JP2003344131A - 超音波流速分布及び流量計 - Google Patents

超音波流速分布及び流量計

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、従来の測定対象流体に加え、流体の
流量測定が困難な比較的クリーンな流体の流速分布およ
び流量をも精度よく正確に測定するものである。 【解決手段】本発明の超音波流速分布及び流量計１０
は、トリガ発振手段１２とパルサーレシーバ１４と、パ
ルサーレシーバ１４からの電気信号により超音波パルス
を流体配管２０内の測定線ＭＬに向けて発射させるトラ
ンスジューサ１７と、このトランスジューサ１７からの
反射波である超音波エコー信号を信号処理して解析し、
測定線ＭＬに沿う超音波反射体の位置と速度を求める信
号処理手段２３とを有する。信号処理手段２３は、超音
波エコー信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ
１５を備える。また、トリガ発振手段１２は、パルサー
レシーバ１４とＡＤコンバータ１５間の信号授受タイミ
ングを制御し、かつ超音波パルス発振および超音波エコ
ー信号受信が複数回連続し、その後一定の待ち時間を備
えるように調節設定したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波パルスの利
用して流体の流速分布および流量を測定する超音波流速
分布及び流量計に係り、特に、比較的クリーンな流体を
含む種々の流体の流速分布および流量を非接触測定でき
る超音波流速分布及び流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波パルスのドップラ効果を利用した
ドップラ式超音波流量計として特開２０００−９７７４
２号公報に開示された技術がある。
【０００３】このドップラ式超音波流量計は、トランス
ジューサから超音波パルスを流体配管内の測定線に向け
て発射し、流体配管内を流れる流体内の懸濁微粒子から
の反射波である超音波エコー信号を解析して懸濁微粒子
の位置と速度から測定線に沿う流体の流速分布および流
量を求める装置である。測定線はトランスジューサから
発射される超音波パルスのビームにより形成される。
【０００４】ドップラ式超音波流量計は、不透明流体・
不透明流体配管内に適応することができ、流体配管内を
流れる流体を非接触測定でき、測定線に沿う線測定で流
体配管内の流速分布や、流量が測定できる一方、不透明
流体の流速分布や流量測定にも適用でき、水銀・ナトリ
ウム等の液体金属の流動測定にも利用できる利点があ
る。
【０００５】ドップラ式超音波流量計では、トランスジ
ューサから流体内に発射される超音波パルスの測定線上
における流体速度分布の経時変化が得られるので、流体
配管内を流れる流体の過渡流れや乱流の場における流体
の速度分布や流量計測への応用が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来のドップラ式超音
波流量計では、流体配管内を流れる測定対象流体に懸濁
微小粒子や気泡等の超音波反射体が多数存在し、超音波
反射体が連続的に測定線（超音波ビーム）上に流れてく
ることが流体の流速分布に必要な測定条件である。トラ
ンスジューサからの測定線上に、超音波反射体が流体に
混在して連続して流れてこないと、流体の流速分布測定
に欠陥が生じ、流体の流速分布や流量測定の精度が低下
する問題があった。
【０００７】また、従来のドップラ式超音波流量計は、
超音波反射体からの反射波である超音波エコー信号を信
号処理して解析し、流体の速度分布や流速を求めている
が、既存のドップラ式超音波流量計の信号処理法では、
ひとつの速度分布を得るために、多数の超音波パルスを
繰り返し発射させなければならない。超音波パルスを繰
り返し発射させる従来のドップラ式超音波流量計では、
時間分解能が最高でも１０ｍｓ程度と低いために、流体
配管内を流れる流体流動場に過渡流れや乱流が存在する
と、流体の流速分布および流量を正確に精度よく測定す
ることが困難であった。
【０００８】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、時間分解能を向上させ、流体配管内に過渡流
れや乱流が存在しても、流体の流速分布および流量を正
確に精度よく測定することができる超音波流速分布及び
流量計を提供することにある。
【０００９】本発明の別の目的は、測定対象流体の測定
線上に超音波反射体が不連続かつ間欠的に流れてくる状
態でも、超音波反射体の位置・速度データを蓄積し、流
体の流速分布および流量を精度よく測定できる超音波流
速分布及び流量計を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波流速
分布及び流量計は、上述した課題を解決するために、請
求項１に記載したように、トリガ信号を出力するトリガ
発振手段と、このトリガ発振手段からのトリガ信号によ
り超音波パルス発振信号を出力するパルサーレシーバ
と、このパルサーレシーバからの超音波パルス発振信号
により、超音波パルスを流体内の測定線に向けて発振さ
せるトランスジューサと、このトランスジューサから発
射された超音波パルスを流体内に懸濁する超音波反射体
に反射させ、その反射波である超音波エコー信号を受信
処理して解析し、前記測定線に沿う超音波反射体の位置
と速度を求める信号処理手段とを有し、上記信号処理手
段は、超音波エコー信号をデジタル信号に変換するＡＤ
コンバータを備える一方、前記トリガ発振手段は、パル
サーレシーバとＡＤコンバータ間の信号授受タイミング
を制御し、かつ超音波パルス発振および超音波エコー信
号受信が複数回連続し、その後一定の待ち時間を備える
ように調節設定したものである。
【００１１】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項２に記
載したように、前記信号処理手段は、超音波パルスの反
射波である超音波エコー信号がトランスジューサから伝
達され、トランスジューサからの超音波発振周波数に応
じた周波数帯の超音波エコー信号を選択するフィルタを
有するパルサーレシーバと、このパルサーレシーバから
の超音波エコー信号をサンプリングしてデジタル信号に
変換するＡＤコンバータと、デジタル化された超音波エ
コー信号同士の相互相関をとって信号位相差を解析し、
速度分布を求める流速分布算出手段とを備えたものであ
る。
【００１２】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項３に
示したように、前記パルサーレシーバからのデジタル化
された超音波エコー信号に反射波とノイズを区別する目
的で振幅に閾値を設定し、閾値を超えた超音波エコー信
号同士の相互相関をとり、流体内の同一超音波反射体か
らの反射であることを識別する目的で相互相関の最大値
に閾値を設定し、閾値を超えた相互相関値から信号位相
差を求め、さらに、連続する３発振以上の超音波エコー
信号から求めた２つ以上の相互相関の最大値に閾値を設
定し、これらの閾値を超えた相互相関信号から位相差信
号を求めることにより精度を改善させ、もしくは、連続
する３発振以上の超音波エコー信号から求めた２つ以上
の相互相関の形状保存性に閾値を設定し、これらの閾値
を超えた相互相関信号から位相差信号を求めることによ
り精度を改善させ、速度分布を求める流速分布算出手段
及び流量測定手段を備えたものであり、請求項４に示し
たように、前記信号処理手段は、流体内の同一超音波反
射体からの反射であることを識別する目的で相互相関の
最大値に対して閾値を設定したり、又は相互相関の形状
保存性に対する閾値を設定し、上記閾値を可変とし、被
測定流体中の超音波反射体の多少に応じてこれらを最適
化した、速度分布を求める流速分布算出手段及び流量測
定手段を備えている。
【００１３】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項５に示
したように、速度分解能を向上させるため、超音波を利
用して、反射波のサンプリング時間間隔をもった、離散
的な相互相関関数をもとめ、さらに、トレーサ粒子群か
らの超音波を利用したパルス反射波の形状を保存するた
め、離散間隔Δｔの間隔を短くすべく、分布近似を利用
してより細分割したメッシュで相互相関関数のピークを
求める流速分布算出手段及び流量測定手段を備えてい
る。
【００１４】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項６に
記載したように、前記パルサーレシーバは、トリガ信号
を入力するトリガタイムと超音波パルス発振信号を出力
する信号発信時間との間のバラツキを、ミッションエリ
アからの反射波の超音波エコー信号同士に相互相関をか
けて信号発信時間の時間遅れを補正したものであり、ま
た、請求項７に記載したように、前記トリガ発振手段
は、超音波パルス発振および超音波エコー信号が複数回
連続した後、一定の待ち時間を設定して時間分解能を向
上させたものである。
【００１５】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る超音波流速分布及び流量計は、請求項８に記
載したように、トリガ発振ボードから発振されるトリガ
信号が、連続パルス法、２発信パルス法、および３発信
パルス法により、３種類の流体の流速分布測定法が可能
であり、被測定流体の超音波反射体の状態にあわせ、精
度よく流速分布及び流量の測定を可能としたものであ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明に係る超音波流速分布及び
流量計の実施の形態について添付図面を参照して説明す
る。
【００１７】［測定システム］図１は、本発明に係る超
音波流速分布及び流量計の一実施形態を概略的に示す測
定システムである。
【００１８】この超音波流速分布及び流量計１０は、携
帯式コンピュータとしてのパーソナルコンピュータ（以
下、パソコンという。）１１に流体の流速分布および流
量計測機能を付加したものである。
【００１９】超音波流速分布及び流量計１０は、トリガ
信号を出力するトリガ発振手段としてのトリガ発振ボー
ド１２と、このトリガ発振ボード１２に信号線としての
コネクタケーブル１３を介して接続されたパルサーレシ
ーバ１４とアナログデジタルコンバータボードとしての
ＡＤコンバータ１５とを有する。トリガ発振ボード１２
はパルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５の信
号授受タイミングを制御しており、トリガ信号の出力波
形は、予め設定されたソフトウエアのプログラムにより
任意に設定できる。
【００２０】パルサーレシーバ１４は、信号線であるコ
ネクタケーブル１６を介してトランスジューサ１７に接
続される。パルサーレシーバ１４は、トリガ発振ボード
１２からのトリガ信号（電気信号）を入力して超音波パ
ルス発振信号（電気信号）をトランスジューサ１７に出
力する超音波パルス発振ボードあるいは超音波パルス発
振信号出力手段として機能する。パルサーレシーバ１４
は、デジタルシンセサイザを内蔵し、５０ｋＨｚから２
０ＭＨｚまでの超音波パルス発振信号の出力が可能であ
り、様々な発振周波数特性を有するトランスジューサ１
７に対応できる。
【００２１】一方、トランスジューサ１７は、パルサー
レシーバ１４から出力される超音波パルス発振信号の電
気信号を超音波パルスに変換し、測定線ＭＬに沿って発
射させるようになっている。トランスジューサ１７は被
測定流体である測定対象流体１９を案内する流体配管２
０に所定の設置角度θをなして外側から設置される。ト
ランスジューサ１７は流体配管２０に音響インピーダン
スを整合させるため、一般的には図示しない音響カプラ
を介して設けられる。
【００２２】トランスジューサ１７から発振された超音
波パルスは流体配管２０内を流れる流体１９中に入射さ
れ、懸濁する（混在する）超音波反射体により反射され
る。その反射波はトランスジューサ１７に戻り、このト
ランスジューサ１７にて反射波の大きさに応じた超音波
エコー信号（電気信号）に変換される。超音波パルスの
反射波である超音波エコー信号は続いてパルサーレシー
バ１４に送られ、パルサーレシーバ１４に内蔵されたロ
ーパスおよびハイパスフィルタ、またはバンドパスフィ
ルタにより反射波である超音波エコー信号をフィルタリ
ングし、使用超音波パルスの周波数帯のみを抽出し、ノ
イズの悪影響を抑制している。パルサーレシーバ１４は
超音波パルス受信手段も兼ねている。
【００２３】パルサーレシーバ１４でフィルタリングさ
れたアナログ式の超音波エコー信号は続いてＡＤコンバ
ータ１５に送られ、このＡＤコンバータ１５にて超音波
エコー信号をデジタル信号に変換している。ＡＤコンバ
ータ１５は、反射波を高速にデジタルサンプリングする
ために必要であり、ＡＤコンバータ１５で変換されたデ
ジタルデータはＡＤコンバータ１５のボード上のメモリ
２２に蓄えられ、パソコン１１のハードディスクへの保
存が可能となる。
【００２４】ＡＤコンバータ１５の解像度は、例えば８
ｂｉｔでサンプリング周波数が５００ＭＨｚまで可能で
ある。
【００２５】前記パルサーレシーバ１４およびＡＤコン
バータ１５は信号処理手段２３を流速分布算出手段２４
とともに構成している。信号処理手段２３は、超音波パ
ルスの反射波である超音波エコー信号を信号処理して解
析し、前記超音波反射体あるいは超音波反射体群の位置
と速度を求め、流体の流速分布および流量を測定するよ
うになっている。流速分布算出手段２４はパソコン１１
に内蔵された演算手段である。流速分布算出手段２４は
ＡＤコンバータ１５にメモリ２２とともに内蔵させても
よい。流速分布算出手段２４は、流体の流速分布だけを
算出し、算出された流速分布から、流量算出手段２５に
より流体の流量を算出してもよい。流量算出手段２５は
パソコン１１あるいはＡＤコンバータ１５に内蔵させて
もよい。また、流速分布算出手段２４で流体の流速分布
と流量を計測できるように演算手段をセットしてもよ
い。
【００２６】一方、トランスジューサ１７は、被測定流
体である測定対象流体１９を流す流体配管２０に外側か
ら流体配管２０の軸線方向に対し所要の角度（設置角
度）θで取り付けられる。トランスジューサ１７は音響
カプラを介して流体配管２０に取り付けられ、トランス
ジューサ１７から発振される超音波パルスが流体配管２
０内にスムーズに入射されるように案内される。
【００２７】超音波流速分布及び流量計１０は、パソコ
ン１１に組み込まれるパルサーレシーバ１４、ＡＤコン
バータ１５およびトリガ発振ボード１２をそれぞれ操作
するソフトウエアが必要である。ＡＤコンバータ１５の
ソフトウエアは、アナログ入力信号をデジタル出力信号
に変換することができる一方、出力されたデジタル信号
の信号処理を同時に開始し、リアルタイムで速度分布の
表示ができるように構成される。
【００２８】［流体の流速分布および流量の測定］次
に、超音波流速分布及び流量計１０を用いた流体の流速
分布および流量の計測作用について説明する。
【００２９】この超音波流速分布及び流量計１０を用い
て測定対象流体１９の流速分布および流量を計測するた
めに、実験設備では、流体配管２０として内径Ｄが例え
ば４４ｍｍφのアクリル樹脂管２０ａを使用し、図２
（Ａ）および（Ｂ）に示すように、管開始位置より管軸
方向（Ｘ方向）に１９・Ｄの位置にトランスジューサ１
７を外側から設置した。トランスジューサ１７は、アク
リル樹脂管２０ａに対し傾斜角度θをなして水中に設置
した。符号２６はオーバフロータンク、符号２７は縮流
器、符号２８は実験領域のアクリル樹脂管２０ａを水中
に設置するための容器である。測定対象流体としてこの
実験設備では水を用いた。符号Ｆは水の流れ方向を示す
ものである。
【００３０】この超音波流速分布及び流量計１０は、信
号処理手段２３で相互相関法を用いた信号処理を行い、
ある一定の時間間隔をもって得られた、最低２つの反射
波から測定線ＭＬに沿う流体の速度分布を導き出す手法
を用いて流量計測を行なうようになっており、従来のド
ップラ式超音波流量計に較べ、時間分解能を飛躍的に向
上させることができる。
【００３１】ただ、この方法は、非常に短い時間間隔の
反射波のデータを連続してＡＤコンバータ１５に蓄積し
てから計算を行なうため、反射波のデータ量が多く、反
射波データの取得や計算に時間がかかり、流体の流速分
布をリアルタイムで表示させる場合、不都合である。こ
のことから、取扱う反射波のデータ量を小さくし、連続
する２つの反射波もしくは３つの反射波からデータを取
得し、流体の流速分布を表示してから、次の反射波の取
得を行なう。
【００３２】超音波流速分布及び流量計１０は、トリガ
発振ボード１２からトリガ発振信号（電気信号）がパル
サーレシーバ１４とＡＤコンバータ１５に送られると、
パルサーレシーバ１４から超音波パルス発振のための電
気信号がトランスジューサ１７に送信される。トランス
ジューサ１７は、超音波パルス発振信号を受信して所要
周波数、例えば４ＭＨｚの正弦波状の超音波バースト信
号に変換され、超音波パルスの発振を行なう。
【００３３】トランスジューサ１７は超音波パルスのビ
ームを流体配管２０内に投影する一方、超音波パルスの
発振後、測定対象流体１９に混在する気泡やパーティク
ル粒子等の超音波反射体からの反射波の受信を開始し、
得られた反射波の超音波エコー信号をパルサーレシーバ
１４に返信させる。この超音波の反射波は、パルサーレ
シーバ１４の機能により、超音波周波数に応じたバイパ
スおよびローパスフィルタにより信号処理された後、Ａ
Ｄコンバータ１５に転送され、高速でデジタルサンプリ
ング処理され、デジタル化される。
【００３４】ＡＤコンバータ１５は、サンプリング処理
されたデジタル超音波エコー信号同士を極めて短時間
幅、例えば１μｓ毎に、相互相関法を用いて信号の位相
差を解析することにより、流体配管２０内を流れる流体
１９の測定線（アクリル樹脂管２０ａの直径方向線）Ｍ
Ｌに沿う速度分布を求めることができる。この流体の流
速分布をアクリル樹脂管２０ａの内部面積に沿って積分
することにより、流量を容易にかつ正確に精度よく求め
ることができる。
【００３５】この超音波流速分布及び流量計１０では、
パルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５間にお
ける信号授受タイミングは、トリガ発振ボード１２によ
り行なわれる。各ボード１２，１４，１５間の信号授受
タイミングの取り方は、図３に示すようにタイミング制
御され、複数回連続、例えば３回連続でパルス発信およ
び信号受信を短時間間隔で行なった後、一定の待ち時間
を設けて１サイクルとし、以後、このサイクルが繰り返
されるように制御される。この待ち時間を設定すること
で、時間分解能を大幅に向上させることができる。
【００３６】ところで、超音波流速分布及び流量計１０
は、図４に示すように、トレーサ粒子（超音波反射体）
３０の移動に伴う信号の移動量を信号処理により求める
のであるが、パルサーレシーバ１４のトリガタイムと超
音波エコー発振信号の信号発信時間との間に、図５に示
すように、不確定な時間遅れが存在する。一方、信号処
理で正しく求められる信号の移動量は限られるので、パ
ルサーレシーバ１４によるハードウエア上不可避な信号
発信時間遅れのバラツキ誤差は計測精度上大きな支障を
来す。
【００３７】一方、超音波流速分布及び流量計１０にお
いて、超音波エコー信号のうち、超音波バースト信号を
打ってから直ぐに反射する振幅の大きな強い部分（エミ
ッションエリアからの反射波）は、発信時間によらず、
信号形状が常に等しいことに着目し、振幅の大きな強い
部分の信号同士に相互相関をかけて超音波バースト信号
の時間ずれを補正する。この補正により、図６に示すよ
うに、デジタルトリガ効果が表われ、信号発信のバラツ
キを大幅に減少させることができる。このデジタルトリ
ガの効果により、流体の測定精度が向上することがわか
る。
【００３８】［超音波流速分布及び流量計の測定原理］
図２に示すように、水中に存在するアクリル樹脂管２０
ａに超音波流速分布及び流量計１０のトランスジューサ
１７をセットし、超音波反射体としてトレーサ粒子３０
を懸濁させた流体としての水１９をアクリル樹脂管２０
ａ内に流したときの流体の流速分布を測定する。
【００３９】流体の流速分布を測定する際、トランスジ
ューサ１７の圧電素子から超音波パルスを測定線ＭＬに
沿って発振させると、発振された超音波パルスは、超音
波反射体であるトレーサ粒子３０の表面で反射し、トラ
ンスジューサ１７に戻ってくる。この反射波は、アクリ
ル樹脂管２０ａ内の流動場の各所で起こるため、図７に
示されるように反射波が表われる。
【００４０】最初に表われる超音波バースト信号（超音
波エコー信号）ａは、エミッション領域と呼ばれ、超音
波の発振直後に圧電素子の振動が残っているために生じ
る信号である。次に出てきた超音波バースト信号ｂは管
上部によるものであり、水とアクリル樹脂の音響インピ
ーダンスの違いから生じる信号であり、管下部による超
音波バースト信号ｃも、信号ｂと同様である。超音波バ
ースト信号ｂとｃの間にある信号ｄがアクリル樹脂管２
０ａ内の流体流速情報を含んでおり、ピークが立ってい
るところにトレーサ粒子３０が存在する。
【００４１】トレーサ粒子３０の位置を反射波である超
音波バースト信号ｄから求める。トランスジューサ１７
からトレーサ粒子３０までの距離をｘ、超音波パルスを
発振してから反射波を受信するまでの時間をτ、超音波
の速度をｃとすると、
【数１】 の関係が成立する。
【００４２】この超音波パルスの発振と反射波の受信を
ある時間間隔Δｔ後にもう一度行なうと、同様の反射波
を得ることができるが、Δｔの時間間隔の間に流体１９
が移動すれば、トレーサ粒子３０も追従移動する。この
ため、反射波受信までの時間τも変化する。
【００４３】反射波受信までの時間τの変化量をΔτと
すると、ある位置ｘにおけるｘ方向速度ｕ（ｘ）は、
【数２】 で表わされる。ここでΔｘはある時間間隔Δｔにおける
トレーサ粒子３０の移動量である。
【００４４】超音波パルスの反射は、測定線ＭＬ上の各
所で起こるため、この測定線ＭＬ上における流体の流速
計測を同時に行なうことができ、流体の流速分布を得る
ことができる。
【００４５】流体の流速分布計測をΔｔの時間間隔でｎ
回（但し、ｎ≧２の自然数）連続的に連続パルス法で行
なった場合、時間分解能Δｔの連続流速分布データをｎ
−１枚得ることができる。
【００４６】［相互相関関数］ところで、超音波反射体
であるトレーサ粒子による反射波は、超音波パルスの発
振間隔Δｔを、流体の流速変動スケールに対して十分小
さくとることにより、その時間間隔（発振間隔）Δｔの
間でほぼ保存される。
【００４７】図１に示す超音波流速分布及び流量計１０
のパルサーレシーバ１４は、反射波のアナログ超音波エ
コー信号をＡＤコンバータ１５で高速サンプリング処理
でデジタル信号に変換した後、超音波パルスの発振間隔
Δｔをもって得られた２つの反射波の相互相関関数を計
算し、流体内の同一超音波反射体からの反射であること
を識別する目的で、相互相関に設定した最大値に対する
閾値、又は相互相関の形状保存性に対する閾値を設定す
ることにより、定量化した数値を基に同一のトレーサ粒
子群からの反射であるか否かを判断することができる。
【００４８】一般的に、相互相関関数（Ｒ（ε，τ））
は次のように定義される。
【００４９】
【数３】 τが基準となる時間遅れ、ｉが参照・探索窓内での位
置、εが参照波と探索窓とのずれ、ｍは超音波パルスの
周期分をそれぞれ表している。
【００５０】この相互相関関数Ｒ（ε，τ）を用いて同
一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを定量的に判
別し、それぞれの時間遅れτを計算し、そこから時間変
化量Δτを求める。つまり、最初に得られた反射波、次
の反射波の時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間
遅れτの差（時間差）がΔτとなる。
【００５１】一方、流体の流速分布速度を得るために必
要な超音波パルスの発振間隔Δｔによる反射波の到達時
間差Δτは、デジタルサンプリングされた反射波の相互
相関関数を用いることにより得られる。
【００５２】この相互相関関数Ｒ（ε，τ）は反射波の
サンプリング時間間隔をもった離散的なもので得られ、
Δｔの間隔を短くすればするほど、トレーサ粒子群から
のパルス反射波の形状は保存されるため、より細分割し
たメッシュでΔτを求める手法が不可欠である。
【００５３】そこでΔｔの間隔を短くすべく、例えば正
規分布近似を利用した補完を行なうことができる。この
補完により、より細分割したメッシュで相互相関関数の
ピークを求めることができ、その結果速度分解能も向上
する。
【００５４】今、離散的に得られた各相関値の最大値を
Ｐｋ、その前後の相関値をそれぞれＰｋ−１，Ｐｋ＋１
とすれば、
【数４】 となる。本発明に係る超音波流速分布及び流量計におい
ては、請求項２から４の手法に加え、さらに、この分布
近似を利用した補完を行なって信号処理することによ
り、速度分解能を格段に向上させることができる。
【００５５】［反射波の振幅・相関値のしきい値の設
定］超音波流速分布及び流量計１０による実際の流速分
布や流量の計測においては、誤ったトレーサ粒子の位置
および速度情報を得る可能性があり、これを避けるた
め、振幅・相関値の閾値を利用した処理法を説明する。
【００５６】第１に、実際に反射が起こっていない部分
をトレーサ粒子からの超音波パルスの反射波として捉え
てしまう場合がある。これは、ノイズ信号を誤って有効
信号として捉えてしまうためであり、このような誤信号
をノイズとして捉えるのを防止し、ノイズを棄却するた
めに閾値を設定する。そして、参照波にその閾値よりも
大きな値を探索波が持つときに限り相互相関を計算し、
そうでない場合は棄却することにより、反射波とノイズ
を区別する。
【００５７】もう１つは反射波の相互相関を計算すると
きに、異なるトレーサ粒子群からのパルス反射波を同一
の信号とみなしてしまう場合である。相互相関の計算を
行なうとき、もし同じ形状のパルス反射波がなかったと
しても、相関値が最大となるようなΔτを有効データと
判断してしまうため、誤った速度値が表示されることに
なる。そこで相互相関関数の最大値にも、閾値を設け
る。この閾値の設定により、Δｔの大きさを十分小さく
とれば、パルス反射波の形状は殆ど変化せず、もしく
は、連続する２つ以上の相互相関の形状保存性に閾値を
設定し、これらの閾値を満たした相互相関信号から位相
差信号を求め、これらの閾値を、得られた反射波に合わ
せて設定し、計算処理を行うことによって、速度分布計
測の信頼性は向上する。
【００５８】［エミッショントリガの導入］図１に示し
た超音波流速分布及び流量計１０は、実験で使用された
測定システムの概略図である。この測定システムでは、
正弦波上の超音波パルスの発振・受信に用いるパルサー
レシーバ１４およびアナログ信号をデジタル信号に変換
するＡＤコンバータ１５の制御を外部トリガであるトリ
ガ発振ボード１２で行なっている。
【００５９】一方、ＡＤコンバータ１５のサンプリング
周波数を数百ＭＨｚのオーダーで設定する場合、厳密に
トリガ通りに動かすことは非常に難しく、周波数シフト
が生じる。そこで、トランスジューサ１７からの超音波
パルスの発振直後に反射波に生じるエミッション領域に
注目し、先に受信した反射波のエミッション領域を探索
波、後に受信した反射波のエミッション領域を参照波と
しての相互相関の計算を行ない、時間変化量Δτを求
め、さらに分布近似による補完を行ない、相互相関の計
算を行なう前に、このΔτの分だけ修正する但し、反射
波のサンプリング時間間隔で修正を行った後、より小さ
い離散間隔で細分割したメッシュで最後に計測線上の各
点でのΔτに修正を加え、トリガ発振ボード１２からの
トリガによる微妙な時間のずれを補正する。
【００６０】［トリガ間隔］この超音波流速分布及び流
量計１０においては、図１０に示すように、トリガ発振
ボード１２から発振されるトリガ信号のかけ方を変える
ことが可能で、図１０（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）に示
すように、連続パルス法、２発信（ダブル）パルス法、
および３発信（トライ）パルス法により、３種類の流体
の流速分布及び流量測定法が可能である。
【００６１】連続パルス法は、図１０（Ｂ）に示される
連続発信パルス法により流体の流速分布および流量測定
法をいい、パルス発信数（Ｍ）がＭ≧３をいい、最小の
Ｍ＝３の場合が３発信（トライ）パルス法である。連続
パルス法は、図１０（Ａ）に示すパルスドップラ法と比
べて時間分解能が大幅に向上し、例えば１５０μｓとい
う極めて時間分解能が高い値で測定することができる。
ダブルパルス法は、少ないトレーサ粒子数で流体の流速
分布や流量測定が可能である。
【００６２】また、パルスドップラ法では、１つの速度
分布測に必要なパルス発射回数を２ ５（３２回）と仮定
すると、図１０（Ａ）に示すように計測に３１×Δｔの
時間がかかるが、ダブルパルス法では図１０（Ｃ）に示
すように、Δｔしかかからず、流速分布計測時間を大幅
に短縮でき、時間分解能を大幅に向上させ得る。
【００６３】ここで、トランスジューサ１７の測定線Ｍ
Ｌとトレーサ粒子３０の関係を考え、トランスジューサ
１７の流体配管２０への設置角度をθとし、トランスジ
ューサ１７の直径（有効径）をＤとすると、図１１に示
すように、１つのトレーサ粒子３０から速度を求めるた
めの条件は、パルスドップラ法では、
【数５】 であるのに対し、ダブルパルス法では、
【数６】 となる。
【００６４】（７）式および（８）式より、ダブルパル
ス法ではパルスドップラ法に比較し、より高流速の領域
まで測定可能である。さらに、ダブルパルス法は、２つ
の反射波の波形の相関を１回とるだけで良く、したがっ
て、計算量が極めて少なく、リアルタイムでの流体の流
速分布や流量の表示がより容易である。
【００６５】トライパルス法は、ダブルパルス法の発展
型であり、図１１に示すように原理的にはダブルパルス
法と同じ時間で２倍の速度分布計測を行なうことができ
る。
【００６６】［時間分解能］この超音波流速分布及び流
量計１０は、時間分解能を５００μｓ以上１００μｓ程
度まで向上させることができ、この時間分解能の向上に
より流体配管２０内に過渡流れや乱流が生じても、ま
た、不連続かつ間欠的な流れが生じても、流体の流速分
布および流量を正確に精度よく測定できる。
【００６７】超音波流速分布及び流量計１０に連続パル
ス法、ダブルパルス法あるいは渡来トライパルス法を適
用して流体の流速分布および流量を得るため、２つの反
射波を得るために必要な時間が時間分解能と判断されが
ちである。しかし、実際連続パルス法では、ｎ個の反射
波があったとき、ｎ−１枚の速度分布を得ることができ
る。つまり、最初に１つの反射波を取り込んだ後は、新
たに１つの反射波を取り込む度に速度分布を得ることが
できる。したがって、この超音波流速分布及び流量計１
０では、時間分解能は、連続的に反射波を取り込む際、
１つの反射波を取り込むのに必要な時間であると評価で
き、これは、超音波パルスの発振間隔Δｔに他ならな
い。
【００６８】［速度分解能と測定限界］流体１９の流速
は、実験条件により、音速ｃおよびΔｔが定数となるか
ら、速度の測定精度は理論的にΔτの測定精度に依存す
る。このΔτを得るため、２つの反射波をデジタルサン
プリングし、その相互相関を取るため、移動量は整数値
となり、サンプリング時間間隔をｔｓａｍｐとすれば、
Δτの測定結果には±０．５ｔｓａｍｐ程度の誤差を伴
うことになる。
【００６９】サンプリング時間間隔に対応する速度、す
なわちΔτが１サンプリング時間間隔であった場合に対
応する速度ｕｓａｍｐはΔτをｔｓａｍｐとするだけで
あり、計算できる。すなわち速度分解能ｄｖは、
【数７】 これに分布関数の補完を施すことにより、速度分解能の
測定精度の向上が可能である。
【００７０】この超音波流速分布及び流量計１０は、流
体中に混在するトレーサ粒子等の超音波反射体３０の移
動に伴い、図４に示すように、２時刻間の信号移動量を
相互相関法を用いた信号処理により求め、流体の流速分
布や流量を計測している。
【００７１】この超音波流速分布及び流量計１０は、パ
ルサーレシーバ１４およびＡＤコンバータ１５のボード
間タイミングは、図３に示すように、数回連続でパルス
発振および信号受信を行ない、その後、一定時間の待ち
時間を設けて１サイクルを構成する連続パルス法によ
り、流体の流速分布や流量計測が行なわれる。
【００７２】その際、待ち時間を設定することで、時間
分解能を自由に調節できる。待ち時間の設定は、トリガ
発振ボード１２から発振されるトリガの発振を予めプロ
グラミングするソフトウエアを内蔵させることにより、
自由に行なうことができる。
【００７３】実験に用いた超音波流速分布及び流量計１
０では、時間分解能を約５００μｓに設定し、従来の１
０より数十倍向上させることができる。
【００７４】図１２は、超音波流速分布及び流量計１０
による流体の平均流速分布とＬＤＶの流量計との比較で
ある。超音波流速分布及び流量計１０はトランスジュー
サ１７は流体配管２０に対して傾けて計測し、３０００
時刻の時間平均をとった平均流速分布３５であり、この
流速分布３５は、ＬＤＶの測定に対する平均流速分布３
６を非常によく一致する流速分布データが得られ、高精
度に流速分布及び流量計測が行ない得ることがわかっ
た。
【００７５】図１３は、超音波流速分布及び流量計１０
において、時間分解能を例えば約５００μｓに設定した
とき、５時刻連続の瞬間速度分布を示すものである。図
１３に示された５枚の瞬間速度分布曲線も良く近似して
おり、流体の流速分布を正確に精度よく測定できること
を表わしている。
【００７６】また、図１４は流体配管２０であるアクリ
ル樹脂管２０ａの管中央付近と壁近傍の一点における瞬
間速度をとったものである。管中央付近では流速のバラ
ツキが小さく、変動も高周波成分が見られるのみである
が、壁近傍では流速のバラツキが大きく、流体の流速に
周期的な波が存在することが分かる。
【００７７】
【発明の効果】本発明に係る超音波流速分布及び流量計
は、流体配管内に流れる気体や水等の液体、液体金属の
流速分布および流量測定が非接触にて行ない得る他、従
来のパルスドップラ法では測定が困難であった比較的ク
リーンな流体の流速分布および流量を、デジタル化され
た超音波エコー信号同士を連続パルス法を採用した相互
相関法により比較し、信号の位相差を解析することで、
流速分布および流量を正確に精度よく求めることができ
る。
【００７８】本発明に係る超音波流速分布及び流量計
は、時間分解能を向上させることにより、流体配管内を
流れる流体の過渡流れや乱流発生時の流体流れ、また、
不連続的かつ間欠的な流れでも流体の流速分布および流
量を精度よく正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波流速分布及び流量計の一実
施形態を概略的に示すもので、実験設備に適用した例を
示す図。
【図２】（Ａ）は図１の超音波流速分布及び流量計が設
置される流体配管の平断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の試
験領域を示す断面図。
【図３】超音波流速分布及び流量計に備えられるトリガ
発振ボード、パルサーレシーバおよびＡＤコンバータ間
の信号授受タイミングの取り方を示すもので、連続パル
ス法（トライパルス法）による信号処理の例を示す図。
【図４】流体配管内を２時刻間のトレーサ粒子（超音波
反射体）の移動を説明する測定原理図。
【図５】パルサーレシーバに入力されるトリガ信号（ト
リガタイム）とパルサーレシーバから出力される信号発
信時間との間における信号発信時間遅れのバラツキを示
す図。
【図６】図５における信号発信時間の時間ずれを補正し
たもので、デジタルトリガ効果を示す図。
【図７】本発明に係る超音波流速分布及び流量計のトラ
ンスジューサから発振される超音波パルスの反射波であ
る超音波エコー信号の説明図。
【図８】本発明に係る超音波流速分布及び流量計を用い
て流速パルス法による相互相関をとって流体の流速を測
定する測定原理図。
【図９】本発明に係る超音波流速分布及び流量計による
流速分布測定に、エミッショントリガを導入し、参照波
と探索波の微妙な時間ずれを補正した図。
【図１０】本発明に係る超音波流速分布及び流量計によ
る流体の流速分布を測定する連続パルス法、ダブルパル
ス法およびトライパルス法を従来のパルスドップラ法と
比較して示すトリガ発振間隔の説明図。
【図１１】（Ａ）および（Ｂ）はトランスジューサから
の超音波ビーム上におけるトレーサ粒子のパルスドップ
ラ法とダブルパルス法における移動状態を説明する図。
【図１２】本発明に係る超音波流速分布及び流量計によ
る流体配管内の平均速度分布とＬＤＶの平均速度分布を
比較して説明する図。
【図１３】時間分解能を５００μｓとしたとき、本発明
に係る超音波流速分布及び流量計の５時刻連続の瞬間速
度分布を示す図。
【図１４】本発明に係る超音波流速分布及び流量計を用
いて流体配管の管中央付近と壁近傍の一点における瞬間
速度を示す図。
【符号の説明】
１０ 超音波流速分布及び流量計 １１ パソコン １２ トリガ発振ボード（トリガ発振手段） １３，１６ コネクタケーブル（信号線） １４ パルサーレシーバ １５ ＡＤコンバータ １７ トランスジューサ １９ 測定対象流体（被測定流体） ２０ 流体配管 ２０ａ アクリル樹脂管 ２２ メモリ ２３ 信号処理手段 ２４ 流速分布算出手段 ２５ 流量算出手段 ３０ トレーサ粒子（超音波反射体） ３１ 超音波ビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 靖 北海道札幌市北区北八条西五丁目 中央第 一公務員宿舎12−12 (72)発明者 森 治嗣 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 2F035 DA13

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 トリガ信号を出力するトリガ発振手段
    と、 このトリガ発振手段からのトリガ信号により超音波パル
    ス発振信号を出力するパルサーレシーバと、 このパルサーレシーバからの超音波パルス発振信号によ
    り、超音波パルスを流体内の測定線に向けて発振させる
    トランスジューサと、 このトランスジューサから発射された超音波パルスを流
    体内に懸濁する超音波反射体に反射させ、その反射波で
    ある超音波エコー信号を受信処理して解析し、前記測定
    線に沿う超音波反射体の位置と速度を求める信号処理手
    段とを有し、 上記信号処理手段は、超音波エコー信号をデジタル信号
    に変換するＡＤコンバータを備える一方、前記トリガ発
    振手段は、パルサーレシーバとＡＤコンバータ間の信号
    授受タイミングを制御し、かつ超音波パルス発振および
    超音波エコー信号受信が複数回連続し、その後一定の待
    ち時間を備えるように調節設定したことを特徴とする超
    音波流速分布及び流量計。
  2. 【請求項２】 前記信号処理手段は、超音波パルスの反
    射波である超音波エコー信号がトランスジューサから伝
    達され、トランスジューサからの超音波発振周波数に応
    じた周波数帯の超音波エコー信号を選択するフィルタを
    有するパルサーレシーバと、 このパルサーレシーバからの超音波エコー信号をサンプ
    リングしてデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、 デジタル化された超音波エコー信号同士の相互相関をと
    って信号位相差を解析し、速度分布を求める流速分布算
    出手段とを備えた請求項１記載の超音波流速分布及び流
    量計。
  3. 【請求項３】 前記パルサーレシーバからのデジタル化
    された超音波エコー信号に反射波とノイズを区別する目
    的で振幅に閾値を設定し、閾値を超えた超音波エコー信
    号同士の相互相関をとり、 流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別
    する目的で相互相関の最大値に閾値を設定し、閾値を超
    えた相互相関値から信号位相差を求め、 さらに、連続する３発振以上の超音波エコー信号から求
    めた２つ以上の相互相関の最大値に閾値を設定し、これ
    らの閾値を超えた相互相関信号から位相差信号を求める
    ことにより精度を改善させ、 もしくは、連続する３発振以上の超音波エコー信号から
    求めた２つ以上の相互相関の形状保存性に閾値を設定
    し、これらの閾値を超えた相互相関信号から位相差信号
    を求めることにより精度を改善させ、速度分布を求める
    流速分布算出手段及び流量測定手段を備えた請求項１ま
    たは２に記載の超音波流速分布及び流量計。
  4. 【請求項４】 前記信号処理手段は、流体内の同一超音
    波反射体からの反射であることを識別する目的で相互相
    関の最大値に対して閾値を設定したり、又は相互相関の
    形状保存性に対する閾値を設定し、上記閾値を可変と
    し、被測定流体中の超音波反射体の多少に応じてこれら
    を最適化した、速度分布を求める流速分布算出手段及び
    流量測定手段を備えた請求項１記載の超音波流速分布及
    び流量計。
  5. 【請求項５】 前記信号処理手段は、超音波を利用し
    て、反射波のサンプリング時間間隔をもった、離散的な
    相互相関関数をもとめ、さらに、トレーサ粒子群からの
    超音波を利用したパルス反射波の形状を保存するため、
    離散間隔Δｔの間隔を短くすべく、分布近似を利用して
    より細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求め
    る流速分布算出手段及び流量測定手段を備えた請求項１
    記載の超音波流速分布及び流量計。
  6. 【請求項６】前記パルサーレシーバは、トリガ信号を入
    力するトリガタイムと超音波パルス発振信号を出力する
    信号発信時間との間のバラツキを、ミッションエリアか
    らの反射波の超音波エコー信号同士に相互相関をかけて
    信号発信時間の時間遅れを補正した請求項１記載の超音
    波流速分布及び流量計。
  7. 【請求項７】 前記トリガ発振手段は、超音波パルス発
    振および超音波エコー信号が複数回連続した後、一定の
    待ち時間を設定して時間分解能を向上させた請求項１記
    載の超音波流速分布及び流量計。
  8. 【請求項８】 トリガ発振ボードから発振されるトリガ
    信号が、連続パルス法、２発信パルス法、および３発信
    パルス法により、３種類の流体の流速分布測定法を可能
    とした請求項１記載の超音波流速分布及び流量計。
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