JP4712035B2 - 取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置の較正方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝播時間（差）法に基づく取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置の較正方法に関する。

取付型ないしクランプ（clamp-on）型流量測定装置は、多くの産業領域で幅広く使用されている。その本質的な利点の１つは、流量測定が非接触的に実行されることである。伝播時間差法に基づく取付型ないしクランプ型流量測定装置では、流れの中にないし流れに向かって（ないし対して）伝播する２つの音響信号の差が測定され、その差から体積流量が計算される。伝播時間差は、音響経路における平均流速Ｖｌ、流体に対する音響入射角度及び音響伝播時間ｔｆｌに依存する。これらの関係は以下の式で表される：

Ｖｌ＝Ｋａ×（Δｔ／２ｔｆｌ） 式（１）

ここに、Ｋａは、流体における入射角度を定める音響較正係数（ファクタ）であり、式（２）で与えられる：

Ｋａ＝ｃα／ｓｉｎ（α） 式（２）

ここに、流体における入射角度は、屈折の法則に従い、音響トランスデューサ前方（放射）経路（Vorlauf）における入射角度及び音響（伝播）速度によって表される。体積流量を計算するためには、更に、流体力学的補正係数ＫＦが既知である必要がある。流体力学的補正係数ＫＦは、音響経路における平均流速に対する流速の面積平均値の比を表し、以下の式（３）で表される：

ＫＦ＝ＶＡ／Ｖｌ 式（３）

そして、流量Ｑは、管の断面積Ａとすると、以下のように表される：

Ｑ＝ＫＦ×Ａ×Ｋａ×（Δｔ／２ｔｆｌ） 式（４）

前方（放射）経路における音速及び入射角度の比としての音響較正係数の計算は、或る種の理想化された仮定を前提とする。まず、音響トランスデューサ（複数）が最適であること、即ち音響的に互いに向かい合って位置していることが必要である。尤も、実際の使用上は、最適位置からずれが生じているのが通常である。次に、音速は、音響トランスデューサの前方（放射）経路において、温度依存性である。測定対象の温度が周囲の温度から著しく相違している場合は、温度は、音響トランスデューサにおいて、更に、（空間）位置依存性である。そして、前方（放射）経路における温度分布が既知である場合にのみ、音響較正係数は、数値的に計算することができる。

流体における入射角度に対し場合によっては起こり得る管壁の影響は、Ｋａにおいては、同様に考慮されない。

音響較正係数の上述のようなずれが重要になりかつ計算によっては補償できない場合、較正が考えられよう。これは、通常、流量較正状態において実行される。その際、式（４）に含まれるすべての変数、即ち体積流量Ｑ、流体力学的補正係数ＫＦ、管の内断面積並びに伝播時間及び伝播時間差が既知であることを出発点とする（仮定する）。そして、音響較正係数は、式（４）を変形した下記の式によって計算することができる：

Ｋａ＝Ｑ／（Ａ×ＫＦ×（Δｔ／２ｔｆｌ） 式（５）

しかしながら、較正状態（複数）は、実際に存在する測定条件のうち僅かなもの（選択肢）についてしか得ることができない。大きな公称（みかけ）口径又は高い温度に対して、基準（標準）体積流量（Referenzvolumenstrom）を求めることは極めて煩雑である。

それゆえ、本発明の課題は、基準（標準）体積流量を求めることなく得られかつ体積流量の測定を可能にする取付型ないしクランプ型流量測定装置の音響較正係数（akustischer Kalibrierfaktor）Ｋａの較正方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明により、取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置が提供される。この取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置は、音響トランスデューサの互いに対する並進運動によって位置差を生成し、該位置差に関係付けられた（結合された）伝播速度を測定することを特徴とする。このため、これら２つの音響トランスデューサの放射面は、互いに対し平行な面において、音響的に向かい合うよう配向される。

本発明の方法は、更に、
ａ） （ある）相互間の距離（相対距離）ｘ０＋ｘｄの場合における（２つの）音響トランスデューサの位置決め及びこの位置における（２つの）音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ１の測定を実行すること、ここに、ｘ０は２つの音響トランスデューサの最適な音響的結合のための距離であり、ｘｄはこの位置からのずれ（Abweichung）であって偏位（ないし偏差）（Fehlposition）と表される；
ｂ） （他の）相互間の距離（相対距離）ｘ０＋ｘｄ＋Δｘの場合における（２つの）音響トランスデューサの位置決め及びこの位置における（２つの）音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ２の測定を実行すること、及び
ｃ） 距離差Δｘ及び時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１から式Ｋａ＝Δｘ／Δｔに基づき音響較正係数Ｋａの計算を実行すること
を特徴とする。（形態１、基本構成１）
上記の較正方法において、前記偏位に依存する前記音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）の一連の測定値を取得するために、前記音響トランスデューサの受信範囲ｘｄ１〜ｘｄ２において、十分に大きな数Ｎの偏位ｘｄに対して実行されることが好ましい（形態２）。
上記の較正方法において、前記音響トランスデューサ間の音響伝播は、該音響トランスデューサに対し平行な面に配された一又は複数の反射体を介して実行されることが好ましい（形態３）。
上記の較正方法において、前記音響伝播は、管セグメント（複数）を介して実行されることが好ましい（形態４）。
上記の較正方法において、前記音響トランスデューサの向かい側に位置する管セグメントは、反射体（Reflektoren）として構成されることが好ましい（形態５）。
上記の較正方法において、前記２つの音響トランスデューサは、通常のクランプ型配置で管に配されること、但し該２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は管軸の方向に摺動可能であることが好ましい（形態６）。
体積流量の計算のために、請求項１又は２の方法により測定された音響較正係数が使用されることを特徴とする、取付型ないしクランプ型音響トランスデューサを用いた伝播時間差法による体積流量測定方法（形態７）。
上記の体積流量測定方法において、前記２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は、位置を変化するための装置を備えること、及び請求項１又は２により音響較正係数Ｋａが求められることによって、自己較正が実行されることが好ましい（形態８）。
上記の体積流量測定方法において、流量測定装置の自己較正は作動中に実行されることが好ましい（形態９）。
上記の課題を解決するために、更に、２つの音響トランスデューサの夫々の放射面が、互いに対し平行な面に音響的に対向して夫々配置される、取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置の較正装置が提供される。この較正装置において、
前記音響トランスデューサの相互間の並進運動によって位置差を生成し、該位置差に関係付けられる伝播時間差が測定されると共に、
ａ） 相互間の距離ｘ０＋ｘｄの場合における前記音響トランスデューサの位置決め及びこの位置における該音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ１の測定を実行すること、ここに、ｘ０は該２つの音響トランスデューサの最適な音響結合のための距離であり、ｘｄはこの位置からのずれ（偏位ないし偏差（Fehlposition）と表す）であること、
ｂ） 相互間の距離ｘ０＋ｘｄ＋Δｘの場合における前記音響トランスデューサの相互間の位置決め及びこの位置における該音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ２の測定を実行すること、
ｃ） 距離差Δｘ及び時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１から式Ｋａ＝Δｘ／Δｔにより音響較正係数Ｋａの計算を実行することを特徴とする（形態１０・基本構成２）。
上記の較正装置において、前記音響トランスデューサの受信範囲ｘｄ１〜ｘｄ２は、十分に大きな数Ｎの偏位ｘｄが求められかつ前記偏位に依存する前記音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）の一連の測定値の取得が実行されるように、調整されることが好ましい（形態１１）。
上記の較正装置において、前記音響トランスデューサ間の音響伝播を実行するために、一又は複数の反射体が該音響トランスデューサに対し平行な面に配されることが好ましい（形態１２）。
上記の較正装置において、管セグメント（複数）が配され、該管セグメント（複数）を介して前記音響伝播が実行されることが好ましい（形態１３）。
上記の較正装置において、前記音響トランスデューサの向かい側に位置する管セグメントは、反射体（Reflektoren）として構成されることが好ましい（形態１４）。
上記の較正装置において、前記２つの音響トランスデューサは、通常のクランプ型配置で管に配されること、但し該２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は管軸の方向に摺動可能であることが好ましい（形態１５）。
体積流量の計算のために、請求項１０又は１１の較正装置により測定された音響較正係数が使用されることを特徴とする、取付型ないしクランプ型音響トランスデューサを用いた伝播時間差法による体積流量測定装置（形態１６）。
上記の体積流量測定装置において、前記２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は、位置を変化するための装置を備えること、及び音響較正係数Ｋａが請求項１０又は１１の較正装置により求められることによって、自己較正が実行されることが好ましい（形態１７）。
上記の体積流量測定装置において、流量測定装置は作動中に自己較正されることが好ましい（形態１８）。

本発明の方法（の実行）は、十分に大きな数Ｎの偏位（誤位置ないし偏差）Ｘｄに対し、音響トランスデューサの受信範囲ｘｄ１〜ｘｄ２において、偏位に依存する音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）の一連の測定値（Messreihe）を取得するために実行される。

一実施形態では、（２つの）音響トランスデューサ間の音響伝播は、該音響トランスデューサに対し平行な面（複数）に配された一又は複数の反射体（装置）を介して実行される。

更なる一実施形態では、音響入射結合（音響送受信）（Schalleinkopplung）は、管セグメント（複数）を介して実行されるが、該管セグメントは、反射体（ないし装置）として構成可能である。

音響トランスデューサは、通常のクランプ型配置で管に配することができ、管軸の方向に摺動可能に構成することもできる。

本発明の方法は、取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置に使用され、測定精度を改善することができる。

取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置では、体積流量は、上述の実施形態の１つに応じて規定された（求められた）偏位（誤位置）Ｘｄに依存する音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）によって計算される。

本発明の方法は、取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置において実行することができる。

２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は、その位置を変更するための装置が備えられ、音響較正係数Ｋａが上述の各実施形態に応じて求められることによって自己（自動）較正（Selbstkalibrierung）を実行することができる。

流量測定装置の自己（自動）較正は、作動中に実行することができる。

本発明の方法及び取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置の利点は、流量測定装置が基準（標準）体積流量がなくても（を使用しなくても）較正を行うことができることである。作動中の自己（自動）較正の際は、流体の流れ（貫流）は止めてはならない。

以下に、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

図１に示した装置は、音響的に対向するよう配置された２つの音響トランスデューサ１及び２から構成される。これは、２つの音響トランスデューサの放射面が互いに対し平行であり、かつ一方の音響トランスデューサの音線が他方の音響トランスデューサに入射するように、２つの音響トランスデューサ相互間の距離が選択されていることを意味する。この適正な距離をｘ０で表すものとする。また、音響トランスデューサ２は、図面に記載された状態において、位置ｘ＝０にあるものとする。この場合、センサ距離は、音響トランスデューサ２の位置に相当する。２つの音響トランスデューサの間には、例えば水等の流体が存在する。このため、装置全体が１つの容器内に沈潜されるので、流体は、少なくとも放射面間の空間に充満する。音響トランスデューサ１は、リニア位置調整ユニット３によって保持（担持）されるため、そのｘ方向位置従ってセンサ距離は、リニア位置調整ユニットによって変更することができる。

本発明の思想は、流動する流体が生成する測定効果を、２つの音響トランスデューサを運動させることによって、静止流体において生成することである。伝播時間差法（Laufzeitdifferenzverfahren）に基づき超音波流量測定装置の測定効果を計算する際には、通常、流速と音速とをベクトル的に重ねあわせ、これと、伝播時間の変化が関係付けられる（結合される）モデル概念（ないし仮想モデル：Modellvorstellung）から出発する。尤も、音響インパルスの空間的シフト（変位：Versatz）から出発することも同様に可能である。この場合、音響インパルスは、２つの音響トランスデューサの間の通路を通過する際にシフト（変位）を受け、該シフト（変位）は音響インパルスが流動する媒体によって一緒に流動されることによって生じる。図１は、静止流体の場合の音響経路の推移４と、流体が流速Ｖで流動している場合の推移５を示す。流動によって引き起こされる空間的シフト（変位）Δｘｖは、流速Ｖｌと伝播時間ｔｆｌとから求められ、以下の式で表される：

Δｘｖ＝Ｖｌ×ｔｆｌ 式（６）

この式をＶｌについて変形し、式（１）に代入することにより以下の式が得られる：

Ｋａ＝２Δｘｖ／Δｔ 式（７）

即ち、空間的シフト（移動量）を時間差で割った値を２倍したものから音響較正係数が得られる。

ここで、静止流体について考え、音響トランスデューサ１の２つの位置ｘ及びｘ＋Δｘに対する音響伝播時間ｔ１及びｔ２を測定する。そして、位置差Δｘと伝播時間の差Δｔ＝ｔ２−ｔ１とを用いることにより、式（７）の音響較正係数は、同様に、以下の式で表すことができる：

Ｋａ＝Δｘ／Δｔ 式（８）

このようにして、音響較正係数は、基準（標準）体積流量を用いることなく求めることができる。その代わりに、（２つの）音響トランスデューサの位置差が実現され、これと関係付けられた（結合された）伝播時間差が測定される。伝播時間差の測定のために、取付型ないしクランプ型流量測定装置自体を使用することができる。このようにして、センサ（複数）だけではなく、測定トランスデューサ（装置）全体が較正される。

音響伝送（伝播）は、（２つの）音響トランスデューサの最適な距離ｘ０の場合だけではなく、この位置を中心とした一定の範囲ｘ１〜ｘ２においても可能である。上述のとおり、この場合、音響較正係数は、式（２）によって計算される値とは相違する。偏位（ないし偏差：deviation）ｘｄは、音響トランスデューサ（間）距離（間隔）ｘと最適距離ｘ０との間の差を表す：

ｘｄ＝ｘ−ｘ０ 式（９）

この種の偏位は実際上回避することはできないので、上述の方法により受信領域の範囲内において複数の音響トランスデューサ（間）距離（間隔）に対し音響較正係数Ｋａを測定することには意義がある。この場合、この一連の測定値は、流量測定装置において、偏位依存性音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）として使用することができる。即ち、式（４）の代わりに、以下の式が使用される：

Ｑ＝ＫＦ×Ａ×Ｋａ（ｘｄ）×（Δｔ／２ｔｆｌ） 式（１０）
（訳注：原文の式（１０）中の“ｔ１”はｔｆｌの明白な誤記。式（４）参照）

図２は、反射体６を備えた音響トランスデューサ装置を示す。この装置の利点は、２つの音響トランスデューサが流体の外部に配置可能であることにある。放射面（複数）及び反射体が流体中にあればよい。

図３に示した装置は、管壁の影響の検出を可能にする。そのために、音響トランスデューサ１及び２は、夫々、管セグメント（管の部分）７及び８に結合され、音響は向かい側に位置する管セグメント９において反射される。このようにして、１つの管における現実の測定の場合と、音響的にほぼ同じ条件が得られる。尤も、１つの管の代わりに複数の管セグメントを使用することにより、音響トランスデューサ（複数）を（対応する）管セグメントに夫々固定的に結合し、音響較正係数を測定するために、該管セグメントと一緒に摺動させることが可能になる。完全な管１０を使用する場合は、音響トランスデューサは、管１０に対し摺動する必要がある。その際、結合状態を一定に維持することは困難である。尤も、これが必要とされるのは、具体的測定部位（Messstelle）が、その場で（現場で：vor Ort）較正されるべき場合である。従って、この場合、測定対象は、シミュレートされるのではなく、それ自体、較正の一部である。図４は、本発明のそのような実施例の１つを示す。センサ（複数）は、測定のための通常の配置で管１０に取付（クランプ）される。この２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は、リニア位置調整ユニットと結合される。本発明のこの実施例は、更に、作動中、流量測定装置の自己（自動）較正を可能にする。このため、測定プロセスは、一定の間隔で中断され、位置差Δｘに対する伝播時間差Δｔが測定され、それ（その結果）から、本発明に応じ、音響較正係数が求められる。このことが、ただ１つのセンサ位置についてのみ実行されるべき場合は、完全なリニア位置調整ユニットは必要ではなく、２つのセンサ距離を正確に調整することを可能にする装置があればよい。そのような装置は、管にセンサを固定するための一般的な装置に組込むことができる。

直接対向型の音響トランスデューサ装置。音響トランスデューサ１のｘ方向における位置はリニア位置調整ユニット３によって求められる。 反射体６を備えた音響トランスデューサ装置。音響トランスデューサのｘ方向における位置はリニア位置調整ユニット３によって求められる。 管セグメント（複数）を備えた音響トランスデューサ装置。音響トランスデューサ１のｘ方向における位置はリニア位置調整ユニット３によって求められる。 １つの管上に配された音響トランスデューサ装置。音響トランスデューサ１のｘ方向における位置はリニア位置調整ユニット３によって求められる。

Claims (18)

1. ２つの音響トランスデューサの夫々の放射面が、互いに対し平行な面に音響的に対向して夫々配置される、取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置の較正方法において、
   前記音響トランスデューサの相互間の並進運動によって位置差を生成し、該位置差に関係付けられる伝播時間差が測定されると共に、
   ａ） 相互間の距離ｘ０＋ｘｄの場合における前記音響トランスデューサの位置決め及びこの位置における該音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ１の測定を実行すること、ここに、ｘ０は該２つの音響トランスデューサの最適な音響結合のための距離であり、ｘｄはこの位置からのずれ（偏位ないし偏差（Fehlposition）と表す）であること、
   ｂ） 相互間の距離ｘ０＋ｘｄ＋Δｘの場合における前記音響トランスデューサの相互間の位置決め及びこの位置における該音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ２の測定を実行すること、
   ｃ） 距離差Δｘ及び時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１から式Ｋａ＝Δｘ／Δｔにより音響較正係数Ｋａの計算を実行すること
   を特徴とする較正方法。
2. 前記偏位に依存する前記音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）の一連の測定値を取得するために、前記音響トランスデューサの受信範囲ｘｄ１〜ｘｄ２において、十分に大きな数Ｎの偏位ｘｄに対して実行されること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記音響トランスデューサ間の音響伝播は、該音響トランスデューサに対し平行な面に配された一又は複数の反射体を介して実行されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記音響伝播は、複数の管セグメントを介して実行されること
   を特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記音響トランスデューサの向かい側に位置する管セグメントは、反射体（Reflektoren）として構成されること
   を特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記２つの音響トランスデューサは、通常のクランプ型配置で管に配されること、但し該２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は管軸の方向に摺動可能であること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
7. 体積流量の計算のために、請求項１又は２の方法により測定された音響較正係数が使用されることを特徴とする、取付型ないしクランプ型音響トランスデューサを用いた伝播時間差法による体積流量測定方法。
8. 前記２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は、位置を変化するための装置を備えること、及び請求項１又は２により音響較正係数Ｋａが求められることによって、自己較正が実行されること
   を特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 流量測定装置の自己較正は作動中に実行されること
   を特徴とする請求項８に記載の方法。
10. ２つの音響トランスデューサの夫々の放射面が、互いに対し平行な面に音響的に対向して夫々配置される、取付型ないしクランプ型超音波流量測定装置の較正装置において、
    前記音響トランスデューサの相互間の並進運動によって位置差を生成し、該位置差に関係付けられる伝播時間差が測定されると共に、
    ａ） 相互間の距離ｘ０＋ｘｄの場合における前記音響トランスデューサの位置決め及びこの位置における該音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ１の測定を実行すること、ここに、ｘ０は該２つの音響トランスデューサの最適な音響結合のための距離であり、ｘｄはこの位置からのずれ（偏位ないし偏差（Fehlposition）と表す）であること、
    ｂ） 相互間の距離ｘ０＋ｘｄ＋Δｘの場合における前記音響トランスデューサの相互間の位置決め及びこの位置における該音響トランスデューサ間の音響伝播時間ｔ２の測定を実行すること、
    ｃ） 距離差Δｘ及び時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１から式Ｋａ＝Δｘ／Δｔにより音響較正係数Ｋａの計算を実行すること
    を特徴とする較正装置。
11. 前記音響トランスデューサの受信範囲ｘｄ１〜ｘｄ２は、十分に大きな数Ｎの偏位ｘｄが求められかつ前記偏位に依存する前記音響較正係数Ｋａ（ｘｄ）の一連の測定値の取得が実行されるように、調整されること
    を特徴とする請求項１０に記載の較正装置。
12. 前記音響トランスデューサ間の音響伝播を実行するために、一又は複数の反射体が該音響トランスデューサに対し平行な面に配されること
    を特徴とする請求項１０又は１１に記載の較正装置。
13. 複数の管セグメントが配され、該複数の管セグメントを介して前記音響伝播が実行されること
    を特徴とする請求項１０〜１２の何れか一項に記載の較正装置。
14. 前記音響トランスデューサの向かい側に位置する管セグメントは、反射体（Reflektoren）として構成されること
    を特徴とする請求項１３に記載の較正装置。
15. 前記２つの音響トランスデューサは、通常のクランプ型配置で管に配されること、但し該２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は管軸の方向に摺動可能であること
    を特徴とする請求項１０又は１１に記載の較正装置。
16. 体積流量の計算のために、請求項１０又は１１の較正装置により測定された音響較正係数が使用されることを特徴とする、取付型ないしクランプ型音響トランスデューサを用いた伝播時間差法による体積流量測定装置。
17. 前記２つの音響トランスデューサの少なくとも一方は、位置を変化するための装置を備えること、及び音響較正係数Ｋａが請求項１０又は１１の較正装置により求められることによって、自己較正が実行されること
    を特徴とする請求項１６に記載の体積流量測定装置。
18. 流量測定装置は作動中に自己較正されること
    を特徴とする請求項１７に記載の体積流量測定装置。

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