JP2005292102A - 超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な断面流速および断面流量を計測できる超音波流速／流量測定方法を提供すること。
【解決手段】センサー３よりパルス超音波を送受信する。受信した信号は、検波信号処理回路４に出力する。そして、入力信号を処理して、流体の速度に十分追従した反射体からの反射信号を選別し、速度分布計５に出力し、測定線方向の速度分布を算出する。センサー位置データをもとに、使用するセンサーを設定する。また、信号処理制御装置６において、使用センサーの位置情報と速度分布データから流路断面の速度情報を計算する。上記で計算された流路断面の反射強度分布および流速分布情報は画像処理装置８により最適化され、表示装置９に出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法に関する。

従来、パルス超音波を用いた流量計がある。この流量計は、パルス超音波の流体中における伝播時間から流体の平均流速を測定し、これに既知の流路断面積および補正係数を乗算することにより流量を測定するものであったため、配管内表面等の経年変化により、流量指示値が変動してしまい、定期的な再校正を行い新たな補正係数を求めることが不可欠であった。

この問題を解決するために開発されたドップラ式超音波流量計が報告されている（例えば、特許文献１参照、特許文献２参照）。この超音波流量計は一つの超音波センサーからパルス超音波を発射し、流体中に混入している反射体からのドップラ信号を同じ超音波センサーで受信してドップラ・シフト周波数から速度を、また計測された瞬時流速の時間遅れから位置を同定することにより瞬時流速分布を求める。円管であれば、この瞬時流速分布を中心軸に対して積分することで流量が算出可能である。このように、このドップラ式超音波流量計は流体の流速分布を直接計測し流量を求める原理から、流量算出のための補正係数を必要としない。
特開２０００−９７７４２（Ｐ２０００−９７７４２Ａ） 特開２００４−６１１０９（Ｐ２００４−６１１０９Ａ）

しかしながら、上述した従来のドップラ式超音波流量計では、次のような問題点がある。円管において曲り管などから十分な助走区間が取れない場合や、経年変化による配管内表面の付着物または表面粗さが変化する場合を考える。流れは偏流、つまり中心軸に対して非対称な断面流速分布となることから、一つの測定線では断面流速分布および断面流量を高精度に計測できない。

また、完全に発達した対称な流れ場であっても、円管ではなく矩形管や開水路などの場合を考える。この場合、流れ場に対して一つの測定線で計測した流速分布から流量を算出するには何らかの補正係数を必要とするが、流路内表面の経年変化や助走距離によって断面流速分布が変化することから、その補正係数が適用外となってしまうため、断面流速および断面流量を高精度に計測できない。

つぎに、上下水処理場で取り扱うような大きさや密度の異なる固体粒子や気泡を含む流体を計測する場合を考える。超音波パルスのドップラ・シフト周波数によって求まる速度は超音波の反射体である流体中の固体粒子や気泡の速度であるため、これらの反射体が流体の速度に十分追従しない大きさや密度であると、正確な流体速度が計測できない。また、超音波ビームよりも大きな反射体が通過すると、その反射体より奥の流速分布が計測できない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、円管における非対称な流れ場のみならず、矩形管や開水路などの流れ場においても高精度な断面流速および断面流量を計測でき、かつ、流体中に流体の速度に十分追従しない固体粒子や気泡が存在する場合でも、流体の断面流速および断面流量を高精度に計測できる超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、流速分布と同時に固体粒子や気泡の時空間分布および反射強度分布が計測可能な超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波断面流速／流量測定方法は、超音波を送受信できるセンサー群と、上記センサー群のうち使用するセンサーを出力する信号処理制御装置と、上記使用したセンサーからの信号を入力し、その入力信号を選別する検波信号処理回路と、上記検波信号処理回路による信号を入力し速度分布を計算する速度分布計と、上記速度分布計からの信号を入力するとともに、上記信号処理制御装置からの測定座標を入力し流路断面の速度分布を演算する演算回路と、上記演算回路からの信号を入力し画像処理する画像処理装置と、上記画像処理装置からの信号を出力する出力装置を有するものである。

また、本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法は、センサー群より使用するセンサーを入出力する工程と、使用するセンサーよりパルス超音波を発信し、流れ場に混入している反射体からの超音波エコーを受信する工程と、検波信号処理回路において受信した信号の強度から流体の速度に十分追従する検波信号とそうでない検波信号を選別する工程と、速度分布計においてセンサーから送られた信号を処理して測定線方向の速度分布を算出する工程と、信号処理制御装置において、測定線の座標を求める工程と、速度分布計からの測定線方向の速度分布データを入力し、信号処理制御装置からの測定座標を入力して、流路断面での速度分布を算出する工程と、演算回路からの信号を入力し画像処理する工程と、画像処理装置からの信号を出力する工程を有するものである。

また、本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法は、検波信号の適切なデータ量の統計解析により、流体の速度に十分追従する信号と追従しない信号を選別する検波信号強度の閾値を求めたり、上記閾値を可変可能とし、自動または手動で定期的に上記統計解析から新たに適切な上記閾値を更新することで、流体中の超音波反射体の量や大きさ、さらに分布が時空間的に変化する流れ場においても流速分布が高精度に計測可能な検波信号処理回路を有するものである。

また、本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法は、上記統計解析により流体中に混入した異物の検出や、混合物の時空間分布状況が計測可能な検波信号処理回路を有するものである。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法によれば、直線上の速度分布を検知できるセンサーと、センサーを基準線に対して所定の角度に設定すると共に高さ方向にも設定できるので、動的部位を無くし、効率よく測定できるとともに測定領域を自由に設定できる。

請求項２記載の発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法によれば、流路において測定したい領域の断面流速分布を計測できるため、さまざまな流動条件でも、その断面流量の直接計測が可能である。このため、単独の流量計としてのみならず、従来の流量計の設置時および定期的な較正のための流量計としての応用が可能であり、その適用範囲は多岐にわたる。

請求項３記載の発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法によれば、流体中の固体粒子や気泡からの反射波から、その反射体の流体追従性を反射強度の統計解析により判別可能であるため、流体の流速分布を高精度に計測可能である。

請求項４記載の発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法によれば、流体中の超音波反射体からの反射強度の時空間分布を計測可能であるため、流路に想定外の異物が混入した場合の検出や、流体に固体粒子を均等に分散させる必要がある場合に、その分散状況を判別可能である。

以下，超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法にかかる第１の発明を実施するための最良の形態について説明する

図１は、本発明の装置を説明するものである。本発明の装置は測定部１と制御部２からなっている。測定部１および制御部２について説明する。

一つのセンサー３よりパルス超音波を発信する。そして、流れ場に混入しているゴミや気泡などの反射体からの超音波エコーを同じセンサー３で受信する。受信した信号は、検波信号処理回路４に出力する。この送受信を繰り返す。

検波信号処理回路４においては、センサー３から送られた信号を入力する。そして、入力信号を処理して、流体の速度に十分追従した反射体からの反射信号を選別し、速度分布計５に出力する。

速度分布計５においては、入力信号を処理して測定線方向の速度分布を算出する。

センサー位置データをもとに、信号処理制御装置６からの信号により、使用するセンサーを設定する。ただし、使用するセンサー数は一つ以上であり、その数に制限はなく、また、センサーを設置する位置は任意で決定可能である。

また、検波信号処理回路４においては、入力信号の強度閾値を統計解析により決定し、測定線上の反射強度分布を計算し、画像処理装置８に出力する。

信号処理制御装置６においては、センサー３から送られた使用センサーの位置情報を入力する。

演算回路７では、速度分布計５からの速度分布情報を入力する。そして、信号処理制御装置６からの測定線の位置情報を入力する。そして得られた速度分布データと位置情報から流路断面の速度情報を計算する。

上記で計算された流路断面の反射強度分布および流速分布情報は画像処理装置８により最適化され、表示装置９に出力される。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
直線上の速度分布を検知できるセンサーと、センサーを基準線に対して所定の角度に設定すると共に高さ方向にも設定できるので、動的部位を無くし、効率よく測定できるとともに測定領域を自由に設定でき、かつ、断面流速分布と同時に反射強度分布も計測可能である。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

次に、超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法にかかる第２の発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は、本発明の方法を説明するものである。

１により測定が開始されると、２に示すように、信号処理制御装置において、使用するセンサーを選択する。
４に示すようにセンサーよりパルス超音波を発信する。
５に示すように流れ場に混入しているゴミや気泡などの反射体からの超音波エコーを同じセンサーにて受信する。
６に示すように、検波信号処理回路においてセンサーから送られた信号を入力し、指定した閾値以上の入力信号を速度分布計に出力する。
７に示すように、速度分布計において検波信号処理回路から送られた信号を入力し、入力信号を処理して測定線方向の速度分布を算出する。
８に示すように、信号処理制御装置で基準点からのセンサーの位置をもとに、測定線の座標を求める。
９に示すように、速度分布計からのセンサーの測定線方向の速度分布データを入力し、信号処理制御装置から測定線の座標を入力する。そして、速度分布データと測定線の座標から、その測定線上の速度分布を演算回路に蓄積する。
１０に示すように、所定の測定領域を終了したかを判定する。
１１に示すように、所定の測定領域を終了していない場合は、信号処理制御装置にて使用するセンサーを変更する。その後３に戻り、同様の操作を繰り返す。
所定の測定領域を終了した場合は、１２において得られたデータを画像処理装置を用いて流路断面の平均流速、標準偏差、高次モーメント等の統計処理を行う。
１３において得られた統計処理結果の画像データを表示装置に表示する。
１４で終了する。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
流路において測定したい領域の断面流速分布を計測できるため、さまざまな流動条件でも、その断面流量の直接計測が可能である。このため、単独の流量計としてのみならず、従来の流量計の設置時および定期的な較正のための流量計としての応用が可能であり、その適用範囲は多岐にわたる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

次に、超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法にかかる第３の発明を実施するための最良の形態について説明する。図３は、本発明の方法を説明するものである。

１により測定が開始されると、２に示すように、信号処理制御装置において、使用するセンサーを選択する。
４に示すようにセンサーよりパルス超音波を発信する。
５に示すように流れ場に混入しているゴミや気泡などの反射体からの超音波エコーを同じセンサーにて受信する。
６に示すように、閾値を新たに算出するか否か判定する。
７に示すように、検波信号処理回路においてセンサーから送られた信号を入力し、反射強度分布を算出し、８に示すように新たな閾値を計算し９に出力する。
９に示すように、指定した閾値以上の入力信号を速度分布計に出力する。
１０に示すように、速度分布計において検波信号処理回路から送られた信号を入力し、入力信号を処理して測定線方向の速度分布を算出する。
１１に示すように、信号処理制御装置で基準点からのセンサーの位置をもとに、測定線の座標を求める。
１２に示すように、速度分布計からのセンサーの測定線方向の速度分布データを入力し、信号処理制御装置から測定線の座標を入力する。そして、速度分布データと測定線の座標から、その測定線上の速度分布を演算回路に蓄積する。
１３に示すように、所定の測定領域を終了したかを判定する。
１４に示すように、所定の測定領域を終了していない場合は、信号処理制御装置にて使用するセンサーを変更する。その後３に戻り、同様の操作を繰り返す。
所定の測定領域を終了した場合は、１５において得られたデータを画像処理装置を用いて流路断面の平均流速、標準偏差、高次モーメント等の統計処理を行う。
１６において得られた統計処理結果の画像データを表示装置に表示する。
１７で終了する。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
検波信号の適切なデータ量の統計解析により、流体の速度に十分追従する信号と追従しない信号を選別する検波信号強度の閾値を求めたり、上記閾値を可変可能とし、自動または手動で定期的に上記統計解析から新たに適切な上記閾値を更新することで、流体中の超音波反射体の量や大きさ、さらに分布が時空間的に変化する流れ場においても流速分布が高精度に計測可能である。

なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

次に、超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法にかかる第４の発明を実施するための最良の形態について説明する。図４は、本発明の方法を説明するものである。

１により測定が開始されると、２に示すように、信号処理制御装置において、使用するセンサーを選択する。
４に示すようにセンサーよりパルス超音波を発信する。
５に示すように流れ場に混入しているゴミや気泡などの反射体からの超音波エコーを同じセンサーにて受信する。
６に示すように、検波信号処理回路においてセンサーから送られた信号を入力する。
７に示すように、入力信号の反射強度分布を算出する。
８に示すように、信号処理制御装置で基準点からのセンサーの位置をもとに、測定線の座標を求める。
９に示すように、検波信号処理回路から反射強度分布データを入力し、信号処理制御装置から測定線の座標を入力する。そして、反射強度分布データと測定線の座標から、その測定線上の反射強度分布を演算回路に蓄積する。
１０に示すように、所定の測定領域を終了したかを判定する。
１１に示すように、所定の測定領域を終了していない場合は、信号処理制御装置にて使用するセンサーを変更する。その後３に戻り、同様の操作を繰り返す。
所定の測定領域を終了した場合は、１２において得られたデータを画像処理装置を用いて流路断面の反射強度、標準偏差、高次モーメント等の統計処理を行う。
１３において得られた統計処理結果の画像データを表示装置に表示する。
１４で終了する。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
流体中の超音波反射体からの反射強度の時空間分布を計測可能であるため、流路に想定外の異物が混入した場合の検出や、流体に固体粒子を均等に分散させる必要がある場合に、その分散状況を判別可能である。

なお、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。

ここでは、円筒形配管の断面流速測定の例について図５および図６に説明する。

使用するセンサー郡を配管軸周りに設置し、センサー郡からの測定線方向の速度分布を求め、それぞれの角度における速度分布を演算処理および画像処理することで、断面速度分布が求まる。たとえば、図６のように曲がり管直後の流れ場は、遠心力の影響で軸方向に均一に流れておらず、断面速度分布および軸方向の流れの変化や乱れが詳細に分かる。
さらに、検査したい領域のポイントを細かく取ることにより、その領域の流れ場を詳細に調べることが出来る。また、測定領域の高さ方向にもセンサー郡を設置することで、高さ方向にも断面速度分布が求まる。これにより、配管内の流動分布が３次元的に表示される。

以上のことから、本実施例によれば、従来の装置に比べセンサーの位置と角度を任意に設定できるため、測定領域を自由に設定できる。
また、センサーの位置を任意に設定できるため測定領域の分解能を自由に設定できる。
また、高さ方向に測定でき、基準線の長さを変えることにより、速度分解能を調整できる。そして、センサーの郡を用いて動的部位を無くすことにより、装置の簡素化ができ、効率的である。

また、測定部と制御部が分かれているので、測定部の遠隔操作が可能である。
測定する対象は、原子炉の循環水や給水配管、汚水施設や下水施設などの配管や、汚水・上下水道などの管内流の計測に限定されず、高分子材料・工業材料プロセスの流動場や食品加工プロセスに関する断面流速／流量計測などにも適用できる。
超音波を透過する材質のものであれば、壁の外にセンサーを設置して、測定できる。なお、センサーの設置角度はこれに限定されない。
通常センサーには一つの素子が使用されている。なお、この素子は一つに限定されない。たとえばアレー素子を用いてより効率よく測定できる。

つぎに、本発明にかかる第２の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。

ここでは、反射強度分布の統計解析例を図７に示す。

超音波を送受信するセンサーとして基本周波数４ＭＨｚ、ビーム直径８ｍｍのものを用いた。試験流体は２０℃の水であり、超音波反射体として平均径８０μｍのナイロン粒子を混入した。試験流路は内径５０ｍｍのアクリル製円管であり、超音波センサーを流れ方向に対し４５度の角度に傾けて設置した。発振する超音波パルスの繰り返し周波数は２ｋＨｚとし、５万プロファイルの計測結果の統計解析例の一つである反射強度分布を図７に示す。図７より、測定線上の反射強度分布が時空間的に変化している様子がわかる。

以上のことから、本実施例によれば、適切な統計量によって流体の速度分布を算出するのに必要な閾値の決定や、流路に想定外の異物が混入した場合の検出や、流体に固体粒子を均等に分散させる必要がある場合に、その分散状況を判別可能である。

本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の説明図である。 本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の説明図である。 本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の説明図である。 本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の説明図である。 本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の結果図である。 本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の結果図である。 本発明の超音波断面流速／流量測定装置および超音波断面流速／流量測定方法の一実施例を示す概略構成の結果図である。

符号の説明

１ 測定部
２ 制御部
３ センサー
４ 検波信号処理回路
５ 速度分布計
６ 信号処理制御装置
７ 演算回路
８ 画像処理装置
９ 表示装置

Claims (4)

1. 超音波を送受信できるセンサー群と、
   上記センサー群のうち使用するセンサーを出力する信号処理制御装置と、
   上記使用したセンサーからの信号を入力し、その入力信号を選別する検波信号処理回路と、
   上記検波信号処理回路による信号を入力し速度分布を計算する速度分布計と、
   上記速度分布計からの信号を入力するとともに、上記信号処理制御装置からの測定座標を入力し流路断面の速度分布を演算する演算回路と、
   上記演算回路からの信号を入力し画像処理する画像処理装置と
   上記画像処理装置からの信号を出力する出力装置を有する超音波断面流速／流量測定装置。
2. センサー群より使用するセンサーを入出力する工程と、
   使用するセンサーよりパルス超音波を発信し、流れ場に混入している反射体からの超音波エコーを受信する工程と、
   検波信号処理回路において受信した信号の強度から流体の速度に十分追従する検波信号とそうでない検波信号を選別する工程と、
   速度分布計においてセンサーから送られた信号を処理して測定線方向の速度分布を算出する工程と、
   信号処理制御装置において、測定線の座標を求める工程と、
   速度分布計からの測定線方向の速度分布データを入力し、信号処理制御装置からの測定座標を入力して、流路断面での速度分布を算出する工程と、
   演算回路からの信号を入力し画像処理する工程と、
   画像処理装置からの信号を出力する工程を有する超音波断面流速／流量測定方法。
3. 上記検波信号処理回路は、検波信号の適切なデータ量の統計解析により、流体の速度に十分追従する信号と追従しない信号を選別する検波信号強度の閾値を求めたり、上記閾値を可変可能とし、自動または手動で定期的に上記統計解析から新たに適切な上記閾値を更新することで、流体中の超音波反射体の量や大きさ、さらに分布が時空間的に変化する流れ場においても流速分布が高精度に計測可能な請求項２記載の超音波断面流速／流量測定方法を備えた請求項１記載の超音波断面流速／流量測定装置。
4. 上記検波信号処理回路は、上記統計解析により流体中に混入した異物の検出や、混合物の時空間分布状況が計測可能な請求項２記載の超音波断面流速／流量測定方法を備えた請求項１記載の超音波断面流速／流量測定装置。

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