JP7568445B2

JP7568445B2 - 超音波流量計

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Publication number: JP7568445B2
Application number: JP2020137831A
Authority: JP
Inventors: 浩二村木
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2024-10-16
Anticipated expiration: 2040-08-18
Also published as: JP2022034167A

Description

本発明は、超音波流量計に関するものである。

超音波を用いて流量を計測する超音波流量計が知られている。図１１は超音波流量計の計測原理を説明するための図である。配管６０を流れる流体１００の流速をＶ、配管６０に設けられた１対の超音波センサ２０間の伝搬距離をＬ、超音波センサ間を結ぶ線分が管軸と成す角をθ、音速をＣとすると、超音波センサ２０間の順方向（流体１００が流れる方向）の超音波の伝搬時間ｔ１、逆方向（流体１００が流れる方向と逆方向）の超音波の伝搬時間ｔ２は次式のように表すことができる。
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）・・・（１）
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ－Ｖｃｏｓθ）・・・（２）

例えば、特許文献１では、順方向と逆方向の超音波の伝搬時間差Δｔを計測し、流体１００の流速Ｖと流量Ｑを以下のように算出する。
Ｖ≒Ｃ²Δｔ／（２Ｌｃｏｓθ）・・・（３）
Ｑ＝ＳＶ／ｋ≒ＳＣ²Δｔ／（２ｋＬｃｏｓθ）・・・（４）

伝搬時間差Δｔは、受信波形から直接求めることができる。それぞれの超音波センサ２０が受信した超音波受信信号をサンプリングして、波形データの相互相関演算を行い、相関関数から伝搬時間差Δｔを求める。

ここで、超音波流量計では、配管に気泡混入があると流量誤差が発生し正確な流量測定ができなくなることが知られており、正確な流量を測定するうえで、気泡混入を判定することは重要である。そのため、従来から、気泡の混入を判定できる超音波流量計が提案されている（特許文献２、３参照）。

特開２０１３－０８８３２２号公報特許第４２７３５１９号公報特許第４７３８８９７号公報

しかしながら、特許文献２、３に開示された超音波流量計では、気泡が混入したと判定した後は、誤差がある状態で計測を続けるか、気泡の混入をアラームで通知することしかできず、正確な流量を出力することができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、配管の内部に気泡が混入した場合でも、計測が可能かどうかを判定して、流量誤差を補正して正確な流量を出力することが可能な超音波流量計を提供することを目的とする。

本発明の超音波流量計は、上記課題を解決するために、測定対象の流体が流れる配管の上流と下流に配置された１対の超音波センサと、一方の前記超音波センサから送信され他方の前記超音波センサで受信された超音波受信信号振幅の最大値と前記超音波受信信号振幅の変動比率に基づいて、前記配管の内部の気泡の混入状態がスラグ流であるか気泡流であるかを判定する判定処理部と、前記判定処理部が判定した気泡の混入状態がスラグ流であった場合に、前記１対の超音波センサ間の順方向および逆方向における超音波の伝搬時間差に基づいて算出した前記流体の流量を、前記超音波受信信号振幅の最大値を用いて推定した前記配管の内部のボイド率を用いて補正する補正処理部とを備える。

また、前記判定処理部は、前記超音波受信信号振幅のうち、最大値である第１の受信信号振幅の値と、前記最大値の次に値の大きい第２の受信信号振幅の値を取得し、前記第１の受信信号振幅の値と前記第２の受信信号振幅の値の差分の前記最大値に対する比率であるピーク比率を算出し、前記最大値と前記ピーク比率に基づいて、前記配管の内部の気泡の混入状態がスラグ流であるか気泡流であるかを判定するように構成してもよい。

また、前記判定処理部は、前記ピーク比率が予め定めた閾値以上の場合に、気泡の混入状態がスラグ流であると判定し、前記ピーク比率が予め定めた閾値より小さい場合に、気泡の混入状態が気泡流であると判定するように構成してもよい。

また、前記ボイド率は、予め定めた前記最大値と気泡の混入量との関係を表す多項式に基づいて、推定されるように構成してもよい。

また、前記判定処理部は、判定した気泡の混入状態が気泡流であった場合に、アラームを出力するように構成してもよい。

本発明によれば、配管の内部に気泡が混入した場合でも、計測が可能かどうかを判定して、流量誤差を補正して正確な流量を出力することが可能な超音波流量計を提供することができる。

配管内にスラグ流が発生した状態を示す図である。配管内に気泡流が発生した状態を示す図である。超音波受信信号の波形におけるピーク比率を説明するための図である。気泡混入が無い場合の超音波受信信号の時間変化を示す図である。スラグ流が混入した場合の超音波受信信号の時間変化を示す図である。気泡流が混入した場合の超音波受信信号の時間変化を示す図である。スラグ流が混入した場合の気泡混入量と受信信号振幅及びピーク比率との関係を示す図である。気泡流が混入した場合の気泡混入量と受信信号振幅及びピーク比率との関係を示す図である。配管の内部の気泡のボイド率を説明するための図である。受信信号振幅の最大値と気泡混入量の関係の具体例を示す図である。流量精度とボイド率の関係の具体例を示す図である。本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成例を示す図である。本発明の実施の形態に係る超音波流量計の動作例を示す図である。本発明の実施の形態に係る超音波流量計のハードウェア構成例を示す図である。超音波流量計の計測原理を説明するための図である。

［発明の原理］
本発明では、超音波流量計において、配管の内部に気泡が混入した場合でも、気泡の混入状態がスラグ流であった場合には、流量を補正することにより計測が可能であることに着目し、受信信号振幅の最大値と、受信信号振幅の変動比率に基づいて、気泡の混入状態を判定し、気泡混入状態がスラグ流であった場合には、受信信号振幅から算出したボイド率を用いて流量誤差を補正し、正確な流量を出力することができるように構成したものである。

［スラグ流と気泡流］
図１Ａ、図１Ｂを用いて、配管６０内における気泡の混入状態について説明する。図１Ａは、配管内にスラグ流が発生した状態を示す図である。図１Ｂは、配管内に気泡流が発生した状態を示す図である。

スラグ流の場合、配管６０内に気泡２００と液体１００が分離されて交互に流れてくる。一方の超音波センサから送信された超音波は正規のルートで他方の超音波センサまで伝搬するが、気泡がある時だけ超音波が到達しない。そのため、気泡混入がない場合に比べて受信信号波形の振幅は小さくなるが、受信信号波形の形はほとんど変化しない。この場合、受信信号波形の振幅からボイド率を推定し、流量誤差を補正することができる。

一方、気泡流の場合、配管６０内の液体１００の中にほぼ均一に気泡３００が存在している。一方の超音波センサから送信された超音波は、気泡を反射減衰しながら伝わるので、気泡混入がない場合に比べて、混入した気泡量に応じて受信信号波形の振幅は小さくなり、受信波形の形状は変化する。この場合は、受信波形の形状が変化するため、受信信号波形の振幅から、流量誤差を補正することはできない。

［変動比率］
本実施の形態では、受信信号波形の変動を受信信号振幅の変動比率を用いて判定する。受信信号振幅の変動比率としては、例えば、超音波受信信号の波形におけるピーク比率を用いることができる。

図２は、超音波受信信号の波形におけるピーク比率を説明するための図である。図２において、超音波受信信号振幅のうち、最大値である受信信号振幅の値ＶＭＡＸ（第１の受信信号振幅）と、最大値の次に値の大きい受信信号振幅の値ＶＭＡＸ２（第２の受信信号振幅）を取得し、第１の受信信号振幅の値ＶＭＡＸと第２の受信信号振幅の値ＶＭＡＸ２の差分を算出し、下記式（５）のように、その差分の第１の受信信号振幅の値ＶＭＡＸに対する比率を気泡の混入状態を判定するためのピーク比率ηとして用いる。
η＝（（ＶＭＡＸ－ＶＭＡＸ２）／ＶＭＡＸ）×１００・・・（５）

また、図２において、受信信号振幅の値ＶＭＩＮと、受信信号振幅の値ＶＭＩＮ２の差分を算出し、下記式（６）のように、その差分のＶＭＩＮに対する比率を気泡の流入状態を判定するためのピーク比率ηとして用いてもよい。
η＝（（ＶＭＩＮ－ＶＭＩＮ２）／ＶＭＩＮ）×１００・・・（６）

本実施の形態では、ピーク比率が変動しない場合には、受信信号波形が変動するスラグ流であると判定し、ピーク比率が変動した場合には、受信信号波形が変動する気泡流であると判定する。

［気泡混入状態と受信信号振幅及びピーク比率との関係］
受信信号波形の具体例を用いて、気泡混入状態と受信信号振幅及びピーク比率との関係を説明する。図３Ａ－図３Ｃは、超音波受信信号の時間変化を示す図である。図３Ａは、気泡混入が無い場合、図３Ｂは、スラグ流が混入した場合、図３Ｃは、気泡流が混入した場合である。

スラグ流の場合、気泡はまとまって配管上部に張り付きそのまま流れるので、配管内に気泡と液体が分離されて交互に流れてくる。超音波信号を送受信した場合、一方の超音波センサから送信された超音波は正規のルートで他方の超音波センサまで伝搬するが、気泡がある時だけ超音波が到達せず、超音波信号の受信が阻害される。その結果、図３Ｂに示すように、気泡混入がない図３Ａと比較して、受信信号の振幅は小さくなるが（１００％→３０％）、ピーク比率の変化量は小さい（１２％→１１％）。

一方、気泡流の場合、気泡は水の中で細かいまま流れるので、超音波信号を送受信した場合、一方の超音波センサから送信された超音波は、気泡のない部分と気泡を含む部分で超音波が反射しながら他方の超音波センサまで伝搬する。その結果、図３Ｃに示すように、受信信号の振幅は小さくなり（１００％→２０％）、気泡による反射により、ピーク比率の変化量は大きくなる（１２％→６％）。

［気泡混入量と受信信号振幅及びピーク比率との関係］
図４Ａ、図４Ｂを用いて、気泡混入量と受信信号振幅及びピーク比率との関係を説明する。図４Ａ、図４Ｂは、気泡混入量を変化させた場合の受信信号振幅の最大値及びピーク比率の変化を測定した結果である。図４Ａは、スラグ流が混入した場合、図４Ｂは、気泡流が混入した場合である。

図４Ａにおいて、気泡混入量を増加させた結果、受信信号振幅の最大値が所定の値、例えば、８（ａ．ｕ．）未満となった場合に、ピーク比率が所定の閾値、例えば、８％以上であるので、気泡の混入状態がスラグ流であると判定できる。気泡混入量が５００（ｍＬ／ｍｉｎ）までは、補正無しで計測が可能な範囲であり、気泡混入量が７００（ｍＬ／ｍｉｎ）以上の範囲が、補正により計測可能な範囲である。

一方、図４Ｂにおいて、気泡混入量を増加させた結果、受信信号振幅の最大値が所定の値、例えば、８（ａ．ｕ．）未満となった場合に、ピーク比率が所定の閾値、例えば、８％より小さいので、気泡の混入状態が気泡流であると判定できる。気泡混入量が２００（ｍＬ／ｍｉｎ）までは、計測が可能な範囲であり、気泡混入量が４００（ｍＬ／ｍｉｎ）以上の範囲は、ピーク比率が８％より小さいので、気泡の混入状態が気泡流であるため、計測が不可能である。

このように、受信信号振幅の最大値とピーク比率を算出することにより、受信信号振幅の最大値により、気泡が混入したと判定し、受信信号振幅のピーク比率が閾値以上か否かにより、混入した気泡がスラグ流であるか気泡流であるかを判定することができる。ピーク比率が所定の閾値以上であり、スラグ流であると判定された場合には、測定流量を補正することで、正確な流量を出力することができる。

一方、ピーク比率が閾値より小さい場合では、気泡流であると判定され、正確な流量の測定をすることはできないが、測定流量に誤差が含まれることをアラームで通知することができる。アラーム通知は、流量誤差の発生を知らせるだけでなく、測定を中止して、気泡の混入の原因を調査し、気泡の混入の原因を解消する等の措置を促すのに有効である。

なお、気泡の混入状態を判定するための受信振幅の最大値とピーク比率の閾値は、上述した数値に限定されるものではなく、超音波流量計の各種パラメータや流量の測定対象、流量計の測定環境等に応じて適宜設定、変更することができる。

［ボイド率の計算］
本実施の形態では、気泡混入状態がスラグ流である場合に、受信信号振幅とボイド率に相関があることを利用し、受信信号振幅からボイド率を推定し、その推定されたボイド率を用いて、流量誤差を補正する。図５は、配管の内部の気泡のボイド率を説明するための図である。ボイド率とは気液二相流における気相の占める割合のことである。

ボイド率αは、下記式（７）に示すように、単位時間当たりの流量の比で表すことができる。水中での気泡の実体積流量Ｑｏｐ＿ａｉｒを算出する場合には、一次圧Ｐも考慮してボイド率αを算出する必要がある。
α＝Ｑｏｐ＿ａｉｒ／（Ｑｏｐ＿ａｉｒ＋Ｑｗａｔｅｒ）・・・（７）

［ボイド率を用いた流量の補正］
図６は、受信信号振幅の最大値と気泡混入量の関係の具体例を示す図である。図７は、流量精度とボイド率の関係の具体例を示す図である。図６は、流量Ｑｗａｔｅｒが、０．４（ｍ^３／ｈ）において、気泡混入量を変化させた場合の受信信号振幅の最大値の変化を表したものである。

図７は、流量精度とボイド率の関係を表したものである。流量精度は、測定流量と基準流量との差が測定流量に占める割合であり、下記式（８）のように表すことができる。なお、基準流量は、電磁流量計等の他の流量計により測定することができる。
流量精度＝（測定流量－基準流量）／測定流量・・・（８）

図６、図７によれば、気泡混入量が多く、ボイド率が大きい程、受信信号振幅の最大値が小さくなり、流量精度が悪化することがわかる。本実施の形態では、このボイド率と、受信信号振幅及び流量精度の相関関係を利用して、受信信号振幅から予測されるボイド率を用いて流量精度を補正する。

具体的には、図６において、気泡混入量と受信信号振幅の最大値の関係を、多項式近似し、受信信号振幅の最大値に対応する気泡の混入量を推定し、この気泡の混入量の推定値と測定の結果得られた測定流量を用いて、上述した式（７）により、受信信号振幅の最大値に対応するボイド率の推定値を算出する。

さらに、図７において、流量精度とボイド率の関係を多項式近似し、図６において算出したボイド率の推定値を用いて、流量精度を補正するための補正係数を算出する。補正係数は、ボイド率の推定値と相関があるので、図６で求めたボイド率の推定値を、図７における近似式に代入しその計算結果を補正係数として用いることができる。

補正後の流量は、下記式（９）により算出する。この補正後の流量と基準流量を用いて、下記式（１０）により、補正後の流量精度を計算する。図７には、補正後の流量精度の計算結果を併せて表示している。補正後の流量精度は、所定の合格基準、例えば、＋５％～－５％の間に収まっていることがわかる。
補正後流量＝測定流量×（１－補正係数）・・・（９）
流量精度（補正後）＝（補正後流量－基準流量）／補正後流量・・・（１０）

このように、受信信号振幅の最大値と気泡混入量の関係を表す多項式と、流量精度とボイド率の関係を表す多項式を予め用意しておくことで、受信信号振幅の実測値と測定流量を用いてボイド率の推定値を算出し、このボイド率の推定値を用いて、流量精度の補正係数を計算し、所定の合格基準に収まる正確な流量を算出することができる。

［超音波流量計の構成例］
図８は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計の構成例を示す図である。超音波流量計１０は、測定対象の流体が流れる配管６０の上流と下流に配置され、超音波信号を送受信する１対の超音波センサからなるセンサ部２０、センサ部２０に超音波信号の送受信を指示する送受信部３０、流量の測定等の処理を行う処理部４０、処理部４０の処理結果を出力する出力部５０とから構成されている。

処理部４０は、センサ部２０における超音波信号の送受信結果に基づいて流量を測定する流量測定部４１、配管６０内の気泡の混入状態を判定する判定処理部４２、気泡の混入状態の判定結果に基づいて流量を補正する補正処理部４３を備えている。

流量測定部４１では、送受信部３０から取得したセンサ部２０間の順方向および逆方向における超音波信号の伝搬時間差を用いて、上述した式（３）、（４）により流量を計算する。流量の計算結果は、出力部５０を介して外部の表示装置に出力される。また、受信信号振幅の実測値と流量の測定結果である測定流量は、判定処理部４２にも送信される。

判定処理部４２では、送受信部３０から取得した超音波信号の受信信号振幅の最大値と、受信信号波形におけるピーク比率の値に基づいて、配管６０内の気泡の混入状態を判定する。判定の結果、気泡混入状態がスラグ流であると判定した場合は、補正処理部４３に気泡混入状態がスラグ流であることを通知するとともに、補正係数を算出するために、受信信号振幅と測定流量を送信する。一方、気泡流であると判定した場合は、測定流量に誤差が含まれることを示すアラームを出力するように出力部５０に指示する。

補正処理部４３では、気泡の混入状態の判定結果に基づいて測定流量を補正する。図５－７で説明したように、受信信号振幅の実測値と測定流量に基づいてボイド率の推定値を算出し、このボイド率の推定値を用いて、補正係数を計算することで測定流量を補正することができる。補正後の測定流量は、出力部５０を介して外部の表示装置に出力される。

［超音波流量計の動作例］
図９は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計の動作例を示す図である。

超音波流量計では、センサ部において超音波信号の送受信を行い、その送受信結果を受信する（ステップＳ１－１）。その送受信結果に基づいて、受信信号振幅と受信信号波形のピーク比率を取得する（ステップＳ１－２）。

次に、超音波信号の受信信号振幅の最大値と、受信信号波形のピーク比率に基づいて、気泡の混入状態を判定する（ステップＳ１－３）。気泡無しの場合には、超音波センサ間の順方向及び逆方向における伝搬時間差を用いて計算した測定流量を出力する（ステップＳ１－６）。気泡の混入状態が気泡流であると判定した場合には、アラームを出力する（ステップＳ１－７）。

気泡の混入状態がスラグ流であると判定した場合には、受信信号振幅の実測値に基づいてボイド率の推定値を算出する（ステップＳ１－４）。このボイド率の推定値を用いて計算した補正係数を用いて測定流量を補正し（ステップＳ１－５）、補正後の測定流量が出力される（ステップＳ１－６）。

［超音波流量計のハードウェア構成例］
図１０は、本発明の実施の形態に係る超音波流量計のハードウェア構成例を示す図である。

超音波流量計１０は、プロセッサ１１、主記憶装置１２、入出力Ｉ／Ｏ１３がバス１４で接続されたコンピュータシステムにより構成することができる。入出力Ｉ／Ｏ１３には、流量の測定結果やアラームを表示する表示装置１５や超音波信号を送受信する超音波センサ２０を接続することができる。

超音波流量計１０の処理部４０の各機能は、プロセッサ１１と各機能を実行するためのプログラムにより実現することができる。主記憶装置１２には、処理部４０の各機能を実現するためのプログラムや流量の測定結果等を記憶することができる。ボイド率の推定値や補正係数を計算するための多項式を主記憶装置１２に保存しておいてもよい。

［実施の形態の効果］
本実施の形態によれば、受信信号振幅の最大値と、受信信号波形のピーク比率に基づいて、気泡の混入状態を判定し、気泡混入状態がスラグ流であった場合には、ボイド率の推定値を用いて流量精度を補正することができるように構成したので、配管の内部に気泡が混入した場合でも、計測が可能かどうかを判定して、気泡の混入状態がスラグ流である場合には、流量精度を補正して正確な流量を出力することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１０…超音波流量計、２０…センサ部、３０…送受信部、４０…処理部、４１…流量測定部、４２…判定処理部、４３…補正処理部、５０…出力部、６０…配管、１００…流体。

Claims

測定対象の流体が流れる配管の上流と下流に配置された１対の超音波センサと、
一方の前記超音波センサから送信され他方の前記超音波センサで受信された超音波受信信号の振幅の最大値と前記超音波受信信号の波形におけるピーク比率に基づいて、前記配管の内部の気泡の混入状態がスラグ流であるか気泡流であるかを判定する判定処理部と、
前記判定処理部が判定した気泡の混入状態がスラグ流であった場合に、前記１対の超音波センサ間の順方向および逆方向における超音波の伝搬時間差に基づいて算出した前記流体の流量を、前記超音波受信信号の振幅の最大値を用いて推定した前記配管の内部のボイド率を用いて補正する補正処理部と
を備えた超音波流量計。
前記判定処理部は、
前記超音波受信信号の振幅のうち、最大値である第１の受信信号振幅の値と、前記最大値の次に値の大きい第２の受信信号振幅の値を取得し、前記第１の受信信号振幅の値と前記第２の受信信号振幅の値の差分の前記最大値に対する比率であるピーク比率を算出し、前記最大値と前記ピーク比率に基づいて、前記配管の内部の気泡の混入状態がスラグ流であるか気泡流であるかを判定する
請求項１記載の超音波流量計。
前記判定処理部は、
前記ピーク比率が予め定めた閾値以上の場合に、気泡の混入状態がスラグ流であると判定し、前記ピーク比率が予め定めた閾値より小さい場合に、気泡の混入状態が気泡流であると判定する
請求項２記載の超音波流量計。
前記ボイド率は、予め定めた前記最大値と気泡の混入量との関係を表す多項式に基づいて、推定される
請求項１から３の何れか１項に記載の超音波流量計。
前記判定処理部は、判定した気泡の混入状態が気泡流であった場合に、アラームを出力する
請求項１から４の何れか１項に記載の超音波流量計。