JP2014137369A - 超音波流量測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】流量測定に際し、管路内ですべての方向の偏流推定が可能となって正確に流量を測定することができる超音波流量測定システムを提供する。
【解決手段】管路内の流路に対向して設置される２対以上の超音波センサーを含む第１超音波センサー群と、第１超音波センサー群を立体的に交差するように流路に対向して設置される２対以上の超音波センサーを含む第２超音波センサー群と、を設け、管路内で多数の測線が立体的に交差になるようにして流量を測定する。これにより、流動体の流動中心部を判別してその流動中心部に合わせて管路内を流れる流量を算出することができるようになって、既存方式に比べてより高精度に流量を測定できるようなる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、流量測定に関するものであり、特に、管路にセンサーを交差するように配置して流量を測定するシステムに関するものである。

流体の流量管理が重要な産業現場では、一般的に、流量計を使って管内の流量を測定する。管内の流量を測定する技術では、多くの形態が公開されている。その代表的な例が、容積流量計、電磁流量計、質量流量計、タービン(turbine)流量計、オリフィス(orifice)流量計などである。最近では、超音波の伝搬時間を測定して線平均流速を求めて流量を算出する超音波流量計が、既存流量計の短所を補う技術として脚光を浴びている。超音波流量計を利用した流量測定原理は、基本的に、流体の平均速度と流体が満たされる管路の垂直断面積が分かれば流量を求めることができるというものである。これを下記で説明することにする。ここで、図１は、超音波流量計の流量測定基本原理の説明を図示したものである。図２（ａ）〜（ｃ）は、管路内での流体の流動形態を図示したものである。図３は、管路内で超音波経路にあたる測線がお互いに交差せずに平行に配置されていることを図示したものである。

図１に示したように、直径Ｄを有する管路に角度θで一対の超音波センサー（１，２）が設置された場合、流体の流れがないときの超音波センサー（１）と超音波センサー（２）との間の超音波伝搬時間（ｓ）には、下記式(1)に示す関係が成り立つ。

上記式(1)では、ｔは超音波伝搬時間を表し、ｄは超音波センサー（１，２）の間の距離を表し、Ｃは超音波伝搬速度（ｍ／ｓ）を表す。

管路内で流体が速度ｖで流れる場合の超音波伝搬時間は、次のように得られる。

まず、超音波伝搬方向と流体の流れが同じ方向の場合、例えば、超音波センサー（１）から超音波が送信されて流体が図１の左側から右側に移動する場合には、超音波伝搬時間ｔ₁について下記式(2)に示す関係が成り立つ。

超音波伝搬方向と流体の流れが反対方向の場合、すなわち、流体が図1の右側から左側に移動して超音波センサー（２）で超音波が送信される場合には、超音波伝搬時間ｔ₂について、下記式(3)に示す関係が成り立つ。

上記式(2),(3)において、ｔ₁，ｔ₂は超音波伝搬時間、ｄはセンサーの間の距離、Ｃは超音波伝搬速度（ｍ／ｓ）を表し、ｖは超音波経路での流速（ｍ／ｓ）、θは超音波センサー（１，２）の設置角度を表す。

超音波伝搬時間ｔの逆数差は、１／ｔ₁−１／ｔ₂であり、これに上記式(2)及び式(3)を代入して流体の速度ｖに関して整理すると、式(4)になる。

管路を流れる流量Ｑは、基本的に、流体が満たされる管路の垂直断面積を流体の平均速度に乗じることによって算出可能であるが、超音波経路での流速ｖを流路断面を流れる流体の平均の速度に換算するためには、超音波経路の流体の速度ｖを補正係数ｋによって除してやらなければならない。この場合、管路を流れる流量Ｑは、下記式(5)によって算出される。

上記式(5)により超音波経路の流速ｖを補正係数ｋで補正する理由は、図１に示すようにお互いに対向する超音波センサー（１，２）の軸上の流速は線平均流速であるが、管内には流速分布が存在するから、管路断面を流れる流体の平均流速との差が存在し、したがって、線平均流速ｖを管路断面を流れる流体の平均速度に補正するためである。

しかし、線平均流速ｖを補正するために一般的に使われる補正係数ｋは、図２の(a)に図示したように、測定した軸（超音波伝達経路に該当）が管路の中心を通過して流速分布は測定した軸に対して対称となる理想分布を仮定しているから、実際の流速分布に図２の(b)あるいは(c)に示すように偏り（非対称）があると、補正誤差も大きくなる。

このような補正誤差の影響を軽減させるために、図３に示すように、測定する軸（測線ともいう）の数を２本あるいは４本に増やして平均流速を算出する方法もあるが、図３に示した一般的な超音波流量計であっても、超音波センサーが相互に平行に配列されるので、測定する軸の間の流体の速度計測が不可能である。したがって、図３のような超音波センサー配列を有する超音波流量計によっても、偏流による誤差を完全に補正することはできない。

測線の数を無限に増やして管路内全体を測定できるようにすれば偏流があっても測定誤差を減らすことができるが、これは物理的に不可能である。参考のために、図２で管内に描かれた一点鎖線は、同一断面で流体の速度が等しい場所を連結したものである。

一方、超音波流量計における誤差発生要因の一つに、配管の振動や周辺超音波センサーの発信振動がある。すなわち、周辺要因によって発生された振動が金属からなる配管壁に沿って超音波センサー（１，２）に影響を及ぼす場合にも、流量測定の誤差が生じるので、このような配管振動による誤差を最小化するための方案も一緒に要求される。

本発明は、上述した必要性及び課題を解決するために創案されたものであり、管路内において超音波伝達経路である測線がお互いに交差するようにすることで、管路内ですべての方向の偏流推定が可能となり、正確に流量を測定することができる超音波流量測定システム及びその方法を提供することを目的とする。

また本発明の他の目的は、管路内での流動の中心を判別して、その判別された流動形態に当たる加重値を付与して流量測定誤差を最小化することができる超音波流量測定システムを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、外部振動によるノイズの影響を最小化してより正確に流量を測定することができる超音波流量測定システム及びその方法を提供することにある。

上述の課題を解決するため本発明の超音波流量測定システムは、
管路内の流路に対向して設置される２対以上の超音波センサーを含む第１超音波センサー群と、
前記第１超音波センサー群を立体的に交差するように流路に対向して設置される２対以上の超音波センサーを含む第２超音波センサー群と、
前記第１及び第２超音波センサー群を構成する各超音波センサーの超音波受発信信号によって得られる多数の線平均流速データから、上記管路内を流れる流量を算出する流量演算機と、を含むことを特徴とする。

さらに前記第１及び第２超音波センサー群の各々において、４対の超音波センサーが平行配列されていることを特徴とする。また、前記第１超音波センサー群で生成される測線と前記第２超音波センサー群で生成される測線との間の交差角が、３０°以上９０°以内の範囲であるように、前記各超音波センサー群を構成する超音波センサーが配置されることを特徴とする。

前記超音波センサーの各々は、センサー保護管のセンサー収容部内に挿入されて前記管路の外壁を貫いて加工されたセンサー挿入ホール内に挿入固定されており、前記センサー保護管の保護管外壁はＦｅ−Ｍｎ系防振合金によって形成されることを他の特徴とする。

本発明によれば、超音波流量測定システムが、管路内で多数の測線がお互いに立体的に交差されるようにして流動体の流動中心部を判別して管路内を流れる流量を算出するので、既存方式に比べて高精度に流量を測定することができるという効果が得られる。

さらに本発明の一態様による超音波流量測定システムでは、そのセンサー保護管外壁がＦｅ−Ｍｎ系防振合金で形成されているため、隣合う超音波センサーの振動や配管振動の音波が遮断され、周辺要因による流量測定誤差を相対的に減らす効果が得られる。

超音波流量計の流量測定の基本原理を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、管路内で流体の流動形態を示した図である。 管路内で超音波経路にあたる各測線が交差しないということ説明する図である。 本発明の実施の一形態の超音波流量測定システムにおける、多数の超音波センサーが管路に設置されることを立体的に説明する図である。 （ａ）は、図４に示した超音波流量測定システムにおいて多数の超音波センサーが管路に設置される角度及び配列状態を示す図であり、（ｂ）は各超音波センサーによって作られる測線を説明する図である。 本発明の実施の一形態における超音波センサー管の構造を説明する図である。 本発明の実施の一形態において管路（１０）内に形成される測線の配列と流体の流動中心とを説明する図である。 素材ごとの振動減衰特性を示すグラフである。

次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を詳しく説明する。

図４は、本発明の実施の一形態の超音波流量測定システムにおいて、多数の超音波センサー（２６）が管路（１０）に設置されることを立体的に示している。図５（ａ）は、図４に図示される多数の超音波センサー（２６）が管路（１０）に設置されるときの角度及び配列状態を示しており、図５（ｂ）は、各超音波センサー（２６）によって作られる格子構造の測線を示している。図６は、本発明の一実施形態における超音波センサー管の構造及び入射角を示している。

まず、図４に示すように、本発明の実施の一形態の超音波流量測定システムは、管路（１０）の外壁を貫いて管路（１０）内の流路に対向して設置される２対以上（図示した例では４対）の平行配列された超音波センサー（２６）で成り立った第１超音波センサー群（２６ａ）を含む。相互に対向する１対の超音波センサー（２６）の間には、相互の受発信信号によって一つの測線が生成される。したがって、４対の相互に対向する超音波センサー（２６）を有する第１超音波センサー群（２６ａ）によって、管路（１０）内に、流体を貫く４本の測線を形成することができる。なお、「測線」は、「超音波伝達経路」と等しい意味であり、以下では、説明の便宜上、超音波伝達経路を測線で名付けることにする。

本実施形態の超音波流量測定システムは、第１超音波センサー群（２６ａ）の他に、第１超音波センサー群（２６ａ）を構成する超音波センサー（２６）が生成する多数の測線と立体的に交差される多数の測線が生成されるように上記流路に対向して設置される、４対の超音波センサー（２６）で成り立った第２超音波センサー群（２６ｂ）をも含む。第１及び第２超音波センサー群（２６ａ，２６ｂ）を構成するそれぞれの超音波センサー（２６）は、図５の（ｂ）に示すように、各群を形成する隣接する超音波センサー（２６）と平行配列されることが望ましい。本実施形態では４対の超音波センサー（２６）がそれぞれ一つの超音波センサー群（２６ａ，２６ｂ）を形成することで説明したが、これは例示に過ぎず、管路（１０）の直径に応じて各超音波センサー群を構成する超音波センサーの数を比例して増減させることができる。

重要な事項は、管路（１０）内で偏流による誤差をより正確に補正するため、第１超音波センサー群（２６ａ）と第２超音波センサー群（２６ｂ）の各々によって作られる測線が管路（１０）内で立体的に相互に交差するように、超音波センサー（２６）を配置しなければならないということである。このために本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、第１超音波センサー群（２６ａ）によって生成される測線（ａ）と第２超音波センサー群（２６ｂ）によって生成される測線（ｂ）との間の交差角θが３０゜から最大で９０゜の範囲となるように、管路（１０）内の流路に、各センサー群（２６ａ，２６ｂ）を構成する超音波センサー（２６）を対向させて設置する。このとき、超音波センサー（２６）の各々は、図５（ａ）あるいは図６に示したように、管路（１０）の外壁を貫いて加工されたセンサー挿入ホール（１４）内に挿入されるが、入射角が２０゜以上７０゜以下の範囲となるようにすることが望ましい。

さらに、超音波センサー（２６）の各々は、図６に示したように、センサー保護管（２２）のセンサー収容部（２４）内に挿入されて管路（１０）の外壁を貫いて加工されたセンサー挿入ホール（１４）内に挿入固定されるが、センサー保護管（２２）の保護管外壁（２８）は、隣合う超音波センサー（２６）の振動や配管振動の音波を遮断するために、Ｆｅ−Ｍｎ系防振合金で形成されることが望ましい。

また、本実施形態の超音波流量測定システムは、第１及び第２超音波センサー群（２６ａ，２６ｂ）を構成する各超音波センサー（２６）の超音波受発信信号によって得られる多数の線平均流速データから管路（１０）内を流れる流量を算出する流量演算機を含む。このような流量演算機は、本実施形態では、８個の線平均流速データの和に管路（１０）内径断面積と加重値（Ｗ_i）を乗じて流量（Ｑ）を算出する。

付加的に、流量演算機は多数（本実施形態では８個）の線平均流速データの中で最大の値を持つ測線の位置によって管路（１０）内の流動形態を判別して、判別された流動形態に当たる加重値（Ｗ_i）を付与して流量を算出する。このような流量演算機は、流量計の動作を全般的に制御するコントローラーとメモリー、そして各超音波センサーで出力される信号の増幅、ノイズ除去及びデジタル信号で処理するための信号前処理部とを含んで実現される。

なお、流量演算機は、下記式(6)で示すようにそれぞれの線平均流速データに加重値（Ｗ_i）を乗算した後、これらの合計に管路（１０）の内径断面積を乗じて流量（Ｑ）算出することができる。また、加重値（Ｗi）は、超音波センサー（２６）の設置位置によって変わる測線と関連付けられた加重係数として、公知の数値積分法によって求めることができる。式(6)による方法は、それぞれの経路で測定された線平均流速との乗算によって加重された線平均流速を求めて、それらの加重された線平均流速の合計に基づいて、管路断面を流れる流体の平均速度を求める方法である。このようにして求められた管路（１０）の断面を流れる流体の平均速度に、管路（１０）の内径断面積を乗算すれば、より正確な流量（Ｑ）を算出することができる。加重値（Ｗ_i）は、実験によってあらかじめ得られた値として、流量演算機の内部のメモリーに保存されていてもよい。

上記式(6)で使われている因子は、前述の数式で引用した因子と等しい。すなわち、Ｄは管路（１０）の内直径を意味し、ｄはセンサー間距離を表し、ｉは８個の測線の各々を示している。

以上説明したように本実施形態では、第１超音波センサー群（２６ａ）と第２超音波センサー群（２６ｂ）を構成するそれぞれの超音波センサー（２６）を図４及び図７に示したように管路（１０）内の流路に対向させて設置することによって、各対を構成する超音波センサー（２６）の相互の間で受発信する超音波信号によって、図７に示したように水平方向及び垂直方向にそれぞれ４本ずつの測線（ａ，ｂ）が形成される。このような測線（ａ，ｂ）は相互に交差するから、仮に管路（１０）内で図７に示したような偏流が発生しても、立体的に相互に交差するいくつかの測線（ａ，ｂ）によって、その流動の中心を検出することができる。

本実施形態によれば、管路（１０）内で流動の流動体中心がいずれかの方向に偏って流れていても、偏った流動中心部の値を検出して流量算出に反映するから、既存の方法に比べて相対的に少ない誤差値を持つ流量（Ｑ）を正確に算出することができるようになる。また、超音波流量測定システムの超音波センサー（２６）の各々において、そのセンサー保護管（２２）の外壁（２８）は、Ｆｅ−Ｍｎ系防振合金で形成されている。このため、隣合う超音波センサー（２６）からの振動や配管振動の音波が遮断され、それにより、周辺要因による流量測定誤差を相対的に減らす効果も期待できる。

素材別の振動減衰特性を比べた図８を参照してセンサー保護管（２２）の外壁（２８）をＦｅ−Ｍｎ系防振合金で形成する場合の効果を説明する。図８は、Ｆｅ−Ｍｎ系防振合金（ａ）と一般鋼（ｂ）とに等しい大きさの外部振動を付加したときに、経時によって振動の大きさが減少する特性曲線を示したものである。図示されるように、Ｆｅ−Ｍｎ系防振合金は、一般鋼に比べて、時間経過に応じて急激に外部衝撃を吸収する特性を示す。したがって、Ｆｅ−Ｍｎ系防振合金をセンサー保護管（２２）の外壁（２８）の材質に使用することによって、外部振動を早く減衰させることができ、超音波センサー（２６）から安定した超音波を発生させて流量測定誤差を減らすことができる。

以上において本発明を図示された実施形態に基づいて説明したが、これは例示のためのものに過ぎず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有するものであれば、今後、本発明について他の多様な変形及び均等な実施形態が可能であるということを理解するであろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められるであろう。

Claims (7)

1. 超音波流量測定システムにおいて、
   １対の超音波センサーの受発信信号によって形成される測線が多数生成されるように、管路内の流路に対向して設置される２対以上の超音波センサーを含む第１超音波センサー群と、
   前記第１超音波センサー群を構成する超音波センサーが生成する多数の測線と交差する多数の測線が生成されるように、前記流路に対向して設置される２対以上の超音波センサーを含む第２超音波センサー群と、
   前記第１及び第２超音波センサー群を構成する各超音波センサーの超音波受発信信号によって得られる多数の線平均流速データから、前記管路内を流れる流量を算出する流量演算機と、
   を含むことを特徴とする超音波流量測定システム。
2. 請求項１に記載の超音波流量測定システムにおいて、前記第１及び第２超音波センサー群を構成する各々の超音波センサーは、各群を形成する隣接する超音波センサーと平行配列されることを特徴とする、超音波流量測定システム。
3. 請求項２に記載の超音波流量測定システムにおいて、前記第１及び第２超音波センサー群の各々は４測線生成のために４対の超音波センサーを含むことを特徴とする、超音波流量測定システム。
4. 請求項２に記載の超音波流量測定システムにおいて、前記第１超音波センサー群で生成される測線と前記第２超音波センサー群で生成される測線の間の交差角が３０°以上９０°以下の範囲となるように、前記各超音波センサー群を構成する超音波センサーを前記流路に対向させて設置することを特徴とする、超音波流量測定システム。
5. 請求項２に記載の超音波流量測定システムにおいて、前記流路に対向させて設置される前記超音波センサーの各々は、前記管路の外壁を貫いて加工されたセンサー挿入ホール内に挿入されて、入射角が２０°以上７０°以下の範囲内とされることを特徴とする、超音波流量測定システム。
6. 請求項２に記載の超音波流量測定システムにおいて、前記超音波センサーの各々は、センサー保護管のセンサー収容部内に挿入されて前記管路の外壁を貫いて加工されたセンサー挿入ホール内に挿入固定されており、前記センサー保護管の保護管外壁はＦｅ−Ｍｎ系防振合金によって形成されることを特徴とする、超音波流量測定システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波流量測定システムにおいて、前記流量演算機は、前記第１及び第２超音波センサー群を構成する各超音波センサーの超音波受発信信号によって得られる多数の線平均流速データそれぞれに加重値（Ｗ_i）を乗算したのち、これらの合計に前記管路の内径断面積を乗じて流量（Ｑ）を算出することを特徴とする、超音波流量測定システム。