JP2007024521A - ドップラー式超音波流速分布計 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化の影響を考慮した高精度な流速及び流量測定を可能とする。
【解決手段】 クランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、超音波送受信手段は、超音波を前記流体に所定角度で入射させるために傾斜面１４ａに超音波振動子を設置した楔１４と、配管の表面温度を測定する温度測定手段１５を有し、温度測定手段の感温部により測定された配管の表面温度を楔の温度とし該楔の温度から楔の音速を求め、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出する構成としてある。
ｖ＝（Ｃ_ｗ／２ｓｉｎθ_ｗ）×（ｆ_ｄ／ｆ_０）・・・（１）
但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_ｗ：楔の音速，θ_ｗ：楔内の超音波傾斜角，ｆ_ｄ：ドップラー周波数，ｆ_０：超音波送受信手段の送信周波数。
【選択図】図２

Description

本発明は、配管内の流体中に存在する浮遊粒子や気泡等に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づいて流速分布を計測するドップラー式超音波流速分布計に関し、特に、前記配管の外壁面に楔を介して超音波送受信手段を設置（クランプオン）するドップラー式超音波流速分布計に関する。

クランプオン型超音波流量計は、管状体の外周面の一部に装着し、その管状体の内部を移動する流体の流量を、管状体の外側から測定する流量計である。このようなクランプオン型超音波流量計は、主に、伝搬時間差式とドップラー式に分類できる。

伝搬時間差式は、超音波を、管状体の内部を移動す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が、流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定する方法である。浮遊粒子などの移動速度は、流体中に超音波を送信して、浮遊粒子など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、超音波の周波数を検出することにより測定する。

ここで、図４は特開２０００−９７７４２号で提案されている従来のドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図である。ドップラー式超音波流量計１１０は、配管１１１内を流れる流体１１２の流速を非接触で測定する超音波速度分布計測ユニット（以下、ＵＶＰユニットという)１１３を備える。ＵＶＰユニット１１３は、流体１１２に測定線ＭＬに沿って所要周波数(基本周波数ｆ_０ )の超音波パルスを送信させる超音波送信手段１１５と、流体１１２に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、測定領域における流体１１２の流速分布を測定する流体速度分布測定手段１１６と、流体１１２の流速分布に基づいて演算処理して半径方向の積分を行ない、流体１１２の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータ１１７と、このコンピュータ１１７からの出力を時系列的に表示可能な表示装置１１８とを有する。

超音波送信手段１１５は、所要周波数、例えば１MHz,２MHz,４MHz等の基本周波数ｆ_０の電気信号を発生させる発振器（オッシレータ）１２０と、この発振器１２０からの電気信号を所定の時間間隔(１／Ｆ_ｒｐｆ)毎にパルス状に出力するエミッタ１２１(周波数Ｆ_ｒｐｆ)とからなる信号発生器１２２を備え、この信号発生器１２２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ジューサ１２３に入力される。超音波トランスジューサ１２３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に沿って発信せしめられる。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る。

このような超音波トランスジューサ１２３は、送受信器を兼ねており、発信された超音波パルスが流体中の反射体に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。反射体は、流体１１２中に一様に含まれる気泡であったり、Ａｌの微粉末等のパーティクルであったり、又は流体１１２とは音響インピーダンスが異なる異物である。

超音波エコーは、超音波トランスジューサ１２３に受信され、エコー電気信号に変換される。このエコー電気信号は、増幅器１２４で増幅された後、ＡＤ変換器１２５を通ってデジタル化され、このデジタルエコー信号が流速分布計測回路１２６に入力される。流速分布計測回路１２６には、発振器１２０からの基本周波数ｆ_０の電気信号が入力され、両信号の周波数差からドップラーシフトに基づく流速の変化を計測し、測定線ＭＬに沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を傾斜角αで補正することで配管１１１の横断面における流速分布を計測することができる。

次に、上述した従来のドップラー式超音波流量計１１０の動作原理について、図５（Ａ）〜（Ｃ）を参照しつつ説明する。図５（Ａ）に示すように、超音波トランスジューサ１２３を配管１１１の流れの鉛直方向に対し角度αだけ流体１１２の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスジューサ１２３から所要周波数ｆ_０の超音波パルスを入射させると、この超音波パルスは、測定線ＭＬ上の流体１１２に一様に分布する反射体に当って反射し、図５（Ｂ）に示すように、超音波エコーａとなって超音波トランスジューサ１２３に戻される。なお、同図（Ｂ）において符号ｂは超音波パルス入射側の管壁で反射する多重反射エコーであり、符号ｃは反対側管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスジューサ１２３から発信される超音波パルスの発信間隔は１／Ｆ_ｒｐｆである。

そして、超音波トランスジューサ１２３で発信したエコー信号をフィルタリング処理し、ドップラーシフト法を利用して測定線ＭＬに沿って流速分布を計測すると、図５（Ｃ）のように表示される。この流速分布はＵＶＰユニット１１３の流体速度分布測定手段１１６で測定することができる。

ここで、ドップラーシフト法は、配管１１１内を流れる流体１１２中に超音波パルスを放射すると、流体１１２中に混在あるいは一様分布の反射体によって反射され、超音波エコーとなり、この超音波エコーの周波数が流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を応用したものである。

また、超音波流体速度分布測定手段１１６で測定された流体１１２の流速分布信号は流量演算手段としてのコンピュータ１１７に送られ、ここで径方向流速分布信号を配管１１１の半径方向に積分し、流体１１２の流量を時間依存で求めることができる。この流体１１２の時間ｔにおける流量をm（ｔ）とすると、下記（２）式で表わすことができる。

但し、ρ：流体の密度，ｖ（ｘ・ｔ）：時間ｔにおける速度成分（ｘ方向）
上記（２）式から配管１１１を流れる時間ｔの流量m（ｔ）は、下記（３）式に書き換えることができる。

但し、ｖｘ（ｒ・θ・ｔ）：時間ｔにおける配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
以上のような計測原理から分かるように、ドップラー式超音波流速分布計による流量測定は、超音波の反射体からの超音波エコーを信号処理から流速分布を求め、配管の断面積で積分処理を行なうことで算出する。

このため高精度な流量測定を行なうには、超音波エコー信号から求めた流速分布が精度良く、計測され、演算されている必要がある。下記に超音波エコー信号より求めたドップラー周波数ｆ_ｄより流速ｖを求める計算式を下記（４）式に記述する。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_ｆ：流体の音速，θ_ｆ：流体内の超音波傾斜角，ｆ_ｄ：ドップラー周波数，ｆ_０：超音波トランスジューサからの送信周波数
特開２００１−１２４６０３号公報 特開２０００−９７７４２号公報 特開平１０−２８１８３２号公報

上述した従来のドップラー式超音波流速分布計では、上記（４）式に基づいて、超音波エコーのドップラー周波数ｆ_dから流体の流速ｖの分布を求め、これを配管の断面積で積分処理することによって前記流体の流量を算出していた。

しかし、上記（４）式に基づいて流速ｖを算出する場合、ドップラー周波数ｆ_dから流速ｖを演算するには、流体の音速Ｃ_ｆ、流体内の超音波傾斜角θ_ｆ、トランスジューサからの送信周波数ｆ_０が必要となる。例えば、金属配管へクランプオンで流量を高精度に計測しようとすると、流体の音速Ｃ_ｆと、流体内の超音波傾斜角θ_ｆを知る必要がある。このため従来技術では、音速Ｃ_ｆが不明な流体を測定する場合には、この流体の音速Ｃ_ｆを事前に調査する必要があった。

また、一般に物質の音速は温度依存性を有するため、配管内の流体の温度変化によってその音速Ｃ_ｆが変化してしまい事前調査した値と誤差が生じてしまう。これに加え、クランプオン型の場合には、楔の温度変化によってその音速Ｃ_ｗも変化してしまい、スネルの法則（後述する（５）式参照）に従って、これら音速Ｃ_ｆ，Ｃ_ｗの変化により流体内の超音波傾斜角θ_ｆも変化してしまう。したがって、上述した従来のドップラー式超音波流速分布計では、配管内流体の流量を高精度に計測するためには、流体の音速Ｃ_ｆと楔の音速Ｃ_ｗの変化により、流体内の超音波傾斜角θ_ｆも変化するため、流体の音速Ｃ_ｆ及び楔の音速Ｃ_ｗを共に正確に把握しなければ、流体の流速及び流量を高精度に算出することができないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、流体及び楔の音速が不明な場合であっても何ら事前調査を要することなく、該流体の流速及び流量を高精度に測定することができるクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るドップラー式超音波流速分布計は、配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、前記流体内の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、前記超音波送受信手段は、超音波を前記流体に所定角度で入射させるために傾斜面に超音波振動子を設置した楔と、前記配管の熱を伝達させる金属材料によって形成されたケース内に固定され、前記配管の表面温度を測定する温度測定手段を有し、前記楔は前記傾斜面に対向する底面でハウジング内に固定され、また前記ケースは前記温度測定手段の感温部を除いた部分で前記ハウジング内に固定され、さらに前記感温部は前記配管と一部が接触するように固定され且つ前記ケースとは熱遮断され、前記温度測定手段の前記感温部により測定された前記配管の表面温度を前記楔の温度とし該楔の温度から楔の音速を求め、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出する構成としてある。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_ｗ：楔の音速，θ_ｗ：楔内の超音波傾斜角，ｆ_ｄ：ドップラー周波数，ｆ_０：超音波送受信手段の送信周波数
好ましくは、上記ドップラー式超音波流速分布計における、前記配管の表面温度を測定する温度測定手段は、熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタなどの温度検出素子から成り、該温度測定手段を音波の送信方向に対し、後方に設置した構成としてある。

上記構成からなる本発明のドップラー式超音波流速分布計によれば、流体の音速Ｃ_ｆと流体内の超音波傾斜角θ_ｆとを、スネルの法則に基づいて、楔の音速Ｃ_ｗと楔内の超音波傾斜角（＝楔の傾斜角）θ_ｗとに置き換えて流速を算出するにあたり、温度測定手段により測定した配管の表面温度を楔の温度とし楔の温度から正確な楔の音速を求めることにより、温度変化の影響を考慮した高精度な流速及び流量の演算を行なうことができる。

また、楔の温度変化と音速の関係を実験等により一度だけ事前調査すれば、同じ材料の楔を使用する限りいちいち事前調査をしないで高精度な流速及び流量の測定を行なうことができる。

さらに、超音波振動子と温度測定手段とをそれぞれハウジング内の別々の部材に保持させるので、温度測定手段が超音波振動子の音波の伝播経路と干渉しない。これにより、流速及び流量をより高精度に測定することが可能となる。

これに加え、温度測定手段の感温部は配管と一部が接触するように固定され且つケースとは熱遮断されているので、温度を正確に検知することができる。

以下、本発明の実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図、図２は上記ドップラー式超音波流速分布計の楔周辺部の拡大図、図３は楔に用いるアクリルの温度変化と音速の関係を示すグラフである。

図１において、１は本実施形態に係るクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計であり、超音波送受信手段１０（図中の波線で囲まれた部分参照），増幅器２０，ＡＤ変換器３０，流速分布計測手段４０，流量演算手段５０及び表示装置６０を備えている。なお、７０は配管であり、８０は該配管内を流れる流体である。

超音波送受信手段１０は、送信周波数ｆ_０の電気信号を発生する発振器１１と、この発振器１１からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆ_ｒｐｆ）毎にパルス状に出力するエミッタ１２と、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などの圧電材料からなり、エミッタ１２からのパルス電気信号の印加により送信周波数ｆ_０の超音波パルスを発信し、反射された超音波エコーを受信する超音波振動子１３と、該超音波パルスを配管７０及び流体８０に入射せしめる所定材料により形成した楔１４と、ケース１７の中に固定され配管の表面温度を計測する温度センサー１５とで構成してある。

ここで、楔１４は、アクリルやポリ塩化ビニル等の樹脂材料からなり、配管７０を流れる流体８０の進行方向と逆方向に下降傾斜する傾斜面１４ａを有している。この傾斜面１４ａには、例えば、エポキシ系の接着剤などにより超音波振動子１３が接着してあり、これと対向する底面１４ｂは、ハウジング１８の底部に接着等により固定され、ハウジング１８の底面を介して配管７０の外壁面に当接するようにされる。

またケース１７は、ステンレスやアルミなどの熱伝導率が高いが熱放射率の低い金属部材により構成して配管７０の熱を効率よくケース７０に伝達させる一方、温度センサー１５の感温部１５ａは、配管７０と一部が接触するようにケース１７の中に固定されて配管７０の表面温度を正確に計測可能にされ、かつケース１７とは周囲に空気層をもうける等して断熱され、ハウジング１８へ熱が伝達しないで配管７０の表面温度を計測できるように、ケース１７の温度センサー１５の感温部１５ａ以外の部分でハウジング１８と接着などにより固定する。なお、温度センサー１５は、熱電対，白金測温抵抗体又はサーミスタ等の温度検出素子で構成するのが望ましい。さらに、ケース１７の中に固定された温度センサー１５は楔１４における超音波振動子１３が発信した超音波パルスの伝播経路と干渉しないように音波の送信方向に対し、後方に設置される。また、ハウジング１８を、図示しない金属ベルト，布ベルト又はばね等を巻き付けることによって、既存の配管７０に設置（クランプオン）可能となっている。このように構成することで、配管の表面温度を計測することが可能となる。この配管表面温度は、配管内の流体の温度に等しく、ほぼ同等と扱ってよい。

増幅器２０は、超音波振動子１３からのエコー電気信号と、温度センサー１５からの温度電気信号とを受信して増幅した後、これら二種の電気信号をＡＤ変換器３０に出力する。ＡＤ変換器３０は、増幅器２０からエコー電気信号及び温度電気信号を入力する一方で、発振器１１から送信周波数ｆ_０の電気信号を入力し、これら三種の電気信号をデジタル化して流速分布計測手段４０に出力する。

流速分布計測手段４０は、これら三種のデジタル信号を入力して、デジタル化された送信周波数ｆ_０とデジタルエコー信号の周波数差に基づいてドップラー周波数ｆ_ｄを算出するとともに、デジタル温度信号に基づいて楔１４の音速Ｃ_ｗを導き出す。

ここで、楔１４の音速Ｃ_ｗは、例えば、図３に示すアクリルの温度変化と音速の関係のように、サンプル材料の温度変化と音速の関係を実験等により事前調査し、流速分布計測手段４０にあらかじめ演算式又はデータとして保持してある。

また、流速分布計測手段４０には、楔１４内の超音波傾斜角θ_ｗの値をあらかじめ設定してある。より具体的に、本実施形態では、楔１４内の超音波傾斜角θ_ｗを楔１４の傾斜角、すなわち、楔１４の傾斜面１４ａの角度とみなして、温度変化に左右されない一定の値としている。

そして、流速分布計測手段４０は、これら楔１４の音速Ｃ_ｗ，楔１４内の超音波傾斜角θ_ｗ，ドップラー周波数ｆ_ｄ及び送信周波数ｆ_０を下記（１）式に代入し流体８０の流速ｖを求め、測定領域における流速分布を算出する。

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_ｗ：楔の音速，θ_ｗ：楔内の超音波傾斜角，ｆ_ｄ：ドップラー周波数，ｆ_０：超音波送受信手段の送信周波数
ここで、上記（１）式に基づく流速ｖの計測原理について詳細に説明する。上述した通り、配管７０内の流体８０の音速Ｃ_ｆはその温度変化に伴って変化するものであるが、当該流体８０の温度変化をクランプオンで直接的に測定することはできない。そこで、温度変化を考慮した高精度な測定を行なうべく、下記（５）式に表されるスネルの法則に基づいて下記（６）式を導き、従来の上記（４）式における流体８０の音速Ｃ_ｆと流体８０内の超音波傾斜角θ_ｆとを、楔１４の音速Ｃ_ｗと楔１４内の超音波傾斜角θ_ｗとに置き換えて流体８０の流速ｖを算出することとしている。

但し、Ｃ_ｗ：楔の音速，Ｃ_ｐ：配管材の音速，Ｃ_ｆ：流体の音速，θ_ｗ：楔内の超音波傾斜角，θ_ｐ：配管材内の超音波傾斜角，θ_ｆ：流体の超音波傾斜角

但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_ｆ：流体の音速，θ_ｆ：流体内の超音波傾斜角，Ｃ_ｗ：楔の音速，θ_ｗ：楔内の超音波傾斜角
上述したように、楔１４内の超音波傾斜角θ_ｗは、楔１４の傾斜面１４ａの角度とみなしているので、この値が温度変化によらず一定となり、温度センサー１５の検知結果に基づいて楔１４の音速Ｃ_ｗを温度補正しながら正確に算出することにより、流体８０の流速ｖを高精度に計測することができる。例えば、図３のアクリルの温度変化と音速の関係より、温度２０℃の音速は２７６０［ｍ／ｓ］、温度２５℃の音速は２７４０［ｍ／ｓ］で約１％音速が違う。この約１％は直接流速ｖの誤差に影響するので、楔１４の温度を測定して温度補正を行なう必要がある。

流量演算手段５０は、流速分布計測手段４０からの流速分布に基づいて、配管７０の半径方向の積分を行ない、流体８０の流量を時間依存で算出する。表示装置６０は、流量演算手段５０の算出結果を時系列的に表示する。

上記構成からなる本実施形態のドップラー式超音波流速分布計によれば、流体８０の音速Ｃ_ｆと流体８０内の超音波傾斜角θ_ｆとを、スネルの法則に基づいて、楔１４の音速Ｃ_ｗと楔１４内の超音波傾斜角（＝楔の傾斜角）θ_ｗとに置き換えて流速ｖを算出することにより、温度変化の影響を考慮した高精度な流速ｖ及び流量の測定を行なうことができる。

また本実施形態のドップラー式超音波流速分布計では、楔１４の温度変化と音速Ｃ_ｗの関係を実験等により一度だけ事前調査し、流速分布計測手段４０にあらかじめ演算式又はデータとして保持しておけば、同じ材料の楔１４を使用する限りいちいち事前調査をしないで高精度な流速及び流量の測定を行なうことができる。

また、温度センサー１５は、熱電対，白金測温抵抗体又はサーミスタ等の温度検出素子から成り、楔１４における超音波振動子１３からの音波の送信方向に対し、後方に設置されたケース１７内に固定されることから楔１４における超音波振動子１３が発信した超音波パルスの伝播経路と干渉しないため、流速及び流量を高精度に測定できる。

本発明の実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図である。 本発明の実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計の楔周辺部の拡大図である。 本発明の実施形態に係るドップラー式超音波流速分布計の楔に用いるアクリルの温度変化と音速の関係を示すグラフである。 従来のドップラー式超音波流速分布計を示す簡略的な構成図である。 同図（Ａ）〜（Ｃ）は、従来のドップラー式超音波流速分布計による流量測定における作動原理の説明面である。

符号の説明

１ ドップラー式超音波流速分布計
１０ 超音波送受信手段
１１ 発振器
１２ エミッタ
１３ 超音波振動子
１４ 楔
１４ａ 傾斜面
１４ｂ 底面
１５ 温度センサー（温度測定手段）
１５ａ 感温部
１７ ケース
１８ ハウジング
２０ 増幅器
３０ ＡＤ変換器
４０ 流速分布計測手段
５０ 流量演算手段
６０ 表示装置

Claims (2)

1. 配管の外壁面に設置した超音波送受信手段から該配管内の流体へ超音波を発信し、該流体内の反射体に反射された超音波エコーのドップラー周波数に基づき、前記流体内の流速分布を計測するクランプオン型のドップラー式超音波流速分布計において、
   前記超音波送受信手段は、超音波を前記流体に所定角度で入射させるために傾斜面に超音波振動子を設置した楔と、前記配管の熱を伝達させる金属材料によって形成されたケース内に固定され、前記配管の表面温度を測定する温度測定手段を有し、
   前記楔は前記傾斜面に対向する底面でハウジング内に固定され、また前記ケースは前記温度測定手段の感温部を除いた部分で前記ハウジング内に固定され、さらに前記感温部は前記配管と一部が接触するように固定され且つ前記ケースとは熱遮断され、
   前記温度測定手段の前記感温部により測定された前記配管の表面温度を楔の温度とし該楔の温度から楔の音速を求め、これら楔の音速，ドップラー周波数，楔の超音波傾斜角及び超音波送受信手段の送信周波数を、下記（１）式に代入し前記流体の流速を算出することを特徴とするドップラー式超音波流速分布計。
   

   

   但し、ｖ：流体の流速，Ｃ_ｗ：楔の音速，θ_ｗ：楔内の超音波傾斜角，ｆ_ｄ：ドップラー周波数，ｆ_０：超音波送受信手段の送信周波数
2. 前記温度測定手段は、熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタなどの温度検出素子から成り、音波の送信方向に対し、後方に設置されてい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速分布計。

Images