特開 2024-118611 信号処理方法および信号処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024118611

(43)【公開日】2024-09-02

(54)【発明の名称】信号処理方法および信号処理装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/02 20060101AFI20240826BHJP

   G01N 29/32 20060101ALI20240826BHJP

   G01N 29/44 20060101ALI20240826BHJP

   G01P 5/24 20060101ALI20240826BHJP

【ＦＩ】

G01N29/02

G01N29/32

G01N29/44

G01P5/24 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024989

(22)【出願日】2023-02-21

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100103872

【弁理士】

【氏名又は名称】粕川 敏夫

(74)【代理人】

【識別番号】100149456

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 喜幹

(74)【代理人】

【識別番号】100194238

【弁理士】

【氏名又は名称】狩生 咲

(74)【代理人】

【識別番号】100205648

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 真一

(72)【発明者】

【氏名】木倉 宏成

(72)【発明者】

【氏名】高橋 秀治

(72)【発明者】

【氏名】荘司 成熙

(72)【発明者】

【氏名】甲斐 晟豪

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA01

2G047AB01

2G047BA03

2G047BC18

2G047CA01

2G047EA10

2G047GB02

2G047GF06

2G047GF08

2G047GG09

2G047GG12

(57)【要約】

【課題】工程数を抑えつつエコー信号から配管エコーを効果的に除去すること。
【解決手段】超音波センサは、配管内に超音波パルスを入射する。超音波センサは、超音波パルスに対する配管からのエコー信号を受信する。制御ユニットは、エコー信号から配管の壁内を伝搬する配管エコーを抽出する。制御ユニットは、エコー信号から配管エコーを除去する。制御ユニットは、配管エコーを除去したエコー信号に基づき、配管内の流体の速度分布を取得する。制御ユニットは、速度分布に基づき配管内における流体の水位を計測する。超音波入射工程およびエコー信号受信工程は、繰り返し実行される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波センサが、配管内に超音波パルスを入射する超音波入射工程と、
前記超音波センサが、前記超音波パルスに対する前記配管からのエコー信号を受信するエコー信号受信工程と、
制御ユニットが、前記エコー信号から前記配管の壁内を伝搬する配管エコーを抽出する配管エコー抽出工程と、
前記制御ユニットが、前記エコー信号から前記配管エコーを除去する配管エコー除去工程と、
前記制御ユニットが、前記配管エコーを除去したエコー信号に基づき、前記配管内の前記流体の速度分布を取得する速度分布取得工程と、
前記制御ユニットが、前記速度分布に基づき前記配管内における前記流体の水位を計測する流体水位計測工程と、
を備え、
前記超音波入射工程および前記エコー信号受信工程は、繰り返し実行される、
信号処理方法。

【請求項2】

請求項１に記載の信号処理方法において、
前記配管エコー抽出工程では、
前記制御ユニットは、複数の前記エコー信号を平均化することにより前記配管エコーを抽出する、
信号処理方法。

【請求項3】

請求項１に記載の信号処理方法において、
前記配管エコー抽出工程の前に、
前記制御ユニットが、前記エコー信号から各回の超音波パルスの入射タイミングのずれに基づく位相ノイズを除去する位相ノイズ除去工程、
を備えている、
信号処理方法。

【請求項4】

請求項３に記載の信号処理方法において、
位相ノイズ除去工程は、
前記制御ユニットが、各回の前記エコー信号に対してフーリエ変換を行い、フーリエ変換された前記エコー信号から超音波パルスの位相をそれぞれ抽出する工程と、
前記制御ユニットが、各回の前記エコー信号に対応する超音波パルスの位相に基づき、各回の超音波パルスの位相と基準の超音波パルスの位相である基準位相との差分を位相差として抽出する工程と、
前記制御ユニットが、フーリエ変換された各回の前記エコー信号に対して、対応する超音波パルスの前記位相差を加算する工程と、
前記制御ユニットが、前記位相差を加算したフーリエ変換された前記エコー信号に対して逆フーリエ変換を行う工程と、
を備えている、
信号処理方法。

【請求項5】

超音波センサと、
制御ユニットと、
を備え、
前記超音波センサは、配管内に超音波パルスを入射し、
前記超音波センサは、前記超音波パルスに対する前記配管からのエコー信号を受信し、
前記制御ユニットは、前記エコー信号から前記配管の壁内を伝搬する配管エコーを抽出し、
前記制御ユニットは、前記エコー信号から前記配管エコーを除去し、
前記制御ユニットは、前記配管エコーを除去したエコー信号に基づき、前記配管内の前記流体の速度分布を取得し、
前記制御ユニットは、前記速度分布に基づき前記配管内における前記流体の水位を計測し、
前記超音波パルスの入射および前記エコー信号の受信は、繰り返し実行される、
信号処理装置。

【請求項6】

請求項５に記載の信号処理装置において、
前記制御ユニットは、複数の前記エコー信号を平均化することにより前記配管エコーを抽出する、
信号処理装置。

【請求項7】

請求項５に記載の信号処理装置において、
前記制御ユニットは、前記配管エコーを抽出する前に、前記エコー信号から各回の超音波パルスの入射タイミングのずれに基づく位相ノイズを除去する、
信号処理装置。

【請求項8】

請求項７に記載の信号処理装置において、
前記制御ユニットは、各回の前記エコー信号に対してフーリエ変換を行い、フーリエ変換された前記エコー信号から超音波パルスの位相をそれぞれ抽出し、各回の前記エコー信号に対応する超音波パルスの位相に基づき、各回の超音波パルスの位相と基準の超音波パルスの位相である基準位相との差分を位相差として抽出し、フーリエ変換された各回の前記エコー信号に対して、対応する超音波パルスの前記位相差を加算し、前記位相差を加算したフーリエ変換された前記エコー信号に対して逆フーリエ変換を行うことにより、前記位相ノイズを除去する、
信号処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、信号処理方法および信号処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

不透明な固体壁を介して配管内へ超音波を入射し、超音波に対するエコー信号を受信することで配管内部における流体の速度分布や水位を流体情報として取得することができる。このような超音波を用いた流体計測は、配管による流体輸送を行う火力発電所、水力発電所、および原子力発電所、石油や海底資源等の天然資源回収プラント等における流体流量の管理等に用いられている。また、超音波を用いた水位計測は、差圧式水位計に代わる非接触型水位計としてもニーズがある。

【0003】

一方、流体計測において受信するエコー信号には、流体中の粒子からのエコー信号（粒子エコー）だけでなく、例えば配管の壁内を伝搬するエコー信号（配管エコー）等のノイズも含まれる。配管エコーは、超音波が配管内で多重反射することで発生するノイズであり、リンギングノイズとも呼ばれる。

【0004】

このような配管エコーを抑制する方法として、例えば、超音波の入射角度の調整や、配管へのノイズ吸収用ダンピング材の設置等が挙げられる。ただし、これらの方法では、配管エコーを効果的に除去することが困難である。

【0005】

特許文献１には、超音波を用いて被検体の欠陥や構造を計測する場合における残響ノイズ除去方法が開示されている。特許文献１によれば、超音波に起因する残響ノイズ信号に対応した参照ノイズ信号を取得し、被検体からのエコー信号を含む計測信号の一部と参照ノイズ信号の一部とを比較し、超音波プローブによる計測信号の受信状態での計測信号内の残響ノイズ信号を生成するための、参照ノイズ信号の変調パラメータを決定し、決定した変調パラメータを用いて計測信号内の残響ノイズ信号に対応する適応参照ノイズ信号を生成し、計測信号から適応参照ノイズ信号を除去する旨記載されている。これにより、残響ノイズが低減されたエコー信号が得られる旨記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１－１９６８７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１では、ノイズ除去において、計測信号（エコー信号）の取得とは別途で、参照ノイズ信号の取得、変調パラメータの決定、および適応ノイズ信号の生成といった多くの工程が必要である。

【0008】

そこで、本発明は、工程数を抑えてエコー信号から配管エコーを効果的に除去することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の代表的な実施の形態による信号処理方法は、超音波センサが、配管内に超音波パルスを入射する超音波入射工程と、超音波センサが、超音波パルスに対する配管からのエコー信号を受信するエコー信号受信工程と、制御ユニットが、エコー信号から配管の壁内を伝搬する配管エコーを抽出する配管エコー抽出工程と、制御ユニットが、エコー信号から配管エコーを除去する配管エコー除去工程と、制御ユニットが、配管エコーを除去したエコー信号に基づき、配管内の流体の速度分布を取得する速度分布取得工程と、制御ユニットが、速度分布に基づき配管内における流体の水位を計測する流体水位計測工程と、を備えている。超音波入射工程およびエコー信号受信工程は、繰り返し実行される。

【0010】

本発明の代表的な実施の形態による信号処理装置は、超音波センサと、制御ユニットと、を備えている。超音波センサは、配管内に超音波パルスを入射する。超音波センサは、超音波パルスに対する配管からのエコー信号を受信する。制御ユニットは、エコー信号から配管の壁内を伝搬する配管エコーを抽出する。制御ユニットは、エコー信号から配管エコーを除去する。制御ユニットは、配管エコーを除去したエコー信号に基づき、配管内の流体の速度分布を取得する。制御ユニットは、速度分布に基づき配管内における流体の水位を計測する。超音波パルスの入射およびエコー信号の受信は、繰り返し実行される。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、工程数を抑えつつエコー信号から配管エコーを効果的に除去することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態１に係る信号処理装置の構成の一例を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態１に係る制御ユニットの構成を例示する図である。

【図3】本発明の実施の形態１に係る配管内の流体の水位計測方法を例示するフロー図である。

【図4】エコー信号を例示する図である。

【図5】配管エコーを模式的に示す図である。

【図6】取得した配管内の速度分布を例示する図である。

【図7】流体の水位計測方法を説明する図である。

【図8】本発明の実施の形態２に係る流体の水位計測方法を例示するフロー図である。

【図9】位相ノイズ除去工程の詳細を例示するフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は適宜省略する。

【0014】

＜信号処理装置＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る信号処理装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態に係る信号処理装置は、外部から配管９０内へ超音波パルスを入射し、入射した超音波パルスに対するエコー信号を受信することで配管９０内における流体の速度分布を取得し、速度分布に基づいて配管９０内における流体の水位を計測する装置である。

【0015】

本実施の形態に係る信号処理装置１は、横方向に配置された配管９０に対して好適に使用される。ただし、配管９０の局所的な水位計測を目的する場合には、縦方向や斜め方向に配置された配管９０に対しても、本実施の形態に係る信号処理装置１を好適に使用可能である。

【0016】

図１に示すように、信号処理装置１は、超音波センサ１０、超音波センサ制御ユニット２０、Ａ／Ｄ変換器３０、制御ユニット４０、表示ユニット５０を備えている。超音波センサ１０は、超音波センサ制御ユニット２０と接続されている。超音波センサ制御ユニット２０は、超音波センサ１０、Ａ／Ｄ変換器３０、および制御ユニット４０と接続されている。Ａ／Ｄ変換器３０は、超音波センサ制御ユニット２０、および制御ユニット４０と接続されている。制御ユニット４０は、超音波センサ制御ユニット２０、Ａ／Ｄ変換器３０、および表示ユニット５０と接続されている。

【0017】

超音波センサ１０は、配管９０内へ超音波パルスを入射し、配管９０からのエコー信号を受信する装置である。超音波センサ１０は、複数の圧電素子がアレイ状に配置されたセンサアレイを備えている。

【0018】

図１に示すように、超音波センサ１０は、配管９０の下側に、配管９０の管壁９１の外周面９１ａに垂直な基準線ＲＬに対して所定角度α（０＜α＜９０°）でセンサホルダ１２により固定される。これにより、センサアレイは、基準線ＲＬに対して所定角度αの方向を向くように配置される。

【0019】

各圧電素子は、超音波センサ制御ユニット２０から出力される超音波センサ駆動信号に基づき振動して超音波パルスを発生し、発生した超音波パルスを配管９０内へ入射する。一方、各圧電素子は、超音波パルスを入射後、配管９０からエコー信号を受信すると振動し、受信したエコー信号を電気信号に変換する。そして、各圧電素子は、変換後の電気信号をエコー信号として超音波送受信ユニット２０へ出力する。

【0020】

超音波センサ制御ユニット２０は、超音波センサ１０に関わる各種制御を行う。具体的には、超音波センサ制御ユニット２０は、制御ユニット４０から出力される超音波制御信号に基づき超音波センサ１０から超音波パルスを発生させる制御、および音波センサ１０から出力されたエコー信号（電気信号）をＡ／Ｄ変換器３０へ出力する制御等を行う。

【0021】

より具体的には、超音波センサ制御ユニット２０は、個別に位相が調整された超音波センサ駆動信号を各圧電素子へ供給する。これにより、超音波センサ１０は、所定の方向（例えば所定角度αに沿った方向）へ指向性の高い超音波パルスを配管９０内へ入射する。なお、各圧電素子から発生する超音波パルスの位相を調整することにより、配管９０への超音波パルスの入射方向を自在に変更することができる。

【0022】

Ａ／Ｄ変換器３０は、アナログのエコー信号をデジタルのエコー信号に変換する装置である。Ａ／Ｄ変換器３０は、デジタル変換したエコー信号を制御ユニット４０へ出力する。

【0023】

制御ユニット４０は、例えば、超音波パルスの入射、エコー信号のノイズ処理、配管９０内における流体の速度分布の取得、および流体の水位の取得等、信号処理装置１における主要な処理を行うユニットである。

【0024】

制御ユニット４０は、各種機能ブロックをコンピュータ上で実現する情報処理装置（例えばパーソナルコンピュータ等）で構成される。図２は、本発明の実施の形態１に係る制御ユニットの構成を例示する図である。図２には、情報処理装置を例にした制御ユニットの構成が示されている。図２に示すように、制御ユニット４０は、プロセッサ４１、メインメモリ４３、ストレージ４５、通信インタフェース４７備えている。

【0025】

通信インタフェース４７は、超音波センサ制御ユニット２０、Ａ／Ｄ変換器３０、および表示ユニット５０との間で各種情報の送受信を行う通信装置である。

【0026】

ストレージ４５は、プログラム記憶領域４５ａ、およびデータ記憶領域４５ｂ等の記憶領域を備えている。プログラム記憶領域４５ａは、制御ユニット４０を動作させる基本プログラム、超音波パルスを用いた水位計測を実行するために必要となる機能ブロックをプロセッサ４１上に実現する信号処理装置用アプリケーション等の各種プログラム、および各プログラムのパラメータ等を記憶する。このように、ストレージ４５は、プログラムの記録媒体としての機能を備えている。

【0027】

メインメモリ４３は、プログラム記憶領域４５ａから読み出したプログラムやパラメータ等を展開して保持する。また、メインメモリ５３は、超音波センサ制御ユニット２０へ出力する超音波制御信号、Ａ／Ｄ変換器３０から出力されたデジタル変換されたエコー信号、および表示ユニット５０へ出力する画面表示用データ等の各種情報も一時的に保持する。

【0028】

プロセッサ４１は、メインメモリ４３に保持されたプログラムを読み出し実行することにより、例えば、超音波パルスの入射に関わる処理を行う超音波制御ブロック４１ａ、エコー信号に対する処理を行うエコー信号処理ブロック４１ｂ、表示ユニット５０へのコンテンツの表示に関わる処理を行う表示制御ブロック４１ｃ等の機能ブロックをソフトウェアで実現する。なお、一部の機能は、例えばＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、ＰＬＤ(Programmable Logic Device)、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェアのみで実現されてもよいし、これらのハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて実現されてもよい。

【0029】

表示ユニット５０は、信号処理装置１に係る各種情報を表示する。表示ユニット５０は、制御ユニット４０から出力される情報に基づき、例えば、入射する超音波パルスのパラメータ設定画面、エコー信号、配管エコー、粒子エコー等を表示する。信号処理装置１の利用者は、表示ユニット５０に表示された情報を参照し、図示しないキーボードやマウス等の入力装置を操作してパラメータの変更等の入力操作を行うことができる。なお、表示ユニット５０は、制御ユニット４０と一体で構成されてもよい。なお、表示ユニット５０は、タッチ入力機能を備えてもよい。

【0030】

なお、表示ユニット５０は、信号処理装置１に含まれなくてもよい。必要に応じて、信号処理装置１に外部ディスプレイとして表示ユニット５０を接続することで、信号処理装置１に関わる各種情報を表示ユニット５０に表示させることが可能となる。

【0031】

＜配管内の流体の水位計測方法＞
次に、配管内の流体の水位計測方法（信号処理方法）について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る配管内の流体の水位計測方法を例示するフロー図である。ステップＳ１０－Ｓ３０において、短時間の超音波パルスを入射しエコー信号を取得する処理が所定回数繰り返し行われる。

【0032】

ステップＳ１０は、配管９０内に超音波パルスを入射する超音波入射工程である。ステップＳ１０において、制御ユニット４０は、超音波制御信号を出力することで、超音波センサ制御ユニット２０に対し超音波パルスを入射するよう指示する。超音波制御信号が入力されると、超音波センサ制御ユニット２０は、超音波センサ１０の各圧電素子に対し超音波センサ駆動信号を供給する。具体的には、超音波送受信ユニット２０は、所定の周波数（例えば２ＭＨｚ）のバースト波をパルス状にした超音波センサ駆動信号を繰返周期Ｔ（例えば１０ｍｓ）で繰り返し出力する。これにより、超音波センサ１０から配管９０内へ超音波パルスが繰り返し入射される。

【0033】

ステップＳ２０は、超音波パルスに対する配管９０内からのエコー信号を受信するエコー信号受信工程である。ステップＳ２０において、超音波センサ１０の各圧電素子は、超音波パルスを入射後、配管９０からエコー信号を受信し、エコー信号を電気信号に変換する。そして、超音波センサ１０の各圧電素子は、電気信号をエコー信号として超音波センサ制御ユニット２０へ出力する。超音波センサ制御ユニット２０は、超音波センサ１０から入力されたエコー信号（電気信号）をＡ／Ｄ変換器３０へ出力する。Ａ／Ｄ変換器３０は、入力されたエコー信号をデジタル変換し、デジタル変換したエコー信号を制御ユニット４０へ出力する。

【0034】

制御ユニット４０は、入力されたエコー信号をメインメモリ４３に保持した後、ストレージ４５のデータ記憶領域４５ｂに記憶させる。このとき、制御ユニット４０は、エコー信号を、例えば超音波パルスの繰り返し回数や超音波パルスの入射時刻等のような、入射された超音波パルスを特定することができる情報と関連付けてデータ記憶領域４５ｂに記憶させる。取得したエコー信号は、以下の式（１）のように表される。

【0035】

【数1】

【0036】

ステップＳ３０では、超音波パルスを入射しエコー信号を取得する処理（ステップＳ１０－Ｓ２０）が所定回数繰り返し実行されたどうかが判定される。これら処理が所定回数繰り返し実行されていないと制御ユニット４０が判定した場合（ＮＯ）、所定回数に達するまでステップＳ１０－Ｓ２０の処理が再度実行される。一方、この処理が所定回数実行されたと制御ユニット４０が判定した場合（ＹＥＳ）、ステップＳ４０の処理が実行される。

【0037】

図４は、エコー信号を例示する図である。図４に示すように、エコー信号には配管ノイズが含まれる。このため、図４において円で囲まれた領域では、配管エコーの影響により、エコー信号の振幅がそれ以外の領域より大きくなっている。

【0038】

そこで、ステップＳ４０－Ｓ５０により、エコー信号から配管エコーを除去するための処理が行われる。図５は、配管エコーを模式的に示す図である。図５に示すように、管壁９１内を伝搬する配管エコーは、時間的な移動を伴わない不変のノイズである。このため、配管エコーを抽出することができれば、配管エコーをエコー信号から容易に除去することができる。

【0039】

ステップＳ４０は、エコー信号から配管９０の管壁９１内を伝搬する配管エコーを抽出する配管エコー抽出工程である。ステップＳ４０において、制御ユニット４０は、取得したエコー信号から配管エコーを抽出する。具体的には、制御ユニット４０は、超音波パルスを繰り返し入射させて取得した各回のエコー信号（式（１）を参照）を時間平均化することで、配管９０内の流体の流動に影響されず時間的に不変な配管エコーを抽出する。より具体的には、制御ユニット４０は、以下の式（２）に従って演算を行うことで配管エコーを抽出する。

【0040】

【数2】

【0041】

ステップＳ５０は、エコー信号から配管エコーを除去する配管エコー除去工程である。ステップＳ５０において、制御ユニット４０は、以下の式（３）に従って、エコー信号とステップＳ４０で抽出した配管エコーとの差分を計算することにより、エコー信号から配管エコーを除去し、配管エコーが除去されたエコー信号を取得する。なお、このエコー信号には、粒子エコーおよびその他ノイズが含まれるが、その他ノイズは、粒子エコーに比べて非常に小さい。このため、後述する流体の速度分布に、その他ノイズが影響を与えることはほとんどなく、配管エコーが除去されたエコー信号を粒子エコーとみなしてこの後の処理を行うことができる。

【0042】

【数3】

【0043】

ステップＳ６０は、配管エコーを除去したエコー信号に基づき、前記配管内の前記流体の速度分布を取得する速度分布取得工程である。ステップＳ６０において、制御ユニット４０は、配管エコーを除去して取得した粒子エコーに基づき、配管９０内における流体の速度分布を取得する。図６は、取得した配管内の速度分布を例示する図である。図６の上側の図は、配管エコーを除去する前のエコー信号を用いた場合の速度分布であり、図６の下側の図は、配管エコーを除去した後のエコー信号を用いた場合の速度分布である。また、図６の各図の横軸は配管の中心からの距離を示し、縦軸は流体の速度を示している。横軸の左端は超音波センサ１０に最も近い場所を示し、横軸の右端は超音波センサ１０から最も離れた場所を示している。

【0044】

図６の上側の図において、円で囲まれた領域では、配管エコーにより、取得した流体の速度分布にバラつきが発生じている。これに対し、図６の下側の図では、配管エコーの影響を受けることなく、取得した流体の速度分布にバラつきは発生していない。

【0045】

ステップＳ７０は、速度分布に基づき配管９０内における流体の水位を計測する流体水位計測工程である。ステップＳ７０において、制御ユニット４０は、ステップＳ６０で取得した流体の速度分布に基づき配管９０内の流体の水位を計測する。図７は、流体の水位計測方法を説明する図である。図７の上側の図は、配管９０内が満水時の状態を示し、図７の下側の図は、配管９０内が非満水時の状態を示している。

【0046】

配管９０内が満水時には、超音波センサ１０から最も遠い配管９０の端部まで流体の速度が計測されている。これにより、制御ユニット４０は、配管９０内が満水であり、水位は最大、すなわち配管９０の内径と同一であると判定する。

【0047】

これに対し、配管９０内が非満水時には、流体が存在する高さまで流体の速度が計測されるが、流体が存在しないそれ以上の高さでは流体の速度は計測されない。制御ユニット４０は、このような流体の速度分布を参照し、流体の速度が計測された高さまで流体が存在すると判定し、流体の速度が計測された限界の高さｈが配管９０内の流体の水位であると判定する。

【0048】

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、配管９０内への超音波パルスの入射とエコー信号の受信とが繰り返し実行され、エコー信号を時間平均化することで配管エコーが抽出される。そして、エコー信号から配管エコーを除去することで、粒子エコーが抽出される。この方法によれば、工程数を抑えてエコー信号から配管エコーを効果的に除去することが可能となる。これにより、エコー信号による配管９０内の流体の速度分布の計測精度が向上し、ひいては配管９０内の流体の水位の計測精度を向上させることが可能となる。

【0049】

また、本実施の形態に係る信号処理装置１は、計測前のキャリブレーション作業が不要である。これにより、計測開始前の工程が短縮され、短時間で水位計測を行うことが可能となる。

【0050】

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。前述の実施の形態１では、配管エコーを除去する方法について説明した。一方、繰り返しパルス法ではパルス繰り返し周期ごとに配管９０内へ超音波パルスが繰り返し入射されるが、信号処理装置１においてランダムに発生する電気的ノイズにより、各回の超音波パルスの入射タイミングにずれが発生する場合がある。このような入射タイミングのずれは、エコー信号に位相ノイズとして残るため、エコー信号から配管エコーを十分に除去できない場合がある。そこで、本実施の形態では、各回の超音波パルスの入射タイミングのずれに起因する位相ノイズを考慮したノイズ除去方法について説明する。

【0051】

図８は、本発明の実施の形態２に係る流体の水位計測方法を例示するフロー図である。図８に示すように、本実施の形態では、配管エコー抽出工程（ステップＳ４０）の前に、エコー信号から位相ノイズを除去する位相ノイズ除去工程（ステップＳ１８０）が行われる。なお、ステップＳ１８０は、図８に示すように、ステップＳ４０の直前に行われてもよいし、ステップＳ２０とステップＳ３０との間に行われてもよい。

【0052】

本実施の形態では、ステップＳ２０で取得したエコー信号は、位相ノイズを考慮して以下の式（４）のように表される。

【0053】

【数4】

【0054】

図９は、位相ノイズ除去工程の詳細を例示するフロー図である。図９に示すように、ステップＳ１８０では、ステップＳ１８１－Ｓ１８４の処理が実行される。まず、ステップＳ１８１において、制御ユニット４０は、各回の超音波パルスに対するエコー信号（式（４））に対してフーリエ変換を行い、フーリエ変換されたエコー信号から超音波パルスの位相をそれぞれ抽出する。

【0055】

次に、ステップＳ１８２において、制御ユニット４０は、ステップＳ１８１で抽出した各回のエコー信号に対応する超音波パルスの位相に基づき、各回の超音波パルスの位相と基準の超音波パルスの位相である基準位相との差分を位相差として抽出する。例えば、制御ユニット４０は、１回目の超音波パルスを基準の超音波パルスに設定し、１回目の超音波パルスの位相を基準位相に設定する。すなわち、１回目の超音波パルスの位相と基準位相との差分はゼロである。そして、制御ユニット４０は、２回目およびそれ以降の超音波パルスの位相と基準位相との差分を位相差としてそれぞれ算出する。

【0056】

なお、ここでは、１回目の超音波パルスを基準の超音波パルスに設定し、１回目の超音波パルスの位相を基準位相に設定した場合を例に挙げたが、任意の超音波パルスを基準の超音波パルスとし、この超音波パルスの位相を基準位相としても構わない。

【0057】

次に、ステップＳ１８３において、制御ユニット４０は、フーリエ変換された各回のエコー信号に対して、超音波パルスの位相にステップＳ１８２で抽出した対応する位相差を加算することで、超音波パルスの位相を調整する。これにより、制御ユニット４０は、フーリエ変換された各回のエコー信号において、超音波パルスの位相を一致させることができる。

【0058】

そして、ステップＳ１８４において、制御ユニット４０は、ステップＳ１８３で超音波パルスの位相を調整した各回のフーリエ変換されたエコー信号に対して逆フーリエ変換を行う。これにより、制御ユニット４０は、位相ノイズを除去した（φ_noise→０）エコー信号を取得する。

【0059】

そして、制御ユニット４０は、位相ノイズを除去したエコー信号に基づき、配管エコーを抽出する処理（ステップＳ４０）、エコー信号から配管エコーを除去する処理（ステップＳ５０）、流体の速度分布を取得する処理（ステップＳ６０）、および配管９０内の流体の水位を計測する処理（ステップＳ７０）をそれぞれ実行する。

【0060】

本実施の形態によれば、制御ユニット４０は、配管エコーの抽出に先立ち、各回の超音波パルスの位相を調整し、超音波パルス間の位相差に起因する位相ノイズを除去したエコー信号を取得する。この構成によれば、配管エコーの抽出精度が向上し、より効果的にエコー信号から配管エコーを除去することが可能となる。また、これにより、配管９０内の流体の流速分布の精度の向上、ひいては配管９０内の流体の水位の計測精度が向上する。

【0061】

なお、本発明はこれらに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、超音波センサ１０は、高温流体と接触するバッファロッドを介して超音波パルスを入射し、エコー信号を受信してもよい。前述した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するため詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えなくてもよい。

【符号の説明】

【0062】

１…信号処理装置、１０…超音波センサ、２０…超音波センサ制御ユニット、３０…Ａ／Ｄ変換器、４０…制御ユニット、５０…表示ユニット、９０…配管、９１…管壁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】