CN1813170A - 超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及超声波流速分布及流量测定处理程序 - Google Patents

Abstract

超声波流速计及流量计10包括：使通过振荡单元22振荡的超声波脉冲向金属配管18内的测定线ML发射的超声波脉冲振荡单元23；接收反射波的超声波接收单元24；对接收到的反射波即超声波回波信号进行信号处理、分析而求出超声波反射体群沿测定线ML的位置及速度的信号处理单元25；以及信号分析单元26。信号处理单元25设有带通滤波处理部31、AD变换器32和使重叠于该超声波回波信号的杂波噪音成分降低的壁滤波器处理部33。而且，该信号处理单元26高精度地算出流体17的流速分布或流量。

Description

超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及 超声波流速分布及流量测定处理程序

技术领域

本发明涉及一种对利用超声波的流体流速分布及流量进行测定的超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及超声波流速分布及流量测定程序，特别地，涉及一种对金属配管内部流动的各种流体的流速分布及流量进行非接触或接触测定的超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及超声波流速分布及流量测定处理程序。

背景技术

作为使用超声波脉冲的超声波流量计，有特开2000-97742号公报中已公开的技术。

此超声波流量计是一种从换能器向流体配管内的测定线发射超声波脉冲、分析来自流体配管内流动的流体内悬浮微粒的反射波即超声波回波信号、并根据悬浮微粒的位置和速度求出流体沿测定线的流速分布及流量的装置。测定线由从换能器发射的超声波脉冲束而形成。

超声波流量计具有以下优点：能适合于不透明流体、不透明配管内，能对流体配管内流动的流体进行非接触测定，通过沿测定线的线测定能够测定流体配管内的流速分布及流量，同时也可适用于不透明流体的流速分布及流量测定，还可以用于汞、钠等液态金属的流动测定。

由于通过超声波流量计能够得到从换能器发射到流体内的超声波脉冲的测定线上的流体速度分布的经时变化，因此可期待应用于对金属配管内流动的流体的瞬态流及紊流的流场中的流体速度分布及流量测定。

上述的超声波流速分布计及流量计之一例登载于特开2000-97742号公报中(例如参考专利文献1)。

(专利文献1)特开2000-97742号公报

如果引导悬浮多个微小粒子及气泡等超声波反射体的测定对象流体的流体配管为金属配管，则被称为杂波噪声的恒定存在的(与时间无关)噪声重叠在超声波回波信号上，难以通过传统的利用超声波的超声波流量计来正确、高精度地测定流体的流速分布或流量。

本发明是考虑上述内容而提出的，在于提供一种超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及超声波流速分布及流量测定程序，在杂波噪声等恒定存在的噪声重叠于超声波回波信号时，能够对于超声波回波信号充分降低噪声电平，高精度地测定流速分布或流量。

发明内容

为了解决上述的课题，如权利要求1中所记载的那样，本发明的超声波流速分布计及流量计的特征在于设有：输出触发信号的发射触发振荡单元；通过来自该发射触发振荡单元的触发信号生成超声波脉冲、并将它输出的超声波振荡单元；向流体内的测定线发送该超声波振荡单元输出的超声波脉冲、并接收由悬浮于上述流体内的超声波反射体所反射的反射波即超声波回波信号的超声波脉冲接收单元；对该超声波脉冲接收单元接收到的超声波回波信号进行信号处理的信号处理单元；以及分析该信号处理单元进行信号处理后的超声波回波信号、计算超声波反射体沿上述测定线的位置和速度并根据计算结果测定上述流体的流速分布和流量中至少一方的信号分析单元，上述信号处理单元包含在接收到的超声波回波信号中进行提取与超声波脉冲相同的频带的滤波处理的带通滤波处理部、将从该带通滤波处理部接收到的超声波回波信号进行模拟数字变换的AD变换器和对接收到的超声波回波信号通过壁滤波器(wall filter)进行滤波处理的壁滤波器处理部。

为了解决上述的课题，如权利要求2中所记载的那样，本发明的超声波流速分布计及流量计的特征在于：为了从全部对应时刻的对应时刻回波电平信号进行除去低频等效成分的滤波处理而构成上述壁滤波器处理部，该对应时刻回波电平信号是对于多个对应时刻从n+1(n是自然数)个序列量的超声波回波信号取得对应时刻的对应时刻回波电平信号。

另外，为了解决上述的课题，如权利要求3中所记载的那样，本发明的超声波流速分布计及流量计的特征在于：为了以上述对应时刻回波电平信号经傅里叶变换而得到的信号之S/N比作为阈值而从上述对应时刻回波电平信号进行除去低频等效成分的滤波处理，构成上述壁滤波器处理部。

为了解决上述的课题，如权利要求4中所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定方法的特征在于包括：输出触发信号的发射触发振荡过程；通过该发射触发振荡过程中输出的触发信号生成超声波脉冲并输出的超声波振荡过程；向流体内的测定线发送按该超声波振荡过程中输出的超声波脉冲、并接收由悬浮于上述流体内的超声波反射体所反射的反射波即超声波回波信号的超声波脉冲接收过程；对超声波脉冲接收过程中接收的超声波回波信号进行信号处理的信号处理过程和分析该信号处理过程中进行信号处理后的超声波回波信号、计算超声波反射体沿上述测定线的位置及速度并根据算出的结果测定上述流体的流速分布和流量中至少一方的信号分析过程，上述信号处理过程包含在接收到的超声波回波信号中进行提取与超声波脉冲相同的频带的滤波处理的带通滤波处理进程、将从该带通滤波处理进程中接收的超声波回波信号进行模拟数字变换的AD变换进程和对接收到的超声波回波信号通过壁滤波器进行滤波处理的壁滤波器处理进程。

为了解决上述的课题，如权利要求5中所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定方法的特征在于，上述超声波振荡过程包含：接收触发信号而生成电脉冲信号的电脉冲信号生成进程；以及将该电脉冲信号生成进程中生成的电脉冲信号变换为超声波脉冲后发送的超声波脉冲生成进程。

另外，为了解决上述的课题，如权利要求6中所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定方法的特征在于，上述信号分析过程包含：计算流体中的超声波反射体群的位置及速度的反射***置/速度计算进程；根据上述反射***置/速度计算进程中算出的流体中的超声波反射体群的位置及速度计算上述流体的流速分布的流速分布计算进程；以及进行该流速分布计算进程中算出的流速分布沿流体配管的内部面积的积分运算而计算出流量的流量计算进程。

另外，为了解决上述的课题，如权利要求7所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定方法的特征在于，上述壁滤波器处理进程包含：从已数字化的超声波回波信号取得表示各序列的对应时刻的序列数与信号电平之关系的对应时刻回波电平信号的对应时刻回波电平信号取得步骤；将上述对应时刻回波电平信号取得步骤中得到的对应时刻回波电平信号进行傅里叶变换的FFT处理步骤；对FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分、进行滤波处理的杂波噪声降低处理步骤；以及将上述对应时刻回波电平信号的频率等效成分作为傅里叶逆变换、按时间序列顺序重新排列而再构成数字超声波回波信号的逆FFT处理步骤。

另外，为了解决上述的课题，如权利要求8所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定方法的特征在于：上述杂波噪声降低处理步骤对于FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分，进行以S/N比作为阈值的滤波处理。

另一方面，为了解决上述的课题，如权利要求9所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定方法的特征在于，上述反射***置/速度计算进程包含：计算参考波与探测波的互相关的互相关计算处理步骤；上述参考波与探测波的相关值大于某一定值(阈值)时看作来自同一超声波反射体的反射波的相位认定步骤；计算由该相位认定步骤认定的参考波与探测波的相位差的相位差计算步骤；以及根据该相位差计算步骤求出的相位差计算超声波反射体的位置及速度的位置/速度计算步骤，上述互相关计算处理步骤中：将各对应时间的对应时刻回波电平信号作傅里叶变换，计算平均频率f_G及RMS值σ，用算出的平均频率f_G及RMS值σ计算对应于f_G±3σ范围的超声波反射体的速度范围，用算出的超声波反射体的速度范围设定探测窗的大小。

为了解决上述的课题，如权利要求10所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定处理程序令计算机执行如下过程：输出触发信号的发射触发振荡过程；通过该发射触发振荡过程输出的触发信号生成超声波脉冲并输出的超声波振荡过程；向流体内的测定线发送该超声波振荡过程输出的超声波脉冲、并接收由悬浮于上述流体内的超声波反射体所反射的反射波即超声波回波信号的超声波脉冲接收过程；对超声波脉冲接收过程接收的超声波回波信号进行信号处理的信号处理过程；以及分析经该信号处理过程信号处理后的超声波回波信号、计算沿上述测定线的超声波反射体的位置及速度、并根据计算结果测定上述流体的流速分布和流量(至少其中之一)的信号分析过程，在上述信号处理过程中，令计算机执行在接收到的超声波回波信号中进行提取与超声波脉冲相同的频带的滤波处理的带通滤波处理进程、将该带通滤波处理进程接收到的超声波回波信号进行模拟数字变换的AD变换进程和对接收到的超声波回波信号通过壁滤波器进行滤波处理的壁滤波器处理进程。

为了解决上述的课题，如权利要求11所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定处理程序的特征在于，上述壁滤波器处理进程包含：从数字化的超声波回波信号取得表示各序列的对应时刻的序列数与信号电平之关系的对应时刻回波电平信号的对应时刻回波电平信号取得步骤；将上述对应时刻回波电平信号取得步骤中得到的对应时刻回波电平信号进行傅里叶变换的FFT处理步骤；对于FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分进行滤波处理的杂波噪声降低处理步骤；以及将上述对应时刻回波电平信号的频率等效成分作傅里叶逆变换后按照时间序列顺序重新排列而再构成数字超声波回波信号的逆FFT处理步骤，并且，令计算机执行上述壁滤波器处理进程中的上述对应时刻回波电平信号取得步骤、FFT处理步骤、杂波噪声降低处理步骤和逆FFT处理步骤。

另外，为了解决上述的课题，本发明的超声波流速分布及流量测定处理程序的特征在于，如权利要求12所记载的那样，上述信号分析过程包含：计算流体中的超声波反射体群的位置及速度的反射***置/速度计算进程；根据上述反射***置/速度计算进程算出的流体中的超声波反射体群的位置及速度计算上述流体的流速分布的流速分布计算进程；以及将该流速分布计算进程中算出的流速分布进行沿流体配管的内部面积的积分运算而计算流量的流量计算进程，并且，令计算机执行上述信号分析过程中的上述反射***置/速度计算进程、流速分布计算进程和流量计算进程。

另外，为了解决上述的课题，如权利要求13所记载的那样，本发明的超声波流速分布及流量测定处理程序的特征在于：令计算机对上述FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分执行以S/N比为阈值的滤波处理。

附图说明

图1是概略地表示本发明的超声波流速分布计及流量计的一实施方式的测定***即用于实验设备的测定***的结构略图。

图2是本发明的超声波流速分布计及流量计的一实施方式的超声波流速分布计及流量计的功能框图。

图3是更详细地表示在实验设备中采用本发明的超声波流速分布计及流量计的一实施方式的测定***中测定对象流体的供给源及金属配管***的说明图，(A)是金属配管的纵向剖面图，(B)是表示测定试验区域的横向剖面图。

图4是说明触发信号及超声波回波信号接收波形与AD变换器的取样定时之关系的说明图。

图5是在本发明的超声波流速分布计及流量计中、通过由个人计算机执行超声波流速分布及流量测定PG而进行的超声波流速分布及流量测定处理方法的处理流程图。

图6是处理流程图，表示在本发明的超声波流速分布计及流量计进行的超声波流速分布及流量测定处理方法的信号处理过程中的WF处理进程的处理步骤。

图7是的处理流程图，表示在本发明的超声波流速分布计及流量计进行的超声波流速分布及流量测定处理方法的信号分析过程中的反射体群位置/速度计算进程的处理步骤。

图8是关于金属配管内流动的流体中悬浮的示踪粒子(超声波反射体)的移动的说明图。

图9是通过本发明的超声波流速分布计及流量计的换能器而振荡的超声波脉冲的反射波即超声波回波信号的说明图。

图10用互相关法测定流体流速的测定原理的说明图。

图11是关于触发信号(上)、超声波回波信号(中)及杂波噪声的时间序列变化(下)的说明图。

图12(A)是将数字超声波回波信号从第一个序列至第n个序列排列表示的说明图、(B)是表示对应时刻回波电平信号的说明图。

图13是概略表示将对应时刻回波电平信号作FFT处理后得到的频率等效成分之波形的说明图。

图14是对比说明图，将在用本发明的超声波流速分布计及流量计测定金属配管内流动的流体的流速分布时采用传统的互相关法的情况和采用通过WF的杂波噪声降低方法的情况进行对比。

图15是表示在本发明的超声波流速分布计及流量计的测定***中，按照实测值得到的离换能器的距离与探测窗的大小Δτ之关系的说明图。

图16中，将本发明的超声波流速分布计及流量计中采用变动探测窗法求出参考波与探测波的互相关时所测定的平均速度分布和传统的超声波流速分布计及流量计中采用的固定探测窗法求出参考波与探测波的互相关时所测定的平均速度分布进行比较。

图17中，将通过本发明的超声波流速分布计及流量计测定的和通过激光多谱勒流速计(Laser Doppler Velocimetry：LDV)测定的流体平均流速分布进行比较。

本发明的最佳实施方式

对于本发明的超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及超声波流速分布及流量测定程序的实施方式，参考附图进行说明。

[测定***]

图1是概略表示本发明的超声波流速分布计及流量计的一实施方式的测定***的结构略图。

图1所示的超声波流速分布计及流量计10具备作为手提式计算机的个人计算机(以下称作个人计算机)11以及可由个人计算机11读出并执行的超声波流速分布及流量测定程序(图中标示为测定PG，以下将程序省略为PG)12，个人计算机11和超声波流速分布及流量测定PG12共同实现作为超声波流速分布计及流量计的功能。

作为超声波脉冲振荡单元及接收单元的换能器15通过连接线14与图1所示的个人计算机11连接。该换能器15从外侧以预定的设置角度θ设置在作为引导被测定流体即测定对象流体17的流体配管的金属配管18上。另外，在金属配管18的内部流动的流体17中悬浮(混合)有无数的超声波反射体19。

另外，(图1中未示出)为了使声阻抗匹配，一般通过声耦合器将换能器15设置在金属配管18上。

超声波流速分布及流量测定PG12存在内置于个人计算机11的硬盘等记录单元中。个人计算机11能够读取存在记录单元中的超声波流速分布及流量测定PG12，并能够执行程序。

再有，在测定超声波流速分布及流量时，例如在换能器15发送的超声波脉冲的频率控制以及在接收反射波时的增益调整等测定中附随的处理操作(以下称作基本处理操作)都能够通过事先设定的基本处理PG20，实现各种功能。与超声波流速分布及流量测定PG12同样，基本处理PG20也被记录、储存在个人计算机11可读取的记录单元中。

[功能框图]

图2是表示本发明的超声波流速分布计及流量计的一实施方式的超声波流速分布计及流量计10的功能框图。

图2所示的超声波流速分布计及流量计10在功能上描述图1所示的超声波流速分布计及流量计10，由图1所示的个人计算机11和超声波流速分布及流量测定PG12共同实现作为超声波流速分布计及流量计的功能。

图2所示的超声波流速分布计及流量计10设有：输出发射触发信号(电信号)的发射触发振荡单元22；接收发射触发信号、使超声波脉冲进行振荡的超声波脉冲振荡单元23；接收超声波脉冲的反射波并将接收到的超声波脉冲的反射波变换为电信号的超声波接收单元24；进行电信号的信号处理的信号处理单元25；以及分析接收到的信号、计算超声波流速分布及流量的信号分析单元26。

发射触发振荡单元22具有发射触发振荡功能。此发射触发振荡功能可以由图1所示的个人计算机11和基本处理PG20共同实现。

这里，所谓发射触发是指通过另外设置的触发振荡单元、而不是通过例如内置于个人计算机11的CPU(Central Processing Unit)等运算处理单元(图1中省略)进行振荡的触发(外部触发)。也就是说，发射触发是与CPU使用内部时钟信号进行振荡的触发不同的、不受内部时钟控制的触发。

发射触发振荡单元22是将例如具有触发振荡功能的板件(以下称作触发振荡板)与个人计算机11中内装的板主板(图1中省略)连接而构成，通过装于板主板的CPU使触发振荡板发挥功能而实现。

发射触发振荡单元22使发射触发信号(电信号)振荡，并将已振荡的发射触发信号(以下简单称作触发信号)输出到超声波脉冲振荡单元23以及信号处理单元25。在超声波脉冲振荡单元23中使超声波振荡时，使用输入到超声波脉冲振荡单元23的触发信号。另外，在信号接收的定时控制中使用输入到信号处理单元25的触发信号。

通过测定者例如用 图1所示的个人计算机11的输入单元( 图1中省略)进行设定条件的输入操作等，将设定条件输入个人计算机11中，从而能够任意设定发射触发振荡单元22输出的触发信号的输出波形。一旦在个人计算机11中输入设定条件，个人计算机11中内置的CPU等运算处理单元就会认识已输入的设定条件，读出并执行基本处理PG20，进行符合输入的设定条件的触发信号的输出。

图2所示的超声波脉冲振荡单元23设有：通过已输入的触发信号按规定的时间(τ)间隔生成所需频率(基本频率f₀)的电脉冲信号的电脉冲信号生成部28；以及根据接收到的电脉冲信号的频率及时间间隔而使超声波脉冲振荡的超声波脉冲生成部29。

超声波脉冲振荡单元23的电脉冲信号生成部28具有电脉冲信号生成功能。该电脉冲信号生成功能由 图1所示的个人计算机11和基本处理PG20共同实现。

图2所示的超声波脉冲振荡单元23一旦接收了发射触发振荡单元22输出的触发信号，电脉冲信号振荡部28就按预定时间τ间隔生成所需频率例如1MHz、2MHz、4MHz等基本频率f₀的电脉冲信号。电脉冲信号生成部28设有数字合成器，可输出50kHz至20MHz的电脉冲信号，能够对应于具有各种振荡频率特性的换能器15。电脉冲信号生成部28中生成的电脉冲信号输出到超声波脉冲生成部29。

超声波脉冲生成部29具有超声波脉冲生成功能。超声波脉冲生成功能通过 图1所示的换能器15具有的超声波脉冲生成功能来实现。

超声波脉冲振荡部29中进行的电脉冲信号接收，通过 图1所示的个人计算机11与连接线14连接的换能器15接收从个人计算机11输出的电脉冲信号进行。超声波脉冲振荡部29一旦接收电脉冲信号振荡部28生成的电脉冲信号，就将接收到的电脉冲信号变换为超声波脉冲，并发送所得到的超声波脉冲。

如 图1的结构略图所示，换能器15从外侧设置，与金属配管18形成规定的设置角度θ。从换能器15发送的超声波脉冲沿 图1所示的测定线ML入射到金属配管18内流动的流体17中，并由混合在流体17中的超声波反射体19反射。由超声波反射体19反射的反射波返回到换能器15。

图1所示的换能器15和 图2所示的超声波脉冲振荡单元23的超声波脉冲生成部29一起承担作为超声波接收单元24的功能。超声波接收单元24接收返回的超声波脉冲的反射波，并根据接收的反射波的大小，进行向超声波回波信号(模拟电信号)的变换。经此变换而得到的超声波回波信号被发送到信号处理单元25。

图2所示的信号处理单元25设有：提取与接收到的超声波回波信号中所使用的超声波相同的频带的滤波处理(以下称作带通滤波处理：BPF处理)的BPF处理部31；将超声波回波信号从模拟信号变换为数字信号(以下称作AD变换)的AD变换器32；以及通过降低重叠于接收到的超声波回波信号的杂波噪声成分的壁滤波器(以下称作WF)进行滤波处理的WF处理部33。

图2所示的信号处理单元25，通过 图1所示的个人计算机11和基本处理PG20共同实现信号处理功能。具体地说，信号处理单元25一接收到反射波即超声波回波信号，就首先将超声波回波信号输入BPF处理部31，进行BPF处理。

BPF处理部31例如由低通滤波器(LPF)及高通滤波器(HPF)或带通滤波(BPF)构成，对于来自超声波反射体19的反射波即超声波回波信号，仅提取测定中使用的超声波脉冲的频带。通过进行BPF滤波处理，抑制测定中未使用的频率成分所包含的噪声引起的对流速分布及流量测定的不良影响。

BPF处理部31中，超声波回波信号的BPF处理一旦结束，超声波回波信号就接着输入到AD变换器32。AD变换器32将接收到的超声波回波信号进行高速数字取样，用作将模拟信号变换为数字信号的AD变换单元。

AD变换后的数字信号作为数字数据例如暂时存储于个人计算机11内置的存储器( 图1中省略)。已存储于存储器中的数字数据例如可记录在个人计算机11内置的硬盘及软盘、CD-ROM、DVD-ROM、MO等个人计算机11可读取的记录单元中。另外，AD变换器32的分辨能力例如按8位取样频率可达到500MHz。

AD变换器32一旦对超声波回波信号作了AD变换，接着超声波回波信号就被输入WF处理部33。WF处理部33由WF构成，对接收到的超声波回波信号进行WF处理。通过WF处理部33对超声波回波信号进行WF处理，从而会降低重叠于超声波回波信号的杂波噪声，抑制杂波噪声引起的对流速分布及流量测定的不良影响。

WF处理部33一旦结束对超声波回波信号的WF处理，则 图2所示的信号处理单元25中实施的全部信号处理就完成。信号处理单元25中进行信号处理的超声波回波信号被输入信号分析单元26，信号分析单元26对输入的超声波回波信号进行，从而计算出 图1所示的金属配管18中流动的流体17的流速分布及流量。

图2所示的信号分析单元26，通过 图1所示的个人计算机11、超声波流速分布及流量测定PG12和基本处理PG20共同实现信号分析功能。

信号分析单元26设有：计算 图1所示的流体17中的超声波反射体19的位置及速度的反射***置/速度计算部36；根据反射***置/速度计算部36算出的多个超声波反射体(以下称作超声波反射体群)的位置及速度来计算流体的流速分布的流速分布计算部37；以及根据流速分布计算部37算出的流速计算流体17的流量的流量计算部38。

反射***置/速度计算部36，根据输入的超声波回波信号计算混合于流体17中的超声波反射体19的位置及速度。超声波反射体的位置及速度计算中，例如在 图1所示的金属配管18内流动的流体17中的超声波反射体的场合，按节距(以下称作测定节距)计算测定线ML上的不同位置，对一个位置计算多个超声波反射体19的速度。

超声波反射体19的位置及速度的计算处理中，通过个人计算机11的CPU等运算处理单元执行超声波流速分布及流量测定PG12。另外，测定节距主要由AD变换器32的分辨能力(取样频率)确定，因此要在考虑AD变换器32的分辨能力的同时，根据金属配管18的内径D及流体17的种类在测定之前设定。

流速分布计算部37通过将反射***置/速度计算部36算出的超声波反射体群的位置及速度绘图而得到速度分布。超声波反射体群的位置及速度的绘图处理，通过个人计算机11的CPU等运算处理单元执行超声波流速分布及流量测定PG12而进行。

如果 图2所示的超声波流速分布计及流量计10仅显示流体17的流速分布，则个人计算机11的CPU等运算处理单元执行基本处理PG20，并将流速分布计算部37输出的流速分布数据作为流速分布在个人计算机11的显示器等能进行显示的显示单元上显示。

另一方面，如果 图2所示的超声波流速分布计及流量计10显示流速分布及流量或者仅为流量，则流速分布计算部37算出的流速分布数据被输入流量计算部38。

流量计算部38接收流速分布计算部37算出的流速分布数据，通过用接收的流速分布数据对金属配管18内的流速分布沿金属配管18的内部面积作积分运算，计算流量。用以计算流量的积分运算处理，通过个人计算机11的CPU等运算处理单元执行超声波流速分布及流量测定PG12进行。

图2所示的超声波流速分布计及流量计10中，流量计算部38一旦完成积分运算处理(算出流量)，个人计算机11的CPU等运算处理单元就执行基本处理PG20，将流量计算部38算出的流量计算数据在个人计算机11的显示器等可显示的显示单元上进行流量显示。

另外， 图1所示的超声波流速分布计及流量计10中，用手提式计算机作为执行PG的单元(以下称作PG执行单元)，但也可不用手提式计算机。 图1所示的超声波流速分布计及流量计10仅是一实施例，只要能执行超声波流速分布及流量测定PG12就行，因此也可以用例如非手提的台式个人计算机、工作站、主机等来构成超声波流速分布计及流量计10。

另外，发射触发振荡单元22、超声波脉冲振荡单元23、超声波接收单元24的电脉冲信号生成部28、信号处理单元25及信号分析单元26未必一定要是仅由个人计算机11与PG协作的结构。作为发射触发振荡单元22，例如也可设置通过从个人计算机11输出到个人计算机11外部的信号而进行驱动的触发振荡部件。

[流体流速分布及流量的测定]

下面，对于使用超声波流速分布计及流量计10的流体流速分布及流量的计测作用进行说明。

图3是更详细地表示 图1所示的超声波流速分布计及流量计10的结构略图中测定对象流体17的供给源及金属配管18***的说明图。

如 图3(A)及(B)所示，对于 图3所示的金属配管18例如使用内径D为41.2mmφ、厚度为3.7mm的不锈钢管18，从管开始位置(x＝0)沿管轴方向(x轴方向)在x＝19D(内径D的19倍)的位置上从外侧设置换能器15。设置时，将换能器15相对于不锈钢管18a的管轴以倾斜角度θ设置于水中。换能器15经由声耦合器安装在金属配管18上，其方向设定使得由换能器15振荡的超声波脉冲流畅地入射到金属配管18内。

符号41是溢流箱，符号42是缩流器，符号43是用于在水中设置实验区域的不锈钢管18a的流体配管设置容器。本实验设备中使用水作为测定对象流体17。另外，图中F表示水的流动方向。

图1所示的超声波流速分布计及流量计10中，信号分析单元26进行基于互相关法的信号分析。所谓互相关法是一种计算以某一定时间间隔得到的2个反射波(参考波、探测波)的互相关、并根据其计算结果导出流体沿测定线ML的速度分布的方法。通过采用本方法进行流量测定，与传统的开普勒式超声波流量计相比较，能够大大提高时间分辨能力。

以下，用 图1及 图2说明超声波流速分布计及流量计10的流速分布及流量测定方法。

超声波流速分布计及流量计10的流速分布及流量测定方法，包含发射触发振荡过程、超声波振荡过程、超声波脉冲接收过程、信号处理过程和信号分析过程。现参照 图2所示的功能框图，按过程说明此流速分布及流量测定方法，超声波流速分布及流量测定方法首先进行发射触发振荡过程，其中包括：接收触发信号而生成电脉冲信号的电脉冲信号生成进程；以及将此电脉冲信号生成进程中生成的电脉冲信号变换为超声波脉冲而发送的超声波脉冲生成进程。

发射触发振荡过程将发射触发振荡单元22振荡产生的触发信号(电信号)发送到超声波脉冲振荡单元23的电脉冲信号生成部28及信号处理单元25的AD变换器32。为了使接收到超声波回波信号的时间点与开始AD变换的时间点一致，即为了取得同步，使用触发信号。

接着，电脉冲信号生成部28一旦接收到发射触发振荡单元22发送的触发信号，作为电脉冲信号生成进程，电脉冲信号生成部28生成电脉冲信号，并将生成的电脉冲信号发送到超声波脉冲生成部29。作为超声波脉冲生成进程，超声波脉冲生成部29将接收的电脉冲信号变换为超声波脉冲，并将得到的超声波脉冲发送出去。

以上，参照 图2所示的功能框图说明了从上述的发射触发振荡过程的触发信号(电信号)的振荡至超声波脉冲生成过程的超声波脉冲发送的过程，而以下参照 图1所示的测定***的结构进行说明。

从发射触发振荡进程的触发信号(电信号)的振荡至超声波脉冲生成进程的超声波脉冲发送的过程，可以通过个人计算机11与超声波流速分布及流量测定PG12协同进行。

已生成的电脉冲信号从个人计算机11发送到由连接线14连接的换能器15，换能器15接收电脉冲信号。换能器15接收电脉冲信号后，将它变换为例如4MHz正弦波形的超声波猝发信号(burstsignal)，进行超声波脉冲振荡。

换能器15将超声波脉冲束投影在金属配管18内，另外，在超声波脉冲振荡之后，开始接收来自混合于测定对象流体17的气泡及微粒等超声波反射体19的反射波，接收已得到的反射波的超声波回波信号。接收到的超声波回波信号从换能器15发送到由连接线14连接的个人计算机11。

个人计算机11一接收到超声波回波信号，个人计算机11就与超声波流速分布及流量测定PG12协同进行对接收到的超声波回波信号的信号处理及信号分析。关于个人计算机11与超声波流速分布及流量测定PG12协同而进行的超声波回波信号的信号处理及信号分析，用 图2进行说明。

超声波接收单元24接收到的超声波回波信号，由信号处理单元25进行作为信号处理过程的信号处理。信号处理单元25进行的信号处理过程包含：对超声波回波信号按超声波频率进行BPF处理的BPF处理进程；对于经BPF处理后的超声波回波信号进行AD变换的AD变换进程；以及对数字超声波回波信号进行WF处理的WF处理进程。

作为信号处理单元25进行的信号处理过程是：首先作为BPF处理进程，BPF处理部31对于超声波回波信号按超声波频率进行BPF处理，然后AD变换器32对于经BPF处理并输入AD变换器32的超声波回波信号高速进行数字取样处理，进行数字化的AD变换进程。

图4表示说明触发信号及超声波回波信号接收波形与AD变换器32的取样定时之关系的说明图。

在 图4中横轴为时间轴，纵轴为信号电平，图的上部表示触发信号的时间变化，中部表示超声波回波信号接收波形的时间变化，下部表示AD变换器32的取样定时。如 图4上部所示，触发信号例如按预定时间(τ)间隔接连不断地输出脉冲状信号。与此触发信号的定时同步地控制超声波回波信号的接收及AD变换器32的取样的定时。

如 图4的下部所示，AD变换器32以极短的时间宽度例如按每1μs对超声波回波信号进行数字取样处理，取得数字超声波回波信号，即取得所需序列数的时间序列数据(例如512个序列的量)。AD变换器32一旦完成了所需序列数量的时间序列数据的获取，就作为WF处理进程对数字超声波回波信号进行WF处理。

作为WF处理进程，WF处理部33首先根据数字化的超声波回波信号(512个序列的量)进行获取序列数与信号电平之关系(以下称作对应时刻回波电平信号)的对应时刻回波电平信号取得步骤。然后，采用快速傅里叶变换(所谓FFT：Fast Fourier Transform)等方法，进行将对应时刻回波电平信号作傅里叶变换的FFT处理步骤。

然后，对于FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分，进行以S/N(Signal to Noise)比为阈值的滤波处理的杂波噪声降低处理步骤。通过以S/N比为阈值的滤波处理，降低超声波回波信号中包含的杂波噪声，抑制它对流速分布及流量测定的不良影响。

以S/N比为阈值的滤波处理(杂波噪声降低处理步骤)一旦完成，WF处理部33就作为逆FFT处理步骤进行以对应时刻回波电平信号的频率成分作傅里叶逆变换的逆FFT处理，之后按序列顺序重新排列，再构成数字超声波回波信号(时间序列数据)，从而得到已减少了杂波噪声成分的数字超声波回波信号。逆FFT处理一旦完成，WF处理进程就结束，而由于WF处理进程的完成，超声波回波信号的信号处理过程即告完成。作为信号分析过程，信号处理完的超声波回波信号由信号分析单元26进行信号分析。

作为信号分析过程而由信号分析单元26进行的超声波回波信号的信号分析是指：用互相关法而分析超声波回波信号，求出金属配管18内流动的流体17沿测定线(不锈钢管18a的径向线)ML的速度分布；或者求出沿ML的速度分布，再通过将求出的流速分布沿不锈钢管18a的内部面积积分，求出流量。

信号分析过程包含：计算流体17中的超声波反射体群的位置及速度的反射***置/速度计算进程；根据反射***置/速度计算进程算出的流体17中的超声波反射体群的位置及速度来计算流体流速分布的流速分布计算进程；以及将流速分布计算进程中算出的流速分布沿金属配管18的内部面积作积分运算，计算流量的流量计算进程。

作为信号分析过程的超声波回波信号的信号分析中，首先作为反射***置/速度计算进程，反射***置/速度计算部36计算超声波反射体群的位置及速度。超声波反射体群的位置及速度的计算是按极短时间宽度例如按每1μs，计算以512个序列取样的数字超声波回波信号的连续序列，即第n个序列包含的反射波(参考波)45与第n+1个序列(n是满足1≤n≤511的整数)包含的反射波(探测波)46之间的互相关。

作为互相关计算处理步骤而进行的参考波45与探测波46之互相关的计算，采用变动探测窗法(详细内容后述)设定探测窗的大小，在探测波46中所需的探测范围内从n＝1至n＝511进行与参考波45的互相关。而且，如果计算参考波45与探测波46的互相关，且相关值大于某一定值(阈值)，则进行视为来自同一超声波反射体的反射波的相位认定步骤，接着求出由相位差计算步骤确定的参考波45及探测波46的相位差，并根据该相位差进行计算超声波反射体19的位置及速度的位置/速度计算步骤。

这样，如果参考波45与探测波46的相关值大于某一定值(阈值)，则视为来自同一超声波反射体19的反射波，并一直计算流体17中使超声波反射的各超声波反射体19的位置及速度。然后，作为流速分布计算进程，流速分布计算部37根据算出的超声波反射体群的位置及速度来计算流体17的流速分布。

流速分布计算部37根据得到的超声波反射体群的位置及速度数据，计算成为测定对象的流体17的流速分布。算出的流体17的流速分布是将流体17的流速视为悬浮于流体17中的超声波反射体群的速度，根据已得到的超声波反射体群的位置及速度数据来计算金属配管18(不锈钢配管18a)的位置与该位置上的超声波反射体群的速度之间的关系，也就是计算金属配管18内流体17的流速分布。

流体17的流速分布一旦算出，接着作为流量计算进程，流量计算部38将算出的金属配管18内的流速分布沿金属配管18的内部面积作积分运算，计算出流量。流量计算部38一旦完成积分运算处理(流量计算)，算出的流量就被显示在个人计算机11的显示器等可显示的显示单元上。

再有，虽然信号分析过程包含了反射***置/速度计算进程、流速分布计算进程和流量计算进程，但是信号分析过程也可为包含反射***置/速度计算进程和流速分布计算进程的形式。此时，超声波流速分布计及流量计10仅计算金属配管18内流体17的流速分布，而不进行流量的计算，流速分布在个人计算机11的显示器等可显示的显示单元上显示。

[程序的处理流程]

以下，按照处理过程进行说明：图1所示的超声波流速分布计及流量计10中，通过个人计算机11执行超声波流速分布及流量测定PG12而进行的超声波流速分布及流量测定处理的内容(以下称作超声波流速分布及流量测定处理方法)。

图5是处理流程图，用以说明：图1所示的超声波流速分布计及流量计10中，通过个人计算机11执行超声波流速分布及流量测定PG12而进行的超声波流速分布及流量测定处理方法。

根据图5，超声波流速分布及流量测定处理方法包含：对接收到的超声波回波信号进行信号处理的信号处理过程；以及对经信号处理后的超声波回波信号进行信号分析而得到流体17的流速分布及流量的信号分析过程。

信号处理过程包含：执行用以提取与接收到的超声波回波信号中使用的超声波相同的频带的BPF处理的BPF处理进程；对超声波回波信号进行AD变换的AD变换进程；以及降低重叠于超声波回波信号的杂波噪声成分的WF处理进程。

信号分析过程包含：计算测定对象即流体17中超声波反射体群的位置及速度的反射***置/速度计算进程；根据反射***置/速度计算进程中算出的超声波反射体群的位置及速度来计算流体流速分布的流速分布计算进程；以及根据流速分布计算进程中算出的流速分布来计算流体17的流量的流量计算进程。

以下就超声波流速分布及流量测定处理方法中的信号处理过程及信号分析过程的各处理进程的处理内容进行说明。

在图5所示的超声波流速分布及流量测定处理方法中，个人计算机11中的CPU等运算处理单元首先读出并执行超声波流速分布及流量测定PG12，然后执行信号处理过程(步骤S1～步骤S3)及信号分析过程(步骤S4～步骤S6)。

超声波流速分布及流量测定处理方法中的信号处理过程中，在步骤S1进行BPF处理进程，在步骤S2进行AD变换进程，在步骤S3进行WF处理进程。

在步骤S1进行的BPF处理进程中，对于从图1所示的换能器15接收到的超声波回波信号，只提取测定中使用的超声波脉冲的频带。提取的频带宽度根据使用的超声波脉冲的频率，在测定开始前进行输入设定。

BPF处理进程的具体处理内容因图2所示的BPF处理部31的结构不同而异。例如对于由低通滤波器(LPF)及高通滤波器(HPF)构成的BPF处理部31，为低通滤波处理及高通滤波处理的2级处理，而对于由带通滤波器(BPF)构成的BPF处理部31，则为带通滤波处理的1级处理。但是，不论哪一例，最终都只提取测定中使用的超声波脉冲的频带。

一旦对超声波回波信号提取了只在测定中使用的超声波脉冲的频带，BPF处理进程(步骤S1)就结束，接着进行AD变换进程(步骤S2)。在步骤S2进行的AD变换进程中，对步骤S1的BPF处理进程中经BPF处理后的超声波回波信号进行数字取样，取得时间序列数据(例如512个序列的量)。取样数的设定(例如每1序列的取样数)，在测定开始前进行输入设定。

对已取得的时间序列数据的数字取样一旦完成，AD变换进程(步骤S2)就结束。AD变换进程(步骤S2)一旦结束，接着就进行WF处理进程(步骤S3)。在步骤S3进行的WF处理进程中，对步骤S2的AD变换进程中数字化的超声波回波信号进行使用WF(壁滤波器)的滤波处理。

图6是说明对信号处理过程中的WF处理进程(步骤S3)的更详细处理步骤的处理流程图。

由图6可知，图5所示的步骤S3的WF处理进程包含：取得各序列的数字超声波回波信号(时间序列数据)中序列数与信号电平之间的关系的对应时刻回波电平信号取得步骤(步骤S11)；将对应时刻回波电平信号取得步骤中得到的信号进行FFT(高速傅里叶变换)处理的FFT处理步骤(步骤S12)；对于经FFT处理后的信号的频率等效成分进行以S/N比为阈值的滤波处理的杂波噪声降低处理步骤(步骤S13)；以及将经杂波噪声降低处理步骤后的信号进行逆FFT处理的逆FFT处理步骤(步骤S14)。

在步骤S3的WF处理进程中，首先在步骤S11中取得在数字超声波回波信号的各序列中从各序列的开始时刻起的经过时刻τ1等对应的任意时刻(以下称作对应时刻)的信号电平(以下将取得的信号电平从序列数1开始排列而构成的信号称作对应时刻回波电平信号)。

同样地，也对于τ₁以外的对应时刻τ₂......τ_j(j是任意自然数，在上述例中至少j≥3)取得各序列的信号电平。再有，取得信号电平的对应时刻的数量，可以事先编程，也可在测定开始前输入设定。一旦得到对应时刻回波电平信号，对应时刻回波电平信号取得步骤(步骤S11)就结束，然后在步骤S12进行FFT处理步骤。

在步骤S12的FFT处理步骤中，对对应时刻回波电平信号作FFT处理，得到对应时刻回波电平信号的频率等效成分。一旦得到对应时刻回波电平信号的频率等效成分，FFT处理步骤(步骤S12)就结束，接着在步骤S13进行杂波噪声降低处理步骤。

在步骤S13的杂波噪声降低处理步骤中，从对应时刻回波电平信号的频率等效成分中除去低频等效成分。因此，可降低重叠于超声波回波信号的杂波噪声。杂波噪声降低处理步骤中的滤波处理的阈值在测定开始前进行输入设定。

如果杂波噪声降低处理步骤(步骤S13)结束，则接着在步骤S14进行逆FFT处理步骤，对于经杂波噪声降低处理后的超声波回波信号的频率成分，进行逆FFT处理后，得到对应时刻回波电平信号(512个序列的量)。

一旦步骤S14的逆FFT处理步骤结束并得到对应时刻回波电平信号，图5所示的步骤S3的WF处理进程就结束。另外，WF处理进程(步骤S3)一旦结束，超声波流速分布及流量测定处理方法中的信号处理过程的全部处理进程就结束。信号处理过程一旦结束，接着就进入信号分析过程(步骤S4～步骤S6)。

图5所示的超声波流速分布及流量测定处理方法的信号分析过程包含：计算流体17中超声波反射体19的位置及速度的反射***置/速度计算进程(步骤S4)；根据反射***置/速度计算进程中算出的超声波反射体群的位置及速度来计算流体流速分布的流速分布计算进程(步骤S5)；以及根据流速分布计算进程中算出的流速来计算流体17的流量的流量计算进程(步骤S6)。

超声波流速分布及流量测定处理方法中的信号分析过程中，在步骤S4进行反射体群位置/速度计算进程，在步骤S5进行流速分布计算进程，在步骤S6进行流量计算进程。

图7是说明信号分析过程中的反射体群位置/速度计算进程(步骤S4)的更详细的处理步骤的流程图。

根据图7，图5所示的步骤S4的反射体群位置/速度计算进程包含：互相关计算处理步骤(步骤S21)、相位认定步骤(步骤S22)、相位差计算步骤(步骤S23)、位置/速度计算步骤(步骤S24)和探测结束判定步骤(步骤S25)。

反射体群位置/速度计算进程中，首先在步骤S21进行互相关计算处理步骤，接着用互相关法计算参考波45与探测波46的互相关，再算出相关值。相关值的计算是通过采用变动探测窗法(详细内容后述)设定探测波46的探测窗大小，并在探测波46的探测范围内计算与参考波45的参考范围的互相关而进行。相关值的计算一旦结束，互相关计算处理步骤(步骤S21)就结束，接着在步骤S22进行相位认定步骤。

在步骤S22的相位认定步骤中，对于具有互相关计算处理步骤(步骤S21)中得到的相关值为大于阈值s之关系的探测波46的相位进行确定。在PG执行前或执行时设定阈值s。在相位认定步骤(步骤S22)结束后，接着在步骤S23进行相位差计算步骤。

在步骤S23的相位差计算步骤中，计算经认定的探测波46的相位与参考波45的参照相位之间的相位差。相位差计算一旦结束，相位差计算步骤(步骤S23)就结束，接着在步骤S24进行位置/速度计算步骤。

在步骤S24的位置/速度计算步骤中，根据算出的相位差计算位于探测波46的探测范围的超声波反射体19的位置及速度。位于探测波46的探测范围的超声波反射体19的位置及速度的计算一旦结束，位置/速度计算步骤(步骤S24)就结束，接着进行步骤S25的探测结束判定步骤。

在步骤S25的探测结束判定步骤中，判定对于探测波46中进行探测的全部探测范围的探测是否已结束。如果对于全部探测范围探测未结束(在步骤S25中为否时)，则进入步骤S21，重复步骤S21以后的处理步骤。通过重复步骤S21以后的处理步骤，算出流体17中流动的超声波反射体群的位置及速度。另外，如果对于全部探测范围探测已结束(在步骤S25中为是时)，则结束反射体群位置/速度计算进程。

如图5所示，反射体群位置/速度计算步骤(步骤S4)一旦结束，接着就进行流速分布计算进程(步骤S5)。在步骤S5的流速分布计算进程中，根据反射体群位置/速度计算进程中算出的反射体群位置及速度，算出超声波反射体群的位置与速度之间的关系，即算出流速分布。在计算流速分布时，将各序列中同一对应时刻(例如对应时刻τ₁)下同一位置所取得的全部超声波反射体19的速度进行加法平均或均方根而计算。

流速分布一旦算出，就结束流速分布计算进程(步骤S5)，接着进行流量计算进程(步骤S6)。在步骤S6的流量计算进程中通过将算出的金属配管18内的流速分布沿金属配管18的内部面积进行积分运算而计算流量。此时，除流速分布之外的金属配管18的内径D等积分运算所需的信息，在进行超声波流速分布及流量测定处理之前预先被输入设定。

流量计算一旦结束，流量计算进程(步骤S6)结束，信号分析过程的全部处理进程即告完成。信号分析过程一旦结束，超声波流速分布及流量测定处理方法中的全部处理过程就结束。个人计算机11中的CPU等运算处理单元在超声波流速分布及流量测定PG12的全部处理过程结束后读出并执行基本处理PG20，从而显示超声波流速分布及流量测定处理结果。

再有，如果图1所示的超声波流速分布计及流量计10只进行流速计算，则在超声波流速分布及流量测定处理方法的信号分析过程中省略流量计算进程(步骤S6)，在流速分布计算进程(步骤S5)结束后，即进行流速分布的显示。

另外，在上述的超声波流速分布及流量测定处理方法中，通过个人计算机11读出并执行基本处理PG20来进行算出的流速分布或流量的显示，但是也可通过执行超声波流速分布及流量测定PG12来进行流速分布或流量显示之前的处理操作。

[超声波流速分布计及流量计的测定原理]

如图3所示，将超声波流速分布计及流量计10的换能器15设置在处于水中的不锈钢管18a上，对于其中示踪粒子19作为超声波反射体而悬浮的流体即水17在不锈钢管18a内流动时的流体17的流速分布进行测定。

流体17的流速分布通过获取流体17中的示踪粒子(超声波反射体)19的速度分布而测得。这是因为：根据示踪粒子19随着流体17的流动而同时移动的观点，可以将示踪粒子19的速度视为流体17的速度。

图8表示对金属配管18内流动的示踪粒子19的移动进行说明的说明图。

如图8所示，超声波流速分布计及流量计10中的流体17的流速分布及流量测定：通过求出时刻t＝t₀下，在流体17中按束状直线行进的超声波(以下称作超声波束)49捕获到的示踪粒子19在时刻t＝t₀+Δt下超声波束49捕获到的示踪粒子19在流体17中的移动量Δx而进行。

如果在测定流体17的流速分布时，从换能器15的压电元件沿测定线ML发送超声波脉冲，则发送出的超声波脉冲在超声波反射体即示踪粒子19的表面反射，然后返回到换能器15。由于此反射波在不锈钢管18a内流体场的各处产生，因此产生如图9所示的反射波。

在图9中最初表示的超声波猝发信号(超声波回波信号)a被称作发射区域，它是为了在超声波刚振荡后、使压电元件的振动保留着而产生的信号。接着出现的超声波猝发信号b是由管上部产生的信号，是由于水与不锈钢的声阻抗不同而产生的信号，由管下部产生的超声波猝发信号c也与信号b同样。位于超声波猝发信号b与c之间的信号d包含有不锈钢管18a内的流体流速信息，在峰值出现的位置存在示踪粒子19。

从反射波即超声波猝发信号d求出示踪粒子19的位置。假定换能器15至示踪粒子19的距离为x，超声波脉冲振荡后至接收反射波的时间为τ，超声波的速度为c，则

[数学式1]

$x=\frac{\mathrm{c\τ}}{2}---\left(1\right)$

的关系成立。

如果在某一时间间隔Δt之后再次进行超声波脉冲的振荡与反射波的接收，能够得到相同的反射波，但是，如果流体17在时间间隔Δt期间移动，则示踪粒子19跟随移动。因此，至反射波接收的时间τ也变化。

图10是说明使用互相关法测定流体流速的测定原理的说明图。

如图10所示，假定x为离换能器的距离，Δx为示踪粒子19在Δt期间移动的移动量，τ为从距超声波脉冲发射时间点起的时间延迟，Δτ为在Δt期间变化后的从超声波脉冲发射时间点起的时间延迟，则某位置x的x方向速度u(x)表示如下：

[数学式2]

$u\left(x\right)=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{c\·\mathrm{\Δ\τ}}{2\·\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

由于超声波脉冲的反射在测定线ML上的各处产生，因此，能够同时进行测定线ML上的流体的流速计测，能够得到流体的流速分布。

如果按时间间隔Δt连续输入脉冲信号n次(n≥2的自然数)进行流体流速分布计测，则能够取得n-1个时间分辩能力为Δt的连续流速分布数据。

[互相关函数]

然而，由示踪粒子19产生的反射波通过将超声波脉冲的振荡间隔Δt对于流体的流速变动取得充分小，从而可在时间间隔(振荡间隔)Δt期间大致被保存。

超声波流速分布计及流量计10的信号处理单元25，通过AD变换器32对已输入的反射波的模拟超声波回波信号进行高速取样处理，变换为数字信号，然后计算以超声波脉冲的振荡间隔Δt而得到的2个反射波的互相关函数。另外，出于识别来自流体17内同一超声波反射体19的反射之目的，通过设定对于互相关中设定的最大值的阈值或者对于互相关的形状保存性的阈值，从而能够基于定量化的数值，判断是否是来自同一示踪粒子群的反射。

互相关函数(R(ε，τ))一般定义如下：

[数学式3]

$R(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\τ})=\frac{\underset{i=m/2}{\overset{m/2}{\mathrm{\Σ}}}(A_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\τ}+i)-\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\τ}\right)})(A_{\mathrm{int}}\left(\mathrm{\τ}\right)+i+\mathrm{\ϵ}-\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{int}}(\mathrm{\τ}+\mathrm{\ϵ})})}{\sqrt{\underset{i-m/2}{\overset{m/2}{\mathrm{\Σ}}}{(A_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\τ}+i)-\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\τ}\right)})}^2}\sqrt{{\underset{i=-m/2}{\overset{m/2}{\mathrm{\Σ}}}(A_{\mathrm{int}}(\mathrm{\τ}+i+\mathrm{\ϵ})-\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{int}}(\mathrm{\τ}+\mathrm{\ϵ})})}^2}}---\left(3\right)$

这里

$\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{ref}}\left(\mathrm{\τ}\right)}=\frac{\underset{i=-m/2}{\overset{m/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\τ}+i)}{m}---\left(4\right)$

$\stackrel{\‾}{A_{\mathrm{int}}(\mathrm{\τ}+\mathrm{\ϵ})}=\frac{\underset{i=-m/2}{\overset{m/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ref}}(\mathrm{\τ}+i+\mathrm{\ϵ})}{m}---\left(5\right)$

τ表示作为基准的时间延迟，i表示在参考/探测窗内的位置，ε表示参考窗与探测窗之间的偏移，m表示超声波脉冲的周期量。

使用该互相关函数R(ε，τ)，定量地判别反射波是否来自同一示踪粒子群的，计算各自的时间延迟τ，并由此求出时间变化量Δτ。也就是说，求出最初得到的反射波(参考波)与下一次的反射波(探测波)的时间延迟τ，此2个反射波的时间延迟τ之差(时间差)为Δτ。

另外，为了得到流体的流速分布速度所需的由超声波脉冲的振荡间隔Δt引起的反射波的到达时间差Δτ可以通过使用已被数字取样的反射波的互相关函数而得到。

由于互相关函数R(ε，τ)通过具有反射波的取样时间间隔的离散的形式而得到，使Δt的间隔越短，来自示踪粒子群的脉冲反射波形状越能保存，因此按更加细分的格网求出Δτ的方法是不可缺少的。

因此，要使Δt的间隔变短，能够进行利用例如正态分布近似的插值。通过插值，能够按更加细分的格网求出互相关函数的峰值，其结果也使速度分辩能力提高。

现在假定离散地得到的各相关值的最大值为P_k其前后的相关值分别为P_k-1、P_k+1，则

[数学式4]

$\mathrm{\Δ\τ}=k+\frac{1}{2}\left(\frac{\log \left(P_{k-1}\right)-\log \left(P_{k+1}\right)}{\log \left(P_{k-1}\right)-2\log \left(P_k\right)+\log \left(P_{k+1}\right)}\right)---\left(6\right)$

成立。在本发明的超声波流速分布计及流量计中，通过进行利用此分布近似的捕获而进行信号处理，从而速度分辩能力能够特别地提高。

[壁滤波器的杂波噪声降低方法]

如果在超声波流速分布计及流量计10中对于引导测定对象流体17的流体配管使用金属配管18的情况下，进行测定对象流体17的流速分布及流量测定，则被称作杂波噪声的噪声成分将显著重叠于接收到的超声波回波信号上。有可能因该噪声成分得到错误的示踪粒子的位置及速度信息。为了避免这一点，进行通过WF的杂波噪声降低处理。以下对于通过WF的杂波噪声降低处理方法进行说明。

图11是说明触发信号、超声波回波信号及杂波噪声的时间序列变化的说明图。

如图11所示，各个序列的杂波噪声在任何序列中个个都大致相同，都是随着时间经过而以衰减形式振动的噪声。由于此杂波噪声是序列数总的噪声按时间差τ平滑移动而重叠的噪声，因此具有各种频率成分，同时在图11所示的第1个～第n个序列的每个开始时间点都具有n个峰值。

因此，在使用了传统LPF及HPF的滤波处理以及使用了BPF的滤波处理中，对于具有各种频率成分的杂波噪声不能有效地进行滤波处理，而将杂波噪声产生的部分作为来自示踪粒子群的超声波脉冲的反射波而捕获，将杂波噪声错误地作为有效信号进行信号分析。

因此，为了防止以杂波噪声作为有效信号而捕获，使杂波噪声对于有效信号充分降低，进行使用了WF的滤波处理(WF处理)。在WF处理中，首先从数字超声波回波信号取得对应时刻回波电平信号。

图12是说明数字超声波回波信号的序列数(n)与信号电平之关系即对应时刻回波电平信号的说明图。

图12(A)中，数字超声波回波信号从第1个序列(以下称作序列#1，对于其它顺序号也同样)至第n个序列进行排列。图12(A)中横轴T为时间轴，表示从图11所示的各序列的开始时刻(T＝0)起的经过时刻，纵轴表示信号电平。另外，T＝τ对应于图11所示的发射触发的振荡周期τ。

另一方面，图12(B)图示了对应时刻回波电平信号，它是对应时刻T＝τ₁中的各序列(序列#1～序列#n)的数字超声波回波信号电平。图12(B)所示的对应时刻回波电平信号可以在图12(A)所示的T＝τ₁时、对于序列#1～序列#n的数字超声波回波信号进行取样而得到。

图12(B)所示的对应时刻回波电平信号可以构成对应时刻10000点等所设定的任意个数，例如j个量(j是任意自然数)。对于这样得到的各对应时刻回波电平信号进行FFT处理，对于得到的频率等效成分，进行以S/N比为阈值的滤波处理。

图13是表示对应时刻回波电平信号经FFT处理而得到的频率等效成分的大致波形的说明图。

如图13所示，对应时刻回波电平信号经FFT处理而得到的频率等效成分的波形为低频等效成分重叠于对于横轴序列号几乎不变化的直流等效成分上的波形。此低频等效成分是杂波噪声成分。重叠于直流等效成分的低频等效成分即杂波噪声的成分，通过以S/N比为阈值的滤波处理而降低。

如果在滤波处理中各序列中的S/N比大于阈值，则作为有效信号(反射波)处理，在计算互相关时加以利用。否则，就作为杂波噪声处理，将反射波(有效信号)与杂波噪声区别。

如果根据对应时刻回波电平信号经FFT处理而得到的频率等效成分的波形，对于低频等效成分进行滤波处理，则经逆FFT处理之后，得到对应时刻回波电平信号。

图14是使用传统的互相关法时得到的流速分布与使用通过WF的杂波噪声降低方法时得到的流速分布进行对比的说明图。另外，在图14中横轴是金属配管18的深度方向(图3所示的y轴方向)上金属配管18内的位置，纵轴是流体的平均速度。

根据图14，使用传统的互相关法时得到的流速分布(图中以◇示出的分布)在金属配管18内各处中流速约为0，测定结果变为与实际相矛盾。而在使用通过WF的杂波噪声降低方法时得到的速度分布(图中以△示出的分布)中，可以根据金属配管18内的位置变化得到流速。也就是说，如果使用超声波流速分布计及流量计10，进行金属配管18内部流动的流体17的流速分布及流量测定，则可以认为使用WF的杂波噪声降低方法将有效地发挥功能。

[采用变动探测窗法]

使用传统的互相关法，计算参考波与探测波的互相关时，采用的是使探测窗的大小一定而与τ无关、进行互相关运算的固定探测窗法，要设定的探测窗大小是根据经验上的直觉而设定为适当的大小。

但是，由于金属管内18的速度及速度变动因其位置不同而异，因此对于各τ都设定为一定的探测窗而进行互相关运算，未必是妥当的。另外，要求建立在设定探测窗大小时不凭经验上的直觉的方法。因此，在本发明的超声波流速分布计及流量计中采用按τ来设定探测窗大小的变动探测窗法。

所谓变动探测窗法是一种按τ设定探测窗大小的方法，在信号分析过程的反射***置/速度计算进程中计算参考波与探测波的互相关时使用。变动探测窗法中参考波与探测波的互相关计算是：首先将图12所示的以各τ取得的数字超声波回波信号的电平的对应时刻回波电平信号进行FFT等傅里叶变换，计算可以求出的平均频率f_G及RMS值σ。

接着，通过统计学上所谓的3σ法则(在正态分布中整体的99.7％包含在平均值±3σ的范围内)，将可出现的频带视为平均频率f_G±3σ的范围，从f_G+3σ、f_G-3σ求出可存在的超声波反射体19的速度最小值u_min及最大值u_max。

[数学式5]

$u_{\min }=\frac{c(f_G-3\mathrm{\σ})}{2f_o},u_{\max }=\frac{c(f_G+3\mathrm{\σ})}{2f_o}$

然后，根据上述数字式2的概念来确定探测窗的大小Δτ_min及Δτ_max。

[数学式6]

${\mathrm{\Δ\τ}}_{\min }=\frac{{2u}_{\min }\mathrm{\Δt}}{c},{\mathrm{\Δ\τ}}_{\max }=\frac{{2u}_{\max }\mathrm{\Δt}}{c}$

Δt：取样时间

图15表示图1及图3所示的测定***中从实测值得到的离换能器15的距离与探测窗的大小Δτ之关系，图16表示通过变动探测窗法求出参考波与探测波的互相关时测定的平均速度分布。

如图15所示，由于在离换能器15的距离(横轴)约15mm～70mm的区间，平均频率为f_G时的探测窗大小Δτ在由f_G+3σ、f_G-3σ下的探测窗大小围住的较小的范围内密集地分布着，因此可以认为能够高精度地设定探测窗的大小。另外，根据图16，通过变动探测窗法求出的平均速度分布(图16中以◇示出的分布)与通过固定探测窗法求出的平均速度分布(图16中以◆示出的分布)几乎相同，可以判断变动探测窗法是有效的。

再有，在横轴0～约15mm的区间及约70mm以后的区间，虽然在图15中f_G+3σ及f_G-3σ的探测窗大小的宽度很大，但是这些位置是对应于联接器、金属配管18的厚度部分或者金属配管18外部的距离，是流体流速分布及流量的测定中不需要的区间。另外如图16所示，图15中使探测窗大小的宽度增大的横轴0～约15mm的区间及约70mm以后的区间即流体流速分布及流量测定中不需要的区间中平均速度为0[m/s]。

[发射触发的导入]

在超声波流速分布计及流量计10中，用于正弦波上的超声波脉冲的振荡的超声波脉冲发送单元23以及将模拟信号变换为数字信号的AD变换器32的控制通过外部触发，即发射触发而进行。通过导入发射触发，超声波脉冲发送单元23及AD变换器32的定时控制能够更准确地进行。

另一方面，如果按数百MHz的数量级设定AD变换器32的取样频率，则严格按照触发工作，是非常困难的，将产生频率位移。因此，在来自换能器15的超声波脉冲刚振荡之后，注视反射波中产生的发射区域，将先接收到的反射波的发射区域作为探测波，将后接收到的反射波的发射区域作为参考波，进行它们互相关的计算，求出时间变化量Δτ。

另外，进行分布近似的插值，在进行互相关计算之前，仅修正Δτ的量。但是，在按反射波的取样时间间隔进行修正之后，通过以更小的离散间隔细分的格网，最后对计测线上各点的Δτ加以修正，校正来自发射触发振荡单元22的触发引起的微妙的时间偏移。

由发射触发振荡单元22振荡的发射触发的振荡控制可以预先编程进行设定，或者在测定开始之前接受触发信号的频率等各项设定等而自由地进行。

图17是对用超声波流速分布计及流量计10与激光多普勒流速计(Laser Doppler Velocimetry：LDV)测定的流体平均流速分布进行比较的说明图。

图17中一个是(图中以■示出的分布)使用超声波流速分布计及流量计10而得到的流速分布，是将换能器15对于金属配管18倾斜、进行3000个时刻的时间平均而算出的平均流速分布。另一个(图中以□示出的分布)是通过LDV的测定而得到的平均流速分布。根据图17，使用超声波流速分布计及流量计10得到的流速分布可以得到与由LDV的测定而得到的平均流速分布非常一致的流速分布，因此可知：超声波流速分布计及流量计10能高精度地进行流体流速分布及流量测定。

根据以上叙述，即使在超声波回波信号例如对于杂波噪声等恒定存在的(与时间无关)噪声为微弱的情况下，超声波流速分布计及流量计10也能够降低噪声电平，抑制噪声成分引起的测定误差，高精度地测定流体17的流速分布及流量。

如图1等所示，在实施方式的说明中对于引导测定对象流体17的流体配管为金属配管18的情况作为一例进行了说明，但是作为超声波回波信号对于恒定存在的噪声为微弱的其它具体例，有以下几种情况：

1)在泵的电源噪声或变换器噪声混入的环境下，进行流体配管(金属配管18以外的非金属配管，例如包含丙烯配管或者氯乙烯配管等)中流动的流体流速分布或流量测定；

2)使换能器15表面与金属配管18内流动的流体17直接接触而进行流速分布或流量测定；

3)上述1)及2)的场合，超声波反射体19的声阻抗接近于被测定流体17的声阻抗，

4)上述1)及2)的场合，超声波反射体19的体积小，

5)上述1)及2)的场合，超声波反射体19的密度小等。

工业利用性

根据本发明的超声波流速分布计及流量计、超声波流速分布及流量测定方法以及超声波流速分布及流量测定程序，例如，像引导测定对象流体的流体配管是金属配管时那样，即使在杂波噪声重叠在超声波回波信号上、超声波回波信号微弱的情况下，WF处理部能够针对杂波噪声等恒定存在的噪声充分降低相对于超声波回波信号的噪声成分。因此，即使在恒定存在的噪声完全重叠在超声波回波信号上的情况下测定，也能够高精度地测定流体的流速分布及流量，因此具有工业应用效益。

Claims (13)

1.一种超声波流速分布计及流量计，其特征在于：

包括：输出触发信号的发射触发振荡单元；

通过来自该发射触发振荡单元的触发信号生成并输出超声波脉冲的超声波振荡单元；

向流体内的测定线发送该超声波振荡单元输出的超声波脉冲、并接收由悬浮于所述流体内的超声波反射体反射的反射波即超声波回波信号的超声波脉冲接收单元；

对该超声波脉冲接收单元接收的超声波回波信号进行信号处理的信号处理单元；以及

分析该信号处理单元进行信号处理后的超声波回波信号、计算沿所述测定线的超声波反射体的位置和速度、并根据计算结果测定所述流体的流速分布和流量中至少一方的信号分析单元，

所述信号处理单元设有：进行在接收的超声波回波信号中抽取与超声波脉冲相同的频带的滤波处理的带通滤波处理部；

将从该带通滤波处理部接收的超声波回波信号进行模拟数字变换的AD变换器；以及

对接收到的超声波回波信号用壁滤波器作滤波处理的壁滤波器处理部。

2.如权利要求1中记载的超声波流速分布计及流量计，其特征在于：

为执行从关于全部对应时刻的对应时刻回波电平信号中除去低频等效成分的滤波处理而构成所述壁滤波器处理部，该全部对应时刻回波电平信号是关于多个对应时刻从n+1(n为自然数)个序列量的超声波回波信号取得的。

3.如权利要求2记载的超声波流速分布计及流量计，其特征在于：

为了进行以所述对应时刻回波电平信号经傅里叶变换后得到的信号之S/N比为阈值、从所述对应时刻回波电平信号中除去低频等效成分的滤波处理，构成所述壁滤波器处理部。

4.一种超声波流速分布及流量测定方法，其特征在于：

包括：输出触发信号的发射触发振荡过程；

通过该发射触发振荡过程中输出的触发信号来生成并输出超声波脉冲的超声波振荡过程；

向流体内的测定线发送按该超声波振荡过程输出的超声波脉冲、并接收由悬浮于所述流体内的超声波反射体反射的反射波即超声波回波信号的超声波脉冲接收过程；

对超声波脉冲接收过程中接收的超声波回波信号进行信号处理的信号处理过程；以及

分析该信号处理过程中信号处理后的超声波回波信号、计算沿所述测定线的超声波反射体的位置及速度、并根据算出的结果测定所述流体的流速分布和流量中至少一方的信号分析过程，

所述信号处理过程包含：执行在接收的超声波回波信号中抽取与超声波脉冲相同的频带的滤波处理的带通滤波处理进程；

将该带通滤波处理进程中接收的超声波回波信号作模拟数字变换的AD变换进程；以及

对接收的超声波回波信号用壁滤波器作滤波处理的壁滤波器处理进程。

5.如权利要求4中记载的超声波流速分布及流量测定方法，其特征在于：

所述超声波振荡过程包含：接收触发信号而生成电脉冲信号的电脉冲信号生成进程；以及将该电脉冲信号生成进程中生成的电脉冲信号变换为超声波脉冲后发送的超声波脉冲生成进程。

6.如权利要求4中记载的超声波流速分布及流量测定方法，其特征在于：

所述信号分析过程包含：计算流体中的超声波反射体群的位置及速度的反射***置/速度计算进程；

根据所述反射***置/速度计算进程中算出的流体中的超声波反射体群的位置及速度来计算所述流体的流速分布的流速分布计算进程；以及

将该流速分布计算进程中算出的流速分布沿流体配管的内部面积作积分运算而算出流量的流量计算进程。

7.如权利要求4中记载的超声波流速分布及流量测定方法，其特征在于：

所述壁滤波器处理进程包含：根据数字化的超声波回波信号而取得表示各序列的对应时刻的序列数与信号电平之间的关系的对应时刻回波电平信号的对应时刻回波电平信号取得步骤；

将所述对应时刻回波电平信号取得步骤中得到的对应时刻回波电平信号作傅里叶变换的FFT处理步骤；

对FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分作滤波处理的杂波噪音降低处理步骤；以及

将所述对应时刻回波电平信号的频率等效成分作傅里叶逆变换、按时间序列顺序重新排列而再构成数字超声波回波信号的逆FFT处理步骤。

8.如权利要求7中记载的超声波流速分布及流量测定方法，其特征在于：

所述杂波噪音降低处理步骤中，对FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分进行以S/N比为阈值的滤波处理。

9.如权利要求4中记载的超声波流速分布及流量测定方法，其特征在于：

所述反射***置/速度计算进程包含：计算参考波与探测波的互相关的互相关计算处理步骤；

若所述参考波与探测波的相关值大于某一定值(阈值)、则看作来自同一超声波反射体的反射波的相位认定步骤；

计算由该相位认定步骤认定的参考波与探测波的相位差的相位差计算步骤；以及

根据该相位差计算步骤求出的相位差来计算超声波反射体的位置及速度的位置/速度计算步骤，

所述互相关计算处理步骤中，对各对应时间的对应时刻回波电平信号作傅里叶变换，算出平均频率f_G及RMS值σ，用算出的平均频率f_G及RMS值σ计算对应于f_G±3σ范围的超声波反射体的速度范围，并用算出的超声波反射体的速度范围来设定探测窗的大小。

10.一种超声波流速分布及流量测定处理程序，令计算机执行：

输出触发信号的发射触发振荡过程；

通过该发射触发振荡过程输出的触发信号生成并输出超声波脉冲的超声波振荡过程；

向流体内的测定线发送该超声波振荡过程中输出的超声波脉冲、并接收由悬浮于所述流体内的超声波反射体反射的反射波即超声波回波信号的超声波脉冲接收过程；

对超声波脉冲接收过程中接收的超声波回波信号作信号处理的信号处理过程；以及

分析该信号处理过程的信号处理后的超声波回波信号、算出沿所述测定线的超声波反射体的位置及速度、并根据计算结果测定所述流体的流速分布和流量中至少一方的信号分析过程，

在所述信号处理过程中令计算机执行：执行在接收的超声波回波信号中抽取与超声波脉冲相同的频带的滤波处理的带通滤波处理进程；

将从该带通滤波处理进程接收的超声波回波信号进行模拟数字变换的AD变换进程；以及

对接收的超声波回波信号用壁滤波器作滤波处理的壁滤波器处理进程。

11.如权利要求10中记载的超声波流速分布及流量测定处理程序，其特征在于：

所述壁滤波器处理进程包含：从数字化的超声波回波信号取得表示各序列的对应时刻的序列数与信号电平之间的关系的对应时刻回波电平信号的对应时刻回波电平信号取得步骤；

将所述对应时刻回波电平信号取得步骤中得到的对应时刻回波电平信号作傅里叶变换的FFT处理步骤；

对FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分作滤波处理的杂波噪音降低处理步骤；以及

将所述对应时刻回波电平信号的频率等效成分作傅里叶逆变换、按照时间序列顺序重新排列而再构成数字超声波回波信号的逆FFT处理步骤，

令计算机执行所述壁滤波器处理进程中的所述对应时刻回波电平信号取得步骤、FFT处理步骤、杂波噪音降低处理步骤和逆FFT处理步骤。

12.如权利要求10中记载的超声波流速分布及流量测定处理程序，其特征在于：

所述信号分析过程包含：计算流体中的超声波反射体群的位置及速度的反射***置/速度计算进程；

根据所述反射***置/速度计算进程中算出的流体中的超声波反射体群的位置及速度来计算所述流体的流速分布的流速分布计算进程；以及

进行该流速分布计算进程中算出的流速分布沿流体配管的内部面积的积分运算而算出流量的流量计算进程，

令计算机执行所述信号分析过程中所述反射***置/速度计算进程、流速分布计算进程和流量计算进程。

13.如权利要求11中记载的超声波流速分布及流量测定处理程序，其特征在于：

令计算机对所述FFT处理步骤中得到的对应时刻回波电平信号的频率等效成分执行以S/N比为阈值的滤波处理。

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