JPH0682059B2

JPH0682059B2 - 相関式流量計

Info

Publication number: JPH0682059B2
Application number: JP62010447A
Authority: JP
Inventors: 豊稲田
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-01-20
Filing date: 1987-01-20
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPS63179219A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、流れの情報を流路の上流側と下流側とで検出
してその相互相関値から流量を測定する相関式流量計に
関するものである。

「従来の技術」従来知られている相関式流量計としては、例えば、実開
昭60−21925号公報、実開昭60−25920号公報に記載され
たものがある。これら流量計は、流れの方向に間隔を置
いた複数箇所に、この流れの変化に対応する検出信号、
例えば、超音波の伝播特性、あるいは流体の静電容量等
を出力するセンサを設けておき、これら各センサの測定
データの相関関係から、流体に生じた「流れの乱れ」が
各センサに検出される時間差を演算し、よって、流体の
流量を知ることができるようになっている。

第２図は、センサに超音波式センサを用いた前記従来の
相関式流量計の一例を示す図である。図中、符号１は流
量の測定が行なわれる配管であり、この配管１には、そ
の流れ方向に間隔を置いて上流側センサ２、下流側セン
サ３が設けられている。これら上流側センサ２及び下流
側センサ３は互いに同一の構成とされており、配管１の
外周に配設された超音波発信器（以下、単に「発信器」
と称する）2a、3aと、配管１を挾んで発信器2a、3aと相
対向する位置に配設され、発信器2a、3aから発信される
超音波信号を受信する超音波受信器（以下、単に「受信
器」と称する）2b、3bから構成されている。

前記各センサ２、３の発信器2a、3aには超音波源４が接
続され、この超音波源４の駆動により、各発信器2a、3a
から各受信器2b、3bに向って超音波が発信され、この超
音波は管路を横断して各受信器2b、3bにより受信され、
ここで電気信号に変換される。

また、各受信器2b、3bには信号処理器5a、5bが、接続さ
れている。これら信号処理器5a、5bには、各受信器2b、
3bから電気信号が入力されると共に、配管１内を流れる
流体の流れに乱れが生じて、この入力信号が変調を受け
ると、信号処理器5a、5bからその乱れ信号がA/D変換さ
れた状態で相関器６に出力される。そして、前記相関器
６は、信号処理器5a、5bから入力された流れの乱れ信号
の相互相関演算を行って、前記両センサ２、３間におけ
る流れの乱れ信号の時間遅れτを測定結果として出力す
る。

次に、このような構成を有する相関式流量計を例に取
り、前記時間差の演算方法をより具体的に説明する。各
センサは、流体の流れ方向に所定の間隔を置いて配設さ
れているから、これらセンサが流れの乱れを検出するタ
イミングには、流速及び上流側、下流側センサ間の間隔
に比例する時間遅れτが生じる。また、上流側及び下流
側の各センサの測定データは、前記相関器６に入力され
る段階において、それぞれ次式で与えられるような時系
列データの関数として表現できる。

ｆ（ｔ）＝X₁,X₂,……,X_ｎ ………（１）ｇ（ｔ）＝Y₁,Y₂,……,Y_ｎ ………（２）（ｔ＝ｎ×Δｔ、ΔｔはA/D変換のサンプリング周期）そして、これら関数ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）は、前記時間遅
れτに相当して位相差をもったほぼ同一の波形（厳密に
は、流体及び流路により若干変化した波形）となる。従
って、これらｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の間には前記時間遅れ
τを変数とする相互相関関係が成立する。

よって、関数ｆ（ｔ）とｇ（ｔ−τ）との積を一定の区
間〔0,T〕に亙って時間ｔで積分した式が最大となる場合（両関数の位相差が無くなる場合）の
τｍを求めれば、これがセンサ間での流れの乱れが検出
される時間遅れτの実測値となる。実際には、次式で与
えられる値Ｒ（τ）が最大値を取るときのτｍ＝ｍ×Δ
ｔを時間遅れτの実測値とすればよい（第３図参照）。

そして、前記上流側及び下流側のセンサ間の距離をＬと
すれば、この区間における流体の流速Ｖは、Ｖ＝L/τｍ ……（５）により与えられ、さらに流路内での流速がほぼ均一であ
ると仮定し、流路の断面積をＳとすれば、前記区間にお
ける流体の流量Ｑは、Ｑ＝Ｖ・Ｓ ……（６）により求めることができる。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、前記従来の相関式流量計においては、複数箇
所のセンサからの信号値の積を一定の区間内で総和した
量から流体の流量を計算しているので、扱うべきデータ
数、データ量が膨大なものとなる。すなわち、相関演算
に必要なデータ（前式における区間〔0,T〕内のデー
タ）数は、多ければ多い程より統計的に平均化して正確
な演算が行えるため、実測値の精度を確保するためにも
ある程度以上のデータ数は必要となる、一方、時間遅れ
τの分解能はサンプリング周期Δｔに等しいので、ある
程度以上短い周期としてサンプリング周期Δｔも決定さ
れ、これにより相関演算に必要なデータ数が決定され
る。そして、取り込まれたデータの全体に亙って相互相
関演算が行なわれるため、計算すべきデータ量も膨大な
ものとなる。従って、リアルタイムでの流量計測を行う
ためには、膨大なデータ量を瞬時に演算しうる数値演算
用プロセッサ大量に用いる等、ソフト、ハード両面での
装置の複雑化及びコストアップを招く、という問題点が
あった。また、データにノイズ等が混入し、このノイズ
等の影響により、前記相互相関値が正確なピーク値、す
なわち時間遅れτを示さないおそれがあった。一例とし
て、前記ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）に大きな同位相のノイズが
混入すれば、これら信号の相互相関の演算結果は第４図
に示すようなものとなり、従って時間遅れτ＝０という
演算結果が出力されてしまう。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたもので、流量測
定の高速演算処理を可能とし、かつ、ノイズ等の影響を
排除することの可能な相関式流量計の提供を目的として
いる。

「問題点を解決するための手段」前記問題点を解決するために、本発明は、流体の流路の
流れ方向に間隔を置いて複数個配設された各センサの検
出信号の相互相関演算値から、前記流体の流量を測定す
る相関式流量計に、流れの変化に対応する変化量に基づ
いて、前記相互相関演算の計算範囲を制限する制御演算
手段を設けたことを特徴とするものである。

「作用」本発明では、流れの変化に対応する変化量に基づいて制
御演算手段により相互相関演算の計算範囲が制限される
ので、相互相関の演算に用いる計算精度を損なうことな
く演算すべきデータ数、データ量を削減することができ
る。

「実施例」以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明を超音波式相関流量計に適用したもので
あり、図中符号10は、流量の測定が行なわれる配管であ
る。

この配管10の外周の上流側（図中左側）には上流側セン
サ11が設けられていると共に、その下流側（図中右側）
には、前記上流側センサ11から管軸方向に間隔を置いて
下流側センサ12が設けられている。これら上流側センサ
11及び下流側センサ12は互いに同一の構成とされてお
り、配管10の外周に配設された発信器11a、12aと、配管
10を挾んで発信器11a、12aと相対向する位置に配設さ
れ、発信器11a、12aから発信される超音波信号を受信す
る受信器11b、12bとからなるものである。

前記各センサ11、12の発信器11a、12aには超音波源13が
接続されている。この超音波源13の駆動により、各発信
器11a、12aから各受信器11b、12bに向って超音波が発信
され、この超音波波は管路を横断して各受信器11b、12b
により受信され、ここで電気信号に変換される。

また、各受信器11b、12bには復調器14a、14bが接続され
ている。これら復調器14a、14bには、各受信器11b、12b
からの電気信号が入力されると共に、配管14内を流れる
流体の流れに乱れが生じて、この入力信号が変調をきた
すと、復調器14a、14bからその乱れ信号が出力される。

これら復調器14a、14bから出力された流れの乱れ信号
は、信号記録器15a、15bに入力される。この信号記録器
15a、15bは、復調器14a、14bからの入力信号をA/D変換
して内蔵されたメモリ内に一時的に記憶し、さらにこれ
ら記憶されたデジタル信号を乱れ信号データD₁、D₂とし
て相関器17に出力するものである。また、これら信号記
録器15a、15bには、そのメモリの各機能を制御するメモ
リコントローラ16a、16bが付設されている。

前記相関器17は、信号記録器15a、15bから入力された流
れの乱れ信号データD₁、D₂の相互相関演算を行って、前
記両センサ11、12間における流れの乱れの時間遅れτを
測定結果データS₁として制御算器18に出力する。この制
御演算器18は、相関器17からのの定結果データS₁に従っ
て流量を計算し、これを流量データS₂として出力すると
共に、このの流量データS₂を流れの変化に対応する検出
量として内部に記憶し、これに基づいて前記相関器17で
行行なわれる相互相関演算の計算範囲を制限する機能を
有する。

すなわち、制御演算器18は、これに記憶されている過去
の流量データS₂、すなわち流れの変化に対応する変化量
を参照して、前記両センサ11、12間における流れの乱れ
の時間遅れ予想値τ′を演算する。この予想値τ′の演
算方法は任意であり、一例として制御演算器18内に記憶
されている過去の流量データS₂の平均値を予想値τ′と
するような手法が挙げられる。ここで、前記時間遅れの
予想値τ′を計算するのに必要な過去の流量データS
₂は、そのリアルタイム性を損なわないために、前回あ
るいは前々回に演算された流量データS₂が好ましい。そ
して、時間遅れの予想値τ′の前後に対して所定の幅Δ
τを持たせた時間遅れτ′±Δτの範囲内のみにおいて
相互相関演算を行うように、前記相関器17及びメモリコ
ントローラ16a、16bに制御信号C₁、C₂、C₃をそれぞれ出
力する。ここで、前記所定幅Δτの設定範囲は、流体の
流量の変動範囲等を勘案して適宜決定される。

以上説明した制御演算器18の計算手順をより具体的に説
明する。上流側センサ11に乱れが受信された時刻を仮に
０秒とすれば、下流側センサ12にはτ′±Δτ秒の範囲
内に乱れが受信されると考えられるので、下流側センサ
12から得られる０〜τ′−Δτ秒の間のデータは不要と
なる。従って、信号記録器15bから相関器17に出力され
る乱れ信号データD₂の開始点をτ′−Δτ秒として、こ
れ以前のデータをを切り捨てると共に、相関器17で得ら
れる時間遅れの測定値にτ′−Δτを加えれば、正しい
時間遅れτが得られることになる。以上のことから、前
記制御信号C₁、C₂、C₃は時間遅れの範囲τ′±Δτとす
れば良い。

以上のような構成を有する相関式流量計が設置された配
管10内に流体が流通されると、この流体に流れの乱れが
生じ、上流側センサ11及び下流側センサ12が設けられた
区間内をこの乱れが通過すると、それぞれのセンサ11、
12の受信器11b、12bにより受信される超音波に変調が生
じる。そして、各復調器14a、14bにより、この変調され
た受信信号から乱れ信号が抽出され、この乱れ信号は、
信号記録器15a、15bによりA/D変換され、信号記録器15
a、15b内のメモリに一時的に記憶される。

また同時に、制御演算器18により時間遅れの予想値τ′
が算出され、この予想値τ′に基づいてメモリコントロ
ーラ16a、16bに制御信号C₂、C₃が出力される。従って、
メモリコントローラ16a、16bは、信号記録器15a、15b内
のメモリに記憶されている乱れ信号のうち、時間遅れ
τ′±Δτに相当するデータのみを乱れ信号データD₁、
D₂として出力するように、これらメモリの出力を制限す
る。そして、このようにして信号記録器15a、15bから出
力された乱れ信号データD₁、D₂が、相関器17に入力され
る。

さらに、相関器17によって、入力されたデータD₁、D₂の
相互相関演算が行なわれ、この演算によって得られた時
間遅れの計算値に前記時間遅れτ′−Δτが加えられる
ことで、時間遅れの実測値τが得られ、この実測値τは
制御演算器18に入力される。そして、制御演算器18によ
り流量を求める演算が行なわれ、これが流量データS₂と
して外部に出力される。

従って、本実施例の相関式流量計では、制御演算器18内
に記憶された過去の流量データS₂、すなわち流れの変化
に対応する変化量を参考として時間遅れの予想値の範囲
τ′±Δτが設定され、この予想値の範囲に基づいて信
号記録器15a、15bから出力される乱れ信号データD₁、D₂
の範囲が制限されると共に、相関器17で得られる時間遅
れの計算値に補正が行われている。従って、相互相関演
算の精度が損なわれずに、相関器17で演算すべきデータ
数が削減され、相関器17で行うべきデータの積和回数が
大幅に削減されるので、流量測定の高速演算処理が可能
となる。特に、本実施例では、メモリコントローラ7a、
16bを介して信号記録器15a、15b内のメモリの出力範囲
が直接制限されることで、データD₁、D₂の範囲が制限さ
れるので、相関器17内でのデータD₁、D₂の転送、書き替
えをソフトウェアにより行う必要がないため、より高速
なデータ処理が可能となる。また、データD₁、D₂の範囲
を制限したことにより、ノイズ等誤差の要因となる信号
が混入するおそれが極めて小さくなるため、測定された
流量データS₂へのノイズ等の影響を極力排除することが
できる。

「発明の変形実施例」（ａ）前記実施例では、時間遅れの予想値τ′を計算す
る根拠となる流れの変化に対応する変化量として過去の
流量データS₂が用いられたが、前記変化量はこれに限定
されない。一例として、配管10に別の超音波式センサを
配設して、このセンサから得られる信号から伝播時間差
法等本実施例と異なる方法により流量データを得て、こ
れを前記流れの変化に対応する変化量として時間遅れの
予想値τ′を計算しても良い。また、前記上流側センサ
12の上流に圧力計等の流量計測手段を設け、この流量計
測手段と上流側センサ12との距離及び相関器17前後にお
ける信号処理時間等を考慮した時記遅れをタイマ等によ
り与えた後、流量計測手段からの流量データを相関器17
に入力し、これを流れの変化に対応する変化量として時
間遅れτ′の予想値を計算しても良い。

（ｂ）前記実施例では、配管10の上流側及び下流側の２
箇所にセンサ11、12を配設したような構成であるが、さ
らに多数箇所に同様のセンサを配設して、これら相互の
相関値を求めるようにしても良い。

（ｃ）流れの状態を検出するセンサ11、12は、前記実施
例の如く超音波式に限定されず、静電容量式、あるいは
電磁式のセンサであっても良い。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、本発明は、流量データ等流
れの変化に対応する変化量に基づいて、制御演算手段に
より相互相関演算の計算範囲を制限しているので、相互
相関演算の精度を損なうことなく、相関演算すべきデー
タ数を削減できるので、相関算におけるデータの積和回
数が大幅に削減でき、従って、流量測定の高速演算処理
が可能となる。また、相互相関演算の範囲を制限したこ
とにより、ノイズ等誤差の要因となる信号が混入するお
それが極めて小さくなるため、測定された流量データへ
のノイズ等の影響を極力排除することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である相関式流量計を示す配
管の側断面図及びブロック図、第２図は従来の相関式流
量計を示す配管の側断面図及びブロック図、第３図は流
れの乱れの時間遅れと相互相関の演算結果との関係を示
す図、第４図はノイズが混入した場合の時間遅れと相互
相関の演算結果との関係を示す図である。 10……配管、11……上流側センサ（センサ）、12……下
流側センサ（センサ）、18……制御演算器（制御演算手
段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流路の流れ方向に相互に間隔を置い
た複数箇所に、流れの変化に対応する検出信号を出力す
るセンサが配設され、これら各センサの検出信号の相互
相関演算値から前記流体の流量を測定する相関式流量計
において、前記流れの変化に対応する検出量に基づいて
前記相互相関演算の計算範囲を制限する制御演算手段が
設けられていることを特徴とする相関式流量計。