JP4548482B2

JP4548482B2 - 超音波流量計、２方式併用型超音波流量計

Info

Publication number: JP4548482B2
Application number: JP2007500447A
Authority: JP
Inventors: 崇介鈴木; 俊広山本; 博信矢尾; 善則大室
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: WO2006080182A1; JPWO2006080182A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波による流量計測技術として、クランプオン型超音波流量計がある。このクランプオン型超音波流量計は、被測定流体がその内部を通過する配管に対し、この配管の外周面の一部に、音波を配管に伝えるための材料、すなわち楔（くさび）を設置し、この楔を介して音波を配管内部に送信することにより、上記被測定流体の流量を測定する流量計である。クランプオン型超音波流量計として、パルスドップラー法を用いた流量測定技術（以下、パルスドップラー方式と呼ぶ）や伝搬時間差法を用いた流量測定技術（以下、伝搬時間差方式と呼ぶ）が知られている。
【０００３】
パルスドップラー方式は、流体中に含まれる浮遊粒子や気泡が流体と同じ速度で移動すると仮定して、浮遊粒子などの移動速度から流体の流量を測定するものであり、例えば、特許文献１に記載されているように、非定常状態の流体に対し、非接触で高精度な測定を可能にしている。特許文献１記載の流量計測技術は、超音波パルス（群）を管内の被測定流体に対して一定の間隔で送信し、流体中に混在する気泡などの異物（測線上の反射体）によって反射された超音波エコー波の周波数が、流速に比例した大きさだけ変化するという、ドップラシフトの原理を応用したものである。すなわち、上記エコー波に基づいてドップラーシフトを算出し、被測定流体の流速分布を求め、この流速分布に基づいて積分演算により流量を算出することで、被測定流体の流量を求めるものである。
【０００４】
上記パルスドップラー方式は、伝搬時間差方式と比較して、精度が高く高速応答が可能で、かつ耐気泡性に優れており、さらに計測線を複数設けることで偏流でも高精度な計測が可能となる特徴がある。しかし、上記パルスドップラー方式は、被測定流体に、一定量の反射体が、ある程度均一に存在することで測定が可能になる為、十分な反射体が存在しない又は反射体が偏って存在する流体では高精度な測定を行うことができないという問題がある。
【０００５】
一方、伝搬時間差方式は、一対の送受信一体型トランスデューサを１組以上用いて、上流側から下流側への超音波伝搬時間と下流側から上流側への超音波伝搬時間とを比較して、その差を用いることで、非測定流体の平均流速および流量を算出するものである。この方式では、パルスドップラー方式と比較して、不純物の少ない液体や純水の流量を計測するのに適する。逆に言えば、伝搬時間差方式では、被測定流体内に気泡等の不純物が多く混入していると、高精度な測定が困難になることがある。
【０００６】
従来の超音波流量計では、パルスドップラー方式か伝搬時間差方式の何れか一方の方式で計測を行なっていた。
また、従来、例えば特許文献２記載の発明が提案されている。
【０００７】
特許文献２記載の発明は、時間差式超音波流量計とドップラー式超音波流量計とを備え、定められた流量のしきい値以下では時間差式超音波流量計に、しきい値以上ではドップラー式超音波流量計に切り換えるものである。
【０００８】
但し、上記特許文献２におけるドップラー式とは、上記パルスドップラー方式とは異なる。すなわち、上記特許文献２におけるドップラー法とは、一般に連続波方式と呼ばれる方法であり、上記パルスドップラー方式はパルス波方式である。上記特許文献２におけるドップラー法（連続波方式）に関しては、例えば非特許文献１等で説明されているが、簡単に説明するならば、配管の中心軸上の一点での被測定流体の速度をドップラシフトを用いて求め、この流体速度から流量を算出する手法である。一方、パルスドップラー方式は、配管内の特定位置（複数）の流速を求め、得られた流速分布を用いて流量を算出する手法である。それ故、上記特許文献２には、ドップラー式は時間差式に比べて精度が悪いという問題点を有している旨の記載がある。一方、パルスドップラー方式は、上記の通り、伝搬時間差方式と比較して、測定精度が高い。
【０００９】
上記の通り、パルスドップラー法を用いた流量計測技術は、伝搬時間差方式に比べて優れている点が多いが、被測定流体の状態（上記反射体の量や偏り等）によっては、伝搬時間差方式を用いたほうが良い場合がある。ここで、被測定流体の状態は、ある測定地点（超音波流量計の設置地点）において一定というわけではなく、変化するものである。よって、ある時点で被測定流体に一定量の反射体がある程度均一に存在するとしても、別の時点では十分な反射体が存在しない又は／及び反射体が偏って存在する状況となる場合もある。
【００１０】
したがって、各測定地点毎に、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とを混在させた超音波流量計を設置し、被測定流体の状態に応じて両者を切り替える手法が考えられる。
しかしながら、従来では、被測定流体の状態を装置によって自動的に判別することは困難であった。従来では、上記流量演算の為の処理中に得られる上記流速分布を表示させたり、上記反射された超音波エコー波の受信信号を表示させたりして、これら表示内容を人間が見て、被測定流体の状態を経験的に判断していた。
【００１１】
以上述べたように、被測定流体の状態を装置によって自動的に判別することが望まれる。そして、この判別結果に基づいて、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とを切り替えることで、より高精度に流量計測を行えるようにすることが望まれる。
【００１２】
これに対して、上記特許文献２記載の手法では、流量に基づいて切り替えを行っているに過ぎず、反射体の量や均一性等のような被測定流体の状態を判別するものではなく、切り替えの判断基準が十分に適切なものとは言えない。また、特許文献２は、上記の通り、そもそもパルスドップラー方式に関するものではない。パルスドップラー方式を用いることで、非定常状態においても、より高精度な測定が可能となる。
【特許文献１】
特開２０００−９７７４２号公報
【特許文献２】
特開２００４−１８４２４５号公報
【非特許文献１】
「計装エンジニアのための流量計測A to Z」１２８頁〜１３１頁、著者：社団法人日本計量機器工業連合会、出版社：工業技術社、平成7年11月1日初版
【発明の開示】
【００１３】
本発明の課題は、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする超音波流量計、２方式併用型超音波流量計等を提供することである。
【００１４】
本発明のパルスドップラー式超音波流量計は、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、各チャンネル毎に、前記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段とを有するように構成する。
【００１５】
上記算出されるパワーは、被測定流体に含まれる反射体の状態（数に比例等）を示しており、標準偏差は流れの安定性を示すものである。例えばパワーが閾値より大きく且つ標準偏差が閾値より小さい場合には、被測定流体の状態は、反射体がある程度多く含まれ且つある程度均一な流れであるものと見做せる。つまり、パルスドップラー方式で高精度な測定が行える状態にあると見做せる。この様に、被測定流体の状態を自動的に判別できるので、例えば判別結果を表示等すれば、監視者等は、測定結果の確からしさを知ることができる。
【００１６】
更に、上記被測定流体の状態の判別手法を、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計に適用することで、両測定方式を適切なときに切り替えることができる。
【００１７】
すなわち、本発明の２方式併用型超音波流量計は、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計であって、通常時は、パルスドップラー方式を用いるものとし、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、各チャンネル毎に、前記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段と、状態判別手段による判別結果に応じて一時的に伝搬時間差方式に切り換えるか否かを決定する切換手段とを有するように構成する。
【００１８】
上記状態判別手段によって、パルスドップラー方式で高精度な測定が行える状態にあるか否かを判別できるので、測定精度が悪化していると判定した場合には、一時的に伝搬時間差方式に切り換えることで、測定精度の大幅な悪化を防止できる。
【００１９】
そして、例えば、前記状態判別手段は、前記各チャンネル毎に、測定精度が悪化しているか否かを判定するものであり、前記切換手段は、前記状態判別手段によって測定精度が悪化していると判定されたチャンネルの数が、予め設定される割合以上であった場合は、測定方式を伝搬時間差方式に切り換える。
【００２０】
また、例えば、前記パワーは前記ドップラースペクトルを積分処理して得られる総パワー又は該総パワーを取込回数で除算した平均化パワーである。
また、例えば、前記ドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて算出される標準偏差に代えて、該算出された標準偏差を前記ドップラーシフト周波数の平均値によって規格化した値を用いるものである。
【００２１】
また、例えば、予め任意の測定回数又は測定時間を設定させ、前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定は、前記設定された測定回数又は測定時間分、行われるようにしてもよい。
【００２２】
また、例えば、前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定結果を、該切換え直前のパルスドップラー方式による測定結果から緩やかに変化するように補正して出力するようにしてもよい。
【００２３】
本発明の超音波流量計、２方式併用型超音波流量計等によれば、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする。また、判別精度が高いので、適切なときに切換えが行われるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本例によるパルスドップラー式超音波流量計の構成・機能ブロック図である。
［図２Ａ］実験結果に基づく被測定流体の状態の判別基準を示す図である。
［図２Ｂ］実験結果に基づく判別方法（基準）について説明するための図である。
［図２Ｃ］実験結果に基づく判別方法（基準）について説明するための図である。
［図３］本例による２方式併用型超音波流量計の構成・機能ブロック図である。
［図４］本例の流量測定処理のフローチャート図である。
［図５］図４の処理の変形例である。
［図６］成功率を用いて判別する処理を説明する為の図である。
［図７Ａ］両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
［図７Ｂ］両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
［図７Ｃ］両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
［図７Ｄ］両測定方式が短時間で頻繁に切り替わる場合の対応方法について説明する為の図である。
［図８］チャンネルについて示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
［００２５］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本例によるパルスドップラー式超音波流量計の構成・機能ブロック図であり、これは被測定流体の状態を判別することができるものである。
［００２６］
図示のパルスドップラー式超音波流量計は、センサ１、発信器２、エミッタ３、増幅器４、Ａ／Ｄ変換部５、表示装置６、及びＣＰＵ／ＭＰＵ１０より成る。ＣＰＵ／ＭＰＵ１０は、その内臓メモリ又は不図示の外部メモリに格納された所定のアプリケーション・プログラムを実行することにより、流速分布計測部１１、パワー・標準偏差算出処理部１２、及び流量演算処理部１３の各機能部の処理を実行する。
［００２７］
センサ１は、超音波トランジューサであり、被測定流体が流れる配管の管壁７の外周面の一部に設置されている楔８に取り付けられている。センサ１は、発信器２及びエミッタ３により生成される電気信号に基づいて超音波パルスを出力する。この超音波パルスは、例えば直径５ｍｍ程度の直進性のビームであり、楔８、管壁７を介して配管内を流れる流体中に入り、流体中に含まれる反射体９（気泡等）によって反射される。この反射エコーはセンサ１が受信して電気信号に変換した後、増幅器４に出力する。
［００２８］
発信器２は、基本周波数ｆ０の電気信号を発生させ、エミッタ３は、この発信器２からの電気信号を所定の時間間隔（１／Ｆｐｒｆ）毎にパルス状に出力する。これより、センサ１からは、基本周波数ｆ０の上記超音波パルスが所定の時間間隔毎に出力される。尚、上記基本周波数ｆ０は、基本的には、配管の内径に反比例して定まる所要周波数である。また、尚、センサ１は、配管に対して一定の角度だけ傾斜するようにして楔８に取り付けられるものであり、上記超音波パルスは図示の測定線に沿って流体中を進行するものである。また、尚、反射体９は、上記気泡以外にも、微粉末等のパーティクル、被測定流体とは異なる音響インピーダンスを有する異物等がある。
［００２９］
上記センサ１から出力される反射エコー電気信号は、増幅器４によって増幅され、更にＡ／Ｄ変換部５によってディジタル化されて、ＣＰＵ／ＭＰＵ１０に入力する。
ＣＰＵ／ＭＰＵ１０においては、上記流速分布計測部１１と流量演算処理部１３は、従来から存在する処理部であり、上記ディジタル信号が入力されると、まず、流速分布計測部１１によって被測定流体の流速分布を算出し、流量演算処理部１３がこの流速分布に基づいて被測定流体の流量を算出するが、本装置では、更に、パワー・標準偏差算出処理部１２を有している。
［００３０］
上記の通り、パルスドップラー法による測定では、所定の繰返し周期（１／Ｆｐｒｆ）で上記超音波パルスの送信・受信を繰返し多数回実行する。
流速分布計測部１１は、上記多数回の計測結果に基づいて、測定線上の各位置の流速を算出し、算出した各位置（計測点）の流速に基づいて、流速分布を求めることになる。流速算出の際には、ドップラーシフト（送信パルスの周波数と受信エコーの周波数との差）成分を抽出して、このドップラーシフトの周波数ｆｄ等に基づいて、流速を算出する。
［００３１］
ここで、各位置（計測点）は、１点を意味するのではなく、測定領域（例えば、管軸に対して垂直方向における配管半径分の領域）を分割して成る各エリア（チャンネルと呼ぶ）を意味するものである。当然、反射体９がどのエリアを通過するのかは予測がつかないものであるが、更に各エリア毎に、そのエリア内の何処を反射体９が流れてくるのかは予測のつかないものである。つまり、パルスドップラー方式は、確率的な事象を扱うものであり、真値を得ることは困難である。よって、各チャンネル毎に、例えば２５６回分の流速計測が行われたら、その平均値を算出し、これを上記各位置（計測点）の流速としている。そして、各チャンネル毎に、この２５６回分の計測結果に基づいて、ドップラースペクトルを算出することになる。尚、各計測実行毎に、その計測点（そのとき反射体９が存在した位置）がどのチャンネルであるのかは、上記超音波パルスの送信から反射エコーの受信までに掛かる時間に基づいて判別できる。
【００３２】
パワー・標準偏差算出処理部１２は、まず、上記流速分布計測部１１による流速演算の処理過程で得られるデータ（上記ドップラーシフト周波数ｆｄやドップラースペクトル等）に基づいて、例えば参考文献１（「基礎超音波医学」八木晋一、遠藤信行、平田經雄、伊藤紘一著；医歯薬出版株式会社； 2002年10月10日第1版第3刷発行の２６頁〜３１頁）、参考文献２（「超音波医学辞典」辻本文雄著秀潤社 2000年9月8日第1版第1刷発行の１７０頁〜１７５頁）等に記載の方法により、以下に説明するように、各チャンネル毎に、パワー（Ｐ）と標準偏差σとを算出する。
【００３３】
各チャンネル毎に、例えば、上記参考文献１、２に記載されているように、まず、ドップラーシフト周波数ｆｄを横軸、パワーを縦軸とするパワースペクトル、すなわちドップラースペクトルＰ（ｆｄ）を求める。そして、このドップラースペクトルＰ（ｆｄ）を用いて、以下の（１）式により、そのチャンネルにおけるパワー（Ｐ）を算出する。
【００３４】
【数１】
上記パワー（Ｐ）はエコー波の強度を示すものであり、また上記参考文献１に記載のように、被測定流体内の反射体の数に比例するものである。
【００３５】
また、ドップラーシフト周波数ｆｄの平均値である平均ドップラーシフト周波数
（一次モーメント）より、ドップラーシフト周波数ｆｄのバラツキの程度を特定する統計量である分散σ^２（二次モーメント）は以下の（２）式で表すことができる。
【００３６】
【数２】
上記分散の平方根（√）が、標準偏差σである。この標準偏差は、各チャンネル毎に、そのチャンネルに係る計測結果の時間領域におけるばらつき（流れの安定性）を示すものであり、このばらつきが実用的な範囲であれば、計測結果は有効なものと考えられる。
【００３７】
以上述べたように、パワー（Ｐ）は被測定流体に含まれる反射体の状態（数等）を示しており、標準偏差は流れの安定性を示すものであるから、図２Ａに示すように、パワーが大きく且つ標準偏差が大きい場合には、被測定流体の状態は、反射体がある程度多く含まれ且つ不均一な流れであることを示す。また、パワーが大きく且つ標準偏差が小さい場合には、被測定流体の状態は、反射体がある程度多く含まれ且つ均一な流れであることを示す。また、パワーが小さく且つ標準偏差が大きい場合には、被測定流体の状態は、反射体が少なく（又は無い）且つ不均一な流れであることを示す。
【００３８】
ここで、本出願の発明者は、パルスドップラー式超音波流量計において同流量計の特徴である高精度の流量計測を行える条件（被測定流体の状態）を、実験等に基づいて確認した。すなわち、図２Ａに示すように、パワーが大きく、標準偏差が小さいという条件を満たす場合には、問題なく高精度の流量測定を行える状態にあることを確認した。
【００３９】
具体例としては、例えばＳＵＳ５０Ａ配管を用いた実験により、図２Ｂに示すように、本実験結果としては、被測定流体の平均流速が０．４(m/s)〜２(m/s)である場合には測定精度が良く、測定結果のバラツキが少なく、平均流速０．２(m/s)においては測定精度の悪化や測定結果の大きなバラツキが確認できる。そして、発明者は、更に、実験により、被測定流体の平均流速を順次変えながら、パワー（Ｐ）と標準偏差を算出した結果、図２Ｃに示す実験結果を得た。
【００４０】
図２Ｃに示す通り、測定精度よく測定可能な平均流速である０．４(m/s)〜２(m/s)の範囲内にある各流速は、図２Ｃを図２Ａに示す分類に当てはめた場合、「パワーが大きく且つ標準偏差が小さい」という条件にほぼ該当している。そして、この実験顕結果では、“大きい”と“小さい”とを分ける閾値は、大体、パワー（Ｐ）に関しては１０の７乗〜８乗付近、標準偏差はおよそ１〜１．５（rad）付近であると判断できる。
【００４１】
ここで、本実験では、流速を変化させて、各流速におけるパワーと標準偏差を求めているが、これは流速によって正常・異常を判定するという意味ではない。流速を変えることで、被測定流体の状態がどの様になるのかが、ある程度分かっているので、流速をパラメータとして使用しているのである。すなわち、本実験では流体中に気泡等をほぼ一定量でほぼ均一となるように含ませるが、流速が早いほど、単位時間当たりに測定線を通過する反射体９の数が多くなる。よって、流速が流体中の反射体の数を示唆することになる。また、本実験では反射体として気泡を用いており、水中の気泡は、当然、浮かび上がる性質であるが、流速が早いとそのまま押し流されていくので、バラツキは小さい。一方、流速が遅いと、途中で気泡が浮かび上がり、配管の重力方向上側に気泡が偏る為、バラツキが大きくなる。
【００４２】
以上述べたように、上記実験結果は、例えば流速が２m/sである場合は常に正常に計測できるという意味ではなく、流速によって、被測定流体の状態を再現しているだけであり、
上記パワー（Ｐ）、標準偏差は、流体中の反射体の数、バラツキに応じた値が算出されるものである。
【００４３】
尚、換言すれば、パワー・標準偏差算出処理部１２は、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、上記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出部と、各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出部と、各チャンネル毎に、上記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別部（何れも不図示）とから成ると言える。
【００４４】
以上述べたように、パワー・標準偏差算出処理部１２が算出したパワー（Ｐ）と標準偏差とを例えば表示装置６に表示し、オペレータ等が上記実験結果による閾値等に基づいて現在の被測定流体の状態を判断し、測定精度が悪化していないか等を確認することができる。あるいは、パワー・標準偏差算出処理部１２において予め上記閾値等を設定しておき、例えば「パワーが大きく且つ標準偏差が小さい」という条件に該当しない場合には、測定精度が悪化している旨を表示装置６に表示するようにしてもよい。つまり、これら表示内容は、測定結果の確からしさを知る指標となる。
【００４５】
上記のようにパワーと標準偏差を用いることで、被測定流体の状態を的確に表すことができるので、上記「測定結果の確からしさを知る指標」は信頼性の高いものとなる。更に、上記のように実験結果に基づいて適切な閾値を設定することで、測定精度が悪化しているか否かの判断の信頼性も高いものとなり、後述する２方式併用型超音波流量計においては適切なときに切換えが行われるようになる。
【００４６】
すなわち、上記被測定流体の状態の判別手法を、以下に述べる図３に示す２方式併用型超音波流量計に適用することで、パルスドップラー方式の測定精度の高さを活かしつつ、測定精度が悪化する状態になった場合には、伝搬時間差方式に切り替えることで、測定精度の悪化を抑止することができるようになる。
【００４７】
図３は、本例による２方式併用型超音波流量計の構成・機能ブロック図である。
尚、２方式とは、上記の通り、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式とである。
図示の２方式併用型超音波流量計は、センサ１、センサ２１、センサ２２、スイッチ２３、増幅器２４、増幅器２５、切替部２６、Ａ／Ｄ変換器２７、ＣＰＵ／ＭＰＵ２８、送信回路２９、表示装置３０、及び入力装置３１より成る。
【００４８】
センサ１は、上記図１に示すパルスドップラー方式用の超音波トランジューサである。図３では、更に伝搬時間差方式用の１対の超音波トランジューサであるセンサ２１、センサ２２が設けられている。尚、センサ２１、センサ２２自体は、センサ１と同じであってよいので、共用することもできる。すなわち、センサ１は削除し、センサ２１をパルスドップラー方式用としても使用するようにしてもよい。
【００４９】
送信回路２９は、例えば図１に示す発信器２及びエミッタ３より成る。
スイッチ２３は、センサ１を用いるのかセンサ２１，２２を用いるのかを切り替える為のスイッチである。スイッチ２３がセンサ１側に切り替わっている場合には、送信回路２９から出力される電気信号は、センサ１に入力して超音波パルスが発射され、これが反射体９等によって反射された結果センサ１から出力されるエコー電気信号は、増幅器２４に入力されるようになる。一方、スイッチ２３がセンサ２１，２２側に切り替わっている場合には、送信回路２９から出力される電気信号は、センサ２１又は２２に入力して超音波パルスが発射され、これをセンサ２２又は２１が受信して出力する電気信号（受信波）は、増幅器２５に入力されるようになる。
【００５０】
増幅器２４，２５は、増幅器４と同様、単なる信号増幅回路であり、増幅器２４は上記エコー電気信号を増幅し、増幅器２５は上記受信波を増幅する。
切替部２６は、増幅器２４、２５の何れか一方の増幅出力信号を、Ａ／Ｄ変換器２７に入力させるものであり、当然、センサ１を使用する場合には増幅器２４側に切り替わっている。Ａ／Ｄ変換器２７は上記何れかの増幅出力信号をＡ／Ｄ変換し、このディジタル信号をＣＰＵ／ＭＰＵ２８に出力する。
【００５１】
ＣＰＵ／ＭＰＵ２８は、図１のＣＰＵ／ＭＰＵ１０と同様に上記流速分布計測部１１、パワー・標準偏差算出処理部１２、及び流量演算処理部１３の各機能部を有するが、更に、パワー・標準偏差算出処理部１２によって上記の通り測定精度が悪化していると判定された場合に、切替部２６及びスイッチ２３を伝搬時間差方式側へと切り替える切替制御部（不図示）を有している。また、伝搬時間差方式による流量算出処理を実行する処理機能部（不図示）も有している。
【００５２】
ＣＰＵ／ＭＰＵ２８において上記何れかの方式により流量が算出されると、この流量は表示装置３０に表示される。また、現在、上記何れの方式を用いているのかを、表示装置３０に表示してもよい。
【００５３】
図４に、ＣＰＵ／ＭＰＵ２８によって実行される流量測定処理のフローチャート図を示す。
本例では、通常はパルスドップラー方式で流量測定を行っており、測定精度が悪化したと判定されたときだけ伝搬時間差方式に切り替えるものである。
【００５４】
これより、通常時は、スイッチ２３及び切替部２６はセンサ１側に切り替えられており、センサ１によって検出されたエコー波のディジタル信号を、Ａ／Ｄ変換器２７から入力すると、上記流速分布計測部１１によって流速算出が行われるが（ステップＳ１１）、上記の通り、その処理過程で得られるドップラースペクトルＰ（ｆｄ）等を用いて、パワー・標準偏差算出処理部１２がパワー（Ｐ）と標準偏差σとを算出する（ステップＳ１２）。
【００５５】
そして、上述してあるように、予めパワー（Ｐ）に対する閾値Ｘと標準偏差σに対する閾値Ｙが設定・登録されているので、ステップＳ１２で算出したパワー（Ｐ）と標準偏差を、各々、閾値Ｘ、Ｙと比較し、例えばパワー（Ｐ）≧Ｘ且つ標準偏差≦Ｙである場合、すなわち上記「パワーが大きく且つ標準偏差が小さい」という条件を満たしている場合には（ステップＳ１３，ＹＥＳ）、そのままパルスドップラー方式を継続するものとし、流量演算処理部１３によって流量を算出し（ステップＳ１４）、算出結果等を表示装置３０に出力する（ステップＳ１９）。
【００５６】
一方、上記「パワー（Ｐ）≧Ｘ且つ標準偏差≦Ｙ」の条件を満たさない場合には（ステップＳ１３，ＮＯ）、伝搬時間差方式に切り替える。すなわち、まずスイッチ２３及び切替部２６を切り替えた後、センサ２１から超音波パルスを送信させてセンサ２２で受信させ、センサ２２から超音波パルスを送信させてセンサ２１で受信させ（ステップＳ１５）、両方とも正常に受信できた場合には（ステップＳ１６，ＹＥＳ）、両者の伝搬時間差に基づいて被測定流体の平均流速および流量を算出し（ステップＳ１７）、結果を表示装置３０に出力する。尚、少なくとも一方が正常受信できなかった場合には（ステップＳ１６，ＮＯ）、異常処理を行う（ステップＳ１８）。
【００５７】
尚、ステップＳ１３の処理は、上記説明では「パワー（Ｐ）≧Ｘ且つ標準偏差≦Ｙ」を判定条件としたが、この例に限らず、「パワー（Ｐ）≧Ｘ」のみを判定条件としてもよいし、「標準偏差≦Ｙ」のみを判定条件としてもよい。図２Ｃに示す実験結果によれば標準偏差のみを用いても、ある程度判別可能である。また、パワーは、被測定流体中の反射体の数に比例するのであり、パルスドップラー方式では反射体の数が少ないと精度良い計測が行えないことは分かっているので、パワーのみを用いても、ある程度判別可能であるからである。
【００５８】
図５に、図４の処理の変形例を示す。
図５に示すステップＳ２１〜Ｓ２６の処理は、図４のステップＳ１１〜Ｓ１９の処理とほぼ同じである（ステップＳ２５の処理は図４のステップＳ１５〜Ｓ１８の処理である）。異なる点は、事前の任意のときに、ユーザに任意の閾値Ｘｓ、Ｙｓを設定させることで（ステップＳ２７）、ステップＳ２３の判定は、ステップＳ１３における閾値Ｘ，Ｙの代わりに、上記閾値Ｘｓ、Ｙｓを用いることである。すなわち、上記２方式併用型超音波流量計の製造元では、上記実験結果等やその他経験等に基づいて上記閾値Ｘ、Ｙを設定するが、最適な閾値は配管条件や被測定流体の性質等によって変わってくる。よって、各ユーザ毎に、そのユーザが適切と考える任意に閾値Ｘｓ、Ｙｓを設定できるようにする。これは不図示の閾値設定画面を表示装置３０に表示し、ユーザは入力装置３１を操作して、所望の閾値を入力するものである。入力装置３１は、タッチパネル、キーボード等である。
［００５９］
流速の算出は、上記の通り配管の管軸に対して垂直方向（配管断面方向）の各位置（チャンネル）毎に行われるが、図４、図５の処理が、一部のチャンネルのみを用いるのか全てチャンネルのみを用いるのか等について、説明していなかった。これは、任意の１つのチャンネルのみを用いることや、任意の一部（複数）のチャンネルを用いることも考えられるが、判定精度良く判定する為に適切と考える手法を、以下に、図６を参照して説明する。
［００６０］
図６に示す処理例では、まず事前に図５と同様にユーザ側で任意に閾値Ｘｓ、Ｙｓを設定させると共に任意の成功率の閾値Ｚｓを設定させる。この成功率の閾値Ｚｓは、０％〜１００％の間の任意の値を設定できるが、本発明者は実験結果等から７０％程度が適切であると考える。尚、パワーと標準偏差の閾値は、図４と同様、製造元で設定した値Ｘ、Ｙを用いてもよい。同様に、成功率の閾値も、製造元で設定した値を用いてもよい。
［００６１］
図６において、ステップＳ３１、Ｓ３２の処理は、上記ステップＳ１１，Ｓ１２等と同様であるが、パワー（Ｐ）と標準偏差は、全てのチャンネルについて、それぞれ算出する。
［００６２］
そして、各チャンネル毎にそのパワー（Ｐ）と標準偏差を、上記閾値Ｘｓ、Ｙｓと比較して、測定精度が悪化しているか否かを判定し、測定精度は悪化していないと判定されたチャンネルの数をカウントする。そして、このカウント数ｎと全チャンネル数Ｎとにより、成功率＝ｎ／Ｎを算出する。そして、算出した成功率を上記成功率の閾値Ｚｓと比較して、成功率≧Ｚｓであれば（ステップＳ３４，ＹＥＳ）、そのままパルスドップラー方式を用いるものとし、流量演算処理部１３によって流量演算を実行する（ステップＳ３５）。一方、成功率＜Ｚｓであれば（ステップＳ３４，ＮＯ）、伝搬時間差方式に切り替えるものとし、図４で説明したステップＳ１５〜Ｓ１８の処理を実行する（ステップＳ３６）。
【００６３】
ここで、上述したパワー（Ｐ）や標準偏差の算出は、設定したパラメータに影響を受ける。例えば、パワー（P）は、取込回数によって影響を受ける。この取込回数とは、例えば上記説明で２５６回としているものであり、取込回数が多ければパワー（P）は大きくなる。この様にパラメータによって影響を受ける為、上記閾値によって一元的に正常・異常を評価できない場合がある。
【００６４】
よって、パワー（Ｐ）や標準偏差が設定パラメータによって変動することを抑える為に、パワー（Ｐ）や標準偏差の算出方法を、以下の様にしてもよい。
パワー（Ｐ）は、取込回数で平均化した値としてもよい。すなわち、上記（１）式で求めたパワー（P）を取込回数で除算したもの（パワー（P）／取込回数）を、パワー（P）の算出結果としてもよい。
【００６５】
あるいは、標準偏差は、上記（２）式に基づいて求めた上記標準偏差σを、上記平均ドップラーシフト周波数
によって規格化した値
【００６６】
としてもよい。これは、σの値が同じであっても、平均ドップラーシフト周波数
の値が大きい場合と小さい場合とでは、その意味が違うからである。つまり、σの値が同じであっても、平均ドップラーシフト周波数
【００６７】
の値が小さい場合は、大きい場合に比べて、バラツキが大きいことになる。勿論、これらの場合には、上記閾値Ｘ，Ｙ等も、平均化又は規格化した値に基づいて決定される。
【００６８】
また、上記標準偏差は、ドップラーシフト周波数ｆｄの標準偏差としたが、代わりに、ドップラーシフト位相角ωｄの標準偏差としてもよい。ドップラーシフト周波数ｆｄとドップラーシフト位相角ωｄとの関係は、以下の（３）式で表される。従って、上記（２）式の算出結果の平方根より算出されるドップラーシフト周波数ｆｄの標準偏差に、２πＴを乗算した値が、ドップラーシフト位相角ωｄの標準偏差となる。尚、Ｔは、上記パルス繰返し周期１／Ｆprfである。
【００６９】
【数３】
上述した２方式併用型超音波流量計では、パルスドップラー方式による計測を基本とし、上記閾値に基づいて測定精度が悪化していると判定されたときだけ、一時的に、伝搬時間差方式に切り換えるが、被測定流体の状態によっては、例えば上記パワーと標準偏差の算出結果が、上記閾値とほぼ同じ値となる場合があり、この場合、ちょっとした変動により、閾値を超えたり超えなかったりする為、上記切り換えが頻繁に行われるという状況に成り得る。しかし、パルスドップラー方式による計測結果と、伝搬時間差方式による計測結果とでは、例えば図７Ａに示すように、多少異なる為、両測定方式が短時間で頻繁に切り替わった場合、測定結果は例えば図７Ｂに示すように、頻繁に変動することになる。
【００７０】
尚、パルスドップラー方式においては、１チャンネルの流速計測の為に超音波パルスの送受信を、例えば２５６回行って平均値をとり、更に測定方式を切り換えるか否かを判定する。一方、伝搬時間差においても、256回分の処理を行った後、相関演算、伝搬時間,伝搬時間差の算出、温度補正等の演算を行い、最終的に被測定流体の流速、及び流量を算出する。従って、伝搬時間差法、並びパルスドップラー法における流量算出までの処理時間は、同程度のオーダーとなるので、例えば図７Ｂに示すような状態に成り得る。
【００７１】
超音波流量計は、流量を測定・表示するが、流速も表示して、これを監視者等が参照して、異常がないかを判断している場合も少なくない。この為、上記の通り流速が頻繁に変動すると、異常が発生したと誤解する可能性がある。また、出力する流量値への影響も少なくない。
【００７２】
本例では、この問題に対応する為に、以下の２通りを提案するが、この例に限るものではない。
第１の方法は、パルスドップラー方式から伝搬時間差方式に切り替わった場合に、一定時間ｔ経過するまで又は測定回数ｎを実行するまでは伝搬時間差方式による測定を継続する方法である。上記ｔ又はｎの値は、例えばユーザ側で設定可能であり、予め任意に設定しておくものである。例えば、ｎとして２０を設定すれば、伝搬時間差方式に切り替わった後、伝搬時間差方式による測定を２０回連続して行った後、パルスドップラー方式に戻り、測定方式の切換を判定することになる。この様にして、両測定方式が短時間で頻繁に切り替わることを防止できる。たとえ図７Ｂに示すような状況であっても、計測結果は例えば図７Ｃに示すようになる。
【００７３】
第２の方法は、パルスドップラー方式から伝搬時間差方式に切り替わる直前のパルスドップラー方式による流速の測定結果をｖ１とし、切り替え後の伝搬時間差方式による測定回数ｎまでの各流速測定結果をｖ２_ｋ（ｋ；１〜ｎまでの整数であり、ｖ２_ｋは、ｋ回目の流量測定結果を意味する）とした場合に、切り替え後の流速ｖを、伝搬時間差方式によって測定を行う毎に以下の式により算出するものである。
【００７４】
ｖ＝（ａ_ｋ−１）ｖ１＋ａ_ｋ×ｖ２_ｋ
（但し、ｎは上記第１の方法と同様に設定される測定回数であり、ａ_ｋ＝（１／ｎ）×ｋである）。
【００７５】
上記算出式により、流速ｖの値は、ｖ１に近い値から徐々に伝搬時間差方式による測定結果の値に近づいていくので、出力される流速値は、急激に変化することなく、例えば図７Ｄに示すように時間の経過と共に緩やかに変化することになる。
【００７６】
そして、ｎ回測定した時点で、パルスドップラー方式に切り換える。
上記第２の方法は、特に、ｖ１とｖ２の差が大きい場合に有効である。
上記第１又は第２の方法により、測定方式の切換えによる出力の乱れを抑制することができる。
［００７７］
最後に、上記測定線上の位置（チャンネル）について、図８に示しておく。
図８に示すＣＨ１、ＣＨ２，ＣＨ３等が、上記測定線上の位置（チャンネル）に相当する。
本発明の超音波流量計、２方式併用型超音波流量計等によれば、パルスドップラー方式の超音波流量計において被測定流体の状態を判別することで、測定結果の確からしさを知ることができるようにし、更にパルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計を構成し、被測定流体の状態の判別結果に応じて、パルスドップラー方式を伝搬時間差方式に切り替えることで、パルスドップラー方式による高精度な測定を活かしつつ測定精度を悪化させずに流量測定することを可能にする。また、判別精度が高いので、適切なときに切換えが行われるようになる。

Claims

パルスドップラー式超音波流量計において、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段と、
を有することを特徴とするパルスドップラー式超音波流量計。
パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計であって、
通常時は、パルスドップラー方式を用いるものとし、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出するパワー算出手段と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する標準偏差算出手段と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する状態判別手段と、
状態判別手段による判別結果に応じて一時的に伝搬時間差方式に切り換えるか否かを決定する切換手段と、
を有することを特徴とする２方式併用型超音波流量計。
前記状態判別手段は、前記各チャンネル毎に、測定精度が悪化しているか否かを判定するものであり、
前記切換手段は、前記状態判別手段によって測定精度が悪化していると判定されたチャンネルの数が、予め設定される割合以上であった場合は、測定方式を伝搬時間差方式に切り換えることを特徴とする請求項２記載の２方式併用型超音波流量計。
前記パワーは前記ドップラースペクトルを積分処理して得られる総パワー又は該総パワーを取込回数で除算した平均化パワーであることを特徴とする請求項２又は３記載の２方式併用型超音波流量計。
前記ドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて算出される標準偏差に代えて、該算出された標準偏差を前記ドップラーシフト周波数の平均値によって規格化した値を用いることを特徴とする請求項２又は３記載の２方式併用型超音波流量計。
標準偏差算出手段は、前記ドップラーシフト周波数とその平均値に代えて、ドップラーシフト位相角とその平均値を用いて、ドップラーシフト位相角の標準偏差を算出することを特徴とする請求項２又は３記載の２方式併用型超音波流量計。
前記閾値を設定・変更させる入力手段を更に有することを特徴とする請求項２記載の２方式併用型超音波流量計。
予め任意の測定回数又は測定時間を設定させ、
前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定は、前記設定された測定回数又は測定時間分、行われることを特徴とする請求項２記載の２方式併用型超音波流量計。
前記切換手段によって一時的に伝搬時間差方式に切り換えられた場合、該伝搬時間差方式による測定結果を、該切換え直前のパルスドップラー方式による測定結果から緩やかに変化するように補正して出力することを特徴とする請求項２記載の２方式併用型超音波流量計。
パルスドップラー式超音波流量計におけるコンピュータに、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出する機能と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する機能と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する機能と、
を実現させる為のプログラム。
パルスドップラー方式と伝搬時間差方式との併用型の超音波流量計におけるコンピュータに、
通常時は、パルスドップラー方式を用いるものとし、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラースペクトルに基づいて、前記エコー信号の強度を示すパワーを算出する機能と、
各チャンネル毎に、計測したエコー信号に基づいて得られるドップラーシフト周波数とその平均値とに基づいて、その標準偏差を算出する機能と、
各チャンネル毎に、前記パワー又は／及び標準偏差をそれぞれ所定の閾値と比較することで、被測定流体の状態を判別する機能と、
状態判別手段による判別結果に応じて、伝搬時間差方式に切り換えるか否かを決定する機能と、
を実現させる為のプログラム。