JP2005241472A - ドップラ式超音波流量計、その超音波パルスの繰り返し周波数調整方法、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定流体の流速が推定できない場合、あるいは、流速が変動する場合においても高精度に、流体の流速分布や流量が計測できるドップラ式超音波流量計を提供する。
【解決手段】 センサ２０から発射された超音波パルスは、流体中の反射体に反射し、再びセンサ２０に受信される。受信された信号は、増幅され、デジタル信号に変化されて、位相角分布計測回路において、チャネル毎に各反射エコーの位相角が求められ、分布が時間方向及び、チャネル横断方向に渡って求められる。求められた位相角から流速が算出され、繰り返し周波数設定処理部において、計測された流速に最も適した繰り返し周波数が選択され、発振器に繰り返し周波数設定指令が出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ドップラ式超音波流量計に係り、特には、そのパルス送出の繰り返し周波数の調整装置に関する。

特許文献１で示されているように、非定常状態の流体に対し、非接触で高精度に測定可能なドップラ式超音波流量計が提案されている。同技術では、超音波パルス（群）を被測定流体に対して所要の間隔で送信し、測線上の反射体にて反射した超音波エコーを受信する。これを基に、ドップラシフトを算出し、被測定流体の流速分布を求め、この流速分布に基づいて積分演算により流量を導くことで、流量計測を可能としている。

上記のようなドップラ式超音波流量計に関する技術は、さまざまな提案がなされており、例えば、特許文献２には、パルスドップラ式超音波流量計において、測定時に影響の大きいノイズの測定に対する影響を効果的に低減する技術が開示されている。
特開２０００−９７７４２号公報 特開２００１−３２４３６３号公報

しかし、上記の従来技術では、被測定流体の流速がどの程度かを予め推定できることを前提としており、被測定流体の流速が推定できない場合や、流速が変動する場合などにおいて、最適に流速を測定する方法は提示していない。

被測定流体の流速を予め推定できない、もしくは流速が変動する場合においては、測定の分解能等を適切に調整する必要があり、そのためには、超音波パルス（群）を送信する繰り返し周期を適切に調整しなくてはならない。繰り返し周期を適切に調整することにより、被測定流体の流速分布、及び流量を高精度に測定することが可能となる。

本発明の課題は、被測定流体の流速が推定できない場合、あるいは、流速が変動する場合においても高精度に、流体の流速分布や流量が計測できるドップラ式超音波流量計を提供することである。

本発明のドップラ式超音波流量計は、超音波のドップラシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラ式超音波流量計において、超音波パルスを被測定流体に送出し、反射エコーを受信する超音波送受信手段と、各チャネルの反射エコーの位相角を複数サンプルに渡り取得し、あるチャネルの該位相角の分布の様子から、被測定流体の流速に対して測定精度が十分得られるように、被測定流体内に送出する超音波パルスの繰り返し周波数を自動的に制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の方法は、超音波のドップラシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラ式超音波流量計における繰り返し周波数調整方法であって、超音波パルスを被測定流体に送出し、反射エコーを受信する超音波送受信ステップと、各チャネルの反射エコーの位相角を複数サンプルに渡り取得し、あるチャネルの該位相角の分布の様子から、被測定流体の流速に対して測定精度が十分得られるように、被測定流体内に送出する超音波パルスの繰り返し周波数を自動的に制御する制御ステップとを備えることを特徴とする。

本発明においては、測定された位相角の特定チャネルについての分布を基に、この分布が一定の基準を見たすように繰り返し周波数を変動させ、繰り返し周波数を流速に対して最適化する。

本発明によれば、被測定流体の流速が推定できない、あるいは、流速が変動する場合においても、高精度に流速分布や流量を測定できるドップラ式超音波流量計を提供することができる。

図１及び図２は、ドップラ式超音波流量計の測定原理を説明する図である。
図１に示すように、流体が配管１０の中を流れているとする。超音波パルスを送出し、反射エコーを受信するセンサ１１は、配管１０に対し斜めに取り付けられており、超音波パルスを配管の直径方向とは角度を付けて送出する。この超音波パルスが送出される方向に引いた直線を測線と呼ぶ。送出された超音波パルスは、配管１０のａ及びｂの部分で比較的大きな反射エコーを生じる。流体内には、気泡などの反射体が含まれており、送出された超音波パルスはこれらによっても反射され、反射エコーを生じる。配管１０によって生じた反射エコーは、配管１０が静止しているため、送出した超音波パルスと同じ周波数で受信されるが、気泡などによって反射された反射エコーは、気泡等が流体と共に流れているので、ドップラシフトを受け、送出した超音波パルスとは異なる周波数で受信される。超音波エコーのドップラシフト量を角周波数ωｄで表すと、図１の場合、流体が右から左に流れている場合には、ωｄ＞０となり、流体が左から右に流れている場合には、ωｄ＜０となる。

図２は、反射エコーを受信した様子を示した図である。
（１）で示される一群の反射エコーは、ある送信パルスに対応した反射エコーであり、（２）で示される一群の反射エコーは、その送信パルスに続いて送出されたパルスに対応する反射エコーである。図２のΔｔが送信パルスの繰り返し周期である。反射エコーには、Ａの部分とＢの部分に大きな振幅を持った部分がある。Ａの部分は、図１の配管１０のａの部分で反射された反射エコーであり、Ｂの部分は、図１の配管１０のｂの部分で反射された反射エコーである。図２のＡとＢの間は、配管内の測線に沿った部分を示している。従って、図２のＡとＢの間のある位置の反射エコーのドップラシフト量を計測することにより、その位置に対応する測線上の位置における流体の流速を測定することができる。従って、図２のＡとＢの間のそれぞれの位置におけるドップラシフト量を計測することにより、測線に沿った流速分布を知ることができる。また、このようにして知った流速分布を配管１０の断面に渡って積分処理することにより、流量を知ることができる。図２のＡとＢの間の特定の位置をチャネルと呼ぶ。

なお、流速を知るには、ドップラシフトによる周波数の変化を知ればよいのであるが、実際の測定装置では、ドップラシフトωｄと繰り返し周期Δｔを用いて位相角をまず計測し、これを演算処理することにより、流速を求める。

図３は、本発明の実施形態に従ったドップラ式超音波流量計の構成を示すブロック図である。
発振器２２から出力された周期信号をエミッタ２１に入力する。エミッタ２１は、周期信号から、センサ２０に超音波パルスを送出させるための電気パルスを生成し、センサ２０に入力する。センサ２０は、超音波パルスを配管の管壁を介して流体内に送出し、反射エコーを受信する。反射エコーはセンサ２０によって電気信号に変換され、増幅器２３で増幅される。増幅された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル信号に変換され、位相角分布計測回路２５に入力される。位相角分布計測回路２５においては、受信反射エコーの電気信号をデジタル変換した信号から、各チャネルの位相角を計測する。得られた位相角分布は、流速算出処理部２６において演算され、流速が求められる。求められた流速は、繰り返し周波数設定処理部２７に入力され、超音波パルスの送出繰り返し周波数が、流速に対して最適に設定されているかを判断し、最適でない場合には、繰り返し周波数の補正指令を発振器２２に送出する。また、繰り返し周波数設定処理部２７は、流速を流量演算処理部２８に入力し、流量演算処理部２８において、流量が計算される。

また、繰り返し周波数設定処理部２７’は、基準分解能記憶装置３１から、計測された流速に適しているとして予め設定されている基準分解能の値を取得し、この基準分解能を満たすように、送信超音波パルスの繰り返し周波数を制御する。あるいは、繰り返し周波数設定処理部２７’は、計測された流速に適した繰り返し周波数を保持するＰＲＦ（繰り返し周波数）テーブル記憶装置３０から最適な繰り返し周波数を読み出し、発振器２２に繰り返し周波数の補正指令を出すようにしてもよい。

流速を測定するための反射エコーのサンプリングは、１回の送出パルスに対し、１回であるので、送出パルスの繰り返し周波数が小さい、すなわち、繰り返し周期が長い場合には、サンプリングレートが小さくなり、流速の時間分解能が小さくなる。また、逆に、繰り返し周波数が大きい、すなわち、繰り返し周期が短い場合には、サンプリングレートが大きくなり、流速の時間分解能が大きくなる。

図４及び図５は、本発明の実施形態に従った流量測定処理を説明する図である。
被測定流体の流量測定において、初期設定は、例えば、ある一定流速に対する最適な繰り返し周波数を設定する（ステップＳ１０）。そして、図５（ａ）にあるように、測定中のドップラ効果による位相角の複数サンプルに渡る平均位相角の最大となる測定位置（チャネル）を検出する（ステップＳ１１）。そして、このチャネルにおいて、複数サンプルにわたる位相角分布をモニタリングし（ステップＳ１２）、その分布が、所定の範囲、例えば、図５（ｂ）にあるように、０°〜３６０°（２π）の範囲内であるかどうかを判断する（ステップＳ１３）。このとき、位相角の分布が同範囲内に収まらない場合は、被測定流体の流速に対する最適な繰り返し周波数を、以下の測定条件式を基に演算にて自動算出する（ステップＳ１４）。

４ｆ０Ｖｓｉｎα／Ｃf≦ｆprf＜Ｃf／（２Ｄ）
ここで、ｆ0は、送信超音波パルスの周波数、Ｖは、流体の最大速度、Ｃfは、流体内の音速、αは、送信超音波パルスの入射角、ｆprfは、送信超音波パルスの繰り返し周波数、Ｄは、配管の内径である。

なお、上記所定の範囲は、ωｄが正であるときは、０°〜３６０°、ωｄが負のときは、−３６０°〜０°、ωｄが正にも負にもなりうる場合には、−１８０°〜１８０°などのように当業者によって適宜設定されるべきものである。

また、最適な繰り返し周波数を探すアルゴリズムは、例えば、図５（ｂ）のようなヒストグラムにおいて、上記所定の範囲の中心より、位相角の平均が大きければ、繰り返し周波数を大きくし、該中心より位相角の平均が小さければ、繰り返し周波数を小さくする。このとき、許される繰り返し周波数として、上記式を満たすものを採用する。繰り返し周波数を変化させた結果、上記式を満たさなくなった場合には、上記式の上限あるいは下限の値に設定する。

次に、算出した繰り返し周波数を用いて再度サンプリングを行い、位相角の分布を調べて範囲内であるかを判断し（ステップＳ１３）、範囲内であれば同周波数を繰り返し周波数として設定し（ステップＳ１５）、流量測定を行う（ステップＳ１６）。このとき、範囲内に収まらない場合は、再度行ったサンプリングにて得られた最大流速値を用いて、繰り返し周波数を改めて算出し、同様の判断を行う。

図６は、図４に対応する処理における最適繰り返し周波数の算出基準の別の形態を説明する図である。
なお、図６においては、図４と同じステップは同じステップ番号を付し、説明を省略する。

図６に示されるように、本形態では、ステップＳ１３’において、位相角分布が許容範囲内の中心近くに収まるか否かを判断する。
上記流量測定において、例えば、最大位相角を持つチャネルの複数サンプルに渡る位相角分布の許容分布範囲を０°〜３６０°（２π）とするならば、流速の多少の変化を考慮すると、設定時の位相角は同範囲のある特定の角度に近い位置に分布することが望ましい。そこで、例えば、分布の中心がある位相角であった場合は（図５参照）、特定の角度は、π付近とし、分布の中心がこれに近くなるように、実際の分布の中心の位相角と特定の角度との比較演算を行い、繰り返し周波数を変化させることによって、最適な繰り返し周波数を算出する。これにより、最終的に最も分布の中心がπに近くなるような繰り返し周波数を設定し、流量測定を行う。

図７は、本発明の第２の実施形態を説明するフローチャートである。
予め流速を推定できない流体に対し、繰り返し周波数を測定可能領域の最大値に自動設定し（ステップＳ２２）、規定の繰り返し周波数にて超音波パルスを入射し（ステップＳ２３）、その反射エコーより仮の流速を算出する（ステップＳ２４、Ｓ２５）。ここで、求められる流速は必ずしも高精度に流速を示すものではないが、被測定流体における流速の概算値が得られる。そのため、この流速の概算値を基に、該当する流速のドップラシグナルを最適な分解能で測定するための繰り返し周波数を、予め設定された基準分解能を基に算出する（ステップＳ２６）。これにより得られた最適な繰り返し周波数を、流速が未定な被測定流体の流量測定における繰り返し周波数として設定し（ステップＳ２７）、実際の流量測定にいたる（ステップＳ２８）。ここで、基準分解能に基づく繰り返し周波数の演算は、計測された概算の流速に対して与えられる基準分解能を達成するように、繰り返し周波数を変化させるようにすればよい。このように、基準分解能は、各流速値にそれぞれ与えられるものであり、繰り返し周波数は、周波数が高いほど時間分解能が高く、低いほど時間分解能が低い。繰り返し周波数から得られる繰り返し周期は、時間分解能を示しており、流速の変化をどの程度の時間的インターバルで計るべきかを基準分解能から取得し、繰り返し周期をその値に設定するようにする。

なお、流速の概算値と、実際の流速に十分な一致が得られないときは、これらの一連の操作を、流速と繰り返し周波数の関係が最適になるまで繰り返して行うようにしても良い。

同様に、流速の変動が見られる被測定流体においても、繰り返し周波数の再設定が必要となる。そこで、流量の計測過程において、流速の変動を定常的にモニタし（ステップＳ２０）、その変動幅が予め設定した閾値を超えたことを検出すると（ステップＳ２１）、変動後の流速のドップラシフトを最適な分解能で測定するために、基準分解能を基に繰り返し周波数の最適化演算が実行される（ステップＳ２６）。これにより得られた最適な繰り返し周波数を用いて、流量測定を継続する（ステップＳ２７、Ｓ２８）。

図８は、繰り返し周波数の設定方法について説明する図である。
上記における繰り返し周波数の最適化演算方法においては、ある特定流速の被測定流体における位相角の変化の時間分解能を基準とする。つまり、流速の測定が高精度となる位相角変動の時間分解能を算出し、これを基準分解能として、その測定条件等を記憶する。そして、仮測定、及び流量測定過程で算出された流速の変動の時間分解能が、この基準分解能を満たすよう演算にて最適な繰り返し周波数を算出する。

図９は、本発明の第３の実施形態を説明する図である。
繰り返し周波数の最適化処理において、処理時間の短縮のために予め流速と最適な繰り返し周波数の関係を示した、図９の表１のようなテーブルを用いる。ここでは、同テーブルをメモリ等の記憶手段に記憶し、仮測定、及び、流量測定過程で算出された流速値を基に、テーブルから最適な繰り返し周波数を抽出する。このようにして、抽出された繰り返し周波数を用いて、被測定流体の流量測定を行う。

なお、この際に、現状の繰り返し周波数から徐々に変化させながら、テーブルより抽出された最適な繰り返し周波数に至るまで、段階的に繰り返し周波数の最適化を行うこととしても良い。

以上の本発明の実施形態によれば、事前に流速を推定できない上、配管内に不純物の混入が見られるよな流体において、配管外部から簡単に取り付けるだけで高精度な流量測定が可能となる。

また、流速の測定が高精度となる時間分解能を基準とし、流速に関わらず基準分解能と同程度の分解能を満たす繰り返し周波数を再設定することが可能となる。
更に、最適な繰り返し周波数を予めテーブルに設定しておくことにより、最適化演算のための処理を行うことなく簡単に流速に応じた繰り返し周波数を再設定することが可能となる。

ドップラ式超音波流量計の測定原理を説明する図（その１）である。 ドップラ式超音波流量計の測定原理を説明する図（その２）である。 本発明の実施形態に従ったドップラ式超音波流量計の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に従った流量測定処理を説明する図（その１）である。 本発明の実施形態に従った流量測定処理を説明する図（その２）である。 図４に対応する処理における最適繰り返し周波数の算出基準の別の形態を説明する図である。 本発明の第２の実施形態を説明するフローチャートである。 繰り返し周波数の設定方法について説明する図である。 本発明の第３の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１０ 配管
１１、２０ センサ
２１ エミッタ
２２ 発振器
２３ 増幅器
２４ Ａ／Ｄ変換器
２５ 位相角分布計測回路
２６ 流速算出処理部
２７、２７’ 繰り返し周波数設定処理部
２８ 流量演算処理部
３０ ＰＲＦ（繰り返し周波数）テーブル記憶装置
３１ 基準分解能記憶装置

Claims (15)

1. 超音波のドップラシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラ式超音波流量計において、
   超音波パルスを被測定流体に送出し、反射エコーを受信する超音波送受信手段と、
   各チャネルの反射エコーの位相角を複数サンプルに渡り取得し、あるチャネルの該位相角の分布の様子から、被測定流体の流速に対して測定精度が十分得られるように、被測定流体内に送出する超音波パルスの繰り返し周波数を自動的に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするドップラ式超音波流量計。
2. 前記位相角の分布が、予め定められた範囲に入るように前記繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載のドップラ式超音波流量計。
3. 前記位相角の分布が、予め定められた範囲の中心に近い部分に集中するように前記繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載のドップラ式超音波流量計。
4. 前記予め定められた範囲は、−３６０°〜０°、−１８０°〜１８０°、あるいは、０°〜３６０°のいずれかであることを特徴とする請求項２または３に記載のドップラ式超音波流量計。
5. 前記位相角の分布を使用する代わりに、前記被測定流体の流速に対して、予め設定される基準分解能を達成するように前記繰り返し周波数を設定することを特徴とする請求項１に記載のドップラ式超音波流量計。
6. 被測定流体の流速の変動が予め設定した閾値を超えるか否かを判断し、閾値を超える場合には、変動後の流速とその基準分解能を基に繰り返し周波数を補正することを特徴とする請求項５に記載のドップラ式超音波流量計。
7. 予め流速と最適な繰り返し周波数の対応を示したテーブルを備え、
   前記位相角の分布を使用する代わりに、測定された流速に対して、該テーブルから読み出した最適な繰り返し周波数を設定することを特徴とする請求項１に記載のドップラ式超音波流量計。
8. 超音波のドップラシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラ式超音波流量計における繰り返し周波数調整方法であって、
   超音波パルスを被測定流体に送出し、反射エコーを受信する超音波送受信ステップと、
   各チャネルの反射エコーの位相角を複数サンプルに渡り取得し、あるチャネルの該位相角の分布の様子から、被測定流体の流速に対して測定精度が十分得られるように、被測定流体内に送出する超音波パルスの繰り返し周波数を自動的に制御する制御ステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
9. 前記位相角の分布が、予め定められた範囲に入るように前記繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記位相角の分布が、予め定められた範囲の中心に近い部分に集中するように前記繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記予め定められた範囲は、−３６０°〜０°、−１８０°〜１８０°、あるいは、０°〜３６０°のいずれかであることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記位相角を使用する代わりに、前記被測定流体の流速に対して、予め設定される基準分解能を達成するように前記繰り返し周波数を設定することを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 被測定流体の流速の変動が予め設定した閾値を超えるか否かを判断し、閾値を超える場合には、変動後の流速とその基準分解能を基に繰り返し周波数を補正することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 予め流速と最適な繰り返し周波数の対応を示したテーブルを備えるステップを備え、
    前記位相角の分布を使用する代わりに、測定された流速に対して、該テーブルから読み出した最適な繰り返し周波数を設定することを特徴とする請求項８に記載の方法。
15. 超音波のドップラシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラ式超音波流量計における繰り返し周波数調整方法をコンピュータに実現させるプログラムであって、
    超音波パルスを被測定流体に送出し、反射エコーを受信する超音波送受信ステップと、
    各チャネルの反射エコーの位相角を複数サンプルに渡り取得し、あるチャネルの該位相角の分布の様子から、被測定流体の流速に対して測定精度が十分得られるように、被測定流体内に送出する超音波パルスの繰り返し周波数を自動的に制御する制御ステップと、
    を備えることを特徴とするプログラム。

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