JPH10512966A - 超音波流量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、流動媒体に対する超音波流量測定方法および装置に関する。この装置は、測定管に配置され、それぞれ１つの測定経路（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）を形成する少なくとも２つの超音波変換器対と、測定経路（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）に沿った媒体の速度を、超音波変換器対の信号から検出する変換器（２）と、媒体の流量を測定経路（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）に沿った媒体の速度から検出する加算器（３）とを有する。本発明では上記のような方法ないし装置が次のようにして改善される。すなわち、レイノルズ数を連続的に検出するレイノルズ数測定器（５）が設けられており、加算器（３）とレイノルズ数測定器（５）に接続された流量補正器（６）とが設けられているように構成するのである。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波流量測定方法 本発明は、流動媒体に対する超音波流量測定方法であって、測定管と測定管に 配置された少なくとも２つの超音波変換器対とを用い、該超音波変換器対はそれ ぞれ１つの測定経路を形成し、流動媒体の流量が少なくとも２つの測定経路に沿 った媒体の速度から検出される方法に関する。媒体という概念は流体および気体 を含む。 本発明はさらに、流動媒体に対する超音波流量測定方法を実施するための装置 に関する。この装置は測定管と、該測定管に配置され、それぞれ１つの測定経路 を形成する少なくとも２つの超音波変換器対と、超音波変換器対の信号から測定 経路に沿った媒体の速度を検出する変換器と、媒体の流量を測定経路に沿った媒 体の速度から検出する加算器とを有する。 流動媒体の平均速度ないし流量を超音波流量測定するための公知の方法および 装置は多数の測定経路を使用し、この測定経路は可能な限り最適な数学的積法の 支持点を形成する。ここで積分法は通常は測定経路および測定管の構成ないし幾 何形状によって定められる。種々の古典的な最適積分法が例えば、Tschebycheff ０３８，ＤＥ−Ａ３０３８２１３，ＥＰ−Ａ−０１２５８４５に記載されている 。これらの刊行物から公知の方法および装置はその精度の点で媒体の粘度に依存 しており、従ってレイノルズ数に依存している。この事実については例えば、“ A New Integration Technique for Flowmeters with Chordal Paths”，Flow Me asurement and Instrumention，Vol.1,No.4，Juli 1990,pp216-224を参照された い。前記の刊行物から公知の、超音波流量測定方法および装置は、媒体の粘度に 依存する不正確な精度でしか有していない。粘度はとりわけ温度変化の結果、測 定中に大きく変化することがある。しかし例えばガス、石油、石油製品および化 学製品の流量測定の際には一般的に高精度が要求される。公知の方法および装置 における第２の重要な問題は、組込作用に起因する速度プロフィールのノイズの 問題である。このノイズによって精度が付加的に悪影響を受ける。 前記の製品では、もっぱら高い要求が測定精度に課せられる。従って例えば石 油に対しては公称流量の５０％から１００％の流量領域で最大誤差が±0.15％で あり、公称流量の１０％から１００％の流量領域で最大誤差が±0.25％であるこ とが要求される。これまでこの要求される精度はタービンカウンタによってのみ 保証されていた。 測定管を流れる媒体の流量測定の際には、媒体の流 れを妨げないのが有利である。同時に要求される高精度が比較的安価な装置によ って得られることが所望され、この装置が同時に長寿命を有することが所望され る。さらにこの種の装置が製造後に水によって較正することができ、引き続きユ ーザーが別の流体、またはガスで動作させるときに、所要の精度を保証するため に後較正可能であるとさらに有利である。 従って本発明の課題は、前記の問題を除去した方法および装置を提供すること であり、これにより所要の高精度を保証することである。本発明の別の課題は、 本発明の方法および装置によって、媒体の粘度の影響を格段に低減することであ る。さらに本発明の課題は、流動プロフィールの変化の影響を緩和し、動作中に 自己較正できる手段を示すことである。さらに本発明の課題は、媒体の粘度を連 続的に測定する、すなわちリアルタイムで測定できる方法および装置を提供する ことであり、さらに粘度と音響速度および／または音響減衰度に基づき例えば流 動する石油のタイプを識別できるようにする。 第１の本発明によれば前記課題は、流動媒体に対する超音波流量測定法法にお いて、流動媒体のレイノルズ数を連続的に測定し、流量に対する値をレイノルズ 数に対する値に基づいて補正することで解決される。有利な実施例によれば、レ イノルズ数を少なくとも２つの測定経路に沿った媒体の速度に基づいて検出する 。種々異なる測定経路における流動媒体の速度は同時に、または順次検出するこ とができる。 第２の本発明によれば前記課題は、流動媒体に対する超音波流量測定方法を実 施するための装置において、レイノルズ数を連続的に検出するレイノルズ数測定 器が設けられており、さらに加算器およびレイノルズ数測定器と接続された流量 補正器を設けることにより解決される。 本発明の特に有利な構成では、動作時にレイノルズ数の検出前に、動作流動プ ロフィーｒを測定された速度に基づいて記録し、流入作用または他の原因によっ て瞬時の流動プロフィールが妨害を受けている場合、このプロフィールを前もっ て検出した妨害を受けていない較正流動プロフィールに基づいて、数学的に補正 する。 詳細においては、流動媒体に対する本発明の超音波流量測定方法ないし、流動 媒体に対する超音波測定方法を実施するための本発明の装置を構成および改善す るのに多数の手段がある。これについては請求項１と２５に従属する請求項と、 図面に関連した有利な実施例の説明を参照されたい。 図１は、流動媒体に対する超音波流量測定方法を実施するための本発明の装置 の第１実施例のブロック回路図である。 図２ａ〜ｆは、流動プロフィールの補正経過を説明 するためのフローチャートである。 図３ａ，ｂは、レイノルズ数が大きい場合および小さい場合の流動媒体の補正 を示す線図である。 図４ａ，ｂは、種々異なる粘度の媒体に対して本発明の方法を適用した場合の 精度の改善を示す線図である。 図５は、流動媒体に対する超音波流量測定方法を実施するための本発明の装置 の第２の実施例のブロック回路図である。 図６は、流動プロフィール補正器に対する実施例のブロック回路図である。 図７は、レイノルズ数測定器の実施例のブロック回路図である。 図８は、本発明の流量補正器に使用される、経験的データに基づいたエラー曲 線の例を示す線図である。 図９ａ〜ｄは、本発明の方法および装置を説明するための、レイノルズ数と種 々異なる速度比との関係を示す線図である。 本発明の超音波流量測定方法を実施するために使用される装置では、少なくと も２つの、しかし有利には５つの速度が異なる測定経路で測定される。ここで測 定経路は超音波変換器対によって形成される。超音波変換器対は、測定管の異な る側にそれぞれに配置された超音波変換器からなる。有利には媒体の流動プロフ ィールは本発明の装置に接続された管路で流入および 流出セクションによって形成され、できるだけ完全に発生する。前記の較正流動 プロフィールは、有利には完全に発生した流動の流動プロフィールにできるだけ 良好に近似する。速度は所定の測定経路ではレイノルズ数にあまり依存せず、別 の測定経路ではこれに大きく依存することが経験から公知である。レイノルズ数 にあまり依存しない測定経路は、測定管の壁に対して測定管の半径の半分の間隔 をおいている。これに対してレイノルズ数に大きく依存する測定経路は例えば測 定管の中央、または壁の近傍にある。後者の測定経路では流動プロフィールがレ イノルズ数に大きな影響を及ぼす。本発明の装置は５つ前後の測定経路によって 動作することができるが、しかし少なくとも１つの測定経路はレイノルズ数に比 較的依存しないものでなければならない。 レイノルズ数は本発明の装置では連続的に測定されるから、この測定を流量の リアルタイム補正のために、また場合により粘度検出のために、さらに必要な場 合には媒体識別のために使用することができる。これについて以下説明する。 有利には測定経路で測定された流動媒体の速度が、レイノルズ数の検出に利用 される。しかしレイノルズ数を別の仕方で、例えば超音波減衰の測定に基づいて 検出することもできる。ここから検出されたレイノルズ数の値は引き続き、エラ ー曲線に基づいて流量を補 正するために使用される。もちろん平均速度および流量から容積に対する値を検 出することができる。 次に本発明の方法、およびこの方法を実現するための装置について図１に基づ き説明する。５つの測定経路Ｍ１〜Ｍ５を形成し、測定管１に連結された超音波 変換器対は変換器２と接続されている。変換器は測定経路Ｍ１〜Ｍ５に沿った流 動媒体の種々異なる速度を、例えば超音波信号の伝搬時間差から検出する。後で 説明する種々のユニットを介してこの速度が加算器３に供給される。ここで速度 はそれぞれ相応する重み付け係数と乗算され、引き続き累積される。加算器３の 出力側に印加される平均速度、すなわち測定管の横断面積当たりの流量が流量補 正器６に流量補正のため供給される。この流量補正器６には、経験的データに基 づいて例えば図８に示されたエラー曲線が記憶されている。このエラー曲線はレ イノルズ数の他に、本発明の装置に関連する他のすべての技術的許容公差を含ん でいる。この許容公差は、本発明の超音波流量測定方法を実施するための本発明 の装置の製造後に注意深く測定される。変換器２により計算された流量は次に、 レイノルズ数測定器５により検出されたレイノルズ数に基づいて補正される。流 量補正器６から出力される補正された流量は引き続き、仮想的に設けることので きる表示装置４に表示される。すでに説明したように、本発明の装置を水により 較正することができる。較 正時に得られた測定結果は他の媒体、例えば他の流体およびガスに転用すること ができる。なぜならレイノルズ数に対しては次式が当てはまるからである。 ここでＶ_wとＶ_mは水および第２の媒体の流動速度である。υｗとυｍはここでは 水と媒体の運動学的粘度であり、Ｄは測定管１の直径である。例えば２０℃の場 合には、 が当てはまる。 このことは、水により較正した、本発明の超音波流量測定方法を実施するため の装置を、空気が媒体の場合でも、空気の速度が較正時の水の速度より１５倍高 ければそのまま使えることを意味する。 レイノルズ数を検出する前に妨害プロフィールのシンメトリーを速度比または 速度差に基づいて検査することが重要である。瞬時の流動プロフィールが妨害を 受けておらず、完全に発生していれば、測定された速 度をそのままさらなる処理に使用することができる。流動プロフィールの高いシ ンメトリーは例えば、管路のベンチュリノズルの構成によって促進される。 本発明の装置をユーザーが運転する前に、この装置を例えば水によって較正す る。そのために装置が後で使用される領域、例えば平均速度が0.1から６m/sであ る領域で複数の測定点、例えば最大平均速度の１０％、２０％、５０％および１ ００％で較正を実行する。この較正の際に、各測定経路ごとに妨害を受けない較 正流動プロフィールの際に測定された流動媒体の速度がメモリにファイルされる 。このいわゆる較正プロフィールマトリクスは、本発明の超音波測定方法を実施 するための装置に対して特徴的なものである。なぜなら、マトリクスが数学的、 電子的、音響的および液圧的なすべての許容公差を含んでるからである。 瞬時流動プロフィールのシンメトリーの補正の際に、２つの場合をレイノルズ 数に依存して区別することができる。すなわち、約100,000以上の大きなレイノ ルズ数によって動作する場合と、比較的小さなレイノルズ数によって動作する場 合である。第１の場合では、５つの測定器経路‖ＥＰＭ‖に対する較正プロフィ ールマトリクスは次の形態を有する。 ここで、 Ｖ１ｐ,...Ｖ５ｐは、較正流動プロフィールにおける相応の想定経路に沿った 流動媒体の速度、 ΣＶｐは、較正流動プロフィールにおける測定管断面積当たりの相応する平均 速度または流量、 Ｇ１,...Ｇ５は、測定経路に配属された重み付け係数、 １０％,...１００％は動作領域の測定点である。 動作準備状態に組み立てられた、本発明の方法を実施するための装置は、別の 較正プロセスでまず動作プロフィールマトリクス‖ＢＰＭ‖が記録される。これ は次の形態を有する。 ここで、 Ｖ１ｂ...Ｖ５ｂは、動作流動プロフィールにおいて相応の測定経路をに沿っ た速度、 ΣＶｂは、動作流動プロフィールにおいて測定管横断面積当たりの相応の平均 速度、 Ｇ１,...Ｇ５は、測定経路の重み付け係数である。 上に導入した動作プロフィールマトリクス‖ＢＰＭ‖に対して、測定管の流量 は同形状の領域において、すなわちレイノルズ数が100,000より大きいと、較正 流動プロフィールを記録した際の流量により人工的に 調整される。すなわち例えば較正された携帯流量発生器を用いて調整される。こ の場合は次式が当てはまる。 しかし実際には、式３を十分に正確に満たすことは困難である。なぜなら、正 確に同じ流量を調整することはふつう困難だからである。にもかかわらず流動プ ロフィールの補正を実行できるように、式３を次のように変形する。 式３ａでβは、同じ流量を通常は調整できないという事実を補正するための補間 係数である。式３ａは次式と同じ意味である。 プロフィール行列式‖ＰｒＤｅｔ‖を代入すると、次式が成立する。 ここで、 ‖ＤＰ_100%‖は較正プロフィールマトリクスのプロフィール行列式、 ‖Ｄｂ_100%‖は動作プロフィールマトリクスのプロフィール行列式である。 本発明の方法を動作時にユーザーが使用するとき、 瞬時のプロフィールマトリクス‖APM‖＝‖BPM‖・‖PrDet‖による補正を実行 する。 ここで、 ΣＶｂｇｅｃは、瞬時の流動プロフィールにおける測定管の測定管横断面積当 たりの、相応に補正された平均速度または流量である。 式６は前記の形態では、公称流量の１０％から１００％の観察領域にわたって 線形特性を有する媒体に対してだけ当てはまる。非線形媒体に対しては、測定経 路に沿った媒体速度の補正が実行される。この補正はそれぞれ、較正プロフィー ルマトリクスおよび動作プロフィールマトリクスからの所属の係数を用いて行う 。例えば、Ｖｌｂ_50%の測定経路Ｍ１の流動媒体の速度に対してＶｌｐ_50%/Ｖｌ ｂ_50%を用いる。非線形媒体に対してはさらに、係数β１，β２...β５を代入す る必要がある。式３ａ参照。さらに非線形媒体に対しては、不連続に既知である 値の間の補正係数を補間する。 瞬時の流動プロフィールを較正プロフィールマトリクスと動作プロフィールマ トリクスを用いて補正した後、平均速度ないし流量の相対誤差が次式に従って計 算される。 まとめると、前記のプロフィールマトリクスを用いた処理の際に次のことが行 われる。まず、それぞれの較正を用いて、測定経路の媒体速度と所属の平均速度 ないし流量を、較正流動プロフィールが妨害を受けていないときに測定し、引き 続き、動作流動プロフィールにおいて測定する。次に、平均速度ないし流量間の 関係が、較正プロフィールおよび動作プロフィールの記録の間、維持される。そ の後、瞬時の流動プロフィールの際に測定された、測定経路に沿った媒体の瞬時 速度が前記の関係に相応して変化される。続いて、較正流動プロフィールおける 測定経路に沿った媒体の速度と、動作流動プロフィールにおける測定経路に沿っ た媒体の別の速度との関係が形成され、測定経路に沿った媒体の相応の速度が瞬 時の流動プロフィールにおいてこの関係と乗算される。この補正の際にもちろん 、必要であれば補間により処理される。 上記の流動プロフィールの補正後に、妨害を受けない速度プロフィールが存在 すれば、この速度プロフィールに基づいてレイノルズ数を検出することができる 。 すでに述べたように、流動プロフィールの前記補正はレイノルズ数に依存して 行われる。式１に示された 較正プロフィールマトリクスはレイノルズ数が大きい場合、例えば100,000より 大きい場合にだけ適用することができる。なぜならこの場合は、Navier-Stokの 流体力学的基礎ベクトル式の右側が消失するからである。 ここで、 ることを意味し、 Ｒｅはレイノルズ数である。 （R.Fyenman，R.Leighton，M.Sands，Massachusetts，Palo Alto，LOndon，Addi son-Wesley Publishing Company，Inc．1964の式(41.23)も参照。） レイノルズ数が大きい場合には、流体力学的式８から流体静力学的基礎ベクト ル式が得られる。 この場合に対しては媒体の特性、例えば粘度が無視される。というのは、その 影響はわずかだからである。影響がわずかであるため、流動プロフィール形態は 100,000以上のレイノルズ数に対して同形状領域では実質的に変化しない。 レイノルズ数が比較的に小さな第２の場合に対しては媒体の特性の影響は重要 である。そのため、較正プ ロフィールマトリクスを他の形態で使用する必要がある。較正の際にこの場合は 、媒体の粘度（υ）と測定管の直径（Ｄ）が測定される。これにより各較正プロ フィールに対して、相応のレイノルズ数プロフィールマトリクス‖ＥＰＭ−Ｒｅ_p ‖が無次元形態で得られる 式１０から、最初に実行された較正の際に各レイノルズ数に対して、本発明の 超音波流量測定方法を実施するための装置に対する較正プロフィールを、無次元 形態で許容公差の補償と共に記憶できることがわかる（図２ａ参照）。無次元と は、瞬時に測定された速度Ｖ１,...Ｖ５が平均速度、すなわち最大流量時の測定 管の横断面積当たりの流量により、本発明の装置の組込状態での較正中に割り算 される、すなわち 組込状態での較正の際に、相応に式２が、較正流動プロフィールとは異なる動 作流動プロフィールにおい て、測定経路での速度および平均速度、すなわち測定管の横断面積当たりの流量 が次のように検出される。 ここから最後に無次元動作プロフィールマトリクスが得られる。これは次のとお りである。 無次元動作プロフィールマトリクスは図２ｂに示されている。 動作中に測定された、測定経路Ｍ１からＭ５における流動媒体の速度Ｖ１ｋ,. ..Ｖ５ｋに基づいて、レイノルズ数Ｒｅ₀が０次近似で、後でさらに説明する式 に基づき検出される。この０次近似のレイノルズ数Ｒｅ₀については、較正Ｒｅ_p の一致したレイノルズ数に対する式１０を用いて、関数としても分析形態に示す ことのできる、測定経路の速度が較正流動プロフィールから求められる（図２ｃ 参照）。この測定経路におけるこの速度から、平均速度Ｖｐｇｅｍが求められる 。このプロフィールは引き続き瞬時の流動プロフィールと比較される（図２ｄ参 照）。この比較は、求められた平均速度Ｖｇｅｍｎ（０次近似でｎ＝０，すなわ ちＶｇｅｍ０）を較正流動プロフィールの平均速度Ｖｐｇｅｍと比較する（ｄＶ ｇｅｍ＝Ｖｇｅｍｎ−Ｖｐｇｅｍ）ことによって行われる。平均速度間の求め られた差が所定の最大値εより大きければ、次の反復プロセスで比較的に小さな 差が仮定される。例えばＶｇｅｍ（ｎ＋１）＝Ｖｇｅｍｎ＋ｄＶｇｍ/２が採用 される。この新たな平均速度から、１次近似のレイノルズ数Ｒｅ₁が式Ｒｅ１＝ Ｖｇｅｍ１・Ｄ/υから求められる。この１次近似のレイノルズ数を用いて、記 憶された較正プロフィールマトリクスから新たな平均速度が検出される。この平 均速度は続いてさらに比較される（図２ｃと図２ｆ参照）。求められた差ｄＶｇ ｅｍが前記の最大値εより小さければ、レイノルズ数に対して最後に求められた 値が流量補正に使用される。前記反復プロセスによってさらに改善された精度が 保証される。 図３ａと図３ｂには、補正された無次元流動プロフィールの例が大きなレイノ ルズ数（図３ａ）と小さなレイノルズ数（図３ｂ）に対して示されている。両方 の図でａは較正流動プロフィール、ｂは妨害された動作流動プロフィール、およ びｃは補正された動作流動プロフィールである。 流動プロフィールの前記の補正後、レイノルズ数に対して最後に求められた値 が流量補正器６に流量補正のためにさらに供給される。ステップ全体はリアルタ イムで行われる。 図４ａと図４ｂには、本発明により保証される精度の向上が図示されている。 図４ａは５つの測定経路に よる実施例で、異なる粘度を有する３つの媒体（２０ｃＳｔ、４０ｃＳｔ、５０ ｃＳｔ）での誤差が速度m/sに依存して、従来技術による方法（曲線ａ，ｂ，ｃ ）と、流動媒体に対する超音波流量測定方法を実施するための本発明の装置（曲 線ｄ，ｅ，ｆ）の場合とで示されている。ここで、従来技術ではエラー値のパー セントは大部分が０．５％であるのに対し、本発明の方法では３つすべての媒体 に対して０．２％以下に値が低減されていることがわかる。 図４ｂには異なる粘度を有する同じ３つの媒体に対してエラーパーセントが図 ４ａと同じ測定結果に対して示されている。しかしここでは速度の関数としてで はなくレイノルズ数の関数として、補正の前と後とで示されている。ここでは、 レイノルズ数の関数として示すことにより３つすべての曲線ａ，ｂ，ｃが実質的 に重なっていることがわかる。ここでも、流動媒体に対する本発明の超音波流量 測定方法により精度が格段に改善されていることが明らかである。 流動プロフィールが乱流特性を有するか、層流特性を有するかに依存して、レ イノルズ数が次のようにして検出される。 −流動プロフィールが乱流特性を有する場合、レイノルズ数は測定経路２、４ （Ｖ₂＋Ｖ₄）と測定経路１，５（Ｖ₁＋Ｖ₅）の速度比または速度差から検出され る。 −流動プロフィールが層流特性を有する場合、レイノルズ数は測定経路２，４ （Ｖ₂＋Ｖ₄）と測定経路３（Ｖ₃）の速度比または速度差から検出される。 レイノルズ数はまた測定経路の速度の速度比に基づいても（場合ａ）、測定経 路の速度の速度差に基づいても（場合ｂ）検出することができる。このことは乱 流特性を有する流動プロフィールに対しても、層流特性を有する誘導プロフィー ルに対しても当てはまる。 レイノルズ数を速度比に基づいて検出する場合ａについて、層流特性を有する 流動プロフィールには次の条件がある。 （Ｖ₂＋Ｖ₄）/Ｖ₃＜１．９ （式１３） 反対に乱流特性を有する流動プロフィールに対しては次式が当てはまる。 （Ｖ₂＋Ｖ₄）/Ｖ₃＞１．９ （式１４） レイノルズ数を検出するための以下の式は経験的に求められた。 層流特性を有する流動プロフィールの場合、レイノルズ数に対して次式が当て はまる。 これに対して、乱流特性を有する流動プロフィールに対し、レイノルズ数が30 ,000より小さい場合には、 が当てはまり、レイノルズ数が＞20,000の場合には、 が当てはまる。 レイノルズ数の検出が速度差に基づいて行われる場合ｂに対しては、層流特性 を有する流動プロフィールが存在するときに次式が成り立つ。 (V₂+V₄)-1.9・V₃<0 （式１８） 反対に乱流特性を有する流動プロフィールが存在する場合には次式が成立する 。 (V2+V4)-1.9・V₃>0 （式１９） 層流特性を有する流動プロフィールの場合は次式が成り立つ。 Re_lami=A₁((V₂+V₄)-(V₁+V₅)/2)² +B₁((V₂+V₄)-(V₁+V₅))/2+C₁ （式２０） これに対して、乱流特性を有する流動プロフィールでは、レイノルズ数が30,0 00より小さい場合に次式が成り立つ。 Re_turb＝A₂((V₂+V₄)-(V₁+V₅)/2)² +B₂((V₂+V₄)-(V₁+V₅))/2+C₂ （式２１） 最後にレイノルズ数が20,000より大きく、流動プロフィールが乱流特性を有す る場合に次式が成立する。 Re_turb=A₃((V₂+V₄)-(V₁+V₅)/2)² +B₃((V₂+V₄)-(V₁+V₅))/2+C₃ （式２２） 式２０から２２において、係数Ａ₁からＡ₃、Ｂ₁からＢ₃およびＣ₁からＣ₃は経験 的に求められる。 すでに述べたように、ユーザーでの動作中に流量補正器を申し分なく機能させ るために、瞬時の流動プロフィールがとりわけ較正流動プロフィールからの偏差 または対称性について監視される。この監視は、プロフィール測定器７とプロフ ィール補正器９を用いて行われる。この測定器と補正器は変換器２と加算器３の 間に接続されている。これらについて以下、図５と６を参照して説明する。プロ フィール測定器７は測定経路の速度を比較し、プロフィールが異なる場合または センサが故障している場合に特別の信号をその出力側２３からプロフィール補正 器９と警報発生器８に出力する。動作中に取り付け、または流入作用、例えば湾 曲やその他の障害によって妨害を受けた流動プロフィールが発生すると、この妨 害を受けた流動プロフィールと較正流動プロフィールとの偏差、ないしこの妨害 を受けた流動プロフィールの非対称性をプロフィール補正器９により実質的に除 去することができる。このプロフィール補正器９の作用は式１から１２に基づく ものである。図６に示されたプロフィール補正器９内でユニットを形成するスイ ッチ１１は３つの位置を有する。すなわち、流動プロフィール較正に対する位置 ａ、流動プロフィール補正に対する位置ｂ、そして流動プロフィール監視に対す る位置ｃである。 スイッチ１１は、流動媒体に対する超音波流量測定方法を実施するための本発 明の装置が基準流動プロフ ィールが妨害を受けていないときに較正されるとき位置ａにある。この位置では 、較正流動プロフィールメモリ１２に較正プロフィールマトリクス‖ＥＰＭ‖が 記憶される（式１も参照）。 流動媒体に対する超音波流量測定方法を実施するための本発明の装置がユーザ ーにおいて組み立てられるとき、まず本発明の装置に接続された管路の流量が実 質的に動作時の最大可能流量に調整される。スイッチ１１はこの場合位置ｂにあ る。この位置では動作プロフィールマトリクス‖ＢＰＭ‖が動作プロフィールメ モリ１３に記憶される（式２も参照）。引き続き、プロフィール比較器１４が式 ３，４，５に基づいて、プロフィール行列式‖ＰｒＤｅｔ‖を検出する。 通常の条件の下では、スイッチ１１は動作中、位置ｃにある。従って測定経路 の速度に関する情報がスイッチ１１からプロフィール変換器１５に直接出力され る。プロフィール変換器は式６に従って動作する。プロフィール変換器１５の出 力側では原則的に、妨害を受けていない、補正された流動プロフィールが得られ る。この流動プロフィールに基づいて、レイノルズ数測定器５でレイノルズ数が 検出され、このレイノルズ数は引き続き流量補正器６で使用される。この流量補 正器６は、装置の技術的許容公差も考慮したエラー曲線によって動作する。図８ にはこのようなエラー曲線が例として示されている。ここではこのエラー曲線の 適用によって０．１５％の最大誤差が保証される。 測定管に接続された管路または他の液圧的移行プロセスでの変化の際、例えば 制御弁を閉じるとき、流動プロフィールが非常に急速に変化する。この変化はプ ロフィール測定器７によって監視され、プロフィール測定器は、変化が有意の場 合、出力側２３を介して信号を警報発生器８とプロフィール補正器９にさらに供 給する（これについては図６も参照）。プロフィール補正器９では次に、スイッ チ１１が位置ｃから位置ｂに切り替えられる。この位置では、動作プロフィール メモリ１３を介して伝達された動作流動プロフィールが較正流動プロフィールメ モリ１２からの較正流動プロフィールと比較される。２つの流動プロフィールが 過度に大きく偏差していれば、フィードバック出力側２２を介してフィードバッ ク信号がスイッチ１１に供給され、これに基づいて動作流動プロフィールが動作 流動プロフィールメモリ１３に新たにファイルされる。このことは、リアルタイ ムで補正された動作流動プロフィールが存在するまで行われる。この補正された 動作流動プロフィールは次に、位置ｃにあるスイッチ１１から再び変換器１５に 供給される。 プロフィール測定器７の出力側に印加される、速度に対する値は、加算器３の 他にレイノルズ数測定器５にも供給される（図７と図８も参照）。このレイノル ズ数測定器５に存在する乱流−層流切替スイッチ１６ は式１３と１４、または式１８と１９に基づいて動作する。この乱流−層流切替 スイッチは、層流流動測定器１７，乱流流動測定器１８および移行流動測定器９ と接続されており、これら流動測定器１７，１８，１９は式１５，１６と１７、 または式２０，２１と２２に基づいて動作する。これら流動測定器１７，１８， １９の出力側に印加される、レイノルズ数に対する値は続いて演算出力増幅器２ ０に供給される。 図９ａから図９ｄには、レイノルズ数測定器５の機能の基礎となる関係が例と して図示されている。図９ａは比（Ｖ₂＋Ｖ₄）/Ｖ₃をレイノルズ数の関数として 線図に示す。レイノルズ数は百万単位でプロットされている。この関数経過に基 づいて乱流−層流切替スイッチ１６は動作する。図９ｂはレイノルズ数を比（Ｖ₂ ＋Ｖ₄）/Ｖ₃の関数として示す。この比の経過に基づいて乱流流動測定器１７は 作用する動作する。図９ｂでは、経験的に検出された測定データと、理論的デー タとがプロットされている。図９ｃと図９ｄには、レイノルズ数と比（Ｖ₂＋Ｖ₄ ）／（Ｖ₁＋Ｖ₅）との関係が示されている。レイノルズ数は千単位でプロットさ れている。この関係に基づいて乱流流動測定器１８内での処理が行われる。図９ ｃには、油および水を流動媒体とした前記の関係が測定データと、理論的に検出 されたデータとに対してプロットされている。図９ｃに対してはレイノルズ数が 30,000より小 さく、一方図９ｄに対してはレイノルズ数が20,000よりやや大きいことが当ては まる。 演算出力増幅器２０の出力側に印加される、リアルタイムで検出されたレイノ ルズ数に対する値は、流量補正器６の他に粘度測定器１０にも供給される。この 粘度測定器１０は媒体の粘度を検出する。この検出は、レイノルズ数、平均速度 、つまり測定管の横断面積当たりの流量および測定管１の直径に基づいて行われ る。 粘度測定器１０の出力側に印加される粘度値は一方では表示装置４に、他方で は媒体識別器２４にさらに供給される。媒体識別器２４では、変換器２４により 検出された、媒体内の超音波速度および／または媒体の超音波減衰度が得られる 。媒体の粘度、媒体内の超音波速度および／または媒体の超音波減衰度に基づい て、媒体識別器２４は媒体の種類、たとえば石油を既知の媒体に対して記憶され たデータと比較することにより検出する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 流動媒体に対する超音波流量測定方法であって、流動媒体のレイノルズ 数を連続的に測定し、流量に対する値をレイノルズ数に対する値に基づいて補正 する、ことを特徴とする超音波流量測定方法。 ２． 流量に対する補正をレイノルズ数に対する値に基づき、経験的データに 基づいたエラー曲線を使用して実行する、請求項１記載の方法。 ３． エラー曲線には、測定に影響を与えるすべての技術的許容公差が考慮さ れている、請求項２記載の方法。 ４． レイノルズ数を、少なくとも２つの測定経路に沿った媒体の速度に基づ いて検出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。 ５． レイノルズ数を計算アルゴリズムに基づき、異なる測定経路に沿った媒 体の速度から検出する、請求項４記載の方法。 ６． レイノルズ数を、異なる測定経路に沿った速度に比に基づいて検出する 、請求項５記載の方法。 ７． レイノルズ数を、異なる測定経路に沿った速度の差から検出する、請求 項５記載の方法。 ８． ５つの異なる測定経路に沿った流動媒体Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４および Ｖ５の速度を検出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。 ９． （Ｖ₂＋Ｖ₄）／Ｖ₃＞１．９に対する乱流流動と、（Ｖ₂＋Ｖ₄）／Ｖ₃＜ １．９に対する層流流動を前提とする、請求項８記載の方法。 １０． 乱流流動の場合に対しては、測定経路２と４（Ｖ₂＋Ｖ₄）、および測 定経路１と５（Ｖ₁＋Ｖ₅）に沿った速度の和の速度比または速度差からレイノル ズ数を検出し、 層流流動の場合に対しては、測定経路２と４（Ｖ₂＋Ｖ₄）、および測定経路３ （Ｖ₃）に沿った速度の和の速度比または速度差からレイノルズ数を検出する、 請求項９記載の方法。 １１． 層流流動に対しては、レイノルズ数を速度比から次式により検出する 、 Re_lami=19100((V₂+V₄)/V₄)2-60200(V₂+V₄)/V₃ +47700 請求項１０記載の方法。 １２． 乱流流動に対しては、レイノルズ数を差奥戸比から次式により検出す る、 請求項１０記載の方法。 １３． 層流流動に対しては、レイノルズ数を速度差から次式により検出する 、 Re_lami=A₁((V₂+V₄)-(V1+V₅)/2)2+B₁((V₂+V₄) -(V₁+V₅))/2+C₁ ここでＡ₁，Ｂ₁，Ｃ₁は、経験的に検出される、請求項１０記載の方法。 １４． 乱流流動に対しては、レイノルズ数を速度差から次式により検出する 、 ここでＡ₂，Ｂ₂，Ｃ₂，Ａ₃，Ｂ₃，Ｃ₃は経験的に検出される、請求項１０記載の 方法。 １５． 較正プロセスでは測定経路に沿った媒体の速度から、種々異なる流量 およびレイノルズ数に対してできるだけ妨害を受けない較正流動プロフィールを 記録する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。 １６． 較正プロセスでは、動作準備状態に取り付けられた、請求項１から１ ５までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置を用いて、少なくとも１ つの動作流動プロフィールを記録する、請求項１５記載の方法。 １７． 較正流動プロフィールと動作流動プロフィールとの差を計算で補正す る、請求項１６記載の方法。 １８． 特に100,000より大きなレイノルズ数に対して動作流動プロフィール を記録するために、較正流 動プロフィールを記録する際の流量に相応するように媒体の流量を調整し、 較正流動プロフィールと動作流動プロフィールとで、測定経路に沿ったそれぞ れの速度の比を検出し、 この比によって、測定経路に沿って瞬時に測定された速度を補正し、 当該補正の際には測定された速度を、較正流動プロフィールの記録の際と基準 流動プロフィールの記録の際の流量の比によって付加的に補正する、請求項１７ 記載の方法。 １９． 較正流動プロフィールの記録中に調整された流量と、動作流動プロフ ィールの記録中に調整された流量との補正係数を補間に基づいて検出する、請求 項１８記載の方法。 ２０． とりわけ100,000より小さなレイノルズ数に対して、較正プロフィー ルを無次元で多数のレイノルズ数に対して測定し、記憶し、 瞬時に測定された速度および瞬時の流量を１つの無次元の瞬時流動プロフィー ルに処理し、 無次元の瞬時流動プロフィールを較正流動プロフィールと比較し、この比較に 基づいて補正する、請求項１７記載の方法。 ２１． 瞬時の流動プロフィールから、レイノルズ数を０次近似で検出し、 レイノルズ数について０次近似で記憶された流動プ ロフィールから平均速度を検出し、 目盛りからの平均速度を瞬時の平均速度と比較し、 当該平均速度間の差が所 定の限界値を越えて偏差していれば、新たな瞬時平均速度を採用し、当該新たな 瞬時平均速度はメモリからの平均速度からあまり偏差しておらず、 瞬時に求められた新たな速度からレイノルズ数を１次近似で検出し、当該レイ ノルズ数について１次近似で記憶された流動プロフィールから新たに平均速度を 検出し、 所定の限界値を越えて新たに偏差する場合、新たに新しい瞬時平均値を採用し 、当該新しい平均値はメモリからの平均速度からあまり偏差しておらず、 それ以外の場合は、レイノルズ数に対する最後の値をさらなる処理に使用する 、請求項２０記載の方法。 ２２． 流量、測定管の直径、およびレイノルズ数に基づいて、媒体の粘度を 検出する、請求項１から２１までのいずれか１項記載の方法。 ２３． 粘度と別の媒体依存測定パラメータに基づいて媒体識別を行う、請求 項２２記載の方法。 ２４． 別の媒体依存測定パラメータとして、超音波速度および／または媒体 の賞音波減衰度を検出する、請求項２３記載の方法。 ２５． 請求項１から２４までのいずれか１項記載の、流動媒体に対する超音 波流量測定方法を実施する ための装置であって、測定管（１）と、該測定管（１）に配置されており、それ ぞれ１つの測定経路（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）を形成する少なくとも１ つの超音波変換器対と、測定経路（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）に沿った媒 体の速度を超音波変換器対の信号から検出する変換器（２）と、媒体の流量を測 定経路（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５）に沿った媒体の速度から検出する加算 器（３）とを有する形式の装置において、 レイノルズ数を連続的に検出するレイノルズ数測定器（５）が設けられており 、さらに加算器（３）とレイノルズ数測定器（５）と接続された流量補正器（６ ）が設けられている、ことを特徴とする装置。 ２６． 変換器（２）と加算器（３）との間には、プロフィール補正器（９） とプロフィール測定器（７）が順次に設けられている、請求項２５記載の装置。 ２７． プロフィール補正器（９）は入力側に配置されたスイッチ（１１）、 該スイッチ（１１）に後置接続された動作流動プロフィールメモリ（１３）、該 動作流動プロフィールメモリ（１３）に後置接続された流動プロフィール比較器 （１４）、出力側に配置されたプロフィール変換器（１５）、およびその入力側 がスイッチ（１１）の出力側に後置接続され、その出力側が流動プロフィール比 較器（１４）の入力側に前置接続された較正流動プロフィールメモリ（１２）と を有し、 流動プロフィール比較器（１４）の別の出力側はスイッチ（１１）の別の入力 側と接続されており、 較正流動プロフィールと動作流動プロフィールとが一致しない場合、スイッチ （１１）、動作流動プロフィール（１３）および流動プロフィール比較器（１４ ）がフィードバックループを形成する、請求項２６記載の装置。 ２８． レイノルズ数測定器（５）は、乱流−層流切替スイッチ（１６）と、 該乱流−層流切替スイッチ（１６）に接続され、それぞれ並列に接続された層流 流動測定器（１７）、乱流流動測定器（１８）、および移行流動測定器と、層流 流動測定器（１７）、乱流流動測定器（１８）および移行流動測定器の出力側と 接続された演算出力増幅器（２０）とを有する、請求項２５から２７までのいず れか１項記載の装置。 ２９． レイノルズ数測定器（５）の出力側、および流量補正器（６）の出力 側と接続された粘度測定器が設けられている、請求項２５〜２８までのいずれか １項記載の装置。 ３０． 粘度測定器（１０）の出力側、および変換器（２）の出力側（２５， ２６）と接続され、少なくとも１つの入力側（２７，２８）を有する媒体識別器 （２４）が設けられており、 該媒体識別器は、粘度および超音波速度、および／ または超音波減衰度を記憶された値と比較し、 前記変換器（２）は、超音波速度または超音波減衰度を検出する、請求項２９ 記載の装置。