JP5070624B2 - 超音波流量計及び流量計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波流量計及び流量計測方法、より詳細には、主にガスなどの流体の流速や流量を計測する超音波流量計及び該超音波流量計による流量計測方法に関する。

従来、流路を流れる流体の流速を計測する際に、流路を流れる流体には、その流量によって流速分布が異なることが流体力学的に一般に知られている。すなわち、流れが遅い時には、流路幅方向で層流と呼ばれる放物線形状の流速分布を示し、ピークの流速と、平均流速とが異なる分布状態となる。逆に流れが速くなると、徐々にその分布は崩れ、乱流域と呼ばれる流域となり、その時の流速分布は、ピーク流速が平均流速と等しい形状となるバスタブ形状と呼ばれる流速分布となり、その流速分布は流路幅方向で一様に等しい分布状態となる。

また、層流域では、放物線形状の流速分布形状に若干の相異が発生し、幅方向での流速差は一定では無い。更に層流域では、ガス種や、流路形状寸法等により、流速分布が異なることが一般に知られている。

このように流量域、流体の種類、流路形状寸法等により、流路幅方向での流速分布に差が存在すると、超音波トランスジューサにより流速分布を横切るように超音波を送受信させ、流路を流れる流体を計測する際に、流量域によって、計測される平均流速は分布の影響を受けてしまう。この分布の影響により計測した値には誤差が含まれるため、正確な流量を算出できないことになる。

仮にこの誤差の影響を補正するにしても、計測している流速分布そのものが把握出来ないので、流量域による流速分布を平均流速として補正する事は極めて困難である。

このような問題に対して、例えば、特許文献１には、この分布の影響を低減し、どの流量域でも平均化された流速分布が得られるように、流路内部の幅方向を複数のエリアに分割し、特に層流域で発生する放物線形状の流速分布を平滑化するように、流路内部に仕切部材を配置する構成が記載されている。これによれば、層流域でも乱流域と同様に平均化された流速分布を計測し扱えるようになるため、正確な流速を算出でき、高精度に流量を算出することができる。
特開２００５−２５７３６３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発明の場合、仕切部材を流路内部に挿入することで、流れに対して抵抗を発生させることになり、圧力損失が顕著化してしまうという問題がある。さらに、仕切部材枚数には限度があり、この有限個の仕切部材だけで、層流域の流速分布を、乱流域に近づけるまでの平均化は困難である。仮にこの圧力損失を一定レベルに抑えることができたとしても、製品の固体差、仕切部材の組み込み精度、バラツキ、温度因子等による影響を考慮すると、製品の安定性、歩留り等にも影響する可能性がある。さらに、仕切部材を追加することで、部品点数が増加し、これに伴いコスト高となってしまうという問題がある。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、流路内部に仕切部材などを介在させること無く、流速分布が流量域で変化しても、流速分布状態のパターンを推定し、その流速分布パターンに基づいて被測定流体の流量を算出することができる超音波流量計及び該超音波流量計による流量計測方法を提供すること、を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、被測定流体が流れる流路と、該流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波素子と、該一対の超音波素子により送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波素子は、該一対の超音波素子の周波数帯域に含まれる２以上の異なる周波数に対応して、互いに指向性が異なる２以上の超音波ビームパターンを送受信することにより、前記流路の幅方向を複数の検出エリアとし、前記流量算出手段は、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布に応じた補正係数を、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間に基づいて算出される流量値に付与し、前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記２以上の超音波ビームパターンは、前記一対の超音波素子の上限周波数に対応して前記流路の幅よりも狭いビーム幅をもつ第１の超音波ビームパターンと、前記一対の超音波素子の下限周波数に対応して前記流路の幅と略同じビーム幅をもつ第２の超音波ビームパターンとを含むことを特徴としたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記流量算出手段は、流体の種類、流路寸法、流量レンジの少なくとも１つに基づいて、前記補正係数とは異なる別の補正係数を付与することを特徴としたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記一対の超音波素子は、前記２以上の超音波ビームパターンより得られた伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値から、前記被測定流体の流量域が乱流域と判断された場合、前記第１の超音波ビームパターン及び前記第２の超音波ビームパターン以外に、前記上下限周波数の略中間となる中心周波数帯域に対応した第３の超音波ビームパターンを送受信し、前記流量算出手段は、前記第３の超音波ビームパターンの伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速に基づいて、前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

請求項５の発明は、被測定流体が流れる流路と、該流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波素子と、該一対の超音波素子により送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計による流量計測方法であって、前記一対の超音波素子の周波数帯域に含まれる２以上の異なる周波数に対応して、互いに指向性が異なる２以上の超音波ビームパターンを送受信することにより、前記流路の幅方向を複数の検出エリアとし、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布に応じた補正係数を、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間に基づいて算出される流量値に付与し、前記被測定流体の流量を算出することを特徴としたものである。

本発明によれば、流路内部に仕切部材などを介在させること無く、流速分布が流量域で変化しても、流速分布状態のパターンを推定し、その流速分布パターンに基づいて被測定流体の流量を算出することができるため、高精度な流量検出を行うことができる。

図１は、本発明の超音波流量計が備える超音波素子の配置例を示す図である。図１（Ａ），（Ｂ）は一対の超音波素子を側面から見たときの配置例を示す。本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる流路３０と、流路３０を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波トランスジューサ１０，２０と、一対の超音波トランスジューサ１０，２０により送受信される超音波の伝播時間に基づいて流路３０を流れる被測定流体の流量を算出する流量算出部１３とを備える。

超音波トランスジューサ１０は、音響整合層１１、圧電素子１２を備える。また、超音波トランスジューサ１０と対となる超音波トランスジューサ２０は、同様に、音響整合層２１、圧電素子２２を備える。一対の超音波トランスジューサ１０と２０は、流れ方向に対して角度θだけ傾いて設置され、両者の放射面間の距離はＬ（伝播長）となる。なお、本例の場合、流路３０の中を、被測定流体が図の矢印の方向に向かって流速Ｖで流れているものとする。

図１（Ａ），（Ｂ）に例示するように、流路３０の幅方向に対して、圧電素子構造を有する超音波トランスジューサ１０，２０が、流路３０の上流側及び下流側であって、流路流れ方向に対して斜めに対向する位置に配置される。

図２は、周波数帯域の異なる超音波ビームパターンの一例を示す図である。ここでは上流側の超音波トランスジューサ１０の記載を省略する。図１に示したように、被測定流体が流れる流路３０の上流側及び下流側に、流れを横切るように一対の超音波トランスジューサ１０，２０を対向させて配置させ、上流側の超音波トランスジューサ１０から下流側の超音波トランスジューサ２０へ（順方向の直接伝播）、また下流側の超音波トランスューサ２０から上流側の超音波トランスジューサ１０へ（逆方向の直接伝播）と超音波ビームを伝播させる。

超音波トランスジューサの周波数帯域の上限周波数に対応して、流路幅よりも狭いビーム幅をもち、流路幅方向のほぼ中央部を伝播する指向性Ｘ（＝θ^１／２）を有するビームパターンを超音波ビームパターン１（本発明の第１の超音波ビームパターンに相当）とする。この上限周波数による超音波ビームパターン１を図２（Ａ）に示す。また、超音波トランスジューサの周波数帯域の下限周波数に対応して、流路幅全域に広がるビーム幅をもち、指向性Ｙ（＝θ^１／２）を有するビームパターンを超音波ビームパターン２（本発明の第２の超音波ビームパターンに相当）とする。この下限周波数による超音波ビームパターン２を図２（Ｂ）に示す。そして、上下限周波数の略中間となる中心周波数帯域（±５０ｋＨｚ）に対応して、上下限のほぼ中間の指向性を有するビームパターンを超音波ビームパターン３（本発明の第３の超音波ビームパターンに相当）とする。この中心周波数による超音波ビームパターン３を図２（Ｃ）に示す。

このように、周波数帯域内で互いに異なる２種以上の周波数により指向性の異なる超音波ビームパターンを発生させ、幅方向で発生する流速分布を、ほぼ２つの検出エリアに分割し計測することができる。これにより、流量による流速分布の相異である流速分布パターンを把握し、流速を算出し、流量演算を行うことができる。これらの流量計測は流量算出部１３が行うものとする。
なお、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す計算結果（図中右側）は、超音波トランスジューサの放射面の直径が約１０ｍｍで、都市ガス（１３Ａ）を伝播する際の、周波数帯域上限（６００ＫＨｚ）、下限（４００ＫＨｚ）、及び中心周波数（５００ＫＨｚ）での計算結果を例示したものである。上限周波数での指向性は約３．４°、下限周波数での指向性は６．０°、中心周波数での指向性は４．０°であり、上下限の約倍異なる指向性を利用し、流速分布を把握し、流速を算出する。

流路を流れる被測定流体は、流量により幅方向での流速分布に差ができる。特に、流速が遅い範囲では、幅方向での流速分布は放物線形状であり、流速が速い範囲には、バスタブ形状となることが一般的に知られている。そこで、前述したように、流路幅方向で発生する流速分布を、幅方向全体のエリアと、中心エリアとを伝播する最低２種類の超音波ビームが得られるように、２種類の異なる指向性を備えるようにする。すなわち、広帯域型の超音波トランスジューサから放射される超音波ビームが、周波数が低い時には広がり、逆に高い時には狭くなる効果を利用し、この超音波トランスジューサの上限周波数による超音波ビームとして、ビーム幅が流路幅よりも狭くなる指向性を持つビームパターンを伝播させ、逆に下限周波数による超音波ビームとして、ビーム幅が流路幅方向に一様に広がる指向性を持つビームパターンを伝播させる。更に必要に応じて、中心周波数においてはそのほぼ中間の超音波ビームパターンを伝播させることが可能である。このそれぞれ異なるエリアを有する最低２種類の超音波パターンにより、それぞれ独立に超音波を送受信できる構成とすることで、幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異が識別でき、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することができる。

また、流路内部に流速の分布を制御するための仕切板、整流板等の付加部材を使用しなくても、同等な精度が確保出来るため、製造コストの低減を図ることができる。
また、複数の幅方向に分割した超音波ビームのパターンによる伝播時間の相異から、直接流速分布状態が把握できるので、流路寸法、仕切板の配置精度、寸法精度等の固体差による影響を受けることがなく、さらには、温度による影響も少ないため、安定性が良く高精度な流速計測を実現可能とする。

図３は、超音波トランスジューサの周波数帯域内における上限周波数近傍の超音波ビームパターン１の流速分布状態を示す図である。また、図４は、超音波トランスジューサの周波数帯域内における下限周波数近傍の超音波ビームパターン２の流速分布状態を示す図である。

図４に示すように、超音波トランスジューサの周波数帯域内における下限周波数近傍の超音波ビームパターン２は流路幅方向のほぼ全域に広がる指向性Ｙ（＝θ^１／２）を持ち、一方、図３に示すように、上限周波数近傍の超音波ビームパターン１は流路幅よりも狭い指向性Ｘ（＝θ^１／２）を持つ。２つの異なる周波数における指向性は、Ｘ＜Ｙの関係を満足し、これら２種類の超音波ビームパターンにより、上限周波数近傍の周波数における超音波ビームパターン１による伝播時間を計測する。すなわち、超音波トランスジューサ１０から放射される超音波が、下流側の超音波トランスジューサ２０で受信されるまでの直接伝播による時間計測値（順方向直接伝播時間）を“Ｔｊ１”とし、これとは逆に、下流側の超音波トランスジューサ２０から放射される超音波が、上流側の超音波トランスジューサ１０で受信されるまでの直接伝播による時間計測値（逆方向直接伝播時間）を“Ｔｇ１”とする。

更に、下限周波数近傍の周波数における超音波ビームパターン２による伝播時間を計測する。すなわち、超音波トランスジューサ１０から放射される超音波が、下流側の超音波トランスジューサ２０で受信されるまでの直接伝播による時間計測値（順方向直接伝播時間）を“Ｔｊ２”とし、これとは逆に、下流側の超音波トランスジューサ２０から放射される超音波が、上流側の超音波トランスジューサ１０で受信されるまでの直接伝播による時間計測値（逆方向直接伝播時間）を“Ｔｇ２”とする。この２種類の伝播時間計測結果及び伝播時間より算出した流速結果に基づいて、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な流速分布の相異を識別し、流量による流速を算出し流量を演算する。

図５は、超音波トランスジューサの周波数帯域内の上下限周波数近傍の超音波ビーム及びその超音波ビームによる検出エリアの状態を示す図である。図５（Ａ）に示すように、上下限周波数の指向性の比は、倍程度異なる範囲であり、比較的離れた２種類の周波数による超音波ビームパターンにより流路幅方向を２つのエリアに分割する。図中、１４は周波数帯域内の低周波数側の周波数による超音波ビーム、１５は周波数帯域内の高周波数側の周波数による超音波ビーム、１６は上下限周波数による超音波ビームの指向性を示す。

また、図５（Ｂ）は略幅方向全域に広がる指向性を持つ低周波の超音波ビームによる検出エリアの様子を示し、図５（Ｃ）は流路幅方向の幅よりも狭い指向性を持つ高周波の超音波ビームによる検出エリアの様子を示す。

図５に示すように、超音波トランスジューサの周波数帯域内における上下限周波数近傍の周波数、あるいは周波数帯域内で比較的に周波数が離れた異なる２種類の周波数における超音波ビーム、すなわち、低周波数側の指向性が流路幅に近い超音波ビームのパターン（超音波ビームパターン２）と、高周波数側の指向性が流路幅より狭い超音波ビームのパターン（超音波ビームパターン１）とを利用する。２つの異なる超音波ビームにより流路幅方向を２つのエリアに分割し、それぞれのエリアで伝播時間を計測する。

前述したように、上限周波数における超音波ビームパターン１による伝播時間計測として、上流側の超音波トランスジューサ１０から放射される超音波が、下流側の超音波トランスジューサ２０で受信されるまでの直接伝播による順方向直接伝播時間Ｔｊ１と、これとは逆に、下流側の超音波トランスジューサ２０から放射される超音波が、上流側の超音波トランスジューサ１０で受信されるまでの直接伝播による逆方向直接伝播時間Ｔｇ１とを計測する。

更に、下限周波数における超音波ビームパターン２による伝播時間計測として、上流側の超音波トランスジューサ１０から放射される超音波が、下流側の超音波トランスジューサ２０で受信されるまでの直接伝播による順方向直接伝播時間Ｔｊ２と、これとは逆に、下流側の超音波トランスジューサ２０から放射される超音波が、上流側の超音波トランスジューサ１０で受信されるまでの直接伝播による逆方向直接伝播時間Ｔｇ２とを計測する。これら２種類の伝播時間計測結果及び伝播時間より算出した流速結果に基づいて、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な流速分布の相異を識別し、流量による流速を算出し流量を演算することができる。

このように、超音波トランスジューサの周波数帯域内で、高周波数による指向性が流路幅よりも狭く流路の中心部エリアを伝播する超音波ビームのパターンと、低周波数による指向性が流路幅方向全体のエリアへ拡散し伝播する超音波ビームのパターンとを利用する。すなわち、少なくとも２種類の異なる周波数によって指向性を異ならせた超音波ビームを利用することで、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な平均流速の相異が識別できるので、流量による流速分布の相異による計測誤差を著しく低減することが可能となる。

また、互いに異なる２種類の指向性を持つ超音波ビームのパターンにより計測された伝播時間計測結果あるいはこの伝播時間計測結果から演算し算出した流速結果から、流路幅方向を最低２つに区分けされた各エリアによる流速が算出できるので、各超音波パターンによる最低２種類のエリアから算出された流速より流量を演算し、算出することが可能となる。

また、超音波トランスジューサの帯域内の異なる２種類の周波数を相対的に変更し利用することが可能なため、ある程度の媒質の変更や、流路寸法に伴う流速分布の変化があっても、また幅方向での指向性エリアに差があっても、基準となる媒質での異なる２種類の周波数を上下限以外の任意の周波数として選定し計測させることができる。このため、適応範囲が広く、汎用性が高い。また計測精度がそれほど必要でない場合には、更に適応範囲が拡大できる。
更に、同一のトランスジューサにおいて、上下限周波数以外の異なる２種類の周波数を選定し、異なる２種類の指向性を利用できるので、温度による指向特性の微妙な差にも対応可能となる。

図６は、本発明の超音波流量計による流量計測方法の一例を説明するための図である。図６（Ａ）は指向性Ｘを持つ超音波ビームパターン１によるビームエリアの状態を示し、図６（Ｂ）は指向性Ｙを持つ超音波ビームパターン２によるビームエリアの状態を示す。
このように、流路幅方向を２つの異なる超音波ビームにより、２つのエリアに分割し、それぞれのエリアにおいて、順方向直接伝播時間Ｔｊ１、逆方向直接伝播時間Ｔｇ１、順方向直接伝播時間Ｔｊ２、逆方向直接伝播時間Ｔｇ２を計測する。

超音波ビームパターン１による指向性Ｘ（＝θ^１／２）と、超音波ビームパターン２による指向性Ｙ（＝θ^１／２）とにより、互いのビームパターンにおける各伝播時間の比は、
Ｔｊ１／Ｔｊ２＝α、Ｔｇ１／Ｔｇ２＝β …式（１）
となる。この比α，βの値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。

また、２種類の超音波ビームパターンにおける各伝播時間の計測結果から算出した２種類の流速値をＶ１、Ｖ２とすると、
Ｖ１＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｊ１−１／Ｔｇ１） …式（２）
Ｖ２＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｊ２−１／Ｔｇ２） …式（３）
より算出される。なお、Ｌは超音波トランスジューサ１０，２０の放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。これらの流速結果から、２種類の超音波ビームパターンによる流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。

図６（Ｃ）は図６（Ａ）に示す超音波ビームパターン１の流量域による流速分布の差を示し、図６（Ｄ）は図６（Ｂ）に示す超音波ビームパターン２の流量域による流速分布の差を示す。図中、流速パターン（１）は層流域であり、層流域（１）によるα及びβをα１及びβ１とし、また、流速パターン（２）は層流域であり、層流域（２）によるα及びβをα２及びβ２とし、更に、流速パターン（３）は乱流域であり、乱流域（３）によるα及びβをα３及びβ３とする。

この場合、その大小関係は、
α１（β１）＞α２（β２）＞α３（β３）≒１ …式（４）
の関係となり、それぞれの比の値により、流量域による妥当な流速分布パターンを推定し、この推定した流速分布から被測定流体の流量を算出することができる。

もちろん流量域の把握は、２種類のビームパターンより計測されたそれぞれの伝播時間から算出した流速値としてもよく、その流速の大小関係から流量域を予測しても良い。
すなわち、図６（Ｃ）に示す各流速分布パターン、すなわち層流域（１），（２）、乱流域（３）において、図６（Ａ）に示す超音波ビームパターン１による流速をＶｃ、図６（Ｂ）に示す超音波ビームパターン２による流速をＶｗとすると、その大小関係により流量域を予測し、妥当な流速を決定するようにしても良い。

ここで、Ｖｃ＞Ｖｗの場合は層流域と推定され、その時の比（Ｖｃ／Ｖｗ）の値により妥当な流速を決定する。また、Ｖｃ／Ｖｗ≒１の場合は乱流域と推定され、これにより妥当な流速を決定する。層流域（１）の分布パターンにおける流速比をＶｃ１／Ｖｗ１とし、層流域（２）の分布パターンにおける流速比をＶｃ２／Ｖｗ２とし、乱流域（３）の分布パターンにおける流速比をＶｃ３／Ｖｗ３とする。この場合、
（Ｖｃ１／Ｖｗ１）＞（Ｖｃ２／Ｖｗ２）＞（Ｖｃ３／Ｖｗ３）≒１ …式（５）
の関係となり、流速比のオーダーにより現在の流量域を推定することができ、現時点で妥当な流速を算出できる。なお、流量域の推定は、予め記憶されたデータと比較し、データの範囲に適合した値に応じた流量域を判定し、流量域で妥当な係数を割り振ることで、流速を算出し流量を演算する。媒質を都市ガス（１３Ａ）としたときの流量Ｑと流速分布の比ζ（＝Ｖｃ／Ｖｗ）の関係を図７に示す。

このように、超音波トランスジューサの周波数帯域内で、指向性が異なる２種類の超音波ビームパターンを送受信させ、流路幅方向を少なくとも２種類の異なるエリアに分割できるため、流路幅方向で異なる流速分布に応じた伝播時間結果が得られ、その伝播時間の結果から、２種類の超音波ビームによる伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。
また、時間計測情報から演算し算出した流速結果から、２種類の超音波ビームによる流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測し、被測定流体の流量を算出することができる。
この結果、流路幅方向で発生する流速分布のパターンによる微妙な相異が識別できるので、流量域による流速分布の相異があっても計測誤差を著しく低減し高精度な流量計測が実現できる。

前述したように、超音波トランスジューサの周波数帯域内で、異なる２種類の周波数による超音波ビームパターンによる伝播時間を計測し、各伝播時間より算出した流速比の値に応じて流量域を把握し、流速比の値に応じて妥当な補正係数を割り振り、平均流速を演算し流量を算出するようにしてもよい。異なる２種類の周波数が上下限以外で互いに離れた周波数の場合、各超音波ビームにより流路幅方向を２種類に区分し、計測された流速をＶｃ，Ｖｗとすれば、流速Ｖｃは超音波ビームパターン１（ビーム幅の狭い高周波数による伝播時間計測）に対応し、流速Ｖｗは超音波ビームパターン２（ビーム幅がほぼ流路幅全域に広がる低周波数による伝播時間計測）に対応する。これらの流速Ｖｃ，Ｖｗは、
Ｖｃ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｊ１−１／Ｔｇ１） …式（６）
Ｖｗ＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｊ２−１／Ｔｇ２） …式（７）
と表記できる。なお、Ｌは送受信トランスジューサ１０，２０の放射面間の距離、θは流れ方向とのなす角度である。

このように、各伝播時間より算出された流速Ｖｃ，Ｖｗの大小関係と、この流速比（Ｖｃ／Ｖｗ）の値により流量域を予測し、妥当な流速を決定する。
すなわち、Ｖｃ＞Ｖｗの場合には層流域と推定され、Ｖｃ／Ｖｗの値により、妥当な流速係数を決定し、平均流速を算出することで、被測定流体の流量を算出できる。また、Ｖｃ≒Ｖｗの場合には乱流域と推定できるため、係数無しに平均流速を決定することができる。乱流に関する速度分布はピーク速度が平均速度となるため、基本的には補正係数を用いないが、比の値に応じて乱流域に切替わるまで妥当な補正係数を割り振ることで、流量域に関わらず、平均流速を算出し流量を演算し算出することが可能となる。

図８は、流路幅方向における流速分布パターン（層流域）の様子を説明するための図である。
図８（Ａ）に示すように、幅方向の流速分布に応じて、例えば、実線のような中心が最大で、中心から対称な速度分布パターン、すなわち層流域での流速分布パターン（１）の場合、指向性Ｘが流路幅より狭い超音波ビームパターン１によって算出された流速Ｖｃと、指向性Ｙが流路幅とほぼ等しい超音波ビームパターン２によって算出された流速Ｖｗとの比（Ｖｃ／Ｖｗ）の値を“ζ１”とする。

また、図８（Ｂ）に示すように、点線のような流速分布パターン、すなわち層流域での流速分布パターン（２）の場合、流速ＶｃとＶｗとの比（Ｖｃ／Ｖｗ）の値を“ζ２”とした場合、比の値ζ１、ζ２の大きさに比例した補正係数をそれぞれφ１、φ２とすれば、図７（Ａ），（Ｂ）に示す各流速パターンにおける平均流速Ｖ１（実線），Ｖ２（点線）は、
Ｖ１＝φ１・（Ｖｃ＋Ｖｗ）／２ …式（８）
Ｖ２＝φ２・（Ｖｃ＋Ｖｗ）／２ …式（９）
として算出できる。

あるいは、
Ｖ１＝φ１′・Ｖｃ …式（１０）
Ｖ２＝φ２′・Ｖｃ …式（１１）
として算出することもできる。但し、φ１′、φ２′はζ１、ζ２に比例した別の補正係数である。無論、別の補正係数を用いて、Ｖｗに対する補正として流速を算出するようにしてもよい。
このように、流路幅方向で互いに指向性が異なる２種類の超音波ビームパターンによる、流速比のオーダーに応じて、分布パターンを推定し、流速分布パターンに応じて妥当な補正係数を割り振ることにより、平均流速を算出し、被測定流体の流量を算出できる。

このように、流路幅方向を少なくとも２種類の周波数による指向性が異なる超音波ビームパターンを送受信させ、流路幅方向を少なくとも２種類の異なるエリアに分割することで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた伝播時間結果が得られるので、その伝播時間の結果から、少なくとも２種類の超音波ビームによる伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、その比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流速を演算し算出することができる。このため流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。

また、時間計測情報から演算し算出した流速結果から、流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、その比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流速を演算し算出することができる。このため流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。

図６及び図８に示すように、高周波数による超音波ビームパターン１での順方向直接伝播時間Ｔｊ１、逆方向直接伝播時間Ｔｇ１、さらに、低周波数による超音波ビームパターン２での順方向直接伝播時間Ｔｊ２、逆方向直接伝播時間結果：Ｔｇ２とすると、その比は、Ｔｊ１／Ｔｇ１＝αで、αがα３≒１、Ｔｊ２／Ｔｇ２＝βで、βがβ３≒１となる。この場合、２種類の異なる周波数による各伝播時間の比がほぼ等しく“１”となることでその流速分布パターンは乱流域（３）であると推定される。

また、指向性が流路幅より狭い超音波ビームパターン１によって算出された流速Ｖｃと、指向性が流路幅とほぼ等しい超音波ビームパターン２によって算出された流速Ｖｗとの比の値がＶｃ／Ｖｗ≒１として乱流域（３）の流速分布パターンであると推定された場合、前述の図２（Ｃ）に示したように、超音波トランスジューサの周波数帯域内での中心周波数による超音波ビームパターン３であって、帯域のほぼ中央の音圧が最大となる超音波ビームにより、順方向伝播時間計測及び逆方向伝播時間計測を行う。

すなわち、超音波トランスジューサ１０から放射される超音波が、下流側の超音波トランスジューサ２０で受信されるまでの直接伝播による順方向直接伝播時間Ｔｊ３とし、これとは逆に、下流側の超音波トランスジューサ２０から放射される超音波が、上流側の超音波トランスジューサ１０で受信されるまでの直接伝播による逆方向直接伝播時間Ｔｇ３とすれば、
Ｖ３＝｛Ｌ／（２・ＣＯＳθ）｝・（１／Ｔｊ３−１／Ｔｇ３） …式（１２）
として直接平均流速を算出し、被測定流体の流量を演算すれば良い。

また、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、各流速パターン（超音波ビームパターン１，２）における平均流速Ｖ１，Ｖ２は、式（８）〜式（１１）に基づいて算出することができる。

同様に、図８（Ａ），（Ｂ）において、ガス種が都市ガス１３Ａの場合、ζ１，ζ２の大きさに比例した補正係数をそれぞれφ５，φ６とすれば、各流速パターンにおける平均流速Ｖ１（実線），Ｖ２（点線）は、
Ｖ１＝φ５・（Ｖｃ＋Ｖｗ）／２ …式（１２）
Ｖ２＝φ６・（Ｖｃ＋Ｖｗ）／２ …式（１３）
として算出できる。

あるいは、
Ｖ１＝φ５′・Ｖｃ …式（１４）
Ｖ２＝φ６′・Ｖｃ …式（１５）
として算出することも可能である。但し、φ５′、φ６′はζ１、ζ２に比例した別の補正係数である。無論、別の補正係数を用いて、Ｖｗに対する補正として流速を算出するようにしても良い。
ガスの種類で変化する微妙な流速分布の相異に応じて、妥当な補正係数となるよう補正係数を変化させる事で、流速分布に関わらず平均流速を算出し流量を演算し算出できる。

ここで、被測定流体の種類によって、流体の粘性や、密度などに相異があるため、ガス種（媒質）を伝播する超音波の縦波流速が異なり、超音波ビームの指向特性に差が発生する。また流路形状、寸法などにより、最適な超音波ビームのエリアによる差に対して補正係数の値は微妙に異なり、異なる指向特性を示す２種類の超音波ビームによる計測が、流量域における流速分布パターンの差に対して、充分な相異を識別出来ないことも起こり得る。

図９は被測定流体の種類による超音波ビームパターン１の流速分布の相異を説明するための図で、図１０は被測定流体の種類による超音波ビームパターン２の流速分布の相異を説明するための図である。
図９（Ａ）はＬＰＧの場合における超音波ビームパターン１の流速分布の例を示し、ＬＰＧ中の帯域上限の高周波数による超音波ビームパターン１の指向性をＸ（＝θ^１／２）とする。図９（Ｂ）は都市ガス（１３Ａ）の場合における超音波ビームパターン１の流速分布の例を示し、同一の圧電素子を有する超音波トランスジューサから放射される直接伝播波による指向特性をＸ′（＝θ^１／２）とする。同様に、図１０（Ａ）はＬＰＧの場合における超音波ビームパターン２の流速分布の例を示し、ＬＰＧ中の帯域下限の低周波数による超音波ビームパターン２の指向性をＹ（＝θ^１／２）とする。図１０（Ｂ）は都市ガス（１３Ａ）の場合における超音波ビームパターン１の流速分布の例を示し、同一の圧電素子を有する超音波トランスジューサから放射される直接伝播波による指向特性をＹ′（＝θ^１／２）とする。

上記において、ＬＰＧの縦波による伝播速度は、都市ガス（１３Ａ）に比べて遅いため、同一の圧電素子を有する超音波トランスジューサから放射される直接伝播波による指向性Ｘ′（＝θ^１／２）、指向性Ｙ′（＝θ^１／２）の何れも都市ガス（１３Ａ）の方が広くなる。すなわち、Ｘ′＞Ｘ、Ｙ′＞Ｙの関係となる。従って、同一の圧電素子を有する超音波トランスジューサでは、速度に大きな差があるガス種（媒質）による流速分布パターンを計測する場合、ガス種（媒質）によって広がりの異なる超音波ビームが、区分けされた流速分布パターンを横切る際、ビームエリアによる検出エリアの相異により、計測される伝播時間には微妙なズレが発生し、補正係数が微妙に異なってしまうことになる。無論その伝播時間から算出した流速結果にも微妙なズレが発生することになる。

更に、流路寸法が異なる場合、ＬＰＧ計測時と同じ超音波トランスジューサによる２種類の指向性ビームで都市ガス（１３Ａ）を計測すると、流路幅が狭い場合は媒質による指向性の拡大により、帯域上限の高周波数による超音波ビームを流路幅より狭く出来ないため、指向性の差を識別することができず、流速分布パターンの推定が困難となる。またこれとは反対に、媒質の変化で指向性が拡大するよりも、流路幅の拡大のほうが大きい場合、帯域下限の低周波数による指向性が流路幅と同等以上に広がる効果が期待できず、２種類の指向性は流速分布の中央部エリアに集中し、流速分布の識別分解能が充分に得られないことがある。

そこで、ガス種に応じて、また流路寸法に応じて、超音波トランスジューサを構成する圧電素子の寸法と、その寸法によって変化する共振周波数と、音響整合層の寸法を調整し最適化することで、流路幅方向を中央部エリアと、全幅エリアとの２つに分割したエリアに、異なる２種類の超音波ビームパターンを伝播させ、ガス種の変化や、流路寸法に最適な指向特性を満足できる超音波ビームをそれぞれ送受信させる。これにより、幅方向の区分けされたそれぞれのエリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間結果が得られ、その伝播時間の結果から、伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を推測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、平均流速を演算し算出することができ、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

または、超音波送受信による時間計測結果から演算し算出した流速結果から、流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振るようにしてもよい。この場合も同様に、平均流速を演算し算出することができ、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

流路形状・寸法や、計測レンジ、計測分解能に伴って変化する流速分布パターンの変化や、流速の偏り度合を判断するのに必要な異なる２種類の超音波ビームを得るために、超音波トランスジューサから放射される超音波ビームを送受信する位置と、ビーム数を変化させ、最適な超音波エリアを満足させるようにしてもよい。

図１１は流路幅の拡大による超音波ビームパターン１の流速分布の相異を説明するための図で、図１２は流路幅の拡大による超音波ビームパターン２の流速分布の相異を説明するための図である。
図１１（Ａ）は超音波ビームパターン１の流速分布の例を示し、図１１（Ｂ）は流路幅を拡大した場合における超音波ビームパターン１の流速分布の例を示し、図１２（Ａ）は超音波ビームパターン２の流速分布の例を示し、図１２（Ｂ）は流路幅を拡大した場合における超音波ビームパターン２の流速分布の例を示す。

このように、流量レンジの拡大（流量計測範囲の拡大）に伴い、流路幅方向の拡大が顕著化すると、１つの圧電素子を有する超音波トランスジューサによる超音波ビームでは、流速分布を充分に推定するのに必要な有効な検出エリアが確保できない。これは、圧電素子の寸法と、それによって変化する共振周波数、音響整合層の寸法により指向特性が変化し、流路幅の中央部と流路幅全域へと充分広がる２種類の超音波ビームパターンを１つの超音波トランスジューサにより最適化するのは困難であるためである。

圧電素子の共振周波数を下げて、指向性を広げることにより、最適な指向性を確保出来るが、計測分解能を得るため、周波数を下げるにも限界がある。このため、１つの圧電素子を有する超音波トランスジューサで、計測分解能を満足しつつ、流速分布を識別するのに必要な指向性を満足するのは不可能に近い。特に、流速分布が流路幅の中央で対称でなく、且つ、流路幅が広い場合には、必要となる検出エリアに流速分布を把握するのに充分な、異なる２種類の指向性を有する超音波ビームを送受信することが困難となってしまう。

このような問題に対して、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）に示すように、例えば、圧電素子を２つに分割し、それぞれ独立に動作できる構成の超音波トランスジューサ２０′を備えるようにしてもよい。超音波トランスジューサ２０′は、音響整合層２１′と、２つに分割された圧電素子２２′とで構成される。なお、超音波トランスジューサ２０′と対となる相手方の超音波トランスジューサも同様の構成とする。

図１１（Ｂ）において、流路幅の中央を境界として、中央と上下の境界のエリアに対して、直接伝播波はこの中央と上下の境界の中央部を伝播する超音波ビームエリア（１），（２）となる超音波を伝播させる。また、図１２（Ｂ）において、超音波ビームは、流路幅の中央部と上下の境界であって流路幅の半分の超音波ビームエリア（３），（４）を満足する超音波を伝播させる。各圧電素子中央部から音響整合層を介して送受信される、２種類の超音波ビームによる伝播時間の計測結果から、流路幅方向の流速分布パターンを推定し、伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を推測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで平均流速を演算し算出する。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。

また、超音波の送受信による時間計測結果から演算し算出した流速結果から、流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで平均流速を演算し算出するようにしてもよい。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず安定した高精度な計測が実現できる。無論、計測分解能がそれほど必要でない場合では、周波数により超音波ビームを最適化しても良い。

このように、複数の指向性の異なる超音波ビームにより、流速分布のパターンを推定できる結果、流量域が予測でき、その結果が乱流域と判定された場合には、超音波の音圧がほぼ最大となる中心周波数帯域（±５０ｋＨｚ）により超音波ビームを利用することで、乱流により超音波ビームの送受信効率が低下したとしても、計測に影響されず、安定した流速を算出し、被測定流体の流量を算出できる。

また、同一の流体での流量による流速分布の補正係数の妥当な値は、流体の種類や、流路寸法に応じて微妙に変動する。従って、流体の種類や、流路寸法、流量レンジの少なくとも１つに基づいて、流速分布補正係数とは異なる別の補正係数を付与することで、流路幅方向に流体の粘性や密度の相異で微妙に変化する流速分布の影響を考慮した最適な補正係数を割り振ることができる。

このように、流路幅方向の流速分布が流体の種類や、流路寸法に影響を受け無いよう、流体の種類や、流路寸法、流量レンジの少なくとも１つに基づいて、流速分布補正係数とは異なる別の補正係数を付与することで、補正係数を最適化させることができるので、流量域による幅方向の流速分布の影響を気にせず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。
すなわち、時間計測情報から演算し算出した流速結果から、各流速値における比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適化された流速分布補正係数を変更し、さらには、流体の種類や、流路寸法、流量レンジの少なくとも１つに基づいて、流速分布補正係数とは異なる別の補正係数を付与することで、流量域による幅方向の流速分布が流体の種類や流路寸法に関わらず、全流量域に渡って安定した高精度な計測が実現できる。

超音波トランスジューサを構成する圧電素子の寸法と、それに伴う共振周波数、また音響整合層の寸法を、流路を流れる流体の種類や、流路形状・寸法に応じて変化させることで、流体の種類によって異なる粘性、密度の相異に伴う流速値の相異により、流体を伝播する超音波の指向性に差があっても、また流路形状・寸法によるビームエリアに差があっても、流路幅方向を少なくとも２つのエリアに分割し、最適な超音波ビームをそれぞれ送受信させることができる。

幅方向の区分けされたそれぞれのエリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間を得ることができ、その伝播時間の結果から、伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流速を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。

また、超音波の送受信による時間計測結果に基づいて演算し算出した流速結果から、流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流速を演算し算出する事ができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。

超音波トランスジューサから放射される超音波のビーム数を、流路を流れる流体の種類や、計測する流量レンジに伴う計測音場の相異に応じて変化させることで、流体の種類によって異なる粘性、密度に応じた流速分布の差があっても、また計測すべき流量レンジによる流速分布に差があっても、２種類の超音波ビームパターン、すなわち、流路幅よりも狭い高周波数の超音波ビームパターンと、流路幅と略等しい低周波数の超音波ビームパターンとを送受信させることができる。

これにより、流路幅方向を区分けされたそれぞれのエリアで、流路幅方向で異なる流速分布に応じた超音波送受信による伝播時間が得られるので、その伝播時間の結果から、伝播時間の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流速を演算し算出することができる。これにより、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。

また、超音波の送受信による時間計測結果から演算し算出した流速結果から、流速の比の値を比較し、その大小関係に基づいて、流路幅方向における流速分布のパターンを推定し、妥当な流量域を予測すると同時に、比の値に応じて最適な流速分布補正係数を割り振ることで、流路断面を横切る平均流速を演算し算出することができる。このため、流量域による幅方向の流速分布の影響を受けず、全流量域に渡って安定し高精度な計測が実現できる。

本発明の超音波流量計が備える超音波素子の配置例を示す図である。 周波数帯域の異なる超音波ビームパターンの一例を示す図である。 超音波トランスジューサの周波数帯域内における上限周波数近傍の超音波ビームパターンの流速分布状態を示す図である。 超音波トランスジューサの周波数帯域内における下限周波数近傍の超音波ビームパターンの流速分布状態を示す図である。 超音波トランスジューサの周波数帯域内の上下限周波数近傍の超音波ビーム及びその超音波ビームによる検出エリアの状態を示す図である。 本発明の超音波流量計による流量計測方法の一例を説明するための図である。 媒質を都市ガス（１３Ａ）としたときの流量と流速分布の比の関係を示した図である。 流路幅方向における流速分布パターン（層流域）の様子を説明するための図である。 被測定流体の種類による超音波ビームパターンの流速分布の相異を説明するための図である。 被測定流体の種類による超音波ビームパターンの流速分布の相異を説明するための図である。 流路幅の拡大による超音波ビームパターンの流速分布の相異を説明するための図である。 流路幅の拡大による超音波ビームパターンの流速分布の相異を説明するための図である。

符号の説明

１０，２０…超音波素子（超音波トランスジューサ）、１１，２１…音響整合層、１２，２２…圧電素子、１３…流量算出部、３０…流路。

Claims (5)

1. 被測定流体が流れる流路と、該流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波素子と、該一対の超音波素子により送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計であって、
   前記一対の超音波素子は、該一対の超音波素子の周波数帯域に含まれる２以上の異なる周波数に対応して、互いに指向性が異なる２以上の超音波ビームパターンを送受信することにより、前記流路の幅方向を複数の検出エリアとし、
   前記流量算出手段は、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布に応じた補正係数を、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間に基づいて算出される流量値に付与し、前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
2. 請求項１に記載の超音波流量計において、前記２以上の超音波ビームパターンは、前記一対の超音波素子の上限周波数に対応して前記流路の幅よりも狭いビーム幅をもつ第１の超音波ビームパターンと、前記一対の超音波素子の下限周波数に対応して前記流路の幅と略同じビーム幅をもつ第２の超音波ビームパターンとを含むことを特徴とする超音波流量計。
3. 請求項１または２に記載の超音波流量計において、前記流量算出手段は、流体の種類、流路寸法、流量レンジの少なくとも１つに基づいて、前記補正係数とは異なる別の補正係数を付与することを特徴とする超音波流量計。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波流量計において、前記一対の超音波素子は、前記２以上の超音波ビームパターンより得られた伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値から、前記被測定流体の流量域が乱流域と判断された場合、前記第１の超音波ビームパターン及び前記第２の超音波ビームパターン以外に、前記上下限周波数の略中間となる中心周波数帯域に対応した第３の超音波ビームパターンを送受信し、
   前記流量算出手段は、前記第３の超音波ビームパターンの伝播時間あるいは該伝播時間から算出される流速に基づいて、前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする超音波流量計。
5. 被測定流体が流れる流路と、該流路の上流側と下流側に該流路を挟んで対向する位置に配置された一対の超音波素子と、該一対の超音波素子により送受信される超音波の伝播時間に基づいて前記被測定流体の流量を算出する流量算出手段とを備えた超音波流量計による流量計測方法であって、
   前記一対の超音波素子の周波数帯域に含まれる２以上の異なる周波数に対応して、互いに指向性が異なる２以上の超音波ビームパターンを送受信することにより、前記流路の幅方向を複数の検出エリアとし、
   前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間の比の値あるいは該伝播時間から算出される流速の比の値に基づいて、前記被測定流体の流速分布を推定し、該推定した流速分布に応じた補正係数を、前記一対の超音波素子間で送受信される前記２以上の超音波ビームパターンの伝播時間に基づいて算出される流量値に付与し、前記被測定流体の流量を算出することを特徴とする流量計測方法。

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