JP3648216B2 - ドップラ式超音波流量計、ドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法および流量計測用プログラム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定領域の流速分布から被測定流体の流量を時間依存で瞬時に測定することが可能なドップラ式超音波流量計およびそれに関連する技術に関する。
【０００２】
【先行技術】
特開２０００−９７７４２号では、非定常状態の流れであっても時間依存で正確に精度高く非接触で測定可能なドップラ式超音波流量計が開示されている。
ここで開示されるドップラ式超音波流量計は、以下のような構成をなす。すなわち、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って被測定流体中に入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、上記被測定流体の流速分布に基づいて、積分演算を行う流量演算手段とを備えたものである。そして、流量演算手段は測定領域における被測定流体の流速分布に基づいて流量を計測する。
【０００３】
このドップラ式超音波流量計は、配管内を流れる被測定流体の流速分布を測定し、時間的に変動する過渡時の流量を応答性に優れている。また、流体の流れが充分に発達していない箇所や流れが三次元になっている場所、例えばエルボ配管やＵ字状の反転配管のように曲げられた配管の直後でも、被測定流体の流量を効率的に精度よく瞬時に測定できる。それ以前に提供されていた超音波流量計と比較した場合、実験値や経験値などから割り出された「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能であるという特徴があり、大きく評価されている。
【０００４】
さて、上述のドップラ式超音波流量計は、最大で１２８カ所において超音波エコーを受信している。この数は、短時間に変化する流量を瞬時に演算して計測するという応答性を確保するというハードウエアの能力との関係で、決定されている。
一方、その超音波エコー測定点の間隔（以下、「チャンネルディスタンス」と記す）の最小値は、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）を超音波パルスの基本周波数（ｆ_０）の２倍で除した値となる。そのため、このドップラ式超音波流量計にて計測可能な最大距離は、最小チャンネルディスタンスの１２８倍となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、現在のドップラ式超音波流量計には、ハードウエア的に計測可能な範囲がある。また、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）、超音波パルスの基本周波数（ｆ_０）、超音波パルスの入射角度（α）などは、被測定流体の種類、配管の厚さや材質などによって、適切な測定を行うための設定値が異なる。
現在、これらの設定値を測定対象に合わせて適切な値を求めておく、といった予備的な測定を行うという方法が採用されることも多いが、適切な測定を行う準備にかかる手間がかかることとなり、「流量補正係数」がなくても正確な測定が可能である、という特性が充分に活かされない。
測定対象や計測可能な範囲に合わせてハードウエアの種類を備える、例えば管径の大小や最大流速の範囲に応じて複数種類のドップラ式超音波流量計を設計することも可能であるが、一種類でカバーできる範囲が広い方が望ましい。
【０００６】
本願発明が解決しようとする課題は、測定対象に伴う変数に応じて測定可能な範囲を自動的に算出して使用可能なドップラ式超音波流量計およびそれに関連する技術を提供することにある。
請求項１から請求項５記載の発明の目的は、測定対象に伴う変数に応じて測定可能な範囲を自動的に算出して使用可能なドップラ式超音波流量計を提供することにある。
また、請求項６から請求項８記載の発明の目的は、ドップラ式超音波流量計を用いて、測定対象に伴う変数に応じて測定可能な範囲を自動的に算出して使用可能な測定方法を提供することにある。
また、請求項９から請求項１１記載の発明の目的は、ドップラ式超音波流量計を用いて、測定対象に伴う変数に応じて測定可能な範囲を自動的に算出して使用可能な流量測定用プログラムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するための手段として、流速分布を瞬時に測定できる特性を活かし、測定可能な範囲をを自動的に算出してその適切な値を用いた測定を行わせることとした。 なお、そのその適切な値が存在する範囲は、本発明者が実験を繰り返して案出したものである。
【０００８】
（請求項１）
請求項１記載の発明は、発振周波数（ｆ_０）の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ角度（α）にて入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計に係る。
その特徴は、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように発振周波数（ｆ_１）を再設定する周波数設定手段とを備える。
そして、前記流体速度分布測定手段は、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波エコーを受信して流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計である。
【０００９】
（用語説明）
「流量演算手段」は、流量をｍ（ｔ）とするとき、
【数１】

の演算を行う手段である。
また、上記の式（１）から、流体配管を流れる時間ｔの流量ｍ（ｔ）は、次式に書き換えることができる。
【数２】

【００１０】
「データ入力手段」は、ドップラ式超音波流量計が計測したデータを自動入力する手段の他、ドップラ式超音波流量計のユーザがデータを入力する手段も含む。
発振周波数（ｆ_１）は、例えば以下のようにして選択する。すなわち、設定する超音波パルスの半波長の整数倍と被測定流体が流れる流体配管の管厚とが等しくなる周波数を適切な周波数として自動的に選択する。流体配管の壁厚が超音波の基本周波数の半波長を整数倍したときに、超音波の透過特性が非常に高いことを知見したことに基づいている。
【００１１】
（作用）
まず、超音波送信手段が、発振周波数（ｆ_０）の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ角度（α）にて入射させる。被測定流体に入射された超音波パルスは、被測定流体中を流れる気泡や固形物などにぶつかると反射する。反射した超音波パルスのうち、測定領域から反射された繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の超音波エコーを受信する。
その上で、データ入力手段が流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力する。また、最大流速算出手段が前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する。そして、速度無次元数算出手段が算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出し、周波数無次元数算出手段が繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する。そこで算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たされるように、周波数設定手段が発振周波数（ｆ_１）を再設定する。
超音波送信手段は、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波パルスを角度（α）にて入射させ、超音波エコーを受信して流速分布を測定する。
以上のようなドップラ式超音波流量計によれば、調整すべき発振周波数の適切な値を自動的に算出してからの測定が可能である。
【００１２】
（請求項２）
請求項２記載の発明は、自動的に変更・決定するその適切な値を、超音波パルスの入射角度（α１）であるとした点が異なる。
すなわち、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように超音波の入射角度（α１）を再設定する入射角度設定手段とを備え、前記流体速度分布測定手段は、再設定された入射角度（α１）による超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計に係る。
【００１３】
（作用）
速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを算出するまでは、請求項１に記載のドップラ式超音波流量計と同様である。算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）との間に、
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たされるように、入射角度設定手段が入射角度（α１）を再設定する。
超音波送信手段は、発振周波数（ｆ_０）による超音波パルスを、再設定された角度（α１）にて入射させ、超音波エコーを受信して流速分布を測定する。
以上のようなドップラ式超音波流量計によれば、調整すべき入射角度のその適切な値を自動的に算出してからの測定が可能である。
【００１４】
（請求項３）
請求項３記載の発明は、自動的に変更・決定する最適値を、超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）であるとした点が異なる。
すなわち、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する超音波パルス再設定手段とを備え、前記流体速度分布測定手段は、再設定された超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計に係る。
【００１５】
（作用）
速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを算出するまでは、請求項１および請求項２に記載のドップラ式超音波流量計と同様である。算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）との間に、
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たされるように、超音波パルス再設定手段が発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を同時に再設定する。
以上のようなドップラ式超音波流量計によれば、調整すべき発振周波数および入射角度のその適切な値を自動的に算出してからの測定が可能である。
【００１６】
（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１または請求項３のいずれかに記載のドップラ式超音波流量計を限定したものである。
すなわち、超音波トランスジューサは、第一トランスジューサと、その第一トランスジューサとは流体配管の軸方向に離間させて設置される第二トランスジューサと、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとを相対的に移動させるトランスジューサ移動機構とを備え、前記トランスジューサ移動機構は、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させることとしたドップラ式超音波流量計に係る。
【００１７】
（作用）
第一トランスジューサと、それとは流体配管の軸方向に離間させて第二トランスジューサとが設置される。トランスジューサ移動機構は、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させることができる。そのため、二つのトランスジューサの適切な位置へ設置し、その適切な超音波パルスを発振できる。
流体配管の軸方向に離間させ、発振パルスが直交するように位置した二つのトランスジューサによれば、流体配管の軸方向に平行でない流れが存在していても、より正確な速度分布を算出することができる。
【００１８】
（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項４記載のドップラ式超音波流量計を限定したものである。
すなわち、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサから発振された超音波パルスの流体配管内の測定領域から反射波である超音波エコーをそれぞれ受信する第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバと、第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバにて受信された超音波エコーの強度から超音波測定線の方向の速度ベクトルをそれぞれ算出する速度ベクトル算出手段と、その速度ベクトル算出手段にて算出されたそれぞれの速度ベクトルのベクトル和から被測定流体の流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段とを備え、流体速度分布測定手段は、前記流速ベクトルを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、当該流速分布を用いて被測定流体の流量を演算することとしたドップラ式超音波流量計に係る。
換言すれば、請求項４記載のドップラ式超音波流量計の構成要件に加え、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスによる超音波エコーから、より正確な速度分布や流量を算出するために、一旦流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段などを備えているのである。
【００１９】
（作用）
第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバは、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサから発振された超音波パルスの流体配管内の測定領域から反射波である超音波エコーをそれぞれ受信する。続いて、速度ベクトル算出手段が、第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバにて受信された超音波エコーの強度から超音波測定線の方向の速度ベクトルをそれぞれ算出する。そして、算出されたそれぞれの速度ベクトルのベクトル和から、流速ベクトル算出手段が被測定流体の流速ベクトルを算出する。
流体速度分布測定手段は、前記流速ベクトルを用いて流速分布を測定し、流量演算手段は、当該流速分布を用いて被測定流体の流量を演算する。
【００２０】
（請求項６）
請求項６記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法である。
すなわち、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ０）を算出する速度無次元数算出手順と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように発振周波数（ｆ_０）を再設定する周波数設定手順と、前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波エコーを受信して流速分布を測定させる流速分布再測定手順とを備えた流量計測方法である。
【００２１】
（請求項７）
請求項７記載の発明もまた、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法に係る。
速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）を算出するまでは、請求項６記載の発明と同様であり、
算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように超音波の入射角度（α１）を再設定する入射角度設定手順と、前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された入射角度（α１）による超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順を備えた流量計測方法である。
【００２２】
（請求項８）
請求項８記載の発明もまた、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法に係る。
速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）を算出するまでは、請求項６および請求項７記載の発明と同様であり、
算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する超音波パルス再設定手順と、前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とを備えた流量計測方法である。
【００２３】
（請求項９）
請求項９記載の発明は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測用プログラムに係る。
そのプログラムは、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように発振周波数（ｆ_０）を再設定する周波数設定手順と、前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された発振周波数（ｆ_０）による超音波エコーを受信して流速分布を測定させる流速分布再測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラムである。
【００２４】
（請求項１０）
請求項１０記載の発明もまた、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測用プログラムに係る。
そのプログラムは、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように超音波の入射角度（α１）を再設定する入射角度設定手順と、前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された入射角度（α１）による超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラムである。
【００２５】
（請求項１１）
請求項１１記載の発明もまた、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測用プログラムに係る。
そのプログラムは、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、算出された速度無次元数（）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する超音波パルス再設定手順と、前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラムである。
【００２６】
請求項９から請求項１１に係るコンピュータプログラムを、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＰＤなどである。
また、これらの発明に係るプログラムを格納したコンピュータから、通信回線を通じて他のコンピュータへ伝送することも可能である。
なお、汎用的なコンピュータを備えたドップラ式超音波流量計に対して、上記のような各手段を達成可能であるようなプログラムをプリインストール、あるいはダウンロードすることで、請求項１等に係る機能を備えたドップラ式超音波流量計を形成することも可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るドップラ式超音波流量計の実施の形態について、添付図面を参照させながら説明する。ここで使用する図面は、図１ないし図１３である。図１から図３は、本願発明に係る実施形態の構成を示す概念図である。図４から図６は、本願発明の中核をなす構成の具体的画面出力を示す図である。図７から図１５は、具体的なハードウエア構成、測定原理、実験例などを説明するための図である。
【００２８】
（図１）
図１には、本実施形態に係るドップラ式超音波流量計、そのドップラ式超音波流量計に対して設定値の適切化を行うための最適化演算装置を図示している。
ドップラ式超音波流量計は、所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計である。
【００２９】
このドップラ式超音波流量計には、被測定流体が流れる流体配管の管壁に対して共鳴的透過現象を生じさせる基本周波数たる適切な周波数を自動的に設定するという機能を備えた周波数選択設定手段も備えている。適切な周波数の設定手法については、後述する。
また、超音波トランスジューサは、超音波エコーを受信する機能も兼ね備えているが、図中では、「エコー受信手段」として便宜上、別に図示している。
なお、流量演算手段における演算手法は、式（１），式（２）にて示しているので、省略する。
【００３０】
最適化演算装置は、以下のような構成をなしている。すなわち、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たすように発振周波数（ｆ_１）を再設定する周波数設定手段とを備えている。そして、前記流体速度分布測定手段は、再設定されたされた発振周波数（ｆ_１）を用いて流速分布を測定するのである。
【００３１】
以下、ドップラ式超音波流量計の作動について、図１に基づいて説明する。
まず、超音波送信手段が、発振周波数（ｆ_０）の超音波パルス（１）を超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ角度（α）にて入射させる。被測定流体に入射された超音波パルスは、被測定流体中を流れる気泡や固形物などにぶつかると反射する。反射した超音波パルスのうち、測定領域から反射された繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の超音波エコー（１）を、エコー受信手段が受信する。
【００３２】
その上で、データ入力手段が流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力する。また、最大流速算出手段が前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する。そして、速度無次元数算出手段が算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出し、周波数無次元数算出手段が繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する。そこで算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たされるように、周波数設定手段が発振周波数（ｆ_１）を再設定する。
超音波送信手段は、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波パルス（２）を角度（α）にて入射させ、超音波エコー（２）を受信して流速分布を測定する。このようなドップラ式超音波流量計によれば、調整すべき発振周波数の適切な値を自動的に算出してからの測定が可能である。
【００３３】
（図２）
続いて、図２について、図１との相違点を説明する。
図２に示す実施形態は、自動的に変更・決定する適切な値を発振周波数ではなく、超音波パルスの入射角度（α１）であるとした点が異なる。すなわち、周波数設定手段に代わりに、入射角設定手段を備えている。
そして、速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たされるように、入射角設定手段が入射角度（α１）を再設定する。
超音波送信手段は、発振周波数（ｆ_０）による超音波パルス（２）を入射角度（α１）にて入射させ、超音波エコー（２）を受信して流速分布を測定する。このようなドップラ式超音波流量計によれば、調整すべき入射角度の適切な値を自動的に算出してからの測定が可能である。
【００３４】
（図３）
続いて、図３についても、図１との相違点を説明する。
図３に示す実施形態は、自動的に変更・決定する適切な値を発振周波数のみではなく、超音波パルスの入射角度（α１）も同時に再設定することととした点が異なる。すなわち、周波数設定手段に代わりに、超音波パルス設定手段を備えている。
そして、速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα および ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
を満たされるように、超音波パルス設定手段が発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する。
超音波送信手段は、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波パルス（２）を入射角度（α１）にて入射させ、超音波エコー（２）を受信して流速分布を測定する。このようなドップラ式超音波流量計によれば、調整すべき発振周波数および入射角度の最適値を自動的に算出してからの測定が可能である。
【００３５】
（図４）
図４では、横軸に速度無次元数Ｖ＊を、縦軸に周波数無次元数Ｆ＊を設定し、測定の適切化が可能な領域と、測定の適切化ができない領域とを図示したものである。すなわち、Ｆ＊≧４Ｖ_０・ｓｉｎαの領域、図中では左上の領域では、測定の適切化、すなわち測定可能な範囲に入れることが可能である。
【００３６】
（図５）
図５では、横軸にＣｗ／Ｄｉの対数を、縦軸に繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の対数を設定し、測定の最適化が可能な領域と、測定の最適化ができない領域とを図示したものである。すなわち、ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉの領域、図中では右下の領域では、測定の適切化が可能である。
【００３７】
（図６）
図６は、代表的な配管の種類とその領域に関して、測定の適切化が可能な領域と、測定の適切化ができない領域とを図示したものである。図６に示された出力をユーザが閲覧できたり、予め印刷したりしておけば、測定の適切化が可能な条件での流量測定か否か、ユーザにとって目安となる。
【００３８】
なお、図示は省略するが、ユーザによる選択と自動選択との二種類を用意したドップラ式超音波流量計を提供することも可能である。そのような実施形態の場合、再設定可能なデータについてユーザに対して出力するとともに、その出力データをその場で変更設定できるようにする。更に、ユーザが選択しない場合には自動的に変更・決定できる、といったメニューを用意しておくことができる。
【００３９】
（ドップラ式超音波流量計）
以下、ドップラ式超音波流量計について、図７から図１４を用いて詳細に説明する。
図７に示すドップラ式超音波流量計１０は、流体配管１１内を流れる被測定流体１２（液体や気体）の流速分布を測定し、流量を時間依存で瞬時に測定できるものであり、配管１１内を流れる被測定流体１２の流速を非接触で測定する超音波速度分布計測ユニット（以下、Ｕｄｆｌｏｗユニットという。）１３を備える。Ｕｄｆｌｏｗユニット１３は、被測定流体１２に測定線ＭＬに沿って所要周波数（基本周波数ｆ_０）の超音波パルスを送信させる超音波送信手段１５と、被測定流体１２に入射された超音波パルスの測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体１２の流速分布を測定する流体速度分布測定手段１６と、被測定流体１２の流速分布に基づいて演算処理して半径方向の積分を行い、被測定流体１２の流量を時間依存で求める流量演算手段としてのマイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のコンピュータ１７と、このコンピュータ１７からの出力を時系列的に表示可能な表示装置１８と、流体配管１１内を流れる被測定流体１２の適切な周波数である超音波を自動的に選定する周波数選択設定手段１９とを有する。
【００４０】
超音波送信手段１５は、所要周波数の超音波パルスを発振させる超音波トランスジューサ２０と、この超音波トランスジューサ２０を加振させる信号発生器としての加振用アンプ２１とを有する。加振用アンプ２１は、所要の基本周波数ｆ_０の電気信号を発生させる発振器（オッシレータ）２３と、この発振器２３からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆ_ｒｐｆ）ごとにパルス状に出力するエミッタ２４（周波数Ｆ_ｒｐｆ）とを備えている。そして、この信号発生器である加振用アンプ２１から所要の基本周波数ｆ_０のパルス電気信号が超音波トランスジューサ２０へ入力される。
【００４１】
超音波トランスジューサ２０は、パルス電気信号の印加により基本周波数ｆ_０の超音波パルスが測定線ＭＬに沿って発振せしめられる。超音波パルスは、例えばパルス幅５ｍｍ程度で拡がりをほとんど持たない直進性のビームである。
超音波トランスジューサ２０は送受信器を兼ねており、超音波トランスジューサ２０は発振された超音波パルスが流体中の反射体に当って反射される超音波エコーを受信するようになっている。ここで反射体とは、被測定流体１２中に一様に含まれる気泡であったり、アルミニウムの微粉末等のパーティクルであったり、または被測定流体１２とは音響インピーダンスが異なる異物である。
【００４２】
超音波トランスジューサ２０に受信された超音波エコーは、反射波レシーバー２７にて受信され、その反射波レシーバー２７にてエコー電気信号へ変換される。このエコー電気信号は、増幅器２８で増幅された後、ＡＤ変換器２９を通ってデジタル化される。そして、デジタル化されたデジタルエコー信号が流速分布計測回路２６に入力される。
流速分布計測回路３０には、発振用アンプ２１からの基本周波数ｆ_０の電気信号がデジタル化されて入力され、両信号の周波数差からドップラシフトに基づく流速の変化を計測し、測定線ＭＬに沿う測定領域の流速分布を算出している。測定領域の流速分布を傾斜角αで較正することによって、流体配管１１の横断面における流速分布を計測することができる。
【００４３】
さて、流体配管１１が金属製である場合のその壁厚が超音波の基本周波数ｆ_０の１／２あるいはその整数倍である場合に、超音波の透過特性が非常に高いことが知見された。そこで、この知見に基づき、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの基本周波数ｆ_０は、流体配管１１の壁厚に対して共鳴的透過現象を生じさせる適切な値が自由且つ自動的に選択されるように、周波数選択設定手段１９を構成している。
この周波数選択設定手段１９は、前述した加振用アンプ２１と、その加振用アンプ２１の発振周波数を変動させて調整設定可能とする発振周波数可変装置３１と、この発振周波数可変装置３１に予めユーザが指定した範囲内（例えば、２００ｋＨｚ〜４ＭＨｚの周波数領域内）で発振周波数可変装置３１を動作させる基本周波数領域設定手段３２と、流体配管１１内の測定領域から反射される超音波エコーを受信する反射波レシーバ２７と、受信した超音波エコー信号を増幅および撹拌する増幅器２８と、その増幅器２８で撹拌された超音波エコー信号の強度を抽出して記憶する反射波強度抽出手段３３と、この反射波強度抽出手段３３にて抽出されて記憶された反射強度（超音波エコー強度）を表示させる反射波強度表示機能を備えた表示装置１８とを備える。
【００４４】
このように構成された周波数選択設定手段１９は、反射波強度抽出手段３３、発振周波数可変装置３１などの協働作用により、流体配管１１の壁厚に対して共鳴的透過現象を生じさせる適切な周波数を設定する。設定された適切な周波数は、発振周波数可変装置３１からの出力信号によって発振アンプの発振周波数を決定して超音波トランスジューサ２０を加振させる。そして、適切な周波数である基本周波数ｆ_０の超音波パルスが超音波トランスジューサ２０から流体配管１１内へ発振される。
適切な周波数の超音波パルスが超音波トランスジューサ２０から発振されるので、充分な反射波Ｓ／Ｎ比を確保することができ、反射波である超音波エコー信号を大きく取ることができる。すなわち、共鳴的透過現象を生じさせる超音波パルスが発振されるので、流体配管１１の透過率が非常に高く、充分な反射波強度を得ることができる。
【００４５】
なお、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波を流体配管１１内へスムーズに発振させるため、超音波トランスジューサ２０と流体配管１１との間には、ゼリー状の接触媒体３５を介在させる。
また、反射波を反射波レシーバ２７にて受けるとして前述したが、超音波トランスジューサ２０に受信機能を内蔵させて代用させることも可能である。
【００４６】
次に、図８を参照させながら、ドップラ式超音波流量計１０の作動原理を説明する。
図８（Ａ）に示すように、超音波トランスジューサ２０を配管１１の放射方向に対し角度αだけ被測定体の流れ方向に傾けて設置した状態で、超音波トランスジューサ２０から所要周波数ｆ_０の超音波パルスを入射させると、この超音波パルスは測定線ＭＬ上の被測定流体１２に一様に分布する反射体に当って反射し、図８（Ｂ）に示すように、超音波エコーａとなって超音波トランスジューサ２０に戻される。
ここで、図８（Ｂ）における符号ｂは、超音波パルス入射側の管壁で反射する多重反射エコーである。また符号ｃは、反対側管壁で反射する多重反射エコーである。超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの発振間隔は１／Ｆ_ｒｐｆである。
超音波トランスジューサ２０で受信したエコー信号をフィルタリング処理し、ドップラシフト法を利用して測定線ＭＬに沿って流速分布を計測すると、図８（Ｃ）のように表示される。この流速分布は、Ｕｄｆｌｏｗユニット１３の流体速度分布測定手段１６で測定することができる。
【００４７】
ここで「ドップラシフト法」とは、配管１１内を流れる流体１２中に超音波パルスを放射すると、流体１２中に混在あるいは一様分布の反射体（例えば気泡）によって反射されて超音波エコーとなり、この超音波エコーの周波数が流速に比例した大きさだけ周波数シフトする原理を応用し、流速を測定する方法である。超音波流体速度分布測定手段１６で測定された被測定流体１２の流速分布信号は、流量演算手段としてのコンピュータ１７に送られ、ここで流速分布信号を配管１１の半径方向に積分し、被測定流体１２の流量を時間依存で求めることができる。その流量計算の式については、前述した式（１），式（２）であるので、繰り返しての説明は省略する。
【００４８】
なお、式（２）により、本実施形態によるドップラ式超音波流量計１０は、被測定流体１２の流れの空間分布を瞬時、例えば５０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度の応答速度にて得ることができる。被測定流体１２は配管（円管）１１内の流れであっても、充分な助走区間をとれない場合や、弁の開閉やポンプの起動・停止などで時間的な揺らぎが存在する場合には、流体の流れは非定常状態で三次元分布をもっているが、このドップラ式超音波流量計１０は、測定領域の流速分布を時間依存で瞬時に求めることができるので、被測定流体１２の流量を定常状態、非定常状態如何を問わず、正確に精度よく求めることができる。
【００４９】
（透過特性の確認実験）
本実施形態によるドップラ式超音波流量計１０を用いて、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の透過特性の確認実験を行った。
このドップラ式超音波流量計１０は、周波数選択設定手段１９によって超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の基本周波数を、２００ｋＨｚから数ＭＨｚ（例えば、２ＭＨｚ）まで、５ｋＨｚ刻みに自動的に調整設定できるものである。
超音波の壁面透過試験は、２５０ｍｍ径のアクリル配管の一部にステンレス鋼を埋め込み、このステンレス鋼の壁外部へ超音波トランスジューサ２０を設置する。そして、基本周波数を変化させながら超音波を入射し、アクリル配管の対抗側壁面からの超音波の反射強度を調べた。
【００５０】
（図９）
超音波の壁面透過実験では、ステンレス鋼の壁厚が９．５ｍｍ、１１．５ｍｍ、１３．０ｍｍの三種類を用意した。また、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の基本周波数は、０．２５ｋＨｚ、０．５ｋＨｚおよび１ＭＨｚの三種類とした。図９は、９．５ｍｍのステンレス鋼による超音波の壁面透過実験の例を示している。横軸は超音波の基本周波数ｆ_０であり、縦軸は対抗壁からの超音波の反射強度である。図９中、反射波の透過強度曲線を、０．２５ｋＨｚがｈ，０．５ｋＨｚがｉ，１ＭＨｚがｊにて示している。
さて、図９における上向き矢印ｌ，ｍ，ｎは、超音波の発振周波数の波長と、ステンレス鋼の壁厚との関係を示すものである。すなわち、波長の低い方からステンレス鋼の壁厚の１／２倍、等倍、３／２倍の周波数位置を示している。
図９からは、例えば１ＭＨｚの超音波を選択して超音波トランスジューサ２０を使用する場合、ステンレス鋼の配管壁厚に合わせて、基本周波数を約９１０ｋＨｚに設定すると、超音波の透過特性が良好であることが把握できる。周波数の透過強度曲線ｊは、矢印ｎの位置で反射波の透過強度が高いことが把握できる。
【００５１】
（図１０）
壁厚９．５ｍｍ、内径１５０ｍｍの炭素鋼による流体配管を用意し、１ＭＨｚの超音波を選択して超音波トランスジューサ２０を使用し、周波数選択設定装置１９によって超音波トランスジューサ２０から発振される基本周波数ｆ_０が９１０ｋＨｚとなるように設定し、被測定流体の流速分布を測定した。図１０は、その測定実験で得られた被測定流体の時間平均流速分布の結果を示したものである。
被測定流体の流速分布の計測点は、流体配管における管中心部から手前側（０〜６０ｍｍの範囲）では、壁内部における超音波の反射のために、充分な流速分布を得るのが困難であったため、被測定流体１２の流速分布に対して壁面の影響が表れにくかった、６０〜１５０ｍｍの範囲とした。そして、比較的スムーズな平均流速分布曲線（図中Ｏ）を得た。
この平均流速分布曲線Ｏから、平均流速分布を流体配管１１内で積分することによって、流体配管１１内を流れる被測定流体１２の流量を精度よく、被接触状態にて測定することができる。
【００５２】
（図１１）
図１１は、図７に示したドップラ式超音波流量計のバリエーションであり、ドップラ式超音波流量計１０Ａと記す。
流体配管１１内に入射する超音波パルスの適切な周波数を選定する代わりに、反射波のＳ／Ｎ比を向上させる方法として、理論的には流体配管１１の壁厚を変化させて共鳴的透過現象を生じさせる、という方法が考えられる。しかし現実的には、流体配管１１の壁厚を変化させる方法は不可能である。そこで、流体配管１１の壁厚を変化させるのと均等な手段として、流体配管１１に対する超音波トランスジューサ２０の取り付け角度を変化させる機構を備えたものである。すなわち、超音波トランスジューサ２０の入射角度αを調整設定し、流体配管１１の壁厚に適合する超音波の入射角度を自動的に選定できる入射角調整設定手段４０を備え、ドップラ式超音波流量計１０にて備えられていた周波数選定設定手段１９を省略している。ここで、超音波トランスジューサ２０から発振される超音波の入射角度αは、流体配管１１の管表面の垂直線あるいは垂直面との間に形成される角度である。
【００５３】
入射角調整設定手段４０は、流体配管１１に対して外側から取り付け角度を調節自在とした超音波トランスジューサ２０と、この超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの入射角度αを調整設定可能な入射角変換機構４１と、予め指定された入射角の範囲（例えば、５〜４５度）内で、入射角変換機構４１を動作させる入射角領域設定手段４３と、反射される超音波エコーを受信してその強度を抽出して記憶する反射波強度抽出手段４４とを備えている。その反射波強度抽出手段４４で抽出、記憶された超音波エコー強度は、反射波強度表示機能を備えた表示装置１８にて表示する。
【００５４】
この入射角調整設定手段４０は、入射角変換機構４１によって流体配管１１に対する超音波トランスジューサ２０の取り付け角度を変化させ、超音波の入射角度αを約５〜４５度の範囲で変化させることができる。具体的には、図１１にて図示するように、入射角変換機構４１から出力される出力信号によってステッピングモータ４６を駆動させ、そのステッピングモータ４６によって取付角度調整機構を駆動させることによって達成する。
【００５５】
超音波トランスジューサ２０から発振される超音波パルスの入射角度αは、流体配管１１の壁厚に対して共鳴的透過現象を生じる適切な角度として、入射角調整設定手段４０にて設定される。超音波パルスの周波数を変えることなく、壁厚を物理的に変化させて共鳴的透過現象が生じるようにしていることと同じである。共鳴的透過現象が生じる超音波パルスが入射され、十分な反射波Ｓ／Ｎ比を確保できるので、超音波エコーが反射し、被測定流体１２の流速分布および流量を正確に精度よく測定できる。
【００５６】
なお、前述した入射角調整設定手段４０の機能、すなわち、超音波の入射角度を変化させることができる機能を内蔵した超音波トランスジューサ２０を製作して採用することも、当然可能である。
ところで、前述した入射角調整設定手段４０は、同じく前述した周波数選定設定手段１９の代わりに設けるとして説明したが、両手段４０，１９を組み合わせて備えることも、当然可能である。その場合、適切な入射角度および適切な周波数を自動的に選択し、設定することとなる。例えば、流速が非常に速い場合において入射角度が大きいと超音波エコーを受信しにくくなるおそれがある。そのような場合には、入射角度を小さく設定し、最適周波数の調整を優先するのである。
【００５７】
図７から図１１において示したドップラ式超音波流量計１０，１０Ａは、測定線ＭＬに依存した測定方法であるから、測定線ＭＬの数を増やすことが面測定に近付け、測定精度を向上させることに直結する。そこで、Ｎ個の超音波トランスジューサ２０を流体配管１１の周方向に、所定間隔毎に設置する。また、全ての超音波トランスジューサ２０の測定線ＭＬを、管壁への垂線に対し角度α傾斜させるとともに、流体配管１１の軸線と交差するように設置するのが望ましい。
【００５８】
さて、配管１１内を流れる被測定流体１２の流れが、管軸方向の流れで半径方向や角度θの流れｖｒ，ｖθを無視できるとすると、ｖｘ＞＞ｖｒ＝ｖθとなり、流量計測は簡素化され、次式で表わされる。
【数３】

このように、求められた被測定流体１２の流量は、表示装置１８により時間依存で瞬時に表示することができる。この表示装置１８には、被測定流体１２の配管１１内の測定線ＭＬに沿う流速分布あるいは配管横断面における流速分布を表示することもできる。
【００５９】
図１２から図１４に示すドップラ式超音波流量計１０Ｂは、被測定流体１２の流れが流体配管１１に対して平行でない場合、例えば流体配管１１内で旋回流が生じているような場合であっても、正確な流速、流量を算出することができるようにするためのものである。例えば、図１３において示す速度ベクトルＶ３は、流体配管１１に対して平行ではない。この速度ベクトルＶ３による流速を算出しようとしたとする。すなわち、この速度ベクトルＶ３に沿って流れている気泡に超音波が反射し、その超音波反射エコーを超音波トランスジューサ２０のみが受信したとする。すると、速度ベクトルＶ３は、流体配管１１に対して平行な速度ベクトルＶ１として算出されてしまい、実際の流速よりも大きくなってしまう。
【００６０】
そこで、超音波トランスジューサは、これまでと同様に設置する超音波トランスジューサ２０と、その超音波トランスジューサ２０とは流体配管１１の軸方向に離間させて設置される第二の超音波トランスジューサ２０ａとの組合せとするのである。超音波トランスジューサ２０および第二の超音波トランスジューサ２０ａとは、それぞれの発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するような位置に設置することとしている。
第二の超音波トランスジューサ２０ａは、速度ベクトルＶ２、Ｖ４、Ｖ５を求めることができるので、速度ベクトルＶ１との関係から、本来の速度ベクトルＶ３を算出できる。
【００６１】
なお、図１４において、この実施形態に係る超音波トランスジューサの構成について説明している。すなわち、第一の超音波トランスジューサ２０および第二の超音波トランスジューサ２０ａと、それらトランスジューサ２０，２０ａを相対的に移動させるトランスジューサ移動機構４６とを備えている。そして、そのトランスジューサ移動機構４６は、第一トランスジューサ２０および第二トランスジューサ２０ａとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させる構造を備えているのである。
トランスジューサ２０，２０ａには、それぞれ反射波レシーバ２７，２７ａと、速度ベクトル算出手段４７，４７ａとが備えられており、流速ベクトル算出手段４８が速度ベクトル算出手段４７，４７ａに基づいて算出される速度ベクトルのベクトル和から、最終的な速度ベクトルＶ３を算出する。
【００６２】
図１２から図１４に示すドップラ式超音波流量計１０Ｂによれば、被測定流体１２の流れ方向が流体配管１１に対して平行でない場合であっても、その流れ方向をベクトル演算し、正確な流速、流量を算出することができる。
なお、第一の超音波トランスジューサ２０および第二の超音波トランスジューサ２０ａを一組としたこのドップラ式超音波流量計１０Ｂを、流体配管１１の管周方向に複数位置させて組み合わせれば、より正確な流速、流量を算出することができる。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１から請求項５記載の発明によれば、測定対象に伴う変数に応じて調整すべき適切な値を自動的に算出して使用可能なドップラ式超音波流量計を提供することができた。
また、請求項６から請求項８記載の発明によれば、ドップラ式超音波流量計を用いて、測定対象に伴う変数に応じて調整すべき適切な値を自動的に算出して使用可能な測定方法を提供することができた。
また、請求項９から請求項１１記載の発明によれば、ドップラ式超音波流量計を用いて、測定対象に伴う変数に応じて調整すべき適切な値を自動的に算出して使用可能な流量測定用プログラムを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の構成を示す概念図である。
【図２】実施形態の構成を示す概念図である。
【図３】実施形態の構成を示す概念図である。
【図４】横軸に速度無次元数Ｖ＊を、縦軸に周波数無次元数Ｆ＊を設定し、測定の適切化が可能な領域と、測定の適切化ができない領域とを図示したものである。
【図５】横軸にＣｗ／Ｄｉの対数を、縦軸に繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の対数を設定し、測定の適切化が可能な領域と、測定の適切化ができない領域とを図示したものである。
【図６】代表的な配管の種類とその領域に関して、測定の適切化が可能な領域と、測定の適切化ができない領域とを図示したものである。
【図７】実施形態のハードウエア構成を示す図である。
【図８】ドップラ式超音波流量計の作動原理を説明するための図である。
【図９】超音波の壁面透過実験の例を示す図である。
【図１０】測定実験で得られた被測定流体の時間平均流速分布の結果を示したものである。
【図１１】超音波の入射角度を変更できる実施形態を示すハードウエア構成図である。
【図１２】流体配管に対して平行ではない流れをベクトル表示した図である。
【図１３】超音波トランスジューサを管軸方向に複数備えて、流体配管に対して平行ではない流れを測定する原理を示す図である。
【図１４】超音波トランスジューサを管軸方向に複数備えた場合の信号処理ブロック図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ ドップラ式超音波流量計
１１ 流体配管 １２ 被測定流体
１３ 超音波速度分布計測ユニット（Ｕｄｆｌｏｗユニット）
１５ 超音波送信手段 １６ 流体速度分布測定手段
１７ コンピュータ（流体流量演算手段）
１８表示装置 １９ 周波数選択設定手段
２０，２０ａ 超音波トランスジューサ
２１ 発振用アンプ（信号発生器）
２３ 発振器（オッシレータ） ２４ エミッタ
２７ 反射波レシーバ（超音波受信手段）
２８ 増幅器 ２９ Ａ／Ｄ変換器
３０ 流速分布計測回路 ３１ 発振周波数可変装置
３２ 基本周波数領域設定手段 ３３ 反射波強度抽出手段
３５ 接触媒体
４０ 入射角度調節設定手段 ４１ 入射角度変換機構
４３ 入射角度領域設定手段 ４４ 反射波強度抽出手段
４６ 超音波トランスジューサ移動機構

Claims (11)

1. 発振周波数（ｆ_０）の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ角度（α）にて入射させる超音波送信手段と、
   被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計であって、
   流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように発振周波数（ｆ_１）を再設定する周波数設定手段とを備え、
   前記流体速度分布測定手段は、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波エコーを受信して流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計。
2. 発振周波数（ｆ_０）の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ角度（α）にて入射させる超音波送信手段と、
   被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計であって、
   流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように超音波の入射角度（α１）を再設定する入射角度設定手段とを備え、
   前記流体速度分布測定手段は、再設定された入射角度（α１）による超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計。
3. 発振周波数（ｆ_０）の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ角度（α）にて入射させる超音波送信手段と、
   被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）の超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計であって、
   流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手段と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手段と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手段と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手段と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する超音波パルス再設定手段とを備え、
   前記流体速度分布測定手段は、再設定された超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定することとしたドップラ式超音波流量計。
4. 超音波トランスジューサは、第一トランスジューサと、その第一トランスジューサとは流体配管の軸方向に離間させて設置される第二トランスジューサと、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとを相対的に移動させるトランスジューサ移動機構とを備え、
   前記トランスジューサ移動機構は、第一トランスジューサおよび第二トランスジューサとが発振する超音波パルスが流体配管内の測定領域にて直交するように移動させることとした請求項１または請求項３のいずれかに記載のドップラ式超音波流量計。
5. 第一トランスジューサおよび第二トランスジューサから発振された超音波パルスの流体配管内の測定領域から反射波である超音波エコーをそれぞれ受信する第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバと、
   第一反射波レシーバおよび第二反射波レシーバにて受信された超音波エコーの強度から超音波測定線の方向の速度ベクトルをそれぞれ算出する速度ベクトル算出手段と、
   その速度ベクトル算出手段にて算出されたそれぞれの速度ベクトルのベクトル和から被測定流体の流速ベクトルを算出する流速ベクトル算出手段とを備え、
   流体速度分布測定手段は、前記流速ベクトルを用いて流速分布を測定し、
   流量演算手段は、当該流速分布を用いて被測定流体の流量を演算することとした請求項４記載のドップラ式超音波流量計。
6. 所要周波数（ｆ_０）の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法であって、
   流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ０）を算出する速度無次元数算出手順と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように発振周波数（ｆ_０）を再設定する周波数設定手順と、
   前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された発振周波数（ｆ_１）による超音波エコーを受信して流速分布を測定させる流速分布再測定手順とを備えた流量計測方法。
7. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法であって、
   流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように超音波の入射角度（α１）を再設定する入射角度設定手順と、
   前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された入射角度（α１）による超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とを備えた流量計測方法。
8. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、 被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測方法であって、
   流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する超音波パルス再設定手順と、
   前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とを備えた流量計測方法。
9. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、
   被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
   前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測プログラムであって、
   そのプログラムは、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、
   前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、
   繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、
   算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
   Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
   および
   ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
   を満たすように発振周波数（ｆ_０）を再設定する周波数設定手順と、
   前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された発振周波数（ｆ_０）による超音波エコーを受信して流速分布を測定させる流速分布再測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラム。
10. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、
    被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
    前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測プログラムであって、
    そのプログラムは、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、
    前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、
    繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、
    算出された速度無次元数（Ｖ_０）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
    Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
    および
    ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
    を満たすように超音波の入射角度（α１）を再設定する入射角度設定手順と、
    前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された入射角度（α１）による超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラム。
11. 所要周波数の超音波パルスを超音波トランスジューサから測定線に沿って流体配管内の被測定流体中へ入射させる超音波送信手段と、
    被測定流体に入射された超音波パルスのうち測定領域から反射された超音波エコーを受信し、測定領域における被測定流体の流速分布を測定する流体速度分布測定手段と、
    前記被測定流体の流速分布に基づいて、前記測定領域における被測定流体の流量を演算する流量演算手段とを備えたドップラ式超音波流量計を用いた流量計測プログラムであって、
    そのプログラムは、流体配管の管内径（Ｄｉ）、被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）および超音波パルスの入射角（α）を入力するデータ入力手順と、
    前記流体速度分布測定手段から最大流速（Ｖ）を算出する最大流速算出手順と、算出した最大流速（Ｖ）を被測定流体中の超音波速度（Ｃｗ）にて除した速度無次元数（Ｖ_０）を算出する速度無次元数算出手順と、
    繰り返し周波数（ｆ_ＰＲＦ）を発振周波数（ｆ_０）にて除した周波数無次元数（Ｆ_０）を算出する周波数無次元数算出手順と、
    算出された速度無次元数（）と周波数無次元数（Ｆ_０）とを間に
    Ｆ_０≧４Ｖ_０・ｓｉｎα
    および
    ｆ_ＰＲＦ≦Ｃｗ／２Ｄｉ
    を満たすように超音波の発振周波数（ｆ_１）および入射角度（α１）を再設定する超音波パルス再設定手順と、
    前記流体速度分布測定手段に対して、再設定された超音波パルスによる超音波エコーを受信して流速分布を測定する流速分布再測定手順とをコンピュータに実行させるための流量計測用プログラム。

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