JP2011017623A - 超音波測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を用いて被測定流体の流速分布を測定する超音波測定器に関し、特に、反射相関測定方式による相関演算の演算量を減らし、演算時間を短くするとともに、大きな流速まで測定できる超音波測定器を提供する。
【解決手段】超音波信号が被測定流体中の超音波反射体によって反射され、この反射された複数の超音波信号に基づいて被測定流体の流速分布を測定するとともに、超音波発信部から発射された超音波信号が超音波受信部に到達するまでの伝播時間に基づいて平均流速を測定する超音波測定器１００において、相互相関値を流速範囲内で演算する相関演算手段２２０と、平均流速と比較する比較流速を演算する比較流速演算手段２３０と、比較流速が、平均流速に対して所定範囲内にある場合、被測定流体の流速分布を演算する流速分布演算手段２４０と、を備えたことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて被測定流体の流速分布を測定する超音波測定器に関し、特に、反射相関測定方式による相関演算の演算量を減らし、演算時間を短くするとともに、大きな流速まで測定できる超音波測定器に関するものである。

化学プラントなどの流量制御に用いられる測定器として、被測定流体の流速分布および流量を測定する超音波測定器が知られている。超音波測定器には、超音波反射体によって反射された超音波信号に対して相関演算を行い、流速分布および流量を求める反射相関測定方式を用いたものがある（特許文献１参照）。この反射相関測定方式による超音波測定器について、図４の構成図を用いて説明する。

図４において、測定管２には、矢印の方向（左から右）に被測定流体ＦＬＤ（液体、気体、ガスなど）が流れる。被測定流体ＦＬＤの流速分布を測定する超音波測定器１は、超音波トランスジューサ１０、切換回路２０、切換制御手段３０、送信回路４０、受信回路５０、Ａ／Ｄ変換回路６０、相関演算手段７０、流速分布演算手段８０および流量演算手段９０を備える。

超音波トランスジューサ１０は測定管２の外周に設けられ、超音波を発射するほか受信する機能を備え、その外部端子は切換回路２０の一端Ｃに接続される。切換回路２０は、一端Ｃと、切換制御手段３０からの切換制御信号によって一端Ｃに切換接続される他端Ｓ、Ｒとを備える。

送信回路４０は、切換制御手段３０からのトリガー制御信号を受けた後、超音波トランスジューサ１０から超音波を発射させるトリガーとなる信号を、切換回路２０の他端Ｓに出力する。受信回路５０は、超音波トランスジューサ１０が受信した超音波信号を切換回路２０の他端Ｒから受け取り、この信号を増幅する。

Ａ／Ｄ変換回路６０は、増幅された超音波信号を受信回路５０から受け取り、デジタル信号に変換する。相関演算手段７０は、デジタル信号をＡ／Ｄ変換回路６０から受け取り、相関演算を行う。

流速分布演算手段８０は、相関演算値を相関演算手段７０から受け取り、流速分布を演算する。流量演算手段９０は、流速分布を構成する流速を流速分布演算手段８０から受け取り、被測定流体ＦＬＤの流量を算出して外部機器（図示しない）に出力、必要に応じて表示手段（図示しない）に表示させる。

以下に、反射相関測定方式による流速分布の測定動作について説明する。切換制御手段３０は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｓとを接続するため、切換回路２０に切換制御信号を出力する。切換回路２０は、切換制御信号によって一端Ｃと他端Ｓとを接続する。この後、切換制御手段３０は、トリガー制御信号を送信回路４０に出力する。

送信回路４０は、トリガー制御信号に応じて、超音波トランスジューサ１０から超音波を発射させるトリガーとなる信号を、切換回路２０の他端Ｓに出力する。このトリガー信号は、切換回路２０の他端Ｓ、一端Ｃを介して超音波トランスジューサ１０に入力される。

そして、後述する超音波信号の受信に備えて、切換制御手段３０は、切換回路２０の一端Ｃと他端Ｒとを接続するための切換制御信号を、切換回路２０に出力する。切換回路２０は、切換制御信号によって一端Ｃと他端Ｒとを接続する。

超音波トランスジューサ１０は、トリガー信号によって、超音波信号ＣＴを被測定流体ＦＬＤに発射する。被測定流体ＦＬＤに入射された超音波信号ＣＴは、被測定流体ＦＬＤ中の気泡、微粒子などの超音波反射体ＰＴによって反射される。

なお、超音波信号ＣＴの経路（一点鎖線）およびこの延長線の経路（点線）を測定線ＭＬとする。

超音波トランスジューサ１０は、反射された超音波信号ＣＨを受信し（以下、「反射超音波信号」という）、切換回路２０の一端Ｃに出力する。反射超音波信号は、切換回路２０の一端Ｃ、他端Ｒを介して受信回路５０に入力される。

受信回路５０は反射超音波信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換回路６０は、増幅された反射超音波信号（アナログ信号）を受信回路５０から受け取って、デジタル信号に変換する。

以上の超音波信号の発射、受信、Ａ／Ｄ変換を少なくとも２回以上連続して行う。ここでは２回行うものとして説明をする。

相関演算手段７０による相関演算を、図５を交えて説明する。図５（ａ）は、反射超音波信号の波形図、図５（ｂ）は、流速に対する相互相関値のグラフを表す。

図５（ａ）において、１回目の反射超音波信号を参照受信波形、２回目の反射超音波信号を探索受信波形とする。

相関演算手段７０は、参照受信波形を基準にして、探索受信波形の時間を所定間隔でずらして（図５（ａ）では、探索受信波形を左へずらしていく）、参照受信波形のデジタル値と、ずらした探索受信波形のデジタル値との相互相関値を演算する。

複数回時間をずらして相互相関演算を繰り返し行って、最大の相互相関値を算出したときのずらした時間（時間差）を、超音波反射体ＰＴのある位置での流速とする。

そして、相関演算手段７０は、流速ゼロから、超音波測定器１が測定可能な流速ＶＰまで相互相関演算を行い、図５（ｂ）に示すように、流速に対する相互相関値を演算する。図５（ｂ）は、超音波反射体ＰＴのある位置での流速と相互相関値との関係を表したグラフである。

図５（ｂ）において、実際に流れている被測定流体ＦＬＤの流速は、相互相関値のピーク値Ｐ２での流速（以下、「真の流速」という）である。一方、相互相関値のピーク値は、Ｐ２以外にＰ１、Ｐ３でも生じている。

真の流速以外で発生するピーク値Ｐ１、Ｐ３を反射相関測定方式によって生じる多峰性という。多峰性は、参照受信波形と探索受信波形が正弦波状で周期性があるので、１周期の時間をずらした場合、両方の波形がほぼ一致して、相互相関値が大きくなることによって発生する。

ここで、多峰性によって生じるピーク値の流速間隔ｗ（以下、「所定流速」という）は、下記式（１）によって表せる。

なお、Ｃは音速、θは被測定流体ＦＬＤの流れ方向と超音波信号ＣＴとのなす角度、ｔ１は超音波トランスジューサ１０から２回連続して発射する２つの超音波信号の時間間隔、ｆは超音波信号の発振周波数である。

そして、相関演算手段７０は、ピーク値Ｐ１〜Ｐ３のうち最大の相互相関値Ｐ２での流速を、超音波反射体ＰＴのある位置での流速と決定する。さらに、相関演算手段７０は、同様の相関演算を行い、測定線ＭＬ上の他の位置での流速を決定する。

流速分布演算手段８０は、相関演算手段７０で決定された測定線ＭＬ上の各位置での流速を受け取り、測定線ＭＬ上の流速分布を演算する。

流量演算手段９０は、流速分布を流速分布演算手段８０から受け取り、流速分布を構成する流速を平均化した流速に、測定管２内の断面積を乗算して、被測定流体ＦＬＤの流量を算出する。

なお、特許文献２には、このような相互相関値を演算する超音波測定器に、多峰性が発生することについて記載されている。

また、流速測定方式には、反射相関測定方式のほかに、伝播時間差による測定方式がある。特許文献３には、反射相関測定方式と伝播時間差測定方式とを切り換えて流速を測定する超音波測定器について記載されている。

特許第３６６９５８０号公報 特開２００２−２４３５１４号公報 特開２００５−１８１２６８号公報

しかし、相関演算手段７０は、流速ゼロから測定可能流速ＶＰまでの広範囲で相互相関演算を行うため、演算量および演算時間が多大になる、という問題がある。

また、流速が大きくなるに伴って、相互相関値は小さくなる。このため、流速が大きい場合、真の流速の相互相関値は小さくなるので、相関演算手段７０は正確な流速を決定できず、大きな流速まで測定することが困難である、という問題がある。

本発明は、超音波を用いて被測定流体の流速分布を測定する超音波測定器に関し、特に、反射相関測定方式による相関演算の演算量を減らし、演算時間を短くするとともに、大きな流速まで測定できる超音波測定器を提供することである。

このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
測定管を流れる被測定流体に入射された複数の超音波信号が超音波反射体によって反射され、この反射された複数の超音波信号に基づいて前記被測定流体の流速分布を測定するとともに、超音波発信部から前記被測定流体に入射された超音波信号が超音波受信部に到達するまでの伝播時間に基づいて前記被測定流体の平均流速を測定する超音波測定器において、
前記測定管内の少なくとも一つの位置で反射された前記複数の超音波信号の相互相関値を、前記超音波信号の周波数に応じた所定流速に基づく流速範囲内で演算する相関演算手段と、
前記相互相関値が最大となる相関最大流速と前記所定流速に基づくオフセット流速とを用いて、前記伝播時間に基づいて測定された平均流速と比較する比較流速を演算する比較流速演算手段と、
前記比較流速演算手段によって演算された比較流速が、前記平均流速に対して所定範囲内にある場合、前記測定管内の各位置での前記相関最大流速と前記オフセット流速とに基づいて、前記被測定流体の流速分布を演算する流速分布演算手段と、
を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記比較流速演算手段は、前記所定流速に所定値を乗算した流速を、前記オフセット流速として用いることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記所定値は整数であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、
前記比較流速演算手段は、前記相関最大流速に前記オフセット流速を加算して前記比較流速を演算し、
前記流速分布演算手段は、前記測定管内の各位置での前記相関最大流速に前記オフセット流速を加算した流速に基づいて前記流速分布を演算する、
ことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、
前記相関演算手段は、前記測定管内の中央の位置で反射された前記複数の超音波信号の相互相関値を演算することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、
前記相関演算手段で用いられる流速範囲は、前記所定流速に０．７５〜１の間の値を乗算した流速範囲であることを特徴とする。

本発明によれば、超音波を用いて被測定流体の流速分布を測定する超音波測定器において、相関演算手段が、所定流速に基づく流速範囲内で相互相関演算を行うことによって、相関演算の演算量を減らし、演算時間を短くすることができる。

さらに、比較流速演算手段が、相関最大流速とオフセット流速とを用いて比較流速を演算し、比較流速が平均流速に対して所定範囲内にある場合、流速分布演算手段が、測定管内の各位置での相関最大流速とオフセット流速とに基づいて流速分布を演算する。これによって、大きな流速まで測定することができる。

本発明を適用した超音波測定器の構成図の例である。 本発明を適用した超音波測定器の演算処理のフローチャート図の例である。 測定管内の各位置での相関最大流速および流速分布を表したグラフの例である。 背景技術で示した超音波測定器の構成図の例である。 （ａ）は、反射超音波信号の波形図、（ｂ）は、流速に対する相互相関値のグラフの例である。

本実施例について図１を用いて説明する。図１は、本発明を適用した超音波測定器１００の構成図である。

図１において、超音波流量計１００は、超音波トランスジューサ１０、切換回路２０、切換制御手段３０、送信回路４０、受信回路５０、Ａ／Ｄ変換回路６０、流量演算手段９０、所定流速演算手段２１０、相関演算手段２２０、相関最大流速演算手段２３１とオフセット流速演算手段２３２とを有する比較流速演算手段２３０、流速分布演算手段２４０、伝播時間演算手段２５０、平均流速演算手段２６０、記憶手段３００および超音波トランスジューサ４００を備える。

なお、図４と同一の構成要素は同一符号を付しており、その説明は省略する。

超音波トランスジューサ４００は、測定管２の外周に、超音波トランスジューサ１０に対向する位置に設けられ、超音波を受信するほか発射する機能を備え、その外部端子は切換回路２０の一端Ｔに接続される。

超音波反射体ＰＴが無い場合、超音波トランスジューサ４００は、超音波トランスジューサ１０から発射され、測定線ＭＬに沿って進む超音波信号を受信する（以下、「透過超音波信号」という）。また、超音波トランスジューサ４００から発射された超音波信号は、超音波トランスジューサ１０によって受信される。

所定流速演算手段２１０は、記憶手段３００から、音速Ｃ、超音波信号の入射角度θ、超音波信号の時間間隔ｔ１および超音波信号の発振周波数ｆを受け取り、上記式（１）によって所定流速ｗを演算して、相関演算手段２２０および比較流速演算手段２３０へ出力する。

相関演算手段２２０は、所定流速ｗと、Ａ／Ｄ変換回路６０によってデジタル変換された反射超音波信号とを受け取り、相互相関演算を実行する流速範囲Ｒ内において相互相関演算を行い、相互相関値を比較流速演算手段２３０へ出力する。

比較流速演算手段２３０内の相関最大流速演算手段２３１は、相互相関値を受け取り、その中で最大の相互相関値での流速Ｖｍ（以下、「相関最大流速」という）を演算する。

比較流速演算手段２３０内のオフセット流速演算手段２３２は、所定流速ｗを受け取り、オフセット流速ＶＳを演算する。

そして、比較流速演算手段２３０は、相関最大流速Ｖｍおよびオフセット流速ＶＳから、平均流速ＶＴ（後述）と比較するための比較流速ＶＣを演算して、流速分布演算手段２４０へ出力する。

また、伝播時間演算手段２５０は、Ａ／Ｄ変換回路６０によってデジタル変換された透過超音波信号を受け取った後、超音波トランスジューサ１０の発射時から超音波トランスジューサ４００の受信時までの超音波信号の伝播時間を演算して、平均流速演算手段２６０へ出力する。

平均流速演算手段２６０は、受け取った伝播時間から被測定流体ＦＬＤの平均流速ＶＴを演算して、流速分布演算手段２４０へ出力する。

そして、流速分布演算手段２４０は、比較流速ＶＣが平均流速ＶＴに対して所定範囲ＴＨ内にあれば、測定線ＭＬの他の位置での反射超音波信号から求められた相関最大流速Ｖｍｘを、相関最大流速演算手段２３１から受け取り、各位置での流速分布を演算して、流量演算手段９０へ出力する。

流量演算手段９０は、流速分布から被測定流体ＦＬＤの流量を演算して、外部機器（図示しない）に出力、必要に応じて表示手段（図示しない）に表示させる。

以下に、本実施例における流速分布の測定動作について、図２を用いて説明する。図２は、流速分布の測定演算を表すフローチャート図である。

まず、反射相関測定方式による相関演算を行うため、Ａ／Ｄ変換回路６０は、上述したような切換回路２０の切換動作によって、超音波反射体ＰＴの位置での反射超音波信号を得る。

図２のステップＳ１０において、相関演算手段２２０は、所定流速ｗに定数Ｋを乗算して、相互相関演算を行う流速範囲Ｒを算出する。説明を簡単にするため、ここではＫを１として説明する。

ステップＳ２０において、相関演算手段２２０は、図５（ａ）で説明したように、参照受信波形を基準にして、探索受信波形の時間を所定間隔でずらして、参照受信波形のデジタル値と、ずらした探索受信波形のデジタル値との相互相関値を演算する。

この相互相関演算を流速範囲Ｒ内で行うことによって、相関演算手段２２０は、図５（ｂ）に示すように、流速範囲Ｒ内の流速に対する相互相関値を演算する。すなわち、相関演算手段２２０は、流速範囲Ｒより大きい流速（例えば、測定可能流速ＶＰ）まで、相互相関演算を行わない。

図２のステップＳ３０において、相関最大流速演算手段２３１は、所定値ｎをゼロにする。

ステップＳ４０において、相関最大流速演算手段２３１は、相関最大流速Ｖｍを演算する。具体的には、図５（ｂ）において、相関最大流速Ｖｍは、流速範囲Ｒ内で最大の相互相関値であるＰ１での流速となる。

つぎに、透過超音波信号を用いた伝播時間による測定方式によって、被測定流体ＦＬＤの平均流速ＶＴを演算する。

図２のステップＳ５０において、切換制御手段３０によって、切換回路２０の端子ＳとＣが接続されるとともに、端子ＲとＴが接続される。その後、超音波トランスジューサ１０（超音波発信部）から発射され、超音波トランスジューサ４００（超音波受信部）によって受信された透過超音波信号は、切換回路２０の端子のＴとＲを介して、受信回路５０に入力される。

伝播時間演算手段２５０は、Ａ／Ｄ変換回路６０によってデジタル変換された透過超音波信号から、超音波トランスジューサ１０の発射時から超音波トランスジューサ４００の受信時までの超音波信号の伝播時間（第１伝播時間）を演算する。

また、切換制御手段３０によって、切換回路２０の端子ＳとＴが接続されるとともに、端子ＲとＣが接続される。その後、超音波トランスジューサ４００（超音波発信部）から発射され、超音波トランスジューサ１０（超音波受信部）によって受信された透過超音波信号は、切換回路２０の端子ＣとＲを介して、受信回路５０に入力される。

伝播時間演算手段２５０は、Ａ／Ｄ変換回路６０によってデジタル変換された透過超音波信号から、超音波トランスジューサ４００の発射時から超音波トランスジューサ１０の受信時までの超音波信号の伝播時間（第２伝播時間）を演算する。

すなわち、第１伝播時間は、被測定流体ＦＬＤの上流側から下流側に向かって超音波信号を進行させた場合の伝播時間、第２伝播時間は、被測定流体ＦＬＤの下流側から上流側に向かって超音波信号を進行させた場合の伝播時間である。

そして、平均流速演算手段２６０は、第１伝播時間と第２伝播時間との伝播時間差および音速Ｃを用いて、平均流速ＶＴを演算する。なお、伝播時間差測定方式で求められる流速は平均流速であって、測定管内の各位置における流速分布を求めることはできない。

つぎに、ステップＳ６０において、オフセット流速演算手段２３２は、所定流速ｗに所定値ｎを乗算して、オフセット流速ＶＳを演算する。この時点では、所定値ｎはゼロなので、オフセット流速ＶＳはゼロである（ＶＳ＝０）。

ステップＳ７０において、比較流速演算手段２３０は、ステップＳ４０で求めた相関最大流速Ｖｍにオフセット流速ＶＳを加算して、比較流速ＶＣを演算する。この時点では、オフセット流速ＶＳはゼロなので、比較流速ＶＣは相関最大流速Ｖｍに等しい（ＶＣ＝Ｖｍ）。

ステップＳ８０において、流速分布演算手段２４０は、比較流速ＶＣと、ステップＳ５０で求めた平均流速ＶＴとの差の絶対値が、所定範囲ＴＨより小さいか否かを判定する。例えば、所定範囲ＴＨとして、超音波測定器１００の流速測定精度の値を用いることができる。

ここで、平均流速ＶＴは、真の流速と等しい、またはこれと近い値である。従って、比較流速ＶＣと平均流速ＶＴとの差が、流速測定精度内であれば、比較流速ＶＣも真の流速と等しい、またはこれと近い値である。

上述したように、図５（ｂ）において、真の流速は、相互相関値のピーク値Ｐ２での流速（Ｖｍ＋ｗ）であり、平均流速ＶＴもこの流速にほぼ等しいため、現時点では、比較流速ＶＣと平均流速ＶＴとの差の絶対値は、およそ所定流速ｗ（＞流速測定精度）なので、ステップＳ９０へ移行する（ステップＳ８０の「いいえ」）。そして、ステップＳ９０において、所定値ｎに１を足して、ｎ＝１となる。

ステップＳ６０に戻り、再度オフセット流速ＶＳを演算し、オフセット流速ＶＳは所定流速ｗとなる（ＶＳ＝ｗ）。

ステップＳ７０において比較流速ＶＣを演算し、比較流速ＶＣは、相関最大流速Ｖｍに所定流速ｗを加算した値となる（ＶＣ＝Ｖｍ＋ｗ）。

ステップＳ８０において、比較流速ＶＣは、平均流速ＶＴと等しい、またはこれと近い値なので、比較流速ＶＣと平均流速ＶＴとの差の絶対値は、流速測定精度内となって、ステップＳ１００へ移行する（ステップＳ８０の「はい」）。

ステップＳ１００において、測定線ＭＬの各位置ｘでの超音波反射体ＰＴで反射された反射超音波信号から、相関演算手段２２０および相関最大流速演算手段２３１によって、相関最大流速Ｖｍｘを演算する。

その後、流速分布演算手段２４０は、ステップＳ８０の条件を満たすオフセット流速ＶＳ（＝ｗ）に、各位置ｘでの相関最大流速Ｖｍｘを加算して、流速分布Ｖｘを演算する。

ステップＳ１１０において、流量演算手段９０は、流速分布を構成する流速を平均化した流速に、測定管２内の断面積を乗算して、被測定流体ＦＬＤの流量を算出する。

つぎに、ステップＳ４０での相関最大流速演算から、ステップＳ１００での流速分布演算までの流れを、図３を用いて視覚的に説明する。図３は、測定管２内の測定線ＭＬ上の位置ｘにおける相関最大流速および流速分布を表したグラフである。なお、横軸の超音波トランスジューサ１０側の管内壁から、超音波トランスジューサ４００側の管内壁まで、流速値がプロットされている。

図３において、測定線ＭＬ上の中心位置ＣＳに超音波反射体ＰＴがある場合、図２のステップＳ４０において、この位置での相関最大流速Ｖｍが演算される。

上述したように、オフセット流速ＶＳ＝ｗであり、比較流速ＶＣ＝Ｖｍ＋ｗである場合、ステップＳ８０において、比較流速ＶＣと平均流速ＶＴとの差の絶対値は、流速測定精度内となる。

これを図３で説明すると、中心位置ＣＳでの相関最大流速Ｖｍに、オフセット流速ＶＳ（＝所定流速ｗ）を加算した値が、比較流速ＶＣとして、点線の丸印で表されている。

そして、比較流速ＶＣは、平均流速ＶＴに対して所定範囲ＴＨ内にあるので、ステップＳ８０の条件を満たす。

つぎに、ステップＳ１００において、測定線ＭＬ上の各位置ｘでの流速分布Ｖｘを演算する。

これを図３で説明すると、測定線ＭＬ上の中心位置ＣＳの左右にある中央位置ＣＬ、ＣＲでの超音波反射体ＰＴで反射された反射超音波信号から、相関最大流速Ｖｍｘが演算される。相関最大流速Ｖｍｘにオフセット流速ＶＳ（＝所定流速ｗ）を加算した値が、流速分布Ｖｘとして、点線の丸印で表されている。

この演算を測定線ＭＬ上の各位置で行うことによって、図３に示すように、点線の丸印の集まりからなる流速分布Ｖｘが求められる。

本実施例によれば、相関演算手段２２０は、流速範囲Ｒ内で相互相関演算を行い、流速範囲Ｒより大きい測定可能流速ＶＰまで相互相関演算を行う必要がないので、相関演算の演算量を減らし、演算時間を短くすることができる。

さらに、比較流速演算手段２３０は、相関最大流速Ｖｍとオフセット流速ＶＳとを加算して比較流速ＶＣを求め、流速分布演算手段２４０は、比較流速ＶＣと平均流速ＶＴとの差の絶対値が所定範囲ＴＨ内にある場合、測定線ＭＬ上の各位置ｘでの相関最大流速Ｖｍｘとオフセット流速ＶＳとを加算して流速分布Ｖｘを求める。これによって、真の流速が大きくなっても（例えば、測定可能流速ＶＰの近くになっても）、オフセット流速ＶＳを加算すれば、流速分布Ｖｘを求めることができ、大きな流速まで測定可能となる。

また、図３で示した測定線ＭＬ上の中心位置ＣＳでの反射超音波信号から、オフセット流速ＶＳを求めたが、さらに、測定線ＭＬ上の中央位置ＣＬおよびＣＲでの反射超音波信号から、オフセット流速ＶＳを求めてもよい。

この場合、図２のステップＳ８０の条件を満たすオフセット流速ＶＳとして、測定線ＭＬ上の中心位置ＣＳおよび中央位置ＣＬ、ＣＲでの反射超音波信号から求められた、３つのオフセット流速ＶＳが得られる。

このため、流速分布演算手段２４０は、ステップＳ１００において、３つのオフセット流速ＶＳを平均して、このオフセット平均流速に各位置ｘでの相関最大流速Ｖｍｘを加算して、流速分布Ｖｘを求めることができる。

このように、複数の位置での反射超音波信号からオフセット平均流速を求めることによって、例えば、一つの反射超音波信号にノイズが重畳した場合であっても、平均化することで、ノイズを除去し安定したオフセット平均流速が求められるとともに、安定かつ正確な流速分布Ｖｘを求めることができる。

さらに、測定線ＭＬ上の中心位置ＣＳ、中央位置ＣＲ、ＣＬでの流速の方が、管内壁との摩擦がないため、管内壁付近での流速より安定している。従って、測定線ＭＬ上の中心位置ＣＳ、中央位置ＣＲ、ＣＬでの反射超音波信号からオフセット流速ＶＳを求めることによって、安定したオフセット流速ＶＳが求められるとともに、安定かつ正確な流速分布Ｖｘを求めることができる。

また、図５（ｂ）で示したように、流速範囲Ｒは、ピーク値Ｐ１を含む範囲である必要がある。このため、流速範囲Ｒは、ピーク値Ｐ１での流速Ｖｍを含み、かつＶｍよりあまり大きくない値であることが好ましい。あまり大きいと相互相関演算の演算量が増えてしまうからである。

従って、定数Ｋの値は、このような流速範囲Ｒを求めることができる値が好ましく、例えば、０．７５〜１の間の値を用いることができる。

また、所定値ｎは整数に限られず、例えば、０、０．９５、１．９５のような整数に近い値でも、正確な流速分布Ｖｘを求めることができるが、所定値ｎは、本実施例で説明したように、整数（０、１、２など）であることが好ましい。

それは以下の理由による。多峰性によって、所定流速ｗの間隔で相互相関値のピークが現われ、真の流速は、いずれかのピーク値での流速に近い値である。本実施例の説明では、図５（ｂ）に示したように、ピーク値はＰ１、Ｐ２、Ｐ３であり、真の流速はＰ２での流速（＝Ｖｍ＋ｗ）に近い値である。

相関最大流速Ｖｍは、最初に現われるピーク値（Ｐ１）での流速となる。所定値ｎが１（整数）の場合、オフセット流速ＶＳは、ｗとなる。相関最大流速Ｖｍとオフセット流速ＶＳを加算して得られる比較流速ＶＣ（＝Ｖｍ＋ｗ）は、平均流速ＶＴおよび真の流速とほぼ等しくなるので、このオフセット流速ＶＳを用いて求める流速分布Ｖｘも、より正確な値となるからである。

また、相互相関演算を行う流速範囲Ｒの始点はゼロ流速として説明したが、これに限られず、流速範囲Ｒが、いずれかのピーク値（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３など）を含むことのできる始点であればよい。なお、流速範囲Ｒの始点が真の流速より大きければ、所定値ｎを負の値にして、オフセット流速ＶＳを求めることになる。

なお、流量演算手段９０、所定流速演算手段２１０、相関演算手段２２０、比較流速演算手段２３０、相関最大流速演算手段２３１、オフセット流速演算手段２３２、流速分布演算手段２４０、伝播時間演算手段２５０および平均流速演算手段２６０は、ＤＳＰ２００（デジタルシグナルプロセッサ）などのプロセッサによって、所定のプログラムに従って実行されるほか、論理回路によって実現してもよい。

なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。また、前述した各手段の組み合わせ以外の組み合わせを含むことができる。

９０ 流量演算手段
１００ 超音波測定器
２１０ 所定流速演算手段
２２０ 相関演算手段
２３０ 比較流速演算手段
２３１ 相関最大流速演算手段
２３２ オフセット流速演算手段
２４０ 流速分布演算手段
２５０ 伝播時間演算手段
２６０ 平均流速演算手段
３００ 記憶手段
４００ 超音波トランスジューサ

Claims (6)

1. 測定管を流れる被測定流体に入射された複数の超音波信号が超音波反射体によって反射され、この反射された複数の超音波信号に基づいて前記被測定流体の流速分布を測定するとともに、超音波発信部から前記被測定流体に入射された超音波信号が超音波受信部に到達するまでの伝播時間に基づいて前記被測定流体の平均流速を測定する超音波測定器において、
   前記測定管内の少なくとも一つの位置で反射された前記複数の超音波信号の相互相関値を、前記超音波信号の周波数に応じた所定流速に基づく流速範囲内で演算する相関演算手段と、
   前記相互相関値が最大となる相関最大流速と前記所定流速に基づくオフセット流速とを用いて、前記伝播時間に基づいて測定された平均流速と比較する比較流速を演算する比較流速演算手段と、
   前記比較流速演算手段によって演算された比較流速が、前記平均流速に対して所定範囲内にある場合、前記測定管内の各位置での前記相関最大流速と前記オフセット流速とに基づいて、前記被測定流体の流速分布を演算する流速分布演算手段と、
   を備えたことを特徴とする超音波測定器。
2. 前記比較流速演算手段は、前記所定流速に所定値を乗算した流速を、前記オフセット流速として用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波測定器。
3. 前記所定値は整数であることを特徴とする請求項２に記載の超音波測定器。
4. 前記比較流速演算手段は、前記相関最大流速に前記オフセット流速を加算して前記比較流速を演算し、
   前記流速分布演算手段は、前記測定管内の各位置での前記相関最大流速に前記オフセット流速を加算した流速に基づいて前記流速分布を演算する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波測定器。
5. 前記相関演算手段は、前記測定管内の中央の位置で反射された前記複数の超音波信号の相互相関値を演算することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波測定器。
6. 前記相関演算手段で用いられる流速範囲は、前記所定流速に０．７５〜１の間の値を乗算した流速範囲であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波測定器。