JP2009074949A - 超音波流量計及び流量計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波流量計は、一対の超音波トランスジューサ10,20により送受信される超音波の伝播時間に基づいて被測定流体の流量を算出する流量算出部13を備える。一対の超音波トランスジューサ10,20は、2以上の異なる周波数帯域の超音波ビームパターンを送受信するための複数の圧電素子12,13,22,23を積層して備え、2以上の超音波ビームパターンにより流路30の幅方向を複数の検出エリアに分割する。流量算出部14は、2以上の超音波ビームパターンが複数の検出エリアを伝播して得られた伝播時間情報に基づいて、被測定流体の流速分布を推定し、推定した流速分布から被測定流体の流量を算出する。
【選択図】図1
Description
すなわち、超音波トランスジューサにより流速分布を横切るように超音波を送受信させ、流路を流れる流体を計測する際に、流量域によって、計測される平均流速は分布の影響を受け、この分布の影響により計測した値には誤差が含まれるため、正確な流量を算出できないことになる。
仮にこの誤差の影響を補正するにしても、計測している流速分布そのものが把握出来ないので、流量域による流速分布を平均流速として補正することは極めて困難である。
そして、流量算出部14は、2以上の超音波ビームパターンが複数の検出エリアを伝播して得られた伝播時間情報に基づいて、被測定流体の流速分布を推定し、さらに、この流速分布から平均流速を算出することにより被測定流体の流量を算出する。
その後、低周波数の合成された第1及び第2の圧電素子による、例えば中心周波数300kHzで駆動し得られた伝播時間Tjw1とを比較し、この時間が等しければ、さらに駆動する周波数を徐々に下げていき、例えば駆動周波数が下限値250kHzとなっても、伝播時間が等しく変化がなければ、流速分布は乱流域と推定される。一方、伝播時間に変化があり、Tjc1(中心を伝播する時間)>Tjw1(幅方向全域を伝播する時間)、であれば、流速分布は層流域と推定されるため、その比の値に応じて流速分布補正係数を付与すればよい。
このように、超音波トランスジューサの周波数による伝播時間の比較により、周波数を徐々に変化させ、両者(Tjc1とTjw1)を比較することで流量域を推定することができる。
この例の場合、計算結果から、図2(A)に示す高周波数側の第1の周波数f1での指向性が約3.0°、図2(B)に示す低周波数側の第2の周波数f2での指向性が約5.0°となる。従って、両者において約1.7倍異なる指向性を利用し、流体の流速分布を推定し、平均流速を算出することができる。
図3(A)は、計測媒質を都市ガス(13A)、超音波トランスジューサの放射面の直径Dを約15mm、高周波数側の第1の周波数f1を600KHzとしたときの、超音波ビームパターン(図中左側)と、計算結果(図中右側)とを示す。また、図3(B)は、計測媒質を都市ガス(13A)、超音波トランスジューサの放射面の直径Dを約15mm、低周波数側の第2の周波数f2を200KHzとしたときの、超音波ビームパターン(図中左側)と、計算結果(図中右側)とを示す。
この例の場合、計算結果から、図3(A)に示す高周波数側の第1の周波数f1での指向性が約2.0°、図3(B)に示す低周波数側の第2の周波数f2での指向性が約6.0°となる。従って、両者において約3倍異なる指向性を利用し、流体の流速分布を推定し、平均流速を算出することができる。
また、複数の幅方向に分割した超音波ビームのパターンによる伝播時間の相異から、直接流速分布状態が把握できるので、流路寸法、仕切板の配置精度、寸法精度等の固体差による影響を受けることがなく、さらには、温度による影響も少ないため、安定性が良く高精度な流速計測を実現可能とする。
図4(B)に示すように、図4(A)に示すように、超音波トランスジューサの高周波数側の周波数による第1の超音波ビームパターンは、流路幅よりも狭い指向性X(=θ1/2)を満足し、一方、低周波数側の周波数による第2の超音波ビームパターンは、流路幅方向ほぼ全域に広がる指向性Y(=θ1/2)を満足する。
更に、同一のトランスジューサにおいて、上下限周波数以外の異なる2種類の周波数を選定し、異なる2種類の指向性を利用できるので、温度による指向特性の微妙な差にも対応可能となる。
具体的な超音波トランスジューサとして、下記の関係式で音響的に整合された同一の音響整合層から、互いの共振周波数の異なる圧電素子による超音波ビームを放射することができる。なお、m1,m2は整数、λ1,λ2は互いに異なる共振周波数による超音波の波長、Cは音響整合層を伝播する縦波の速度、f1,f2は圧電素子による互いに異なる共振周波数を示す。
(2m1+1)・{λ1/4}=(2m2+1)・{λ2/4} …式(1)
(2m1+1)・{C/(4・f1)}=(2m2+1)・{C/(4・f2)}…式(2)
すなわち、超音波トランスジューサは、2種類以上の圧電素子の各共振周波数における超音波の波長の約1/4の奇数倍に音響整合される。
更に、異なる周波数の関係を5/3倍としたい場合、(2m1+1)=5でm1=2、(2m2+1)=3でm2=1とし、f1=500KHz、f2=300KHz、C=2000m/sとすれば、音響整合層の厚みt=5mmとなり、上記と同様に、互いに異なる共振周波数における超音波を、同一の放射面から効率良く媒質中へと送受信が可能となる。このときの超音波ビームパターンについて図6(B)に示す。
(2m1+1)・{C/(4・f1)}=(2m2+1)・{C/(4・f2)}=(2m3+1)・{C/(4・f3)} …式(3)
例えば、(2m1+1)=5でm1=2、(2m2+1)=3でm2=1、(2m3+1)=1でm3=0として、f1、f2、f3を考えれば良い。
このように、流路幅方向を2つの異なる超音波ビームにより、2つのエリアに分割し、それぞれのエリアにおいて、順方向直接伝播時間Tj1、逆方向直接伝播時間Tg1、順方向直接伝播時間Tj2、逆方向直接伝播時間Tg2を計測する。
Tj1/Tj2=α、Tg1/Tg2=β …式(4)
となる。この比α,βの値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。
V1={L/(2・COSθ)}・(1/Tj1−1/Tg1) …式(5)
V2={L/(2・COSθ)}・(1/Tj2−1/Tg2) …式(6)
より算出される。なお、Lは超音波トランスジューサの放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。これらの流速結果から、2種類の超音波ビームパターンによる流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。
α1(β1)>α2(β2)>α3(β3)≒1 …式(7)
の関係となり、それぞれの比の値により、流量域による妥当な流速分布パターンを推定し、この推定した流速分布から被測定流体の流量を算出することができる。
すなわち、図7(C)に示す各流速分布パターン、すなわち層流域(1),(2)、乱流域(3)において、図7(A)に示す第1の超音波ビームパターンによる流速をVc、図7(B)に示す第2の超音波ビームパターンによる流速をVwとすると、その大小関係により流量域を予測し、妥当な流速を決定するようにしても良い。
(Vc1/Vw1)>(Vc2/Vw2)>(Vc3/Vw3)≒1 …式(8)
の関係となり、流速比のオーダーにより測定時の流量域を推定することができ、測定時点で妥当な流速を算出できる。なお、流量域の推定は、予め記憶されたデータと比較し、データの範囲に適合した値に応じた流量域を判定し、流量域で妥当な流速分布補正係数を割り振ることで、流速を算出し流量を演算する。媒質を都市ガス(13A)としたときの流量Qと流速分布の比ζ(=Vc/Vw)の関係を図8に示す。
また、時間計測情報から演算し算出した流速結果から、2種類の超音波ビームによる流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。
この結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異が識別できるので、流量域による流速分布の相異があっても計測誤差を著しく低減し高精度な流量計測が実現できる。
Vc={L/(2・COSθ)}・(1/Tj1−1/Tg1) …式(9)
Vw={L/(2・COSθ)}・(1/Tj2−1/Tg2) …式(10)
と表記できる。なお、Lは超音波トランスジューサの放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。
すなわち、Vc>Vwの場合には層流域と推定され、Vc/Vwの値により、妥当な流速分布補正係数を決定し、平均流速を算出することで、被測定流体の流量を算出できる。また、Vc≒Vwの場合には乱流域と推定できるため、係数無しに平均流速を決定することができる。乱流に関する速度分布はピーク速度が平均速度となるため、基本的には流速分布補正係数を用いないが、比の値に応じて乱流域に切替わるまで妥当な流速分布補正係数を割り振ることで、流量域に関わらず、平均流速を算出し流量を演算し算出することが可能となる。
図9(A)に示すように、幅方向の流速分布に応じて、例えば、実線のような中心が最大で、中心から対称な速度分布パターン、すなわち図7(C)に示した層流域での流速分布パターン(1)の場合、指向性Xが流路幅より狭い第1の超音波ビームパターンによって算出された流速Vcと、指向性Yが流路幅とほぼ等しい第2の超音波ビームパターンによって算出された流速Vwとの比(Vc/Vw)の値を“ζ1”とする。
V1=φ1・(Vc+Vw)/2 …式(11)
V2=φ2・(Vc+Vw)/2 …式(12)
として算出できる。
V1=φ1′・Vc …式(13)
V2=φ2′・Vc …式(14)
として算出することもできる。但し、φ1′、φ2′はζ1、ζ2に比例した別の補正係数である。無論、別の補正係数を用いて、Vwに対する補正として流速を算出するようにしても良い。
流路幅方向で互いに指向性が異なる2種類の超音波ビームパターンによる、流速比のオーダーに応じて、分布パターンを推定し、流速分布パターンに応じて妥当な流速分布補正係数を割り振ることにより、平均流速を算出し、被測定流体の流量を算出できる。
このように乱流域と判定された場合には、超音波の伝播による減衰が少なく音圧が高い低周波数側(共振周波数近傍)の周波数による超音波ビームを利用することで、乱流による超音波ビームの送受信効率の低下による影響を低減することができるため、安定した計測が実現でき、正確な流速を演算し流量を算出することができる。
V1=φ5・(Vc+Vw)/2 …式(15)
V2=φ6・(Vc+Vw)/2 …式(16)
として算出できる。
V1=φ5′・Vc …式(18)
V2=φ6′・Vc …式(19)
として算出することも可能である。但し、φ5′、φ6′はζ1、ζ2に比例した別の補正係数である。無論、別の補正係数を用いて、Vwに対する補正として流速を算出するようにしても良い。
ガスの種類で変化する微妙な流速分布の相異に応じて、妥当な補正係数となるよう補正係数を変化させる事で、流速分布に関わらず平均流速を算出し流量を演算し算出できる。
図10(A)はLPGの場合における第1の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、LPG中の帯域上限の高周波数による第1の超音波ビームパターンの指向性をX(=θ1/2)とする。図10(B)は都市ガス(13A)の場合における第1の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、同一の圧電素子を有する超音波トランスジューサから放射される直接伝播波による指向特性をX′(=θ1/2)とする。同様に、図11(A)はLPGの場合における第2の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、LPG中の帯域下限の低周波数による第2の超音波ビームパターンの指向性をY(=θ1/2)とする。図11(B)は都市ガス(13A)の場合における第2の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、同一の圧電素子を有する超音波トランスジューサから放射される直接伝播波による指向特性をY′(=θ1/2)とする。
図12(A)は高周波数による第1の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、図12(B)は流路幅を拡大した場合における第1の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、図13(A)は低周波数による第2の超音波ビームパターンの流速分布の例を示し、図13(B)は流路幅を拡大した場合における第2の超音波ビームパターンの流速分布の例を示す。
すなわち、時間計測情報から演算し算出した流速結果から、各流速値における比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適化された流速分布補正係数を変更し、さらには、流体の種類や、流路寸法、流量レンジの少なくとも1つに基づいて、流速分布補正係数とは異なる別の補正係数を付与することで、流量域による幅方向の流速分布が流体の種類や流路寸法に関わらず、全流量域に渡って安定した高精度な計測が実現できる。
Claims (12)
- 被測定流体が流れる流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波トランスジューサと、該一対の超音波トランスジューサにより送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計であって、
前記一対の超音波トランスジューサは、2以上の異なる周波数帯域の超音波ビームパターンを送受信するための複数の圧電素子を積層して備え、
前記流量算出手段は、前記2以上の超音波ビームパターンの伝播時間情報に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。 - 請求項1に記載の超音波流量計において、前記複数の圧電素子は、第1の圧電素子と、該第1の圧電素子に積層された第2の圧電素子とで構成され、前記第1の圧電素子により高周波数側の超音波ビームパターンを送受信し、前記第1の圧電素子及び前記第2の圧電素子により低周波数側の超音波ビームパターンを送受信することを特徴とする超音波流量計。
- 請求項1又は2に記載の超音波流量計において、前記2以上の超音波ビームパターンは、前記一対の超音波トランスジューサの高周波数側に対応して前記流路の幅よりも狭いビーム幅を持つ第1の超音波ビームパターンと、前記一対の超音波トランスジューサの低周波数側に対応して前記流路の幅以上のビーム幅をもつ第2の超音波ビームパターンとを含むことを特徴とする超音波流量計。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の超音波流量計において、前記2以上の超音波ビームパターンの互いに異なる周波数は、前記一対の超音波トランスジューサの高周波数帯域内の周波数と低周波数帯域内の周波数であることを特徴とする超音波流量計。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の超音波流量計において、前記2以上の超音波ビームパターンの互いに異なる周波数は、前記一対の超音波トランスジューサの各周波数帯域内の上限周波数と下限周波数であることを特徴とする超音波流量計。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波流量計において、前記一対の超音波トランスジューサは、厚み方向に縦振動する圧電素子を2種類以上積層し、該2種類以上の圧電素子の各共振周波数における超音波の波長の約1/4の奇数倍に音響整合されていることを特徴とする超音波流量計。
- 請求項6に記載の超音波流量計において、前記一対の超音波トランスジューサそれぞれは前記2種類以上の圧電素子が積層方向に分割され、該分割された前記2種類以上の圧電素子はそれぞれ独立した超音波トランスジューサとして機能することを特徴とする超音波流量計。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記2以上の超音波ビームパターンによる伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値に基づいて、前記流路の幅方向における流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記2以上の超音波ビームパターンより得られた伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速から、前記被測定流体の流量域が乱流域と判断された場合、前記2以上の超音波ビームパターンのうち、低周波数帯域側の共振特性を示す圧電素子の共振周波数近傍における超音波ビームパターンを用いて前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
- 請求項8に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、前記推定した流速分布に応じて、流速分布補正係数を付与し、前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
- 請求項8に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、流体の種類、流路寸法、流量レンジの少なくとも1つに基づいて、補正係数を付与し、前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
- 被測定流体が流れる流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波トランスジューサと、該一対の超音波トランスジューサにより送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計による流量計測方法であって、
前記一対の超音波トランスジューサが積層して備える複数の圧電素子が、2以上の異なる周波数帯域の超音波ビームパターンを送受信し、
前記流量算出手段が、前記2以上の超音波ビームパターンの伝播時間情報に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布から前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする流量計測方法。
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