JP2017215188A

JP2017215188A - 流速分布の計測方法及びその装置

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Publication number: JP2017215188A
Application number: JP2016108745A
Authority: JP
Inventors: 守弘和田; Morihiro Wada
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-12-07

Abstract

【課題】複雑な処理を行うことなくより広い流速範囲に亘って液体の流速分布及び流量を計測可能な方法及びその装置を提供すること。【解決手段】測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる超音波パルスの周波数変化から管体を流れる流体の流速分布を計測する方法である。測定線に沿って発射される超音波パルスは、複数パルスからなるパルス群を所定周期で与えるパルス波形であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、液体の流速分布及び流量について超音波を利用して計測する方法及びその装置に関し、特に、パルス・ドップラ法を用いた液体の流速分布及び流量の計測方法及びその装置に関する。

流体配管の外側に取り付けられたトランスジューサから超音波パルスを該配管内の測定線に向けて入射し、配管内を流れる流体内の懸濁微粒子のような反射体からの反射波としての超音波パルス信号を解析して流体の流速分布や流量を求める超音波流量計が知られている（以下において、特に断りのない限り流体の流速分布を求めることにはその流量を求めることをも含むとする）。ここで、入射波に対して反射波では流速に比例した大きさだけ周波数がシフトするから、超音波パルス信号の解析において周波数シフトから流体の流速分布を求めることができるのである（パルス・ドップラ法）。

例えば、特許文献１では、ドップラ式超音波流量計において、超音波エコー信号中の音響的及び電気的ノイズを排除しより最適な測定条件で計測を行うための手段及び方法が今まで無かったことについて述べた上で、ドップラ周波数のバラツキ度合いを示す標準偏差を演算する手段を設けこれに基づいて流体に入射させる超音波パルスを生成させることを開示している。これによれば、測定条件を最適な状態に調整でき、計測の際に被計測流体の状態を把握することも可能であるとしている。

また、特許文献２では、ドップラ式超音波流量計において、流体の流量を高精度に計測するためには流体の音速及び楔の音速をともに正確に把握しなければならないことを述べた上で、これらが温度によって変化することから、配管の表面温度を測定する温度測定手段を与えて温度補償をすることを開示している。

ところで、上記したようなドップラ式超音波流量計は、超音波の往復伝搬時間差から流体の流量を計測しようとする伝搬時間差式の超音波流量計と比較して、計測する流速範囲を制限され易い。そこでこの流速範囲を拡げるための提案もなされている。

例えば、特許文献３では、ドップラ式超音波流量計において、折り返し補正によって計測できる流速範囲を拡げる方法を開示している。超音波を複数回流体に対して送受信して流体中の位置と流速の関係を示す流速分布を複数算出し、複数の流速分布を位置方向に重畳して流速データの出現頻度の統計を取得する。その上で、最も出現頻度の少ない流速を閾値に設定することで、重畳していないそれぞれの流速分布において閾値よりも上または下のいずれか一方にある流速データを測定レンジの外側かつ上下反対側に移動させて流速分布を補正するのである。

特開２００６−１９４６３４号公報特開２００７−０２４５２１号公報特開２０１１−１４９７８５号公報

上記したように、ドップラ式の超音波流量計において流速範囲を拡げるには、搬送波の波長λを長くすればよいが、微細な気泡などの反射体をすり抜けてしまうため、有効な反射波の強度が得られなくなってしまう。また、サンプリング周波数を大きくしてもよいが、１つ前の超音波の反射波である２次エコーが強く検出されるようになって補正処理が必要となる。

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、複雑な信号処理や解析を行うことなくより広い流速範囲に亘って液体の流速分布及び流量を計測可能な方法及びその装置を提供することにある。

本発明による流体の流速分布を計測する方法は、測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる超音波パルスの周波数変化から管体を流れる流体の流速分布を計測する方法であって、前記測定線に沿って発射される前記超音波パルスは、複数パルスからなるパルス群を所定周期で与えるパルス波形であることを特徴とする。

かかる方法によれば、入力する超音波パルスを調整することで簡便に誤検出を減じることができ、信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記周波数変化は、前記超音波反射体で反射されてくる前記超音波パルスについて包絡検波して前記パルス群の前記複数パルスに対応するピークから検出することを特徴としてもよい。かかる方法によれば、入力する超音波パルスを調整することで簡便に誤検出を減らすことができ、信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記周波数変化は、前記ピークの周波数を有する参照波を用いて検波することを特徴としてもよい。かかる方法によれば、入力する超音波パルスを調整することで簡便に誤検出を減らすことができ、信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

また、本発明による流速分布計測装置は、測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる超音波パルスの周波数変化から管体を流れる流体の流速分布を計測する装置であって、前記測定線に沿って発射される前記超音波パルスについて複数パルスからなるパルス群を所定周期で与えるパルス波形とすることを特徴とする。

かかる装置によれば、入力する超音波パルスを調整することで簡便に誤検出を減らすことができ、信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記超音波反射体で反射されてくる前記超音波パルスについて包絡検波して前記パルス群の前記複数パルスに対応するピークを検出して前記周波数変化を算出する算出手段を含むことを特徴としてもよい。かかる方法によれば、入力する超音波パルスを調整することで簡便に誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

上記した発明において、前記算出手段は、前記ピークの周波数を有する参照波を用いて検波する手段を含むことを特徴としてもよい。かかる方法によれば、入力する超音波パルスを調整することで簡便に誤検出を減らすことができ信号検出率を上げ得るため、ノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とするのである。

本発明による装置を示す図である。本発明による信号処理の説明を与える図である。本発明による信号処理のブロック図である。従来及び本発明による測定対象部の比較を示す図である。実施例の装置を示す図である。検出された検出信号を示す図である。図６の一部を拡大し包絡線を与えた図である。図７から速度分布の時間平均を求めた図である。参照流速計での計測結果との比較を示す図である。

本発明による流速分布計測の方法について、まず、図１乃至図４を用いてその原理を説明する。

図１に示すように、装置１は、一般的には金属からなる流体配管２１内を長手方向に沿って一方向に流れる流体２２の流速分布を計測する装置である。なお、流速分布からは流体配管２１の内部面積に沿って積分して流量を計算でき得るため、流速分布の計測のための装置は流量の計測のための装置でもあり得るのである。

トランスジューサ１０は、流体配管２１に対して設置角度αを持って取り付けられ、超音波パルス信号を測定線Ｌに沿って発射させる送信器であるとともに、気泡のような超音波反射体１２で反射されて戻ってくる反射の超音波パルス信号を受信するセンサーでもある。

ところで、パルス化された超音波の波形は、

で表し得る。ここで、ｆ₀は超音波の中心周波数、Ｎ_cpはパルスあたりの入力サイクル数である。

図２に信号処理の概略を示す。これについて図１を適宜参照しながら説明する。

図２（ａ）に示すように、中心周波数ｆ₀の２つのパルスがトランスジューサ１０からＴ_ptの時間遅延をもって送信され、Ｔ_prfの時間間隔で繰り返される。このときの出射超音波パルスの波形を図２（ｂ）に示した。かかる２つのパルス列３１の各波形は式１で与え得る。

図２（ｃ）に示すように、時間遅延Ｔ_ptの２つのパルス列３１（図２（ｂ）参照）が超音波反射体（粒子や気泡）１２で反射されて、トランスジューサ１０で検出される。この検出パルスは増幅されて、包絡検波される（図２（ｄ）参照）。包絡検波された出力信号は、パルス列３１の時間遅延Ｔ_ptに対応するｆ_ptの周波数を有することになる。

図３に示すように、包絡検波では、絶対値の算出（ＡＢＳ）及びローパス・フィルタリング（ＬＰＦ１）される。ここで、ローパス・フィルタのカットオフ周波数は、超音波の周波数ｆ₀及びパルス列の遅延時間Ｔ_ptを考慮して決定できる。なお、ここでは２つのパルスからなるパルス列３１について述べているがこれに限定されるものではない。

そして、クワドラチャ検波によって、包絡検波後の検出波を上記したｆ_ptの周波数を有する参照波を用いて逓倍し、ローパス・フィルタリング（ＬＰＦ２）することでドップラ周波数を得るのである。これについて更に以下に詳述する。

包絡検波処理された出力信号は以下の式で表し得る。

ここで、Ａ（ｔ）は検出信号の増幅度、Ｂはゼロシフトの値である。従来のパルス・ドップラ法ではゼロシフトはないが、包絡検波はゼロシフトを生じ得る。

クワドラチャ検波に使用される参照波は、周波数ｆ_ptに対応してサイン波及びコサイン波を用いる。例えば、サイン波の参照波の場合は、

である

式２に式３を掛け合わせると、

となって、３つの周波数要素ｆ_d、２ｆ_pt、ｆ_ptからなることが判る。ｆ_dに対して２ｆ_pt及びｆ_ptは十分に高く、適切なローパス・フィルタを使用すれば、これらを除去できるのである。

例えば、計測においてホワイト・ノイズが存在しパルスが大きく歪められるような場合にあっても、本方法によればドップラ周波数を正確に得られるのである。

ところで、図４に示すように、従来の超音波パルス・ドップラ法（図４（ａ）参照）と比較して、本発明による方法（図４（ｂ）参照）では、より少ない体積の超音波反射体１２での計測可能である。ここで、計測できる流体２２の流速範囲はｆ_ptに周波数依存し、この流速の最大値は以下の式で表し得る。

これから判るように、ｆ_ptは超音波の中心周波数ｆ₀から独立しており、より高い中心周波数ｆ₀を用いることで測定対象部の体積をより小さくでき得る。

例えば、添え字−ｐ、−ｐｔをそれぞれ従来のドップラ法及び本発明の方法におけるパラメータを意味するものとすれば、超音波パルスの中心周波数ｆ_0-p＝１ＭＨｚ、ｆ_0-pt＝４ＭＨｚとし、パルスあたりの入力サイクル数Ｎ_cp＝２では、パルス継続時間は、中心周波数及び式（１）を用いて、ｐ＝３.４ｓ、ｐｔ＝１.８５ｓとなる。超音波ビームの拡散角度を同一条件とすると、計測対象部の体積と関連する直径は、Ｄ_us-p＝２０ｍｍ、Ｄ_us-pt＝５ｍｍとなるのである。また、波長がパルス継続時間に基づくと仮定するなら、計測対象部の厚さは、それぞれＬ_cw-p＝２.６ｍｍ、Ｌ_cw-pt＝１.４ｍｍとなる。

つまり、計測対象部の体積において、本発明の方法では従来法よりもほぼ３０分の１に小さくできるのである。また、超音波の中心周波数を揃えて直径を同じとすると、計測対象部の長さにおいて、本発明の方法では従来法よりも約２倍長くなる。パルス列３１を３つ以上のパルスとすると、この長さはパルスの数の増加と共に増加することとなる。

以上述べてきたように、入力する超音波パルスを複数パルスからなるパルス群を所定周期で与えるパルス波形に調整することで、簡便に誤検出を減じることができ信号検出率を上げ得てノイズに強くなるとともに、広い流速範囲での計測を可能とできるのである。

次に、重量５０ｔのタンク・システムを使用して流速分布を計測した実施例について説明する。

図５に示すように、オーバーフローヘッドタンク４０から管路４１を流れる流速を測定し、電磁流量計Ｆによって与えられる参照流速に対して比較を行った。なお、流速範囲は２００から４００ｍ³／ｈであり、水温は２７.３±１.０℃に調整される。なお、温度変動は１回の測定の間で０.１℃以内である。レノルズ数の範囲は、Ｒｅ＝４.１２×１０⁵〜８.３１×１０⁵である。

超音波の反射体として機能する小さい泡は、流れ調整器４２の上流の導入口４３から導入される。超音波トランスジューサ１０は管路４１の孔に取り付けられて、水と直接接触して配置される。トランスジューサ１０の入射角度αは、１９.３度である。管路４１の内径Ｄは、１９９ｍｍである。

超音波トランスジューサ１０にはパルス受信装置４４（ジャパンプローブ株式会社製、ＪＰＲ−１０ＣＮ）が接続され、パルスあたり２サイクルを有する入力電圧信号がトランスジューサ１０に与えられて、パルス化された超音波が水に出射される。また、超音波反射パルスは同じくトランスジューサ１０によって検出されて、同じパルス受信装置４４で増幅され、デジタル計測器４５（ナショナルインスツルメンツ株式会社製、ＮＩ−５１２２）へ送信される。また、パルス列（図２参照）もパルス受信装置４４から送信される。

パルス繰り返しの時間間隔Ｔ_prfは４００ｓ、パルス列の時間遅延Ｔ_ptは１ｓにセットし、超音波トランスジューサ１０の中心周波数ｆ₀は４ＭＨｚ、圧電素子の直径は５ｍｍである。

図６には、流速３００ｍ³／ｈのときの検出信号を示す。トランスジューサ１０と対向側の管路４１の内壁の間の距離を用いることで計算される遅延時間は３３０μｓであり、トランスジューサ１０が管路４１の超音波反射体１２で反射されるパルスを検出し得ることを示している。

図７には、図６の時間範囲Ｔ１における信号５１及び包絡線５２の拡大図を示した。全ての検出信号は２つのパルスで１組であり、包絡線５２はこれを反映している。

図８には、図７を用いて求めた速度分布の時間平均を示した。パルス繰り返し数Ｎ_pは５１,２００とし、１回の測定時間は約１５〜３０秒、５回平均分布をプロットした。トランスジューサ１０はｙ／Ｄ＝−０.２とし、超音波経路に沿った測定地点間距離は２.３ｍｍである。トランスジューサ１０が位置する円筒ポケットの直径及び長さは、１３ｍｍ、３９ｍｍである。５回の計測された速度分布が全て同じ線上にあって、高い再現精度を得ることが出来ている。

一般に、流速はｙ／Ｄ＝０から０.５の範囲で得られる速度分布を積分して算出できる。これはトランスジューサ１０、又はトランスジューサ１０の近傍の管路４１の内壁面で生じる信号の影響を避ける必要からである。

図９には、参照流速計Ｆで計測した流速との差を示した。これによれば、０.６％未満、全ての流速状態で標準偏差は０.３８％以内の高い精度を有することが判る。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１０トランスジューサ
１２超音波反射体
２１管体
２２流体
４４パルス受信装置
４５デジタル計測器

Claims

測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる超音波パルスの周波数変化から管体を流れる流体の流速分布を計測する方法であって、
前記測定線に沿って発射される前記超音波パルスは、複数パルスからなるパルス群を所定周期で与えるパルス波形であることを特徴とする流速分布計測方法。
前記周波数変化は、前記超音波反射体で反射されてくる前記超音波パルスについて包絡検波して前記パルス群の前記複数パルスに対応するピークから検出することを特徴とする請求項１記載の流速分布計測方法。
前記周波数変化は、前記ピークの周波数を有する参照波を用いて検波することを特徴とする請求項２記載の流速分布計測方法。
測定線に沿って発射され超音波反射体で反射されてくる超音波パルスの周波数変化から管体を流れる流体の流速分布を計測する装置であって、
前記測定線に沿って発射される前記超音波パルスについて複数パルスからなるパルス群を所定周期で与えるパルス波形とすることを特徴とする流速分布計測装置。
前記超音波反射体で反射されてくる前記超音波パルスについて包絡検波して前記パルス群の前記複数パルスに対応するピークを検出して前記周波数変化を算出する算出手段を含むことを特徴とする請求項４記載の流速分布計測装置。
前記算出手段は、前記ピークの周波数を有する参照波を用いて検波する手段を含むことを特徴とする請求項５記載の流速分布計測装置。