JP2005241546A - ドップラー式超音波流量計、その演算処理装置、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量算出することで、高精度の流量測定を可能にする。
【解決手段】 超音波トランスジューサ３等により超音波パルスを送受信し、受信信号に所定の処理を施してＡ／Ｄ変換し、これより演算制御部１０において流速分布算出部１１が流速分布を求めることまでは従来と略同様である。そして、流量演算処理部１２における流量の算出は、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドップラー式超音波流量計に関する。

クランプオン型超音波流量計は、水道管等の管状体の外周面の一部に超音波トランスジューサ（任意周波数の超音波パルスを送受信するモジュール）を装着し、この管状体の内部を流れる流体の流速・流量を、管状体の外側から測定する方式の流量計である。クランプオン型超音波流量計は、大別して、伝搬時間差式とドップラー式とに分類できる。

伝搬時間差式は、超音波を、管状体の内部を流れる流体を斜めに横切るような経路で往復させて、超音波が往路と復路のそれぞれを伝搬するのに要する時間の差から、流体の流量を測定する方法である。

一方、ドップラー式は、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡等が、流体と同じ速度で移動すると仮定し、浮遊粒子や気泡等の移動速度から流体の流量を測定する方法である。これは、流体中に超音波を発信して、浮遊粒子等に反射された超音波の周波数がドップラー効果により変化することから、その周波数ズレに基づき流体の流速分布を算出し、更に流速分布を積分演算して流体の流量を算出するものである。

このようなドップラー式超音波流量計の従来技術は、例えば特許文献１等に開示されている。この特許文献１の発明では、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ー式超音波流量計を提案している。特許文献１の発明では、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。これをもとに、ドップラーシフト（周波数シフト；周波数の変化）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。

この流速分布、流量演算について、図６を参照して説明する。
図６において図上（１）で示される一群の反射エコーは、ある送信パルスに対する反射エコーであり、図上（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する反射エコーである。図６のΔｔが送信パルスの繰返し周期（パルス繰返し周期Ｔ）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の部分は配管の入射壁で反射された反射エコーであり、Ｂの部分は配管の反対壁で反射された反射エコーである。ＡとＢの間は、配管内の側線（超音波の進行路）に沿った部分を示しており、このＡ−Ｂ間の各位置における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側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。これより、各位置における流速を算出することで、例えば図示のような流速分布を求めることができる。

尚、流速分布は、受信した反射エコーに基づいて流速を算出する処理を、何十、何百回と繰り返すことで得られる。また、尚、側線は、配管管軸への垂線に対して角度θfとなっており、実際には、上記側線上の位置はこの角度θfを用いて配管断面上の位置へと変換する。

そして、このようにして求めた流速分布を積分処理することにより、流量を算出することができる。その際、全ての流速分布を用いて積分処理するのではなく、図示のような積分範囲における流速分布を用いて積分処理する。積分範囲は例えば配管の中心（管軸）から反対壁までの範囲とする。

また、上記側線上（配管断面上）の特定の位置をチャネルと呼ぶ。換言すれば、側線の任意の範囲を任意数分割したそれぞれをチャネルと呼ぶ。例えば５０分割した場合には５０チャネル存在することになる（この分割数が空間分解能に係わる）。上記流速は、この各チャネル毎に求めることになり、図６に示す流速分布の各点が、各チャネルの位置とその流速を表すことになる。

尚、図６に示す反射エコーの波形の中でどのタイミングのデータがどの位置のチャネルに対応するかは、予め管壁内や流体内における音速や超音波が進む距離が分かっているので、これらに基づいて求めておくことができる。つまり、予め、配管断面上の各位置のチャネル毎に、送信から受信までに掛かる時間を求めておき、このチャネル位置と時間との対応関係を保持しておくことができる。
特開２０００−９７７４２号公報

上記のように流速分布に基づいて積分処理により流量を算出しているので、積分範囲が流量の測定精度に大きく影響する。しかしながら、通常、空間分解能の量子化誤差が発生する為、積分誤差が生じ、結果、測定誤差が生じていた。

本発明の課題は、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量算出することで、高精度の流量測定を可能にするドップラー式超音波流量計、その演算処理装置等を提供することである。

本発明のドップラー式超音波流量計は、超音波のドップラーシフトを利用して配管内を流れる被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計において、任意のパルス繰返し周波数で超音波パルスを前記被測定流体に送出し、その超音波エコーを受信して所定の処理を施すことでドップラーシフト成分を抽出する超音波送受信手段と、前記超音波送受信手段により抽出されたドップラーシフト成分に基づいて、前記被測定流体の流速分布を求める流速分布算出手段と、該算出された流速分布のうち所定の積分範囲の流速分布に基づいて、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量を算出する流量算出手段とを有するように構成する。

上記構成のドップラー式超音波流量計では、流量算出手段において、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量を算出するので、積分誤差がなくなり、以って高精度の流量測定が可能となる。

前記空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式は、例えば、前記積分範囲の開始、終了位置のチャネルについては、そのチャネルの占める領域のうち積分範囲外の領域は除外する算出式である。

上記空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式とは、具体的には例えば、補正前の流量算出式が以下の（１）式である場合には以下の（８）式である。

本発明のドップラー式超音波流量計、その演算処理装置等によれば、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量算出することで、高精度の流量測定を可能にする。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本例によるドップラー式超音波流量計の概略構成図である。
図示のドップラー式超音波流量計は、超音波トランスジューサ３、送受信タイミング制御部４、送信パルス生成部５、送信電圧制御部６、増幅制御部７、フィルタ制御部８、Ａ／Ｄ変換部９、及び演算制御部１０を有する。演算制御部１０は、例えばマイコン（ＣＰＵ／ＭＰＵ）等であり、流速分布算出部１１、流量算出部１２を有している。

尚、上記超音波トランスジューサ３、送受信タイミング制御部４、送信パルス生成部５、送信電圧制御部６、増幅制御部７、フィルタ制御部８、Ａ／Ｄ変換部９をまとめて、超音波送受信部と呼ぶものとする。超音波送受信部は、以下に説明するように、任意のパルス繰返し周波数で超音波パルスを配管１内の被測定流体２に送出し、反射体又は配管内壁による反射波である超音波エコーを受信して、これよりドップラーシフト成分を抽出してＡ／Ｄ変換する。尚、図示のドップラー式超音波流量計は、上記クランプオン型超音波流量計である。

また、尚、流速分布算出部１１、流量算出部１２は、上記マイコン（ＣＰＵやＭＰＵ；コンピュータ）が、内部又は不図示の外部のメモリ等の記憶装置に記憶されている所定のプログラムを実行することにより実現される。また、このプログラム実行に必要なデータも上記記憶装置に記憶されている。

上記超音波パルスは、所定のパルス繰返し周期で、繰返し発信される。このパルス繰返し周期は送受信タイミング制御部４によって制御される。つまり、送受信タイミング制御部４は自己が保持するパルス繰返し周期に従って、パルス送信タイミングが到来する毎に、送信パルス生成部５に送信パルス生成を指示する。送信パルス生成部５は、所定の周波数ｆ0の電気信号TXD0を発生する水晶発振器を有し、上記指示により当該電気信号TXD0（送信パルス）を送信電圧制御部６に送る。送信電圧制御部６は、この電気信号TXD0の電圧を所定の電圧（送信電圧）にして成る電気信号TXD1を、超音波トランスジューサ３に送る。これより、超音波トランスジューサ３より配管１内に上記送信電圧に応じた振幅の超音波パルスが送出される。

超音波トランスジューサ３は、超音波パルスの送受信器であり、上記超音波トランスジューサ３から出力される超音波パルスは、流体２の上流方向に配管管軸への垂線に対して角度θfで、配管１内を流れる流体２に入射するようになっている。この超音波パルスは、例えばパルス幅５mm程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームであり、図示の側線ＭＬ上を進行する。尚、図１では、超音波トランスジューサ３が取り付けられた配管１の管壁を管壁１ａ（入射壁）、その反対側の管壁を管壁１ｂ（反対壁）として示してある。尚、配管１の内径はＤとする。

超音波トランスジューサ３は、上記超音波パルスが流体２内の含まれる反射体（気泡や異物等）により反射されて成る超音波エコーを受信すると、これを電気信号に変換して成るエコー波RXD0を増幅制御部７に送る。

このエコー波RXD0は、電圧レベルが低いので、増幅制御部７によって、このエコー波RXD0を所定の増幅率で増幅する。そして、増幅後のエコー波である増幅制御出力RXD1をフィルタ制御部８に送る。

フィルタ制御部８は、この増幅制御出力RXD1を送信周波数成分とドップラーシフトの成分に分離し、その後ローパスフィルタにてドップラーシフト成分のみを抽出する。この抽出したドップラーシフト成分が、フィルタ制御出力RXD2であり、これをＡ／Ｄ変換部９に送る。Ａ／Ｄ変換部９は、フィルタ制御出力RXD2を所定のサンプリングクロックに基づきＡ／Ｄ変換したＡ／Ｄ変換出力RXD3（ディジタルデータ）を演算制御部１０に渡す。尚、Ａ／Ｄ変換部９がＡ／Ｄ変換する際に用いるサンプリングクロックは、送受信タイミング制御部４が生成・出力しており、これを入力する。

ここで、上記フィルタ制御部８について、従来技術ではあるが、一応詳しく説明しておく。まず、反射エコーの周波数は、送信パルスの周波数に対して流体の流速（反射体の速度）に応じてシフトする（ドップラーシフト）。例えば、送信パルスの周波数が９００（kHz）、反射エコーの周波数が９０２（kHz）であったとすると、上記シフトされた周波数（以下、ドップラー周波数と呼ぶ）は、２（kHz）となる。上記フィルタ制御部８では、このドップラー周波数の信号成分（ドップラーシフト成分）を抽出する。具体的には、発信した超音波パルスの周波数と受信した反射エコーの周波数とを混合し、送信周波数成分をフィルタリングすることで、ドップラーシフト成分を抽出できる。これは、更に詳しくは、直交検波による解析信号の導出の手法を用いるものであり、反射エコー波に対して送信周波数の正弦・余弦成分を乗算して、反射エコー波を送信周波数成分とドップラーシフトの成分に分離し、その後ローパスフィルタにてドップラーシフト成分のみを抽出する。

そして、抽出したドップラーシフト成分の信号をＡ／Ｄ変換部９でディジタルデータに変換してマイコン等の演算処理部１０に入力する。演算処理部１０では、このドップラーシフト成分（余弦・正弦）から一定周期における位相角変化分を算出し、これより、流速分布を求め、流速分布から積分演算により流量を求める。

尚、送信周波数は数百（kHz）〜数（MHz）のオーダーであり、ドップラー周波数は数（kHz）以下のオーダーである。
上記Ａ／Ｄ変換部９の出力を受け取った演算処理部１０では、まず、流速分布算出部１１が、上記測定線ＭＬに沿う測定領域の流速分布を演算する。更に、流量演算処理部１２が、この流速分布のうちの所定の積分範囲の流速分布を用いて積分を行って流量を算出する。本例では、流速分布算出部１１は従来と同じであるが、流量演算処理部１２における流量の算出は、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて行う。

以下、流量演算処理部１２が用いる流量算出式について説明する。
ここで、まず、流量演算処理部１２における従来の流量算出式について説明しておく。
ここでは、例えば、積分方式として中点則(midpoint rule;中間座標則ともいう)を採用しており、また積分範囲は管中心（管軸）から反対壁１ｂまでとしており、この積分範囲に含まれるチャネル数はチャネル０〜チャネルＮまでのＮ＋１個であるものとする。これより、流量演算処理部１２は、例えば以下の（１）式により流量を算出しているものとする。

つまり、各チャネル毎にそのチャネルが配管断面において占める面積を求め、当該面積にそのチャネルの流速を乗算することでそのチャネルの流量を求め、全てのチャネルの流量の総和を求める。

このとき、図２に示すように、積分範囲の両端のチャネル（チャネル０とチャネルＮ）は、その領域の一部が積分範囲外となってしまう場合がある。この場合、上記式（１）で流量を算出すると、積分範囲外の部分も加わるので、算出結果は実際の流量よりも多くなってしまう。このような誤差を、ここでは、上記空間分解能の量子化誤差（又はそれによる積分誤差）と呼ぶものとする。

ここでは、この積分範囲の開始位置と終了位置にあるチャネル（チャネル０とチャネルＮ）については、そのチャネルの占める領域のうち積分範囲外の領域は除外するような算出式となるように上記算出式（１）を補正する。これについて、図３を参照して説明する。

まず、チャネル０について説明する。ここでは、図３に示すように、管中心からチャネル０の中心までの距離がｒ₀であるとする。これは、チャネル０の領域中、積分範囲外となっている部分（図示の斜線部分）の長さが、“Δｒ／２−ｒ₀”であるとも言える。

どのチャネルが上記チャネル０であるかと上記ｒ₀の値、以下の様にして求める。
まず、入力パラメータとして、入射壁１ａから取込み開始位置までの距離Ｄ_CHを入力する。取込み開始位置とは、流速分布の測定開始位置であり、設計者等が任意に決めてよい。従来技術で説明したように、流速分布は、積分範囲外のチャネルについても計測しており、例えば図４に示すように、入射壁１ａから距離Ｄ_CHの位置をその中心とするチャネルを設定し、これを流速分布の測定開始チャネル（図示のCH(0)）とし、このCH(0)から順次Δｒ間隔で反対壁１ｂまでチャネルを設定する。つまり、図４に示すCH(0)〜CH(Z)を設定する。そして、これら各チャネル毎の流速を算出することで流速分布が得られるが、流量の算出は積分範囲内の各チャネルの流速を用いて行う。ここでは上記の通り管中心から反対壁までの長さＤ／２の範囲を積分範囲としているので、図４の例ではCH(M)が積分範囲の開始チャネルとなる。これが図２、図３におけるチャネル０である。尚、Ｍを０に変えているのは、上記算出式（１）に当て嵌める為である。

以上述べたことより、入射壁１ａから各チャネルの中心までの距離ＣＨ_D（Ｘ）は、上記距離Ｄ_CHとΔｒを用いれば、以下の（２）式により求めることができる。
ＣＨ_D（Ｘ）＝Ｄ_CH＋Δｒ×Ｘ ・・・（２）式
（Ｘ；０〜Ｚ）
この算出結果から、そのＣＨ_D（Ｘ）が以下の条件式（３）を満足するチャネルが、上記積分範囲の開始チャネル（図４のCH(M)、図３のチャネル０）であることが分かる。尚、積分範囲の終了チャネルも、以下の条件式におけるＤ／２をＤに置き換えた条件式により求めることができる。

Ｄ／２−Δｒ／２≦ＣＨ_D（Ｘ）≦Ｄ／２＋Δｒ／２ ・・・（３）式
図４の例では、ＣＨ_D（Ｍ）がこの条件式（３）を満足することになるので、以下の（４）式により、上記ｒ₀が求められる。

ｒ₀＝ＣＨ_D（Ｍ）−Ｄ／２ ・・・（４）式
また、上記（１）式におけるｒ_iは、
ｒ_i＝ｒ₀＋Δｒ×ｉ ・・・（５）式
により求めることができる。

これより、まず、上記ｒ₀と、管中心から次のチャネル１の中心までの距離ｒ₁（ｒ₁＝ｒ₀＋Δｒ）とを用いて、チャネル０の領域の中で積分範囲内の領域（図示の斜線部分を除外したもの）の幅Δｒ₀’と中心点ｒ₀’を、以下の（６）、（７）式により求める。

Δｒ₀’＝（ｒ₀＋ｒ₁）／２ ・・・（６）式
ｒ₀’＝０．５×（ｒ₀＋ｒ₁）／２ ・・・（７）式
また、チャネルＮについては、ここでは、図３に示すように、管中心からチャネルＮの中心までの距離がｒ_N、管中心から前のチャネルＮ−１の中心までの距離がｒ_N-1であるとする（これらの値も上記の通り求めることができる）。この場合、チャネルＮの領域の中で積分範囲内の領域（図示の斜線部分を除外したもの）の幅Δｒ_N’と中心点ｒ_N’は、以下のように求められる。

上記求めた結果に基づいて上記（１）式を補正すると、補正後の流量算出式は以下の（８）式となる。

つまり、積分範囲の開始、終了位置のチャネルについては、そのチャネルの占める領域のうち積分範囲外の領域は除外するような算出式としている。
流量演算処理部１２は、この（８）式を用いて流量を算出する。従って、空間分解能の量子化誤差に影響されることなく、高精度の流量測定を行えるようになる。

図５に、実際の実験結果の一例を示す。
この実験では、内径Ｄが５０(mm)の配管を用い、配管内を流れる流体は水とし、分割数（チャネル数）は４０とし、平均流速が５（m/s）、３(m/s)のそれぞれについて、流量演算処理部１２で補正有り／無し各々の流量算出式を用いて流量を測定した。また、電磁流量計を基準メータとした。

その結果、図示の通り、平均流速が５（m/s）の場合、電磁流量計による流量測定結果が647.17（L/min）であるのに対して、補正無しでは723.54（L/min）であり、誤差は11.80（％）であった。一方、補正ありでは649.11（L/min）であり、誤差は殆ど無かった（０．３％程度）。平均流速が３（m/s）の場合も略同様の結果であった。

このように、上記補正した流量算出式（８）を用いた場合には、非常に高精度の流量測定を行えるようになる。尚、電磁流量計は、高精度の流量測定が可能である反面、クランプオン型ではないので、設置する際の手間・費用が非常に掛かるという欠点がある。

尚、上述した説明では積分方式として中点則を用いる場合を例にしたが、これに限らず、他の積分方式（台形則、シンプソン則）を用いる場合にも、本手法は適用できる。

本例によるドップラー式超音波流量計の概略構成図である。 空間分解能の量子化誤差を説明する為の図である。 流量算出式の補正方法について説明する為の図である。 チャネルについて説明する為の図である。 実際の実験結果の一例を示す図である。 従来の流速分布、流量演算について説明する為の図である。

符号の説明

１ 配管
２ 流体
３ 超音波トランスジューサ
４ 送受信タイミング制御部
５ 送信パルス生成部
６ 送信電圧制御部
７ 増幅制御部
８ フィルタ制御部
９ Ａ／Ｄ変換部
１０ 演算制御部
１１ 流速分布算出部
１２ 流量算出部

Claims (5)

1. 超音波のドップラーシフトを利用して配管内を流れる被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計において、
   任意のパルス繰返し周波数で超音波パルスを前記被測定流体に送出し、その超音波エコーを受信して所定の処理を施すことでドップラーシフト成分を抽出する超音波送受信手段と、
   前記超音波送受信手段により抽出されたドップラーシフト成分に基づいて、前記被測定流体の流速分布を求める流速分布算出手段と、
   該算出された流速分布のうち所定の積分範囲の流速分布に基づいて、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量を算出する流量算出手段と、
   を有することを特徴とするドップラー式超音波流量計。
2. 前記空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式は、前記積分範囲の開始、終了位置のチャネルについては、そのチャネルの占める領域のうち積分範囲外の領域は除外する算出式であることを特徴とする請求項１記載のドップラー式超音波流量計。
3. 前記空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式は、補正前の流量算出式が以下の（１）式である場合には以下の（８）式である
   

   

   

   ことを特徴とする請求項１又は２記載のドップラー式超音波流量計。
4. 超音波のドップラーシフトを利用して配管内を流れる被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計における演算処理装置において、
   前記配管内に送出された超音波パルスの反射波である超音波エコーの受信信号に所定の処理を施すことで得られたドップラーシフト成分に基づいて、前記被測定流体の流速分布を求める流速分布算出手段と、
   該算出された流速分布のうち所定の積分範囲の流速分布に基づいて、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量を算出する流量算出手段と、
   を有することを特徴とするドップラー式超音波流量計における演算処理装置。
5. 超音波のドップラーシフトを利用して配管内を流れる被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計におけるコンピュータに、
   前記配管内に送出された超音波パルスの反射波である超音波エコーの受信信号に所定の処理を施すことで得られたドップラーシフト成分に基づいて、前記被測定流体の流速分布を求める機能と、
   該求められた流速分布のうち所定の積分範囲の流速分布に基づいて、空間分解能の量子化誤差を補正した流量算出式を用いて流量を算出する機能と、
   を実現させるためのプログラム。
   
   

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