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JPH0421822B2 - - Google Patents
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JPH0421822B2 - - Google Patents

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JPH0421822B2
JPH0421822B2 JP56170107A JP17010781A JPH0421822B2 JP H0421822 B2 JPH0421822 B2 JP H0421822B2 JP 56170107 A JP56170107 A JP 56170107A JP 17010781 A JP17010781 A JP 17010781A JP H0421822 B2 JPH0421822 B2 JP H0421822B2
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JP
Japan
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circuit
cross
time difference
transducers
output
Prior art date
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JP56170107A
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Shinichi Amamya
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波流速計に関し、特に超音波の
ビーム方向とそれと異なる方向の流速を計測する
超音波流速計に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ultrasonic current meter, and more particularly to an ultrasonic current meter that measures flow velocity in an ultrasonic beam direction and in a direction different from the beam direction.

従来形の超音波流速形においては、動いている
物体からの反射波のドプラシフト周波数を用いて
流速を算出する方式が用いられていた。ドプラシ
フトを用いる方式では、超音波ビーム方向への速
度成分を知ることはできるが、それと異なる方向
の速度を検出することはできないという問題があ
つた。
In the conventional ultrasonic flow velocity type, a method was used in which the flow velocity was calculated using the Doppler shift frequency of the reflected wave from a moving object. The method using Doppler shift has a problem in that although it is possible to know the velocity component in the direction of the ultrasound beam, it is not possible to detect the velocity in a direction different from that.

本発明の目的は、前述の従来形の流速計の問題
点にかんがみ、少なくとも2つのビーム指向性を
有する超音波反射波の振幅相互相関を用いるとい
う構成に基づき、ビーム方向とそれと異なる方向
の速度成分を検出可能とすることにある。
In view of the above-mentioned problems of the conventional current meter, an object of the present invention is to use a structure that uses amplitude cross-correlation of ultrasonic reflected waves having at least two beam directivities, and to calculate the velocity in the beam direction and in a different direction. The purpose is to make the components detectable.

本発明においては、複数のトランスデユーサか
らなる超音波トランスデユーサ群と前記複数のト
ランスデユーサを駆動する超音波ドライブ回路
と、前記複数のトランスデユーサの少なくとも2
つの出力からビーム指向性を決定しかつ前記指向
性が可変な受信回路であつて、前記受信回路は第
1の受信回路、第2の受信回路を設け、前記第
1、第2の受信回路は前記同一の超音波トランス
デユーサ群のトランスデユーサから異なる2つの
ビーム指向性を有する反射を取り出すものと、前
記第1、第2の受信回路の出力を受ける複数個の
振幅値サンプル回路と、前記各振幅値サンプル回
路の出力である各振幅データ列の相互相関のピー
クとなる時間差を算出する相互相関ピーク時間差
検出回路と、前記相互相関ピーク時間差検出回路
の出力を受ける速度算出回路とを具備し、それに
よりビーム方向とそれと異なる方向の速度を求め
ることを特徴とする超音波パルス流速計が提供さ
れる。
In the present invention, an ultrasonic transducer group including a plurality of transducers, an ultrasonic drive circuit for driving the plurality of transducers, and at least two of the plurality of transducers are provided.
A receiving circuit which determines beam directivity from two outputs and whose directivity is variable, wherein the receiving circuit is provided with a first receiving circuit and a second receiving circuit, and the first and second receiving circuits are one for extracting reflections having two different beam directivities from the transducers of the same ultrasonic transducer group; and a plurality of amplitude value sampling circuits receiving outputs from the first and second receiving circuits; A cross-correlation peak time difference detection circuit that calculates the time difference at which the cross-correlation peaks of each amplitude data string that is the output of each of the amplitude value sample circuits, and a speed calculation circuit that receives the output of the cross-correlation peak time difference detection circuit. Accordingly, an ultrasonic pulse current meter is provided, which is characterized by determining the velocity in the beam direction and in a direction different from the beam direction.

本発明の実施例としての超音波パルス流速計が
第1図に示される。第1図において、コントロー
ル回路11より送られたスタート信号により、超
音波ドライブ回路12はスイツチ14を介してト
ランスデユーサ13を駆動し、超音波パルスまた
はバースト波を外部に送信する。外部に送信され
た超音波の物体からの反射波は、トランスデユー
サ13で受信され、スイツチ14を介して増幅器
15へ供給され増幅される。増幅器15で増幅さ
れた出力は、複数個の遅延回路16の組および1
7の組に加えられ、フエイズアレイアンテナと同
様な原理に基づき、各遅延回路の組を構成する各
遅延回路の遅延時間を或定められた時間に設定す
ることによつて、受信超音波に指向性を持たせる
ようにすることができる。従つて遅延回路16の
組および17の組は、それぞれ異なる指向性を有
する反射波を取り出し、各組ごとに加算器18ま
たは19へ加えられる。加算器18の出力は受信
増幅回路20へ加えられ増幅され、振幅値サンプ
ル回路としての第1振幅値サンプルホールド回路
22へ供給される。第1振幅値サンプルホールド
回路22においては、同時刻、すなわち同距離長
のサンプル点の振幅データをコントロール回路1
1よりのサンプルポジシヨン指示によりサンプル
ホールドする。加算器19に加えられた前記と同
一のトランスデユーサ群13からの他の1つの指
向性を有する反射波出力は受信増幅回路21へ加
えられ増幅され、第2増幅値サンプルホールド回
路23へ供給される。第2振幅値サンプルホール
ド回路23においては、同時刻、すなわち同距離
長のサンプル点の振幅データをコントロール回路
11よりのサンプルポジシヨン指示によつてサン
プルホールドする。前述の2つの振幅値サンプル
ホールによつて発生した2つのデータ列を相互相
関ピーク時間差検出回路24に加え、2つのデー
タ列の相互相関のピークとなる時間差を求める。
相互相関ピーク時間差検出回路24の出力は速度
算出回路25へ加えられ、これを2つのサンプル
ポイント間隔およびパルス送信間隔で割り流速を
算出する。なおサンプルポイント間隔は2つの指
向方向の角度と、トランスデユーサから各サンプ
ルポイントまでの距離により求まる。
An ultrasonic pulse current meter as an embodiment of the present invention is shown in FIG. In FIG. 1, an ultrasonic drive circuit 12 drives a transducer 13 via a switch 14 in response to a start signal sent from a control circuit 11, and transmits ultrasonic pulses or burst waves to the outside. A reflected wave of the externally transmitted ultrasonic wave from an object is received by a transducer 13, and is supplied to an amplifier 15 via a switch 14 and amplified. The output amplified by the amplifier 15 is sent to a set of a plurality of delay circuits 16 and one
7, and based on the same principle as the phase array antenna, by setting the delay time of each delay circuit constituting each delay circuit set to a predetermined time, It can be made to have directionality. Therefore, the sets of delay circuits 16 and 17 take out reflected waves having different directivity, and add them to adder 18 or 19 for each set. The output of the adder 18 is applied to a reception amplifier circuit 20, amplified, and supplied to a first amplitude value sample and hold circuit 22 as an amplitude value sample circuit. In the first amplitude value sample and hold circuit 22, amplitude data of sample points at the same time, that is, at the same distance, are transferred to the control circuit 1.
The sample is held according to the sample position instruction from 1. The reflected wave output having another directivity from the same transducer group 13 that is applied to the adder 19 is applied to the reception amplifier circuit 21, where it is amplified and supplied to the second amplified value sample and hold circuit 23. be done. The second amplitude value sample and hold circuit 23 samples and holds amplitude data of sample points at the same time, that is, at the same distance, in response to a sample position instruction from the control circuit 11. The two data strings generated by the two amplitude value sample holes described above are applied to the cross-correlation peak time difference detection circuit 24, and the time difference at which the cross-correlation of the two data strings reaches the peak is determined.
The output of the cross-correlation peak time difference detection circuit 24 is applied to a speed calculation circuit 25, which calculates the flow speed by dividing it by the two sample point intervals and the pulse transmission interval. Note that the sample point interval is determined by the angles of the two pointing directions and the distance from the transducer to each sample point.

第2図は超音波トランスデユーサ41およびサ
ンプルボリユーム42および43の関係を図示す
るものである。
FIG. 2 illustrates the relationship between ultrasound transducer 41 and sample volumes 42 and 43.

なお、サンプルボリユーム42および43は一
部共通部を有してもよい。トランスデユーサ41
より、超音波は2つのサンプルボリユームの中心
付近に向け発射され、反射波44は各サンプルボ
リユームごとに反射されトランスデユーサへと返
信される。これにより指向性の異なる複数の反射
波がトランスデユーサに受信される。
Note that the sample volumes 42 and 43 may have a part in common. Transducer 41
Thus, the ultrasonic waves are emitted near the centers of the two sample volumes, and the reflected waves 44 are reflected from each sample volume and returned to the transducer. As a result, a plurality of reflected waves having different directivities are received by the transducer.

第3図には第1図の超音波パルス流速計の各部
の波形が示される。すなわち、第3図aは送信
波、bは受信波1、cは受信波2、dはサンプル
パルス、eは第1振幅値サンプルホールド回路2
2の出力、fは第2振幅値サンプルホールド回路
23の出力の波形である。
FIG. 3 shows waveforms of various parts of the ultrasonic pulse current meter shown in FIG. 1. That is, in FIG. 3, a shows the transmitted wave, b shows the received wave 1, c shows the received wave 2, d shows the sample pulse, and e shows the first amplitude value sample and hold circuit 2.
2, f is the waveform of the output of the second amplitude value sample and hold circuit 23.

第4図には、相互相関ピーク時間差検出回路2
4の詳細なブロツク回路図が示される。第1振幅
値サンプホールド回路22からの出力はオーデイ
オデイレイライン51に接続され、第2振幅値サ
ンプルホールド回路23からの出力はオーデイオ
可変デイレイライン52へ接続される。オーデイ
オデイレイライン51の出力は乗算器54および
55の1つの入力端子へ接続され、オーデイオ可
変デイレイライン52の出力はオーデイオデイレ
イライン53および乗算器54の他の入力端子へ
接続される。オーデイオデイレイライン53の出
力は乗算器55の他の入力端子へ接続される。乗
算器54の出力は差動増幅器56の反転入力へ、
乗算器55の出力は差動増幅器56の非反転入力
へ接続される。差動増幅器56の出力は低域フイ
ルタ57へ供給され、低域フイルタ57の出力は
相互相関ピーク時間差検出回路の出力として次段
へ供給されるほか電圧制御発振器(VCO)58
へ接続される。電圧制御発振器58の出力はオー
デイオ可変デイレイライン52の制御入力端子へ
接続される。
FIG. 4 shows the cross-correlation peak time difference detection circuit 2.
A detailed block circuit diagram of 4 is shown. The output from the first amplitude value sample and hold circuit 22 is connected to an audio delay line 51, and the output from the second amplitude value sample and hold circuit 23 is connected to an audio variable delay line 52. The output of audio delay line 51 is connected to one input terminal of multipliers 54 and 55, and the output of audio variable delay line 52 is connected to the other input terminal of audio delay line 53 and multiplier 54. The output of audio delay line 53 is connected to the other input terminal of multiplier 55. The output of the multiplier 54 goes to the inverting input of the differential amplifier 56;
The output of multiplier 55 is connected to the non-inverting input of differential amplifier 56. The output of the differential amplifier 56 is supplied to a low-pass filter 57, and the output of the low-pass filter 57 is supplied to the next stage as the output of a cross-correlation peak time difference detection circuit, as well as a voltage controlled oscillator (VCO) 58.
connected to. The output of voltage controlled oscillator 58 is connected to a control input terminal of audio variable delay line 52.

第4図の相互相関ピーク時間差検出回路の動作
について説明する。固定のオーデイオデレイライ
ン51の遅延時間をτ1、オーデイオ可変デイレ
イライン52の遅延時間をτ52の遅延時間をτ
3、固定のオーデイオデイレイライン53の遅延
時間をτ2とし、これら3つのデイレイラインの
電圧制御発振器58の特性が、第5図に示すよう
なものとすると、第4図の回路は自動的に2つの
入力信号の2つの入力信号の相互相関の最大点を
追従する。従つて第4図の回路の出力には(τ3
+1/2τ2)−τ1=τdに対応した電圧が得られ る。第6図には上述の関係が説明されており、横
軸は時間、縦軸は相互相関値である。すなわち、
τ2の遅延時間を有するオーデイオレイライン5
3を通過した信号と通過しない信号の相互相関を
それぞれ乗算器と低域フイルタを通すことによつ
て得てその両者が等しくなるようオーデイオ可変
デイレイライン52の遅延時間を電圧制御発振器
58を介して制御することにより、2つの入力の
相互相関ピーク時間差をτdとして求めることが
できる。なお低域フイルタ57は差動増幅器56
の出力側に接続されているが、差動増幅器56と
乗算器の間に挿入しても作用は同一である。
The operation of the cross-correlation peak time difference detection circuit shown in FIG. 4 will be explained. The delay time of the fixed audio delay line 51 is τ1, and the delay time of the audio variable delay line 52 is τ52.
3. If the delay time of the fixed audio delay line 53 is τ2, and the characteristics of the voltage controlled oscillators 58 of these three delay lines are as shown in FIG. 5, then the circuit of FIG. The maximum point of cross-correlation between two input signals is tracked. Therefore, the output of the circuit in Fig. 4 has (τ3
A voltage corresponding to +1/2τ2)-τ1=τd is obtained. The above relationship is explained in FIG. 6, where the horizontal axis is time and the vertical axis is the cross-correlation value. That is,
Audio delay line 5 with a delay time of τ2
The cross-correlation of the signal that has passed through 3 and the signal that has not passed is obtained by passing through a multiplier and a low-pass filter, respectively, and the delay time of the audio variable delay line 52 is adjusted via the voltage controlled oscillator 58 so that both of them are equal. By controlling, the cross-correlation peak time difference between two inputs can be determined as τd. Note that the low-pass filter 57 is a differential amplifier 56.
Although it is connected to the output side of the differential amplifier 56, the effect is the same even if it is inserted between the differential amplifier 56 and the multiplier.

本実施例においては、2つの測定ポイントの振
幅データ列の相互相関のピークとなる2つの振幅
データ列間の時間差を求めることにより、1つの
測定ポイントから他方の測定ポイントまでに物体
が移動するのに要する時間を算出し、2つの測定
ポイント長と上記時間差より、その物体速度、す
わなち流速を検出している。
In this example, by determining the time difference between two amplitude data strings that is the peak of the cross-correlation between the amplitude data strings of two measurement points, it is possible to determine the movement of an object from one measurement point to the other measurement point. The time required for this is calculated, and the velocity of the object, that is, the flow velocity, is detected from the length of the two measurement points and the above-mentioned time difference.

なお本実施例においては、超音波反射波の指向
性を得る手段として、電気的に遅延回路を用いて
行つているが、これに限定するものでなく音響的
に行つてもよい。
In this embodiment, a delay circuit is used electrically to obtain the directivity of the ultrasonic reflected waves, but the method is not limited to this, and may be performed acoustically.

本発明によれば、ビーム方向とそれと異なる方
向の速度成分を検出することができる。すなわ
ち、複数のトランスデユーサからなる単一のプロ
ーブで、2つの指向性を有するビームを、受信回
路によつて決定して、その2つのビームを用いて
速度検出できる。
According to the present invention, velocity components in a beam direction and a direction different from the beam direction can be detected. That is, with a single probe made up of a plurality of transducers, beams having two directivities are determined by the receiving circuit, and the two beams can be used to detect speed.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例としての超音波パルス
流速計のブロツク回路図、第2図は第1図の流速
計におけるトランスデユーサとサンプルボリユー
ムの関係を説明する図、第3図は第1図の流速計
における各部の波形を示す波形図、第4図は第1
図の流速計における相互相関ピーク時間差検出回
路24の詳細を示すブロツク回路図、および第5
図および第6図は第4図の回路の差動を説明する
特性図である。 11……コントロール回路、12……超音波ド
ライブ回路、13……トランスデユーサ、14…
…スイツチ、15……増幅器、16,17……遅
延回路、18,19……加算器、20,21……
受信増幅回路、22……第1振幅値サンプルホー
ルド回路、23……第2振幅値サンプルホールド
回路、24……相互相関ピーク時間差検出回路、
25……速度算出回路。
FIG. 1 is a block circuit diagram of an ultrasonic pulse current meter as an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram explaining the relationship between the transducer and sample volume in the current meter of FIG. 1, and FIG. Figure 1 is a waveform diagram showing the waveforms of each part of the current meter.
A block circuit diagram showing details of the cross-correlation peak time difference detection circuit 24 in the current meter shown in FIG.
This figure and FIG. 6 are characteristic diagrams explaining the differential of the circuit of FIG. 4. 11...Control circuit, 12...Ultrasonic drive circuit, 13...Transducer, 14...
...Switch, 15...Amplifier, 16,17...Delay circuit, 18,19...Adder, 20,21...
Reception amplifier circuit, 22...first amplitude value sample and hold circuit, 23...second amplitude value sample and hold circuit, 24...cross correlation peak time difference detection circuit,
25...Speed calculation circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 複数のトランスデユーサからなる超音波トラ
ンスデユーサ群と、 前記複数のトランスデユーサを駆動する超音波
ドライブ回路と、 前記複数のトランスデユーサの少なくとも2つ
の出力からビーム指向性を決定しかつ前記指向性
が可変な受信回路であつて、前記受信回路は第1
の受信回路、第2の受信回路を設け、前記第1、
第2の受信回路は前記同一の超音波トランスデユ
ーサ群のトランスデユーサから異なる2つのビー
ム指向性を有する反射を取り出すものと、 前記第1、第2の受信回路の出力を受ける複数
個の振幅値サンプル回路と、 前記各振幅値サンプル回路の出力である各振幅
データ列の相互相関のピークとなる時間差を算出
する相互相関ピーク時間差検出回路と、 前記相互相関ピーク時間差検出回路の出力を受
ける速度算出回路とを具備し、 それによりビーム方向とそれと異なる方向の速
度を求めることを特徴とする超音波パルス流速
計。
[Claims] 1. An ultrasonic transducer group consisting of a plurality of transducers; an ultrasonic drive circuit for driving the plurality of transducers; and a beam from at least two outputs of the plurality of transducers. A receiving circuit that determines directivity and is variable in the directivity, wherein the receiving circuit includes a first
a receiving circuit, a second receiving circuit;
The second receiving circuit extracts reflections having two different beam directivities from the transducers of the same ultrasonic transducer group, and a plurality of receiving circuits receive outputs from the first and second receiving circuits. an amplitude value sampling circuit; a cross-correlation peak time difference detection circuit that calculates the time difference at which the cross-correlation peaks of each amplitude data string output from each of the amplitude value sampling circuits; and an output of the cross-correlation peak time difference detection circuit; What is claimed is: 1. An ultrasonic pulse current meter characterized by comprising a velocity calculation circuit, thereby determining velocity in a beam direction and in a direction different from the beam direction.
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