JP5321106B2 - 超音波計測器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて流体の流速や流量を計測する超音波計測器に関する。

周知のように、流量計の一種に反射相関法を利用した反射相関型超音波流量計がある。
この反射相関型超音波流量計は、図７に示すように、トランスデューサＴＤから管路ＴＢに流れる流体Ｆに向けて所定の時間差で照射した２つの超音波Ｓが、流体Ｆに含まれる気泡や粒子等の反射物（ａ、ｂ、ｃ）によって反射して得られる反射波に、相互相関処理を施すことにより管路ＴＢにおける径方向の流速分布を求め、その流速分布から算出した平均流速ＶＭに管路断面積Ｓtを乗算することで流量Ｑを演算するものである。

一般的に、管路ＴＢの中心付近の流速は速く、管路壁面近傍の流速は遅くなるため、管路ＴＢにおける径方向の位置をｘとすると、各位置ｘに対する流速Ｖｘはｘの関数ｆ（ｘ）で表される。つまり、流速分布はＶｘ＝ｆ（ｘ）から求めることができる。また、平均流速ＶＭは、Ｖｘを径方向に積分することで算出することができる。このように、反射相関型超音波流量計では、流速分布から平均流速ＶＭを算出することができるため、透過法（伝播時間差法）と比べて精度良く流量Ｑを計測することができる。
なお、反射相関型超音波流量計に関する先行技術文献としては、下記特許文献１及び２等がある。

特許第３６６９５８０号公報 特開２００５−１８１２６８号公報

ところで、図７に示すように、超音波Ｓの射出角をθ、平均流速ＶＭの軸流成分（管路ＴＢの軸方向の成分）をＶＧ、偏流成分（管路ＴＢの径方向の成分）をＶＥとすると、平均流速ＶＭは下記（１）式で表される。
ＶＭ ＝ ＶＧ・ｓｉｎθ−ＶＥ・ｃｏｓθ ・・・・（１）
つまり、従来の反射相関型超音波流量計によって流量Ｑを計測する場合、平均流速ＶＭには誤差要因となる偏流成分ＶＥが含まれることになるため、正確な流量Ｑを求めることが困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高精度に流体の物理量を計測することが可能な超音波計測器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、本発明の超音波計測器は、超音波を用いて管路に流れる流体に関する物理量を計測する超音波計測器であって、前記管路内に超音波を送信する一方、受信した超音波に応じた受信信号を出力する超音波送受信部と、少なくとも２つの超音波が所定の時間差で送信されるように前記超音波送受信部を制御する制御部と、管路壁面で反射される前に流体中の反射物で反射されて受信された少なくとも２つの超音波に対応する受信信号を基に反射相関法を用いて算出した第１の平均流速と、前記管路壁面で反射された後に前記反射物で反射されて受信された少なくとも２つの超音波に対応する受信信号を基に反射相関法を用いて算出した第２の平均流速とに基づいて前記流体の平均流速を算出する信号処理部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の超音波計測器において、前記信号処理部は、前記第１の平均流速と前記第２の平均流速との加算値を２で除算することにより、前記流体の平均流速を算出することを特徴とする。

また、本発明の超音波計測器において、２つの前記超音波送受信部が、前記管路を挟んで互いに超音波の送受信が可能になるように設けられ、前記制御部は、反射相関法使用時には、少なくとも２つの超音波が所定の時間差で送信されるように一方の超音波送受信部を制御し、透過法使用時には、交互に超音波が送受信されるように２つの超音波送受信部を制御し、前記信号処理部は、前記反射相関法使用時に算出した前記流体の平均流速と、前記透過法使用時に２つの超音波送受信部によって交互に超音波が送受信されることで得られる受信信号を基に算出した前記流体の平均流速との関係から流量補正係数を求めることを特徴とする。

また、本発明の超音波計測器において、前記信号処理部は、前記透過法使用時には、透過法を用いて算出した前記流体の平均流速と前記流量補正係数とを基に前記流体の流量を算出することを特徴とする。

また、本発明の超音波計測器において、前記信号処理部は、透過法を用いて算出した前記流体の平均流速と前記流量補正係数との対応関係を表す対応関係データを作成し、前記透過法使用時には、透過法を用いて算出した前記流体の平均流速に対応する流量補正係数を前記対応関係データから抽出し、該抽出した流量補正係数と前記透過法を用いて算出した前記流体の平均流速とを基に前記流体の流量を算出することを特徴とする。

また、本発明の超音波計測器において、前記信号処理部は、前記第１の平均流速と前記第２の平均流速との差分を前記平均流速の偏流成分として求めることを特徴とする。

本発明によれば、平均流速から誤差要因となる偏流成分を除去することが可能となるため、正確な平均流速を求めることができる。また、そのような正確な平均流速から流量を求めることができるため、流量の計測精度の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波計測器１のブロック構成図である。 本発明の第１実施形態における計測用超音波バースト信号ＵＳ及び評価用超音波バースト信号ＵＡの波形図である。 本発明の第１実施形態における相関係数Ｋの変化を示す波形図である。 本発明の第１実施形態において得られる平均流速の軸流成分及び偏流成分を表す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波計測器２のブロック構成図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波計測器２の変形例に関する説明図である。 従来の反射相関法を用いた流量計測手法の原理説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る超音波計測器１の機能構成を示すブロック図である。この図１に示すように、超音波計測器１は、インターバル送信回路１１、第１の増幅器１２、トランスデューサ１３、第２の増幅器１４、Ａ/Ｄ変換器１５、信号処理部１６及び制御部１７から構成されている。さらに、信号処理部１６は、ウォールフィルタ１６ａ、インターバル反射相関演算部１６ｂ及び流量演算部１６ｃを備えている。

なお、これら各機能構成要素の内、インターバル送信回路１１、第１の増幅器１２、トランスデューサ１３、第２の増幅器１４及びＡ/Ｄ変換器１５は、本発明における超音波送受信部に相当するものである。また、第１の増幅器１２、第２の増幅器１４及びウォールフィルタ１６ａは、必須の構成要素ではなく、必要に応じて削除しても良いものである。

このような超音波計測器１は、所定の断面形状を有する管路ＴＢ内を流れる流体Ｆの流速分布を演算し、この流速分布から得られる平均流速ＶＭと管路ＴＢの断面積Ｓとに基づいて流体Ｆの流量Ｑを演算する計測器である。また、この超音波計測器１において、ウォールフィルタ１６ａ、インターバル反射相関演算部１６ｂ及び流量演算部１６ｃは、ソフトウェア的に信号処理する信号処理部１６の機能構成要素である。この信号処理部１６の内部メモリには、上記断面積Ｓ等、流速分布及び流量Ｑの演算に必要なパラメータや演算アルゴリズムを規定する演算プログラム（ソフトウェア）が予め記憶されている。

インターバル送信回路１１は、制御部１７による制御の下、超音波の周波数帯域、例えば５００ｋＨｚ〜２ＭｋＨｚの周波数帯域の何れかの周波数ｆを有すると共に、所定の時間差（タイムインターバルＴ１）でパルス状（バースト状）に間欠する２つの送信バースト信号を第１の増幅器１２に出力する電子回路であり、正弦波発振回路と、該正弦波発振回路が発振した周波数ｆの正弦波信号（連続信号）を上記タイムインターバルＴ１で繰り返すバースト信号に強度変調する強度変調回路から構成されている。第１の増幅器１２は、インターバル送信回路１１から入力された送信バースト信号を所定の増幅度で増幅してトランスデューサ１３に出力する。

トランスデューサ１３は、図示するように、管路ＴＢの外表面に設けられており、第１の増幅器１２から入力された送信バースト信号を計測用超音波バースト信号ＵＳに変換し、流体Ｆの流れ方向に直交する方向に対して射出角度θで管路ＴＢ内に送信（出射）すると共に、流体Ｆに含まれる気泡や粒子等の反射物で反射された計測用超音波バースト信号ＵＳを評価用超音波バースト信号ＵＡとして受信し、その受信した評価用超音波バースト信号ＵＡを電気信号（受信信号）に変換して第２の増幅器１４に出力する。

上記計測用超音波バースト信号ＵＳは、第１の増幅器１２から入力された送信バースト信号（電気信号）を超音波に変換したものなので、送信バースト信号が有する正弦波の周波数ｆと同一周波数を有すると共にタイムインターバルＴ１で繰り返すバースト状の音響信号である。このような計測用超音波バースト信号ＵＳは、管路ＴＢ内において図１に示す経路（パス）Ｐ１に沿って伝播し、管路壁面で反射された後はパスＰ２に沿って伝播する。

計測用超音波バースト信号ＵＳは、パスＰ１及びＰ２を伝播する間に、流体Ｆ中の反射物によって反射され、評価用超音波バースト信号ＵＡとしてトランスデューサ１３に順次受信される。なお、本実施形態では、説明の便宜上、パスＰ１上に反射物ａ、ｂ、ｃが存在し、パスＰ２上に反射物ｄ、ｅ、ｆが存在するものと仮定する。

図２は、計測用超音波バースト信号ＵＳ及び評価用超音波バースト信号ＵＡの波形を示す波形図である。計測用超音波バースト信号ＵＳは、周波数ｆの正弦波である第１の超音波バースト信号ＵＳ１及び第２の超音波バースト信号ＵＳ２からなり、これら第１の超音波バースト信号ＵＳ１と第２の超音波バースト信号ＵＳ２とはタイムインターバルＴ１で隣り合う関係に設定されている。

評価用超音波バースト信号ＵＡは、上記第１の超音波バースト信号ＵＳ１がパスＰ１及びＰ２を伝播する間に、流体Ｆ中の反射物ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆによって反射されて発生する反射信号Ｒａ１、Ｒｂ１、Ｒｃ１、Ｒｄ１、Ｒｅ１、Ｒｆ１を含む第１の反射超音波バースト信号ＵＡ１と、上記第２の超音波バースト信号ＵＳ２がパスＰ１及びＰ２を伝播する間に、流体Ｆ中の反射物ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆによって反射されて発生する反射信号Ｒａ２、Ｒｂ２、Ｒｃ２、Ｒｄ２、Ｒｅ２、Ｒｆ２を含む第２の反射超音波バースト信号ＵＡ２とからなる。このような評価用超音波バースト信号ＵＡは、トランスデューサ１３によって受信されることにより第１及び第２の反射超音波バースト信号ＵＡ１、ＵＡ２に相当する２つのバースト信号（電気信号）からなる受信信号に変換される。

第２の増幅器１４は、トランスデューサ１３から入力された受信信号を所定の増幅度で増幅してＡ/Ｄ変換器１５に出力する。Ａ/Ｄ変換器１５は、上記第２の増幅器１４から入力された受信信号（アナログ信号）を、サンプリング定理を満たす所定のサンプリングレート、つまり上記周波数ｆの２倍以上の繰返し周期でサンプリングすることによりデジタル信号（受信データ）に変換して信号処理部１６（詳細にはウォールフィルタ１６ａ）に出力する。

信号処理部１６のウォールフィルタ１６ａは、所定のアルゴリズムのフィルタ処理を上記受信データに施すことにより、受信データに含まれる管路ＴＢからの反響成分（ノイズ信号）を除去し、流体Ｆ中の気泡や粒子による反射成分のみを含む受信データをインターバル反射相関演算部１６ｂに出力する。

インターバル反射相関演算部１６ｂは、ウォールフィルタ１６ａから入力される受信データを基に反射相関法を用いて相関演算処理を行うことにより気泡や粒子の移動速度の分布、つまり管路ＴＢにおける径方向の流速分布を求め、この流速分布から流体Ｆの平均流速ＶＭを算出する。このインターバル反射相関演算部１６ｂの演算結果である平均流速ＶＭは、流量演算部１６ｃに出力されると共に超音波計測器１の計測値の１つとして外部に出力される。なお、このようなインターバル反射相関演算部１６ｂの詳細処理については動作説明として後述する。

流量演算部１６ｃは、インターバル反射相関演算部１６ｂで求められた平均流速ＶＭと管路ＴＢの断面積Ｓとを乗算することにより流体Ｆの流量Ｑを演算する。制御部１７は、上述したインターバル送信回路１１、Ａ/Ｄ変換器１５及び信号処理部１６を同期制御することにより、インターバル送信回路１１における送信バースト信号の発生タイミングに同期して受信信号をＡ/Ｄ変換器１５で受信データに変換させると共に該受信データを信号処理部１６で演算処理させる。

次に、上記のように構成された第１実施形態に係る超音波計測器１の詳細動作について、図３、図４を参照して説明する。

インターバル送信回路１１は、制御部１７から測定開始を示す送信指示信号が入力されると、上述した送信バースト信号を第１の増幅器１２に出力する。この送信バースト信号は、第１の増幅器１２で増幅された後、トランスデューサ１３に入力されて超音波に変換されて、図２に示すような計測用超音波バースト信号ＵＳとして管路ＴＢ内に出射される。この計測用超音波バースト信号ＵＳは、パスＰ１及びパスＰ２を伝播する間に、管路ＴＢ内を上流から下流に向かって流れる流体Ｆ中の反射物ａ〜ｆによって反射され、評価用超音波バースト信号ＵＡとしてトランスデューサ１３に受信される。

すなわち、トランスデューサ１３は、計測用超音波バースト信号ＵＳにおける第１の超音波バースト信号ＵＳ１が反射物ａ〜ｆによって反射されて発生する反射信号Ｒａ１〜Ｒｆ１を含む第１の反射超音波バースト信号ＵＡ１と、同じく計測用超音波バースト信号ＵＳにおける第２の超音波バースト信号ＵＳ２が反射物ａ〜ｆによって反射されて発生する反射信号Ｒａ２〜Ｒｆ２を含む第２の反射超音波バースト信号ＵＡ２とからなる評価用超音波バースト信号ＵＡを受信信号に変換して第２の増幅器１４に出力する。

この受信信号は、評価用超音波バースト信号ＵＡを電気信号に変換したものなので、信号として第１及び第２の反射超音波バースト信号ＵＡ１、ＵＡ２と同様な情報を内包する信号である。このような受信信号（アナログ信号）は、Ａ/Ｄ変換器１５によって受信データ（デジタル信号）に変換されてウォールフィルタ１６ａに入力されるが、Ａ/Ｄ変換器１５における量子化処理は、サンプリング定理を満足するものなので、受信データは上記受信信号と同様な情報を内包する信号である。

このような受信データは、ウォールフィルタ１６ａによって上述したフィルタ処理が施されることにより、流体Ｆ中の反射物によって反射された信号成分のみを含む信号となり、インターバル反射相関演算部１６ｂに入力される。インターバル反射相関演算部１６ｂは、
ウォールフィルタ１６ａから入力される受信データ（つまり、第１及び第２の反射超音波バースト信号ＵＡ１、ＵＡ２からなる評価用超音波バースト信号ＵＡを示すデータ）を基に、反射相関法を用いて相関演算処理を行うことにより管路ＴＢにおける径方向の流速分布を求め、この流速分布から流体Ｆの平均流速ＶＭを算出する。

具体的には、インターバル反射相関演算部１６ｂは、まず、管路壁面で反射される前、つまりパスＰ１を伝播する間に流体Ｆ中の反射物で反射されて受信された２つの超音波に対応する受信信号を基に相関演算処理を行うことにより、パスＰ１についての流速分布を求め、その流速分布から平均流速ＶＭ１を算出する。つまり、インターバル反射相関演算部１６ｂは、第１の反射超音波バースト信号ＵＡ１からパスＰ１を伝播する間に得られた反射超音波、つまり反射信号Ｒａ１、Ｒｂ１、Ｒｃ１を抽出すると共に、第２の反射超音波バースト信号ＵＡ２からパスＰ１を伝播する間に得られた反射超音波、つまり反射信号Ｒａ２、Ｒｂ２、Ｒｃ２を抽出する。

そして、インターバル反射相関演算部１６ｂは、反射信号Ｒａ１とＲａ２との相関演算処理、反射信号Ｒｂ１とＲｂ２との相関演算処理、反射信号Ｒｃ１とＲｃ２との相関演算処理を行うことで、反射物ａ、ｂ、ｃのそれぞれの位置（管路ＴＢにおける径方向の位置）における流速Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを求める。

周知のように、相関演算処理とは、演算対象となる２つの信号の時間軸上での相対位置関係を順次オフセットさせて相関係数を演算することを指す。図３は、反射信号Ｒａ１とＲａ２との相関演算処理を行うことで得られる相関係数Ｋを表したものである。図３において、横軸は流体Ｆの流速を示す。この図３に示すように、相関係数Ｋは正弦波状に変化するが、最も相関係数Ｋが高いピーク点Ｗaに対応する流速が反射物ａの位置における流速Ｖａとして求めることができる。同様に、インターバル反射相関演算部１６ｂは、反射信号Ｒｂ１とＲｂ２との相関係数Ｋ、反射信号Ｒｃ１とＲｃ２との相関係数Ｋを求めることにより、反射物ｂ、ｃのそれぞれの位置における流速Ｖｂ、Ｖｃを求める。

インターバル反射相関演算部１６ｂは、上記のように求めた流速Ｖａ、Ｖｂ、ＶｃからパスＰ１についての流速分布を求める。すなわち、管路ＴＢにおける径方向の位置をｘとすると、各位置ｘに対する流速Ｖｘはｘの関数ｆ（ｘ）で表される。つまり、流速分布はＶｘ＝ｆ（ｘ）で表すことができる。そして、インターバル反射相関演算部１６ｂは、Ｖｘを径方向に積分することにより、パスＰ１についての平均流速（第１の平均流速）ＶＭ１を算出する。

続いて、インターバル反射相関演算部１６ｂは、管路壁面で反射された後、つまりパスＰ２を伝播する間に流体Ｆ中の反射物で反射されて受信された２つの超音波に対応する受信信号を基に相関演算処理を行うことにより、パスＰ２についての流速分布を求め、その流速分布から平均流速（第２の平均流速）ＶＭ２を算出する。

つまり、インターバル反射相関演算部１６ｂは、第１の反射超音波バースト信号ＵＡ１からパスＰ２を伝播する間に得られた反射超音波、つまり反射信号Ｒｄ１、Ｒｅ１、Ｒｆ１を抽出すると共に、第２の反射超音波バースト信号ＵＡ２からパスＰ２を伝播する間に得られた反射超音波、つまり反射信号Ｒｄ２、Ｒｅ２、Ｒｆ２を抽出する。

そして、インターバル反射相関演算部１６ｂは、パスＰ１と同様に、反射信号Ｒｄ１とＲｄ２との相関演算処理、反射信号Ｒｅ１とＲｅ２との相関演算処理、反射信号Ｒｆ１とＲｆ２との相関演算処理を行うことで、反射物ｄ、ｅ、ｆのそれぞれの位置における流速Ｖｄ、Ｖｅ、Ｖｆを求める。インターバル反射相関演算部１６ｂは、上記のように求めた流速Ｖｄ、Ｖｅ、ＶｆからパスＰ２についての流速分布Ｖｘを求め、Ｖｘを径方向に積分することにより、パスＰ２についての平均流速ＶＭ２を算出する。

そして、インターバル反射相関演算部１６ｂは、上記のように求めたパスＰ１についての平均流速ＶＭ１と、パスＰ２についての平均流速ＶＭ２とを加算することで流体Ｆの平均流速ＶＭを算出する。ここで、図４に示すように、計測用超音波バースト信号ＵＳの射出角をθ、平均流速ＶＭの軸流成分（管路ＴＢの軸方向の成分）をＶＧ、偏流成分（管路ＴＢの径方向の成分）をＶＥとすると、パスＰ１についての平均流速ＶＭ１は下記（２）式で表され、パスＰ２についての平均流速ＶＭ２は下記（３）式で表される。
ＶＭ１ ＝ ＶＧ・ｓｉｎθ−ＶＥ・ｃｏｓθ ・・・・（２）
ＶＭ２ ＝ ＶＧ・ｓｉｎθ＋ＶＥ・ｃｏｓθ ・・・・（３）

つまり、パスＰ１についての平均流速ＶＭ１と、パスＰ２についての平均流速ＶＭ２とを加算することにより、誤差要因となる偏流成分ＶＥが除去され、正確な平均流速ＶＭを得ることができる。なお、上記（２）、（３）式からわかるように、ＶＭ１とＶＭ２とを単純に加算すると、ＶＭ＝２・ＶＧ・ｓｉｎθとなるため、ＶＭを２で除算することで平均化処理する必要がある。

一方、流量演算部１６ｃは、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平
均流速ＶＭと管路ＴＢの断面積Ｓtとを乗算することで流体Ｆの流量Ｑを演算し、外部に計測結果として出力する。

以上説明したように、第１実施形態に係る超音波計測器１によれば、誤差要因となる偏流成分ＶＥを除去した正確な平均流速ＶＭを算出することができ、その結果、流体Ｆの流量Ｑを高精度に計測することが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る超音波計測器の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態の超音波計測器１では反射相関法を利用するため、反射物を含まないような流体Ｆが管路ＴＢを流れる場合には流量Ｑを計測することが困難である。これに対して、第２実施形態では、反射物の有無に関わらず流量Ｑを正確に計測可能な超音波計測器を提示するものである。

図５は、第２実施形態に係る超音波計測器２のブロック構成図である。なお、図５において、図１（第１実施形態）と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。この図５に示すように、第２実施形態に係る超音波計測器２は、第３の増幅器２１、トランスデューサ２２、第４の増幅器２３、Ａ／Ｄ変換器２４、透過法演算部１６ｄ、流量補正係数演算部１６ｅ及び補正係数記憶部１６ｆを新たに備えている。なお、透過法演算部１６ｄ、流量補正係数演算部１６ｅ及び補正係数記憶部１６ｆは、信号処理部１６’の機能構成要素である。

また、第２実施形態におけるインターバル送信回路１１’は、第１実施形態で説明した機能の他、制御部１７’による制御の下、透過法（伝播時間差法）使用時には、トランスデューサ１３とトランスデューサ２２との間で、交互に超音波が送受信されるように送信バースト信号を生成して第１の増幅器１２と第３の増幅器２１とに出力する。つまり、このインターバル送信回路１１’は、透過法（伝播時間差法）使用時には、１つ目の送信バースト信号を第１の増幅器１２に出力した後、所定時間の経過後に２つ目の送信バースト信号を第３の増幅器２１に出力する。

第３の増幅器２１は、インターバル送信回路１１’から入力された送信バースト信号を所定の増幅度で増幅してトランスデューサ２２に出力する。トランスデューサ２２は、トランスデューサ１３に対して管路ＴＢを挟んで対向する位置に配置されており、第３の増幅器２１から入力された送信バースト信号を透過用超音波バースト信号ＵＳａに変換し、流体Ｆの流れ方向に直交する方向に対して射出角度θでトランスデューサ１３に向けて送信（出射）すると共に、トランスデューサ１３から送信された透過用超音波バースト信号ＵＳｂを受信し、その受信した透過用超音波バースト信号ＵＳｂを電気信号（受信信号）に変換して第４の増幅器２３に出力する。

第４の増幅器２３は、トランスデューサ２２から入力された受信信号を所定の増幅度で増幅してＡ/Ｄ変換器２４に出力する。Ａ/Ｄ変換器２４は、上記第４の増幅器２３から入力された受信信号（アナログ信号）を、サンプリング定理を満たす所定のサンプリングレートでサンプリングすることによりデジタル信号（受信データ）に変換して信号処理部１６’（詳細には透過法演算部１６ｄ）に出力する。

信号処理部１６’の透過法演算部１６ｄは、Ａ/Ｄ変換器１５及びＡ/Ｄ変換器２４から出力される受信データを入力とし、透過法使用時にトランスデューサ１３とトランスデューサ２２との間で交互に超音波が送受信されることで、Ａ/Ｄ変換器１５及びＡ/Ｄ変換器２４から得られる受信データを基に透過法を用いて流体Ｆの平均流速ＶＭ’を算出して流量演算部１６ｃ’及び流量補正係数演算部１６ｅに出力する。

流量補正係数演算部１６ｅは、透過法演算部１６ｄによって算出された平均流速ＶＭ’と、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平均流速ＶＭとの関係から流量補正係数Ｃを算出し、補正係数記憶部１６ｆに記憶させる。補正係数記憶部１６ｆは、流量補正係数演算部１６ｅの要求に応じて流量補正係数Ｃを記憶する一方、流量演算部１６ｃ’の要求に応じて流量補正係数Ｃを流量演算部１６ｃ’に出力する。

流量演算部１６ｃ’は、反射相関法使用時には、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平均流速ＶＭから流体Ｆの流量Ｑを算出する一方、透過法使用時には、透過法演算部１６ｄによって算出された平均流速ＶＭ’と、補正係数記憶部１６ｆに記憶されている流量補正係数Ｃとを基に流量Ｑを算出する。

制御部１７’は、反射相関法使用時には、第１実施形態で説明したように、インターバル送信回路１１’、Ａ/Ｄ変換器１５及び信号処理部１６’（ウォールフィルタ１６ａ、インターバル反射相関演算部１６ｂ及び流量演算部１６ｃ’）を同期制御する一方、透過法使用時には、トランスデューサ１３とトランスデューサ２２との間で交互に超音波が送受信されるように、インターバル送信回路１１’、Ａ/Ｄ変換器１５、Ａ/Ｄ変換器２４及び信号処理部１６’（透過法演算部１６ｄ、流量補正係数演算部１６ｅ及び流量演算部１６ｃ’）を同期制御する。

次に、上記のように構成された第２実施形態に係る超音波計測器２の動作について説明する。
制御部１７’は、測定開始タイミングが到来すると、まず、反射相関法を使用して平均流速ＶＭを求めるために、第１実施形態と同様に、インターバル送信回路１１’に対して、タイムインターバルＴ１を有する送信バースト信号を第１の増幅器１２に出力するように指示する。以下の動作は第１実施形態と同様なので説明を省略するが、これにより、信号処理部１６’のインターバル反射相関演算部１６ｂによって平均流速ＶＭが算出され、流速演算部１６ｃによって流量Ｑが算出される。

上記のように反射相関法を用いて平均流速ＶＭ及び流量Ｑが算出されると、制御部１７’は、透過法を使用して平均流速ＶＭ’を求めるために、インターバル送信回路１１’に対して、トランスデューサ１３とトランスデューサ２２との間で、交互に超音波が送受信されるように送信バースト信号を生成して第１の増幅器１２と第３の増幅器２１とに出力する。つまり、このインターバル送信回路１１’は、透過法使用時には、１つ目の送信バースト信号を第１の増幅器１２に出力した後、所定時間の経過後に２つ目の送信バースト信号を第３の増幅器２１に出力する。

トランスデューサ１３は、１つ目の送信バースト信号に応じた透過用超音波バースト信号ＵＳｂをパスＰ１に沿ってトランスデューサ２２に向けて出射（送信）する。一方、トランスデューサ２２は、トランスデューサ１３から送信された透過用超音波バースト信号ＵＳｂを受信し、その受信した透過用超音波バースト信号ＵＳｂを受信信号に変換して第４の増幅器２３に出力する。第４の増幅器２３によって増幅された受信信号はＡ／Ｄ変換器２４に入力されて受信データに変換された後、透過法演算部１６ｄに出力される。

また、トランスデューサ２２は、２つ目の送信バースト信号に応じた透過用超音波バースト信号ＵＳａをパスＰ１に沿ってトランスデューサ１３に向けて出射（送信）する。一方、トランスデューサ１３は、トランスデューサ２２から送信された透過用超音波バースト信号ＵＳａを受信し、その受信した透過用超音波バースト信号ＵＳａを受信信号に変換して第２の増幅器１４に出力する。第２の増幅器１４によって増幅された受信信号はＡ／Ｄ変換器１５に入力されて受信データに変換された後、透過法演算部１６ｄに出力される。

透過法演算部１６ｄは、Ａ／Ｄ変換器１５及び２４から入力される受信データを基に、透過法を用いて平均流速ＶＭ’を算出する。つまり、透過法演算部１６ｄは、上流側のトランスデューサ１３から下流側のトランスデューサ２２へ向けて送信された透過用超音波バースト信号ＵＳｂの伝播時間と、下流側のトランスデューサ２２から上流側のトランスデューサ１３へ向けて送信された透過用超音波バースト信号ＵＳａの伝播時間との差（伝播時間差）から平均流速ＶＭ’を算出する。なお、このような透過法を用いた平均流速ＶＭ’の算出手法は公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。

そして、流量補正係数演算部１６ｅは、透過法演算部１６ｄによって算出された平均流速ＶＭ’と、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平均流速ＶＭとの関係から流量補正係数Ｃを算出し、補正係数記憶部１６ｆに記憶させる。具体的には、流量補正係数演算部１６ｅは、下記（４）式を基に流量補正係数Ｃを算出する。
Ｃ ＝ ＶＭ／ＶＭ’ ・・・・（４）

ここで、透過法演算部１６ｄによって算出された平均流速ＶＭ’は、流速分布から得られた値ではないため、正確な平均流速を示すものではない。従って、従来では、透過法を用いて流量Ｑを求める場合、予め実験等を実施することで得た流量補正係数を平均流速に乗ずることにより、流量Ｑを補正していた。本実施形態では、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平均流速ＶＭは、流速分布から得られた値で且つ偏流成分が除去されているため、正確な平均流速を示しており、この平均流速ＶＭと透過法を用いて算出した平均流速ＶＭ’との関係から、予め実験等を実施することなく、容易に正確な流量補正係数Ｃを求めることが可能となる。

流量演算部１６ｃ’は、反射相関法使用時には、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平均流速ＶＭから流体Ｆの流量Ｑを算出する一方、透過法使用時には、透過法演算部１６ｄによって算出された平均流速ＶＭ’と、補正係数記憶部１６ｆに記憶されている流量補正係数Ｃとを基に流量Ｑを算出する。

このように、第２実施形態に係る超音波計測器２によれば、流体Ｆに反射物が含まれており、反射相関法を使用することができる場合には、インターバル反射相関演算部１６ｂによって算出された平均流速ＶＭから流体Ｆの流量Ｑを算出することで、正確な流量Ｑを得ることができる。一方、流体Ｆに反射物が含まれておらず、反射相関法を使用することができない場合には、透過法演算部１６ｄによって算出された平均流速ＶＭ’と、補正係数記憶部１６ｆに記憶されている流量補正係数Ｃとを基に流量Ｑを算出することで、正確な流量Ｑを得ることができる。

なお、反射相関法を使用できる頻度が少ない場合、図６に示すように、透過法を用いて算出した平均流速ＶＭ’と流量補正係数Ｃとの対応関係を表す対応関係データをマッピング（作成）して、補正係数記憶部１６ｆに記憶させる機能を透過法演算部１６ｄに設け、透過法使用時には、透過法を用いて算出した平均流速ＶＭ’に対応する流量補正係数Ｃを上記の対応関係データから抽出し、該抽出した流量補正係数Ｃと透過法を用いて算出した平均流速ＶＭ’とを基に流体Ｆの流量Ｑを算出する機能を流量演算部１６ｃ’に設けても良い。これにより、平均流速ＶＭ’に対応する流量補正係数Ｃをより正確に求めることが可能となり、流量Ｑの計測精度の向上に寄与する。

また、上記第１及び第２実施形態では、インターバル反射相関演算部１６ｂによって平均流速ＶＭを算出する際、パスＰ１についての平均流速ＶＭ１と、パスＰ２についての平均流速ＶＭ２とを加算して平均化したが、上記（２）及び（３）式からわかるように、パスＰ１についての平均流速ＶＭ１とパスＰ２についての平均流速ＶＭ２との差分をとることにより、誤差要因となる偏流成分を求めることができる。よって、このように求めた偏流成分を不図示の記憶部に記憶しておき、外部に出力するような機能を設けることにより、管路ＴＢを流れる流体Ｆの振る舞いを解析する際に役立てることが可能となる。

１、２…超音波計測器、１１、１１’…インターバル送信回路、１２…第１の増幅器、１３、２２…トランスデューサ、１４…第２の増幅器、１５、２４…Ａ/Ｄ変換器、１６、１６’…信号処理部、１７、１７’…制御部、１６ａ…ウォールフィルタ、１６ｂ…インターバル反射相関演算部、１６ｃ、１６ｃ’…流量演算部、２１…第３の増幅器、２３…第４の増幅器、１６ｄ…透過法演算部、１６ｅ…流量補正係数演算部、１６ｆ…補正係数記憶部、ＴＢ…管路、Ｆ…流体

Claims (6)

1. 超音波を用いて管路に流れる流体に関する物理量を計測する超音波計測器であって、
   前記管路内に超音波を送信する一方、受信した超音波に応じた受信信号を出力する超音
   波送受信部と、
   少なくとも２つの超音波が所定の時間差で送信されるように前記超音波送受信部を制御する制御部と、
   管路壁面で反射される前に流体中の反射物で反射されて受信された少なくとも２つの超音波に対応する受信信号を基に反射相関法を用いて算出した第１の平均流速と、前記管路壁面で反射された後に前記反射物で反射されて受信された少なくとも２つの超音波に対応する受信信号を基に反射相関法を用いて算出した第２の平均流速とに基づいて前記流体の平均流速を算出する信号処理部と
   を備えることを特徴とする超音波計測器。
2. 前記信号処理部は、前記第１の平均流速と前記第２の平均流速との加算値を２で除算することにより、前記流体の平均流速を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波計測器。
3. ２つの前記超音波送受信部が、前記管路を挟んで互いに超音波の送受信が可能になるように設けられ、
   前記制御部は、反射相関法使用時には、少なくとも２つの超音波が所定の時間差で送信されるように一方の超音波送受信部を制御し、透過法使用時には、交互に超音波が送受信されるように２つの超音波送受信部を制御し、
   前記信号処理部は、前記反射相関法使用時に算出した前記流体の平均流速と、前記透過法使用時に２つの超音波送受信部によって交互に超音波が送受信されることで得られる受信信号を基に算出した前記流体の平均流速との関係から流量補正係数を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波計測器。
4. 前記信号処理部は、前記透過法使用時には、透過法を用いて算出した前記流体の平均流速と前記流量補正係数とを基に前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項３記載の超音波計測器。
5. 前記信号処理部は、透過法を用いて算出した前記流体の平均流速と前記流量補正係数との対応関係を表す対応関係データを作成し、前記透過法使用時には、透過法を用いて算出した前記流体の平均流速に対応する流量補正係数を前記対応関係データから抽出し、該抽出した流量補正係数と前記透過法を用いて算出した前記流体の平均流速とを基に前記流体の流量を算出することを特徴とする請求項３記載の超音波計測器。
6. 前記信号処理部は、前記第１の平均流速と前記第２の平均流速との差分を前記平均流速の偏流成分として求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波計測器。

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