JP2008157677A - 流量計測システム、流量計測方法、コンピュータプログラムおよび超音波トランスデューサ - Google Patents
流量計測システム、流量計測方法、コンピュータプログラムおよび超音波トランスデューサ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な超音波流量計測の技術を提供する。
【解決手段】 気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手段と、 当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手段と、 そ反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手段と、 算出されたトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手段と、 算出された多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手段と、 算出された流速分布から流量を算出する流量算出手段とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】 気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手段と、 当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手段と、 そ反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手段と、 算出されたトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手段と、 算出された多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手段と、 算出された流速分布から流量を算出する流量算出手段とを備える。
【選択図】 図１
Description
本発明は、超音波による相互相関法を利用した流体、特に気体の流量測定の技術に関する。
より詳しくは、流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスデューサおよび超音波流量測定システムに係る。特に、金属配管の内部を流動する種々の流体の流速分布および流量を非接触にて測定する超音波流速分布計及び流量の計測技術に関する。
より詳しくは、流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計に用いる超音波トランスデューサおよび超音波流量測定システムに係る。特に、金属配管の内部を流動する種々の流体の流速分布および流量を非接触にて測定する超音波流速分布計及び流量の計測技術に関する。
反射型の超音波流量計としては、以前から以下の二種類が知られている。
第一に、被測定流体内に超音波を発信し、被測定流体中の反射体（例えば気泡）に反射される超音波を受信し、当該発信と受信との時間差を用いて平均流速、平均流量を測定するドップラ式超音波流量計である。
第二に、被測定流体内に超音波パルスを二度発信し、被測定流体中の反射体（例えば気泡）に反射される超音波を受信する。ある反射体に反射された超音波パルスであれば、二度の反射波とも同一の波形をなしているはずであり、その同一波形の反射波を特定し、その相対時間差から流速を算出するという方法を実現するのが、相互相関法による超音波流量計である。
第一に、被測定流体内に超音波を発信し、被測定流体中の反射体（例えば気泡）に反射される超音波を受信し、当該発信と受信との時間差を用いて平均流速、平均流量を測定するドップラ式超音波流量計である。
第二に、被測定流体内に超音波パルスを二度発信し、被測定流体中の反射体（例えば気泡）に反射される超音波を受信する。ある反射体に反射された超音波パルスであれば、二度の反射波とも同一の波形をなしているはずであり、その同一波形の反射波を特定し、その相対時間差から流速を算出するという方法を実現するのが、相互相関法による超音波流量計である。
上述した超音波流速分布計および流量計の一例は、特許文献１に掲載されている。
特開２０００−９７７４２号公報
さて、相互相関法による超音波流量計は、流速分布に基づく精密な流量測定が可能である。
微小粒子や気泡等の超音波反射体が存在しないような被測定流体の場合、特許文献1（ドップラ式超音波流量計）に記載された技術よりも、特許文献2（相互相関法による超音波流量計）に記載された技術が向いている。逆に、微小粒子や気泡等の超音波反射体が多数存在するような被測定流体の場合には、特許文献２（相互相関法による超音波流量計）に記載された技術よりも、特許文献１（ドップラ式超音波流量計）に記載された技術が向いている。
いわば、二つの測定技術は、相互に補完関係にある。
微小粒子や気泡等の超音波反射体が存在しないような被測定流体の場合、特許文献1（ドップラ式超音波流量計）に記載された技術よりも、特許文献2（相互相関法による超音波流量計）に記載された技術が向いている。逆に、微小粒子や気泡等の超音波反射体が多数存在するような被測定流体の場合には、特許文献２（相互相関法による超音波流量計）に記載された技術よりも、特許文献１（ドップラ式超音波流量計）に記載された技術が向いている。
いわば、二つの測定技術は、相互に補完関係にある。
特許文献２に記載された技術は、反射体からの反射波の周波数特性を導出し、これの平均値および標準偏差を用いて探索窓を設定することで、時間分解能の向上を目指した技術である。
従来の相互相関法による超音波流量計は、相互相関処理に時間が掛かるために時間分解能を向上させる必要性があることから、特許文献２に技術が提案されている。
特開２００５−２０８０６８号公報
従来の相互相関法による超音波流量計は、相互相関処理に時間が掛かるために時間分解能を向上させる必要性があることから、特許文献２に技術が提案されている。
特許文献２に記載された技術では、統計的な処理によって、変動する探索窓を設定し、その探索窓を用いて相互相関処理の時間を軽減するものである。
さて、ドップラ式超音波流量計に用いる超音波は、水中であれば２４８０ｍ／ｓの速度が確保できるが、空気中では３４０ｍ／ｓとなり、約１／８の速度となってしまう。すなわち、内径が５０ｃｍの流水管の流量測定に相当する空気が流れる配管は、その内径が約４ｍとなってしまう。被測定流体が流れる配管が大口径であると、測定できる流速の最大値に制限が出てきてしまう。
一方、相互相関法によれば、測定可能な流速の最大値には、理論的には制限がない。
一方、相互相関法によれば、測定可能な流速の最大値には、理論的には制限がない。
さて、ドップラ式超音波流量計に用いる超音波トランスデューサは、被測定流体が気体である場合、被測定流体が流れる配管の材質や、超音波の発振部位の材質などについて、合理的な選択がなされていない。
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものである。
すなわち、本発明の目的は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な超音波流量計測の技術を提供することである。
請求項１から請求項３に記載の発明が解決すべき課題は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測システムを提供することである。
請求項４に記載の発明が解決すべき課題は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測方法を提供することである。
請求項５に記載の発明が解決すべき課題は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測プログラムを提供することである。
請求項６から請求項７に記載の発明が解決すべき課題は、ドップラ式超音波流量計における被測定流体が気体である場合に適した超音波トランスデューサを提供することである。
すなわち、本発明の目的は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な超音波流量計測の技術を提供することである。
請求項１から請求項３に記載の発明が解決すべき課題は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測システムを提供することである。
請求項４に記載の発明が解決すべき課題は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測方法を提供することである。
請求項５に記載の発明が解決すべき課題は、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測プログラムを提供することである。
請求項６から請求項７に記載の発明が解決すべき課題は、ドップラ式超音波流量計における被測定流体が気体である場合に適した超音波トランスデューサを提供することである。
（請求項１）
請求項１に記載の発明は、配管内を流れる被測定流体の流量を求めるシステムに係る。
すなわち、気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手段と、 前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手段と、 その反射波受信手段が受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手段と、 そのトレーサ位置算出手段が算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手段と、 そのトレーサ速度算出手段および前記トレーサ位置算出手段によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手段と、 その流速分布算出手段が算出した流速分布から流量を算出する流量算出手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１に記載の発明は、配管内を流れる被測定流体の流量を求めるシステムに係る。
すなわち、気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手段と、 前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手段と、 その反射波受信手段が受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手段と、 そのトレーサ位置算出手段が算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手段と、 そのトレーサ速度算出手段および前記トレーサ位置算出手段によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手段と、 その流速分布算出手段が算出した流速分布から流量を算出する流量算出手段とを備えたことを特徴とする。
（用語説明）
「バースト波」とは、定められた時間だけ持続する単一周波数の波形信号をいう。任意の周波数の超音波を発生させるために用い、パルス波に比べ狭帯域な周波数特性がある。
バースト波について「複数回の」としているのは、相互相関法には反射波の比較が必要だからである。比較のために必要な２回以上を意味するが、３回よりも多い回数は現実的ではないので、実質的に２回または３回である。
「バースト波」とは、定められた時間だけ持続する単一周波数の波形信号をいう。任意の周波数の超音波を発生させるために用い、パルス波に比べ狭帯域な周波数特性がある。
バースト波について「複数回の」としているのは、相互相関法には反射波の比較が必要だからである。比較のために必要な２回以上を意味するが、３回よりも多い回数は現実的ではないので、実質的に２回または３回である。
「トレーサ速度算出手段」とは、例えば、前記の反射波受信手段が受信した反射波を信号処理する信号処理手段と、 その信号処理手段が信号処理をした後の反射波の信号を解析し、前記バースト波発振手段がバースト波を発振する測定線に沿うトレーサの速度を算出する手段とを備える。
ここで、「信号処理手段」とは、例えば、ＡＤコンバータでデジタル化された超音波エコー信号に、ウォールフィルタにより、クラッタノイズ成分を低減させるフィルタリング処理するためのウォータフィルタ処理部をさらに備える。
更にここで、「ウォールフィルタ処理部」とは、前記バースト波発振手段によって周期的にｎ回（ｎ＞１）連続して発信されたバースト波の反射波であるｎ系列分の反射波から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に反射波の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却する。そして、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換した後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築するように形成したものである。
更にここで、「ウォールフィルタ処理部」とは、前記バースト波発振手段によって周期的にｎ回（ｎ＞１）連続して発信されたバースト波の反射波であるｎ系列分の反射波から、各系列の開始時刻からの所定経過時刻毎に反射波の信号レベルを取得し、系列数順に並べ対応時刻エコーレベル信号を構成し、前記対応時刻エコーレベル信号をフーリエ変換して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得るとともに、上記対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分を棄却する。そして、上記低周波相当成分が棄却された対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分に対して逆フーリエ変換した後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号を再構築するように形成したものである。
「相互相関法」とは、ある一定の時間間隔をもって得られる２つの反射波（参照波、探索波）の相互相関を計算し、その計算結果から測定線ＭＬに沿う流体の速度分布を導き出す手法である。本手法を用いて流量測定を行なうことにより、従来のドップラ式超音波流量計と比較して、時間分解能を飛躍的に向上させることができる。
相互相関法を実現するための「信号解析手段」は、例えば、以下のような構成とする。
すなわち、前記の信号処理手段にて信号処理されたデジタル超音波エコー信号から測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出するために、前記参照波及び探索波の相互相関を計算する相互相関計算処理手段と、前記参照波及び探索波の相関値がある一定値以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定手段と、その位相特定ステップにより特定した参照波及び探索波の位相差を計算する位相差計算手段と、その位相差計算手段により求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出手段とを備える。
そして、前記した相互相関計算処理手段は、デジタル超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆＧ及びＲＭＳ値σを算出し、算出した平均周波数ｆＧ及びＲＭＳ値σを用いて、統計学的な周波数帯であるｆＧ±３σの範囲に対応する超音波反射体の速度範囲を算出し、算出した超音波反射体の速度範囲を用いて探索窓の大きさを設定する。統計学のいわゆる３σルール（正規分布においては、平均値±３σの範囲に全体の９９．７％が包含される）を用い、出現し得る周波数帯を平均周波数ｆＧ±３σの範囲とみなし、存在し得る超音波反射体の速度の最小値ｕｍｉｎ及び最大値ｕｍａｘをｆＧ＋３σ、ｆＧ−３σから求めるものである。
相互相関法を実現するための「信号解析手段」は、例えば、以下のような構成とする。
すなわち、前記の信号処理手段にて信号処理されたデジタル超音波エコー信号から測定線に沿う超音波反射体の位置と速度を算出するために、前記参照波及び探索波の相互相関を計算する相互相関計算処理手段と、前記参照波及び探索波の相関値がある一定値以上の場合、同一の超音波反射体からの反射波とみなす位相特定手段と、その位相特定ステップにより特定した参照波及び探索波の位相差を計算する位相差計算手段と、その位相差計算手段により求まる位相差から前記測定線に沿う超音波反射体の位置及び速度を算出する位置・速度算出手段とを備える。
そして、前記した相互相関計算処理手段は、デジタル超音波エコー信号をフーリエ変換して平均周波数ｆＧ及びＲＭＳ値σを算出し、算出した平均周波数ｆＧ及びＲＭＳ値σを用いて、統計学的な周波数帯であるｆＧ±３σの範囲に対応する超音波反射体の速度範囲を算出し、算出した超音波反射体の速度範囲を用いて探索窓の大きさを設定する。統計学のいわゆる３σルール（正規分布においては、平均値±３σの範囲に全体の９９．７％が包含される）を用い、出現し得る周波数帯を平均周波数ｆＧ±３σの範囲とみなし、存在し得る超音波反射体の速度の最小値ｕｍｉｎ及び最大値ｕｍａｘをｆＧ＋３σ、ｆＧ−３σから求めるものである。
（作用）
バースト波発振手段が、気体中のトレーサに対して、複数回のバースト波の音波を発振する。そのバースト波による当該トレーサからの反射波を反射波受信手段が受信する。そして、その反射波受信手段が受信した反射波からトレーサ位置算出手段が当該トレーサの位置を算出する。
そのトレーサ位置算出手段が算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から、トレーサ速度算出手段が相互相関法にて当該トレーサの速度を算出する。
そのトレーサ速度算出手段および前記トレーサ位置算出手段によって算出した多数のトレーサの位置および速度から、流速分布算出手段が流速分布を算出する。そして、その流速分布算出手段が算出した流速分布から流量を算出する。
一般のドップラ式超音波流量計については、比較的遅い流速である被測定流体については、測定可能な配管径などに制限があるが、本請求項に係る発明によれば、流速の遅い被測定流体であっても流量の算出が可能である。
バースト波発振手段が、気体中のトレーサに対して、複数回のバースト波の音波を発振する。そのバースト波による当該トレーサからの反射波を反射波受信手段が受信する。そして、その反射波受信手段が受信した反射波からトレーサ位置算出手段が当該トレーサの位置を算出する。
そのトレーサ位置算出手段が算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から、トレーサ速度算出手段が相互相関法にて当該トレーサの速度を算出する。
そのトレーサ速度算出手段および前記トレーサ位置算出手段によって算出した多数のトレーサの位置および速度から、流速分布算出手段が流速分布を算出する。そして、その流速分布算出手段が算出した流速分布から流量を算出する。
一般のドップラ式超音波流量計については、比較的遅い流速である被測定流体については、測定可能な配管径などに制限があるが、本請求項に係る発明によれば、流速の遅い被測定流体であっても流量の算出が可能である。
（請求項２）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流量計測システムを限定したものであり、
前記被測定流体を気体とし、 前記バースト波発振手段において発振されるバースト波の基本周波数は、２０ｋＨｚから４００ｋＨｚであることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流量計測システムを限定したものであり、
前記被測定流体を気体とし、 前記バースト波発振手段において発振されるバースト波の基本周波数は、２０ｋＨｚから４００ｋＨｚであることを特徴とする。
「被測定流体」としては、例えば水蒸気、天然ガス、高温の排気ガスなどがある。
バースト波の基本周波数について、「２０ｋＨｚから４００ｋＨｚ」としたのは、以下のような理由である。
すなわち、２０ｋＨｚ未満では、波長が長くなると大きなトレーサが必要となり、スリップにより、流れの速さとトレーサの早さの不一致が発生する恐れがあり、望ましくない。また、４００ｋＨｚより大きいと、空気中でバースト波が減衰してしまうことにより、計測可能な距離に限界があるからである。
すなわち、２０ｋＨｚ未満では、波長が長くなると大きなトレーサが必要となり、スリップにより、流れの速さとトレーサの早さの不一致が発生する恐れがあり、望ましくない。また、４００ｋＨｚより大きいと、空気中でバースト波が減衰してしまうことにより、計測可能な距離に限界があるからである。
（請求項３）
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の流量計測システムを限定したものである。
すなわち、前記バースト波発振手段および前記反射波受信手段は、バースト波の送受信を兼ねた超音波トランスデューサにて構成し、 その超音波トランスデューサは、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、 前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材としたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の流量計測システムを限定したものである。
すなわち、前記バースト波発振手段および前記反射波受信手段は、バースト波の送受信を兼ねた超音波トランスデューサにて構成し、 その超音波トランスデューサは、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、 前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材としたことを特徴とする。
（用語説明）
「超音波振動子」としては、例えば、板状の圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜を成膜したものを用いるのが一般的である。
「音響整合層」は、空中超音波の送受信波の効率を改善するために用いられるものである。例えば、シリコンゴムがある。高温に耐えられる素材であると、用途が広がるので望ましい。
被測定流体が流体である場合には、被測定流体が流れる配管と超音波トランスデューサとの間には、エポキシ樹脂などの素材で形成した「楔（くさび）」を介在させる。しかし、被測定流体が気体である場合にはエポキシ樹脂製の楔が不要となるが、この「音響整合層」が必要となる。
「超音波振動子」としては、例えば、板状の圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜を成膜したものを用いるのが一般的である。
「音響整合層」は、空中超音波の送受信波の効率を改善するために用いられるものである。例えば、シリコンゴムがある。高温に耐えられる素材であると、用途が広がるので望ましい。
被測定流体が流体である場合には、被測定流体が流れる配管と超音波トランスデューサとの間には、エポキシ樹脂などの素材で形成した「楔（くさび）」を介在させる。しかし、被測定流体が気体である場合にはエポキシ樹脂製の楔が不要となるが、この「音響整合層」が必要となる。
（作用）
バースト波発振手段および前記反射波受信手段を兼用とした超音波トランスデューサを採用したことで、装置の設定作業を簡略化するとともに、装置全体をシンプルにすることに寄与する。
また、密度が小さい弾性体を音響整合層の素材として採用したことにより、音響インピーダンスが被測定流体である気体に近づくので、被測定流体が流れる配管を超音波にて通過させやすい。
バースト波発振手段および前記反射波受信手段を兼用とした超音波トランスデューサを採用したことで、装置の設定作業を簡略化するとともに、装置全体をシンプルにすることに寄与する。
また、密度が小さい弾性体を音響整合層の素材として採用したことにより、音響インピーダンスが被測定流体である気体に近づくので、被測定流体が流れる配管を超音波にて通過させやすい。
（請求項４）
請求項４に記載の発明は、 配管内を流れる被測定流体の流量を求める方法に係る。
すなわち、気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手順と、 前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手順と、 その反射波受信手順にて受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手順と、 そのトレーサ位置算出手順にて算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手順と、 そのトレーサ速度算出手順および前記トレーサ位置算出手順によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手順と、 その流速分布算出手順にて算出した流速分布から流量を算出する流量算出手順とを含むことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、 配管内を流れる被測定流体の流量を求める方法に係る。
すなわち、気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手順と、 前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手順と、 その反射波受信手順にて受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手順と、 そのトレーサ位置算出手順にて算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手順と、 そのトレーサ速度算出手順および前記トレーサ位置算出手順によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手順と、 その流速分布算出手順にて算出した流速分布から流量を算出する流量算出手順とを含むことを特徴とする。
（請求項５）
請求項５に記載の発明は、配管内を流れる被測定流体の流量を求めるシステムに用いるコンピュータプログラムに係る。
そのプログラムは、 気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手順と、 前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手順と、 その反射波受信手順にて受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手順と、 そのトレーサ位置算出手順にて算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手順と、 そのトレーサ速度算出手順および前記トレーサ位置算出手順によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手順と、 その流速分布算出手順にて算出した流速分布から流量を算出する流量算出手順とを、コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。
請求項５に記載の発明は、配管内を流れる被測定流体の流量を求めるシステムに用いるコンピュータプログラムに係る。
そのプログラムは、 気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手順と、 前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手順と、 その反射波受信手順にて受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手順と、 そのトレーサ位置算出手順にて算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手順と、 そのトレーサ速度算出手順および前記トレーサ位置算出手順によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手順と、 その流速分布算出手順にて算出した流速分布から流量を算出する流量算出手順とを、コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。
上記のコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−Ｒ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−Ｒ、フラッシュメモリなどである。また、この発明に係るプログラムを格納したコンピュータから、通信回線を通じて他の端末装置へ伝送することも可能である。
（請求項６）
請求項６に記載の発明は、発振した超音波による反射波を用いて配管内を流れる気体の流量を求めるシステムに用いる超音波トランスデューサに係る。
すなわち、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、 前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材としたことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、発振した超音波による反射波を用いて配管内を流れる気体の流量を求めるシステムに用いる超音波トランスデューサに係る。
すなわち、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、 前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材としたことを特徴とする。
（作用）
他の請求項に係る流量計測システムに限らず、例えば、ドップラ式超音波流量計を用いて流量を計測する場合において、被測定流体が気体である場合に適した超音波トランスデューサを提供する。
他の請求項に係る流量計測システムに限らず、例えば、ドップラ式超音波流量計を用いて流量を計測する場合において、被測定流体が気体である場合に適した超音波トランスデューサを提供する。
（請求項７）
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の超音波トランスデューサを限定したものである。
すなわち、前記音響整合層は、母材を金属とした発泡金属にて形成したことを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の超音波トランスデューサを限定したものである。
すなわち、前記音響整合層は、母材を金属とした発泡金属にて形成したことを特徴とする。
音響整合層の材質は、音響インピーダンスが、０．０５〜０．２６×１０６ Ｎｓ／ｍ３の範囲にあることが望ましい。この条件を満たす単一素材は現存しないので、金属に微小な気泡を含ませた発泡金属を採用したものである。
発泡金属の母材としては、例えばアルミニウムがある。金属を母材としたことにより、被測定流体の配管表面が高温となる場合にも適用が可能となる。
発泡金属の母材としては、例えばアルミニウムがある。金属を母材としたことにより、被測定流体の配管表面が高温となる場合にも適用が可能となる。
請求項１から請求項３に記載の発明によれば、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測システムを提供することができた。
請求項４に記載の発明によれば、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測方法を提供することができた。
請求項５に記載の発明によれば、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測プログラムを提供することができた。
請求項６および請求項７に記載の発明によれば、ドップラ式超音波流量計における被測定流体が気体である場合に適した超音波トランスデューサを提供することができた。
請求項４に記載の発明によれば、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測方法を提供することができた。
請求項５に記載の発明によれば、気体のように超音波の速度が遅い流体においても測定が可能な流量計測プログラムを提供することができた。
請求項６および請求項７に記載の発明によれば、ドップラ式超音波流量計における被測定流体が気体である場合に適した超音波トランスデューサを提供することができた。
以下、本願発明に係る超音波流量計測システムおよび超音波トランスデューサについて、実施形態および図面を用いて、具体的に説明する。
（図1）
図１に示すのは、本実施形態に係る流量計測システムの概略である。
すなわち、配管１８内を流れる気体の流量を計測するため、超音波トランスデューサ１５を配管に接続し、その超音波トランスデューサ１５に接続されたＰＣ１１（パーソナルコンピュータ）が、基本処理および測定処理を実行するのである。そしてこのＰＣ１１には、基本処理および測定処理を実行するためのコンピュータプログラムが格納されている。
被測定流体である気体には、超音波トランスデューサ１５から発振されるバースト波を反射できる反射体、例えば細かな塵などが含まれているものとする。
配管１８には、例えば、内径Ｄが４１．２ｍｍφ、肉厚が３．７ｍｍのステンレス管１８を使用し、管開始位置（ｘ＝０）より管軸方向（ｘ軸方向）にｘ＝１９Ｄ（内径Ｄの１９倍）の位置に超音波トランスデューサ１５を外側から設置する。
図１に示すのは、本実施形態に係る流量計測システムの概略である。
すなわち、配管１８内を流れる気体の流量を計測するため、超音波トランスデューサ１５を配管に接続し、その超音波トランスデューサ１５に接続されたＰＣ１１（パーソナルコンピュータ）が、基本処理および測定処理を実行するのである。そしてこのＰＣ１１には、基本処理および測定処理を実行するためのコンピュータプログラムが格納されている。
被測定流体である気体には、超音波トランスデューサ１５から発振されるバースト波を反射できる反射体、例えば細かな塵などが含まれているものとする。
配管１８には、例えば、内径Ｄが４１．２ｍｍφ、肉厚が３．７ｍｍのステンレス管１８を使用し、管開始位置（ｘ＝０）より管軸方向（ｘ軸方向）にｘ＝１９Ｄ（内径Ｄの１９倍）の位置に超音波トランスデューサ１５を外側から設置する。
（図２）
図２は、本実施形態にて用いる超音波トランスデューサ１５のモデル図である。
この超音波トランスデューサ１５は、後述するバースト波発振手段および反射波受信手段の機能を兼ね備えた超音波トランスデューサである。図に示すように、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材とを備える。
音響整合層の素材は、シリコンゴムである。高温に耐えられる素材であると、用途が広がるので望ましい。例えば、アルミニウムを母材とした発泡金属の母材とすれば、被測定流体の配管表面が高温となる場合にも適用が可能となる。
超音波振動子は、板状の圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜を成膜したものを用いている。
なお、図示は省略するが、超音波トランスデューサ１５は、音響インピーダンスを整合させるため、音響カプラを介して金属配管に設置されることが一般的である。
図２は、本実施形態にて用いる超音波トランスデューサ１５のモデル図である。
この超音波トランスデューサ１５は、後述するバースト波発振手段および反射波受信手段の機能を兼ね備えた超音波トランスデューサである。図に示すように、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材とを備える。
音響整合層の素材は、シリコンゴムである。高温に耐えられる素材であると、用途が広がるので望ましい。例えば、アルミニウムを母材とした発泡金属の母材とすれば、被測定流体の配管表面が高温となる場合にも適用が可能となる。
超音波振動子は、板状の圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜を成膜したものを用いている。
なお、図示は省略するが、超音波トランスデューサ１５は、音響インピーダンスを整合させるため、音響カプラを介して金属配管に設置されることが一般的である。
（図３）
図３は、本システム１０において、パソコン１１がコンピュータプログラムを実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法を説明する処理フロー図である。
超音波流速分布及び流量測定処理方法は、受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、信号処理後の超音波エコー信号を信号解析して流体１７の流速分布及び流量を得る信号解析手順とを具備する。
信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するＢＰＦ処理を行なうＢＰＦ処理工程と、超音波エコー信号をＡＤ変換するＡＤ変換工程と、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズ成分を低減するＷＦ処理工程とを備える。
図３は、本システム１０において、パソコン１１がコンピュータプログラムを実行することによりなされる超音波流速分布及び流量測定処理方法を説明する処理フロー図である。
超音波流速分布及び流量測定処理方法は、受信した超音波エコー信号を信号処理する信号処理手順と、信号処理後の超音波エコー信号を信号解析して流体１７の流速分布及び流量を得る信号解析手順とを具備する。
信号処理手順は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するＢＰＦ処理を行なうＢＰＦ処理工程と、超音波エコー信号をＡＤ変換するＡＤ変換工程と、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズ成分を低減するＷＦ処理工程とを備える。
信号解析手順は、測定対象である流体１７中の超音波反射体群の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出工程と、反射体位置・速度算出工程で算出した超音波反射体群の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出工程と、流速分布算出工程で算出した流速分布から流体１７の流量を算出する流量算出工程とを備える。
以上のような工程を実現するためのハードウェア構成を、図4に示す。
以上のような工程を実現するためのハードウェア構成を、図4に示す。
（図４）
図４には、本実施形態に係る流量計測システムの機能をブロック図にて示している。
本システム１０は、エミッショントリガ信号（電気信号）を出力するエミッショントリガ発振手段２２と、エミッショントリガ信号を受信して超音波パルスを発振する超音波パルス発振手段２３と、超音波パルスの反射波を受信し、受信した超音波パルスの反射波を電気信号に変換する超音波受信手段２４と、電気信号の信号処理を行なう信号処理手段２５と、受信した信号を解析して超音波流速分布及び流量を算出する信号解析手段２６とを具備する。
図４には、本実施形態に係る流量計測システムの機能をブロック図にて示している。
本システム１０は、エミッショントリガ信号（電気信号）を出力するエミッショントリガ発振手段２２と、エミッショントリガ信号を受信して超音波パルスを発振する超音波パルス発振手段２３と、超音波パルスの反射波を受信し、受信した超音波パルスの反射波を電気信号に変換する超音波受信手段２４と、電気信号の信号処理を行なう信号処理手段２５と、受信した信号を解析して超音波流速分布及び流量を算出する信号解析手段２６とを具備する。
エミッショントリガとは、ＰＣに内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が内部クロック信号を利用して発振するトリガではなく、ＣＰＵ等の演算手段と別個に設けられたトリガ発振手段が発振するトリガ（外部トリガ）であり、内部クロックが支配的とならないトリガ発振手段によって発振される。
エミッショントリガ発振手段２２は、例えば、トリガ発振機能を有するボード（以下、トリガ発振ボードとする）をＰＣに内蔵されるマザーボートに接続され、ＰＣにおける前記の基本処理にて機能する。
エミッショントリガ発振手段２２は、例えば、トリガ発振機能を有するボード（以下、トリガ発振ボードとする）をＰＣに内蔵されるマザーボートに接続され、ＰＣにおける前記の基本処理にて機能する。
エミッショントリガ発振手段２２は、エミッショントリガ信号（電気信号）を発振して、発振したエミッショントリガ信号（以下、単にトリガ信号とする）を超音波パルス発振手段２３及び信号処理手段２５へ出力する。超音波パルス発振手段２３に入力されるトリガ信号は、超音波パルス発振手段２３において超音波を発振する際に使用される。また、信号処理手段２５に入力されるトリガ信号は、信号授受のタイミングの制御、すなわち同期をとるために使用される。
エミッショントリガ発振手段２２が出力するトリガ信号の出力波形は、測定者が、ＰＣから設定条件を入力操作する等してパソコン１１に設定条件を入力することで任意に設定できる。パソコン１１に設定条件が入力されると、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が入力された設定条件を認識し、ＰＣの基本処理を実行して入力された設定条件に合致したトリガ信号を出力する。
エミッショントリガ発振手段２２が出力するトリガ信号の出力波形は、測定者が、ＰＣから設定条件を入力操作する等してパソコン１１に設定条件を入力することで任意に設定できる。パソコン１１に設定条件が入力されると、パソコン１１に内蔵されるＣＰＵ等の演算処理手段が入力された設定条件を認識し、ＰＣの基本処理を実行して入力された設定条件に合致したトリガ信号を出力する。
超音波パルス発振手段２３は、入力されたトリガ信号により所要周波数（基本周波数ｆ０）の電気パルス信号を所定時間（τ）間隔毎に生成する電気パルス信号生成部２８と、受信した電気パルス信号の周波数及び時間間隔に応じて超音波パルスを発振する超音波パルス生成部（発振部）２９とを備える。
超音波パルス発振手段２３の電気パルス信号生成部２８は、ＰＣの基本処理にて電気パルス信号生成機能が実現される。
超音波パルス発振手段２３の電気パルス信号生成部２８は、ＰＣの基本処理にて電気パルス信号生成機能が実現される。
超音波パルス発振手段２３がエミッショントリガ発振手段２２から出力されたトリガ信号を受信すると、電気パルス信号発振部２８は、所要周波数、例えば、１ＭＨｚ，２ＭＨｚ，４ＭＨｚ等の基本周波数ｆ０の電気パルス信号を所定時間τ間隔で生成する。電気パルス信号生成部２８は、デジタルシンセサイザを有し、５０ｋＨｚから２０ＭＨｚまでの電気パルス信号の出力が可能であり、様々な発振周波数特性を有するトランスデューサ１５に対応できる。電気パルス信号生成部２８において生成された電気パルス信号は、超音波パルス生成部２９へ出力される。
超音波パルス発振部２９は、前記超音波トランスデューサにより超音波パルスであるバースト波の生成機能が実現される。すなわち、電気パルス信号発振部２８が生成した電気パルス信号を受信すると、受信した電気パルス信号を超音波パルスに変換し、得られた超音波パルスを発信する。
超音波パルス発振部２９は、前記超音波トランスデューサにより超音波パルスであるバースト波の生成機能が実現される。すなわち、電気パルス信号発振部２８が生成した電気パルス信号を受信すると、受信した電気パルス信号を超音波パルスに変換し、得られた超音波パルスを発信する。
図1に示すように、超音波トランスデューサ１５は、配管１８に所定の設置角度θをなして外側から設置される。超音波トランスデューサ１５から発信された超音波パルスは、測定線ＭＬに沿って、配管１８内を流れる流体中に入射され、懸濁する（混在する）超音波反射体により反射される。超音波反射体により反射された反射波は超音波トランスデューサ１５に戻る。
超音波パルス発振手段２３の超音波パルス生成部２９とともに、超音波受信手段２４としての機能も担っている。超音波受信手段２４は、戻ってきた超音波パルスの反射波を受信して、受信した反射波の大きさに応じた超音波エコー信号（アナログ電気信号）に変換する。変換により得られた超音波エコー信号は、信号処理手段２５へ送信される。
超音波パルス発振手段２３の超音波パルス生成部２９とともに、超音波受信手段２４としての機能も担っている。超音波受信手段２４は、戻ってきた超音波パルスの反射波を受信して、受信した反射波の大きさに応じた超音波エコー信号（アナログ電気信号）に変換する。変換により得られた超音波エコー信号は、信号処理手段２５へ送信される。
信号処理手段２５は、受信した超音波エコー信号のうち使用した超音波と同じ周波数帯を抽出するフィルタリング処理（以下、バンドパスフィルタリング処理：ＢＰＦ処理とする）を実行するＢＰＦ処理部３１と、超音波エコー信号をアナログ信号からデジタル信号に変換（以下、ＡＤ変換とする）するＡＤコンバータ３２と、受信した超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズ成分を低減するウォールフィルタ（以下、ＷＦとする）によるフィルタリング処理を実行するＷＦ処理部３３とを備える。
反射波である超音波エコー信号を信号処理手段２５が受信すると、まず、ＢＰＦ処理部３１に超音波エコー信号が入力され、ＢＰＦ処理がなされることとなる。
反射波である超音波エコー信号を信号処理手段２５が受信すると、まず、ＢＰＦ処理部３１に超音波エコー信号が入力され、ＢＰＦ処理がなされることとなる。
ＢＰＦ処理部３１は、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、またはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）により構成され、超音波反射体からの反射波である超音波エコー信号に対して、測定に使用する超音波パルスの周波数帯のみを抽出する。ＢＰＦフィルタリング処理を施すことにより、測定に使用しない周波数成分に含まれるノイズがおよぼす流速分布及び流量測定への悪影響を抑制する。
また、ＢＰＦ処理部３１において、超音波エコー信号のＢＰＦ処理が完了すると、次に、超音波エコー信号は、ＡＤコンバータ３２に入力される。ＡＤコンバータ３２は、受信した超音波エコー信号を高速にデジタルサンプリングしてアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段として機能する。ＡＤ変換工程は、ステップＳ１のＢＰＦ処理工程でＢＰＦ処理後の超音波エコー信号をデジタルサンプリングして時系列データ（例えば、５１２系列分）を取得する。
なお、ＡＤコンバータ３２の解像度は、例えば８ｂｉｔでサンプリング周波数が５００ＭＨｚまで可能である。
また、ＢＰＦ処理部３１において、超音波エコー信号のＢＰＦ処理が完了すると、次に、超音波エコー信号は、ＡＤコンバータ３２に入力される。ＡＤコンバータ３２は、受信した超音波エコー信号を高速にデジタルサンプリングしてアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段として機能する。ＡＤ変換工程は、ステップＳ１のＢＰＦ処理工程でＢＰＦ処理後の超音波エコー信号をデジタルサンプリングして時系列データ（例えば、５１２系列分）を取得する。
なお、ＡＤコンバータ３２の解像度は、例えば８ｂｉｔでサンプリング周波数が５００ＭＨｚまで可能である。
ＡＤ変換後のデジタル信号は、ＰＣ１１のＲＡＭなどにデジタルデータとして一旦格納される。ＡＤコンバータ３２が超音波エコー信号をＡＤ変換すると、次に、超音波エコー信号は、ＷＦ処理部３３に入力される。ＷＦ処理部３３は、受信した超音波エコー信号に対してＷＦ処理を実行する。超音波エコー信号に対するＷＦ処理部３３のＷＦ処理により、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズを低減され、クラッタノイズがおよぼす流速分布及び流量測定への悪影響を抑制する。
ＷＦ処理部３３が、超音波エコー信号に対するＷＦ処理を完了すると、信号処理手段２５において実施される全ての信号処理は完了する。
信号処理手段２５において信号処理された超音波エコー信号は、信号解析手段２６に入力され、信号解析手段２６が入力された超音波エコー信号を解析する。
信号解析手段２６は、流体中の超音波反射体の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出部３６と、反射体位置・速度算出部３６が算出した多数個の超音波反射体の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出部３７と、流速分布算出部３７が算出した流速から流体の流量を算出する流量算出部３８とを備える。
信号処理手段２５において信号処理された超音波エコー信号は、信号解析手段２６に入力され、信号解析手段２６が入力された超音波エコー信号を解析する。
信号解析手段２６は、流体中の超音波反射体の位置及び速度を算出する反射体位置・速度算出部３６と、反射体位置・速度算出部３６が算出した多数個の超音波反射体の位置及び速度から流体の流速分布を算出する流速分布算出部３７と、流速分布算出部３７が算出した流速から流体の流量を算出する流量算出部３８とを備える。
反射体位置・速度算出部３６は、入力された超音波エコー信号から流体中の反射体の位置及び速度を算出する。超音波反射体の位置および速度の算出は、以下のようにする。すなわち、配管１８内を流動する流体中の反射体の場合、測定線ＭＬ上の異なる位置をあるピッチ（以下、測定ピッチとする）で算出し、一つの位置に対して反射体の速度を数個算出する。
測定ピッチは、主としてＡＤコンバータ３２の分解能（サンプリング周波数）によって決定するため、ＡＤコンバータ３２の分解能を考慮しつつ、配管１８の内径寸法および流体の種類に応じて測定前に設定する。
測定ピッチは、主としてＡＤコンバータ３２の分解能（サンプリング周波数）によって決定するため、ＡＤコンバータ３２の分解能を考慮しつつ、配管１８の内径寸法および流体の種類に応じて測定前に設定する。
流速分布算出部３７は、反射体位置・速度算出部３６が算出した超音波反射体群の位置及び速度をプロットすることによって速度分布を得る。本システム１０において、被測定流体の流速分布のみを表示する場合は、流速分布算出部３７が出力した流速分布データをパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流速分布として表示する。
本システム１０において、流速分布及び流量、又は、流量を表示する場合は、流速分布算出部３７が算出した流速分布データが流量算出部３８に入力される。流量算出部３８は、流速分布算出部３７が算出した流速分布データを受信し、受信した流速分布データを用いて配管１８の内の流速分布を配管１８の内部面積に沿う積分演算を実行する。流量算出部３８が積分演算処理（流量算出）を完了すると、パソコン１１のＣＰＵ等の演算処理手段が基本処理ＰＧ２０を実行し、流量算出部３８が算出した流量算出データをパソコン１１のディスプレイ等の表示可能な表示手段に流量表示する。
前述したエミッショントリガ発振手段２２、超音波パルス発振手段２３、超音波受信手段２４の電気パルス信号生成部２８、信号処理手段２５及び信号解析手段２６は、必ずしもパソコン１１のみをプログラムと協同する構成としなくても良い。例えば、エミッショントリガ発振手段２２として、パソコン１１の外部にパソコン１１から出力される信号によって駆動するトリガ発振ユニットを設けても良い。
（図５）
図３にて示したステップＳ３のＷＦ処理工程は、各系列のデジタル超音波エコー信号（時系列データ）において、系列数と信号レベルとの関係を得る対応時刻エコーレベル信号取得ステップ（ステップＳ１１）と、対応時刻エコーレベル信号取得ステップで得られた信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理するＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１２）と、ＦＦＴ処理後の信号の周波数相当成分に対し、Ｓ／Ｎ比を閾値としたフィルタリング処理を施すクラッタノイズ低減処理ステップ（ステップＳ１３）と、クラッタノイズ低減処理ステップ後の信号を逆ＦＦＴ処理する逆ＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１４）とを備える。
図３にて示したステップＳ３のＷＦ処理工程は、各系列のデジタル超音波エコー信号（時系列データ）において、系列数と信号レベルとの関係を得る対応時刻エコーレベル信号取得ステップ（ステップＳ１１）と、対応時刻エコーレベル信号取得ステップで得られた信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理するＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１２）と、ＦＦＴ処理後の信号の周波数相当成分に対し、Ｓ／Ｎ比を閾値としたフィルタリング処理を施すクラッタノイズ低減処理ステップ（ステップＳ１３）と、クラッタノイズ低減処理ステップ後の信号を逆ＦＦＴ処理する逆ＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１４）とを備える。
ステップＳ３のＷＦ処理工程では、まず、ステップＳ１１でデジタル超音波エコー信号の各系列において、各系列の開始時刻からの経過時刻τ１等の対応する任意の時刻（以下、「対応時刻」とする）において信号レベルを取得する（以下、取得した信号レベルを系列数１から並べて構成される信号を「対応時刻エコーレベル信号」とする）。
同様にして、τ１以外の対応時刻τ２・・・・τｊ（ｊは任意の自然数：上記例では少なくともｊ≧３）についても各系列の信号レベルを取得する。尚、信号レベルを取得する対応時刻の数は、事前にプログラミングしても良いし、測定開始前に入力設定するようにしても良い。対応時刻エコーレベル信号を得ると、対応時刻エコーレベル信号取得ステップ（ステップＳ１１）は完了し、ステップＳ１２で、ＦＦＴ処理ステップがなされる。
同様にして、τ１以外の対応時刻τ２・・・・τｊ（ｊは任意の自然数：上記例では少なくともｊ≧３）についても各系列の信号レベルを取得する。尚、信号レベルを取得する対応時刻の数は、事前にプログラミングしても良いし、測定開始前に入力設定するようにしても良い。対応時刻エコーレベル信号を得ると、対応時刻エコーレベル信号取得ステップ（ステップＳ１１）は完了し、ステップＳ１２で、ＦＦＴ処理ステップがなされる。
ステップＳ１２のＦＦＴ処理ステップでは、対応時刻エコーレベル信号をＦＦＴ処理して対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得る。対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分を得ると、ＦＦＴ処理ステップ（ステップＳ１２）は完了し、続いて、ステップＳ１３で、クラッタノイズ低減処理ステップがなされる。
ステップＳ１３のクラッタノイズ低減処理ステップでは、対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分の棄却を行なう。これにより、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズが低減される。なお、クラッタノイズ低減処理ステップにおけるフィルタリング処理の閾値設定は、測定開始以前に入力設定する。
ステップＳ１３のクラッタノイズ低減処理ステップでは、対応時刻エコーレベル信号の周波数相当成分から低周波相当成分の棄却を行なう。これにより、超音波エコー信号に重畳するクラッタノイズが低減される。なお、クラッタノイズ低減処理ステップにおけるフィルタリング処理の閾値設定は、測定開始以前に入力設定する。
クラッタノイズ低減処理ステップ（ステップＳ１３）が完了したら、続いて、ステップＳ１４で逆ＦＦＴ処理ステップがなされ、クラッタノイズ低減処理後の対応時刻超音波エコー信号の周波数成分に対して、逆ＦＦＴ処理を行った後、時系列順に並べ直してデジタル超音波エコー信号（時系列データ）を再構築する。
ステップＳ１４の逆ＦＦＴ処理ステップを完了してデジタル超音波エコー信号を得ると、ステップＳ３のＷＦ処理工程が完了する。また、ＷＦ処理工程（ステップＳ３）が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号処理手順は、全処理工程を完了する。信号処理手順が完了すると、続いて、図４ともに前述した信号解析手順（ステップＳ４〜ステップＳ６）がなされる。
ステップＳ１４の逆ＦＦＴ処理ステップを完了してデジタル超音波エコー信号を得ると、ステップＳ３のＷＦ処理工程が完了する。また、ＷＦ処理工程（ステップＳ３）が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における信号処理手順は、全処理工程を完了する。信号処理手順が完了すると、続いて、図４ともに前述した信号解析手順（ステップＳ４〜ステップＳ６）がなされる。
（図６）
図６には、信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ４）のより詳細な処理ステップを表した処理フロー図を示す。
前述したステップＳ４の反射体群位置・速度算出工程は、図７に示すように、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）と、位相特定ステップ（ステップＳ２２）と、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）と、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）と、探索完了判別ステップ（ステップＳ２５）とを備える。
図６には、信号解析手順における反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ４）のより詳細な処理ステップを表した処理フロー図を示す。
前述したステップＳ４の反射体群位置・速度算出工程は、図７に示すように、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）と、位相特定ステップ（ステップＳ２２）と、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）と、位置・速度算出ステップ（ステップＳ２４）と、探索完了判別ステップ（ステップＳ２５）とを備える。
反射体群位置・速度算出工程は、まず、ステップＳ２１で相互相関計算処理ステップがなされ、相互相関法による参照波４５及び探索波４６の相互相関を計算し相関値を算出する。相関値の算出は、探索波４６の探索窓の大きさを変動探索窓法（詳細は後述する）を用いて設定し、探索波４６の探索範囲において、参照波４５の参照範囲との相互相関を計算することでなされる。相関値の算出が完了すると、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）は完了し、続いて、ステップＳ２２で位相特定ステップがなされる。
ステップＳ２２の位相特定ステップでは、相互相関計算処理ステップ（ステップＳ２１）で得られた相関値が閾値ｓ以上となる関係を有する探索波４６の位相が特定される。閾値ｓは、ＰＧ実行前又は実行時に設定する。位相特定ステップ（ステップＳ２２）は完了し、続いて、ステップＳ２３で位相差計算ステップがなされる。
ステップＳ２３の位相差計算ステップでは、特定した探索波４６の位相と参照波４５の参照した位相との位相差を計算する。位相差の計算が完了すると、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）は完了する。
ステップＳ２３の位相差計算ステップでは、特定した探索波４６の位相と参照波４５の参照した位相との位相差を計算する。位相差の計算が完了すると、位相差計算ステップ（ステップＳ２３）は完了する。
続いて、ステップＳ２４で位置・速度算出ステップが実行される。このステップＳ２４の位置・速度算出ステップでは、計算した位相差から探索波４６の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度を算出する。探索波４６の探索範囲にある超音波反射体の位置及び速度の算出が完了する。
続いて、ステップＳ２５の探索完了判別ステップが実行される。このステップＳ２５の探索完了判別ステップでは、探索波４６において探索する全ての探索範囲について、探索が完了したかを判別する。
全ての探索範囲について探索が完了していない場合（ステップＳ２５で「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ２１に進み、ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返す。ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返すことで、流体１７中を流動する超音波反射体群の位置及び速度が算出される。一方、全ての探索範囲について探索が完了している場合（ステップＳ２５で「ＹＥＳ」の場合）には、反射体群位置・速度算出工程を終了する。
全ての探索範囲について探索が完了していない場合（ステップＳ２５で「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ２１に進み、ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返す。ステップＳ２１以降の処理ステップを繰り返すことで、流体１７中を流動する超音波反射体群の位置及び速度が算出される。一方、全ての探索範囲について探索が完了している場合（ステップＳ２５で「ＹＥＳ」の場合）には、反射体群位置・速度算出工程を終了する。
図４に示す信号解析手段２６にて反射体群位置・速度算出工程（ステップＳ４）が完了すると、続いて、流速分布算出工程（ステップＳ５）がなされる。
ステップＳ５の流速分布算出工程では、反射体群位置・速度算出工程で算出された反射体群位置及び速度から超音波反射体群の位置と速度との関係、すなわち、流速分布が算出される。流速分布算出の際は、各系列における同じ対応時刻（例えば、対応時刻τ１）において同位置で取得された全ての超音波反射体の速度を加算平均又は２乗平均して算出する。
ステップＳ５の流速分布算出工程では、反射体群位置・速度算出工程で算出された反射体群位置及び速度から超音波反射体群の位置と速度との関係、すなわち、流速分布が算出される。流速分布算出の際は、各系列における同じ対応時刻（例えば、対応時刻τ１）において同位置で取得された全ての超音波反射体の速度を加算平均又は２乗平均して算出する。
流速分布が算出されると、流速分布算出工程（ステップＳ５）を完了し、続いて、流量算出工程（ステップＳ６）がなされる。ステップＳ６の流量算出工程では、算出した金属配管１８の内の流速分布を金属配管１８の内部面積に沿う積分演算することで流量を算出する。流量の算出が完了すると、流量算出工程（ステップＳ６）は完了し、信号解析手順は全処理工程を完了する。信号解析手順が完了すると、超音波流速分布及び流量測定処理方法における全処理手順を完了する。
（図７）
時刻ｔ＝ｔ０において、流体中を、超音波トランスデューサから発振されてビーム状に直進する超音波（バースト波）が捕捉した反射体が、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおいて、超音波トランスデューサが捕捉した反射体の流体中の移動量Δｘを求める。
流体１７の流速分布を測定する際、トランスデューサ１５の圧電素子から超音波パルスを測定線ＭＬに沿って発信させると、発信された超音波パルスは、超音波反射体であるトレーサ粒子４８の表面で反射し、トランスデューサ１５に戻ってくる。この反射波は、ステンレス管１８ａ内の流動場の各所で起こるため、図７に示すような反射波が現れる。
時刻ｔ＝ｔ０において、流体中を、超音波トランスデューサから発振されてビーム状に直進する超音波（バースト波）が捕捉した反射体が、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおいて、超音波トランスデューサが捕捉した反射体の流体中の移動量Δｘを求める。
流体１７の流速分布を測定する際、トランスデューサ１５の圧電素子から超音波パルスを測定線ＭＬに沿って発信させると、発信された超音波パルスは、超音波反射体であるトレーサ粒子４８の表面で反射し、トランスデューサ１５に戻ってくる。この反射波は、ステンレス管１８ａ内の流動場の各所で起こるため、図７に示すような反射波が現れる。
最初に表われる超音波バースト信号（超音波エコー信号）ａは、エミッション領域と呼ばれ、超音波の発振直後に圧電素子の振動が残っているために生じる信号である。次に出てきた超音波バースト信号ｂは管上部によるものであり、水とステンレスの音響インピーダンスの違いから生じる信号であり、管下部による超音波バースト信号ｃも、信号ｂと同様である。超音波バースト信号ｂとｃの間にある信号ｄがステンレス管１８ａ内の流体流速情報を含んでおり、ピークとなって現れる場所に反射体が存在することとなる。
の位置を反射波である超音波バースト信号ｄから求める。トランスデューサ１５からトレーサ粒子４８までの距離をｘ、超音波パルスを発振してから反射波を受信するまでの時間をτ、超音波の速度をｃとすると、
の関係が成立する。
ある時間間隔Δｔ後にもう一度、この超音波パルスの発振と反射波の受信すると、同様の反射波を得ることができるが、超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔の間に流体１７が移動すれば、トレーサ粒子４８も追従移動する。このため、反射波受信までの時間τも変化する。
この相関関係から流体の流速を測定する測定原理が、相互相関法である。
この相関関係から流体の流速を測定する測定原理が、相互相関法である。
（図８）
ｘを超音波トランスデューサ１５からの距離、Δｘを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に移動したトレーサ粒子４８の移動量、τを超音波パルス発射時点からの時間遅れ、Δτを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に変化した超音波パルス発射時点からの時間遅れとすると、ある位置ｘにおけるｘ方向速度ｕ（ｘ）は、
にて表される。
ｘを超音波トランスデューサ１５からの距離、Δｘを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に移動したトレーサ粒子４８の移動量、τを超音波パルス発射時点からの時間遅れ、Δτを超音波パルスの発振間隔Δｔ間に変化した超音波パルス発射時点からの時間遅れとすると、ある位置ｘにおけるｘ方向速度ｕ（ｘ）は、
超音波パルスの反射は、測定線ＭＬ上の各所で起こるため、この測定線ＭＬ上における流体の流速計測を同時に行なうことができ、流体の流速分布を得ることができる。
流体の流速分布計測を超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔でｎ回（但し、ｎ≧２の自然数）連続的にパルス信号を入力して行なった場合、時間分解能Δｔの連続流速分布データをｎ−１枚取得することができる。
流体の流速分布計測を超音波パルスの発振間隔Δｔの時間間隔でｎ回（但し、ｎ≧２の自然数）連続的にパルス信号を入力して行なった場合、時間分解能Δｔの連続流速分布データをｎ−１枚取得することができる。
ところで、超音波反射体であるトレーサ粒子による反射波は、超音波パルスの発振間隔Δｔを、流体の流速変動スケールに対して十分小さくとることにより、その時間間隔（発振間隔）Δｔの間でほぼ保存される。
本システム１０の信号処理手段２５は、入力された反射波のアナログ超音波エコー信号をＡＤコンバータ３２で高速サンプリング処理してデジタル信号に変換した後、超音波パルスの発振間隔Δｔをもって得られた２つの反射波の相互相関関数を計算する。そして、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で、相互相関に設定した最大値に対する閾値、又は相互相関の形状保存性に対する閾値を設定することにより、定量化した数値を基に同一のトレーサ粒子群からの反射であるか否かを判断することができる。
本システム１０の信号処理手段２５は、入力された反射波のアナログ超音波エコー信号をＡＤコンバータ３２で高速サンプリング処理してデジタル信号に変換した後、超音波パルスの発振間隔Δｔをもって得られた２つの反射波の相互相関関数を計算する。そして、流体内の同一超音波反射体からの反射であることを識別する目的で、相互相関に設定した最大値に対する閾値、又は相互相関の形状保存性に対する閾値を設定することにより、定量化した数値を基に同一のトレーサ粒子群からの反射であるか否かを判断することができる。
一般的に、相互相関関数（Ｒ（ε，τ））は次のように定義される。
τが基準となる時間遅れ、ｉが参照・探索窓内での位置、εが参照波と探索窓とのずれ、ｍは超音波パルスの周期分をそれぞれ表している。
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）を用いて同一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを定量的に判別し、それぞれの時間遅れτを計算し、そこから時間変化量Δτを求める。つまり、最初に得られた反射波（参照波）と、次の反射波（探索波）との時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間遅れτの差（時間差）がΔτとなる。
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）を用いて同一のトレーサ粒子群からの反射波かどうかを定量的に判別し、それぞれの時間遅れτを計算し、そこから時間変化量Δτを求める。つまり、最初に得られた反射波（参照波）と、次の反射波（探索波）との時間遅れτを求め、この２つの反射波の時間遅れτの差（時間差）がΔτとなる。
一方、流体の流速分布速度を得るために必要な超音波パルスの発振間隔Δｔによる反射波の到達時間差Δτは、デジタルサンプリングされた反射波の相互相関関数を用いることにより得られる。
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）は反射波のサンプリング時間間隔をもった離散的なもので得られ、超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすればするほど、トレーサ粒子群からのパルス反射波の形状は保存されるため、より細分割したメッシュでΔτを求める手法が不可欠である。
そこで超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすべく、例えば正規分布近似を利用した補完を行なうことができる。この補完により、より細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求めることができ、その結果速度分解能も向上する。
この相互相関関数Ｒ（ε，τ）は反射波のサンプリング時間間隔をもった離散的なもので得られ、超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすればするほど、トレーサ粒子群からのパルス反射波の形状は保存されるため、より細分割したメッシュでΔτを求める手法が不可欠である。
そこで超音波パルスの発振間隔Δｔの間隔を短くすべく、例えば正規分布近似を利用した補完を行なうことができる。この補完により、より細分割したメッシュで相互相関関数のピークを求めることができ、その結果速度分解能も向上する。
今、離散的に得られた各相関値の最大値をＰｋ、その前後の相関値をそれぞれＰｋ−１，Ｐｋ＋１とすれば、
となる。本発明に係る超音波流速分布計及び流量計においては、この分布近似を利用した補完を行なって信号処理することにより、速度分解能を格段に向上させることができる。
本発明は、ガスプラントにおけるガスの流量計測、ガス流量計測に関わる制御やソフトウェア開発、ガス流量計測システムのメンテナンス業などにおいて、利用可能性がある。
１０ 本システム １１ ＰＣ（パソコン）
１４ コネクタケーブル（信号線） １５ 超音波トランスデューサ
１８ 配管 ２０ａ ステンレス配管
２２ エミッショントリガ発振手段 ２３ 超音波パルス発振手段
２４ 超音波受信手段 ２５ 信号処理手段
２６ 信号解析手段 ２８ 電気パルス信号発振部
２９ 超音波パルス発振部
３１ ＢＰＦ（バンドパスフィルタリング）処理部
３２ ＡＤコンバータ
３３ ＷＦ（ウォールフィルタフィルタリング）処理部
３６ 反射体位置・速度算出部
３７ 流速分布算出部
３８ 流量算出部
４８ トレーサ粒子（超音波反射体）
１４ コネクタケーブル（信号線） １５ 超音波トランスデューサ
１８ 配管 ２０ａ ステンレス配管
２２ エミッショントリガ発振手段 ２３ 超音波パルス発振手段
２４ 超音波受信手段 ２５ 信号処理手段
２６ 信号解析手段 ２８ 電気パルス信号発振部
２９ 超音波パルス発振部
３１ ＢＰＦ（バンドパスフィルタリング）処理部
３２ ＡＤコンバータ
３３ ＷＦ（ウォールフィルタフィルタリング）処理部
３６ 反射体位置・速度算出部
３７ 流速分布算出部
３８ 流量算出部
４８ トレーサ粒子（超音波反射体）
Claims (7)
- 配管内を流れる被測定流体の流量を求めるシステムであって、
気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手段と、
前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手段と、
その反射波受信手段が受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手段と、
そのトレーサ位置算出手段が算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手段と、
そのトレーサ速度算出手段および前記トレーサ位置算出手段によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手段と、
その流速分布算出手段が算出した流速分布から流量を算出する流量算出手段とを備えたことを特徴とする流量計測システム。 - 前記被測定流体を気体とし、
前記バースト波発振手段において発振されるバースト波の基本周波数は、２０ｋＨｚから４００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の流量計測システム。 - 前記バースト波発振手段および前記反射波受信手段は、バースト波の送受信を兼ねた超音波トランスデューサにて構成し、 その超音波トランスデューサは、前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、 前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材としたことを特徴とする請求項２に記載の流量計測システム。
- 配管内を流れる被測定流体の流量を求める方法であって、
気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手順と、
前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手順と、
その反射波受信手順にて受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手順と、
そのトレーサ位置算出手順にて算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手順と、
そのトレーサ速度算出手順および前記トレーサ位置算出手順によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手順と、
その流速分布算出手順にて算出した流速分布から流量を算出する流量算出手順とを含むことを特徴とする流量計測方法。 - 配管内を流れる被測定流体の流量を求めるシステムに用いるコンピュータプログラムであって、
そのプログラムは、 気体中のトレーサに複数回のバースト波の音波を発振するバースト波発振手順と、
前記バースト波による当該トレーサからの反射波を受信する反射波受信手順と、
その反射波受信手順にて受信した反射波から当該トレーサの位置を算出するトレーサ位置算出手順と、
そのトレーサ位置算出手順にて算出したトレーサの位置と、当該トレーサからの複数回の反射波から相互相関法にて当該トレーサの速度を算出するトレーサ速度算出手順と、
そのトレーサ速度算出手順および前記トレーサ位置算出手順によって算出した多数のトレーサの位置および速度から流速分布を算出する流速分布算出手順と、
その流速分布算出手順にて算出した流速分布から流量を算出する流量算出手順とを、コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。 - 発振した超音波による反射波を用いて配管内を流れる気体の流量を求めるシステムに用いる超音波トランスデューサであって、
前記配管の表面に接する音響整合層と、その音響整合層の内側に接する超音波振動子とを備え、
前記音響整合層は、密度が小さい弾性体を素材としたことを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 前記音響整合層は、母材を金属とした発泡金属にて形成したことを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスデューサ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006344546A JP2008157677A (ja) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | 流量計測システム、流量計測方法、コンピュータプログラムおよび超音波トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2006344546A JP2008157677A (ja) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | 流量計測システム、流量計測方法、コンピュータプログラムおよび超音波トランスデューサ |
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ID=39658753
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| JP2006344546A Pending JP2008157677A (ja) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | 流量計測システム、流量計測方法、コンピュータプログラムおよび超音波トランスデューサ |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010066022A (ja) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Morinaga Milk Ind Co Ltd | 蒸気直接加熱の殺菌開始位置の検出方法 |
| JP2010181326A (ja) * | 2009-02-06 | 2010-08-19 | Yokogawa Electric Corp | 超音波計測器 |
| CN107816345A (zh) * | 2017-10-09 | 2018-03-20 | 中国石油天然气集团公司 | 一种油井套管气气量计量的装置和方法 |
| JP2020190511A (ja) * | 2019-05-23 | 2020-11-26 | 愛知時計電機株式会社 | 異物混入位置の推定方法及び流量計 |
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| JP2006023099A (ja) * | 2004-07-06 | 2006-01-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 音響整合層およびそれを用いた超音波送受信器並びにこの超音波送受信器を有する超音波流れ計測装置 |
-
2006
- 2006-12-21 JP JP2006344546A patent/JP2008157677A/ja active Pending
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| JP7356818B2 (ja) | 2019-05-23 | 2023-10-05 | 愛知時計電機株式会社 | 異物混入位置の推定方法及び流量計 |
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