JP6428300B2 - 超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波信号を利用して配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量計に関し、特に、複数種の流体が層状に分離した多相流であってもそれぞれの層の流量測定が可能な超音波流量計に関する。

超音波流量計は種々の方式が提案されているが、代表的な方式として、伝播時間差法が知られている。伝播時間差法を用いた流量測定は、図１９（ａ）に示すように、被測定流体Ｆが流れる配管５００の上下流に、超音波信号を送受信できる超音波センサ５１０ａ、５１０ｂを設置し、交互に超音波信号を送受信して、それぞれの伝播時間を測定する。

被測定流体Ｆの流れがないときは、上流側超音波センサ５１０ａから下流側超音波センサ５１０ｂに超音波信号が伝播する時間と下流側超音波センサ５１０ｂから上流側超音波センサ５１０ａに超音波信号が伝播する時間とは等しくなるが、流れがある場合には、下流側超音波センサ５１０ｂから上流側超音波センサ５１０ａへ伝播する超音波信号よりも上流側超音波センサ５１０ａから下流側超音波センサ５１０ｂへ伝播する超音波信号の方が速く伝播し、伝播時間に差が生じる。伝播時間の差は流れの速さに比例するため、この差に基づいて被測定流体Ｆの流速を測定することができる。得られた流速は、超音波信号の経路における流速の平均値となる。この流速に配管５００の断面積と補正係数とを乗じることで流量が算出される。

また、伝播時間差法以外の方式として、配管５００内の被測定流体Ｆ中に含まれる気泡やパーティクルが被測定流体Ｆと同じ速度で移動すると仮定し、その移動速度を超音波信号で測定することで配管５００の径に沿った流速分布（流速プロファイル）を生成して、被測定流体Ｆの流量を算出するパルスドップラー法、反射相関法も知られている。

パルスドップラー法は、図１９（ｂ）に示すように、超音波センサ５１０ｃから特定の周波数の超音波パルス信号を配管５００内に斜めに入射し、被測定流体Ｆ中に含まれる気泡やパーティクル等の超音波反射体によって反射するエコー波を超音波センサ５１０ｃで受信する。

超音波反射体によって反射するエコー波は、ドップラー効果により、超音波反射体の移動速度に応じて周波数が変化するため、この変化量を検出することで、配管５００内を流れる被測定流体Ｆの速度を求めることができる。

超音波反射体による反射は、配管５００内の各所で起こるため、超音波信号を出射してからエコー波が検出されるまでの時間に基づいて径方向についての被測定流体Ｆの流速プロファイルを求めることができる。図２０は、流速プロファイルの一例を示している。この流速プロファイルを配管５００の断面に沿って積分することで、被測定流体Ｆの流量を算出することができる。

反射相関法も、パルスドップラー法と同様に図１９（ｂ）に示す構成とし、超音波センサ５１０ｃから配管５００内に向けて超音波パルス信号を２回出力して、流体内を流体とともに移動する超音波反射体からのエコー波を受信する。

そして、受信した２個のエコー波について一方を参照波、他方を探索波として相関演算を行なう。その結果、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からのエコー波であるとみなし、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出することで、流速プロファイルを求め、流体の流量を算出する。

例えば、図２１に示すような、同一の超音波反射体からのエコー波とみなされた１回目の超音波パルス信号に対するエコー波Ｔ１と２回目の超音波パルス信号に対するエコー波Ｔ２とにおいて、時間差ΔＴは、１回目の超音波パルス信号と２回目の超音波パルス信号との間に進んだ超音波反射体の距離、すなわち、被測定流体Ｆの速度に対応し、伝搬時間Ｔｄは、超音波反射体の超音波センサ５１０ｃからの距離、すなわち、超音波反射体の配管５００内の径方向の位置に対応する。超音波反射体による反射は、配管５００内の各所で起こるため、配管内の径方向について、流速プロファイルを得ることができる。この流速プロファイルを配管５００の断面に沿って積分することで流体の流量が算出される。

ここで、流量算出時に行なう積分について図２２と図２３とを参照して説明する。図２２は、流速プロファイルと配管断面とを対応させて示し、図２３は、積分の手順をフローチャートで示している。

図２２では、流速プロファイルを配管下部が下に位置し、配管上部が上に位置するように表示し、高さ方向に複数の区分に分割している。この分割幅を積分幅とする。各区分は、その区分の平均流速を算出する等により流速と対応付けることができる。積分幅を細かくするほど、流量算出の精度は向上する。積分幅に対応して配管内は同心半円上の複数の領域に区分される。

例えば、図２２（ａ）に示すように最も下部の区分に着目した場合、この区分の流速は、配管下半分の最外周領域に適用することができる。このため、下半分の最外周領域の面積を求め、対応する区分の流速を乗じれば、下半分の最外周領域の流量が算出される。最外周領域の面積は、配管５００の半径が既知であるため、設定した積分幅を用いて容易に求めることができる。この演算を図２３（ｂ）に示すように下半分および上半分の各区分について行ない、各区分に対応する領域の流量を合計することで、被測定流体Ｆの流量を算出することができる。

そこで、積分を行なう際には、積分幅を設定し（図２３：Ｓ８０１）、下半分について各領域の面積を算出して対応する流量を乗じる積分を行なう（Ｓ８０２）。上半分についても同様に各領域の面積を算出して対応する区分の流量を乗じる積分を行なう（Ｓ８０３）。そして、各領域の流量を合計する（Ｓ８０４）。これにより、被測定流体Ｆの流量が算出される。

特開２０００−２６６５７８号公報 特開２００５−４９２４９号公報

従来、超音波流量計による流量の測定は、単一種類の流体か複数種の流体が完全に混ざっている混合流を対象としており、複数種の流体が層状に分離した多相流については、全体の平均流量は測定できるものの、層毎の流量については測定することができなかった。

しかしながら、測定現場においては、海水と原油、重油と軽油といったように配管内を多相流が流れることがあり、この場合、層によって流速が異なるため、複数の層それぞれについて流量を測定することが望まれている。

そこで、本発明は、複数種の流体が層状に分離した多相流について層それぞれの流量を測定可能な超音波流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の超音波流量計は、被測定流体が流れる配管内に超音波パルスを出射し、前記被測定流体に含まれる超音波反射体からの反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する超音波流量計であって、前記反射信号の受信強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する反射信号強度プロファイル生成部と、前記反射信号強度プロファイルに基づいて界面の個数およびそれぞれの界面位置を特定する界面判定部と、前記流速プロファイルと、前記界面位置とに基づいて前記被測定流体の流量を界面で区分される層毎に算出する流量算出部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記界面判定部は、前記反射信号強度プロファイルにおける反射信号強度の所定基準以上の極大位置を界面と判定することができる。
また、前記流量算出部は、前記配管内を同心半円状領域に分割し、流量演算対象の層に含まれる領域の面積と、前記流速プロファイルに基づいて定められる流速とを乗じて得られる領域毎の流量を合計することで前記被測定流体の層毎の流量を算出することができる。
このとき、前記流速プロファイルに基づいて定められる流速は、その領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルも存在しない場合はその層の流速プロファイルを補間して得られる流速プロファイルを適用することができる。
また、前記配管の対向する位置から出射する超音波パルスの反射信号に基づいて、前記配管の満水／非満水状態を判定するようにしてもよい。
このとき、前記流量算出部は、前記配管が非満水状態と判定した場合に、気層と被測定流体との間を界面と扱うことができる。
前記配管が満水状態と判定され、かつ、界面の個数が０と判定された場合は、伝播時間差法による流量測定を行なうように切り替えてもよい。

本発明によれば、複数種の流体が層状に分離した多相流について層それぞれの流量を測定可能な超音波流量計が提供される。

本発明の第１実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。 第１実施例の超音波流量計における流量測定の手順について説明するフローチャートである。 被測定流体が単一種の単層流ときの流速プロファイルと反射信号強度プロファイルとを示す図である。 被測定流体が２種類の流体からなる多相層流ときの流速プロファイルと反射信号強度プロファイルとを示す図である。 被測定流体が３種類の流体からなる多相層流ときの流速プロファイルと反射信号強度プロファイルとを示す図である。 流量算出部が行なう流量算出について詳細に説明するフローチャートである。 最下層流演算処理について説明するフローチャートである。 最下層流演算処理について説明する図である。 最下層流演算処理について説明する図である。 最下層流演算処理について説明する図である。 最下層流演算処理について説明する図である。 最上層流演算処理について説明するフローチャートである。 中間層流演算処理について説明するフローチャートである。 中間層流演算処理について説明するフローチャートである。 中間層流演算処理について説明する図である。 中間層流演算処理について説明する図である。 本発明の第２実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。 第２実施例の超音波流量計における流量測定の手順について説明するフローチャートである。 従来の超音波流量計の構成を示す図である。 流速プロファイルの例を示す図である。 反射相関法におけるエコー波を説明する図である。 従来の流量算出の手順を説明するフローチャートである。 従来の流量算出における積分について説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。本例において、超音波流量計は配管５００内を流れる被測定流体Ｆの流量を測定する。被測定流体Ｆは、単一種類の流体あるいは均一に混ざった混合流であってもよいし、複数種類の流体が層状に分離した多層流であってもよい。

本図の例では流体Ｆ１と流体Ｆ２とが層になった２層流を示している。この場合、流体Ｆ１と流体Ｆ２とを総称して被測定流体Ｆと呼ぶものとする。なお、流体Ｆ１と流体Ｆ２との境界を界面と呼ぶものとする。本図のように２層流であれば界面は１つであり、３層流であれば界面は２つ存在することになる。

本図に示すように、超音波流量計は、超音波センサ２１０と測定制御部１００とを備えている。本発明の第１実施例に係る超音波流量計は、パルスドップラー法あるいは反射相関法のいずれかの方式を用いるものとする。

超音波センサ２１０は、超音波信号の送受信を行なうデバイスであり、配管５００の外側下部に超音波信号が配管軸方向斜めに出射されるように取り付けられる（クランプオン方式、セミクランプオン方式）。すなわち、本実施例の超音波流量計は、被測定流体Ｆに非接触の状態で流量測定を行なうことができる。ただし、超音波センサ２１０を配管５００の中に差し込む取り付け方法（スプールピース方式）等を採用してもよい。

測定制御部１００は、出力制御部１１０、受信制御部１２０、流速プロファイル生成部１３０、反射信号強度プロファイル生成部１４０、界面判定部１５０、流量算出部１６０、測定結果出力部１７０を備えている。

出力制御部１１０は、超音波信号の出力制御を行ない、受信制御部１２０は、超音波信号の受信制御を行なう。受信制御部１２０が受信対象とする超音波信号は、出力制御部１１０が出力した超音波信号に対する被測定流体Ｆに含まれる超音波反射体からのエコー波である。

流速プロファイル生成部１３０は、受信制御部１２０で受信した超音波信号に基づいて配管５００の径（上下）方向についての流速プロファイルを生成する。反射信号強度プロファイル生成部１４０は、受信制御部１２０で受信した超音波信号に基づいて配管５００の径（上下）方向についての反射信号強度プロファイルを生成する。

ここで、反射信号強度プロファイルは、超音波反射体からのエコー波の強度を測定し、エコー波の検出時間に基づいて配管５００の径（上下）方向についての反射信号強度分布を表わしたものである。なお、第１実施例に係る超音波流量計は、パルスドップラー法、反射相関法のいずれかの方式としたが、流速プロファイルおよび反射信号強度プロファイルを生成することができれば他の方式を用いてもよい。

界面判定部１５０は、反射信号強度プロファイルに基づいて界面の有無を判定し、界面がある場合にはさらに界面の高さＳを特定する。これは、流体の特性が変化する界面において反射信号強度が強くなることを利用したものである。流量算出部１６０は、流速プロファイルと界面の有無、界面がある場合の界面の高さＳに基づいて被測定流体Ｆの流量を算出する。測定結果出力部１７０は、算出された被測定流体Ｆの流量を測定結果として出力する。

次に、第１実施例の超音波流量計における流量測定の手順について図２のフローチャートを参照して説明する。第１実施例では、配管５００を満水状態で流れる複層流（単層を含む）の層数を判定し、それぞれの層について流量を測定する。

まず、測定に際しての各種設定を行なう（Ｓ１０１）。各種設定では、配管５００の内径、超音波センサ２１０の取付角度、その他パラメータ等の設定を行なう。

各種設定を行なうと、パルスドップラー法あるいは反射相関法のいずれかの方式で測定を実行する（Ｓ１０２）。いずれの方式も、プロファイルを生成できるように、繰り返し超音波信号を出力して測定を行なう。

パルスドップラー法の場合は、特定の周波数の超音波パルス信号を配管５００内に出力し、超音波反射体によって反射するエコー波を超音波センサ２１０で受信する。このときの周波数の変化と受信強度とを検出時間毎に測定する。反射相関法の場合は、超音波パルス信号を２回出力して、超音波反射体からのエコー波を受信する。そして、相関係数の高い波形を同一の超音波反射体からのエコー波であるとみなし、その伝搬時間と時間差とに基づいて超音波反射体の位置と移動速度とを算出するとともに、受信強度を測定する。

測定を繰り返して得られた結果を基に、流速プロファイル生成部１３０が流速プロファイルを生成し（Ｓ１０３）、反射信号強度プロファイル生成部１４０が反射信号強度プロファイルを生成する（Ｓ１０４）。

ついで、界面判定部１５０が、反射信号強度プロファイルに基づいて界面の有無を判定し、界面がある場合は界面の個数とそれぞれの位置を特定する（Ｓ１０５）。ここで、被測定流体Ｆが単一種類の単層流であれば、一般に、図３に示すような流速プロファイルと反射信号強度プロファイルとが得られる。すなわち、反射信号強度プロファイルは、超音波センサ２１０の取り付け側に対向する側の配管壁面以外は極端に変化する部分を持たずになだらかな形状となる。

これに対して、図４（ａ）に示すように被測定流体Ｆが２種類の流体からなる多相流で、１つの界面が存在する場合には、図４（ｂ）に示すように、反射信号強度プロファイルが、界面に対応する位置で数倍程度に極めて大きくなる。

同様に、図５（ａ）に示すように被測定流体Ｆが３種類の流体からなる多相流で、２つの界面が存在する場合には、図５（ｂ）に示すように、反射信号強度プロファイルが、界面に対応する２つの位置で極めて大きくなる。

このため、界面判定部１５０は、反射信号強度プロファイルに配管壁以外の場所に所定基準以上の極大部分があるかどうかで界面の有無を判定し、極大部分の個数と位置で界面の個数と高さを特定することができる。なお、反射信号強度プロファイルを微分して、正から負に切り替わる箇所を界面と判定してもよい。

界面の個数と高さの判定を行なうと、流量算出部１６０は、演算対象の層を設定する（Ｓ１０６）。演算対象の層は、例えば、最下層から順番に設定することができる。

そして、演算対象の層について流量演算を実行して（Ｓ１０７）、その層の流量を算出する。流量演算処理（Ｓ１０７）の詳細な手順については後述する。演算対象の層についての流量演算を実行すると、未処理の層がある場合には（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、未処理のいずれかの層を演算対象の層として設定し（Ｓ１０６）、演算対象の層について流量演算を実行して（Ｓ１０７）、演算対象の層の流量を算出する。未処理の層がない場合（Ｓ１０８：Ｎｏ）、すなわち、すべての層について流量演算を行なうと、各層についての流量を測定結果として出力する（Ｓ１０９）。

次に、流量演算処理（Ｓ１０７）の詳細な手順について、図６のフローチャートを参照して説明する。従来と同様に積分幅を設定すると（Ｓ２０１）、演算対象となっている層が最下層であれば（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、最下層流量演算（Ｓ２０３）を行ない、演算対象となっている層が最上層であれば（Ｓ２０２：Ｎｏ、Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、最上層流量演算（Ｓ２０５）を行ない、演算対象となっている層が中間層であれば（Ｓ２０２：Ｎｏ、Ｓ２０４：Ｎｏ）、中間層流量演算（Ｓ２０５）を行なう。被測定流体Ｆが単層の場合は、最下層流量演算（２０３）を行なうものとする。中間層は、被測定流体Ｆが３層以上の場合に、最下層と最上層とに挟まれる層である。

＜最下層流量演算＞
図７は、最下層流量演算（Ｓ２０３）の手順を示すフローチャートである。最下層流量演算では、最下層の上側界面位置が配管５００の中心以下かどうかで場合分けを行なう（Ｓ３０１）。

図８（ａ）に示すように、最下層の界面位置が配管５００の中心以下であれば（Ｓ３０１：Ｙｅｓ）、図８（ｂ）のハッチング領域に示すように、積分幅毎に、上部が切り取られた半円周状の各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。

そこで、所定の順序で面積を算出する対象領域を設定する（Ｓ３０２）。図９（ａ）は、最外周部分を対象領域とした場合を示している。

そして、対象領域の半径Ｒと高さＨｈとから、対象領域の中心角の半分の角度θを算出する（Ｓ３０３）。ここで、半径Ｒは、対象領域の外周を弧とした扇形の半径であり、高さＨｈは、対象領域の外周の最下部から界面までの高さである。このとき、ｃｏｓθ＝（Ｒ−Ｈｈ）／Ｒが成り立つため、角度θを算出することができる。なお、最外周部分を対象領域とした場合は、半径Ｒは、配管５００の半径に等しく、高さＨは、界面高さに等しくなる。

角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径Ｒ、中心角２θの扇形の面積から、領域の内周を弧とした半径（Ｒ−積分幅ｄ）、中心角２θの扇形の面積を引くことで対象領域の面積を算出することができる（Ｓ３０４）。この面積に対応する区分の流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ３０５）。

以上の対象領域の流量を算出する処理を下半分の全領域に対して繰り返す（Ｓ３０６）。図９（ｂ）、図９（ｃ）は、対象領域を変化させたときの半径Ｒ、高さＨ、中心角θを示している。

下半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）、各領域の流量を合計する（Ｓ３０７）。

図１０（ａ）に示すように、最下層の上側界面位置が配管５００の中心以上であれば（Ｓ３０１：Ｎｏ）、図１０（ｂ）のハッチング領域に示すように、下半分については従来と同様の積分処理を行ない、上半分については積分幅毎に、半円周状あるいは上部が切り取られた半円周状の各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。

ただし、図１０（ｂ）中の太線枠内のように、演算対象の層の流速プロファイルが存在しない領域が発生する場合がある。この場合は、同一円周上の下半分の流速プロファイルを流用するものとする。

そこで、最下層の界面位置が配管５００の中心以上の場合は（Ｓ３０１：Ｙｅｓ）、下半分の領域については、従来と同様の手順で積分を実行する（Ｓ３０８）。また、上半分の積分については以下のように行なう。

まず、上半分で対象領域を設定する（Ｓ３０９）。図１１（ａ）は、最外周部分を対象領域とした場合の例である。そして、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも大きいかどうかを判定する（Ｓ３１０）。ここで、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも大きい場合は、対象領域の上部分が界面により切り取られ、左右２つの部分に分割されることになる。一方、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも小さい場合は、対象領域は界面と交わらず、半円弧状のままとなる。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも大きい場合であり、図１１（ｃ）は、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも小さい場合である。

対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも大きい場合には（Ｓ３１０：Ｙｅｓ）、半径Ｒと配管５００中心から界面までの高さＫとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する（Ｓ３１１）。ここで、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、ｓｉｎθ＝Ｋ／Ｒが成り立つため、角度θを算出することができる。なお、最外周部分を対象領域とした場合は、半径Ｒは、配管５００の半径に等しく、高さＫは、界面高さＳから配管５００の半径を引いた値に等しくなる。

一方、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも小さい場合には（Ｓ３１９：Ｎｏ）、一律にθ＝９０°とすればよい（Ｓ３１２）。

角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径Ｒ、中心角θの扇形の面積の２倍から、領域の内周を弧とした半径（Ｒ−積分幅ｄ）、中心角θの扇形の面積の２倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる（Ｓ３１３）。

対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する（Ｓ３１４）。上述のように、対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の下半分領域に対応する流速プロファイルの流速を流量演算に用いものとする。

そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ３１５）。

以上の対象領域の流量を算出する処理を上半分の全領域に対して繰り返す（Ｓ３１６）。上半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと（Ｓ３１６：Ｙｅｓ）、下半分および上半分の各領域の流量を合計する（Ｓ３１７）。これにより、最下層の流量が算出される（Ｓ２０３）。

＜最上層流量演算＞
次に、最上層流量演算（Ｓ２０５）について説明する。図１２は、最上層流量演算（Ｓ２０５）の手順を示すフローチャートである。最上層流量演算では、最下流流量演算と上下を反転させた処理を行なえばよい。すなわち、最上層の下側界面位置が配管５００の中心以下かどうかで場合分けを行なう（Ｓ４０１）。

最上層の界面位置が配管５００の中心以上であれば（Ｓ４０１：Ｙｅｓ）、積分幅毎に、下部が切り取られた半円周状の各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。

そこで、所定の順序で面積を算出する対象領域を設定する（Ｓ４０２）。そして、対象領域の半径Ｒと高さＨｈとから、対象領域の中心角の半分の角度θを算出する（Ｓ４０３）。ここで、半径Ｒは、対象領域の外周を弧とした扇形の半径であり、高さＨｈは、対象領域の界面から外周の最上部までの距離である。このとき、ｃｏｓθ＝（Ｒ−Ｈｈ）／Ｒが成り立つため、角度θを算出することができる。なお、最外周部分を対象領域とした場合は、半径Ｒは、配管５００の半径に等しく、高さＨは、界面から配管頂点までの距離に等しくなる。

角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径Ｒ、中心角２θの扇形の面積から、領域の内周を弧とした半径（Ｒ−積分幅ｄ）、中心角２θの扇形の面積を引くことで対象領域の面積を算出することができる（Ｓ４０４）。この面積に対応する区分の流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ４０５）。

以上の対象領域の流量を算出する処理を上半分の全領域に対して繰り返す（Ｓ４０６）。

上半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと（Ｓ４０６：Ｙｅｓ）、各領域の流量を合計する（Ｓ４０７）。

最上層の下側界面位置が配管５００の中心以下の場合は（Ｓ４０１：Ｎｏ）、上半分の領域については、従来と同様の手順で積分を実行する（Ｓ４０８）。また、下半分の積分については以下のように行なう。

まず、下半分で対象領域を設定する（Ｓ４０９）。そして、対象領域の半径Ｒが界面から配管５００の中心までの高さＫよりも大きいかどうかを判定する（Ｓ４１０）。ここで、対象領域の半径Ｒが界面から配管５００中心までの高さＫよりも大きい場合は、対象領域の下部分が界面により切り取られ、左右２つの部分に分割されることになる。一方、対象領域の半径Ｒが界面から配管５００中心までの高さＫよりも小さい場合は、対象領域は界面と交わらず、半円弧状のままとなる。

対象領域の半径Ｒが界面から配管５００中心までの高さＫよりも大きい場合には（Ｓ４１０：Ｙｅｓ）、半径Ｒと界面から配管５００中心までの高さＫとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する（Ｓ４１１）。

一方、対象領域の半径Ｒが界面から配管５００中心までの高さＫよりも小さい場合には（Ｓ３１９：Ｎｏ）、一律にθ＝９０°とすればよい（Ｓ４１２）。

角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径Ｒ、中心角θの扇形の面積の２倍から、領域の内周を弧とした半径（Ｒ−積分幅ｄ）、中心角θの扇形の面積の２倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる（Ｓ４１３）。

対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する（Ｓ４１４）。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の上半分領域に対応する流速プロファイルの流速を流量演算に用いものとする。

そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ４１５）。

以上の対象領域の流量を算出する処理を下半分の全領域に対して繰り返す（Ｓ４１６）。下半分の全領域に対して流量を算出する処理を行なうと（Ｓ４１６：Ｙｅｓ）、下半分および上半分の各領域の流量を合計する（Ｓ４１７）。これにより、最上層の流量が算出される（Ｓ２０５）。

＜中間層流量演算＞
次に、中間層流量演算（Ｓ２０６）について説明する。図１３、図１４は、中間層流量演算（Ｓ２０６）の手順を示すフローチャートである。中間層流量演算では、演算対象の中間層が配管５００の中心を跨ぐかどうか、すなわち配管中心５００が中間層の上界面と下界面との間にあるかどうかで場合分けを行なう（Ｓ５０１）。

図１５（ａ）に示すように、中間層が配管５００の中心を跨ぐ場合は（Ｓ５０１：Ｙｅｓ）、図１５（ｂ）のハッチング領域に示すように、下半分と上半分それぞれについて積分幅毎に各領域の面積を算出し、対応する流速を乗じて合計すればよい。

ただし、図１５（ａ）中の黒塗り領域のように、演算対象の層の流速プロファイルが存在せず、同一円周上の他方の流速プロファイルも存在しない場合がある。この場合は、図１５（ｂ）に示すように、その層の流速プロファイル曲線を補間して流速を定めるものとする。流速プロファイル曲線の補間は、例えば、界面付近の曲線を補間使用範囲と定めて曲線近似により行なうことができる。このとき、補間使用範囲は、配管中心を跨がないことが望ましい。

なお、演算対象の層の流速プロファイルが存在せず、同一円周上の他方の流速プロファイルが存在する場合は、他方の流速プロファイルを流用すればよい。

そこで、まず、下半分について所定の順序で流量を算出する対象領域を設定する（Ｓ５０２）。下半分の対象領域の面積算出は、流速プロファイルの補間を行なう場合以外は、最上層流量演算（Ｓ２０５）における界面が配管５００の中心以下の場合の、下半分の対象領域の面積算出と同様である。

すなわち、下半分で対象領域を設定し（Ｓ５０２）、対象領域の半径Ｒが界面から配管５００の中心までの高さＫよりも大きいかどうかを判定する（Ｓ５０３）。

対象領域の半径Ｒが界面から配管５００中心までの高さＫよりも大きい場合には（Ｓ５０３：Ｙｅｓ）、半径Ｒと界面から配管５００中心までの高さＫとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する（Ｓ５０４）。一方、対象領域の半径Ｒが界面から配管５００中心までの高さＫよりも小さい場合には（Ｓ５０３：Ｎｏ）、一律にθ＝９０°とすればよい（Ｓ５０５）。

角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径Ｒ、中心角θの扇形の面積の２倍から、領域の内周を弧とした半径（Ｒ−積分幅ｄ）、中心角θの扇形の面積の２倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる（Ｓ５０６）。

対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する（Ｓ５０７）。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の上半分領域に対応する流速プロファイルがあれば、その流速を流量演算に用い、その領域の同一円周上の上半分領域に対応する流速プロファイルがなければ、演算対象層の流速プロファイルを補間して得られた流速を流量演算に用いるものとする。

そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ５０８）。以上の対象領域の流量を算出する処理を下半分の全領域に対して繰り返す（Ｓ５０９）。

次に、上半分について所定の順序で面積を算出する対象領域を設定する（Ｓ５１０）。上半分の対象領域の面積算出は、流速プロファイルの補間を行なう場合以外は、最下層流量演算（Ｓ２０３）における界面が配管５００の中心以上の場合の、上半分の対象領域の面積算出と同様である。

すなわち、上半分で対象領域を設定し（Ｓ５１０）、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも大きいかどうかを判定する（Ｓ５１１）。

対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも大きい場合には（Ｓ５１１：Ｙｅｓ）、半径Ｒと配管５００中心から界面までの高さＫとから、対象領域の一方の領域の中心角θを算出する（Ｓ５１２）。一方、対象領域の半径Ｒが配管５００中心から界面までの高さＫよりも小さい場合には（Ｓ５１１：Ｎｏ）、一律にθ＝９０°とすればよい（Ｓ５１３）。

角度θが得られれば、領域の外周を弧とした半径Ｒ、中心角θの扇形の面積の２倍から、領域の内周を弧とした半径（Ｒ−積分幅ｄ）、中心角θの扇形の面積の２倍を引くことで対象領域の面積を算出することができる（Ｓ５１４）。

対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する（Ｓ５１５）。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、その領域の同一円周上の下半分領域に対応する流速プロファイルがあれば、その流速を流量演算に用い、その領域の同一円周上の下半分領域に対応する流速プロファイルがなければ、演算対象層の流速プロファイルを補間して得られた流速を流量演算に用いるものとする。

そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ５１６）。以上の対象領域の流量を算出する処理を上半分の全領域に対して繰り返す（Ｓ５１７）。

下半分の各領域の流量と、上半分の各領域の流量とを算出すると、下半分および上半分の各領域の流量を合計する（Ｓ５１８）。これにより、上界面と下界面との間が配管５００の中心を跨ぐ場合（Ｓ５０１：Ｙｅｓ）の中間層の流量が算出される。

図１６（ａ）に示すように、演算対象の中間層が配管５００の中心を跨がない場合（Ｓ５０１：Ｎｏ）は、下半分あるいは上半分の領域について、積分層毎に図１６（ｂ）に示すような領域の面積を算出すればよい。図１６（ｂ）に示す領域の面積は、図１６（ｃ）に示すような配管中心から遠い方の界面まで領域の面積から図１６（ｄ）に示すような配管中心から近い方の界面まで領域の面積を引くことで求めることができる。

そこで、図１４のフローチャートに示すように、対象領域を設定すると（Ｓ６０１）、配管５００の中心から下界面までの面積を算出する（Ｓ６０２）。この領域は、図１６（ｃ）に示す領域に対応する。

対象領域が下半分であれば、最上層流量演算（Ｓ２０５）における界面が配管５００の中心以下の場合の、下半分の対象領域の面積算出と同様であり、対象領域が上半分であれば、最下層流量演算（Ｓ２０３）における界面が配管５００の中心以上の場合の、上半分の対象領域の面積算出と同様である。

また、配管５００の中心から上界面までの面積を算出する（Ｓ６０３）。この領域は、図１６（ｄ）に示す領域に対応する。対象領域が下半分であれば、最上層流量演算（Ｓ２０５）における界面が配管５００の中心以下の場合の、下半分の対象領域の面積算出と同様であり、対象領域が上半分であれば、最下層流量演算（Ｓ２０３）における界面が配管５００の中心以上の場合の、上半分の対象領域の面積算出と同様である。

そして、配管５００の中心から下界面までの面積と配管５００の中心から上界面までの面積とから対象領域面積を算出する（Ｓ６０４）。対象領域が下半分であれば、前者から後者を引けばよく、対象領域が上半分であれば、後者から前者を引けばよい。

対象領域の面積が算出されると、対応する流速を設定する（Ｓ６０５）。対象領域に対応する流速プロファイルがある場合には、その流速を流量演算に用い、対象領域に対応する流速プロファイルがない場合には、演算対象層の流速プロファイルを補間して得られた流速を流量演算に用いるものとする。

そして、対象領域の面積と設定された流速を乗じることで対象領域の流量が算出される（Ｓ６０６）。以上の対象領域の流量を算出する処理を全領域に対して繰り返す（Ｓ６０７）。

各領域の流量を算出すると、各領域の流量を合計する（Ｓ６０８）。これにより、中間層が配管５００の中心を跨がない場合（Ｓ５０１：Ｎｏ）の中間層の流量が算出される。以上、本実施形態の第１実施例について説明した。

＜第２実施例＞
次に、本実施形態の第２実施例について説明する。第２実施例における超音波流量計は、第１実施例の超音波流量計に伝播時間差法による測定機能を付加したものである。そして、多相流で最上層が気体、すなわち非満水状態の多相流あるいは単層流でも層毎に流量を測定することができる。

図１７は、本発明の第２実施例に係る超音波流量計の構成を示すブロック図である。第１実施例と同じブロックについて同じ符号を付している。本例において、超音波流量計は配管５００内を流れる被測定流体Ｆの流量を測定する。被測定流体Ｆは、単層流であってもよいし、多相流であってもよい。さらには配管５００内をすべて満たす満水状態であってもよいし、上部に空間を有する非満水状態であってもよい。本図の例では流体Ｆ１と流体Ｆ２とが層になり、さらに、流体Ｆ２の上部に気層が存在しており、非満水の状態である。

本図に示すように、第２実施例の超音波流量計は、超音波センサ２１０に加えて超音波センサ２１０ａを備え、測定制御部１００に替えて測定制御部１０１を備えている。超音波センサ２１０ａは、配管５００の上部で、超音波センサ２１０から斜めに出射された超音波信号を受信でき、超音波センサ２１０ａが出射した超音波信号を超音波センサ２１０が受信できる位置に設置される。

測定制御部１０１は、出力制御部１１０、受信制御部１２０、流速プロファイル生成部１３０、反射信号強度プロファイル生成部１４０、界面判定部１５０、流量算出部１６０、測定結果出力部１７０、測定方法制御部１８０、伝播時間差法測定部１９０を備えている。

測定方法制御部１８０は、伝播時間差法を用いた流量測定と、第１実施例に示したパルスドップラー法あるいは反射相関法を用いた流量測定の実行を制御する。伝播時間差法測定部１９０は、伝播時間差法を用いた流量測定を行なう。

第２実施例の超音波流量計における流量測定の手順について図１８のフローチャートを参照して説明する。まず、測定に際しての各種設定を行なう（Ｓ７０１）。各種設定では、配管５００の内径、超音波センサ２１０、２１０ａの取付角度、その他パラメータ等の設定を行なう。

第２実施例では、最初にパルスドップラー法あるいは反射相関法のいずれかの方式で、下側の超音波センサ２１０および上側の超音波センサ２１０ａで測定を行なう（Ｓ７０２）。なお、下側の超音波センサ２１０については第１実施例と同様に測定を行ない、上側の超音波センサ２１０ａについてエコー波の受信の可否が確認できればよい。

そして、測定結果に基づいて満水非満水の判定を行なう（Ｓ７０３）。具体的には、下側の超音波センサ２１０および上側の超音波センサ２１０ａともエコー波を受信したときは、満水状態であると判定し、下側の超音波センサ２１０のみでエコー波を受信したときは、非満水状態であると判定する。なお、下側の超音波センサ２１０および上側の超音波センサ２１０ａともエコー波を受信しないときは配管５００内が空であると判定するようにしてもよい。

また、測定で得られた反射信号強度プロファイルに基づいて層数の判定を行なう（Ｓ７０４）。層数の判定は第１実施例と同様に行なうことができる。

この結果、配管５００内が満水状態でかつ単層流の場合（Ｓ７０５：Ｙｅｓ）には、伝播時間差法を用いた測定を実行する（Ｓ７０６）。これは、被測定流体Ｆが満水状態であり、単層流であれば、伝播時間差法による測定で高い精度が得られるからである。伝播時間差法を用いた測定では、超音波センサ２１０、２１０ａとで交互に超音波信号を送受信して、それぞれの伝播時間を測定し、伝播時間差法による流量演算を行ない（Ｓ７０７）、得られた流量を測定結果として出力する（Ｓ７０９）。

一方、満水状態でない場合あるいは多相流の場合には（Ｓ７０５：Ｎｏ）、第１実施例で示した流量測定を行なう。すなわち、処理（Ｓ７０２）で既に取得した流速プロファイルと受信信号強度プロファイルとに基づいた流量演算を実行すし（Ｓ７０８）、得られた流量を測定結果として出力する（Ｓ７０９）。

なお、非満水状態の場合には、気層を最上層とした多相流として扱えばよく、第１実施例における最上層流量演算（Ｓ２０３）を省くことができる。

１００…測定制御部、１０１…測定制御部、１１０…出力制御部、１２０…受信制御部、１３０…流速プロファイル生成部、１４０…反射信号強度プロファイル生成部、１５０…界面判定部、１６０…流量算出部、１７０…測定結果出力部、１８０…測定方法制御部、１９０…伝播時間差法測定部、２１０…超音波センサ、５００…配管

Claims (4)

1. 被測定流体が流れる配管内に１つの超音波センサから超音波パルスを出射し、前記被測定流体に含まれる超音波反射体からの反射信号に基づいて流速プロファイルを生成する超音波流量計であって、
   前記反射信号の受信強度に基づいて反射信号強度プロファイルを生成する反射信号強度プロファイル生成部と、
   前記反射信号強度プロファイルに基づいて界面の個数およびそれぞれの界面位置を特定する界面判定部と、
   前記流速プロファイルと、前記界面位置とに基づいて前記被測定流体の流量を界面で区分される層毎に算出する流量算出部と、
   を備えたことを特徴とする超音波流量計。
2. 前記界面判定部は、前記反射信号強度プロファイルにおける反射信号強度の所定基準以上の極大位置を界面と判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記流量算出部は、前記配管内を同心半円状領域に分割し、流量演算対象の層に含まれる領域の面積と、前記流速プロファイルに基づいて定められる流速とを乗じて得られる領域毎の流量を合計することで前記被測定流体の層毎の流量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波流量計。
4. 前記流速プロファイルに基づいて定められる流速は、その領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、
   その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルが存在する場合はその流速プロファイルを適用し、
   その領域に対応する流速プロファイルが存在せず、その領域の同一円周上の他領域に対応する流速プロファイルも存在しない場合はその層の流速プロファイルを補間して得られる流速プロファイルを適用することを特徴とする請求項３に記載の超音波流量計。