JP2023113206A

JP2023113206A - Ultrasonic flow meter and flow rate measurement method

Info

Publication number: JP2023113206A
Application number: JP2022015389A
Authority: JP
Inventors: 紘久矢吹; Hirohisa Yabuki; 博史東條; Hiroshi Tojo
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2022-02-03
Filing date: 2022-02-03
Publication date: 2023-08-16

Abstract

To improve accuracy in ultrasonic flow measurement.SOLUTION: An ultrasonic flow meter comprises: an ultrasonic wave element array 11 attached to a pipeline 10; a transmission part 12 transmitting an ultrasonic wave from the ultrasonic wave element array 11 into the pipeline 10; a flow velocity profile generation part 14 generating a flow velocity profile on the basis of an ultrasonic reflection signal; a reflection signal intensity profile generation part 15 generating a reflection signal intensity profile on the basis of intensity of the ultrasonic reflection signal; an interface estimation part 16 estimating a position of a boundary in fluid on the basis of the reflection signal intensity profile; and a flow rate calculation part 17 calculating a flow rate for each fluid layer on the basis of the flow velocity profile and the position of boundary. The transmission part 12 transmits ultrasonic waves in a plurality of directions within the pipeline 10. The flow velocity profile generation part 14 generates the flow velocity profile on the basis of the reflection signal of ultrasonic wave transmitted in at least one of the plurality of directions.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流量を計測する超音波流量計および流量計測方法に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic flowmeter and a flow rate measuring method for measuring the flow rate of a fluid using ultrasonic waves.

１つの超音波センサを用いて、流体中の超音波反射体（気泡など）からの反射信号に基づいて流速プロファイルを生成し、反射信号の受信強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成し、反射信号強度プロファイルに基づいて多相流体中の界面位置を特定して、流速プロファイルと界面位置とに基づいて、多相流体中の各流体の流量を計測する超音波流量計が提案されている（特許文献１参照）。 Using one ultrasonic sensor, a flow velocity profile is generated based on reflected signals from ultrasonic reflectors (bubbles, etc.) in the fluid, a reflected signal intensity profile is generated based on the received intensity of the reflected signals, and the reflected An ultrasonic flowmeter has been proposed that identifies the interface position in the multiphase fluid based on the signal intensity profile and measures the flow rate of each fluid in the multiphase fluid based on the flow velocity profile and the interface position ( See Patent Document 1).

特許文献１に開示された技術では、層毎の流量を計測できるが、１つの超音波センサを用いており、超音波の信号に指向性がないために複数の反射体から反射信号が得られ、異常値（ノイズ）に相当する信号も同時に取得してしまうという課題があった。流量計測の用途によっては、可能な限りの高精度な計測が要求されるケースがあり、常に改善が求められている。 The technique disclosed in Patent Document 1 can measure the flow rate for each layer, but uses one ultrasonic sensor, and since the ultrasonic signal has no directivity, reflected signals are obtained from a plurality of reflectors. , there is a problem that signals corresponding to abnormal values (noise) are also acquired at the same time. Depending on the application of flow rate measurement, there are cases where the highest possible measurement accuracy is required, and improvement is always required.

特開２０１６－１３６１０３号公報JP 2016-136103 A

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、超音波流量計測の計測精度を改善することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to improve the measurement accuracy of ultrasonic flow measurement.

本発明の超音波流量計は、計測対象の流体が流れる配管と、前記配管に取り付けられた超音波素子アレイと、前記超音波素子アレイから前記配管内に超音波を送信させるように構成された送信部と、前記流体中の反射体から受信した超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成するように構成された流速プロファイル生成部と、前記超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成するように構成された反射信号強度プロファイル生成部と、前記反射信号強度プロファイルに基づいて前記流体中の界面の位置を推定するように構成された界面推定部と、前記流速プロファイルと前記界面の位置とに基づいて前記流体の層毎に流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、前記送信部は、前記超音波素子アレイから前記配管内の複数の方向に超音波を送信させ、前記流速プロファイル生成部は、前記複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成することを特徴とするものである。 An ultrasonic flowmeter of the present invention comprises a pipe through which a fluid to be measured flows, an ultrasonic element array attached to the pipe, and ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element array into the pipe. a transmitter, a flow velocity profile generator configured to generate a flow velocity profile based on reflected ultrasonic signals received from reflectors in the fluid, and a reflected signal intensity profile based on the intensity of the reflected ultrasonic signals. an interface estimator configured to estimate a position of an interface in the fluid based on the reflected signal intensity profile; and the flow velocity profile and the interface and a flow rate calculation unit configured to calculate a flow rate for each layer of the fluid based on the position of the and the flow velocity profile generator generates the flow velocity profile based on the reflected signal of the ultrasonic wave transmitted in at least one of the plurality of directions.

また、本発明の超音波流量計の１構成例において、前記流速プロファイル生成部は、前記複数の方向のうち反射体が存在すると推定される既知の方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成することを特徴とするものである。
また、本発明の超音波流量計の１構成例は、前記超音波素子アレイの上流と下流のうち少なくとも一方に配置され、前記流体内に気泡を発生させるように構成された気泡発生器をさらに備えることを特徴とするものである。 Further, in one configuration example of the ultrasonic flowmeter of the present invention, the flow velocity profile generation unit is based on the reflected signal of the ultrasonic wave transmitted in a known direction in which a reflector is estimated to exist among the plurality of directions. to generate the flow velocity profile.
Further, one configuration example of the ultrasonic flowmeter of the present invention further includes a bubble generator arranged at least one of upstream and downstream of the ultrasonic element array and configured to generate bubbles in the fluid. It is characterized by having

また、本発明の流量計測方法は、計測対象の流体が流れる配管に取り付けられた超音波素子アレイから前記配管内に超音波を送信させる第１のステップと、前記流体中の反射体から受信した超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する第２のステップと、前記超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する第３のステップと、前記反射信号強度プロファイルに基づいて前記流体中の界面の位置を推定する第４のステップと、前記流速プロファイルと前記界面の位置とに基づいて前記流体の層毎に流量を算出する第５のステップとを含み、前記第１のステップは、前記超音波素子アレイから前記配管内の複数の方向に超音波を送信させるステップを含み、前記第２のステップは、前記複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて前記流速プロファイルを生成するステップを含むことを特徴とするものである。 Further, the flow measurement method of the present invention includes a first step of transmitting ultrasonic waves from an ultrasonic element array attached to a pipe through which a fluid to be measured flows into the pipe, and ultrasonic waves received from a reflector in the fluid. a second step of generating a flow velocity profile based on the reflected ultrasound signal; a third step of generating a reflected signal intensity profile based on the intensity of the reflected ultrasound signal; a fourth step of estimating a position of an interface in the fluid; and a fifth step of calculating a flow rate for each layer of said fluid based on said flow velocity profile and said position of said interface; includes the step of transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic element array in a plurality of directions within the pipe, and the second step includes reflecting the ultrasonic waves transmitted in at least one of the plurality of directions Generating the flow velocity profile based on the signal.

本発明によれば、超音波素子アレイから配管内の複数の方向に超音波を送信させ、複数の方向のうち少なくとも１つの方向に送信された超音波の反射信号に基づいて流速プロファイルを生成することにより、超音波流量計測の計測精度を改善することができる。 According to the present invention, ultrasonic waves are transmitted from an ultrasonic element array in a plurality of directions within a pipe, and a flow velocity profile is generated based on a reflected signal of the ultrasonic waves transmitted in at least one of the plurality of directions. Thereby, the measurement accuracy of ultrasonic flow measurement can be improved.

図１は、本発明の第１の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic flowmeter according to a first embodiment of the invention. 図２は、本発明の第１の実施例に係る超音波流量計の動作を説明するフローチャートである。FIG. 2 is a flow chart explaining the operation of the ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention. 図３は、本発明の第２の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic flowmeter according to a second embodiment of the invention. 図４は、本発明の第１、第２の実施例に係る超音波流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of a computer that implements the ultrasonic flowmeters according to the first and second embodiments of the present invention.

［発明の原理］
特許文献１に開示された技術では、同時に複数（多数）の反射体から反射信号が得られるため、統計的な平均値として流量が計測されることになる。概ね均一に反射体が分布する計測対象を前提とするならば、統計的な信頼性はあるが、均一性が不十分であることを前提とするならば、異常値（ノイズ）に相当する信号要素が含まれる。ここに、計測精度を改善する余地があることを突き止めた。 [Principle of Invention]
In the technique disclosed in Patent Literature 1, reflection signals are obtained from a plurality (a large number) of reflectors at the same time, so the flow rate is measured as a statistical average value. Assuming that the object to be measured has roughly uniform distribution of reflectors, there is statistical reliability. element is included. Here, we have found that there is room for improvement in the measurement accuracy.

そして、発明者は、指向性があり方向調整可能なビームで超音波を送信できる素子を採用すれば、局所的な計測ができることに想到した。単一素子では、同時に複数の反射体から異常値相当の信号要素を取得してしまうが、指向性のある超音波を送信できる素子により、送信信号を特定（推定）可能な「信頼性の高い反射体の方向」に限定することができる。送信信号を特定の方向に限定することにより、反射体の位置特定が容易になり、単一素子と比較して正確な流速プロファイルを生成することが可能となることに想到した。また、反射体が均一に分布していないような場合でも、複数の方向に超音波を送信し、反射体からの反射信号が十分に得られる方向を一つ以上選択することで、流速プロファイルを作成することが可能である。 The inventor then conceived that local measurement would be possible by adopting an element capable of transmitting ultrasonic waves in a directional and direction-adjustable beam. With a single element, signal elements equivalent to abnormal values are obtained from multiple reflectors at the same time. direction of the reflector". It was realized that by confining the transmitted signal to a particular direction, the reflector could be easily localized and produce an accurate velocity profile compared to a single element. In addition, even if the reflectors are not uniformly distributed, the flow velocity profile can be obtained by transmitting ultrasonic waves in multiple directions and selecting one or more directions in which the reflected signals from the reflectors can be sufficiently obtained. It is possible to create

本発明のように、流体中の反射体の分布の均一性が不十分であることを前提にできるのであれば、流体中の反射体が少ない場合に、超音波素子の近傍で例えば気泡発生器を用いて気泡を発生させて反射体として利用することも可能である。 As in the present invention, if it can be assumed that the uniformity of the distribution of reflectors in the fluid is insufficient, when there are few reflectors in the fluid, for example, a bubble generator It is also possible to generate air bubbles using and use them as reflectors.

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。超音波流量計は、計測対象の流体が流れる配管１０と、配管１０に取り付けられた超音波素子アレイ１１と、超音波素子アレイ１１から配管１０内に超音波を送信させる送信部１２と、超音波素子アレイ１１が受信した超音波反射信号を増幅する受信部１３と、超音波反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する流速プロファイル生成部１４と、超音波反射信号の強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する反射信号強度プロファイル生成部１５と、反射信号強度プロファイルに基づいて流体中の界面の位置を推定する界面推定部１６と、流速プロファイルと界面の位置とに基づいて流体の層毎に流量を算出する流量算出部１７と、流量算出部１７による算出結果を出力する出力部１８とを備えている。 [First embodiment]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic flowmeter according to the first embodiment of the present invention. The ultrasonic flowmeter includes a pipe 10 through which a fluid to be measured flows, an ultrasonic element array 11 attached to the pipe 10, a transmission unit 12 for transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic element array 11 into the pipe 10, an ultrasonic A receiving unit 13 that amplifies the reflected ultrasonic signal received by the acoustic wave element array 11, a flow velocity profile generating unit 14 that generates a flow velocity profile based on the reflected ultrasonic signal, and a reflected signal intensity based on the intensity of the reflected ultrasonic signal. A reflected signal intensity profile generator 15 that generates a profile, an interface estimator 16 that estimates the position of the interface in the fluid based on the reflected signal intensity profile, and a fluid layer based on the flow velocity profile and the position of the interface. A flow rate calculation unit 17 for calculating a flow rate and an output unit 18 for outputting the calculation result of the flow rate calculation unit 17 are provided.

超音波素子アレイ１１は、配管１０の外側に取り付けられる（クランプオン方式）。この場合、超音波素子アレイ１１から送出された超音波は、配管１０の管壁を透過して配管１０内の流体に入射し、流体中の気泡などの反射体２０からの超音波反射信号が管壁を透過して超音波素子アレイ１１に到達する。ただし、超音波素子アレイ１１が配管１０の内側に露出する取り付け方法を採用してもよい。 The ultrasonic element array 11 is attached to the outside of the pipe 10 (clamp-on method). In this case, the ultrasonic waves emitted from the ultrasonic element array 11 pass through the pipe wall of the pipe 10 and enter the fluid in the pipe 10, and the reflected ultrasonic waves from the reflector 20 such as air bubbles in the fluid are reflected. It passes through the tube wall and reaches the ultrasonic element array 11 . However, a mounting method in which the ultrasonic element array 11 is exposed inside the pipe 10 may be adopted.

超音波素子アレイ１１は、超音波を送受信することが可能な複数の超音波素子が１次元または２次元に配置された構成からなる。各超音波素子から放射される超音波に位相差を持たせることで超音波を干渉させ、超音波ビームの形成が可能となる。また、位相差を調整することによって超音波ビームを任意の方向に伝搬させることもできる。超音波ビームを形成することで、特定の反射体２０を狙うことができ、配管１０の軸と超音波ビームの軸とのなす角（例えば図１中のθ₁、θ₂）を制御することで、配管１０内の特定の方向にある反射体２０を狙って超音波反射信号を取得することが可能となる。 The ultrasonic element array 11 has a configuration in which a plurality of ultrasonic elements capable of transmitting and receiving ultrasonic waves are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. By giving a phase difference to the ultrasonic waves radiated from each ultrasonic element, the ultrasonic waves are caused to interfere with each other, and an ultrasonic beam can be formed. Also, the ultrasonic beam can be propagated in any direction by adjusting the phase difference. By forming an ultrasonic beam, it is possible to target a specific reflector 20, and to control the angle between the axis of the pipe 10 and the axis of the ultrasonic beam (for example, θ ₁ and θ ₂ in FIG. 1). , it becomes possible to acquire the reflected ultrasonic signal by targeting the reflector 20 in a specific direction in the pipe 10 .

図２は本実施例の超音波流量計の動作を説明するフローチャートである。送信部１２は、超音波素子アレイ１１に対して駆動用のパルス信号を供給する。これにより、超音波素子アレイ１１は、送信部１２からのパルス信号に応じて、配管１０内を流れる流体に対して超音波を送信する（図２ステップＳ１００）。このとき、送信部１２は、超音波素子アレイ１１の各超音波素子に与えるパルス信号に位相差を与えることで超音波の送信方向を制御する。 FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the ultrasonic flowmeter of this embodiment. The transmitter 12 supplies driving pulse signals to the ultrasonic element array 11 . As a result, the ultrasonic element array 11 transmits ultrasonic waves to the fluid flowing through the pipe 10 according to the pulse signal from the transmitter 12 (step S100 in FIG. 2). At this time, the transmission unit 12 controls the transmission direction of the ultrasonic wave by giving a phase difference to the pulse signal given to each ultrasonic element of the ultrasonic element array 11 .

超音波素子アレイ１１は、超音波反射信号を受信する。受信部１３は、超音波素子アレイ１１が受信した超音波反射信号を増幅して出力する（図２ステップＳ１０１）。
次に、送信部１２は、超音波の送信方向を変更する（図２ステップＳ１０２）。こうして、ステップＳ１００～Ｓ１０２の処理を繰り返し実行し、複数の方向（例えば図１の角度θ₁，θ₂，θ₃の方向）に超音波を送信する。 The ultrasonic element array 11 receives ultrasonic reflected signals. The receiving unit 13 amplifies and outputs the reflected ultrasonic signal received by the ultrasonic element array 11 (step S101 in FIG. 2).
Next, the transmitter 12 changes the transmission direction of the ultrasonic waves (step S102 in FIG. 2). In this way, the processing of steps S100 to S102 is repeatedly executed to transmit ultrasonic waves in a plurality of directions (for example, directions of angles θ ₁ , θ ₂ and θ ₃ in FIG. 1).

予め定められた複数の方向について超音波の送受信が終了した後に（図２ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、反射信号強度プロファイル生成部１５は、予め定められた界面判定用の方向に超音波を送信した時刻から超音波反射信号を受信した時刻までの伝搬時間と、その超音波反射信号の強度とに基づいて、反射信号強度プロファイルを生成する（図２ステップＳ１０４）。 After the transmission and reception of ultrasonic waves in a plurality of predetermined directions is completed (YES in step S103 in FIG. 2), the reflected signal intensity profile generation unit 15 calculates the time when the ultrasonic waves are transmitted in the predetermined direction for interface determination. A reflected signal intensity profile is generated based on the propagation time from 1 to the time when the reflected ultrasonic signal is received and the intensity of the reflected ultrasonic signal (step S104 in FIG. 2).

伝搬時間は、超音波素子アレイ１１から反射体２０までの距離、すなわち反射体２０の配管１０内の径方向の位置に対応する。反射体２０による反射は、配管１０内の各所で起こるため、配管１０内の径方向について反射信号強度分布を表す反射信号強度プロファイルを得ることができる。本実施例では、例えば超音波素子アレイ１１の直上の方向（図１の角度θ₃の方向）を、界面判定用の方向とする。 The propagation time corresponds to the distance from the ultrasonic element array 11 to the reflector 20 , that is, the radial position of the reflector 20 inside the pipe 10 . Reflection by the reflector 20 occurs at various locations within the pipe 10, so a reflected signal intensity profile representing the reflected signal intensity distribution in the radial direction within the pipe 10 can be obtained. In this embodiment, for example, the direction directly above the ultrasonic element array 11 (the direction of the angle θ ₃ in FIG. 1) is used as the direction for interface determination.

続いて、流速プロファイル生成部１４は、予め定められた特定の流速プロファイル生成用の方向に超音波を送信した時刻から超音波反射信号を受信した時刻までの伝搬時間と、超音波反射信号の周波数の変化量とに基づいて、流速プロファイルを生成する（図２ステップＳ１０５）。 Subsequently, the flow velocity profile generation unit 14 determines the propagation time from the time when the ultrasonic wave is transmitted in a predetermined specific direction for flow velocity profile generation to the time when the ultrasonic reflected signal is received, and the frequency of the ultrasonic reflected signal. A flow velocity profile is generated based on the amount of change in and (step S105 in FIG. 2).

上記のとおり、伝搬時間は、反射体２０の配管１０内の径方向の位置に対応する。反射体２０からの超音波反射信号は、ドップラー効果により、反射体２０の移動速度に応じて周波数が変化するため、周波数の変化量を検出することで、配管１０内を流れる流体の速度を求めることができる。反射体２０による反射は、配管１０内の各所で起こるため、配管１０内の径方向についての流体の流速プロファイルを求めることができる。 As noted above, the propagation time corresponds to the radial position of the reflector 20 within the pipe 10 . Since the frequency of the ultrasonic reflected signal from the reflector 20 changes according to the moving speed of the reflector 20 due to the Doppler effect, the speed of the fluid flowing through the pipe 10 can be obtained by detecting the amount of change in frequency. be able to. Reflection by the reflector 20 occurs at various locations within the pipe 10, so the flow velocity profile of the fluid in the radial direction within the pipe 10 can be obtained.

なお、本実施例では、流速プロファイルをドップラー法によって求めているが、他の方法によって流速プロファイルを求めるようにしてもよい。
また、本実施例では、特定の１つの流速プロファイル生成用の方向として、既知の、信頼性の高い反射体２０が存在すると推定される方向が予め設定されている。 In this embodiment, the flow velocity profile is obtained by the Doppler method, but the flow velocity profile may be obtained by other methods.
In addition, in this embodiment, a direction in which a known and highly reliable reflector 20 is estimated to exist is set in advance as a direction for generating a specific flow velocity profile.

次に、界面推定部１６は、反射信号強度プロファイル生成部１５によって生成された反射信号強度プロファイルに基づいて、配管１０内を流れる流体中の界面の個数と界面の位置とを推定する（図２ステップＳ１０６）。 Next, the interface estimating unit 16 estimates the number of interfaces and the positions of the interfaces in the fluid flowing through the pipe 10 based on the reflected signal intensity profile generated by the reflected signal intensity profile generating unit 15 (Fig. 2 step S106).

配管１０内を流れる流体が多相流の場合、反射信号強度プロファイルが、流体中の界面の位置で大きくなる。そこで、界面推定部１６は、反射信号強度プロファイルが表す反射信号強度が所定の閾値を超える極大値の位置に、流体中の界面が存在すると推定することができる。なお、配管１０の内壁に対応する既知の位置においても反射信号強度に極大値が現れるが、この極大値が界面の検出対象から除外されることは言うまでもない。
また、界面推定部１６は、配管１０の内壁に対応する位置以外に反射信号強度が閾値を超える極大値がない場合には、界面無しと推定する。 When the fluid flowing through the pipe 10 is a multiphase flow, the reflected signal intensity profile increases at the position of the interface in the fluid. Therefore, the interface estimator 16 can estimate that the interface in the fluid exists at the position where the reflected signal intensity represented by the reflected signal intensity profile exceeds a predetermined threshold value. Although a maximum value appears in the reflected signal intensity at a known position corresponding to the inner wall of the pipe 10, it is needless to say that this maximum value is excluded from the interface detection target.
Further, the interface estimating unit 16 estimates that there is no interface when there is no maximum value of the reflected signal intensity exceeding the threshold at a position other than the position corresponding to the inner wall of the pipe 10 .

次に、流量算出部１７は、流速プロファイル生成部１４によって生成された流速プロファイルと、界面推定部１６によって推定された界面の個数と界面の位置とに基づいて、配管１０内を流れる流体の層毎に流量を算出する（図２ステップＳ１０７）。このステップＳ１０７の処理について詳細に説明する。 Next, the flow rate calculation unit 17 calculates a layer of fluid flowing through the pipe 10 based on the flow velocity profile generated by the flow velocity profile generation unit 14 and the number and positions of the interfaces estimated by the interface estimation unit 16. The flow rate is calculated every time (step S107 in FIG. 2). The processing of this step S107 will be described in detail.

まず、流量算出部１７は、配管１０の内部を、界面推定部１６によって推定された界面の個数と界面の位置とに基づいて最上層、中間層、最下層に分ける。界面の個数が１つの場合には、最上層と最下層のみの２層となる。また、界面の個数が２以上の場合には、１乃至複数の中間層が存在する。 First, the flow rate calculator 17 divides the inside of the pipe 10 into a top layer, an intermediate layer, and a bottom layer based on the number of interfaces estimated by the interface estimation unit 16 and the positions of the interfaces. When the number of interfaces is one, there are only two layers, the uppermost layer and the lowermost layer. Also, when the number of interfaces is two or more, one or more intermediate layers are present.

続いて、流量算出部１７は、最上層を配管１０の径方向に沿ってさらに複数の分割領域に分割し、分割領域毎の断面積を算出する。分割領域の断面積は、配管１０の内半径と、配管１０の径方向の分割領域の高さとから算出することが可能である。流量算出部１７は、分割領域における流体の流速を流速プロファイルから求め、この流速に分割領域の断面積を掛けることで分割領域の流量を算出することができる。このような流量算出を最上層の分割領域毎に行い、全分割領域の流量を加算することで、最上層の流量を算出することができる。
以上のような流量算出を、最上層、中間層、最下層の層毎に行えばよい。 Subsequently, the flow rate calculator 17 further divides the uppermost layer into a plurality of divided areas along the radial direction of the pipe 10, and calculates the cross-sectional area of each divided area. The cross-sectional area of the divided region can be calculated from the inner radius of the pipe 10 and the height of the divided region in the radial direction of the pipe 10 . The flow rate calculator 17 can calculate the flow rate of the divided area by obtaining the flow velocity of the fluid in the divided area from the flow velocity profile and multiplying the flow velocity by the cross-sectional area of the divided area. By performing such a flow rate calculation for each divided region of the uppermost layer and adding the flow rates of all the divided regions, the flow rate of the uppermost layer can be calculated.
The flow rate calculation as described above may be performed for each of the uppermost layer, the intermediate layer, and the lowermost layer.

次に、出力部１８は、流量算出部１７による算出結果を出力する（図２ステップＳ１０８）。出力方法としては、例えば流量の表示、流量データの外部への送信などがある。超音波流量計は、ステップＳ１００～Ｓ１０８の処理を一定時間毎に行う。
こうして、本実施例では、超音波流量計測の計測精度を改善することができる。 Next, the output unit 18 outputs the calculation result by the flow rate calculation unit 17 (step S108 in FIG. 2). Output methods include, for example, display of flow rate and transmission of flow rate data to the outside. The ultrasonic flowmeter performs the processes of steps S100 to S108 at regular time intervals.
Thus, in this embodiment, the measurement accuracy of ultrasonic flow measurement can be improved.

本実施例では、超音波素子アレイ１１から配管１０内の複数の方向に事前に超音波を送信し、反射信号を取得することにより、配管１０内のどの方向に反射体が存在するかを事前に特定することが可能となる。したがって、流量計測の際には、事前に特定した方向に超音波を送信することができ、ノイズ要素を低減した流速プロファイルを得ることができる。 In this embodiment, ultrasonic waves are transmitted in advance from the ultrasonic element array 11 in a plurality of directions in the pipe 10, and reflected signals are acquired, thereby preliminarily determining in which direction the reflector exists in the pipe 10. can be specified. Therefore, when measuring the flow rate, ultrasonic waves can be transmitted in a predetermined direction, and a flow velocity profile with reduced noise elements can be obtained.

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は本発明の第２の実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。第１の実施例では、流体内に気泡などの反射体があることを前提としていた。 [Second embodiment]
Next, a second embodiment of the invention will be described. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic flowmeter according to a second embodiment of the invention. In the first embodiment, it is assumed that there are reflectors such as air bubbles in the fluid.

本実施例では、流体内部に反射体が少なく、流速分布プロファイルを作成することが困難な場合を想定し、気泡発生器１９によって流体内に気泡を発生させるようにしている。これにより、本実施例では、流体内の反射体２０を増やすことができる。気泡発生器１９は、超音波素子アレイ１１からの超音波が届く位置であれば、超音波素子アレイ１１の付近の上流と下流のうちどちらか一方に配置すればよく、上流と下流の両方に配置してもよい。その他の構成は第１の実施例で説明したとおりである。 In this embodiment, assuming that there are few reflectors inside the fluid and it is difficult to create a flow velocity distribution profile, the bubble generator 19 generates bubbles in the fluid. Thereby, in this embodiment, the number of reflectors 20 in the fluid can be increased. The bubble generator 19 may be placed either upstream or downstream near the ultrasonic element array 11 as long as the ultrasonic waves from the ultrasonic element array 11 can reach it. may be placed. Other configurations are as described in the first embodiment.

本実施例では、気泡の位置が気泡発生器１９の方向に限定されるため、配管１０内のどの方向に反射体が存在するかを事前に特定する際に調査の方向を気泡発生器１９の設置方向に限定することが可能となり、効率良く反射体の方向を確認することができる。 In this embodiment, the position of the bubble is limited to the direction of the bubble generator 19. Therefore, when specifying in advance in which direction the reflector exists in the pipe 10, the direction of investigation is set to the direction of the bubble generator 19. It is possible to limit the installation direction, and the direction of the reflector can be confirmed efficiently.

第１、第２の実施例で説明した超音波流量計のうち少なくとも流速プロファイル生成部１４と反射信号強度プロファイル生成部１５と界面推定部１６と流量算出部１７と出力部１８とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図４に示す。 At least the flow velocity profile generation unit 14, the reflected signal intensity profile generation unit 15, the interface estimation unit 16, the flow rate calculation unit 17, and the output unit 18 of the ultrasonic flowmeters described in the first and second embodiments are implemented by a CPU ( (Central Processing Unit), a computer having a storage device and an interface, and a program that controls these hardware resources. A configuration example of this computer is shown in FIG.

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、送信部１２のハードウェアと受信部１３のハードウェアと出力部１８のハードウェア等が接続される。本発明のおよび流量計測方法を実現させるための流量計測プログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。 The computer comprises a CPU 200 , a storage device 201 and an interface device (I/F) 202 . The hardware of the transmission unit 12, the hardware of the reception unit 13, the hardware of the output unit 18, and the like are connected to the I/F 202. FIG. A flow rate measurement program for realizing the flow rate measurement method of the present invention is stored in the storage device 201 . The CPU 200 executes the processes described in the first and second embodiments according to programs stored in the storage device 201 .

本発明は、超音波流量計に適用することができる。 The present invention can be applied to ultrasonic flowmeters.

１０…配管、１１…超音波素子アレイ、１２…送信部、１３…受信部、１４…流速プロファイル生成部、１５…反射信号強度プロファイル生成部、１６…界面推定部、１７…流量算出部、１８…出力部、１９…気泡発生器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Piping, 11... Ultrasonic element array, 12... Transmitter, 13... Receiver, 14... Flow velocity profile generator, 15... Reflected signal intensity profile generator, 16... Interface estimator, 17... Flow rate calculator, 18 ... output part, 19 ... bubble generator.

Claims

a pipe through which the fluid to be measured flows;
an ultrasonic element array attached to the pipe;
a transmitter configured to transmit ultrasonic waves from the ultrasonic element array into the pipe;
a flow velocity profile generator configured to generate a flow velocity profile based on ultrasonic reflected signals received from reflectors in the fluid;
a reflected signal intensity profile generator configured to generate a reflected signal intensity profile based on the intensity of the reflected ultrasound signal;
an interface estimator configured to estimate a position of an interface in the fluid based on the reflected signal intensity profile;
a flow rate calculation unit configured to calculate a flow rate for each layer of the fluid based on the flow velocity profile and the position of the interface;
The transmission unit causes the ultrasonic element array to transmit ultrasonic waves in a plurality of directions in the pipe,
The ultrasonic flowmeter, wherein the flow velocity profile generator generates the flow velocity profile based on a reflected signal of ultrasonic waves transmitted in at least one of the plurality of directions.

The ultrasonic flowmeter of claim 1, wherein
The ultrasonic flow rate, wherein the flow velocity profile generation unit generates the flow velocity profile based on a reflected signal of an ultrasonic wave transmitted in a known direction in which a reflector is estimated to exist among the plurality of directions. Total.

The ultrasonic flowmeter according to claim 1 or 2,
The ultrasonic flowmeter, further comprising a bubble generator arranged at least one of upstream and downstream of the ultrasonic element array and configured to generate bubbles in the fluid.

A first step of transmitting ultrasonic waves from an ultrasonic element array attached to a pipe through which a fluid to be measured flows into the pipe;
a second step of generating a flow velocity profile based on ultrasonic reflected signals received from reflectors in the fluid;
a third step of generating a reflected signal intensity profile based on the intensity of said ultrasound reflected signal;
a fourth step of estimating the location of an interface in the fluid based on the reflected signal intensity profile;
calculating a flow rate for each layer of the fluid based on the flow velocity profile and the position of the interface;
The first step includes transmitting ultrasonic waves from the ultrasonic element array in a plurality of directions in the pipe,
The flow rate measuring method, wherein the second step includes generating the flow velocity profile based on a reflected signal of ultrasonic waves transmitted in at least one of the plurality of directions.