JP5418982B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、配管を流れる流体の流速分布および流量を測定する超音波流量計に関し、さらに詳しくは、流速分布および流量の測定精度を改善する超音波流量計に関する。

従来の超音波流量計の構成を、図面を用いて説明する。図６は従来の超音波流量計の例を示した構成図、図７は超音波パルスによる測定を模式的に示した図である。ここでは特に、配管の外側にトランスデューサが取り付けられるクランプオンタイプの超音波流量計により説明する。

図６において、トリガ発生部１は、トリガを発生する。トランスデューサ２は、超音波出力手段２１と超音波入力手段２２を含み、トリガ発生部１からのトリガを入力する。トランスデューサ２の超音波出力手段２１は、トリガ発生部１からのトリガに基づいて、図７において示されるように配管５へ定められた角度で超音波パルスを出力する。超音波パルスは、配管５の管壁を通過して、流体中を進み、流体中の気泡等の粒子に反射する。

超音波入力手段２２は、粒子に反射した超音波パルスを入力し、トランスデューサ２が、電気信号に変換し出力する。

信号処理部３は、フィルタ手段３１と、ＡＤ変換手段３２と、ウォールフィルタ手段３３とから構成され、トランスデューサ２のが出力した電気信号を入力する。
フィルタ手段３１は、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ等から構成され、トランスデューサ２が出力した電気信号を入力し、測定に使用する周波数帯域の電気信号を抽出する。
ＡＤ変換手段３２は、フィルタ手段３１が出力する電気信号を入力し、アナログデジタル変換してデジタル信号を出力する、
ウォールフィルタ手段３３は、ＡＤ変換手段３２が出力するデジタル信号を入力して、クラッタノイズを低減して出力する。クラッタノイズは定在波とも呼ばれ、超音波パルスが配管５の管壁等の固定物によって反射するノイズ成分のことで、配管５の外側から超音波パルスを入力するクランプオンタイプの超音波流量計で発生しやすい。ウォールフィルタ手段３３の出力は、信号処理部３の出力となる。

信号解析部４は、信号処理部３の出力に基づいて、流体の流速分布および流量を解析して求め出力する。
図示しない表示部は、信号解析部４が出力した流体の流速分布および流量を表示する。

このような従来の超音波流量計の動作例を、図面を用いて説明する。
図６において、トリガ発生部１は、定められた時間Ｔ１、Ｔ２との少なくとも２つのタイミングにおいて、トリガを発生する（ここで、Ｔ２＝Ｔ１＋ΔＴとする）。超音波出力手段２１は、トリガ発生部からのトリガＴ１とＴ２に基づいて、それぞれ超音波パルスＰ１とＰ２を出力する。

超音波パルスはトランスデューサ２の超音波出力手段２１によって一定角度で配管５に入力される。流体中の粒子は超音波パルスを反射し、反射した超音波パルスはトランスデューサ２の超音波入力手段２２に入力され、電気信号に変換される。図７の例では流体は配管５の中を図面の左から右へ流れており、流体中の粒子はＴ１の時点よりもＴ２の時点の方がトランスデューサ２に近づくよう移動する。つまり、Ｐ１に比べＰ２の方が、経路が短いのでその分だけ少ない時間でトランスデューサ２へ戻ることになる。

トランスデューサ２から出力される電気信号は、信号処理部３へ入力される。
実際には、Ｐ１とＰ２には、トランスデューサ２から出力された超音波パルスが流体中で拡散や反射等を繰り返すことで、測定に使用する周波数帯域外のノイズが重畳している。信号処理部３のフィルタ手段３１は、トランスデューサ２から出力される電気信号から、測定に使用する周波数帯域の電気信号を抽出する。
フィルタ手段３１によって抽出された電気信号は、ＡＤ変換手段３２によって、デジタル信号に変換され出力される。さらにウォールフィルタ手段３３は、ＡＤ変換手段３２が出力するデジタル信号からクラッタノイズを低減し出力し、最終的に横軸を時間、縦軸を強度とする時間波形を得る。

ウォールフィルタ手段３３から出力されたＴ１およびＴ２をトリガとする時間波形は、理想的には図８のような時間波形Ｐ１とＰ２を想定している。図８において、反射波形波Ｐ２は、反射波形波Ｐ１と比較し、Δτだけ早いことがわかる。

信号解析部４は、このΔτと、流体中の音速と、超音波パルスの配管への入力角度に基づいて粒子の移動距離を求め、また、この粒子の移動距離と、Ｔ１とＴ２の間隔であるΔＴとに基づいて粒子の速度を求める。
このような流体中の粒子の速度を、配管５の断面全体にわたって求めたものが流速分布であり、この流速分布を断面全体にわたって積分したものが流量となる。
図示しない表示部は、必要に応じて信号解析部が出力した流体の流速分布および流量を表示する。

特許文献１には、ウォールフィルタによりクラッタノイズを低減することで測定精度を高めた超音波流量計の構成が詳細に記載されている。

特開２００４−３３３２６０号公報

トランスデューサ２が入力する超音波パルスの反射波に重畳するノイズには、上述したノイズ以外に多重反射波も含まれることが分かっている。多重反射波とは、超音波パルスが配管５の管壁の外径面と内径面との反射を繰り返しつつ流体中に漏洩し、粒子に反射してトランスデューサ２に戻ってくる超音波パルスのことである。多重反射波は、測定対象である正規波が粒子に反射してトランスデューサに戻る時刻に、別の粒子に反射してトランスデューサに戻るため、粒子の速度測定に誤差を生じさせる。

図９は、従来の超音波流量計で測定した配管５を流れる流体の流速分布であり、多重反射波の影響を顕著に受けたものである。縦軸が流速、横軸が配管５内における位置を表し、波線が測定値、実線が真値である。トランスデューサ２から近い（ＮＥＡＲ）サイドから遠い（ＦＡＲ)サイドに行くに従って、流速の測定誤差が大きくなる様子が観察できる。
この多重反射波は、その周波数帯域は測定対象となる周波数帯域に含まれ、また固定的な定在波（クラッタノイズ）ではない。したがって従来の超音波流量計が備えるフィルタ手段３１やウォールフィルタ手段３３では、多重反射波を除去することが難しいという課題があった。

そこで本発明の目的は、信号処理部に多重波除去部を設けて多重反射波成分を低減することにより、流速分布および流量の測定精度を高めた超音波流量計を実現することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
流体が流れる配管に超音波パルスを出力し、前記流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換するトランスデューサと、
このトランスデューサが出力する電気信号を入力し、測定に必要な周波数帯域の電気信号を抽出して出力する信号処理部と、
この信号処理部が出力した電気信号から、前記配管の管壁内に生じる多重反射波周波数を算出し、前記多重反射波周波数を含む周波数帯域の一部または全部における電気信号を選択的に取り除いて出力する多重反射波除去部と、
この多重反射波除去部が出力した電気信号に基づき、配管断面における流体の流速分布および流体の流量を解析する信号解析部と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記多重反射波除去部は、
高速フーリエ変換により前記信号処理部が出力した電気信号の周波数分布を算出するＦＦＴ手段と、
このＦＦＴ手段が算出した周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除く周波数選択手段と、
この周波数選択手段によって特定の周波数帯域が選択的に取り除かれた周波数分布に対して逆高速フーリエ変換を行う逆ＦＦＴ手段と、
を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記多重反射波除去部は、
フーリエ変換により前記信号処理部が出力した電気信号の周波数分布を算出するフーリエ変換手段と、
このフーリエ変換手段が算出した周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除く周波数選択手段と、
この周波数選択手段によって特定の周波数帯域が選択的に取り除かれた周波数分布に対して逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換手段と、
を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記多重反射波除去部は、無限インパルス応答フィルタまたは有限インパルス応答フィルタによって多重反射波周波数を含む周波数帯域の一部または全部を選択的に取り除いて出力することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明であって、
前記トランスデューサは、配管の外側に設置されるクランプオンタイプであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明であって、
前記トランスデューサは、配管と一体に設置されるスプールピースタイプであることを特徴とする。

本発明によれば、トランスデューサが、流体が流れる配管に超音波パルスを出力して流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換し、信号処理部がトランスデューサの出力する電気信号を入力し測定に必要な周波数帯域の電気信号を抽出して、多重反射波除去部のＦＦＴ手段が、信号処理部が抽出した電気信号を高速フーリエ変換することにより電気信号の周波数分布を算出し、周波数選択手段が、ＦＦＴ手段の算出結果である周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除いた周波数分布を出力し、逆ＦＦＴ手段が、周波数選択手段の出力する周波数分布に対して逆高速フーリエ変換を行い、信号解析部が、逆ＦＦＴ手段の出力した電気信号に基づき流体の流速分布および流体の流量を解析するので、従来の超音波流量計では低減することが難しい多重反射波成分を低減することができ、配管の断面全域にわたって流速分布の測定精度を高めた超音波流量計を実現することが可能となる。

本発明の一実施例の構成図である。 多重反射波の発生の様子を説明した図である。 図１の装置のＦＦＴ手段で得られた周波数分布の例を示した図である。 図１の装置の周波数選択手段で特定の周波数帯域を取り除いた周波数分布の例を示した図である。 図１の装置で測定した周波数分布の例を示した図である。 従来の超音波流量計の例を示した構成図である。 超音波パルスによる測定を模式的に示した図である。 超音波パルスの時間波形を示した図である。 従来の超音波流量計で測定した周波数分布の例を示した図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図６と同一のものは、同一符号を付して説明を省略する。

図１において、多重反射波除去部６は、ＦＦＴ手段６１と、周波数選択手段６２と、逆ＦＦＴ手段６３とから構成され、信号処理部３から出力された時間波形を入力する。
ＦＦＴ手段６１は、信号処理部３から出力された時間波形に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算を行い、周波数分布を算出する。
周波数選択手段６２は、ＦＦＴ手段６１が算出した周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除く。
逆ＦＦＴ手段６３は、周波数選択手段６２によって特定の周波数帯域が選択的に取り除かれた周波数分布に対して逆高速フーリエ変換（逆ＦＦＴ）演算を行い、時間波形を出力する。

信号解析部４は、逆ＦＦＴ手段６３の出力した時間波形に基づき解析を行い、流体の流速分布および流量を計算し、出力する。

このような超音波流量計の動作例を、図面を用いて説明する。
図１において、トリガ発生部１は、定められた時間Ｔ１とＴ２との少なくとも２つのタイミングにおいて、トリガを発生する。トランスデューサ２の超音波出力手段２１は、トリガ発生部１からのトリガに基づいて、超音波パルスＰ１とＰ２をそれぞれＴ１とＴ２において出力する。

続いて図２も用いて説明する。図２は、多重反射波の発生の様子を説明した図である。図２に示すように、トランスデューサ２から出力された超音波パルスは配管５の管壁に到達し、管壁を通過する正規波Ｓ１（実線部分）と、管壁の内径面と外径面との反射を繰り返して内径面から漏洩する多重反射波Ｓ２（破線部分）とに分かれる。
したがって、正規波Ｓ１が粒子に反射しトランスデューサ２へ戻る反射波と、多重反射波Ｓ２が別の位置の粒子に反射しトランスデューサ２へ戻る反射波が存在することになり、また正規波Ｓ１と多重反射波Ｓ２とは、周波数帯域が混在している。

フィルタ手段３１は、トランスデューサ２から出力される電気信号を入力し、測定に使用する周波数帯域の電気信号を抽出する。
フィルタ部３１によって抽出された電気信号は、ＡＤ変換器３２によって、デジタル信号に変換され出力される。
ウォールフィルタ手段３３は、ＡＤ変換器が出力するデジタル信号からクラッタノイズを低減した時間波形を出力する。

多重反射波は、その周波数帯域は測定対象となる周波数帯域に含まれ、また固定的な定在波ではない。したがって、フィルタ手段３１やウォールフィルタ手段３３では除去することが難しい。信号処理部３が出力した時間波形であるＰ１およびＰ２には、この時点では多重反射波Ｓ２が重畳している。

多重反射波除去部６のＦＦＴ手段６１は、ウォールフィルタ手段３３から出力される時間波形Ｐ１およびＰ２に対してＦＦＴ演算を行って周波数分布を算出する。ＦＦＴ手段６１により算出された周波数分布の例は図３の通りである。図３は、横軸に周波数、縦軸に超音波パルスの強度をプロットしたもので、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４に強度ピークがあることがわかる。これらの強度ピークは配管の管壁の内径面と外径面を反射することによって強められた共鳴周波数を有する多重反射波の影響を強く受けた部分と考えられる。

ここで、共鳴周波数は配管の材質や肉厚によって次のような式で示されることが知られている。
ｆ＝ｍ・Ｖ/２ｄ・cosθ

ｆ：共鳴周波数
Ｖ：配管中音速（金属管では通常は横波音速）
ｄ：配管肉厚
θ：配管内での屈折角
ｍ：整数なら共鳴条件（整数＋０．５で非共鳴条件）

共鳴条件を満たす周波数には多重反射波の影響により誤差を生じさせる情報が集中していると考えられる。
そこで周波数選択手段６２により、ＦＦＴ手段６１により算出された周波数分布から、共鳴条件を満たすｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の周波数を避けて（例えば図４の実線で表されるｆ２とｆ３の中間部分を）周波数帯域を抽出した周波数分布を得る。

（周波数選択手段６２は、図４において実線で表されるｆ２とｆ３の中間部分以外にも、例えばｆ１とｆ２の中間部分を抽出した周波数帯域、ｆ１とｆ２の中間部分とｆ３とｆ４の中間部分をを抽出した周波数帯域、ｆ１〜ｆ４のピーク周波数を除外した周波数帯域等のように、任意の周波数帯域を抽出してよい。）

逆ＦＦＴ手段６３は、周波数選択手段６２によって得られた周波数分布に対して逆ＦＦＴ演算を行って、再度時間波形を出力する。

信号解析手段４は、逆ＦＦＴ手段６３が出力する時間波形から、流速分布を求める。
多重反射除去部６により、多重反射波の影響が取り除かれているので、配管５の広い断面範囲に渡って、正規波が粒子に反射した波形を主成分とする時間波形が得られることになる。

その結果、図５のような流速分布が得られる。配管５から遠いＦＡＲサイドで顕著だった図９で見られるような流速誤差が低減された流速分布が得られる。
この流速分布を断面全体にわたって積分したものが流量となる。
図示しない表示部は、必要に応じて信号解析部４が出力した流体の流速分布および流量を表示する。

このように、トランスデューサ２が、流体が流れる配管５に超音波パルスを出力して流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換し、信号処理部３がトランスデューサ２の出力する電気信号を入力し測定に必要な周波数帯域の電気信号を抽出して、多重反射波除去部６のＦＦＴ手段６１が、信号処理部３が抽出した電気信号を高速フーリエ変換することにより電気信号の周波数分布を算出し、周波数選択手段６２が、ＦＦＴ手段６１の算出結果である周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除いた周波数分布を出力し、逆ＦＦＴ手段６３が、周波数選択手段６２の出力する周波数分布に対して逆高速フーリエ変換を行い、信号解析部４が、逆ＦＦＴ手段６３の出力した電気信号に基づき流体の流速分布および流体の流量を解析するので、従来の超音波流量計では低減することが難しい多重反射波成分を低減することができ、配管の断面全域にわたって流速分布の測定精度を高めた超音波流量計を実現することが可能となる。

なお、多重反射波除去部は、フーリエ変換により信号処理部が出力した電気信号の周波数分布を算出するフーリエ変換手段と、このフーリエ変換手段が算出した周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除く周波数選択手段と、この周波数選択手段によって特定の周波数帯域が選択的に取り除かれた周波数分布に対して逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換手段と、からなる構成としてもよい。

また、多重反射波除去部は、無限インパルス応答フィルタまたは有限インパルス応答フィルタによって多重反射波周波数を含む周波数帯域の一部または全部を選択的に取り除いて出力する構成としてもよい。

また、多重反射波除去部は、トランスデューサが配管と一体に設置されるスプールピースタイプの超音波流量計に設けられる構成としてもよい。

２ トランスデューサ
２１ 超音波出力手段
２２ 超音波入力手段
３ 信号処理部
４ 信号解析部
５ 配管
６ 多重反射波除去部
６１ ＦＦＴ手段
６２ 周波数選択手段
６３ 逆ＦＦＴ手段

Claims (6)

1. 流体が流れる配管に超音波パルスを出力し、前記流体中の粒子によって反射された超音波パルスを入力して電気信号に変換するトランスデューサと、
   このトランスデューサが出力する電気信号を入力し、測定に必要な周波数帯域の電気信号を抽出して出力する信号処理部と、
   この信号処理部が出力した電気信号から、前記配管の管壁内に生じる多重反射波周波数を算出し、前記多重反射波周波数を含む周波数帯域の一部または全部における電気信号を選択的に取り除いて出力する多重反射波除去部と、
   この多重反射波除去部が出力した電気信号に基づき、配管断面における流体の流速分布および流体の流量を解析する信号解析部と、を備えることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記多重反射波除去部は、
   高速フーリエ変換により前記信号処理部が出力した電気信号の周波数分布を算出するＦＦＴ手段と、
   このＦＦＴ手段が算出した周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除く周波数選択手段と、
   この周波数選択手段によって特定の周波数帯域が選択的に取り除かれた周波数分布に対して逆高速フーリエ変換を行う逆ＦＦＴ手段と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
3. 前記多重反射波除去部は、
   フーリエ変換により前記信号処理部が出力した電気信号の周波数分布を算出するフーリエ変換手段と、
   このフーリエ変換手段が算出した周波数分布に基づいて特定の周波数帯域を選択的に取り除く周波数選択手段と、
   この周波数選択手段によって特定の周波数帯域が選択的に取り除かれた周波数分布に対して逆フーリエ変換を行う逆フーリエ変換手段と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
4. 前記多重反射波除去部は、無限インパルス応答フィルタまたは有限インパルス応答フィルタによって多重反射波周波数を含む周波数帯域の一部または全部を選択的に取り除いて出力することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計。
5. 前記トランスデューサは、配管の外側に設置されるクランプオンタイプであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波流量計。
6. 前記トランスデューサは、配管と一体に設置されるスプールピースタイプであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波流量計。

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