JP5408411B2 - 超音波測定器 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて流体に含まれる気泡の量や割合等を測定する超音波測定器に関する。

配管内を流れる流体の流速や流量を測定する測定器の１つとして、超音波を用いた超音波測定器が知られている。かかる超音波測定器は、配管に対する穴あけ等の加工をすることなしに、超音波の送受信を行うトランスデューサを配管の外表面に取り付けるだけで測定を行うことができるという利点がある。この超音波測定器の代表的なものに伝播時間差方式を用いたもの、或いは反射相関法を用いたものがある。

伝播時間差方式の超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を送受信し、流体の流れに沿う向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間と、流体の流れに逆らう向きに超音波信号を送受信した場合の伝播時間との差を求めることで、配管内を流れる流体の流速等を測定するものである。これに対し、反射相関法を用いた超音波測定器は、配管内を流れる流体に対して斜め方向に超音波信号を複数回に亘って送信するとともに流体に含まれる気泡や微小粒子（パーティクル）からの反射信号を複数回に亘って受信し、受信信号の相関から流速等を測定するものである。

以下の特許文献１には、伝播時間差方式による流速等の測定、及び反射相関法を用いた流速等の測定の何れの測定も可能であって、配管を流れる流体を介した超音波信号を受信して得られる受信信号の強度又は相関値に応じて、伝播時間差方式による流速等の測定と反射相関法を用いた流速等の測定とを切り替える超音波測定器が開示されている。また、以下の非特許文献１には、超音波を用いてボイド率（流体の単位断面積あたりに含まれる気泡の面積割合）を測定する技術が開示されている。更に、以下の非特許文献２には、楔状に加工された光ファイバ先端部を配管に形成された穴に挿入し、気泡が光ファイバの先端を通る際に反射光量が変化することを利用して、気泡径や気泡速度を検出する技術が開示されている。

特開２００５−１８１２６８号公報

"超音波を用いた気泡検出"，［ONLINE］，大阪大学，［平成２１年３月２日検索］，インターネット＜URL: http://www.m-osaka.com/jp/seeds/handai/it/02.pdf＞ "気液二相流計測システム"，［ONLINE］，日本カノマックス株式会社，［平成２１年３月２日検索］，インターネット＜URL: http://www.kanomax.co.jp/fvoid.html＞

ところで、上記の特許文献１に開示された超音波測定器は、配管を流れる流体の流速や流量を測定することはできるものの、上記の非特許文献１，２に開示された技術のようにボイド率を測定することはできない。逆に、上記の非特許文献１は、ボイド率の測定が可能である点を開示するものの、配管を流れる流体の流速や流量の測定については何ら開示しておらず、これらの測定が可能であるか否かは不明である。

ここで、上記の非特許文献２に開示された技術では、配管を流れる流体に含まれる気泡の径とともに速度を測定することが可能である。しかしながら、非特許文献２においては、楔状に加工された光ファイバの先端部に気泡を接触させる必要があることから、配管を加工して光ファイバを介挿させる穴を形成する必要がある。配管の加工は流体を一時的に停止させて行う必要があり、また加工によって生じた加工屑を配管内から除去する作業も必要となることから、作業が大掛かりになるという問題がある。

また、上記の非特許文献１，２に開示された技術以外にも、導電率の変化や電気的な容量の変化を測定することによってボイド率を測定することも可能である。しかしながら、かかる測定方法では、微小な気泡を検出することが困難であるため、測定精度がさほど高くないという問題がある。尚、上記の非特許文献２に開示された技術でも、流体に含まれる気泡の量が少ない場合にはボイド率を精確に測定することは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、配管の大掛かりな加工を行うことなしに配管内を流れる流体に含まれる気泡の量や割合を測定することができ、更には高い測定精度を実現することができる超音波測定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、本発明の超音波測定器は、流体（Ｘ）に対して超音波信号（Ｕ）を送信するとともに、前記流体から得られる前記超音波信号の反射信号を受信して受信信号（Ｓ２）を出力する送受信部（１３、１３ａ、１３ｂ）を備える超音波測定器（１、２）において、前記流体に対する前記超音波信号の送信を所定の時間間隔（Ｔ）をもって少なくとも２回行って得られる各々の受信信号（Ｓ１１、Ｓ１２）を、前記超音波信号が送信された時間を基準とした時間位置に応じて複数の区分（ＳＥ１〜ＤＥ５）に分割して区分毎の相関処理を行う相関処理部（２２）と、前記相関処理部で行われる相関処理によって前記区分ごとに得られる相関係数が所定の閾値よりも大であるものの数を計数することで、前記受信信号に含まれる信号であって前記液体に含まれる気泡に起因する反射信号（Ｒ）を受信して得られる信号の数を求めて前記流体に含まれる気泡の量を測定する第１測定部と、を備え、前記複数の区分のそれぞれで、前記気泡の量を測定するために前記気泡の体積を用い、前記第１測定部は、前記複数の区分のうち相関係数が所定の閾値よりも大である場合の前記気泡の体積と前記計数された信号の数とを乗算して前記気泡の量を測定することを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記相関処理部の処理結果を用いて前記流体の流速分布を測定し、前記流体が流れる配管（ＴＢ）の断面積と前記流体の流速分布とを用いて前記流体の流量を測定する第２測定部（２３）を備え、前記第１測定部および前記第２測定部は、同一の前記受信信号を用いて得られた前記相関処理部の処理結果を用いて前記気泡の量および前記流体の流量をそれぞれ測定することを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第１測定部が、前記流体内における前記超音波信号及び前記反射信号の減衰を考慮して前記受信信号の強度を補正する補正部（３１）と、前記相関係数が前記所定の閾値よりも大である場合に、前記気泡の前記超音波信号に対する反射係数と前記気泡の径との関係を示すテーブルと、前記補正部で補正された前記受信信号とを用いて前記気泡の径を求める気泡量算出部（２６、３２）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記送受信部が、前記流体に対して複数波長の超音波信号を送信するとともに、前記受信信号を波長毎に出力するものであり、前記気泡量算出部が、前記超音波信号の波長毎のテーブルを用いて前記気泡の量を求めることを特徴としている。
また、本発明の超音波測定器は、前記第２測定部で測定される前記流体の流量と前記第１測定部で測定される前記気泡の量とを用いて前記流体に含まれる前記気泡の割合を測定する第３測定部（２７）を備えることを特徴としている。

本発明によれば、配管の大掛かりな加工を行うことなしに配管内を流れる流体に含まれる気泡の量や割合を測定することができ、更には高い測定精度を実現することができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。 流体Ｘ内における超音波信号Ｕの透過領域の一例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による超音波測定器の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態による超音波測定器の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。 小球の反射係数（Stenzelの反射係数）の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態による超音波測定器の構成の一部のみを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による超音波測定器について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の超音波測定器１は、制御部１１、送信回路１２、トランスデューサ１３（送受信部）、アンプ１４、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１５、及び信号処理装置１６を備えており、超音波信号Ｕを用いて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量（体積）や割合（流体Ｘに含まれる気泡の体積割合）を測定する。

尚、本実施形態の超音波測定器１は、反射相関法を用いて流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量や割合を測定するものであるとする。つまり、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号Ｕを複数回に亘って送信するとともに流体Ｘに含まれる気泡Ｂや微小粒子（パーティクル）からの反射信号Ｒを複数回に亘って受信し、受信信号Ｓ３に対する相関処理を行って配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量や割合を測定するものであるとする。

制御部１１は、送信回路１２及びＡ／Ｄ変換器１５に対してトリガ信号Ｔｒを出力して、流体Ｘに対する超音波信号Ｕの送信制御及びアンプ１４から出力される受信信号のサンプリング制御を行う。送信回路１２は、制御部１１から出力されるトリガ信号Ｔｒに基づいて、流体Ｘに送信すべき超音波信号Ｕを発生させるための駆動信号Ｓ１を出力する。ここで、駆動信号Ｓ１は、所定の時間間隔（例えば、数百μｓｅｃ程度）をもったパルス状（バースト状）の信号である。

トランスデューサ１３は、流体Ｘが流れる配管ＴＢの外表面に取り付けられており、送信回路１２から出力される駆動信号Ｓ１に基づいて配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して超音波信号Ｕを送信するとともに、流体Ｘから得られる超音波信号Ｕの反射信号Ｒを受信して受信信号Ｓ２を出力する。尚、トランスデューサ１３は、配管ＴＢに対する穴あけ等の加工をすることなく取り付けが可能である。

ここで、トランスデューサ１３は、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対して斜め方向に超音波信号Ｕを送信する。具体的には、図１に示す通り、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流れ方向に直交してトランスデューサ１３を通る配管ＴＢの径方向（第１径方向Ｄ１）に対して角度θをもって超音波信号Ｕを送信する。これにより、トランスデューサ１３からの超音波信号Ｕは、図１中の経路ＰＴに沿って流体Ｘ内を進むことになる。

トランスデューサ１３から送信された超音波信号Ｕは、図１中の経路ＰＴに沿って流体Ｘ内を進むにつれて僅かに広がるが、その広がりはさほど大きくない。このため、図２に示す通り、流体Ｘの流れ方向に見た場合には、流体Ｘ内において超音波信号Ｕが透過する透過領域Ｑは配管ＴＢの中心軸を含んで第１径方向Ｄ１に沿う略長方形形状（或いは、略台形形状）の領域になる。図２は、流体Ｘ内における超音波信号Ｕの透過領域の一例を示す断面図である。尚、図２を参照すると、第１径方向Ｄ１に直交する径方向（第２径方向Ｄ２）についての透過領域Ｑの幅が狭く、第２径方向Ｄ２については超音波信号Ｕが透過しない領域の方が大きいことが分かる。

アンプ１４は、トランスデューサ１３から出力される受信信号Ｓ２を所定の増幅率で増幅する。Ａ／Ｄ変換器１５は、制御部１１から出力されるトリガ信号Ｔｒに基づいてサンプリング処理を行い、アンプ１４から出力される受信信号（アナログ信号）を受信信号Ｓ３（ディジタル信号）に変換する。尚、トリガ信号ＴｒによってＡ／Ｄ変換器１５のサンプリング制御が行われることで、トランスデューサ１３から超音波信号Ｕが送信された直後に発生するノイズ等の除去が可能である。

信号処理装置１６は、メモリ２１、相関処理部２２、流速流量演算部２３（第２測定部）、フィルタ部２４（第１測定部）、カウンタ２５（第１測定部）、気泡量演算部２６（第１測定部、気泡量算出部）、及び気泡割合算出部２７（第３測定部）を備えており、Ａ／Ｄ変換器１５から出力される受信信号Ｓ３を用いて流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量や割合を測定する。尚、流体Ｘの流速及び流量については、流体Ｘの流速のみを測定しても良く、これらの双方を測定しても良い。また、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量及び割合については、気泡Ｂの量のみを測定しても良く、これらの双方を測定しても良い。

メモリ２１は、Ａ／Ｄ変換器１５から出力される受信信号Ｓ３を記憶する。尚、超音波信号Ｕは数十〜数百回程度に亘って繰り返し送信されるため、メモリ２１には超音波信号Ｕが送信される度にＡ／Ｄ変換器１５から出力される受信信号Ｓ３が順次記憶される。相関処理部２２は、メモリ２１に記憶された受信信号を順次読み出して相関処理を行う。具体的に、相関処理部２２は、所定の時間間隔（例えば、数百μｓｅｃ）をもって行われた流体Ｘに対する複数回の超音波信号Ｕの送信によって得られる複数の受信信号をメモリ２１から読み出す。そして読み出した受信信号を時間位置に応じて複数の区分に分割し、区分毎の相関処理を行う。尚、相関処理部２２で行われる相関処理の詳細については後述する。

流速流量演算部２３は、相関処理部２２で行われる相関処理の処理結果を用いて、第１径方向Ｄ１における流体Ｘの流速分布を測定する。具体的には、相関が最大となる時間間隔を上記の区分毎に求め、各々の時間間隔から区分毎の流体Ｘの流速を求める。かかる処理によって、流体Ｘの流速分布が測定される。流速流量演算部２３は、測定された流体Ｘの流速分布と配管ＴＢの断面積（流速を測定した位置近傍での管路ＴＢの断面積）とを用いて流体Ｘの流量を測定する。

フィルタ部２４は、相関処理部２２で行われる相関処理によって区分毎に得られる相関係数のうち、値が予め設定された閾値（相関係数の最大値が「１」である場合には、例えば、「０．７」）よりも大きいもののみを出力する。このフィルタ部２４は、受信信号Ｓ２，Ｓ３に含まれる信号であって、流体Ｘに含まれる気泡Ｂに起因する反射信号Ｒを受信して得られる信号の数を求めるためのフィルタである。つまり、本実施形態では、上記の閾値よりも値が大きな相関係数が得られた場合には、その信号は、流体Ｘに含まれる気泡Ｂに起因する反射信号を受信して得られる信号であるとみなしている。

カウンタ２５は、フィルタ部２４から出力される、相関係数が閾値を超えた回数を計数することで、図２に示す超音波信号Ｕの透過領域Ｑに含まれる気泡Ｂの数を計数する。気泡量演算部２６は、カウンタ２５で計数された気泡Ｂの数から、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量を演算する。具体的には、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの径がほぼ同じであるとし、気泡Ｂの体積とカウンタ２５で計数された気泡Ｂの数とを乗算して気泡Ｂの量を演算する。気泡割合算出部２７は、流速流量演算部２３で測定された流体Ｘの流量と、気泡量演算部２６で求められた気泡の量とを用いて気泡の割合を算出する。

次に、上記構成における超音波測定器１の動作について説明する。図３は、本発明の第１実施形態による超音波測定器の動作を示すフローチャートである。また、図４は、本発明の第１実施形態による超音波測定器の動作を説明するためのタイミングチャートである。以下、これらの図３及び図４参照しつつ、超音波測定器１の動作について詳細に説明する。

配管ＴＢ内を流れる流体Ｘに対する測定が開始されると、まず第１回目の超音波信号を送信して受信信号をメモリ２１に記憶する動作が行われる（ステップＳ１１）。具体的には、まず制御部１１からトリガ信号Ｔｒが出力されて送信回路１２及びＡ／Ｄ変換器１５に入力され、送信回路１２においてトリガ信号Ｔｒに基づいた駆動信号Ｓ１が生成される。この駆動信号Ｓ１はトランスデューサ１３に入力され、これによりトランスデューサ１３が駆動されて超音波信号Ｕが送信される。尚、ここで送信された超音波信号Ｕは、図４に示す時刻ｔ１における超音波信号Ｕ１であるとする。

トランスデューサ１３から送信された超音波信号Ｕ１は、図４に示す時刻ｔ１から時間ΔＴだけ経過した時刻ｔ２になると、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘ内に入射する。これと同時に、先に制御部１１から出力されたトリガ信号Ｔｒに基づいてＡ／Ｄ変換器１５でサンプリングが開始され、これにより受信期間Ｔ１が開始される。この受信期間Ｔ１においては、Ａ／Ｄ変換器１５から出力される受信信号Ｓ３（トランスデューサ１３から出力される受信信号Ｓ２がアンプ１４で増幅されてＡ／Ｄ変換器１５でディジタル信号に変換された信号）がメモリ２１に順次記憶される。

流体Ｘ内に入射した超音波信号Ｕ１は、図１及び図２に示す経路ＰＴに沿って流体Ｘを伝播する。ここで、経路ＰＴ上に気泡Ｂが存在すると、超音波信号Ｕ１の一部が気泡Ｂによって反射されて反射信号Ｒが生ずる。この反射信号Ｒは、経路ＰＴを逆向きに辿ってトランスデューサ１３で受信される。これにより、トランスデューサ１３から出力される受信信号Ｓ２には、気泡Ｂに起因する反射信号Ｒを受信して得られる信号が含まれることになる。このため、Ａ／Ｄ変換器１５から出力される受信信号Ｓ３にも気泡Ｂに起因する反射信号Ｒを受信して得られる信号が含まれることになる。超音波信号Ｕ１が配管ＴＢ内を流れる流体Ｘ内に入射してから、経路ＰＴを往復するのに要する時間が経過すると受信期間Ｔ１が終了する。

以上の動作が終了し、超音波信号Ｕ１が送信された時刻（時刻ｔ１）から所定の時間間隔Ｔ（例えば、数百μｓｅｃ）が経過すると、制御部１１からトリガ信号Ｔｒが出力されて、第２回目の超音波信号を送信して受信信号をメモリ２１に記憶する動作が行われる（ステップＳ１２）。尚、ここで送信された超音波信号Ｕは、図４に示す時刻ｔ３における超音波信号Ｕ２であるとする。超音波信号Ｕ２が送信された時刻ｔ３から時間ΔＴだけ経過した時刻ｔ４になると、超音波信号Ｕ２が配管ＴＢ内を流れる流体Ｘ内に入射し、これと同時に受信期間Ｔ２が開始される。そして、上述の動作と同様の動作が行われて、受信期間Ｔ２で受信された受信信号がメモリ２１に記憶される。

以上の動作が終了すると、ステップＳ１１，Ｓ１２でメモリ２１に記憶された受信信号が相関処理部２２に読み出される。そして、相関処理部２２において、読み出された各々の受信信号が複数の区分に分割され、区分毎の相関処理が実施される（ステップＳ１３）。ここで、受信期間Ｔ１でメモリ２１に記憶された受信信号が図４に示す受信信号Ｓ１１であり、受信期間Ｔ２でメモリ２１に記憶された受信信号が図４に示す受信信号Ｓ１２であるとする。

相関処理部２２は、メモリ２１から読み出したこれらの受信信号Ｓ１１，Ｓ１２を、超音波信号Ｕ１，Ｕ２が送信された時刻ｔ１，ｔ３（或いは、受信期間Ｔ１，Ｔ２の先頭時刻）を基準とした時間位置に応じて複数の区分に分割する。具体的には、図４に示す通り、受信信号Ｓ１１，Ｓ１２を先頭から一定の時間間隔で区分ＳＥ１〜ＳＥ５に分割する。尚、図４においては、理解を容易にするために５つの区分ＳＥ１〜ＳＥ５に分割する例を図示しているが、分割数は必要となる測定精度に応じて数十〜数百程度に設定される。

以上の分割が終了すると、相関処理部２２は、区分ＳＥ１における受信信号Ｓ１１，Ｓ１２の相関処理、区分ＳＥ２における受信信号Ｓ１１，Ｓ１２の相関処理、…、区分ＳＥ５における受信信号Ｓ１１，Ｓ１２の相関処理を順次行う。相関処理部２２の処理が終了すると、流速流量演算部２３において相関処理の結果を用いた流体Ｘの流速分布及び流量の測定が行われる（ステップＳ１４）。具体的には、上記の区分ＳＥ１〜ＳＥ５毎に相関が最大となる時間間隔が求められ、各々の時間間隔から区分ＳＥ１〜ＳＥ５毎の流体Ｘの流速が求められ、これによって流体Ｘの流速分布が測定される。また、測定された流体Ｘの流速分布と配管ＴＢの断面積（流速を測定した位置近傍での管路ＴＢの断面積）とを用いて流体Ｘの流量が測定される。

以上の流体Ｘの流速及び流量の測定と並行して、相関処理部２２で行われた相関処理によって区分ＳＥ１〜ＳＥ５毎に得られる相関係数を用いた気泡の数の測定が行われる（ステップＳ１５）。具体的には、相関処理部２２から出力される区分ＳＥ１〜ＳＥ５毎に得られる相関係数がフィルタ部２４に入力されて、値が予め設定された閾値よりも大きいもののみが出力される。フィルタ部２４から出力される、相関係数が閾値を超えた回数はカウンタ２５に入力されて数が計数される。

カウンタ２５の計数値は気泡量演算部２６に入力され、この計数値から流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量が演算される（ステップＳ１６）。具体的には、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの径がほぼ同じであるとし、気泡Ｂの体積とカウンタ２５で計数された気泡Ｂの数とが乗算されて気泡Ｂの量が演算される。気泡量演算部２６の演算結果は、流速流量演算部２３で測定された流体Ｘの流量とともに気泡割合算出部２７に入力される。そして、気泡割合算出部２７において、流速流量演算部２３で測定された流体Ｘの流量と気泡量演算部２６で求められた気泡の量とを用いて気泡の割合が算出される（ステップＳ１７）。具体的には、気泡の量が流量で除算されて気泡の割合が算出される。

以上説明した通り、本実施形態では、超音波信号Ｕを流体Ｘに対して送信して得られる反射信号を受信した受信信号Ｓ２，Ｓ３を用いて流体Ｘの流速及び流量を測定するとともに、受信信号Ｓ２，Ｓ３に含まれる信号であって流体Ｘに含まれる気泡Ｂに起因する反射信号Ｒを受信して得られる信号の数を求めて流体Ｘに含まれる気泡の量を測定している。このため、配管ＴＢの大掛かりな加工を行うことなしに配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量や割合をともに測定することができる。

更に、本実施形態では、超音波信号Ｕを２回送信して得られる受信信号の相関処理を行って流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量や割合を測定しているため、ノイズの影響を受けにくいという利点がある。これにより、測定誤差の変動も少なく、流体Ｘに対してｐｐｍ（parts per million）オーダーで含まれる極めて少量の気泡の量を測定することが可能である。

尚、以上の説明では、超音波信号Ｕを２回送信して得られた２つの受信信号のみから流体Ｘの流速及び流量、並びに流体Ｘに含まれる気泡の量及び割合を測定する例について説明した。しかしながら、図３に示す処理を数十〜百回程度繰り返して流体Ｘの流速及び流量、並びに流体Ｘに含まれる気泡の量及び割合を測定することにより、定常的な流体Ｘの流速及び流量、並びに流体Ｘに含まれる気泡の量及び割合を測定することが可能である。また、上記実施形態では、単純に気泡の数を用いて気泡の量を求める例について説明したが、気泡が存在すると判定された区分（相関係数が閾値よりも大きな区分）の位置情報を用いることで、配管ＴＢ内における気泡の分布を求めることも可能である。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態による超音波測定器の要部構成を示すブロック図である。図５に示す通り、本実施形態の超音波測定器２は、図１に示す信号処理装置１６に代えて信号処理装置３０を備えており、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの径を考慮して気泡Ｂの量を求めることで第１実施形態の超音波測定器１よりも気泡Ｂの測定精度を向上させるものである。

信号処理装置３０は、図１に示す信号処理装置１６が備えるメモリ２１〜気泡割合算出部２７に加えて強度補正部３１（第１測定部、補正部）及び気泡径演算部３２（第１測定部、気泡量算出部）を備える。強度補正部３１は、メモリ２１に記憶される受信信号の信号強度を、流体Ｘに対して送信される超音波信号Ｕ及び流体Ｘ内で生ずる反射信号Ｒの減衰を考慮して補正する。ここで、流体Ｘ内を伝播する超音波信号Ｕ及び反射信号Ｒの減衰量は距離の関数で表すことができる。強度補正部３１は予め測定して得られている超音波信号Ｕ及び反射信号Ｒの減衰量を示す関数を用いてメモリ２１に記憶された受信信号の信号強度を補正する。

気泡径演算部３２は、強度補正部３１で信号強度が補正された受信信号を用いて、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの径を求める。ここで、流体Ｘに含まれる気泡Ｂに起因する反射信号Ｒの強度は、気泡Ｂに照射される超音波信号Ｕの強度と図６に示す反射係数ｚから求められる。図６は、小球の反射係数（Stenzelの反射係数）の一例を示す図である。図６中の横軸に示した変数Ｒは剛体球の半径であり、変数ｋは波数（波長をλとするとｋ＝２π／λ）である。本実施形態では、気泡Ｂの半径が変数Ｒで表され、超音波信号Ｕの波数が変数ｋで表され、超音波信号Ｕの波長が変数λで表される。尚、図６においては縦軸に反射係数ｚの絶対値をとってあり、縦軸及び横軸ともに常用対数表示である。

図６を参照すると、波数ｋと半径Ｒとの積（ｋＲ）の値が「１」以下の領域においては、反射係数ｚの絶対値が積（ｋＲ）の値にほぼ比例する。よって、超音波信号Ｕの強度と反射信号Ｒの強度とから反射係数ｚを求めれば、図６に示すグラフを用いて気泡Ｂの半径（径）を求めることができる。尚、積（ｋＲ）の値が「１」よりも大きくなると、反射係数ｚの値はほぼ一定になる。このため、測定対象となる気泡Ｂの大きさに応じて超音波信号Ｕの波長を適切に選択しておく必要がある。

気泡径演算部３２は、図６に示す積（ｋＲ）の値が「１」以下の領域における反射係数ｚと気泡Ｂの半径（径）との関係を示すテーブルと、強度補正部３１で信号強度が補正された受信信号と、超音波信号Ｕの強度とを用いて気泡Ｂの径を求める。尚、気泡径演算部３２による気泡Ｂの算出は、気泡が存在すると判定された区分（相関係数が閾値よりも大きな区分）においてのみ行われる。

前述した第１実施形態では、気泡量演算部２６において、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの径がほぼ同じであるとし、気泡Ｂの体積とカウンタ２５で計数された気泡Ｂの数とが乗算されて気泡Ｂの量が演算されていた。これに対し、本実施形態では、気泡径演算部３２で求められた気泡Ｂ毎の径（体積）が気泡量演算部２６で加算され、加算値と気泡Ｂの数とが乗算されて気泡Ｂの量が演算される。このため、第１実施形態よりも、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量及び割合を高い精度で測定することができる。

〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第３実施形態による超音波測定器の構成の一部のみを示す図である。図７に示す通り、本実施形態の超音波測定器は、図５に示す超音波測定器２とほぼ同様の構成であるが、２つのトランスデューサ１３ａ，１３ｂ（送受信部）を備えており、第２実施形態による超音波測定器２よりも広い範囲で気泡Ｂの径を測定可能にするとともに、気泡Ｂの測定精度を向上させるものである。

トランスデューサ１３ａ，１３ｂは、互いに波長が異なる超音波信号Ｕ１１，Ｕ１２をそれぞれ送信し、超音波信号Ｕ１１，Ｕ１２の経路ＰＴ１１，ＰＴ１２上に存在する気泡Ｂに起因する反射信号Ｒ１１，Ｒ１２をそれぞれ受信する。本実施形態の超音波測定器は、反射信号Ｒ１１，Ｒ１２を受信して得られた受信信号を用いて第２実施形態と同様の処理によって気泡Ｂの径を求めた上で、気泡Ｂの量及び割合を測定する。

ここで、本実施形態では、超音波信号Ｕ１１，Ｕ１２の波長に応じたテーブル（反射係数ｚと気泡Ｂの半径（径）との関係を示すテーブル）を用いて気泡Ｂの径を求める。図６に示す通り、反射係数ｚの絶対値が積（ｋＲ）の値にほぼ比例する領域は、超音波信号の波長が固定である場合（１つである場合）には気泡Ｂの半径によって制限され、これによって気泡Ｂの径を測定する範囲もある程度制限されてしまう。

これに対し、本実施形態では、波長が異なる超音波信号Ｕ１１，Ｕ１２を送信して、これら超音波信号Ｕ１１，Ｕ１２の波長に応じたテーブルを用いることにより、第２実施形態よりも広い範囲で気泡Ｂの径を測定することができ、これにより第２実施形態によりも気泡Ｂの量及び割合を高い精度で測定することができる。尚、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）からなる高分子圧電素子のように複数の超音波信号を送信可能な素子を用いる場合には、図７に示す様に複数のトランスデューサ１３ａ，１３ｂを設ける必要は必ずしも無い。

以上、本発明の実施形態による超音波測定器について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、複数の受信信号を用いて相関処理を行って気泡Ｂの数を計数する例について説明したが、相関処理を行わずに１つの受信信号の時間区分（図４中に示す区分ＳＥ１〜ＳＥ５と同様の区分）毎の振幅が所定の閾値より大であるものの計数から気泡Ｂの数を測定するとともに、振幅の大きさから気泡Ｂの径を推定しても良い。

また、上記実施形態では、反射相関法を用いて流体の流速や流量を求める超音波測定器を例に挙げて説明したが、本発明はドップラー法を用いて流体の流速や流量を求める超音波測定器にも適用可能である。ここで、ドップラー法とは、流体に含まれる気泡等の速さに応じた周波数偏移量（ドップラシフト量）に基づいて流体の流速や流量を求める方法をいう。

更に、上記実施形態では、図２に示す通り、第１径方向Ｄ１のみに超音波信号Ｕを送信して流量等及び気泡量等を測定する例について説明したが、第１径方向Ｄ１に加えて第２径方向Ｄ２にも超音波信号を送信して流量等及び気泡量等を測定してもよい。これにより、測定精度をより向上させることができる。また更に、上記実施形態では、配管ＴＢ内を流れる流体Ｘの流速や流量、及び流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量や割合をともに測定する例について説明した。しかしながら、流体Ｘに含まれる気泡Ｂの量のみを測定する場合には、流体Ｘの流速や流量を測定する必要は必ずしも無い。

１，２ 超音波測定器
１３ トランスデューサ
１３ａ，１３ｂ トランスデューサ
２２ 相関処理部
２３ 流速流量演算部
２４ フィルタ部
２５ カウンタ
２６ 気泡量演算部
２７ 気泡割合算出部
３１ 強度補正部
３２ 気泡径演算部
Ｒ 反射信号
Ｓ２，Ｓ３ 受信信号
Ｓ１１，Ｓ１２ 受信信号
ＳＥ１〜ＳＥ５ 区分
Ｔ 時間間隔
ＴＢ 配管
Ｕ 超音波信号
Ｘ 流体

Claims (5)

1. 流体に対して斜め方向に超音波信号を送信するとともに、前記流体から得られる前記超音波信号の反射信号を受信して受信信号を出力する送受信部を備える超音波測定器において、
   前記流体に対する前記超音波信号の送信を所定の時間間隔をもって少なくとも２回行って得られる各々の受信信号を、前記超音波信号が送信された時間を基準とした時間位置に応じて複数の区分に分割して区分毎の相関処理を行う相関処理部と、
   前記相関処理部で行われる相関処理によって前記区分ごとに得られる相関係数が所定の閾値よりも大であるものの数を計数することで、前記受信信号に含まれる信号であって前記液体に含まれる気泡に起因する反射信号を受信して得られる信号の数を求めて前記流体に含まれる気泡の量を測定する第１測定部と、
   を備え、
   前記複数の区分のそれぞれで、前記気泡の量を測定するために前記気泡の体積を用い、
   前記第１測定部は、前記複数の区分のうち相関係数が所定の閾値よりも大である場合の前記気泡の体積と前記計数された信号の数とを乗算して前記気泡の量を測定することを特徴とする超音波測定器。
2. 前記相関処理部の処理結果を用いて前記流体の流速分布を測定し、前記流体が流れる配管の断面積と前記流体の流速分布とを用いて前記流体の流量を測定する第２測定部を備え、
   前記第１測定部および前記第２測定部は、同一の前記受信信号を用いて得られた前記相関処理部の処理結果を用いて前記気泡の量および前記流体の流量をそれぞれ測定することを特徴とする請求項１記載の超音波測定器。
3. 前記第１測定部は、前記流体内における前記超音波信号及び前記反射信号の減衰を考慮して前記受信信号の強度を補正する補正部と、
   前記相関係数が前記所定の閾値よりも大である場合に、前記気泡の前記超音波信号に対する反射係数と前記気泡の径との関係を示すテーブルと、前記補正部で補正された前記受信信号とを用いて前記気泡の径を求める気泡量算出部と
   を備えることを特徴とする請求項２記載の超音波測定器。
4. 前記送受信部は、前記流体に対して複数波長の超音波信号を送信するとともに、前記受信信号を波長毎に出力するものであり、
   前記気泡量算出部は、前記超音波信号の波長毎のテーブルを用いて前記気泡の量を求める
   ことを特徴とする請求項３記載の超音波測定器。
5. 前記第２測定部で測定される前記流体の流量と前記第１測定部で測定される前記気泡の量とを用いて前記流体に含まれる前記気泡の割合を測定する第３測定部を備えることを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の超音波測定器。

Images