JPH0366618B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 超音波のビーム方向と少なくとも１つの異なる
方向の流速を計測する超音波パルス流速計と超音
波パルスドプラ流速計とにより物体の流速度を算
出し流れをベクトルとして表示する超音波パルス
流速計に関し、 物体の速度をベクトル表示できるようにするこ
とを目的とし、 ビーム方向の流速度を算出する超音波パルスド
プラ流速計；トランスデユーサを駆動する超音波
ドライブ回路、トランスデユーサの出力を受ける
受信増幅器、各受信増幅器の出力を受ける複数個
の振幅値サンプルホールド回路、各振幅データ列
を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、およびその出力を受
ける速度算出回路を具備する超音波パルス流速
計；およびベクトル算出回路を有し、流速をベク
トルとして算出し表示するよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、超音波パルス流速計に関し、特に超
音波のビーム方向と少なくとも１つの異なる方向
の流速を計測する超音波パルス流速計と超音波パ
ルスドプラ流速計とにより物体の流速度を算出し
流れをベクトルとして表示する超音波パルス流速
計に関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕

従来形の超音波流速計においては、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点が
あつた。

本発明の目的は、前述の従来形の流速形の問題
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
う構想に基づき、ビーム方向と少なくとも１つの
異なる方向の速度成分を検出可能とし、ビーム方
向の速度成分と共に流速をベクトルとして算出
し、物体の速度をベクトル表示することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、ビーム方向の流速度を算出
する超音波パルスドプラ流速計３１；トランスデ
ユーサ１３を駆動する超音波ドライブ回路１２、
該トランスデユーサの出力を受ける少なくとも２
つの異なるビーム指向性を有する受信増幅器２
０，２１、前記各受信増幅器の出力を受ける複数
個の振幅値サンプルホールド回路２２，２３、前
記各振幅値サンプルホールド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２４、お
よび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２５を具備し、それによりビ
ーム方向と少なくとも１つの異なる方向速度を求
める超音波パルス流速計１０；および、前記超音
波パルスドプラ流速計３１の出力および前記超音
波パルス流速計１０の出力の出力を受けるベクト
ル算出回路３２を有し、流速をベクトルとして算
出し表示する超音波パルス流速計が提供される。

〔実施例〕

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、フエイズドアレイアンテナと
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る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１
６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１
８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、増幅値サ
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１１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振幅値サンプルホ
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
りサンプルホールドする。前述の２つの振幅値サ
ンプルホールドによつて発生した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。

次いで前述の第１図の鎖線内に示された超音波
パルス流速計１０と従来用いられている超音波パ
ルスドプラ流速計３１を用いて、それぞれｙ方向
およびｘ方向の流速を検出し、ベクトル算出回路
３２を用いてベクトルとして流速を検出する。

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。

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。

第３図には第１図の鎖線内に示された超音波パ
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２２の出力、ｆは第２振幅値サン
プルホールド回路２３の出力波形である。

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
値サンプルホールド回路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。

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イレイラ
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τ3、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と電圧制御発振器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に対応した電圧値が得られ
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デイレイライン
５３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５
６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。

この実施例の１つの変形として、第１図の破線
内の回路を１回路追加し、ビーム指向性を第７図
に示すようにすれば、ビーム１とビーム２よりｙ
方向の流速を、ビーム１とビーム３によりｚ方向
の流速を検出し、さらにドプラ検出によりｘ方向
の流速を知れば完全なベクトルとして流速を検出
することができる。

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、すな
わち流速を検出している。

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。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ビーム方向と少なくとも１つ
の異なる方向の速度成分を検出することができ、
ビーム方向の速度成分と共に流速をベクトルとし
て算出し、物体の速度をベクトル表示することが
できる。

【図面の簡単な説明】

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、第５図およ
び第６図は第４図の回路の動作を説明する特性
図、および第７図は一般的にベクトルとしての流
速を説明する図である。 １０……超音波パルス流速計、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、１８，１
９……加算器、２０，２１……受信増幅回路、２
２……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、３１……超音波パルスドプラ流速計、３２
……ベクトル算出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ビーム方向の流速度を算出する超音波パルス
   ドプラ流速計３１；トランスデユーサ１３を駆動
   する超音波ドライブ回路１２、該トランスデユー
   サの出力を受ける少なくとも２つの異なるビーム
   指向性を有する受信増幅器２０，２１、前記各受
   信増幅器の出力を受ける複数個の振幅値サンプル
   ホールド回路２２，２３、前記各振幅値サンプル
   ホールド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２４、および前記相互相関ピ
   ーク時間差検出回路の出力を受ける速度算出回路
   ２５を具備し、それによりビーム方向と少なくと
   も１つの異なる方向速度を求める超音波パルス流
   速計１０；および、前記超音波パルスドプラ流速
   計３１の出力および前記超音波パルス流速計１０
   の出力を受けるベクトル算出回路３２を有し、流
   速をベクトルとして算出し表示する超音波パルス
   流速計。