JP2005241407A - 超音波流量計の校正方法、超音波流速分布計の校正方法、超音波流量計、超音波流速分布計、検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コスト増を最小限に抑えながら、超音波流量計や超音波流速分布計による流量計測の高精度化を実現する。
【解決手段】 圧電素子１１を楔体１２を介して配管１００に装着する構成の検出器１０と、この検出器１０による配管１００内の流体１０１への超音波の送受信における超音波エコーのドップラーシフト周波数から流速を得て流体１０１の流量を計測する超音波流量計において、流量換算部２５に個々の検出器１０に固有の検出器定数αが格納される検出器定数記憶部２７を設けた。検出器定数αは、流量が既知の実流校正設備に検出器１０を装着して計測された流量Ｑ_fと、真の（既知の）流量Ｑ_sの比（Ｑ_s／Ｑ_f）として得られた値を用いる。この検出器定数αを、その検出器１０を用いて計測された流量値に乗じることで流量値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計および超音波流速分布計およびそれらの校正技術に関し、特に、測定対象の流体による反射超音波のドップラーシフトを検出して流量を計測する技術に関する。

配管内を流れる流体の流量を計測する流量計として超音波を利用した超音波流量計が知られている。すなわち、図５に示されるように、配管の外周部に送信周波数ｆ₀の超音波を送信する検出器を密着させて配置し、この検出器は配管に対して入射角θ_wで超音波を入射し、流速Ｖ_fで流れる流体中に混在する気泡等の反射体で反射されたエコー波を受信する。そして、式（１）にてエコー波のドップラーシフト周波数ｆ_dを検出し、この式（１）をＶ_fについて解いた以下の式（２）で流速Ｖ_fを測定するものである。ただし、式（２）において、θ_f：超音波の流体への入射角、Ｃ_f：流体の音速、である。

ところで、配管に装着される検出器は、図６のように、電気信号と音響信号を相互に変換することで超音波の送受信を行う圧電素子と配管表面との間に介在し、この圧電素子にて送受信される超音波の通り道となる楔体から構成されている。このため、θ_f、Ｃ_fは、下記の式（３）のスネルの法則により、θ_w：楔体から配管への入射角、Ｃ_w：楔体内の音速、に置き換えられ、流速Ｖ_fは、式（４）で表される。

ドップラー式超音波流量計では、式（４）で求めたＶ_fに、配管の断面積Ａと、ある流速分布を仮定した補正係数Ｋを乗じて、式（５）のように流量Ｑを算出する。

また、ドップラー式超音波流速分布計による流量計測では、図７に示されるように、配管内の流体の流線上のＶ_fを、式（６）のように、超音波の入射線上で所定の間隔にて測定することにより配管断面内の流速分布を求めて、それを配管断面Ａにわたって積分することにより、式（７）にて算出するものであり、ドップラー式超音波流量計よりも高精度である。

上述の式（４）のＶ_fを高精度にするためには、θ_w、Ｃ_wを精度よく求めることが必要である。このため、従来では、ある代表値を用いたり、全ての楔体についてθ_w、Ｃ_wを測定するなどの方法がとられていた。なお、ｆ₀については、水晶振動子から分周して作ることにより、容易に高精度化できる。

しかしながら、従来のようにある代表値を用いると、楔体材質のばらつきによるＣ_wのばらつき、楔体の加工精度によるθ_wのばらつきにより、誤差が発生するという課題がある。また、θ_w、Ｃ_wの誤差を減少させるべく、楔体の製造工程においてθ_w、Ｃ_wを全数測定したり、ばらつきを抑制するため加工精度を上げたり、材質のばらつきを抑えようとすると、特殊な加工・材料管理が必要となり、コストが大幅に増えるという別の課題が生じる。

なお、ドップラー式超音波流量計としては、特許文献１に開示される技術が知られているが、超音波トランスデューサ（検出器）における上述の技術的課題についてはなんら言及がない。
特開２０００−９７７４２号公報

本発明の目的は、トランスデューサ部に起因する製造コストの増大を抑制しつつ、測定値の高精度化を実現可能な超音波流量計およびその校正方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、トランスデューサ部と流量を算出する変換部の組み合わせに影響されることなく、測定値の高精度化を実現可能な超音波流量計を提供することにある。

本発明の他の目的は、トランスデューサ部に起因する製造コストの増大を抑制しつつ、測定値の高精度化を実現可能な超音波流速分布計およびその校正方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、トランスデューサ部と流量を算出する変換部の組み合わせに影響されることなく、測定値の高精度化を実現可能な超音波流速分布計を提供することにある。

本発明は、流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトを検出して当該流体の流量を測定する変換部とを含む超音波流量計であって、前記変換部は、前記トランスデューサ部の特性に応じて前記流量を補正する補正情報が格納される記憶手段を備えた超音波流量計を提供する。

また、本発明は、流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流速分布および流量を測定する変換部とを含む超音波流速分布計であって、前記変換部は、前記トランスデューサ部の特性に応じて前記流量を補正する補正情報が格納される記憶手段を備えた超音波流速分布計を提供する。

また、本発明は、流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流量を測定する変換部とを含む超音波流量計の校正方法であって、前記トランスデューサ部を、流量が既知の基準流体が流通する基準配管に装着して前記基準流体の流量を実測し、当該トランスデューサ部に関する補正情報を得る工程と、前記トランスデューサ部が接続される前記変換部に前記補正情報を設定する工程と、を含むことを特徴とする超音波流量計の校正方法を提供する。

また、本発明は、流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流速分布および流量を測定する変換部とを含む超音波流速分布計の校正方法であって、前記トランスデューサ部を、流量が既知の基準流体が流通する基準配管に装着して前記基準流体の流量を実測し、当該トランスデューサ部に関する補正情報を得る工程と、前記トランスデューサ部が接続される前記変換部に前記補正情報を設定する工程と、を含むことを特徴とする超音波流速分布計の校正方法を提供する。

また、本発明は、超音波流量計または超音波流速分布計に接続され測定対象の配管に装着されることによって当該配管に対する超音波の印加および検出を行うトランスデューサ部として機能する検出器であって、流量が既知の基準流体の流量を実測することによって得られた当該検出器に関する補正情報が目視可能に記録されていることを特徴とする検出器を提供する。

本発明では、変換部の記憶手段に設定される補正情報は、たとえば、流量が既知の基準配管に個々のトランスデューサ部を装着して実測された流量値と、既知の基準配管の流量との比として設定される。これにより、個々のトランスデューサ部の寸法形状および材質等の特性にばらつきがあっても、寸法形状および材質の両方のばらつきを同時に補正して、正確な流量測定を行うことが可能になる。すなわち、トランスデューサ部の制作工程において、当該トランスデューサ部の寸法や材質のばらつきを減少させるために必要以上に厳格な寸法管理や材質管理を行う必要がなくなり、低コストにて流量の測定値の高精度化を実現することが可能になる。

また、変換部に接続される個々のトランスデューサ部の補正情報を当該変換部の記憶手段に設定することで、変換部とトランスデューサ部の組み合わせが変わっても、高精度の流量計測が可能になる。

すなわち、本発明により、コスト増を最小限に抑えながら、超音波流量計や超音波流速分布計による流量の計測における高精度化が図れる。また、複数のトランスデューサ部の相互間の互換性が確保でき、トランスデューサ部と変換部の組み合わせを変えても高精度が保たれる。

本発明の超音波流量計の校正方法によれば、トランスデューサ部に起因する製造コストの増大を抑制しつつ、測定値の高精度化を実現可能となる。
本発明の超音波流速分布計の校正方法によれば、トランスデューサ部に起因する製造コストの増大を抑制しつつ、測定値の高精度化を実現可能となる。

本発明の超音波流量計によれば、トランスデューサ部に起因する製造コストの増大を抑制しつつ、測定値の高精度化を実現可能となる。
また、本発明の超音波流量計によれば、トランスデューサ部と流量を算出する変換部の組み合わせに影響されることなく、測定値の高精度化を実現可能となる。

本発明の超音波流速分布計によれば、トランスデューサ部に起因する製造コストの増大を抑制しつつ、流量の測定値の高精度化を実現可能となる。
また、本発明の超音波流速分布計によれば、トランスデューサ部と流量を算出する変換部の組み合わせに影響されることなく、流量の測定値の高精度化を実現可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図である。本実施の形態の超音波流量計は、測定対象の流体１０１が流通する配管１００に装着される検出器１０（トランスデューサ部）と、この検出器１０に接続される変換部２０からなる。検出器１０は、図６に例示されるように、電気信号と音響信号とを相互に変換する圧電素子１１と、この圧電素子１１と配管１００との間に介在し、圧電素子１１からの超音波の配管１００に対する入射角度を設定する楔体１２とで構成されている。

検出器１０に接続される変換部２０は、圧電素子１１に駆動電圧を与えて超音波を発信させる超音波送信ドライバ２１と、流体１０１から反射され、圧電素子１１に入射した超音波エコーの電気信号を受信して増幅する受信信号増幅制御部２２と、この受信電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２３と、ディジタル変換された信号から式（４）にて流速Ｖ_fを演算する流速演算部２４と、式（５）にて配管１００内を流通する流量を演算する流量換算部２５と、超音波送信ドライバ２１およびＡ／Ｄ変換部２３を制御する送受信クロック発生部２６と、を備えている。

本実施の形態の変換部２０では、流量換算部２５に検出器１０に固有の流量補正値である検出器定数α（補正情報）を入力するための検出器定数記憶部２７（記憶手段）が設けられている。この検出器定数αは、後述の図３および図４に例示される実流校正設備５０における実測値にて、個々の検出器１０を構成する楔体１２における式（４）のθ_wやＣ_wのばらつきに起因する流量値の誤差を、流量換算部２５で補正するためのものであり、変換部２０と検出器１０との組み合わせが変われば、当該検出器１０に関して計測された固有の検出器定数αが設定される。そして、流量換算部２５においては、式（４）、式（５）にて算出された流量Ｑ_fを、式（８）のようにして検出器定数αで補正することにより、真の流量Ｑ_sを得る。

すなわち、個々の検出器１０は、図３に例示されるような実流校正設備５０にて、その検出器定数αの計測が行われる。
図３は、本発明の一実施の形態である超音波流量計および超音波流速分布計の校正方法を実施する実流校正設備５０の構成の一例を示す概念図である。本実施の形態の実流校正設備５０は、基準配管５１と、この基準配管５１に設けられた基準流量計５２および流量調節弁５３と、超音波流量計の変換部２０と同様の構成を持つ基準変換器５５からなる。
基準配管５１は、正確に断面積Ａを持つように内周面が加工されているとともに、その内部を流通する流体５１ａが十分発達した軸対称流となり、直管長さが十分にあるように平滑に仕上げられている。また、基準配管５１の外周面は、内周面と平行になるように平滑に仕上げられている。

そして、基準流量計５２にて観測しつつ流量調節弁５３の開度を調節することで、基準配管５１の内部を流れる流体の流量が精密に設定あるいは制御可能となっている。なお、流体５１ａの流量の精密制御としては、基準流量計５２の代わりに、基準タンク５４を用いて、基準流量計５２を経由して基準タンク５４に単位時間当たりに貯留される流体５１ａの量を精密に計測する方法を用いることもできる。

そして、この実流校正設備５０の基準配管５１に測定対象の検出器１０を装着して固定するとともに、基準変換器５５を接続し、基準流量計５２および流量調節弁５３によって精密に設定された既知の（真の）流量Ｑ_sで流体５１ａを流通させつつ、検出器１０および基準変換器５５にて流量計測を行い、そのときに測定された流量Ｑ_fと既知のＱ_sとに基づいて、検出器定数α＝Ｑ_s／Ｑ_fを算出し、この検出器定数αを、当該検出器１０に固有の補正情報として、当該検出器１０を使用する超音波流量計における変換部２０の検出器定数記憶部２７に記憶させることにより、計測された流量の補正を行う。

そして、必要に応じて、検出器１０の型式等が記載される銘板等の一部に、上述のようにして得られた検出器定数αを目視可能に記録しておくことができる。
これにより、検出器１０における楔体１２の制作工程等において、θ_wを一定値に高精度に加工するために必要以上にコストをかけることなく、また、Ｃ_wを一定にするために、高いコストをかけて材質の選択や管理を行うことなく、検出器１０を超音波流量計に装着して高精度の流量測定を行うことが可能となる。

また、接続される変換部２０との組み合わせが変化した場合には、たとえば、検出器１０の銘板に記録されている検出器定数αを読み取って接続対象の変換部２０に検出器定数αを設定することにより、任意の検出器１０と変換部２０の組み合わせが可能となる。

上述の図１では、超音波流量計に適用した場合を例示したが、図２に例示される超音波流速分布計を用いた流量測定に適用することもできる。
すなわち、図２に例示される超音波流速分布計は、測定対象の流体１０１が流通する配管１００に装着される検出器１０と、この検出器１０に接続される変換部３０からなる。検出器１０は、たとえば、図６に例示されるように、電気信号と音響信号とを相互に変換する圧電素子１１と、この圧電素子１１と配管１００との間に介在し、圧電素子１１からの超音波の配管１００に対する入射角度θ_wを設定する楔体１２とで構成されている。

検出器１０に接続される変換部３０は、圧電素子１１に駆動電圧を与えて超音波を発信させる送信パルス生成部３１と、配管１００から反射され、圧電素子１１に入射した超音波エコーの電気信号を受信して増幅する受信信号増幅制御部３２と、この受信電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３３と、ディジタル変換された信号から式（６）にて流速分布Ｖ_f（ｘ）を演算する流速分布演算部３４と、式（７）にて配管１００内の全断面で流速分布を積分して流通する流量を演算する積分演算部３５と、送信パルス生成部３１およびＡ／Ｄ変換部３３を制御する送受信タイミング制御部３６と、を備えている。

変換部３０には、積分演算部３５に検出器１０に固有の流量補正値である検出器定数αを入力するための検出器定数記憶部３７（記憶手段）が設けられている。この検出器定数αは、上述の図３および図４に例示される実流校正設備５０における実測値にて、個々の検出器１０を構成する楔体１２における式（４）のθ_wやＣ_wのばらつきに起因する流量値の誤差を、積分演算部３５で補正するためのものであり、変換部３０と検出器１０との組み合わせが変われば、当該検出器１０に関して計測された固有の検出器定数αが設定される。

すなわち、積分演算部３５では、式（４）と式（７）にて得られた測定値の流量Ｑ_fを、式（９）のように検出器定数αにて補正することにより、補正後の真の流量Ｑ_sを算出する。

この図２の超音波流速分布計の場合には、配管１００内の流体１０１の流速分布を実測して積分により流量を求めるので、図１の超音波流量計の場合よりも高精度に流量測定が可能であるが、さらに、本実施の形態によれば、検出器定数記憶部３７に格納された検出器定数αにて個々の検出器１０に固有の誤差を補正でき、より一層高精度に流量測定が可能となる。

本発明は、測定対象の流体が流れる配管にトランスデューサ部を装着して流量測定を行う一般の超音波流量計等に広く適用することができる。

本発明の一実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である超音波流速分布計の構成の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である超音波流速分布計の校正に用いられる校正設備の構成例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である超音波流速分布計の校正に用いられる校正設備の作用例を示す概念図である。 超音波流量計の原理を説明する概念図である。 超音波流量計の検出器の配管に対する装着状態の一例を示す概念図である。 超音波流速分布計の原理を説明する概念図である。

符号の説明

１０ 検出器
１１ 圧電素子
１２ 楔体
２０ 変換部
２１ 超音波送信ドライバ
２２ 受信信号増幅制御部
２３ Ａ／Ｄ変換部
２４ 流速演算部
２５ 流量換算部
２６ 送受信クロック発生部
２７ 検出器定数記憶部
３０ 変換部
３１ 送信パルス生成部
３２ 受信信号増幅制御部
３３ Ａ／Ｄ変換部
３４ 流速分布演算部
３５ 積分演算部
３６ 送受信タイミング制御部
３７ 検出器定数記憶部
５０ 実流校正設備
５１ 基準配管
５１ａ 流体
５２ 基準流量計
５３ 流量調節弁
５４ 基準タンク
５５ 基準変換器
１００ 配管
１０１ 流体

Claims (12)

1. 流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流量を測定する変換部とを含む超音波流量計であって、
   前記変換部は、前記トランスデューサ部の特性に応じて前記流量を補正する補正情報が格納される記憶手段を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記補正情報は、流量が既知の前記流体が流通する基準管に前記トランスデューサ部を装着して計測された計測値と、既知の前記流量との比であることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記変換部は、前記管の断面内の特定部位における前記流体の流速を検出する流速演算部と、前記流速および前記断面内に仮定された流速分布に基づいて前記流体の前記流量を測定する流量換算部とを備え、前記流量換算部は、測定された前記流量の値を前記補正情報にて補正した結果を前記流量の測定値として出力することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
4. 前記トランスデューサ部は、電気信号と音響信号との相互変換を行う圧電素子と、前記圧電素子と前記管との間に介在し、前記超音波の前記管に対する入射角を設定する楔体とを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
5. 流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流速分布および流量を測定する変換部とを含む超音波流速分布計であって、
   前記変換部は、前記トランスデューサ部の特性に応じて前記流量を補正する補正情報が格納される記憶手段を備えたことを特徴とする超音波流速分布計。
6. 前記補正情報は、流量が既知の前記流体が流通する基準管に前記トランスデューサ部を装着して計測された計測値と、既知の前記流量との比であることを特徴とする請求項５に記載の超音波流速分布計。
7. 前記変換部は、前記管の断面内における前記流体の流速分布を検出する流速分布演算部と、前記流速分布を前記断面内で積分することで前記流体の前記流量を測定する積分演算部とを備え、前記積分演算部は、測定された前記流量の値を前記補正情報にて補正した結果を前記流量の測定値として出力することを特徴とする請求項５に記載の超音波流速分布計。
8. 前記トランスデューサ部は、電気信号と音響信号との相互変換を行う圧電素子と、前記圧電素子と前記管との間に介在し、前記超音波の前記管に対する入射角を設定する楔体とを含むことを特徴とする請求項５に記載の超音波流速分布計。
9. 流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流量を測定する変換部とを含む超音波流量計の校正方法であって、
   前記トランスデューサ部を、流量が既知の基準流体が流通する基準配管に装着して前記基準流体の流量を実測し、当該トランスデューサ部に関する補正情報を得る工程と、
   前記トランスデューサ部が接続される前記変換部に前記補正情報を設定する工程と、
   を含むことを特徴とする超音波流量計の校正方法。
10. 流体が流通する管に装着され、前記管内の前記流体への超音波パルスの送信および前記流体からの反射超音波の受信を行うトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部における前記超音波の送受信を制御し、前記流体による前記反射超音波のドップラーシフトに基づいて当該流体の流速分布および流量を測定する変換部とを含む超音波流速分布計の校正方法であって、
    前記トランスデューサ部を、流量が既知の基準流体が流通する基準配管に装着して前記基準流体の流量を実測し、当該トランスデューサ部に関する補正情報を得る工程と、
    前記トランスデューサ部が接続される前記変換部に前記補正情報を設定する工程と、
    を含むことを特徴とする超音波流速分布計の校正方法。
11. 超音波流量計または超音波流速分布計に接続され測定対象の配管に装着されることによって当該配管に対する超音波の印加および検出を行うトランスデューサ部として機能する検出器であって、
    流量が既知の基準流体の流量を実測することによって得られた当該検出器に関する補正情報が目視可能に記録されていることを特徴とする検出器。
12. 電気信号と音響信号との相互変換を行う圧電素子と、前記圧電素子と前記管との間に介在し、前記超音波の前記管に対する入射角を設定する楔体とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の検出器。
    
    

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