JP2017075834A - 流量計測装置および流量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を計測できる流量計測装置および流量計測方法を提供する。【解決手段】配管に接触して設置され、配管の厚さ方向に縦波超音波を発振する発振部と、配管内を伝搬した縦波超音波を含む超音波を受信する受信部と、受信部による受信結果に基づいて気体の流量を算出する流量算出部とを備え、流量算出部は、受信部における超音波の受信時間と超音波の振幅との関係を示す関数について、予め定めた単位時間ごとにスペクトル解析を行い、超音波の振動周波数と超音波の強度との関係を示す周波数スペクトルを複数求め、複数の周波数スペクトルのそれぞれにおいて縦波超音波の周波数を含む周波数範囲に含まれるピークのうち、帯域幅が閾値よりも広いピークを、配管の内部空間を伝搬した縦波超音波に基づく本信号ピークとし、本信号ピークに基づいて気体の流量を算出する流量計測装置。【選択図】図１

Description

本発明は、流量計測装置および流量計測方法に関する。

従来、配管内を流れる流体の流量を計測する超音波式流量計測装置として、配管表面に設置した平面センサーにより配管内を流れる流体の流量を検出するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

GEセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ株式会社センシング営業本部、"ポータブル超音波気体流量計 ＰＴ８７８ＧＣ"、[平成２６年５月１日検索]、インターネット(URL:http://www.gesensing.jp/product/pdf/flow/pt878gc.pdf)。

しかしながら、上記の超音波式流量計測装置においては、配管径や厚さ等といった計測条件が極めて限定されているため、計測対象が限られていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を計測できる流量計測装置および流量計測方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、前記配管に接触して設置され、前記配管の厚さ方向に縦波超音波を発振する発振部と、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波を含む超音波を受信する受信部と、前記受信部による受信結果に基づいて前記気体の流量を算出する流量算出部と、を備え、前記流量算出部は、前記受信部における前記超音波の受信時間と前記超音波の振幅との関係を示す関数について、予め定めた単位時間ごとにスペクトル解析を行い、前記超音波の振動周波数と前記超音波の強度との関係を示す周波数スペクトルを複数求め、複数の前記周波数スペクトルのそれぞれにおいて前記縦波超音波の周波数を含む周波数範囲に含まれるピークのうち、帯域幅が予め定めた閾値よりも広いピークを、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波に基づく本信号ピークとし、前記本信号ピークに基づいて前記気体の流量を算出する流量計測装置を提供する。

本発明の一態様においては、前記発振部は、前記縦波超音波を前記配管の中心に収束させる第１収束手段を有する構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記第１収束手段は、前記発振部において前記配管の外面に接触する面に設けられ、前記配管の外面に対応した曲率を有する第１湾曲部である構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記受信部は、前記配管の外面に接触する面に設けられた第２収束手段を有し、前記第２収束手段は、前記配管の外面に対応した曲率を有する第２湾曲部である構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記発振部は、前記縦波超音波の中心周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚに設定されている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、複数の前記受信部と、複数の前記受信部から得られる複数の前記本信号ピークの強度の分布である音響強度分布について、前記気体の流量と、前記流量に対応した前記音響強度分布の空間移動量と、の関係を規定したデータを保持する保持部と、を有し、前記流量算出部は、複数の前記受信部を用いて実測した複数の前記本信号ピークの強度から求められる空間移動量の実測値と、前記データと、に基づいて前記気体の流量を算出する構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記発振部と、前記発振部に対して前記配管の内部を流れる前記気体の下流側に配置された前記受信部と、を有する第１の超音波トランスデューサと、前記発振部と、前記発振部に対して前記配管の内部を流れる前記気体の上流側に配置された前記受信部と、を有する第２の超音波トランスデューサと、を有し、前記流量算出部は、前記第１の超音波トランスデューサにおいて、前記発振部から発振された前記縦波超音波が前記受信部に達するまでの時間である第１到達時間と、前記第２の超音波トランスデューサにおいて、前記発振部から発振された前記縦波超音波が前記受信部に達するまでの時間である第２到達時間との差と、前記気体の流速との関係に基づいて、前記気体の流量を算出する構成としてもよい。

また、本発明の一態様は、配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測方法であって、前記配管の外部から前記配管の厚さ方向に縦波超音波を発振するとともに、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波を含む超音波を受信するステップと、前記超音波の受信時間と受信した前記超音波の振幅との関係を示す関数について、予め定めた単位時間ごとにスペクトル解析を行い、前記超音波の振動周波数と前記超音波の強度との関係を示す周波数スペクトルを複数求めるステップと、複数の前記周波数スペクトルのそれぞれにおいて前記縦波超音波の周波数を含む周波数範囲に含まれるピークのうち、帯域幅が予め定めた閾値よりも広いピークを、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波に基づく本信号ピークとして検出するステップと、前記本信号ピークに基づいて前記気体の流量を算出するステップと、を有する流量計測方法を提供する。

本発明の一態様においては、前記配管に抑振材を配置した状態とする方法としてもよい。

本発明の一態様においては、前記縦波超音波の中心周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚに設定されている方法としてもよい。

本発明の一態様においては、前記気体の流れ方向における複数の位置で測定した複数の前記本信号ピークの強度の分布である音響強度分布から空間移動量を求め、前記気体の流量と前記流量に対応した前記音響強度分布の空間移動量との関係と、前記空間移動量とに基づいて前記気体の流量を算出する方法としてもよい。

本発明の一態様においては、前記気体の流れ方向の上流側から下流側に向けて発振された前記縦波超音波の速度と、前記気体の流れ方向の下流側から上流側に向けて発振された前記縦波超音波の速度と、の速度差を求め、前記速度差と、前記気体の流速との関係に基づいて、前記気体の流量を算出する方法としてもよい。

本発明によれば、汎用性に優れ、異なる計測条件の配管内を流れる気体の流量を精度良く計測することができる流量計測装置および流量計測方法を提供することができる。

第１実施形態の流量計測装置の概略構成を示す図である。 配管軸方向に沿った断面の超音波トランスデューサの概略構成図である。 配管軸方向から視た断面の超音波トランスデューサの概略構成図である。 曲面センサーを用いた場合の解析結果を示した図である。 曲面センサー及び制振材を設置した場合の解析結果を示した図である。 制御部の構成を示す模式図である。 メモリに保持されるデータの一例のグラフを示した図である。 配管において超音波振動が伝わる様子を示す説明図である。 第１実施形態の流速計測装置のＣＰＵにおけるデータ処理を説明するフローチャートである。 ＣＰＵにおけるデータ処理の結果を示す説明図である。 スペーサー部材の構成を示す図である。 超音波トランスデューサに冷却装置を設けた変形例を示した図である。 第２実施形態の流量計測装置の概略構成を示す図である。 第２実施形態の流速計測装置のＣＰＵにおけるデータ処理を説明するフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る流量計測装置は、例えば、ボイラーなどの蒸気製造装置と負荷設備との間に配設される配管内を流れる気体（例えば、蒸気）の流量を計測可能なシステムである。また、本実施形態の流量計測装置は、配管内を流れる気体の流量を、超音波を利用して計測する装置である。

図１は本発明の一実施形態に係る流量計測装置の概略構成を示す図である。
本実施形態に係る流量計測装置１００は、図１に示すように、超音波トランスデューサ１と、制御部２とを備えている。図１において、配管１０は、蒸気製造装置２０（ボイラーなど）と負荷設備３０との間に配設されている。蒸気製造装置２０からの蒸気が配管１０を流れ、負荷設備３０に送られる。負荷設備３０において、蒸気又は蒸気の熱が利用される。負荷設備３０から排出された蒸気はドレンとして回収され、還水槽（不図示）に集約された後、蒸気製造装置２０に再度給水される。

従来、配管を破壊せずに該配管の内部を流れる流体（液体）の流量を、超音波を用いて外側から計測する計測方法は行われていた。以下、配管を破壊することなく、配管表面に設置した超音波トランスデューサにより外側から配管内部を流れる流体の流量を計測する方式をクランプオン方式と呼ぶことにする。

上述のクランプオン方式により配管内の液体の流量を計測する際、超音波の送受信経路は、液体及び配管材料（固体）となる。この場合、固液界面での音波の反射によるエネルギーロスがみられるものの、概ね良好に超音波信号の送受信が可能である。これは、固体と液体とでは、媒質の音速と密度の積である音響インピーダンスの整合が相対的に良好なためである。固体及び液体では、密度比および音速比が数倍から１０倍程度となっている。

一方、配管の内部を流れる気体（例えば、蒸気）の流量を、超音波を用いて計測する場合、固体および気体における著しい音響インピーダンスの相違を回避する必要がある。そのため、配管内を流れる気体の流量を計測する場合、クランプオン方式による気体の流量計測は困難とされていた。

そのため、配管内を流れる気体の流量を計測する場合、超音波発振子および受信子を配管内に設置する方式が従来は一般的であった。
このように超音波発振子および受信子を配管内に設置する場合、鋼管に貫通穴を設けた専用のフランジ付測定部を挿入する必要があるため、運転中のプラントを一旦停止させ、配管を切断する作業が必要となる。

そこで、汎用性に優れ、異なる計測条件下においても、配管内を流れる気体の流量を計測できる新たな技術の提供が望まれていた。本発明者らは、鋭意検討の結果、計測時のノイズの影響を受けにくく、精度よく気体の流量を計測可能な新たな技術を見出した。

本実施形態において、流量計測装置１００の流量測定方法としては、タフト法又は時間差法のいずれにも適用可能である。
タフト法とは、超音波を配管断面に平行、すなわち管軸に対して垂直に発振し、対向する位置に設けたセンサーにより音響強度分布の空間移動量から流量を決定する方式である。
時間差法とは、２つの超音波送受信子を配管の管軸に対して斜めに設置し、上流から下流に向かう超音波の往路における到達時間と、下流から上流に向かう超音波の復路における到達時間とを求めることで、気体の速度に応じた到達時間の変化から流量を決定する方式である。

本実施形態の流量計測装置１００は、例えば、タフト法により流量計測を行う場合を例に挙げる。タフト法は上述のように配管１０に対して超音波を垂直に入射させるため、界面での反射、屈折が抑制されることで配管１０の内部に超音波を良好に入射するからである。

図２は配管１０の管軸方向に沿った断面による超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図である。図３は配管１０の管軸方向から視た断面による超音波トランスデューサ１の概略構成を示す図である。

図２に示すように、超音波トランスデューサ１は、配管１０の外面１０ａに接触した状態で設置される（クランプオン方式）。超音波トランスデューサ１は、超音波発振センサー（発振部）２１と超音波受信センサー（受振部）２６とを含む。

本実施形態において、超音波発振センサー２１は、配管１０の内部に向けて縦波超音波Ｐを発振する超音波発振部として機能する。超音波受信センサー２６は、超音波発振センサーが発振した縦波超音波Ｐを受信する超音波受信部として機能する。
なお、以下、図２において、配管１０の内部空間に蒸気の流れが生じていない場合に配管１０の内部空間を伝搬する縦波超音波Ｐを超音波Ｐ１と示し、配管１０の内部空間に蒸気の流れが生じている場合に配管１０の内部空間を伝搬する縦波超音波Ｐを超音波Ｐ２と示す。

超音波トランスデューサ１において、その中心周波数は数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚであることが好ましい。中心周波数が数百ｋＨｚ以上であると、環境雑音の影響が低下するという利点がある。中心周波数が数ＭＨｚ以下であると、超音波の空気中での減衰率が低下するという利点がある。本実施形態では、中心周波数を１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、例えば、５００ｋＨｚとした。

本実施形態の超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６は、配管１０の内部に縦波超音波Ｐを効率良く導くために、配管１０の外面１０ａに対応した曲率を有した曲面センサーから構成されている。

本実施形態において、例えば、超音波発振センサー２１は、図３に示すように、超音波を発振する発振面２１ａが配管１０の外面１０ａに対応した曲面（断面形状が円）となっている。すなわち、発振面２１ａは発振した超音波を配管１０の中心に収束させることが可能となっている。本実施形態において、発振面２１ａは配管１０の中心に超音波を集束させる収束手段を構成する。

超音波受信センサー２６は、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５を含む。第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５は、蒸気の流れの上流から下流に向かうように配管１０の表面に順に設置されている。第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５は、それぞれ同一構造を有し、図３に示すように、超音波を受信する受信面２３ａ、２４ａ、２５ａ（以下、これらを総称して受信面２６ａと称すこともある）がそれぞれ配管１０の外面１０ａに対応した曲面（断面形状が円）となっている。これにより、配管１０を透過した超音波は受信面２６ａに良好に入射することとなる。

ここで、曲率センサーから構成された超音波トランスデューサ１を用いた場合に、超音波受信センサー２６が受信する超音波信号の有効性についてシミュレーションの解析結果を参照して説明する。

本シミュレーションはタフト法により計測を行う場合をモデル化して計算を行った。また、本解析では、ボクセル型有限要素法を用い、管内径、外径、材質等の物性値は配管１０と同一とし、超音波信号は間歇的正弦波を一定周期で送出するバースト波とした。なお、超音波伝搬数値計算を行う際、蒸気の音速、密度が重要な物性値となる。蒸気の音速は圧力温度依存性があるため、蒸気を完全気体として飽和蒸気の音速を算出した。

図４は本実施形態の超音波トランスデューサ１（曲面センサー）を用いた場合の解析結果を示した図である。図５は超音波トランスデューサ１（曲面センサー）に加え、制振材１１を設置した場合（すなわち、本実施形態の流量計測装置１００の構成）の解析結果を示した図である。図４、５は超音波伝搬解析結果（音圧の強度分布）を示す。

図４に示されるように、配管１０の内部空間の気体（蒸気）に集束超音波が効率的に導入され、同時に配管１０を伝搬する音波が著しく弱められた状態で曲面センサー（超音波受信センサー２６）に音波が到達する。具体的に、受信信号全体の振幅レベルが約１／１０以下程度に低下することが確認できた。これは、信号対雑音比の向上にセンサー形状が大きく影響することを示すものである。
以上から、曲率センサーからなる超音波トランスデューサ１を用いることで超音波信号を精度良く計測することが可能である。

しかしながら、曲率センサーからなる超音波トランスデューサ１を用いた場合でも、依然として配管１０を伝搬するノイズ成分が存在してしまう。

本実施形態では、図２、３に示したように、配管１０の一部を制振材１１で覆うようにしている。制振材１１は、超音波トランスデューサ１（超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６）の設置部分を除くように配管１０の管軸方向に亘って設置される。

上記制振材１１としては、音響減衰効果が高い部材であればよく、例えば、粘土状またはペースト状材料、吸音材（パンチングメタル）、高分子材料等を例示することができる。また、内部に蒸気が流れることで配管１０の表面温度が高くなる場合においては、制振材１１としては音響減衰効果に加え、耐熱性を備えた材料を用いるのが望ましい。

図５に示すように、制振材１１を使用することで配管１０を伝搬する音波が減少し、曲面センサー（超音波受信センサー２６）に到達するノイズ成分をより減少できることが確認できた。よって、制振材１１を設置することで超音波信号をより精度良く計測することが可能となる。

図２に戻り、配管１０の内部空間に蒸気の流れが生じていない場合、超音波発振センサー２１が発信した超音波Ｐ１は蒸気の影響を受けずに配管１０の内部を略まっすぐ進んで超音波受信センサー２６に受信される。

このとき、超音波受信センサー２６において、第２受信センサー２４が受信する信号強度が最も高く、第１受信センサー２３および第３受信センサー２５が受信する信号強度が略同等となる。超音波受信センサー２６は、第１受信センサー２３、第２受信センサー２４および第３受信センサー２５が受信した超音波信号を補完して算出した基準信号強度曲線（音響強度分布）Ｐａを記憶している。なお、基準信号強度曲線Ｐａは、第２受信センサー２４に対応した位置において信号強度がピーク（最大）となっている。

一方、配管１０の内部空間に蒸気の流れが生じている場合、超音波発振センサー２１が発信した超音波Ｐ２は、配管１０の内部の蒸気の流れにより斜めに進みながら超音波受信センサー２６に受信される。そのため、超音波受信センサー２６においては、蒸気の流れが存在する場合に比べ、第１受信センサー２３および第２受信センサー２４が受信する信号強度が下がり、第３受信センサー２５が受信する信号強度が上がる。超音波受信センサー２６は、各センサーが受信した超音波信号を補完して信号強度曲線（音響強度分布）Ｐｂを算出する。信号強度曲線Ｐｂは、基準信号強度曲線Ｐａに比べて、信号強度のピーク位置（図２中横方向の座標）が配管１０の下流側に移動している。

本実施形態において、超音波受信センサー２６は、信号強度曲線Ｐｂの基準信号強度曲線Ｐａに対する信号強度のピーク位置の移動量（超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸ）を計測する。この計測値は、後述のように蒸気流量を算出するデータとして利用される。

ここで、信号強度のピーク位置の移動量は、配管１０の内部における蒸気流量に応じて変化する。すなわち、信号強度のピーク位置の移動量は、蒸気流量との間に所定の相関性を有している。

図６は、制御部２の構成を示す模式図である。図６に示すように、制御部２は、計算装置４０に加え、入力装置４１、及び表示装置（出力装置）４２を有する。計算装置４０は、Ａ／Ｄ変換器等の変換器４３、ＣＰＵ（演算処理手段）４４、及びメモリ４５等を有する。流量計測装置１００の超音波トランスデューサ１から送信されるデータが、必要に応じて変換器４３等で変換され、ＣＰＵ４４に取り込まれる。また、初期設定値、及び仮データなどが入力装置４１などを介して計算装置４０に取り込まれる。表示装置４２は、入力されたデータに関する情報、及び計算に関する情報などを表示することができる。

ＣＰＵ４４は、測定データ、及びメモリ４５に記憶された情報に基づき、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出する。ＣＰＵ４４は、本発明における「流量算出部」に該当する。

ＣＰＵ４４は、例えば、超音波トランスデューサ１の上記計測結果（配管１０の内部空間で生じている超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸ）と、後述のようにメモリ４５に保持されたデータ（空間移動量と蒸気流量との相関性を規定したグラフ）とに基づいて、配管１０の内部を流れる蒸気の流量を算出可能である。

メモリ４５は、本発明における「保持部」を構成する。メモリ４５は、複数の受信部から得られる複数の超音波の強度分布である音響強度分布について、気体の流量と、流量に対応し記音響強度分布の空間移動量と、の関係を規定したデータを保持する。

ここで、メモリ４５に保持される、配管内部を流れる蒸気流量と蒸気流量に対応した超音波の音響強度分布の空間移動量との関係を規定したデータについて説明する。
図７はメモリ４５に保持されるデータの一例としてのグラフを示す図である。図７に示すグラフにおいて、横軸は蒸気流量（単位：ｍ^３／ｈ）を示し、縦軸は超音波の音響強度分布（超音波の信号強度のピーク値）の空間移動量ΔＸ（単位：μｍ）を示す。

本実施形態において、蒸気流量と空間移動量との関係は、図７に示すように線形性を示すグラフで規定される。

図７に示したグラフは、所定サイズの配管（例えば、配管１０と同じ材質、外径、内径のもの）内を流れる蒸気を、超音波流量計および渦流量計で同時に計測することで作成される。超音波流量計は、タフト法により、蒸気の流れによる超音波の音響強度分布の空間移動量に関するデータを取得する（図２参照）。渦流量計は、配管内の蒸気流量に関するデータを取得する。このようにして取得したデータをそれぞれプロットすることで上記グラフを作成することができる。なお、図７に示したグラフは一例であって、本発明はこれに限定されない。
例えば、配管１０の内部空間の温度や圧力を考慮し、信号強度のピーク位置の移動量と蒸気流量との間の相関性（上記グラフ）を補正してもよい。
また、図７では、蒸気流量と空間移動量との関係を示すグラフが直線（線形性を有するもの）の場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、グラフが曲線であることもあり得る。

メモリ４５には、サイズの異なる配管に対応して作成された、蒸気流量と空間移動量との相関関係を規定する情報が多数保持されている。このような情報の種類は、グラフ、テーブル、関係式など種々のものを選択可能である。

なお、上記情報を作成する際、超音波トランスデューサ１（曲面センサー）を有した超音波流量計を用いるのが好ましい。超音波トランスデューサ１を構成する超音波発振センサー２１が曲面センサーから構成されるため、超音波を配管の中心で収束させることができる。
よって、配管の曲率に影響される屈折や反射が抑えるので、信号強度を向上させることができる。また、超音波受信センサー２６が曲面センサーから構成されるため、配管の中心に収束した超音波を良好に受信することができる。よって、信頼性の高いグラフを作成することができる。

また、上記グラフを作成する際、測定対象の配管に制振材を設置するのが好ましい。このようにすれば、配管内を伝搬する音波が減少するため、受信される超音波信号の強度が向上して信頼性の高い計測を行うことができる。よって、信頼性の高いグラフを作成することができる。

続いて、本実施形態に係る流量計測装置１００による流量計測方法について説明する。併せて、本実施形態に係る流量計測装置１００のＣＰＵ４４において行われるデータ解析について説明する。

はじめに、制御部２は蒸気製造装置２０から配管１０を介して負荷設備３０への蒸気の供給を開始する。

制御部２は超音波トランスデューサ１を駆動し、超音波発振センサー２１の発振面２１ａから配管１０の内部に向けて超音波を発振する。本実施形態においては、超音波発振センサー２１から、５００ｋＨｚの縦波超音波をパルス発振する。本実施形態では、超音波発振センサー２１が配管１０の外面１０ａに対応した曲率の発振面２１ａを有するため、超音波が配管１０の中心に収束する。よって、配管１０の曲率に影響される屈折や反射を抑えることができる。

配管１０の中心で収束された超音波は、配管１０の対向面側に設置された超音波受信センサー２６により受信される。超音波受信センサー２６は、上述のようにして、配管１０の内部を流れる蒸気により生じる、超音波の音響強度分布の空間移動量ΔＸを計測する。

その際、本実施形態の流量計測装置１００では、ＣＰＵ４４において、配管１０を伝搬するノイズ信号と、超音波受信センサー２６により受信すべき成分である配管１０の内部空間を伝搬した縦波超音波成分とを区別する。また、超音波受信センサー２６にて得られたデータに基づいて、空間移動量を算出する。以下の説明においては、「超音波受信センサー２６により受信すべき成分である配管１０の内部空間を伝搬した縦波超音波成分」のことを「本信号」と称する。

図８は、配管１０において超音波振動が伝わる様子を示す説明図であり、図３と同じ断面方向における断面図である。図８では超音波受信センサー２６のうち、第１受信センサー２３について説明する。

本実施形態の流量計測装置１００において、配管１０の外面１０ａに設置した超音波発振センサー２１から発振した縦波超音波Ｐは、配管１０の内部空間を縦波超音波として伝搬する。配管１０の内部空間を伝搬した縦波超音波Ｐが本信号である。一方、配管１０の管壁の厚さ方向に加わった縦波超音波は、管壁を厚さ方向に振動させることにより、横波に変換される。その結果、発振した縦波超音波がノイズＮとして配管１０を伝搬する際には、配管１０の壁面方向に横波として伝搬する。

このとき、超音波発振センサー２１から発振した縦波超音波Ｐは、超音波発振センサー２１の特性に起因する複数の周波数成分を有している。そのため、超音波発振センサー２１が周波数５００ｋＨｚの縦波超音波Ｐを発振する場合、詳しくは、５００ｋＨｚの超音波の他に、５００ｋＨｚ近傍の周波数の縦波超音波も発振している。

このような複数の周波数成分を有する縦波超音波Ｐが配管１０の内部空間を伝搬する際、複数の周波数成分は音速が変化することなく、ほぼ同時に第１受信センサー２３に達する。そのため、複数の周波数成分は、発振時の僅かな時間的なズレを保持したまま一体的に第１受信センサー２３に達する。

一方、複数の周波数成分に基づいて変換され配管１０を伝搬する横波（ノイズＮ）は、配管１０の振動モードの影響を受け、周波数に応じて音速が異なる。したがって、配管１０を伝搬するノイズＮは、発振時の僅かな時間的なズレを拡大しながら、複数の周波数成分ごとに間欠的に第１受信センサー２３に達する。

本実施形態の流量計測装置１００では、このような本信号とノイズとの波の性質の違い（縦波と横波との違い）に基づいて生じる、第１受信センサー２３で得られる測定データの違いに基づいて、次のようにして本信号とノイズとを区別する。

図９は、本実施形態の流量計測装置１００のＣＰＵ４４におけるデータ処理を説明するフローチャートである。図１０は、ＣＰＵ４４におけるデータ処理の結果を示す説明図である。

図に示すように、ＣＰＵ４４は、第１受信センサー２３における受信結果に基づいて、超音波の受信時間と超音波の振幅との関係を示す関数を作成する（ステップＳ１）。
図１０（ａ）は、ステップＳ１で作成する関数により描かれるチャートである。図１０（ａ）において、横軸は受信時間（単位：ミリ秒）、縦軸は振幅（規格化）を示す。なお、「関数を作成」と記載したが、図１０（ａ）に示すような、受信時間と振幅との関係が分かれば、必ずしも数式で表すことが可能であることを意味しない。

次いで、ステップＳ１で得られた関数について、スペクトル解析を行い、複数の周波数スペクトルを求める（ステップＳ２）。本実施形態においては、スペクトル解析のため短時間フーリエ変換を行う。
周波数スペクトルは、第１受信センサー２３で受信した超音波の振動周波数と、受信した超音波の強度との関係を示す。短時間フーリエ変換を行う際の単位時間幅については、目的とするピークを算出可能であれば適宜設定することができる。

次いで、複数の周波数スペクトルから、本信号ピークを選択する（ステップＳ３）。

まず、複数の周波数スペクトルのそれぞれにおいて、超音波発振センサー２１が発振する縦波超音波の周波数を含む周波数範囲に含まれるピークを検出する。上述したように、本実施形態の超音波発振センサー２１からは、５００ｋＨｚの超音波が発振されるため、５００ｋＨｚを含む周波数範囲においてピークを検出する。

ここで、気体を媒体とし配管１０の内部空間を伝搬する本信号と、固体である配管１０を媒体として伝搬するノイズとは、音速が異なるため第１受信センサー２３での受信時間が異なる。そのため、短時間フーリエ変換により得られる複数の周波数スペクトルにおいて、本信号が含まれる周波数スペクトルと、ノイズが含まれる周波数スペクトルとは異なっている。したがって、複数の周波数スペクトルのうち、５００ｋＨｚを含む周波数範囲においてピークが確認できるスペクトルとして、本信号のピークが含まれるものとノイズのピークが含まれるものが検出されることとなる。

上述したように、本信号のピークとノイズ成分のピークとでは、それぞれの波の性質の違い（縦波と横波との違い）に基づき、第１受信センサー２３で受信される信号の様子が異なる。具体的には、配管１０の内部空間を伝搬する縦波超音波は、複数の周波数成分が一体的に第１受信センサー２３に達するため、短時間フーリエ変換後の周波数スペクトルにおいて、複数の周波数成分が連続しやすく、幅が広い１つピークとなる。

一方で、配管１０を伝搬する横波超音波（ノイズ）は、モード振動を励起する一方、モード振動であるため周波数分散性があり、周波数により音速が異なるという性質を有する。そのため、ノイズ信号の一部分の短い時間区間に注目すると、横波によるノイズ信号は周波数帯域が狭くなる。その結果、複数の周波数成分が間欠的に第１受信センサー２３に達するため、短時間フーリエ変換後の周波数スペクトルにおいて、複数の周波数成分が分離しやすく、帯域幅が狭い複数のピークとなる。

そこで、本信号の帯域幅とノイズの帯域幅とを区別可能な帯域幅の閾値を予め設定しておき、短時間フーリエ変換後の周波数スペクトルにおいて、閾値よりも広いピークを、配管１０の内部空間を伝播した縦波超音波Ｐに基づく本信号のピークとして検出する。

図１０（ｂ）は、ノイズのピークを含む周波数スペクトルであり、図１０（ａ）における（ｂ）の受信時間を含む関数について短時間フーリエ変換して得られるスペクトルである。図１０（ｃ）は、ノイズのピークを含む周波数スペクトルであり、図１０（ａ）における（ｃ）の受信時間を含む関数について短時間フーリエ変換して得られるスペクトルである。
図１０（ｂ）（ｃ）において、横軸は周波数（単位：ｋＨｚ）を示し、縦軸はピーク強度（規格化）を示す。

図に示すように、周波数スペクトルにおいてノイズの帯域幅Ｗ１は、本信号の帯域幅Ｗ２よりも狭い。そのため、帯域幅Ｗ１と帯域幅Ｗ２との間に、帯域幅Ｗ１と帯域幅Ｗ２とを区別可能な閾値Ｗ３（Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３）を設定することで、閾値Ｗ３より大きい帯域幅を示すピークを本信号のピークであると判断することができる。
次いで、周波数スペクトルに基づいて、本信号のピークの強度を算出する（ステップＳ４）。このようにして、第１受信センサー２３で受信する超音波振動から、ノイズ成分を除去して、目的とする第１受信センサー２３における本信号の強度を求めることができる。

本実施形態の流量計測装置１００では、上述した処理と同様の処理を行うことで、第２受信センサー２４における本信号の強度を求めることができる。また、第３受信センサー２５においても、第３受信センサー２５における本信号の強度を求めることができる。

次いで、超音波受信センサー２６（第１受信センサー２３、第２受信センサー２４、第３受信センサー２５）を用い、上述のようにして得られた複数の本信号のピーク強度から、音響強度分布を作成する（ステップＳ５）。

次いで、音響強度分布のピーク位置から空間移動量ΔＸを算出する（ステップＳ６）。ステップＳ５，Ｓ６については、上述したタフト法と同様である。

以上のようにして求めた空間移動量ΔＸは制御部２へと送信される。制御部２は、必要に応じて上記計測結果をＡ／Ｄ変換機等の変換器４３（図６参照）によりデジタル変換し、ＣＰＵ４４（図６参照）に取り込む。

ＣＰＵ４４は、超音波受信センサー２６が実測した上記空間移動量ΔＸと、メモリ４５に保持されたデータの中から計測対象となる配管１０の種類（例えば、外径、内径、材質等）に対応する情報（例えば、図７に示したグラフ）を読み出し、該グラフから空間移動量ΔＸの実測値に対応する蒸気流量を算出することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、受信した超音波のうち、配管１０の内部空間を伝搬する縦波超音波と、配管１０を伝搬する横波超音波とを区別し、縦波超音波である本信号の測定結果を用いて精度の高い計測を行うことができる。したがって、汎用性に優れ、異なる計測条件の配管内を流れる気体の流量を精度良く計測することができる流量計測装置および流量計測方法を提供することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、発振面２１ａおよび受信面２６ａが外面１０ａに対応する態様として、発振面２１ａおよび受信面２６ａが外面１０ａと直接的に接触する態様を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば、超音波トランスデューサ１と配管１０との隙間にスペーサー部材が配置されることで、発振面２１ａおよび受信面２６ａが外面１０ａに間接的に接触する態様であってもよい。このようなスペーサー部材としては、例えば、円筒型のものを例示できる。

図１０はスペーサー部材の概略構成を示す図である。図１０に示すように、スペーサー部材１３は、内径１３ａが外面１０ａの曲率に一致し、外径１３ｂが発振面２１ａおよび受信面２６ａの曲率に一致している。例えば、内径１３ａを異ならせた複数のスペーサー部材１３を用いれば、１つの超音波トランスデューサ１が外面１０ａの径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能となる。よって、配管１０の径に依存しない汎用性に優れた流量計測装置１００が提供される。
なお、上記スペーサー部材１３は、断熱機能を有する断熱材から構成されていてもよい。このようにすれば、超音波トランスデューサ１に対する配管１０の外面１０ａの熱の影響を小さくすることができる。

また、上述のように外径の異なる配管１０に対して流量計測を行う際、スペーサー部材１３に代えて、超音波トランスデューサ１として可撓性を有したものを用いればよい。このようにすれば、超音波トランスデューサ１は、容易に折り曲げ可能であるので、外面１０ａの曲率に応じて折り曲げることで配管１０の外径によらず外面１０ａに沿って確実に設置することが可能となる。よって、外径が異なる種々の配管１０に対して流量計測を行うことが可能な汎用性に優れたものとなる。

例えば、上記実施形態では、配管１０の中心に超音波を集束させる収束手段として、超音波を発振する発振面２１ａを配管１０の外面１０ａに対応した曲面とする態様を例示したが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、収束手段として音響レンズを用い、超音波を配管１０の中心に収束させるようにしてもよい。

また、上記実施形態において、蒸気が流れる配管１０は外面１０ａが非常に高温となる。そのため、外面１０ａに設置された超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６が正常に動作する温度範囲を超えてしまうおそれがある。そこで、図１１に示すように、超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６をそれぞれ冷却する冷却装置５１、５２を設置するようにしてもよい。冷却装置５１、５２としては、超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６の温度を低下させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ヒートシンク構造と冷却ファンを組み合わせた構造や、ペルチェ素子等を用いることができる。このようにすれば、温度特性による超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６の検出精度のバラツキが抑制されるので、高精度の流量計測を行うことができる。

また、図１２に示すように、配管１０の外面１０ａの温度を計測する温度センサー５３を設置し、該温度センサー５３により冷却装置５１、５２の駆動を制御してもよい。例えば、配管１０の外面１０ａの温度が所定値以上となった場合に冷却装置５１、５２を駆動して超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６を冷却すればよい。このようにすれば、超音波発振センサー２１および超音波受信センサー２６の温度管理を精度良く行うことができる。
また、上記冷却装置５１、５２のいずれか一方のみを設置するようにしても構わない。

また、上記実施形態では、配管１０が制振材１１で覆われた構成を例に挙げたが、配管１０の外面１０ａを制振材１１で被覆しなくてもよい。

また、上記実施形態では、上記超音波トランスデューサ１が曲率センサーから構成される場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されることは無く、超音波トランスデューサ１が平面センサーから構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、気体として配管内を流れる蒸気の流量を計測する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、配管内を流れる空気の流量を計測する場合にも適用可能である。また、配管内を流れる気体がフロン、アンモニア、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等であってもよく、これら流体の流量を計測する場合にも本発明は適用可能である。

［第２実施形態］
図１３は、本発明の第２実施形態に係る流量計測装置１０１の説明図である。本実施形態の流量計測装置１０１は、第１実施形態の流量計測装置１００と一部共通している。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

第２実施形態の流量計測装置１０１および流量計測方法では、時間差法により流量計測を行う。

図１３に示すように、流量計測装置１０１は、超音波トランスデューサ１Ａと、制御部２とを備えている。超音波トランスデューサ１Ａは、第１素子２７と、第２素子２８とを有している。第１素子２７および第２素子２８は、それぞれ縦波超音波の発振および受信を行う。すなわち、超音波トランスデューサ１Ａは、第１素子２７が縦波超音波を発振する超音波発振センサー（発振部）として機能し、第２素子２８が超音波受信センサー（受振部）として機能する第１の超音波トランスデューサである。同時に、超音波トランスデューサ１Ａは、第２素子２８が縦波超音波を発振する超音波発振センサー（発振部）として機能し、第１素子２７が超音波受信センサー（受信部）として機能する第２の超音波トランスデューサである。

時間差法においては、第１素子２７および第２素子２８は、それぞれ超音波の送信および受信を行う。また、時間差法において、第１素子２７および第２素子２８は、図１３に示すように、配管１０の管軸方向に対して斜めに設置される。第１素子２７における超音波の送受信面２７ａは、配管１０の管軸方向と交差する面Ａ内において、縦波超音波Ｐの送受信を行う。また、第２素子２８における超音波の送受信面２８ａは、配管１０の管軸方向と交差する面Ａ内において、縦波超音波Ｐの送受信を行う。

流量計測装置１０１においては、配管１０の内部空間のガス流量を測定する際、まず、超音波トランスデューサ１Ａを第１の超音波トランスデューサとして機能させ、第１素子２７から縦波超音波を発振し、第２素子２８で受信する。第２素子２８で受信した超音波信号について、制御部２が有するＣＰＵ４４は、次のようにしてデータ処理を行う。

図１４は、本実施形態の流量計測装置１０１のＣＰＵ４４におけるデータ処理を説明するフローチャートである。

図に示すように、ＣＰＵ４４は、第２素子２８における受信結果に基づいて、超音波の受信時間と超音波の振幅との関係を示す関数を作成する（ステップＳ１）。
次いで、ステップＳ１で得られた関数について、短時間フーリエ変換を行い、複数の周波数スペクトルを求める（ステップＳ２）。
次いで、複数の周波数スペクトルから、本信号ピークを選択する（ステップＳ３）。
ステップＳ１からステップＳ３については、図９で説明したステップＳ１からＳ３と同じ処理である。

次いで、本信号のピークを検出した受信時間を算出する（ステップＳ７）。
例えば、ＣＰＵ４４は、本信号のピークが含まれる周波数スペクトルを逆フーリエ変換し、上記図１０（ａ）に対応する受信時間と振幅との関係を示すチャートを求めて受信時間を算出するとよい。また、逆フーリエ変換を行う前に、周波数スペクトルに対し、本信号のピークよりも高周波数のピークをカットする窓関数、および本信号のピークよりも低周波数のピークをカットする窓関数を掛けてノイズカットを行い、本信号のピークのみ逆フーリエ変換してもよい。

このような処理により、第１の超音波トランスデューサにおいて、第１素子２７から発振された縦波超音波が第２素子２８に達するまでの時間である第１到達時間と、第２の超音波トランスデューサにおいて、第２素子２８から発振された縦波超音波が第１素子２７に達するまでの時間である第２到達時間とを求める。第１素子２７と第２素子２８との離間距離が既知であるため、算出する第１到達時間および第２到達時間は、第１素子２７と第２素子２８との間を伝搬する縦波超音波の速度と考えることもできる。

次いで、第１到達時間と第２到達時間との差を算出する（ステップＳ８）。第１素子２７と第２素子２８との離間距離が既知であるため、算出する第１到達時間と第２到達時間との差は、第１素子２７と第２素子２８との間を伝搬する縦波超音波の速度差と考えることもできる。

以上のようにして求めた第１到達時間と第２到達時間との差は制御部２へと送信される。制御部２は、必要に応じて上記計測結果をＡ／Ｄ変換機等の変換器４３（図６参照）によりデジタル変換し、ＣＰＵ４４（図６参照）に取り込む。メモリ４５には、第１到達時間と第２到達時間との差と気体の流量との関係を示す情報が保存されている。このような情報の種類は、グラフ、テープル、関係式など種々のものを選択可能である。

ＣＰＵ４４は、第１到達時間と第２到達時間との差と、メモリ４５に保持されたデータの中から計測対象となる配管１０の種類（例えば、外径、内径、材質等）に対応する情報を読み出し、該情報から第１到達時間と第２到達時間との差に対応する蒸気流量を算出することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、受信した超音波のうち、配管１０の内部空間を伝搬する縦波超音波と、配管１０を伝搬する横波超音波とを区別し、縦波超音波である本信号の測定結果を用いて精度の高い計測を行うことができる。したがって、汎用性に優れ、異なる計測条件の配管内を流れる気体の流量を精度良く計測することができる流量計測装置および流量計測方法を提供することができる。

なお、本実施形態においては、第１素子２７と第２素子２８とが第１の超音波トランスデューサおよび第２の超音波トランスデューサの両方を兼ねることとしたが、これに限らない。超音波発振センサーと超音波受信センサーとを有する超音波トランスデューサを２組用い、それぞれを第１の超音波トランスデューサおよび第２の超音波トランスデューサとしてもよい。

また、本実施形態においても、送受信面２７ａ、２８ａがそれぞれ配管１０の外面１０ａに対応した曲面、すなわち面Ａと平行な面内において断面形状が楕円となる曲面を有している。このような曲面を有した第１素子２７および第２素子２８を用いれば、時間差法を用いた場合であっても、配管１０の内部に対して縦波超音波Ｐの送受信を良好に行うことができるので、配管１０内を流れる蒸気の流速計測を精度良く行うことができる。

また、本実施形態においては、流量計測装置１００においてはタフト法を、流量計測装置１０１においては時間差法をそれぞれ測定原理としたが、これに限らず、タフト法と時間作法との両方を組み合わせた流量計測装置とすることもできる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

ΔＸ…空間移動量、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…超音波、Ｐａ…基準信号強度分布（超音波の音響強度分布）、Ｐｂ…信号強度分布（超音波の音響強度分布）、１…超音波トランスデューサ、２…制御部（流量算出部）、１０…配管、１０ａ…外面、１１…制振材、２１…超音波発振センサー（発振部）、２１ａ…発振面、２６…超音波受信センサー（受信部）、２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ…受信面、２７…第１素子（第１の超音波トランスデューサ、第２の超音波トランスデューサ）、２８…第２素子（第１の超音波トランスデューサ、第２の超音波トランスデューサ）、４５…メモリ（データ保持部）、５１，５２…冷却装置、１００，１０１…流量計測装置。

Claims (12)

1. 配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測装置であって、
   前記配管に接触して設置され、前記配管の厚さ方向に縦波超音波を発振する発振部と、
   前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波を含む超音波を受信する受信部と、
   前記受信部による受信結果に基づいて前記気体の流量を算出する流量算出部と、を備え、
   前記流量算出部は、前記受信部における前記超音波の受信時間と前記超音波の振幅との関係を示す関数について、予め定めた単位時間ごとにスペクトル解析を行い、前記超音波の振動周波数と前記超音波の強度との関係を示す周波数スペクトルを複数求め、
   複数の前記周波数スペクトルのそれぞれにおいて前記縦波超音波の周波数を含む周波数範囲に含まれるピークのうち、帯域幅が予め定めた閾値よりも広いピークを、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波に基づく本信号ピークとし、
   前記本信号ピークに基づいて前記気体の流量を算出する流量計測装置。
2. 前記発振部は、前記縦波超音波を前記配管の中心に収束させる第１収束手段を有する請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記第１収束手段は、前記発振部において前記配管の外面に接触する面に設けられ、前記配管の外面に対応した曲率を有する第１湾曲部である請求項２に記載の流量計測装置。
4. 前記受信部は、前記配管の外面に接触する面に設けられた第２収束手段を有し、
   前記第２収束手段は、前記配管の外面に対応した曲率を有する第２湾曲部である請求項１から３のいずれか１項に記載の流量計測装置。
5. 前記発振部は、前記縦波超音波の中心周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚに設定されている請求項１から４のいずれか１項に記載の流量計測装置。
6. 複数の前記受信部と、
   複数の前記受信部から得られる複数の前記本信号ピークの強度の分布である音響強度分布について、前記気体の流量と、前記流量に対応した前記音響強度分布の空間移動量と、の関係を規定したデータを保持する保持部と、を有し、
   前記流量算出部は、複数の前記受信部を用いて実測した複数の前記本信号ピークの強度から求められる空間移動量の実測値と、前記データと、に基づいて前記気体の流量を算出する請求項１から５のいずれか１項に記載の流量計測装置。
7. 前記発振部と、前記発振部に対して前記配管の内部を流れる前記気体の下流側に配置された前記受信部と、を有する第１の超音波トランスデューサと、
   前記発振部と、前記発振部に対して前記配管の内部を流れる前記気体の上流側に配置された前記受信部と、を有する第２の超音波トランスデューサと、を有し、
   前記流量算出部は、前記第１の超音波トランスデューサにおいて、前記発振部から発振された前記縦波超音波が前記受信部に達するまでの時間である第１到達時間と、前記第２の超音波トランスデューサにおいて、前記発振部から発振された前記縦波超音波が前記受信部に達するまでの時間である第２到達時間との差と、前記気体の流速との関係に基づいて、前記気体の流量を算出する請求項１から５のいずれか１項に記載の流量計測装置。
8. 配管の内部を流れる気体の流量を計測する流量計測方法であって、
   前記配管の外部から前記配管の厚さ方向に縦波超音波を発振するとともに、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波を含む超音波を受信するステップと、
   前記超音波の受信時間と受信した前記超音波の振幅との関係を示す関数について、予め定めた単位時間ごとにスペクトル解析を行い、前記超音波の振動周波数と前記超音波の強度との関係を示す周波数スペクトルを複数求めるステップと、
   複数の前記周波数スペクトルのそれぞれにおいて前記縦波超音波の周波数を含む周波数範囲に含まれるピークのうち、帯域幅が予め定めた閾値よりも広いピークを、前記配管の内部空間を伝搬した前記縦波超音波に基づく本信号ピークとして検出するステップと、
   前記本信号ピークに基づいて前記気体の流量を算出するステップと、を有する流量計測方法。
9. 前記配管に抑振材を配置した状態とする請求項８に記載の流量計測方法。
10. 前記縦波超音波の中心周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚに設定されている請求項８または９に記載の流量計測方法。
11. 前記気体の流れ方向における複数の位置で測定した複数の前記本信号ピークの強度の分布である音響強度分布から空間移動量を求め、
    前記気体の流量と前記流量に対応した前記音響強度分布の空間移動量との関係と、前記空間移動量とに基づいて前記気体の流量を算出する請求項８から１０のいずれか１項に記載の流量計測方法。
12. 前記気体の流れ方向の上流側から下流側に向けて発振された前記縦波超音波の速度と、前記気体の流れ方向の下流側から上流側に向けて発振された前記縦波超音波の速度と、の速度差を求め、
    前記速度差と、前記気体の流速との関係に基づいて、前記気体の流量を算出する請求項８から１０のいずれか１項に記載の流量計測方法。