JP2015152325A - 超音波流速計測方法および超音波流速計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができる超音波流速計測方法を提供する。【解決手段】この超音波流速計測方法は、流路を流れる流体のうちの、測定線に沿って配列される複数の領域のそれぞれに対して超音波パルスを繰り返し送信し、複数の領域のそれぞれから反射される各超音波パルスを受信する送受信ステップＳ１０１と、受信される各超音波パルスに基づいて、超音波パルスドップラ法を用いて、複数の領域のそれぞれにおける流速を計測する計測ステップＳ１０２とを含み、送受信ステップＳ１０１では、複数の領域のうちの、流路の中央側にある第１の領域の測定体積が、流路を形成する壁側にある第２の領域の測定体積よりも大きくなるように、超音波パルスを繰り返し送信する。【選択図】図８Ａ

Description

本発明は、超音波パルスドップラ法を用いて流速を計測する方法等に関する。

超音波パルスドップラ法（ＵＤＭ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｍｅｔｈｏｄ）は、複数回の超音波パルスの送受信によって、流体の流速および流速分布を計測する手法である。ＵＤＭでは、計測対象である流体に対してトランスデューサ（センサ）から超音波パルスが入射される。この超音波パルスは、測定線上にある流体内の微粒子である反射体に反射され、上述のトランスデューサで受信される。このとき、反射体の位置に関する情報は遅延時間から求めることができ、反射体またはその周辺の流体の速度に関する情報は、ドップラ偏移周波数から求めることができる。一般的な超音波パルスドップラ法では、一定の超音波繰り返し周波数（ｆprf）で超音波パルスの送受信が行われるため、ナイキストのサンプリング定理に基づく測定限界がある。つまり、測定領域が広くなるほど計測可能な最大流速が低くなる。その結果、流体が大口径配管などを乱流の状態で流れるような場合には、流路断面の中央部分の流速は、その計測可能な最大流速よりも速くなることがあるため、その流体の流速を正しく計測することが困難である。

そこで、このような計測可能な最大流速を増加させる方法として、互いに異なる２つの超音波繰り返し周波数を用いる方法が提案されている。この方法は、二周期法、スタガトリガ法、スタガＰＲＦ（pulse repetition frequency）、Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｔｒｉｇｇｅｒ ｍｅｔｈｏｄ、またはｄｕａｌ ＰＲＦと称される。つまり、二周期法は、超音波パルスを不等間隔で送波することにより位相差の差を演算する方法である。なお、二周期法を用いない従来の一般的な超音波パルスドップラ法を、以下、一周期法という。

しかし、二周期法では一周期法と比べて計測精度が低下するという問題がある。そこで、この二周期法を利用しながらこの計測精度の低下を抑制する法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の超音波流速計測方法では、二周期法によって流速の指標を求め、計測におけるエイリアシングを除去するための折り返し数ｎを算出する。そして、上述の２つの超音波繰り返し周波数（超音波繰り返し周期）のそれぞれに対応する位相差の平均値である平均位相差に、ｎ×２πを加算することによって得られる位相差から、流速を算出する。なお、折り返し数ｎとは、エイリアシングの程度を示す整数である。

特開平４−１８９３４８号公報

しかしながら、上記特許文献１の超音波流速計測方法であっても、流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができないという問題がある。

そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができる超音波流速計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る超音波流速計測方法は、超音波パルスドップラ法を用いた超音波流速計測方法であって、流路を流れる流体のうちの、前記流路を横切る測定線に沿って配列される複数の領域のそれぞれに対して、前記測定線に沿って超音波パルスを繰り返し送信し、前記複数の領域のそれぞれから反射される各超音波パルスを受信する送受信ステップと、前記送受信ステップにおいて受信される各超音波パルスに基づいて、前記超音波パルスドップラ法を用いて、前記複数の領域のそれぞれにおける流速を計測する計測ステップとを含み、前記送受信ステップでは、前記複数の領域のうちの、前記流路の中央側にある第１の領域の測定体積が、前記複数の領域のうちの、前記流路を形成する壁側にある第２の領域の測定体積よりも大きくなるように、超音波パルスを繰り返し送信する。

これにより、第２の領域のような流速の勾配が大きい領域の測定体積が小さくされるため、その領域内における流速の範囲を制限することができる。その結果、流路の壁側にある領域における流速を正確に計測することができる。さらに、第１の領域のような流速が速い領域の測定体積が大きくされるため、その領域内において超音波パルスを同一の流体（反射体）に対して繰り返し送信することができる。その結果、流路の中央側にある領域における流速を正確に計測することができる。したがって、流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができる。

また、前記送受信ステップでは、１つの超音波パルスに含まれる周期的な波の数であるサイクル数が第１の超音波パルスよりも少ない第２の超音波パルスを送信して、反射された前記第２の超音波パルスを受信する第１の送受信処理と、前記第１の超音波パルスを送信して、反射された前記第１の超音波パルスを受信する第２の送受信処理とを、切り替えて繰り返すことによって、前記第１の領域の測定体積を前記第２の領域の測定体積よりも大きくし、前記計測ステップでは、繰り返された前記第１の送受信処理によって受信された前記第２の超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第２の領域の流速を計測し、繰り返された前記第２の送受信処理によって受信された前記第１の超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第１の領域の流速を計測してもよい。

これにより、流路の壁側にある第２の領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスのサイクル数が少ないため、その第２の領域の測定体積を適切に小さくすることができ、かつ、流路の中央側にある第１の領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスのサイクル数が多いため、その第１の領域の測定体積を適切に大きくすることができる。その結果、流路断面の広い範囲での正確な流速の分布を適切に計測することができる。

また、前記送受信ステップでは、第１の超音波素子よりも小さい面積の第２の超音波素子から超音波パルスを送信させ、反射された前記超音波パルスを受信する第３の送受信処理と、前記第１の超音波素子から超音波パルスを送信させ、反射された前記超音波パルスを受信する第４の送受信処理とをそれぞれ繰り返すことにより、前記第１の領域の測定体積を前記第２の領域の測定体積よりも大きくし、前記計測ステップでは、繰り返された前記第３の送受信処理によって受信された前記超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第２の領域の流速を計測し、繰り返された前記第４の送受信処理によって受信された前記超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第１の領域の流速を計測してもよい。

これにより、流路の壁側にある第２の領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスの径（超音波ビーム径）が小さいため、その第２の領域の測定体積を適切に小さくすることができ、かつ、流路の中央側にある第１の領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスの径が大きいため、その第１の領域の測定体積を適切に大きくすることができる。その結果、流路断面の広い範囲での正確な流速の分布を適切に計測することができる。

また、前記送受信ステップでは、互いに異なる２つの周期で前記超音波パルスを繰り返し送信し、前記計測ステップでは、さらに、前記２つの周期のうちの一方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差と、他方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差との差に基づいて、前記測定線上の位置における流速の指標Ｅ０を求め、計測される流速のエイリアシングにおける折り返し数ｎ（ｎは整数）と制限値α（α＞１）とを用いて示される条件式である（２ｎ−１）π／α＜Ｅ０≦（２ｎ＋１）π／αを、前記流速の指標Ｅ０が満たすか否かを判定し、前記流速の指標Ｅ０が前記条件式を満たさないと判定された場合には、前記流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速を無効とし、前記流速の指標Ｅ０が前記条件式を満たすと判定された場合には、前記エイリアシングを除去するために、前記流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速に対して、前記折り返し数ｎに応じた補正を行ってもよい。例えば、前記計測ステップでは、前記差をΔΔθとし、前記２つの周期のうちの一方の周期をＴとし、他方の周期を（Ｔ＋Ｔｓ）とする場合、Ｅ０＝ΔΔθ（Ｔ／Ｔｓ＋１／２）によって、前記流速の指標Ｅ０を求める。

ここで、流速の指標Ｅ０が（２ｎ−１）πまたは（２ｎ＋１）πに近い場合にも、折り返し数ｎに応じた補正を、計測された流速に対して行えば、その指標Ｅ０の少しの誤差によって、大きく誤った折り返し数ｎに応じた補正を、計測された流速に対して行ってしまうことになる。そこで、上述のように、１よりも大きい制限値αを用いた条件式である（２ｎ−１）π／α＜Ｅ０≦（２ｎ＋１）π／αを、流速の指標Ｅ０が満たさない場合には、その流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速は無効とされるため、大きな誤差を含む可能性の高い流速を排除することができ、流路断面の広い範囲で流速の分布をより正確に計測することができる。

また、前記送受信ステップでは、互いに異なる２つの周期で前記超音波パルスを繰り返し送信し、前記計測ステップでは、さらに、前記２つの周期のうちの一方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差と、他方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差との差に基づいて、前記流体中の前記測定線上の各位置における流速の指標を求め、前記各位置における流速の指標に対して空間的な移動平均を行うことによって、前記各位置における平均値を算出し、算出された前記各位置における平均値から、エイリアシングを除去するための、前記各位置における折り返し数を特定し、前記各位置において計測された流速に対して、前記各位置における前記折り返し数に応じた補正を行ってもよい。

これにより、各位置における流速の指標に対して空間的な移動平均が行われるため、誤差の少ない適切な流速の指標を算出することができる。その結果、計測された流速のエイリアシングを補正によって適切に除去することができ、流路断面の広い範囲で流速の分布をより正確に計測することができる。

なお、本発明は、このような超音波流速計測方法として実現することができるだけでなく、その超音波流速計測方法にしたがって流速を計測する超音波流速計測装置、その超音波流速計測方法にしたがってコンピュータに流速を計測させるためのプログラム、そのプログラムを格納する記録媒体としても実現することができる。

本発明の超音波流速計測方法は、流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができる。

図１は、実施の形態１における超音波流速計測装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１における超音波流速計測装置による計測の状態を示す図である。 図３は、帰還速度拡張法によって計測される流体の時間平均速度分布を示す図である。 図４は、帰還速度拡張法によって計測される流量と秤量流量計測によって得られる流量との関係を示す図である。 図５は、実施の形態１における超音波流速計測装置の計測に用いられる超音波パルスの一例を示す図である。 図６は、実施の形態１における超音波流速計測装置の計測に用いられる超音波パルスの他の例を示す図である。 図７は、実施の形態１における超音波流速計測装置の計測に用いられる測定体積を示す図である。 図８Ａは、実施の形態１における超音波流速計測方法を示すフローチャートである。 図８Ｂは、実施の形態１における超音波流速計測方法を実現する超音波流速計測装置の構成を機能的に示すブロック図である。 図９は、実施の形態２に係るトランスデューサの概略構成を示す図である。 図１０は、実施の形態２に係る２つの超音波素子の音圧分布を示す図である。 図１１は、実施の形態２に係る超音波流速計測方法の計測に用いられる測定体積を示す図である。 図１２は、実施の形態２に係るトランスデューサの他の例を示す図である。 図１３は、実施の形態３における超音波流速計測方法による流速の計測結果を、他の方法による流速の計測結果と比較して示す図である。 図１４Ａは、実施の形態３における超音波流速計測方法を示すフローチャートである。 図１４Ｂは、実施の形態３における超音波流速計測方法を実現する超音波流速計測装置の構成を機能的に示すブロック図である。 図１５は、二周期法によって計測された流速と、その流速に対して空間的な移動平均が行われた結果とを示す図である。 図１６は、実施の形態４における超音波流速計測方法（空間平均利用数＝３）を用いて計測される流速を示す図である。 図１７は、実施の形態４における超音波流速計測方法（空間平均利用数＝５）を用いて計測される流速を示す図である。 図１８は、実施の形態４における超音波流速計測方法（空間平均利用数＝７）を用いて計測される流速を示す図である。 図１９は、実施の形態４における超音波流速計測方法の空間平均利用数に応じて計測される流量の精度を示す図である。 図２０Ａは、実施の形態４における超音波流速計測方法を示すフローチャートである。 図２０Ｂは、実施の形態４における超音波流速計測方法を実現する超音波流速計測装置の構成を機能的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における超音波流速計測装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

本実施の形態における超音波流速計測装置１００は、ファンクションジェネレータ１１０と、パルサレシーバ１２０と、トランスデューサ１３０と、Ａ／Ｄ変換器１４０と、計測器１５０とを備える。

トランスデューサ１３０は、超音波素子（超音波振動子）を備え、入力された電気信号を超音波パルスに変換して流体に送信する。また、トランスデューサ１３０は、流体に送信されて反射された超音波パルスを受信し、その超音波パルスをアナログの電気信号に変換してパルサレシーバ１２０に出力する。

ファンクションジェネレータ１１０は、ユーザによる設定に基づいて任意の周波数と波形を持った交流電圧信号を生成する。

パルサレシーバ１２０は、ファンクションジェネレータ１１０によって生成された交流電圧信号に基づいて、トランスデューサ１３０から超音波パルスを送信させるための電気信号である超音波パルス信号を生成してトランスデューサ１３０に出力する。さらに、パルサレシーバ１２０は、トランスデューサ１３０から出力されたアナログの電気信号を受信し、その電気信号をＡ／Ｄ変換器１４０に出力する。

Ａ／Ｄ変換器１４０は、パルサレシーバ１２０から出力されたアナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換して計測器１５０に出力する。

計測器１５０は、例えばパーソナルコンピュータによって構成され、Ａ／Ｄ変換器１４０から出力されたデジタルの電気信号を受信し、その電気信号に基づいて、超音波パルスを反射した流体（流体中の反射体）の速度である流速を計測する。

図２は、超音波流速計測装置１００による計測の状態を示す図である。

トランスデューサ１３０は、例えば、測定対象となる流体が流れる管８００の外側に固定して配置される。ここで、トランスデューサ１３０は、その流体の流路を斜めに横切る測定線に沿って超音波パルスが送信されるように配置される。また、トランスデューサ１３０は、流体に含まれる反射体によって反射される超音波パルスを受信する。つまり、トランスデューサ１３０は、流路を流れる流体のうちの、その流路を横切る測定線に沿って配列される複数の領域のそれぞれに対して、その測定線に沿って超音波パルスを繰り返し送信し、複数の領域のそれぞれから反射される各超音波パルスを受信する。そして、計測器１５０は、トランスデューサ１３０によって受信される各超音波パルスに基づいて、超音波パルスドップラ法を用いて、複数の領域のそれぞれにおける流速を計測する。

一周期法では、トランスデューサ１３０は、超音波繰り返し周期Ｔ（１／ｆprf）で繰り返し超音波パルスを送信し、反射された各超音波パルスを受信する。計測器１５０は、反射された各超音波パルスの位相差Δθ１を特定し、Δθ１＝２π×ｆｄ×Ｔと、Ｖ＝ｃ×ｆｄ／（２×ｆ０）とに基づいて、流速Ｖを計測する。なお、ｆｄはドップラ周波数であり、ｃは音速であり、ｆ０はトランスデューサ１３０から送信される超音波パルスの基本周波数である。

二周期法では、トランスデューサ１３０は、さらに、超音波繰り返し周期（Ｔ＋Ｔｓ）で繰り返し超音波パルスを送信し、反射された各超音波パルスを受信する。計測器１５０は、反射された各超音波パルスの位相差Δθ２を特定し、位相差Δθ２と位相差Δθ１との差ΔΔθと、ΔΔθ＝２π×ｆｄ×Ｔｓとに基づいて、流速Ｖを計測する。

特許文献１の超音波流速計測方法では、計測器１５０は、位相差の差ΔΔθに基づいて流速の指標を求め、エイリアシングを除去するための折り返し数ｎを算出する。そして、平均位相差ΔθＧ＝（Δθ１＋Δθ２）／２にｎ×２πを加算することによって得られる位相差から、流速Ｖを算出する。このような方法を、以下、帰還速度拡張法という。

このように、本実施の形態における超音波流速計測装置１００は、一周期法、二周期法および帰還速度拡張法のうちの何れの方法でも流速を計測することができる。

ここで、従来の超音波パルスドップラ法による流速計測方法の問題点について、図３および図４を用いて説明する。

図３は、帰還速度拡張法によって計測される流体の時間平均速度分布を示す図である。

図３の横軸は、測定線と、流路を形成する管の内壁面とが交わる２つの部分のうち、トランスデューサ側の部分（センサ側壁面）からの距離を示す。つまり、この距離は、測定線上の位置を示す。図３の縦軸は、帰還速度拡張法によって計測される流体の時間平均速度（時間平均流速）を示す。図３中の白丸は、所定条件における超音波パルスのビーム方向（送信方向）の空間分解能（１つの超音波パルスの幅）が０．７４ｍｍ、つまり超音波パルスのサイクル数ｋが２である場合の時間平均速度を示す。図３中の三角形は、上記所定条件における超音波パルスのビーム方向の空間分解能が１．４８ｍｍ、つまり超音波パルスのサイクル数ｋが４である場合の時間平均速度を示す。図３中の四角形は、上記所定条件における超音波パルスのビーム方向の空間分解能が２．９６ｍｍ、つまり超音波パルスのサイクル数ｋが８である場合の時間平均速度を示す。なお、サイクル数とは、１つの超音波パルスに含まれる周期的な波の数である。また、計測に用いられるこれらの超音波パルスのビーム径（トランスデューサの超音波素子の直径）は１０ｍｍである。また、この計測が行われる際の流量は３２０ｍ^３／ｈである。さらに、上記所定条件は、流体の温度が約２０℃のときの音速が１４８０ｍ／ｓであって、トランスデューサの超音波パルスの基本周波数が２ＭＨｚであるという条件である。なお、図３中の実線は、指数法則によって導出される速度分布を示す。

この図３によって示されるように、センサ側壁面近傍では、空間分解能に応じて計測される流速にばらつきが生じる。つまり、センサ側壁面近傍では、空間分解能が大きいほど（サイクル数が多いほど）、計測される流速の誤差が大きい。これは、センサ側壁面近傍では、速度勾配が急激であるため、空間分解能によって決定される測定体積の領域を通過する反射体の速度にはばらつきが大きく、計測される流速は、それらのばらつきが大きい速度の平均値であるためである。

ここで、測定体積は、超音波パルスのビーム径とビーム方向の空間分解能とによって決定される。つまり、超音波流速計測装置が、管内の流路を流れる流体のうち、測定線に沿って配列される複数の領域のそれぞれにおける流速を計測する際には、それらの領域は、超音波パルスのビーム径とビーム方向の空間分解能とによって決定される測定体積を有する。なお、空間分解能が大きいほど、１つの超音波パルスに含まれる波の数であるサイクル数ｋは多い。例えば、空間分解能を１つの超音波パルスの幅として扱う場合、測定体積は、「ビーム断面積」×「超音波パルスの幅」／２によって示される。

図４は、帰還速度拡張法によって計測される流量と秤量流量計測によって得られる流量との関係を示す図である。

図４の横軸は、秤量流量計測によって得られる流量を示す。この秤量流量計測は、管８００内を流れる流体をタンクで受けることによって流量を計測することであって、その流量の計測誤差は非常に小さい。図４の縦軸は、帰還速度拡張法によって計測される流速を積分することによって得られる流量を示す。図４中の黒丸は、超音波パルスのサイクル数ｋ＝２の場合に計測される流量（縦軸）を示し、図４中の白逆三角形は、超音波パルスのサイクル数ｋ＝４の場合に計測される流量（縦軸）を示し、図４中の黒三角形は、超音波パルスのサイクル数ｋ＝６の場合に計測される流量（縦軸）を示し、図４中の白丸は、超音波パルスのサイクル数ｋ＝８の場合に計測される流量（縦軸）を示す。

なお、サイクル数ｋと空間分解能との関係は上述と同様である。また、図４において、帰還速度拡張法によって行われる全ての計測では、ビーム径は同一であり、トランスデューサ１３０から送信される超音波パルスの基本周波数ｆ０は２ＭＨｚであり、繰り返し送信される超音波パルスの数（Ｎpulse）は５１２である。

この図４によって示されるように、流量が多い範囲では、測定体積が小さいほど（サイクル数が少ないほど）、帰還速度拡張法によって計測される流量の誤差が大きくなる。また、流量が多いほど、小さい測定体積において計測される流量の誤差が大きくなる。

つまり、図３および図４によって示されるように、センサ側壁面近傍では、測定体積が大きいほど計測精度が低下し、流路の中央部分の流速が速い領域では、測定体積が小さいほど計測精度が低下してしまう。

そこで、本実施の形態における超音波流速計測装置１００は、単純に帰還速度拡張法などの各方法を用いるだけでなく、センサ側壁面に近い領域では、小さい測定体積での計測を行い、それ以外の領域（流路の中央部分の領域）では、大きい測定体積での計測を行う。これにより、センサ側壁面近傍の計測精度を低下させることなく、流路の中央側では、図４に示すように、サイクル数ｋ＝８によって決定される大きい測定体積を用いることによって、流量５００ｍ^３／ｈにおける計測誤差を１％以内に抑えることができる。

図５は、超音波流速計測装置１００の計測に用いられる超音波パルスの一例を示す図である。

超音波流速計測装置１００のトランスデューサ１３０は、サイクル数ｋが少ない超音波パルス（例えばｋ＝２）を繰り返し送信し、反射されたそれらの超音波パルスを受信する。計測器１５０は、トランスデューサ１３０によって受信されたそれらのサイクル数ｋが少ない超音波パルスに基づいて、センサ側壁面に近い領域の流速を計測する。

図６は、超音波流速計測装置１００の計測に用いられる超音波パルスの他の例を示す図である。

超音波流速計測装置１００のトランスデューサ１３０は、サイクル数ｋが多い超音波パルス（例えばｋ＝８）を繰り返し送信し、反射されたそれらの超音波パルスを受信する。計測器１５０は、トランスデューサ１３０によって受信されたそれらのサイクル数ｋが多い超音波パルスに基づいて、センサ側壁面から離れた領域、つまり流路の中央側の領域の流速を計測する。

つまり、本実施の形態における超音波流速計測装置１００は、サイクル数ｋが少ない超音波パルスと、サイクル数ｋが多い超音波パルスとを切り替えて送信することによって、流路内の広い範囲で流速分布を正確に計測することができる。

図７は、超音波流速計測装置１００の計測に用いられる測定体積を示す図である。

この図７に示すように、超音波流速計測装置１００は、センサ側壁面に近い領域では小さい測定体積での流速の計測を行い、それ以外の領域では大きい測定体積での流速の計測を行う。

図８Ａは、本実施の形態における超音波流速計測方法を示すフローチャートである。

まず、トランスデューサ１３０は、流路の中央側の領域（流路中央側領域）の測定体積が、センサ側壁面に近い領域（センサ壁面側領域）の測定体積よりも大きくなるように、超音波パルスを繰り返し送信し、反射された各超音波パルスを受信する（ステップＳ１０１）。つまり、トランスデューサ１３０は、第１の超音波パルスよりも少ないサイクル数の第２の超音波パルスを送信して、反射された第２の超音波パルスを受信する第１の送受信処理と、その第１の超音波パルスを送信して、反射された第１の超音波パルスを受信する第２の送受信処理とを、切り替えて繰り返す。

なお、トランスデューサ１３０は、第１の送受信処理と第２の送受信処理とを交互に行ってもよく、第１および第２の送受信処理のうちの一方の処理を複数回連続して行い、その後、他方の処理を複数回連続して行ってもよい。また、このようなトランスデューサ１３０による処理は、ファンクションジェネレータ１１０およびパルサレシーバ１２０による設定によって実行される。

次に、計測器１５０は、トランスデューサ１３０によって受信される各超音波パルスに基づいて、超音波パルスドップラ法を用いて、センサ壁面側領域における流速と、流路中央側領域における流速とを計測する（ステップＳ１０２）。つまり、計測器１５０は、繰り返された上述の第１の送受信処理によって受信された第２の超音波パルスのそれぞれに基づいて、センサ壁面側領域における流速を計測し、繰り返された上述の第２の送受信処理によって受信された第１の超音波パルスのそれぞれに基づいて、流路中央側領域における流速を計測する。

図８Ｂは、図８Ａに示す超音波流速計測方法を実現する超音波流速計測装置１００の構成を機能的に示すブロック図である。

本実施の形態における超音波流速計測装置１００は、測定体積調整部１０１と、超音波パルス信号生成部１０２と、超音波送受信部１０３と、計測部１０５とを備える。

測定体積調整部１０１は、ファンクションジェネレータ１１０およびパルサレシーバ１２０のうちの少なくとも一方の機能を利用するものであって、上述の超音波パルスのサイクル数、すなわち測定体積を調整するための処理を行う。つまり、測定体積調整部１０１は、送信される超音波パルスのサイクル数が切り替えられるように、現在送信されている超音波パルスのサイクル数と異なるサイクル数を超音波パルス信号生成部１０２に対して指示する。

超音波パルス信号生成部１０２は、ファンクションジェネレータ１１０およびパルサレシーバ１２０のうちの少なくとも一方の機能を利用するものであって、測定体積調整部１０１から指示されるサイクル数を有する超音波パルスを示す超音波パルス信号を生成して超音波送受信部１０３に出力する。

超音波送受信部１０３は、トランスデューサ１３０の機能を利用するものであって、超音波パルス信号生成部１０２によって生成された超音波パルス信号を取得し、その超音波パルス信号に応じた超音波パルスを送信する。さらに、超音波送受信部１０３は、送信されて反射された超音波パルスを受信し、その受信された超音波パルスを示す電気信号である計測信号を計測部１０５に出力する。これらの測定体積調整部１０１、超音波パルス信号生成部１０２および超音波送受信部１０３は、図８Ａに示すステップＳ１０１の処理を実行する。

計測部１０５は、計測器１５０の機能を利用するものであって、超音波送受信部１０３から計測信号を取得すると、その計測信号と超音波パルスドップラ法とを用いて流速を計測する。具体的には、計測部１０５は、図８Ａに示すステップＳ１０２の処理を実行する。

このように本実施の形態では、流路の壁側にある領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスのサイクル数が少ないため、その領域の測定体積を適切に小さくすることができ、かつ、流路の中央側にある領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスのサイクル数が多いため、その領域の測定体積を適切に大きくすることができる。

さらに、本実施の形態では、流路の壁側にある領域のような流速の勾配が大きい領域の測定体積が小さくされるため、その領域内における流速の範囲を制限することができる。その結果、流路の壁側にある領域における流速を正確に計測することができる。さらに、流路の中央側にある領域のような流速が速い領域の測定体積が大きくされるため、その領域内において超音波パルスを同一の流体（反射体）に対して繰り返し送信することができる。その結果、流路の中央側にある領域における流速を正確に計測することができる。したがって、流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができる。

また、本実施の形態では、流路断面の流速分布を正確に計測することができるため、その流速分布を用いることによって、流路に流れる流体の流量も正確に計測することができる。

なお、本実施の形態では、一周期法、二周期法および帰還速度拡張法のうちの何れの方法を用いても流速を計測することができる。また、本実施の形態では、流路の壁側にある領域の測定範囲が狭いため、その領域において、超音波繰り返し周波数ｆprfを高く設定することができ、その結果、一周期法における計測可能な最大流速を速くすることができる（後述の（式１０）参照）。

（実施の形態２）
実施の形態１では、各領域の測定体積を異ならせるために、超音波パルスの空間分解能、つまり１つの超音波パルスに含まれるサイクル数ｋを異ならせたが、超音波パルスを送信する超音波素子の面積を異ならせてもよい。

つまり、本実施の形態に係る超音波流速計測装置１００のトランスデューサは、互いに面積の異なる超音波素子（超音波振動子）を備えている。

図９は、本実施の形態におけるトランスデューサの概略構成を示す図である。

本実施の形態におけるトランスデューサ１３０ａは、いわゆるマルチウェイブ超音波センサであって、超音波素子１３１および超音波素子１３２を備えている。超音波素子１３１は、例えば直径３ｍｍの円形であって、基本周波数８ＭＨｚの超音波パルスを送信する。超音波素子１３２は、例えば直径１０ｍｍの円形であって、基本周波数２ＭＨｚの超音波を送信する。これらの超音波素子１３１，１３２は同心円状に配置されている。なお、超音波素子の基本周波数は、その超音波素子の面積が大きければ低く、逆に、その超音波素子の面積が小さければ高くなるように、その超音波素子の面積によって一義的に定まる。パルサレシーバ１２０は、トランスデューサ１３０ａのこれらの超音波素子１３１，１３２をそれぞれ独立して駆動させることができる。

図１０は、超音波素子１３１および超音波素子１３２の音圧分布を示す図である。

図１０の（ａ）に示すように、超音波素子１３２によって送信される２ＭＨｚの超音波の音圧は、深さ約２０ｍｍ以降の範囲で強く均一である。また、図１０の（ｂ）に示すように、超音波素子１３１によって送信される８ＭＨｚの超音波の音圧は、深さ約２０ｍｍ以下の範囲で強く均一である。

つまり、超音波素子１３１は、センサ側壁面に近い領域の流速分布を測定することができ、超音波素子１３２は、それ以外の領域の流速分布を測定することができる。また、図１０の（ｂ）に示すように、８ＭＨｚの超音波の音圧の強度は、遠方（深い位置）では急激に低下するため、８ＭＨｚの超音波パルスを用いる場合には、遠方から反射された超音波パルスが次に送信された超音波パルスに重畳することによって生じる時間エイリアシングを低減することができる。

このようなトランスデューサ１３０ａを用いた超音波流速測定方法において、図８Ａに示すステップＳ１０１では、流路中央側領域の測定体積が、センサ壁面側領域の測定体積よりも大きくなるように、トランスデューサ１３０ａは、超音波素子１３１から超音波パルスを送信させ、反射された超音波パルスを受信する第３の送受信処理と、超音波素子１３２から超音波パルスを送信させ、反射された超音波パルスを受信する第４の送受信処理とをそれぞれ繰り返す。なお、第３の送受信処理と第４の送受信処理とは、交互に行われてもよいし、同時に行われてもよい。

また、図８Ａに示すステップＳ１０２では、計測器１５０は、繰り返された上述の第３の送受信処理によって受信された超音波パルスのそれぞれに基づいて、センサ壁面側領域における流速を計測し、繰り返された上述の第４の送受信処理によって受信された超音波パルスのそれぞれに基づいて、流路中央側領域における流速を計測する。

ここで、本実施の形態におけるトランスデューサ１３０ａは、上記実施の形態１のトランスデューサ１３０と同様に、サイクル数ｋが互いに異なる超音波パルスを送信してもよい。つまり、本実施の形態では、空間分解能とビーム径とを各領域で異ならせることによって、それらの領域の測定体積を異ならせてもよい。

図１１は、本実施の形態における超音波流速計測方法の計測に用いられる測定体積を示す図である。

この図１１に示すように、空間分解能とビーム径とを各領域で異ならせることによって、流路の壁側にある領域の測定体積をさらに小さくすることができ、その結果、その領域における流速をさらに正確に計測することができる。

なお、一周期法において、超音波繰り返し周波数ｆprfが同じ条件であれば、８ＭＨｚの超音波パルスによって計測可能な最大流速は、２ＭＨｚの超音波パルスによって計測可能な最大流速の１／４である（後述の（式１０）参照）。しかし、８ＭＨｚの超音波パルスは、センサ側壁面に近い測定範囲の狭い領域に対して用いられるため、８ＭＨｚの超音波パルスに対しては、高い超音波繰り返し周波数ｆprfを設定することができる。その結果、センサ側壁面に近い領域でも計測可能な最大流速を速くすることができ、その領域に対しては二周期法だけでなく一周期法も用いることができる。

図１２は、本実施の形態におけるトランスデューサの他の例を示す図である。

本実施の形態におけるトランスデューサに備えられる２つの超音波素子は、同心円状に配置された円形の素子でなくてもよい。例えば、図１２に示すように、本実施の形態におけるトランスデューサ１３０ｂは、例えば隣り合うように配置された矩形の超音波素子１３３，１３４を備えていてもよい。ここで、超音波素子１３３の面積は、超音波素子１３４の面積よりも大きいため、流路の壁側と中央側とで測定体積を適切に異ならせることができる。

このように本実施の形態では、流路の壁側にある領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスの径（超音波ビーム径）が小さいため、その領域の測定体積を適切に小さくすることができ、かつ、流路の中央側にある領域では、流速の計測に用いられる超音波パルスの径が大きいため、その領域の測定体積を適切に大きくすることができる。その結果、本実施の形態においても、流路断面の広い範囲での正確な流速の分布を適切に計測することができる。

（実施の形態３）
実施の形態１および２における超音波流速計測方法では、流路内における各領域の測定体積を異ならせることによって、流路断面の広い範囲で流速分布を正確に計測することができるが、本実施の形態では、大きい誤差を有する可能性のある計測結果を排除することによって、流速を正確に計測することに特徴がある。

まず、上述の二周期法と帰還速度拡張法（特許文献１の超音波流速計測方法）について詳細に説明する。

二周期法では、上述のように周期Ｔおよび周期（Ｔ＋Ｔｓ）で超音波パルスの送受信が繰り返し行われる。これらの周期は超音波繰り返し周期と称される。周期Ｔで繰り返し受信された超音波パルスに基づいて位相差Δθ１が導出され、周期（Ｔ＋Ｔｓ）で繰り返し受信された超音波パルスに基づいて位相差Δθ２が導出される。

これらの位相差の差ΔΔθと以下の（式１）に基づいて、ドップラ周波数ｆｄが導出される。

さらに、そのドップラ周波数ｆｄを以下の（式２）に代入することによって、流速Ｖが算出される。なお、（式２）においてｃは音速を示し、ｆ０はトランスデューサから送信される超音波パルスの基本周波数である。

二周期法の問題点は、Ｓ／Ｎが低下するため、一周期法と比べて計測精度が低下する点である。そこで、帰還速度拡張法では、以下の（式３）のように、位相差の差ΔΔθから流速の指標Ｅ０を求める。

そして、帰還速度拡張法では、この流速の指標Ｅ０から流速の範囲を推定する。つまり、以下の（式４）を満たす折り返し数ｎ（整数）を特定する。

さらに、帰還速度拡張法では、以下の（式５）に示すように、平均位相差ΔθＧ＝（Δθ１＋Δθ２）／２に対して、ｎ×２πを加算することにより、その平均位相差ΔθＧを補正する。

この補正された平均位相差ΔθＧ’を用いて、以下の（式６）と上記（式２）とによって流速Ｖを算出する。

ここで、この帰還速度拡張法によって計測される流速Ｖであっても、大きな誤差が含まれる可能性がある。

つまり、（式３）によって求められた指標Ｅ０が、（式４）に示す範囲における（２ｎ±１）πの近傍の値である場合には、ΔθＧとΔΔθのそれぞれの誤差は大きい。すなわち、僅かな誤差によって、ΔθＧに誤って±２πを余分に加算してしまうことがある。

そこで、本実施の形態における超音波流速計測方法では、ｎを特定するための上述の（式４）の範囲を制限することに特徴がある。例えば、以下の（式７）を満たす折り返し数ｎを特定する。なお、以下の（式７）において、αは１よりも大きい値であり、例えばα＝２である。

つまり、α＝２であって、指標Ｅ０が以下の（式８）または（式９）によって示される範囲にある場合には、その指標Ｅ０に対応して得られる流速Ｖは信頼度が低いと見なし、その流速Ｖを無効とする。

言い換えれば、（式７）によって示される範囲にある指標Ｅ０に対応する流速Ｖのみを算出（計測）する。しがって、大きな誤差を含む可能性の高い流速を排除することができ、流路断面の広い範囲で流速の分布をより正確に計測することができる。

図１３は、本実施の形態における超音波流速計測方法による流速の計測結果を、他の方法による流速の計測結果と比較して示す図である。

図１３の（ａ）は、二周期法による流速の計測結果を示し、図１３の（ｂ）は、帰還速度拡張法による流速の計測結果を示し、図１３の（ｃ）は、上記（式７）を用いた場合の本実施の形態による流速の計測結果を示す。なお、これらの計測結果を得るための条件および測定対象は同一である。また、（ａ）〜（ｃ）に示すグラフの横軸はセンサ側壁面からの距離（位置）を示し、縦軸は速度（流速）を示す。

図１３の（ａ）に示すように、二周期法によって計測される各位置の流速にはばらつきがあり、大きな誤差が含まれている。また、図１３の（ｂ）に示すように、帰還速度拡張法によって計測される各位置の流速にはばらつきは少ないが、数箇所の位置における流速に大きな誤差が含まれている。これは、（２ｎ＋１）πまたは（２ｎ−１）πの近傍にある指標Ｅ０の誤差によって、上記（式５）において、平均位相差ΔθＧに誤って±２πが余分に加算されてしまったためである。つまり、その大きな誤差を含む流速は、真の流速に対して±２×Ｖｍａｘだけ異なる。なお、Ｖｍａｘは、以下の（式１０）に示すとおりである。なお、（式１０）に示すＶｍａｘの数値は、管８００の内径が２００ｍｍであり、音速ｃが１４８０ｍ／ｓであり、トランスデューサ１３０から送信される超音波パルスの基本周波数ｆ０が２ＭＨｚであり、トランスデューサ１３０と管８００との間の角度が２０度であり、超音波繰り返し周波数ｆprfが３．４ｋＨｚ以下の場合における数値である。

図１３の（ｃ）に示すように、本実施の形態では、上述のような大きな誤差を含む流速が排除されている。したがって、本実施の形態では、流速を正確に計測することができる。

図１４Ａは、本実施の形態における超音波流速計測方法を示すフローチャートである。

まず、トランスデューサ１３０は、互いに異なる２つの周期で超音波パルスを繰り返し送受信する（ステップＳ２０１）。次に、計測器１５０は、ステップＳ２０１で行なわれた送受信の結果に基づく平均位相差ΔθＧを用いて、上述の測定線上の位置における流速を計測するとともに、流速の指標Ｅ０を求める（ステップＳ２０２）。つまり、計測器１５０は、上述の２つの周期のうちの一方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差と、他方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差との差に基づいて、上述の測定線上の位置における流速の指標Ｅ０を求める。

そして、計測器１５０は、流速の指標Ｅ０が上記（式７）を満たすか否かを判定する（ステップＳ２０３）。ここで、計測器１５０は、その流速の指標Ｅ０が上記（式７）を満たさないと判定した場合には（ステップＳ２０３のＮ）、その流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速を無効とする（ステップＳ２０４）。一方、計測器１５０は、流速の指標Ｅ０が上記（式７）を満たすと判定した場合には（ステップＳ２０３のＹ）、エイリアシングを除去するために、その流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速に対して、折り返し数ｎに応じた補正を行う（ステップＳ２０５）。

図１４Ｂは、図１４Ａに示す超音波流速計測方法を実現する超音波流速計測装置の構成を機能的に示すブロック図である。

本実施の形態における超音波流速計測装置２００は、図１に示す実施の形態１の超音波流速計測装置１００と同様のハードウェア構成を有するが、機能的な構成としては、超音波パルス信号生成部２０２と、超音波送受信部２０３と、計測部２０５とを備える。

超音波パルス信号生成部２０２は、ファンクションジェネレータ１１０およびパルサレシーバ１２０のうちの少なくとも一方の機能を利用するものであって、超音波パルスを示す超音波パルス信号を生成して超音波送受信部２０３に出力する。

超音波送受信部２０３は、トランスデューサ１３０およびＡ／Ｄ変換器１４０の機能を利用するものであって、超音波パルス信号生成部２０２によって生成された超音波パルス信号を取得し、その超音波パルス信号に応じた超音波パルスを送信する。さらに、超音波送受信部２０３は、送信されて反射された超音波パルスを受信し、その受信された超音波パルスを示す電気信号である計測信号を計測部２０５に出力する。これらの超音波パルス信号生成部２０２および超音波送受信部２０３は、図１４Ａに示すステップＳ２０１の処理を実行する。

計測部２０５は、計測器１５０の機能を利用するものであって、超音波送受信部２０３から計測信号を取得すると、その計測信号と超音波パルスドップラ法とを用いて流速を計測する。具体的には、計測部２０５は、図１４Ａに示すステップＳ２０２〜Ｓ２０５の処理を実行する。つまり、計測部２０５は、指標導出部２０５ａと、条件判定部２０５ｂと、補正部２０５ｃとを備える。指標導出部２０５ａは、平均位相差ΔθＧを用いて流速を計測し、かつその流速の指標Ｅ０を求める。条件判定部２０５ｂは、上記（式７）に示す条件式を流速の指標Ｅ０が満たすか否かを判定する。補正部２０５ｃは、流速の指標Ｅ０が条件式を満たさない場合には、その流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速を無効とし、流速の指標Ｅ０が条件式を満たす場合には、エイリアシングを除去するために、その流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速に対して、折り返し数ｎに応じた補正を行う。

つまり、帰還速度拡張法では、流速の指標Ｅ０が（２ｎ−１）πまたは（２ｎ＋１）πに近い場合にも、折り返し数ｎに応じた補正を、計測された流速に対して行えば、その指標Ｅ０の少しの誤差によって、大きく誤った折り返し数ｎに応じた補正を、計測された流速に対して行ってしまうことになる。そこで、本実施の形態では、上述のように、１よりも大きい制限値αを用いた条件式である（２ｎ−１）π／α＜Ｅ０≦（２ｎ＋１）π／αを流速の指標Ｅ０が満たさない場合には、その流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速は無効とされるため、大きな誤差を含む可能性の高い流速を排除することができる。その結果、流路断面の広い範囲で流速の分布をより正確に計測することができる。

なお、測定線上のある位置において、大きな誤差を含む可能性の高い流速が排除されるため、流速分布においてその位置の流速が欠落することになる。しかし、欠落するのは、その計測された瞬時の流速だけである。つまり、その位置における計測が繰り返し行われる場合には、その繰り返し計測された流速から、大きな誤差を含む可能性の高い流速を排除し、残りの幾つかの流速から平均値を算出し、算出された平均値を、その位置における流速としてもよい。そして、このような平均値を用いた平均速度分布から、正確な流量を算出することができる。または、排除される流速が計測された直前に計測された、大きな誤差を含む可能性の低い流速を、その位置における流速としてもよい。または、空間的な流速の内挿または外挿によってその位置における流速を算出してもよい。

（実施の形態４）
実施の形態３における超音波流速計測方法では、流速を正確に計測するために、大きな誤差を有する可能性のある計測結果を排除したが、本実施の形態では、帰還速度拡張法に用いられる流速の指標Ｅ０を、空間的な移動平均によって補正することに特徴がある。

図１５は、二周期法によって計測された流速と、その流速に対して空間的な移動平均が行われた結果とを示す図である。

図１５において、横軸は、センサ側壁面からの距離ｙが、流路を形成する管の内径Ｄ（２００ｍｍ）によって正規化された値（位置）を示し、縦軸は、速度（流速）を示す。

二周期法によって計測されたそれぞれの流速（図１５中の黒丸）にはばらつきがある。これらの流速のそれぞれに対する空間的な移動平均の結果である平均値（図１５中の白丸）では、ばらつきが少し抑えられている。この空間的な移動平均（以下、空間平均という）とは、図１５の横軸上の対象位置ごとに、その対象位置で計測された流速と、空間的（横軸方向）にその対象位置に続く少なくとも１つの位置のそれぞれにおいて計測された流速とを平均化することである。図１５に示す平均値は、平均値の算出に用いられる流速の数（以下、空間平均利用数という）が７である場合の値である。

この図１５に示すように、空間平均利用数が７であっても、空間平均によって得られる平均値の流速には誤差が含まれているが、このような空間平均を用いる場合には、空間平均を用いない場合よりも、流速の指標Ｅ０の精度を高めることができる。

つまり、流速の指標Ｅ０は、二周期法によって計測された流速を位相の形として表現するものであって、流速と等価的に扱うことができる。そこで、本実施の形態では、流速の指標Ｅ０の空間平均を算出し、その平均値の指標Ｅ０と上述の（式４）とを用いることによって、折り返し数ｎを特定する。そして、（式２）、（式５）および（式６）にしたがって流速Ｖを算出する。すなわち、本実施の形態では、帰還速度拡張法における流速の指標Ｅ０の精度を向上することによって、正確な流速Ｖを算出することができる。

図１６は、本実施の形態における超音波流速計測方法を用いて計測される流速を示す図である。図１６中の四角形は、本実施の形態における超音波流速計測方法を用いて計測される流速、つまり、流速の指標Ｅ０に対して空間平均（空間平均利用数＝３）を行うことによって計測される流速を示す。また、図１６中の黒丸は、空間平均が行われない帰還速度拡張法（空間平均利用数＝０）によって計測される流速を示す。

この図１６に示すように、本実施の形態（空間平均利用数＝３）では、計測される流速のばらつきを抑えることができる。

図１７は、本実施の形態における超音波流速計測方法を用いて計測される流速を示す図である。図１７中の三角形は、本実施の形態における超音波流速計測方法を用いて計測される流速、つまり、流速の指標Ｅ０に対して空間平均（空間平均利用数＝５）を行うことによって計測される流速を示す。また、図１７中の黒丸は、空間平均が行われない帰還速度拡張法（空間平均利用数＝０）によって計測される流速を示す。

この図１７に示すように、本実施の形態では、空間平均利用数が５の場合には、計測される流速のばらつきをさらに抑えることができる。

図１８は、本実施の形態における超音波流速計測方法を用いて計測される流速を示す図である。図１８中の白丸は、本実施の形態における超音波流速計測方法を用いて計測される流速、つまり、流速の指標Ｅ０に対して空間平均（空間平均利用数＝７）を行うことによって計測される流速を示す。また、図１８中の黒丸は、空間平均が行われない帰還速度拡張法（空間平均利用数＝０）によって計測される流速を示す。

この図１８に示すように、本実施の形態では、空間平均利用数が７の場合には、計測される流速のばらつきを大幅に抑えることができる。

図１９は、空間平均利用数に応じて計測される流速の精度を示す図である。

図１９の横軸は、図４と同様に、秤量流量計測によって得られる流量を示す。図１９の縦軸は、空間平均を用いて計測される流速を積分することによって得られる流量を示す。

図１９中の黒丸は、空間平均利用数＝０の場合に計測される流速（縦軸）を示し、図１９中の四角形は、空間平均利用数＝３の場合に計測される流速（縦軸）を示し、図１９中の三角形は、空間平均利用数＝５の場合に計測される流速（縦軸）を示し、図１９中の白丸は、空間平均利用数＝７の場合に計測される流速（縦軸）を示す。なお、図１９において、空間平均を用いた全ての計測では、ビーム径は同一であり、トランスデューサ１３０から送信される超音波パルスの基本周波数ｆ０は２ＭＨｚであり、繰り返し送信される超音波パルスの数（Ｎpulse）は２５６である。

この図１９に示すように、空間平均利用数＝０の場合に計測される流速の誤差は、−９．４７％であり、空間平均利用数＝３の場合に計測される流速の誤差は、−８．１９％であり、空間平均利用数＝５の場合に計測される流速の誤差は、−７．３４％であり、空間平均利用数＝７の場合に計測される流速の誤差は、−６．２２％である。このように、空間平均利用数を適切に設定することによって、流速を正確に計測することができる。

図２０Ａは、本実施の形態における超音波流速計測方法を示すフローチャートである。

まず、トランスデューサ１３０は、互いに異なる２つの周期で超音波パルスを繰り返し送受信する（ステップＳ３０１）。次に、計測器１５０は、ステップＳ３０１で行われた送受信の結果に基づく平均位相差ΔθＧを用いて、上述の測定線上の各位置における流速を計測するとともに、各位置における流速の指標Ｅ０を求める（ステップＳ３０２）。つまり、計測器１５０は、上述の２つの周期のうちの一方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差と、他方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差との差に基づいて、上述の測定線上の各位置における流速の指標Ｅ０を求める。

そして、計測器１５０は、各位置における流速の指標に対して空間的な移動平均を行うことによって、その各位置における平均値を算出する（ステップＳ３０３）。次に、計測器１５０は、算出された各位置における平均値から、エイリアシングを除去するための、各位置における折り返し数ｎを特定する（ステップＳ３０４）。さらに、計測器１５０は、各位置において計測された流速に対して、各位置における折り返し数ｎに応じた補正を行う（ステップＳ３０５）。

図２０Ｂは、図２０Ａに示す超音波流速計測方法を実現する超音波流速計測装置の構成を機能的に示すブロック図である。

本実施の形態における超音波流速計測装置３００は、図１に示す実施の形態１の超音波流速計測装置１００と同様のハードウェア構成を有するが、機能的な構成としては、超音波パルス信号生成部３０２と、超音波送受信部３０３と、計測部３０５とを備える。

超音波パルス信号生成部３０２は、ファンクションジェネレータ１１０およびパルサレシーバ１２０のうちの少なくとも一方の機能を利用するものであって、超音波パルスを示す超音波パルス信号を生成して超音波送受信部３０３に出力する。

超音波送受信部３０３は、トランスデューサ１３０およびＡ／Ｄ変換器１４０の機能を利用するものであって、超音波パルス信号生成部３０２によって生成された超音波パルス信号を取得し、その超音波パルス信号に応じた超音波パルスを送信する。さらに、超音波送受信部３０３は、送信されて反射された超音波パルスを受信し、その受信された超音波パルスを示す電気信号である計測信号を計測部３０５に出力する。これらの超音波パルス信号生成部３０２および超音波送受信部３０３は、図２０Ａに示すステップＳ３０１の処理を実行する。

計測部３０５は、計測器１５０の機能を利用するものであって、超音波送受信部３０３から計測信号を取得すると、その計測信号と超音波パルスドップラ法とを用いて流速を計測する。具体的には、計測部３０５は、図２０Ａに示すステップＳ３０２〜Ｓ３０５の処理を実行する。つまり、計測部３０５は、指標導出部３０５ａと、空間平均算出部３０５ｂと、折り返し数特定部３０５ｃと、補正部３０５ｄとを備える。指標導出部３０５ａは、平均位相差ΔθＧを用いて、測定線上の各位置における流速を計測し、かつその各位置における流速の指標Ｅ０を求める。空間平均算出部３０５ｂは、各位置における流速の指標Ｅ０に対して空間的な移動平均を行うことによって、各位置における平均値を算出する。折り返し数特定部３０５ｃは、算出された各位置における平均値から、エイリアシングを除去するための、各位置における折り返し数ｎを特定する。補正部３０５ｄは、各位置において計測された流速に対して、各位置における折り返し数ｎに応じた補正を行う。

このように本実施の形態では、各位置における流速の指標に対して空間的な移動平均が行われるため、誤差の少ない適切な流速の指標を算出することができる。その結果、計測された流速のエイリアシングを補正によって適切に除去することができ、流路断面の広い範囲で流速の分布をより正確に計測することができる。

以上、本発明に係る超音波流速計測方法および超音波流速計測装置について、実施の形態１〜４に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。例えば、実施の形態１〜４を任意に組み合わせてもよい。

また、なお、上記各実施の形態において、トランスデューサを除く各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。

本発明にかかる超音波流速計測方法は、流路断面の広い範囲で流速の分布を正確に計測することができるという効果を奏し、例えば、水力発電所、原子力発電所、または化学プラントなどの配管に流れる流体の流量を計測する超音波流量計などに適用することができる。

１００，２００，３００ 超音波流速計測装置
１０１ 測定体積調整部
１０２，２０２，３０２ 超音波パルス信号生成部
１０３，２０３，３０３ 超音波送受信部
１０５，２０５，３０５ 計測部
１１０ ファンクションジェネレータ
１２０ パルサレシーバ
１３０，１３０ａ，１３０ｂ トランスデューサ
１４０ Ａ／Ｄ変換器
１５０ 計測器
２０５ａ，３０５ａ 指標導出部
２０５ｂ 条件判定部
２０５ｃ，３０５ｄ 補正部
３０５ｂ 空間平均算出部
３０５ｃ 折り返し数特定部
８００ 管

Claims (7)

1. 超音波パルスドップラ法を用いた超音波流速計測方法であって、
   流路を流れる流体のうちの、前記流路を横切る測定線に沿って配列される複数の領域のそれぞれに対して、前記測定線に沿って超音波パルスを繰り返し送信し、前記複数の領域のそれぞれから反射される各超音波パルスを受信する送受信ステップと、
   前記送受信ステップにおいて受信される各超音波パルスに基づいて、前記超音波パルスドップラ法を用いて、前記複数の領域のそれぞれにおける流速を計測する計測ステップとを含み、
   前記送受信ステップでは、
   前記複数の領域のうちの、前記流路の中央側にある第１の領域の測定体積が、前記複数の領域のうちの、前記流路を形成する壁側にある第２の領域の測定体積よりも大きくなるように、超音波パルスを繰り返し送信する
   超音波流速計測方法。
2. 前記送受信ステップでは、
   １つの超音波パルスに含まれる周期的な波の数であるサイクル数が第１の超音波パルスよりも少ない第２の超音波パルスを送信して、反射された前記第２の超音波パルスを受信する第１の送受信処理と、前記第１の超音波パルスを送信して、反射された前記第１の超音波パルスを受信する第２の送受信処理とを、切り替えて繰り返すことによって、前記第１の領域の測定体積を前記第２の領域の測定体積よりも大きくし、
   前記計測ステップでは、
   繰り返された前記第１の送受信処理によって受信された前記第２の超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第２の領域の流速を計測し、繰り返された前記第２の送受信処理によって受信された前記第１の超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第１の領域の流速を計測する
   請求項１に記載の超音波流速計測方法。
3. 前記送受信ステップでは、
   第１の超音波素子よりも小さい面積の第２の超音波素子から超音波パルスを送信させ、反射された前記超音波パルスを受信する第３の送受信処理と、前記第１の超音波素子から超音波パルスを送信させ、反射された前記超音波パルスを受信する第４の送受信処理とをそれぞれ繰り返すことにより、前記第１の領域の測定体積を前記第２の領域の測定体積よりも大きくし、
   前記計測ステップでは、
   繰り返された前記第３の送受信処理によって受信された前記超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第２の領域の流速を計測し、繰り返された前記第４の送受信処理によって受信された前記超音波パルスのそれぞれに基づいて、前記第１の領域の流速を計測する
   請求項１または２に記載の超音波流速計測方法。
4. 前記送受信ステップでは、
   互いに異なる２つの周期で前記超音波パルスを繰り返し送信し、
   前記計測ステップでは、さらに、
   前記２つの周期のうちの一方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差と、他方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差との差に基づいて、前記測定線上の位置における流速の指標Ｅ０を求め、
   計測される流速のエイリアシングにおける折り返し数ｎ（ｎは整数）と制限値α（α＞１）とを用いて示される条件式である（２ｎ−１）π／α＜Ｅ０≦（２ｎ＋１）π／αを、前記流速の指標Ｅ０が満たすか否かを判定し、
   前記流速の指標Ｅ０が前記条件式を満たさないと判定された場合には、前記流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速を無効とし、
   前記流速の指標Ｅ０が前記条件式を満たすと判定された場合には、前記エイリアシングを除去するために、前記流速の指標Ｅ０に対応する計測された流速に対して、前記折り返し数ｎに応じた補正を行う
   請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波流速計測方法。
5. 前記計測ステップでは、
   前記差をΔΔθとし、前記２つの周期のうちの一方の周期をＴとし、他方の周期を（Ｔ＋Ｔｓ）とする場合、Ｅ０＝ΔΔθ（Ｔ／Ｔｓ＋１／２）によって、前記流速の指標Ｅ０を求める
   請求項４に記載の超音波流速計測方法。
6. 前記送受信ステップでは、
   互いに異なる２つの周期で前記超音波パルスを繰り返し送信し、
   前記計測ステップでは、さらに、
   前記２つの周期のうちの一方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差と、他方の周期で繰り返し受信される超音波パルスの位相差との差に基づいて、前記流体中の前記測定線上の各位置における流速の指標を求め、
   前記各位置における流速の指標に対して空間的な移動平均を行うことによって、前記各位置における平均値を算出し、
   算出された前記各位置における平均値から、エイリアシングを除去するための、前記各位置における折り返し数を特定し、
   前記各位置において計測された流速に対して、前記各位置における前記折り返し数に応じた補正を行う
   請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波流速計測方法。
7. 超音波パルスドップラ法を用いた超音波流速計測装置であって、
   流路を流れる流体のうちの、前記流路を横切る測定線に沿って配列される複数の領域のそれぞれに対して、前記測定線に沿って超音波パルスを繰り返し送信し、前記複数の領域のそれぞれから反射される各超音波パルスを受信する送受信部と、
   前記送受信部において受信される各超音波パルスに基づいて、前記超音波パルスドップラ法を用いて、前記複数の領域のそれぞれにおける流速を計測する計測部とを備え、
   前記送受信部は、
   前記複数の領域のうちの、前記流路の中央側にある第１の領域の測定体積が、前記複数の領域のうちの、前記流路を形成する壁側にある第２の領域の測定体積よりも大きくなるように、超音波パルスを繰り返し送信する
   超音波流速計測装置。