JP2019090777A - Ultrasonic flow rate measurement device and ultrasonic flow rate measurement method - Google Patents
Ultrasonic flow rate measurement device and ultrasonic flow rate measurement method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019090777A JP2019090777A JP2018029502A JP2018029502A JP2019090777A JP 2019090777 A JP2019090777 A JP 2019090777A JP 2018029502 A JP2018029502 A JP 2018029502A JP 2018029502 A JP2018029502 A JP 2018029502A JP 2019090777 A JP2019090777 A JP 2019090777A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sound pressure
- pressure distribution
- ultrasonic
- pipe
- flow rate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title abstract description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 238000012887 quadratic function Methods 0.000 description 5
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本発明は、超音波流量測定装置及び超音波流量測定方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow measurement device and an ultrasonic flow measurement method.
従来一般の超音波流量計は、配管内の流体の流れ方向に超音波パルスを入射させて、当該超音波パルスが音速と流速を加算した速度にて配管内を飛翔することを利用して平均流速を求め、当該平均流速に配管の断面積を乗じて平均流量としている。しかし、上記の超音波流量計は、あくまで流れ方向の平均流速及び平均流量を得るだけであり、流れの状態(流れ方向と直交する方向の流速分布)については考慮されていない。このため、配管内の流速分布は、理想的な流れ場を仮定しており(前提としており)、その仮定に即した測定環境を用意しなければならず、種々の設定条件(制約)が課せられることになる。また、流速分布のズレを補正するための所謂プロファイルファクタの利用が必要であり、その較正等の観点から精度の保証が困難になっている。さらに、小口径管では測定が非常に困難であり、流れ場の軸対称性を前提としているので、曲がり管の後流などでは測定値の安定性や信頼性が保証されない。 In the conventional general ultrasonic flowmeter, an ultrasonic pulse is made to be incident in the flow direction of the fluid in the pipe, and the ultrasonic pulse travels in the pipe at the speed obtained by adding the speed of sound and the flow velocity. The flow velocity is determined, and the average flow velocity is multiplied by the cross-sectional area of the pipe to obtain an average flow rate. However, the above-mentioned ultrasonic flowmeter only obtains an average flow velocity and an average flow rate in the flow direction, and does not consider the flow state (flow velocity distribution in the direction orthogonal to the flow direction). For this reason, the flow velocity distribution in the piping assumes an ideal flow field (assumed), and it is necessary to prepare a measurement environment in line with the assumption, and various setting conditions (constraints) are imposed. Will be In addition, it is necessary to use a so-called profile factor for correcting the deviation of the flow velocity distribution, and it is difficult to guarantee the accuracy from the viewpoint of the calibration and the like. Furthermore, in small diameter tubes, measurement is very difficult, and since the axial symmetry of the flow field is assumed, the stability and reliability of the measured values can not be guaranteed in the wake of a bent tube or the like.
一方、特許文献1には、流体配管内を流れる気体流体の流速分布を超音波パルスを用いて計測する流速分布測定装置が開示されている。この流速分布測定装置では、流体配管の管壁に設置された発信用トランスデューサから当該流体配管を流れる被測定流体へ超音波パルスを出射し、流体配管において対向する管壁に二次元状に設置された複数の受信用トランスデューサにて超音波パルスを検出する。管軸方向に配列された複数の受信用トランスデューサの検出信号から超音波パルスの管軸方向の変位量を検出する。より具体的に、開き角の僅かに異なる2本の測定線を設定して、各測定線について夫々検出される変位量と飛行時間の差分から所定位置の流速を求める。
On the other hand,
しかしながら、特許文献1は、複数の受信用トランスデューサが超音波パルスを検出した後、当該超音波パルスの管軸方向の変位量に基づいて、流れ方向と直交する方向の流速分布(流体配管の軸直交断面の流速分布)を算出し、当該流速分布に基づいて流体配管内を流れる気体流体の流量を算出するものである。従って、演算の複雑化と大容量化を招くとともに、超音波パルスの変位量から流速分布を算出する過程および流速分布から気体流体の流量を算出する過程において演算誤差や外乱要因が加わると気体流体の流量が正確に測定できないおそれがある。
However, according to
本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、測定対象流体の流量を簡単な構成で正確に測定することができる超音波流量測定装置及び超音波流量測定方法を得ることを目的とする。 The present invention is made based on the above-mentioned problem awareness, and an object of the present invention is to obtain an ultrasonic flow measurement device and an ultrasonic flow measurement method capable of accurately measuring the flow of a fluid to be measured with a simple configuration. I assume.
本実施形態の超音波流量測定装置は、測定対象流体が流れる配管に設置されるとともに超音波パルスを出射する送信子と、前記配管に前記送信子と対向して設置されるとともに前記超音波パルスが入射する少なくとも3個の受信子と、前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロの状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく基準音圧分布波形を保持する基準音圧分布波形保持部と、前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロ以外の状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく変動音圧分布波形を取得する変動音圧分布波形取得部と、前記基準音圧分布波形と前記変動音圧分布波形の差分であるシフト量を求めて、当該シフト量を積分することで、前記配管における前記測定対象流体の流量を演算する流量演算部と、を有することを特徴としている。 The ultrasonic flow rate measuring apparatus according to the present embodiment includes a transmitter which is installed in a pipe through which a fluid to be measured flows and which emits an ultrasonic pulse, and which is installed in the pipe so as to face the transmitter. And a reference sound based on the ultrasonic pulse emitted from the transmitter and entering the at least three receivers when the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe is zero. A reference sound pressure distribution waveform holding unit that holds a pressure distribution waveform, and the ultrasonic waves emitted by the transmitter and entering the at least three receivers in a state where the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe is other than zero. A variation sound pressure distribution waveform acquisition unit that obtains a variation sound pressure distribution waveform based on pulses, and a shift amount that is a difference between the reference sound pressure distribution waveform and the variation sound pressure distribution waveform, and the shift amount By integrating, it is characterized by having a flow rate calculation unit for calculating the flow rate of the measurement target fluid in the pipe.
前記受信子は、(2n+1)個(nは2以上の自然数)が設置されており、前記変動音圧分布波形取得部は、前記(2n+1)個の受信子から3個の受信子を選択するための全ての組み合わせ毎に、前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロ以外の状態で前記送信子が出射して前記3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づいて前記変動音圧分布波形を取得し、当該全ての組み合わせ毎の前記変動音圧分布波形を平均化することができる。 The (2 n + 1) (n is a natural number of 2 or more) receivers are installed in the receiver, and the fluctuation sound pressure distribution waveform acquiring unit selects three receivers from the (2 n + 1) receivers. The variation sound pressure is generated based on the ultrasonic pulse emitted from the transmitter and incident on the three receivers in a state where the flow velocity of the fluid to be measured in the piping is other than zero for every combination for all the combinations. A distribution waveform can be obtained, and the fluctuating sound pressure distribution waveform for every combination can be averaged.
前記送信子と前記受信子は、前記配管の内面に設置することができる。 The transmitter and the receiver can be installed on the inner surface of the pipe.
本実施形態の超音波流量測定方法は、測定対象流体が流れる配管に設置されるとともに超音波パルスを出射する送信子と、前記配管に前記送信子と対向して設置されるとともに前記超音波パルスが入射する少なくとも3個の受信子と、を有する超音波流量測定装置による超音波流量測定方法であって、前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロの状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく基準音圧分布波形を保持する基準音圧分布波形保持ステップと、前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロ以外の状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく変動音圧分布波形を取得する変動音圧分布波形取得ステップと、前記基準音圧分布波形と前記変動音圧分布波形の差分であるシフト量を求めて、当該シフト量を積分することで、前記配管における前記測定対象流体の流量を演算する流量演算ステップと、を有することを特徴としている。 In the ultrasonic flow rate measurement method of the present embodiment, a transmitter that is installed in a pipe through which a fluid to be measured flows and that emits ultrasonic pulses, and is installed on the pipe so as to face the transmitter, and the ultrasonic pulse An ultrasonic flow rate measuring method using an ultrasonic flow rate measuring device having at least three receivers on which the light is incident, wherein the transmitter is emitted with the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe being zero. A reference sound pressure distribution waveform holding step of holding a reference sound pressure distribution waveform based on the ultrasonic pulse incident on at least three receivers; and the transmitter in a state where the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe is other than zero. A variable sound pressure distribution waveform acquiring step of acquiring a variable sound pressure distribution waveform based on the ultrasonic pulse emitted and incident on the at least three receivers; the reference sound pressure Calculating a shift amount which is a difference between the cloth waveform and the fluctuating sound pressure distribution waveform, and integrating the shift amount to calculate a flow rate of the fluid to be measured in the pipe; And
本発明によれば、測定対象流体の流量を簡単な構成で正確に測定することができる超音波流量測定装置及び超音波流量測定方法が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain an ultrasonic flow rate measuring device and an ultrasonic flow rate measuring method capable of accurately measuring the flow rate of a fluid to be measured with a simple configuration.
図1〜図9を参照して、本実施形態の超音波流量測定装置1について説明する。超音波流量測定装置1は、例えば、車両のマフラに搭載されて当該マフラ内の排気ガスの流量を測定するために用いられる。また、超音波流量測定装置1は、工場のパイプラインに搭載されて当該パイプライン内のガスの流量を測定するために用いられてもよいし、LNG(Liquefied Natural Gas)タンカーから基地などに液化天然ガスを流す際に当該液化天然ガスの流量を測定するために用いられてもよい。さらに、超音波流量測定装置1は、船舶用エンジンに搭載されて当該船舶用エンジン内の排気の流量を測定するために用いられてもよい。また、超音波流量測定装置1は、ガス等の気体だけでなく、液体の流量測定に適用することもできる。すなわち、超音波流量測定装置1の測定対象が限定されることはなく(自由度があり)、種々の設計変更が可能である。
The ultrasonic flow rate measuring
図1、図2に示すように、超音波流量測定装置1は、測定対象流体G(例えば排気ガス)が流れる配管5(例えば車両のマフラ)の内面に設置される送信側トランスデューサ(送信子)10を有している。送信側トランスデューサ10は、配管5の管軸方向と直交する方向(図中の右方)に向けて、当該管軸直交方向を中心としてある程度の広がり角を持つ超音波パルスを出射する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic flow
図1、図2に示すように、超音波流量測定装置1は、配管5の内面に送信側トランスデューサ10と対向して設置される受信側トランスデューサ(受信子)20を有している。受信側トランスデューサ20は、送信側トランスデューサ10と管軸直交方向(図中の左右方向)に対向する第1の受信側トランスデューサ21、第1の受信側トランスデューサ21より上流側に位置する第2の受信側トランスデューサ22及び第3の受信側トランスデューサ23、並びに、第1の受信側トランスデューサ21より下流側に位置する第4の受信側トランスデューサ24及び第5の受信側トランスデューサ25を有している。第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25には、送信側トランスデューサ10が出射した超音波パルスが入射する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic
送信側トランスデューサ10及び第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25は、互換性を持つ同一規格のトランスデューサで構成することができる。当該トランスデューサは、超音波パルスの出射機能と入射機能を併せ持つ。
The transmitting
ここでは、受信側トランスデューサ20として、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25の5個を設置した場合を例示して説明したが、受信側トランスデューサ20の数はこれに限定されることはなく、種々の設計変更が可能である。すなわち、受信側トランスデューサ20は、少なくとも3個が設置されていればよく、好ましくは(2n+1)個(nは2以上の自然数)が設置されていればよい。また、第1の受信側トランスデューサ21の上流側と下流側に配置する受信側トランスデューサの数を異ならせてもよい(例えば前者を後者より少なくしてもよい)。
Although the case where five of the
図3に示すように、超音波流量測定装置1は、信号発振器30と、検出回路40と、データ取得回路50と、基準音圧分布波形保持部60と、変動音圧分布波形取得部70と、流量演算部80とを有している。
As shown in FIG. 3, the ultrasonic flow
信号発振器30は、送信側トランスデューサ10に供給する発振信号を出力する。信号発振器30における発振信号の基本周波数は、配管5の材料、測定対象流体Gの特性、超音波パルスの広がり等を考慮して決定される。発振信号の信号波形は、鋭角な三角形のパルス信号とすることができ、当該パルス信号の繰り返し周期は、気体音速、配管直径、平均流速等から決定することができる。発振信号(パルス信号)を出力するためのタイミング信号は、同期信号として、受信側トランスデューサ20に送られる。
The
検出回路40は、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25の各出力端に接続されている。図示は省略しているが、検出回路40は、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25から出力される入射超音波強度に応じた大きさの検出信号を増幅する信号増幅器と、信号増幅器の出力のピーク値を読み取るピーク検出回路とを有している。検出回路40は、高速サンプリングレートで流量を求めるために、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25の出力を同時に検出する。検出回路40は、信号発振器30から供給されるタイミング信号に従ってパルス受信タイミングを設定する。
The
データ取得回路50は、例えば、検出回路40が読み取った第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25の出力(ピーク値)を全て収集するデジタル式マルチプレクサによって構成されている。
The
基準音圧分布波形保持部60は、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロの状態で送信側トランスデューサ10が出射して第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25に入射した超音波パルスに基づく基準音圧分布波形を保持する。基準音圧分布波形は、超音波流量測定装置1の製造時にデフォルト設定したものを予め基準音圧分布波形保持部60に保持させてもよいし、超音波流量測定装置1のメンテナンス時に測定して基準音圧分布波形保持部60に保持させてもよい。あるいは、配管5や測定対象流体Gが変わる度に基準音圧分布波形を測定して、基準音圧分布波形保持部60が保持する基準音圧分布波形を更新してもよい。
In the reference sound pressure distribution
基準音圧分布波形保持部60が保持する基準音圧分布波形を測定(更新)する場合、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25から3個の受信側トランスデューサを選択するための全ての組み合わせ毎に、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロ以外の状態で送信側トランスデューサ10が出射して上記3個の受信側トランスデューサに入射した超音波パルスに基づいて基準音圧分布波形を取得し、当該全ての組み合わせ毎の基準音圧分布波形を平均化してもよい。3個の受信側トランスデューサの組み合わせは、以下の10通りがある。
(1)第1の受信側トランスデューサ21、第2の受信側トランスデューサ22、第3の受信側トランスデューサ23
(2)第1の受信側トランスデューサ21、第2の受信側トランスデューサ22、第4の受信側トランスデューサ24
(3)第1の受信側トランスデューサ21、第2の受信側トランスデューサ22、第5の受信側トランスデューサ25
(4)第1の受信側トランスデューサ21、第3の受信側トランスデューサ23、第4の受信側トランスデューサ24
(5)第1の受信側トランスデューサ21、第3の受信側トランスデューサ23、第5の受信側トランスデューサ25
(6)第1の受信側トランスデューサ21、第4の受信側トランスデューサ24、第5の受信側トランスデューサ25
(7)第2の受信側トランスデューサ22、第3の受信側トランスデューサ23、第4の受信側トランスデューサ24
(8)第2の受信側トランスデューサ22、第3の受信側トランスデューサ23、第5の受信側トランスデューサ25
(9)第2の受信側トランスデューサ22、第4の受信側トランスデューサ24、第5の受信側トランスデューサ25
(10)第3の受信側トランスデューサ23、第4の受信側トランスデューサ24、第5の受信側トランスデューサ25
When measuring (updating) the reference sound pressure distribution waveform held by the reference sound pressure distribution
(1) first receiving
(2) The
(3) first receiving
(4) The
(5) The
(6) The
(7)
(8)
(9)
(10) Third receiving
3個の受信側トランスデューサの選択の組み合わせによっては、一部又は全部の受信側トランスデューサの出力が得られないことがあり得る。その場合、当該組み合わせの基準音圧分布波形が無かったものとして、他の組み合わせの基準音圧分布波形の平均をとってもよい。 Depending on the combination of the three receiver transducers selected, the output of some or all of the receiver transducers may not be available. In that case, assuming that the reference sound pressure distribution waveform of the combination is not present, the average of the reference sound pressure distribution waveforms of other combinations may be taken.
変動音圧分布波形取得部70は、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロ以外の状態で送信側トランスデューサ10が出射して第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25に入射した超音波パルスに基づく変動音圧分布波形を取得する。変動音圧分布波形取得部70は、配管5における測定対象流体Gの流れを常時モニタリングしており、時々刻々と移り変わる変動音圧分布波形を取得し続ける。
In the fluctuating sound pressure distribution
変動音圧分布波形取得部70は、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25から3個の受信側トランスデューサを選択するための全ての組み合わせ毎に、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロ以外の状態で送信側トランスデューサ10が出射して上記3個の受信側トランスデューサに入射した超音波パルスに基づいて変動音圧分布波形を取得し、当該全ての組み合わせ毎の変動音圧分布波形を平均化してもよい。3個の受信側トランスデューサの組み合わせは、上述した通りである。
The fluctuating sound pressure distribution
3個の受信側トランスデューサの選択の組み合わせによっては、一部又は全部の受信側トランスデューサの出力が得られないことがあり得る。その場合、当該組み合わせの変動音圧分布波形が無かったものとして、他の組み合わせの変動音圧分布波形の平均をとってもよい。 Depending on the combination of the three receiver transducers selected, the output of some or all of the receiver transducers may not be available. In such a case, it is possible to take an average of other combinations of fluctuating sound pressure distribution waveforms, assuming that there is no fluctuating sound pressure distribution waveform of the combination.
図4は、基準音圧分布波形と変動音圧分布波形の測定手法の一例を示している。図4には、送信側トランスデューサ10が出射した超音波バースト波(Transmitted signal)と、第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25から選択した3個の受信側トランスデューサが取得した受信波形(Received signal, ch1〜ch3)とが描かれている。すなわち、超音波バースト波は、送信側トランスデューサ10に印加した電圧波形を示し、3個の受信波形は、時間遅れで送信側トランスデューサ10の反対側に到達した3個の受信側トランスデューサによる電圧波形を示している。図4において、V1〜V3は、3個の受信波形(ch1〜ch3)の振幅を示している(この例ではV2>V1>V3となっている)。
FIG. 4 shows an example of a method of measuring a reference sound pressure distribution waveform and a fluctuating sound pressure distribution waveform. In FIG. 4, ultrasonic burst waves (Transmitted signals) emitted by the
基準音圧分布波形と変動音圧分布波形の測定に際しては、例えば、数十Hz〜1kHz程度の周波数で、図4に示すような受信波形を繰り返し取得する。超音波バースト波の送信から一定時間の遅れで受信波の電圧波形が観察される。この時間差は、簡単には管内径/音速に相当するが、斜めに進行する波に対しては距離が若干長くなるので、その分の時間差が付加される。信号処理では、例えば、上記時間差または当該時間差に受信センサ波形の立ち上がり時間(センサの一次遅れ)を加えた時刻での音圧をヒルベルト変換による包絡線検出により3つ決定する態様、さらには上記包絡線の最大値を利用する態様などにより、瞬間のシフト量を決定する。以上の操作を繰り返してシフト量の時間平均(平滑化)をとることにより、基準音圧分布波形と変動音圧分布波形が測定される。 In the measurement of the reference sound pressure distribution waveform and the fluctuating sound pressure distribution waveform, for example, a reception waveform as shown in FIG. 4 is repeatedly acquired at a frequency of about several tens Hz to 1 kHz. The voltage waveform of the received wave is observed with a predetermined time delay from the transmission of the ultrasonic burst wave. This time difference simply corresponds to the tube inner diameter / sound velocity, but since the distance is slightly longer for waves traveling obliquely, a time difference corresponding to that is added. In the signal processing, for example, a mode in which three sound pressures at a time obtained by adding the rise time (first delay of the sensor) of the reception sensor waveform to the time difference or the time difference are determined by envelope detection by Hilbert transform, and further The shift amount of the moment is determined by an aspect using the maximum value of the line or the like. The reference sound pressure distribution waveform and the fluctuating sound pressure distribution waveform are measured by repeating the above operation and taking time average (smoothing) of the shift amount.
また、基準音圧分布波形保持部60が保持する基準音圧分布波形および変動音圧分布波形取得部70が取得する変動音圧分布波形は、例えば、次のようにして測定することができる。すなわち、音圧分布はガウス分布で表されるが、そのピーク近傍では二次関数に近似することが可能であるから、少なくとも3個の音圧測定値から、そのピーク中心位置を含む音圧分布波形を推定することができる。図5は、3個の音圧測定値を二次関数に近似(フィッティング)することで音圧分布波形を推定する方法を示している。
Also, the reference sound pressure distribution waveform held by the reference sound pressure distribution
ガウス分布は、中心値近傍で多項式展開すると、以下のように表される。
The Gaussian distribution is expressed as follows when it is subjected to polynomial expansion near the center value.
このため、中心値近傍ではガウス分布を放物線(二次関数)で近似することができる。二次関数は未知係数が3個(a1+a2x+a3x2)であるから、3個の音圧測定値を二次関数に近似(フィッティング)することで音圧分布波形を推定することができる。 Therefore, it is possible to approximate a Gaussian distribution with a parabola (quadric function) in the vicinity of the central value. Since the quadratic function has three unknown coefficients (a 1 + a 2 x + a 3 x 2 ), estimate the sound pressure distribution waveform by fitting (fitting) the three measured sound pressure values to the quadratic function Can.
一方、流速分布の非対称性や飛翔位置が流動方向に角度をもって広がっている場合、純粋な放物線のような対称形から外れてしまうので、本実施形態では、上記対称形から外れた部分を補正するために、より高次の多項式関数を採用している。 On the other hand, if the asymmetry of the flow velocity distribution or the flight position spreads at an angle in the flow direction, it deviates from a symmetrical shape like a pure parabola, so in this embodiment, the part deviated from the symmetrical shape is corrected. In order to use higher order polynomial functions.
より多くの音圧測定値があればより高次の近似解を使用できるので、検出精度の向上が期待できる。例えば、本実施形態のように、(2n+1)個のn=2として、5個の受信側トランスデューサを使えば、四次多項式により、音圧分布波形の非対称性を考慮したフィッティングが可能となり、ピーク中心位置を含む音圧分布波形をより高精度で推定することが可能になる。四次多項式は、例えば、以下のように表される。
Since higher order approximate solutions can be used if there are more sound pressure measurement values, improvement in detection accuracy can be expected. For example, if five receiving transducers are used as (2n + 1) n = 2 as in the present embodiment, the fourth-order polynomial enables fitting in consideration of the asymmetry of the sound pressure distribution waveform, and the peak It becomes possible to estimate the sound pressure distribution waveform including the center position with higher accuracy. The fourth order polynomial is expressed, for example, as follows.
さらに、本実施形態のように、(2n+1)個(nは2以上の自然数)の中から3個の受信側トランスデューサを選択するための全ての組み合わせ(2n+1C3)毎に、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロ以外の状態で送信側トランスデューサ10が出射して上記3個の受信側トランスデューサに入射した超音波パルスに基づいて音圧分布波形を取得し、当該全ての組み合わせ毎の音圧分布波形を平均化することにより、音圧分布波形の検出精度を向上させることができる。特に、配管5における超音波パルスの移動量の変動が大きい場合には、より広い範囲の音圧分布波形を検出できるので、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。
Furthermore, as in this embodiment, (2n + 1) (n is a natural number of 2 or more) for each of all the combinations to select the three receiving side transducers from the (2n + 1 C 3), measured in the pipe 5 A sound pressure distribution waveform is acquired based on the ultrasonic pulse emitted from the transmitting
流量演算部80は、図6に示すように、基準音圧分布波形保持部60が保持する基準音圧分布波形の中心位置と変動音圧分布波形取得部70が取得する変動音圧分布波形のピーク位置の差分であるシフト量Sを求めて、当該シフト量Sを積分することで、配管5における測定対象流体Gの流量を演算する。
As shown in FIG. 6, the flow
配管5における測定対象流体Gの流量をQ、基準音圧分布波形と変動音圧分布波形の差分であるシフト量をS、配管5における測定対象流体Gの流速分布をU、音速をcとすると、以下の各数式が成り立つ。これは、配管5における測定対象流体Gが非軸対称流れの場合を想定している。以下の各数式では、配管5の管軸直交平面内における座標系をx、yとし(配管5の中心が原点)、配管5の管軸方向の座標系をzとしている。
Assuming that the flow rate of the fluid G to be measured in the
まず、流量Qは流速分布Uの面積分で表される。
First, the flow rate Q is represented by the area fraction of the flow velocity distribution U.
次いで、シフト量Sは測定線状の流速の線積分で表され、シフト量Sの分布を積分すると以下のようになる。
Next, the shift amount S is represented by the line integral of the measured linear flow velocity, and the distribution of the shift amount S is integrated as follows.
そして、流量Qはシフト量Sの分布の線積分により求められる。
Then, the flow rate Q is obtained by line integration of the distribution of the shift amount S.
一方、配管5における測定対象流体Gが軸対称流れの場合には、上記に加えて、配管5における測定対象流体Gの平均流速をv、配管5の内径をDとしたときに、以下の各数式が成り立つ。
On the other hand, when the fluid G to be measured in the
まず、シフト量Sは、配管5における流速分布Uを積分することにより求められる。
First, the shift amount S is obtained by integrating the flow velocity distribution U in the
次いで、平均流速vは次の式で表される。
Next, the average flow velocity v is expressed by the following equation.
そして、流量Qは次の式で表される。
Q=v・(πD2/4)
The flow rate Q is expressed by the following equation.
Q = v · (πD 2/ 4)
図7は、配管5の管軸直交断面におけるxy平面上のシフト量Sの分布を示している。図7に示すように、シフト量Sは配管5の管軸直交断面におけるxy平面上でばらつくので、例えば、上述した平均化の手法が有用であると考えられる。
FIG. 7 shows the distribution of the shift amount S on the xy plane in the cross section orthogonal to the pipe axis of the
図8は、送信側トランスデューサ10と受信側トランスデューサ20が配管5の内面に敷き詰められるようにして配置されている構成を示している。すなわち、同一の管軸方向位置に周方向位置を異ならせて設けた複数セットの送信側トランスデューサと受信側トランスデューサにて得られたシフト量Sひいては流量を平均化してもよい。図9は、同一の管軸方向位置に周方向位置を異ならせて設けた3セットの送信側トランスデューサと受信側トランスデューサにて得られたシフト量Sの一例(数値計算結果と実験結果)を示している。
FIG. 8 shows a configuration in which the transmitting
このように、本実施形態によれば、基準音圧分布波形保持部60が、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロの状態で送信側トランスデューサ10が出射して第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25に入射した超音波パルスに基づく基準音圧分布波形を保持し、変動音圧分布波形取得部70が、配管5における測定対象流体Gの流速がゼロ以外の状態で送信側トランスデューサ10が出射して第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25に入射した超音波パルスに基づく変動音圧分布波形を取得し、流量演算部80が、基準音圧分布波形と変動音圧分布波形の差分であるシフト量Sを求めて、当該シフト量Sを積分することで、配管5における測定対象流体Gの流量を演算する。これにより、測定対象流体Gの流量を簡単な構成で正確に測定することが可能になる。
As described above, according to the present embodiment, the reference sound pressure distribution
以上の実施形態では、送信側トランスデューサ10と受信側トランスデューサ20を配管5の内面に設置した場合を例示して説明したが、送信側トランスデューサ10と受信側トランスデューサ20を配管5の外面に設置した所謂クランプオン方式も適用可能である。但し、配管5における超音波パルスの移動量は、配管5の大きさ(直径)にもよるが、通常は非常に小さい(例えば0.1mm〜数mm)ので、少なくとも受信側トランスデューサ20については、配管5の内面に設置した方が良い。なぜなら、クランプオン方式で受信側トランスデューサ20が配管5の外面に設置された場合、配管5の壁面の存在によるビームの屈折量が超音波パルスの移動量と同程度となって、受信側トランスデューサ20の検出精度が低くなってしまうからである。さらに、隣接する第1の受信側トランスデューサ21〜第5の受信側トランスデューサ25の間隔が非常に小さいので、例えば、ある受信側トランスデューサが検出すべき超音波パルスを隣接する別の受信側トランスデューサが検出してしまうといったエラーが発生しやすくなってしまうからである。以上より、配管5の口径が大きく壁面が薄い場合は、クランプオン方式で受信側トランスデューサ20を配管5の外面に設置することも可能であるが、それ以外の場合は、受信側トランスデューサ20を配管5の内面に設置することが好ましい。
Although the above embodiment exemplifies the case where the transmitting
本実施形態の超音波流量計1は、例えば、車両のマフラに搭載されて当該マフラ内の排気ガスの流量を計測するために用いることができる。
The
1 超音波流量計
5 配管
10 送信側トランスデューサ(送信子)
20 受信側トランスデューサ(受信子)
21 第1の受信側トランスデューサ
22 第2の受信側トランスデューサ
23 第3の受信側トランスデューサ
24 第4の受信側トランスデューサ
25 第5の受信側トランスデューサ
30 信号発振器
40 検出回路
50 データ取得回路
60 基準音圧分布波形保持部
70 変動音圧分布波形取得部
80 流量演算部
G 測定対象流体
S シフト量
1
20 Receiver Transducer (Receiver)
21 first receiving
Claims (4)
前記配管に前記送信子と対向して設置されるとともに前記超音波パルスが入射する少なくとも3個の受信子と、
前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロの状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく基準音圧分布波形を保持する基準音圧分布波形保持部と、
前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロ以外の状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく変動音圧分布波形を取得する変動音圧分布波形取得部と、
前記基準音圧分布波形と前記変動音圧分布波形の差分であるシフト量を求めて、当該シフト量を積分することで、前記配管における前記測定対象流体の流量を演算する流量演算部と、
を有することを特徴とする超音波流量測定装置。 A transmitter which is installed in a pipe through which a fluid to be measured flows and which emits an ultrasonic pulse;
At least three receivers disposed in the pipe opposite to the transmitter and on which the ultrasonic pulse is incident;
Reference sound pressure distribution waveform that holds a reference sound pressure distribution waveform based on the ultrasonic pulses emitted from the transmitter and incident on the at least three receivers when the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe is zero A holding unit,
Fluctuating sound pressure distribution for acquiring fluctuating sound pressure distribution waveforms based on the ultrasonic pulses emitted from the transmitter and incident on the at least three receivers in a state where the flow velocity of the fluid to be measured in the piping is other than zero A waveform acquisition unit,
A flow rate calculating unit which calculates a flow rate of the fluid to be measured in the pipe by calculating a shift amount which is a difference between the reference sound pressure distribution waveform and the fluctuating sound pressure distribution waveform, and integrating the shift amount;
An ultrasonic flow measuring device characterized by having.
前記変動音圧分布波形取得部は、前記(2n+1)個の受信子から3個の受信子を選択するための全ての組み合わせ毎に、前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロ以外の状態で前記送信子が出射して前記3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づいて前記変動音圧分布波形を取得し、当該全ての組み合わせ毎の前記変動音圧分布波形を平均化する、
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波流量測定装置。 The (2 n + 1) (where n is a natural number of 2 or more) receivers are installed.
The fluctuating sound pressure distribution waveform acquiring unit is configured such that the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe is other than zero for every combination for selecting three receivers from the (2n + 1) receivers. Acquiring the fluctuating sound pressure distribution waveform based on the ultrasonic pulse emitted from the transmitter and incident on the three receptive members, and averaging the fluctuating sound pressure distribution waveform for all the combinations;
The ultrasonic flow measurement device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の超音波流量測定装置。 The transmitter and the receiver are disposed on the inner surface of the pipe,
The ultrasonic flow measurement device according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記配管に前記送信子と対向して設置されるとともに前記超音波パルスが入射する少なくとも3個の受信子と、
を有する超音波流量測定装置による超音波流量測定方法であって、
前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロの状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく基準音圧分布波形を保持する基準音圧分布波形保持ステップと、
前記配管における前記測定対象流体の流速がゼロ以外の状態で前記送信子が出射して前記少なくとも3個の受信子に入射した前記超音波パルスに基づく変動音圧分布波形を取得する変動音圧分布波形取得ステップと、
前記基準音圧分布波形と前記変動音圧分布波形の差分であるシフト量を求めて、当該シフト量を積分することで、前記配管における前記測定対象流体の流量を演算する流量演算ステップと、
を有することを特徴とする超音波流量測定方法。 A transmitter which is installed in a pipe through which a fluid to be measured flows and which emits an ultrasonic pulse;
At least three receivers disposed in the pipe opposite to the transmitter and on which the ultrasonic pulse is incident;
A method of ultrasonic flow measurement with an ultrasonic flow measurement device having
Reference sound pressure distribution waveform that holds a reference sound pressure distribution waveform based on the ultrasonic pulses emitted from the transmitter and incident on the at least three receivers when the flow velocity of the fluid to be measured in the pipe is zero Holding step,
Fluctuating sound pressure distribution for acquiring fluctuating sound pressure distribution waveforms based on the ultrasonic pulses emitted from the transmitter and incident on the at least three receivers in a state where the flow velocity of the fluid to be measured in the piping is other than zero Waveform acquisition step,
A flow rate calculating step of calculating a flow rate of the fluid to be measured in the pipe by calculating a shift amount which is a difference between the reference sound pressure distribution waveform and the fluctuating sound pressure distribution waveform and integrating the shift amount;
An ultrasonic flow rate measuring method characterized by having.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018029502A JP6876643B2 (en) | 2018-02-22 | 2018-02-22 | Ultrasonic flow measuring device and ultrasonic flow measuring method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018029502A JP6876643B2 (en) | 2018-02-22 | 2018-02-22 | Ultrasonic flow measuring device and ultrasonic flow measuring method |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018506644A Division JP6321316B1 (en) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | Ultrasonic flow measuring device and ultrasonic flow measuring method |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019090777A true JP2019090777A (en) | 2019-06-13 |
JP2019090777A5 JP2019090777A5 (en) | 2020-12-24 |
JP6876643B2 JP6876643B2 (en) | 2021-05-26 |
Family
ID=66836272
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018029502A Active JP6876643B2 (en) | 2018-02-22 | 2018-02-22 | Ultrasonic flow measuring device and ultrasonic flow measuring method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6876643B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115792273A (en) * | 2022-11-02 | 2023-03-14 | 清华大学 | Method for measuring fluid flow rate, flow measuring device and computer storage medium |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59161035U (en) * | 1983-04-14 | 1984-10-29 | オムロン株式会社 | ultrasonic flow meter |
JP2003254987A (en) * | 2002-02-27 | 2003-09-10 | Tokyo Gas Co Ltd | Capacitance type flow velocity detecting device using temperature fluctuation and capacitance type flow rate detecting device using temperature fluctuation |
WO2005031368A2 (en) * | 2003-09-26 | 2005-04-07 | Robert Bosch Gmbh | Ultrasound flow sensor provided with a transducer array |
WO2008004560A1 (en) * | 2006-07-04 | 2008-01-10 | Yasushi Takeda | Flow velocity measurement device and ultrasonic flow rate meter |
JP2017075834A (en) * | 2015-10-14 | 2017-04-20 | 東京電力ホールディングス株式会社 | Flow rate measurement device and flow rate measurement method |
-
2018
- 2018-02-22 JP JP2018029502A patent/JP6876643B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59161035U (en) * | 1983-04-14 | 1984-10-29 | オムロン株式会社 | ultrasonic flow meter |
JP2003254987A (en) * | 2002-02-27 | 2003-09-10 | Tokyo Gas Co Ltd | Capacitance type flow velocity detecting device using temperature fluctuation and capacitance type flow rate detecting device using temperature fluctuation |
WO2005031368A2 (en) * | 2003-09-26 | 2005-04-07 | Robert Bosch Gmbh | Ultrasound flow sensor provided with a transducer array |
WO2008004560A1 (en) * | 2006-07-04 | 2008-01-10 | Yasushi Takeda | Flow velocity measurement device and ultrasonic flow rate meter |
JP2017075834A (en) * | 2015-10-14 | 2017-04-20 | 東京電力ホールディングス株式会社 | Flow rate measurement device and flow rate measurement method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115792273A (en) * | 2022-11-02 | 2023-03-14 | 清华大学 | Method for measuring fluid flow rate, flow measuring device and computer storage medium |
CN115792273B (en) * | 2022-11-02 | 2024-02-23 | 清华大学 | Method for measuring fluid flow rate, flow measuring device and computer storage medium |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6876643B2 (en) | 2021-05-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103542901B (en) | A kind of flowmeter | |
WO2008004560A1 (en) | Flow velocity measurement device and ultrasonic flow rate meter | |
JPH10104039A (en) | Measuring apparatus for multichannel flow rate | |
JP2012509473A (en) | Method and apparatus for calibrating a measurement transducer of an ultrasonic flow measurement unit | |
KR20160029656A (en) | Ultrasonic flowmeter and method for measuring flow rate | |
CN114001804B (en) | Calibration method and system of ultrasonic metering device based on time difference method | |
JP4535065B2 (en) | Doppler ultrasonic flow meter | |
JP2007187506A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
CN214583449U (en) | High-precision wide-range ultrasonic flow measuring device | |
JP2006078362A (en) | Coaxial-type doppler ultrasonic current meter | |
JP6876643B2 (en) | Ultrasonic flow measuring device and ultrasonic flow measuring method | |
WO2019097570A1 (en) | Ultrasonic flow-rate measurement device and ultrasonic flow-amount measurement method | |
JP2007051913A (en) | Correction method for ultrasonic flowmeter | |
KR101764870B1 (en) | Signal processing system for ultrasonic floemeter | |
JP2010256075A (en) | Flowmeter and method of measuring flow rate | |
JP2018138891A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
CN102967334A (en) | System and method for measuring fluid flow through utilizing signal envelope curve processing | |
AU2015249080A1 (en) | Apparatus and a method for providing a time measurement | |
JP6652840B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
US10571320B2 (en) | Flow measurement using ultrasound to detect a time of flight difference using noise measurements | |
JP6187343B2 (en) | Ultrasonic measuring instrument | |
JP5316795B2 (en) | Ultrasonic measuring instrument | |
JP2005091332A (en) | Ultrasonic flowmeter | |
CN107532933B (en) | Method for determining the transit time of an ultrasonic pulse train, in particular in an ultrasonic flow meter, flow meter | |
JP4561071B2 (en) | Flow measuring device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201105 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201105 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210420 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210426 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6876643 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE Ref document number: 6876643 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |