JP2014182004A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】配管内の被測定流体中における超音波の反射体の有無に応じて測定モードを切り替えることにより超音波流量計の測定誤差を少なくすること。
【解決手段】被測定流体が流れる配管の外周面に設けられた少なくとも１個の超音波振動子と、
前記超音波振動子を任意の周波数で駆動する駆動変換部、
とを設けたことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計に関し、詳しくは、被測定流体の状態により測定モードを切り替えるように構成された超音波流量計における測定誤差の改善に関するものである。

超音波信号を用いて被測定流体の流速分布や流量を測定する方法には、配管内の被測定流体中に含まれる気泡やパーティクルなどの超音波信号の反射体が被測定流体と同じ速度で移動すると仮定し、この移動速度から被測定流体の流速分布や流量を測定するパルスドップラ法や反射相関法などの第１の測定モードと、配管の上流側および下流側に設置した超音波振動子から伝播される超音波信号の時間差から流速を求める伝播時間差法などの第２の測定モードがある。

パルスドップラ法とは、超音波信号を出射する超音波振動子を配管の外周面に設けられた音波伝搬性を有する楔を介して傾斜するように固定して超音波振動子から出射される超音波信号に対して配管に対する入射角を与え、特定周波数の超音波パルスを被測定流体に送信することにより被測定流体中に含まれる超音波信号の反射体で反射した超音波信号の周波数がドップラー効果に基づいて反射体の移動速度（流体の流速）に応じて変化することに着目し、この周波数の変化量から流速、速度分布を求める方法である。

反射相関法は、機器の構成はパルスドップラ法と同じであるが、信号処理の方法が異なる。すなわち、超音波パルスを発振時間間隔Δｔ毎に送信し、それぞれの発信時間間隔全体の波形に基づき超音波信号の反射体からの超音波信号を測定して超音波信号の反射体の位置を特定する。そして、連続した２つ以上の超音波エコー信号の相互相関から超音波信号の反射体の移動量を測定し、移動量と流速が等しいことにより流速、速度分布を求める方法である。

図３は、パルスドップラ法または反射相関法を用いた従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。図３において、管内に被測定流体１が流れる配管２の外周面には、音波伝搬性を有する楔３を介して、超音波信号を出射するとともに被測定流体１中に含まれる超音波信号の反射体４で反射した超音波信号を検出する超音波振動子５が傾斜するように固定されている。超音波振動子５は駆動変換部６に接続されている。帯状の平行四辺形のハッチング部分７は、駆動変換部６における演算上の理想的な超音波信号の伝播範囲を示している。

図４はパルスドップラ法または反射相関法を用いた従来の超音波流量計の他の例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図４において、台形状に拡大しているハッチング部分８は、超音波流量計における実際の超音波信号の伝播範囲を示している。

伝播時間差法とは、超音波振動子を楔を介して配管の上下流に設置することにより超音波信号を交互に励起させて出射された超音波信号を楔→配管→被測定液体→配管→楔の順に伝播させ、超音波信号が上流から下流の超音波トランスデューサに到達するまでの伝播時間ｔ１と、超音波信号が下流から上流の超音波トランスデューサに到達するまでの伝播時間ｔ２を求め、その伝播時間差から被測定液体の流速を測定する方法である。

図５は伝播時間差法を用いた従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図５において、配管２の下流側の外周面にも、音波伝搬性を有する楔９を介して、超音波信号を出射するとともに上流側の超音波振動子５から出射される超音波信号を検出する超音波振動子１０が傾斜するように固定されている。超音波振動子５および１０は駆動変換部１１に接続されている。実線で示す帯状の平行四辺形のハッチング部分１２は駆動変換部１１における演算上の理想的な超音波信号の伝播範囲を示し、破線で示す帯状の平行四辺形のハッチング部分１３は温度変化によって変化した超音波信号の伝播範囲を示している。

図６は伝播時間差法を用いた従来の超音波流量計の他の例を示す構成説明図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図６において、台形状に拡大しているハッチング部分１４は、超音波流量計における実際の超音波信号の伝播範囲を示している。

ところで、パルスドップラ法や伝播時間差法などの第１の測定モードは被測定液体中に超音波信号を反射させる反射体が無いと流速の測定を行うことができず、逆に伝播時間差法などの第２の測定モードは超音波信号を反射させる反射体が被測定液体中に存在すると相手側の振動子に超音波信号が伝達しないため流速の測定ができない。

そこで、被測定液体中の反射体の有無に対応した各測定モードに起因するお互いの弱点を補うために、パルスドップラ法と伝搬時間差法または反射相関法と伝播時間差法を選択的に切替動作させる超音波流量計が提案されている。

特許文献１には、透過形測定モードと反射形測定モードとを自動切換可能な超音波流速流量計が記載されている。

特許第４５４８４８２号公報

前述のように、パルスドップラ法や反射相関法などの第１の測定モードは超音波信号のビームが伝播する範囲内に気泡やパーティクルなどの超音波信号の反射体が存在すると仮定しているが、実際は超音波信号のビームは遠くへ行くほど広がるため、振動子からの距離が長くなるほど超音波信号の反射体からの反射波が増えることになる。その結果、本来考えていない気泡からの反射波をあたかも測定範囲内にある気泡ととらえて流速を求めることになり、流速誤差の原因となる。そのため、パルスドップラ法や反射相関法などの第１の測定モードでは、ビームが広がらないように超音波信号を伝播させる必要がある。

これに対し、伝播時間差法などの第２の測定モードでは、ビームが広がらずに超音波信号が伝播すると、図５に示すように被測定流体１や楔３などの温度によって超音波信号の到達位置が変化することから、受信側に超音波信号が届かない場合がある。したがって、温度変化に対して強くするためには、超音波信号のビームを広げる必要がある。

すなわち、たとえば図３から図６の検出器に設けられている１個の振動子５を共通に用いて、測定原理が異なる第１の測定モードと第２の測定モードに切り替えて流体測定を行う場合には、いずれかの測定モードにおける測定誤差が大きくなるという課題がある。

本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、配管内の被測定流体中における超音波の反射体の有無に応じて測定モードを切り替えることにより超音波流量計の測定誤差を少なくすることにある。

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、
被測定流体が流れる配管の外周面に設けられた少なくとも１個の超音波振動子と、
前記超音波振動子を任意の周波数で駆動する駆動変換部、
とを設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の超音波流量計において、
前記超音波振動子は、楔を介して設けられていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の超音波流量計において、
前記駆動変換部は、測定モードに応じて前記超音波振動子の駆動周波数を設定することを特徴とする。

これらにより、超音波振動子を、測定モードに応じた測定誤差の小さい適切な周波数で駆動できる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 図１の動作の流れを示すフローチャートである。 パルスドップラ法または反射相関法を用いた従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。 パルスドップラ法または反射相関法を用いた従来の超音波流量計の他の例を示す構成説明図である。 伝播時間差法を用いた従来の超音波流量計の一例を示す構成説明図である。 伝播時間差法を用いた従来の超音波流量計の他の例を示す構成説明図である。

以下、本発明について、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構成図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、配管２の上流側の外周面に設けられた楔３には超音波信号の伝播範囲が広がりやすい周波数で駆動される超音波振動子１５と超音波信号の伝播範囲が広がりにくい周波数で駆動される超音波振動子１６が取り付けられ、配管２の下流側の外周面に設けられた楔９には超音波信号の伝播範囲が広がりやすい周波数で駆動される超音波振動子１７と超音波信号の伝播範囲が広がりにくい周波数で駆動される超音波振動子１８が取り付けられている。これら各超音波振動子１５、１６と１７、１８は互いに積層するようにしてそれぞれの楔３、９に取り付けられるとともに、駆動変換部１９に接続されている。

これら超音波振動子の形状と大きさについて説明する。各超音波振動子１５、１６と１７、１８から送信される超音波信号はそれぞれ楔３、９を進行し、配管２を介して内部を流れる被測定流体１へと伝播する。このため、被測定流体１側から超音波振動子１５、１６と１７、１８を見ると、超音波振動子１５、１６と１７、１８の幅は屈折の影響を受けて伝播幅が変化する。

超音波振動子１５で用いる超音波ビームは対向面で到達するビーム幅が配管内を流れる被測定流体に伝播するビーム幅と同等の広がりとし、超音波振動子１６で用いるビームは対向面で到達するビーム幅が配管内部を流れる被測定流体に伝播するビーム幅の１．５倍以上とする。超音波ビームの強度Ｒは、ビームの広がり角度をθとし、伝播媒体中の波長をλとし、伝播媒体中の周波数をｆとし、伝播媒体中の音速をｃとすると、振動子の形状が円形振動子の場合は以下の式で与えられる。

ここで、k=2π/λ=2πf/v、jiはベッセル関数である。

振動子の形状が矩形振動子の場合は以下の式で与えられる。

ここで、k=2π/λ=2πf/vである。

超音波流量計で測定可能なビームの強度Ｒを例えば０．５以上と定義し、振動子の寸法と送信周波数を求める。

駆動変換部１９でいずれか一つの超音波振動子を選択し、超音波送受波器に対する超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。駆動変換部１９は、超音波振動子を選択する切替機能を備えている。超音波振動子の切替選択は、超音波信号の有無で行う。

図２は図１の動作の流れを説明するフローチャートである。例えば測定モードが伝播時間差法の場合、振動子１６から超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。対向側の振動子１８で超音波信号が測定されない場合には、送信する振動子を振動子１５に切り替えるとともに測定モードをパルスドップラ法または反射相関法などに切り替えて、超音波の送信励起と受信信号の取得を実行する。

具体的には、初めに測定に必要なパラメータ（例えば、配管肉厚、材質、口径など）を本体に入力し保存する（ステップＳ１）。伝播時間差法で測定を行うための超音波パルスを生成し測定を行う（ステップＳ２）。信号が測定されない場合、使用する振動子を切り替えてパルスドップラ法または反射相関法などの超音波パルスの生成を行い、測定を行う（ステップＳ３）。いずれかの場合で信号が測定されたのであれば、信号から流速、流量を求め測定結果を表示し終了する（ステップＳ４、Ｓ５）。いずれの場合でも測定できない場合はもう一度同じ動作を行い（ステップＳ６）、測定ができない場合はアラームを生成表示する（ステップＳ７）。

このように、本発明によれば、パルスドップラ法や反射相関法など気泡やパーティクルからの反射波を利用する測定方法に適した大きさの振動子、すなわち超音波ビーム幅が一定になる振動子と、伝播時間差法に適した大きさの振動子、すなわち超音波ビームが広がる振動子とを測定条件によって切り替えて使用することにより、それぞれの測定方法について測定誤差の少ない流量計を提供することが可能となる。

具体的には、パルスドップラ法または反射相関法によれば、超音波信号は一定幅で伝播することから、遠くの気泡の測定を間違えて測定することが無くなり、測定精度が向上する。一方、伝播時間差法によれば、超音波信号が広がることから、温度変化に対する測定可能範囲も広がることになり、流量測定値に対する温度変化の影響を少なくできる。

なお、超音波信号の広がりは超音波振動子の径、送信周波数で決まる。したがって、パルスドップラ法または反射相関法と伝播時間差法との送信周波数を変えることにより、それぞれの測定方法について測定誤差の少ない測定結果が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、測定誤差の少ない被測定流体の測定モードが切り替え可能な超音波流量計を実現できる。

１ 被測定流体
２ 配管
３、９ 楔
１５、１６、１７、１８ 超音波振動子
１９ 駆動変換部

Claims (3)

1. 被測定流体が流れる配管の外周面に設けられた少なくとも１個の超音波振動子と、
   前記超音波振動子を任意の周波数で駆動する駆動変換部、
   とを設けたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記超音波振動子は、楔を介して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記駆動変換部は、測定モードに応じて前記超音波振動子の駆動周波数を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。

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