JPH03197822A - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 艮五分互 本発明は超音波流量計、より詳細には、非定常で流通す
る流体の乱流モデルをベースにして管路モデルを近似し
、該管路モデルに部分観測点の流速に計測値を代入して
流量を予測演算するモデルペースト法と流量検知手段と
を組み合わせた技術に関する。

窟」１支席− 超音波流量計は被測流体中に超音波を発射し、この超音
波の被測流体中における伝播速度と被測流体の流速との
相互関係から流速を求めるものであって、代表としてシ
ングアランド方式がある。

シングアランド方式は管路軸を含む平面上において、管
路軸に対して所定の角度をもって交叉する直線上の管壁
に、管路軸を挾んで対向するように同一特性の超音波の
送波器および受波器を対とする超音波送受波器を同一角
度で交叉配設し、交叉された各々の超音波送受波器対に
おいて送波器からの超音波送波方向を一方は流れの順方
向に、他方は逆方向に向けるものとし各々の対に関し超
音波送波器から被測流体を経て受波器に至り、再び送波
器に戻る循環回路を形成して超音波伝播の循環周波数を
求め、流量を各々の循環周波数の差に比例した量として
演算出力するものである。また他の方式として、この循
環周波数の差を管路軸に対し斜めに配設された一対に循
環路において、超音波送受波器の送波器と受波器とを互
いに切り替えて前期と同一の原理により流量を求めるこ
とも試みられている。しかし、上述のシングアランド方
式においては流体中に気泡、および懸濁物等の粒子が存
在する場合は、これらより超音波が遮断され受波器に到
達することがないか、または到達したとしても微弱な信
号となるので正しい循環周波数を求めることができず、
結果的に精度低下をもたらすという問題があるので、気
泡、懸濁物等の超音波遮断物がある場合は超音波ドツプ
ラ方式の流量計が用いられている。超音波ドツプラ方式
は粒子に向けて発射した超音波がこの粒子により反射さ
れ散乱するが、反射波を所定角度で管路壁に固定された
受渡器で受波した場合、流速は発射した超音波の周波数
と受波した超音波の周波数との周波数差に比例した量と
して求められる。

１区立 超音波ドツプラ方式による流量計測は被計測流体中に含
まれている粒子が流体と略凹−速度で移動していること
が前提とされる流量計であるが、流体の管路内に均等に
分布している粒子の粒子速度も管路の粒子分布に従って
変化する。従って、反射信号を検出するためには管路内
の流速分布において平均流速を代表する地点を選ぶ必要
がある。

流体の流れが定常流であれば前記代表点を定めることが
出来るが、この代表点は非定常な流れにおいては平均流
速を代表することにはならず、正確な流量計測は得られ
ないという問題点があった。

ユｌ胤算人勿王段 本発明は、叙上の問題点に鑑みなされたもので、非接触
な流速検出手段により非定常に流れる流体の流量でも高
精度に流量計測を可能にする超音波流量計を提供するこ
とを目的とする。本発明の要旨とするものは、非定常に
流れる流体を流通する管路に直交して管壁に配設された
超音波の送波器と、該送波器から発射される超音波中心
軸と管路軸とのなす平面と交わる管壁に配設され、流体
中の懸濁物により反射される超音波信号を受波する複数
の超音波受波器と、該受波信号と送波信号とから送波超
音波の中心軸上複数位置の流速を検知するドツプラ流速
計測手段と、流れを渦粘性係数を含む偏微分方程式の乱
流モデルであらわし、該管路モデルに前記複数位置の流
速を各々代入することにより管路内の流速分布を推定し
て流量を求める予測演算手段とで構成した超音波流量計
であ６ 管路内を非定常で流通する流体の流れ計測に関しては、
管路内の非定常流の流体流速分布のモデルを求め、該モ
デルに流速観測点の実流速値を代入して流量を算出する
モデルベースド計測法があり、本発明者により第３１回
自動制御連合会講演会において報告されている。本発明
は、円形管路を流通する十分発達した軸対称な乱流をあ
られすため乱流粘性の概念を導入したレイノルズ方程式
を基本として進めるものである。該レイノルズ方程式は
、 であられされる。ここで Ｕ　：管軸方向の時間平均速度成分 Ｐ　：時間平均圧力 ｒ　：管半径方向座標 Ｘ　：管軸方向座標 ｔ　：時間 ρ　：流体の密度 ν　：流体の動粘性係数 去−」［−的 ｙ。：渦粘性係数 であり、境界条件は、管路中心ｒ＝ｏにおいてＵ＝ν、
＝Ｃである。レイノルズ方程式（１）に基づいて流速分
布を求めるため管路内のｍ個の観測点において流速Ｕを
検知し、該ｍ点の流速値を計測値とする。しかし計測値
は確率値であるため計測値Ｙ（ｒ、ｔ）は ｙ（ｒｌｌ　ｔ）＝Ｃｔｕ（ｒｌｌ　ｔ）＋Ｖ（ｒｌｌ
　ｔ）　　　（２）ここで、ｕ（ｒｌｌ　ｔ）：真の流
速 Ｖ　（ｒｉｏｔ）：　２次確率過程 Ｃ，：観測行列 ｉ＝１．２．　　・・９ｍ であられされる。

また（１）式において渦粘性係数ヤ、を定めなければな
らないが、本発明者は乱流領域に適用するため乱流の速
度分布をあられす実験式 ％式％： および、平均混合距離Ｑｍを求める実験式とじて知られ
るＮ１ｋｕｒａｄｓｅの式により平均混合距離Ｑｍを算
出し、この平均混合距離Ｑｍを次式（４）に代入して渦
粘性係数ν、を求める。

ｖｔ（ｒ、ｔ）＝Ｃ，Ｑｍ２（１−ｒ／ａ）−”Ｕｍ（
ｔ）（４）但し、Ｃ１：定数 次に（１）、（４）式によって表わされた分布定数シス
テムを、有限要素法を用いて集中定数化して、流速分布
Ｕを出力とする管路の有限近似モデルが求められる。該
有限近似モデルは次の（５）。

（６）式であられされる。

Ｘ＝Ａ　　（Ｕｍ）Ｘ＋Ｂｙ　　　　　　　　　　（５
）ｕ＝Ｃ（ｒ）ｘ　　　　　　　　　　　　　　（６）
ここで、 ＸＣＩＲ”：節点流速を要素とするベクトルγＥＩＲ：
圧力勾配 ＡＥ＝ｌＲ””、ＢＥＩＲｅ、ＣＥＲｆｉ：　有限要素
法により定まる係数 （２ン式と（５）を連立して、流れの観測システムが得
られる。圧力勾配項γを未知入力と考えて、それを状態
変数に取り込むとつぎのように観測システムが拡張され
る。

Ｚ＝ｆ　（Ｚ）　十〇Ｗ Ｙ＊＝Ｈｚｌ＋Ｖ。

（７） （８） 但し、 ｚ＝（ｘＴγ〕７ Ｈ＝　　ＥＣ］ ｐ（ｔ）＝Ｆ（２）Ｐ（ｔ）＋Ｐ（ｔ）Ｆ”（２）＋Ｇ
ＱＷＧＴ（１０） ２ｘｙｘ＝　２１［／Ｘ−、”Ｋｘ　ＣＹｘ−Ｈ２に／
）；−、〕（１１）ＰＫ／Ｘ＝　　ＣＩ−ＫｘＨ）ＰＫ
／Ｘ−（１２）Ｋｘ＝ＰＸ／Ｘ−ｘＨＴ（ＨＰｘｙｘ−
、Ｈ”Ｑｖ）−１（１３）Ｗｅｌｌ；！：ＩＨ動ノイズ
で正規性白色過程ＶＸ６：Ｒ：観測ノイズで正規性白色
過程ω　　：パラメータに依存する係数 添字ｋ　　：に番目のサンプリング時刻であり（７）と
（８）式に拡張カルマンフィルタを適用することにより
以下の流速分布と流量の推定フィルタ式（９）〜（１３
）が得られる。

テ＝ｆ　（２）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（９）流速分布の推定値会と流量の推定値會は、それぞ
れＳ＝Ｃ交　　　　　　　　　（１５）ｑ＝／　ａ２　
πｒｃｄ４　　　　　　　　　　（１６）であられされ
る。

但し、ＱＷＥＩＲｌおよびＱ　ｖ　（Ｅ　Ｒ″′Ｘ″は
、各々Ｗ、Ｖ、＋の共分散である。

第１図は、本発明の超音波流量計の構成をしめずブロッ
ク図であり、図において１は矢標Ｆ方向に被計測粒子１
ａを含む非定常な流体１ｂを流通させる半径ｒの管路、
２はプラスチックシュー２ａを埋設した超音波の送波器
で管路１を貫通して軸に直交して取り付けられ、流体１
ｂに対して超音波２を微小な放射角度で超音波の中心軸
が管路１の軸を通るよう送波する送波器で、必要により
超音波レンズを装着しより直線に近い放射角で送波され
る。３および４は送波される超音波中心軸と管路軸との
なす平面と交わる管壁に管路軸を所定角度θで各々僅か
に離間して配設される指向性の強い超音波の第１および
第２受波器で、直径上の位＠ＰいＰ２における懸濁物か
らの超音波反射波を検知し超音波ドツプラ信号３ｒ、４
ｒを変換器内に伝送する。

第２図は、前記変換器の詳細なブロック構成図の一例を
示すもので、位置ｐｘ−Ｐ、の流速信号６ｓ、７ｓを出
力する。５０は超音波の発信器、６０．７０は各々第１
、第２受波器からの超音波ドツプラ信号３ｒ、４ｒを受
信する受信器で７１．７２は各々受信器６０．７０の受
渡信号出力と発信器出力とのビート信号を得るためのミ
キサであり、６２．７２は前記ビート信号から高周波ノ
イズ成分を除去するためのローパスフィルタ、６３．７
３はビート信号から各々の位置Ｐ工、Ｐ２の流速を演算
し、流速信号６ｓ、７ｓを出力する流速演算回路で、６
ｓ、７ｓは予測演算器１０に伝送される。

点線で囲まれた予測演算器１０は予測演算手段で、前述
のモデルベースド法に基づく予測流量を求めるコンピュ
ータ等からなる演算手段である。１１は円管路内の十分
発達した軸対象な乱流をあられす前記レイノルズ方程式
（１）弐発生部であり、１２は（１）式における渦粘性
係数ν、を流速分布の近似式としての指数法則（３）式
および混合距離Ｑｍを求めるＮｉ１（ｕｒａｄｓｅ式か
ら求められる（４）式を求める演算部である。１３はレ
イノルズ方程式（１）式と渦粘性係数ν、の（４）式に
よって表わされた分布定数システムを、有限要素法を用
いて集中定数化する演算部で、適当に管半径領域を所定
個の要素に分割して各要素内において４つの節点を設け
、各要素における流速Ｕを節点に付随した形状関数ベク
トルと要素内の節点における速度ベクトルとのベクトル
積としあられし、重み付き残差方程式との連立として流
速分布Ｕを出力とする管路の有限次元近似モデル（５）
、（６）式を演算する演算部である。１４は管路半径上
の流速点の流速値をあられす（２）式と有限次元近似モ
デル（５）式とを連立して得られる未知パラメータを含
む確立線形システムから流速分布（１５）式の推定値を
求める（９）〜（１４）式であられされる拡張カルマン
フィルタであり、出力された推定流量は（１６）式の流
量算ａ器１５により数値演算され表示器１６に流量表示
される。

次に前記超音波ドツプラ流速計について述べる。

超音波の送波器２から被測流体１ｂの流れに直交して送
波された超音波ビームは懸濁粒子１ａに反射される。反
射された超音波は鋭い指向性をもった第１、第２の受波
器３．４により検知され受波信号３ｒ、４ｒを各々出力
するが、この出力は受波３，４の指向性から各々の受波
器３．４の軸延長線と超音波ビームとの交点位置Ｐ□、
Ｐ２における超音波ドツプラ信号となる。位ｉｉ　ｐ　
ｚ、Ｐ２のドツプラ倍量は受波器３．４に互いに分離さ
れて干渉をおこすことがないよう充分の距離を隔てて配
置しているので、位置Ｐ□、Ｐ２の代表流速信号とみて
よい。周知のように、ドツプラ流速計は送波された超音
波の周波数が受波方向における流れ成分と音波との比に
等しい割合でドツプラシフトすることを利用するもので
あるから、流速１ｖ１は１ｖｌ−”　　　　　　　・ｌ
　ｆｒ−ｆｔｌ　　　（１６）ｆｔｃＯｓθ であられされる。ここで Ｃ：音速 ｆｔ：超音波送波周波数 ｆｒ：超音波受波周波数 （１６）式は超音波送周波数ｆｔ、音速Ｃが一定で取り
付は角度θが定められていれば流速Ｖは超音波送周波数
ｆｔと受波周波数ｆｒとの周波数差としてのビート周波
数に比例する。混合回路６２．７２はビート周波数を求
める回路である。このビート周波数の中には高周波数の
雑音成分が多く含まれるのでローパスフィルタにより雑
音成分を除去し、ＳＮ比の優れたビート周波数を求めて
、このビート周波数から速度演算回路１０により位置Ｐ
ユ、Ｐ２における部分流速を求める。

なお、叙上の超音波送波器２か送波される超音波の周波
数ｆｔを一定としたが、Ｐ、Ｐ２が近接した場合、受波
器３．４の出力３ｒ、４ｒには各々相手の周波数成分の
信号が含まれＳＮ比を低下させることがあるので、超音
波数を各々異なる中心周波数ｆｔ１、ｆｔ２のバースト
信号を送波ｍ２に印加して送波し、この周波数ｆｔ工を
受波器３側で受波周波数ｆｒよとして対応し、周波数ｆ
ｔ２を受波器４側で受波周波数ｆｒ２として対応させる
。即ち送波側のバースト信号の周波数ｆｔ１−と受波器
３側の受波周波数の中から周波数ｆｒ工側のみを帯域フ
ィルタで選択し、前記周波数ｆＢとｆｒよとのビート周
波数を求めて位置Ｐ１側の流量信号とし、同様に位置Ｐ
２側でも送波周波数ｆｔ、と受波周波数ｆｒ２とのビー
ト周波数を求めて位置Ｐ２側の流量信号とすることによ
り位置Ｐ１とＰ２との受波信号のＳＮ比を高めることが
できる。なお、叙上のバースト信号に対して異なる周波
数ｆ　ｔｉ、　　ｆ　ｔ、のＦＭ変調周波数とじてによ
り送波器２を駆動しても同様の効果が得られる。

以上に述べた本発明の超音波流量計においては流体１ｂ
の中には懸濁物等の粒子が含まれていることを条件とし
たものであるが流体中にはこれらの粒子が含まれないも
のが多いので、この場合は本発明の流量計測のために必
要な流速分布に影響を及ぼさない上流に超音波振動子を
挿入してキャビテーションを発生させその気泡を流れの
中に搬送させることにより超音波反射波が得られる。

夏−一来 叙上の本発明の超音波流量計によれば超音波ドツプラ流
速測定を管路断面の複数位置で行い、この流速情報を非
定常な流体におけるモデルペースト法に代入することに
より正しい平均流速位置に流速計を挿入しなければなら
ない従来技術と異なり正確で、しかも乱流変動の影響の
小さい応答性の優れた非接触式の流量計を提供すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超音波流量計を構成するブロック図
で、第２図は、第１図の要部であるドツプラ流速変換器
５の回路ブロック図を示す。 １・・・管路、２・・・超音波送波器、３，４・・・超
音波受波器、５・・・変換器、１０・・・予測演算器。 第１図 １５ 平成１年　特許願　第３３９４７０号 ２０発明の名称 超音波流量計 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　　　東京都新宿区上落合３丁目１０＃８号氏名（
名称）オーバル機器工業株式会社代表者　　高　　１）
　　明 ４、代 住 埋入 所 〒２３１　横浜市中区不老町１−２−１中央第６関内ビ
ル１００１ ７、補正の内容 （１）、明細書の特許請求の範囲を別紙の通り補正する
。 （２）、同第２頁第１３行目に記載の「と流量検知手段
」を「と超音波流速検知手段」に補正する。 （３）、同第６頁第４行目に記載の「モデルベースド計
測法」を「モデルペースト計測法」に補正する。 （４）、同第６頁第７行目〜８行目に記載の「あられす
ため乱流粘性」を「あわらす乱流粘性」に補正する。 （５）、同第６頁第１１行目に記載の （１）、明細書の特許請求の範囲の欄 （２）、明細書の発明の詳細な説明の欄に補正する。 （６）、同第７頁第３行目に記載の「（ａ：管半径）で
」を「（ａ：管半径）において」に補正する。 （７）、同第７頁第５行目に記載の「求めるため管路内
の」を「求めるために管路内の」に補正する。 （８）、同第７頁第１４行目〜１５行目に記載の「であ
られされる。 また（１）式」を 「であられされる。 また（１）式Ｊに補正する。 （９）、同第７頁第１６行目〜１７行目に記載の「なら
ないが、・・・・・・乱流の」を「ならない。 本発明者は乱流の」に補正する。 （１０）、同第７頁第１８行目に記載のｒｕ＝・・・・
・・（３）」を「ｕ＝αＵ、　（ａ　−ｒ）　”’　　
　（３）　Ｊに補正する。 （１１）、同第７頁第１９行１］に記載のｒＵｍ：Ｊを
ｒＵ、：」に補正する。 （１２）、同第７頁第２０行目に記載のｒＱｍを」をｒ
Ｑ、を」に補正する。 （１３）、同第８頁第１行目、２行目に記載のｒ　Ｑ　
ｍ　Ｊを’ＱｍＪに補正する。 （１４）、同第８頁第４行目に記載の「ヤ、・・・・・
・（４）」を「νｔ（ｒ、　ｔ）　二Ｃ，１２ｇ、”（
１−ｒ／ａ）−”’ＵＪｔ）　　（４）Ｊに補正する。 （１５）、同第８頁第９行目に記載の「ルが求められる
。」を「ルを求める。」に補正する。 （１６）、同第８頁第１１行目に記載の「Ｘ＝・・・・
・・（５）」をｒＸ＝Ａ　（Ｕｖ）　Ｘ＋Ｂγ　　（５
）」に補正する。 （１７）、同第８頁第１８行目に記載の「（５）を」を
ｒ　（５）、（６）式を」に補正する。 （１８）、同第９頁第３行目に記載の「Ｙ、＝・・・・
・・（８）」をｒＹｍ＝Ｈ２ｈ　＋　Ｖ＊　　　（８）
　ｊに補正する。 （２０）、同第１０頁下から９行目〜８行目に記載の「
であられされる。 但し、」を「であられされる。但し、」に補正する。 （２１）、同第１２頁第１０行目に記載の「Ｑｍを」を
「Ｑ□を」に補正する。 （２２）、同第１４頁第５行目に記載のｒｌｙｌ＝・・
・・・・（１６）Ｊを に補正する。 （２３）　、同第１４頁第８行目、１０行目、１２行目
に記載のｒｆｔ」を「ｆ、Ｊに補正する。 （２４）、同第１４頁第９行目、１２行目に記載のｒｆ
ｒＪを「ｆ７」に補正する。 （２５）、同第１５頁第１行目に記載の「２が送波され
るＪを「２から送波されるＪに補正する。 （２６）、同第１５頁第２行目に記載のｒｆｔ」を「ｆ
、」に補正する。 （２７）、同第１５頁第２行目に記載のｒＰ、Ｐ２が」
をｒｐＸ、ｐ２が」に補正する。 （２８）　、同第１５頁第６行目、７行目、１０行目。 １２行目、１８行目に記載″のｒｆｔ工」を’　ｆ−４
Ｊに補正する。 （２９）、同第１５頁第６行目、８行目、１４行目。 １８行目に記載のｒｆｔｇを’ｆ−２Ｊに補正する。 （３０）、同第１５頁第８行目、１１行目、１２行目ニ
記載のｒｆｒｌ」を「ｆ−ＩＪに補正する。 （３１）、同第１５頁第９行目、１４行目に記載のｒｆ
ｒｇを’ｆＦ２Ｊに補正する。 （３２）、同第１６頁第１３行目に記載の「代入するこ
とにより正しい」を「代入することにより、正しい」に
補正する。 特許請求の範囲 １、非定常で流れる流体を流通する管路に直交して管壁
に配設された超音波の送波器と、該送波器から送波され
る超音波中心軸と管路軸とのなす平面と交わる管壁に管
路軸と所定角度で配設され、流体中の懸濁物により反射
される超音波信号を受波する複数の超音波受波器と、該
受波信号と送波信号とから送波超音波の中心軸上複数位
置の流速を検知するドツプラ流速計測手段と、流体の流
れを渦粘性係数を含む偏微分方程式の乱流モデルであら
わし、該管路モデルに前記複数位置の犬迷■各々代入す
ることにより管路内の流速分布を推定して流量を求める
予測演算手段とで構成したことを特徴とする超音波流量
計。 ２、超音波送波信号を受波器の数に対応した異なる中心
周波数のバースト信号を交互に発信する超音波バースト
信号発生器とし、受波器信号にあらかじめ定められた周
波数のバースト信号を分離し各々のドツプラ流速信号を
検知することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計
。 ３、超音波発射面より上流中に超音波気泡発生素子を配
設したことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流
量計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非定常で流れる流体を流通する管路に直交して管壁
   に配設された超音波の送波器と、該送波器から送波され
   る超音波中心軸と管路軸とのなす平面と交わる管壁に管
   路軸と所定角度で配設され、流体中の懸濁物により反射
   される超音波信号を受波する複数の超音波受波器と、該
   受波信号と送波信号とから送波超音波の中心軸上複数位
   置の流速を検知するドップラ流速計測手段と、流体の流
   れを渦粘性係数を含む偏微分方程式の乱流モデルであら
   わし、該管路モデルに前記複数位置の流路を各々代入す
   ることにより管路内の流速分布を推定して流量を求める
   予測演算手段とで構成したことを特徴とする超音波流量
   計。 ２、超音波送波信号を受波器の数に対応した異なる中心
   周波数のバースト信号を交互に発信する超音波バースト
   信号発生器とし、受波器信号にあらかじめ定められた周
   波数のバースト信号を分離し各々のドップラ流速信号を
   検知することを特徴とする請求項１記載の超音波流量計
   。 ３、超音波発射面より上流中に超音波気泡発生素子を配
   設したことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波流
   量計。