JPWO2005083371A1 - ドップラー式超音波流量計 - Google Patents

Abstract

超音波のドップラーシフトを利用して被測定流体１０の流量を測定するドップラー式超音波流量計１において、１対の超音波トランスジューサ３ａ、３ｂは、超音波の送信および超音波が反射した超音波エコーの受信を行う。１対の超音波トランスジューサ３ａ、３ｂは、ドップラーシフトの測定を行う測定線ＭＬの延長線上に、内部を被測定流体１０が流れる配管２の中心軸５をはさんで対称に、かつ配管２の外側に配置される。配管２の中心軸５に関し各超音波トランスジューサ３ａ、３ｂが配置されている側とは反対側についての流速分布を、被測定流体１０の流量の算出に使用する。

Description

本発明は、超音波のドップラーシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計に関し、特に、被測定流体の流れが非対称である場合においても測定が可能なドップラー式超音波流量計に関する。

被測定流体の流量を測定する際の、応答性の優れた流量計として、ドップラー式超音波流量計がある。ドップラー式超音波流量計が被測定流体の流量を測定する原理について、図１を参照して説明する。

まず、不図示の発振器にて所定の周波数（基本周波数）ｆ_０を発生させ、この基本周波数ｆ_０の周波数をエミッタ（不図示）に通す。生成された基本周波数ｆ_０のパルス電気信号が、発信器１２１に入力される。パルス電気信号を印加することにより、発信器１２１から被測定流体の流れる配管１０２内に対し、基本周波数ｆ_０のパルス電気信号が出力される。パルス電気信号は、超音波トランスジューサ１０３で超音波パルスに変換され、配管１０２内に測定線ＭＬに沿って入射される。

入射された超音波パルスは、配管１０２内の気泡等のトレーサ（反射体）により反射される。反射した超音波エコーは、超音波トランスジューサ１０３によって受信される。
受信された超音波エコーは、超音波トランスジューサ１０３でエコー電気信号に変換される。変換されたエコー電気信号は、図１では不図示の増幅器で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１２２でデジタルエコー信号に変換される。デジタルエコー信号は、流速演算回路１２３に入力される。

流速演算回路１２３では、発信器１２１から配管１０２内に入射された基本周波数ｆ_０の電気信号と反射波から得られたデジタルエコー信号とが比較される。デジタルエコー信号の周波数は、配管１０２内で速度をもって流れる被測定流体間を通過することにより、シフトされている。２つの信号の周波数差から被測定流体の流速を算出する。

流速分布演算回路１２４で、測定線ＭＬに沿った、反射波の測定領域における流速分布を得る。得られた流速分布を、超音波の入射角αで較正し、配管１０２の中心軸に垂直な断面における流速分布を得る。ある時刻における流量は、得られた流速分布を配管１０２の中心軸に垂直な断面積について積分することによって得られる。

超音波トランスジューサ１０３が配置された側の配管１０２の壁近傍においては、流速分布が正しく得られない。これは、超音波トランスジューサ１０３内の超音波素子から出た超音波が、超音波トランスジューサ１０３端面や配管１０２の内壁面で反射し、配管１０２内の粒子から散乱された正規の超音波信号に対して大きなノイズとなり、ドップラー信号が正しく得られないためである。

かかる問題を解決するドップラー式超音波流量計として、配管の軸方向の中心に関し、ある一方の側の流量は他方の側の流量と対称であるという前提の下で、流速分布を表示させることのできるドップラー式超音波流量計について開示されている（例えば、特許文献１）。図２は、その表示の一例である。超音波トランスジューサが配置されているためノイズの大きくなる配管の管壁近傍の流速について、ノイズの比較的小さい側の流速と配管の軸方向の中心に関し対称であるとの前提の下で流速分布を求め、モニタ等に表示させる。

上記問題を解決する他のドップラー式超音波流量計としては、ノイズが大きくなる管壁近傍側の流速分布については、ノイズが小さい管壁側の流速分布データを外挿するドップラー式超音波流量計について開示されている（例えば、特許文献２）。図３は、特許文献２のドップラー式超音波流量計により検出された流速分布および修正された流速分布を表す。図３（Ａ）の流速分布を示すノイズの大きい流速分布（Ｘｎの領域）については、流量の算出に用いられない。同図の（Ｃ）を外挿して値を補正する。ノイズの小さい領域（Ｘｍの領域）については、（Ｂ）は正常な値の流速分布であるとしてそのまま流量の算出に使用する。この方法により、超音波トランスジューサが配置される側の管壁近傍の、測定精度の低下を補うことができる。
特開２００４−１２２０４号公報 特開平１０−２８１８３２号公報

上記の従来技術は、配管の中心軸に関し、超音波トランスジューサが配置されている側と反対側とで流速分布が対称とみなすことができる場合にしか利用することができない。また、被測定流体の流れが曲がっている箇所や流れが合流する箇所については適用することができない。

本発明は、被測定流体の流れが曲がっている箇所や流れが合流する箇所であっても流量を正しく測定することのできるドップラー式超音波流量計を提供することにある。

本発明のドップラー式超音波流量計は、超音波のドップラーシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計に関し、超音波の送信および超音波が反射した超音波エコーの受信を行う１対の超音波トランスジューサを備え、該１対の超音波トランスジューサは、ドップラーシフトの測定を行う測定線の延長線上に、内部を被測定流体が流れる配管の中心軸をはさんで対称に、かつ該配管の外側に配置され、前記配管の中心軸に関し各超音波トランスジューサが配置されている側とは反対側についての流速分布を、被測定流体の流量の算出に使用することを特徴とする。

超音波トランスジューサから超音波を配管内に入射させると、配管内の気泡等のトレーサにより反射した超音波エコーは、超音波を入射させた超音波トランスジューサで受信される。受信された超音波エコーの周波数は、超音波を入射させた超音波トランスジューサ近傍においては、超音波トランスジューサの端面や管壁で反射した超音波によるノイズが大きくなる。２つの超音波トランスジューサが、測定線の延長線上に配管の中心軸をはさんで対称に配置されており、各々のノイズの大きくなる領域については流速分布の算出に使用しない。

流速分布を算出するには、２つの超音波トランスジューサのうち一方についてその流速分布を求めてから他方の超音波トランスジューサについてその流速分布を求めることとしてもよい。また、２つの超音波トランスジューサから交互に超音波を配管内に入射させた後、２つの超音波トランスジューサの各々について流速分布を求めることとしてもよい。

本発明によれば、超音波の送受信に使用した超音波トランスジューサの配置されている側とは反対側について流速分布を求める。超音波トランスジューサの端面や管壁で反射した超音波によるノイズの大きい側については流速分布の算出に用いない。また、測定線に関し対称に２つの超音波トランスジューサを配置している。このため、流れが合流する位置における流量の測定等、流速分布が中心軸に関して対称でない場合であっても、より正確な流量の測定が可能とされる。

従来のドップラー式超音波流量計のシステム構成図である。 先行技術のドップラー式超音波流量計による流速分布の表示例である。 先行技術のドップラー式超音波流量計による流速分布の補正を説明する図である。 実施例１に係るドップラー式超音波流量計のシステム構成図である。 実施例１のドップラー式超音波流量計が流量を測定する処理のフローチャートである。 ２つの超音波トランスジューサによる流速分布から全体の流速分布の算出を説明する図である。 実施例２のドップラー式超音波流量計が流量を測定する処理のフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜実施例１＞
図４は、本実施の形態によるドップラー式超音波流量計のシステム構成図である。その流量計１は、配管２の内部を流れる被測定流体１０の流量を測定する装置であり、配管２の外側に設けられた超音波トランスジューサ３ａおよび３ｂを介して測定装置２０が配管２と接続される構成を取る。配管２内を流れる液体等の被測定流体の流量を、配管２の外側から所定の周波数の超音波を所定の角度で入射させ、反射波エコーのからドップラーシフトを求め、ドップラーシフトから配管内の流速分布形状を算出し、この流速分布形状を積分して流量を求める。

配管２は、その内部を被測定流体１０が流れる。測定装置２０は、配管２内を流れる被測定流体１０の流量を測定する装置で、本実施例においては、パルス電気信号を発信させる発信器２１、発信器２１から発信されたパルス電気信号を超音波パルスに変換して配管２内に入射させ、配管２内で超音波がトレーサで反射した反射波エコーを受信し、反射波エコーをエコー電気信号に変換する２つの超音波トランスジューサ３ａおよび３ｂ、２つの超音波トランスジューサ３ａ、３ｂのいずれか一方を測定装置２０に接続させる際に切り替えられるスイッチ２６、２つの超音波トランスジューサ３ａおよび３ｂで検知された反射波エコーをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２２、得られたデジタル信号から被測定流体１０の流速分布を算出する流速演算回路２３、流速演算回路２３で算出された流速データから、超音波トランスジューサ３ａあるいは超音波トランスジューサ３ｂにて検出された信号に基づいて流速分布を算出する流速分布演算回路２４および超音波トランスジューサ３ａと超音波トランスジューサ３ｂとから算出された流速分布より被測定流体１０の流量を算出する流量演算回路２５を含んで構成される。超音波トランスジューサ３ａは被測定流体１０の流れの上流に配置され、超音波トランスジューサ３ｂは、下流に配置されている。対に配置される２つの超音波トランスジューサ３ａおよび３ｂは、測定線ＭＬの延長線上に対称に配置されている。

図４で示される、本実施の形態によるドップラー式超音波流量計の動作について適宜図面を参照しながら説明する。
発信器２１は、任意の周波数の電気信号を発生させるオシレータと、オシレータで発生された電気信号を所定の時間間隔（繰返し周波数）でパルス状に出力させるエミッタとから構成される。発信器２１で発信されたパルス電気信号を超音波トランスジューサ３ａあるいは３ｂにて所定の基本周波数（ｆ_０とする）の超音波に変換する。変換された基本周波数ｆ_０の超音波を、超音波トランスジューサ３ａあるいは３ｂから配管２内に向けて所定の角度（入射角αとする）で入射させる。入射した超音波は、配管２内を測定線ＭＬに沿って直進する。

配管２内には、被測定流体１０が流れている。被測定流体１０に含まれる、例えば気泡等のトレーサによって、配管２内を直進していた基本周波数ｆ_０の超音波が反射する。反射した超音波エコーは、測定線ＭＬに沿って直進し、再び超音波トランスジューサ３ａあるいは３ｂでそれぞれ検知される。

超音波トランスジューサ３ａあるいは超音波トランスジューサ３ｂで受信した超音波エコーは、増幅器で信号を増幅したのち、Ａ／Ｄ変換器２２でデジタル信号に変換される。このデジタルエコー信号が、流速演算回路２３に入力される。

流速演算回路２３では、発信器２１から配管２内に入射された基本周波数ｆ_０の超音波についての電気信号と、反射波から得られたデジタルエコー信号とが比較される。反射波の周波数は、配管２内で速度をもって流れる被測定流体１０間を通過することにより、シフトされている。２つの信号の周波数差から被測定流体１０の流速を算出する。

流速分布演算回路２４で、測定線ＭＬに沿った、反射波の測定領域における流速分布を得る。得られた流速分布を、超音波の入射角αで較正し、配管２の中心軸５に垂直な断面における流速分布を得る。

流量演算回路２５で、得られた流速分布を、配管２の中心軸５に垂直な断面について積分する。これにより、ある時刻における被測定流体１０の流速が求められる。
図５は、パルスドップラー式によって被測定流体の流量を測定する処理を表すフローチャートである。被測定流体の流量測定の一連の処理は、ＣＰＵが同図においては不図示のメモリ等に格納されたプログラムを実行させることによって実現される。

まず、ステップＳ２０１乃至ステップＳ２０４の処理で、超音波トランスジューサ３ａから複数回基本周波数ｆ_０の超音波を配管２内に入射、トレーサにて反射させ、反射波の周波数（ｆとする）を求める。

ステップＳ２０１では、超音波トランスジューサ３ａから配管２内に基本周波数ｆ_０の超音波を入射させる。ステップＳ２０２でサンプリングを行い、反射波の周波数ｆを算出するためのデータを得る。サンプリングは複数回行われる。ステップＳ２０３で、所定の回数サンプリングが行われたか否かを判断する。所定回数サンプリングが行われていない場合（ステップＳ２０３でＮｏの場合）は、処理はステップＳ２０１へ戻る。所定回数分サンプリングが行われると（ステップＳ２０３でＹｅｓの場合）、処理はステップＳ２０４へと進む。

ステップＳ２０４で、ステップＳ２０１乃至ステップＳ２０３で得られたデータから、入射させた超音波の基本周波数ｆ_０と反射波の周波数ｆとの差分である、ドップラー周波数を算出する。ステップＳ２０５では、ステップＳ２０４の処理で得られたドップラー周波数から流速換算を行い、流速分布を得る。なお、流速は図４の流速演算回路２３において算出され、流速分布は図４の流速分布演算回路２４のうち、超音波トランスジューサ３ａについての回路２４ａにて算出される。流速分布は、配管２の中心軸５について、超音波トランスジューサ３ａの取り付けられた側とは反対側について求められる。図６の（ａ）は、超音波トランスジューサ３ａからのデータにより算出された配管２内の流速分布を表したグラフである。

超音波トランスジューサ３ｂについても、ステップＳ２０６乃至ステップＳ２１０で同様の処理を行い、流速を求める。流速は図４の流速演算回路２３において算出され、流速分布は図４の流速分布演算回路２４のうち、超音波トランスジューサ３ｂについての回路２４ｂにて算出される。ステップＳ２１０で求める流速分布は、配管２の中心軸５について超音波トランスジューサ３ｂの取り付けられた側とは反対側、すなわち先のステップＳ２０１乃至ステップ２０５で、超音波トランスジューサ３ａを用いて算出していない、残りの部分についてである。図６の（ｂ）は、超音波トランスジューサ３ｂからのデータにより算出された配管２内の流速分布を表したグラフである。

ステップＳ２０５で求めた、超音波トランスジューサ３ａと配管２の中心軸５に関し反対の管壁側の流速分布と、ステップＳ２１０で求めた、超音波トランスジューサ３ｂと配管２の中心軸５に関し反対の管壁側の流速分布とのデータを併せると、配管２の中心軸５と垂直な断面全体の流速分布を得る（ステップＳ２１１）。図６の（ｃ）は、ステップＳ２１１の処理によって得られた流速分布を表したグラフである。

ステップＳ２１１で得られた流速分布から、配管２の中心軸５と垂直な断面全体について積分し、被測定流体の流量を得る（ステップＳ２１２）。
測定線の延長線上に、配管の中心軸をはさんで対称になるように２つの超音波トランスジューサが配置される。各々の超音波トランスジューサで、配管の中心軸に関し超音波トランスジューサが設置されている側とは反対側についてのみ流速分布を算出する。ノイズの大きい超音波トランスジューサに近い側の流速分布は、全体としての流速分布を求めるのに使用しない。これにより、被測定流体の流れが配管の中心軸に関し対称でなくとも、より正確な流量分布、ひいては流量の測定が可能とされる。
＜実施例２＞
本実施例は、実施例１の方法とは別の流速分布の算出方法の例に関する。以下、実施例１と共通する点についてはその説明を省略し、差異を有する点についてのみ説明することとする。

本実施例に係るドップラー式超音波流量計１のシステム構成図は、実施例１と同様であるのでここでは構成についての説明は割愛する。図４を参照して、本実施例に係るドップラー式超音波流量計が、流量を測定する原理について説明する。

発信器２１から発信されたパルス電気信号が、超音波トランスジューサ３ａあるいは３ｂにて基本周波数ｆ_０の超音波に変換される。まず、一方の超音波トランスジューサ３ａにて変換された基本周波数ｆ_０の超音波が、超音波トランスジューサ３ａから、被測定流体１０の流れる配管２内に入射される。入射された超音波は、測定線ＭＬに沿って進み、気泡等のトレーサにて反射する。反射した超音波エコーは測定線ＭＬに沿って進み、超音波トランスジューサ３ａにて受信される。次に、超音波トランスジューサ３ｂにて変換された基本周波数ｆ_０の超音波が、超音波トランスジューサ３ｂから、被測定流体１０の流れる配管２内に入射される。入射された超音波は測定線ＭＬに沿って進み、トレーサにて反射する。反射した超音波エコーは測定線ＭＬに沿って進み、超音波トランスジューサ３ｂにて受信される。

２つの超音波トランスジューサ３ａおよび３ｂから交互に超音波を配管２内に入射させ、サンプリングを行った後、それぞれについて、配管２の中心軸と反対側の流速分布を求める。流速分布から、求める被測定流体１０の流量を得る。

図７は、本実施例に係るドップラー式超音波流量計が流量を測定する処理のフローチャートである。被測定流体の流速測定の一連の処理は、ＣＰＵが同図においては不図示のメモリ等に格納されたプログラムを実行させることによって実現される。

まず、ステップＳ４０１乃至ステップＳ４０５の処理で、２つの超音波トランスジューサから交互に超音波が発信される。超音波が流体中に含まれるトレーサで反射し、反射した超音波エコーが超音波を発信した超音波トランスジューサで受信される。２つの超音波トランスジューサからの、交互の超音波の発信は、所定の回数繰り返して行われる。

ステップＳ４０１では、被測定流体の流れについて上流側に位置する超音波トランスジューサ３ａから所定の周波数（ｆ_０とする）の超音波が入射される。ステップＳ４０２では、超音波がトレーサにて反射し、超音波エコーが超音波トランスジューサ３ａにて受信される。ステップＳ４０３およびステップＳ４０４では、超音波トランスジューサ３ｂについても同様に所定の周波数ｆ_０の超音波が入射され、トレーサで反射した超音波エコーが超音波トランスジューサ３ｂにて受信される。

ステップＳ４０５では、所定の回数分だけサンプリングを行ったか否かを判断する。所定回数分行われていない場合（ステップＳ４０５でＮｏの場合）、処理はステップＳ４０１へと戻る。所定回数分測定されていた場合（ステップＳ４０５でＹｅｓの場合）、処理はステップＳ４０６へと進む。

ステップＳ４０６では、ステップＳ４０１乃至ステップＳ４０５により得られたデータから、超音波トランスジューサ３ａと配管の中心軸５に関し反対側の流速分布を算出する。同様に、ステップＳ４０７では、超音波トランスジューサ３ｂにおける受信波から、超音波トランスジューサ３ｂの配置されている側と中心軸５に関し反対側の被測定流体１０の流速分布を得る。なお、ステップＳ４０６とステップＳ４０７とに関し、処理の順序は図４の手順に限られない。ステップＳ４０７の処理が先に行われ、ステップＳ４０６の処理が後に行われてもよい。

ステップＳ４０８では、ステップＳ４０６およびステップＳ４０７から得られた超音波トランスジューサ３ａ、３ｂそれぞれの配置されている側と中心軸５に関し反対側の被測定流体１０の流速分布から、配管２全体の流速分布を算出する。配管２全体の流速分布を配管２の中心軸５に垂直な断面全体について積分し、被測定流体１０の流量を得る（ステップＳ４０９）。

本実施例に係るドップラー式超音波流量計は、システム構成が実施例１のそれと同様であることから、被測定流体の流量の測定方法に関し、本実施例の方法と実施例１の方法とで、いずれによって測定を行うかを選択する手段等を設けてもよい。

この他、本発明は以上の例に限定されることなく、更に種々変形して実施することができる。

Claims (3)

1. 超音波のドップラーシフトを利用して被測定流体の流量を測定するドップラー式超音波流量計において、
   超音波の送信および超音波が反射した超音波エコーの受信を行う１対の超音波トランスジューサを備え、該１対の超音波トランスジューサは、ドップラーシフトの測定を行う測定線の延長線上に、内部を被測定流体が流れる配管の中心軸をはさんで対称に、かつ該配管の外側に配置され、
   前記配管の中心軸に関し各超音波トランスジューサが配置されている側とは反対側についての流速分布を、被測定流体の流量の算出に使用する
   ことを特徴とするドップラー式超音波流量計。
2. 対をなす超音波トランスジューサのうち第１の超音波トランスジューサから超音波を前記配管内に入射させ、該配管の中心軸に関し、該第１の超音波トランスジューサが配置されている側とは反対側について流速分布を算出した後、第２の超音波トランスジューサから超音波を前記配管内に入射させ、該第２の超音波トランスジューサが配置されている側とは反対側について流速分布を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のドップラー式超音波流量計。
3. 対をなす超音波トランスジューサのうち第１の超音波トランスジューサからと第２の超音波トランスジューサからとで交互に超音波を前記配管内に入射させた後、該配管の中心軸に関し、該第１の超音波トランスジューサおよび該第２の超音波トランスジューサが配置されている側とは反対側についての流速分布をそれぞれ算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のドップラー式超音波流量計。

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