WO2005083370A1 - 超音波流量計および超音波流量測定方法 - Google Patents

超音波流量計および超音波流量測定方法 Download PDF

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WO2005083370A1
WO2005083370A1 PCT/JP2005/003006 JP2005003006W WO2005083370A1 WO 2005083370 A1 WO2005083370 A1 WO 2005083370A1 JP 2005003006 W JP2005003006 W JP 2005003006W WO 2005083370 A1 WO2005083370 A1 WO 2005083370A1
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flow rate
measurement
unit
ultrasonic
transducer
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PCT/JP2005/003006
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Inventor
Masami Kishiro
Kouji Hagiwara
Toshihiro Yamamoto
Hironobu Yao
Yoshinori Ohmuro
Noritomo Hirayama
Original Assignee
Fuji Electric Systems Co., Ltd.
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Publication date
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/663—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters by measuring Doppler frequency shift
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F7/00—Volume-flow measuring devices with two or more measuring ranges; Compound meters

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid by irradiating ultrasonic waves to a fluid to be measured, and particularly relates to an ultrasonic flowmeter that is effective when applied to flow rate measurement of various fluids and the like.
  • the present invention relates to an ultrasonic flow measurement method.
  • a detector is installed on the outer wall of a pipe, and the ultrasonic force is projected on the fluid flowing inside the pipe, and the change in the propagation of the ultrasonic wave inside the fluid is measured to measure the flow rate inside the pipe.
  • the clamp-on type ultrasonic flowmeter has many advantages, such as no special installation work is required even with existing piping, and it is not affected by fluid temperature, pressure, corrosiveness, etc. .
  • the flow measurement by the Nors Doppler method has at least one integrated transmitter and receiver, emits ultrasonic pulses into the liquid to be measured, and mixes air bubbles in the fluid.
  • Receiving an ultrasonic echo wave reflected by a foreign substance such as This is an application of the principle that the frequency of this echo wave shifts by a magnitude proportional to the flow velocity. Since this echo wave returns from the portion near the fluid detector in an early time and returns as the distance increases, the distribution of the flow velocity Vx at the position on the survey line can be obtained using this, and The flow rate is obtained by integrating over the entire cross section (A) of the pipe as in (1).
  • This method is capable of high-accuracy, high-speed response, and is superior in bubble resistance as compared with the propagation time difference method described later.
  • Patent Document 1 describes this measurable range. That is, the maximum flow that can be measured Speed V is
  • C sound velocity of fluid
  • D inner diameter of pipe
  • f transmission frequency of ultrasonic wave.
  • V prf Id (3). Also, in order to measure the flow velocity distribution over the entire area along the pipe measurement line, the next measurement cannot be performed until an echo wave of the force on the opposite wall of the pipe returns.
  • the Doppler shift frequency f is df when the flow velocity of the measurement fluid is V
  • Equation 5 [Equation 5] f d -2-V f .sin0 f -f 0 / C f ... (5) Combining Equations (3)-(5) yields Equation (2), indicating that there is an upper limit to the measurable flow velocity.
  • Another problem of the Nors-Doppler method is that the flow velocity at the tube wall on the detector side cannot be detected normally.
  • the flow velocity distribution can be measured by using at least one transmitter-receiver integrated detector, but the accuracy of flow velocity measurement decreases near the detector-side tube wall, and as a result,
  • Patent Document 2 the flow velocity distribution on the opposite side of the tube wall, which is normally detected, is compared with the flow rate distribution on the side of the detector mounting side.
  • Patent Document 3 discloses a method in which the measured flow velocity distribution is divided into two at the center of the fluid cross section to create two divided distributions, and the divided distribution with small variation is doubled to obtain the flow rate of the entire fluid cross section. It is disclosed.
  • the propagation time difference method as shown in Fig. 2A, has a pair of integrated transmission and reception detectors, and transmits the ultrasonic transmission time T1 from the upstream side to the downstream side (see Fig. 2B) and the downstream side.
  • This method calculates the average flow velocity V and the flow rate Q from Equations (6) and (7) by comparing the ultrasonic transmission time T2 from the upstream to the upstream side (see Fig. 2C).
  • V ⁇ 1
  • this method has the following problems: low accuracy, slow response, and weakness to bubbles and impurities.
  • measurement can be performed without bubbles or impurities and even in a fluid.
  • the pulse Doppler method and the propagation time difference method have advantages and disadvantages.
  • the flow meter alone was measured by any one of the pulse Doppler method and the force propagation time difference method, the measurement object Depending on the fluid speed, bubble volume, etc.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-12205
  • Patent Document 2 JP-A-10-281832
  • Patent Document 3 JP 2004-12204 A
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic flow meter and an ultrasonic flow rate measuring method capable of improving measurement accuracy and a measurable range without being affected by the state of a fluid such as a flow velocity and a bubble amount. Is to do.
  • Another object of the present invention is to realize a reduction in manufacturing cost and a simpler installation of a detector in an ultrasonic flowmeter.
  • Another object of the present invention is to solve the technical problems inherent in the pulse Doppler method using a single detector and to improve the measurement accuracy of the flow rate while suppressing an increase in cost. is there.
  • the present invention provides a flow rate measuring method and a flow rate measuring method capable of performing high-accuracy flow rate measurement over a wide range of flow velocity by switching between the two methods according to the conditions such as the velocity distribution of the fluid to be measured and the amount of bubbles. It is intended to provide a device.
  • a first aspect of the present invention provides an ultrasonic flowmeter provided with a plurality of flow measurement units for measuring a flow rate of a fluid in a pipe using ultrasonic waves with different measurement principles.
  • a plurality of flow rate measurement units that measure the flow rate of a fluid in a pipe using ultrasonic waves with different measurement principles and the mutual conversion of an acoustic signal and an electric signal attached to the pipe are described. And a transducer unit shared by a plurality of the flow rate measuring units.
  • a first flow rate measuring unit that detects a flow rate of the fluid in the pipe by a propagation time difference method, and a flow rate of the fluid in the pipe by a pulse Doppler method
  • a second flow rate measurement unit a plurality of first and second transducer units attached to the pipe through which the fluid to be measured flows, each of which performs mutual conversion between an acoustic signal and an electric signal; and the transducer unit.
  • an ultrasonic flowmeter comprising: a transducer switching means for sharing the first flow measurement unit and the second flow measurement unit.
  • a fourth aspect of the present invention is an ultrasonic flow rate measuring method for measuring a flow rate of a fluid in a pipe by using an ultrasonic wave, and performs mutual conversion between an acoustic signal and an electric signal attached to the pipe.
  • the plurality of ultrasonic flow meters for example, detect a flow rate of the fluid in the pipe by a propagation time difference method, and detect a flow rate of the fluid in the pipe by a pulse Doppler method And a second flow rate measuring unit.
  • At least one of a pair of detectors used in the transit time difference method that requires two detectors is used so that it can be used in a pulse Doppler method that can operate with at least one detector.
  • a detector switch can be provided.
  • the pair of detectors may be arranged at positions opposite to each other with respect to the axis of the pipe, at positions shifted from each other in the direction of fluid flow.
  • a configuration in which a pair of detectors are arranged on the same side surface of the pipe at positions separated along the direction of fluid flow is preferred.
  • the ultrasonic flow meter of the present invention is provided with the first flow rate measurement unit and the second flow rate measurement unit having different measurement principles, and is configured to be independent of each other or to simultaneously use both of them. Therefore, by compensating for the disadvantages of other methods, it is possible to measure the flow rate of a fluid widely and with high accuracy without being affected by various conditions of the fluid to be measured, such as flow velocity and bubbles. Become.
  • the number of detectors can be reduced, the manufacturing cost and installation cost of the detector can be reduced, and the flow rate of the fluid can be reduced over a wide range at a low cost. It will be possible to measure accurately.
  • a fifth aspect of the present invention relates to a flow rate measurement method using a pulse Doppler method and a method of measuring a propagation time difference.
  • an ultrasonic flowmeter capable of performing simultaneous flow measurement in parallel with an ultrasonic flowmeter.
  • This ultrasonic flowmeter has at least one pair of electric Z ultrasonic transducers necessary for flow time difference flow measurement and at least one pair of electric Z ultrasonic transducers with pulse Doppler flow measurement and flow time difference flow.
  • Hardware means for providing pulse signals required for measurement for example, transmission / reception timing control unit and pulse generator power
  • Doppler from received signal obtained from any transducer power including a pair of electric Z ultrasonic transducers
  • a detection circuit for detecting a frequency, a first received signal obtained by transmitting an ultrasonic pulse to an upstream force downstream by a pair of transducers, and a second received signal obtained by transmitting an ultrasonic pulse to the downstream force upstream A conversion circuit that amplifies the signal and performs analog-to-digital conversion, and the detected Doppler frequency force Calculates, and characterized in that it comprises a control means for calculating the flow rate by the propagation time difference method from the output of the conversion circuitry.
  • a second electric Z ultrasonic transducer dedicated to pulse Doppler flow measurement is further provided, and the hardware means includes a pair of electric Z ultrasonic transducer and the second electric Z ultrasonic transducer.
  • a transmission noise signal is given to both the second electric Z ultrasonic transducer, and the detection circuit detects the Doppler frequency from the received signal obtained by the second electric Z ultrasonic transducer.
  • the at least one pair of the electric Z ultrasonic transducers is only one pair, and the pulse signal output for the pulse Doppler method of the hardware means and the conversion of the pulse signal of the conversion means are provided. Further provided is a switch inserted between the input and one of the transducers of only one pair of electric Z ultrasonic transducers to connect the circuit only during the pulse Doppler measurement period, and the detection circuit outputs the signal from one of the transducers. The Doppler frequency is detected from the received signal which is the echo of the generated ultrasonic pulse.
  • control means and the hardware means may cooperate with each other to switch between the pulse Doppler method, the propagation time difference method, and the simultaneous flow rate measurement mode in accordance with an external force command or signal.
  • a fifth aspect of the present invention provides an ultrasonic flowmeter capable of performing switching between pulse Doppler flow measurement and propagation time difference flow measurement.
  • This ultrasonic The flow meter has at least one pair of electric Z ultrasonic transducers required for flow time difference flow measurement and only one output terminal.From this output terminal, a pair of electric Z ultrasonic transducers have a propagation time difference.
  • a pulse generation means that supplies a pulse signal required for flow measurement using the pulse method and generates and outputs a pulse signal required for flow measurement using the pulse Doppler method to one of a pair of ultrasonic transducers.
  • any one transducer including an ultrasonic transducer a detection circuit that detects the Doppler frequency required for pulse Doppler flow calculation, and the above resources are used to obtain ultrasonic pulses from upstream to downstream Amplification of the first received signal and the second received signal obtained by transmitting the downstream ultrasonic pulse upstream and analog-to-digital conversion are enabled.
  • Switching means transmission / reception timing control unit
  • a detection circuit includes an amplifier in a preceding stage and a pair of analog Z digital conversions that respectively processes real part data and imaginary part data in a subsequent stage.
  • a switching means is inserted immediately before a pair of analog-to-digital converters, and the circuit is connected only during the pulse Doppler measurement period, and the amplifier output is paired during the propagation time difference measurement period.
  • a pair of bi-selective switch means connected to one input of the analog Z-to-digital converter, a common terminal is connected to the sole output terminal of the hardware means and an input terminal of the conversion means, and a pair of contacts is provided.
  • Second switch means connected to each of only one pair of electric Z ultrasonic transducers is further provided, and the switching means controls switching between the pair of switch means and the second two-select switch means.
  • the switching means controls switching between the pair of switch means and the second two-select switch means.
  • the at least one pair of electric Z ultrasonic transducers is a plurality of pairs of transducers
  • the second switch means is a plurality of double contacts.
  • the plurality of double contacts are connected to the plurality of pairs of transducers in a one-to-one manner
  • the switching means includes a switch for each of the plurality of pairs of transducers.
  • the measurement period of the pulse Doppler system and the measurement period of the propagation time difference method are assigned to each pair, and for each pair, during the measurement period of the pulse Doppler system, the input of the amplifier is connected to one of the transducer pairs and the propagation time difference is measured.
  • the second switch means is switched so that the amplifier and the transducer pair are connected according to the measurement algorithm of the propagation time difference method.
  • control means and the switching means may cooperate to switch between the pulse Doppler method, the propagation time difference method, and the simultaneous flow measurement mode for both methods in response to a command or signal of an external force.
  • FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating the principle of flow measurement by a pulse Doppler method using ultrasonic waves.
  • FIG. 1B is a conceptual diagram illustrating the principle of flow measurement by the pulse Doppler method using ultrasonic waves.
  • FIG. 1C is a conceptual diagram illustrating the principle of flow measurement by a pulse Doppler method using ultrasonic waves.
  • FIG. 2A is a conceptual diagram illustrating the principle of flow rate measurement by a transit time difference method using ultrasonic waves.
  • FIG. 2B is a diagram illustrating the principle of flow rate measurement by a transit time difference method using ultrasonic waves.
  • FIG. 2C is a diagram illustrating the principle of flow rate measurement by a transit time difference method using ultrasonic waves.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of the operation.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an example of the operation.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an example of the operation.
  • FIG. 9 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of a flow rate measurement operation of the propagation time difference method performed by the transmission norse generator 122, the transducers 11 lu and 11 Id, and the reception signal processing unit 140.
  • FIG. 11 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing switch states and signal timings during a process of simultaneously performing both types of measurement operations in parallel according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing states of switches SW1, SW3, and SW4 in the operation of the ultrasonic flowmeter 103 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15A is a schematic block diagram showing a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 15B is a schematic cross-sectional view showing an example of the arrangement of the transducer in the ultrasonic flowmeter according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 15C is a schematic sectional view showing an arrangement example of a transducer in the ultrasonic flowmeter according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing states of SW4.
  • FIG. 3 shows an ultrasonic flow rate for implementing the ultrasonic flow rate measuring method according to one embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram which shows an example of a structure of a meter.
  • the ultrasonic flow meter is attached to a pipe 50 through which a fluid 51 to be measured flows, and includes a plurality of detectors 41 each including a piezoelectric element or the like functioning as an ultrasonic transceiver. , A detector 42, and a detector 43 (transducer section). That is, for example, each of the detector 41 and the detector 43 includes, as illustrated in FIG. 7, a piezoelectric element 40a that performs mutual conversion between an acoustic signal such as ultrasonic vibration and an electric signal, and the piezoelectric element 40a.
  • the pair of detectors 41 and 42 are arranged on the opposite sides of the axis of the pipe 50 at positions that are shifted upstream and downstream in the flow direction of the fluid 51. It is located on the propagation path of the radiated ultrasonic wave.
  • Z method Such a method of mounting the detector is abbreviated as “Z method” for convenience.
  • the detector 43 is installed so that the ultrasonic wave radiating path passes through the central axis of the pipe 50 and is inclined downstream from the mounting position.
  • the pair of detectors 41 and 42 are connected to the detector switching switch 15, the received signal amplification control unit 11, the AZD conversion unit 12, the propagation time calculation unit 13, and the flow rate calculation unit 14 via the detector switching switch 15. It is connected to a propagation time difference method unit 10 (first flow rate measurement unit) including a transmission pulse generation unit 31 and a transmission / reception timing control unit 32.
  • the transmission pulse power output from the transmission pulse generation unit 31 in synchronization with the transmission start signal 32 a output from the transmission / reception timing control unit 32 is output via the detector switching switch 15.
  • the ultrasonic wave is applied to one of the detectors 41 to oscillate the ultrasonic wave.
  • the detector switch 15 is switched to the detector 42 side to receive the ultrasonic wave reaching the detector 42 and convert it into an electric signal.
  • the AZD converter 12 amplifies the signal by inputting it to the received signal amplification controller 11, and further converts the received signal into digital signal in the AZD converter 12 in synchronization with the AZD sampling clock 32b output from the transmission / reception timing controller 32.
  • the operation input to the arithmetic unit 13 is executed alternately by switching the transmitting side and the receiving side between the detectors 41 and 42 by the switching operation of the detector switching switch 15. [0045] Then, the propagation time calculation unit 13 calculates the fluid 51 based on the propagation delay time of the ultrasonic wave between the detector 41 and the detector 42 via the pipe 50 according to the measurement principle of Figs. 2A to 2C.
  • the flow rate calculating section 14 performs an operation of calculating the flow rate force flow rate and outputting the calculated flow rate through the measurement value output switching switch 34.
  • the detector 43 includes a reception signal amplification control unit 21, an AZD conversion unit 22, a flow velocity distribution calculation unit 23, an integration calculation unit 24, a transmission pulse generation unit 31 common to the propagation time difference method unit 10, and a transmission / reception timing. It is connected to the pulse Doppler system section 20 (second flow rate measurement section) comprising the control section 32.
  • the transmission pulse power output from the transmission pulse generation section 31 is applied to the detector 43 in synchronization with the transmission start signal 32a output from the transmission / reception timing control section 32.
  • the AZD sampling clock 32c output from the transmission / reception timing control unit 32 radiates ultrasonic waves into the pipe 50, and detects and amplifies echo waves reflected by bubbles and the like in the fluid 51 by the reception signal amplification control unit 21.
  • the AZD conversion unit 22 converts the digital signal into a digital signal and inputs the digital signal to the flow velocity distribution calculation unit 23.
  • the flow velocity distribution calculation unit 23 calculates the flow velocity distribution in the pipe 50 according to the principle illustrated in FIGS. 1A to 1C. Then, an operation of converting the flow rate into a flow rate and outputting the converted flow rate to the measured value output switching switch 34 is performed in the integration calculation section 24.
  • a measurement value output switching switch 34 is provided, and through the measurement value output switching switch 34, the propagation time difference method unit 10 and the pulse The output of the Doppler system section 20 is selectively output.
  • the measurement value output switching switch 34, the transmission pulse generation unit 31 and the transmission / reception timing control unit 32 provided in common to the propagation time difference method unit 10 and the pulse Doppler method unit 20
  • the output selection signal 33a and the measurement method selection signal 33b control whether the above-described propagation time difference method unit 10 and pulse Doppler method unit 20 perform the operation of V and deviation, and the like.
  • the measurement state data 13a and the measurement state data 23a are supplied to the measurement method switching control.
  • the measurement method switching control unit 33 Based on this, a determination is made as to the force of the propagation time difference method unit 10 and the pulse Doppler method unit 20 to operate the shift or to operate in parallel.
  • the operation states of the propagation time difference method unit 10 and the pulse Doppler method unit 20 are determined.
  • the measurement method switching control unit 33 controls the propagation time difference method unit 10 and the pulse Doppler method unit 20 and the measurement value output changeover switch 34 to operate either the propagation time difference method unit 10 or the pulse Doppler method unit 20.
  • the flow rate of the fluid 51 in the pipe 50 is measured while switching between flow detection and flow detection.Therefore, the advantages of the transit time difference method part 10 and the pulse Doppler method part 20 are combined, and there is no limit! Flow measurement can be performed with high accuracy.
  • the measurement state data 23a indicates that the measurable range has been exceeded during measurement by the pulse Doppler system unit 20, or that measurement using an ultrasonic echo in which bubbles or impurities are present in the fluid 51 becomes impossible.
  • the propagation time difference method unit 10 is activated, and the output of the measurement value output switch 34 is switched to the propagation time difference method unit 10 to continue the measurement.
  • the measurement method switching control unit 33 grasps the state of the fluid 51 in the pipe 50 from each measurement result based on the measurement state data 13a and the measurement state data 23a, and outputs the output selection signal 33a Control of the transmission pulse generation unit 31 and transmission / reception timing control unit 32, and the switching control of the measurement value output switch 34 by the measurement method selection signal 33b, both the propagation time difference method unit 10 and the pulse Doppler method unit 20 To measure the flow rate in parallel with each other, or switch to the appropriate method, either the propagation time difference method part 10 or pulse Doppler method part 20, so that the measurement range is not affected by the state of the fluid 51. , And high measurement accuracy can be realized.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to another embodiment of the present invention.
  • the configuration of FIG. 4 is different from the configuration of FIG. 3 described above in that a detector switching switch 35 is arranged in front of the reception signal amplification control unit 21 of the pulse Doppler system unit 20, and a pair of detectors of the propagation time difference system unit 10 are used.
  • 41 (first transducer section) and detector 42 (second transducer) This shows an example of reducing the number of detectors by sharing both the transducer section and the Norse Doppler section 20.
  • one pair or both of the pair of detectors 41 and 42 used in the propagation time difference type unit 10 are connected to the pulse Doppler type unit 20 via the detector switching switch 35.
  • the dedicated detector 43 is omitted from the Norse Doppler system unit 20, and the number of detectors is reduced from three in Fig. 3 to two.
  • the pair of detectors 41 and 42 are shifted on the wall surfaces opposite to each other across the center axis of the pipe 50, and are shifted to the upstream side and the downstream side.
  • the other detectors are located on the path of the ultrasonic wave radiated from each of the detector 41 and the detector 42.
  • both of the pair of the detector 41 and the detector 42 are shared by the switching operation of the detector switching switch 35, as shown in FIG.
  • the part from the center of the pipe to the pipe wall on the opposite side Is combined, By obtaining the flow velocity distribution over the entire pipe diameter, accurate flow measurement can be performed even for asymmetric flows.
  • the flow velocity distribution calculation unit is configured to connect the detector switching switch 35 to the detector 41 side and detect the detected flow velocity distribution (the left half of FIG. 5). ) And a detector switching switch 35 connected to the detector 42 to calculate the detected flow velocity distribution (the right half in FIG. 5).
  • the flow velocity distribution calculation section 23-1 or the flow velocity distribution calculation section 23-2 is selected by the selection signal 32d from the transmission / reception timing control section 32.
  • an input switch 23-3 for switching whether to operate the shift.
  • the flow velocity distribution calculation unit 23-1 is operated to operate the flow velocity distribution calculation unit 23-1 on the far side from the detector 41.
  • the flow velocity distribution 51a in the cross-sectional area is measured and connected to the detector 42
  • the flow velocity distribution 5lb in the half cross-sectional area on the far side of the detector 42 is measured, and the flow velocity distribution The flow rate is calculated based on the flow velocity distribution 51c of the entire cross-sectional area obtained by adding the flow velocity distributions of the calculation unit 23-1 (detector 41) and the flow velocity distribution calculation unit 23-2 (detector 42), and the flow rate is measured.
  • Output is the flow velocity distribution 51c of the entire cross-sectional area obtained by adding the flow velocity distributions of the calculation unit 23-1 (detector 41) and the flow velocity distribution calculation unit 23-2 (detector 42), and the flow rate is measured.
  • the pair of detectors 41 and 42 required for the propagation time difference method of the propagation time difference method unit 10 are connected to the detector switching switch 35.
  • the pulse Doppler method unit 20 using the pulse Doppler method which reduces the accuracy of the flow velocity distribution measurement near the detector, which is a technical problem of the pulse Doppler method when a single detector is used. Is compensated for by adding the measurement data obtained by the detector 41 and the detector 42, thereby improving the measurement accuracy.
  • the detector 42 ( Alternatively, by connecting the detector 41) to the propagation time difference method unit 10 and receiving the acoustic signal, the measurement of the flow rate distribution by the propagation time difference method unit 10 can be performed in parallel with the measurement processing on the side of the noise Doppler method unit 20. Can be done.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a configuration of an ultrasonic flowmeter according to still another embodiment of the present invention
  • FIGS. 7 and 8 are conceptual diagrams illustrating an example of the operation thereof.
  • a detector 41 is arranged on the same side of the pipe 50 in the axial direction on the downstream side, and a detector 42 is arranged on the upstream side.
  • the propagation path force of the ultrasonic waves radiated from the detector 41 and the detector 42 crosses the central axis of the pipe 50 and is reflected on the opposite wall surface to form a V-shape.
  • V method Such a method of arranging the detectors is abbreviated as “V method” for convenience.
  • the propagation time difference method unit 10 transmits an ultrasonic wave from the detector 41, reflects the acoustic wave on the opposite wall surface, and enters the acoustic signal to the other detector 42. And the flow velocity distribution of the fluid 51 in the pipe 50 is measured.
  • the detector 41 and the detector 41 are set by the detector switching switch 35.
  • the detector 42 and the detector 42 an operation of measuring a flow velocity distribution as described later is performed.
  • the flow velocity V (flow direction) of the fluid 51 is parallel to the axis of the pipe 50 as shown in FIG.
  • the flow velocity is obtained by using the wave number f c V ⁇ 5 ⁇ ⁇ .
  • the flow direction (flow velocity V) of the fluid 51 is parallel to the axial direction of the pipe 50.
  • the flow velocity distribution a is given by equation (8), and the measured flow velocity value includes an error component: V-cos ⁇
  • [Expression 9] -V ft -sin9 f + V ft - cose f ... 0) Therefore, as in the embodiment of FIG. 6, mounted at the detector 41 and detector 42 "V method" In such a case, both the pair of detectors 41 and 42 are shared by the propagation time difference method unit 10 and the pulse Doppler method unit 20, and the difference in the flow velocity distribution measured by each detector is obtained. This cancels the radial component V and calculates only the axial flow velocity distribution.
  • the flow rate can be measured with high accuracy.
  • the flow velocity distribution ⁇ of the equation (8) by one detector 41 and the flow velocity distribution ⁇ of the equation (9) by the other detector 42 are calculated by the pulse Doppler method.
  • the pulse Doppler method part 20 of the pulse Doppler method and the pulse Doppler method part 20 of the propagation time difference method depend on the state of the fluid 51 flowing through the pipe 50.
  • the flow rate measurement can be performed by parallel or switching the propagation time difference method sections 10, and the measurement accuracy and the measurable range can be improved.
  • the number of necessary detectors is reduced, the product cost of the ultrasonic flow meter is reduced, and the installation work of the detectors is reduced. Simplified dangling can be realized.
  • the pulse Doppler method unit 20 that requires at least one detector is shared by the pulse Doppler method unit 20 that requires at least one detector.
  • the measurement of the flow rate by the pulse Doppler method when there is an asymmetric flow ⁇ radial component flow while suppressing the cost increase by combining the measurement results of multiple flow velocities measured using individual detectors Accuracy can be increased.
  • the propagation time difference method and the pulse Doppler method are used as the flow rate detection method using ultrasonic waves.
  • the present invention is not limited to this, and the flow velocity of the fluid using ultrasonic waves may be used. Also, it can be widely applied to ultrasonic flow measurement technology for measuring flow.
  • FIG. 9 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic flow meter 101 of the present invention has both a pulse Doppler type measurement system (110 + 130) and a propagation time difference type measurement system (111 + 140) to achieve pulse Doppler type flow measurement. It is possible to carry out flow rate measurement by the propagation time difference method in parallel.
  • the ultrasonic flow meter 101 is an electric Z ultrasonic transducer (hereinafter, referred to as an ultrasonic transducer) that is attached to the outer wall of a pipe through which a fluid to be measured passes for performing pulse Doppler flow measurement.
  • an ultrasonic transducer an electric Z ultrasonic transducer (hereinafter, referred to as an ultrasonic transducer) that is attached to the outer wall of a pipe through which a fluid to be measured passes for performing pulse Doppler flow measurement.
  • 110 a pair of transducers 11 lu and 11 Id attached to opposing outer walls on the upstream and downstream sides of the pipe to perform flow time difference flow measurement
  • the transmission / reception timing control unit 120 and the transmission / reception timing control unit 120 that control the timing of the transmission noise supplied to the above-described transducers 110 and 111 and the processing timing of the received signal from the transducer.
  • a transmission pulse generator 122 generates a transmission pulse to the transducers 110 and 112 in accordance with the transmission activation signal of the transmitter.
  • Transformer for formula measurement Received signal power from transducer 110 Doppler frequency detector 130 that detects the Doppler frequency, received signal processor 140 that processes the received signal from transducer 111 for measuring the propagation time difference method, The switch SW for switching, and the arithmetic control unit 150 that calculates the flow rate of the real part data and the imaginary part data from the Doppler frequency detection unit 130 and also calculates the flow rate from the data passed from the reception signal processing unit 140 .
  • the arithmetic control unit 150 is a microcomputer including a CPU (Central Information Processing Unit) not shown, and typically operates under the control of a program stored in a ROM (Read Only Memory) to operate the ultrasonic flow meter. Controls the entire 101.
  • the transmission / reception timing control unit 120 can be easily realized by using a power that can be configured by individual components, for example, PAL (programmable array logic).
  • the Doppler frequency detector 130 includes an amplifier 131 for amplifying a signal from the transducer 110, a quadrature detector 132 having an input connected to the output of the amplifier 131, a quadrature detector 132, a real part data output and an imaginary part. It consists of a pair of filters 133 R and 1331 respectively connected to the data output, and a pair of analog Z digital (AZD) converters 134 R and 1341 connected to filters 133 R and 1331 respectively. Further, received signal processing section 140 includes amplifier 131P similar to amplifier 131 and AZD translator 134P.
  • the arithmetic and control unit 150 sends a flow measurement start instruction MS to the transmission and reception timing control unit 120.
  • the transmission / reception timing control unit 120 outputs the transmission pulse TD for pulse Doppler measurement and the first transmission pulse for propagation time difference measurement (that is, for example, a transmission pulse given to the upstream transducer 11 lu) TP1.
  • An instruction to transmit is given to the transmission pulse generator 122, and the transmission pulse generator 122 immediately transmits and outputs the transmission pulses TD and TP1.
  • the pulse Doppler flow measurement and the propagation time difference flow measurement are started simultaneously.
  • the flow rate calculation process of the pulse Doppler method performed by the Doppler frequency detection unit 130 and the arithmetic control unit 150 may be performed by any flow rate calculation method including a flow rate calculation method to be devised in the future, as well as a conventional method. .
  • the flow rate calculation processing of the propagation time difference method performed by the reception signal processing unit 140 and the arithmetic control unit 150 not only uses the conventional method but also the flow method to be devised in the future. Any flow rate calculation method may be used, including the amount calculation method.
  • the pulse Doppler flow measurement when a transmission pulse TD is applied to the transducer 110, an ultrasonic signal is transmitted from the transducer 110 into the pipe, and this echo is converted into an electric signal by the transducer 110. Which is extracted from the transducer 110 as a received signal RD.
  • the received signal RD is input to the Doppler frequency detector 130, where the Doppler frequency is detected.
  • the arithmetic control unit 150 calculates the flow velocity distribution and the flow rate based on the data received from the Doppler frequency detection unit 130.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of the flow rate measurement operation of the transmission time difference method performed by the transmission pulse generator 122, the transducers 11 lu and 11 Id, and the reception signal processing unit 140.
  • the common terminal of the switch SW is connected to the contact a (step 202), and the transmission pulse generator 122 transmits the first transmission pulse TP1 (step 204).
  • an ultrasonic pulse is output from the upstream transducer 11 lu to the downstream transducer 11 Id (step 206).
  • the common terminal of the switch SW is connected to the contact b (step 208), the reception signal RP1 from the transducer 11 Id is sampled at predetermined intervals by the reception signal processing unit 140, and AZD conversion is performed. This is passed to the arithmetic and control unit 150 (step 210). After the AZD conversion is completed (step 212), the transmission pulse generator 122 transmits the second transmission pulse TP2 (step 214). As a result, an ultrasonic pulse is output from the downstream transducer 11Id to the upstream transducer 11lu (step 216).
  • the common terminal of the switch SW is connected to the contact a again (step 218), and the received signal RP2 from the transducer 11 lu is sampled at predetermined intervals by the received signal processing unit 140 and subjected to AZD conversion.
  • the result is passed to the arithmetic and control unit 150 (step 220).
  • the AZD conversion is completed (step 222)
  • the flow velocity and the flow rate are calculated based on the data received from the reception signal processing unit 140.
  • the ultrasonic flow meter 101 in FIG. 9 is completely equipped with a pulse Doppler measurement system (1 10 + 130) and a propagation time difference measurement system (111 + 140). Therefore, it is possible to perform the pulse Doppler flow measurement and the propagation time difference flow measurement at the same time.
  • FIG. 11 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic flow meter 102 according to the present embodiment has a switch SW1 added instead of the transducer 110 for pulse Doppler measurement being removed, the switch SW is replaced with SW2, and the transmission / reception timing control unit has a It is the same as the ultrasonic flow meter 101 in FIG. Therefore, only the differences will be described.
  • the contacts “a” and “b” of the switch SW2 instead of the switch SW are also connected to the contacts “a” and “b” of the switch SW1, respectively.
  • the common terminal of the switch SW1 is connected to the input terminal of the transmission signal TD output terminal and Doppler frequency detector 130 of the transmission pulse generator 12 2.
  • the a contacts of the switches SW1 and SW2 are connected to the upstream transducer 11 lu, and the b contacts of the switches SW1 and SW2 are connected to the downstream transducer 11 Id.
  • the Doppler frequency detection unit 130 and the reception signal processing unit 140 are combined, and the pair of transducers 11 lu and 11 Id are used for measurement of the propagation time difference method. Signal switching by switch SW1 is necessary so that it can be used for Doppler flow measurement.
  • the arithmetic and control unit 150 sends a flow measurement start instruction MS to the transmission and reception timing control unit 120a.
  • the transmission / reception timing control unit 120a gives an instruction to the transmission pulse generator 122 to transmit a transmission pulse TD (TP1) shared by the Norse Doppler method and the propagation time difference method to the transmission pulse generator 122.
  • the generator 122 immediately transmits and outputs the transmission pulse TD and TP1.
  • pulse Doppler flow measurement and propagation time difference flow measurement are started simultaneously.
  • the transmission / reception timing control unit 120a connects the common terminal of the switch SW1 to the contact a as an initial setting (hereinafter, simply referred to as “switching the switch SW1 to the a side”), and sets the switch SW2 to the b side. Switch to.
  • the transmission signal TD and TP1 are output from the transmission pulse generator 122.
  • this signal is supplied to the upstream transducer 11 lu from the contact a of the switch SW1 (hereinafter simply referred to as “SWla”).
  • SWla the upstream transducer 11 lu from the contact a of the switch SW1
  • the received signal RP1 sensed and converted by the downstream transducer ll ld is supplied from the switch SW2 to the input terminal of the received signal processing unit 140 via the contact SW2b, and is used for flow rate measurement by the propagation time difference method. .
  • the ultrasonic pulse returned to the transducer 11 lu is converted into an electric signal to become a received signal RD, which is supplied from the switch SW1 to the input terminal of the Doppler frequency detection unit 130 via the contact a of the switch SW1. Used for pulse Doppler flow calculation.
  • the transmission / reception timing control unit 120a switches the switch SW1 to the b side and switches the switch SW2 to the a side.
  • the transmission pulse generator 122 generates a transmission signal TD for pulse Doppler measurement (this also serves as a second transmission signal TP2 used in flow rate measurement using the propagation time difference method).
  • the signal TD is output as an ultrasonic pulse from the transducer 11 Id. This ultrasonic pulse is converted into an electric signal by the transducer 11 lu on the upstream side and becomes a received signal RP2.
  • the reception signal RP2 is supplied from the switch SW2 to the input terminal of the reception signal processing unit 140 via the contact a of the switch SW2, and is used together with the above-described RP1 for the flow rate calculation of the propagation time difference method.
  • the ultrasonic pulse output from the transducer 11 Id is scattered by bubbles in the fluid, and a part of the scattered wave returns to the transducer 11 Id as an echo and is switched as an echo signal of the transmission pulse TD.
  • the signal is supplied to the Doppler frequency detection unit 130 via the contact b of SW1.
  • the measurement by the Norse Doppler method is performed twice in one measurement cycle, but may be performed only once.
  • the transmission noise generator 122 only needs to have a function of generating one kind of pulse in order to perform both methods simultaneously and in parallel.
  • the transmission pulse generator 122 is connected to the output terminal of the pulse Doppler system and the output terminal of the propagation time difference system. The terminals are shown.
  • FIG. 13 is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic flow meter 103 of the present embodiment has the switch SW2 and the reception signal processing unit 140 removed, the transmission / reception timing control unit is replaced by 120a to 120b, and the transmission pulse generator is replaced by 122.
  • the ultrasonic flowmeter 102 in FIG. 11 except that the ultrasonic flowmeter 102 is replaced by 122a and the Doppler frequency detector is further replaced by 130 to 130a. Therefore, only the differences will be described.
  • the Doppler frequency detector 130a has the same configuration as that of the switch 133 except that the switch SW3 is inserted between the filter 133R and the A / D converter 134R and the switch SW4 is inserted between the filter 1331 and the AZD converter 134. This is the same as the Doppler frequency detector 130.
  • the amplifier and the AZD converter of the Doppler frequency detector are used for both the pulse Doppler method and the propagation time difference method. Therefore, both types of measurement signal processing cannot be performed simultaneously and in parallel.However, either type can be selected alternately, or either type can be selected by a switching instruction from a higher-level system such as a microcomputer, and flow measurement can be performed. Can be performed.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing the states of switches SW1, SW3, and SW4 in the operation of ultrasonic flow meter 103 of the present embodiment.
  • all the switches SW1, SW3 and SW4 are switched to the a side.
  • the circuit composed of the transducer ll lu, the switch SW1, and the Doppler frequency detector 130a becomes the same as the circuit composed of the transducer 110 and the Doppler frequency detector 130 in FIG. This indicates that pulse Doppler measurement is possible.
  • the switches SW3 and SW4 are switched to the a side and the switch SW1 is switched to the b side, pulse Doppler measurement using the downstream transducer 11 Id becomes possible. You.
  • both switches SW3 and SW4 may be switched to the b side.
  • the circuit consisting of switch SW1, amplifier 131, switch SW4, and AZD converter 1341 is the same as the circuit consisting of switch SW, amplifier 131P, and A / D converter 134P in Fig. 9; You can see that it is possible.
  • the switching control is performed on the switch SW1 in exactly the same manner as the switch SW of FIG.
  • SW3 is not required for the switch function, it is desirable to make the signal paths to the AZD converters of the sine and cosine components after the quadrature detection equal, so they are shown in this embodiment.
  • FIG. 15A is a schematic block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic flowmeter according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the transmission / reception timing control unit is replaced by 120b to 120c
  • the switch SW1 is replaced by a 6-contact alternative switch SWla
  • the transducer pairs 112 and 113 are added. Except for this point, it is the same as the ultrasonic flow meter 103 in FIG. Therefore, only the differences will be described.
  • the pair of transducers 111, 112 and 113 are arranged at substantially equal intervals around the pipe.
  • 6-contact selection switch SWIOla is a switch with one common terminal and 6 contacts.
  • switch SWla considers the partial switches SWl-11, SW1-12 and SW1-13 for transducer pairs 111, 112 and 113 to be integral.
  • the contact connected to the transducer on the upstream side of the partial switch SW1-11 is represented as SW1-1 lu
  • the contact connected to the transducer on the downstream side is represented as SW1-1 Id.
  • pulse Doppler measurement and propagation time difference measurement are performed on each of the transducer pairs 111, 112, and 113.
  • both SW3 and SW4 are switched to the a side, and switch SW1-T is switched to, for example, the SWl-Tu side.
  • the circuit composed of the upstream-side transducer Tu, the switch SWla, and the Doppler frequency detector 130a is the same as the circuit composed of the transducer 110 and the Doppler frequency detector 130 in FIG. It can be seen that is possible.
  • Doppler measurement is possible even when the switch SW1-T is switched to the SW1-Td side and the downstream transducer Td is used.
  • both switches SW3 and SW4 may be switched to the b side.
  • the circuit consisting of switch SW1-T, amplifier 131, switch SW4 and A / D converter 1341 becomes the same as the circuit consisting of switch SW, amplifier 131P and AZD converter 134P in Fig. It is clear that is possible.
  • the switching control exactly the same as the switch SW in Fig. 10 is performed on the switch SW1-T (however, u and d for distinguishing the contacts correspond to a and b, respectively). Do).
  • the echo signal force due to the first transmission pulse of each measurement period using the transducer 11 lu is measured by the pulse Doppler method. Echo signal power is also pulsed You can also do the puller measurement.
  • the switching method of the power type which is an example in which the pulse Doppler method and the propagation time difference method are alternately switched, may be considered in various other ways.
  • the operation control unit 150a can receive a method switching command or signal from the outside (for example, from a user or a higher-level system), and the operation control unit 150a responds to this method switching command or signal by controlling the transmission / reception timing.
  • the unit 120b may switch the method.
  • the operation control unit 150 receives the system switching command or signal from the host system), and in response to the system switching command or signal, the operation control unit 150a sends the transmission / reception timing control unit the pulse Doppler system and the propagation time difference.
  • the method and the flow measurement mode for both methods may be switched at the same time.
  • the present invention it is possible to measure the flow rate of a fluid over a wide range and with high accuracy without being affected by the state of the fluid such as the flow rate and the amount of bubbles.
  • both types of flow measurement can be performed, so that high-precision measurement can be performed over a wide range of flow velocity. Flow rate measurement becomes possible.

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Abstract

　検出器切替スイッチを介して検出器および検出器に接続される受信信号増幅制御部～流量演算部からなる伝播時間差方式部と、検出器に接続される受信信号増幅制御部～積分演算部からなるパルスドップラー方式部と、これらに共通の送受信タイミング制御部と、伝播時間差方式部とパルスドップラー方式部の切換や並列動作を制御する計測方式切替制御部と、伝播時間差方式部とパルスドップラー方式部の出力を選択する計測値出力切替スイッチを備え、測定範囲に制約のない伝播時間差法による流量測定と、測定範囲の上限はあるが高精度なパルスドップラー法による流量測定の双方を一つの流量計で可能とした。

Description

明 細 書
超音波流量計および超音波流量測定方法
技術分野
[0001] 本発明は、測定対象の流体に超音波を照射して流体の流量を計測する超音波流 量計に関し、特に多様な流体の流量計測等に適用して有効な超音波流量計および 超音波流量測定方法に関する。
背景技術
[0002] 配管の外壁に検出器を設置して、管の外側力 管内を流れる流体に超音波を投射 し、超音波が流体内部を伝播する際の変化を計測して配管内部の流量を測定するク ランプオンタイプの超音波流量計は、既設配管であっても特別な設置工事が不要、 流体の温度や圧、腐食性等の影響を受けな 、などの多くの利点を持って 、る。
[0003] このような超音波流量計における流量計測方法としては、パルスドップラー法と伝 播時間差法が知られて 、る。
ノ ルスドップラー法の流量計測は、図 1Aに示されるように、少なくとも 1つの送受信 一体型の検出器を有し、計測対象となる液体中に超音波パルスを放射し、流体中に 混在する気泡などの異物によって反射された超音波エコー波を受信する。このェコ 一波の周波数が、流速に比例した大きさだけシフトする原理を応用したものである。 このエコー波は、流体の検出器に近い部分からは早い時間で、遠くなるにつれ遅れ て帰ってくるので、これを利用して測線上の位置での流速の分布 Vxが得られ、これ を式（1)のように配管の全断面 (A)につ 、て積分することにより流量が得られる。
[0004] [数 1]
Figure imgf000003_0001
本法は後述の伝播時間差法と比較して、高精度 ·高速応答が可能で、かつ耐気泡 性に優れている。し力しその反面、不純物が少ない流体では計測できなくなり、計測 可能流速範囲に制約があるという技術的課題がある。
[0005] この計測可能範囲については特許文献 1に記載がある。すなわち計測可能最大流 速 V は、
MAX
[0006] [数 2]
VMAX≤Cf 2/(8.D.f。.sinef) … (2) となる。ただし、 C：流体の音速、 D:配管の内径、 f ：超音波の送信周波数である。
f 0
[0007] これはパルスドップラー法は、図 1Bおよび図 1Cに示されるように、繰り返し周波数 f にてドップラーシフト周波数 f をサンプリングして f を求めているためで、サンプリン prf d d
グ定理より、
[0008] [数 3]
V prf = Id (3) となる必要がある。また、配管の測線上の全域の流速分布を測定するためには、配 管の反対管壁部力 のエコー波が返ってくるまで次の測定を行うことができないので
[0009] [数 4]
Vprf ≤Cf/(2.D) ... (4) となる必要がある。更に、ドップラーシフト周波数 f は、測定流体の流速が Vのとき、 d f
[0010] [数 5] fd-2-Vf .sin0f -f0/Cf ... (5) となる。式 (3)—（5)を組み合わせると、式 (2)となり、測定可能流速に上限があること が分かる。
[0011] ノルスドップラー法のもう一つの課題として検出器側の管壁部分の流速を正常に検 出できない点が挙げられる。すなわち、パルスドップラー法の流量計測では、少なくと も 1つの送受信一体型検出器を用いれば流速分布が測定可能であるが、検出器側 の管壁近傍部分では流速測定精度が低下し、このため、たとえば、特許文献 2では、 正常に検出された反対側の管壁部分の流速分布を検出器の装着側の管壁部分ま で外挿して流体の流量を求める方法が開示されている。また、特許文献 3では、計測 した流速分布に対し流体断面の中央にて 2分割して 2つの分割分布を作成し、ばら つきの小さい分割分布を 2倍して流体断面全体の流量を求める方法が開示されてい る。
[0012] しかし、これらの方法は、いずれも流体の流れが凸型で対称な流れを想定しており 、流れの曲がりや合流などの非対称な流れの場合には、流量計測精度が低下する。 また、流れに軸方向成分しかないことを想定しており、流れの曲がりや合流などにより 径方向成分が生じると、やはり流量計測精度が低下する。
[0013] 一方、伝播時間差法は、図 2Aに示されるように、 1対の送受信一体型検出器を有 し、上流側から下流側への超音波伝達時間 T1 (図 2B参照）と下流側から上流側へ の超音波伝達時間 T2 (図 2C参照）とを比較して、式 (6)および式（7)により、平均流 速 Vと、流量 Qを算出する方式である。
[0014] 園
V = ^1
[0015] [数 7]
Figure imgf000005_0001
ただし、 Δ Τ=Τ— T、D :配管の直径、 Θ ：超音波の流体に対する入射角、 T：静
2 1 f 0 止水での伝播時間（= (Τ +Τ ) Ζ2)、 τ：配管壁および楔内での伝播時間、 Κ :平
1 2
均流速の換算係数である。
[0016] 本方式は上述のノ ルスドップラー法と比較して、精度が低い、応答が遅い、気泡や 不純物に弱 ヽと 、つた問題があるが、気泡や不純物の無 、流体でも測定ができる、 パルスドップラー法のような計測可能範囲の制約が無 、と 、う長所がある。
[0017] このように、流量計測において、パルスドップラー法と伝播時間差法は一長一短あ る力 従来は、流量計単体としてパルスドップラー法力伝播時間差法のいずれかの 方法で計測を行なっていたため、計測対象の流体の速度、気泡量などの状況により 、計測精度が低下したり、計測ができなくなるという技術的課題があった。
特許文献 1：特開 2004— 12205号公報
特許文献 2 :特開平 10- 281832号公報
特許文献 3：特開 2004— 12204号公報
発明の開示
[0018] 本発明の目的は、流速や気泡量等の流体の状態に影響されることなぐ計測精度 および計測可能範囲を向上させることが可能な超音波流量計および超音波流量測 定方法を提供することにある。
[0019] 本発明の他の目的は、超音波流量計における製造コストの削減および検出器の設 置の簡略ィ匕を実現することにある。
本発明の他の目的は、コスト増を抑制しつつ、単一の検出器を用いる場合のパル スドップラー法に固有の技術的課題を解消して、流量の計測精度の向上を実現する ことにある。
[0020] さらに、本発明は、計測対象の流体の速度分布や気泡量などの状況に応じて両方 式を切り替えることにより流速の広い範囲にわたり高精度の流量計測を可能とする流 量計測方法および装置を提供することを目的とする。
[0021] 本発明の第 1の観点は、超音波を用いて互いに異なる測定原理にて配管中の流体 の流量測定を行う複数の流量計測部を具備した超音波流量計を提供する。
本発明の第 2の観点は、超音波を用いて互いに異なる測定原理にて配管中の流体 の流量測定を行う複数の流量計測部と、前記配管に装着され音響信号と電気信号 の相互変換を行うとともに複数の前記流量計測部にて共用されるトランスデューサ部 と、を具備した超音波流量計を提供する。
[0022] 本発明の第 3の観点は、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する 第 1の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する 第 2の流量計測部と、測定対象の流体が流通する前記配管に装着され、各々が音響 信号と電気信号の相互変換を行う複数の第 1および第 2のトランスデューサ部と、前 記トランスデューサ部を前記第 1の流量計測部および前記第 2の流量計測部に共用 させるためのトランスデューサ切替手段と、を備えた超音波流量計を提供する。 [0023] 本発明の第 4の観点は、超音波を用いて配管中の流体の流量測定を行う超音波流 量測定方法であって、前記配管に装着され音響信号と電気信号の相互変換を行う 複数のトランスデューサ部を、互いに異なる測定原理を用いる複数の流量計測部に て共有し、個々の前記流量計測部に対する前記トランスデューサ部の接続を切り換 えて流量計測を行う超音波流量測定方法を提供する。
[0024] 複数の超音波流量計は、たとえば、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量 を検出する第 1の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量 を検出する第 2の流量計測部からなる構成とすることができる。
[0025] そして、二つの検出器を必要とする伝播時間差法に用いられる一対の検出器の少 なくとも一方を、少なくとも一つの検出器で動作可能なパルスドップラー法で利用可 能なように、検出器切替部を設けることができる。
[0026] 一対の検出器は、配管の軸を挟んで互いに反対側の位置に、流体の流通方向に 互いにずれた位置に配置する構成とすることができる。あるいは、一対の検出器を、 配管の同一側面側に、流体の流通方向に沿って離間した位置に配置する構成とす ることちでさる。
[0027] このように、本発明の超音波流量計では、測定原理の異なる第 1の流量計測部と第 2の流量計測部を備えて、互いに独立に、あるいは両方を同時併用する構成とした ので、互いに他の方法の欠点を補い合って、流速や気泡等の測定対象の流体の多 様な状態に影響されることなぐ流体の流量を広範隨こかつ高精度に測定することが 可會 になる。
[0028] また、検出器を複数の測定法で共用することで、検出器の数量を削減でき、検出器 の製造コストや設置コストを削減でき、低コストにて流体の流量を広範囲にかつ高精 度に測定することが可能になる。
[0029] また、一対の検出器の双方を共有ィ匕してパルスドップラー法の計測を行い、双方の 検出器を用いた場合の測定結果を組み合わせることにより、コスト増を抑えつつ、単 一の検出器を用いる場合の、検出器の配置側の管壁近傍の測定精度の低下を防止 して、流量の計測精度を高めることが可能になる。
[0030] さらに、本発明の第 5の観点は、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方 式の流量計測とを同時並列的に行うことができる超音波流量計を与える。本超音波 流量計は、伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも 1対の電気 Z超音波トラ ンスデューサと、少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデューサにパルスドップラー 方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とに必要なパルス信号を与えるハー ドウエア手段 (例えば、送受信タイミング制御部とパルス発生器力もなる）と、 1対の電 気 Z超音波トランスデューサを含む任意のトランスデューサ力 得られる受信信号か らドップラー周波数を検出する検出回路と、 1対のトランスデューサにより上流力 下 流への超音波パルス送信で得た第 1の受信信号と下流力 上流への超音波パルス 送信で得た第 2の受信信号とを増幅し、アナログ Zデジタル変換を行う変換回路と、 検出されたドップラー周波数力 パルスドップラー方式により流量を算出し、かつ変 換回路の出力から伝搬時間差方式により流量を算出する制御手段とを備えることを 特徴とする。
[0031] 後述の第 4の実施の形態では、パルスドップラー方式の流量計測専用の第 2の電 気 Z超音波トランスデューサをさらに備え、ハードウェア手段は、 1対の電気 Z超音 波トランスデューサと第 2の電気 Z超音波トランスデューサの両方に送信ノ ルス信号 を与え、検出回路は、第 2の電気 Z超音波トランスデューサ力 得られる受信信号か らドップラー周波数を検出する。
[0032] 後述の第 5の実施の形態では、前記の少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデュ ーサは 1対のみであり、 ハードウェア手段のパルスドップラー方式用のパルス信号 出力および変換手段の入力と 1対のみの電気 Z超音波トランスデューサの一方のト ランスデューサとの間に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続 するスィッチ手段をさらに備え、検出回路は、一方のトランスデューサから出力された 超音波パルスのエコーである受信信号からドップラー周波数を検出する。
[0033] 制御手段およびノヽードウエア手段は、連携して、外部力 のコマンドまたは信号に 応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モ ードを切り替えてもよい。
[0034] さらに、本発明の第 5の観点は、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方 式の流量計測とを切り替えて実施することができる超音波流量計を与える。本超音波 流量計は、伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも l対の電気 Z超音波トラ ンスデューサと、唯一の出力端子を備え、この出力端子から、 1対の電気 Z超音波ト ランスデューサに伝搬時間差方式の流量計測に必要なパルス信号を与え、 1対の電 気 Z超音波トランスデューサの一方にパルスドップラー方式の流量計測に必要なパ ルス信号を生成出力するパルス生成手段と、 1対の電気 Z超音波トランスデューサを 含む任意の 1つのトランスデューサを用いて、パルスドップラー方式の流量計算に必 要なドップラー周波数を検出する検出回路と、以上の資源により、上流から下流への 超音波パルス送信により得た第 1の受信信号と下流力 上流への超音波パルス送信 により得た第 2の受信信号との増幅およびアナログ Zデジタル変換を可能とする切り 替え手段（=送受信タイミング制御部）と、検出されたドップラー周波数力 パルスドッ ブラー方式により流量を算出し、かつアナログ Zデジタル変換の結果力 伝搬時間 差方式により流量を算出する制御手段とを備えることを特徴とする。
[0035] 後述の第 6の実施の形態では、検出回路が、その前方の段に増幅器を備え、かつ 後方の段に実部データおよび虚部データをそれぞれ処理する 1対のアナログ Zデジ タル変換器を備え、切り替え手段が、 1対のアナログ Zデジタル変換器の直前に挿 入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続し、伝搬時間差方式の計 測期間は、増幅器の出力を 1対のアナログ Zデジタル変換器の一方の入力に接続 する 1対の 2択スィッチ手段を含み、共通端子がハードウェア手段の前記唯一の出力 端子および変換手段の入力端子に接続され、 1対の接点が 1対のみの電気 Z超音 波トランスデューサのそれぞれ接続された第 2のスィッチ手段をさらに備え、切り替え 手段は、 1対のスィッチ手段および第 2の 2択スィッチ手段の切り替え制御を行い、パ ルスドップラー方式の計測期間中は、増幅器の入力を前記一方のトランスデューサ に接続し、伝搬時間差方式の計測期間は伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従 つて第 2のスィッチ手段を切り替える。
[0036] 後述の第 7の実施の形態では、前記の少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデュ ーサは、複数対のトランスデューサであり、第 2のスィッチ手段は、前記複数の 2倍の 接点を有する択一スィッチであり、前記複数の 2倍の接点は、前記複数対のトランス デューサに 1対 1に接続され、切り替え手段は、前記複数対のトランスデューサの各 対にパルスドップラー方式の計測期間と伝搬時間差方式の計測期間とを割り当て、 各対に対して、パルスドップラー方式の計測期間中は、増幅器の入力が当該トランス デューサ対の一方に接続され、伝搬時間差方式の計測期間は増幅器と当該トランス デューサ対とが伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って接続されるように第 2の スィッチ手段を切り替える。
[0037] 制御手段および切り替え手段は、連携して、外部力 のコマンドまたは信号に応じ て、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計測モード を切り替えてもよい。
図面の簡単な説明
[0038] [図 1A]超音波を用いたパルスドップラー法による流量測定の原理を説明する概念図 である。
[図 1B]超音波を用いたパルスドップラー法による流量測定の原理を説明する概念図 である。
[図 1C]超音波を用いたパルスドップラー法による流量測定の原理を説明する概念図 である。
[図 2A]超音波を用いた伝播時間差法による流量測定の原理を説明する概念図であ る。
[図 2B]超音波を用いた伝播時間差法による流量測定の原理を説明する線図である。
[図 2C]超音波を用いた伝播時間差法による流量測定の原理を説明する線図である
[図 3]本発明の一実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図であ る。
[図 4]本発明の他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念図で ある。
[図 5]その作用の一例を示す概念図である。
[図 6]本発明のさらに他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示すプロ ック図である。
[図 7]その作用の一例を説明する概念図である。 [図 8]その作用の一例を説明する概念図である。
[図 9]本発明の第 4の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図で ある。
[図 10]送信ノルス発生器 122、トランスデューサ 11 lu、 11 Idおよび受信信号処理 部 140が行う伝搬時間差方式の流量計測動作の例を示すフローチャートである。
[図 11]本発明の第 5の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図で ある。
[図 12]本発明の第 5の実施の形態により両方式の計測動作を同時に並行して行う過 程におけるスィッチの状態と信号のタイミングを示す図である。
[図 13]本発明の第 6の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図で ある。
[図 14]本発明の第 6の実施の形態の超音波流量計 103の動作におけるスィッチ SW 1、 SW3および SW4の状態を示す説明図である。
[図 15A]本発明の第 7の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図 である。
[図 15B]本発明の第 7の実施の形態による超音波流量計におけるトランデュ一サの配 置例を示す略断面図である。
[図 15C]本発明の第 7の実施の形態による超音波流量計におけるトランデュ一サの配 置例を示す略断面図である。
[図 16]本発明の第 7の実施の形態により、トランスデューサ対の 1つ（例えば、 T= l l 1, 112orl l3)に対して行われる超音波流量計 104の動作における、スィッチ SW1 a、 SW3および SW4の状態を示す説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0039] 以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の 説明では、各図および各実施の形態に共通する構成要素には同一の符号を付して
、重複した説明は割愛する。
[0040] 〔第 1の実施の形態〕
図 3は、本発明の一実施の形態である超音波流量測定方法を実施する超音波流 量計の構成の一例を示す概念図である。
[0041] 本実施の形態の超音波流量計は、測定対象の流体 51が流通する配管 50に装着 され、各々が超音波の送受信器として機能する圧電素子等を備えた複数の検出器 4 1、検出器 42、検出器 43 (トランスデューサ部）を備えている。すなわち、検出器 41一 検出器 43の各々は、一例として、図 7に例示されるように、超音波振動等の音響信号 と電気信号の相互変換を行う圧電素子 40aと、この圧電素子 40aと配管 50の外壁面 との間に介在し、圧電素子 40aで発生した超音波振動を所定の入射角度で配管 50 に伝達し、配管 50側の超音波振動を圧電素子 40aに伝達する楔体 40bで構成され ている。
[0042] 一対の検出器 41および検出器 42は、配管 50の軸を挟んで互いに反対側に、流 体 51の流通方向に上流側および下流側にずれた位置に配置されており、互!、に他 力 放射される超音波の伝播経路上に位置している。このような検出器の取り付け方 を、便宜上" Z法"と略称する。
[0043] また、検出器 43は、超音波の放射経路が、配管 50の中心軸を通り、その装着位置 から下流側に傾斜するように設置されて 、る。
一対の検出器 41および検出器 42は、検出器切替スィッチ 15を介して、当該検出 器切替スィッチ 15、受信信号増幅制御部 11、 AZD変換部 12、伝播時間演算部 13 、流量演算部 14と、送信パルス生成部 31および送受信タイミング制御部 32からなる 伝播時間差方式部 10 (第 1の流量計測部）に接続されている。
[0044] この伝播時間差方式部 10では、送受信タイミング制御部 32から出力される送信起 動信号 32aに同期して送信パルス生成部 31から出力される送信パルス電力を検出 器切替スィッチ 15を介して一方の検出器 41に印加して超音波を発振させ、その直 後に、検出器切替スィッチ 15を検出器 42側に切り換えて当該検出器 42に到達する 超音波を受信して電気信号に変換して受信信号増幅制御部 11に入力して増幅し、 さらに、この受信信号を、送受信タイミング制御部 32から出力される AZDサンプリン グクロック 32bに同期して AZD変換部 12にてディジタル変換して伝播時間演算部 1 3に入力する動作を、検出器切替スィッチ 15の切替動作により、検出器 41と検出器 42で送信側と受信側を入れ換えて交互に実行する。 [0045] そして、伝播時間演算部 13では、図 2A—図 2Cの測定原理により、検出器 41と検 出器 42の間の超音波の配管 50内を経由した伝達遅延時間に基づいて流体 51の流 速を検出し、流量演算部 14では、この流速力 流量を演算して計測値出力切替スィ ツチ 34を介して出力する動作が行われる。
[0046] また、検出器 43は、受信信号増幅制御部 21、 AZD変換部 22、流速分布演算部 23、積分演算部 24と、伝播時間差方式部 10と共通の送信パルス生成部 31および 送受信タイミング制御部 32からなるパルスドップラー方式部 20 (第 2の流量計測部） に接続されている。
[0047] そして、このパルスドップラー方式部 20では、送受信タイミング制御部 32から出力 される送信起動信号 32aに同期して送信パルス生成部 31から出力される送信パル ス電力を検出器 43に印加して超音波を配管 50内に放射し、流体 51内の気泡等で 反射されたエコー波を受信信号増幅制御部 21で検出して増幅し、送受信タイミング 制御部 32から出力される AZDサンプリングクロック 32cに同期して AZD変換部 22 でディジタル信号に変換して流速分布演算部 23に入力し、流速分布演算部 23では 、図 1A—図 1Cに例示した原理にて配管 50内の流速分布を演算し、積分演算部 24 にて流量に変換して計測値出力切替スィッチ 34に出力する動作が行われる。
[0048] 伝播時間差方式部 10およびパルスドップラー方式部 20の出力側には、計測値出 力切替スィッチ 34が設けられ、この計測値出力切替スィッチ 34を介して、伝播時間 差方式部 10およびパルスドップラー方式部 20の出力が選択的に出力される構成と なっている。
[0049] この計測値出力切替スィッチ 34と、伝播時間差方式部 10およびパルスドップラー 方式部 20に共通に設けられた送信パルス生成部 31および送受信タイミング制御部 32は、計測方式切替制御部 33から出力される出力選択信号 33aおよび計測方式選 択信号 33bにて、上述の伝播時間差方式部 10およびパルスドップラー方式部 20の V、ずれの動作を行うか等が制御される。
[0050] また、伝播時間差方式部 10の伝播時間演算部 13およびパルスドップラー方式部 2 0の流速分布演算部 23の各々からは、計測状態データ 13aおよび計測状態データ 2 3aが、計測方式切替制御部 33に入力され、計測方式切替制御部 33は、このデータ に基づ!/、て伝播時間差方式部 10およびパルスドップラー方式部 20の 、ずれを動作 させる力、あるいは並行動作させる力 等の判断を行う。
[0051] このように、本実施の形態では、計測状態データ 13aや計測状態データ 23a等の 情報に基づ 、て、伝播時間差方式部 10およびパルスドップラー方式部 20の動作状 況を判断しながら、計測方式切替制御部 33が、伝播時間差方式部 10およびパルス ドップラー方式部 20、さらには計測値出力切替スィッチ 34を制御して、伝播時間差 方式部 10およびパルスドップラー方式部 20のいずれを動作させて流量の検出を行 うかを切り換えながら配管 50における流体 51の流量計測を行うので、伝播時間差方 式部 10とパルスドップラー方式部 20の長所を合わせて、制限のな!、広 、測定範囲 で高精度にて流量測定を行うことが可能になる。
[0052] たとえば、計測状態データ 23aによってパルスドップラー方式部 20で計測中に測定 可能範囲を超過したこと、あるいは、流体 51内に気泡や不純物がなぐ超音波ェコ 一での測定が不能になった等の事象を検出した場合には、伝播時間差方式部 10を 起動するとともに、計測値出力切替スィッチ 34の出力を伝播時間差方式部 10側に 切り換えて、計測を継続することが可能になる。
[0053] このように、計測方式切替制御部 33は、計測状態データ 13aおよび計測状態デー タ 23aに基づく各々の測定結果から、配管 50内の流体 51の状態を把握し、出力選 択信号 33aによる送信パルス生成部 31および送受信タイミング制御部 32に切換制 御、および計測方式選択信号 33bによる計測値出力切替スィッチ 34の切換制御に て、伝播時間差方式部 10およびパルスドップラー方式部 20の両方式を並列して動 作させて流量測定を行うか、もしくは伝播時間差方式部 10またはパルスドップラー方 式部 20のいずれか適する方式に切り替えることで、流体 51の状態に影響されること なぐ広い測定範囲にて、かつ高い測定精度を実現することが可能になる。
[0054] 〔第 2の実施の形態〕
図 4は、本発明の他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す概念 図である。この図 4の構成は、上述の図 3の構成において、パルスドップラー方式部 2 0の受信信号増幅制御部 21の前段に検出器切替スィッチ 35を配置し、伝播時間差 方式部 10の一対の検出器 41 (第 1のトランスデューサ部）および検出器 42 (第 2のト ランスデューサ部）の双方を、ノ ルスドップラー方式部 20と共有することで、検出器の 数を減らした例を示すものである。
[0055] すなわち、図 4の構成例では、伝播時間差方式部 10で用いる一対の検出器 41お よび検出器 42を検出器切替スィッチ 35を介してパルスドップラー方式部 20に接続し て片方もしくは双方を共有することで、ノ ルスドップラー方式部 20に専用の検出器 4 3を省略し、全体の検出器の個数を、図 3の 3個から 2個に減らした構成となっている
[0056] 伝播時間差方式部 10の伝播時間差法では、検出器の取り付け方に、前述の" Z法 "と後述の" V法"がある。
"Z法"では、図 4に例示されるように、一対の検出器 41および検出器 42を、配管 5 0の中心軸を挟んで互いに反対側の壁面に、上流側および下流側にずらして配置し たものであり、検出器 41および検出器 42の各々カゝら放射される超音波の進路上に 互 、に他の検出器が位置する。
[0057] そして、この" Z法"で取り付けた場合には、 1対の検出器 41および検出器 42の双 方を、検出器切替スィッチ 35の切換動作で共有ィ匕し、図 5に例示されるように、検出 器 41および検出器 42の各々で測定された流速分布のうち、配管中央カゝら反対側（ 当該検出器から遠!、側）の配管壁までの部分を組み合わせて、配管直径全域の流 速分布を求めることにより、非対称な流れに対しても、精度良く流量計測ができる。
[0058] すなわち、図 4の構成例におけるパルスドップラー方式部 20は、流速分布演算部 は、検出器切替スィッチ 35を検出器 41の側に接続して検出された流速分布（図 5の 左側半分)を演算するための流速分布演算部 23— 1と、検出器切替スィッチ 35を検 出器 42の側に接続して検出された流速分布（図 5の右側半分)を演算するための流 速分布演算部 23 - 2と、検出器切替スィッチ 35の切換動作に連動して、送受信タイミ ング制御部 32からの選択信号 32dにより流速分布演算部 23— 1または流速分布演 算部 23— 2の 、ずれを動作させるかを切り換える入力切替スィッチ 23— 3を備えて ヽ る。
[0059] これにより、図 5に例示されるように、パルスドップラー方式部 20を検出器 41に接続 した状態では、流速分布演算部 23— 1を動作させて、当該検出器 41から遠い側の半 断面領域の流速分布 51aを計測し、検出器 42に接続した状態では、当該検出器 42 力 遠い側の半断面領域の流速分布 5 lbを計測し、後段の積分演算部 24では、流 速分布演算部 23 - 1 (検出器 41)と流速分布演算部 23 - 2 (検出器 42)の流速分布 を足し合わせた全断面領域の流速分布 51cに基づいて流量の演算を行って流量測 定値として出力する。
[0060] このように、図 4および図 5の本実施の形態では、伝播時間差方式部 10の伝播時 間差法に必要な一対の検出器 41および検出器 42を、検出器切替スィッチ 35を介し て、パルスドップラー法を用いるパルスドップラー方式部 20の側に共用させ、単一の 検出器を用いる場合のパルスドップラー法の技術的課題である、検出器近傍側の流 速分布測定の精度低下を、検出器 41および検出器 42による計測データの足し合わ せにて補い合うことで、測定精度の向上を実現することができる。
[0061] また、パルスドップラー方式部 20側における検出器 41 (または検出器 42)を使用し ての流量計測中に、当該パルスドップラー方式部 20に接続されて 、な 、側の検出 器 42 (または検出器 41)を伝播時間差方式部 10に接続して、音響信号を受信する ことで、ノ ルスドップラー方式部 20側の計測処理と並行して、伝播時間差方式部 10 による流量分布の計測を行わせることができる。
[0062] 〔第 3の実施の形態〕
図 6は、本発明のさらに他の実施の形態である超音波流量計の構成の一例を示す ブロック図であり、図 7および図 8は、その作用の一例を説明する概念図である。
[0063] この図 6の実施の形態では、配管 50の同一側面において軸方向に、下流側に検 出器 41を配置し、上流側に検出器 42を配置し、伝播時間差方式部 10における測定 時に、検出器 41および検出器 42から放射される超音波の伝播経路力 配管 50の中 心軸を横切って反対側の壁面に反射されることにより V字形となるようにしたものであ る。このような検出器の配置方法を便宜的に" V法"と略称する。
[0064] そして、この図 6の実施の形態において、伝播時間差方式部 10では、検出器 41か ら超音波を送出し、反対側の壁面で反射して他方の検出器 42に入射する音響信号 を検出して配管 50における流体 51の流速分布を計測する。
[0065] 一方、パルスドップラー方式部 20では、検出器切替スィッチ 35により、検出器 41お よび検出器 42を使用して後述のような流速分布の測定動作を行う。
すなわち、パルスドップラー法において、一つの検出器にて流速の測定を行う場合 、図 7に示されるように、流体 51の流速 V (流れ方向）は、配管 50の軸に平行である
f
ことを前提とし、流体 51に対する超音波の入射角が Θであるとき、ドップラーシフト周
f
波数 f c V · 5ίη θ となることを利用して流速を求めている。
d f f
[0066] このため、流体 51の流れ方向（流速 V )が配管 50の軸方向に平行でなぐ配管 50
fx
の径方向の誤差成分 V を持つ場合には、図 8に示されるように、一つの検出器 41に
fh
よる流速分布 aは、式 (8)となり、計測される流速値に誤差成分: V - cos Θを含む
fh f ことになる。
[0067] [数 8] a =Vfx-sin0f + - cos0f … (8)
[0068] [数 9] = -Vft-sin9f + Vft - cosef … 0) そこで、図 6の実施の形態のように、検出器 41および検出器 42を" V法"で取り付け た場合には、 1対の検出器 41および検出器 42の双方を、伝播時間差方式部 10およ びパルスドップラー方式部 20にて共有し、各々の検出器で測定された流速分布の差 をとることにより径方向の成分 V をキャンセルし、軸方向の流速分布のみを算出でき
fh
、精度良く流量計測ができる。
[0069] すなわち、図 8に示されるように、一方の検出器 41による式（8)の流速分布 αと、他 方の検出器 42による式（9)の流速分布 βを、パルスドップラー方式部 20の流速分布 演算部 23— 1および流速分布演算部 23— 2でそれぞれ演算し、後段の積分演算部 2 4では、これらの差分の平均値 = — j8 ) Z2を求めて流速分布とすることにより、配 管 50の流体 51において非対称流ゃ径方向成分がある場合でも、精度よく流速分布 およびそれに基づく流量測定が可能となる。
[0070] 以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、配管 50を流通する流体 51の 状態に応じて、パルスドップラー法のパルスドップラー方式部 20と、伝播時間差法の 伝播時間差方式部 10を並列、もしくは切替えて流量計測を行なえるようになり、計測 精度、計測可能範囲を向上することが可能となる。また、その際に、検出器 41および 検出器 42を両方式で共有ィ匕することで、必要な検出器の数量が削減され超音波流 量計の製品コストの低減、検出器の設置作業の簡略ィ匕を実現できる。
[0071] また、少なくとも一対の検出器が必要な伝播時間差方式部 10の当該検出器を、少 なくとも一つの検出器しか必要としないパルスドップラー方式部 20にて共有し、パル スドップラー方式部 20においては、個々の検出器を用いて測定された複数の流速の 測定結果を組み合わせることで、コスト増を抑えつつ、非対称流ゃ径方向成分がある 流れのときのパルスドップラー法の流量の計測精度を高めることができる。
[0072] 上述の各実施の形態の説明では、超音波による流量検出法として、伝播時間差法 、およびパルスドップラー法を用いる場合を例示したが、これに限らず、超音波を用 いて流体の流速ならびに流量の計測を行う超音波流量測定技術に広く適用すること ができる。
[0073] 〔第 4の実施の形態〕
図 9は、本発明の第 4の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック図 である。図 9において、本発明の超音波流量計 101は、パルスドップラー方式の計測 系（110+ 130)と伝搬時間差方式の計測系（111 + 140)とを兼ね備えることにより、 パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを同時に並行して 実施することが可能である。
[0074] 即ち、超音波流量計 101は、パルスドップラー方式の流量計測を行うために計測対 象の流体を通す配管の外壁に取り付けられ超音波の送受信を行う電気 Z超音波トラ ンスデューサ（以下、単に「トランスデューサ」と称する） 110、伝搬時間差方式の流量 計測を行うために上記の配管の上流側と下流側の対抗する外壁に取り付けられる一 対のトランスデューサ 11 luおよび 11 Id (—括して、単に「111」と記す）、上記のトラ ンスデューサ 110および 111に供給する送信ノ《ルスのタイミングおよびトランスデュー サからの受信信号の処理タイミングを制御する送受信タイミング制御部 120、送受信 タイミング制御部 120からの送信起動信号に応じてトランスデューサ 110, 112への 送信パルスは発生する送信パルス発生器 122、 ノ ルスドップラー方式計測用のトラン スデューサ 110からの受信信号力 ドップラー周波数を検出するドップラー周波数検 出部 130、伝搬時間差方式計測用のトランスデューサ 111からの受信信号を処理す る受信信号処理部 140、伝搬時間差方式の計測に関する送受信信号の切り替えを 行うスィッチ SW、およびドップラー周波数検出部 130からの実部データと虚部デ一 タカも流量を算出するとともに受信信号処理部 140から渡されるデータからも流量を 算出する演算制御部 150からなる。演算制御部 150は、図示しない CPU (中央情報 処理装置）を含むマイクロコンピュータ力 なり、典型的には ROM (読み出し専用記 憶装置）に格納されたプログラムの制御下で動作して超音波流量計 101全体を制御 する。送受信タイミング制御部 120は、個別部品でも構成できる力 例えば PAL ( programmable array logic)などを用いて容易に実現することができる。
[0075] ドップラー周波数検出部 130は、トランスデューサ 110からの信号を増幅する増幅 器 131,入力が増幅器 131の出力に接続された直交検波器 132、直交検波器 132 力もの実部データ出力と虚部データ出力にそれぞれ接続される一対のフィルタ 133 Rおよび 1331、ならびにフィルタ 133Rおよび 1331にそれぞれ接続された一対のァ ナログ Zデジタル (AZD)変換器 134Rおよび 1341からなる。また、受信信号処理 部 140は、増幅器 131と同様の増幅器 131Pと AZD変翻 134Pからなる。
[0076] 次に、本発明の本実施の形態による超音波流量計 101の動作を簡単に説明する。
まず、演算制御部 150が流量計測開始指示 MSを送受信タイミング制御部 120に送 る。これに応じて、送受信タイミング制御部 120は、パルスドップラー方式計測用の送 信パルス TDおよび伝搬時間差方式計測用の第 1の送信パルス (即ち、例えば上流 のトランスデューサ 11 luに与える送信パルス) TP1を送信するべき旨の指示を送信 パルス発生器 122に与え、送信パルス発生器 122は、即座に送信パルス TDおよび TP1を発信 ·出力する。これにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差 方式の流量計測が同時に開始される。
[0077] ドップラー周波数検出部 130と演算制御部 150が行うパルスドップラー方式の流量 算出処理は、従来の方式は勿論、今後考案される流量算出方式も含めて、如何なる 流量算出方式で行ってもよい。同様に、受信信号処理部 140および演算制御部 15 0が行う伝搬時間差方式の流量算出処理は、従来の方式は勿論、今後考案される流 量算出方式も含めて、如何なる流量算出方式で行ってもよい。
[0078] まず、パルスドップラー方式の流量計測では、送信パルス TDがトランスデューサ 11 0に印カロされると、トランスデューサ 110から超音波信号が配管内に送出され、このェ コ一がトランスデューサ 110で電気信号に変換され、これが受信信号 RDとしてトラン スデューサ 110から取り出される。受信信号 RDは、ドップラー周波数検出部 130に 入力され、ドップラー周波数の検出が行われる。演算制御部 150は、ドップラー周波 数検出部 130から受け取ったデータを基に流速分布および流量を算出する。
[0079] 図 10は、送信パルス発生器 122、トランスデューサ 11 lu、 11 Idおよび受信信号 処理部 140が行う伝搬時間差方式の流量計測動作の例を示すフローチャートである 。図 10において、スィッチ SWの共通端子を接点 aに接続し (ステップ 202)、送信パ ルス発生器 122に第 1の送信ノ ルス TP1を送信させる（ステップ 204)。これにより、 超音波パルスが上流側のトランスデューサ 11 luから下流側のトランスデューサ 11 Id に向けて出力される (ステップ 206)。次に、スィッチ SWの共通端子を接点 bに接続し (ステップ 208)、トランスデューサ 11 Idからの受信信号 RP1を受信信号処理部 140 にて所定の間隔で標本ィ匕し AZD変換して、結果を演算制御部 150に渡す (ステツ プ 210)。 AZD変換が終了した後 (ステップ 212)、送信パルス発生器 122に第 2の 送信パルス TP2を送信させる (ステップ 214)。これにより、超音波パルスが下流側の トランスデューサ 11 Idから上流側のトランスデューサ 11 luに向けて出力される（ステ ップ 216)。次に、再びスィッチ SWの共通端子を接点 aに接続し (ステップ 218)、トラ ンスデューサ 11 luからの受信信号 RP2を受信信号処理部 140にて所定の間隔で 標本ィ匕し AZD変換して、結果を演算制御部 150に渡す (ステップ 220)。 AZD変換 が終了した後 (ステップ 222)、以上の処理を所定の回数だけ繰り返した力否かを判 断し、所定の回数に達するまで処理を繰り返す (ステップ 224)。 150では、受信信号 処理部 140から受け取ったデータを元に流速および流量を算出する。
[0080] 以上述べたように、図 9の超音波流量計 101は、パルスドップラー方式の計測系（1 10 + 130)と伝搬時間差方式の計測系（111 + 140)とを完備して 、るので、パルス ドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを同時に並行して実施す ることが可能である。 [0081] 〔第 5の実施の形態〕
図 11は、本発明の第 5の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック 図である。図 11において、本実施の形態の超音波流量計 102は、パルスドップラー 方式計測用のトランスデューサ 110が除去された代わりに、スィッチ SW1が追加され 、スィッチ SWが SW2に置き換わり、送受信タイミング制御部が 120から 120aに置き 換わった点を除けば、図 9の超音波流量計 101と同じである。したがって、相違点の みを説明する。まず、スィッチ SWの代わりとなった SW2の接点 aおよび bは、スィッチ SW1の接点 aおよび bにもそれぞれ接続される。スィッチ SW1の共通端子は、送信 パルス発生器 122の送信信号 TD出力端子およびドップラー周波数検出部 130の入 力端子に接続される。スィッチ SW1および SW2の a接点が上流側のトランスデューサ 11 luに、スィッチ SW1および SW2の b接点が下流側トランスデューサ 11 Idにそれ ぞれ接続される。
[0082] 本実施の形態の超音波流量計 102では、ドップラー周波数検出部 130と受信信号 処理部 140とを兼ね備え、 1対のトランスデューサ 11 lu、 11 Idは伝搬時間差方式の 計測で用いられるとともに、ドップラー方式の流量計測にも利用できるように、スィッチ SW1による信号の切り替えが必要となる。
[0083] 次に、本発明の第 5の実施の形態の超音波流量計 102の動作を説明する。まず、 演算制御部 150が流量計測開始指示 MSを送受信タイミング制御部 120aに送る。こ れに応じて、送受信タイミング制御部 120aは、ノ ルスドップラー方式と伝搬時間差方 式の共用の送信パルス TD (TP1)を送信するべき旨の指示を送信パルス発生器 12 2に与え、送信パルス発生器 122は、即座に送信パルス TD兼 TP1を発信 '出力する 。これにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測が同時 に開始される。図 12は、本発明の第 5の実施の形態によりパルスドップラー方式およ び伝搬時間差方式の両方式の計測動作を同時に並行して行う際のスィッチの状態 および各種信号のタイミングを示す図である。図 12において、送受信タイミング制御 部 120aは、初期設定としてスィッチ SW1の共通端子を接点 aに接続し (以降、単に「 スィッチ SW1を a側に切り替える」のように表現する）、スィッチ SW2を b側に切り替え ておく。上述のように、送信パルス発生器 122から送信信号 TD兼 TP1が出力される と、この信号はスィッチ SW1の接点 a (以下、単に「SWla」のように記す)から上流側 トランスデューサ 11 luに供給される。トランスデューサ 11 luから出力された超音波 パルスは流体を伝搬する過程で、一部は反射されてトランスデューサ 11 luに戻り、 その他は下流のトランスデューサ 11 Idで感知される。
[0084] 下流側トランスデューサ l l ldで感知され変換された受信信号 RP1は、接点 SW2b を介してスィッチ SW2から受信信号処理部 140の入力端子に供給され、伝搬時間 差方式の流量計測に使用される。
[0085] 一方、トランスデューサ 11 luに戻った超音波パルスは、電気信号に変換され受信 信号 RDとなり、これがスィッチ SW1の接点 aを介してスィッチ SW1からドップラー周 波数検出部 130の入力端子に供給され、パルスドップラー方式の流量計算に使用さ れる。
[0086] 次に、送受信タイミング制御部 120aは、スィッチ SW1を b側に切り替え、スィッチ S W2を a側に切り替える。そして、送信パルス発生器 122にパルスドップラー式計測用 の送信信号 TD (これは、伝搬時間差方式の流量計測で用いる 2番目の送信信号 TP 2の役も果たす）を発生させる。この送信信号 TD (=TP2)は、スィッチ SW1の接点 b を介して下流のトランスデューサ 11 Idに供給される。信号 TDはトランスデューサ 11 Idから超音波パルスとして出力される。この超音波パルスは、上流側のトランスデュ ーサ 11 luで電気信号に変換され受信信号 RP2となる。受信信号 RP2は、スィッチ S W2の接点 aを介してスィッチ SW2から受信信号処理部 140の入力端子に供給され 、前述の RP1とともに伝搬時間差方式の流量計算に使用される。また、トランスデュ ーサ 11 Idから出力された超音波パルスは、流体内の気泡などで散乱され、散乱波 の一部はエコーとしてトランスデューサ 11 Idに戻り、送信パルス TDのエコー信号と してスィッチ SW1の b接点を介してドップラー周波数検出部 130に供給される。
[0087] 以上の計測周期を所定の回数だけ繰り返すことにより、パルスドップラー方式の流 量計測と伝搬時間差方式の流量計測とが同時に並行して実施される。
なお、以上の説明では、 1計測周期にノ ルスドップラー方式の計測を 2回行ったが 、何れか 1回のみ行ってもよい。
[0088] また、以上述べた両方式同時並列動作では、送信パルス発生器 122の伝搬時間 差方式用のパルス出力を使用しな力つた。したがって、両方式を同時並列的に行う 分には、送信ノ ルス生成器 122は、一種類のパルスを生成する機能があれば十分 である。しかし、図 11の超音波流量計で、異なる仕様の送信パルスを用いて両方式 切り替えて動作させる場合を想定して、送信パルス発生器 122にパルスドップラー方 式の出力端子と伝搬時間差方式の出力端子を示した。
[0089] 〔第 6の実施の形態〕
図 13は、本発明の第 6の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロック 図である。図 13において、本実施の形態の超音波流量計 103は、スィッチ SW2およ び受信信号処理部 140が除去され、送受信タイミング制御部が 120aから 120bに置 き換わり、送信パルス発生器が 122から 122aに置き換わり、さらにドップラー周波数 検出部が 130から 130aに置き換わった点を除けば、図 11の超音波流量計 102と同 じである。したがって、相違点のみを説明する。ドップラー周波数検出部 130aは、フ ィルタ 133Rと A/D変^^ 134Rとの間にスィッチ SW3が挿入され、フィルタ 1331と AZD変 134Ιとの間にスィッチ SW4が揷入されたことを除けば、ドップラー周波 数検出部 130と同じである。
[0090] 即ち、本実施の形態では、ドップラー周波数検出部の増幅器および AZD変換器 力 パルスドップラー方式と伝搬時間差方式の両方に用いられる。したがって、両方 式の計測信号処理を同時並行的に行うことはできないが、両方式を交互に、または マイクロコンピュータなどの上位のシステムからの切り替え指示により、何れかの方式 を選択して、流量計測を行うことが可能となる。
[0091] なお、本実施の形態では、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の 流量計測を交互に行うので、送信パルス発生器 122aは、送信信号出力端子を 1つ のみ有し、送信信号 Tm (m=D, PIまたは P2)を発生'出力する。
[0092] 図 14は、本実施の形態の超音波流量計 103の動作におけるスィッチ SW1、 SW3 および SW4の状態を示す説明図である。まず、ノ ルスドップラー方式の計測の場合 、スィッチ SW1, SW3および SW4をすベて a側に切り替える。これにより、トランスデ ユーサ l l lu、スィッチ SW1およびドップラー周波数検出部 130aからなる回路は、図 9のトランスデューサ 110およびドップラー周波数検出部 130からなる回路と同じにな り、パルスドップラー方式の計測が可能であることがわかる。なお、スィッチ SW3およ び SW4を a側に、スィッチ SW1を b側に切り替えれば、下流側のトランスデューサ 11 Idを用いたパルスドップラー方式の計測が可能となることは、当業者には明らかであ る。
[0093] また、伝搬時間差方式の計測の場合は、スィッチ SW3および SW4をともに b側に 切り替えればよい。これにより、スィッチ SW1,増幅器 131、スィッチ SW4および AZ D変翻 1341からなる回路は、図 9のスィッチ SW,増幅器 131Pおよび A/D変換 器 134Pからなる回路と同じになり、伝搬時間差方式の計測が可能であることがわか る。伝搬時間差方式の計測中、スィッチ SW1に対しては、図 10のスィッチ SWと全く 同様の切り替え制御が行われる。なお、 SW3は、スィッチ機能としては不要であるが 、直交検波後の正弦および余弦の成分を AZD変換器するまでの信号経路を等しく することが望ましいため、本実施の形態では図示した。
[0094] 〔第 7の実施の形態〕
図 15Aは、本発明の第 7の実施の形態による超音波流量計の構成を示す略ブロッ ク図である。図 15Aにおいて、本実施の形態の超音波流量計 104は、送受信タイミ ング制御部が 120bから 120cに置き換わり、スィッチ SW1が 6接点択一スィッチ SW laに置き換わり、トランスデューサ対 112および 113が追加された点を除けば、図 13 の超音波流量計 103と同じである。したがって、相違点のみを説明する。図 15Bおよ び図 15Cに示すように、トランスデューサ対 111, 112および 113は、配管の周囲に ほぼ等間隔に配置される。 6接点択一スィッチ SWIOlaは、 1つの共通端子と 6個の 接点を有するスィッチである。 6個の接点には、上流側と下流側のトランスデューサ 1 l lu、 11 Id, 112u、 112d, 113uおよび 113d力 ^噴に接続されている。した力 ^つて、 スィッチ SWlaは、トランスデューサ対 111, 112および 113用の部分スィッチ SWl- 11, SW1— 12および SW1— 13が一体になつたものと考えることにする。例えば、部 分スィッチ SW1— 11の上流側のトランスデューサに接続された接点を SW1— 1 luと 表し、下流側のトランスデューサに接続された接点を SW1-1 Idと表す。また、説明 を簡単にするため、任意のトランスデューサを T(= 111, 112orl l3)であらわし、例 えば、「上流側のトランスデューサ Tuが接続されるのは、部分スィッチ SW1— Tの接 点 SWl-Taである」 t 、う具合に表現する。
[0095] 本実施の形態の超音波流量計 104では、トランスデューサ対 111, 112および 113 の各につ 、て、パルスドップラー方式の計測と伝搬時間差方式の計測を行う。
図 16は、本実施の形態により、トランスデューサ対の 1つ、例えば、 T( = l l l, 11 2orl l3)に対して行われる超音波流量計 104の動作における、 SW3および SW4の 状態を示す説明図である。パルスドップラー方式の計測の場合、 SW3および SW4を ともに a側に切り替え、スィッチ SW1-Tを例えば SWl-Tu側に切り替える。これによ り、上流側のトランスデューサ Tu、スィッチ SWlaおよびドップラー周波数検出部 130 aからなる回路は、図 9のトランスデューサ 110およびドップラー周波数検出部 130か らなる回路と同じになり、パルスドップラー方式の計測が可能であることがわかる。勿 論、スィッチ SW1— Tを SW1— Td側に切り替え下流側のトランスデューサ Tdを用いて も、ドップラー方式の計測が可能であることは、当業者には自明である。
[0096] また、伝搬時間差方式の計測の場合は、スィッチ SW3および SW4をともに b側に 切り替えればよい。これにより、スィッチ SW1— T,増幅器 131、スィッチ SW4および A/D変翻 1341からなる回路は、図 9のスィッチ SW,増幅器 131Pおよび AZD 変 l34Pからなる回路と同じになり、伝搬時間差方式の計測が可能であることが わかる。伝搬時間差方式の計測中、スィッチ SW1-Tに対しては、図 10のスィッチ S Wと全く同様の切り替え制御が行われる（ただし、接点を区別する uおよび dは、 aおよ び bにそれぞれ対応する)。
[0097] この実施の形態では、トランスデューサを 3対用いる例で説明したが、 2対でも、 4対 以上でも、トランスデューサの個数と、スィッチ SWlaの接点数を一致させて調節する こと〖こより、実現することができる。
[0098] 以上は、本発明の説明のために実施の形態を掲げたに過ぎない。したがって、本 発明の技術思想または原理に沿って上述の実施の形態に種々の変更、修正または 追加を行うことは、当業者には容易である。
[0099] 例えば、第 2に実施の形態においては、トランスデューサ 11 luを用いて各計測周 期の最初の送信パルスによるエコー信号力 パルスドップラー方式の計測を行った 力 トランスデューサ 11 Idを用いて第 2の送信パルスによるエコー信号力もパルスド ップラー方式の計測を行ってもょ 、。
[0100] なお、第 3および第 4の実施の形態では、パルスドップラー方式と伝搬時間差方式 とを交互に切り替える例であった力 両方式の切り替え方法は、この他にも種々の方 法が考えられる。例えば、外部（例えば、利用者または上位のシステム)からの方式 切り替えコマンドまたは信号を演算制御部 150aが受けられるようにし、この方式切り 替えコマンドまたは信号に応じて、演算制御部 150aが送受信タイミング制御部 120b に方式を切り替えさせるようにしてもょ 、。
[0101] また、第 4および第 5の実施の形態にぉ 、ては、パルスドップラー方式と伝搬時間 差方式とを同時並列的に行う例を説明したが、例えば、外部 (例えば、利用者または 上位のシステム)からの方式切り替えコマンドまたは信号を演算制御部 150が受けら れるようにし、この方式切り替えコマンドまたは信号に応じて、演算制御部 150aが送 受信タイミング制御部にパルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時 の流量計測モードを切り替えさせるようにしても良 、。
産業上の利用可能性
[0102] 本発明によれば、流速や気泡量等の流体の状態に影響されることなぐ流体の流 量を広範囲にかつ高精度に測定することが可能となる。
また、流体の流速や気泡量等の状態に影響されることなぐ計測精度および計測可 能範囲を向上させることが可能な超音波流量計における製造コストの削減および検 出器の設置の簡略ィ匕を実現することができる。
[0103] また、コスト増を抑制しつつ、単一の検出器を用いる場合のパルスドップラー法に固 有の技術的課題を解消して、流量の計測精度の向上を実現することができる。
また、本発明によれば、ノ ルスドップラー方式および伝搬時間差方式の両方式によ る流量計測に必要な資源を備えることにより、両方式の流量計測ができるので、流速 の広い範囲にわたり高精度の流量計測が可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 超音波を用いて互いに異なる測定原理にて配管中の流体の流量測定を行う複数 の流量計測部を備えたことを特徴とする超音波流量計。
[2] 超音波を用いて互いに異なる測定原理にて配管中の流体の流量測定を行う複数 の流量計測部と、前記配管に装着され音響信号と電気信号の相互変換を行うととも に複数の前記流量計測部にて共用されるトランスデューサ部と、を備えたことを特徴 とする超音波流量計。
[3] 伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出する第 1の流量計測部と、パル スドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出する第 2の流量計測部と、測定 対象の流体が流通する前記配管に装着され、各々が音響信号と電気信号の相互変 換を行う複数の第 1および第 2のトランスデューサ部と、前記トランスデューサ部を前 記第 1の流量計測部および前記第 2の流量計測部に共用させるためのトランスデュ ーサ切替手段と、を備えたことを特徴とする超音波流量計。
[4] 複数の前記第 1および第 2のトランスデューサ部は、前記配管の軸を挟んで互いに 反対側の位置に、前記流体の流通方向に互いにずれた位置に装着され、
前記第 1の流量計測部では、前記第 1のトランスデューサ部から送信され、前記第 2 のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間と、前記第 2のトランスデュ ーサ部から送信され、前記第 1のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時 間との時間差を計測して前記流体の流量を計測し、
前記第 2の流量計測部では、前記第 1および第 2のトランスデューサ部の各々を用 いて測定された流速分布のうち、当該トランスデューサ部から見た前記配管の中央か ら反対側の配管壁までの測定値を組み合わせて、前記配管の直径全域の流速分布 を求めることを特徴とする請求項 3記載の超音波流量計。
[5] 複数の前記第 1および第 2のトランスデューサ部は、前記配管の同一側面側に、前 記流体の流通方向に沿って離間した位置に配置され、
前記第 1の流量計測部では、前記第 1のトランスデューサ部から送信され、前記配 管の壁面で反射して前記第 2のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時 間と、前記第 2のトランスデューサ部から送信され、前記配管の壁面で反射して前記 第 1のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間との時間差を計測して 前記流体の流量を計測し、
前記第 2の流量計測部は、前記第 1および第 2のトランスデューサ部の各々で測定 された前記配管の壁面までの流速分布の差から、前記配管の軸方向の流速分布を 算出することを特徴とする請求項 3記載の超音波流量計。
[6] 前記第 1の流量計測部は、
前記配管に装着され、音響信号と電気信号の相互変換を行う一対のトランスデュー サ部と、
前記トランスデューサ部に超音波発振のための送信パルスを印加する送信パルス 生成部と、
前記トランスデューサ部にて受信した超音波の受信信号を入力する受信信号増幅 制御部と、
前記受信信号をディジタル信号に変換する AZD変換部と、
一対の前記トランスデューサ部の発振側と受信側を交互に切り換えて測定された伝 播時間から伝播時間差を演算する伝播時間演算部と、
前記伝播時間差に基づいて流量を演算する流量演算部と、
前記第 2の流量計測部と共通に設けられ、前記送信パルス生成部および前記 AZ D変換部を制御する送受信タイミング制御部と、
を含むことを特徴とする請求項 3に記載の超音波流量計。
[7] 前記第 2の流量計測部は、
前記配管に装着される音響信号と電気信号の相互変換を行うトランスデューサ部と 前記トランスデューサ部に超音波発振のための送信パルスを印加する送信パルス 生成部と、
前記トランスデューサ部にて受信した音響信号を入力する受信信号増幅制御部と 前記受信信号をディジタル信号に変換する AZD変換部と、
前記トランスデューサ部と前記流体との間で送受信される超音波のドップラーシフト 周波数に基づいて、前記流体の前記配管断面内おける流速分布を計測する流速分 布演算部と、
前記流速分布を積分して流量を演算する積分演算部と、
前記第 1の流量計測部と共通に設けられ、前記送信パルス生成部および前記 AZ D変換部を制御する送受信タイミング制御部と、
を含むことを特徴とする請求項 3に記載の超音波流量計。
[8] 超音波を用いて配管中の流体の流量測定を行う超音波流量測定方法であって、 前記配管に装着され音響信号と電気信号の相互変換を行う複数のトランスデュー サ部を、互いに異なる測定原理を用いる複数の流量計測部にて共有し、個々の前記 流量計測部に対する前記トランスデューサ部の接続を切り換えて流量計測を行うこと を特徴とする超音波流量測定方法。
[9] 複数の前記流量計測部は、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出す る第 1の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出す る第 2の流量計測部からなり、
第 1および第 2の前記トランスデューサ部を、前記配管の軸を挟んで互いに反対側 の位置に、前記流体の流通方向に互 、にずれた位置に装着し、
前記第 1の流量計測部では、前記第 1のトランスデューサ部から送信され、前記第 2 のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間と、前記第 2のトランスデュ ーサ部から送信され、前記第 1のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時 間との時間差を計測して前記流体の流量を計測し、
前記第 2の流量計測部では、前記第 1および第 2のトランスデューサ部の各々を用 いて測定された流速分布のうち、当該トランスデューサ部から見た前記配管の中央か ら反対側の配管壁までの測定値を組み合わせて、前記配管の直径全域の流速分布 を求めることを特徴とする請求項 8に記載の超音波流量測定方法。
[10] 複数の前記流量計測部は、伝播時間差法にて前記配管内の流体の流量を検出す る第 1の流量計測部と、パルスドップラー法にて前記配管内の流体の流量を検出す る第 2の流量計測部からなり、
第 1および第 2の前記トランスデューサ部を、前記配管の同一側面側に、前記流体 の流通方向に沿って離間した位置に配置し、
前記第 1の流量計測部では、前記第 1のトランスデューサ部から送信され、前記配 管の壁面で反射して前記第 2のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時 間と、前記第 2のトランスデューサ部から送信され、前記配管の壁面で反射して前記 第 1のトランスデューサ部で受信された音響信号の伝播時間との時間差を計測して 前記流体の流量を計測し、
前記第 2の流量計測部は、前記第 1および第 2のトランスデューサ部の各々で測定 された前記配管の壁面までの流速分布の差から、前記配管の軸方向の流速分布を 算出することを特徴とする請求項 8記載の超音波流量測定方法。
[11] 伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデュー サと、
少なくとも前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサにパルスドップラー方式の流量 計測と伝搬時間差方式の流量計測とに必要なパルス信号を与えるハードウ ア手段 と、
前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサを含む任意のトランスデューサ力 得ら れる受信信号力 ドップラー周波数を検出する検出回路と、
前記 1対のトランスデューサにより上流から下流への超音波パルス送信で得た第 1 の受信信号と下流力 上流への超音波パルス送信で得た第 2の受信信号とを増幅し 、アナログ Zデジタル変換を行う変換回路と、
検出された前記ドップラー周波数力 パルスドップラー方式により流量を算出し、か つ前記変換回路の出力から伝搬時間差方式により流量を算出する制御手段とを備 えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測とを 同時並列的に行うことができることを特徴とする超音波流量計。
[12] パルスドップラー方式の流量計測専用の第 2の電気 Z超音波トランスデューサをさ らに備え、
前記ハードウェア手段は、前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサと前記第 2の 電気 Z超音波トランスデューサの両方に送信パルス信号を与え、
前記検出回路は、前記第 2の電気 Z超音波トランスデューサから得られる受信信号 力 前記ドップラー周波数を検出することを特徴とする請求項 11記載の超音波流量 計。
[13] 前記の少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデューサは 1対のみであり、
前記ハードウェア手段のパルスドップラー方式用のパルス信号出力および前記変 換手段の入力と前記 1対のみの電気 Z超音波トランスデューサの一方のトランスデュ ーサとの間に挿入され、パルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続するスイツ チ手段をさらに備え、
前記検出回路は、前記一方のトランスデューサから出力された超音波パルスのェコ 一である受信信号力 前記ドップラー周波数を検出することを特徴とする請求項 11 記載の超音波流量計。
[14] 前記制御手段と前記ハードウェア手段とは、連携して、外部力 のコマンドまたは信 号に応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計 測モードを切り替えることを特徴とする請求項 13記載の超音波流量計。
[15] 伝搬時間差方式の流量計測に必要な少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデュー サと、
前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサに伝搬時間差方式の流量計測に必要な パルス信号を与え、前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサの一方にパルスドッブ ラー方式の流量計測に必要なパルス信号を生成出力するパルス生成手段と、 前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサを含む任意の 1つのトランスデューサを 用いて、パルスドップラー方式の流量計算に必要なドップラー周波数を検出する検 出回路と、
以上の資源により、上流力 下流への超音波パルス送信により得た第 1の受信信号 と下流力 上流への超音波パルス送信により得た第 2の受信信号との増幅およびァ ナログ zデジタル変換を可能とする切り替え手段と、
前記の検出されたドップラー周波数力 パルスドップラー方式により流量を算出し、 かつ前記アナログ Zデジタル変換の結果から伝搬時間差方式により流量を算出する 制御手段とを
備えることにより、パルスドップラー方式の流量計測と伝搬時間差方式の流量計測と を切り替えて実施することができることを特徴とする超音波流量計。
[16] 前記検出回路が、その前方の段に増幅器を備え、かつ後方の段に実部データおよ び虚部データをそれぞれ処理する 1対のアナログ Zデジタル変換器を備え、 前記切り替え手段が、前記 1対のアナログ Zデジタル変換器の直前に挿入され、パ ルスドップラー方式の計測期間のみ回路を接続し、伝搬時間差方式の計測期間は、 前記増幅器の出力を前記 1対のアナログ Zデジタル変換器の一方の入力に接続す る 1対の 2択スィッチ手段を含み、
共通端子が前記パルス生成手段の出力端子および前記検出回路の入力端子に 接続され、 1対の接点が前記 1対の電気 Z超音波トランスデューサにそれぞれ接続さ れた第 2のスィッチ手段をさらに備え、
前記切り替え手段は、前記 1対のスィッチ手段および前記第 2の 2択スィッチ手段の 切り替え制御を行い、パルスドップラー方式の計測期間中は、前記増幅器の入力を 前記一方のトランスデューサに接続し、伝搬時間差方式の計測期間は伝搬時間差 方式の計測アルゴリズムに従って第 2のスィッチ手段を切り替えることを特徴とする請 求項 15記載の超音波流量計。
[17] 前記の少なくとも 1対の電気 Z超音波トランスデューサは、複数対のトランスデュー サであり、
第 2のスィッチ手段は、前記複数の 2倍の接点を有する択一スィッチであり、前記複 数の 2倍の接点は、前記複数対のトランスデューサに 1対 1に接続され、
前記切り替え手段は、前記複数対のトランスデューサの各対にパルスドップラー方 式の計測期間と伝搬時間差方式の計測期間とを割り当て、前記各対に対して、パル スドップラー方式の計測期間中は、前記増幅器の入力が当該トランスデューサ対の 一方に接続され、伝搬時間差方式の計測期間は前記増幅器と当該トランスデューサ 対とが伝搬時間差方式の計測アルゴリズムに従って接続されるように第 2のスィッチ 手段を切り替えることを特徴とする請求項 16記載の超音波流量計。
[18] 前記制御手段および前記切り替え手段は、連携して、外部からのコマンドまたは信 号に応じて、パルスドップラー方式、伝搬時間差方式、および両方式同時の流量計 測モードを切り替えることを特徴とする請求項 15乃至請求項 17の何れか一項に記載
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