JP2006201102A - 超音波流量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流速への気泡の浮力による影響を補正し、気泡供給部位と流量計測部位との間に高低差に起因する流体の圧力差がある場合にも、傾斜配管内を流れる流体の流速分布および流量を正確に精度よく精密に測定することができる超音波流量計測方法を提供する。
【解決手段】高低差に沿って傾斜する上流側水圧鉄管２７ａ内を流れる流体の流速分布および流量を超音波を用いて計測する方法で、複数の測定線を配置した超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）の上流側に設けた気泡供給手段３０により前記上流側水圧鉄管２７ａ内を流れる流体に気泡を供給し、前記上流側水圧鉄管２７ａ内を流れる流体に前記複数の測定線１５ａ，１５ｂに沿って超音波を発信し、流体中に含まれる気泡の反射体により反射された超音波エコーを受信して信号処理し、前記上流側水圧鉄管２７ａ内を流れる流体の前記複数の測定線１５ａ，１５ｂにおける流速分布および流量を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高低差を伴う傾斜配管内を流れる流体の流速分布および流量を測定する流量測定技術に係り、特に、水力発電所等の水圧鉄管のように、高低差を伴う傾斜配管内を流れる流体の流量分布および流量を計測する超音波流量計測方法に関する。

従来、配管内を流れる流体の流量を測定する流量計として、特開２０００−９７７４２号公報（特許文献１）に示されるように、被測定流体に超音波を照射し、超音波のドップラシフトを利用して流体の流速分布を測定し、流量を計測するドップラ式超音波流量計と、特開２００３−３４４１３１号公報（特許文献２）に示されるように、流体中に含まれる反射体からの反射した超音波エコー信号の時間変化から相関法を利用して流体の流速分布および流量を計測する相関式超音波流量計とがある。

従来の超音波流量計は、被測定流体中に存在する反射体により反射した超音波エコー信号を受信して流体の流速分布を測定し、この流速分布から流量を計測している。流体の流量を計測するためには、被測定流体中に十分な量の反射体が存在することが必要となる。

被測定流体中に十分な反射体が存在しない場合には、特開平８−６２００７号公報（引用文献３）に示されるように、ポンプを使って流体に気体を反射体として直接的に注入することにより、また、特開平６−２９４６７０号公報（特許文献４）に記載されたように、超音波反射器により被測定流体中にキャビテーションによる気泡を発生させ、生じた気泡による反射体を供給している。

従来の超音波流量計を水力発電所、揚水発電所等に用いて、高低差のある傾斜配管（水圧鉄管）内を流れる流体の流速分布を測定し、流量を計測しようとすると、傾斜配管は山腹の斜面に設置されるため、傾斜配管内を流れる流体の流速分布および流量を計測する必要が生じる。従来の超音波流量計では高低差に起因する流体の圧力差により、流体の流速分布や流量を正確に精度よく測定することができない問題があった。
特開２０００−９７７４２号公報 特開２００３−３４４１３１号公報 特開平８−６２００７号公報 特開平６−２９４６７０号公報

水力発電所等における配管（水圧鉄管）内を流れる流体の流速分布や流量を計測する場合、傾斜配管は山腹の斜面に沿って設置されるため、傾斜した配管の途中に超音波流量計を設置し、超音波流量計の上流側から反射体を構成する気泡を供給しようとすると、気泡供給部位と流量計測部位との高低差は、流体の圧力差となって表われ、供給された気泡を小さくするように働く。その結果、気泡供給部位で供給された気泡は、流量計測定部位では、小さくなり、反射体である気泡の流体に対する体積比［一定量の気泡を含む流体中における気泡の占める体積が流体全体中における体積比率（割合）］も小さくなる。

高低差に沿って配設される傾斜配管内を流れる流体内において、気泡１は、図６に示されるように作用する。気泡１は、流体の流速Ｖａ（傾斜配管２の軸方向における流体の流速）に沿って流れるとともに、浮力による垂直方向の上昇速度Ｖｂが発生する。このため、実際の気泡１の流体は速度ベクトルＶｔとなり、結果的には超音波流速計で計測される流体の流速はＶとなって表われ、流体の実際の流速Ｖａとは異なる。超音波流量計で気泡１を反射体とした超音波反射エコーから流体の流速を測定すると、浮力による気泡の運動のため、測定誤差を生じ、正確な流体の流速分布を測定することが困難であった。

また、気泡供給部位から傾斜配管内に十分な気泡を供給したつもりでも、実際の流量測定部位においては、反射体である気泡が流速分布や流量の計測に適した大きさ、体積密度となっていない場合が生じ、超音波流速計で傾斜配管内を流れる流体の流速分布や流量を正確に精度よく測定することが困難である場合があった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、流体の流速への気泡の浮力による影響を補正し、気泡供給部位と流量計測部位との間に高低差に起因する流体の圧力差がある場合にも、傾斜配管内を流れる流体の流速分布および流量を正確に精度よく精密に測定することができる超音波流量計測方法を提供することを目的とする。

本発明者は、高低差を伴う傾斜配管内を流れる流体の流速分布および流量の計測実験を重ねていくうちに、傾斜配管内を流れる流体に、超音波流量計から超音波を複数の測定線に沿って発信し、発信された超音波が傾斜配管内を流れる流体内に照射され、流体中に含まれる気泡の反射体から反射した超音波エコーを検出して複数の測定線から得られた流速を連立させて処理することで、浮力に起因する流体の減速成分を抽出できることを知見し、気泡の浮上運動による流速への影響を補正し、傾斜配管内を流れる流体の流速分布を正確に精度よく測定して高精度な超音波流量計測が可能であることを見出し、本発明を完成させたものである。

本発明に係る超音波流量計測方法は、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、高低差に沿って傾斜する配管内を流れる流体の流速分布および流量を超音波を用いて計測する方法において、超音波流量計の上流側に設けた気泡供給手段により前記傾斜配管内を流れる流体に気泡を供給するステップと、前記気泡が供給された流体の流速分布を計測するために、前記傾斜配管内を流れる流体に前記超音波流量計から超音波を、複数の測定線に沿って発信させる超音波発信ステップと、発信された超音波が傾斜配管内を流れる流体に照射され、この流体中に含まれる気泡の反射体により反射された超音波エコーを受信して信号処理し、前記傾斜配管内を流れる流体の前記複数の測定線における流速分布を測定し、流量を計測する流速分布・流量計測ステップとを有する方法である。

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量計測方法は、請求項２に記載したように、前記流速分布・流量計測定ステップでは、前記複数の測定線における流速分布を用いて、傾斜配管内を流れる流体中における気泡の浮上運動による流速への影響を補正する方法であり、さらに、請求項３に記載したように、前記流速分布・流量計測定ステップでは、前記複数の測定線における流速分布に関して、各測定線上における配管中心から等しい距離における流速に関する式を連立させることにより、前記傾斜配管内を流れる流体中における気泡の浮上運動による流速への影響を補正する方法である。

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量計測方法は、請求項４に記載したように、前記超音波発信ステップでは、超音波流量計の複数の超音波トランスデューサから発信される超音波の測定線を複数本備え、少なくとも１つの測定線は、傾斜配管に中心角ゼロ角で管軸方向に垂直に取り付けられた超音波トランスデューサで形成する方法であり、また、請求項５に記載したように、前記気泡供給手段は、配管内を流れる流体に、超音波流量計の上流側に配管直径の１０倍以上離れた位置で気泡を供給する方法である。

本発明に係る超音波流量計測方法においては、複数の測定線に沿う流体の流速を連立させて処理することで、気泡の浮上運動による流速への影響を補正し、傾斜配管内を流れる流体の流速分布を正確に精度よく、しかも、タイムリに測定し、高精度な超音波流量計測を可能とし、気泡供給部位と流量計測部位との間に、高低差に起因する流体の圧力差がある場合にも、高低差のある傾斜配管内を流れる流体の流速分布および流量を正確かつ高精度に計測することができる。

本発明に係る超音波流量計測方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る超音波流量計測方法を実施する超音波流量計測装置１０を水力発電所１１に適用した例を簡略的に示す構成図である。

水力発電所１１は、貯水庭である水槽１２と放水庭１３とを水圧鉄管等の配管１４で接続している。配管１４は、山の傾斜面に敷設され、高低差に沿って傾斜している部分を備える。

配管１４の途中には、配管１４内を流れる流体の流速分布および流量を測定する複数の超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）、配管１４の開閉を制御する弁装置１６および水車１７が順次設けられる。

水車１７は、発電機１８に機械的に接続され、水車１７の回転駆動力を発電機１８に伝達している。発電機１８は、河川水等の流体により回転した水車１７の運動エネルギを電気エネルギに変換しており、発電機１８によって発電された電力は、遮断機２０、変圧器２１および開閉設備２２を介して送電系統２３に送られる。

水車１７の上流側に設けられた弁装置１６は、主弁２５とこの主弁２５をバイパスするバイパス弁２６とから構成される。水圧鉄管である配管１４は、水槽１２から弁装置１６までの傾斜配管である上流側水圧鉄管２７ａと、弁装置１６から水車１７までの（中間）水圧鉄管２７ｂと、水車１７から放水庭１３までの下流側水圧鉄管２７ｃとに分けられる。

水槽１２から上流側水圧鉄管２７ａによって導かれた河川水等の流体ａは弁装置１６から水圧鉄管２７ｂを通って水車１７に案内され、この水車１７を回転駆動させる。水車１７を回転させた流体は、続いて下流側水圧鉄管２７ｃを通って放水庭１３に放水される。

また、水力発電所１１においては、上流側水圧鉄管２７ａの任意の部位に複数、例えば２個の超音波流量計１５が設けられる。傾斜配管である上流側水圧鉄管２７ａを流れる流体は、ほぼ層流を形成し、弁装置−水車間の水圧鉄管２７ｂや下流側水圧鉄管２７ｃを流れる流体に比べ、流れが乱れていないためである。超音波流量計１５の上流側に気泡発生手段を兼ねる気泡供給手段３０が設置され、この気泡供給手段３０と超音波流量計１５ａ，１５ｂとから超音波流量計測装置１０が構成される。

上流側水圧鉄管２７ａにおける超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）の設置位置は、気泡供給個所である水槽１２と上流側水圧鉄管２７ａとの取合いから、上流側水圧鉄管２７ａの配管１４の直径、例えば内径の１０倍以上離れていることが好ましい。配管１４は、１ｍφから数ｍφの配管直径のものが適宜選択されて使用される。

気泡供給手段３０を超音波流量計１５より上流側に配管直径の１０倍以上離間させて設置することにより、気泡供給手段３０から供給される気泡が上流側水圧鉄管２７ａの配管１４内で均一に分散し、層流状態となって精密な流体の流量計測に適する条件に超音波流量計測装置１０をセットすることができる。

気泡供給手段３０は、図１および図２に示すように、水槽１２の取水口付近に設けられる。気泡供給手段３０は、水槽１２に貯溜された河川水等の流体ｂを循環させる循環配管３１に流体ポンプ３２とこのポンプ吐出側に気液混合手段としてのベンチュリ管３３とが設けられ、ベンチュリ管３３の下流側は、循環配管３１の戻り配管３１ｂが、配管１４と水槽１２の取合い部である取水口を臨むように開口している。ベンチュリ管３３のくびれ部には気体注入手段３４からの気体注入管３５が臨み、開口している。

流体ポンプ３２は、水槽１２に貯溜されている河川水等の流体ｂを汲み上げ、ベンチュリ管３３に導く。ベンチュリ管３３は、流体ポンプ３２からのポンプ吐出量に応じたエゼクタ作用により気体注入手段３４からの気体ｃが積極的に吸い出される。この気体ｃが流体ｂに混合されて気泡を含む流体ｄとなる。気体注入手段３４はエアポンプ等の気体ポンプで構成し、ベンチュリ管３３に気体を積極的に供給させるようにしてもよい。

気泡供給手段３０は、気液混合手段であるベンチュリ管３３における気体混合量と流体ポンプ３２のポンプ吐出量を調節制御して戻り管３１ｂから、水槽１２と上流側水圧鉄管２７ａの取合い部近傍へ放出される気泡の大きさおよび体積比を調整している。

具体的には、流体ポンプ３２のポンプ吐出量を一定として気体注入手段３４からの気体混合量（気体注入量）を増加させると、気泡の大きさが大きくなり体積比も大きくなる。一方、気体混合量（気体注入量）を一定にしてポンプ吐出量を増加させると、気泡は小さく、体積比も小さくなる。ベンチュリ管３３における気体混合量の制御は、気体注入手段３４における注入圧力を変化させることにより行なわれる。

気泡供給手段３０により発生する気泡の大きさは、目視により確認する。具体的にはスケールの入った容器で試験的に気泡を発生させ、気体注入手段３４の注入圧力および流体ポンプ３２のポンプ吐出量と、目視による気泡の大きさの関係をテーブル等として予め記録しておき、この関係テーブルを用いて流体の流量計測時の制御を行なうことが好ましい。

流体の流量計測部位の気泡の体積比は、（流体ｄにおける気泡体積比）×（水圧鉄管中の流体ｄの比率）によって決まるため、気体注入手段３４の注入圧力および流体ポンプ３２のポンプ吐出量によって調整することができる。

水圧鉄管中の気泡の体積比は、河川水の流体ａを採取し気体濃度を測定することで、求められる。具体的には、水槽１２に備えられる計測用ハンドホールから採取し、気体濃度を計測する。また、気泡の体積比についても、気体注入手段３４の注入圧力および流体ポンプ３２のポンプ吐出量と、目視による気泡の大きさの関係をテーブル等として予め記録しておき、この関係テーブルを用いて流体の流量計測時の制御を行なうことが好ましい。

気泡を含む流体ｄを河川水ｂに戻す場所は、水槽１２から上流側水圧鉄管２７ａへの流れが十分に発達している水槽１２と上流側水圧鉄管２７ａの取合い付近が好ましい。流れが発達していないと、気泡は水圧鉄管２７ａへ入らずに、水槽１２に貯溜してしまうからである。このようにして、河川水の流体ｂに十分な大きさと体積比を有する気泡が供給され、流体の流量計測に適したものである。

このようにして、傾斜配管である上流側水圧鉄管２７ａの配管１４内を流れる河川水等の流体の流速分布および流量が超音波流量計１５により計測される。

超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）は、図３に示すように構成され、配管１４内を流れる被測定流体ａに測定線ＭＬ（ＭＬ_１，ＭＬ_２）に沿って所要周波数の超音波パルスを入射させる超音波送信手段３７と、入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、被測定流体の流速分布を測定する流速分布測定手段３８と、被測定流体１２の流速分布に基づいて演算処理し、半径方向の積分を行なって被測定流体の流量を求める流量演算手段としてのＭＰＵ，ＣＰＵ等のコンピュータ３９と、このコンピュータ３９からの出力を時系列的に表示可能な表示装置４０とを有する。

超音波送信手段３７は、０．２５ＭＨｚ〜数ＭＨｚ、好ましくは０．２５ＭＨｚ〜１ＭＨｚの所要の基本周波数ｆ_０の電気信号を発生させるオッシレータとしての発振器４３と、この電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆｒｐｆ）毎にパルス状に出力するエミッタ４４とからなる信号発生器４５を備える。この信号発生器４５から基本周波数ｆ_０のパルス電気信号が超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）に入力される。

超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）は、傾斜配管である上流側水圧鉄管２７ａの共通の横断面上で、配管の外周方向に沿って複数台、例えば２台が設置される。図４は、超音波流量計測装置１０を構成する超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）の設置状態を示す図である。図４（Ａ）は上流側水圧鉄管２７ａの側方から見た超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂの設置状態を示す簡略的な側面図、図４（Ｂ）は、超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂの設置状態を鉛直方向上方から見た簡略的な平面図、図４（Ｃ）は上流側水圧鉄管２７ａの軸方向に垂直な断面上に位置する超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂの設置状態を配管軸方向下流側から見た図である。

傾斜配管である上流側水圧鉄管２７ａは、水平方向に対し角度θだけ下り傾斜するように敷設されており、超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂは、上流側水圧鉄管２７ａの共通な管横断面外周上に、中心角ηをなして設置される。

上流側水圧鉄管２７ａの同一管横断面外周上に設置される各超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂの設置点と水圧鉄管断面中心とを結んだ直線と鉛直方向とのなす中心角をη_１，η_２とすると、図４（Ｃ）に示すように、両超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂ間相互の中心角ηは（η_２−η_１）で表わされる。

一方の超音波トランスデューサ４６ａは、上流側水圧鉄管２７ａの横断面に対し、図４（Ａ）に示すように流体下流側の水圧鉄管中心軸に角度α_１をなす任意の入射角で、また、他方の超音波トランスデューサ４６ｂは、図４（Ｂ）に示すように、流体下流側の水圧鉄管中心軸に角度α_２をなす任意の入射角で、測定線ＭＬ_１，ＭＬ_２に沿ってそれぞれ各超音波を発信するように設置される。なお、図４（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）において、符号Ｐは上流側水圧鉄管２７ａ内を流れる流体の流れ方向を、符号Ｇは重力加速度が作用する方向を示す。

超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）は、パルス電気信号の印加により基本周波数ｆ_０の超音波パルスが測定線ＭＬ（ＭＬ_１，ＭＬ_２）に沿って発信せしめられる。各超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂは、傾斜配管である上流側水圧鉄管２７ａを構成する配管１４の横断面に対し、それぞれ角度α_１およびα_２だけ流体ａの流れ方向Ｐに傾斜して設けられる。超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）は、超音波の送受信器を兼ねており、超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）から所要周波数ｆ_０の超音波パルスを測定線ＭＬ（ＭＬ_１，ＭＬ_２）に沿って照射（入射）させると、この超音波パルスは測定線ＭＬ（ＭＬ_１，ＭＬ_２）上に一様に分布する反射体としての気泡に当って反射し、反射した超音波エコーの一部が超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）に測定線に沿ってそれぞれ戻される。超音波トランスデューサ４６は、発信器と受信器を兼ねているが、受信器および受信器を別々に構成してもよい。

超音波トランスデューサ４６（４６ａ，４６ｂ）にてそれぞれ受信した超音波エコー信号は増幅器４７で増幅され、かつＡＤ変換器４８でデジタル信号に変換されて流速分布算出回路４９に送られる。この流速分布算出回路４９は、超音波エコーのデジタル信号を信号処理して測定線ＭＬ（ＭＬ_１，ＭＬ_２）に沿った流体の流速分布が、気泡の浮力作用による流速への影響を補正して算出される。符号５０は音響カップリングである。

流速分布算出回路で算出された河川水の流体の流速分布信号は、流量演算手段であるコンピュータ３９へ送られ、ここで流速分布信号を上流側水圧鉄管２７ａの半径方向に積分し、河川水ａの流量を時間依存で求めることができる。

ところで、超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂによって測定される水圧鉄管中心軸から距離ｘの点における気泡の流速Ｖ_１（ｘ），Ｖ_２（ｘ）は、次式で表わされる。

超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂが計測する水圧鉄管中心から半径方向外方に距離ｘの点は、各トランスデューサ４６ａと４６ｂが管軸方向に傾けて設置されるために、管軸方向に外れて（偏位して）おり、厳密には同一ではない。しかし、超音波トランスデューサ４６ａと４６ｂの管軸方向の位置のずれに起因する流体の流速速度Ｖａと気泡の浮上速度Ｖｂの偏差は充分に小さいと考えることができる。

これより、式（１）および式（２）を連立させて解くことで、管軸方向の真の流体の流速Ｖａを次式で求めることができ、データ補正値として用いられる。

浮力による気泡の浮上速度Ｖｂ（ｘ）は、位置の関数としているが、計測領域においては、浮上速度Ｖｂは位置によらないとし、Ｖｂを定数として、予備計測にて求めた値を全ての測定線ＭＬ（ＭＬ_１，ＭＬ_２）上のデータ補正に適用することができる。

このように本発明の超音波流量計測方法は、高低差に沿って傾斜する配管２７ａ内を流れる流体の流速分布および流量を超音波を用いて計測する方法である。この超音波流量計測方法は、超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）の上流側に設けた気泡供給手段１０により傾斜配管２７ａを流れる流体に気泡を供給するステップと、前記気泡が供給された流体の流速分布を計測するために、傾斜配管２７ａ内を流れる流体に超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）から超音波を、複数の測定線ＭＬ_１，ＭＬ_２に沿って発信させる超音波発信ステップと、傾斜配管２７ａ内を流れる流体に含まれる気泡の反射体により反射された超音波エコーを受信して信号処理し、傾斜配管２７ａ内を流れる流体の複数の測定線ＭＬ_１，ＭＬ_２における流速分布を測定し、流量を計測する流速分布・流量計測ステップとを有する計測方法である。

ところで、図１において、この河川水ａの時刻ｔにおける流量をｍ（ｔ）とすると、流体の流量ｍ（ｔ）は式（５）で表すことができる。
［数３］
ｍ（ｔ）＝ρ・∫ｖ（ｘ・ｔ）・ｄＡ ……（５）
但し、ρ；被測定流体の密度
ｖ（ｘ・ｔ）；時速ｔにおけるｘ方向の速度成分
である。

式（５）から上流側水圧鉄管２７ａの配管１４を流れる時刻ｔにおける流量ｍ（ｔ）は、極座標の式（６）に書き換えることができる。
［数４］
ｍ（ｔ）＝ρ・∬ｖｘ（ｒ，θ・ｔ）・ｒ・ｄｒ・ｄθ ……（６）
但し、ｖｘ（ｒ，θ・ｔ）；時刻ｔにおける管横断面上の中心から距離ｒ、角度θの管軸方向の速度成分である。

式（６）で表されるように、この超音波流量計１２は、河川水の流体ａの流れの空間分布を瞬時、例えば５０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度の応答速度でコンピュータ３９により求めることができる。

求められた河川水の流体ａの流量は、表示装置４０により、時間依存で瞬時に表示することができる。この表示装置４０には、河川水ａの上流側水圧鉄管２７ａ内の測定線ＭＬに沿った気泡の流速分布を表示させることができ、気泡の流速分布から気泡の浮力作用が流速に与える影響を補正して、流体の流速分布を、水圧鉄管横断面の流速分布を併せて表示することもできる。

超音波流量計１５による流量計測に際しては、流量計測部位の気泡の体積比（体積密度）は、２０ｐｐｍから２０００ｐｐｍの範囲が好適であり、より好ましくは２００ｐｐｍ〜８００ｐｐｍである。気泡の体積比が２０ｐｐｍよりも小さいと反射体として十分に機能せず、逆に２０００ｐｐｍよりも大きいと水車効率に影響を与える虞が大きくなる。

さらに、流量計測部位の気泡の大きさは、被測定流体（河川水の流体ａ）へ照射する超音波の波長の１／１０から１／２の範囲が好適である。流量計測部位の気泡の大きさ（直径）が超音波波長の１／１０よりも小さいと反射体として十分に機能せず、逆に超音波波長の１／２よりも大きいと、被測定流体との速度差が無視できなくなるとともに、被測定流体中の超音波の透過率が低下し流速分布が高精度で計測できなくなる。超音波波長は、０．２５ＭＨｚ〜１ＭＨｚの超音波パルスを用いた場合、１．５ｍｍ〜６ｍｍ程度となる。

なお、反射体である気泡の大きさに合わせて、超音波の波長を変化させることも可能である。この超音波流量計１５による流体の流速分布の計測においては、０．２ＭＨｚ〜数ＭＨｚ、好ましくは０．２５ＭＨｚ〜１ＭＨｚの周波数が適しており、波長の調整はこの範囲、具体的にはおよそ１．５ｍｍ〜６ｍｍに限られる。超音波が上限波長よりも長い波長では、空間分解能が低下して十分でなくなり、下限波長よりも短い波長では超音波の減衰が大きくなり、ともに高精度な計測に適さない。

ところで、気泡供給手段３０により気泡が供給される水槽１２と上流側水圧鉄管２７ａの取合い部位（気泡供給部位）は超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）によって流体の流速分布が計測される部位（流量計測部位）よりも上流側でかつ高いところにあるので、流量計測部位における気泡は、供給時よりも小さくなり、体積比（体積密度）も小さくなる。

気泡の大きさの変化は、気泡供給部位と流量計測部位の高さの差に起因する流体の圧力差であり、式（７）で示すことができる。

式（７）による、気泡の大きさ、体積比の変化は、気泡供給手段３０の位置と超音波流量計１５の設置位置の高度差から推定することができる。気泡の大きさである直径の変化は流体圧力の３乗根に比例する。例えば、流体の落差９０ｍで体積比は約１／１０となるが、直径の変化は約１／２．２程度である。流量計測位置における気泡の大きさ、体積比で予め算出しておくことができる。

算出した気泡の大きさおよび体積比から、気泡供給手段３０におけるポンプ吐出量や気体混合量を補正することで、流量計測部位に計測に適した大きさの気泡を流体の流量計測に適した大きさ、適切な体積比で供給することができる。

さらに、算出した気泡の大きさに基づき、超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）が被測定流体ａに照射する超音波の波長を補正することもできる。

超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）の設置位置を動かすことにより、流量計測部位と気泡供給部位の高度差を変化させ、気泡の大きさ、体積比を調整することもできる。

また、水力発電所１１の配管１４内を流れる流体の流量の超音波流量計測方法は、下記のように実施される。

配管１４を高低差を伴う傾斜部分に沿って敷設した後、配管１４の途中、好ましくは上流側水圧鉄管２７ａの途中に複数台、例えば２台の超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）を設置するとともに、この超音波流量計１５の上流側に、配管直径の１０倍以上管軸方向に離間させて気泡供給手段３０を設置する。この気泡供給手段３０は、好ましくは上流側水圧鉄管２７ａの流入口部分の水槽１２に設けられる。配管１４には弁装置１６や水車１７も設けられ、配管１４は水槽１２と放水庭１３との間を接続するように配設される。

この配管１４の設置状態で気泡供給手段３０から被測定流体ａ中に所要の大きさ、体積比（体積比率）の気泡を注入させる。この気泡注入工程では、流体の流量計測部位の気泡の体積比が２０ｐｐｍから２０００ｐｐｍ、より好ましくは２００ｐｐｍから８００ｐｐｍの範囲となるように、また、気泡の大きさが流体に照射される超音波波長の１／１０〜１／２の範囲となるように、気泡の大きさ、体積比が調節制御される。

超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）は、気泡が注入された流体に超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂから超音波パルスを測定線ＭＬ_１，ＭＬ_２に沿って方向付けて照射し、流体中に含まれる反射体としての気泡から反射される超音波エコーを超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂで受信して、この超音波エコー信号を流体分布測定手段３８で信号処理し、配管１４内を流れる流体の流速分布を測定し、この流速分布から気泡の浮上運動による流速への影響を補正し、真の流体の流量を瞬時に計算する（流量計測工程）ことができる。

気泡注入工程では、気泡の大きさや体積比を流体ポンプ３２のポンプ吐出量や気体注入手段３４からの気体流入量（気体混合手段における気体混合量）を調節制御することにより調節することができるが、気泡注入工程と流量計測工程とを連係させ、ポンプ吐出量や気体注入量に代えて、超音波流量計１５の設置位置や超音波の発振周波数を調節制御することで、流量計測部位の気泡の大きさ、体積比を超音波波長の１／２〜１／１０の範囲となるように調節してもよい。

図５は、本発明に係る超音波流量計測方法の第２実施形態を説明する図である。

この第２実施形態の超音波流量計測方法を説明するに当り、第１実施形態と同じ構成・部材には、同一符号を付して図示ならびに説明を省略する。

第１実施形態の超音波流量計測方法では、複数、例えば２個の超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂが任意の中心角ηで設置され、超音波を任意の入射角α_１，α_２で測定線ＭＬ_１，ＭＬ_２に沿って被測定流体ａに照射させた例を示したが、図５に示す超音波流量計測方法では、超音波トランスデューサ４６ａ，４６ｂの設置状態（中心角η_２）や入射角を特定条件に設定したものである。

特定条件で設置した超音波流量計１５（１５ａ，１５ｂ）を用いて、傾斜配管である上流側水圧配管２７ａを流れる流体の流速分布を測定し、この流速分布から反射体である気泡の浮上速度が流速（流速分布）に与える影響を補正して、真の流体の流速分布を求め、この流速分布から流量を計測したものである。

超音波流量計１５ａ，１５ｂを図５に示すように設置し、特定の条件で超音波流量計測することにより、より簡便に、気泡の浮上運動を分離させることができる。

図５では、超音波トランスデューサ４６ａを中心角ゼロ度、入射角ゼロ度となるように設置するとともに、超音波トランスデューサ４６ｂは、中心角９０度、入射角を任意の角度α_２となるように設置したものである。

この設置状態で、式（１）および式（２）は、

式（１０）において、浮上速度Ｖｂは、上流側配管２７ａの中心からの位置によらないとすることができ、この場合には、超音波トランスデューサ４６ｂのみによる予備計測による気泡の浮上速度Ｖｂの分離が可能なる。これにより、気泡の浮上運動による流速への影響を補正して、上流側水圧配管２７ａ内を流れる流体ａの真の流速分布を簡便かつ容易に求めることができ、流体の流量を正確に精度よく求めることができる。

なお、本発明の実施形態では、水力発電所に適用した例を示したが、揚水発電所に適用してもよい。また、気泡供給手段３０は、流体ポンプ３２とベンチュリ管３３とを組み合わせた機械的気泡発生手段で構成した例を示したが、超音波放射器等の電気的気泡発生による手段や、飽和水を用いた減圧析出法、旋回流等による流れの撹拌作用で気泡を剪断して微細化する方法、微細孔から空気を噴出させる方法などで気泡供給手段を構成してもよい。

本発明に係る超音波流量計測方法を適用する超音波流量計測定装置を、水力発電所に適用した構成図。 超音波流量計測装置を構成する気泡供給手段の一例を示す図。 超音波流量計測装置を構成する超音波流量計の一例を示す図。 超音波流量計に備えられる超音波トランスデューサの配管への設置状態を示すもので、（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は簡略的な配管の側面図、平面図および配管下流側から見た断面図。 本発明に係る超音波流量計測方法の第２実施形態を示すもので、（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は図４の（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）にそれぞれ対応する側面図、平面図および断面図。 傾斜配管内を流れる流体に作用する気泡の浮上作用を説明する図。

符号の説明

１０ 超音波流量計測装置
１１ 水力発電所
１２ 水槽
１３ 放水庭
１４ 配管
１５，１５ａ，１５ｂ 超音波流量計
１６ 弁装置
１７ 水車
１８ 発電機
２０ 遮断機
２１ 変圧器
２２ 開閉設備
２３ 送電系統
２５ 主弁
２６ バイパス弁
２７ａ 上流側水圧鉄管
２７ｂ （中間）水圧鉄管
２７ｃ 下流側水圧鉄管
３０ 気泡供給手段（気泡発生手段）
３１ 循環配管
３２ 流体ポンプ
３３ ベンチュリ管（気液混合手段）
３４ 気体注入手段
３５ 気体注入管
３７ 超音波送信手段
３８ 流体分布測定手段
３９ コンピュータ
４０ 表示装置
４３ 発振器
４４ エミッタ
４５ 信号発生器
４６，４６ａ，４６ｂ 超音波トランスデューサ
４７ 増幅器
４８ ＡＤ変換器
４９ 流速分布計測回路

Claims (5)

1. 高低差に沿って傾斜する配管内を流れる流体の流速分布および流量を超音波を用いて計測する方法において、
   超音波流量計の上流側に設けた気泡供給手段により前記傾斜配管内を流れる流体に気泡を供給するステップと、
   前記気泡が供給された流体の流速分布を計測するために、前記傾斜配管内を流れる流体に前記超音波流量計から超音波を、複数の測定線に沿って発信させる超音波発信ステップと、
   発信された超音波が傾斜配管内を流れる流体に照射され、この流体に含まれる気泡の反射体から反射された超音波エコーを受信して信号処理し、前記傾斜配管内を流れる流体の前記複数の測定線における流速分布を測定し、流量を計測する流速分布・流量計測ステップとを有することを特徴とする超音波流量計測方法。
2. 前記流速分布・流量計測定ステップでは、
   前記複数の測定線における流速分布を用いて、傾斜配管内を流れる流体中における気泡の浮上運動による流速への影響を補正することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計測方法。
3. 前記流速分布・流量計測定ステップでは、前記複数の測定線における流速分布に関して、各測定線上における配管中心から等しい距離における流速に関する式を連立させることにより、前記傾斜配管内を流れる流体中における気泡の浮上運動による流速への影響を補正することを特徴とする請求項１または２記載の超音波流量計測方法。
4. 前記超音波発信ステップでは、超音波流量計の複数の超音波トランスデューサから発信される超音波の測定線を複数本備え、少なくとも１つの測定線は、傾斜配管に中心角ゼロ角で管軸方向に垂直に取り付けられた超音波トランスデューサで形成することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計測方法。
5. 前記気泡供給手段は、配管内を流れる流体に、超音波流量計の上流側に配管直径の１０倍以上離れた位置で気泡を供給することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計測方法。

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