JP2011095030A - 超音波流速計、超音波流速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動子を用いる超音波流速計の測定誤差を低減する技術を提供する。
【解決手段】管の第１位置の外壁に接する第１導波部と、管の第１位置の第１肉厚に基づいて決定される、第１周波数を有する第１送信信号を生成する第１生成部と、第１送信信号を超音波に変換し、第１導波部を介して第１送信信号の反射波を受信して第１受信信号へ変換する第１振動子と、管の第２位置の外壁に接する第２導波部と、管の第２位置の第２肉厚に基づいて決定される、第２周波数を有する第２送信信号を生成する第２生成部と、第２送信信号を超音波に変換し、第２導波部を介して第２送信信号の反射波を受信して第２受信信号へ変換する第２振動子と、第１送信信号と第１受信信号と第２送信信号と第２受信信号とに基づいて、流体の流速を算出する算出部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流速を測定する超音波流速計、超音波流速測定方法に関する。

超音波流速計は、例えば、配管外の振動子から配管中の流体へ超音波を送信し、その流体中の気泡やパーティクルからの反射波を振動子で受信し、その反射波の伝播時間を測定し、その伝搬時間から流速を求める。

関連する技術として、ドップラー式超音波流速分布計が知られる。

特開２００６−３００４１号公報

前述の超音波流速計において、算出される流速の誤差は、振動子から送信される周波数によって異なる。これは、配管表面に発生する波や配管内で多重に反射する波が、反射信号に影響を与え、その波が周波数によって異なるためである。反射信号に影響を与える波は、配管上の振動子の設置位置によっても異なる。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、複数の振動子を用いる超音波流速計の測定誤差を低減する技術を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、管内を流れる流体の流速を測定する超音波流速計であって、前記管の第１位置の外壁に接する第１導波部と、前記管の前記第１位置の第１肉厚に基づいて決定される、第１周波数を有する第１送信信号を生成する第１生成部と、前記第１送信信号を超音波に変換して前記第１導波部を介して前記管内へ送信し、前記第１導波部を介して前記第１送信信号の反射波を受信して第１受信信号へ変換する第１振動子と、前記管の第２位置であって前記第１位置と異なる前記第２位置の外壁に接する第２導波部と、前記管の前記第２位置の第２肉厚であって前記第１肉厚と異なる前記第２肉厚に基づいて決定される、第２周波数を有する第２送信信号を生成する第２生成部と、前記第２送信信号を超音波に変換して前記第２導波部を介して前記管内へ送信し、前記第２導波部を介して前記第２送信信号の反射波を受信して第２受信信号へ変換する第２振動子と、前記第１送信信号と前記第１受信信号と前記第２送信信号と前記第２受信信号とに基づいて、前記流体の流速を算出する算出部と、を備える。

また、本発明の一態様は、管内を流れる流体の流速を超音波流速計により測定する超音波流速測定方法であって、前記管の第１位置における、前記管の第１肉厚に基づいて第１周波数を算出し、前記管の第２位置であって前記第１位置と異なる第２位置における、前記管の第２肉厚に基づいて第２周波数を算出し、前記管の前記第１位置の外壁に接するように第１導波部を設け、前記管の前記第２位置の外壁に接するように第２導波部を設け、前記第１周波数を有する第１送信信号を生成し、第１振動子により、前記第１送信信号を超音波に変換して前記第１導波部を介して前記管内へ送信し、前記第１送信信号の反射波を、前記第１導波部を介して前記第１振動子により受信して第１受信信号へ変換し、前記
第２周波数を有する第２送信信号を生成し、第２振動子により、前記第２送信信号を超音波に変換して前記第２導波部を介して前記管内へ送信し、前記第２送信信号の反射波を、前記第２導波部を介して前記第２振動子により受信して第２受信信号へ変換し、前記第１送信信号と前記第１受信信号と前記第２送信信号と前記第２受信信号とに基づいて、前記流体の流速を算出する、ことを行う。

本発明によれば、複数の振動子を用いる超音波流速計の測定誤差を低減することができる。

超音波流速計の構成を示す断面図である。 振動子の駆動周波数と流速誤差の関係を示す図である。 超音波流速測定方法を示すフローチャートである。 配管肉厚の測定の構成を示す断面図である。 振動子の駆動周波数の算出方法を示す断面図である。 振動子の周波数特性を示す図である。 受信信号の一例を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

超音波流速計１は、本発明の超音波流速計の適用例である。

以下、超音波流速計１の構成について説明する。

図１は、超音波流速計１の構成を示す断面図である。超音波流速計１は、振動子１１ａ，１１ｂ、楔１２ａ，１２ｂ、変換器１３、設定部１４、表示部１５を有する。

第１振動子は、例えば振動子１１ａである。第２振動子は、例えば振動子１１ｂである。第１導波部は、例えば楔１２ａである。第２導波部は、例えば楔１２ｂである。第１生成部、第２生成部、算出部は、例えば変換器１３である。

配管２内には、流体３が流れる。流体３内には、気泡（またはパーティクル）４が存在する。

楔１２ａは、配管２の位置５ａの外壁に接するように設置される。楔１２ａは、振動子１１ａを支持し、振動子１１ａからの送信波を導波して所定の角度で配管２の外壁へ入射させ、配管２の外壁からの反射波を振動子１１ａへ入射させる。同様に、楔１２ｂは、配管２の位置５ａより下流側の位置５ｂの外壁に接するように設置される。楔１２ｂは、振動子１１ｂを支持し、振動子１１ｂからの送信波を導波して所定の角度で配管２の外壁へ入射させ、配管２の外壁からの反射波を振動子１１ｂへ入射させる。

第１位置は、例えば位置５ａである。第２位置は、例えば位置５ｂである。第１肉厚は、例えば位置５ａにおける配管２の肉厚である。第２肉厚は、例えば位置５ｂにおける配管２の肉厚である。

この実施の形態においては、超音波流速計１が反射相関法を用いる例について説明する。

超音波流速計１が透過法も用いることができるように、振動子１１ａ，１１ｂは、配管２を介し、対向して設置される。透過法を用いない場合、振動子１１ａ，１１ｂは、対向して設置されなくても良い。

設定部１４は、例えば、ユーザからのキー入力により、測定に必要なパラメータを取得し、記憶する。表示部１５は、変換器１３による測定結果を表示する。

以下、流速誤差について説明する。

振動子１１ａ，１１ｂは、配管肉厚に対して最適な駆動周波数を用いる。図２は、振動子の駆動周波数と流速誤差の関係を示す図である。この図において、横軸は、振動子の駆動周波数を示し、縦軸は、振動子から得られる流速誤差を示す。流速誤差は、流速の測定誤差である。配管２の配管肉厚は、位置によって異なる。実線は、配管肉厚が５．７０ｍｍの位置５ａに設置された振動子１１ａの測定誤差を示す。破線は、配管肉厚が５．６５ｍｍの位置５ｂに設置された振動子１１ｂの測定値誤差示す。

これらの測定値において、流速誤差を最小とする最適な駆動周波数が存在する。ただし、振動子が設置された位置の配管肉厚が異なると、最適な駆動周波数は異なる。したがって、配管肉厚が異なる位置に設置された複数の振動子を同一の周波数で駆動すると、複数の振動子の少なくともいずれかは、最適でない周波数で駆動されることになり、流速誤差が大きくなる。

以下、超音波流速計１を用いる超音波流速測定方法について説明する。

図３は、超音波流速測定方法を示すフローチャートである。

楔１２ａ，１２ｂのそれぞれの設置位置における、配管２の肉厚が測定される（Ｓ１１）。配管肉厚の測定には、超音波厚さ計１７が用いられる。図４は、配管肉厚の測定の構成を示す断面図である。超音波厚さ計１７は、超音波を配管２外壁から送信し、反射波を受信し、反射波の伝搬時間から測定位置の配管２の肉厚を算出する。配管肉厚の測定に、ノギス等を用いても良い。また、ノギス等により機械的に肉厚を測定した場合、その肉厚をもとに、例えば、超音波厚さ計を用いて音速を求める。

配管肉厚を測定された２箇所の設置位置に、それぞれ楔１２ａ，１２ｂが接するように設置される（Ｓ１２）。楔１２ａ，１２ｂ上には、それぞれ振動子１１ａ，１１ｂが設置される。

設定部１４は、配管肉厚の測定結果に基づいて、振動子１１ａ，１１ｂの駆動周波数をそれぞれ算出する（Ｓ１３）。

振動子１１ａの駆動周波数は、楔１２ａから配管２への入射における共鳴周波数または非共鳴周波数とする。図５は、振動子の駆動周波数の算出方法を示す断面図である。楔１２ａから配管２への入射において、楔（シュー）１２ａ側の入射角であるシュー入射角はθ１、配管２側の屈折角はθ２で表される。楔１２ａの音速であるシュー音速はＣ１、配管２の音速はＣ２で表される。測定された配管２の肉厚はｔ、共鳴周波数の次数はｍで表される。ここで、入射角θ１、屈折角θ２、音速はＣ１，Ｃ２は、超音波流速計１の設計値に基づき、予め設定部１４に入力され、記憶される。このとき、楔１２ａから配管２への入射における共鳴周波数、非共鳴周波数ｆは次式で表される。

屈折角θ２は、次式のスネル則により算出される。

ここで、ｍ＝１，２，３，…の場合、ｆは、共鳴周波数となり、ｍ＝１．５，２．５，３．５，…の場合、ｆは、非共鳴周波数となる。

振動子１１ａの駆動周波数は、振動子の周波数特性に基づいて、共鳴周波数、非共鳴周波数の中から選択される。図６は、振動子の周波数特性を示す図である。この図において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、振動子が反射波を受信したときの受信信号のパワーを示す。ここでは、受信信号のパワーが所定の閾値以上となる周波数範囲は、使用周波数範囲と定義される。ここでの閾値は、最大値の１／２とする。使用周波数範囲は、受信信号の振幅が所定の閾値以上となる周波数範囲であっても良い。

前述の振動子の駆動周波数と流速誤差の関係から、共鳴周波数、非共鳴周波数のうち、使用周波数範囲内の駆動周波数の変化量に対する流速誤差の変化量の傾きの絶対値が最も小さい周波数が、振動子１１ａの駆動周波数として選択される。あるいは、共鳴周波数、非共鳴周波数のうち、振動子の特性を最適にする、即ち受信信号の振幅を最大とする周波数が、振動子１１ａの駆動周波数として選択されても良い。

第１特定周波数は、楔１２ａから配管２への入射における、共鳴周波数および非共鳴周波数の少なくともいずれかである。第２特定周波数は、楔１２ｂから配管２への入射における、共鳴周波数および非共鳴周波数の少なくともいずれかである。

振動子１１ａと同様にして、振動子１１ｂの駆動周波数も算出される。振動子１１ａ，１１ｂの設置位置における配管２の肉厚が異なるため、振動子１１ａ，１１ｂの駆動周波数は異なる値に決定される。以下、振動子１１ａ，１１ｂの駆動周波数をそれぞれ、第１周波数、第２周波数とする。

設定部１４は、第１周波数および第２周波数を変換器１３に設定する（Ｓ１４）。

変換器１３は、第１周波数を有し、所定の送信時間間隔を有するバースト波である、第１送信信号を生成して、振動子１１ａへ送信する。同様に、変換器１３は、第２周波数を有し、所定の送信時間間隔を有するバースト波である、第２送信信号を生成して、振動子１１ｂへ送信する（Ｓ２１）。バースト波は、バースト状の正弦波若しくは矩形波、または可能ならばバースト状の波、例えば正弦波や矩形波である。

振動子１１ａは、第１送信信号を超音波へ変換し、楔１２ａを介して配管２へ送信し、振動子１１ｂは、第２送信信号を超音波へ変換し、楔１２ｂを介して配管２へ送信する（Ｓ２２）。

楔１２ａから配管２内へ入射した超音波は、気泡４で反射し、再び配管２から楔１２ａへ入射する。

振動子１１ａは、配管２からの反射波を、楔１２ａを介して受信し、第１受信信号へ変換して変換器１３へ送信する。同様に、振動子１１ｂは、配管２からの反射波を、楔１２ｂを介して受信し、第２受信信号へ変換して変換器１３へ送信する（Ｓ２３）。

図７は、受信信号の一例を示す波形図である。この図において、横軸は、時間を示し、縦軸は、電圧を示す。このような波形が、振動子１１ａ，１１ｂから変換器１３へ繰り返し、出力される。

変換器１３は、第１送信信号と第１受信信号の複数の組に基づいて、第１流速を算出し、第２送信信号と第２受信信号の複数の組に基づいて、第２流速を算出する（Ｓ２４）。

この処理の詳細について説明する。変換器１３は、ある第１送信信号とそれに対する第１受信信号の相関を算出し、その相関がピークとなる時間差に基づいて、１回目の第１送信信号に対する第１受信信号の遅延時間である第１遅延時間を算出する。次に、変換器１３は、次の第１送信信号とそれに対する第１受信信号の相関を算出し、その相関がピークとなる時間差に基づいて、２回目の第１送信信号に対する第１受信信号の遅延時間である第２遅延時間を算出する。次に、変換器１３は、第１遅延時間および第２遅延時間の差と流体３の音速とに基づいて気泡４の移動量を算出し、その移動量と第１送信信号の送信時間間隔に基づいて第１流速を算出し、第１流速と配管２の内径とに基づいて第１流速を算出する。

同様に、変換器１３は、ある第２送信信号とそれに対する第２受信信号の相関を算出し、その相関がピークとなる時間差に基づいて、１回目の第２送信信号に対する第２受信信号の遅延時間である第３遅延時間を算出する。次に、変換器１３は、次の第２送信信号とそれに対する第２受信信号の相関を算出し、その相関がピークとなる時間差に基づいて、２回目の第２送信信号に対する第２受信信号の遅延時間である第４遅延時間を算出する。次に、変換器１３は、第３遅延時間および第４遅延時間の差と流体３の音速に基づいて気泡４の移動量を算出し、その移動量と第２送信信号の送信時間間隔に基づいて第２流速を算出し、第２流速と配管２の内径とに基づいて第２流速を算出する。

ここで、配管２の内径、流体３の音速、第１送信信号および第２送信信号の送信時間間隔は、予め設定部１４に入力され、変換器１３に記憶される。

変換器１３は、第１流速と第２流速の平均である平均流速を算出し、測定結果とする（Ｓ２５）。

表示部１５は、測定結果を表示する（Ｓ２６）。表示部１５は、第１流速と第２流速のそれぞれを表示しても良い。この場合、変換器１３は、平均流速を算出しなくても良い。

以上で、このフローは終了する。

前述の超音波流速測定方法によれば、振動子１１ａ，１１ｂの設置位置における配管２の肉厚をそれぞれ測定し、測定された肉厚に基づいて振動子１１ａ，１１ｂのそれぞれに最適な駆動周波数を用いることにより、測定誤差を低減することができる。

変換器１３は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）により実現される。設定
部１４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、キー入力インターフェイスを有するコンピュータにより実現される。

超音波振動子１は、振動子１１ａおよび楔１２ａと同様の組を、３組以上有しても良い。この場合、変換部１３は、各組から得られる流速を平均化して測定結果の流速としても良い。なお、以上で説明した超音波流速計及び超音波流速測定方法は、算出された流速から管内の流速分布を求めて、超音波流速分布計及び超音波流速分布測定方法に用いることができる。

１ 超音波流速計
２ 配管
３ 流体
４ 気泡
１１ａ，１１ｂ 振動子
１２ａ，１２ｂ 楔
１３ 変換器
１４ 設定部
１５ 表示部
１７ 超音波厚さ計

Claims (5)

1. 管内を流れる流体の流速を測定する超音波流速計であって、
   前記管の第１位置の外壁に接する第１導波部と、
   前記管の前記第１位置の第１肉厚に基づいて決定される、第１周波数を有する第１送信信号を生成する第１生成部と、
   前記第１送信信号を超音波に変換して前記第１導波部を介して前記管内へ送信し、前記第１導波部を介して前記第１送信信号の反射波を受信して第１受信信号へ変換する第１振動子と、
   前記管の第２位置であって前記第１位置と異なる前記第２位置の外壁に接する第２導波部と、
   前記管の前記第２位置の第２肉厚であって前記第１肉厚と異なる前記第２肉厚に基づいて決定される、第２周波数を有する第２送信信号を生成する第２生成部と、
   前記第２送信信号を超音波に変換して前記第２導波部を介して前記管内へ送信し、前記第２導波部を介して前記第２送信信号の反射波を受信して第２受信信号へ変換する第２振動子と、
   前記第１送信信号と前記第１受信信号と前記第２送信信号と前記第２受信信号とに基づいて、前記流体の流速を算出する算出部と、
   を備える超音波流速計。
2. 前記第１導波部から前記管への入射における共鳴周波数および非共鳴周波数の少なくともいずれかである第１特定周波数は、前記第１肉厚に基づいて算出され、
   前記第１周波数は、前記第１振動子の周波数特性に基づいて、前記第１特定周波数の中から選択され、
   前記第２導波部から前記管への入射における共鳴周波数および非共鳴周波数の少なくともいずれかである第２特定周波数は、前記第２肉厚に基づいて算出され、
   前記第２周波数は、前記第２振動子の周波数特性に基づいて、前記第２特定周波数の中から選択される、
   請求項１に記載の超音波流速計。
3. 前記第１周波数は、周波数の変化量に対する流速の測定誤差の変化量の大きさに基づいて、前記第１特定周波数の中から選択される、
   前記第２周波数は、周波数の変化量に対する流速の測定誤差の変化量の大きさに基づいて、前記第２特定周波数の中から選択される、
   請求項２に記載の超音波流速計。
4. 前記算出部は、前記第１送信信号に対する前記第１受信信号の遅延時間に基づいて前記流体の第１流速を算出し、前記第２送信信号に対する前記第２受信信号の遅延時間に基づいて前記流体の第２流速を算出し、前記第１流速と前記第２流速の平均を算出して前記流体の流速とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波流速計。
5. 管内を流れる流体の流速を超音波流速計により測定する超音波流速測定方法であって、
   前記管の第１位置における、前記管の第１肉厚に基づいて第１周波数を算出し、
   前記管の第２位置であって前記第１位置と異なる第２位置における、前記管の第２肉厚に基づいて第２周波数を算出し、
   前記管の前記第１位置の外壁に接するように第１導波部を設け、
   前記管の前記第２位置の外壁に接するように第２導波部を設け、
   前記第１周波数を有する第１送信信号を生成し、
   第１振動子により、前記第１送信信号を超音波に変換して前記第１導波部を介して前記
   管内へ送信し、
   前記第１送信信号の反射波を、前記第１導波部を介して前記第１振動子により受信して第１受信信号へ変換し、
   前記第２周波数を有する第２送信信号を生成し、
   第２振動子により、前記第２送信信号を超音波に変換して前記第２導波部を介して前記管内へ送信し、
   前記第２送信信号の反射波を、前記第２導波部を介して前記第２振動子により受信して第２受信信号へ変換し、
   前記第１送信信号と前記第１受信信号と前記第２送信信号と前記第２受信信号とに基づいて、前記流体の流速を算出する、
   ことを行う超音波流速測定方法。

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