JP2010249561A - 反射相関／ドップラ式超音波流量計の流量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズなどの外乱に強く且つ高精度な流速分布／流量測定が可能な反射相関／ドップラ式超音波流量計を実現する。
【解決手段】複数の超音波発振条件による流速分布測定を行う手順と、前記複数の流速分布測定の結果のそれぞれを関係付ける補正情報を算出する手順と、通常測定条件で得られる流速分布に対し前記補正情報を用いて補正を行う手順、を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射相関／ドップラ方式により流体配管内の流量（流速、流速分布）を測定するドップラ式超音波流量計に関し、特に、信号強度確保と誤差低減の両立を図ることにより安定性向上と高精度化を測った反射相関／ドップラ式超音波流量計の流量測定方法に関する。

従来、この種の反射相関／ドップラ式超音波流量計としては、特開２０００―９７７４２号公報に記載されたものが知られている。図２は上記公報に記載された反射相関／ドップラ式超音波流量計のブロツク図である。
図２について簡単に説明する。

図２は従来例及び本発明に係る反射相関／ドップラ式超音波流量計の構成を示すブロック図である。反射相関／ドップラ式超音波流量計１０は、配管１１内を流れる被測定流体１２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。）１３を備えている。

ＵＶＰユニット１３は被測定流体１２に測定線ＭＬに沿って所要周波数（基本周波数ｆ０）の超音波パルスを送信させる超音波送信手段１５と、被測定流体１２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、測定領域における被測定流体１２の流速分布を測定する流速分布計測回路１６と、被測定流体１２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、被測定流体１２の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのコンピュータ（ＣＰＵ、ＭＰＵ等）１７と、このコンピュータ１７からの出力を時系列的に表示可能な表示装置１８とを有している。

超音波送信手段１５は、所要周波数、例えば１ＭＨｚ，２ＭＨｚ，４ＭＨｚ等の基本周波数ｆ０の電気信号を発生させる発振器（オッシレータ）２０と、この発振器２０から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２１（周波数Ｆrpf）とからなる信号発生器２２を備え、この信号発生器２２から基本周波数ｆ０のパルス電気信号が超音波トランスジューサ２３に入力される。

超音波トランスジューサ２３はパルス電気信号の印加により基本周波数ｆ０の超音波パルスを測定線ＭＬに沿って発信する。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。

超音波トランスジューサ２３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。反射体は被測定流体１２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、または被測定流体１２とは音響インピーダンスが異なる異物である。

超音波トランスジューサ２３に受信された超音波エコーは、このトランスジューサ２３で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２４で増幅された後、ＡＤ変換器２５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１６に入力される。

流速分布計測回路１６には、発振器２０からの基本周波数ｆ０の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラ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で較正することで配管１１の横断面における流速分布を計測することができる。

図３（ａ〜ｃ）は図１に示す反射相関／ドップラ式超音波流量計の動作原理説明図である。
図３（ａ）に示すように、超音波トランスジューサ２３を配管１１の放射方向に対し角度αだけ被測定体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２３から所要周波数ｆ０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上の被測定流体１２に一様に分布する反射体に当って反射する。

図３（ｂ）は反射体に当って反射したパルスが超音波エコーａとなって超音波トランスジューサ２３に戻された状態を示す図である。なお、図３（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２３から発信される超音波パルスの発信間隔は１／Ｆｒｐｆである。

そして、超音波トランスジューサ２３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３（ｃ）のように表示される。この流速分布はＵＶＰユニット１３の流速度分布計測回路１６で測定することができる。

特開２０００−９７７４２号公報 特開２００３−１３０６９９号公報 特開２００６−３００４１号公報

反射相関／ドップラ方式の超音波流速分布（流量）計では、流体中に存在する気泡等の散乱体からの微小な反射エコー信号を取り扱っており、伝搬時間差方式の超音波流量計と比較しても格段に高い信号感度や耐ノイズ性が要求される。そのため、信号強度確保は重要且つ難しい課題である。

非共鳴条件となる周波数で駆動すると誤差の少ない流速プロファイルが得られる一方、信号強度は共鳴条件で駆動した場合と比較して小さくなり、信号強度確保やノイズなどの外乱に対する安定性が悪いという課題がある。

先行技術文献で示した特開２００３−１３０６９９号公報では、信号強度確保を目的として共鳴条件での発振が提案されている。この方法では、信号強度確保は可能なものの、板波や配管多重反射波の影響を大きく受けてしまい、誤差の大きい流速プロファイル測定となってしまう。

従って本発明は、信号強度の確保と誤差の少ない流速分布測定という課題を両立させノイズなどの外乱に強く且つ高精度な流速分布／流量測定が可能なドップラ式超音波流量計を実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複数の超音波発振条件による流速分布測定を行う手順と、前記複数の流速分布測定の結果のそれぞれを関係付ける補正情報を算出する手順と、通常測定条件で得られる流速分布に対し前記補正情報を用いて補正を行う手順、を含むことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の反射相関式／ドップラ式流量測定方法において、
前記超音波発振条件は、信号強度的に有利な配管共鳴条件と、誤差の少ない流速分布が得られる配管非共鳴条件であることを特徴とする。

本発明の請求項１，２によれば以下のような効果がある。
信号強度の大きい共鳴条件での測定結果に対して補正を行うことで、誤差の少ない非共鳴条件相当の流速分布測定結果を得ることができる。信号強度の確保と誤差の少ない流速分布測定を両立させ、ノイズなどの外乱に強く且つ高精度な流速分布／流量測定が可能になる。

本発明の一実施例を示す流量分布補正方法の説明図である。 本発明及び従来例を示した超音波流量計の構成図である。 図３に示す超音波流量計の動作原理図である。 共鳴条件と非共鳴条件における真の流速分布プロファイルとの比較を示す説明図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す超音波流量計の流速分布補正係数を算出するための方法を示す説明図である。なお、本発明における反射相関式／ドップラ式流量計の構成は図２に示す従来のブロック構成図と同様なのでここでの説明は省略する。

図１において、横軸は配管中央から配管内を正規化した半径を示している。縦軸は流速分布補正係数を示し、この補正係数（ニ）は下記の式により算出する。

補正係数（ニ）＝非共鳴条件での流速分布測定結果／共鳴条件での流速分布測定結果

本発明では、信号強度確保と誤差の少ない流速分布測定を両立させるべく、信号強度確保に有利な超音波発振条件と誤差の少ない流速分布測定に有利な超音波発振条件の両条件による測定を併用することで、両者の長所どうしを組み合わせる。

以下に具体的な手順例を説明する。
Ａ：非共鳴条件（信号強度低／誤差小）での流速分布測定を行う。
非共鳴条件となる超音波発振周波数を選択／調整し、流速分布測定を行う。図３（ａ）に示すように非共鳴条件での流速分布測定は信号強度的には不利であるが、真の流速プロファイル（図３ａのイで示す曲線）に対して誤差の小さい（図３ａのｘで示す幅）流速分布（図３ａのロで示す曲線）を得る。

Ｂ：共鳴条件（信号強度高／誤差大）での流速分布測定を行う。
共鳴条件となる超音波発振周波数を選択／調整し、流速分布測定を行う。図３（ｂ）に示すように共鳴条件での流速分布測定は信号強度的には有利な条件であるが、板波／多重反射波等の悪影響を受けて図３ａのｘで示す幅に比較して真のプロファイル（図３ｂのイで示す曲線）に対してとの誤差が大きい（図３ｂのｙで示す幅）流速分布（図３ｂのハで示す曲線）を得る。

Ｃ：流速分布補正のためのパラメータを準備／算出する。
上記のＡ、Ｂにより得られた両条件下での流速分布から、両者を関係づけるパラメータを算出する。
即ち、図１に示すように、非共鳴条件での流速分布測定結果（ロ）を共鳴条件での流速分布測定結果（ハ）で除し、その演算結果から配管内の各半径位置で両条件下での流速の比を補正係数（ニ）として算出する。

Ｄ：共鳴条件（信号強度高／誤差大）での流速分布測定とその補正（誤差低減）を行う。
通常の流速分布測定は、信号強度的に有利な共鳴条件で行う。ただし、このままでは誤差の大きな流速分布となっているため、Ｃで準備しておいた流速分布補正情報により補正を行い、誤差の比較的小さい（非共鳴条件相当の）流速分布を求める。上記Ｃで例示したように流速比を補正係数として準備しておいた場合には、得られた流速分布に対して配管内の各半径位置で補正係数を乗算すれば良い。

Ｅ：補正情報の再取得／更新
補正情報は必要に応じて再取得し更新する。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。上述の測定方法においては、信号強度的に有利で通常測定条件に採用するのは配管に対する「共鳴条件」としている。通常測定条件としては、例えば検出器の共振周波数（≒発振子の共振周波数）を採用する方が有利な可能性もある。

また、複数の条件下で得られる流速分布の差を補正情報として準備しておき、通常測定条件での測定結果を補正して誤差低減を図るという提案であって、複数の条件というのは配管の共鳴／非共鳴条件に限定するものではない。

また、上述のＣ、Ｄでは両条件での流速比を補正係数とする方式を例示したが、両流速分布間の関係を関数の形で表現し、そのパラメータを算出するといった方式も考えられる。さらに、流量計という機能のみを考えれば、Ｃ、Ｄの両条件での流量算出結果の比のみを補正情報として準備しておくという方法も採用可能である。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１０ 反射相関／ドップラ式超音波流量計
１１ 配管
１２ 被測定流体
１３ 超音波速度分布計測ユニット（ＵＶＰユニット）
１５ 超音波送信手段
１６ 速度分布計測回路
１７ ＣＰＵ
１８ 表示装置
２０ 発振器
２１ エミッタ
２２ 信号発生器
２３ 超音波トランスジューサ
２４ 増幅器
２５ Ａ／Ｄ変換器

Claims (2)

1. 複数の超音波発振条件による流速分布測定を行う手順と、前記複数の流速分布測定の結果のそれぞれを関係付ける補正情報を算出する手順と、通常測定条件で得られる流速分布に対し前記補正情報を用いて補正を行う手順、を含むことを特徴とする反射相関／ドップラ式流量測定方法
2. 前記超音波発振条件は、信号強度的に有利な配管共鳴条件と、誤差の少ない流速分布が得られる配管非共鳴条件であることを特徴とする請求項１に記載の反射相関／ドップラ式流量測定方法。

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