WO2005083371A1 - ドップラー式超音波流量計 - Google Patents

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ultrasonic
pipe
flow velocity
velocity distribution
doppler
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PCT/JP2005/003007
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Inventor
Yoshinori Ohmuro
Hironobu Yao
Toshihiro Yamamoto
Original Assignee
Fuji Electric Systems Co., Ltd.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a Doppler ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid to be measured using the Doppler shift of an ultrasonic wave, and particularly to the measurement even when the flow of the fluid to be measured is asymmetric.
  • the present invention relates to a Doppler type ultrasonic flowmeter capable of performing the above method.
  • a Doppler ultrasonic flowmeter is known as a flowmeter having excellent responsiveness when measuring the flow rate of a fluid to be measured.
  • the principle by which the Doppler ultrasonic flowmeter measures the flow rate of the fluid to be measured will be described with reference to FIG.
  • a predetermined frequency (basic frequency) f is generated by an oscillator (not shown).
  • An electric signal is input to the transmitter 121.
  • the pulse electric signal of the fundamental frequency f is output from the transmitter 121 into the pipe 102 through which the fluid to be measured flows.
  • the pulse electric signal is converted into an ultrasonic pulse by the ultrasonic transducer 103 and is incident into the pipe 102 along the measurement line ML.
  • the incident ultrasonic pulse is reflected by a tracer (reflector) such as a bubble in the pipe 102.
  • the reflected ultrasonic echo is received by the ultrasonic transducer 103.
  • the received ultrasonic echo is converted into an echo electric signal by the ultrasonic transducer 103.
  • the converted echo electric signal is amplified by an amplifier not shown in FIG. 1, and is converted into a digital echo signal by the AZD converter 122.
  • the digital echo signal is input to the flow velocity calculation circuit 123.
  • the electric signal is compared with the digital echo signal obtained from the reflected wave.
  • the frequency of the digital echo signal is shifted by passing between the fluids to be measured flowing at a high speed in the pipe 102. Calculate the flow velocity of the fluid to be measured.
  • the obtained flow velocity distribution is calibrated with the incident angle ⁇ of the ultrasonic wave to obtain a flow velocity distribution in a cross section perpendicular to the central axis of the pipe 102.
  • the flow rate at a certain time is obtained by integrating the obtained flow velocity distribution with respect to a cross-sectional area perpendicular to the central axis of the pipe 102.
  • FIG. 2 shows an example of the display. Since the ultrasonic transducer is disposed, the flow velocity in the vicinity of the pipe wall where the noise increases becomes too symmetric with respect to the flow velocity on the relatively small side of the noise and the axial center of the pipe. The flow velocity distribution is obtained under the premise of the above and displayed on a monitor or the like.
  • FIG. 3 shows a flow velocity distribution detected by the Doppler ultrasonic flowmeter of Patent Document 2 and a corrected flow velocity distribution.
  • the flow velocity distribution (area of ⁇ ) is not used for calculating the flow rate.
  • the value is corrected by extrapolating (C) in FIG.
  • (B) is used for calculating the flow rate as it is assuming that the flow velocity distribution has a normal value.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-12204
  • Patent Document 2 JP-A-10-281832
  • the present invention is to provide a Doppler ultrasonic flowmeter capable of correctly measuring a flow rate even at a place where a flow of a fluid to be measured is bent or at a place where the flows join.
  • a Doppler ultrasonic flowmeter relates to a Doppler ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid to be measured using a Doppler shift of ultrasonic waves, and the transmission of ultrasonic waves and the reflection of ultrasonic waves.
  • a pair of ultrasonic transducers for receiving ultrasonic echoes is provided.
  • the pair of ultrasonic transducers is a pipe through which a fluid to be measured flows inside an extension of a measurement line for measuring Doppler shift.
  • the flow rate distribution on the side opposite to the side on which each ultrasonic transducer is disposed with respect to the center axis of the pipe is arranged symmetrically with respect to the center axis of It is characterized in that it is used to calculate the flow rate.
  • Ultrasonic Transducer Force When an ultrasonic wave enters the pipe, an ultrasonic echo reflected by a tracer such as a bubble in the pipe is received by the ultrasonic transducer into which the ultrasonic wave is incident. As for the frequency of the received ultrasonic echo, near the ultrasonic transducer into which the ultrasonic wave is incident, noise due to the ultrasonic wave reflected on the end face of the ultrasonic transducer or the tube wall becomes large. Two ultrasonic transducers are symmetrically arranged on the extension of the measurement line with the center axis of the pipe interposed.Do not use the ultrasonic transducers to calculate the flow velocity distribution in the area where the noise is large. ,.
  • the flow velocity distribution may be obtained for one of the two ultrasonic transducers, and the flow velocity distribution may be obtained for the other ultrasonic transducer.
  • the flow velocity distribution of each of the two ultrasonic transducers may be obtained after the ultrasonic waves are alternately applied to the inside of the pipe.
  • the flow velocity distribution is determined on the side opposite to the side on which the ultrasonic transducer used for transmitting and receiving ultrasonic waves is disposed. End face or tube of ultrasonic transducer It is used for calculating the magnitude and side of the noise due to the ultrasonic wave reflected by the wall, and also the flow velocity distribution.
  • two ultrasonic transducers are arranged symmetrically with respect to the measurement line. For this reason, even when the flow velocity distribution is not symmetrical with respect to the central axis, such as measurement of the flow rate at the position where the flows merge, more accurate flow rate measurement can be performed.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a conventional Doppler ultrasonic flowmeter.
  • FIG. 2 is a display example of a flow velocity distribution by a Doppler ultrasonic flow meter of the prior art.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating correction of a flow velocity distribution by a Doppler ultrasonic flowmeter of the prior art.
  • FIG. 4 is a system configuration diagram of a Doppler ultrasonic flowmeter according to Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a flowchart of a process of measuring a flow rate by the Doppler ultrasonic flow meter of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining calculation of the flow velocity distribution of the entire flow velocity distribution force by two ultrasonic transducers.
  • FIG. 7 is a flowchart of a process of measuring a flow rate by the Doppler ultrasonic flow meter according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a system configuration diagram of the Doppler ultrasonic flow meter according to the present embodiment.
  • the flow meter 1 is a device for measuring the flow rate of a fluid 10 to be measured flowing inside the pipe 2, and the measuring device 20 is connected to the pipe via ultrasonic transducers 3a and 3b provided outside the pipe 2. Take the configuration connected to 2.
  • the flow rate of the fluid to be measured such as a liquid flowing in the pipe 2 is applied to the outside force of the pipe 2 .
  • An ultrasonic wave having a predetermined frequency is incident at a predetermined angle, and the Doppler shift is also obtained for the reflected wave echo force.
  • the flow velocity distribution shape is calculated, and the flow velocity is obtained by integrating the flow velocity distribution shape.
  • the fluid 2 to be measured flows through the pipe 2.
  • the measuring device 20 flows in the pipe 2
  • the transmitter 21 for transmitting a pulse electric signal.
  • the pulse electric signal transmitted from the transmitter 21 is converted into an ultrasonic pulse, and the pulse is transmitted into the pipe 2.
  • Two ultrasonic transducers 3a and 3b which receive reflected echoes of ultrasonic waves reflected by the tracer in the pipe 2 and convert the reflected echoes into echo electric signals, and two ultrasonic transducers 3a And 3b, which are switched when connecting one of the two to the measuring device 20, and the AZD converter 22, which converts the reflected wave echoes detected by the two ultrasonic transducers 3a and 3b into digital signals.
  • the flow velocity calculation circuit 23 calculates the flow velocity distribution of the fluid 10 to be measured from the digital signal, and the ultrasonic flow transducer 3a or the ultrasonic
  • the flow velocity distribution calculation circuit 24 for calculating the flow velocity distribution based on the signal detected by the transducer 3b, and the flow velocity distribution calculated from the ultrasonic transducers 3a and 3b determine the flow rate of the fluid 10 to be measured. It comprises a flow rate calculation circuit 25 for calculating the flow rate.
  • the ultrasonic transducer 3a is arranged upstream of the flow of the fluid 10 to be measured, and the ultrasonic transducer 3b is arranged downstream.
  • the two ultrasonic transducers 3a and 3b arranged in a pair are symmetrically arranged on the extension of the measurement line ML.
  • the transmitter 21 includes an oscillator for generating an electric signal of an arbitrary frequency, and an emitter and a power for outputting the electric signal generated by the oscillator in a pulse form at a predetermined time interval (repetition frequency).
  • the pulse electric signal transmitted from the transmitter 21 is converted into an ultrasonic wave having a predetermined fundamental frequency (f) by the ultrasonic transducer 3a or 3b. Converted
  • the ultrasonic wave of the fundamental frequency f is transmitted from the ultrasonic transducer 3a or 3b into the pipe 2.
  • the incident ultrasonic wave travels straight through the pipe 2 along the measurement line ML.
  • a fluid 10 to be measured flows.
  • the ultrasonic wave of the fundamental frequency f that was traveling straight in the pipe 2 is reflected by the tracer such as bubbles contained in the fluid 10 to be measured.
  • the reflected ultrasonic echo travels straight along the measurement line ML, and again the ultrasonic transducer 3a! / ⁇ is detected by 3b respectively.
  • the ultrasonic echo received by the ultrasonic transducer 3a or the ultrasonic transducer 3b is amplified by an amplifier and then converted into a digital signal by the AZD converter 22. This digital echo signal force is input to the flow velocity calculation circuit 23.
  • the electrical signal for the zero wave and the digital echo signal obtained from the reflected wave are compared.
  • the frequency of the reflected wave is shifted by passing between the fluids 10 to be measured flowing at a high speed in the pipe 2.
  • the frequency difference between the two signals also calculates the flow velocity of the fluid 10 to be measured.
  • the flow velocity distribution calculation circuit 24 obtains a flow velocity distribution in the measurement area of the reflected wave along the measurement line ML.
  • the obtained flow velocity distribution is calibrated with the incident angle ⁇ of the ultrasonic wave to obtain a flow velocity distribution in a cross section perpendicular to the central axis 5 of the pipe 2.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a process of measuring the flow rate of the fluid to be measured by the pulse Doppler method. A series of processes for measuring the flow rate of the fluid to be measured is realized by causing the CPU to execute a program stored in a memory or the like (not shown) in FIG.
  • ultrasonic waves having the fundamental frequency f are input into the pipe 2 a plurality of times from the ultrasonic transducer 3a, reflected by the tracer, and reflected by the tracer.
  • step S201 the ultrasonic transducer 3a enters the super-frequency of the fundamental frequency f into the pipe 2.
  • step S202 sampling is performed to obtain data for calculating the frequency f of the reflected wave. Sampling is performed a plurality of times.
  • step S203 it is determined whether or not the force has been sampled a predetermined number of times. Sampling is performed a predetermined number of times! If there is no / (No in step S203), the process returns to step S201. When sampling has been performed a predetermined number of times (Yes in step S203), the process proceeds to step S204.
  • step S204 the Doppler frequency, which is the difference between the fundamental frequency f of the incident ultrasonic wave and the frequency f of the reflected wave, is calculated from the data obtained in steps S201 to S203. calculate.
  • step S205 the flow velocity is converted from the Doppler frequency obtained in the processing in step S204 to obtain a flow velocity distribution.
  • the flow velocity is calculated by the flow velocity calculation circuit 23 in FIG. 4, and the flow velocity distribution is calculated by the circuit 24a for the ultrasonic transducer 3a in the flow velocity distribution calculation circuit 24 in FIG.
  • the flow velocity distribution is obtained for the center axis 5 of the pipe 2 on the side opposite to the side where the ultrasonic transducer 3a is mounted.
  • FIG. 6A is a graph showing the flow velocity distribution in the pipe 2 calculated based on the data from the ultrasonic transducer 3a.
  • step S210 determines the flow velocity.
  • the flow velocity is calculated by the flow velocity calculation circuit 23 in FIG. 4, and the flow velocity distribution is calculated by the circuit 24b for the ultrasonic transducer 3b in the flow velocity distribution calculation circuit 24 in FIG.
  • the flow velocity distribution obtained in step S210 is V at the center axis 5 of the pipe 2, opposite to the side where the ultrasonic transducer 3b is attached, that is, in steps S201 to S205, the ultrasonic The rest is not calculated using User 3a.
  • (B) of FIG. 6 is a graph showing the flow velocity distribution in the pipe 2 calculated based on the data from the ultrasonic transducer 3b.
  • step S205 The flow velocity distribution on the tube wall side opposite to the center axis 5 of the ultrasonic transducer 3a and the pipe 2 determined in step S205 and the center of the ultrasonic transducer 3b and the pipe 2 determined in step S210.
  • step S211 By combining the data with the flow velocity distribution on the opposite side of the pipe wall with respect to the axis 5, the flow velocity distribution of the entire cross section perpendicular to the central axis 5 of the pipe 2 is obtained (step S211).
  • FIG. 6C is a graph showing the flow velocity distribution obtained by the processing in step S211.
  • V is integrated over the entire cross section perpendicular to the central axis 5 of the pipe 2 to obtain the flow rate of the fluid to be measured (step S212).
  • Two ultrasonic transducers are arranged on the extension of the measurement line so as to be symmetrical with respect to the center axis of the pipe. For each ultrasonic transducer, calculate the flow velocity distribution only on the side opposite to the side where the ultrasonic transducer is installed with respect to the center axis of the pipe. The flow velocity distribution close to the noisy ultrasonic transducer is not used to determine the overall flow velocity distribution. Thereby, even if the flow of the fluid to be measured is not symmetrical with respect to the center axis of the pipe, more accurate flow rate distribution, and thus, the flow rate can be measured. ⁇ Example 2>
  • the present embodiment relates to an example of a flow velocity distribution calculation method different from the method of the first embodiment.
  • description of points common to the first embodiment will be omitted, and only points having differences will be described.
  • the system configuration diagram of the Doppler ultrasonic flowmeter 1 according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, and therefore the description of the configuration is omitted here.
  • FIG. 4 the principle of measuring the flow rate by the Doppler ultrasonic flow meter according to the present embodiment will be described.
  • the pulse electric signal transmitted from the transmitter 21 is converted into an ultrasonic wave of the fundamental frequency f by the ultrasonic transducer 3a or 3b.
  • the ultrasonic transducer 3a or 3b First, one ultrasonic transducer 3a
  • the ultrasonic wave of the fundamental frequency f converted by the above is measured from the ultrasonic transducer 3a.
  • the fluid 10 enters the pipe 2 through which the fluid 10 flows.
  • the incident ultrasonic wave travels along the measurement line ML and is reflected by a tracer such as a bubble.
  • the reflected ultrasonic echo travels along the measurement line ML and is received by the ultrasonic transducer 3a.
  • the fundamental frequency f converted by the ultrasonic transducer 3b is calculated.
  • Ultrasonic waves are incident from the ultrasonic transducer 3b into the pipe 2 through which the fluid to be measured 10 flows.
  • the incident ultrasonic wave travels along the measurement line ML and is reflected by the tracer.
  • the reflected ultrasonic echo travels along the measurement line ML and is received by the ultrasonic transducer 3b.
  • Ultrasonic waves are alternately incident on the pipe 2 from the two ultrasonic transducers 3a and 3b, and after sampling is performed, a flow velocity distribution on the opposite side of the center axis of the pipe 2 is obtained for each.
  • the flow rate of the fluid 10 to be measured is obtained from the flow velocity distribution.
  • FIG. 7 is a flowchart of a process in which the Doppler ultrasonic flow meter according to the present embodiment measures a flow rate.
  • a series of processes for measuring the flow velocity of the fluid to be measured is realized by causing the CPU to execute a program stored in a memory or the like (not shown) in FIG.
  • ultrasonic waves are alternately transmitted from the two ultrasonic transducers.
  • Ultrasonic waves are reflected by the tracer contained in the fluid, and the reflected ultrasonic echo is received by the ultrasonic transducer that transmitted the ultrasonic waves.
  • the transmission of alternating ultrasonic waves by the two ultrasonic transducer forces is repeated a predetermined number of times.
  • an ultrasonic wave having a predetermined frequency (f) is incident on the flow of the fluid to be measured from the ultrasonic transducer 3a located on the upstream side.
  • f predetermined frequency
  • the ultrasonic wave is reflected by the tracer, and the ultrasonic echo is received by the ultrasonic transducer 3a.
  • the ultrasonic transducer 3b similarly receives an ultrasonic wave having a predetermined frequency f, and reflects the ultrasonic echo reflected by the tracer.
  • step S405 it is determined whether sampling has been performed a predetermined number of times. If the processing has not been performed the predetermined number of times (No in step S405), the process returns to step S401. If the measurement has been performed a predetermined number of times (Yes in step S405), the process proceeds to step S406.
  • step S406 a flow velocity distribution on the opposite side with respect to the ultrasonic transducer 3a and the center axis 5 of the pipe is calculated from the data obtained in steps S401 to S405.
  • step S407 the flow velocity distribution of the fluid 10 to be measured on the side opposite to the center axis 5 and the side where the ultrasonic transducer 3b is arranged is obtained from the received wave at the ultrasonic transducer 3b. Note that, regarding Step S406 and Step S407, the order of processing is not limited to the procedure of FIG. The process of step S407 may be performed first, and the process of step S406 may be performed later.
  • step S408 the ultrasonic transducers 3a and 3b obtained from step S406 and step S407 are arranged, and the piping is determined based on the flow velocity distribution of the fluid 10 to be measured on the opposite side with respect to the central axis 5 and the loop side. 2 Calculate the overall flow velocity distribution.
  • the flow velocity distribution of the entire pipe 2 is integrated over the entire cross section perpendicular to the central axis 5 of the pipe 2 to obtain the flow rate of the fluid 10 to be measured (Step S409).
  • the Doppler type ultrasonic flow meter according to the present embodiment has the same system configuration as that of the first embodiment, and therefore relates to the method of measuring the flow rate of the fluid to be measured.
  • a means for selecting which method is used for measurement may be provided.

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

明 細 書
ドップラー式超音波流量計
技術分野
[0001] 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 ブ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。
背景技術
[0002] 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。
[0003] まず、不図示の発振器にて所定の周波数 (基本周波数) f を発生させ、この基本周
0
波数 f の
0 周波数をェミッタ（不図示）に通す。生成された基本周波数 f のパルス
0 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 12 1から被測定流体の流れる配管 102内に対し、基本周波数 f のパルス電気信号が出
0
力される。パルス電気信号は、超音波トランスジユーサ 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。
[0004] 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、超音波トランスジユーサ 103によって受信される。 受信された超音波エコーは、超音波トランスジユーサ 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、 AZD 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。
[0005] 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 の
0 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力 被測定流体の流速を算出する。
[0006] 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。
[0007] 超音波トランスジユーサ 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、超音波トランスジユーサ 103内の超音波素子か ら出た超音波が、超音波トランスジユーサ 103端面や配管 102の内壁面で反射し、 配管 102内の粒子力 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 、ためである。
[0008] 力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っ 、て開示されて 、る ( 例えば、特許文献 1)。図 2は、その表示の一例である。超音波トランスジユーサが配 置されて!、るためノイズの大きくなる配管の管壁近傍の流速にっ 、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。
[0009] 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っ 、ては、ノイズが小さ！ヽ管壁側の流速分布データを外揷 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 (Α)の流速分布を示すノイズの大き ヽ流速分布 (Χη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 、領域 (Xmの領域）につ 、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、超音波トランスジユーサが配置さ 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。
特許文献 1：特開 2004— 12204号公報
特許文献 2 :特開平 10- 281832号公報
[0010] 上記の従来技術は、配管の中心軸に関し、超音波トランスジユ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。
発明の開示
[0011] 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
[0012] 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ユーサを備え、該 1対の超音波トランスジユーサは、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ユ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。
[0013] 超音波トランスジユーサ力 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 ンスジユーサ近傍にお ヽては、超音波トランスジユ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ユーサが、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 っ 、ては流速分布の算出に使用しな 、。
[0014] 流速分布を算出するには、 2つの超音波トランスジユーサのうち一方についてその 流速分布を求めて力 他方の超音波トランスジユ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ユーサ力 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ユーサの各々について流速分布を求めること としてちよい。
[0015] 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ユーサの配置されて いる側とは反対側について流速分布を求める。超音波トランスジユーサの端面や管 壁で反射した超音波によるノイズの大き 、側につ 、ては流速分布の算出に用 、な ヽ
。また、測定線に関し対称に 2つの超音波トランスジユ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。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]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。
[図 2]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。
[図 3]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。
[図 4]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。
[図 5]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。
[図 6]2つの超音波トランスジユーサによる流速分布力 全体の流速分布の算出を説 明する図である。
[図 7]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。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 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ユーサ 3aおよび 3bを介して測定装置 2 0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の外側力 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 の力も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。
[0018] 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ユーサ 3aおよび 3b、 2つの超音波トランスジユーサ 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ィッチ 26、 2つの超音波トランスジユーサ 3aおよび 3 bで検知された反射波エコーをデジタル信号に変換する AZD変 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、超音波トランスジユーサ 3aあるいは超音波 トランスジユーサ 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ユーサ 3aと超音波トランスジユーサ 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。超音波トランスジユーサ 3aは被測定流体 10の流れの上流に配置され、超音波 トランスジユーサ 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 ジユーサ 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。
[0019] 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ェ ミッタとカゝら構成される。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 とする）の超音波に変換する。変換さ
0
れた基本周波数 f の超音波を、超音波トランスジユーサ 3aあるいは 3bから配管 2内
0
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。
[0020] 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 の超音波が反射する
0
。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ユー サ 3aある!/ヽは 3bでそれぞれ検知される。 [0021] 超音波トランスジユーサ 3aあるいは超音波トランスジユーサ 3bで受信した超音波ェ コ一は、増幅器で信号を増幅したのち、 AZD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力 流速演算回路 23に入力される。
[0022] 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 の超音
0 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力も被測定流体 10の流速を算出す る。
[0023] 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。
[0024] 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 一チャートである。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。
[0025] まず、ステップ S201乃至ステップ S204の処理で、超音波トランスジユーサ 3aから 複数回基本周波数 f 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
0
周波数 (fとする）を求める。
[0026] ステップ S201では、超音波トランスジユーサ 3aから配管 2内に基本周波数 f の超
0 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力否かを判断する。所定回数サンプリングが行われて！/、な い場合 (ステップ S 203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。
[0027] 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 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、超音波トランスジユーサ 3 a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 音波トランスジユーサ 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、超音波トランスジユーサ 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。
[0028] 超音波トランスジユーサ 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、超音波トランスジユーサ 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 V、て超音波トランスジユーサ 3bの取り付けられた側とは反対側、すなわち先のステツ プ S201乃至ステップ 205で、超音波トランスジユーサ 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、超音波トランスジユーサ 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。
[0029] ステップ S205で求めた、超音波トランスジユーサ 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、超音波トランスジユーサ 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。
[0030] 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 V、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 ンスジユーサが配置される。各々の超音波トランスジユーサで、配管の中心軸に関し 超音波トランスジユ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ユ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。
[0031] 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!、て説明する。
[0032] 発信器 21から発信されたパルス電気信号が、超音波トランスジユーサ 3aあるいは 3 bにて基本周波数 f の超音波に変換される。まず、一方の超音波トランスジユーサ 3a
0
にて変換された基本周波数 f の超音波が、超音波トランスジユーサ 3aから、被測定
0
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に沿つ て進み、超音波トランスジユーサ 3aにて受信される。次に、超音波トランスジユーサ 3b にて変換された基本周波数 f の
0 超音波が、超音波トランスジユーサ 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 波トランスジユーサ 3bにて受信される。
[0033] 2つの超音波トランスジユーサ 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。
[0034] 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 一チャートである。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。
[0035] 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ユーサか 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ユーサで受信される。 2つの超 音波トランスジユーサ力 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。 [0036] 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 ジユーサ 3aから所定の周波数 (f とする）の超音波が入射される。ステップ S402では
0
、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ユーサ 3aにて受信 される。ステップ S403およびステップ S404では、超音波トランスジユーサ 3bについ ても同様に所定の周波数 f の超音波が入射され、トレーサで反射した超音波エコー
0
が超音波トランスジユーサ 3bにて受信される。
[0037] 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 テツプ S406へと進む。
[0038] 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、 超音波トランスジユーサ 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、超音波トランスジユーサ 3bにおける受信波から、超音 波トランスジユーサ 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〖こ関し、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。
[0039] 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 スジユーサ 3a、 3bそれぞれの配置されて 、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)。
[0040] 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。
[0041] この他、本発明は以上の例に限定されることなぐ更に種々変形して実施することが できる。

Claims

請求の範囲
[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 ランスジユーサを備え、該 1対の超音波トランスジユーサは、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ユ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ユーサのうち第 1の超音波トランスジユーサカも超音波を 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ユーザが 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 ジユーサ力 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ユーサが配 置されて!ヽる側とは反対側にっ ヽ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ユーサのうち第 1の超音波トランスジユーサカもと第 2の超 音波トランスジユーサカ 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ユーサおよび該第 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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