータを決定することもできる。

更に、設備の側面からは、測定結果を改善するために、校正された伝搬時間に精密な温度測定から決定された音波速度を乗算することによって、センサ間の実際の間隔を計算するものと規定される。この場合においても、センサ間の実際の間隔は、動作の進行中に定期的に決定することができる。

Claims (8)

1. 超音波伝搬時間法により流体の流量を検出する方法であって、超音波信号が測定区間を通過する伝搬時間から、流速及びその流速から流体の流量を検出し、測定区間は送信側変換器、大気区間、および受信側変換器を有し、この測定区間の伝達関数を少なくとも近似的に決定する方法において、
   少なくとも一つの超音波伝搬時間が、変換器の伝達関数の群伝搬時間から決定された校正値を用いて校正されることを特徴とする方法。
2. 当該の校正値が、動作の進行中に定期的に決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. センサ間の実際の間隔が、校正された伝搬時間に温度測定から決定された音波速度を乗算することによって計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. センサ間の実際の間隔が、動作の進行中に定期的に決定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 当該の伝達関数が、少なくとも三つの周波数点における超音波変換器の電気インピーダンスを決定することによって近似されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 当該の伝達関数が、受信信号のＦＦＴから決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 当該の伝達関数が、受信信号と送信信号の相関のＦＦＴから決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 当該の伝達関数の理論モデルが作成されて、そのモデルパラメータが、適合手法を用いて決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

Images