JP5802573B2 - 計測器およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、音波式の計測器およびその制御方法に関する。

水や空気などの流体の流速、流量などの流動状態を計測する計測器として、流体が流れる測定区間内に音波を送信する送波部とその音波を受信する受波部とを有し、音波が送波部から受波部まで伝播する伝播時間を測定し、その測定結果に基づいて流体の流動状態を計測する音波式の計測器がある（例えば、特許文献１（特開２００９−２２９２５６号公報）参照）。

特開２００９−２２９２５６号公報

上述したような音波式の計測器においては、受波部の受信波から元の音波の波形検出が行われ、その結果に基づいて、音波の伝播時間が測定される。ここで、受信波には、白色ノイズなどのランダムかつ非同期なノイズが含まれているため、波形検出の精度が悪くなる。そのため、その波形検出の結果を用いて音波の伝播時間を測定し、その測定結果から流体の流動状態を測定しても、精度の高い測定値を得ることができない。そこで、一般に、音波の伝播時間や流体の流動状態を測定した各時点における測定値（瞬間値）について、十分に長い期間で移動平均計算を行う方法が用いられている。この方法では、ノイズの影響を低減することができるが、受信波の波形に含まれるノイズ成分の影響を受けた測定値の平均を取るため、その移動平均値には依然としてノイズ成分の影響が残っている。

本発明の目的は、受信波形に含まれるノイズを除去することにより、計測精度の向上を図ることができる計測器およびその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の計測器は、
測定対象の流体の流動状態を計測する計測器であって、
同期信号の入力に応じて前記流体が流れる測定区間上に音波を送信する送波部と、
前記送波部から送信されてきた音波を受信して受信波を出力する受波部と、
前記送波部および前記受波部による前記音波の送受信処理が所定期間内に複数回行われることで前記受波部から出力される複数の受信波のそれぞれについて、各送受信処理において前記同期信号が出力されてから所定時間が経過した時点であるサンプル点における前記受信波のデータ値を抽出し、該抽出したデータ値に基づいて、前記サンプル点における、ノイズが除去された前記受信波のデータ値を推定するフィルタ処理を複数のサンプル点について行い、処理結果を出力する信号整形部と、
前記信号整形部の処理結果から前記音波の波形検出を行い、検出結果を出力する波形検出部と、
前記波形検出部の検出結果に基づいて、前記測定区間における前記音波の伝播時間を測定し、測定結果を出力する伝播時間測定部と、
前記伝播時間測定部の測定結果に基づいて、前記流体の流動状態を計算する計算部と、を有する。

上記目的を達成するために本発明の計測器の制御方法は、
測定対象の流体の流動状態を計測する計測器の制御方法であって、
同期信号の入力に応じて前記流体が流れる測定区間上に音波を送信し、
前記音波を受信して受信波を出力し、
前記音波の送受信処理が一定時間内に複数回の送受信処理が行われることで出力される複数の受信波のそれぞれについて、各送受信処理において前記同期信号が出力されてから所定時間が経過した時点であるサンプル点における前記受信波のデータ値を抽出し、該抽出したデータ値に基づいて、前記サンプル点における、ノイズが除去された前記受信波のデータ値を推定するフィルタ処理を複数のサンプル点について行い、
前記フィルタ処理の結果に基づいて、前記音波の波形検出を行い、
前記波形検出の結果に基づいて、前記測定区間における前記音波の伝播時間を測定し、
前記測定した伝播時間に基づいて、前記流体の流動状態を計算する。

本発明によれば、受信波形に含まれるノイズを除去することにより、計測精度の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態の計測器の構成を示すブロック図である。 図１に示す信号整形部の動作を説明するための図である。 図１に示す信号整形部によるノイズ除去前後の波形を示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

本発明に係る計測器は、水や空気などの流体の流速、流量などの流動状態を計測するものである。

図１は、本発明の一実施形態の計測器１００の構成を示すブロック図である。なお、図１において、実線矢印は制御信号の流れを示し、点線矢印はアナログ波形データの流れを示し、一点鎖線矢印はデジタル波形データの流れを示し、長破線矢印はデジタル計算値データの流れを示す。

図１に示す計測器１００は、制御部１０１と、送波部１０２と、受波部１０３と、Ａ／Ｄ変換部１０４と、信号整形部１０５と、波形検出部１０６と、伝播時間測定部１０７と、計算部１０８と、結果出力部１０９と、を有する。

制御部１０１は、計測を行う旨が入力されると、送波部１０２、Ａ／Ｄ変換部１０４、信号整形部１０５、波形検出部１０６および伝播時間測定部１０７に制御信号を出力し、各部を駆動させる。また、制御部１０１は、同期信号を一定周期で送波部１０２およびＡ／Ｄ変換部１０４に出力する。

送波部１０２は、制御部１０１からの同期信号の入力に応じて、音波（超音波）を測定対象の流体が流れる測定区間内に送信する。

受波部１０３は、送波部１０２から送信されてきた音波を受信し、受信波をＡ／Ｄ変換部１０４に出力する。

Ａ／Ｄ変換部１０４は、受波部１０３から入力された受信波のアナログ波形データをデジタル波形データにＡ／Ｄ変換し、信号整形部１０５に出力する。ここで、Ａ／Ｄ変換部１０４は、制御部１０１から同期信号の入力を受けた時点を基準（時刻０）として、Ａ／Ｄ変換を開始し、同期信号が入力されてから所定時間が経過した時点であるサンプル点の相対時刻を決定する。

信号整形部１０５は、Ａ／Ｄ変換部１０４から入力されたデジタル波形データからランダムかつ非同期なノイズを除去したデジタル波形データを生成し、波形検出部１０６に出力する。

ここで、Ａ／Ｄ変換部１０４から出力されたデジタル波形データには、種々のランダムかつ非同期なノイズが含まれる。例えば、送波部１０２内の音波を生成する信号生成回路における電気的ノイズ、送波部１０２から受波部１０３までの測定区間内の風や波に起因する自然現象によるノイズ、受波部１０３内の回路における電気的ノイズ、Ａ／Ｄ変換部１０４における量子化ノイズなどが含まれる。

なお、信号整形部１０５がノイズを除去する際の動作の詳細については後述する。

波形検出部１０６は、信号整形部１０５から入力されたデジタル波形データから元の音波の波形検出を行い、検出結果を伝播時間測定部１０７に出力する。なお、波形検出部１０６は、例えば、入力されたデジタル波形データのデータ値のゼロクロス点を検出することで波形検出を行うゼロクロス法、デジタル波形データと元の音波の参照データとの相関演算を行うことで波形検出を行う相関演算法などを用いて波形検出を行う。ゼロクロス法、相関演算法などは当業者にとってよく知られており、また、本発明と直接関係しないので、詳細な説明を省略する。

伝播時間測定部１０７は、Ａ／Ｄ変換部１０４により決定される各サンプル点の相対時刻と波形検出部１０６の波形検出の結果とに基づいて、測定区間における音波の伝播時間を測定し、測定結果を計算部１０８に出力する。

計算部１０８は、伝播時間測定部１０７の測定結果に基づいて、測定対象の流体の流速を計算する。また、それぞれ音波が送受信される方向が異なる送波部１０２と受波部１０３との対を複数設け、各対について測定された音波の伝播時間の測定結果を用いてベクトル合成計算を行うことにより、測定対象の流体の流れる方向、流量なども計算することができる。

計算部１０８は、測定対象の流体の流動状態の計算結果を結果出力部１０９に出力する。

結果出力部１０９は、計算部１０８から入力された測定対象の流体の流動状態の計算結果を、図１においては不図示の表示部に表示するなどして、外部に出力する。

なお、上述したように、受信波をＡ／Ｄ変換したデジタル波形データには種々のランダムかつ非同期なノイズが含まれている。このデジタル波形データを用い、ゼロクロス法により波形検出を行った場合には、ゼロクロス点が不安定となるために波形検出の精度が低下し、また、相関演算法により波形検出を行った場合には、相関度が減少することでピーク値があいまいとなるために波形検出の精度が低下する。そのため、その波形検出の結果を用いて音波の伝播時間を測定し、その測定結果から流体の流動状態を測定しても、精度の高い測定値を得ることができない。そこで、一般的な計測器においては、音波の伝播時間や流体の流動状態を測定した各時点における測定値（瞬間値）について、十分に長い期間で移動平均計算を行うことで、安定した測定値を得ている。この方法では、移動平均計算を行う期間を長くすることで測定精度を上げることができる。しかし、その弊害として、移動平均計算を行う期間におけるデータをすべて保存しておく必要があり、メモリ容量の制約を受けやすいという問題がある。換言すると、メモリ容量の制限により、測定精度の向上に限界が生じることになる。また、受信波の波形に含まれるノイズ成分の影響を受けた測定値の平均を取るため、移動平均値におけるノイズ成分の影響は小さくはできるが、それでもなお、依然としてノイズ成分の影響が残っている。また、計算した移動平均値からノイズ成分の影響の度合いを判断することはできない。

次に、信号整形部１０５の動作について説明する。

上述したように、一定周期で同期信号が出力される。そのため、送波部１０２が同期信号に同期して音波を送信し、受波部１０３が音波を受信して、受信波を出力する送受信処理が一定周期で行われる。以下では、１回の送受信処理を１サイクルと称する。

一般に、例えば、短い所定期間内の同一空間の風速は略一定であると仮定することができる。この仮定に従うと、その短い所定時間内でのＮ（Ｎは２以上の整数）サイクルの送受信処理により出力されるＮ個の受信波の波形は各サイクル間で同じであるとみなすことができる。各サイクル間で受信波の波形が同じであるならば、各サイクルにおいて同期信号が出力されてから同じ所定時間が経過した時点であるサンプル点における受信波のデータ値は同じであるとみなすことができる。信号整形部１０５は、これを利用して、Ａ／Ｄ変換部１０４から入力されたデジタル波形データからノイズを除去する。

図２は、信号整形部１０５の動作を説明するための図である。

なお、以下では、所定時間内に４サイクル（サイクル１〜サイクル４）の送受信処理が行われたものとする。

図２において、Ｄ１−１，Ｄ１−２，・・・Ｄ１−Ｔ，・・・は、サイクル１の送受信処理により出力された受信波のデジタル波形データのデータ値を示す。同様に、Ｄ２−１，Ｄ２−２，・・・Ｄ２−Ｔ，・・・は、サイクル２の送受信処理により出力された受信波のデジタル波形データのデータ値を示し、Ｄ３−１，Ｄ３−２，・・・Ｄ３−Ｔ，・・・は、サイクル３の送受信処理により出力された受信波のデジタル波形データのデータ値を示し、Ｄ４−１，Ｄ４−２，・・・Ｄ４−Ｔ，・・・は、サイクル４の送受信処理により出力された受信波のデジタル波形データのデータ値を示す。

また、図２において、例えば、Ｄ１−Ｔは、サイクル１において同期信号が出力されてから所定時間Ｔが経過したサンプル点Ｔにおける受信波のデータ値を示す。

上述したように、各サイクルにおいて同期信号が出力されてから同じ所定時間が経過したサンプル点における受信波のデータ値は同じであるとみなすことができる。すなわち、例えば、サイクル１〜サイクル４のサンプル点Ｔにおけるデータ値Ｄ１−Ｔ，Ｄ２−Ｔ，Ｄ３−Ｔ，Ｄ４−Ｔは同じであるとみなすことができる。しかし、実際には、ランダムかつ非同期なノイズのために、データ値Ｄ１−Ｔ，Ｄ２−Ｔ，Ｄ３−Ｔ，Ｄ４−Ｔにはばらつきが生じる。

そこで、信号整形部１０５は、サンプル点Ｔにおけるデータ値Ｄ１−Ｔ，Ｄ２−Ｔ，Ｄ３−Ｔ，Ｄ４−Ｔを抽出し、抽出したデータ値Ｄ１−Ｔ，Ｄ２−Ｔ，Ｄ３−Ｔ，Ｄ４−Ｔに基づいて、ノイズを除去したデータ値を推定する。ここで、信号整形部１０５は、カルマンフィルタを備えており、カルマンフィルタを用いて、ノイズを除去したデータ値を推定する。

カルマンフィルタとは、加法的ノイズが加わることで計測対象の状態（音波の波形）が乱された結果得られる計測値（受信波の波形）から計測対象の状態を推定するものである。

一般に、加法的ノイズを除去する場合には、移動平均計算を行う方法が用いられることが多いが、この場合、サンプル点数×平均化時間分のデータを保持しておく必要があり、大きなメモリ容量が必要となるという制約が生じる。この制約のために、平均化時間を短くしたり、サンプル点数を減らしたりすることが行われ、その結果、ノイズ除去性能が低下する。

一方、カルマンフィルタを用いる場合には、過去１回分のサンプル点数分の状態値を保持すればよく、また、カルマンフィルタに設定するパラメータによっても状態値の必要量は変わらないので、メモリ容量の制約を受けにくい。なお、カルマンフィルタの動作原理は、当業者にとってよく知られているため、詳細な説明を省略する。

信号整形部１０５は、カルマンフィルタを用いて、データ値Ｄ１−Ｔ，Ｄ２−Ｔ，Ｄ３−Ｔ，Ｄ４−Ｔに基づいて、ノイズを除去したデータ値を推定するフィルタ処理を行う。フィルタ処理の結果、図２に示すように、サンプル点Ｔにおけるノイズが除去された受信波のデータ値であるＤＲ−Ｔが得られる。

信号整形部１０５は、１サイクル期間における複数のサンプル点についてフィルタ処理を行い、１サイクル分の受信波のデータ値ＤＲ−１，ＤＲ−２，・・・ＤＲ−Ｔ，・・・を生成する。

図３は、信号整形部１０５によるノイズ除去前後の受信波の波形を示す図である。

図３（ａ）は、１サイクル目の送受信処理による信号整形部１０５への入力波形を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す入力に応じて、複数のサンプル点についてフィルタ処理が行われた結果出力されるフィルタ出力波形を示す図である。図３（ｂ）に示すように、フィルタ出力波形は、略ゼロのままである。

図３（ｃ）は、２サイクル目の送受信処理による信号整形部１０５への入力波形を示す図である。図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示す入力に応じて出力されるフィルタ出力波形を示す図である。図３（ｄ）に示すように、フィルタ出力波形は、略ゼロのままである。

その後、送受信処理とフィルタ処理とが繰り返されたとする。

図３（ｅ）は、１０サイクル目の送受信処理による信号整形部１０５への入力波形を示す図である。図３（ｆ）は、図３（ｅ）に示す入力に応じて出力されるフィルタ出力波形を示す図である。図３（ｆ）に示すように、送受信処理とフィルタ処理とが繰り返されることで、フィルタ出力波形に起伏が見られるようになる。

さらに、送受信処理とフィルタ処理とが繰り返されたとする。

図３（ｇ）は、６０サイクル目の送受信処理による信号整形部１０５への入力に応じて出力されるフィルタ出力波形を示す図である。図３（ｇ）に示すように、送受信処理とフィルタ処理とが繰り返されることで、送波部１０２が送信した音波の波形が復元される。

図３（ｈ）は、６１サイクル目の送受信処理による信号整形部１０５への入力波形を示す図である。図３（ｉ）は、図３（ｈ）に示す入力に応じて出力されるフィルタ出力波形を示す図である。

また、図３（ｊ）は、６２サイクル目の送受信処理による信号整形部１０５への入力波形を示す図である。図３（ｋ）は、図３（ｊ）に示す入力に応じて出力されるフィルタ出力波形を示す図である。

図３（ｇ），（ｉ），（ｋ）に示すように、送受信処理とフィルタ処理との繰り返し数がある程度の回数に達すると、フィルタ出力波形には変化が見られなくなり、安定した波形が得られる。ここで、図３（ｊ）に示すように、信号整形部１０５に大きな入力があったとしても、フィルタ出力波形は維持される。

なお、安定したフィルタ出力波形を得るための送受信処理とフィルタ処理との繰り返し回数はカルマンフィルタに設定するパラメータによって異なる。したがって、波形検出に求められる精度などに応じてカルマンフィルタに設定するパラメータを調整することで、計測結果の追従性が悪くなるのを抑制しつつ、波形検出の精度を高めることができる。

このように本実施形態によれば、計測器１００は、音波の送受信処理が所定期間内に複数回行われることで出力された複数の受信波のそれぞれについて、各送受信処理において同期信号が出力されてから所定時間が経過したサンプル点における受信波のデータ値を抽出し、抽出したデータ値に基づいて、サンプル点における、ノイズが除去された受信波のデータ値を推定するフィルタ処理を複数のサンプル点について行う。

そのため、ノイズが除去された受信波のデータ値を用いて波形検出を行うことができるので、波形検出の精度を高め、その結果、音波の伝播時間を正確に測定し、測定対象の流体の流動状態の計測精度の向上を図ることができる。また、カルマンフィルタを用いたフィルタ処理により受信波の波形に含まれるノイズ成分を除去することで、受信波の波形に含まれるノイズ成分を除去したデータを基に伝播時間計算や流体の流動状態の算出を行うことができるため、各計算結果からノイズ成分の影響は除去されている。したがって、移動平均計算を用いる方法のように、ノイズ成分の影響がある計算結果の平均値、すなわち、受信波の波形に含まれるノイズ成分の影響を受けている計算結果と比べて、より精度の高い測定結果を得ることができる。

なお、本実施形態においては、同期信号を周期的に出力する例を用いて説明したが、これに限られるものではない。例えば、周期的な同期信号の出力タイミングから十分に短いランダム時間だけずらしたタイミングで同期信号を出力するようにしてもよい。周期的に同期信号を出力する場合には、同期ノイズがＡ／Ｄ変換部１０４から出力されるデジタル波形データに含まれてしまう。カルマンフィルタによるフィルタ処理により、ランダムかつ非同期なノイズについては除去することができるが、同期ノイズについては除去することができない。そこで、同期信号の出力タイミングを周期的なタイミングから十分に短いランダム時間だけずらしたタイミングで出力するようにすることで、非同期のノイズとすることができ、カルマンフィルタによる除去が可能となる。

また、本実施形態においては、カルマンフィルタを用いて受信波からノイズを除去するフィルタ処理を行う例を用いて説明したが、これに限られるものではない。例えば、粒子フィルタ、モンテカルロフィルタのような時間領域でフィルタ処理を行うことができるフィルタをカルマンフィルタの代わりに用いてもよい。

１００ 計測器
１０１ 制御部
１０２ 送波部
１０３ 受波部
１０４ Ａ／Ｄ変換部
１０５ 信号整形部
１０６ 波形検出部
１０７ 伝播時間測定部
１０８ 計算部
１０９ 結果出力部

Claims (6)

1. 測定対象の流体の流動状態を計測する計測器であって、
   同期信号の入力に応じて前記流体が流れる測定区間上に音波を送信する送波部と、
   前記送波部から送信されてきた音波を受信して受信波を出力する受波部と、
   前記送波部および前記受波部による前記音波の送受信処理が所定期間内に複数回行われることで前記受波部から出力される複数の受信波のそれぞれについて、各送受信処理において前記同期信号が出力されてから所定時間が経過した時点であるサンプル点における前記受信波のデータ値を抽出し、該抽出したデータ値に基づいて、前記サンプル点における、ノイズが除去された前記受信波のデータ値を推定するフィルタ処理を複数のサンプル点について行い、処理結果を出力する信号整形部と、
   前記信号整形部の処理結果から前記音波の波形検出を行い、検出結果を出力する波形検出部と、
   前記波形検出部の検出結果に基づいて、前記測定区間における前記音波の伝播時間を測定し、測定結果を出力する伝播時間測定部と、
   前記伝播時間測定部の測定結果に基づいて、前記流体の流動状態を計算する計算部と、を有することを特徴とする計測器。
2. 請求項１記載の計測器において、
   前記同期信号をランダムなタイミングで出力する制御部を有することを特徴とする計測器。
3. 請求項１または２に記載の計測器において、
   前記信号整形部は、時間領域で前記フィルタ処理を行うフィルタを備えることを特徴とする計測器。
4. 請求項３記載の計測器において、
   前記フィルタは、カルマンフィルタ、粒子フィルタまたはモンテカルロフィルタであることを特徴とする計測器。
5. 測定対象の流体の流動状態を計測する計測器の制御方法であって、
   同期信号の入力に応じて前記流体が流れる測定区間上に音波を送信し、
   前記音波を受信して受信波を出力し、
   前記音波の送受信処理が一定時間内に複数回の送受信処理が行われることで出力される複数の受信波のそれぞれについて、各送受信処理において前記同期信号が出力されてから所定時間が経過した時点であるサンプル点における前記受信波のデータ値を抽出し、該抽出したデータ値に基づいて、前記サンプル点における、ノイズが除去された前記受信波のデータ値を推定するフィルタ処理を複数のサンプル点について行い、
   前記フィルタ処理の結果に基づいて、前記音波の波形検出を行い、
   前記波形検出の結果に基づいて、前記測定区間における前記音波の伝播時間を測定し、
   前記測定した伝播時間に基づいて、前記流体の流動状態を計算することを特徴とする計測器の制御方法。
6. 請求項５記載の計測器の制御方法において、
   前記同期信号をランダムなタイミングで出力することを特徴とする計測器の制御方法。