專利名稱：超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)、超聲波流速分布及流量測(cè)定方法以及超聲波流速分布及流 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)利用超聲波的流體流速分布及流量進(jìn)行測(cè)定的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)、超聲波流速分布及流量測(cè)定方法以及超聲波流速分布及流量測(cè)定程序，特別地，涉及一種對(duì)金屬配管內(nèi)部流動(dòng)的各種流體的流速分布及流量進(jìn)行非接觸或接觸測(cè)定的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)、超聲波流速分布及流量測(cè)定方法以及超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序。
背景技術(shù)：
作為使用超聲波脈沖的超聲波流量計(jì)，有特開2000-97742號(hào)公報(bào)中已公開的技術(shù)。
此超聲波流量計(jì)是一種從換能器向流體配管內(nèi)的測(cè)定線發(fā)射超聲波脈沖、分析來(lái)自流體配管內(nèi)流動(dòng)的流體內(nèi)懸浮微粒的反射波即超聲波回波信號(hào)、并根據(jù)懸浮微粒的位置和速度求出流體沿測(cè)定線的流速分布及流量的裝置。測(cè)定線由從換能器發(fā)射的超聲波脈沖束而形成。
超聲波流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)能適合于不透明流體、不透明配管內(nèi)，能對(duì)流體配管內(nèi)流動(dòng)的流體進(jìn)行非接觸測(cè)定，通過沿測(cè)定線的線測(cè)定能夠測(cè)定流體配管內(nèi)的流速分布及流量，同時(shí)也可適用于不透明流體的流速分布及流量測(cè)定，還可以用于汞、鈉等液態(tài)金屬的流動(dòng)測(cè)定。
由于通過超聲波流量計(jì)能夠得到從換能器發(fā)射到流體內(nèi)的超聲波脈沖的測(cè)定線上的流體速度分布的經(jīng)時(shí)變化，因此可期待應(yīng)用于對(duì)金屬配管內(nèi)流動(dòng)的流體的瞬態(tài)流及紊流的流場(chǎng)中的流體速度分布及流量測(cè)定。
上述的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)之一例登載于特開2000-97742號(hào)公報(bào)中(例如參考專利文獻(xiàn)1)。
(專利文獻(xiàn)1)特開2000-97742號(hào)公報(bào)如果引導(dǎo)懸浮多個(gè)微小粒子及氣泡等超聲波反射體的測(cè)定對(duì)象流體的流體配管為金屬配管，則被稱為雜波噪聲的恒定存在的(與時(shí)間無(wú)關(guān))噪聲重疊在超聲波回波信號(hào)上，難以通過傳統(tǒng)的利用超聲波的超聲波流量計(jì)來(lái)正確、高精度地測(cè)定流體的流速分布或流量。
本發(fā)明是考慮上述內(nèi)容而提出的，在于提供一種超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)、超聲波流速分布及流量測(cè)定方法以及超聲波流速分布及流量測(cè)定程序，在雜波噪聲等恒定存在的噪聲重疊于超聲波回波信號(hào)時(shí)，能夠?qū)τ诔暡ɑ夭ㄐ盘?hào)充分降低噪聲電平，高精度地測(cè)定流速分布或流量。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的課題，如權(quán)利要求1中所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的特征在于設(shè)有輸出觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射觸發(fā)振蕩單元；通過來(lái)自該發(fā)射觸發(fā)振蕩單元的觸發(fā)信號(hào)生成超聲波脈沖、并將它輸出的超聲波振蕩單元；向流體內(nèi)的測(cè)定線發(fā)送該超聲波振蕩單元輸出的超聲波脈沖、并接收由懸浮于上述流體內(nèi)的超聲波反射體所反射的反射波即超聲波回波信號(hào)的超聲波脈沖接收單元；對(duì)該超聲波脈沖接收單元接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理單元；以及分析該信號(hào)處理單元進(jìn)行信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)、計(jì)算超聲波反射體沿上述測(cè)定線的位置和速度并根據(jù)計(jì)算結(jié)果測(cè)定上述流體的流速分布和流量中至少一方的信號(hào)分析單元，上述信號(hào)處理單元包含在接收到的超聲波回波信號(hào)中進(jìn)行提取與超聲波脈沖相同的頻帶的濾波處理的帶通濾波處理部、將從該帶通濾波處理部接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字變換的AD變換器和對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)通過壁濾波器(wall filter)進(jìn)行濾波處理的壁濾波器處理部。
為了解決上述的課題，如權(quán)利要求2中所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的特征在于為了從全部對(duì)應(yīng)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)進(jìn)行除去低頻等效成分的濾波處理而構(gòu)成上述壁濾波器處理部，該對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)是對(duì)于多個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)刻從n+1(n是自然數(shù))個(gè)序列量的超聲波回波信號(hào)取得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)。
另外，為了解決上述的課題，如權(quán)利要求3中所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的特征在于為了以上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)經(jīng)傅里葉變換而得到的信號(hào)之S/N比作為閾值而從上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)進(jìn)行除去低頻等效成分的濾波處理，構(gòu)成上述壁濾波器處理部。
為了解決上述的課題，如權(quán)利要求4中所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法的特征在于包括輸出觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射觸發(fā)振蕩過程；通過該發(fā)射觸發(fā)振蕩過程中輸出的觸發(fā)信號(hào)生成超聲波脈沖并輸出的超聲波振蕩過程；向流體內(nèi)的測(cè)定線發(fā)送按該超聲波振蕩過程中輸出的超聲波脈沖、并接收由懸浮于上述流體內(nèi)的超聲波反射體所反射的反射波即超聲波回波信號(hào)的超聲波脈沖接收過程；對(duì)超聲波脈沖接收過程中接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理過程和分析該信號(hào)處理過程中進(jìn)行信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)、計(jì)算超聲波反射體沿上述測(cè)定線的位置及速度并根據(jù)算出的結(jié)果測(cè)定上述流體的流速分布和流量中至少一方的信號(hào)分析過程，上述信號(hào)處理過程包含在接收到的超聲波回波信號(hào)中進(jìn)行提取與超聲波脈沖相同的頻帶的濾波處理的帶通濾波處理進(jìn)程、將從該帶通濾波處理進(jìn)程中接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字變換的AD變換進(jìn)程和對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)通過壁濾波器進(jìn)行濾波處理的壁濾波器處理進(jìn)程。
為了解決上述的課題，如權(quán)利要求5中所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法的特征在于，上述超聲波振蕩過程包含接收觸發(fā)信號(hào)而生成電脈沖信號(hào)的電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程；以及將該電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程中生成的電脈沖信號(hào)變換為超聲波脈沖后發(fā)送的超聲波脈沖生成進(jìn)程。
另外，為了解決上述的課題，如權(quán)利要求6中所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法的特征在于，上述信號(hào)分析過程包含計(jì)算流體中的超聲波反射體群的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程；根據(jù)上述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程中算出的流體中的超聲波反射體群的位置及速度計(jì)算上述流體的流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程；以及進(jìn)行該流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速分布沿流體配管的內(nèi)部面積的積分運(yùn)算而計(jì)算出流量的流量計(jì)算進(jìn)程。
另外，為了解決上述的課題，如權(quán)利要求7所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法的特征在于，上述壁濾波器處理進(jìn)程包含從已數(shù)字化的超聲波回波信號(hào)取得表示各序列的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的序列數(shù)與信號(hào)電平之關(guān)系的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟；將上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換的FFT處理步驟；對(duì)FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分、進(jìn)行濾波處理的雜波噪聲降低處理步驟；以及將上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分作為傅里葉逆變換、按時(shí)間序列順序重新排列而再構(gòu)成數(shù)字超聲波回波信號(hào)的逆FFT處理步驟。
另外，為了解決上述的課題，如權(quán)利要求8所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法的特征在于上述雜波噪聲降低處理步驟對(duì)于FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分，進(jìn)行以S/N比作為閾值的濾波處理。
另一方面，為了解決上述的課題，如權(quán)利要求9所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法的特征在于，上述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程包含計(jì)算參考波與探測(cè)波的互相關(guān)的互相關(guān)計(jì)算處理步驟；上述參考波與探測(cè)波的相關(guān)值大于某一定值(閾值)時(shí)看作來(lái)自同一超聲波反射體的反射波的相位認(rèn)定步驟；計(jì)算由該相位認(rèn)定步驟認(rèn)定的參考波與探測(cè)波的相位差的相位差計(jì)算步驟；以及根據(jù)該相位差計(jì)算步驟求出的相位差計(jì)算超聲波反射體的位置及速度的位置/速度計(jì)算步驟，上述互相關(guān)計(jì)算處理步驟中將各對(duì)應(yīng)時(shí)間的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作傅里葉變換，計(jì)算平均頻率fG及RMS值σ，用算出的平均頻率fG及RMS值σ計(jì)算對(duì)應(yīng)于fG±3σ范圍的超聲波反射體的速度范圍，用算出的超聲波反射體的速度范圍設(shè)定探測(cè)窗的大小。
為了解決上述的課題，如權(quán)利要求10所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序令計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下過程輸出觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射觸發(fā)振蕩過程；通過該發(fā)射觸發(fā)振蕩過程輸出的觸發(fā)信號(hào)生成超聲波脈沖并輸出的超聲波振蕩過程；向流體內(nèi)的測(cè)定線發(fā)送該超聲波振蕩過程輸出的超聲波脈沖、并接收由懸浮于上述流體內(nèi)的超聲波反射體所反射的反射波即超聲波回波信號(hào)的超聲波脈沖接收過程；對(duì)超聲波脈沖接收過程接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理過程；以及分析經(jīng)該信號(hào)處理過程信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)、計(jì)算沿上述測(cè)定線的超聲波反射體的位置及速度、并根據(jù)計(jì)算結(jié)果測(cè)定上述流體的流速分布和流量(至少其中之一)的信號(hào)分析過程，在上述信號(hào)處理過程中，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行在接收到的超聲波回波信號(hào)中進(jìn)行提取與超聲波脈沖相同的頻帶的濾波處理的帶通濾波處理進(jìn)程、將該帶通濾波處理進(jìn)程接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字變換的AD變換進(jìn)程和對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)通過壁濾波器進(jìn)行濾波處理的壁濾波器處理進(jìn)程。
為了解決上述的課題，如權(quán)利要求11所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序的特征在于，上述壁濾波器處理進(jìn)程包含從數(shù)字化的超聲波回波信號(hào)取得表示各序列的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的序列數(shù)與信號(hào)電平之關(guān)系的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟；將上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換的FFT處理步驟；對(duì)于FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分進(jìn)行濾波處理的雜波噪聲降低處理步驟；以及將上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分作傅里葉逆變換后按照時(shí)間序列順序重新排列而再構(gòu)成數(shù)字超聲波回波信號(hào)的逆FFT處理步驟，并且，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述壁濾波器處理進(jìn)程中的上述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟、FFT處理步驟、雜波噪聲降低處理步驟和逆FFT處理步驟。
另外，為了解決上述的課題，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序的特征在于，如權(quán)利要求12所記載的那樣，上述信號(hào)分析過程包含計(jì)算流體中的超聲波反射體群的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程；根據(jù)上述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程算出的流體中的超聲波反射體群的位置及速度計(jì)算上述流體的流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程；以及將該流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速分布進(jìn)行沿流體配管的內(nèi)部面積的積分運(yùn)算而計(jì)算流量的流量計(jì)算進(jìn)程，并且，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述信號(hào)分析過程中的上述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程、流速分布計(jì)算進(jìn)程和流量計(jì)算進(jìn)程。
另外，為了解決上述的課題，如權(quán)利要求13所記載的那樣，本發(fā)明的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序的特征在于令計(jì)算機(jī)對(duì)上述FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分執(zhí)行以S/N比為閾值的濾波處理。


圖1是概略地表示本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的一實(shí)施方式的測(cè)定系統(tǒng)即用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)略圖。
圖2是本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的一實(shí)施方式的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的功能框圖。
圖3是更詳細(xì)地表示在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中采用本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的一實(shí)施方式的測(cè)定系統(tǒng)中測(cè)定對(duì)象流體的供給源及金屬配管外圍的說(shuō)明圖，(A)是金屬配管的縱向剖面圖，(B)是表示測(cè)定試驗(yàn)區(qū)域的橫向剖面圖。
圖4是說(shuō)明觸發(fā)信號(hào)及超聲波回波信號(hào)接收波形與AD變換器的取樣定時(shí)之關(guān)系的說(shuō)明圖。
圖5是在本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)中、通過由個(gè)人計(jì)算機(jī)執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG而進(jìn)行的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法的處理流程圖。
圖6是處理流程圖，表示在本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)進(jìn)行的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法的信號(hào)處理過程中的WF處理進(jìn)程的處理步驟。
圖7是的處理流程圖，表示在本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)進(jìn)行的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法的信號(hào)分析過程中的反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程的處理步驟。
圖8是關(guān)于金屬配管內(nèi)流動(dòng)的流體中懸浮的示蹤粒子(超聲波反射體)的移動(dòng)的說(shuō)明圖。
圖9是通過本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的換能器而振蕩的超聲波脈沖的反射波即超聲波回波信號(hào)的說(shuō)明圖。
圖10用互相關(guān)法測(cè)定流體流速的測(cè)定原理的說(shuō)明圖。
圖11是關(guān)于觸發(fā)信號(hào)(上)、超聲波回波信號(hào)(中)及雜波噪聲的時(shí)間序列變化(下)的說(shuō)明圖。
圖12(A)是將數(shù)字超聲波回波信號(hào)從第一個(gè)序列至第n個(gè)序列排列表示的說(shuō)明圖、(B)是表示對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的說(shuō)明圖。
圖13是概略表示將對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作FFT處理后得到的頻率等效成分之波形的說(shuō)明圖。
圖14是對(duì)比說(shuō)明圖，將在用本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)測(cè)定金屬配管內(nèi)流動(dòng)的流體的流速分布時(shí)采用傳統(tǒng)的互相關(guān)法的情況和采用通過WF的雜波噪聲降低方法的情況進(jìn)行對(duì)比。
圖15是表示在本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的測(cè)定系統(tǒng)中，按照實(shí)測(cè)值得到的離換能器的距離與探測(cè)窗的大小Δτ之關(guān)系的說(shuō)明圖。
圖16中，將本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)中采用變動(dòng)探測(cè)窗法求出參考波與探測(cè)波的互相關(guān)時(shí)所測(cè)定的平均速度分布和傳統(tǒng)的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)中采用的固定探測(cè)窗法求出參考波與探測(cè)波的互相關(guān)時(shí)所測(cè)定的平均速度分布進(jìn)行比較。
圖17中，將通過本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)測(cè)定的和通過激光多譜勒流速計(jì)(Laser Doppler VelocimetryLDV)測(cè)定的流體平均流速分布進(jìn)行比較。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式對(duì)于本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)、超聲波流速分布及流量測(cè)定方法以及超聲波流速分布及流量測(cè)定程序的實(shí)施方式，參考附圖進(jìn)行說(shuō)明。
圖1是概略表示本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的一實(shí)施方式的測(cè)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)略圖。
圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10具備作為手提式計(jì)算機(jī)的個(gè)人計(jì)算機(jī)(以下稱作個(gè)人計(jì)算機(jī))11以及可由個(gè)人計(jì)算機(jī)11讀出并執(zhí)行的超聲波流速分布及流量測(cè)定程序(圖中標(biāo)示為測(cè)定PG，以下將程序省略為PG)12，個(gè)人計(jì)算機(jī)11和超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12共同實(shí)現(xiàn)作為超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的功能。
作為超聲波脈沖振蕩單元及接收單元的換能器15通過連接線14與圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11連接。該換能器15從外側(cè)以預(yù)定的設(shè)置角度θ設(shè)置在作為引導(dǎo)被測(cè)定流體即測(cè)定對(duì)象流體17的流體配管的金屬配管18上。另外，在金屬配管18的內(nèi)部流動(dòng)的流體17中懸浮(混合)有無(wú)數(shù)的超聲波反射體19。
另外，(圖1中未示出)為了使聲阻抗匹配，一般通過聲耦合器將換能器15設(shè)置在金屬配管18上。
超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12存在內(nèi)置于個(gè)人計(jì)算機(jī)11的硬盤等記錄單元中。個(gè)人計(jì)算機(jī)11能夠讀取存在記錄單元中的超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12，并能夠執(zhí)行程序。
再有，在測(cè)定超聲波流速分布及流量時(shí)，例如在換能器15發(fā)送的超聲波脈沖的頻率控制以及在接收反射波時(shí)的增益調(diào)整等測(cè)定中附隨的處理操作(以下稱作基本處理操作)都能夠通過事先設(shè)定的基本處理PG20，實(shí)現(xiàn)各種功能。與超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12同樣，基本處理PG20也被記錄、儲(chǔ)存在個(gè)人計(jì)算機(jī)11可讀取的記錄單元中。
圖2是表示本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的一實(shí)施方式的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的功能框圖。
圖2所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10在功能上描述圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10，由圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11和超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12共同實(shí)現(xiàn)作為超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)的功能。
圖2所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10設(shè)有輸出發(fā)射觸發(fā)信號(hào)(電信號(hào))的發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22；接收發(fā)射觸發(fā)信號(hào)、使超聲波脈沖進(jìn)行振蕩的超聲波脈沖振蕩單元23；接收超聲波脈沖的反射波并將接收到的超聲波脈沖的反射波變換為電信號(hào)的超聲波接收單元24；進(jìn)行電信號(hào)的信號(hào)處理的信號(hào)處理單元25；以及分析接收到的信號(hào)、計(jì)算超聲波流速分布及流量的信號(hào)分析單元26。
發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22具有發(fā)射觸發(fā)振蕩功能。此發(fā)射觸發(fā)振蕩功能可以由圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11和基本處理PG20共同實(shí)現(xiàn)。
這里，所謂發(fā)射觸發(fā)是指通過另外設(shè)置的觸發(fā)振蕩單元、而不是通過例如內(nèi)置于個(gè)人計(jì)算機(jī)11的CPU(Central Processing Unit)等運(yùn)算處理單元(圖1中省略)進(jìn)行振蕩的觸發(fā)(外部觸發(fā))。也就是說(shuō)，發(fā)射觸發(fā)是與CPU使用內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行振蕩的觸發(fā)不同的、不受內(nèi)部時(shí)鐘控制的觸發(fā)。
發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22是將例如具有觸發(fā)振蕩功能的板件(以下稱作觸發(fā)振蕩板)與個(gè)人計(jì)算機(jī)11中內(nèi)裝的板主板(圖1中省略)連接而構(gòu)成，通過裝于板主板的CPU使觸發(fā)振蕩板發(fā)揮功能而實(shí)現(xiàn)。
發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22使發(fā)射觸發(fā)信號(hào)(電信號(hào))振蕩，并將已振蕩的發(fā)射觸發(fā)信號(hào)(以下簡(jiǎn)單稱作觸發(fā)信號(hào))輸出到超聲波脈沖振蕩單元23以及信號(hào)處理單元25。在超聲波脈沖振蕩單元23中使超聲波振蕩時(shí)，使用輸入到超聲波脈沖振蕩單元23的觸發(fā)信號(hào)。另外，在信號(hào)接收的定時(shí)控制中使用輸入到信號(hào)處理單元25的觸發(fā)信號(hào)。
通過測(cè)定者例如用圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11的輸入單元(圖1中省略)進(jìn)行設(shè)定條件的輸入操作等，將設(shè)定條件輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)11中，從而能夠任意設(shè)定發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22輸出的觸發(fā)信號(hào)的輸出波形。一旦在個(gè)人計(jì)算機(jī)11中輸入設(shè)定條件，個(gè)人計(jì)算機(jī)11中內(nèi)置的CPU等運(yùn)算處理單元就會(huì)認(rèn)識(shí)已輸入的設(shè)定條件，讀出并執(zhí)行基本處理PG20，進(jìn)行符合輸入的設(shè)定條件的觸發(fā)信號(hào)的輸出。
圖2所示的超聲波脈沖振蕩單元23設(shè)有通過已輸入的觸發(fā)信號(hào)按規(guī)定的時(shí)間(τ)間隔生成所需頻率(基本頻率f0)的電脈沖信號(hào)的電脈沖信號(hào)生成部28；以及根據(jù)接收到的電脈沖信號(hào)的頻率及時(shí)間間隔而使超聲波脈沖振蕩的超聲波脈沖生成部29。
超聲波脈沖振蕩單元23的電脈沖信號(hào)生成部28具有電脈沖信號(hào)生成功能。該電脈沖信號(hào)生成功能由圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11和基本處理PG20共同實(shí)現(xiàn)。
圖2所示的超聲波脈沖振蕩單元23一旦接收了發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22輸出的觸發(fā)信號(hào)，電脈沖信號(hào)振蕩部28就按預(yù)定時(shí)間τ間隔生成所需頻率例如1MHz、2MHz、4MHz等基本頻率f0的電脈沖信號(hào)。電脈沖信號(hào)生成部28設(shè)有數(shù)字合成器，可輸出50kHz至20MHz的電脈沖信號(hào)，能夠?qū)?yīng)于具有各種振蕩頻率特性的換能器15。電脈沖信號(hào)生成部28中生成的電脈沖信號(hào)輸出到超聲波脈沖生成部29。
超聲波脈沖生成部29具有超聲波脈沖生成功能。超聲波脈沖生成功能通過圖1所示的換能器15具有的超聲波脈沖生成功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。
超聲波脈沖振蕩部29中進(jìn)行的電脈沖信號(hào)接收，通過圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11與連接線14連接的換能器15接收從個(gè)人計(jì)算機(jī)11輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行。超聲波脈沖振蕩部29一旦接收電脈沖信號(hào)振蕩部28生成的電脈沖信號(hào)，就將接收到的電脈沖信號(hào)變換為超聲波脈沖，并發(fā)送所得到的超聲波脈沖。
如圖1的結(jié)構(gòu)略圖所示，換能器15從外側(cè)設(shè)置，與金屬配管18形成規(guī)定的設(shè)置角度θ。從換能器15發(fā)送的超聲波脈沖沿圖1所示的測(cè)定線ML入射到金屬配管18內(nèi)流動(dòng)的流體17中，并由混合在流體17中的超聲波反射體19反射。由超聲波反射體19反射的反射波返回到換能器15。
圖1所示的換能器15和圖2所示的超聲波脈沖振蕩單元23的超聲波脈沖生成部29一起承擔(dān)作為超聲波接收單元24的功能。超聲波接收單元24接收返回的超聲波脈沖的反射波，并根據(jù)接收的反射波的大小，進(jìn)行向超聲波回波信號(hào)(模擬電信號(hào))的變換。經(jīng)此變換而得到的超聲波回波信號(hào)被發(fā)送到信號(hào)處理單元25。
圖2所示的信號(hào)處理單元25設(shè)有提取與接收到的超聲波回波信號(hào)中所使用的超聲波相同的頻帶的濾波處理(以下稱作帶通濾波處理BPF處理)的BPF處理部31；將超聲波回波信號(hào)從模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)(以下稱作AD變換)的AD變換器32；以及通過降低重疊于接收到的超聲波回波信號(hào)的雜波噪聲成分的壁濾波器(以下稱作WF)進(jìn)行濾波處理的WF處理部33。
圖2所示的信號(hào)處理單元25，通過圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11和基本處理PG20共同實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能。具體地說(shuō)，信號(hào)處理單元25一接收到反射波即超聲波回波信號(hào)，就首先將超聲波回波信號(hào)輸入BPF處理部31，進(jìn)行BPF處理。
BPF處理部31例如由低通濾波器(LPF)及高通濾波器(HPF)或帶通濾波(BPF)構(gòu)成，對(duì)于來(lái)自超聲波反射體19的反射波即超聲波回波信號(hào)，僅提取測(cè)定中使用的超聲波脈沖的頻帶。通過進(jìn)行BPF濾波處理，抑制測(cè)定中未使用的頻率成分所包含的噪聲引起的對(duì)流速分布及流量測(cè)定的不良影響。
BPF處理部31中，超聲波回波信號(hào)的BPF處理一旦結(jié)束，超聲波回波信號(hào)就接著輸入到AD變換器32。AD變換器32將接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)字取樣，用作將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的AD變換單元。
AD變換后的數(shù)字信號(hào)作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)例如暫時(shí)存儲(chǔ)于個(gè)人計(jì)算機(jī)11內(nèi)置的存儲(chǔ)器(圖1中省略)。已存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)例如可記錄在個(gè)人計(jì)算機(jī)11內(nèi)置的硬盤及軟盤、CD-ROM、DVD-ROM、MO等個(gè)人計(jì)算機(jī)11可讀取的記錄單元中。另外，AD變換器32的分辨能力例如按8位取樣頻率可達(dá)到500MHz。
AD變換器32一旦對(duì)超聲波回波信號(hào)作了AD變換，接著超聲波回波信號(hào)就被輸入WF處理部33。WF處理部33由WF構(gòu)成，對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行WF處理。通過WF處理部33對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行WF處理，從而會(huì)降低重疊于超聲波回波信號(hào)的雜波噪聲，抑制雜波噪聲引起的對(duì)流速分布及流量測(cè)定的不良影響。
WF處理部33一旦結(jié)束對(duì)超聲波回波信號(hào)的WF處理，則圖2所示的信號(hào)處理單元25中實(shí)施的全部信號(hào)處理就完成。信號(hào)處理單元25中進(jìn)行信號(hào)處理的超聲波回波信號(hào)被輸入信號(hào)分析單元26，信號(hào)分析單元26對(duì)輸入的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行，從而計(jì)算出圖1所示的金屬配管18中流動(dòng)的流體17的流速分布及流量。
圖2所示的信號(hào)分析單元26，通過圖1所示的個(gè)人計(jì)算機(jī)11、超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12和基本處理PG20共同實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析功能。
信號(hào)分析單元26設(shè)有計(jì)算圖1所示的流體17中的超聲波反射體19的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算部36；根據(jù)反射體位置/速度計(jì)算部36算出的多個(gè)超聲波反射體(以下稱作超聲波反射體群)的位置及速度來(lái)計(jì)算流體的流速分布的流速分布計(jì)算部37；以及根據(jù)流速分布計(jì)算部37算出的流速計(jì)算流體17的流量的流量計(jì)算部38。
反射體位置/速度計(jì)算部36，根據(jù)輸入的超聲波回波信號(hào)計(jì)算混合于流體17中的超聲波反射體19的位置及速度。超聲波反射體的位置及速度計(jì)算中，例如在圖1所示的金屬配管18內(nèi)流動(dòng)的流體17中的超聲波反射體的場(chǎng)合，按節(jié)距(以下稱作測(cè)定節(jié)距)計(jì)算測(cè)定線ML上的不同位置，對(duì)一個(gè)位置計(jì)算多個(gè)超聲波反射體19的速度。
超聲波反射體19的位置及速度的計(jì)算處理中，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11的CPU等運(yùn)算處理單元執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12。另外，測(cè)定節(jié)距主要由AD變換器32的分辨能力(取樣頻率)確定，因此要在考慮AD變換器32的分辨能力的同時(shí)，根據(jù)金屬配管18的內(nèi)徑D及流體17的種類在測(cè)定之前設(shè)定。
流速分布計(jì)算部37通過將反射體位置/速度計(jì)算部36算出的超聲波反射體群的位置及速度繪圖而得到速度分布。超聲波反射體群的位置及速度的繪圖處理，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11的CPU等運(yùn)算處理單元執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12而進(jìn)行。
如果圖2所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10僅顯示流體17的流速分布，則個(gè)人計(jì)算機(jī)11的CPU等運(yùn)算處理單元執(zhí)行基本處理PG20，并將流速分布計(jì)算部37輸出的流速分布數(shù)據(jù)作為流速分布在個(gè)人計(jì)算機(jī)11的顯示器等能進(jìn)行顯示的顯示單元上顯示。
另一方面，如果圖2所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10顯示流速分布及流量或者僅為流量，則流速分布計(jì)算部37算出的流速分布數(shù)據(jù)被輸入流量計(jì)算部38。
流量計(jì)算部38接收流速分布計(jì)算部37算出的流速分布數(shù)據(jù)，通過用接收的流速分布數(shù)據(jù)對(duì)金屬配管18內(nèi)的流速分布沿金屬配管18的內(nèi)部面積作積分運(yùn)算，計(jì)算流量。用以計(jì)算流量的積分運(yùn)算處理，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11的CPU等運(yùn)算處理單元執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12進(jìn)行。
圖2所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中，流量計(jì)算部38一旦完成積分運(yùn)算處理(算出流量)，個(gè)人計(jì)算機(jī)11的CPU等運(yùn)算處理單元就執(zhí)行基本處理PG20，將流量計(jì)算部38算出的流量計(jì)算數(shù)據(jù)在個(gè)人計(jì)算機(jī)11的顯示器等可顯示的顯示單元上進(jìn)行流量顯示。
另外，圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中，用手提式計(jì)算機(jī)作為執(zhí)行PG的單元(以下稱作PG執(zhí)行單元)，但也可不用手提式計(jì)算機(jī)。圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10僅是一實(shí)施例，只要能執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12就行，因此也可以用例如非手提的臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、主機(jī)等來(lái)構(gòu)成超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10。
另外，發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22、超聲波脈沖振蕩單元23、超聲波接收單元24的電脈沖信號(hào)生成部28、信號(hào)處理單元25及信號(hào)分析單元26未必一定要是僅由個(gè)人計(jì)算機(jī)11與PG協(xié)作的結(jié)構(gòu)。作為發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22，例如也可設(shè)置通過從個(gè)人計(jì)算機(jī)11輸出到個(gè)人計(jì)算機(jī)11外部的信號(hào)而進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的觸發(fā)振蕩部件。
下面，對(duì)于使用超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的流體流速分布及流量的計(jì)測(cè)作用進(jìn)行說(shuō)明。
圖3是更詳細(xì)地表示圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的結(jié)構(gòu)略圖中測(cè)定對(duì)象流體17的供給源及金屬配管18外圍的說(shuō)明圖。
如圖3(A)及(B)所示，對(duì)于圖3所示的金屬配管18例如使用內(nèi)徑D為41.2mmφ、厚度為3.7mm的不銹鋼管18，從管開始位置(x＝0)沿管軸方向(x軸方向)在x＝19D(內(nèi)徑D的19倍)的位置上從外側(cè)設(shè)置換能器15。設(shè)置時(shí)，將換能器15相對(duì)于不銹鋼管18a的管軸以傾斜角度θ設(shè)置于水中。換能器15經(jīng)由聲耦合器安裝在金屬配管18上，其方向設(shè)定使得由換能器15振蕩的超聲波脈沖流暢地入射到金屬配管18內(nèi)。
符號(hào)41是溢流箱，符號(hào)42是縮流器，符號(hào)43是用于在水中設(shè)置實(shí)驗(yàn)區(qū)域的不銹鋼管18a的流體配管設(shè)置容器。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備中使用水作為測(cè)定對(duì)象流體17。另外，圖中F表示水的流動(dòng)方向。
圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中，信號(hào)分析單元26進(jìn)行基于互相關(guān)法的信號(hào)分析。所謂互相關(guān)法是一種計(jì)算以某一定時(shí)間間隔得到的2個(gè)反射波(參考波、探測(cè)波)的互相關(guān)、并根據(jù)其計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出流體沿測(cè)定線ML的速度分布的方法。通過采用本方法進(jìn)行流量測(cè)定，與傳統(tǒng)的開普勒式超聲波流量計(jì)相比較，能夠大大提高時(shí)間分辨能力。
以下，用圖1及圖2說(shuō)明超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的流速分布及流量測(cè)定方法。
超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的流速分布及流量測(cè)定方法，包含發(fā)射觸發(fā)振蕩過程、超聲波振蕩過程、超聲波脈沖接收過程、信號(hào)處理過程和信號(hào)分析過程?，F(xiàn)參照?qǐng)D2所示的功能框圖，按過程說(shuō)明此流速分布及流量測(cè)定方法，超聲波流速分布及流量測(cè)定方法首先進(jìn)行發(fā)射觸發(fā)振蕩過程，其中包括接收觸發(fā)信號(hào)而生成電脈沖信號(hào)的電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程；以及將此電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程中生成的電脈沖信號(hào)變換為超聲波脈沖而發(fā)送的超聲波脈沖生成進(jìn)程。
發(fā)射觸發(fā)振蕩過程將發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22振蕩產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)(電信號(hào))發(fā)送到超聲波脈沖振蕩單元23的電脈沖信號(hào)生成部28及信號(hào)處理單元25的AD變換器32。為了使接收到超聲波回波信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)與開始AD變換的時(shí)間點(diǎn)一致，即為了取得同步，使用觸發(fā)信號(hào)。
接著，電脈沖信號(hào)生成部28一旦接收到發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)，作為電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程，電脈沖信號(hào)生成部28生成電脈沖信號(hào)，并將生成的電脈沖信號(hào)發(fā)送到超聲波脈沖生成部29。作為超聲波脈沖生成進(jìn)程，超聲波脈沖生成部29將接收的電脈沖信號(hào)變換為超聲波脈沖，并將得到的超聲波脈沖發(fā)送出去。
以上，參照?qǐng)D2所示的功能框圖說(shuō)明了從上述的發(fā)射觸發(fā)振蕩過程的觸發(fā)信號(hào)(電信號(hào))的振蕩至超聲波脈沖生成過程的超聲波脈沖發(fā)送的過程，而以下參照?qǐng)D1所示的測(cè)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
從發(fā)射觸發(fā)振蕩進(jìn)程的觸發(fā)信號(hào)(電信號(hào))的振蕩至超聲波脈沖生成進(jìn)程的超聲波脈沖發(fā)送的過程，可以通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11與超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12協(xié)同進(jìn)行。
已生成的電脈沖信號(hào)從個(gè)人計(jì)算機(jī)11發(fā)送到由連接線14連接的換能器15，換能器15接收電脈沖信號(hào)。換能器15接收電脈沖信號(hào)后，將它變換為例如4MHz正弦波形的超聲波猝發(fā)信號(hào)(burstsignal)，進(jìn)行超聲波脈沖振蕩。
換能器15將超聲波脈沖束投影在金屬配管18內(nèi)，另外，在超聲波脈沖振蕩之后，開始接收來(lái)自混合于測(cè)定對(duì)象流體17的氣泡及微粒等超聲波反射體19的反射波，接收已得到的反射波的超聲波回波信號(hào)。接收到的超聲波回波信號(hào)從換能器15發(fā)送到由連接線14連接的個(gè)人計(jì)算機(jī)11。
個(gè)人計(jì)算機(jī)11一接收到超聲波回波信號(hào)，個(gè)人計(jì)算機(jī)11就與超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12協(xié)同進(jìn)行對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)的信號(hào)處理及信號(hào)分析。關(guān)于個(gè)人計(jì)算機(jī)11與超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12協(xié)同而進(jìn)行的超聲波回波信號(hào)的信號(hào)處理及信號(hào)分析，用圖2進(jìn)行說(shuō)明。
超聲波接收單元24接收到的超聲波回波信號(hào)，由信號(hào)處理單元25進(jìn)行作為信號(hào)處理過程的信號(hào)處理。信號(hào)處理單元25進(jìn)行的信號(hào)處理過程包含對(duì)超聲波回波信號(hào)按超聲波頻率進(jìn)行BPF處理的BPF處理進(jìn)程；對(duì)于經(jīng)BPF處理后的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行AD變換的AD變換進(jìn)程；以及對(duì)數(shù)字超聲波回波信號(hào)進(jìn)行WF處理的WF處理進(jìn)程。
作為信號(hào)處理單元25進(jìn)行的信號(hào)處理過程是首先作為BPF處理進(jìn)程，BPF處理部31對(duì)于超聲波回波信號(hào)按超聲波頻率進(jìn)行BPF處理，然后AD變換器32對(duì)于經(jīng)BPF處理并輸入AD變換器32的超聲波回波信號(hào)高速進(jìn)行數(shù)字取樣處理，進(jìn)行數(shù)字化的AD變換進(jìn)程。
圖4表示說(shuō)明觸發(fā)信號(hào)及超聲波回波信號(hào)接收波形與AD變換器32的取樣定時(shí)之關(guān)系的說(shuō)明圖。
在圖4中橫軸為時(shí)間軸，縱軸為信號(hào)電平，圖的上部表示觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間變化，中部表示超聲波回波信號(hào)接收波形的時(shí)間變化，下部表示AD變換器32的取樣定時(shí)。如圖4上部所示，觸發(fā)信號(hào)例如按預(yù)定時(shí)間(τ)間隔接連不斷地輸出脈沖狀信號(hào)。與此觸發(fā)信號(hào)的定時(shí)同步地控制超聲波回波信號(hào)的接收及AD變換器32的取樣的定時(shí)。
如圖4的下部所示，AD變換器32以極短的時(shí)間寬度例如按每1μs對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字取樣處理，取得數(shù)字超聲波回波信號(hào)，即取得所需序列數(shù)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)(例如512個(gè)序列的量)。AD變換器32一旦完成了所需序列數(shù)量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的獲取，就作為WF處理進(jìn)程對(duì)數(shù)字超聲波回波信號(hào)進(jìn)行WF處理。
作為WF處理進(jìn)程，WF處理部33首先根據(jù)數(shù)字化的超聲波回波信號(hào)(512個(gè)序列的量)進(jìn)行獲取序列數(shù)與信號(hào)電平之關(guān)系(以下稱作對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào))的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟。然后，采用快速傅里葉變換(所謂FFTFast Fourier Transform)等方法，進(jìn)行將對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作傅里葉變換的FFT處理步驟。
然后，對(duì)于FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分，進(jìn)行以S/N(Signal to Noise)比為閾值的濾波處理的雜波噪聲降低處理步驟。通過以S/N比為閾值的濾波處理，降低超聲波回波信號(hào)中包含的雜波噪聲，抑制它對(duì)流速分布及流量測(cè)定的不良影響。
以S/N比為閾值的濾波處理(雜波噪聲降低處理步驟)一旦完成，WF處理部33就作為逆FFT處理步驟進(jìn)行以對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率成分作傅里葉逆變換的逆FFT處理，之后按序列順序重新排列，再構(gòu)成數(shù)字超聲波回波信號(hào)(時(shí)間序列數(shù)據(jù))，從而得到已減少了雜波噪聲成分的數(shù)字超聲波回波信號(hào)。逆FFT處理一旦完成，WF處理進(jìn)程就結(jié)束，而由于WF處理進(jìn)程的完成，超聲波回波信號(hào)的信號(hào)處理過程即告完成。作為信號(hào)分析過程，信號(hào)處理完的超聲波回波信號(hào)由信號(hào)分析單元26進(jìn)行信號(hào)分析。
作為信號(hào)分析過程而由信號(hào)分析單元26進(jìn)行的超聲波回波信號(hào)的信號(hào)分析是指用互相關(guān)法而分析超聲波回波信號(hào)，求出金屬配管18內(nèi)流動(dòng)的流體17沿測(cè)定線(不銹鋼管18a的徑向線)ML的速度分布；或者求出沿ML的速度分布，再通過將求出的流速分布沿不銹鋼管18a的內(nèi)部面積積分，求出流量。
信號(hào)分析過程包含計(jì)算流體17中的超聲波反射體群的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程；根據(jù)反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程算出的流體17中的超聲波反射體群的位置及速度來(lái)計(jì)算流體流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程；以及將流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速分布沿金屬配管18的內(nèi)部面積作積分運(yùn)算，計(jì)算流量的流量計(jì)算進(jìn)程。
作為信號(hào)分析過程的超聲波回波信號(hào)的信號(hào)分析中，首先作為反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程，反射體位置/速度計(jì)算部36計(jì)算超聲波反射體群的位置及速度。超聲波反射體群的位置及速度的計(jì)算是按極短時(shí)間寬度例如按每1μs，計(jì)算以512個(gè)序列取樣的數(shù)字超聲波回波信號(hào)的連續(xù)序列，即第n個(gè)序列包含的反射波(參考波)45與第n+1個(gè)序列(n是滿足1≤n≤511的整數(shù))包含的反射波(探測(cè)波)46之間的互相關(guān)。
作為互相關(guān)計(jì)算處理步驟而進(jìn)行的參考波45與探測(cè)波46之互相關(guān)的計(jì)算，采用變動(dòng)探測(cè)窗法(詳細(xì)內(nèi)容后述)設(shè)定探測(cè)窗的大小，在探測(cè)波46中所需的探測(cè)范圍內(nèi)從n＝1至n＝511進(jìn)行與參考波45的互相關(guān)。而且，如果計(jì)算參考波45與探測(cè)波46的互相關(guān)，且相關(guān)值大于某一定值(閾值)，則進(jìn)行視為來(lái)自同一超聲波反射體的反射波的相位認(rèn)定步驟，接著求出由相位差計(jì)算步驟確定的參考波45及探測(cè)波46的相位差，并根據(jù)該相位差進(jìn)行計(jì)算超聲波反射體19的位置及速度的位置/速度計(jì)算步驟。
這樣，如果參考波45與探測(cè)波46的相關(guān)值大于某一定值(閾值)，則視為來(lái)自同一超聲波反射體19的反射波，并一直計(jì)算流體17中使超聲波反射的各超聲波反射體19的位置及速度。然后，作為流速分布計(jì)算進(jìn)程，流速分布計(jì)算部37根據(jù)算出的超聲波反射體群的位置及速度來(lái)計(jì)算流體17的流速分布。
流速分布計(jì)算部37根據(jù)得到的超聲波反射體群的位置及速度數(shù)據(jù)，計(jì)算成為測(cè)定對(duì)象的流體17的流速分布。算出的流體17的流速分布是將流體17的流速視為懸浮于流體17中的超聲波反射體群的速度，根據(jù)已得到的超聲波反射體群的位置及速度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算金屬配管18(不銹鋼配管18a)的位置與該位置上的超聲波反射體群的速度之間的關(guān)系，也就是計(jì)算金屬配管18內(nèi)流體17的流速分布。
流體17的流速分布一旦算出，接著作為流量計(jì)算進(jìn)程，流量計(jì)算部38將算出的金屬配管18內(nèi)的流速分布沿金屬配管18的內(nèi)部面積作積分運(yùn)算，計(jì)算出流量。流量計(jì)算部38一旦完成積分運(yùn)算處理(流量計(jì)算)，算出的流量就被顯示在個(gè)人計(jì)算機(jī)11的顯示器等可顯示的顯示單元上。
再有，雖然信號(hào)分析過程包含了反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程、流速分布計(jì)算進(jìn)程和流量計(jì)算進(jìn)程，但是信號(hào)分析過程也可為包含反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程和流速分布計(jì)算進(jìn)程的形式。此時(shí)，超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10僅計(jì)算金屬配管18內(nèi)流體17的流速分布，而不進(jìn)行流量的計(jì)算，流速分布在個(gè)人計(jì)算機(jī)11的顯示器等可顯示的顯示單元上顯示。
以下，按照處理過程進(jìn)行說(shuō)明圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12而進(jìn)行的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理的內(nèi)容(以下稱作超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法)。
圖5是處理流程圖，用以說(shuō)明圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12而進(jìn)行的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法。
根據(jù)圖5，超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法包含對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理過程；以及對(duì)經(jīng)信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析而得到流體17的流速分布及流量的信號(hào)分析過程。
信號(hào)處理過程包含執(zhí)行用以提取與接收到的超聲波回波信號(hào)中使用的超聲波相同的頻帶的BPF處理的BPF處理進(jìn)程；對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行AD變換的AD變換進(jìn)程；以及降低重疊于超聲波回波信號(hào)的雜波噪聲成分的WF處理進(jìn)程。
信號(hào)分析過程包含計(jì)算測(cè)定對(duì)象即流體17中超聲波反射體群的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程；根據(jù)反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程中算出的超聲波反射體群的位置及速度來(lái)計(jì)算流體流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程；以及根據(jù)流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速分布來(lái)計(jì)算流體17的流量的流量計(jì)算進(jìn)程。
以下就超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中的信號(hào)處理過程及信號(hào)分析過程的各處理進(jìn)程的處理內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。
在圖5所示的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中，個(gè)人計(jì)算機(jī)11中的CPU等運(yùn)算處理單元首先讀出并執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12，然后執(zhí)行信號(hào)處理過程(步驟S1～步驟S3)及信號(hào)分析過程(步驟S4～步驟S6)。
超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中的信號(hào)處理過程中，在步驟S1進(jìn)行BPF處理進(jìn)程，在步驟S2進(jìn)行AD變換進(jìn)程，在步驟S3進(jìn)行WF處理進(jìn)程。
在步驟S1進(jìn)行的BPF處理進(jìn)程中，對(duì)于從圖1所示的換能器15接收到的超聲波回波信號(hào)，只提取測(cè)定中使用的超聲波脈沖的頻帶。提取的頻帶寬度根據(jù)使用的超聲波脈沖的頻率，在測(cè)定開始前進(jìn)行輸入設(shè)定。
BPF處理進(jìn)程的具體處理內(nèi)容因圖2所示的BPF處理部31的結(jié)構(gòu)不同而異。例如對(duì)于由低通濾波器(LPF)及高通濾波器(HPF)構(gòu)成的BPF處理部31，為低通濾波處理及高通濾波處理的2級(jí)處理，而對(duì)于由帶通濾波器(BPF)構(gòu)成的BPF處理部31，則為帶通濾波處理的1級(jí)處理。但是，不論哪一例，最終都只提取測(cè)定中使用的超聲波脈沖的頻帶。
一旦對(duì)超聲波回波信號(hào)提取了只在測(cè)定中使用的超聲波脈沖的頻帶，BPF處理進(jìn)程(步驟S1)就結(jié)束，接著進(jìn)行AD變換進(jìn)程(步驟S2)。在步驟S2進(jìn)行的AD變換進(jìn)程中，對(duì)步驟S1的BPF處理進(jìn)程中經(jīng)BPF處理后的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字取樣，取得時(shí)間序列數(shù)據(jù)(例如512個(gè)序列的量)。取樣數(shù)的設(shè)定(例如每1序列的取樣數(shù))，在測(cè)定開始前進(jìn)行輸入設(shè)定。
對(duì)已取得的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的數(shù)字取樣一旦完成，AD變換進(jìn)程(步驟S2)就結(jié)束。AD變換進(jìn)程(步驟S2)一旦結(jié)束，接著就進(jìn)行WF處理進(jìn)程(步驟S3)。在步驟S3進(jìn)行的WF處理進(jìn)程中，對(duì)步驟S2的AD變換進(jìn)程中數(shù)字化的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行使用WF(壁濾波器)的濾波處理。
圖6是說(shuō)明對(duì)信號(hào)處理過程中的WF處理進(jìn)程(步驟S3)的更詳細(xì)處理步驟的處理流程圖。
由圖6可知，圖5所示的步驟S3的WF處理進(jìn)程包含取得各序列的數(shù)字超聲波回波信號(hào)(時(shí)間序列數(shù)據(jù))中序列數(shù)與信號(hào)電平之間的關(guān)系的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟(步驟S11)；將對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟中得到的信號(hào)進(jìn)行FFT(高速傅里葉變換)處理的FFT處理步驟(步驟S12)；對(duì)于經(jīng)FFT處理后的信號(hào)的頻率等效成分進(jìn)行以S/N比為閾值的濾波處理的雜波噪聲降低處理步驟(步驟S13)；以及將經(jīng)雜波噪聲降低處理步驟后的信號(hào)進(jìn)行逆FFT處理的逆FFT處理步驟(步驟S14)。
在步驟S3的WF處理進(jìn)程中，首先在步驟S11中取得在數(shù)字超聲波回波信號(hào)的各序列中從各序列的開始時(shí)刻起的經(jīng)過時(shí)刻τ1等對(duì)應(yīng)的任意時(shí)刻(以下稱作對(duì)應(yīng)時(shí)刻)的信號(hào)電平(以下將取得的信號(hào)電平從序列數(shù)1開始排列而構(gòu)成的信號(hào)稱作對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào))。
同樣地，也對(duì)于τ1以外的對(duì)應(yīng)時(shí)刻τ2......τj(j是任意自然數(shù)，在上述例中至少j≥3)取得各序列的信號(hào)電平。再有，取得信號(hào)電平的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)量，可以事先編程，也可在測(cè)定開始前輸入設(shè)定。一旦得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟(步驟S11)就結(jié)束，然后在步驟S12進(jìn)行FFT處理步驟。
在步驟S12的FFT處理步驟中，對(duì)對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作FFT處理，得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分。一旦得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分，F(xiàn)FT處理步驟(步驟S12)就結(jié)束，接著在步驟S13進(jìn)行雜波噪聲降低處理步驟。
在步驟S13的雜波噪聲降低處理步驟中，從對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分中除去低頻等效成分。因此，可降低重疊于超聲波回波信號(hào)的雜波噪聲。雜波噪聲降低處理步驟中的濾波處理的閾值在測(cè)定開始前進(jìn)行輸入設(shè)定。
如果雜波噪聲降低處理步驟(步驟S13)結(jié)束，則接著在步驟S14進(jìn)行逆FFT處理步驟，對(duì)于經(jīng)雜波噪聲降低處理后的超聲波回波信號(hào)的頻率成分，進(jìn)行逆FFT處理后，得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)(512個(gè)序列的量)。
一旦步驟S14的逆FFT處理步驟結(jié)束并得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)，圖5所示的步驟S3的WF處理進(jìn)程就結(jié)束。另外，WF處理進(jìn)程(步驟S3)一旦結(jié)束，超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中的信號(hào)處理過程的全部處理進(jìn)程就結(jié)束。信號(hào)處理過程一旦結(jié)束，接著就進(jìn)入信號(hào)分析過程(步驟S4～步驟S6)。
圖5所示的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法的信號(hào)分析過程包含計(jì)算流體17中超聲波反射體19的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程(步驟S4)；根據(jù)反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程中算出的超聲波反射體群的位置及速度來(lái)計(jì)算流體流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程(步驟S5)；以及根據(jù)流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速來(lái)計(jì)算流體17的流量的流量計(jì)算進(jìn)程(步驟S6)。
超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中的信號(hào)分析過程中，在步驟S4進(jìn)行反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程，在步驟S5進(jìn)行流速分布計(jì)算進(jìn)程，在步驟S6進(jìn)行流量計(jì)算進(jìn)程。
圖7是說(shuō)明信號(hào)分析過程中的反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程(步驟S4)的更詳細(xì)的處理步驟的流程圖。
根據(jù)圖7，圖5所示的步驟S4的反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程包含互相關(guān)計(jì)算處理步驟(步驟S21)、相位認(rèn)定步驟(步驟S22)、相位差計(jì)算步驟(步驟S23)、位置/速度計(jì)算步驟(步驟S24)和探測(cè)結(jié)束判定步驟(步驟S25)。
反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程中，首先在步驟S21進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算處理步驟，接著用互相關(guān)法計(jì)算參考波45與探測(cè)波46的互相關(guān)，再算出相關(guān)值。相關(guān)值的計(jì)算是通過采用變動(dòng)探測(cè)窗法(詳細(xì)內(nèi)容后述)設(shè)定探測(cè)波46的探測(cè)窗大小，并在探測(cè)波46的探測(cè)范圍內(nèi)計(jì)算與參考波45的參考范圍的互相關(guān)而進(jìn)行。相關(guān)值的計(jì)算一旦結(jié)束，互相關(guān)計(jì)算處理步驟(步驟S21)就結(jié)束，接著在步驟S22進(jìn)行相位認(rèn)定步驟。
在步驟S22的相位認(rèn)定步驟中，對(duì)于具有互相關(guān)計(jì)算處理步驟(步驟S21)中得到的相關(guān)值為大于閾值s之關(guān)系的探測(cè)波46的相位進(jìn)行確定。在PG執(zhí)行前或執(zhí)行時(shí)設(shè)定閾值s。在相位認(rèn)定步驟(步驟S22)結(jié)束后，接著在步驟S23進(jìn)行相位差計(jì)算步驟。
在步驟S23的相位差計(jì)算步驟中，計(jì)算經(jīng)認(rèn)定的探測(cè)波46的相位與參考波45的參照相位之間的相位差。相位差計(jì)算一旦結(jié)束，相位差計(jì)算步驟(步驟S23)就結(jié)束，接著在步驟S24進(jìn)行位置/速度計(jì)算步驟。
在步驟S24的位置/速度計(jì)算步驟中，根據(jù)算出的相位差計(jì)算位于探測(cè)波46的探測(cè)范圍的超聲波反射體19的位置及速度。位于探測(cè)波46的探測(cè)范圍的超聲波反射體19的位置及速度的計(jì)算一旦結(jié)束，位置/速度計(jì)算步驟(步驟S24)就結(jié)束，接著進(jìn)行步驟S25的探測(cè)結(jié)束判定步驟。
在步驟S25的探測(cè)結(jié)束判定步驟中，判定對(duì)于探測(cè)波46中進(jìn)行探測(cè)的全部探測(cè)范圍的探測(cè)是否已結(jié)束。如果對(duì)于全部探測(cè)范圍探測(cè)未結(jié)束(在步驟S25中為否時(shí))，則進(jìn)入步驟S21，重復(fù)步驟S21以后的處理步驟。通過重復(fù)步驟S21以后的處理步驟，算出流體17中流動(dòng)的超聲波反射體群的位置及速度。另外，如果對(duì)于全部探測(cè)范圍探測(cè)已結(jié)束(在步驟S25中為是時(shí))，則結(jié)束反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程。
如圖5所示，反射體群位置/速度計(jì)算步驟(步驟S4)一旦結(jié)束，接著就進(jìn)行流速分布計(jì)算進(jìn)程(步驟S5)。在步驟S5的流速分布計(jì)算進(jìn)程中，根據(jù)反射體群位置/速度計(jì)算進(jìn)程中算出的反射體群位置及速度，算出超聲波反射體群的位置與速度之間的關(guān)系，即算出流速分布。在計(jì)算流速分布時(shí)，將各序列中同一對(duì)應(yīng)時(shí)刻(例如對(duì)應(yīng)時(shí)刻τ1)下同一位置所取得的全部超聲波反射體19的速度進(jìn)行加法平均或均方根而計(jì)算。
流速分布一旦算出，就結(jié)束流速分布計(jì)算進(jìn)程(步驟S5)，接著進(jìn)行流量計(jì)算進(jìn)程(步驟S6)。在步驟S6的流量計(jì)算進(jìn)程中通過將算出的金屬配管18內(nèi)的流速分布沿金屬配管18的內(nèi)部面積進(jìn)行積分運(yùn)算而計(jì)算流量。此時(shí)，除流速分布之外的金屬配管18的內(nèi)徑D等積分運(yùn)算所需的信息，在進(jìn)行超聲波流速分布及流量測(cè)定處理之前預(yù)先被輸入設(shè)定。
流量計(jì)算一旦結(jié)束，流量計(jì)算進(jìn)程(步驟S6)結(jié)束，信號(hào)分析過程的全部處理進(jìn)程即告完成。信號(hào)分析過程一旦結(jié)束，超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中的全部處理過程就結(jié)束。個(gè)人計(jì)算機(jī)11中的CPU等運(yùn)算處理單元在超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12的全部處理過程結(jié)束后讀出并執(zhí)行基本處理PG20，從而顯示超聲波流速分布及流量測(cè)定處理結(jié)果。
再有，如果圖1所示的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10只進(jìn)行流速計(jì)算，則在超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法的信號(hào)分析過程中省略流量計(jì)算進(jìn)程(步驟S6)，在流速分布計(jì)算進(jìn)程(步驟S5)結(jié)束后，即進(jìn)行流速分布的顯示。
另外，在上述的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理方法中，通過個(gè)人計(jì)算機(jī)11讀出并執(zhí)行基本處理PG20來(lái)進(jìn)行算出的流速分布或流量的顯示，但是也可通過執(zhí)行超聲波流速分布及流量測(cè)定PG12來(lái)進(jìn)行流速分布或流量顯示之前的處理操作。
如圖3所示，將超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的換能器15設(shè)置在處于水中的不銹鋼管18a上，對(duì)于其中示蹤粒子19作為超聲波反射體而懸浮的流體即水17在不銹鋼管18a內(nèi)流動(dòng)時(shí)的流體17的流速分布進(jìn)行測(cè)定。
流體17的流速分布通過獲取流體17中的示蹤粒子(超聲波反射體)19的速度分布而測(cè)得。這是因?yàn)楦鶕?jù)示蹤粒子19隨著流體17的流動(dòng)而同時(shí)移動(dòng)的觀點(diǎn)，可以將示蹤粒子19的速度視為流體17的速度。
圖8表示對(duì)金屬配管18內(nèi)流動(dòng)的示蹤粒子19的移動(dòng)進(jìn)行說(shuō)明的說(shuō)明圖。
如圖8所示，超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中的流體17的流速分布及流量測(cè)定通過求出時(shí)刻t＝t0下，在流體17中按束狀直線行進(jìn)的超聲波(以下稱作超聲波束)49捕獲到的示蹤粒子19在時(shí)刻t＝t0+Δt下超聲波束49捕獲到的示蹤粒子19在流體17中的移動(dòng)量Δx而進(jìn)行。
如果在測(cè)定流體17的流速分布時(shí)，從換能器15的壓電元件沿測(cè)定線ML發(fā)送超聲波脈沖，則發(fā)送出的超聲波脈沖在超聲波反射體即示蹤粒子19的表面反射，然后返回到換能器15。由于此反射波在不銹鋼管18a內(nèi)流體場(chǎng)的各處產(chǎn)生，因此產(chǎn)生如圖9所示的反射波。
在圖9中最初表示的超聲波猝發(fā)信號(hào)(超聲波回波信號(hào))a被稱作發(fā)射區(qū)域，它是為了在超聲波剛振蕩后、使壓電元件的振動(dòng)保留著而產(chǎn)生的信號(hào)。接著出現(xiàn)的超聲波猝發(fā)信號(hào)b是由管上部產(chǎn)生的信號(hào)，是由于水與不銹鋼的聲阻抗不同而產(chǎn)生的信號(hào)，由管下部產(chǎn)生的超聲波猝發(fā)信號(hào)c也與信號(hào)b同樣。位于超聲波猝發(fā)信號(hào)b與c之間的信號(hào)d包含有不銹鋼管18a內(nèi)的流體流速信息，在峰值出現(xiàn)的位置存在示蹤粒子19。
從反射波即超聲波猝發(fā)信號(hào)d求出示蹤粒子19的位置。假定換能器15至示蹤粒子19的距離為x，超聲波脈沖振蕩后至接收反射波的時(shí)間為τ，超聲波的速度為c，則[數(shù)學(xué)式1]x=cτ2---(1)]]>的關(guān)系成立。
如果在某一時(shí)間間隔Δt之后再次進(jìn)行超聲波脈沖的振蕩與反射波的接收，能夠得到相同的反射波，但是，如果流體17在時(shí)間間隔Δt期間移動(dòng)，則示蹤粒子19跟隨移動(dòng)。因此，至反射波接收的時(shí)間τ也變化。
圖10是說(shuō)明使用互相關(guān)法測(cè)定流體流速的測(cè)定原理的說(shuō)明圖。
如圖10所示，假定x為離換能器的距離，Δx為示蹤粒子19在Δt期間移動(dòng)的移動(dòng)量，τ為從距超聲波脈沖發(fā)射時(shí)間點(diǎn)起的時(shí)間延遲，Δτ為在Δt期間變化后的從超聲波脈沖發(fā)射時(shí)間點(diǎn)起的時(shí)間延遲，則某位置x的x方向速度u(x)表示如下[數(shù)學(xué)式2]u(x)=ΔxΔt=c·Δτ2·Δt---(2)]]>由于超聲波脈沖的反射在測(cè)定線ML上的各處產(chǎn)生，因此，能夠同時(shí)進(jìn)行測(cè)定線ML上的流體的流速計(jì)測(cè)，能夠得到流體的流速分布。
如果按時(shí)間間隔Δt連續(xù)輸入脈沖信號(hào)n次(n≥2的自然數(shù))進(jìn)行流體流速分布計(jì)測(cè)，則能夠取得n-1個(gè)時(shí)間分辯能力為Δt的連續(xù)流速分布數(shù)據(jù)。
然而，由示蹤粒子19產(chǎn)生的反射波通過將超聲波脈沖的振蕩間隔Δt對(duì)于流體的流速變動(dòng)取得充分小，從而可在時(shí)間間隔(振蕩間隔)Δt期間大致被保存。
超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10的信號(hào)處理單元25，通過AD變換器32對(duì)已輸入的反射波的模擬超聲波回波信號(hào)進(jìn)行高速取樣處理，變換為數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算以超聲波脈沖的振蕩間隔Δt而得到的2個(gè)反射波的互相關(guān)函數(shù)。另外，出于識(shí)別來(lái)自流體17內(nèi)同一超聲波反射體19的反射之目的，通過設(shè)定對(duì)于互相關(guān)中設(shè)定的最大值的閾值或者對(duì)于互相關(guān)的形狀保存性的閾值，從而能夠基于定量化的數(shù)值，判斷是否是來(lái)自同一示蹤粒子群的反射。
互相關(guān)函數(shù)(R(ε，τ))一般定義如下[數(shù)學(xué)式3]R(ϵ,τ)=Σi=m/2m/2(Aref(τ+i)-Aref(τ)‾)(Aint(τ)+i+ϵ-Aint(τ+ϵ)‾)Σi-m/2m/2(Aref(τ+i)-Aref(τ)‾)2Σi=-m/2m/2(Aint(τ+i+ϵ)-Aint(τ+ϵ)‾)2---(3)]]>這里
Aref(τ)‾=Σi=-m/2m/2Aref(τ+i)m---(4)]]>Aint(τ+ϵ)‾=Σi=-m/2m/2Aref(τ+i+ϵ)m---(5)]]>τ表示作為基準(zhǔn)的時(shí)間延遲，i表示在參考/探測(cè)窗內(nèi)的位置，ε表示參考窗與探測(cè)窗之間的偏移，m表示超聲波脈沖的周期量。
使用該互相關(guān)函數(shù)R(ε，τ)，定量地判別反射波是否來(lái)自同一示蹤粒子群的，計(jì)算各自的時(shí)間延遲τ，并由此求出時(shí)間變化量Δτ。也就是說(shuō)，求出最初得到的反射波(參考波)與下一次的反射波(探測(cè)波)的時(shí)間延遲τ，此2個(gè)反射波的時(shí)間延遲τ之差(時(shí)間差)為Δτ。
另外，為了得到流體的流速分布速度所需的由超聲波脈沖的振蕩間隔Δt引起的反射波的到達(dá)時(shí)間差Δτ可以通過使用已被數(shù)字取樣的反射波的互相關(guān)函數(shù)而得到。
由于互相關(guān)函數(shù)R(ε，τ)通過具有反射波的取樣時(shí)間間隔的離散的形式而得到，使Δt的間隔越短，來(lái)自示蹤粒子群的脈沖反射波形狀越能保存，因此按更加細(xì)分的格網(wǎng)求出Δτ的方法是不可缺少的。
因此，要使Δt的間隔變短，能夠進(jìn)行利用例如正態(tài)分布近似的插值。通過插值，能夠按更加細(xì)分的格網(wǎng)求出互相關(guān)函數(shù)的峰值，其結(jié)果也使速度分辯能力提高。
現(xiàn)在假定離散地得到的各相關(guān)值的最大值為Pk其前后的相關(guān)值分別為Pk-1、Pk+1，則[數(shù)學(xué)式4]Δτ=k+12(log(Pk-1)-log(Pk+1)log(Pk-1)-2log(Pk)+log(Pk+1))---(6)]]>成立。在本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)中，通過進(jìn)行利用此分布近似的捕獲而進(jìn)行信號(hào)處理，從而速度分辯能力能夠特別地提高。

如果在超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中對(duì)于引導(dǎo)測(cè)定對(duì)象流體17的流體配管使用金屬配管18的情況下，進(jìn)行測(cè)定對(duì)象流體17的流速分布及流量測(cè)定，則被稱作雜波噪聲的噪聲成分將顯著重疊于接收到的超聲波回波信號(hào)上。有可能因該噪聲成分得到錯(cuò)誤的示蹤粒子的位置及速度信息。為了避免這一點(diǎn)，進(jìn)行通過WF的雜波噪聲降低處理。以下對(duì)于通過WF的雜波噪聲降低處理方法進(jìn)行說(shuō)明。
圖11是說(shuō)明觸發(fā)信號(hào)、超聲波回波信號(hào)及雜波噪聲的時(shí)間序列變化的說(shuō)明圖。
如圖11所示，各個(gè)序列的雜波噪聲在任何序列中個(gè)個(gè)都大致相同，都是隨著時(shí)間經(jīng)過而以衰減形式振動(dòng)的噪聲。由于此雜波噪聲是序列數(shù)總的噪聲按時(shí)間差τ平滑移動(dòng)而重疊的噪聲，因此具有各種頻率成分，同時(shí)在圖11所示的第1個(gè)～第n個(gè)序列的每個(gè)開始時(shí)間點(diǎn)都具有n個(gè)峰值。
因此，在使用了傳統(tǒng)LPF及HPF的濾波處理以及使用了BPF的濾波處理中，對(duì)于具有各種頻率成分的雜波噪聲不能有效地進(jìn)行濾波處理，而將雜波噪聲產(chǎn)生的部分作為來(lái)自示蹤粒子群的超聲波脈沖的反射波而捕獲，將雜波噪聲錯(cuò)誤地作為有效信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析。
因此，為了防止以雜波噪聲作為有效信號(hào)而捕獲，使雜波噪聲對(duì)于有效信號(hào)充分降低，進(jìn)行使用了WF的濾波處理(WF處理)。在WF處理中，首先從數(shù)字超聲波回波信號(hào)取得對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)。
圖12是說(shuō)明數(shù)字超聲波回波信號(hào)的序列數(shù)(n)與信號(hào)電平之關(guān)系即對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的說(shuō)明圖。
圖12(A)中，數(shù)字超聲波回波信號(hào)從第1個(gè)序列(以下稱作序列#1，對(duì)于其它順序號(hào)也同樣)至第n個(gè)序列進(jìn)行排列。圖12(A)中橫軸T為時(shí)間軸，表示從圖11所示的各序列的開始時(shí)刻(T＝0)起的經(jīng)過時(shí)刻，縱軸表示信號(hào)電平。另外，T＝τ對(duì)應(yīng)于圖11所示的發(fā)射觸發(fā)的振蕩周期τ。
另一方面，圖12(B)圖示了對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)，它是對(duì)應(yīng)時(shí)刻T＝τ1中的各序列(序列#1～序列#n)的數(shù)字超聲波回波信號(hào)電平。圖12(B)所示的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)可以在圖12(A)所示的T＝τ1時(shí)、對(duì)于序列#1～序列#n的數(shù)字超聲波回波信號(hào)進(jìn)行取樣而得到。
圖12(B)所示的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)可以構(gòu)成對(duì)應(yīng)時(shí)刻10000點(diǎn)等所設(shè)定的任意個(gè)數(shù)，例如j個(gè)量(j是任意自然數(shù))。對(duì)于這樣得到的各對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)進(jìn)行FFT處理，對(duì)于得到的頻率等效成分，進(jìn)行以S/N比為閾值的濾波處理。
圖13是表示對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)經(jīng)FFT處理而得到的頻率等效成分的大致波形的說(shuō)明圖。
如圖13所示，對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)經(jīng)FFT處理而得到的頻率等效成分的波形為低頻等效成分重疊于對(duì)于橫軸序列號(hào)幾乎不變化的直流等效成分上的波形。此低頻等效成分是雜波噪聲成分。重疊于直流等效成分的低頻等效成分即雜波噪聲的成分，通過以S/N比為閾值的濾波處理而降低。
如果在濾波處理中各序列中的S/N比大于閾值，則作為有效信號(hào)(反射波)處理，在計(jì)算互相關(guān)時(shí)加以利用。否則，就作為雜波噪聲處理，將反射波(有效信號(hào))與雜波噪聲區(qū)別。
如果根據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)經(jīng)FFT處理而得到的頻率等效成分的波形，對(duì)于低頻等效成分進(jìn)行濾波處理，則經(jīng)逆FFT處理之后，得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)。
圖14是使用傳統(tǒng)的互相關(guān)法時(shí)得到的流速分布與使用通過WF的雜波噪聲降低方法時(shí)得到的流速分布進(jìn)行對(duì)比的說(shuō)明圖。另外，在圖14中橫軸是金屬配管18的深度方向(圖3所示的y軸方向)上金屬配管18內(nèi)的位置，縱軸是流體的平均速度。
根據(jù)圖14，使用傳統(tǒng)的互相關(guān)法時(shí)得到的流速分布(圖中以◇示出的分布)在金屬配管18內(nèi)各處中流速約為0，測(cè)定結(jié)果變?yōu)榕c實(shí)際相矛盾。而在使用通過WF的雜波噪聲降低方法時(shí)得到的速度分布(圖中以△示出的分布)中，可以根據(jù)金屬配管18內(nèi)的位置變化得到流速。也就是說(shuō)，如果使用超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10，進(jìn)行金屬配管18內(nèi)部流動(dòng)的流體17的流速分布及流量測(cè)定，則可以認(rèn)為使用WF的雜波噪聲降低方法將有效地發(fā)揮功能。
使用傳統(tǒng)的互相關(guān)法，計(jì)算參考波與探測(cè)波的互相關(guān)時(shí)，采用的是使探測(cè)窗的大小一定而與τ無(wú)關(guān)、進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的固定探測(cè)窗法，要設(shè)定的探測(cè)窗大小是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)上的直覺而設(shè)定為適當(dāng)?shù)拇笮　?br> 但是，由于金屬管內(nèi)18的速度及速度變動(dòng)因其位置不同而異，因此對(duì)于各τ都設(shè)定為一定的探測(cè)窗而進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，未必是妥當(dāng)?shù)?。另外，要求建立在設(shè)定探測(cè)窗大小時(shí)不憑經(jīng)驗(yàn)上的直覺的方法。因此，在本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)中采用按τ來(lái)設(shè)定探測(cè)窗大小的變動(dòng)探測(cè)窗法。
所謂變動(dòng)探測(cè)窗法是一種按τ設(shè)定探測(cè)窗大小的方法，在信號(hào)分析過程的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程中計(jì)算參考波與探測(cè)波的互相關(guān)時(shí)使用。變動(dòng)探測(cè)窗法中參考波與探測(cè)波的互相關(guān)計(jì)算是首先將圖12所示的以各τ取得的數(shù)字超聲波回波信號(hào)的電平的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)進(jìn)行FFT等傅里葉變換，計(jì)算可以求出的平均頻率fG及RMS值σ。
接著，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)上所謂的3σ法則(在正態(tài)分布中整體的99.7％包含在平均值±3σ的范圍內(nèi))，將可出現(xiàn)的頻帶視為平均頻率fG±3σ的范圍，從fG+3σ、fG-3σ求出可存在的超聲波反射體19的速度最小值umin及最大值umax。
umin=c(fG-3σ)2fo,umax=c(fG+3σ)2fo]]>然后，根據(jù)上述數(shù)字式2的概念來(lái)確定探測(cè)窗的大小Δτmin及Δτmax。

Δτmin=2uminΔtc,Δτmax=2umaxΔtc]]>Δt取樣時(shí)間圖15表示圖1及圖3所示的測(cè)定系統(tǒng)中從實(shí)測(cè)值得到的離換能器15的距離與探測(cè)窗的大小Δτ之關(guān)系，圖16表示通過變動(dòng)探測(cè)窗法求出參考波與探測(cè)波的互相關(guān)時(shí)測(cè)定的平均速度分布。
如圖15所示，由于在離換能器15的距離(橫軸)約15mm～70mm的區(qū)間，平均頻率為fG時(shí)的探測(cè)窗大小Δτ在由fG+3σ、fG-3σ下的探測(cè)窗大小圍住的較小的范圍內(nèi)密集地分布著，因此可以認(rèn)為能夠高精度地設(shè)定探測(cè)窗的大小。另外，根據(jù)圖16，通過變動(dòng)探測(cè)窗法求出的平均速度分布(圖16中以◇示出的分布)與通過固定探測(cè)窗法求出的平均速度分布(圖16中以◆示出的分布)幾乎相同，可以判斷變動(dòng)探測(cè)窗法是有效的。
再有，在橫軸0～約15mm的區(qū)間及約70mm以后的區(qū)間，雖然在圖15中fG+3σ及fG-3σ的探測(cè)窗大小的寬度很大，但是這些位置是對(duì)應(yīng)于聯(lián)接器、金屬配管18的厚度部分或者金屬配管18外部的距離，是流體流速分布及流量的測(cè)定中不需要的區(qū)間。另外如圖16所示，圖15中使探測(cè)窗大小的寬度增大的橫軸0～約15mm的區(qū)間及約70mm以后的區(qū)間即流體流速分布及流量測(cè)定中不需要的區(qū)間中平均速度為0[m/s]。
在超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10中，用于正弦波上的超聲波脈沖的振蕩的超聲波脈沖發(fā)送單元23以及將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的AD變換器32的控制通過外部觸發(fā)，即發(fā)射觸發(fā)而進(jìn)行。通過導(dǎo)入發(fā)射觸發(fā)，超聲波脈沖發(fā)送單元23及AD變換器32的定時(shí)控制能夠更準(zhǔn)確地進(jìn)行。
另一方面，如果按數(shù)百M(fèi)Hz的數(shù)量級(jí)設(shè)定AD變換器32的取樣頻率，則嚴(yán)格按照觸發(fā)工作，是非常困難的，將產(chǎn)生頻率位移。因此，在來(lái)自換能器15的超聲波脈沖剛振蕩之后，注視反射波中產(chǎn)生的發(fā)射區(qū)域，將先接收到的反射波的發(fā)射區(qū)域作為探測(cè)波，將后接收到的反射波的發(fā)射區(qū)域作為參考波，進(jìn)行它們互相關(guān)的計(jì)算，求出時(shí)間變化量Δτ。
另外，進(jìn)行分布近似的插值，在進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算之前，僅修正Δτ的量。但是，在按反射波的取樣時(shí)間間隔進(jìn)行修正之后，通過以更小的離散間隔細(xì)分的格網(wǎng)，最后對(duì)計(jì)測(cè)線上各點(diǎn)的Δτ加以修正，校正來(lái)自發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22的觸發(fā)引起的微妙的時(shí)間偏移。
由發(fā)射觸發(fā)振蕩單元22振蕩的發(fā)射觸發(fā)的振蕩控制可以預(yù)先編程進(jìn)行設(shè)定，或者在測(cè)定開始之前接受觸發(fā)信號(hào)的頻率等各項(xiàng)設(shè)定等而自由地進(jìn)行。
圖17是對(duì)用超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10與激光多普勒流速計(jì)(Laser Doppler VelocimetryLDV)測(cè)定的流體平均流速分布進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。
圖17中一個(gè)是(圖中以■示出的分布)使用超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10而得到的流速分布，是將換能器15對(duì)于金屬配管18傾斜、進(jìn)行3000個(gè)時(shí)刻的時(shí)間平均而算出的平均流速分布。另一個(gè)(圖中以□示出的分布)是通過LDV的測(cè)定而得到的平均流速分布。根據(jù)圖17，使用超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10得到的流速分布可以得到與由LDV的測(cè)定而得到的平均流速分布非常一致的流速分布，因此可知超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10能高精度地進(jìn)行流體流速分布及流量測(cè)定。
根據(jù)以上敘述，即使在超聲波回波信號(hào)例如對(duì)于雜波噪聲等恒定存在的(與時(shí)間無(wú)關(guān))噪聲為微弱的情況下，超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)10也能夠降低噪聲電平，抑制噪聲成分引起的測(cè)定誤差，高精度地測(cè)定流體17的流速分布及流量。
如圖1等所示，在實(shí)施方式的說(shuō)明中對(duì)于引導(dǎo)測(cè)定對(duì)象流體17的流體配管為金屬配管18的情況作為一例進(jìn)行了說(shuō)明，但是作為超聲波回波信號(hào)對(duì)于恒定存在的噪聲為微弱的其它具體例，有以下幾種情況1)在泵的電源噪聲或變換器噪聲混入的環(huán)境下，進(jìn)行流體配管(金屬配管18以外的非金屬配管，例如包含丙烯配管或者氯乙烯配管等)中流動(dòng)的流體流速分布或流量測(cè)定；2)使換能器15表面與金屬配管18內(nèi)流動(dòng)的流體17直接接觸而進(jìn)行流速分布或流量測(cè)定；3)上述1)及2)的場(chǎng)合，超聲波反射體19的聲阻抗接近于被測(cè)定流體17的聲阻抗，4)上述1)及2)的場(chǎng)合，超聲波反射體19的體積小，5)上述1)及2)的場(chǎng)合，超聲波反射體19的密度小等。
工業(yè)利用性根據(jù)本發(fā)明的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)、超聲波流速分布及流量測(cè)定方法以及超聲波流速分布及流量測(cè)定程序，例如，像引導(dǎo)測(cè)定對(duì)象流體的流體配管是金屬配管時(shí)那樣，即使在雜波噪聲重疊在超聲波回波信號(hào)上、超聲波回波信號(hào)微弱的情況下，WF處理部能夠針對(duì)雜波噪聲等恒定存在的噪聲充分降低相對(duì)于超聲波回波信號(hào)的噪聲成分。因此，即使在恒定存在的噪聲完全重疊在超聲波回波信號(hào)上的情況下測(cè)定，也能夠高精度地測(cè)定流體的流速分布及流量，因此具有工業(yè)應(yīng)用效益。
權(quán)利要求
1.一種超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)，其特征在于包括輸出觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射觸發(fā)振蕩單元；通過來(lái)自該發(fā)射觸發(fā)振蕩單元的觸發(fā)信號(hào)生成并輸出超聲波脈沖的超聲波振蕩單元；向流體內(nèi)的測(cè)定線發(fā)送該超聲波振蕩單元輸出的超聲波脈沖、并接收由懸浮于所述流體內(nèi)的超聲波反射體反射的反射波即超聲波回波信號(hào)的超聲波脈沖接收單元；對(duì)該超聲波脈沖接收單元接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理單元；以及分析該信號(hào)處理單元進(jìn)行信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)、計(jì)算沿所述測(cè)定線的超聲波反射體的位置和速度、并根據(jù)計(jì)算結(jié)果測(cè)定所述流體的流速分布和流量中至少一方的信號(hào)分析單元，所述信號(hào)處理單元設(shè)有進(jìn)行在接收的超聲波回波信號(hào)中抽取與超聲波脈沖相同的頻帶的濾波處理的帶通濾波處理部；將從該帶通濾波處理部接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字變換的AD變換器；以及對(duì)接收到的超聲波回波信號(hào)用壁濾波器作濾波處理的壁濾波器處理部。
2.如權(quán)利要求1中記載的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)，其特征在于為執(zhí)行從關(guān)于全部對(duì)應(yīng)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)中除去低頻等效成分的濾波處理而構(gòu)成所述壁濾波器處理部，該全部對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)是關(guān)于多個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)刻從n+1(n為自然數(shù))個(gè)序列量的超聲波回波信號(hào)取得的。
3.如權(quán)利要求2記載的超聲波流速分布計(jì)及流量計(jì)，其特征在于為了進(jìn)行以所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后得到的信號(hào)之S/N比為閾值、從所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)中除去低頻等效成分的濾波處理，構(gòu)成所述壁濾波器處理部。
4.一種超聲波流速分布及流量測(cè)定方法，其特征在于包括輸出觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射觸發(fā)振蕩過程；通過該發(fā)射觸發(fā)振蕩過程中輸出的觸發(fā)信號(hào)來(lái)生成并輸出超聲波脈沖的超聲波振蕩過程；向流體內(nèi)的測(cè)定線發(fā)送按該超聲波振蕩過程輸出的超聲波脈沖、并接收由懸浮于所述流體內(nèi)的超聲波反射體反射的反射波即超聲波回波信號(hào)的超聲波脈沖接收過程；對(duì)超聲波脈沖接收過程中接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理過程；以及分析該信號(hào)處理過程中信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)、計(jì)算沿所述測(cè)定線的超聲波反射體的位置及速度、并根據(jù)算出的結(jié)果測(cè)定所述流體的流速分布和流量中至少一方的信號(hào)分析過程，所述信號(hào)處理過程包含執(zhí)行在接收的超聲波回波信號(hào)中抽取與超聲波脈沖相同的頻帶的濾波處理的帶通濾波處理進(jìn)程；將該帶通濾波處理進(jìn)程中接收的超聲波回波信號(hào)作模擬數(shù)字變換的AD變換進(jìn)程；以及對(duì)接收的超聲波回波信號(hào)用壁濾波器作濾波處理的壁濾波器處理進(jìn)程。
5.如權(quán)利要求4中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法，其特征在于所述超聲波振蕩過程包含接收觸發(fā)信號(hào)而生成電脈沖信號(hào)的電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程；以及將該電脈沖信號(hào)生成進(jìn)程中生成的電脈沖信號(hào)變換為超聲波脈沖后發(fā)送的超聲波脈沖生成進(jìn)程。
6.如權(quán)利要求4中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法，其特征在于所述信號(hào)分析過程包含計(jì)算流體中的超聲波反射體群的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程；根據(jù)所述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程中算出的流體中的超聲波反射體群的位置及速度來(lái)計(jì)算所述流體的流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程；以及將該流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速分布沿流體配管的內(nèi)部面積作積分運(yùn)算而算出流量的流量計(jì)算進(jìn)程。
7.如權(quán)利要求4中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法，其特征在于所述壁濾波器處理進(jìn)程包含根據(jù)數(shù)字化的超聲波回波信號(hào)而取得表示各序列的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的序列數(shù)與信號(hào)電平之間的關(guān)系的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟；將所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作傅里葉變換的FFT處理步驟；對(duì)FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分作濾波處理的雜波噪音降低處理步驟；以及將所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分作傅里葉逆變換、按時(shí)間序列順序重新排列而再構(gòu)成數(shù)字超聲波回波信號(hào)的逆FFT處理步驟。
8.如權(quán)利要求7中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法，其特征在于所述雜波噪音降低處理步驟中，對(duì)FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分進(jìn)行以S/N比為閾值的濾波處理。
9.如權(quán)利要求4中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定方法，其特征在于所述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程包含計(jì)算參考波與探測(cè)波的互相關(guān)的互相關(guān)計(jì)算處理步驟；若所述參考波與探測(cè)波的相關(guān)值大于某一定值(閾值)、則看作來(lái)自同一超聲波反射體的反射波的相位認(rèn)定步驟；計(jì)算由該相位認(rèn)定步驟認(rèn)定的參考波與探測(cè)波的相位差的相位差計(jì)算步驟；以及根據(jù)該相位差計(jì)算步驟求出的相位差來(lái)計(jì)算超聲波反射體的位置及速度的位置/速度計(jì)算步驟，所述互相關(guān)計(jì)算處理步驟中，對(duì)各對(duì)應(yīng)時(shí)間的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作傅里葉變換，算出平均頻率fG及RMS值σ，用算出的平均頻率fG及RMS值σ計(jì)算對(duì)應(yīng)于fG±3σ范圍的超聲波反射體的速度范圍，并用算出的超聲波反射體的速度范圍來(lái)設(shè)定探測(cè)窗的大小。
10.一種超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行輸出觸發(fā)信號(hào)的發(fā)射觸發(fā)振蕩過程；通過該發(fā)射觸發(fā)振蕩過程輸出的觸發(fā)信號(hào)生成并輸出超聲波脈沖的超聲波振蕩過程；向流體內(nèi)的測(cè)定線發(fā)送該超聲波振蕩過程中輸出的超聲波脈沖、并接收由懸浮于所述流體內(nèi)的超聲波反射體反射的反射波即超聲波回波信號(hào)的超聲波脈沖接收過程；對(duì)超聲波脈沖接收過程中接收的超聲波回波信號(hào)作信號(hào)處理的信號(hào)處理過程；以及分析該信號(hào)處理過程的信號(hào)處理后的超聲波回波信號(hào)、算出沿所述測(cè)定線的超聲波反射體的位置及速度、并根據(jù)計(jì)算結(jié)果測(cè)定所述流體的流速分布和流量中至少一方的信號(hào)分析過程，在所述信號(hào)處理過程中令計(jì)算機(jī)執(zhí)行執(zhí)行在接收的超聲波回波信號(hào)中抽取與超聲波脈沖相同的頻帶的濾波處理的帶通濾波處理進(jìn)程；將從該帶通濾波處理進(jìn)程接收的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字變換的AD變換進(jìn)程；以及對(duì)接收的超聲波回波信號(hào)用壁濾波器作濾波處理的壁濾波器處理進(jìn)程。
11.如權(quán)利要求10中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序，其特征在于所述壁濾波器處理進(jìn)程包含從數(shù)字化的超聲波回波信號(hào)取得表示各序列的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的序列數(shù)與信號(hào)電平之間的關(guān)系的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟；將所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)作傅里葉變換的FFT處理步驟；對(duì)FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分作濾波處理的雜波噪音降低處理步驟；以及將所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分作傅里葉逆變換、按照時(shí)間序列順序重新排列而再構(gòu)成數(shù)字超聲波回波信號(hào)的逆FFT處理步驟，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述壁濾波器處理進(jìn)程中的所述對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)取得步驟、FFT處理步驟、雜波噪音降低處理步驟和逆FFT處理步驟。
12.如權(quán)利要求10中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序，其特征在于所述信號(hào)分析過程包含計(jì)算流體中的超聲波反射體群的位置及速度的反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程；根據(jù)所述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程中算出的流體中的超聲波反射體群的位置及速度來(lái)計(jì)算所述流體的流速分布的流速分布計(jì)算進(jìn)程；以及進(jìn)行該流速分布計(jì)算進(jìn)程中算出的流速分布沿流體配管的內(nèi)部面積的積分運(yùn)算而算出流量的流量計(jì)算進(jìn)程，令計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述信號(hào)分析過程中所述反射體位置/速度計(jì)算進(jìn)程、流速分布計(jì)算進(jìn)程和流量計(jì)算進(jìn)程。
13.如權(quán)利要求11中記載的超聲波流速分布及流量測(cè)定處理程序，其特征在于令計(jì)算機(jī)對(duì)所述FFT處理步驟中得到的對(duì)應(yīng)時(shí)刻回波電平信號(hào)的頻率等效成分執(zhí)行以S/N比為閾值的濾波處理。
全文摘要
超聲波流速計(jì)及流量計(jì)10包括使通過振蕩單元22振蕩的超聲波脈沖向金屬配管18內(nèi)的測(cè)定線ML發(fā)射的超聲波脈沖振蕩單元23；接收反射波的超聲波接收單元24；對(duì)接收到的反射波即超聲波回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、分析而求出超聲波反射體群沿測(cè)定線ML的位置及速度的信號(hào)處理單元25；以及信號(hào)分析單元26。信號(hào)處理單元25設(shè)有帶通濾波處理部31、AD變換器32和使重疊于該超聲波回波信號(hào)的雜波噪音成分降低的壁濾波器處理部33。而且，該信號(hào)處理單元26高精度地算出流體17的流速分布或流量。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1813170SQ200480018388
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月6日
發(fā)明者菱田公一, 森治嗣, 手塚英昭 申請(qǐng)人:學(xué)校法人慶應(yīng)義塾, 東京電力株式會(huì)社