JP2017215182A - 超音波流量計及び超音波流量計の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より偏流の影響を受けにくい超音波流量計を提供する。【解決手段】流体が流れる計測配管部１に対して第１の超音波信号を入射する第１の超音波トランスデューサ１０１と、第１の超音波信号を受信可能な位置に配置され、計測配管部１に対して第２の超音波信号を入射する第２の超音波トランスデューサ１０２と、計測配管部１に接続され、計測配管部１の中心軸に対して回転可能であり、断面において、流体の進行に相対的に強い抵抗を与える強抵抗領域と、流体の進行に相対的に弱い抵抗を与える弱抵抗領域と、が設けられた流速分布制御器５０と、流速分布制御器５０を回転させながら流体の流速を算出した場合に、流体の流速が最も速くなるときの流速分布制御器５０の回転角度を記録する回転角度記録部３０３と、を備える超音波流量計。【選択図】図２

Description

本発明は流体計測技術に関し、特に超音波流量計及び超音波流量計の設定方法に関する。

流体の流量の計測には、超音波流量計が用いられることがある（例えば、特許文献１、２参照。）。超音波流量計は、配管の上流側と下流側にそれぞれ設けられた超音波トランスデューサを備える。超音波流量計は、配管の中を流れる流体に向かって超音波を送り込み、流体の上流から下流方向に従って伝播する超音波の伝播時間と、下流から上流方向に逆らって伝播する超音波の伝播時間と、の時間差に基づき、配管内を流れる流体の流速又は流量を算出する。特許文献３は、流速又は流量の算出方法として、相関法及びゼロクロス法等を開示している。

配管内を流れる流体に偏流が生じると、超音波流量計で流体の流量を正確に計測できない場合がある。これに対し、配管に複数の超音波トランスデューサの組みを配置し、それぞれの超音波トランスデューサの組みから得られた流体の流速の平均値に基づき、偏流の影響を排して流体の流量を算出する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開２０１４−１８２０９７号公報 特開２０１３−１７８１２５号公報 特表２０１３−８８３２２号公報 実公平０３−００７７８７号公報

本発明は、より偏流の影響を受けにくい超音波流量計及び超音波流量計の設定方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）流体が流れる断面形状が円の計測配管部に対して第１の超音波信号を入射する第１の超音波トランスデューサと、（ｂ）第１の超音波信号を受信可能な位置に配置され、計測配管部に対して第２の超音波信号を入射する第２の超音波トランスデューサと、（ｃ）計測配管部に接続され、計測配管部の中心軸に対して回転可能であり、断面において、流体の進行に相対的に強い抵抗を与える強抵抗領域と、流体の進行に相対的に弱い抵抗を与える弱抵抗領域と、が設けられた流速分布制御器と、（ｄ）第１の超音波信号が配管内を経て第２の超音波トランスデューサに到達するまでの第１の時間と、第２の超音波信号が配管内を経て第１の超音波トランスデューサに到達するまでの第２の時間と、に基づき、計測配管部内の流体の流速を算出する流速算出部と、（ｅ）流速分布制御器を回転させながら流体の流速を算出した場合に、流体の流速が最も速くなるときの流速分布制御器の回転角度を記録する回転角度記録部と、を備える、超音波流量計が提供される。なお、本開示において、断面形状が円とは、断面形状が円である部分が少なくともあればよく、断面形状が円である部分に追加して他の形状の部分があってもよい。

上記の超音波流量計が、記録された回転角度を出力する出力装置をさらに備えていてもよい。上記の超音波流量計が、記録された回転角度に流速分布制御器を回転させる回転機構をさらに備えていてもよい。

上記の超音波流量計において、流速分布制御器に、流体が通過する複数の開口が回転中心に対して非対称的に設けられていてもよい。

上記の超音波流量計において、流速分布制御器が、円筒状の側壁部と、計測配管部と異なる中心軸を備える筒状部材と、筒状部材の外周から側壁部に放射状に配置された板状部材と、を備えていてもよい。筒状部材が円筒状であってもよいし、角筒状であってもよい。

上記の超音波流量計において、流速分布制御器が、個々の孔の開口面積が小さい小メッシュ領域と、個々の孔の開口面積が大きい大メッシュ領域と、を備えていてもよい。小メッシュ領域の中心が流速分布制御器の中心軸と異なっており、大メッシュ領域が小メッシュ領域を囲んでいてもよい。

上記の超音波流量計において、計測配管部の外周に突起が設けられており、流速分布制御器に、計測配管部の突起と接する段部が設けられていてもよい。計測配管部の突起が、計測配管部の外周を一周しており、流速分布制御器の段部が、流速分布制御器の外周を一周していてもよい。

上記の超音波流量計が、計測配管部の外周と、流速分布制御器の段部と、の間に配置されるガスケットをさらに備えていてもよい。ガスケットがＯリングであってもよい。

また、本発明の態様によれば、（ａ）流体が流れる断面形状が円の計測配管部に接続され、断面において、流体の進行に相対的に強い抵抗を与える強抵抗領域と、流体の進行に相対的に弱い抵抗を与える弱抵抗領域と、が設けられた流速分布制御器を、計測配管部の中心軸に対して回転させることと、（ｂ）第１の超音波トランスデューサを用いて、計測配管部に対して第１の超音波信号を入射することと、（ｃ）第１の超音波信号を受信可能な位置に配置された第２の超音波トランスデューサを用いて、計測配管部に対して第２の超音波信号を入射することと、（ｄ）第１の超音波信号が配管内を経て第２の超音波トランスデューサに到達するまでの第１の時間と、第２の超音波信号が配管内を経て第１の超音波トランスデューサに到達するまでの第２の時間と、に基づき、計測配管部内の流体の流速を算出することと、（ｅ）流速分布制御器を回転させながら流体の流速を算出した場合に、流体の流速が最も速くなるときの流速分布制御器の回転角度を記録することと、を備える、超音波流量計の設定方法が提供される。

上記の超音波流量計の設定方法が、記録された回転角度を出力することをさらに備えていてもよい。上記の超音波流量計の設定方法が、記録された回転角度に流速分布制御器を回転させることをさらに備えていてもよい。

上記の超音波流量計の設定方法において、流速分布制御器に、流体が通過する複数の開口が回転中心に対して非対称的に設けられていてもよい。

上記の超音波流量計の設定方法において、流速分布制御器が、円筒状の側壁部と、計測配管部と異なる中心軸を備える筒状部材と、筒状部材の外周から側壁部に放射状に配置された板状部材と、を備えていてもよい。筒状部材が円筒状であってもよいし、角筒状であってもよい。

上記の超音波流量計の設定方法において、流速分布制御器が、個々の孔の開口面積が小さい小メッシュ領域と、個々の孔の開口面積が大きい大メッシュ領域と、を備えていてもよい。小メッシュ領域の中心が流速分布制御器の中心軸と異なっており、大メッシュ領域が小メッシュ領域を囲んでいてもよい。

上記の超音波流量計の設定方法において、計測配管部の外周に突起が設けられており、流速分布制御器に、計測配管部の突起と接する段部が設けられていてもよい。計測配管部の突起が、計測配管部の外周を一周しており、流速分布制御器の段部が、流速分布制御器の外周を一周していてもよい。

上記の超音波流量計の設定方法において、計測配管部の外周と、流速分布制御器の段部と、の間にガスケットが配置されていてもよい。ガスケットがＯリングであってもよい。

本発明によれば、より偏流の影響を受けにくい超音波流量計及び超音波流量計の設定方法を提供可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る超音波流量計の模式的上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た、本発明の第１の実施の形態に係る超音波流量計の模式的断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た、本発明の第１の実施の形態に係る流速分布制御器の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の第１の実施の形態に係る流速分布制御器の模式的側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超音波流量計の模式的断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超音波流量計の模式的断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超音波流量計の模式的断面図である。 流体の進行方向に対して垂直方向から見た、本発明の参考例に係る超音波流量計の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の参考例に係る超音波流量計の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の参考例に係る超音波流量計の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の参考例に係る超音波流量計の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の参考例に係る超音波流量計の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の第１の実施の形態に係る超音波流量計に接続される上流配管の模式的断面図である。 流体の進行方向から見た、本発明の第１の実施の形態に係る流速分布制御器の模式的断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る流速分布制御器の模式的断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超音波流量計の模式的断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る流速分布制御器の模式的断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。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。但し、図面は模式的なものである。したがって、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。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係る超音波流量計は、上面図である図１、ＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である図２、及び図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である図３に示すように、流体が流れる断面形状が円の計測配管部１に対して第１の超音波信号を入射する第１の超音波トランスデューサ１０１と、第１の超音波信号を受信可能な位置に配置され、計測配管部１に対して第２の超音波信号を入射する第２の超音波トランスデューサ１０２と、計測配管部１に接続され、計測配管部１の中心軸に対して回転可能であり、断面において、流体の進行に相対的に強い抵抗を与える強抵抗領域と、流体の進行に相対的に弱い抵抗を与える弱抵抗領域と、が設けられた流速分布制御器５０と、を備える。

さらに、第１の実施の形態に係る超音波流量計は、図２に示すように、第１の超音波信号が計測配管部１内を経て第２の超音波トランスデューサ１０２に到達するまでの第１の時間と、第２の超音波信号が計測配管部１内を経て第１の超音波トランスデューサ１０１に到達するまでの第２の時間と、に基づき、計測配管部１内の流体の流速を算出する流速算出部３０２と、流速分布制御器５０を回転させながら流体の流速を算出した場合に、流体の流速が最も速くなるときの流速分布制御器５０の回転角度を記録する回転角度記録部３０３と、を備える。

図２に示すように、流速分布制御器５０は、例えば、計測配管部１の上流側に接続される。流速分布制御器５０の上流側には、断面形状が円の上流配管２に接続される。上流配管２の端部には、フランジ状の突起部１２が設けられている。突起部１２は、上流配管２の外周上を周回している。計測配管部１の中心軸方向から見て、突起部１２の外周形状は円である。

流速分布制御器５０の上流側端部には、上流配管２の突起部１２と接する、鉤上の段部５２Ａが設けられている。断面形状が円の流速分布制御器５０の中心軸を上流側に延長した方向から見た図４に示すように、段部５２Ａは、流速分布制御器５０の外周上を周回している。段部５２Ａの内周及び外周形状は円である。例えば、流速分布制御器５０の段部５２Ａの内周の径は、図２に示す上流配管２の突起部１２の外周の径と等しく、上流配管２端部の突起部１２は、流速分布制御器５０の段部５２Ａに挿入される。

流体の流れ方向において、流速分布制御器５０の段部５２Ａの内周の幅は、上流配管２の突起部１２の外周の幅よりも長い。上流配管２の外周と、流速分布制御器５０の段部５２Ａの内周と、上流配管２の突起部１２の側壁と、の間には、Ｏリング等のガスケット４が配置される。さらに、上流配管２の外周には、環状部材６が固定されている。環状部材６は、突起部１２に対して、上流配管２の開口の反対側に固定されている。環状部材６の内周の径は、上流配管２の外周の径と等しく、環状部材６の内周は、上流配管２の外周と密に接している。環状部材６の高さは、突起部１２の高さよりも高く、環状部材６の側壁は、流速分布制御器５０の段部５２Ａの端面と接する。

流速分布制御器５０の下流側に、断面形状が円の計測配管部１が接続される。計測配管部１の端部には、フランジ状の突起部１１が設けられている。突起部１１は、計測配管部１の外周上を周回している。計測配管部１の中心軸方向から見て、突起部１１の外周形状は円である。

流速分布制御器５０の下流側端部には、計測配管部１の突起部１１と接する、鉤上の段部５２Ｂが設けられている。段部５２Ｂは、流速分布制御器５０の外周上を周回している。流速分布制御器５０の中心軸を下流側に延長した方向から見て、段部５２Ｂの内周及び外周形状は円である。例えば、流速分布制御器５０の段部５２Ｂの内周の径は、計測配管部１の突起部１１の外周の径と等しく、計測配管部１端部の突起部１１は、流速分布制御器５０の段部５２Ｂに挿入される。

流体の流れ方向において、流速分布制御器５０の段部５２Ｂの内周の幅は、計測配管部１の突起部１１の外周の幅よりも長い。計測配管部１の外周と、流速分布制御器５０の段部５２Ｂの内周と、計測配管部１の突起部１１の側壁と、の間には、Ｏリング等のガスケット５が配置される。さらに、計測配管部１の外周には、環状部材７が固定されている。環状部材７は、突起部１１に対して、計測配管部１の開口の反対側に固定されている。環状部材７の内周の径は、計測配管部１の外周の径と等しく、環状部材７の内周は、計測配管部１の外周と密に接している。環状部材７の高さは、突起部１１の高さよりも高く、環状部材７の側壁は、流速分布制御器５０の段部５２Ｂの端面と接する。

図２及び図３に示すように、流速分布制御器５０の断面には、流体が通過する複数の開口５１ａ−５１ｇが回転軸に対して非対称的に設けられている。なお、流速分布制御器５０の回転軸は、計測配管部１の中心軸を上流方向に延長した軸と一致する。

流速分布制御器５０は、例えば、円筒状の側壁部５３と、円筒状の側壁部５３の中に配置された、計測配管部１の中心軸とは異なる中心軸を有する円筒状の筒状部材５４と、筒状部材５４の外周から側壁部５３に放射状に配置された板状部材５５ａ−５５ｅと、を備える。例えば、円筒状の側壁部５３の中心軸は、計測配管部１の中心軸と一致する。筒状部材５４の空洞部が、開口５１ａをなしている。板状部材５５ａ−５５ｅのそれぞれは、側壁部５３と筒状部材５４とに接続されている。板状部材５５ａ−５５ｅによって、筒状部材５４は、円筒状の側壁部５３内に保持されている。

板状部材５５ａ、５５ｂ、筒状部材５４、及び側壁部５３で囲まれた空間が、開口５１ｂをなしている。板状部材５５ｂ、５５ｃ、筒状部材５４、及び側壁部５３で囲まれた空間が、開口５１ｃをなしている。板状部材５５ｃ、５５ｄ、筒状部材５４、及び側壁部５３で囲まれた空間が、開口５１ｄをなしている。板状部材５５ｄ、５５ｅ、筒状部材５４、及び側壁部５３で囲まれた空間が、開口５１ｅをなしている。板状部材５５ｅ、５５ｆ、筒状部材５４、及び側壁部５３で囲まれた空間が、開口５１ｆをなしている。板状部材５５ｆ、５５ａ、筒状部材５４、及び側壁部５３で囲まれた空間が、開口５１ｇをなしている。

開口５１ｄ、５１ｅ、５１ｆの開口面積は、開口５１ｇ、５１ｂ、５１ｃの開口面積より大きい。開口面積が大きい開口５１ｄ、５１ｅ、５１ｆを含む領域が、流体の進行に対して弱い抵抗を与える弱抵抗領域であり、開口面積が小さい開口５１ｇ、５１ｂ、５１ｃを含む領域が、流体の進行に対して強い抵抗を与える強抵抗領域である。なお、弱抵抗領域における弱い抵抗とは、強抵抗領域における抵抗に対して相対的に弱い抵抗であり、強抵抗領域における強い抵抗とは、弱抵抗領域における抵抗に対して相対的に強い抵抗であることを意味する。

図２に示す固定され回転できない上流配管２及び計測配管部１に対し、断面形状が円である流速分布制御器５０は、その中心軸である回転軸に対して回転可能である。流速分布制御器５０は、後述するように、流速分布制御器５０に到達した流体の流速分布において、流速が速い部分に強抵抗領域があたり、流速が遅い部分に弱抵抗領域があたるよう、回転される。流速分布制御器５０は、例えば手動で連続的に回転させられることが可能であるが、モータ等の回転機構によって回転させられてもよい。

第１の超音波トランスデューサ１０１は計測配管部１内を流れる流体の上流側に配置され、第２の超音波トランスデューサ１０２は下流側に配置される。図５に示すように、第１の超音波トランスデューサ１０１から発せられた第１の超音波信号は、計測配管部１内の流体中を進み、第２の超音波トランスデューサ１０２で受信される。また、図６に示すように、第２の超音波トランスデューサ１０２から発せられた第２の超音波信号は、計測配管部１内の流体中を進み、第１の超音波トランスデューサ１０１で受信される。例えば、第１の超音波トランスデューサ１０１と第２の超音波トランスデューサ１０２は、交互に駆動信号が印加され、交互に超音波信号を発する。

第１の超音波トランスデューサ１０１から発せられた第１の超音波信号は、例えば、計測配管部１の中心軸を横切る。また、第２の超音波トランスデューサ１０２から発せられた第２の超音波信も、計測配管部１の中心軸を横切る。

計測配管部１の内部においては、流体が流速ｖで流れている。上述したように、第１の超音波トランスデューサ１０１は計測配管部１内を流れる流体の上流側に配置され、第２の超音波トランスデューサ１０２は下流側に配置される。そのため、図５に示す第１の超音波トランスデューサ１０１から発せられた第１の超音波信号は、計測配管部１内の空洞部を流体の流れに従って伝播する。これに対し、図６に示す第２の超音波トランスデューサ１０２から発せられた第２の超音波信号は、計測配管部１内の空洞部を流体の流れに逆らって伝播する。よって、計測配管部１内の空洞部において、第１の超音波信号の伝播時間と、第２の超音波信号の伝播時間と、で、流体の流速ｖによる差が生じる。

図５に示す計測配管部１内の流体の進行方向に対する第１の超音波信号の進行方向の角度をθ、計測配管部１内の流体における超音波の音速をｃとすると、第１の超音波信号が計測配管部１内の空洞部を横切るために必要な伝播時間ｔ₁は、下記（１）式で与えられる。
ｔ₁＝Ｌ／（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ） （１）
また、図６に示す計測配管部１内の流体の進行方向に対する第２の超音波信号の進行方向の角度もθであり、第２の超音波信号が計測配管部１内の空洞部を横切るために必要な伝播時間ｔ₂は、下記（２）式で与えられる。
ｔ₂＝Ｌ／（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ） （２）
ここで、図７に示すように、Ｌは第１の超音波信号及び第２の超音波信号のそれぞれが計測配管部１内の空洞部を横切る長さを表す。

上記（１）及び（２）式より、伝播時間ｔ₁の逆数と伝播時間ｔ₂の逆数との和は、下記（３）式で与えられる。
１／ｔ₁＋１／ｔ₂＝（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）／Ｌ＋（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ）／Ｌ
＝２ｃ／Ｌ （３）
上記（３）式より、計測配管部１内の空洞部を流れる流体における音速ｃは、下記（４）式で与えられる。
ｃ＝Ｌ（１／ｔ₁＋１／ｔ₂）／２ （４）

また、上記（１）及び（２）式より、伝播時間ｔ₂と伝播時間ｔ₁との差Δｔは、下記（５）式で与えられる。
Δｔ＝ｔ₂−ｔ₁≒（２Ｌｖ・ｃｏｓθ）／ｃ² （５）
上記（５）式より、計測配管部１内の空洞部を流れる流体の流速ｖは、下記（６）式で与えられる。ただし、下記（６）式で算出される流速ｖは、第１及び第２の超音波信号の伝播経路上における流体の平均流速である。
ｖ＝ｃ²Δｔ／（２Ｌ・ｃｏｓθ） （６）
ここで、角度θ及び長さＬは、既知である。音速ｃは、上記（４）式より算出可能である。したがって、第１及び第２の超音波信号の伝播時間ｔ₁、ｔ₂の時間差Δｔを計測することにより、計測配管部１内の空洞部を流れる流体の流速ｖを算出可能である。

第１及び第２の超音波信号の伝播時間ｔ₁、ｔ₂の時間差Δｔは、相関法により求めてもよい。この場合、第１の超音波信号の受信信号の波形全体と、第２の超音波信号の受信信号の波形全体と、の相互相関関数を求め、求められた相互相関関数のピークから、第１及び第２の超音波信号の伝播時間ｔ₁、ｔ₂の時間差Δｔを求めることが可能である。

さらに、下記（７）式に示すように、流体の流速ｖに計測配管部１の断面積Ｓを乗じて、流体の流量Ｑを算出可能である。
Ｑ＝Ｓ・ｖ （７）

第１の超音波トランスデューサ１０１及び第２の超音波トランスデューサ１０２は、中央処理装置（ＣＰＵ）３００に電気的に接続されている。ＣＰＵ３００は、第１の超音波信号が第１の超音波トランスデューサ１０１から発せられてから計測配管部１内を経て第２の超音波トランスデューサ１０２に到達するまでの第１の時間、及び第２の超音波信号が第２の超音波トランスデューサ１０２から発せられてから配管内を経て第１の超音波トランスデューサ１０１に到達するまでの第２の時間を計測する時間差特定部３０１を含む。流速算出部３０２は、ＣＰＵ３００に含まれており、第１の時間と、第２の時間と、に基づき、計測配管部１内の流体の流速を算出する。

時間差特定部３０１は、第１の超音波トランスデューサ１０１が第１の超音波信号を発したタイミングと、第２の超音波トランスデューサ１０２が第１の超音波信号を受信したタイミングと、を監視し、第１の超音波信号が第１の超音波トランスデューサ１０１から発せられてから計測配管部１内を経て第２の超音波トランスデューサ１０２に到達するまでの第１の時間を計測する。

ここで、第１の超音波トランスデューサ１０１が駆動されたタイミングを、第１の超音波信号が第１の超音波トランスデューサ１０１から発せられたタイミングとしてもよい。また、第１の超音波信号が第２の超音波トランスデューサ１０２に到達したタイミングにおける第２の超音波トランスデューサ１０２の受信信号の強度が小さい場合は、受信信号の波形における特徴点が得られたタイミングから、第１の超音波信号が第２の超音波トランスデューサ１０２に到達したタイミングを逆算してもよい。受信信号の特徴点とは、例えば、受信信号の振幅波形における所定の数の極大点の後の受信信号の強度がゼロとなる点（ゼロクロス点）である。

また、時間差特定部３０１は、第２の超音波トランスデューサ１０２が第２の超音波信号を発したタイミングと、第１の超音波トランスデューサ１０１が第２の超音波信号を受信したタイミングと、を監視し、第２の超音波信号が第２の超音波トランスデューサ１０２から発せられてから計測配管部１内を経て第１の超音波トランスデューサ１０１に到達するまでの第２の時間を計測する。

ここで、第２の超音波トランスデューサ１０２が駆動されたタイミングを、第２の超音波信号が第２の超音波トランスデューサ１０２から発せられたタイミングとしてもよい。また、第２の超音波信号が第１の超音波トランスデューサ１０１に到達したタイミングにおける第１の超音波トランスデューサ１０１の受信信号の強度が小さい場合は、受信信号の波形における特徴点（例えば、ゼロクロス点）が得られたタイミングから、第２の超音波信号が第１の超音波トランスデューサ１０１に到達したタイミングを逆算してもよい。

時間差特定部３０１は、第２の時間と第１の時間の差の値を算出し、流速算出部３０２に伝送する。ただし、時間差特定部３０１は、第２の時間と第１の時間の差を、直接計測してもよいし、あるいは上述したように相関法により求めてもよい。

流速算出部３０２は、第１及び第２の伝播時間ｔ₁、ｔ₂に基づき、上記（４）式より、計測配管部１内の空洞部を流れる流体における音速ｃを算出する。また、流速算出部３０２は、第１及び第２の伝播時間ｔ₁、ｔ₂の差Δｔ、及び算出した音速ｃに基づき、上記（６）式より、計測配管部１内の空洞部を流れる流体の流速ｖを算出し、さらに上記（７）式により、流体の流量Ｑを算出する。

ＣＰＵ３００には、測定値保存部３５２及び出力装置４０１が接続されている。流速算出部３０２は、算出した流体の流速ｖ及び流量Ｑを、記憶装置である測定値保存部３５２に保存し、出力装置４０１に出力する。

ここで、計測配管部１に到達する流体の流速分布に偏りがない場合は、図８に示すように、仮に流速分布制御器が無くとも、図９に示すように、計測配管部１の中心軸で最も流速が速く、中心軸対称に計測配管部１の側壁に近づくにつれて流速が遅くなる。この場合、計測配管部１の中心軸に対して第１及び第２の超音波トランスデューサ１０１、１０２の組みがどこにあっても、中心軸を交差する第１及び第２の超音波信号の伝播経路上における流体の平均流速は同じになる。

これに対し、例えば図１０、図１１、及び図１２に示すように、計測配管部１内を流れる流体の流速分布が中心軸対称ではなく、偏っている場合、仮に計測配管部１の断面における流体の平均流速が図１０から図１２において同じであったとしても、超音波信号の伝播経路上における流体の平均流速は図１０から図１２において異なる。具体的には、流体の流速分布において、流速が速い部分を第１及び第２の超音波信号が多く伝播すれば、計測される平均流速は速くなり、流速が遅い部分を第１及び第２の超音波信号が多く伝播すれば、計測される平均流速は遅くなる。

しかし、計測配管部１の断面における流体の平均流速が同じであるにもかかわらず、第１及び第２の超音波トランスデューサ１０１、１０２の配置によって、計測される平均流速が異なってくるのは好ましくない。

これに対し、上流配管２から流速分布制御器５０に到達した流体の流速が、図１３に示すように分布していた場合、図１４に示すように、流速が速い部分に流速分布制御器５０の強抵抗領域があたり、流速が遅い部分に流速分布制御器５０の弱抵抗領域があたるよう、流速分布制御器５０が配置されると、偏流の影響を緩和できるため、好ましい。通常、配管の内部は観察できないが、計測される平均流速が最も速くなるときに、流速分布制御器５０が最も効果的に配置され、流速分布の影響が最も抑制されている。したがって、計測される平均流速が最も速くなるよう、流速分布制御器５０を回転させて、計測配管部１内における流速分布を制御することが好ましい。

そこで、第１の実施の形態に係る超音波流量計で流体の流量を計測する際には、例えば、まず、調整用に、流量が一定の流体を計測配管部１に流し、手動又はモータ等の回転機構によって流速分布制御器５０を回転させながら、図２に示す流速算出部３０２が連続的に流速又は流量を算出する。流速分布制御器５０は、例えば１８０°回転させられるが、これに限定されない。例えば、流速分布制御器５０は、３６０°回転させられてもよい。

ＣＰＵ３００に含まれる回転角度記録部３０３は、所定の基準角に対する流速分布制御器５０の回転角度と、当該回転角度における流速又は流量と、を測定値保存部３５２に記録する。回転角度記録部３０３は、所定の回転角度の間隔ごとに算出された流速又は流量を全て測定値保存部３５２に記録してもよい。あるいは、回転角度記録部３０３は、まず、流速分布制御器５０が回転を開始した時点で算出された流速又は流量を測定値保存部３５２に記録し、その後は、流速分布制御器５０が回転中に算出された流速又は流量が、測定値保存部３５２に記録された流速又は流量を上回る場合に、回転角度と、当該回転角度における流速又は流量と、を、測定値保存部３５２に上書き保存してもよい。

出力装置４０１は、測定値保存部３５２に記録された、流体の流速が最も速くなるときの流速分布制御器の回転角度を出力する。これにより、例えば、オペレータが、手動で、出力装置４０１で出力された回転角度に流速分布制御器５０を保持することができる。あるいは、モータ等の回転機構が、測定値保存部３５２に記録された、流体の流速が最も速くなるときの流速分布制御器の回転角度に流速分布制御器５０を回転させ、そこで回転を止めてもよい。その後、調整用の流体を流すことを止め、測定対象の流体を流速分布制御器５０及び計測配管部１に流し、測定対象の流体の流速又は流量を計測してもよい。

偏流は、超音波流量計の上流及び下流の配管の形状及び経路等に影響されるため、偏流の状態が変化しない場合がある。この場合、計測される流速又は流量が最大となる流速分布制御器５０の回転角度を一度記録しておけば、その後、同じ角度を保ったまま測定対象の流体の流速又は流量を計測すればよい。ただし、偏流の状態が変化する場合は、調整用に流量が一定の流体を計測配管部１に流して、計測される流速又は流量が最大となる流速分布制御器５０の回転角度を記録することを、適宜行えばよい。

従来、固定された管の周囲に多数の超音波トランスデューサの組み合わせを固定して、計測される流速又は流量が最大となる超音波トランスデューサの組み合わせを選択することが提案されている。しかし、偏流の状態が変化しない場合、選択されなかった超音波トランスデューサは使用されず無駄であり、製造コストに見合わない。

これに対し、第１の実施の形態に係る超音波流量計においては、流速分布制御器５０が連続的に回転可能であるため、多数の超音波トランスデューサを要せず、対となる超音波トランスデューサを固定したまま、偏流の影響を緩和できる。

また、流速分布制御器５０の最適な回転角度を手作業のみで探すのは煩雑である場合があるが、第１の実施の形態に係る超音波流量計によれば、計測される流速又は流量が最大となる流速分布制御器５０の回転角度が記録されるため、流速分布制御器５０を最適な回転角度に配置することが容易となる。

なお、筒状部材５４は、円筒状に限られず、図１５に示すように、六角筒状等の角筒状であってもよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る超音波流量計においては、図１６及び図１７に示すように、流速分布制御器５０が、個々の孔の開口面積が小さい小メッシュ領域１５１と、個々の孔の開口面積が大きい大メッシュ領域１５２と、を備える。なお、小メッシュ領域１５１における小さい開口面積とは、大メッシュ領域１５２における開口面積に対して相対的に小さい開口面積であり、大メッシュ領域１５２における大きい開口面積とは、小メッシュ領域１５１における開口面積に対して相対的に大きい開口面積であることを意味する。

第２の実施の形態において、小メッシュ領域１５１が、流体の進行に対して強い抵抗を与える強抵抗領域であり、大メッシュ領域１５２が、流体の進行に対して弱い抵抗を与える弱抵抗領域である。

例えば、小メッシュ領域１５１の中心が流速分布制御器５０の回転軸である中心軸と異なっており、大メッシュ領域１５２が小メッシュ領域１５１を囲んでいてもよい。第２の実施の形態においても、上流配管２から流速分布制御器５０に到達した流体の流速の分布が偏心している場合、流速が速い部分に流速分布制御器５０の小メッシュ領域１５１があたり、流速が遅い部分に流速分布制御器５０の大メッシュ領域１５２があたるよう、流速分布制御器５０が回転される。これにより、偏流の影響を緩和できる。

（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、図２においては、第１及び第２の超音波トランスデューサ１０１、１０２が対向して配置されている例を示した。これに対し、第１及び第２の超音波トランスデューサ１０１、１０２を、計測配管部１の中心軸方向に平行に配置し、計測配管部１内で反射された超音波信号を、第１及び第２の超音波トランスデューサ１０１、１０２のそれぞれで受信してもよい。また、超音波信号は、計測配管部１内を複数回反射させてもよい。

さらに、計測配管部１内の空洞部を流れる流体の流速ｖは、下記（８）式で与えられる伝播時間逆数差方式で求めてもよい。
ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）｛（１／ｔ₁）−（１／ｔ₂）｝ （８）
伝播時間逆数差方式によれば、音速ｃが未知であっても、流体の流速ｖを算出可能である。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１ 計測配管部
２ 上流配管
４、５ ガスケット
６、７ 環状部材
１１、１２ 突起部
５０ 流速分布制御器
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ 開口
５２Ａ、５２Ｂ 段部
５３ 側壁部
５４ 筒状部材
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ、５５ｅ、５５ｆ 板状部材
１０１ 第１の超音波トランスデューサ
１０２ 第２の超音波トランスデューサ
１５１ 小メッシュ領域
１５２ 大メッシュ領域
３００ 中央演算処理装置
３０１ 時間差特定部
３０２ 流速算出部
３０３ 回転角度記録部
３５２ 測定値保存部
４０１ 出力装置

Claims (10)

1. 流体が流れる断面形状が円の計測配管部に対して第１の超音波信号を入射する第１の超音波トランスデューサと、
   前記第１の超音波信号を受信可能な位置に配置され、前記計測配管部に対して第２の超音波信号を入射する第２の超音波トランスデューサと、
   前記計測配管部に接続され、前記計測配管部の中心軸に対して回転可能であり、断面において、前記流体の進行に相対的に強い抵抗を与える強抵抗領域と、前記流体の進行に相対的に弱い抵抗を与える弱抵抗領域と、が設けられた流速分布制御器と、
   前記第１の超音波信号が前記配管内を経て前記第２の超音波トランスデューサに到達するまでの第１の時間と、前記第２の超音波信号が前記配管内を経て前記第１の超音波トランスデューサに到達するまでの第２の時間と、に基づき、前記計測配管部内の流体の流速を算出する流速算出部と、
   前記流速分布制御器を回転させながら前記流体の流速を算出した場合に、前記流体の流速が最も速くなるときの前記流速分布制御器の回転角度を記録する回転角度記録部と、
   を備える、超音波流量計。
2. 前記記録された回転角度を出力する出力装置を更に備える、請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記記録された回転角度に前記流速分布制御器を回転させる回転機構を更に備える、請求項１又は２に記載の超音波流量計。
4. 前記流速分布制御器に、前記流体が通過する複数の開口が回転中心に対して非対称的に設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
5. 前記流速分布制御器が、
   円筒状の側壁部と、
   前記計測配管部と異なる中心軸を備える筒状部材と、
   前記筒状部材の外周から前記側壁部に放射状に配置された板状部材と、
   を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
6. 前記流速分布制御器が、
   個々の孔の開口面積が小さい小メッシュ領域と、
   個々の孔の開口面積が大きい大メッシュ領域と、
   を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波流量計。
7. 前記小メッシュ領域の中心が前記流速分布制御器の中心軸と異なっており、
   前記大メッシュ領域が前記小メッシュ領域を囲んでいる、
   請求項６に記載の超音波流量計。
8. 流体が流れる断面形状が円の計測配管部に接続され、断面において、前記流体の進行に相対的に強い抵抗を与える強抵抗領域と、前記流体の進行に相対的に弱い抵抗を与える弱抵抗領域と、が設けられた流速分布制御器を、前記計測配管部の中心軸に対して回転させることと、
   第１の超音波トランスデューサを用いて、前記計測配管部に対して第１の超音波信号を入射することと、
   前記第１の超音波信号を受信可能な位置に配置された第２の超音波トランスデューサを用いて、前記計測配管部に対して第２の超音波信号を入射することと、
   前記第１の超音波信号が前記配管内を経て前記第２の超音波トランスデューサに到達するまでの第１の時間と、前記第２の超音波信号が前記配管内を経て前記第１の超音波トランスデューサに到達するまでの第２の時間と、に基づき、前記計測配管部内の流体の流速を算出することと、
   前記流速分布制御器を回転させながら前記流体の流速を算出した場合に、前記流体の流速が最も速くなるときの前記流速分布制御器の回転角度を記録することと、
   を備える、超音波流量計の設定方法。
9. 前記記録された回転角度を出力することを更に備える、請求項８に記載の超音波流量計の設定方法。
10. 前記記録された回転角度に前記流速分布制御器を回転させることを更に備える、請求項８又は９に記載の超音波流量計の設定方法。