JP2015215171A - 超音波流量計及び超音波吸収体の異常判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬時間差方式の超音波流量計において、配管伝搬波抑制用の超音波吸収材の異常を容易に検知する。
【解決手段】内部を流体が流れる配管Ａの上流側の外周に設けられる第１超音波送受信部２０Ａと、配管Ａの下流側の外周に設けられる第２超音波送受信部２０Ｂと、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波が第２超音波送受信部２０Ｂに受信されるまでの時間と第２超音波送受信部２０Ｂから送信された超音波が第１超音波送受信部２０Ａに受信されるまでの時間とに基づいて流体の流量を算出する流量算出部５５と、配管Ａの外周に設けられ超音波の配管伝搬波を吸収する超音波吸収体１０と、を備える超音波流量計１であって、特定した配管伝搬波の減衰状態を表す値と基準値との差又は比が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定する異常判定部６３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波流量計及び超音波吸収体の異常判定方法に関する。

従来より、各種流体の流量を計測するための超音波流量計が提案され、実用化されている。例えば、現在においては、振動子を実装する楔部材の底面部を、音響結合材を介して配管の外壁に接続したクランプオン型超音波流量計が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載されたクランプオン型超音波流量計によれば、特定診断波形の周波数スペクトルの総和を所定の閾値と比較することにより、音響結合材の異常診断を行うことができる、とされている。

特開２０１３−１８１８１２号公報

ところで、近年においては、超音波振動子と斜角楔とによって構成した１対（乃至複数対）の超音波送受信器を流体の流れる配管の外壁に設置し、流体の流れ方向及び逆方向に超音波を伝搬させたときのそれぞれの伝搬時間を計測し、これら伝搬時間の差に基づいて流体の流量を算出する、いわゆる「伝搬時間差」方式の超音波流量計が提案されている。

このような「伝搬時間差」方式の超音波流量計においては、配管伝搬波（超音波振動子から発せられた超音波のうち、配管の管壁で反射して配管を伝搬する伝搬波）を抑制するために、配管の周囲にダンピング材（超音波吸収材）を設置する必要がある。ダンピング材の劣化や剥離が生じると流量計測が不可能となり、流量計は高所等の作業が困難な個所に設置されることも多いことから、ダンピング材の異常を早期に検知する必要がある。しかし、現段階においては、ダンピング材の異常を有効に検知する方法は提案されていない。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、伝搬時間差方式の超音波流量計において、配管伝搬波抑制用の超音波吸収材の異常を容易に検知することを目的とする。

本発明に係る超音波流量計は、内部を流体が流れる配管における上流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第１超音波送受信部と、配管における下流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第２超音波送受信部と、第１超音波送受信部から送信された超音波が第２超音波送受信部に受信されるまでの時間と第２超音波送受信部から送信された超音波が第１超音波送受信部に受信されるまでの時間とに基づいて流体の流量を算出する流量算出部と、配管の外周に設けられ超音波の配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、配管伝搬波を特定する配管伝搬波特定部と、配管伝搬波特定部で特定した配管伝搬波の減衰状態を表す値を取得する減衰状態値取得部と、基準状態における配管伝搬波の減衰状態を表す値と減衰状態取得部で取得した値との差又は比が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体に異常が発生したものと判定する異常判定部と、備えるものである。

また、本発明に係る異常判定方法は、内部を流体が流れる配管における上流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第１超音波送受信部と、配管における下流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第２超音波送受信部と、第１超音波送受信部から送信された超音波が第２超音波送受信部に受信されるまでの時間と第２超音波送受信部から送信された超音波が第１超音波送受信部に受信されるまでの時間とに基づいて流体の流量を算出する流量算出部と、配管の外周に設けられ超音波の配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、を備える超音波流量計の超音波吸収体の異常判定方法であって、配管伝搬波を特定する配管伝搬波特定工程と、配管伝搬波特定工程で特定した配管伝搬波の減衰状態を表す値を取得する減衰状態値取得工程と、基準状態における配管伝搬波の減衰状態を表す値と減衰状態取得工程で取得した値との差又は比が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体に異常が発生したものと判定する異常判定工程と、を含むものである。

かかる構成及び方法を採用すると、基準状態における配管伝搬波の減衰状態を表す値と、特定した配管伝搬波の減衰状態を表す値と、を比較し、両者の差又は比が所定の閾値を超える場合に、超音波吸収体に異常が発生したものと判定することができる。すなわち、配管伝搬波を特定し減衰状態を表す値を取得して基準状態の値と比較するだけで、超音波吸収体の異常（劣化や剥離）をきわめて容易に検知することができる。従って、超音波吸収体が劣化する期間を測定して適切な交換時期を把握したり、施工初期の設置不良を発見したりすることができる。なお、配管伝搬波の減衰状態を表す値としては、配管伝搬波の二重平均平方根（ＲＭＳ）、配管伝搬波の最大値と最小値の差、配管伝搬波の積算値、配管伝搬波のＳＮ比、等を採用することができる。

本発明に係る超音波流量計において、流体伝搬波と配管伝搬波との混合波を含む超音波の波形に基づいて配管伝搬波を特定する配管伝搬波特定部を採用することができる。

かかる構成を採用すると、流体伝搬波と配管伝搬波との混合波を含む超音波の波形に基づいて配管伝搬波を特定することができる。例えば、横軸に時間、縦軸に電圧をとって超音波の波形を表示したときに、超音波の波形の最大ピークから左右の最小ピークに向けて２本の直線を描き、それら２本の直線と横軸との交点をそれぞれ混合波の開始時及び終了時とし、混合波の開始時より所定時間前から存在する波形（又は混合波の終了時から所定時間後まで存在する波形）を配管伝搬波として特定することができる。

本発明によれば、伝搬時間差方式の超音波流量計において、配管伝搬波抑制用の超音波吸収材の異常を容易に検知することが可能となる。

本発明の実施形態に係る超音波流量計の概略構成を示す構成図である。 図１に示す超音波流量計の第１超音波送受信部の構成を説明する拡大断面図である。 図１に示す超音波流量計を用いて配管の内部を流れる気体の流量を算出する方法を説明するための説明図である。 図１に示す超音波流量計の第１超音波送受信部から送信された超音波が第２超音波送受信部に受信される様子を説明するための説明図である。 図１に示す超音波流量計の本体部の演算制御部の機能的構成を説明するためのブロック図である。 配管伝搬波の特定方法を説明するためのグラフである。 超音波吸収体の異常判定用の基準値を設定するための実験結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る超音波吸収体の異常判定方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。なお、図面は実際の寸法を示すものではなく、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。

まず、図１〜図７を用いて、本発明の実施形態に係る超音波流量計１の構成について説明する。本実施形態に係る超音波流量計１は、図１に示すように、配管Ａの内部を流れる気体（ガス）の流量を測定するためのものである。超音波流量計１の測定対象である気体は、図１において白抜き矢印で示す方向（図１における左から右の方向）に流れている。超音波流量計１は、第１超音波送受信部２０Ａと、第２超音波送受信部２０Ｂと、本体部５０と、超音波吸収体１０と、を備える。

第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂは、それぞれ配管Ａの外周に設けられる。図１に示す例では、第１超音波送受信部２０Ａが配管Ａにおける上流側に、第２超音波送受信部２０Ｂは配管Ａにおける下流側に、それぞれ配置される。第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂは、それぞれ超音波の送信及び受信を行い、相互に超音波を送受信する。すなわち、第１超音波送受信部２０Ａが送信した超音波は、第２超音波送受信部２０Ｂによって受信され、第２超音波送受信部２０Ｂが送信した超音波は、第１超音波送受信部２０Ａによって受信される。

第１超音波送受信部２０Ａは、図２に示すように、くさび２１と、圧電素子２２と、を備える。

くさび２１は、配管Ａに対して所定の鋭角で超音波を入射させるためのものであり、樹脂製又は金属製の部材である。くさび２１は、底面２１ａが配管Ａの外周面に接触するように設置される。また、くさび２１は、底面２１ａに対して所定の角度を有する斜面２１ｂが形成されている。斜面２１ｂには、圧電素子２２が設置される。本実施形態では、底面２１ａが配管Ａの外周面に接触する例を示したが、これに限定されない。底面２１ａと配管Ａの外周面との間に接触媒質（カプラント）を介在させてもよい。

圧電素子２２は、超音波を送信するとともに、超音波を受信するためのものである。圧電素子２２には、リード線（図示省略）が電気的に接続されている。リード線を介して所定周波数の電気信号が印加されると、圧電素子２２は、当該所定周波数で振動して超音波を発する。これにより、超音波が送信される。図２において破線の矢印で示すように、圧電素子２２から送信された超音波は、斜面２１ｂの角度でくさび２１を伝搬する。くさび２１を伝搬する超音波は、くさび２１と配管Ａの外壁との界面で屈折して入射角が変化し、配管Ａの内壁と配管Ａの内部を流れる気体との界面でさらに屈折して入射角が変化し、当該気体を伝搬する。界面における屈折は、スネルの法則に従うので、配管Ａを伝搬するときの超音波の速度、気体を伝搬するときの超音波の速度に基づいて、斜面２１ｂの角度をあらかじめ設定することにより、超音波を所望の入射角で気体に入射させ、伝搬させることができる。

一方、圧電素子２２に超音波が到達すると、圧電素子２２は、当該超音波の周波数で振動して電気信号を発生させる。これにより、超音波が受信される。圧電素子２２に発生した電気信号は、リード線を介して後述する本体部５０で検出される。

なお、第２超音波送受信部２０Ｂは、第１超音波送受信部２０Ａと同様の構成を備える。すなわち、第２超音波送受信部２０Ｂも、くさび２１と、圧電素子２２と、を備える。よって、前述した第１超音波送受信部２０Ａの説明をもって、第２超音波送受信部２０Ｂの詳細な説明を省略する。

図１に示す本体部５０は、超音波が配管Ａの内部を流れる気体を伝搬する時間に基づいて当該気体の流量を測定するためのものである。本体部５０は、切替部５１と、送信回路部５２と、受信回路部５３と、計時部５４と、演算制御部５５と、入出力部５６と、を備える。

切替部５１は、超音波の送信及び受信を切り替えるためのものである。切替部５１は、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂに接続されている。切替部５１は、例えば、切替スイッチ等を含んで構成することが可能である。演算切替部５１は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて切替スイッチを切り替え、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方を送信回路部５２に接続させるとともに、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂのうちの他方を受信回路部５３と接続させる。これにより、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方が超音波を送信し、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂのうちの他方が当該超音波を受信することができる。

送信回路部５２は、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂに超音波を送信させるためのものである。送信回路部５２は、例えば、所定周波数の矩形波を生成する発振回路、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂを駆動する駆動回路等を含んで構成することが可能である。送信回路部５２は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて、駆動回路が発振回路により生成された矩形波を駆動信号として第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方の圧電素子２２に出力する。これにより、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂの一方の圧電素子２２が駆動され、当該圧電素子２２が超音波を送信する。

受信回路部５３は、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが受信した超音波を検出するためのものである。受信回路部５３は、例えば、信号を所定の利得（ゲイン）で増幅する増幅回路、所定周波数の電気信号を取り出すためのフィルタ回路等を含んで構成することが可能である。受信回路部５３は、演算制御部５５から入力される制御信号に基づいて、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂのうちの一方の圧電素子２２から出力された電気信号を増幅し、フィルタリングして受信信号に変換する。受信回路部５３は、変換した受信信号を演算制御部５５に出力する。

計時部５４は、所定の期間における時間を計測するためのものである。計時部５４は、例えば、発振回路等で構成することが可能である。なお、発振回路は、送信回路部５２と共有するようにしてもよい。計時部５４は、演算制御部５５から入力されるスタート信号及びストップ信号に基づいて、発振回路の基準波の数をカウントして時間を計測する。計時部５４は、計測した時間を演算制御部５５に出力する。

演算制御部５５は、配管Ａの内部を流れる気体の流量を演算により算出するためのものである。演算制御部５５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、入出力インターフェース等で構成することが可能である。また、演算制御部５５は、切替部５１、送信回路部５２、受信回路部５３、計時部５４、及び、入出力部５６等の本体部５０の各部を制御する。なお、演算制御部５５が気体の流量を算出する方法については、後述する。

入出力部５６は、ユーザ（利用者）が情報を入力し、かつ、ユーザに対して情報を出力するためのものである。入出力部５６は、例えば、操作ボタン等の入力手段、表示ディスプレイ等の出力手段等で構成することが可能である。ユーザが操作ボタン等を操作することにより、設定等の各種の情報が入出力部５６を介して演算制御部５５に入力される。また、入出力部５６は、演算制御部５５により算出された気体の流量、気体の速度、所定期間における積算流量等の情報を、表示ディスプレイ等に表示して出力する。

ここで、図３を用いて、配管Ａの内部を流れる気体の流量の算出方法について説明する。図３に示すように、配管Ａの内部を所定の方向（図３において左側から右側への方向）に流れる気体の速度（以下、流速という）をＶ［ｍ／ｓ］、当該気体中を超音波が伝搬するときの速度（以下、音速という）をＣ［ｍ／ｓ］とし、当該気体を伝搬する超音波の伝搬経路長をＬ［ｍ］とし、配管Ａの管軸と超音波の伝搬経路とのなす角度をθとする。ここで、配管Ａの上流側（図３において左側）に設置された第１超音波送受信部２０Ａが超音波を送信し、配管Ａの下流側（図３において右側）に設置された第２超音波送受信部２０Ｂが当該超音波を受信するときに、当該超音波が配管Ａの内部の気体を伝搬する伝搬時間ｔ₁₂は、以下の式（１）で表される。
ｔ₁₂＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） …（１）

一方、配管Ａの下流側に設置された第２超音波送受信部２０Ｂが超音波を送信し、配管Ａの上流側に設置された第１超音波送受信部２０Ａが当該超音波を受信するときに、当該超音波が配管Ａの内部の気体を伝搬する伝搬時間ｔ₂₁は、以下の式（２）で表される。
ｔ₂₁＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） …（２）

式（１）及び式（２）から、気体の流速Ｖは、以下の式（３）で表される。
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・｛（１／ｔ₁₂）−（１／ｔ₂₁）｝ …（３）

式（３）において、伝搬経路長Ｌ及び角度θは、流量の測定前に既知の値であるから、流速Ｖは、伝搬時間ｔ₁₂及び伝搬時間ｔ₂₁を計測することで、式（３）から算出することができる。

そして、配管Ａの内部を流れる気体の流量Ｑ［ｍ³／ｓ］は、流速Ｖ［ｍ／ｓ］と、補数係数Ｋ及び配管Ａの断面積Ｓ［ｍ³／ｓ］と、を用いて以下の式（４）で表される。
Ｑ＝ＫＶＳ …（４）

従って、演算制御部５５は、伝搬経路長Ｌ、角度θ、補数係数Ｋ及び配管Ａの断面積Ｓをあらかじめメモリ等に記憶しておく。そして、演算制御部５５は、受信回路部５３から入力される受信信号に基づいて、計時部５４により伝搬時間ｔ₁₂及び伝搬時間ｔ₂₁を計測することで、式（３）及び式（４）から、配管Ａの内部を流れる気体の流量Ｑを算出することができる。すなわち、演算制御部５５は、本発明における流量算出部として機能するものである。

本実施計形態では、図３と式（１）〜（４）とを用いて、伝搬時間逆数差法により気体の流量を算出する例を示したが、これに限定されない。演算制御部５５は、他の方法、例えば、周知の伝搬時間差法により気体の流量を算出するようにしてもよい。

なお、図１では、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが互いに対向するように、図１において配管Ａの上側に第１超音波送受信部２０Ａを配置し、配管Ａの下側に第２超音波送受信部２０Ｂを配置する例を示したが、これに限定されない。第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂは、配管Ａの上流側と下流側との外周に設けられていればよい。

また、本実施計形態では、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ａの一方が送信した超音波が、配管Ａの内部の気体を伝搬し、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ａの他方で直接受信する例を示したが、これに限定されない。配管Ａの内部の気体を伝搬する超音波は、配管Ａの内壁において反射し得る。よって、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ａの他方は、配管Ａの内壁で２ｎ回（ｎは正の整数）反射した超音波を受信してもよい。

一般に、超音波は、２０ｋＨｚ以上の周波数帯の音波を意味する。よって、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波は、２０ｋＨｚ以上の周波数帯の音波である。好ましくは、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波は、１００ｋＨｚ以上であって２．０ＭＨｚ以下の周波数帯の超音波である。より好ましくは、第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波は、０．５ＭＨｚ以上であって１．０ＭＨｚ以下の周波数帯の超音波である。なお、いずれの場合であっても、第１超音波送受信部２０Ａが送信する超音波と第２超音波送受信部２０Ｂが送信する超音波とは、同一周波数であってもよいし、異なる周波数であってもよい。

図１に示す超音波吸収体１０は、配管Ａの外周面に設けられる。具体的には、超音波吸収体１０は、配管Ａの外周面において、少なくとも第１超音波送受信部２０Ａと第２超音波送受信部２０Ｂとの間の領域を覆うように配置され、配管Ａの外周面に密着して固定される。第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが配管Ａの外周面に直接接触するように、超音波吸収体１０のうちの第１超音波送受信部２０Ａ及び第２超音波送受信部２０Ｂが配置される部分は、超音波吸収体１０の一部が枠状に切り取られる。

図４は、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波が第２超音波送受信部２０Ｂに受信される様子を説明するための断面図である。図４に示すように、例えば、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波は、配管Ａを通過（透過）して配管Ａの内部の気体を伝搬する気体伝搬波Ｗ₁と、配管Ａの管壁で反射して配管Ａを伝搬する配管伝搬波Ｗ₂と、に分けられる。気体伝搬波Ｗ₁は、再び配管Ａを通過して第２超音波送受信部２０Ｂに到達する。一方、配管伝搬波Ｗ₂も、配管Ａの内壁及び外壁を複数回反射しながら第２超音波送受信部２０Ｂに到達し得る。図示及びその詳細な説明を省略するが、第１超音波送受信部２０Ａから送信された超音波と同様に、第２超音波送受信部２０Ａから送信された超音波も、気体伝搬波Ｗ₁と配管伝搬波Ｗ₂とに分けられ、気体伝搬波Ｗ₁は配管Ａを通過して第１超音波送受信部２０Ａに到達するとともに、配管伝搬波Ｗ₂も配管Ａの内壁及び外壁を複数回反射しながら第１超音波送受信部２０Ａに到達し得る。

一般に、一方の媒質を伝搬する音波が、他方の媒質との界面で透過（通過）するか、反射するかは、一方の媒質と他方の媒質との音響インピーダンスの差によって決まる。すなわち、音響インピーダンスの差が小さいほど、一方の配質を伝搬する音波は他方の媒質に透過し、音響インピーダンスの差が大きいほど、一方の配質を伝搬する音波は他方の媒質との界面で反射する傾向がある。

配管Ａの内部を流れる流体が、例えば液体である場合、液体の音響インピーダンスと、配管の材料、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属や合成樹脂等の高分子化合物の音響インピーダンスと、の差が相対的に小さいので、超音波は、配管Ａを透過（通過）して内部を流れる液体を伝搬する割合（透過率）が多く（大きく）、つまり、配管Ａの管壁で反射する割合（反射率）が少なく（小さく）、配管伝搬波Ｗ₂のエネルギー（大きさ、又は強度）は小さい。これに対し、気体の音響インピーダンスは、液体の音響インピーダンスと比較して小さい。そのため、配管Ａの内部を流れる流体が気体である場合、気体の音響インピーダンスと、配管Ａの音響インピーダンスと、の差が相対的に大きくなるので、超音波は、配管Ａを透過（通過）して内部を流れる液体を伝搬する割合（透過率）が少なく（小さく）、つまり、配管Ａの管壁で反射する割合（反射率）が多く（大きく）、配管伝搬波Ｗ₂のエネルギー（大きさ、又は強度）は大きい。

ここで、超音波の気体伝搬波Ｗ₁を受信して伝搬時間を計測し、当該伝搬時間に基づいて流量を測定する超音波流量計において、気体伝搬波Ｗ₁は検出すべき信号（信号成分）であり、配管伝搬波Ｗ₂は信号に対するノイズ（ノイズ成分）である。ノイズ成分としての配管伝搬波Ｗ₂は、超音波吸収体１０の劣化や剥離が生じると増大する傾向にある。このような超音波吸収体１０の異常（劣化や剥離）を早期に検知するために、本実施形態における演算制御部５５は以下のような機能的構成を有している。

すなわち、演算制御部５５は、図５に示すように、配管伝搬波Ｗ₂を特定する配管伝搬波特定部６１と、配管伝搬波特定部６１で特定した配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値を取得する減衰状態値取得部６２と、基準状態における配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値と減衰状態値取得部６２で取得した値との差又は比が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定する異常判定部６３と、を有している。

本実施形態における配管伝搬波特定部６１は、混合波（気体伝搬波Ｗ₁と配管伝搬波Ｗ₂とが混合した波）を含む超音波の波形に基づいて配管伝搬波Ｗ₂を特定している。具体的には、図６に示すように、横軸に時間（μｓｅｃ）、縦軸に電圧（Ｖ）をとって超音波の波形を表示したときに、超音波の波形の最大ピークＰ_MAXから左右の最小ピークＰ_MINに向けて２本の直線Ｌ₁、Ｌ₂を描き、それら２本の直線Ｌ₁、Ｌ₂と横軸との交点Ｔ₁、Ｔ₂をそれぞれ混合波の開始時及び終了時とし、混合波開始時Ｔ₁より所定時間ΔＴ₁前から存在する波形及び／又は混合波終了時Ｔ₂から所定時間ΔＴ₂後まで存在する波形を、配管伝搬波Ｗ₂として特定することができる。ΔＴ₂は、ΔＴ₁と異なる値とすることができる。

ここで、最大ピークＰ_MAXとは、図６に示すように、超音波のピークの中で最大値を有するピークを意味する。また、左右の最小ピークＰ_MINとは、図６に示す超音波の波形で最大ピークＰ_MAXの左側（時間的に前）及び右側（時間的に後）に隣接する数個（例えば２〜４個）のピークのうち最小のものを意味する。例えば、図６に示すように、最大ピークＰ_MAXの左側に隣接するピーク２個のうち最小のものを左の最小ピークＰ_MINとし、最大ピークＰ_MAXの右側に隣接するピーク４個のうち最小のものを右の最小ピークＰ_MINとすることができる。なお、本実施形態においては、図６に示すように「正」の最大値を有するピークをＰ_MAXとしているが、負の最大値を有するピークをＰ_MAXとすることもできる。

なお、超音波としては、上流側の第１超音波送受信部２０Ａが送信し下流側の第２超音波送受信部２０Ｂが受信するもの（上流送信型超音波）と、下流側の第２超音波送受信部２０Ｂが送信し上流側の第１超音波送受信部２０Ａが受信するもの（下流送信型超音波）と、の２種類があるのは既に述べたとおりである。図６の太線のグラフは上流送信型超音波の波形を示すものであり、図６の細線のグラフは下流送信型超音波の波形を示すものである。これら２種類の超音波の波形の各々に基づいて、２組の配管伝搬波（上流送信型配管伝搬波及び下流送信型配管伝搬波）を特定することもできる。

減衰状態値取得部６２は、配管伝搬波特定部６１で特定した配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値を取得するものである。ここで、配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値としては、配管伝搬波Ｗ₂の二重平均平方根（ＲＭＳ）、配管伝搬波Ｗ₂の最大値と最小値の差、配管伝搬波Ｗ₂の積算値、配管伝搬波Ｗ₂のＳＮ比等を採用することができる。例えば、配管伝搬波特定部６１が、図６に示すような混合波開始時Ｔ₁より所定時間ΔＴ₁前から存在する波形を配管伝搬波Ｗ₂として特定した場合には、減衰状態値取得部６２は、減衰状態を表す値として、所定時間ΔＴ₁における配管伝搬波Ｗ₂のＲＭＳを算出することができる。

異常判定部６３は、基準状態における配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値（基準値）と、減衰状態値取得部６２で取得した値（測定値）と、の差が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定するものである。ここで、「基準値」としては、超音波吸収体１０の配置直後に取得した初期値（超音波吸収体１０が正常な状態における配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値）を採用したり、実験等で予め取得した値を採用したりすることができる。

図７は、異常判定部６３で用いられる「基準値」を設定するための実験結果を示すグラフであり、測定対象となる気体（空気）の圧力を０．３ＭＰａに設定したときの超音波の波形を表示したものである。図７においては、横軸に時間（μｓｅｃ）を、縦軸に電圧（Ｖ）を、各々とっている。図７（Ａ）は外周３６０ｍｍの超音波吸収体１０のうち外周７０ｍｍの部分を剥離させたときの超音波の波形であり、このとき特定された配管伝搬波Ｗ₂は破線で囲まれた部分の波形であり、減衰状態を表す値であるＳＮ比は「３．８」であった。図７（Ｂ）は外周３６０ｍｍの超音波吸収体１０のうち外周３７ｍｍの部分を剥離させたときの超音波の波形であり、このとき特定された配管伝搬波Ｗ₂は破線で囲まれた部分の波形であり、減衰状態を表す値であるＳＮ比は「７．６」であった。図７（Ｃ）は外周３６０ｍｍの超音波吸収体１０のうち全く剥離がないときの超音波の波形であり、このとき特定された配管伝搬波Ｗ₂は破線で囲まれた部分の波形であり、減衰状態を表す値であるＳＮ比は「９．１」であった。上記実験により、（ＳＮ比＝）「９．１」が「基準値」に設定された。

異常判定部６３で用いられる「閾値」は、配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値の種類や超音波の波形等に応じて適宜設定することができる。例えば、閾値を「２．０」に設定すると、図７（Ｂ）のケースは基準値（９．１）と測定値（７．６）の差が「１．５」であり上記閾値未満であることから超音波吸収体１０には異常がないものと判定され、図７（Ａ）のケースは基準値（９．１）と測定値（３．８）との差が「５．３」であり上記閾値を超えることから超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定される。一方、閾値を「１．０」に設定すると、図７（Ｂ）のケースも基準値と測定値の差（１．５）が上記閾値を超えることから、超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定される。

次に、図８のフローチャートを用いて、本実施形態における超音波流量計１の超音波吸収体１０の異常判定方法について説明する。

まず、超音波流量計１の演算制御部５５のメモリに、超音波吸収体１０の異常判定で用いる基準値（基準状態における配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値）を記憶させる（基準値記憶工程：Ｓ１）。基準値としては、前述のように、超音波吸収体１０の配置直後に取得した初期値を採用したり、実験等で予め取得した値を採用したりすることができる。

次いで、演算制御部５５の配管伝搬波特定部６１は、配管伝搬波Ｗ₂を特定する（配管伝搬波特定工程：Ｓ２）。配管伝搬波特定工程Ｓ２においては、前述のように、図６に示すような超音波の波形に基づいて混合波開始時Ｔ₁を特定し、混合波開始時Ｔ₁より所定時間ΔＴ₁前から存在する波形を配管伝搬波Ｗ₂として特定することができる。

次いで、演算制御部５５の減衰状態取得部６２は、配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値（測定値）を取得する（減衰状態値取得工程：Ｓ３）。減衰状態値取得工程Ｓ３においては、例えば配管伝搬波特定工程Ｓ２において図６に示すような所定時間ΔＴ₁存在する波形を配管伝搬波Ｗ₂として特定した場合に、所定時間ΔＴ₁における配管伝搬波Ｗ₂のＲＭＳを、減衰状態を表す値（測定値）として算出（取得）することができる。

続いて、演算制御部５５の異常判定部６３は、基準値記憶工程Ｓ１で記憶させた基準値と、減衰状態値取得工程Ｓ３で取得した値（測定値）と、の差が所定の閾値を超えるか否かを判定する（異常判定工程：Ｓ４）。そして、異常判定部６３は、基準値と測定値との差が所定の閾値を超える場合に、超音波吸収体１０に異常が発生したものとして所定の警告情報を入出力部５６の表示ディスプレイ等に表示して出力し（異常出力工程：Ｓ５）、その後制御を終了する。一方、異常判定部６３は、基準値と測定値との差が所定の閾値以下である場合に、超音波吸収体１０に異常が発生していないものとしてそのまま制御を終了する。

以上説明した実施形態に係る超音波流量計１においては、基準状態における配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値（基準値）と、特定した配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値（測定値）と、を比較し、両者の差が所定の閾値を超える場合に、超音波吸収体に１０に異常が発生したものと判定することができる。すなわち、配管伝搬波Ｗ₂を特定し減衰状態を表す値を（測定値）取得して基準状態の値（基準値）と比較するだけで、超音波吸収体１０の異常（劣化や剥離）をきわめて容易に検知することができる。従って、超音波吸収体１０が劣化する期間を測定して適切な交換時期を把握したり、施工初期の設置不良を発見したりすることができる。

なお、以上の実施形態においては、超音波流量計１の演算制御部５５の異常判定部６３において、基準状態における配管伝搬波Ｗ₂の減衰状態を表す値（基準値）と、減衰状態値取得部６２で取得した値（測定値）と、の「差」が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定した例を示したが、基準値と測定値との「比」が所定の閾値を超える場合に超音波吸収体１０に異常が発生したものと判定することもできる。

また、以上の実施形態においては、超音波の波形の最大ピークから左右の最小ピークに向けて２本の直線を描き、それら２本の直線と横軸との交点をそれぞれ混合波の開始時及び終了時とし、混合波開始時より所定時間前から存在する波形（又は混合波終了時から所定時間後まで存在する波形）を配管伝搬波として特定した例を示したが、配管伝搬波の特定方法はこれに限られるものではない。例えば、受信波形の波数と周波数との関係から波形の大きさが推定できるので、超音波の波形の最大ピークＰ_MAXが発生した時点から所定時間（例えば５〜１０μｓｅｃ）前の波形（又は所定時間後の波形）を配管伝搬波Ｗ₂として特定することもできる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、上記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…超音波流量計
１０…超音波吸収体
２０Ａ…第１超音波送受信部
２０Ｂ…第２超音波送受信部
５５…演算制御部（流量算出部）
６１…配管伝搬波特定部
６２…減衰状態値取得部
６３…異常判定部
Ａ…配管
Ｗ₁…気体伝搬波
Ｗ₂…配管伝搬波

Claims (7)

1. 内部を流体が流れる配管における上流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第１超音波送受信部と、前記配管における下流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部から送信された前記超音波が前記第２超音波送受信部に受信されるまでの時間と前記第２超音波送受信部から送信された前記超音波が前記第１超音波送受信部に受信されるまでの時間とに基づいて前記流体の流量を算出する流量算出部と、前記配管の外周に設けられ前記超音波の配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、を備える超音波流量計であって、
   前記配管伝搬波を特定する配管伝搬波特定部と、
   前記配管伝搬波特定部で特定した前記配管伝搬波の減衰状態を表す値を取得する減衰状態値取得部と、
   基準状態における前記配管伝搬波の減衰状態を表す値と、前記減衰状態値取得部で取得した値と、の差又は比が所定の閾値を超える場合に前記超音波吸収体に異常が発生したものと判定する異常判定部と、
   を備える、超音波流量計。
2. 前記配管伝搬波特定部は、流体伝搬波と前記配管伝搬波との混合波を含む前記超音波の波形に基づいて前記配管伝搬波を特定するものである、請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記配管伝搬波の減衰状態を表す値は、前記配管伝搬波の二重平均平方根（ＲＭＳ）である、請求項１又は２に記載の超音波流量計。
4. 前記配管伝搬波の減衰状態を表す値は、前記配管伝搬波の最大値と最小値の差である、請求項１又は２に記載の超音波流量計。
5. 前記配管伝搬波の減衰状態を表す値は、前記配管伝搬波の積算値である、請求項１又は２に記載の超音波流量計。
6. 前記配管伝搬波の減衰状態を表す値は、前記配管伝搬波のＳＮ比である、請求項１又は２に記載の超音波流量計。
7. 内部を流体が流れる配管における上流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第１超音波送受信部と、前記配管における下流側の外周に設けられ超音波の送信及び受信を行う第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部から送信された前記超音波が前記第２超音波送受信部に受信されるまでの時間と前記第２超音波送受信部から送信された前記超音波が前記第１超音波送受信部に受信されるまでの時間とに基づいて前記流体の流量を算出する流量算出部と、前記配管の外周に設けられ前記超音波の配管伝搬波を吸収する超音波吸収体と、を備える超音波流量計の超音波吸収体の異常判定方法であって、
   前記配管伝搬波を特定する配管伝搬波特定工程と、
   前記配管伝搬波特定工程で特定した前記配管伝搬波の減衰状態を表す値を取得する減衰状態値取得工程と、
   基準状態における前記配管伝搬波の減衰状態を表す値と、前記減衰状態値取得工程で取得した値と、の差又は比が所定の閾値を超える場合に、前記超音波吸収体に異常が発生したものと判定する異常判定工程と、
   を含む、超音波吸収体の異常判定方法。

Images